DE102008002735A1

DE102008002735A1 - Sensorelement einer Lambdasonde

Info

Publication number: DE102008002735A1
Application number: DE200810002735
Authority: DE
Inventors: Goetz Reinhardt; Henrico Runge; Holger Reinshagen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-31
Also published as: WO2009156008A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensorelement (10) einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Sensorelement (10) zeichnet sich dadurch aus, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement einer Lambdasonde nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, das insbesondere zum Erfassen des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist.
Mit der Luftzahl Lambda wird in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten Luftmasse, der stöchiometrischen Luftmasse, bezeichnet. Entsprechend weisen fette Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss, eine Luftzahl Lambda < 1 auf, während magere Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Luftüberschuss, eine Luftzahl Lambda > 1 aufweisen.
Stand der Technik
In der DE 199 41 051 A1 ist eine Breitband-Lambdasonde beschrieben, die einen Messgas-Hohlraum aufweist, welche über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersuchenden Abgas verbunden ist. Im Messgas-Hohlraum ist eine innere Pumpelektrode angeordnet, die mit einer äußeren, dem Abgas ausgesetzten Pumpelektrode und einem zwischen den Pumpelektroden liegenden Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten eine Pumpzelle bildet. Mit der Pumpzelle können Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten aus dem Messgas-Hohlraum oder in den Messgas-Hohlraum hineingepumpt werden. Neben der Pumpzelle ist eine Messzelle vorhanden, die zwischen der inneren Pumpelektrode und einer Referenzgaselektrode liegt. Die innere Pumpelektrode und die Referenzgaselektrode sind ebenfalls von einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt. Die Referenzgaselektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet.
Die Messzelle entspricht einer Nernstzelle, bei der die sich im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Potenzialdifferenz dem Logarithmus des Verhältnisses des Partialdrucks des zu untersuchenden Gases im Messgas-Hohlraum und des Partialdrucks der Luft im Referenzgaskanal proportional ist. Ziel einer Messung des Abgaslambdas ist es, den Sauerstoffpartialdruck im Messgas-Hohlraum derart zu beeinflussen, dass das Nernstpotenzial konstant auf einem bestimmten Wert (beispielsweise 450 mV) verharrt, der näherungsweise Lambda = 1 entspricht. Eine Schaltungsanordnung stellt zu diesem Zweck eine Pumpspannung bereit, mit der die äußere Pumpelektrode beaufschlagt wird. Die Pumpspannung führt zu einem Pumpstrom. Die Polarität und der Betrag des Pumpstroms hängen davon ab, ob und um welchen Betrag die bestimmte Nernstspannung über- oder unterschritten ist. Der sich einstellende Pumpstrom ist ein Maß für das Abgaslambda.
In der DE 10 2006 061 954 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist eine im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Lambdasonde einfachere Lambdasonde angegeben, bei der die äußere Pumpelektrode entfallen ist. Die einfache kostengünstige Lambdasonde ist insbesondere zur Lambdamessung des Lambdas in einem Abgaskanal eines mager betriebenen Verbrennungsmotors geeignet. Die Lambdasonde enthält eine erste Elektrode sowie eine zweite Elektrode, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten miteinander verbunden sind. Die erste, in einem Messgas-Hohlraum angeordnete Elektrode ist über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersuchenden Abgas verbunden. Die zweite Elektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet. Der Referenzgaskanal kann mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen Füllmaterial gefüllt sein. Durch die gegebenenfalls vorgesehene Füllung des Referenzgaskanals sowie dessen geometrische Ausgestaltung soll erreicht werden, dass einerseits ein optimaler Abtransport von Sauerstoff von der zweiten Elektrode gewährleistet ist und dass andererseits ein Eindringen von Verunreinigungen in den Referenzgaskanal verhindert wird.
