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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einem derartigen Sensorelement.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind derzeit zahlreiche Sensorelemente zur Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften eines Gases in einem Messgasraum bekannt.
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Solche Sensoren sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 194 bis 195 beschrieben. Die dort beschriebenen Sensoren können als sogenannte Lambdasonden zu Bestimmung von Sauerstoff eingesetzt werden. Derartige Lambdasonden können beispielsweise in der Verfahrenstechnik bei der Überwachung von Verbrennungsprozessen, in der Kraftfahrzeugtechnik zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas von Otto- und Dieselmotoren oder zum Beispiel in der Hausfeuerungstechnik eingesetzt werden. Dabei kann unterschieden werden zwischen sogenannten Sprungsonden und Breitbandsonden. Dabei zeigen die Sprungsonden einen sprunghaften Anstieg der Sondenspannung bei einem Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1, also bei einem stöchiometrischen Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch. Bei stöchiometrischer Einstellung des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches, sowie bei fetter Einstellung, also für λ < 1, ist demzufolge im Abgas nach der Verbrennung nahezu kein Restsauerstoff mehr vorhanden. Diesen Mangel an Sauerstoff zeigt die Sprungsonde durch einen sprunghaften Anstieg der Sondenspannung an und somit ist das Vorhandensein von Restsauerstoff z. B. im Abgas detektierbar. Sprungsonden dienen somit bevorzugt zur Bestimmung des stöchiometrischen Punktes des Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisches, wobei nicht das Kraftstoff-/Abgas-/Luftgemisch selbst vermessen wird, sondern das daraus resultierende Abgas nach der Verbrennung. Derartige Sprungsonden können üblicherweise zwei Elektroden und optional ein zusätzliches Heizelement aufweisen. Je nach Ausführungsform weisen diese Sprungsonden vier Ansteuerleitungen auf, zwei zur Stromversorgung des Heizelementes und je eine für jeweils eine Elektrode.
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Auf den Seiten 158 und 159 sind Breitband-Lambdasonden beschrieben, die eine eindeutige, monotone Kennlinie zum Beispiel des Pumpenstromes gegenüber dem Verbrennungsluftverhältnis λ aufweisen. Aufgrund der idealerweise linear verlaufenden Kennlinie ist somit eine Bestimmung des Sauerstoffgehaltes über einen sehr breiten Bereich möglich, im Gegensatz zu der Sprungsonde, mithilfe derer lediglich detektiert werden kann, ob Sauerstoff im jeweiligen Gas vorhanden ist oder nicht.
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Aus der
DE 10 2006 034 117 A1 ist ein Gassensor bekannt zur Bestimmung von wasserstoffhaltigen Gaskomponenten in Verbrennungsgasgemischen. Der Gassensor weist einen Messgasraum auf, der über eine Diffusionsbarriere gasleitend mit einem Gasraum verbunden ist, in dem ein Gas oder z. B. einem Abgasstrom angeordnet ist. An der Außenseite des Gassensors mit direktem Kontakt zur Außenluft ist eine äußere Pumpelektrode angeordnet, während in dem Messgasraum eine innere Pumpelektrode positioniert ist. Sowohl die innere als auch die äußere Pumpelektrode ist mit dem Festkörperelektrolyten des Gassensors verbunden. Mittels der beiden Pumpelektroden kann ein Ein- beziehungsweise Ausstrom von Oxidionen durch den Festkörperelektrolyten in den oder aus dem Messgasraum eingestellt werden. Gleichzeitig kann die Nernst-Spannung zwischen der inneren Pumpelektrode und einer ggf. in einem Referenzgasraum angeordneten Luftreferenzelektrode gemessen und als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum verwendet werden. Des Weiteren ist im Messgasraum eine Mischpotentialelektrode angeordnet, mittels der eine Konzentration einer Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases oder des Abgasstromes, so zum Beispiel eine Ammoniakkonzentration, in dem Messgasraum bestimmt werden kann. Die zwei Pumpelektroden, die Mischpotentialelektrode sowie die Referenzelektrode sind jeweils mit einer Elektrodenzuleitung versehen.
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Derartige breiter einsetzbare Kombinationssensoren, die z. B. eine Lambdasonde und eine Mischpotentialsonde aufweisen, gewinnen hinsichtlich der bestehenden und zukünftigen gesetzlichen Abgasnormen mehr und mehr Bedeutung. So können z. B. bei Kraftfahrzeugen mithilfe einer sogenannten On-Board-Diagnose (OBD) die Signale auch abgasrelevanter Sensorelemente ausgewertet und diese Informationen zur Überwachung und Steuerung, insbesondere des Katalysator-Systems der Abgasanlage, verwendet werden. Je weniger Sensorelemente dabei eingesetzt werden, desto weniger anfällig, weniger wartungsintensiv und kostengünstiger kann eine derartige On-Board-Diagnose ausgebildet werden. Demzufolge ist eine höhere integrierte Ausbildung der einzelnen Sensorelemente wünschenswert.
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Im Zuge der On-Board-Diagnose bei Kraftfahrzeugen ist zu erwarten, dass in Zukunft neben der bestehenden Lambdamessung mittels einer Lambdasonde auch die Messung weiterer Abgasbestandteile relevant werden kann. Um solche weiteren Abgasbestandteile zu vermessen, kann zusätzlich zu der Lambdasonde zum Beispiel eine Mischpotentialsonde verwendet werden, die vorzugsweise mit der Lambdasonde integriert ausgebildet sein kann. Dabei ergeben unter anderem durch die Integration mehrerer Sonden in ein integral ausgebildetes Sensorelement und durch z. B. die Reduktion der Anzahl der Elektroden insbesondere Packaging-Vorteile.
