DE102008002735A1 - Sensor element of a lambda probe - Google Patents

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensorelement (10) einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Sensorelement (10) zeichnet sich dadurch aus, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.Proposed is a sensor element (10) of a lambda probe (6) for measuring the Abgaslambda in an exhaust passage (4) of an internal combustion engine (2) containing a first electrode (20) in a with the exhaust duct (4) connected to the measuring gas cavity (18) containing a second electrode (24) connected to the first electrode (20) via an oxygen ion conductive solid electrolyte (22) and disposed in a reference gas channel (26). The sensor element (10) according to the invention is characterized in that a specifically formed oxygen reservoir (40, 50, 62, 64, 70) is provided in the reference gas channel (26) and that the reference gas channel (26) has a flow path (80, 82, 86, 90, 92) to the exhaust passage (4).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement einer Lambdasonde nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, das insbesondere zum Erfassen des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist.The The invention is based on a sensor element of a lambda probe the genus of the independent claim, in particular for detecting the Abgaslambda in an exhaust passage of an internal combustion engine suitable is.

Mit der Luftzahl Lambda wird in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten Luftmasse, der stöchiometrischen Luftmasse, bezeichnet. Entsprechend weisen fette Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss, eine Luftzahl Lambda < 1 auf, während magere Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Luftüberschuss, eine Luftzahl Lambda > 1 aufweisen.With Lambda air ratio in combustion technology is the ratio between an actually offered air mass and a for combustion theoretically required air mass, the stoichiometric air mass, called. Corresponding have fatty gas mixtures, ie gas mixtures with a Fuel surplus, an air ratio lambda <1, while lean gas mixtures, ie gas mixtures with an excess of air, an air ratio lambda> 1 exhibit.

Stand der TechnikState of the art

In der DE 199 41 051 A1 ist eine Breitband-Lambdasonde beschrieben, die einen Messgas-Hohlraum aufweist, welche über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersuchenden Abgas verbunden ist. Im Messgas-Hohlraum ist eine innere Pumpelektrode angeordnet, die mit einer äußeren, dem Abgas ausgesetzten Pumpelektrode und einem zwischen den Pumpelektroden liegenden Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten eine Pumpzelle bildet. Mit der Pumpzelle können Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten aus dem Messgas-Hohlraum oder in den Messgas-Hohlraum hineingepumpt werden. Neben der Pumpzelle ist eine Messzelle vorhanden, die zwischen der inneren Pumpelektrode und einer Referenzgaselektrode liegt. Die innere Pumpelektrode und die Referenzgaselektrode sind ebenfalls von einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt. Die Referenzgaselektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet.In the DE 199 41 051 A1 a broadband lambda probe is described, which has a measuring gas cavity, which is connected via a diffusion barrier with the exhaust gas to be examined. In the sample gas cavity, an inner pumping electrode is arranged, which forms a pump cell with an outer, the exhaust gas exposed pump electrode and a lying between the pump electrodes oxygen ion conductive solid electrolyte. With the pumping cell, oxygen ions can be pumped in through the solid electrolyte from the sample gas cavity or into the sample gas cavity. In addition to the pumping cell, there is a measuring cell which is located between the inner pumping electrode and a reference gas electrode. The inner pumping electrode and the reference gas electrode are also separated from each other by an oxygen ion-conducting solid electrolyte. The reference gas electrode is arranged in a reference gas channel.

Die Messzelle entspricht einer Nernstzelle, bei der die sich im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Potenzialdifferenz dem Logarithmus des Verhältnisses des Partialdrucks des zu untersuchenden Gases im Messgas-Hohlraum und des Partialdrucks der Luft im Referenzgaskanal proportional ist. Ziel einer Messung des Abgaslambdas ist es, den Sauerstoffpartialdruck im Messgas-Hohlraum derart zu beeinflussen, dass das Nernstpotenzial konstant auf einem bestimmten Wert (beispielsweise 450 mV) verharrt, der näherungsweise Lambda = 1 entspricht. Eine Schaltungsanordnung stellt zu diesem Zweck eine Pumpspannung bereit, mit der die äußere Pumpelektrode beaufschlagt wird. Die Pumpspannung führt zu einem Pumpstrom. Die Polarität und der Betrag des Pumpstroms hängen davon ab, ob und um welchen Betrag die bestimmte Nernstspannung über- oder unterschritten ist. Der sich einstellende Pumpstrom ist ein Maß für das Abgaslambda.The Measuring cell corresponds to a Nernst cell, in which the thermodynamic Balance between the inner pumping electrode and the reference electrode forming potential difference the logarithm of the ratio the partial pressure of the gas to be examined in the sample gas cavity and the partial pressure of the air in the reference gas channel proportional is. The aim of a measurement of the exhaust gas lambda is to determine the oxygen partial pressure in the To influence the sample gas cavity such that the Nernst potential constant at a certain value (for example 450 mV), which approximates lambda = 1. A circuit arrangement provides for this purpose a pumping voltage with which the outer Pumping electrode is applied. The pump voltage leads to a pumping current. The polarity and the magnitude of the pumping current depend on whether and by what amount the particular Nernst voltage is exceeded or fallen below. Which adjusting pumping current is a measure of the exhaust lambda.

