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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Derartige
Sensorelemente sind auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde"
bekannt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von
Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie.
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Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei
allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen
einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für
die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen)
Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer
Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt
eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette"
Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss)
eine Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
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Derartige
Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde",
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode
und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode
beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den
Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2)
oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden.
Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden
gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem
Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt
werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ =
1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger
Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet
werden, sind beispielsweise in
DE 10 2004 035 826 A1 ,
DE 199 38 416 A1 und
DE 10 2005 027 225
A1 beschrieben.
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Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen"
zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung"
an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden
angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle
gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen
bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden
Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch
derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser
Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen
muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse
keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet.
Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den
Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an
der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen
reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven
Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die
Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die
Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige
Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen
vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda
einsetzen.
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In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und
ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen
einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.
Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in
EP 0 678 740 B1 beschrieben.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck
in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden
Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt,
dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
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Breitband-Sensorelemente
in Einzeller-Anordnung mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden
weisen jedoch verschiedene Probleme auf. So wird in der Regel bei
einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom
(Magerpumpstrom) mit eindeutigem Zusammenhang zum Sauerstoffgehalt
des Gasgemisches gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der
Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom gemessen, selbst wenn die
angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 600–700 mV) deutlich
unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser
positive Pumpstrom ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen
molekularen Wasserstoff zurückzuführen, welcher
das elektrochemische Potenzial der Anode, also der ersten Elektrode, beeinflusst,
da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten
austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff auch Wasser
gebildet werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere
im Gasgemisch vorhandene Sauerstoffliefernde Redox-Systeme eine
Rolle, beispielsweise CO2/CO. Der Strom
ist also im Bereich fetter Gemische (Fettpumpstrom) durch den Wasserstoffgehalt im
Bereich der ersten Elektrode (z. B. Anode) und den Wasserdampfgehalt
(d. h. insbesondere den Zutritt des Wasserdampfes durch die oben
beschriebene Diffusionsbarriere) im Bereich der zweiten Elektrode
(z. B. Kathode) begrenzt. Die Problematik besteht nun insbesondere
darin, dass der Fettpumpstrom und der Magerpumpstrom elektrisch
dieselbe Richtung aufweisen, so dass aus dem Pumpstrom ein Rückschluss
auf die Zusammensetzung des Gasgemisches kaum mehr möglich
ist. Neben der beschriebenen Problematik im Bereich fetter Gemische
ist auch im Bereich leicht magerer Nichtgleichgewichts-Abgase eine
Verfälschung des Pumpstromes durch den Wasserstoff festzustellen,
welcher in diesem Bereich bereits vorhanden ist und einen positiven
Beitrag zum Pumpstrom liefert.
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Eine
weitere Problematik bekannter Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung
besteht darin, dass die Sensorelemente vorteilhafterweise auch zu
Diagnosezwecken für die Überwachung von Abgasnachbehandlungskomponenten einsetzbar
sein sollten. Verschärfte Gesetzbegebungen, insbesondere
in den USA, im Bereich der Diagnose missionsrelevanter Bauteile,
fordern im Rahmen einer so genannten „On-Board-Diagnose" (OBD)
die Überwachung aller Abgasnachbehandlungskomponenten auf
vorgegebene OBD-Grenzwerte, welche meist als Faktor des Emissionsgrenzwertes
angegeben werden. Auch beschichtete Katalysatoren (zum Beispiel
Oxidationskatalysator und NOx-Speicherkatalysator) müssen
dabei auf die Wirksamkeit ihrer Beschichtung bzw. ihre Funktionsfähigkeit überprüft
werden. Der Oxidationskatalysator ist verantwortlich für
die Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und CO.
So fordert beispielsweise die OBD-II-Gesetzgebung, dass der Oxidationskatalysator
auf Wirksamkeit der katalytischen Beschichtung überprüft
und als defekt erkannt wird, wenn die Emission den 1,75-fachen Grenzwert übersteigt.
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Bisherige
Ansätze verwenden die Temperaturen vor und hinter dem Katalysator,
um den Umsatz (exotherme Reaktion) im Katalysator abzuschätzen. Dieser
Umsatz dient wiederum als Maß für die Funktionsfähigkeit
der Beschichtung. Diese Verfahren können aber lediglich
eine qualitative Aussage hinsichtlich der Umsatzfähigkeit
des Katalysators ergeben und somit keine Grenzwertüberwachung
gewährleisten. Die gesetzlichen Anforderungen lassen sich
damit in der Regel nur schwer erreichen.
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Herkömmliche
Breitband-Sensorelemente in Einzeller-Anordnung sind jedoch lediglich
geeignet, um, behaftet mit den obigen Schwierigkeiten der Eindeutigkeit
der Kennlinie, um aus Ionenströmen auf eine Sauerstoffkonzentration
zurückzuschließen, nicht hingegen, um beispielsweise
Brenngaskomponenten zu messen. Zwar wäre prinzipiell auch
ein (zumindest vorübergehender) Einsatz derartiger Breitband-Sensorelemente
für eine Potentiometrische Messung möglich. Allerdings
sind herkömmliche Sensorelemente lediglich auf Sauerstoff
sensitiv und weisen als Sprungzellen einen steilen Potentialsprung
bei λ = 1 auf. Außerhalb dieses Bereichs verlaufen
die Potentialkennlinien nahezu flach, so dass hieraus praktisch
keine Information über die Gaszusammensetzung gewonnen
werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung mindestens einer
Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum vorgeschlagen, welches
die oben beschriebenen Nachteile vermeidet. Weiterhin wird eine
elektronische Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.
Das Verfahren verwendet mindestens ein Sensorelement mit mindestens
einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem
die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite
Elektrode verbindenden Elektrolyten. Eine Idee der Erfindung besteht
dabei darin, einerseits eine eindeutige Pumpstrom-Kennlinie zu erzielen,
indem die mindestens eine zweite Elektrode gegenüber dem
mindestens einen Gasraum abgeschirmt wird. Auf diese Weise werden Brenngasreaktionen
an der mindestens einen zweiten Elektrode vermieden. Eine weitere
Idee der Erfindung besteht darin, die mindestens eine erste Elektrode
als Brenngas-sensitive Elektrode auszugestalten. Zu diesem Zweck
wird vorgeschlagen, die mindestens eine erste Elektrode derart zu
gestalten, dass diese mindestens eine Mischpotential-Elektrode umfasst,
welche sensitiv ist gegenüber der Gaszusammensetzung, also
insbesondere sensitiv gegenüber Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid sein kann.
