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WO2008080730A1 - Sensor element with additional diagnosis function - Google Patents

Sensor element with additional diagnosis function Download PDF

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Publication number
WO2008080730A1
WO2008080730A1 PCT/EP2007/063175 EP2007063175W WO2008080730A1 WO 2008080730 A1 WO2008080730 A1 WO 2008080730A1 EP 2007063175 W EP2007063175 W EP 2007063175W WO 2008080730 A1 WO2008080730 A1 WO 2008080730A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
gas
gas space
resistance element
sensor element
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/063175
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Detlef Heimann
Torsten Handler
Henrico Runge
Harald Guenschel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2008080730A1 publication Critical patent/WO2008080730A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065Circuit arrangements specially adapted therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts

Definitions

  • the invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions.
  • Such sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions.
  • Such sensor elements are also known as "lambda probe" and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.
  • Air ratio is measured by one or more sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • “rich” gas mixtures i.e., gas mixtures with a fuel surplus
  • “lean” gas mixtures i.e., gas mixtures with a fuel deficiency
  • Sensor elements in other areas of technology in particular combustion technology used, for example in aeronautical engineering or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.
  • Such sensor elements are now known in numerous different embodiments.
  • One embodiment is the so-called "jump probe” whose measurement principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference gas exposed reference electrode and a measuring gas exposed to the measured measuring electrode is based.
  • Reference electrode and measuring electrode are connected to one another via the solid electrolyte, wherein doped zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized ZrO 2) or similar ceramics are generally used as the solid electrolyte due to its oxygen-ion-conducting properties.
  • Various exemplary embodiments of such jump probes which are also referred to as "Nernst cells” are described, for example, in DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1.
  • pump cells are used in which an electrical “pump voltage” is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, the "pump current” being measured by the pump cell
  • both electrodes are connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes is exposed directly to the gas mixture to be measured (usually via a permeable protective layer) can not get directly to this electrode, but must first penetrate a so-called “diffusion barrier” to get into a cavity adjacent to this second electrode.
  • the diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii.
  • the sensor elements are usually operated in the so-called limiting current operation, that is, in an operation in which the pumping voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counterelectrode.
  • the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensor elements are often referred to as proportional sensors.
  • proportional sensors can be used as so-called broadband sensors over a comparatively wide range for the air ratio lambda.
  • the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double cell.”
  • a snap cell Nest cell
  • a positive pumping current with a clear relationship to the oxygen content of the gas mixture is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture.
  • a positive pumping current is usually also measured, even if the applied pumping voltage (usually about 600-700 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V).
  • This positive pumping current is due essentially to the molecular hydrogen contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, ie the first electrode, since water now forms on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen can be. Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO 2 / CO.
  • the current is thus in the range of rich mixtures (fat pump current) by the hydrogen content in the region of the first electrode (eg anode) and the water vapor content (ie in particular the access of the water vapor by the above-described diffusion barrier) in the region of the second electrode (eg cathode).
  • a falsification of the pumping current by the hydrogen is also to be observed in the region of slightly lean non-equilibrium exhaust gases, which already exists in this area and provides a positive contribution to the pumping current.
  • a further problem of known broadband sensor elements in single cell arrangement is that the sensor elements should advantageously also be usable for diagnostic purposes for the monitoring of exhaust aftertreatment components.
  • OBD on-board diagnosis
  • Coated catalysts eg oxidation catalyst and NOx storage catalyst
  • the oxidation catalyst is responsible for the conversion of unburned hydrocarbons (HC) and CO. II Legislation that the oxidation catalyst be tested for catalytic coating effectiveness and recognized as defective if the emission exceeds 1.75 times the limit.
  • a method for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space, which avoids the disadvantages described above. Furthermore, an electronic control device for carrying out the method and a system for carrying out the method are proposed.
  • the method uses at least one sensor element with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one electrolyte connecting the at least one first electrode and the at least one second electrode.
  • One idea of the invention consists in achieving, on the one hand, a unique pumping current characteristic in that the at least one second electrode is shielded from the at least one gas chamber. In this way, fuel gas reactions are avoided at the at least one second electrode.
  • Another idea of the invention is to design the at least one first electrode as a fuel gas-sensitive electrode.
  • the at least one first electrode be designed in such a way that it comprises at least one mixed potential electrode which is sensitive to the gas composition, that is, in particular sensitive to hydrocarbons and carbon monoxide.
  • the proposed method comprises at least two operating states: at least one amperometric measuring state in which a pumping voltage is applied between the at least two electrodes and a pumping current is detected, wherein preferably at least one first gas component in the gas mixture is deduced from the at least one pumping current.
  • concentration is to be construed broadly and includes both a concentration in the classical sense as a particle number per unit volume, but also other variables that can be correlated with the concentration, such as, for example, partial pressure, mass percent or volume percent, molar fraction or the like or simply a Vohandensein or nonexistence For example, this may be an oxygen concentration.
  • At least one potentiometric measurement state is provided in the proposed method, in which at least one voltage between the at least one mixed potential electrode and the at least one second electrode is detected. From the at least one detected voltage is preferably closed to a concentration (which term is again interpreted broad, see above) at least one second gas component in the gas mixture, for example, as described above, to a fuel gas concentration, in particular hydrocarbons and / or carbon monoxide ,
  • the electrode function (electrode potential) of mixed potential electrodes is no longer thermodynamic, but kinetically determined.
  • the electrode potentials deviate from the Nernst equation and, depending on the gas mixture composition, mixing potentials are produced.
  • These mixed potentials lead to sensor signals which are in direct correlation with the non-equilibrium exhaust gases such as CO or HC.
  • the reference in potentiometric operation forms the shielded, at least one second electrode.
  • the at least one mixed potential electrode may comprise at least one electrode material which has a lower electrocatalytic activity than platinum.
  • a platinum electrode which has an admixture of a catalytically inactive or less catalytically active metal than platinum, in particular gold and / or silver and / or copper and / or lead.
  • metal mixtures have proven to be particularly suitable for reasons of compatibility with the production process (for example sintering conditions of the ceramic) and the operating conditions (temperature, atmosphere, etc.). For example, since gold accumulates predominantly on a platinum surface, even small amounts of gold (0.1 to 1%) massively influence the electrode activity and lead to a measurable fuel gas sensitivity of the electrode.
  • the gold concentration should be selected so that the fuel gas sensitivity is maintained over the lifetime of the sensor element. Accordingly, admixtures of gold, silver, copper or lead in the range between 0.05 wt .-% to 5 wt .-%, in particular between 0.1 wt .-% and 1.0 wt .-%, proposed.
  • an oxide electrode as the mixed potential electrode, in particular a metal oxide electrode, for example based on perovskite and / or chromite and / or gallate.
  • a metal oxide electrode for example based on perovskite and / or chromite and / or gallate.
  • ceramic-metal composites can be used, as well as mixtures of an oxide ceramic with gold, silver, copper and / or lead.
  • one of the described probes can be used upstream of the exhaust aftertreatment device and another downstream of the at least one exhaust aftertreatment device.
  • a sensor element after an exhaust gas turbocharger and a further sensor element after an oxidation catalyst and / or diesel particulate filter and / or storage catalyst can be placed.
  • the oxygen concentration or lambda is then measured and is available in the usual way to the corresponding software functions.
  • the operating mode of the lambda probe can be changed to potentiometric operation, so that, for example, hydrocarbon and carbon monoxide emissions before and after the catalysts can be measured. From this information, the conversion behavior of the catalysts can be determined qualitatively and / or quantitatively.
  • the monitoring may be carried out either passively, for example during a regeneration operation (for example of a diesel particulate filter and / or storage catalytic converter) or actively (for example by temperature regulation in the catalytic converter, for example by a corresponding post-injection).
  • the at least one first electrode can be connected to the at least one surrounding gas space via at least one flow resistance element, and the at least one second electrode can be connected by means of at least one diffusion resistance element. This can be at least -O-
  • a flow resistance element and the at least one diffusion resistance element be designed such that the limiting current of the at least one second electrode (usually the pump anode) is smaller than the limiting current of the at least one first electrode.
  • the limiting current of the at least one second electrode is 1 to 20 ⁇ A, more preferably 10 ⁇ A
  • the limiting current of the at least one first electrode is 500 ⁇ A to 6 mA, preferably 1.5 mA.
  • the limiting current of an electrode is defined as the saturation pumping current, d. H.
  • This limiting current can be defined, for example, for oxygen and oxygen ion transport through the solid electrolyte as the current which is achieved when all the oxygen molecules which reach the electrode operated as a cathode are completely transported through the solid electrolyte to the anode.
  • the sensor element is operated with this limiting current, i. H.
  • the pump current is approximately proportional to the gas molecule concentration, and the reverse current of the opposite electrode, which was previously operated as an anode, becomes experimentally polarized by reverse polarity determined, so that now the former anode is operated as a cathode.
  • the setting of the condition for the limiting current ratio can be fulfilled in particular in that the at least one diffusion resistance element has a greater diffusion resistance than the at least one flow resistance element.
  • the diffusion resistance is the resistance which an element opposes to a concentration difference between the two sides of the element and thus hinders diffusion.
  • the same diffusion medium for example, a porous material
  • the at least one diffusion resistance element and the at least one flow resistance element can be used, but in different layer thicknesses, so that, for example, before the at least one second electrode, a higher layer thickness is used than before the at least one first electrode.
  • an adjustment of the surface of the resistance elements can take place.
  • the limiting current increases at least approximately proportionally the available for the diffusion Queritesfiambae, and inversely proportional to the length or layer thickness of the resistive elements.
  • the at least one flow resistance element preferably has a greater flow resistance than the at least one diffusion resistance element.
  • the flow resistance is defined as that resistance which an element opposes to a pressure difference between both sides of the element and thus prevents a flow between both sides of the element.
  • the flow resistance can be adjusted, for example, by increasing or decreasing a pore size of a porous medium, and / or by varying a channel cross-section, a channel geometry or a channel length.
  • this shielding is effected by the at least one diffusion resistance element having a diffusion channel which connects the at least one first electrode to the at least one gas space and / or at least one reference space.
  • This diffusion channel should preferably have a large length, ie a length which is large in relation to the mean free path of the gas molecules at the corresponding operating temperature of the sensor element (for example 700 to 800 ° C.). In this way, the difference between gas phase diffusion and flow resistance can be maximally utilized in order to bring about a shielding of the at least one first electrode. If gas molecules in the diffusion channel (although of course also several diffusion channels can be used) have no collision partners other than the walls of the diffusion channel, transport would only occur via Knudent diffusion with the same behavior for flow and diffusion.
  • the at least one diffusion channel is provided with a height in the range between 2 L to 25 L and a width in the range of 2 L to 25 L and a length in the range between 0.5 mm and 20 mm.
  • L is the mean free path of the molecules of the gas mixture at an operating pressure of the sensor element, which is usually in the range of the normal pressure. This dimensioning of the at least one diffusion channel has proved to be particularly favorable to prevent the diffusion of grease gas to at least a first electrode.
  • the at least one second electrode can also be shielded in that it is completely separated from the gas space.
  • this at least one second electrode can be connected, for example, to a reference gas space, for example via an exhaust air duct.
  • This reference gas space is completely separated from the at least one gas space, which may be, for example, an engine room, which is separated from the exhaust line.
  • a porous element may then again be provided, for example once again an Al 2 O 3 ceramic.
  • the at least one first electrode may, for example, comprise a single electrode, wherein in each case switching should be made between amperometric and potentiometric measurement states.
  • a clocking occur, preferably not overlap amperometric and potentiometric clock cycles.