In der DE 10 2006 061 954 A1 (nicht vorveröffentlicht) ist eine im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Lambdasonde einfachere Lambdasonde angegeben, bei der die äußere Pumpelektrode entfallen ist. Die einfache kostengünstige Lambdasonde ist insbesondere zur Lambdamessung des Lambdas in einem Abgaskanal eines mager betriebenen Verbrennungsmotors geeignet. Die Lambdasonde enthält eine erste Elektrode sowie eine zweite Elektrode, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten miteinander verbunden sind. Die erste, in einem Messgas-Hohlraum angeordnete Elektrode ist über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersuchenden Abgas verbunden. Die zweite Elektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet. Der Referenzgaskanal kann mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen Füllmaterial gefüllt sein. Durch die gegebenenfalls vorgesehene Füllung des Referenzgaskanals sowie dessen geometrische Ausgestaltung soll erreicht werden, dass einerseits ein optimaler Abtransport von Sauerstoff von der zweiten Elektrode gewährleistet ist und dass andererseits ein Eindringen von Verunreinigungen in den Referenzgaskanal verhindert wird.In the DE 10 2006 061 954 A1 (Not prepublished) is given in comparison to the previously described lambda probe simpler lambda probe in which the outer pump electrode is omitted. The simple low-cost lambda probe is suitable, in particular, for lambda measurement of the lambda in an exhaust gas duct of a lean-burn internal combustion engine. The lambda probe contains a first electrode and a second electrode, which are connected to one another via an oxygen ion-conducting solid electrolyte. The first, arranged in a measuring gas cavity electrode is connected via a diffusion barrier with the exhaust gas to be examined. The second electrode is arranged in a reference gas channel. The reference gas channel may be filled with an oxygen-permeable porous filler. By optionally provided filling of the reference gas channel and its geometric configuration is to be achieved, on the one hand optimal removal of oxygen from the second electrode is ensured and on the other hand penetration of impurities in the reference gas channel is prevented.

Die bekannte Lambdasonde ist als Grenzstrom-Magersonde realisiert, bei welcher ein Pumpstrom durch Anlegen einer ausreichend hohen Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden auftritt, der zunächst im Bereich Lambda > 1 bis Lambda = 1 proportional zur Luftzahl Lambda ist. Durch Beaufschlagung der beiden Elektroden mit einem Potenzial, das der sich zwischen den beiden Elektroden einstellenden Nernstspannung entgegengerichtet ist, kann mit der bekannten Lambdasonde auch im fetten Lambdabereich gemessen werden. Da die Nernstspannung im mageren Bereich gering ist (et wa 200 mV) und im fetten Bereich auf einen höheren Wert (etwa 900 mV) springt, kann die an die Elektroden anzulegende Pumpspannung sowohl im mageren als auch im fetten Bereich dieselbe Polarität aufweisen, wobei das Potenzial im mageren Bereich auf einen höheren Wert als im fetten Bereich festzulegen ist. Unter Berücksichtigung der sich in unterschiedlichen Betriebszuständen einstellenden Nernstspannung weist die zwischen den Grenzschichten hinter den Elektroden auftretende effektive Pumpspannung für die negativen Sauerstoffionen beim Übergang vom fetten zum mageren beziehungsweise umgekehrt einen Vorzeichenwechsel auf, sodass die negativen Sauerstoffionen bei magerem Abgas von der ersten zur zweiten Elektrode und bei fettem Abgas von der zweiten zur ersten Elektrode transportiert werden.The known lambda probe is realized as a limit current Magersonde, at which a pumping current by applying a sufficiently high potential difference occurs between the two electrodes, the first in the Range lambda> 1 until lambda = 1 is proportional to the air ratio lambda. By admission of the two electrodes with a potential that is between opposite to the two electrodes adjusting Nernst voltage is, with the known lambda probe in the rich lambda range be measured. Since the Nernst voltage is low in the lean range (et wa 200 mV) and in the rich range to a higher value (about 900 mV) jumps, can be applied to the electrodes pumping voltage have the same polarity both in the lean and in the rich region, the potential in the lean area to a higher Value to be set in the rich range. Considering the Nernst voltage occurring in different operating states indicates the occurring between the boundary layers behind the electrodes effective pumping voltage for the negative oxygen ions during the transition from fat to lean or vice versa, a sign change, so that the negative oxygen ions in lean exhaust gas from the first to the second electrode and with rich exhaust gas from the second to the first Electrode be transported.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement einer Lambdasonde anzugeben, die zum Erfassen des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist, wobei der Verbrennungsmotor einerseits mager und andererseits zumindest zeitweise fett betrieben wird.The invention has for its object to provide a sensor element of a lambda probe, which is suitable for detecting the Abgaslambda in an exhaust passage of an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine on the one hand lean and on the other hand at least temporarily operated fat.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.The Task is indicated by the independent claim Characteristics solved.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Sensorelement einer Lambdasonde zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geht von einer ersten in einem Messgas-Hohlraum angeordneten Elektrode und einer zweiten in einem Referenzgaskanal angeordneten Elektrode aus, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten verbunden sind. Erfindungsgemäß ist im Referenzgaskanal ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher vorgesehen, der einen Strömungspfad zum Abgaskanal aufweist.The Sensor element of a lambda probe according to the invention for measuring the Abgaslambda in an exhaust passage of an internal combustion engine goes from a first electrode arranged in a measuring gas cavity and a second electrode disposed in a reference gas channel from, via an oxygen ion-conducting solid electrolyte are connected. According to the invention is in the reference gas channel a targeted formed oxygen storage provided, the having a flow path to the exhaust passage.