Die bekannte Lambdasonde ist als Grenzstrom-Magersonde realisiert, bei welcher ein Pumpstrom durch Anlegen einer ausreichend hohen Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden auftritt, der zunächst im Bereich Lambda > 1 bis Lambda = 1 proportional zur Luftzahl Lambda ist. Durch Beaufschlagung der beiden Elektroden mit einem Potenzial, das der sich zwischen den beiden Elektroden einstellenden Nernstspannung entgegengerichtet ist, kann mit der bekannten Lambdasonde auch im fetten Lambdabereich gemessen werden. Da die Nernstspannung im mageren Bereich gering ist (et wa 200 mV) und im fetten Bereich auf einen höheren Wert (etwa 900 mV) springt, kann die an die Elektroden anzulegende Pumpspannung sowohl im mageren als auch im fetten Bereich dieselbe Polarität aufweisen, wobei das Potenzial im mageren Bereich auf einen höheren Wert als im fetten Bereich festzulegen ist. Unter Berücksichtigung der sich in unterschiedlichen Betriebszuständen einstellenden Nernstspannung weist die zwischen den Grenzschichten hinter den Elektroden auftretende effektive Pumpspannung für die negativen Sauerstoffionen beim Übergang vom fetten zum mageren beziehungsweise umgekehrt einen Vorzeichenwechsel auf, sodass die negativen Sauerstoffionen bei magerem Abgas von der ersten zur zweiten Elektrode und bei fettem Abgas von der zweiten zur ersten Elektrode transportiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement einer Lambdasonde anzugeben, die zum Erfassen des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist, wobei der Verbrennungsmotor einerseits mager und andererseits zumindest zeitweise fett betrieben wird.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement einer Lambdasonde zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geht von einer ersten in einem Messgas-Hohlraum angeordneten Elektrode und einer zweiten in einem Referenzgaskanal angeordneten Elektrode aus, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten verbunden sind. Erfindungsgemäß ist im Referenzgaskanal ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher vorgesehen, der einen Strömungspfad zum Abgaskanal aufweist.
Die gezielte Herausbildung des Sauerstoffspeichers bedeutet, dass Maßnahmen ergriffen sind, welche zumindest temporär die Speicherung von Sauerstoff im Referenzgaskanal oder zumindest die Bereitstellung von Sauerstoff an der zweiten Elektrode sicherstellen.
Der Strömungspfad zum Abgaskanal ermöglicht einen Sauerstofftransport insbesondere im Falle eines Sauerstoff-Überdrucks im Sauerstoffspeicher. Der Strömungspfad zum Abgaskanal kann auf einfache Weise in der Struktur der Lambdasonde vorgesehen werden. Die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme erhöht den Freiheitsgrad bei der Realisierung der Lambdasonde. Die Realisierung ist dadurch nicht auf einen Strömungspfad beschränkt, der in der Umgebungsluft mündet, der jedoch zusätzlich vorgesehen sein kann.
Der Sauerstoffspeicher stellt zumindest für eine bestimmte Messzeit Sauerstoff zur Verfügung, der während der Messung im fetten Abgas bei Lambda < 1 vom Referenzgaskanal in den Messgas-Hohlraum durch den Festelektrolyten zurückgepumpt werden kann. Dadurch kann zumindest für die bestimmte Messzeit bei einem fetten Abgas gemessen werden. Die Messzeit richtet sich hierbei nach dem zur Verfügung stehenden Sauerstoff an der zweiten Elektrode.
Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde eignet sich insbesondere zur Lambdamessung im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, der zwar hauptsächlich mager betrieben wird, der jedoch zeitweise fett oder zumindest stöchiometrisch betrieben wird. Ein solcher Betrieb des Verbrennungsmotors ist insbesondere vorgesehen, wenn im Abgaskanal Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise ein NO_x-Speicherkatalysator oder ein Partikelfilter angeordnet sind. In den Fettphasen werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgaskanal eingetragen. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe können im Abgaskanal beispielsweise mit im Abgas vorhandenem Restsauerstoff exotherm reagieren, um Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NO_x-Speicherkatalysatoren, Partikelfilter und dergleichen zu beheizen, oder können zum Regenerieren von Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NO_x-Speicherkatalysatoren herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde ermöglicht somit die Lambdaregelung nicht nur im mageren Bereich, sondern zumindest für die bestimmte Messzeit auch im fetten oder zumindest stöchiometrischen Lambdabereich.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der dem Abgaskanal zugewandten Stirnseite des Sensorelements mündet. Alternativen, die auch zusätzlich vorgesehen sein können, sehen vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder auf wenigstens einer Seitenfläche des Sensorelements mündet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher an der zweiten Elektrode angrenzt. Wenn der Sauerstoffspeicher benachbart zur zweiten Elektrode vorgesehen ist, steht im Bedarfsfall bei der Vorgabe eines fetten Lambdas der eingespeicherte Sauerstoff sofort für den Pumpvorgang zur Verfügung.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum enthält und dass am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals ein Strömungswiderstand vorgesehen ist. Im Sauerstoffspeicher-Hohlraum kann während des mageren Betriebs des Verbrennungsmotors ein Sauerstoffüberdruck aufgebaut werden. Ein Verlust des Sauerstoffs wird durch den Strömungswiderstand gedrosselt.