  • the clock cycles may, for example, be selected such that during the amperometric measurement state, a predetermined amount of the at least one first gas component to be detected is pumped from the at least one first electrode to the at least one second electrode to be there as reference during the subsequent potentiometric clock cycle to stand.
  • the at least one first electrode further comprises at least one pump electrode in addition to the at least one mixed potential electrode.
  • the pumping voltage is then applied between the pumping electrode and the at least one second electrode and the pumping current is measured between these electrodes.
  • the potentiometric measurement state on the other hand, the voltage between the at least one mixed potential electrode and the at least one second electrode is measured. In this way, the potentiometric measurements, for example, at least temporarily make the same time for amperometric measurement.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a sensor element which can be used according to the invention with two possibilities of shielding the pump anode;
  • FIG. 2 shows a pumping current characteristic in the case of a shielded anode
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of an inventively usable sensor element with internal pump anode
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a sensor element with external electrodes
  • Figure 5 shows another exemplary embodiment of a sensor element with internal
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a sensor element with an outer cathode, an inner anode and an exhaust air duct;
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a sensor element in which the mixed potential electrode and the pump cathode are separated
  • FIG. 8A shows a first exemplary embodiment of a system for measuring a gas component
  • FIG. 8B shows a second exemplary embodiment of a system for measuring a gas component.
  • 1 shows a first embodiment of a sensor element 110 is shown, which is used for the erf ⁇ ndungswashe method.
  • This is a sensor element 110, which can be used, for example, in a lambda probe or as a lambda probe in order to determine the gas composition (air ratio) in a gas space 112.
  • the sensor element 110 is designed as a radial design (whereby linear designs are also possible) with a solid electrolyte 114, on which on opposite sides an inner pumping cathode 116 is arranged as the first electrode and an outer side, on the side facing the gas chamber 112 Pump anode 118 are arranged as a second electrode.
  • the pump cathode 116 is in this case designed as a fuel gas-sensitive electrode and has, for example, a platinum electrode with a gold admixture. Other configurations than mixed potential electrode according to the above description are possible.
  • a cathode cavity 120 in the form of a rectangular cavity is formed.
  • gas mixture from the gas space 122 enters the sensor element 110 and can pass from there into the cathode cavity 120.
  • a flow resistance element 124 in the form of a porous, dense material is arranged, which limits the limiting current of the pump cathode 116 and thus substantially determines the slope of the pump current characteristic.
  • two different possibilities are illustrated for suppressing gaseous gas reactions at the pump anode 118 and thus achieving a unique pumping current characteristic.
  • the pump anode 118 While the pump anode 118 is shielded from the gas space 112 by a diffusion resistance element in the form of a porous protective layer 126 in the right-hand part of the diagram (FIG. 1), the pump anode 118 in the left part of this schematic illustration (in FIG denotes) a geometrically configured diffusion resistance element 128.
  • the pump anode 118 is surrounded by a gas-impermeable cover layer 130, in which, above the pump anode 118, a rectangular cavity 132 is formed. This cavity 132 is connected to the gas inlet hole 122 via a long diffusion channel 134, which opens into the gas inlet hole 122.
  • a long diffusion channel 134 For the advantageous dimensions of the diffusion channel 134 reference is made to the above description.
  • a widening 136 is provided to prevent the diffusion channel 134 is added by entering from the gas space 112 dirt.
  • oxygen which forms at the pump anode 118
  • combustion chamber gases are made difficult to penetrate into the cavity 132 above the pump anode 118 by the long diffusion path.
  • the cavity 132 additionally causes a spatial possibility for the reaction of penetrating fuel gases, such as hydrogen, before they reach the pump anode 118 and there can trigger unwanted anode reactions.
  • the sensor element 110 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 can be modified in many ways. Thus, unlike the radial design shown here, a linear design can also be selected. The two options A and B shown can be implemented individually or in combination. Furthermore, it can be seen in FIG. 1 that below the pump anode 118, pump cathode 116 and solid electrolyte 114, which together form a pump cell 138, a heating element 140 is provided, which is composed of insulator layers 142 and heating resistors 144 arranged between them.
  • this heating element 140 which acts as a tempering element 146 can be, for example, an operating temperature of the sensor element 110 to typically 700-800 0 C set, the temperature is adjusted, for example, to optimize the electrolytic properties of the solid electrolyte 114.
  • FIG. 2 schematically shows the effect of the measures described above on the characteristic curve (pumping current I p as a function of the air ratio ⁇ ) of the sensor element 110 shown in FIG.
  • the pumping current I p is plotted against the air ratio ⁇ .
  • the pumping current I p in the rich region 210 should be at zero, ie on the ⁇ axis.
  • the pump current I p should then increase approximately linearly with the air ratio ⁇ , which is shown in dashed lines in FIG. 2 by the theoretical characteristic curve 214.
  • the characteristic curve 220 shows the pump anode 118 shown in B in FIG. 1, in which the diffusion resistance element 128 is realized. It can clearly be seen that this characteristic curve 220 closely approximates the theoretical course 214. Thus, a measurement down to small ⁇ values, ie ⁇ -numbers just above 1, is possible.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 110, which in turn has a pump cell 138 with a pump cathode 116 and a pump anode 118 and a solid electrolyte 114 located therebetween.
  • the pump cathode 116 is in turn, as described above, wholly or partially made of the combustible gas-sensitive material.
  • the pump cathode 116 is arranged on top of the solid electrolyte 114, and the pump anode 118 is located on the inside.
  • a gas-impermeable cover layer 130 is arranged above the pump cathode 116 for shielding from the gas space 112, so that an approximately rectangular cathode cavity 120 again forms above the pump cathode 116.
  • This cathode cavity 120 is shielded from the gas space 112 by the flow resistance element 124, which is designed, for example, as in the exemplary embodiment according to FIG.
  • a gas inlet hole 122 is provided, which in this case, however, does not serve the purpose of gas supply to the pump anode 118 (as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 for gas supply to the pump cathode 116), but rather an escape of oxygen from a cavity 132 in the interior of the sensor element 110, FIG.
  • the gas inlet hole 122 which in this case is no longer an "access hole" may be configured, for example, with a smaller cross-section than the gas inlet hole 122 in the embodiment of FIGURE 1.
  • the diffusion resistance is further increased 3 shows a part of a diffusion resistance element 128, which prevents or reduces a diffusion of fuel gases from the gas space 112 into the cavity 132 above the pump anode 118 and at the same time allows an outflow of oxygen from the cavity 132.
  • a porous element 310 which is advantageously a coarse-pored, porous element.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a sensor element 110 which realizes a layer structure with pump cathode 116 and pump anode 118 arranged on the same side of the solid electrolyte 114.
  • pump anode 118, pump cathode 116 and solid electrolyte 114 form a pumping cell 138, but now the pumping current flows in a substantially horizontal direction, parallel to the layer planes, between the electrodes 116, 118.
  • a cathode cavity 120 is formed, which is shielded from the gas space 122 by a gas-tight cover layer 130.
  • the cathode cavity 120 is separated with the gas space 122 via a flow resistance element 124 in the form of a dense, small-pored ceramic layer, analogous to the preceding embodiments.
  • a cavity 132 is formed, which is likewise separated off from the gas space 122 by the gas-tight cover layer 130.
  • the hollow space 132 is separated from the gas space 122 by the one diffusion channel 134, wherein a porous element 310, analogous to the exemplary embodiment in FIG. 3, is introduced into the diffusion channel 134. Diffusion channel 134 and porous element 310 act together as a diffusion - -
  • a heating element 140 is again provided in the exemplary embodiment according to FIG.
  • an asymmetric heating is realized in the example according to FIG. 4, in which pump anode 118 and diffusion resistance element 128 are heated in the spatial average at a temperature which is approximately 20% below the average temperature of pumping cathode 116 and flow resistance element 124 is located.
  • the heating element 140 is arranged such that laterally the pump anode 118 and the diffusion resistance element 128 are not completely covered since the heating element 140 does not extend to the same extent to the right edge of the sensor element 110 as to the left edge.
  • a gas inlet which is indicated symbolically in FIG. 4 by 410, from the gas space 122 into the cathode cavity 120 through the porous flow resistance element 124 (diffusion process) is favored.
  • an outflow of oxygen gas outflow 412 from the cavity 132 into the gas space 122 is allowed, but diffusion of fuel gases from the gas space 122 into the cavity 132 through the diffusion channel 134 and the porous element 310 are suppressed due to the lower temperature.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a sensor element 110 which can also be used according to the invention, in which the pump anode 118 is completely separated from the gas space 112 and instead is connected via an exhaust air duct 510 to a reference gas space 512, for example an engine compartment of a motor vehicle.
  • the sensor element 110 has on the side facing the gas space 112 a first solid electrolyte 114, for example, again an yttrium-stabilized zirconium dioxide Electrolytes, on.
  • a second solid electrolyte 514 arranged inside the sensor element 110 is provided.
  • the solid electrolytes 114, 514 are contacted by a pump cathode 116 and a pump anode 118, which are each formed in two parts, with an upper, the upper solid electrolyte 114 contacting partial cathode 516, a lower part cathode 518, which contacts the lower solid electrolyte 514 a upper part anode 520, which contacts the upper solid electrolyte 114 and a lower partial anode 522, which in turn contacts the lower solid electrolyte 514.
  • the two partial cathodes 516 and 518 and the two partial anodes 520, 522 are each connected to one another and thus together form the pumping cathode 116 and the pumping anode 118.
  • the splitting into a plurality of partial electrodes causes an enlarged electrode surface and thus a reduced internal resistance of the sensor element 110.
  • a cathode cavity 120 is provided between the partial cathodes 516, 518, and an anode cavity 132 is provided between the two partial anodes 520, 522.
  • the cathode cavity 120 communicates with the gas space 120 via a gas inlet hole and a flow resistance element 124.
  • the pump cathode 116 is in turn, as described above, made of fuel gas-sensitive material.
  • the pumping cathode 218 is electrically contacted by a cathode lead 524 disposed on the lower solid electrolyte 514.
  • the pumping cathode 116 can be connected to a corresponding electronic control device (compare FIGS. 8A and 8B below) and, for example, supplied with a voltage.
  • the anode cavity 132 is connected to the reference gas space 512 via the exhaust air duct 510.
  • Anodenhohlraum 132 and exhaust duct 510 are either unfilled or filled with an oxygen-permeable porous filling element 530 on Al 2 ⁇ 3 basis.
  • the exhaust air channel 510 serves to discharge oxygen with comparatively low flow resistance to the reference gas chamber 512, so that no or only a small amount in the anode cavity 132 Overpressure is created.
  • the potentiometric measuring state on the other hand, here as well as in the previous - o ⁇
  • the anode cavity 132 and the exhaust air duct 510 in each case with the porous filling element 530, as an air reference for the potentiometric determination of the potential difference between the electrodes 116, 118.
  • the pump anode 118 is electrically contacted via an anode feed line 532 and connected via a further electrical feedthrough 534 in the solid electrolyte 114 to an anode connection 536 arranged on the upper side of the solid electrolyte 114. Via this anode connection 536, the pump anode 118 can also be connected, for example, to the electronic control device (see FIGS. 8A and 8B below) so that, for example (in the amperometric measurement state), a voltage (for example a constant voltage) is applied between pump anode 118 and pump cathode 116 can be and / or a pumping current can be measured.
  • Anode supply line 532 and cathode supply line 524 are arranged side by side lying in the embodiment of Figure 5 and separated by the exhaust duct 510 against each other. Alternatively, a superimposed arrangement of the supply line 524, 532 can be realized.
  • a heating element 140 is arranged, in which a heating resistor 144 between two insulator layers 142 is embedded.
  • the heating resistor 144 can be electrically contacted via through-holes 538 in a carrier substrate 540 and heating contacts 542 and acted upon by a heating current.