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Es besteht somit ein zunehmender Bedarf nach höher integrierten Sensorelementen. Demzufolge beschäftigt sich vorliegende Erfindung mit dem Problem für Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum und für mit zumindest einem derartigen Sensorelement ausgestatteten Sensorvorrichtungen eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch Packaging-Vorteile und eine kostengünstige Herstellung auszeichnet. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein allgemeiner Gedanke der Erfindung ist die Kontaktierung zumindest zweier Elektroden mittels einer Elektrodenzuleitung. Vorgeschlagen wird demzufolge ein Sensorelement zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, das mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode aufweist, die mindestens über einen Festelektrolyten verbunden sind. Bei dem Messgasraum kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Verbrennungsmaschine handeln. Der Messgasraum kann offen oder auch geschlossen ausgestaltet sein. Die erste Elektrode kann mit Gas aus einem Messgasraum beaufschlagt werden und die zweite Elektrode ist in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet, wobei die erste Elektrode über mindestens eine erste Elektrodenzuleitung und die zweite Elektrode über mindestens eine zweite Elektrodenzuleitung kontaktierbar ist. Das Sensorelement weist weiterhin zumindest eine dritte Elektrode auf, wobei diese dritte Elektrode ebenfalls mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Des Weiteren ist die dritte Elektrode mit der zweiten Elektrodenzuleitung elektrisch verbunden.
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Vorliegend versteht sich unter einer solchen elektrischen Verbindung insbesondere eine elektronische Verbindung, beispielsweise eine metallische Verbindung oder eine Verbindung, die einen Metallanteil aufweist, beispielsweise aus einem Cermet.
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Vorteilhaft ist durch das elektrische Verbinden der dritten Elektrode mit der zweiten Elektrodenzuleitung eine dritte Elektrodenzuleitung einsparbar. Dadurch ergeben sich Packaging-Vorteile und das vorgeschlagene Sensorelement ist dementsprechend einfacher und kostengünstiger herzustellen und zu warten.
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Bevorzugt weist demzufolge ein derartiges Sensorelement genau zwei Elektrodenzuleitungen für die erste, zweite und dritte Elektrode auf. Ist zudem das Sensorelement noch mit einem Heizelement ausgestattet, das mittels zwei Stromversorgungsleitungen betrieben werden kann, so weist in diesem Fall besonders bevorzugt das Sensorelement vier Ansteuerungsleitungen auf, zwei Elektrodenzuleitungen für die erste, zweite und dritte Elektrode und zwei Stromversorgungsleitungen für das optionale Heizelement.
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Mit einem derartigen Sensorelement kann zumindest eine Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bestimmt werden. Bei der Bestimmung dieser zumindest einen Eigenschaft kann es sich insbesondere um einen qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente in dem Gas handeln, so zum Beispiel um einen spezifischen Nachweis von Sauerstoff, Stickoxiden, Nicht-Sauerstoffabgasen sowie oxidierbaren Abgaskomponenten, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid oder dergleichen. Bevorzugt wird als Gas das Abgas einer Brennkraftmaschine durch ein derartiges Sensorelement untersucht. Allerdings ist der Einsatz eines derartigen Sensorelementes nicht auf die Erfassung von Abgaseigenschaften einer Brennkraftmaschine beschränkt, sondern es kann auch bei unterschiedlichen Gasen und/oder Abgasen, zum Beispiel einer Hausfeuerungsanlage, grundsätzlich eingesetzt werden. Als Eigenschaft des Abgases einer Brennkraftmaschine kann mit einem derartigen Sensorelement der Sauerstoffprozentsatz, der Sauerstoffpartialdruck und/oder das Verbrennungsluftverhältnis λ in dem Abgas bestimmt werden. Im Falle von Nicht-Sauerstoffkomponenten des Abgases einer Brennkraftmaschine können bevorzugt die Konzentrationen und/oder der jeweilige Partialdruck von Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff und Ammoniak bestimmt werden.
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Das zu bestimmende Gas befindet sich üblicherweise in einem Messgasraum. Dies kann im Falle des Abgases einer Brennkraftmaschine die Abgasanlage sein. Nun ist es möglich, diejenigen Elektroden, die zur Erfassung der Gaseigenschaften verwendet werden, direkt in dem Messgasraum anzuordnen, sodass die jeweilige Elektrode direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht im Kontakt mit dem zu vermessenden Gas steht. Besonders im Falle von Abgasen kann dies jedoch unvorteilhaft sein, da aufgrund der mannigfaltigen Abgaszusammensetzung eine derartig offen mit dem Abgas in Kontakt stehende Elektrode durch Abgaskomponenten verschmutzt werden kann. Demzufolge empfiehlt es sich, in dem Sensorelement mindestens einen Elektrodenhohlraum vorzusehen, in dem zumindest die erste Elektrode angeordnet ist. Damit nun die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist, ist der Elektrodenhohlraum gasleitend mit dem Messgasraum verbunden. Um den Grenzstrom des Sensorelementes zu begrenzen, die jeweilige in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Elektrode vor Verschmutzungen zu schützen und/oder um die jeweilige Elektrodenhohlraum angeordnete Elektrode selektiv mit bestimmten Gasen aus dem Messgasraum zu beaufschlagen, können der Messgasraum und der Elektrodenhohlraum durch eine Diffusionsbarriere getrennt sein. Dabei kann die Diffusionsbarriere derart ausgestaltet sein, dass alle zu bestimmenden Gase des Messgasraumes dieselbe passieren können und nur Festkörperverunreinigungen und gegebenenfalls Flüssigkeitsverunreinigungen zurückgehalten werden. Des Weiteren ist auch eine selektive Ausgestaltung der Diffusionsbarriere denkbar, sodass durch dieselbe hindurch nur bestimmte, ausgewählte Gase aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum hinein diffundieren können. Eine derartige selektive Ausgestaltung der Diffusionsbarriere ermöglicht selektive Sondeneigenschaften, zumindest hinsichtlich der jeweiligen, in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Elektrode.