Die gezielte Herausbildung des Sauerstoffspeichers bedeutet, dass Maßnahmen ergriffen sind, welche zumindest temporär die Speicherung von Sauerstoff im Referenzgaskanal oder zumindest die Bereitstellung von Sauerstoff an der zweiten Elektrode sicherstellen.The Targeted formation of the oxygen storage means that action are taken, which at least temporarily the storage of oxygen in the reference gas channel or at least the provision of oxygen at the second electrode.

Der Strömungspfad zum Abgaskanal ermöglicht einen Sauerstofftransport insbesondere im Falle eines Sauerstoff-Überdrucks im Sauerstoffspeicher. Der Strömungspfad zum Abgaskanal kann auf einfache Weise in der Struktur der Lambdasonde vorgesehen werden. Die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme erhöht den Freiheitsgrad bei der Realisierung der Lambdasonde. Die Realisierung ist dadurch nicht auf einen Strömungspfad beschränkt, der in der Umgebungsluft mündet, der jedoch zusätzlich vorgesehen sein kann.Of the Flow path to the exhaust passage allows one Oxygen transport, especially in the case of an oxygen overpressure in the oxygen storage. The flow path to the exhaust duct can be easily provided in the structure of the lambda probe become. The measure provided according to the invention increases the degree of freedom in the realization of the lambda probe. The realization is not due to a flow path limited, which opens in the ambient air, the However, in addition may be provided.

Der Sauerstoffspeicher stellt zumindest für eine bestimmte Messzeit Sauerstoff zur Verfügung, der während der Messung im fetten Abgas bei Lambda < 1 vom Referenzgaskanal in den Messgas-Hohlraum durch den Festelektrolyten zurückgepumpt werden kann. Dadurch kann zumindest für die bestimmte Messzeit bei einem fetten Abgas gemessen werden. Die Messzeit richtet sich hierbei nach dem zur Verfügung stehenden Sauerstoff an der zweiten Elektrode.Of the Oxygen storage represents at least for a given Measurement time oxygen available during the measurement in the rich exhaust gas at lambda <1 from the reference gas channel into the sample gas cavity can be pumped back through the solid electrolyte. Thereby can at least for the specific measuring time at a fat Exhaust gas to be measured. The measuring time depends on the Available oxygen at the second electrode.

Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde eignet sich insbesondere zur Lambdamessung im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, der zwar hauptsächlich mager betrieben wird, der jedoch zeitweise fett oder zumindest stöchiometrisch betrieben wird. Ein solcher Betrieb des Verbrennungsmotors ist insbesondere vorgesehen, wenn im Abgaskanal Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Partikelfilter angeordnet sind. In den Fettphasen werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgaskanal eingetragen. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe können im Abgaskanal beispielsweise mit im Abgas vorhandenem Restsauerstoff exotherm reagieren, um Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren, Partikelfilter und dergleichen zu beheizen, oder können zum Regenerieren von Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren herangezogen werden.The sensor element of the lambda probe according to the invention is particularly suitable for lambda measurement in the exhaust duct of an internal combustion engine, which is operated mainly lean, but which is temporarily operated in bold or at least stoichiometric. Such an operation of the internal combustion engine is provided, in particular, if exhaust gas purification devices, such as, for example, a NO x storage catalytic converter or a particle filter, are arranged in the exhaust gas channel. In the fat phases, unburned hydrocarbons are introduced into the exhaust gas duct. The unburned hydrocarbons may exothermically react in the exhaust passage, for example with residual oxygen present in the exhaust gas, to heat exhaust purification devices such as NO x storage catalysts, particulate filters, and the like, or may be used to regenerate emission control devices such as NO x storage catalysts.

Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde ermöglicht somit die Lambdaregelung nicht nur im mageren Bereich, sondern zumindest für die bestimmte Messzeit auch im fetten oder zumindest stöchiometrischen Lambdabereich.The Sensor element of the lambda probe according to the invention thus allows the lambda control not only in the lean Range, but at least for the specific measurement time as well in the rich or at least stoichiometric lambda range.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.advantageous Further developments and refinements of the invention Approach arise from dependent claims.

Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der dem Abgaskanal zugewandten Stirnseite des Sensorelements mündet. Alternativen, die auch zusätzlich vorgesehen sein können, sehen vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder auf wenigstens einer Seitenfläche des Sensorelements mündet.A first embodiment provides that the flow path to Exhaust duct opens on the exhaust gas channel facing the front side of the sensor element. Alternatives that can also be provided in addition provide that the flow path to the exhaust duct on the Top and / or bottom and / or on at least one side surface the sensor element opens.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher an der zweiten Elektrode angrenzt. Wenn der Sauerstoffspeicher benachbart zur zweiten Elektrode vorgesehen ist, steht im Bedarfsfall bei der Vorgabe eines fetten Lambdas der eingespeicherte Sauerstoff sofort für den Pumpvorgang zur Verfügung.A Embodiment provides that the oxygen storage at the second Electrode adjoins. When the oxygen storage is adjacent to the second electrode is provided, if necessary, in the specification of a bold Lambda's stored oxygen immediately for the pumping process to disposal.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum enthält und dass am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals ein Strömungswiderstand vorgesehen ist. Im Sauerstoffspeicher-Hohlraum kann während des mageren Betriebs des Verbrennungsmotors ein Sauerstoffüberdruck aufgebaut werden. Ein Verlust des Sauerstoffs wird durch den Strömungswiderstand gedrosselt.A Another embodiment provides that the reference gas channel a Contains oxygen storage cavity and that at the output side End of the reference gas channel provided a flow resistance is. In the oxygen storage cavity can during the lean Operating the internal combustion engine built up an oxygen overpressure become. A loss of oxygen is due to the flow resistance throttled.

Eine besonders einfache Realisierung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher-Hohlraum einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals aufweist und dass der Strömungswiderstand entsprechend durch einen geringeren Querschnitt realisiert ist.A particularly simple realization of this embodiment provides that the oxygen storage cavity a larger Cross section of the reference gas channel and that the flow resistance is realized accordingly by a smaller cross-section.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung im Bereich der zweiten Elektrode vorgesehen ist.According to one embodiment, it is provided that the reference gas channel contains an oxygen storage cavity which ge by a one-sided closed oxygen storage channel is realized, the opening is provided in the region of the second electrode.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal im Bereich des von der zweiten Elektrode abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher-Hohlraums beginnt.A Embodiment provides that the flow path to the exhaust duct in the region of the end remote from the second electrode of the oxygen storage cavity starts.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Strömungswiderstand und/oder der Referenzgaskanal zumindest teilweise mit einer Abluft-Diffusionsbarriere realisiert sind. Neben der Drosselung des Sauerstoffstroms verhindert die Abluft-Diffusionsbarriere das Eindringen von Verschmutzungen in den Referenzgaskanal.A Continuation provides that the flow resistance and / or the reference gas channel at least partially with an exhaust diffusion barrier are realized. In addition to the throttling of the oxygen flow prevented the exhaust diffusion barrier the ingress of contaminants into the reference gas channel.

Zusätzlich zur Abluft-Diffusionsbarriere kann eine Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehen sein, die beispielsweise eine hohe Porosität zur Speicherung von Sauer stoff aufweist. Der Sauerstoffspeicher ist dadurch zumindest teilweise durch die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere realisiert.additionally to the exhaust diffusion barrier, an oxygen storage diffusion barrier be provided, for example, a high porosity has to store oxygen. The oxygen storage This is at least partially due to the oxygen storage diffusion barrier realized.

Eine Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass zusätzlich ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode angrenzt. Dadurch steht im Bedarfsfall besonders schnell Sauerstoff zur Verfügung.A Continuing this measure provides that in addition an oxygen storage cavity is provided at the second Electrode adjoins. As a result, if necessary, is particularly fast Oxygen available.

Eine andere Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft-Diffusionsbarriere. Mit dieser Maßnahme kann das für den Sauerstoffspeicher zur Verfügung gestellte Volumen variiert werden.A Another development of this measure provides that the intended for the oxygen storage diffusion barrier Volume is greater than that for the exhaust diffusion barrier. This measure can do this for the oxygen storage provided volumes are varied.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher ein Material enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Ein solches Material ist beispielsweise ein nicht stöchiometrisches Oxid wie beispielsweise dotiertes CeO2-x oder La1-xSrxFeyCo1-yO3-d. Ein solches nicht stöchiometrisches Oxid speichert Sauerstoff über eine chemische Reaktion.An embodiment provides that the oxygen storage contains a material that stores oxygen by adsorption or absorption. Such a material is, for example, a non-stoichiometric oxide such as doped CeO 2 -x or La 1-x Sr x Fe y Co 1-y O 3-d . Such a non-stoichiometric oxide stores oxygen via a chemical reaction.