Eine besonders einfache Realisierung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher-Hohlraum einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals aufweist und dass der Strömungswiderstand entsprechend durch einen geringeren Querschnitt realisiert ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung im Bereich der zweiten Elektrode vorgesehen ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal im Bereich des von der zweiten Elektrode abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher-Hohlraums beginnt.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Strömungswiderstand und/oder der Referenzgaskanal zumindest teilweise mit einer Abluft-Diffusionsbarriere realisiert sind. Neben der Drosselung des Sauerstoffstroms verhindert die Abluft-Diffusionsbarriere das Eindringen von Verschmutzungen in den Referenzgaskanal.
Zusätzlich zur Abluft-Diffusionsbarriere kann eine Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehen sein, die beispielsweise eine hohe Porosität zur Speicherung von Sauer stoff aufweist. Der Sauerstoffspeicher ist dadurch zumindest teilweise durch die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere realisiert.
Eine Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass zusätzlich ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode angrenzt. Dadurch steht im Bedarfsfall besonders schnell Sauerstoff zur Verfügung.
Eine andere Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft-Diffusionsbarriere. Mit dieser Maßnahme kann das für den Sauerstoffspeicher zur Verfügung gestellte Volumen variiert werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher ein Material enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Ein solches Material ist beispielsweise ein nicht stöchiometrisches Oxid wie beispielsweise dotiertes CeO_2-x oder La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d. Ein solches nicht stöchiometrisches Oxid speichert Sauerstoff über eine chemische Reaktion.
Beispielsweise kann die Abluft-Diffusionsbarriere, bevorzugt jedoch die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere zumindest abschnittsweise das Sauerstoff speichernde Material enthalten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Sauerstoff speichernde Material zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals aufgebracht ist. Eine zusätzliche oder alternative Maßnahme sieht vor, dass das Material auf der zweiten Elektrode aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode das Material enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt ein technisches Umfeld, in welchem eine Lambdasonde eingesetzt werden kann,
2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda > 1,
3 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda < 1,
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement einer Lambdasonde mit einem Sauerstoffspeicher-Hohlraum und einem Strömungswiderstand,
5 zeigt das Sensorelement mit einem Sauerstoffspeicher-Hohlraum, wobei Schnittlinien A'-A'' und B'-B'' eingetragen sind,
6 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in 5 gezeigten Schnittlinie A'-A'',
7 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in 5 gezeigten Schnittlinie B'-B'',
8 zeigt das Sensorelement mit einem als Kanal ausgebildeten Sauerstoffspeicher-Hohlraum,
9 zeigt das in 8 dargestellte Sensorelement mit unterschiedlichen Strömungspfaden zum Abgaskanal,
10 zeigt das Sensorelement mit einer Abluft-Diffusionsbarriere und einer zusätzlichen Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere,
11 zeigt das in 10 gezeigte Sensorelement mit einem zusätzlichen Sauerstoffspeicher-Hohlraum im Bereich der zweiten Elektrode,
12 zeigt einen als Kanal ausgebildeten Sauerstoffspeicher-Hohlraum, der in einer weiteren Ebene des Sensorelements angeordnet ist,
13 zeigt das Sensorelement, bei welchem der Sauerstoffspeicher zumindest teilweise als Sauerstoff speicherndes Material realisiert ist und
14 zeigt das Sensorelement gemäß 13, bei welchem das Sauerstoff speichernde Material der zweiten Elektrode zugeordnet ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 2, in dessen Abgaskanal 4 eine Lambdasonde 6 angeordnet ist, die ein erfindungsgemäßes Sensorelement 10 enthält.