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Das
vorgeschlagene Verfahren umfasst dementsprechend mindestens zwei
Betriebszustände: Mindestens einen amperometrischen Messzustand,
in welchem zwischen die mindestens zwei Elektroden eine Pumpspannung
angelegt wird und ein Pumpstrom erfasst wird, wobei vorzugsweise
aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens
einer ersten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird. Der Begriff „Konzentration"
ist dabei weit auszulegen und umfasst sowohl eine Konzentration
im klassischen Sinne als Teilchenzahl pro Volumeneinheit, aber auch
andere mit der Konzentration korrelierbare Größen,
wie beispielsweise Partialdruck, Massenprozent oder Volumenprozent,
Molanteil oder ähnliches oder einfach ein Vohandensein
oder Nichtvorhandensein der mindestens einen ersten Gaskomponente.
Beispielsweise kann dies eine Sauerstoffkonzentration sein. Als Pumpspannungen
werden üblicherweise Spannungen zwischen 300 mV und 800
mV, insbesondere zwischen 600 mV und 700 mV verwendet. Dieser amperometrische
Messzustand entspricht somit dem üblichen Betriebszustand
einzelliger Breitbandsonden. Weiterhin ist jedoch in dem vorgeschlagenen Verfahren
mindestens ein potentiometrischer Messzustand vorgesehen, in welchem
mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode
und der mindestens einen zweiten Elektrode erfasst wird. Aus der
mindestens einen erfassten Spannung wird vorzugsweise auf eine Konzentration
(wobei dieser Begriff wieder weit auszulegen ist, vgl. oben) mindestens
einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen, beispielsweise,
wie oben beschrieben, auf eine Brenngaskonzentration, insbesondere
Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid.
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Im
Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten Platinelektroden
ist die Elektrodenfunktion (Elektrodenpotential) von Mischpotentialelektroden (Brenngas-sensitiven
Elektroden, Elektroden mit nicht-Nernstschem Verhalten) nicht mehr
thermodynamisch, sondern kinetisch bestimmt. Die Elektrodenpotentiale
weichen von der Nernst-Gleichung ab, und es entstehen je nach Gasgemisch-Zusammensetzung
Mischpotentiale. Diese Mischpotentiale führen zu Sensorsignalen,
die in direkter Korrelation zu den Nicht-Gleichgewichtsabgasen,
wie CO oder HC, stehen. Die Referenz im potentiometrischen Betrieb bildet
die abgeschirmte, mindestens eine zweite Elektrode.
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Insbesondere
kann die mindestens eine Mischpotentialelektrode mindestens ein
Elektrodenmaterial aufweisen, welches eine geringere elektrokatalytische
Aktivität aufweist als Platin. Weiterhin kann auch eine
Platinelektrode verwendet werden, welche eine Beimi schung eines
katalytisch inaktiven oder weniger katalytisch aktiven Metalls als
Platin aufweist, insbesondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer
und/oder Blei. Derartige Metallgemische haben sich aus Kompatibilitätsgründen
zum Herstellungsprozess (zum Beispiel Sinterbedingungen der Keramik)
und zu den Betriebsbedingungen (Temperatur, Atmosphäre,
etc.) als besonders geeignet erwiesen. Da sich beispielsweise Gold
vorwiegend an einer Platin-Oberfläche anlagert, beeinflussen
bereits geringe Mengen an Gold (0,1 bis 1%) die Elektrodenaktivität
massiv und führen zu einer messbaren Brenngassensitivität
der Elektrode. Da Gold jedoch bei üblichen Betriebstemperaturen
der Sensorelemente (zum Beispiel 780°C) einen hohen Dampfdruck
besitzt und teilweise abdampft, ist die Goldkonzentration so zu
wählen, dass über die Lebenszeit des Sensorelements
die Brenngassensitivität gewahrt bleibt. Dementsprechend
werden Beimischungen von Gold, Silber, Kupfer oder Blei im Bereich
zwischen 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 Gew.-%
und 1,0 Gew.-%, vorgeschlagen.
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Alternativ
kann als Mischpotentialelektrode auch eine Oxidelektrode verwendet
werden, insbesondere eine Metalloxid-Elektrode, beispielsweise auf
Perowskitbasis und/oder Chromitbasis und/oder Gallatbasis. Auch
Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe lassen sich einsetzen, sowie Gemische
einer Oxidkeramik mit Gold, Silber, Kupfer und/oder Blei.
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Zur
Realisierung einer Überwachung mindestens einer Funktion
mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (zum Beispiel mindestens
eines Filters und/oder mindestens eines Katalysators) kann insbesondere
eine der beschriebenen Sonden vor der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und
eine weitere nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung
eingesetzt werden. So kann beispielsweise ein Sensorelement nach
einem Abgasturbolader und ein weiteres Sensorelement nach einem
Oxidationskatalysator und/oder Dieselpartikelfilter und/oder Speicherkatalysator
platziert werden. Im amperometrischen Normalbetrieb wird dann die
Sauerstoffkonzentration bzw. Lambda gemessen und steht in gewohnter
Weise den entsprechenden Softwarefunktionen zur Verfügung.
Sollten entsprechende Überwachungsbedingungen vorliegen,
so kann der Betriebsmodus der Lambdasonde hin zum potentiometrischen
Betrieb geändert werden, so dass beispielsweise Kohlenwasserstoff-
und Kohlenmonoxidemissionen vor und nach den Katalysatoren gemessen
werden können. Aus diesen Informationen lässt
sich das Umsatzverhalten der Katalysatoren qualitativ und/oder quantitativ
bestimmen. Die Überwachung kann entweder passiv, zum Beispiel
während eines Regenerationsbetriebs (zum Beispiel eines
Dieselpartikelfilters und/oder Speicherkatalysators) oder aktiv
(zum Beispiel durch Temperaturregelung im Katalysator, zum Beispiel durch
eine entsprechende Nacheinspritzung) durchgeführt werden.
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Zur
Erreichung der eindeutigen Pumpstromkennlinie im amperometrischen
Betrieb mittels der genannten Abschirmung der mindestens einen zweiten
Elektrode kann beispielsweise die mindestens eine erste Elektrode über
mindestens einen Strömungswiderstandelement mit dem mindestens
einen umgebenen Gasraum verbunden sein, und die mindestens eine
zweite Elektrode mittels mindestens eines Diffusionswiderstandselementes.