Beispielsweise kann die Abluft-Diffusionsbarriere, bevorzugt jedoch die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere zumindest abschnittsweise das Sauerstoff speichernde Material enthalten.For example may be the exhaust diffusion barrier, but preferably the oxygen storage diffusion barrier at least in sections contain the oxygen-storing material.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Sauerstoff speichernde Material zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals aufgebracht ist. Eine zusätzliche oder alternative Maßnahme sieht vor, dass das Material auf der zweiten Elektrode aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode das Material enthält.A Embodiment provides that the oxygen-storing material at least on a part of the surface of the reference gas channel is applied. An additional or alternative measure sees that the material is applied to the second electrode or that the second electrode contains the material.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt ein technisches Umfeld, in welchem eine Lambdasonde eingesetzt werden kann, 1 shows a technical environment in which a lambda probe can be used,

2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda > 1, 2 shows a known from the prior art lambda probe in an operating condition at an air ratio lambda> 1,

3 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda < 1, 3 shows the known from the prior art lambda probe in an operating condition at an air ratio lambda <1,

4 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement einer Lambdasonde mit einem Sauerstoffspeicher-Hohlraum und einem Strömungswiderstand, 4 shows a sensor element according to the invention a lambda probe with an oxygen storage cavity and a flow resistance,

5 zeigt das Sensorelement mit einem Sauerstoffspeicher-Hohlraum, wobei Schnittlinien A'-A'' und B'-B'' eingetragen sind, 5 shows the sensor element with an oxygen storage cavity, wherein cut lines A'-A '' and B'-B '' are entered,

6 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in 5 gezeigten Schnittlinie A'-A'', 6 shows a cross section through the sensor element along the in 5 shown section line A'-A '',

7 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in 5 gezeigten Schnittlinie B'-B'', 7 shows a cross section through the sensor element along the in 5 shown section line B'-B '',

8 zeigt das Sensorelement mit einem als Kanal ausgebildeten Sauerstoffspeicher-Hohlraum, 8th shows the sensor element with a channel formed oxygen storage cavity,

9 zeigt das in 8 dargestellte Sensorelement mit unterschiedlichen Strömungspfaden zum Abgaskanal, 9 shows that in 8th illustrated sensor element with different flow paths to the exhaust passage,

10 zeigt das Sensorelement mit einer Abluft-Diffusionsbarriere und einer zusätzlichen Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere, 10 shows the sensor element with an exhaust diffusion barrier and an additional oxygen storage diffusion barrier,

11 zeigt das in 10 gezeigte Sensorelement mit einem zusätzlichen Sauerstoffspeicher-Hohlraum im Bereich der zweiten Elektrode, 11 shows that in 10 shown sensor element with an additional oxygen storage cavity in the region of the second electrode,

12 zeigt einen als Kanal ausgebildeten Sauerstoffspeicher-Hohlraum, der in einer weiteren Ebene des Sensorelements angeordnet ist, 12 shows a channel formed oxygen storage cavity, which is arranged in a further plane of the sensor element,

13 zeigt das Sensorelement, bei welchem der Sauerstoffspeicher zumindest teilweise als Sauerstoff speicherndes Material realisiert ist und 13 shows the sensor element, wherein the oxygen storage is at least partially realized as an oxygen-storing material, and

14 zeigt das Sensorelement gemäß 13, bei welchem das Sauerstoff speichernde Material der zweiten Elektrode zugeordnet ist. 14 shows the sensor element according to 13 in which the oxygen-storing material is associated with the second electrode.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description the embodiments

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 2, in dessen Abgaskanal 4 eine Lambdasonde 6 angeordnet ist, die ein erfindungsgemäßes Sensorelement 10 enthält. 1 shows an internal combustion engine 2 in the exhaust duct 4 a lambda probe 6 is arranged, which is a sensor element according to the invention 10 contains.

2 zeigt das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6, das einem Abgasstrom 12 des Verbrennungsmotors 2 ausgesetzt ist. Ein Teil des Abgases gelangt über einen Zuluftkanal 14 und über eine Abgas-Diffusionsbarriere 16 in einen Messgas-Hohlraum 18, in dem eine erste Elektrode 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 20 ist über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten 22 mit einer zweiten Elektrode 24 verbunden, die in einem Referenzgaskanal 26 angeordnet ist, der über einen Strömungspfad 80 zur Umgebungsluft führt. Der Messgas-Hohlraum 18 und der Referenzgaskanal 26 und damit die beiden Elektroden 20, 24 sind über eine gasdichte Trennschicht 32 voneinander getrennt. Zur Beheizung des Sensorelements 10 ist ein Heizelement 34 vorgesehen. 2 shows the sensor element 10 the lambda probe 6 that is an exhaust flow 12 of the internal combustion engine 2 is exposed. Part of the exhaust gas passes through a supply air duct 14 and via an exhaust diffusion barrier 16 into a sample gas cavity 18 in which a first electrode 20 is arranged. The first electrode 20 is via an oxygen ion conducting solid electrolyte 22 with a second electrode 24 connected in a reference gas channel 26 is arranged, which has a flow path 80 leads to the ambient air. The sample gas cavity 18 and the reference gas channel 26 and thus the two electrodes 20 . 24 are via a gas-tight separation layer 32 separated from each other. For heating the sensor element 10 is a heating element 34 intended.