  • this heating current can be regulated with a regulation which, for example, sets a constant internal resistance of the sensor element 110.
  • the unique characteristic 220 shown in FIG. 2 can be realized.
  • a pumping current corresponding to the oxygen partial pressure is measured in the lean region 212, but no current in the rich region 210, since there is no free oxygen and since the selected pumping voltage is advantageously below the decomposition voltage of the water.
  • fuel gas oxidation may occur at the inner, shielded, fuel gas-blind pump anode 118.
  • This can be a cost-effective, built as a single cell Realize sensor element 210, which is suitable for example for use in diesel vehicles.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 110 which can be used according to the invention.
  • This sensor element 110 combines essential features of the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 5.
  • the sensor element 110 in turn has a solid electrolyte 114, wherein, analogously to the exemplary embodiment in FIG. 3, a pump cathode 116 is arranged on the side of the solid electrolyte 114 facing the gas space 112. and on the gas chamber 112 facing away from the inner side of the solid electrolyte 114 a pump anode 118.
  • the pump cathode 116 is again formed as a mixed potential electrode, in this embodiment, a cermet electrode 610 and a contact frame 612.
  • Analogous to the embodiment in Figure 3 is the Cathode shielded by a gas-impermeable cover layer 130 relative to the gas space 112, wherein in turn a flow resistance element 124 is provided which allows penetration of gas mixture from the gas space 112 into the cathode cavity 120.
  • the pump cathode 116 is in turn electrically contacted by a cathode feed line 524, which is arranged on the upper side of the solid electrolyte 114, and a cathode connection 526.
  • the inner pump anode 118 does not communicate with the gas space 112 via a gas inlet hole 122, but is completely separated from the gas space 112, analogously to the exemplary embodiment in FIG. 5, and is located via an exhaust air duct 510 with a reference gas space 512 in connection.
  • an anode cavity 132 is again provided below the pump cathode 118.
  • Anode cavity 132 and exhaust duct 510 are in turn filled with a porous filling element 530.
  • the exhaust air duct 510 or the anode cavity 132 serves to remove oxygen from the anode region or as a reference gas chamber for a potentiometric measurement.
  • the pump anode 118 is in turn electrically contacted via an anode feed line 532, an electrical through-connection 534 and an anode connection 536 on the surface of the solid electrolyte 114.
  • the anode lead 532 and the exhaust duct 510 partially formed overlapping.
  • the construction of the sensor element 110 according to the exemplary embodiment in FIG. 6 offers substantially the same advantages as the structure according to FIG. 5, but one of the technically complicated plated-through holes in the upper solid electrolyte 114 can be dispensed with.
  • the exemplary embodiments of the sensor element 110 according to FIGS. 1, 3, 4, 5 and 6 have as the first electrode only the pump cathode 116.
  • This pumping cathode 116 is thus used both in the amperometric measuring state (in this case only being a true "pumping electrode") and in the potentiometric measuring state Since amperometric measurement and potentiometric measurement are difficult to carry out simultaneously, the used above described clocked or cyclic operation in which is switched between the measurement states.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which pump cathode 116 and mixed potential electrode 710 are formed as separate electrodes.
  • the structure of the sensor element 110 essentially corresponds to the structure of the sensor element 110 according to FIG. 5, so that with respect to the individual elements and the construction, reference can be made largely to the above description of this figure.
  • two-piece, juxtaposed, internal pumping electrodes 116, 118 are provided, wherein the pumping cathode 116 can be acted upon via a gas inlet hole 122 and a flow resistance element 124 with gas mixture from the gas space.
  • the pump cathode 116 is preferably of a conventional, i. H.
  • the pump cathode 118 is completely shielded from the gas space 112 and connected to the reference gas space 512 via an exhaust air duct 510.
  • the sensor element 110 has the described mixed potential electrode 710 on the upper side of the upper solid electrolyte 114 facing the gas space 112, which is arranged such that it overlaps in its perpendicular projection at least partially with the pump anode.
  • the mixed potential electrode 710 has one of the fuel gas-sensitive electrode materials described above.
  • the mixed potential electrode 710 is connected via a mixed potential electrode lead 712, which is also arranged on the surface of the solid electrolyte 114, connected to a potential contact 714, so that the sensor element 110 now has 3 electrode contacts 526, 536 and 714 on its surface.
  • the pump cell and the potential cell each component-identical composed of the electrodes 116, 118 and the solid electrolyte 114, 514, pump cell and potential cell are now separated. While the pump cell is still formed from the electrodes 116, 118 and the solid electrolytes 114, 514, the mixed potential electrode 710, the upper solid electrolyte 114 and the pump anode 118 now additionally form the potential cell.
  • FIGS. 8A and 8B show two exemplary embodiments of systems 810 by means of which at least one gas component of a gas mixture in the gas space 112 can be measured with the aid of the sensor elements 110 described above.
  • the system 810 in each case has at least one sensor element 110, for example one of the sensor elements described above.
  • a plurality of sensor elements 110 are used, for example, sensor elements in the exhaust system before and after corresponding exhaust aftertreatment devices. For simplicity, however, only one sensor element 110 is shown here.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 8A shows an example in which a sensor element 110 is used, in which the at least one first electrode 116 is formed in one piece.
  • the first electrode is formed in two pieces, with a mixed potential electrode 710 which is arranged separately from the pump cathode 116, analogously to the exemplary embodiment according to FIG.
  • the erfmdungs contemporary system 810 includes, in addition to the at least one sensor element 110, an electronic control device 812, which is shown only schematically and symbolically in these figures.
  • the electronic control device 812 can be designed, for example, as an integral part of the sensor element 110, as a separate component, or it can be decentralized and partially integrated into the sensor element 110.
  • the electronic control device comprises an amperometric measuring device 814 and a potentiometric measuring device 816.
  • the amperometric measuring device has a voltage source 818, for example a controllable voltage source, by means of which the pumping electrodes 116, 118 can be subjected to a pumping voltage in the at least one amperometric measuring state.
  • a current measuring device 820 is provided, by means of which the pumping current I p can be measured in the at least one amperometric measuring state.
  • Pump voltage source 818 and current measuring device 820 are driven or read by a central control unit 822, which may contain, for example, electronic components and / or a microcomputer.
  • the potentiometric measuring device has a voltage measuring device 824. While in the exemplary embodiment according to FIG. 8A the voltage measuring device 824 measures the voltage between the two pumping electrodes 116, 118, in the exemplary embodiment according to FIG. 8B a measurement takes place between the mixed potential electrode 710 and the pump anode 118, the latter in this case not acting as a pumping electrode but as a potential electrode.
  • the potentiometric measuring device 816 is also actuated and read out via the central control unit 822.
  • the central control unit 822 is connected to other components via an interface 826, so that, for example, control signals for controlling an internal combustion engine and / or exhaust aftertreatment devices can be issued by the electronic control device 812, or the electronic control device 812 can be correspondingly activated from the outside
  • control signals for controlling an internal combustion engine and / or exhaust aftertreatment devices can be issued by the electronic control device 812, or the electronic control device 812 can be correspondingly activated from the outside
  • the electronic control device 812 may also contain a device for clocking the measurement states, for example to set a regular change between an amperometric and a potentiometric measurement state.
  • the information obtained by the electronic control device 812 can be used, for example, in the context of an on-board diagnosis (OBD), be used by a central engine control for controlling the internal combustion engine and / or transmitted via an on-board computer to a driver.
  • OBD on-board diagnosis
  • a malfunction of a catalyst ie exceeding a predetermined Limit values with respect to, for example, a fuel gas emission, immediately detected and issued a warning.

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Abstract

Proposed is a method for measuring at least one gas component in a gas space (112) using a sensor element (110), wherein the at least one sensor element (110) has at least one first electrode (116), at least one second electrode (118) and at least one solid electrolyte (114, 514) which connects the at least two electrodes (116, 118). Here, the at least one first electrode (116) has at least one mixed-potential electrode (116; 710). The at least one second electrode is screened off relative to the gas space (112). The method comprises at least two operating states: at least one amperometric operating state, in which a voltage is applied between the two electrodes (116, 118) and a pump current is measured, and at least one potentiometric measurement state, in which a voltage between the at least one mixed-potential electrode (116; 710) and the at least one second electrode (118) is detected.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Sensorelement mit zusätzlicher DiagnosefunktionSensor element with additional diagnostic function
Stand der TechnikState of the art
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.The invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions. Such sensor elements are also known as "lambda probe" and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.
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. DieWith the so-called air ratio "lambda" (λ), the relationship between an air mass actually offered and a theoretically required (that is to say stoichiometric) air mass is generally referred to in combustion technology
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 ähnlicheAir ratio is measured by one or more sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system of an internal combustion engine. Correspondingly, "rich" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel surplus) have an air ratio λ <1, whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. In addition to automotive technology, such and similar
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.Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology) used, for example in aeronautical engineering or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.
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 E- lektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ=l aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind bei- spielsweise in DE 10 2004 035 826 Al, DE 199 38 416 Al und DE 10 2005 027 225 Al beschrieben.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment is the so-called "jump probe" whose measurement principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference gas exposed reference electrode and a measuring gas exposed to the measured measuring electrode is based. Reference electrode and measuring electrode are connected to one another via the solid electrolyte, wherein doped zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized ZrO 2) or similar ceramics are generally used as the solid electrolyte due to its oxygen-ion-conducting properties. Theoretically, the potential difference between the electrodes, especially at the transition between the rich gas mixture and the lean gas mixture, has a characteristic jump, which can be used to actively regulate the gas mixture composition by the jump point λ = 1. Various exemplary embodiments of such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten ver- bundene 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 Pump- Spannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sau- erstoffionen 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 eintreten- de 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.Alternatively or in addition to jump probes, so-called "pump cells" are used in which an electrical "pump voltage" is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, the "pump current" being measured by the pump cell In the case of pump cells, generally both electrodes are connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes is exposed directly to the gas mixture to be measured (usually via a permeable protective layer) can not get directly to this electrode, but must first penetrate a so-called "diffusion barrier" to get into a cavity adjacent to this second electrode. In this case, the diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the cavity, oxygen molecules at the second, negative electrode are electrochemically reduced to oxygen ions by means of the pumping voltage, are transported through the solid electrolyte to the first, positive electrode and released there again as free oxygen , The sensor elements are usually operated in the so-called limiting current operation, that is, in an operation in which the pumping voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counterelectrode. In this operation, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensor elements are often referred to as proportional sensors. in the Contrary to jump sensors, such proportional sensors can be used as so-called broadband sensors over a comparatively wide range for the air ratio lambda.
In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombi-niert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbei-tende 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" er- weitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 Bl 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.In many sensor elements, the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double cell." Such a construction is described, for example, in EP 0 678 740 B1. Measured to the second electrode adjacent cavity and tracked the pumping voltage by a control so that in the cavity always the condition λ = 1 prevails.
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 Sauerstoffϊonen statt mo- lekularem Sauerstoff auch Wasser gebildet werden kann. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene Sauerstoff-liefernde 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 Diffusions- barriere) 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 Zusammenset- zung 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.Broadband sensor elements in a single cell arrangement with two electrodes exposed to the gas mixture, however, have various problems. Thus, a positive pumping current (lean pumping current) with a clear relationship to the oxygen content of the gas mixture is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture. In the rich gas mixture, however, a positive pumping current is usually also measured, even if the applied pumping voltage (usually about 600-700 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V). This positive pumping current is due essentially to the molecular hydrogen contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, ie the first electrode, since water now forms on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen can be. Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO 2 / CO. The current is thus in the range of rich mixtures (fat pump current) by the hydrogen content in the region of the first electrode (eg anode) and the water vapor content (ie in particular the access of the water vapor by the above-described diffusion barrier) in the region of the second electrode ( eg cathode). The problem now lies in particular in that the fat pumping current and the lean pumping current have the same direction in electrically, so that a conclusion about the composition of the pumping current can be drawn from the pumping current. tion of the gas mixture is hardly possible. In addition to the problem described in the field of rich mixtures, a falsification of the pumping current by the hydrogen is also to be observed in the region of slightly lean non-equilibrium exhaust gases, which already exists in this area and provides a positive contribution to the pumping current.