Dabei kann das mindestens eine Strömungswiderstandselement und
das mindestens eine Diffusionswiderstandelement derart ausgestaltet
sein, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode
(üblicherweise der Pumpanode) kleiner ist als der Grenzstrom der
mindestens einen ersten Elektrode. Besonders bevorzugt werden dabei
Grenzströme eingestellt, bei welchen ein Verhältnis
kleiner 1/100, insbesondere kleiner 1/1000, vorliegt. Vorzugsweise
liegt der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode bei
1 bis 20 μA, besonders bevorzugt bei 10 μA, und der
Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode bei 500 μA
bis 6 mA, vorzugsweise bei 1,5 mA. Der Grenzstrom einer Elektrode
ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom, d. h.
der maximale Pumpstrom, welcher bei Steigerung der Pumpspannung
zwischen den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom
kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport
durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom,
welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche
die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig
durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise
wird das Sensorelement mit diesem Grenzstrom betrieben, d. h. mit
einer (siehe oben) ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport"
ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb
ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration.
Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als
Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch
Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben
wird.
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Die
Einstellung der Bedingung für das Grenzstromverhältnis
kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass das mindestens
eine Diffusionswiderstandselement einen größeren
Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement.
Der Diffusionswiderstand ist derjenige Widerstand, welchen ein Element
einem Konzentrationsunterschied zwischen den beiden Seiten des Elements
entgegensetzt und somit eine Diffusion behindert. Für diese
Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise
dasselbe Diffusionsmedium (zum Beispiel ein poröses Material)
für das mindestens eine Diffusionswiderstandselement und
das mindestens eine Strömungswiderstandselement eingesetzt
werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise
vor der mindestens einen zweiten Elektrode eine höhere Schichtdicke
verwendet wird als vor der mindestens einen ersten Elektrode. Altnativ
oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche
der Widerstandselemente erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest nähe rungsweise
proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung
stehenden Querschnittsfläche, und umgekehrt proportional
mit der Länge bzw. Schichtdicke der Widerstandselemente
an.
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Vorzugsweise
weist jedoch zusätzlich das mindestens eine Strömungswiderstandselement
einen größeren Strömungswiderstand auf
als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement. Dabei ist
der Strömungswiderstand als derjenige Widerstand definiert,
welchen ein Element einer Druckdifferenz zwischen beiden Seiten
des Elements entgegensetzt und damit eine Strömung zwischen
beiden Seiten des Elements verhindert. Der Strömungswiderstand
kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass eine Porengröße
eines porösen Mediums erhöht bzw. erniedrigt wird,
und/oder dass ein Kanalquerschnitt, eine Kanalgeometrie oder eine
Kanallänge variiert wird. Der oben beschriebene vorteilhafte
Zusammenhang zwischen den Grenzströmen bewirkt den oben
beschriebenen Abschirmeffekt der mindestens einen zweiten Elektrode
gegenüber den reduzierenden Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff.
Besonders günstig ist es, wenn diese Abschirmung dadurch
bewirkt wird, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement
einen Diffusionskanal aufweist, welcher die mindestens eine erste Elektrode
mit dem mindestens einen Gasraum und/oder mindestens einem Referenzraum
verbindet. Dieser Diffusionskanal sollte vorzugsweise eine große
Länge aufweisen, d. h. eine Länge, welche groß ist
gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle
bei der entsprechenden Betriebstemperatur des Sensorelements (beispielsweise
700 bis 800°C). Auf diese Weise lasst sich der Unterschied zwischen
Gasphasendiffusion und Strömungswiderstand maximal nutzen,
um eine Abschirmung der mindestens einen ersten Elektrode herbeizuführen. Hätten
nämlich Gasmoleküle in dem Diffusionskanal (wobei
natürlich auch mehrere Diffusionskanäle verwendet
werden können) keine anderen Stoßpartner außer
den Wanden des Diffusionskanals, so würde ein Transport
lediglich über eine Knudsendiffusion mit gleichem Verhalten
für Strömung und Diffusion auftreten. Durch die
Ausgestaltung als Diffusionskanal ergibt sich hingegen ein lediglich
geringer Diffusionstransport von Fettgas an die mindestens eine zweite
Elektrode und somit nur ein geringer Fettpumpstrom. Vorteilhafterweise
ist der mindestens eine Diffusionskanal mit einer Höhe
im Bereich zwischen 2 L bis 25 L und einer Breite im Bereich von
2 L bis 25 L sowie einer Länge im Bereich zwischen 0,5 mm
und 20 mm ausgestattet. Dabei ist L die mittlere freie Weglänge
der Moleküle des Gasgemischs bei einem Betriebsdruck des
Sensorelements, welcher üblicherweise im Bereich des Normaldrucks
liegt. Diese Dimensionierung des mindestens einen Diffusionskanals
hat sich als besonders günstig erwiesen, um die Diffusion
von Fettgas zur mindestens einen ersten Elektrode zu verhindern.
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Alternativ
oder zusätzlich zu dem geschriebenen Abschirmungsverfahren
lässt sich die mindestens eine zweite Elektrode auch dadurch
abschirmen, dass diese vollständig von dem Gasraum getrennt
wird. In diesem Fall kann diese mindestens eine zweite Elektrode
beispielsweise mit einem Referenzgasraum verbunden werden, beispielsweise über
einen Abluftkanal. Dieser Referenzgasraum ist von dem mindestens
einen Gasraum vollständig abgetrennt, wobei es sich beispielsweise
um einen Motorrauen handeln kann, welcher vom Abgasstrang getrennt
ist. In dem mindestens einen Abluftkanal kann dann beispielsweise
wieder ein poröses Element vorgesehen sein, beispielsweise
wiederum eine Al2O3-Keramik.
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Die
mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise eine einzelne
Elektrode umfassen, wobei zwischen amperometrischem und potentiometrischem
Messzustand jeweils umgeschaltet werden sollte. So kann beispielsweise
in diesem Fall eine Taktung erfolgen, wobei sich vorzugsweise amperometrische
und potentiometrische Taktzyklen nicht überschneiden. Die
Taktzyklen können beispielsweise derart gewählt
werden, dass während des amperometrischen Messzustandes
eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten
Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode zu der mindestens
einen zweiten Elektrode gepumpt wird, um dort während des
anschließenden potentiometrischen Taktzyklus als Referenz zur
Verfügung zu stehen.