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Des Weiteren kann das Sensorelement einen Referenzgasraum aufweisen, in dem zumindest die zweite Elektrode angeordnet ist. Der Referenzgasraum kann abgeschlossen oder offen zur Umgebungsluft ausgebildet sein. Im Falle der abgeschlossenen Ausbildung ist in dem Referenzgasraum ein vordefiniertes Gasgemisch ausgebildet oder erzeugbar. Bevorzugt wird dabei ein Gasgemisch verwendet, dass eine vordefinierte und/oder bekannte Sauerstoffkonzentration aufweist. Ist der Referenzgasraum offen ausgebildet, so ist ebenfalls aufgrund des Kontaktes zur Umgebungsluft eine nahezu konstante Sauerstoffkonzentration des Gases in dem Referenzgasraum zu erwarten. Somit dient das Gas in dem Referenzgasraum als Gasreferenz mit bevorzugt nahezu konstantem und/oder bekanntem Sauerstoffpartialdruck beziehungsweise Potential. Der Referenzgasraum kann bevorzugt zumindest teilweise mit einem porösen Füllstoff verfüllt sein, sodass die jeweilige in dem Referenzgasraum positionierte Elektrode mit Umgebungsluft beaufschlagt werden kann. Auch eine offene Ausgestaltung des Referenzgasraums ist jedoch grundsätzlich möglich. Bevorzugt ist im Referenzgasraum die zweite Elektrode angeordnet. Des Weiteren kann der Referenzgasraum über einen Referenzgaskanal mit der Umgebungsluft in Kontakt stehen. Dabei können Referenzgaskanal und Referenzgasraum derartig ausgestaltet sein, dass der Referenzgasraum zumindest teilweise als Abschnitt des Referenzgaskanals ausgebildet ist. Der Referenzgaskanal kann ebenfalls optional, alternativ zu einer offenen, ungefüllten Ausgestaltung, mit einem porösen Füllstoff zumindest teilweise ausgefüllt sein. Eine Verfüllung des Referenzgasraumes mit einem porösen Füllstoff ist auch bei einer abgeschlossenen Ausbildung des Referenzgasraumes möglich.
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Die erste in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Elektrode kann zumindest als eine innere Pumpelektrode ausgebildet sein. Die zweite Elektrode, die in dem Referenzgasraum angeordnet ist, kann beispielsweise als Referenzelektrode mit bekanntem und/oder vorbestimmtem Potential eingesetzt. Die dritte Elektrode kann insbesondere als Mischpotentialelektrode ausgebildet sein, und/oder kann vorzugsweise als äußere Pumpelektrode eingesetzt werden. Die erste Elektrode zusammen mit der zweiten Elektrode als Referenzelektrode und gegebenenfalls mit der dritten Elektrode als äußere Pumpelektrode kann als Lambdasonde eingesetzt werden. Die dritte Elektrode, optional als Mischpotentialelektrode, zusammen mit der zweiten Elektrode als Referenzelektrode und gegebenenfalls mit der ersten Elektrode als innere Pumpelektrode kann als Mischpotentialsonde eingesetzt werden, mit der Nicht-Sauerstoffkomponenten des Gases vermessen werden können.
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Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, wenn die dritte Elektrode als Mischpotentialelektrode ausgestaltet ist, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. Somit kann die dritte Elektrode beispielweise eine geringere katalytische Aktivität aufweisen, als die erste Elektrode, insbesondere für den Einbau bzw. Ausbau von Sauerstoffionen in bzw. aus dem Festkörperelektrolyten. Die katalytische Aktivität bezeichnet dabei ein Maß dafür, wie schnell der Katalysator die Edukte zu den Produkten umsetzt. Beispielsweise kann die erste Elektrode ein Elektrodenmaterial mit hoher katalytischer Aktivität umfassen oder vollständig aus einem oder mehreren derartiger Elektrodenmaterialien bestehen. Beispielsweise können Platin- und/oder Palladium-Cermets eingesetzt werden. Die dritte Elektrode ist vorzugsweise als Mischpotentialelektrode ausgestaltet und weist vorzugsweise ein oder mehrere Materialien auf, beispielsweise um mindestens einen Faktor 2, insbesondere um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 50 geringer als die katalytische Aktivität der ersten Elektrode. Beispielsweise kann die dritte Elektrode mindestens ein die katalytische Eigenschaften vergiftendes Material und/oder Metall aufweisen, beispielsweise Gold. So kann die dritte Elektrode insbesondere mindestens ein Platin- und/oder Gold-Cermet umfassen. Hinsichtlich der katalytischen Aktivität kann auch unterschieden werden zwischen einer oxidationskatalytischen und elektrokatalytischen Aktivität.