Eine weitere Problematik bekannter Breitband-Sensorelemente in Einzeller- Anordnung besteht darin, dass die Sensorelemente vorteilhafterweise auch zu Diagnosezwecken für die Ü- berwachung 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 Oxi- dationskatalysator 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.A further problem of known broadband sensor elements in single cell arrangement is that the sensor elements should advantageously also be usable for diagnostic purposes for the monitoring of exhaust aftertreatment components. Stricter legislation, especially in the USA, in the field of diagnosis of mission-relevant components, require in a so-called "on-board diagnosis" (OBD) the monitoring of all exhaust aftertreatment components to predetermined OBD limits, which are usually specified as a factor of the emission limit. Coated catalysts (eg oxidation catalyst and NOx storage catalyst) also have to be tested for the effectiveness of their coating or their functionality, and the oxidation catalyst is responsible for the conversion of unburned hydrocarbons (HC) and CO. II Legislation that the oxidation catalyst be tested for catalytic coating effectiveness and recognized as defective if the emission exceeds 1.75 times the limit.
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.Previous approaches use the temperatures in front of and behind the catalyst to estimate the conversion (exothermic reaction) in the catalyst. This turnover in turn serves as a measure of the functionality of the coating. However, these methods can only give a qualitative statement regarding the conversion capability of the catalyst and thus ensure no limit monitoring. As a rule, legal requirements are difficult to achieve.
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 bei- spielsweise 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.Conventional broadband sensor elements in a single cell arrangement, however, are only suitable for carrying out the above-mentioned difficulties of unambiguity of the characteristic curve in order to deduce an oxygen concentration from ion streams, but not, for example, for measuring fuel gas components. Although in principle a (at least temporary) use of such broadband sensor elements for a potentiometric measurement would be possible. However, conventional sensor elements are only sensitive to oxygen and have as jump cells a steep potential jump at λ = 1. Outside this range, the potential characteristics are almost flat, so that virtually no information about the gas composition can be obtained from this.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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 Ver- fahrens 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.Accordingly, a method is proposed for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space, which avoids the disadvantages described above. Furthermore, an electronic control device for carrying out the method and a system for carrying out the method are proposed. The method uses at least one sensor element with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one electrolyte connecting the at least one first electrode and the at least one second electrode. One idea of the invention consists in achieving, on the one hand, a unique pumping current characteristic in that the at least one second electrode is shielded from the at least one gas chamber. In this way, fuel gas reactions are avoided at the at least one second electrode. Another idea of the invention is to design the at least one first electrode as a fuel gas-sensitive electrode. For this purpose, it is proposed that the at least one first electrode be designed in such a way that it comprises at least one mixed potential electrode which is sensitive to the gas composition, that is, in particular sensitive to hydrocarbons and carbon monoxide.
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 bei- spielsweise 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 wer- -D-Accordingly, the proposed method comprises at least two operating states: at least one amperometric measuring state in which a pumping voltage is applied between the at least two electrodes and a pumping current is detected, wherein preferably at least one first gas component in the gas mixture is deduced from the at least one pumping current. The term "concentration" is to be construed broadly and includes both a concentration in the classical sense as a particle number per unit volume, but also other variables that can be correlated with the concentration, such as, for example, partial pressure, mass percent or volume percent, molar fraction or the like or simply a Vohandensein or nonexistence For example, this may be an oxygen concentration. D-
den 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 min- destens 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 Kohlenwasser- Stoffe und/oder Kohlenmonoxid.usually voltages between 300 mV and 800 mV, in particular between 600 mV and 700 mV used. This amperometric measurement state thus corresponds to the usual operating state of single-cell broadband probes. Furthermore, however, at least one potentiometric measurement state is provided in the proposed method, in which at least one voltage between the at least one mixed potential electrode and the at least one second electrode is detected. From the at least one detected voltage is preferably closed to a concentration (which term is again interpreted broad, see above) at least one second gas component in the gas mixture, for example, as described above, to a fuel gas concentration, in particular hydrocarbons and / or carbon monoxide ,
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 be- stimmt. 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.In contrast to the commonly used platinum electrodes, the electrode function (electrode potential) of mixed potential electrodes (fuel gas-sensitive electrodes, electrodes with non-Nernstian behavior) is no longer thermodynamic, but kinetically determined. The electrode potentials deviate from the Nernst equation and, depending on the gas mixture composition, mixing potentials are produced. These mixed potentials lead to sensor signals which are in direct correlation with the non-equilibrium exhaust gases such as CO or HC. The reference in potentiometric operation forms the shielded, at least one second electrode.
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 Beimischung eines katalytisch inaktiven oder weniger katalytisch aktiven Metalls als Platin aufweist, insbesonde- re 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 mas- siv und führen zu einer messbaren Brenngassensitivität der Elektrode. Da Gold jedoch bei üblichen Betriebstemperaturen der Sensorelemente (zum Beispiel 7800C) 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.In particular, the at least one mixed potential electrode may comprise at least one electrode material which has a lower electrocatalytic activity than platinum. Furthermore, it is also possible to use a platinum electrode which has an admixture of a catalytically inactive or less catalytically active metal than platinum, in particular gold and / or silver and / or copper and / or lead. Such metal mixtures have proven to be particularly suitable for reasons of compatibility with the production process (for example sintering conditions of the ceramic) and the operating conditions (temperature, atmosphere, etc.). For example, since gold accumulates predominantly on a platinum surface, even small amounts of gold (0.1 to 1%) massively influence the electrode activity and lead to a measurable fuel gas sensitivity of the electrode. However, since gold has a high vapor pressure at typical operating temperatures of the sensor elements (for example, 780 0 C) and partially evaporates, the gold concentration should be selected so that the fuel gas sensitivity is maintained over the lifetime of the sensor element. Accordingly, admixtures of gold, silver, copper or lead in the range between 0.05 wt .-% to 5 wt .-%, in particular between 0.1 wt .-% and 1.0 wt .-%, proposed.
Alternativ kann als Mischpotentialelektrode auch eine Oxidelektrode verwendet werden, insbesondere eine Metalloxid-Elektrode, beispielsweise auf Perowskitbasis und/oder Chromitba- sis und/oder Gallatbasis. Auch Keramik-Metall- Verbundwerkstoffe lassen sich einsetzen, sowie Gemische einer Oxidkeramik mit Gold, Silber, Kupfer und/oder Blei.Alternatively, it is also possible to use an oxide electrode as the mixed potential electrode, in particular a metal oxide electrode, for example based on perovskite and / or chromite and / or gallate. Also ceramic-metal composites can be used, as well as mixtures of an oxide ceramic with gold, silver, copper and / or lead.
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 Abgasturbola- der 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 poten- tiometrischen Betrieb geändert werden, so dass beispielsweise Kohlenwasserstoff- und Koh- lenmonoxidemissionen 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.In order to realize a monitoring of at least one function of at least one exhaust aftertreatment device (for example at least one filter and / or at least one catalytic converter), one of the described probes can be used upstream of the exhaust aftertreatment device and another downstream of the at least one exhaust aftertreatment device. For example, a sensor element after an exhaust gas turbocharger and a further sensor element after an oxidation catalyst and / or diesel particulate filter and / or storage catalyst can be placed. In amperometric normal operation, the oxygen concentration or lambda is then measured and is available in the usual way to the corresponding software functions. If appropriate monitoring conditions are present, the operating mode of the lambda probe can be changed to potentiometric operation, so that, for example, hydrocarbon and carbon monoxide emissions before and after the catalysts can be measured. From this information, the conversion behavior of the catalysts can be determined qualitatively and / or quantitatively. The monitoring may be carried out either passively, for example during a regeneration operation (for example of a diesel particulate filter and / or storage catalytic converter) or actively (for example by temperature regulation in the catalytic converter, for example by a corresponding post-injection).
Zur Erreichung der eindeutigen Pumpstromkennlinie im amperometrischen Betrieb mittels der genannten Abschirmung der mindestens einen zweiten Elektrode kann beispielsweise die min- destens 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 -o-To achieve the unique pump current characteristic in amperometric operation by means of the abovementioned shielding of the at least one second electrode, the at least one first electrode can be connected to the at least one surrounding gas space via at least one flow resistance element, and the at least one second electrode can be connected by means of at least one diffusion resistance element. This can be at least -O-
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 min- destens 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 E- lektrode 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.a flow resistance element and the at least one diffusion resistance element be designed such that the limiting current of the at least one second electrode (usually the pump anode) is smaller than the limiting current of the at least one first electrode. In this case, it is particularly preferable to set limit currents in which a ratio of less than 1/100, in particular less than 1/1000, is present. Preferably, the limiting current of the at least one second electrode is 1 to 20 μA, more preferably 10 μA, and the limiting current of the at least one first electrode is 500 μA to 6 mA, preferably 1.5 mA. The limiting current of an electrode is defined as the saturation pumping current, d. H. the maximum pumping current which can be achieved when the pumping voltage between the at least two electrodes is increased. This limiting current can be defined, for example, for oxygen and oxygen ion transport through the solid electrolyte as the current which is achieved when all the oxygen molecules which reach the electrode operated as a cathode are completely transported through the solid electrolyte to the anode. Usually, the sensor element is operated with this limiting current, i. H. In this mode, the pump current is approximately proportional to the gas molecule concentration, and the reverse current of the opposite electrode, which was previously operated as an anode, becomes experimentally polarized by reverse polarity determined, so that now the former anode is operated as a cathode.
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 Konzentrationsunter- schied 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 näherungsweise proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Querschnittsfiäche, und umgekehrt proportional mit der Länge bzw. Schichtdicke der Widerstandselemente an.The setting of the condition for the limiting current ratio can be fulfilled in particular in that the at least one diffusion resistance element has a greater diffusion resistance than the at least one flow resistance element. The diffusion resistance is the resistance which an element opposes to a concentration difference between the two sides of the element and thus hinders diffusion. For this embodiment of the diffusion resistors, for example, the same diffusion medium (for example, a porous material) for the at least one diffusion resistance element and the at least one flow resistance element can be used, but in different layer thicknesses, so that, for example, before the at least one second electrode, a higher layer thickness is used than before the at least one first electrode. Alternatively or in addition, an adjustment of the surface of the resistance elements can take place. The limiting current increases at least approximately proportionally the available for the diffusion Querschnittsfiäche, and inversely proportional to the length or layer thickness of the resistive elements.