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Alternativ
oder zusätzlich zu der beschriebenen Ausgestaltung der
mindestens einen ersten Elektrode kann auch ein Aufbau verwendet
werden, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode neben der
mindestens einen Mischpotentialelektrode weiterhin mindestens eine
Pumpelektrode umfasst. Die Pumpspannung wird dann zwischen Pumpelektrode
und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegt und zwischen
diesen Elektroden der Pumpstrom gemessen. Im potentiometrischen
Messzustand wird hingegen die Spannung zwischen der mindestens einen
Mischpotentialelektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode
gemessen. Auf diese Weise lassen sich die potentiometrischen Messungen
beispielsweise zumindest zeitweise gleichzeitig zur amperometrischen
Messung vornehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren
Sensorelements mit zwei Möglichkeiten der Abschirmung der
Pumpanode;
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2 eine
Pumpstromkennlinie bei abgeschirmter Anode;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren
Sensorelements mit innen liegender Pumpanode;
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen
liegenden Elektroden;
-
5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit innen
liegenden Elektroden;
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6 ein
Ausführungsbeispiel eines Sensorelements mit außen
liegender Kathode, innen liegender Anode und Abluftkanal;
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7 ein
Ausführungsbeispiel eines Sensorelements, bei welchem Mischpotentialelektrode
und Pumpkathode getrennt sind;
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8A ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer
Gaskomponente; und
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8B ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Systems zur Messung einer
Gaskomponente.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt,
welches für das erfindungsgemäße Verfahren
einsetzbar ist. Dabei handelt es sich um ein Sensorelement 110,
welches z. B. in einer Lambdasonde oder als Lambdasonde eingesetzt
werden kann, um die Gaszusammensetzung (Luftzahl) in einem Gasraum 112 zu
bestimmen. Das Sensorelement 110 ist in diesem Beispiel
als Radialdesign ausgebildet (wobei auch Lineardesigns möglich
sind), mit einem Festelektrolyten 114, auf welchem auf
einander gegenüberliegenden Seiten eine innenliegende Pumpkathode 116 als
erste Elektrode und eine außen, auf der dem Gasraum 112 zugewandten
Seite angeordnete Pumpanode 118 als zweite Elektrode angeordnet
sind. Im Betrieb werden zwischen die beiden Pumpelektroden 116, 118 Spannungen
im oben beschriebenen Bereich angelegt, und ein Strom wird zwischen
den beiden Elektroden 116, 118 gemessen (Pumpstrom
Ip). Allgemein sei im Folgenden angenommen,
dass die mindestens eine erste Elektrode als Pumpkathode 116 geschaltet wird,
und die mindestens eine zweite Elektrode des Sensorelements 110 als
Pumpanode 118. Auch eine andere Beschaltung ist jedoch
denkbar, oder auch eine Beschaltung, bei welcher, je nach Betriebszustand,
die Kathoden- und Anodenfunktion wechseln. Insbesondere wird die
Bezeichnung „Pumpkathode" bzw. „Pumpanode" verwendet,
unbeschadet der Möglichkeit, diese Elektroden im potentiometrischen
(d. h. im Allgemeinen stromlosen) Messzustand als Potentialelektroden
einzusetzen, zwischen denen die Spannung gemessen wird.
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Die
Pumpkathode 116 ist hierbei als brenngassensitive Elektrode
ausgebildet und weist beispielsweise eine Platinelektrode mit einer
Goldbeimischung auf. Auch andere Ausgestaltungen als Mischpotentialelektrode
gemäß der obigen Beschreibung sind möglich.
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Vor
der Pumpkathode 116 ist ein Kathodenhohlraum 120 in
Form eines rechteckigen Hohlraums ausgebildet. Durch ein Gaszutrittsloch 122 im
Sensorelement 110 tritt Gasgemisch aus dem Gasraum 122 in
das Sensorelement 110 ein und kann von dort in den Kathodenhohlraum 120 gelangen.
Zwischen Gaszutrittsloch 122 und Kathodenhohlraum 120 ist dabei
ein Strömungswiderstandselement 124 in Form eines
porösen, dichten Materials angeordnet, welches den Grenzstrom
der Pumpkathode 116 begrenzt und somit die Steigung der
Pumpstromkennlinie wesentlich bestimmt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des
Sensorelements 110 sind zwei verschiedene Möglichkeiten
dargestellt, Fettgasreaktionen an der Pumpanode 118 zu
unterdrücken und somit eine eindeutige Pumpstromkennlinie
zu erzielen. Während im rechten Teil der Darstellung (in
der 1 mit A bezeichnet) die Pumpanode 118 gegenüber
dem Gasraum 112 durch ein Diffusionswiderstandselement
in Form einer porösen Schutzschicht 126 abgeschirmt
ist, weist die Pumpanode 118 im linken Teil dieser schematischen
Darstellung (in 1 mit B bezeichnet) ein geometrisch
ausgestaltetes Diffusionswiderstandselement 128 auf. Dabei
ist die Pumpanode 118 von einer gasundurchlässigen
Deckschicht 130 umgeben, in welcher, über der
Pumpanode 118, ein rechteckiger Hohlraum 132 ausgebildet
ist. Dieser Hohlraum 132 ist mit dem Gaszutrittsloch 122 über
einen langen Diffusionskanal 134 verbunden, welcher in
das Gaszutrittsloch 122 mündet. Für die vorteilhaften
Dimensionierungen des Diffusionskanals 134 sei auf die
obige Beschreibung verwiesen. An der Mündungsstelle des
Diffusionskanals 134 in das Gaszutrittsloch ist eine Aufweitung 136 vorgesehen,
um zu verhindern, dass der Diffusionskanal 134 durch aus
dem Gasraum 112 eindringende Verschmutzungen zugesetzt
wird. Durch den Diffusionskanal 134 ist es einerseits möglich,
dass Sauerstoff, welcher sich an der Pumpanode 118 bildet,
in den Gasraum 112 abströmen kann. Andererseits
wird Brennraumgasen durch den langen Diffusionsweg ein Eindringen
in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 er schwert.
Der Hohlraum 132 bewirkt zusätzlich eine räumliche
Möglichkeit zur Abreaktion von eindringenden Brenngasen,
wie beispielsweise Wasserstoff, bevor diese die Pumpanode 118 erreichen
und dort unerwünschte Anodenreaktionen auslösen
können.
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Das
Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 lässt sich auf viele Weisen modifizieren.