2 zeigt den Betrieb des Sensorelements 10 speziell bei einem mageren Abgasstrom 12. Die beiden Elektroden 20, 24 sind an einer nicht näher gezeigten Pumpspannungsquelle angeschlossen, die eine Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m zur Verfügung stellt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 liegt. Die Pumpspannungsquelle wird beispielsweise auf 800 mV eingestellt. Im mageren Betrieb tritt zwischen den beiden Elektroden 20, 24 eine Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m auf, die vergleichsweise gering ist und beispielsweise bei 200 mV liegt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Die Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m sowie die Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m überlagern sich, sodass zwischen den beiden Elektroden 20, 24 für den Transport von Sauerstoffionen eine effektive Magerbetrieb-Pumpspannung UPeff, m zur Verfügung steht, die der Differenz zwischen der Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m und der Magerbetrieb-Nernstspannung UN, m, also etwa 600 mV entspricht, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Dadurch findet ein Magerbetrieb-Sauerstoffionen-Transport O2–m von der ersten zur zweiten Elektrode 20, 24 statt, sodass Sauerstoff vom Messgas-Hohlraum 18 zum Referenzgaskanal 26 gepumpt wird, der über den Strömungspfad 80 in die Umgebungsluft abgeführt wird. Der Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m ist ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert. 2 shows the operation of the sensor element 10 especially with a lean exhaust stream 12 , The two electrodes 20 . 24 are connected to a pump voltage source not shown in detail, which provides a lean operation pumping voltage UP, m, wherein the positive potential at the second electrode 24 lies. The pump voltage source is set to 800 mV, for example. In lean operation occurs between the two electrodes 20 . 24 a lean operating Nernst voltage UN, m, which is comparatively low and, for example, at 200 mV, wherein the positive potential at the second electrode 24 occurs. The lean operation pumping voltage UP, m and the lean operation Nernst voltage UN, m overlap, so that between the two electrodes 20 . 24 for the transport of oxygen ions an effective lean-burn pumping voltage UPeff, m is available, which corresponds to the difference between the lean-operation pumping voltage UP, m and the lean-burn Nernst voltage UN, m, ie about 600 mV, the positive potential at the second electrode 24 occurs. Thereby, a lean oxygen ion transport O 2 -m from the first to the second electrode takes place 20 . 24 instead, so oxygen from the sample gas cavity 18 to the reference gas channel 26 is pumped over the flow path 80 is discharged into the ambient air. The lean operation pumping current IP, m is a limiting current that is proportional to the air ratio lambda, based on the stoichiometric value.

3 zeigt das in 2 dargestellte Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 in einem Betriebszustand bei fettem Abgasstrom 12. 3 shows that in 2 illustrated sensor element 10 the lambda probe 6 in an operating condition with a rich exhaust gas flow 12 ,

Diejenigen in 3 gezeigten Teile, die mit den in 2 gezeigten Teilen übereinstimmen, tragen jeweils dieselben Bezugszeichen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.Those in 3 parts shown with the in 2 The same reference numerals correspond to each other. This agreement also applies to the following figures.

Bei einem Abgasstrom 12 mit Sauerstoffmangel bezogen auf ein stöchiometrisches Verhältnis tritt zwischen den Elektroden 20, 24 eine erheblich höhere Fettbetrieb-Nernstspannung UN, f auf, die beispielsweise bei 900 mV liegt, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Im Fettbetrieb soll das Sensorelement 10 Sauerstoff vom Referenzgaskanal 26 zum Messgas-Hohlraum 18 pumpen. Damit ein solcher Fettbetrieb-Sauerstoffstrom O2–f auftreten kann, muss die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f derart gepolt sein, dass das positive Potenzial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Um diese Potenzialverhältnisse zu erreichen, muss die an die Elektroden 20, 24 angelegte Pumpspannung auf eine Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f festgelegt werden. Hierbei ist eine Potenzialumkehr im Hinblick darauf, dass die Fettbetrieb-Nernstspannung UN, f auf einem vergleichsweise hohen Potenzial von beispielsweise 900 mV liegt, nicht unbedingt erforderlich. Eine Vorzeichenumkehr der effektiven Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f wird bereits erreicht, wenn das Potenzial der Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f gegenüber dem Magerbetrieb auf beispielsweise 300 mV abgesenkt wird, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 anliegt. Für die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f stehen dann ebenfalls 600 mV zur Verfügung, wobei das positive Potenzial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Der Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f ist ebenfalls ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert. Der Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m fließt in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zum Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m. Bei der Luftzahl Lambda = 1 tritt bei der Änderung der Pumpspannung UP eine Vorzeichenumkehr des Pumpstroms IP auf.In an exhaust gas flow 12 with oxygen deficiency based on a stoichiometric ratio occurs between the electrodes 20 . 24 a considerably higher fat operation Nernst voltage UN, f, which is for example at 900 mV, whereby the positive potential continues at the second electrode 24 occurs. In rich operation, the sensor element should 10 Oxygen from the reference gas channel 26 to the sample gas cavity 18 pump. In order for such rich operation oxygen flow O 2- f to occur, the effective rich operation pump voltage UPeff, f must be poled such that the positive potential at the first electrode 20 occurs. In order to reach these potential conditions, it must be connected to the electrodes 20 . 24 applied pump voltage to a rich operation pumping voltage UPeff, f set. In this case, a potential reversal with regard to the fact that the rich operation Nernst voltage UN, f is at a comparatively high potential of, for example, 900 mV, is not absolutely necessary. A sign reversal of the effective rich operation pumping voltage UPeff, f is already achieved when the potential of the rich operation pumping voltage UP, f is reduced to the lean operation to, for example, 300 mV, wherein the positive potential continues at the second electrode 24 is applied. For the effective rich pumping voltage UPeff, f then also 600 mV are available, with the positive potential at the first electrode 20 occurs. The rich operation pumping current IP, f is also a limiting current that is proportional to the air ratio lambda, based on the stoichiometric value. The lean operation pumping current IP, m flows in the opposite direction compared to the lean operation pumping current IP, m. When the air ratio lambda = 1 occurs when changing the pump voltage UP, a sign reversal of the pump current IP.