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 E- lement 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 0C). Auf diese Weise lässt 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 Wänden des Diffusionskanals, so würde ein Transport lediglich über eine Knudsendiffusi- on 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.In addition, however, the at least one flow resistance element preferably has a greater flow resistance than the at least one diffusion resistance element. In this case, the flow resistance is defined as that resistance which an element opposes to a pressure difference between both sides of the element and thus prevents a flow between both sides of the element. The flow resistance can be adjusted, for example, by increasing or decreasing a pore size of a porous medium, and / or by varying a channel cross-section, a channel geometry or a channel length. The above-described advantageous relationship between the limiting currents causes the above-described shielding effect of the at least one second electrode against the reducing gases, such as hydrogen. It is particularly favorable if this shielding is effected by the at least one diffusion resistance element having a diffusion channel which connects the at least one first electrode to the at least one gas space and / or at least one reference space. This diffusion channel should preferably have a large length, ie a length which is large in relation to the mean free path of the gas molecules at the corresponding operating temperature of the sensor element (for example 700 to 800 ° C.). In this way, the difference between gas phase diffusion and flow resistance can be maximally utilized in order to bring about a shielding of the at least one first electrode. If gas molecules in the diffusion channel (although of course also several diffusion channels can be used) have no collision partners other than the walls of the diffusion channel, transport would only occur via Knudent diffusion with the same behavior for flow and diffusion. By virtue of the design as a diffusion channel, on the other hand, there is only a slight diffusion transport of fatty gas to the at least one second electrode, and thus only a small fat pumping current. Advantageously, the at least one diffusion channel is provided with a height in the range between 2 L to 25 L and a width in the range of 2 L to 25 L and a length in the range between 0.5 mm and 20 mm. Here L is the mean free path of the molecules of the gas mixture at an operating pressure of the sensor element, which is usually in the range of the normal pressure. This dimensioning of the at least one diffusion channel has proved to be particularly favorable to prevent the diffusion of grease gas to at least a first electrode.
Alternativ oder zusätzlich zu dem geschriebenen Abschirmungsverfahren lässt sich die min- destens 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 Motorraum handeln kann, welcher vom Abgasstrang getrennt ist. In dem mindestens einen Abluftkanal kann dann beispielsweise wieder ein poröses Element vorgesehen sein, beispielsweise wiederum eine Al2θ3-Keramik.As an alternative or in addition to the written shielding method, the at least one second electrode can also be shielded in that it is completely separated from the gas space. In this case, this at least one second electrode can be connected, for example, to a reference gas space, for example via an exhaust air duct. This reference gas space is completely separated from the at least one gas space, which may be, for example, an engine room, which is separated from the exhaust line. In the at least one exhaust duct, for example, a porous element may then again be provided, for example once again an Al 2 O 3 ceramic.
Die mindestens eine erste Elektrode kann beispielsweise eine einzelne Elektrode umfassen, wobei zwischen amperometrischem und potentiometrischem Messzustand jeweils umgeschal- tet 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 amperometri- schen 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.The at least one first electrode may, for example, comprise a single electrode, wherein in each case switching should be made between amperometric and potentiometric measurement states. Thus, for example, in this case, a clocking occur, preferably not overlap amperometric and potentiometric clock cycles. The clock cycles may, for example, be selected such that during the amperometric measurement state, a predetermined amount of the at least one first gas component to be detected is pumped from the at least one first electrode to the at least one second electrode to be there as reference during the subsequent potentiometric clock cycle to stand.
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 ge- messen. Auf diese Weise lassen sich die potentiometrischen Messungen beispielsweise zumindest zeitweise gleichzeitig zur amperometrischen Messung vornehmen. Kurze Beschreibung der ZeichnungAs an alternative or in addition to the described configuration of the at least one first electrode, it is also possible to use a construction in which the at least one first electrode further comprises at least one pump electrode in addition to the at least one mixed potential electrode. The pumping voltage is then applied between the pumping electrode and the at least one second electrode and the pumping current is measured between these electrodes. In the potentiometric measurement state, on the other hand, the voltage between the at least one mixed potential electrode and the at least one second electrode is measured. In this way, the potentiometric measurements, for example, at least temporarily make the same time for amperometric measurement. Short description of the drawing
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
Figur 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit zwei Möglichkeiten der Abschirmung der Pumpanode;FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a sensor element which can be used according to the invention with two possibilities of shielding the pump anode;
Figur 2 eine Pumpstromkennlinie bei abgeschirmter Anode;FIG. 2 shows a pumping current characteristic in the case of a shielded anode;
Figur 3 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemäß einsetzbaren Sensorelements mit innen liegender Pumpanode;3 shows a second exemplary embodiment of an inventively usable sensor element with internal pump anode;
Figur 4 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegenden Elektroden;FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a sensor element with external electrodes;
Figur 5 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Sensorelements mit innen liegendenFigure 5 shows another exemplary embodiment of a sensor element with internal
Elektroden;electrodes;
Figur 6 ein Ausfuhrungsbeispiel eines Sensorelements mit außen liegender Kathode, innen liegender Anode und Abluftkanal;FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a sensor element with an outer cathode, an inner anode and an exhaust air duct;
Figur 7 ein Ausfuhrungsbeispiel eines Sensorelements, bei welchem Mischpotentialelektrode und Pumpkathode getrennt sind;FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a sensor element in which the mixed potential electrode and the pump cathode are separated;
Figur 8A ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskomponente; undFIG. 8A shows a first exemplary embodiment of a system for measuring a gas component; and
Figur 8B ein zweites Ausfuhrungsbeispiel eines Systems zur Messung einer Gaskompo- nente. In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches für das erfϊndungsgemäße 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 Sensorele- ment 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 Ka- thoden- und Anodenfunktion wechseln. Insbesondere wird die Bezeichnung „Pumpkathode" bzw. „Pumpanode" verwendet, unbeschadet der Möglichkeit, diese Elektroden im potentio- metrischen (d.h. im Allgemeinen stromlosen) Messzustand als Potentialelektroden einzusetzen, zwischen denen die Spannung gemessen wird.FIG. 8B shows a second exemplary embodiment of a system for measuring a gas component. 1 shows a first embodiment of a sensor element 110 is shown, which is used for the erfϊndungsgemäße method. This is a sensor element 110, which can be used, for example, in a lambda probe or as a lambda probe in order to determine the gas composition (air ratio) in a gas space 112. In this example, the sensor element 110 is designed as a radial design (whereby linear designs are also possible) with a solid electrolyte 114, on which on opposite sides an inner pumping cathode 116 is arranged as the first electrode and an outer side, on the side facing the gas chamber 112 Pump anode 118 are arranged as a second electrode. In operation, voltages are applied between the two pumping electrodes 116, 118 in the range described above, and a current is measured between the two electrodes 116, 118 (pumping current I p ). In the following, it is generally assumed that the at least one first electrode is connected as pump cathode 116 and the at least one second electrode of sensor element 110 is pump anode 118. However, another circuit is also conceivable, or even a circuit in which, depending on the operating state , the cathode and anode function change. In particular, the term "pump cathode" or "pump anode" is used, without prejudice to the possibility of using these electrodes in the potentiometric (ie, generally currentless) measuring state as potential electrodes, between which the voltage is measured.
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.The pump cathode 116 is in this case designed as a fuel gas-sensitive electrode and has, for example, a platinum electrode with a gold admixture. Other configurations than mixed potential electrode according to the above description are possible.
Vor der Pumpkathode 116 ist ein Kathodenhohlraum 120 in Form eines rechteckigen Hohl- raums ausgebildet. Durch ein Gaszutritts loch 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 Pumpstromkenn- linie wesentlich bestimmt. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel 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 Figur 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 Figur 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 Gaszutritts loch 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 Verschmut- zungen 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 erschwert. 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.In front of the pumping cathode 116, a cathode cavity 120 in the form of a rectangular cavity is formed. Through a gas inlet hole 122 in the sensor element 110, gas mixture from the gas space 122 enters the sensor element 110 and can pass from there into the cathode cavity 120. Between gas inlet hole 122 and cathode cavity 120, a flow resistance element 124 in the form of a porous, dense material is arranged, which limits the limiting current of the pump cathode 116 and thus substantially determines the slope of the pump current characteristic. In the exemplary embodiment of the sensor element 110 shown in FIG. 1, two different possibilities are illustrated for suppressing gaseous gas reactions at the pump anode 118 and thus achieving a unique pumping current characteristic. While the pump anode 118 is shielded from the gas space 112 by a diffusion resistance element in the form of a porous protective layer 126 in the right-hand part of the diagram (FIG. 1), the pump anode 118 in the left part of this schematic illustration (in FIG denotes) a geometrically configured diffusion resistance element 128. In this case, the pump anode 118 is surrounded by a gas-impermeable cover layer 130, in which, above the pump anode 118, a rectangular cavity 132 is formed. This cavity 132 is connected to the gas inlet hole 122 via a long diffusion channel 134, which opens into the gas inlet hole 122. For the advantageous dimensions of the diffusion channel 134 reference is made to the above description. At the mouth of the diffusion channel 134 in the gas inlet hole, a widening 136 is provided to prevent the diffusion channel 134 is added by entering from the gas space 112 dirt. On the one hand, it is possible through the diffusion channel 134 for oxygen, which forms at the pump anode 118, to be able to flow out into the gas space 112. On the other hand, combustion chamber gases are made difficult to penetrate into the cavity 132 above the pump anode 118 by the long diffusion path. The cavity 132 additionally causes a spatial possibility for the reaction of penetrating fuel gases, such as hydrogen, before they reach the pump anode 118 and there can trigger unwanted anode reactions.
Das Sensorelement 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 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 Figur 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 0C einstellen, wobei die Temperatur angepasst wird, um beispielsweise die elektrolytischen Eigenschaften des Festelektrolyten 114 zu optimieren.The sensor element 110 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 can be modified in many ways. Thus, unlike the radial design shown here, a linear design can also be selected. The two options A and B shown can be implemented individually or in combination. Furthermore, it can be seen in FIG. 1 that below the pump anode 118, pump cathode 116 and solid electrolyte 114, which together form a pump cell 138, a heating element 140 is provided, which is composed of insulator layers 142 and heating resistors 144 arranged between them. By means of this heating element 140, which acts as a tempering element 146 can be, for example, an operating temperature of the sensor element 110 to typically 700-800 0 C set, the temperature is adjusted, for example, to optimize the electrolytic properties of the solid electrolyte 114.
In Figur 2 ist schematisch die Auswirkung der oben beschriebenen Maßnahmen auf die Kenn- linie (Pumpstrom Ip als Funktion der Luftzahl λ) des in Figur 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 Figur 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 Figur 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.FIG. 2 schematically shows the effect of the measures described above on the characteristic curve (pumping current I p as a function of the air ratio λ) of the sensor element 110 shown in FIG. The pumping current I p is plotted against the air ratio λ. Theoretically, the pumping current I p in the rich region 210 should be at zero, ie on the λ axis. At λ = 1 and larger λ values (lean region 212), the pump current I p should then increase approximately linearly with the air ratio λ, which is shown in dashed lines in FIG. 2 by the theoretical characteristic curve 214. In fact, however, characteristic curve 216 is observed in single cell sensor elements 110 exposed to the gas mixture pump anode 118, which is approximated to the theoretical curve 214 only at high λ values. However, in the slightly lean region, approximately at λ = 1, the characteristic curve 216 deviates from the theoretical curve 214 and even increases again to smaller λ values. The characteristic curve 220 shows the pump anode 118 shown in B in FIG. 1, in which the diffusion resistance element 128 is realized. It can clearly be seen that this characteristic curve 220 closely approximates the theoretical course 214. Thus, a measurement down to small λ values, ie λ-numbers just above 1, is possible.