So kann, abweichend von dem hier dargestellten Radialdesign, auch
ein lineares Design gewählt werden. Die beiden dargestellten
Möglichkeiten A und B lassen sich einzeln oder auch in
Kombination realisieren. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass
unterhalb der Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und
Festelektrolyt 114, welche zusammen eine Pumpzelle 138 bilden,
ein Heizelement 140 vorgesehen ist, welches sich aus Isolatorschichten 142 und dazwischen
angeordneten Heizwiderständen 144 zusammensetzt.
Mittels dieses Heizelements 140, welches als Temperierelement 146 wirkt,
lässt sich beispielsweise eine Betriebstemperatur des Sensorelements 110 auf
typischerweise 700–800°C einstellen, wobei die
Temperatur angepasst wird, um beispielsweise die elektrolytischen
Eigenschaften des Festelektrolyten 114 zu optimieren.
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In 2 ist
schematisch die Auswirkung der oben beschriebenen Maßnahmen
auf die Kennlinie (Pumpstrom Ip als Funktion
der Luftzahl λ) des in 1 dargestellten
Sensorelements 110 gezeigt. Der Pumpstrom Ip ist
dabei gegen die Luftzahl λ aufgetragen. Theoretisch sollte
der Pumpstrom Ip im fetten Bereich 210 bei
Null liegen, also auf der λ-Achse. Bei λ = 1 und
größeren λ-Werten (magerer Bereich 212)
sollte der Pumpstrom Ip dann annähernd
linear ansteigen mit der Luftzahl λ, was in 2 durch
die theoretische Kennlinie 214 gestrichelt dargestellt
ist. Tatsächlich ist in einzelligen Sensorelementen 110 mit
dem Gasgemisch ausgesetzten Pumpanoden 118 jedoch die Kennlinie 216 zu
beobachten, welche lediglich bei hohen λ-Werten an den
theoretischen Verlauf 214 angenähert ist. Im leicht
mageren Bereich, ungefähr bei λ = 1, weicht die
Kennlinie 216 dann jedoch vom theoretischen Verlauf 214 ab
und steigt hin zu kleineren λ-Werten sogar wieder an. Die Kennlinie 220 zeigt
die in B in 1 dargestellte Pumpanode 118,
bei welcher das Diffusionswiderstandselement 128 realisiert
ist. Deutlich ist zu erkennen, dass diese Kennlinie 220 dem
theoretischen Verlauf 214 gut angenähert ist.
Somit ist auch eine Messung bis hinunter zu kleinen λ-Werten,
d. h. λ-Zahlen knapp über 1, möglich.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt,
welches wiederum eine Pumpzelle 138 mit einer Pumpkathode 116 und
einer Pumpanode 118 und einem dazwischen liegenden Festelektrolyten 114 aufweist.
Die Pumpkathode 116 ist wiederum, wie oben beschrieben,
ganz oder teilweise aus dem brenngassensitiven Material hergestellt.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die
Pumpkathode 116 oben liegend auf dem Festelektroly ten 114 angeordnet,
und die Pumpanode 118 innen liegend. Über der Pumpkathode 116 ist,
zur Abschirmung gegenüber dem Gasraum 112, eine
gasundurchlässige Deckschicht 130 angeordnet,
so dass sich über der Pumpkathode 116 wiederum
ein näherungsweise rechteckförmiger Kathodenhohlraum 120 ausbildet.
Dieser Kathodenhohlraum 120 ist gegenüber dem
Gasraum 112 durch das Strömungswiderstandselement 124 abgeschirmt,
welches beispielsweise ausgestaltet ist wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 1.
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Wiederum
ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, welches in diesem
Falle jedoch nicht dem Zwecke einer Gaszuführung zur Pumpanode 118 dient
(wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 zur Gaszuführung
zur Pumpkathode 116), sondern einem Entweichen von Sauerstoff
aus einem Hohlraum 132 im Inneren des Sensorelements 110,
in welchem die Pumpanode 118 angeordnet ist. Dementsprechend
kann das Gaszutrittsloch 122, welches in diesem Falle eben
kein „Zutrittsloch" mehr ist, beispielsweise mit geringerem
Querschnitt ausgestaltet werden als das Gaszutrittsloch 122 im
Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Damit wird der Diffusionswiderstand zusätzlich erhöht.
Das Gaszutrittsloch 122 bildet also im Ausführungsbeispiel
gemäß 3 einen Teil eines Diffusionswiderstandselements 128,
welches eine Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 112 in
den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 verhindert
beziehungsweise verringert und gleichzeitig ein Abströmen
von Sauerstoff aus dem Hohlraum 132 ermöglicht.
Zusätzlich ist in 3 der Hohlraum 132 durch
ein poröses Element 310, wobei es sich vorteilhafterweise
um ein grobporiges, poröses Element handelt, gegenüber
dem Gasraum 112 abgeschirmt.
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In 4 ist
schließlich ein drittes Ausführungsbeispiel eines
Sensorelements 110 dargestellt, welches einen Schichtaufbau
mit auf derselben Seite des Festelektrolyten 114 angeordneter
Pumpkathode 116 und Pumpanode 118 realisiert.
Wiederum bilden Pumpanode 118, Pumpkathode 116 und
Festelektrolyt 114 eine Pumpzelle 138, wobei der
Pumpstrom jedoch nunmehr im Wesentlichen in horizontaler Richtung,
parallel zu den Schichtebenen, zwischen den Elektroden 116, 118 fließt. Über
der Pumpkathode 116, welche wiederum als Mischpotentialelektrode ausgebildet
ist, ist wieder ein Kathodenhohlraum 120 ausgebildet, welcher
gegenüber dem Gasraum 122 durch eine gasdichte
Deckschicht 130 abgeschirmt ist. Der Kathodenhohlraum 120 ist
mit dem Gasraum 122 über ein Strömungswiderstandselement 124 in Form
einer dichten, kleinporigen keramischen Schicht getrennt, analog
zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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Über
der Pumpanode 118 ist wiederum ein Hohlraum 132 ausgebildet,
welcher ebenfalls durch die gasdichte Deckschicht 130 gegenüber
dem Gasraum 122 abgetrennt ist. Der Hohlraum 132 ist
durch den einen Diffusionskanal 134 vom Gasraum 122 getrennt,
wobei ein poröses Element 310, analog zum Ausführungsbeispiel
in 3, in den Diffusionska nal 134 eingebracht
ist. Diffusionskanal 134 und poröses Element 310 wirken
zusammen als Diffusionswiderstandselement 128, wobei bezüglich
der Dimensionierung des Diffusionskanals 134 auf die obige
Beschreibung verwiesen werden kann.