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Zwischen einer Mischpotentialsonde und einer Lambdasonde besteht eine technologische Nähe im Aufbau. Bei beiden Sondentechniken stehen, insbesondere metallische Elektroden, mit einem Ionen-leitenden Substrat, dem Festkörperelektrolyten, in Kontakt. Der Festkörperelektrolyt zeichnet sich dadurch aus, dass durch ihn als Festkörper Ionen hindurchgeleitet werden können. Üblicherweise wird im Bereich der Lambdasonden und Mischpotentialsonden Zirkoniumoxid, und bevorzugt Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet. In diesem Fall kann durch einen Festkörperelektrolyten aus Zirkoniumoxid oder aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid das Oxidion hindurchgeleitet werden. Bei dem vorgeschlagenen Sensorelement sind somit zumindest die erste Elektrode und die zweite Elektrode über einen derartigen Festkörperelektrolyten miteinander verbunden. Ebenfalls kann jeweils die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode über denselben oder einen anderen Festkörperelektrolyten mit der dritten Elektrode verbunden sein.
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Das Sensorelement kann nun als Lambdasonde eingesetzt werden. In diesem Fall, da die erste und die zweite Elektrode über den Festköperelektrolyten verbunden sind, kann bei einem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck zwischen dem Messgasraum und dem Referenzgasraum bzw. zwischen dem Elektrodenhohlraum und dem Referenzgasraum eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich zu diesem Betrieb der Lambdasonde als Nernstzelle bzw. Sprungsonde kann die Lambdasonde auch als Breitbandsonde oder Pumpzelle betrieben werden, wobei aus einem Pumpstrom auf die nachzuweisende Eigenschaft geschlossen werden kann. Somit kann das vorgeschlagene Sensorelement zur Sauerstoffbestimmung des in dem Messgasraum befindlichen Gases verwendet werden. Im Falle der Lambdasonde kann die dritte Elektrode auch als äußere Pumpelektrode verwendet werden.
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Des Weiteren ist auch der Einsatz des Sensorelementes als Mischpotentialsonde denkbar. Dabei steht die dritte Elektrode mit dem Gas des Messgasraumes im Kontakt oder kann mit demselben beaufschlagt werden. Die dritte Elektrode ist in diesem Fall als Mischpotentialelektrode derartig ausgebildet, dass sie eine hohe elektrokatalytische und eine niedrige oxidationskatalytische Eigenschaft bezüglich zumindest einer Nicht-Sauerstoffkomponente des in dem Messgasraum angeordneten Gases aufweist. Dabei versteht man unter der oxidationskatalytischen Eigenschaft eines Materials die Fähigkeit, die Oxidation einer Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases mit dem gegebenenfalls in dem Gas auftretenden Sauerstoff zu katalysieren und demzufolge die Aktivierungsenergie für die Oxidation der Nicht-Sauerstoffkomponente mittels des Sauerstoffes im Gas herabzusetzen. Unter einer elektrokatalytischen Eigenschaft eines Materials versteht man in dem vorliegenden Fall die Fähigkeit des Materials, im Kontakt mit dem Festkörperelektrolyten die jeweiligen Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases mittels Oxidionen aus dem Festkörperelektrolyten zu oxidieren. Während somit bei der oxidationskatalytischen Eigenschaft eine Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases mit dem gegebenenfalls in dem Gas auftretenden Sauerstoff oxidiert wird, wird bei der elektrokatalytischen Eigenschaft des Materials die jeweilige Nicht-Sauerstoffkomponente mit Oxidionen aus dem Festkörperelektrolyten oxidiert. Demzufolge konkurrieren an der Kontaktfläche der Mischpotentialelektrode zu dem Festkörperelektrolyten zumindest zwei Reaktionen miteinander, wobei die oxidationskatalytische Eigenschaft der Mischpotentialelektrode diese Konkurrenzsituation nur unwesentlich beeinflusst. Zum einen der Wechsel des Sauerstoffes in dem Messgasraum und der Oxidionen in dem Festkörperelektrolyten, wobei die Oxidionen des Festkörperelektrolyten durch Abgabe ihrer Elektronen als Sauerstoff in den Messgasraum übergehen können oder wobei der Sauerstoff des Messgasraumes durch Aufnahme von Elektronen als Oxidionen in den Festkörperelektrolyten einwechseln kann. Zum anderen kann aufgrund der elektrokatalytischen Eigenschaften der Mischpotentialelektrode zumindest eine Nicht-Sauerstoffkomponente des Abgases mittels der Oxidionen des Festkörperelektrolyten oxidiert werden. Insofern stellt sich bei einer Mischpotentialelektrode im Kontakt mit einem Festkörperelektrolyten ein Mischpotential ein, das im Wesentlichen durch den Sauerstoffpartialdruck und den zumindest einen Nicht-Sauerstoffkomponentenpartialdruck in dem Gas bestimmt wird. Deshalb kann eine derartige Mischpotentialelektrode zusammen mit zumindest einer Referenzelektrode zur Bestimmung von Nicht-Sauerstoffkomponenten in Gasen herangezogen werden. Somit kann die dritte Elektrode als Mischpotentialelektrode zusammen mit der Referenzelektrode und gegebenenfalls der ersten Elektrode als innere Pumpelektrode als Mischpotentialsonde zur Bestimmung zumindest einer Nicht-Sauerstoffkomponente eines Gases herangezogen werden.