2 zeigt das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6, das einem Abgasstrom 12 des Verbrennungsmotors 2 ausgesetzt ist. Ein Teil des Abgases gelangt über einen Zuluftkanal 14 und über eine Abgas-Diffusionsbarriere 16 in einen Messgas-Hohlraum 18, in dem eine erste Elektrode 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 20 ist über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten 22 mit einer zweiten Elektrode 24 verbunden, die in einem Referenzgaskanal 26 angeordnet ist, der über einen Strömungspfad 80 zur Umgebungsluft führt. Der Messgas-Hohlraum 18 und der Referenzgaskanal 26 und damit die beiden Elektroden 20, 24 sind über eine gasdichte Trennschicht 32 voneinander getrennt. Zur Beheizung des Sensorelements 10 ist ein Heizelement 34 vorgesehen.
2 zeigt den Betrieb des Sensorelements 10 speziell bei einem mageren Abgasstrom 12. Die beiden Elektroden 20, 24 sind an einer nicht näher gezeigten Pumpspannungsquelle angeschlossen, die eine Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m zur Verfügung stellt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 liegt. Die Pumpspannungsquelle wird beispielsweise auf 800 mV eingestellt. Im mageren Betrieb tritt zwischen den beiden Elektroden 20, 24 eine Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m auf, die vergleichsweise gering ist und beispielsweise bei 200 mV liegt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Die Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m sowie die Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m überlagern sich, sodass zwischen den beiden Elektroden 20, 24 für den Transport von Sauerstoffionen eine effektive Magerbetrieb-Pumpspannung UPeff, m zur Verfügung steht, die der Differenz zwischen der Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m und der Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m, also etwa 600 mV entspricht, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Dadurch findet ein Magerbetrieb-Sauerstoffionen-Transport O^2–m von der ersten zur zweiten Elektrode 20, 24 statt, sodass Sauerstoff vom Messgas-Hohlraum 18 zum Referenzgaskanal 26 gepumpt wird, der über den Strömungspfad 80 in die Umgebungsluft abgeführt wird. Der Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m ist ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert.
3 zeigt das in 2 dargestellte Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 in einem Betriebszustand bei fettem Abgasstrom 12.
Diejenigen in 3 gezeigten Teile, die mit den in 2 gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen jeweils dieselben Bezugszeichen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.
Bei einem Abgasstrom 12 mit Sauerstoffmangel bezogen auf ein stöchiometrisches Verhältnis tritt zwischen den Elektroden 20, 24 eine erheblich höhere Fettbetrieb-Nernstspannung UN, f auf, die beispielsweise bei 900 mV liegt, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Im Fettbetrieb soll das Sensorelement 10 Sauerstoff vom Referenzgaskanal 26 zum Messgas-Hohlraum 18 pumpen. Damit ein solcher Fettbetrieb-Sauerstoffstrom O^2–f auftreten kann, muss die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f derart gepolt sein, dass das positive Potenzial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Um diese Potenzialverhältnisse zu erreichen, muss die an die Elektroden 20, 24 angelegte Pumpspannung auf eine Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f festgelegt werden. Hierbei ist eine Potenzialumkehr im Hinblick darauf, dass die Fettbetrieb-Nernstspannung UN, f auf einem vergleichsweise hohen Potenzial von beispielsweise 900 mV liegt, nicht unbedingt erforderlich. Eine Vorzeichenumkehr der effektiven Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f wird bereits erreicht, wenn das Potenzial der Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f gegenüber dem Magerbetrieb auf beispielsweise 300 mV abgesenkt wird, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 anliegt. Für die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f stehen dann ebenfalls 600 mV zur Verfügung, wobei das positive Potenzial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Der Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f ist ebenfalls ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert. Der Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m fließt in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zum Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m. Bei der Luftzahl Lambda = 1 tritt bei der Änderung der Pumpspannung UP eine Vorzeichenumkehr des Pumpstroms IP auf.
Im Fettbetrieb steht bei der Lambdasonde gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik nur eine begrenzte Menge an Sauerstoff im Bereich der zweiten Elektrode zur Verfügung, da der Referenzgaskanal dafür optimiert ist, Sauerstoff möglichst rasch abzutransportieren. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 sieht einen gezielt herausgebildeten Sauerstoffspeicher vor, der es ermöglicht, einen Vorrat an Sauerstoff anzulegen. Dieser Sauerstoff steht im Bedarfsfall, also im Fettbetrieb des erfindungsgemäßen Sensorelements 10, in ausreichendem Maß für eine bestimmte Betriebsdauer rasch zur Verfügung.