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Weiterhin
ist, wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
auch im Ausführungsbeispiel gemäß 4 wiederum
ein Heizelement 140 vorgesehen. Im Gegensatz zu den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen ist bei dieser Planaren Anordnung
mit nebeneinanderliegenden Elektroden 116, 118 jedoch
im Beispiel gemäß 4 eine asymmetrische
Heizung realisiert, bei welcher Pumpanode 118 und Diffusionswiderstandselement 128 im räumlichen
Durchschnitt mit einer Temperatur beheizt werden, welche ca. 20%
unterhalb der mittleren Temperatur von Pumpkathode 116 und
Strömungswiderstandselement 124 liegt. Zu diesem
Zweck ist das Heizelement 140 derart angeordnet, dass dies lateral
die Pumpanode 118 und das Diffusionswiderstandselement 128 nicht
vollständig abdeckt, da sich das Heizelement 140 nicht
in gleichem Maße zum rechten Rand des Sensorelements 110 erstreckt
wie zum linken Rand. Durch diese erhöhte Betriebstemperatur
auf Seiten der Pumpkathode 116 wird ein Gaseinlass, welcher
in 4 symbolisch mit 410 bezeichnet ist,
aus dem Gasraum 122 in den Kathodenhohlraum 120 durch
das poröse Strömungswiderstandselement 124 (Diffusionsprozess)
begünstigt. Gleichzeitig wird durch die niedrigere Betriebstemperatur
auf Seiten der Pumpanode 118 zwar ein Ausströmen
von Sauerstoff (Gasausstrom 412) aus dem Hohlraum 132 in
den Gasraum 122 ermöglicht, wobei jedoch eine
Diffusion von Brenngasen aus dem Gasraum 122 in den Hohlraum 132 durch
den Diffusionskanal 134 und das poröse Element 310 aufgrund
der geringeren Temperatur unterdrückt werden.
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Bei
den Ausführungsbeispielen in den 1, 3 und 4 ist
die Pumpanode 118 zwar gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt,
ist jedoch dennoch mit diesem (über das Diffusionswiderstandselement 128)
verbunden. Im Gegensatz dazu zeigt 5 ein ebenfalls
erfindungsgemäß einsetzbares Ausführungsbeispiel
eines Sensorelements 110, bei welchem die Pumpanode 118 vollständig
vom Gasraum 112 getrennt ist und stattdessen über
einen Abluftkanal 510 mit einem Referenzgasraum 512 verbunden
ist, beispielsweise ein Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
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Das
Sensorelement 110 weist auf der dem Gasraum 112 zugewandten
Seite einen ersten Festelektrolyten 114, beispielsweise
wiederum einen Yttrium-stabilisierten Zirkoniumdioxid-Elektrolyten,
auf. Daneben ist ein zweiter, im Inneren des Sensorelements 110 angeordneter
Festelektrolyt 514 vorgesehen. Die Festelektrolyten 114, 514 werden
kontaktiert durch eine Pumpkathode 116 und eine Pumpanode 118,
welche jeweils zweiteilig ausgebildet sind, mit einer oberen, den
oberen Festelektrolyten 114 kontaktierenden Teilkathode 516,
einer unteren Teilkathode 518, welche den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert
einer oberen Teilanode 520, welche den oberen Festelektrolyten 114 kontaktiert
und einer unteren Teilanode 522, welche wiederum den unteren Festelektrolyten 514 kontaktiert.
Die beiden Teilkathoden 516 und 518 bzw. die beiden
Teilanoden 520, 522 sind jeweils miteinander verbunden
und bilden somit jeweils zusammen die Pumpkathode 116 bzw. die
Pumpanode 118. Die Aufspaltung in mehrere Teilelektroden
bewirkt eine vergrößerte Elektrodenoberfläche
und somit einen verringerten Innenwiderstand des Sensorelements 110.
Zwischen den Teilkathoden 516, 518 ist dabei ein
Kathodenhohlraum 120 vorgesehen und zwischen den beiden
Teilanoden 520, 522 ein Anodenhohlraum 132.
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Analog
zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 steht
der Kathodenhohlraum 120 über ein Gaszutrittsloch
und ein Strömungswiderstandselement 124 mit dem
Gasraum 120 in Verbindung. Die Pumpkathode 116 ist
wiederum, wie oben beschrieben, aus Brenngassensitivem Material
hergestellt. Die Pumpkathode 218 wird durch eine Kathodenzuleitung 524,
welche auf dem unteren Festelektrolyten 514 angeordnet
ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Kathodenanschluss 526 auf
der Oberseite des Festelektrolyten 114 und eine elektrische
Durchkontaktierung 528 kann die Pumpkathode 116 mit
einer entsprechenden elektronischen Steuervorrichtung (vergleiche
unten die 8A und 8B) verbunden werden
und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.
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Der
Anodenhohlraum 132 ist über den Abluftkanal 510 mit
dem Referenzgasraum 512 verbunden. Anodenhohlraum 132 und
Abluftkanal 510 sind dabei entweder ungefüllt
oder auch mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen
Füllelement 530 auf Al2O3-Basis gefüllt. In dem oben beschriebenen
mindestens einen amperometrischen Messzustand, in welchem Sauerstoff
von der Pumpkathode 116 zur Pumpanode 118 gepumpt
wird, dient der Abluftkanal 510 dazu, Sauerstoff unter
vergleichsweise geringem Strömungswiderstand zum Referenzgasraum 512 abzuleiten,
so dass im Anodenhohlraum 132 kein oder nur ein geringer Überdruck
entsteht. Im potentiometrischen Messzustand hingegen dienen, hier
wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, der
Anodenhohlraum 132 und der Abluftkanal 510, jeweils
mit dem porösen Füllelement 530, als
Luftreferenz zur potentiometrischen Bestimmung des Potentialunterschieds
zwischen den Elektroden 116, 118.
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Die
Pumpanode 118 ist über eine Anodenzuleitung 532 elektrisch
kontaktiert und über eine weitere elektrische Durchkontaktierung 534 im
Festelektrolyten 114 mit einem auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordneten
Anodenanschluss 536 verbunden. Über diesen Anodenanschluss 536 kann die
Pumpanode 118 beispielsweise mit ebenfalls mit der elektronischen
Steuervorrichtung (siehe unten die 8A und 8B)
verbunden werden, so dass beispielsweise (im amperometrischen Messzustand) zwischen
Pumpanode 118 und Pumpkathode 116 eine Spannung
(beispielsweise eine konstante Spannung) angelegt werden kann und/oder
ein Pumpstrom gemessen werden kann. Anodenzuleitung 532 und
Kathodenzuleitung 524 sind dabei in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 nebeneinander liegend angeordnet
und durch den Abluftkanal 510 gegeneinander getrennt. Alternativ
kann auch eine übereinander liegende Anordnung der Zuleitung 524, 532 realisiert
werden.