Im Fettbetrieb steht bei der Lambdasonde gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik nur eine begrenzte Menge an Sauerstoff im Bereich der zweiten Elektrode zur Verfügung, da der Referenzgaskanal dafür optimiert ist, Sauerstoff möglichst rasch abzutransportieren. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 sieht einen gezielt herausgebildeten Sauerstoffspeicher vor, der es ermöglicht, einen Vorrat an Sauerstoff anzulegen. Dieser Sauerstoff steht im Bedarfsfall, also im Fettbetrieb des erfindungsgemäßen Sensorelements 10, in ausreichendem Maß für eine bestimmte Betriebsdauer rasch zur Verfügung.In rich operation, only a limited amount of oxygen in the region of the second electrode is available in the lambda probe according to the aforementioned prior art, since the reference gas channel is optimized for removing oxygen as quickly as possible. The sensor element according to the invention 10 the lambda probe 6 provides a targeted formed oxygen storage, which makes it possible to create a supply of oxygen. This oxygen is in case of need, ie in the rich operation of the sensor element according to the invention 10 sufficiently available for a given period of operation.

Der gezielt herausgebildete Sauerstoffspeicher kann auf unterschiedliche Arten und Weisen realisiert werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 enthält, der durch einen Strömungswiderstand 42 begrenzt wird, der zumindest einen Teil des Strömungspfads 80 bildet. Der Strömungswiderstand 42 kann sich gemäß einer Weiterbildung bis an das Ende des Strömungspfads 80 erstrecken. Der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 kann gemäß einer Ausgestaltung durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals 26 im Vergleich zum Querschnitt des Strömungswiderstands 42 beziehungsweise des Strömungspfads 80 realisiert werden. Das Volumen des Sauerstoffspeicher-Hohlraums 40 wird den Erfordernissen angepasst. Der Strömungspfad 80 und/oder der Strömungswiderstand 42 können mit einer Abluft-Diffusionsbarriere 44 zumindest teilweise gefüllt werden, welche die Wirkung des Strömungswiderstands 42 weiter erhöht und/oder welche das Eindringen von Schmutz in den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 aus der Umgebungsluft verhindert.The specifically formed oxygen storage can be realized in different ways. A first embodiment is in 4 shown in which the reference gas channel 26 an oxygen storage cavity 40 contains, by a flow resistance 42 is limited, at least part of the flow path 80 forms. The flow resistance 42 may, according to a training to the end of the flow path 80 extend. The oxygen storage cavity 40 may according to an embodiment by a larger cross-section of the reference gas channel 26 compared to the cross section of the flow resistance 42 or the flow path 80 will be realized. The volume of the oxygen storage cavity 40 will be adapted to the requirements. The flow path 80 and / or the flow resistance 42 can with an exhaust diffusion barrier 44 be at least partially filled, which the effect of the flow resistance 42 further increases and / or which prevents the ingress of dirt into the oxygen storage cavity 40 prevented from the ambient air.

Bei dem in 5 gezeigten Sensorelement 10 weist das ausgangsseitige Ende des Referenzgaskanals 26 zumindest einen in 5 nicht sichtbaren erfindungsgemäßen Strömungspfad zum Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 auf. Der im Abgaskanal 4 mündende wenigstens eine Strömungspfad kann durch den wenigstens einen Strömungspfad 80 ergänzt werden, der zur Umgebungsluft führt. In 5 sind Schnittlinien A'-A'' und B'-B'' eingetragen.At the in 5 shown sensor element 10 indicates the output side end of the reference gas channel 26 at least one in 5 invisible flow path according to the invention to the exhaust duct 4 of the internal combustion engine 2 on. The in the exhaust duct 4 opening at least one flow path can through the at least one flow path 80 be supplemented, which leads to the ambient air. In 5 are cut lines A'-A '' and B'-B '' registered.