In Figur 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 Figur 1 ist jedoch bei dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 3 die Pumpkathode 116 oben liegend auf dem Festelektrolyten 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 Figur 1. Wiederum ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, welches in diesem Falle jedoch nicht dem Zwecke einer Gaszuführung zur Pumpanode 118 dient (wie im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 zur Gaszufuhrung 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 Figur 1. Damit wird der Diffusionswiderstand zusätzlich erhöht. Das Gaszutrittsloch 122 bildet also im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 einen Teil eines Diffusionswiderstandselements 128, welches eine Dif- fusion von Brenngasen aus dem Gasraum 112 in den Hohlraum 132 über der Pumpanode 118 verhindert beziehungsweise verringert und gleichzeitig ein Ab-strömen von Sauerstoff aus dem Hohlraum 132 ermöglicht. Zusätzlich ist in Figur 3 der Hohlraum 132 durch ein poröses Element 310, wobei es sich vorteilhafterweise um ein grobporiges, poröses Element handelt, gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt.FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 110, which in turn has a pump cell 138 with a pump cathode 116 and a pump anode 118 and a solid electrolyte 114 located therebetween. The pump cathode 116 is in turn, as described above, wholly or partially made of the combustible gas-sensitive material. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, however, in the exemplary embodiment according to FIG. 3, the pump cathode 116 is arranged on top of the solid electrolyte 114, and the pump anode 118 is located on the inside. A gas-impermeable cover layer 130 is arranged above the pump cathode 116 for shielding from the gas space 112, so that an approximately rectangular cathode cavity 120 again forms above the pump cathode 116. This cathode cavity 120 is shielded from the gas space 112 by the flow resistance element 124, which is designed, for example, as in the exemplary embodiment according to FIG. Again, a gas inlet hole 122 is provided, which in this case, however, does not serve the purpose of gas supply to the pump anode 118 (as in the exemplary embodiment according to FIG. 1 for gas supply to the pump cathode 116), but rather an escape of oxygen from a cavity 132 in the interior of the sensor element 110, FIG. in which the pump anode 118 is arranged. Accordingly, the gas inlet hole 122, which in this case is no longer an "access hole", may be configured, for example, with a smaller cross-section than the gas inlet hole 122 in the embodiment of FIGURE 1. Thus, the diffusion resistance is further increased 3 shows a part of a diffusion resistance element 128, which prevents or reduces a diffusion of fuel gases from the gas space 112 into the cavity 132 above the pump anode 118 and at the same time allows an outflow of oxygen from the cavity 132. In addition, in FIG 132 is shielded from the gas space 112 by a porous element 310, which is advantageously a coarse-pored, porous element.
In Figur 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 nun- mehr 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.Finally, FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a sensor element 110 which realizes a layer structure with pump cathode 116 and pump anode 118 arranged on the same side of the solid electrolyte 114. Again pump anode 118, pump cathode 116 and solid electrolyte 114 form a pumping cell 138, but now the pumping current flows in a substantially horizontal direction, parallel to the layer planes, between the electrodes 116, 118. Above the pump cathode 116, which in turn is designed as a mixed potential electrode, again a cathode cavity 120 is formed, which is shielded from the gas space 122 by a gas-tight cover layer 130. The cathode cavity 120 is separated with the gas space 122 via a flow resistance element 124 in the form of a dense, small-pored ceramic layer, analogous to the preceding embodiments.
Über der Pumpanode 118 ist wiederum ein Hohlraum 132 ausgebildet, welcher ebenfalls durch die gasdichte Deckschicht 130 gegenüber dem Gasraum 122 abgetrennt ist. Der Hohl- räum 132 ist durch den einen Diffusionskanal 134 vom Gasraum 122 getrennt, wobei ein poröses Element 310, analog zum Ausführungsbeispiel in Figur 3, in den Diffusionskanal 134 eingebracht ist. Diffusionskanal 134 und poröses Element 310 wirken zusammen als Diffusi- - -Above the pump anode 118, in turn, a cavity 132 is formed, which is likewise separated off from the gas space 122 by the gas-tight cover layer 130. The hollow space 132 is separated from the gas space 122 by the one diffusion channel 134, wherein a porous element 310, analogous to the exemplary embodiment in FIG. 3, is introduced into the diffusion channel 134. Diffusion channel 134 and porous element 310 act together as a diffusion - -
onswiderstandselement 128, wobei bezüglich der Dimensionierung des Diffusionskanals 134 auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.On resistance element 128, with respect to the dimensioning of the diffusion channel 134 can be made to the above description.
Weiterhin ist, wie auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, auch im Ausführungs- beispiel gemäß Figur 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 Figur 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 Figur 4 symbolisch mit 410 bezeichnet ist, aus dem Gasraum 122 in den Kathodenhohlraum 120 durch das poröse Strömungswiderstandselement 124 (Diffusi- onsprozess) 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.Furthermore, as in the previous exemplary embodiments, a heating element 140 is again provided in the exemplary embodiment according to FIG. In contrast to the preceding exemplary embodiments, in the case of this planar arrangement with adjacent electrodes 116, 118, however, an asymmetric heating is realized in the example according to FIG. 4, in which pump anode 118 and diffusion resistance element 128 are heated in the spatial average at a temperature which is approximately 20% below the average temperature of pumping cathode 116 and flow resistance element 124 is located. For this purpose, the heating element 140 is arranged such that laterally the pump anode 118 and the diffusion resistance element 128 are not completely covered since the heating element 140 does not extend to the same extent to the right edge of the sensor element 110 as to the left edge. As a result of this increased operating temperature on the pump cathode 116 side, a gas inlet, which is indicated symbolically in FIG. 4 by 410, from the gas space 122 into the cathode cavity 120 through the porous flow resistance element 124 (diffusion process) is favored. At the same time, due to the lower operating temperature on the pump anode 118 side, an outflow of oxygen (gas outflow 412) from the cavity 132 into the gas space 122 is allowed, but diffusion of fuel gases from the gas space 122 into the cavity 132 through the diffusion channel 134 and the porous element 310 are suppressed due to the lower temperature.
Bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 1, 3 und 4 ist die Pumpanode 118 zwar gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmt, ist jedoch dennoch mit diesem (über das Diffusionswi- derstandselement 128) verbunden. Im Gegensatz dazu zeigt Figur 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.In the exemplary embodiments in FIGS. 1, 3 and 4, although the pump anode 118 is shielded from the gas space 112, it is nevertheless connected to the latter (via the diffusion resistance element 128). In contrast, FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a sensor element 110 which can also be used according to the invention, in which the pump anode 118 is completely separated from the gas space 112 and instead is connected via an exhaust air duct 510 to a reference gas space 512, for example an engine compartment of a motor vehicle.
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.The sensor element 110 has on the side facing the gas space 112 a first solid electrolyte 114, for example, again an yttrium-stabilized zirconium dioxide Electrolytes, on. In addition, a second solid electrolyte 514 arranged inside the sensor element 110 is provided. The solid electrolytes 114, 514 are contacted by a pump cathode 116 and a pump anode 118, which are each formed in two parts, with an upper, the upper solid electrolyte 114 contacting partial cathode 516, a lower part cathode 518, which contacts the lower solid electrolyte 514 a upper part anode 520, which contacts the upper solid electrolyte 114 and a lower partial anode 522, which in turn contacts the lower solid electrolyte 514. The two partial cathodes 516 and 518 and the two partial anodes 520, 522 are each connected to one another and thus together form the pumping cathode 116 and the pumping anode 118. The splitting into a plurality of partial electrodes causes an enlarged electrode surface and thus a reduced internal resistance of the sensor element 110. A cathode cavity 120 is provided between the partial cathodes 516, 518, and an anode cavity 132 is provided between the two partial anodes 520, 522.
Analog zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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 Brenngas-sensitivem Material hergestellt. Die Pumpkathode 218 wird durch eine Kathodenzuleitung 524, welche auf dem unteren Festelektrolyten 514 angeordnet ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Ka- thodenanschluss 526 auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 und eine elektrische Durch- kontaktierung 528 kann die Pumpkathode 116 mit einer entsprechenden elektronischen Steuervorrichtung (vergleiche unten die Figuren 8A und 8B) verbunden werden und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.Analogous to the first exemplary embodiment according to FIG. 1, the cathode cavity 120 communicates with the gas space 120 via a gas inlet hole and a flow resistance element 124. The pump cathode 116 is in turn, as described above, made of fuel gas-sensitive material. The pumping cathode 218 is electrically contacted by a cathode lead 524 disposed on the lower solid electrolyte 514. Via a cathode connection 526 on the upper side of the solid electrolyte 114 and an electrical through-connection 528, the pumping cathode 116 can be connected to a corresponding electronic control device (compare FIGS. 8A and 8B below) and, for example, supplied with a voltage.
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 Al2θ3-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 da- zu, 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 vorherge- - o¬The anode cavity 132 is connected to the reference gas space 512 via the exhaust air duct 510. Anodenhohlraum 132 and exhaust duct 510 are either unfilled or filled with an oxygen-permeable porous filling element 530 on Al 2 θ 3 basis. In the above-described at least one amperometric measurement state, in which oxygen is pumped from the pump cathode 116 to the pump anode 118, the exhaust air channel 510 serves to discharge oxygen with comparatively low flow resistance to the reference gas chamber 512, so that no or only a small amount in the anode cavity 132 Overpressure is created. In the potentiometric measuring state, on the other hand, here as well as in the previous - o¬
henden Ausfuhrungsbeispielen, 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.exemplary embodiments, the anode cavity 132 and the exhaust air duct 510, in each case with the porous filling element 530, as an air reference for the potentiometric determination of the potential difference between the electrodes 116, 118.
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 Figuren 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 Figur 5 nebeneinander liegend angeordnet und durch den Abluftkanal 510 gegeneinander getrennt. Alternativ kann auch eine übereinander liegende Anordnung der Zuleitung 524, 532 realisiert werden.The pump anode 118 is electrically contacted via an anode feed line 532 and connected via a further electrical feedthrough 534 in the solid electrolyte 114 to an anode connection 536 arranged on the upper side of the solid electrolyte 114. Via this anode connection 536, the pump anode 118 can also be connected, for example, to the electronic control device (see FIGS. 8A and 8B below) so that, for example (in the amperometric measurement state), a voltage (for example a constant voltage) is applied between pump anode 118 and pump cathode 116 can be and / or a pumping current can be measured. Anode supply line 532 and cathode supply line 524 are arranged side by side lying in the embodiment of Figure 5 and separated by the exhaust duct 510 against each other. Alternatively, a superimposed arrangement of the supply line 524, 532 can be realized.
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.Below the lower solid electrolyte 514, in turn, a heating element 140 is arranged, in which a heating resistor 144 between two insulator layers 142 is embedded. The heating resistor 144 can be electrically contacted via through-holes 538 in a carrier substrate 540 and heating contacts 542 and acted upon by a heating current. For example, this heating current can be regulated with a regulation which, for example, sets a constant internal resistance of the sensor element 110.
Auch mittels der in Figur 5 dargestellten Anordnung des Sensorelements 110 mit vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abgeschirmter Pumpanode 118 kann die in Figur 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.Also, by means of the arrangement of the sensor element 110 shown in FIG. 5 with the pump anode 118 completely shielded from the gas space 112, the unique characteristic 220 shown in FIG. 2 can be realized. When used as a lambda probe, a pumping current corresponding to the oxygen partial pressure is measured in the lean region 212, but no current in the rich region 210, since there is no free oxygen and since the selected pumping voltage is advantageously below the decomposition voltage of the water. Thus, fuel gas oxidation may occur at the inner, shielded, fuel gas-blind pump anode 118. This can be a cost-effective, built as a single cell Realize sensor element 210, which is suitable for example for use in diesel vehicles.