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Unterhalb
des unteren Festelektrolyten 514 ist wiederum ein Heizelement 140 angeordnet,
in welchem ein Heizwiderstand 144 zwischen zwei Isolatorschichten 142 eingebettet
ist. Der Heizwiderstand 144 kann über Durchkontaktierungen 538 in
einem Trägersubstrat 540 und Heizkontakte 542 elektrisch
kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Beispielsweise
kann dieser Heizstrom mit einer Regelung geregelt werden, welche beispielsweise
einen konstanten Innenwiderstand des Sensorelements 110 einstellt.
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Auch
mittels der in 5 dargestellten Anordnung des
Sensorelements 110 mit vollständig gegenüber
dem Gasraum 112 abgeschirmter Pumpanode 118 kann
die in 2 dargestellte eindeutige Kennlinie 220 realisiert
werden. Beim Einsatz als Lambda-Sonde wird dabei im mageren Bereich 212 ein
Pumpstrom entsprechend dem Sauerstoffpartialdruck gemessen, im fetten
Bereich 210 hingegen kein Strom, da kein freier Sauerstoff
vorliegt und da die gewählte Pumpspannung vorteilhafterweise
unterhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Somit kann
eine Brenngasoxidation an der innen liegenden, abgeschirmten, Brenngas-blinden
Pumpanode 118 auftreten. Dadurch lässt sich ein
kostengünstiges, als Einzeller aufgebautes Sensorelement 210 realisieren,
welches beispielsweise auch für den Einsatz in Dieselfahrzeugen
geeignet ist.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt,
welches erfindungsgemäß eingesetzt werde kann.
Dieses Sensorelement 110 kombiniert Wesensmerkmale der
Ausführungsbeispiele gemäß den 3 und 5.
So weist das Sensorelement 110 wiederum einen Festelektrolyten 114 auf,
wobei, analog zum Ausführungsbeispiel in 3,
auf der dem Gasraum 112 zugewandten Seite des Festelektrolyten 114 eine
Pumpkathode 116 angeordnet ist, und auf der dem Gasraum 112 abgewandten,
innen liegenden Seite des Festelektrolyten 114 eine Pumpanode 118.
Die Pumpkathode 116 ist dabei wiederum als Mischpotentialelektrode
ausgebildet, mit in diesem Ausführungsbeispiel einer Cermet-Elektrode 610 und
einem Kontaktrahmen 612. Analog zum Ausführungsbeispiel
in 3 ist die Kathode durch eine gasundurchlässige
Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt,
wobei wiederum ein Strömungswiderstandselement 124 vorgesehen
ist, welches ein Eindringen von Gasgemisch aus dem Gasraum 112 in
den Kathodenhohlraum 120 ermöglicht. Die Pumpkathode 116 wird
wiederum durch eine Katho denzuleitung 524, welche auf der
Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, sowie
einen Kathodenanschluss 526 elektrisch kontaktiert.
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Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 steht
die innen liegende Pumpanode 118 jedoch nicht über
ein Gaszutrittsloch 122 mit dem Gasraum 112 in
Verbindung, sondern ist, analog zum Ausführungsbeispiel
in 5, vollständig vom Gasraum 112 getrennt
und steht über einen Abluftkanal 510 mit einem
Referenzgasraum 512 in Verbindung. Unterhalb der Pumpkathode 118 ist
wiederum ein Anodenhohlraum 132 vorgesehen. Anodenhohlraum 132 und
Abluftkanal 510 sind wiederum mit einem porösen
Füllelement 530 gefüllt. Analog zur obigen Beschreibung
der 5 dient, je nach Messzustand, der Abluftkanal 510 bzw.
der Anodenhohlraum 132 zur Abfuhr von Sauerstoff aus dem
Anodenbereich bzw. als Referenzgasraum für eine potentiometrische Messung.
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Die
Pumpanode 118 wird wiederum über eine Anodenzuleitung 532,
eine elektrische Durchkontaktierung 534 und einen Anodenanschluss 536 auf
der Oberfläche des Festelektrolyten 114 elektrisch
kontaktiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Anodenzuleitung 532 und
der Abluftkanal 510 teilweise überlappend ausgebildet.
Der Aufbau des Sensorelements 110 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 6 bietet
im Wesentlichen dieselben Vorteile wie der Aufbau gemäß 5,
wobei jedoch auf eine der technisch aufwendigen Durchkontaktierungen
im oberen Festelektrolyten 114 verzichtet werden kann.
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Die
Ausführungsbeispiele des Sensorelements 110 gemäß den 1, 3, 4, 5 und 6 weisen
als erste Elektrode lediglich die Pumpkathode 116 auf.
Diese Pumpkathode 116 wird somit sowohl im amperometrischen
Messzustand eingesetzt (lediglich in diesem Fall handelt es sich um
eine echte „Pumpelektrode") als auch im potentiometrischen
Messzustand. Da amperometrische Messung und potentiometrische Messung
nur schwer gleichzeitig durchführbar sind, wird in der
Regel der oben beschriebene getaktete oder zyklische Betrieb eingesetzt,
in welchem zwischen den Messzuständen umgeschaltet wird.
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In 7 ist
demgegenüber ein Ausführungsbeispiel dargestellt,
in welchem Pumpkathode 116 und Mischpotentialelektrode 710 als
getrennte Elektroden ausgebildet sind. Dabei entspricht der Aufbau des
Sensorelements 110 im Wesentlichen dem Aufbau des Sensorelements 110 gemäß 5,
so dass bezüglich der einzelnen Elemente und des Aufbaus weitgehend
auf die obige Beschreibung zu dieser Figur verwiesen werden kann.
Wiederum sind zweiteilige, nebeneinander liegend, innen liegende
Pumpelektroden 116, 118 vorgesehen, wobei die
Pumpkathode 116 über ein Gaszutrittsloch 122 und
ein Strömungswiderstandselement 124 mit Gasgemisch
aus dem Gasraum beaufschlagt werden kann. In diesem Fall ist die
Pumpkathode 116 jedoch vorzugsweise aus einem üblichen,
d. h. nicht- Brenngas-sensitivem Material, wie beispielsweise Platin
(oder ein Platin-Cermet) hergestellt. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
die Pumpkathode 118 vollständig gegenüber
dem Gasraum 112 abgeschirmt und über einen Abluftkanal 510 mit
dem Referenzgasraum 512 verbunden.