Der gezielt herausgebildete Sauerstoffspeicher kann auf unterschiedliche Arten und Weisen realisiert werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 enthält, der durch einen Strömungswiderstand 42 begrenzt wird, der zumindest einen Teil des Strömungspfads 80 bildet. Der Strömungswiderstand 42 kann sich gemäß einer Weiterbildung bis an das Ende des Strömungspfads 80 erstrecken. Der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 kann gemäß einer Ausgestaltung durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals 26 im Vergleich zum Querschnitt des Strömungswiderstands 42 beziehungsweise des Strömungspfads 80 realisiert werden. Das Volumen des Sauerstoffspeicher-Hohlraums 40 wird den Erfordernissen angepasst. Der Strömungspfad 80 und/oder der Strömungswiderstand 42 können mit einer Abluft-Diffusionsbarriere 44 zumindest teilweise gefüllt werden, welche die Wirkung des Strömungswiderstands 42 weiter erhöht und/oder welche das Eindringen von Schmutz in den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 aus der Umgebungsluft verhindert.
Bei dem in 5 gezeigten Sensorelement 10 weist das ausgangsseitige Ende des Referenzgaskanals 26 zumindest einen in 5 nicht sichtbaren erfindungsgemäßen Strömungspfad zum Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 auf. Der im Abgaskanal 4 mündende wenigstens eine Strömungspfad kann durch den wenigstens einen Strömungspfad 80 ergänzt werden, der zur Umgebungsluft führt. In 5 sind Schnittlinien A'-A'' und B'-B'' eingetragen.
6 zeigt das in 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittlinie A'-A''. In 6 ist ein erfindungsgemäßer Strömungspfad 82 eingetragen, der im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 mündet. Der Strömungspfad 82 mündet demnach auf einer Seitenfläche 84a des Sensorelements 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass lediglich ein Strömungspfad 82 vorgesehen ist. Prinzipiell können mehrere Strömungspfade 82 vorgesehen sein, wobei die Strömungspfade 82 auf der einen und/oder auf der anderen Seite 84a, 84b des Sensorelements 10 im Abgaskanal 4 münden können. Der Strömungspfad 82 kann eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 verhindert.
7 zeigt das in 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittlinie B'-B''. Das Schnittbild zeigt zunächst den Strömungspfad 82. Weiterhin ist in 7 ein weiterer Strömungspfad 86 gezeigt, der am vorderen Ende des Referenzgaskanals 26 im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der auf einer Seite 84a, 84b und/oder auf der zum Abgaskanal 4 zeigenden Stirnseite 88 des Sensorelements 10 mündet. Der weitere Referenzgaskanal 86 kann ebenfalls zumindest teilweise eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 verhindert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in 8 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Referenzgaskanal weitgehend unverändert beibehalten wird, wobei jedoch ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 vorgesehen ist, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung 52 im Bereich der zweiten Elektrode 24 vorgesehen ist.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zum Strömungspfad 80, der in der Umgebungsluft mündet, wenigstens ein weiterer Strömungspfad 90, 92 vorgesehen, der vom Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 zur Unterseite 94a des Sensorelements 10 führt. Der weitere Strömungspfad 90 mündet unmittelbar im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2, während der weitere Strömungspfad 92 in einer Dichtung 96 mündet, welche das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 umgibt. Die Dichtung 96 hat die Aufgabe, den Gasaustausch zwischen dem Abgas und der Umgebungsluft zu verhindern beziehungsweise zu minimieren. Das Material der Dichtung 96 ist derart beschaffen, dass ein Sauerstofftransport vom weiteren Strömungspfad 92 zum Abgaskanal 4 stattfinden kann, wobei davon auszugehen ist, dass die zu transportierenden Gasmengen gering sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 10 gezeigt, bei welchem der Referenzgaskanal 26 zumindest teilweise mit einer Abluft-Diffusionsbarriere 60 gefüllt ist und bei dem zusätzlich der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 vorgesehen ist, der mit einer Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 ausgefüllt ist. Eine Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist in 11 gezeigt, wobei zusätzlich ein weiterer Sauerstoffspeicher-Hohlraum 64 vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode 24 angrenzt. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 vorgesehene Volumen größer ist als das Volumen für die Abluft-Diffusionsbarriere 60.
Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 entsprechend den in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen als Sauerstoffspeicherkanal realisiert, der jedoch in einer anderen Ebene des Sensorelements 10 angeordnet ist. Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 52 des Sauerstoffspeicherkanals gemäß einer Ausgestaltung bis an die zweite Elektrode 24 herangeführt.
Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher mit einem Material 70 realisiert, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Bei dem Material 70 handelt es sich beispielsweise um ein nicht stöchiometrisches Oxid wie beispielsweise CeO_2-x oder La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d. Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 im Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 angeordnet, der gegebenenfalls die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 zusätzlich enthalten kann und der gegebenenfalls den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 64 insbesondere benachbart zur zweiten Elektrode 24 aufweisen kann.
Ein alternatives, in 14 gezeigtes Ausführungsbeispiel des Sensorelements 10 sieht vor, dass das Material 70, welches Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichern kann, der zweiten Elektrode 24 zugeordnet ist. Bei dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 auf der zweiten Elektrode 24 aufgebracht. Wenn als Material 70 ein hoch Elektronen leitendes, nicht stöchiometrisches Oxid wie La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d eingesetzt wird, kann die zweite Elektrode 24 auch komplett mit dem Material 70 oder in Mischung mit ZrO₂ realisiert sein. Ferner ist es möglich, das Material 70 zumindest zum teilweisen Beschichten der Oberfläche des Referenzgaskanals 26 heranzuziehen.
In der mageren Betriebsphase des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 wird aufgrund der Pumpspannung UP, m Sauerstoff vom Messgas-Hohlraum 18 in den Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 des Referenzgaskanals 26 gepumpt. Bei einem Abgaslambda von beispielsweise 1,7, entsprechend 8,29% O2 in N2, und einem Magerbetrieb-Pumpstrom von maximal einigen 100 Mikroampère kann ein Sauerstoff-Überdruck im stationären Magerbetrieb von beispielsweise 2 bar bis 30 bar im Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 erzielt werden. Vorzugsweise wird der Überdruck zwischen 2 bar und 10 bar eingestellt. Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 kann der gespeicherte Sauerstoff durch die Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f und dem entsprechenden Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f vom Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 zurück in den Messgas-Hohlraum 18 gepumpt werden, der dort zur Oxidation von oxidierbaren Abgas-Bestandteilen im Messgas Hohlraum 18 zur Verfügung steht, wobei der Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f auch im Falle des Fettbetriebs des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 ein Maß für das Abgaslambda widerspiegelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19941051 A1 [0003]
- DE 102006061954 A1 [0005]

Claims

Sensorelement einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) benachbart zur zweiten Elektrode (24) beginnt.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der dem Abgaskanal (4) zugewandeten Stirnseite (88) des Sensorelements (10) mündet.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Oberseite/Unterseite (94a, 94b) des Sensorelements (10) mündet.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Seitenfläche (84a, 84b) des Sensorelements (10) mündet.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) enthält und dass zumindest am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals (26) ein Strömungswiderstand (42) vorgesehen ist.
Sensorelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) und der Strömungswiderstand (42) durch einen geringeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) realisiert sind.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung (52) im Bereich der zweiten Elektrode (24) vorgesehen ist.
Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) im Bereich des von der zweiten Elektrode (24) abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher-Hohlraums (40, 50, 64) beginnt.
Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (42) oder der Referenzgaskanal (26) zumindest teilweise eine Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60) enthalten.
Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) zumindest teilweise als Speicher-Diffusionsbarriere (62) realisiert ist.
Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum (64) vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.
Sensorelement nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere (62) vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60).
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) ein Material (70) enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert.
Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) ein nicht stöchiometrisches Oxid enthält.
Sensorelement nach Anspruch 15 und 11 oder 15 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60) oder die Speicher-Diffusionsbarriere (62) zumindest abschnittsweise das Material (70) enthalten.
Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals (26) aufgebracht ist.
Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) auf der zweiten Elektrode (24) aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode (24) das Material (70) enthält.