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Das Material der dritten Elektrode kann insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung aufweisen, die zumindest eines der Elemente Platin, Gold, Silber, Nickel, Kupfer, Rhodium, Ruthenium, Palladium und/oder Titan aufweist. Bevorzugt wird als Elektrodenmaterial der dritten Elektrode eine Platin-Gold-Legierung oder reines Gold eingesetzt.
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Die dritte Elektrode kann alternativ oder zusätzlich zumindest teilweise von mindestens einer Oxidschicht bedeckt sein. Diese Oxidschicht weist bevorzugt zumindest ein Oxid zumindest eines der Elemente Indium, Gallium, Yttrium, Zirkonium, Aluminium, Neodym, Cer, Niob, Chrom, Zinn, Titan, Zink, Nickel und Wolfram auf, wobei besonders bevorzugt ein Mischoxid eingesetzt wird, das zumindest zwei solche Elementoxide aufweist. Dabei kann in dem Mischoxid das jeweilige Element in unterschiedlichen Oxidationsstufen und/oder Konzentrationen auftreten. Ferner kann die dritte Elektrode, alternativ oder zusätzlich, zumindest teilweise von mindestens einer Oxidschicht bedeckt sein, welche mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel AxByOz aufweist, wobei A mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lanthan, Strontium und Barium, wobei B mindestens ein Element ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Gallium, Eisen und Titan und wobei x, y und z jeweils unabhängig voneinander nicht-negative ganze Zahlen sind. Vorzugsweise ist x = 1, y = 1 und z = 3.
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Die dritte Elektrode kann insbesondere mit der zweiten Elektrodenzuleitung verbunden werden. Diese Verbindung kann grundsätzlich außerhalb des Sensorelements erfolgen, beispielsweise in einem Stecker und/oder in einer Steuerung des Sensorelements. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung auch mittels zumindest einer Durchkontaktierung erfolgen, insbesondere einer Durchkontaktierung durch den Festelektrolyten hindurch. Da die dritte Elektrode auf dem Festelektrolyten positioniert sein kann und mit diesem verbunden sein kann, ist in diesem Fall unter einer Durchkontaktierung, auch bekannt als VIA (Vertical Interconnect Access), eine elektrische Verbindung zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrodenzuleitung zu verstehen, bei der die dritte Elektrode und der darunter angeordnete Festkörperelektrolyt zumindest einmal durchbohrt sind und die zumindest eine Bohrung derartig metallisiert ist, dass die dritte Elektrode über die zumindest eine metallisierte Bohrung mit der zweiten Elektrodenzuleitung elektrisch leitend verbunden ist. Dabei versteht man unter einer metallisierten Bohrung eine Bohrung, die mit einer metallischen Beschichtung und/oder Füllung versehen ist. Anstatt zumindest einer metallisierten Bohrung können auch elektrisch leitfähige Nieten, Füllungen, Pasten oder Stifte so in die Bohrung eingebracht werden, dass die dritte Elektrode mit der zweiten Elektrode über die jeweiligen Nieten bzw. Stifte elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
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Ein weiterer allgemeiner Gedanke der Erfindung ist die Anordnung der dritten Elektrode außerhalb des Heizbereiches eines Heizelementes, mit dem das Sensorelement beheizt werden kann. Dabei kann der Heizbereich des Heizelementes als der Bereich definiert werden, der im Betrieb des Sensorelements zumindest noch eine Temperatur von 100% bis 75% einer maximalen Temperatur auf der Celsius-Skala im Sensorelement aufweist, beispielsweise der Temperatur am Heizelement.
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Alternativ kann als Heizbereich der Bereich des Sensorelements aufgefasst werden, in denen das Heizelement besondere, der Verstärkung der Heizwirkung dienende geometrische Merkmale aufweist, zum Beispiel ein gegenüber Zuleitungen zu dem Heizelement reduzierten Querschnitt von Leiterbahnen des Heizelements und/oder eine gegenüber Zuleitungen zu dem Heizelement veränderten chemischen Zusammensetzung von Leiterbahnen des Heizelements und/oder eine mäanderförmige Anordnung mindestens einer Leiterbahn des Heizelements. Der Bereich außerhalb des Heizbereiches eines Heizelementes ist insbesondere der Bereich, in dem das Heizelement keine derartigen besonderen, der Verstärkung der Heizwirkung dienenden geometrische Merkmale aufweist, sondern in dem sich die Zuleitungen zu dem Heizelement befinden, die insbesondere als gerade Leiterbahnen ausgebildet sind.