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Zusätzlich
zur Pumpkathode 116 weist das Sensorelement 110 gemäß 7 auf
der Oberseite des oberen, dem Gasraum 112 zugewandten Festelektrolyten 114 die
beschriebene Mischpotentialelektrode 710 auf, welche derart
angeordnet ist, dass sich diese in ihrer senkrechten Projektion
zumindest teilweise mit der Pumpanode überlappt. Die Mischpotentialelektrode 710 weist
eines der oben beschriebenen Brenngas-sensitiven Elektrodenmaterialien auf.
Die Mischpotentialelektrode 710 ist über eine Mischpotentialelektrodenzuleitung 712,
welche ebenfalls auf der Oberfläche des Festelektrolyten 114 angeordnet
ist, mit einem Potentialkontakt 714 verbunden, so dass
das Sensorelement 110 nun auf seiner Oberfläche 3 Elektrodenkontakte 526, 536 und 714 aufweist.
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Während
sich in den vorhergehenden Beispielen die Pumpzelle und die Potentialzelle
jeweils bauteilidentisch aus den Elektroden 116, 118 und
den Festelektrolyten 114, 514 zusammensetzten,
sind Pumpzelle und Potentialzelle nunmehr getrennt. Während
die Pumpzelle nach wie vor aus den Elektroden 116, 118 und
den Festelektrolyten 114, 514 gebildet wird, bilden
die Mischpotentialelektrode 710, der obere Festelektrolyt 114 und
die Pumpanode 118 nunmehr zusätzlich die Potentialzelle.
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In
den 8A und 8B sind
zwei Ausführungsbeispiele von Systemen 810 dargestellt,
mittels derer mit Hilfe der oben beschriebenen Sensorelemente 110 mindestens
eine Gaskomponente eines Gasgemischs im Gasraum 112 gemessen
werden kann. Das System 810 weist jeweils mindestens ein Sensorelement 110 auf,
beispielsweise eines der oben beschriebenen Sensorelemente. Vorzugsweise werden
dabei mehrere Sensorelemente 110 eingesetzt, beispielsweise
Sensorelemente im Abgasstrang vor und nach entsprechenden Abgasnachbehandlungsvorrichtungen.
Zur Vereinfachung ist hier jedoch nur ein Sensorelement 110 dargestellt.
Dabei zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 8A ein Beispiel,
bei welchem ein Sensorelement 110 verwendet wird, bei welchem
die mindestens eine erste Elektrode 116 einstückig
ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 8B ist
hingegen die erste Elektrode zweistückig ausgebildet, mit
einer Mischpotentialelektrode 710, welche von der Pumpkathode 116 getrennt
angeordnet ist, analog beispielsweise zum Ausführungsbeispiel
gemäß 7.
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Das
erfindungsgemäße System 810 umfasst,
neben den mindestens einen Sensorelement 110, eine elektronisch
Steuervorrichtung 812, welche in diesen Figuren lediglich
schema tisch und symbolisch dargestellt ist. Die elektronische Steuervorrichtung 812 kann
beispielsweise als integraler Bestandteil des Sensorelements 110 ausgebildet
sein, als separates Bauteil, oder sie kann dezentralisiert und teilweise
in das Sensorelement 110 integriert ausgebildet sein.
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Die
elektronische Steuervorrichtung umfasst eine amperometrische Messvorrichtung 814 und
eine potentiometrische Messvorrichtung 816. Die amperometrische
Messvorrichtung weist eine Spannungsquelle 818 auf, beispielsweise
eine regelbare Spannungsquelle, mittels derer in dem mindestens
einen amperometrischen Messzustand die Pumpelektroden 116, 118 mit
einer Pumpspannung beaufschlagt werden können. Weiterhin
ist eine Strommessvorrichtung 820 vorgesehen, mittels derer
in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand der Pumpstrom
Ip gemessen werden kann. Pumpspannungsquelle 818 und
Strommessvorrichtung 820 werden von einer zentralen Steuereinheit 822 angesteuert
bzw. ausgelesen, welche beispielsweise elektronische Bauteile und/oder
einen Mikrocomputer enthalten kann.
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Die
potentiometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsmessvorrichtung 824 auf.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8A die Spannungsmessvorrichtung 824 die
Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden 116, 118 misst, erfolgt
in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8B eine
Messung zwischen der Mischpotentialelektrode 710 und der
Pumpanode 118, wobei letztere in diesem Fall nicht als
Pumpelektrode fungiert, sondern als Potentialelektrode. Auch die
potentiometrische Messvorrichtung 816 wird über
die zentrale Steuereinheit 822 angesteuert und ausgelesen.
Die zentrale Steuereinheit 822 steht über eine
Schnittstelle 826 mit anderen Komponenten in Verbindung,
so dass beispielsweise Regelsignale zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors
und/oder von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von der elektronischen Steuervorrichtung 812 abgegeben
werden können, oder dass die elektronische Steuervorrichtung 812 von
außen entsprechend angesteuert werden kann, um beispielsweise
in einem Regenerationsbetrieb eines Katalysators den potentiometrischen
Messzustand einzustellen, und in einem Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs
den amperometrischen Messzustand. Weiterhin kann die elektronische
Steuervorrichtung 812 auch eine Einrichtung zum Takten
der Messzustände enthalten, beispielsweise um einen regelmäßigen
Wechsel zwischen einem amperometrischen und einem potentiometrischen
Messzustand einzustellen. Die von der elektronischen Steuervorrichtung 812 gewonnenen
Informationen können beispielsweise im Rahmen einer On-Board-Diagnose
(OBD) verwendet werden, von einer zentralen Motorsteuerung zur Steuerung
des Verbrennungsmotors eingesetzt werden und/oder über
einen Bordcomputer an einen Fahrer übermittelt werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise eine Fehlfunktion eines Katalysators,
d. h. ein Überschreiten vorgegebener Grenzwerte hinsichtlich
zum Bei spiel einer Brenngasemission, unmittelbar erkannt und eine
entsprechende Warnung ausgegeben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004035826
A1 [0003]
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- - DE 102005027225 A1 [0003]
- - EP 0678740 B1 [0005]