In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 110 dargestellt, welches erfindungsgemäß eingesetzt werde kann. Dieses Sensorelement 110 kombiniert Wesensmerkmale der Ausfuhrungsbeispiele gemäß den Figuren 3 und 5. So weist das Sensorelement 110 wiederum einen Festelektrolyten 114 auf, wobei, analog zum Ausfuhrungsbeispiel in Figur 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 Figur 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 Kathodenzuleitung 524, welche auf der Oberseite des Festelektrolyten 114 angeordnet ist, sowie einen Kathodenanschluss 526 elektrisch kontaktiert.FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 110 which can be used according to the invention. This sensor element 110 combines essential features of the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 5. The sensor element 110 in turn has a solid electrolyte 114, wherein, analogously to the exemplary embodiment in FIG. 3, a pump cathode 116 is arranged on the side of the solid electrolyte 114 facing the gas space 112. and on the gas chamber 112 facing away from the inner side of the solid electrolyte 114 a pump anode 118. The pump cathode 116 is again formed as a mixed potential electrode, in this embodiment, a cermet electrode 610 and a contact frame 612. Analogous to the embodiment in Figure 3 is the Cathode shielded by a gas-impermeable cover layer 130 relative to the gas space 112, wherein in turn a flow resistance element 124 is provided which allows penetration of gas mixture from the gas space 112 into the cathode cavity 120. The pump cathode 116 is in turn electrically contacted by a cathode feed line 524, which is arranged on the upper side of the solid electrolyte 114, and a cathode connection 526.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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 Figur 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 Figur 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.In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 3, however, the inner pump anode 118 does not communicate with the gas space 112 via a gas inlet hole 122, but is completely separated from the gas space 112, analogously to the exemplary embodiment in FIG. 5, and is located via an exhaust air duct 510 with a reference gas space 512 in connection. Below the pump cathode 118, an anode cavity 132 is again provided. Anode cavity 132 and exhaust duct 510 are in turn filled with a porous filling element 530. Analogous to the above description of FIG. 5, depending on the measurement state, the exhaust air duct 510 or the anode cavity 132 serves to remove oxygen from the anode region or as a reference gas chamber for a potentiometric measurement.
Die Pumpanode 118 wird wiederum über eine Anodenzuleitung 532, eine elektrische Durch- kontaktierung 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 Figur 6 bietet im Wesentlichen dieselben Vorteile wie der Aufbau gemäß Figur 5, wobei jedoch auf eine der technisch aufwendigen Durchkontaktierun- gen im oberen Festelektrolyten 114 verzichtet werden kann.The pump anode 118 is in turn electrically contacted via an anode feed line 532, an electrical through-connection 534 and an anode connection 536 on the surface of the solid electrolyte 114. In this embodiment, the anode lead 532 and the exhaust duct 510 partially formed overlapping. The construction of the sensor element 110 according to the exemplary embodiment in FIG. 6 offers substantially the same advantages as the structure according to FIG. 5, but one of the technically complicated plated-through holes in the upper solid electrolyte 114 can be dispensed with.
Die Ausführungsbeispiele des Sensorelements 110 gemäß den Figuren 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 ampero- metrische 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.The exemplary embodiments of the sensor element 110 according to FIGS. 1, 3, 4, 5 and 6 have as the first electrode only the pump cathode 116. This pumping cathode 116 is thus used both in the amperometric measuring state (in this case only being a true "pumping electrode") and in the potentiometric measuring state Since amperometric measurement and potentiometric measurement are difficult to carry out simultaneously, the used above described clocked or cyclic operation in which is switched between the measurement states.
In Figur 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 Figur 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 Gaszutritts loch 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 Figur 5 ist die Pumpkathode 118 vollständig gegenüber dem Gasraum 112 abge- schirmt und über einen Abluftkanal 510 mit dem Referenzgasraum 512 verbunden.In contrast, FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which pump cathode 116 and mixed potential electrode 710 are formed as separate electrodes. In this case, the structure of the sensor element 110 essentially corresponds to the structure of the sensor element 110 according to FIG. 5, so that with respect to the individual elements and the construction, reference can be made largely to the above description of this figure. Again, two-piece, juxtaposed, internal pumping electrodes 116, 118 are provided, wherein the pumping cathode 116 can be acted upon via a gas inlet hole 122 and a flow resistance element 124 with gas mixture from the gas space. In this case, however, the pump cathode 116 is preferably of a conventional, i. H. non-fuel gas sensitive material, such as platinum (or a platinum cermet). As in the exemplary embodiment according to FIG. 5, the pump cathode 118 is completely shielded from the gas space 112 and connected to the reference gas space 512 via an exhaust air duct 510.
Zusätzlich zur Pumpkathode 116 weist das Sensorelement 110 gemäß Figur 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 senk- rechten 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.In addition to the pump cathode 116, the sensor element 110 according to FIG. 7 has the described mixed potential electrode 710 on the upper side of the upper solid electrolyte 114 facing the gas space 112, which is arranged such that it overlaps in its perpendicular projection at least partially with the pump anode. The mixed potential electrode 710 has one of the fuel gas-sensitive electrode materials described above. The mixed potential electrode 710 is connected via a mixed potential electrode lead 712, which is also arranged on the surface of the solid electrolyte 114, connected to a potential contact 714, so that the sensor element 110 now has 3 electrode contacts 526, 536 and 714 on its surface.
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 nun- mehr zusätzlich die Potentialzelle.While in the preceding examples, the pump cell and the potential cell each component-identical composed of the electrodes 116, 118 and the solid electrolyte 114, 514, pump cell and potential cell are now separated. While the pump cell is still formed from the electrodes 116, 118 and the solid electrolytes 114, 514, the mixed potential electrode 710, the upper solid electrolyte 114 and the pump anode 118 now additionally form the potential cell.
In den Figuren 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 Figur 8A ein Beispiel, bei welchem ein Sensor- element 110 verwendet wird, bei welchem die mindestens eine erste Elektrode 116 einstückig ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 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 Figur 7.FIGS. 8A and 8B show two exemplary embodiments of systems 810 by means of which at least one gas component of a gas mixture in the gas space 112 can be measured with the aid of the sensor elements 110 described above. The system 810 in each case has at least one sensor element 110, for example one of the sensor elements described above. Preferably, a plurality of sensor elements 110 are used, for example, sensor elements in the exhaust system before and after corresponding exhaust aftertreatment devices. For simplicity, however, only one sensor element 110 is shown here. The exemplary embodiment according to FIG. 8A shows an example in which a sensor element 110 is used, in which the at least one first electrode 116 is formed in one piece. In contrast, in the exemplary embodiment according to FIG. 8B, the first electrode is formed in two pieces, with a mixed potential electrode 710 which is arranged separately from the pump cathode 116, analogously to the exemplary embodiment according to FIG.
Das erfmdungs gemäße System 810 umfasst, neben den mindestens einen Sensorelement 110, eine elektronisch Steuervorrichtung 812, welche in diesen Figuren lediglich schematisch 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. 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.The erfmdungs contemporary system 810 includes, in addition to the at least one sensor element 110, an electronic control device 812, which is shown only schematically and symbolically in these figures. The electronic control device 812 can be designed, for example, as an integral part of the sensor element 110, as a separate component, or it can be decentralized and partially integrated into the sensor element 110. The electronic control device comprises an amperometric measuring device 814 and a potentiometric measuring device 816. The amperometric measuring device has a voltage source 818, for example a controllable voltage source, by means of which the pumping electrodes 116, 118 can be subjected to a pumping voltage in the at least one amperometric measuring state. Furthermore, a current measuring device 820 is provided, by means of which the pumping current I p can be measured in the at least one amperometric measuring state. Pump voltage source 818 and current measuring device 820 are driven or read by a central control unit 822, which may contain, for example, electronic components and / or a microcomputer.
Die potentiometrische Messvorrichtung weist eine Spannungsmessvorrichtung 824 auf. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8A die Spannungsmessvorrichtung 824 die Spannung zwischen den beiden Pumpelektroden 116, 118 misst, erfolgt in dem Ausführungs- beispiel gemäß Figur 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 Abgasnachbehandlungsvor- richtungen 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 potentiometri- schen 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 Beispiel einer Brenngasemission, unmittelbar erkannt und eine entsprechende Warnung ausgegeben werden. The potentiometric measuring device has a voltage measuring device 824. While in the exemplary embodiment according to FIG. 8A the voltage measuring device 824 measures the voltage between the two pumping electrodes 116, 118, in the exemplary embodiment according to FIG. 8B a measurement takes place between the mixed potential electrode 710 and the pump anode 118, the latter in this case not acting as a pumping electrode but as a potential electrode. The potentiometric measuring device 816 is also actuated and read out via the central control unit 822. The central control unit 822 is connected to other components via an interface 826, so that, for example, control signals for controlling an internal combustion engine and / or exhaust aftertreatment devices can be issued by the electronic control device 812, or the electronic control device 812 can be correspondingly activated from the outside For example, in order to set the potentiometric measurement state in a regeneration operation of a catalytic converter, and in a normal operation of the motor vehicle, the amperometric measurement state. Furthermore, the electronic control device 812 may also contain a device for clocking the measurement states, for example to set a regular change between an amperometric and a potentiometric measurement state. The information obtained by the electronic control device 812 can be used, for example, in the context of an on-board diagnosis (OBD), be used by a central engine control for controlling the internal combustion engine and / or transmitted via an on-board computer to a driver. In this way, for example, a malfunction of a catalyst, ie exceeding a predetermined Limit values with respect to, for example, a fuel gas emission, immediately detected and issued a warning.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), wobei mindestens ein Sensorelement (110) mit mindestens einer ersten Elektrode (116), mindestens einer zweiten Elektrode (118) und mindestens einem die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) verbindenden Festelektrolyten (114, 514) eingesetzt wird, wobei die mindestens eine ers- te Elektrode (1 16) mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) umfasst und mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) gegenüber dem Gasraum (112) abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens zwei Betriebszustände umfasst: mindestens einen amperometrischen Messzustand, wobei zwischen die mindestens ei- ne erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) eine Pumpspannung angelegt wird, wobei mindestens ein zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) fließender Pumpstrom erfasst wird; und mindestens einen potentiometrischen Messzustand, wobei mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) erfasst wird.1. A method for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space (112), wherein at least one sensor element (110) having at least one first electrode (116), at least one second electrode (118) and at least one at least one first electrode (116 ) and the at least one second electrode (118) connecting solid electrolyte (114, 514) is used, wherein the at least one first electrode (1 16) at least one mixed potential electrode (116, 710) and can be acted upon with the gas mixture, wherein the at least one second electrode (118) is shielded from the gas space (112), characterized in that the method comprises at least two operating states: at least one amperometric measurement state, wherein between the at least one first electrode (116) and the at least one second electrode (118) a pumping voltage is applied, wherein at least one between the at least one first electrode (116) and the minde at least one second electrode (118) is detected flowing pumping current; and at least one potentiometric measurement state, wherein at least one voltage between the at least one mixed potential electrode (116; 710) and the at least one second electrode (118) is detected.
2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem mindestens einen Pumpstrom auf die Konzentration mindestens einer ersten Gaskompo- nente im Gasgemisch geschlossen wird und dass aus der mindestens einen erfassten2. Method according to the preceding claim, characterized in that the concentration of at least one first gas component in the gas mixture is deduced from the at least one pumping current and that from the at least one detected
Spannung auf eine Konzentration mindestens einer zweiten Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen wird.Voltage to a concentration of at least one second gas component in the gas mixture is closed.
3. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist mindestens ein Elektrodenmaterial mit einer geringeren elektrokatalytischen Aktivität auf als Platin; die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer Beimischung eines katalytisch inaktiven Metalls, insbesondere von Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, insbesondere im Bereich zwischen3. Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one mixed potential electrode (116; 710) has at least one of the following properties: the at least one mixed potential electrode (116; 710) comprises at least one electrode material having a lower electrocatalytic activity than platinum; the at least one mixed potential electrode (116; 710) has a platinum electrode with an admixture of a catalytically inactive metal, in particular of gold and / or silver and / or copper and / or lead, in particular in the range between
0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 1,0 Gew.-%; die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist eine Platinelektrode auf, mit einer zumindest teilweisen Bedeckung durch ein katalytisch inaktives Metall, ins- besondere Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Blei, wobei die zumindest teilweise Bedeckung vorzugsweise unvollständig ist; die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Oxid, insbesondere ein Metalloxid, auf, insbesondere ein Metalloxid auf Perowskitbasis und/oder Chro- mitbasis und/oder Gallatbasis; - die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist einen Keramik-Metall-0.05 wt% to 5 wt%, more preferably between 0.1 wt% and 1.0 wt%; the at least one mixed potential electrode (116; 710) has a platinum electrode with at least partial coverage by a catalytically inactive metal, in particular gold and / or silver and / or copper and / or lead, wherein the at least partial covering is preferably incomplete ; the at least one mixed potential electrode (116; 710) comprises an oxide, in particular a metal oxide, in particular a perovskite-based and / or chromium-based and / or gallate-based metal oxide; - The at least one mixed potential electrode (116; 710) has a ceramic-metal
Verbundwerkstoff auf; die mindestens eine Mischpotentialelektrode (116; 710) weist ein Gemisch aus mindestens einer Oxidkeramik und mindestens einem der folgenden Metalle auf: Gold, Silber, Kupfer, Blei.Composite on; the at least one mixed potential electrode (116; 710) comprises a mixture of at least one oxide ceramic and at least one of the following metals: gold, silver, copper, lead.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (1 16) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) und/oder mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116).4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one first electrode (1 16) via at least one flow resistance element (124) with the at least one gas space (112) is connected, wherein the at least one second electrode (118) via at least one diffusion resistance element (128) is connected to the at least one gas space (112) and / or at least one reference gas space (512), characterized in that the at least one flow resistance element (124) and the at least one diffusion resistance element (128) are configured such that the limiting current of the at least one second electrode (118) is smaller than the limiting current of the at least one first electrode (116).
5. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) und das mindestens eine Diffusi- - -5. Method according to the preceding claim, characterized in that the at least one flow resistance element (124) and the at least one diffusive element - -
onswiderstandselement (128) derart ausgestaltet sind, dass das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124) einen größeren Strömungswiderstand aufweist als das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128).On resistance element (128) are configured such that the at least one flow resistance element (124) has a greater flow resistance than the at least one diffusion resistance element (128).
6. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Diffusionswiderstandselement (128) einen größeren Diffusionswiderstand aufweist als das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).6. The method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one diffusion resistance element (128) has a greater diffusion resistance than the at least one flow resistance element (124).
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) kleiner ist als 1/100 des7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the limiting current of the at least one second electrode (118) is smaller than 1/100 of
Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116) und vorzugsweise kleiner ist als 1/1000 des Grenzstroms der mindestens einen ersten Elektrode (116).Limit current of the at least one first electrode (116) and preferably less than 1/1000 of the limiting current of the at least one first electrode (116).
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom der mindestens einen zweiten Elektrode (118) 1 bis 20 Mikroampere beträgt, vorzugsweise 10 Mikroampere, und dass der Grenzstrom der mindestens einen ersten Elektrode (116) 500 Mikroampere bis 6 Milliampere beträgt, vorzugsweise 1,5 Milliampere.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the limiting current of the at least one second electrode (118) is 1 to 20 microamps, preferably 10 microamps, and that the limiting current of the at least one first electrode (116) 500 microamps to 6 milliamperes is preferably 1.5 milliamperes.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Elektrode (116) neben der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) mindestens eine Pumpelektrode (116) umfasst, wobei die Pumpspannung in dem mindestens einen amperometrischen Messzustand zwischen die mindestens eine Pumpelektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) angelegt wird, wobei der mindestens eine Pumpstrom zwischen der mindestens einen Pumpelektrode (116) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird und wobei in dem mindestens einen potentiometrischen Messzustand die mindestens eine Spannung zwischen der mindestens einen Mischpotentialelektrode (116; 710) und der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gemessen wird.9. Method according to claim 1, characterized in that the at least one first electrode (116) comprises, in addition to the at least one mixed potential electrode (116; 710), at least one pumping electrode (116), wherein the pumping voltage in the at least one amperometric measuring state between the at least one pumping electrode (116) and the at least one second electrode (118) is applied, wherein the at least one pumping current between the at least one pumping electrode (116) and the at least one second electrode (118) is measured and wherein in the at least one potentiometric measuring state the at least one voltage between the at least one mixed potential electrode (116; 710) and the at least one second electrode (118) is measured.
10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch und einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pumpelektrode (116) von dem mindestens ei- nen Gasraum (112) getrennt ist durch das mindestens eine Strömungswiderstandselement (124).10. The method according to the preceding claim and one of claims 3-7, characterized in that the at least one pumping electrode (116) of the at least one NEN gas space (112) is separated by the at least one flow resistance element (124).
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der min- destens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiometrische11. The method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that the at least one amperometric measurement state and the at least one potentiometric
Messzustand zumindest zeitweise gleichzeitig verwendet werden.Messzustand be used at least temporarily simultaneously.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine amperometrische Messzustand und der mindestens eine potentiomet- rische Messzustand zumindest zeitweise getaktet eingesetzt werden, wobei die Taktzyklen derart gewählt werden, dass während des amperometrischen Messzustandes eine vorgegebene Menge der mindestens einen nachzuweisenden ersten Gaskomponente von der mindestens einen ersten Elektrode (116) zu der mindestens einen zweiten Elektrode (118) gepumpt wird, um dort während des mindestens einen potentiometrischen Messzu- Standes als Referenz zu fungieren.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one amperometric measurement state and the at least one potentiomet- rische measurement state are used clocked at least temporarily, the clock cycles are selected such that during the amperometric measurement state, a predetermined amount of at least one The first gas component to be detected is pumped from the at least one first electrode (116) to the at least one second electrode (118) in order to act as a reference there during the at least one potentiometric measurement state.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand verwendet wird, um mindestens eine Information ü- ber mindestens eine Funktion mindestens einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu ge- nerieren, wobei die mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung insbesondere mindestens einen Katalysator und/oder mindestens einen Filter aufweist.13. The method according to claim 1, wherein the potentiometric measurement state is used to generate at least one information about at least one function of at least one exhaust aftertreatment device, wherein the at least one exhaust aftertreatment device comprises at least one catalyst and / or at least one has a filter.
14. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der potentiometrische Messzustand während eines Regenerationsbetriebes der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird.14. The method according to the preceding claim, characterized in that the potentiometric measurement state is used during a regeneration operation of the at least one exhaust aftertreatment device.
15. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Information eingesetzt wird, um die mindestens eine Funktion zu regeln.15. The method according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one information is used to regulate the at least one function.
16. Verfahren gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sensorelemente (110) eingesetzt werden, wobei mindestens ein ers- - -16. The method according to one of the three preceding claims, characterized in that at least two sensor elements (110) are used, wherein at least one first - -
tes Sensorelement (110) im Abgasstrang vor der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eingesetzt wird und mindestens ein zweites Sensorelement (110) im Abgasstrang nach der mindestens einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.Sensor element (110) is used in the exhaust line before the at least one exhaust aftertreatment device and at least one second sensor element (110) in the exhaust line after the at least one exhaust aftertreatment device.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (110) mindestens einen der nachfolgenden Schichtaufbauten aufweist: die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (1 16) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) mit dem mindestens einen Gasraum (112) verbunden ist; - die mindestens eine erste Elektrode (116) ist im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungs Widerstandselement (124) verbunden, wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektroly- ten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden ist; die mindestens eine erste Elektrode (116) und die mindestens eine zweite Elektrode (118) sind im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnet, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutritts loch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist; die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sen- sorelements (110) angeordnet und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Diffusionswiderstandselement (128) verbunden, wobei die mindestens eine erste Elektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungs Widerstandselement (124) verbunden ist; die mindestens eine zweite Elektrode (118) ist im Inneren des mindestens einen Sen- sorelements (110) angeordnet und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) verbunden, wobei die mindestens eine erste E- lektrode (116) auf der dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnet ist und mit dem mindestens einen Gasraum (112) über mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) ver- bunden ist; die mindestens eine erste Elektrode (116) umfasst mindestens eine auf einer dem mindestens einen Gasraum (112) zugewandten Seite des mindestens einen Festelektrolyten (114, 514) angeordnete Mischpotentialelektrode (116; 710) und mindestens eine im Inneren des mindestens einen Sensorelements (110) angeordnete Pumpelektrode (116), wobei die mindestens eine Pumpelektrode (116) mit dem mindestens einen17. Method according to claim 1, characterized in that the at least one sensor element (110) has at least one of the following layer structures: the at least one first electrode (116) and the at least one second electrode (118) are on one of the at least one Gas side (112) facing side of the at least one solid electrolyte (114, 514), wherein the at least one first electrode (1 16) via at least one flow resistance element (124) is connected to the at least one gas space (112), wherein the at least one second Electrode (118) via at least one diffusion resistance element (128) is connected to the at least one gas space (112); - The at least one first electrode (116) is arranged in the interior of the at least one sensor element (110) and connected to the at least one gas space (112) via at least one gas inlet hole (122) and at least one flow resistance element (124), wherein the at least one second electrode (118) is arranged on the at least one gas chamber (112) facing side of the at least one solid electrolyte (114, 514) and is connected to the at least one gas chamber (112) via at least one diffusion resistance element (128); the at least one first electrode (116) and the at least one second electrode (118) are arranged inside the at least one sensor element (110), wherein the at least one first electrode (116) with the at least one gas space (112) via at least one gas inlet hole (122) and at least one flow resistance element (124) is connected and wherein the at least one second electrode (118) from the at least one gas space (112) shielded and connected to at least one reference gas space (512); the at least one second electrode (118) is arranged in the interior of the at least one sensor element (110) and connected to the at least one gas space (112) via at least one gas inlet hole (122) and at least one diffusion resistance element (128), the at least one first electrode (116) on the at least one gas space (112) facing side of the at least one solid electrolyte (114, 514) is arranged and with the at least one gas chamber (112) via at least one flow resistance element (124) is connected; the at least one second electrode (118) is arranged in the interior of the at least one sensor element (110) and connected to at least one reference gas space (512) via at least one gas inlet hole (122), wherein the at least one first electrode (116) the at least one gas space (112) facing side of the at least one solid electrolyte (114, 514) is arranged and with the at least one gas space (112) via at least one flow resistance element (124) is connected; the at least one first electrode (116) comprises at least one mixed potential electrode (116; 710) arranged on a side of the at least one solid electrolyte (114, 514) facing the at least one gas space (112) and at least one inside the at least one sensor element (110) arranged pump electrode (116), wherein the at least one pump electrode (116) with the at least one
Gasraum (112) über mindestens ein Gaszutrittsloch (122) und mindestens ein Strömungswiderstandselement (124) verbunden ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (118) von dem mindestens einen Gasraum (112) abgeschirmt und mit mindestens einem Referenzgasraum (512) verbunden ist.Gas space (112) via at least one gas inlet hole (122) and at least one flow resistance element (124) is connected and wherein the at least one second electrode (118) from the at least one gas space (112) shielded and connected to at least one reference gas space (512).
18. Elektronische Steuervorrichtung (812) zur Steuerung mindestens eines Sensorelementes (110), umfassend Mittel (814, 816, 818, 820, 822, 824, 826) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-17.18. An electronic control device (812) for controlling at least one sensor element (110), comprising means (814, 816, 818, 820, 822, 824, 826) for carrying out a method according to one of claims 1-17.
19. System zur Messung mindestens einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Gasraum (112), umfassend mindestens eine elektronische Steuervorrichtung (812) gemäß dem vorhergehenden Anspruch und mindestens ein Sensorelement (110). 19. System for measuring at least one gas component of a gas mixture in a gas space (112), comprising at least one electronic control device (812) according to the preceding claim and at least one sensor element (110).
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