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Da das Sensorelement beispielsweise auch in einem kalten Abgasstrom, zum Beispiel während eines Kaltstartes einer Brennkraftmaschine, einsetzbar sein soll, kann das Sensorelement mit einem Heizelement ausgestattet sein. Da mittels der ersten Elektrode die Lambda-Messungen durchgeführt werden können, ist der Heizbereich bevorzugt im Bereich der ersten Elektrode bzw. des Elektrodenhohlraumes angeordnet. Üblicherweise wird die Lambda-Messung bei einer Temperatur von mindestens 600°C, beispielsweise von ca. 800°C durchgeführt. Eine Mischpotentialmessung mittels der dritten Elektrode bzw. der Mischpotentialelektrode wird vorzugsweise bei einer niedrigeren Temperatur von von weniger als 600°C, beispielsweise von ca. 500°C durchgeführt. Deshalb ist es vorteilhaft, die dritte Elektrode so außen an dem Sensorelement anzubringen, dass sie zum einen mit einem Festkörperelektrolyt verbunden ist, zum anderen mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden kann und von der ersten Elektrode bzw. von dem Heizbereich beabstandet ist. Durch die Beabstandung der dritten Elektrode zu dem Heizbereich des Sensorelementes kann überraschenderweise eine wesentliche Beeinflussung der Lambda-Messung durch die dritte Elektrode und der Mischpotentialmessung durch die erste Elektrode verhindert bzw. verringert werden. Somit ist der Kurzschluss zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode für beide Messungen vernachlässigbar. Außerdem ist die dritte Elektrode aufgrund des geringeren Temperaturbereiches aufgrund der Beabstandung zu dem Heizbereich weniger verschleißanfällig und die Dynamik bei einem Wechsel zwischen der Lambda-Messung und der Mischpotentialmessung ist verbessert, da das Einregeln der Betriebsspannung des Heizelementes aufgrund des geringeren notwendigen Temperaturunterschiedes infolge der Beabstandung der ersten und der dritten Elektrode schneller erfolgen kann.
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Der Abstand zwischen der ersten und der dritten Elektrode kann insbesondere mindestens 1 mm betragen, vorzugsweise mindestens 2 mm und insbesondere mindestens 3 mm. Weiterhin kann die Temperatur am Ort der Durchkontaktierung der dritten Elektrode insbesondere weniger als 75% der Temperatur der ersten Elektrode, vorzugsweise weniger als 65% und insbesondere weniger als 55% auf der Celsius-Skala betragen. Des Weiteren kann der Temperaturunterschied zwischen der ersten und der dritten Elektrode wenigstens 100°C, vorzugsweise mehr als 150°C und insbesondere mehr als 250°C betragen.
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Des Weiteren kann zumindest ein derartiges Sensorelement in einer Sensorvorrichtung zusammen mit einer Steuerung verwendet werden. Zu diesem Zweck kann das derartige Sensorelement mit der Steuerung elektrisch verbunden sein, wobei die Steuerung derartig ausgebildet sein kann, dass das Sensorelement in mindestens zwei Betriebsmodi betrieben werden kann. In einem der Betriebsmodi, dem Messmodus, können ein Pumpstrom und/oder eine Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erfasst werden. In diesem Messmodus kann die Lambda-Messung durchgeführt werden. In einem zweiten Messmodus, dem Diagnosemodus, kann mindestens eine Potentialdifferenz und/oder mindestens ein Strom, beispielsweise mindestens ein Pumpstrom, zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode erfasst werden. In diesem Diagnosemodus kann die Mischpotentialmessung durchgeführt werden und dadurch die Eigenschaft zumindest einer Nicht-Sauerstoffkomponente des Gases ermittelt werden.
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Die Steuerung kann zudem derartig ausgebildet sein, dass das Sensorelement über mindestens eine Schnittstelle und/oder Verbindung mit dem Sensorelement verbunden werden kann. Die Steuerung kann als separate Steuerungseinrichtung ausgebildet sein oder als ein Teil einer übergeordneten Steuerungseinheit. Im Falle eines Kraftfahrzeuges ist die Integration der Steuerung in die Fahrzeugsteuerung bzw. in die OBD-Steuerung denkbar. Des Weiteren kann die Steuerung einen programmierbaren, logischen Schaltkreis, einen Mikroprozessor oder dergleichen aufweisen, mit einer Datenspeicherungseinrichtung ausgestattet sein und/oder mittels eines Steuerungsprogrammes betrieben werden. Dabei können mit dem Steuerungsprogramm die Daten der Sensoreinrichtung verarbeitet werden, unter Berücksichtigung von in der Datenspeicherungseinrichtung abgespeicherten Kennlinien bzw. Kennfeldern und unter Zuhilfenahme der Auswertung historischer Daten der Sensoreinrichtung oder auch anderer Datenquellen. Mit Hilfe der Steuerung und unter Berücksichtigung der Daten der Sensoreinrichtung können, im Falle eines Kraftfahrzeuges, sowohl Komponenten der Abgasanlage als auch Motorkomponenten dementsprechend angesteuert und eingestellt werden.
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Weiterhin kann die Steuerung mindestens eine Spannungs- und/oder Stromquelle, beispielsweise zur Beaufschlagung der Lambdasonde mit einem Pumpstrom, und/oder mindestens eine Messvorrichtung, beispielweise zur Messung der Nernstspannung und/oder des Mischpotentials, umfassen.
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Da eine Lambda-Messung üblicherweise bei ca. 800°C durchgeführt wird und eine Mischpotentialmessung bei ca. 500°C, ist es trotz der Beabstandung der ersten und der dritten Elektrode vorteilhaft, wenn bei dem Sensorelement eine Betriebstemperatur des Diagnosemodus, in dem die Mischpotentialmessung durchgeführt ist, gegenüber einer Betriebstemperatur des Messmodus, in dem die Lambda-Messung durchgeführt wird, abgesenkt ist.
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Bevorzugt beträgt die Betriebstemperatur des Messmodus mehr als 600°C, besonders bevorzugt mehr als 700°C und insbesondere ca. 800°C. Bevorzugt beträgt die Betriebstemperatur des Diagnosemodus weniger als 600°C, insbesondere weniger als 550°C oder sogar maximal 500°C.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung mit einem derartigen Sensorelement bzw. zum Betrieb eines Sensorelementes, bei dem zwischen zumindest zwei Betriebsmodi gewechselt werden kann, wobei in mindestens einem Messmodus ein Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erfasst wird und wobei in mindestens einem Diagnosemodus mindestens eine Potentialdifferenz zwischen der zweiten und der dritten Elektrode erfasst wird. Bevorzugt wird im Diagnosemodus eine geringere Betriebstemperatur des Sensorelementes eingestellt als im Messmodus.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung erfindungsgemäß verwendbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Sensorelement gemäß Stand der Technik,
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2 eine Funktionsweise eines Mischpotentialeffektes nach dem Stand der Technik,
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3 ein Sensorelement mit einer zu einer ersten Elektrode beabstandeten dritten Elektrode,
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4A ein Kohlenwasserstoffkonzentration-/Zeitdiagramm,
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4B ein Potential-/Zeitdiagramm,
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5 ein Pumpstrom-/Sauerstoffkonzentrationsdiagramm als Kennliniendiagramm.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In 1 ist ein Sensorelement 100 gemäß Stand der Technik dargestellt. Dieses weist einen Sensorsockel 102 und einen Festkörperelektrolyten 104 auf. Der Sensorsockel 102 ist mit einem Heizelement 106 ausgestattet, das über zwei Stromversorgungsleitungen 108, 108' mit Strom versorgt werden kann. Demzufolge wird durch das Heizelement 106 ein Heizbereich 110 definiert.
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An bzw. in dem Festkörperelektrolyten 104 ist eine erste Elektrode 112, eine zweite Elektrode 114 und eine dritte Elektrode 116 angeordnet. Der Sensorsockel 102 ist mit dem Festkörperelektrolyten 104 so verbunden, dass aufgrund einer Aussparung 118 im Festkörperelektrolyten 104 zwischen dem Festkörperelektrolyten 104 und dem Sensorsockel 102 ein Elektrodenhohlraum 120 ausgebildet wird. In diesem Elektrodenhohlraum 120 ist die erste Elektrode 112 angeordnet und mit dem Festkörperelektrolyten 104 verbunden. An dem Sensorsockel 102 kann eine Aufkantung 122 ausgebildet sein, sodass der Festkörperelektrolyt 104 von zwei Seiten durch den Sensorsockel 102 umgeben ist. Zwischen der Aufkantung 122 und dem Festkörperelektrolyten 104 kann ein Spalt 124 ausgebildet sein, der einen Zugangskanal zu dem Elektrodenhohlraum 120 ausbildet. Zwischen dem Spalt 124 und dem Elektrodenhohlraum 120 kann des Weiteren eine Diffusionsbarriere 126 positioniert sein, die den Zutritt von Gasen über den Spalt 124 in den Elektrodenhohlraum 120 hinein und damit den Grenzstrom beschränken kann. Zudem dient die Diffusionsbarriere 126 als Schutz gegen Verschmutzungen der ersten Elektrode 112. Die erste Elektrode 112 ist mit einer ersten Elektrodenzuleitung 128 elektrisch leitend verbunden. Die erste Elektrode 112 kann als innere Pumpelektrode (IPE) eingesetzt werden.
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In dem Festkörperelektrolyten 104 oder zwischen zwei Abschnitten des Festkörperelektrolyten 104 kann eine zweite Elektrode 114 angeordnet sein. Diese zweite Elektrode 114 kann als Referenzelektrode (RE) ausgebildet sein, wobei die zweite Elektrode 114 in einem Referenzgasraum 130 positioniert und mit dem Festkörperelektrolyten 104 verbunden ist. Der Referenzgasraum kann geschlossen ausgebildet sein oder wie in 1 dargestellt über einen Referenzgaskanal 132 so mit der Umgebung verbunden sein, dass die zweite Elektrode 114 mit Umgebungsluft beaufschlagt werden kann. Sowohl Referenzgasraum 130 als auch Referenzgaskanal 132 können jeweils unabhängig voneinander mit einem porösen Füllstoff verfüllt sein. Die zweite Elektrode 114 ist mit einer zweiten Elektrodenzuleitung 134 elektrisch verbunden.
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Des Weiteren ist die dritte Elektrode 116 außen an dem Sensorelement 100 in Verbindung mit dem Festkörperelektrolyten 104 angeordnet. Die dritte Elektrode 116 ist als Mischpotentialelektrode ausgebildet und kann zudem als äußere Pumpelektrode (APE) eingesetzt werden. In dieser Ausführungsform nach Stand der Technik gemäß 1 ist die dritte Elektrode 116 in dem Heizbereich 110 angeordnet und zudem mit einer dritten Elektrodenzuleitung 136 elektrisch leitend verbunden. Das Sensorelement 100 ist während des Betriebes in einem Messgasraum 138 angeordnet und wird demzufolge von dem zu vermessenden Gas umströmt.
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2 verdeutlicht die Funktionsweise einer Mischpotentialelektrode gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Ausschnitt der dritten Elektrode 116, die mit einem Ausschnitt des Festkörperelektrolyten 104 in Kontakt steht. Umströmt wird die dritte Elektrode 116 von dem Gas des Messgasraumes 138, in dem sie angeordnet ist. An Kontaktstellen 140 der dritten Elektrode 116 mit dem Festkörperelektrolyten 104 und dem Gas des Messgasraumes 138 konkurrieren im Wesentlichen zwei Reaktionen miteinander. Zum einen der Wechsel Sauerstoff/Oxidionen zwischen dem Messgasraum 138 und dem Festkörperelektrolyten 104 und die elektrokatalytische Oxidation von Nicht-Sauerstoffkomponenten, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffen (HC), die in dem Messgasraum 138 auftreten können, mit den Oxidionen des Festkörperelektrolyten 104. Aufgrund zumindest dieser beiden miteinander konkurrierenden und/oder parallel auftretenden Reaktionen stellt sich ein Mischpotential an der dritten Elektrode 116 ein, das zum einen durch den Sauerstoffpartialdruck und zum anderen durch den jeweiligen Nicht-Sauerstoffkomponentenpartialdruck bestimmt wird. Somit lässt sich aufgrund des Mischpotentiales auch zumindest eine Eigenschaft zumindest einer Nicht-Sauerstoffkomponente in dem in dem Messgasraum 138 angeordneten Gas bestimmen.
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Die zumindest einen Erfindungsgedanken reflektierende Ausführungsform der 3 eines Sensorelementes 100 im Sinne der Erfindung weist im Gegensatz zur in 1 dargestellten Ausführungsform zwei wesentliche Unterschiede auf. Zum einen ist die im Kontakt zum Messgasraum 138 stehende, dritte Elektrode 116 an dem Festkörperelektrolyten 104 von dem Heizbereich 110 bzw. von der ersten Elektrode beabstandet angebunden und zum anderen unter Einsparung der dritte Elektrodenzuleitung 136 mit der zweiten Elektrodenzuleitung 134 der zweiten Elektrode 114 verbunden. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelementes 100' kann im Vergleich zur Ausführungsform der 1 zum einen die dritte Elektrodenzuleitung 136 eingespart werden und zum anderen ist die dritte Elektrode 116 so weit von dem Heizbereich 110 beabstandet, dass sie in einem hinsichtlich des Heizelementes 106 niedrigeren Temperaturbereich angeordnet ist. Somit lässt sich der Wärmeeintrag des Heizelementes 106 zu der dritten Elektrode 116 aufgrund der Beabstandung reduzieren. Die Verbindung der dritten Elektrode 116 mit der zweiten Elektrodenzuleitung 134 kann mittels einer Durchkontaktierung 139 vorgenommen werden.
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Zudem kann das Sensorelement 100' mit einer Steuerung 142 über eine Schnittstelle 144 verbunden werden. Die Schnittstelle 144 kann physisch ausgestaltet sein, sodass das Sensorelement 100' mit der Steuerung 142 elektrisch leitend verbunden werden kann und zudem programmtechnischer Natur sein, sodass aufgrund dementsprechender Datenprotokolle bzw. Datenprotokolltechniken die Informationen zwischen dem Sensorelement 100' und der Steuerung 142 ausgetauscht werden können.
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Ein Kohlenwasserstoffkonzentrations-Zeitdiagramm 146, wie in 4A dargestellt, zeigt den Verlauf einer Kohlenwasserstoffkonzentration 148 im Verlaufe der Zeit während eines Testbetriebes mit vorgegebenen Kohlenwasserstoffkonzentrationen. Korrespondierend zu dem Kohlenwasserstoffkonzentrations-Zeitdiagramm 146 der 4A ist ein Potential-/Zeitdiagramm 150 in der 4B dargestellt, das einen messbaren Potentialverlauf 152, 152' eines Sensorelementes 100 nach dem Stand der Technik und eines messbaren Potentialverlauf 154 eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 100' bei gemäß der 4A gegebenen Kohlenwasserstoffkonzentration darstellt. Erstaunlicherweise lässt sich kein signifikanter Unterschied in den messbaren Potentialverläufen 152, 152, 154 erkennen, so dass hinsichtlich einer Mischpotentialmessung der Kurzschluss zwischen der zweiten Elektrode 114 und der dritten Elektrode 116 vernachlässigt werden kann.
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In 5 ist einem Pumpstrom-/Sauerstoffkonzentrationsdiagramm 156 ein Pumpstromverlauf 158 als eine Kennlinie für ein Sensorelement 100 nach Stand der Technik und zwei Pumpstromverläufe 158', 158'' als Kennlinien für ein Sensorelement 100' im Sinne der Erfindung in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration dargestellt. Auch in diesem Fall lassen sich keine signifikanten Unterschiede erkennen, so dass auch bei einer Lambdamessung der Kurzschluss zwischen der zweiten Elektrode 114 und der dritten Elektrode 116 vernachlässigt werden kann. Lediglich bei dem Pumpstromverlauf 158'' für ein erfindungsgemäßes Sensorelement 100' treten im hohen Sauerstoffkonzentrationsbereich kleinere Abweichungen auf, die ebenfalls vernachlässigt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006034117 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 194 bis 195 [0003]