6 zeigt das in 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittlinie A'-A''. In 6 ist ein erfindungsgemäßer Strömungspfad 82 eingetragen, der im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 mündet. Der Strömungspfad 82 mündet demnach auf einer Seitenfläche 84a des Sensorelements 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass lediglich ein Strömungspfad 82 vorgesehen ist. Prinzipiell können mehrere Strömungspfade 82 vorgesehen sein, wobei die Strömungspfade 82 auf der einen und/oder auf der anderen Seite 84a, 84b des Sensorelements 10 im Abgaskanal 4 münden können. Der Strömungspfad 82 kann eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 verhindert. 6 shows that in 5 illustrated sensor element 10 along the section line A'-A ''. In 6 is an inventive flow path 82 registered in the area of the second electrode 24 starts and the exhaust duct 4 of the internal combustion engine 2 empties. The flow path 82 flows accordingly on a side surface 84a of the sensor element 10 , In the exemplary embodiment shown, it has been assumed that only one flow path 82 is provided. In principle, several flow paths 82 be provided, the flow paths 82 on one side and / or on the other side 84a . 84b of the sensor element 10 in the exhaust duct 4 can lead. The flow path 82 may contain a barrier that prevents dirt from entering the reference gas channel 26 or the oxygen storage cavity 40 prevented.

7 zeigt das in 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittlinie B'-B''. Das Schnittbild zeigt zunächst den Strömungspfad 82. Weiterhin ist in 7 ein weiterer Strömungspfad 86 gezeigt, der am vorderen Ende des Referenzgaskanals 26 im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der auf einer Seite 84a, 84b und/oder auf der zum Abgaskanal 4 zeigenden Stirnseite 88 des Sensorelements 10 mündet. Der weitere Referenzgaskanal 86 kann ebenfalls zumindest teilweise eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 verhindert. 7 shows that in 5 illustrated sensor element 10 along the section line B'-B ''. The sectional view first shows the flow path 82 , Furthermore, in 7 another flow path 86 shown at the front end of the reference gas channel 26 in the region of the second electrode 24 starts and that on one side 84a . 84b and / or on the exhaust duct 4 pointing end face 88 of the sensor element 10 empties. The further reference gas channel 86 may also at least partially contain a barrier which prevents dirt from entering the reference gas channel 26 or the oxygen storage cavity 40 prevented.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in 8 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Referenzgaskanal weitgehend unverändert beibehalten wird, wobei jedoch ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 vorgesehen ist, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung 52 im Bereich der zweiten Elektrode 24 vorgesehen ist.Another embodiment is in 8th shown in which the reference gas channel 26 is maintained largely unchanged compared with the known from the prior art reference gas channel, but with an oxygen storage cavity 50 is provided, which is realized by a closed oxygen storage channel, the opening 52 in the region of the second electrode 24 is provided.

Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zum Strömungspfad 80, der in der Umgebungsluft mündet, wenigstens ein weiterer Strömungspfad 90, 92 vorgesehen, der vom Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 zur Unterseite 94a des Sensorelements 10 führt. Der weitere Strömungspfad 90 mündet unmittelbar im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2, während der weitere Strömungspfad 92 in einer Dichtung 96 mündet, welche das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 umgibt. Die Dichtung 96 hat die Aufgabe, den Gasaustausch zwischen dem Abgas und der Umgebungsluft zu verhindern beziehungsweise zu minimieren. Das Material der Dichtung 96 ist derart beschaffen, dass ein Sauerstofftransport vom weiteren Strömungspfad 92 zum Abgaskanal 4 stattfinden kann, wobei davon auszugehen ist, dass die zu transportierenden Gasmengen gering sind.At the in 9 shown embodiment is in addition to the flow path 80 which opens in the ambient air, at least one further flow path 90 . 92 provided by the oxygen storage cavity 50 to the bottom 94a of the sensor element 10 leads. The further flow path 90 discharges directly into the exhaust duct 4 of the internal combustion engine 2 while the other flow path 92 in a seal 96 opens, which the sensor element 10 the lambda probe 6 surrounds. The seal 96 has the task to prevent or minimize the gas exchange between the exhaust gas and the ambient air. The material of the seal 96 is such that an oxygen transport from the further flow path 92 to the exhaust duct 4 it can be assumed that the quantities of gas to be transported are low.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 10 gezeigt, bei welchem der Referenzgaskanal 26 zumindest teilweise mit einer Abluft-Diffusionsbarriere 60 gefüllt ist und bei dem zusätzlich der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 vorgesehen ist, der mit einer Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 ausgefüllt ist. Eine Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist in 11 gezeigt, wobei zusätzlich ein weiterer Sauerstoffspeicher-Hohlraum 64 vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode 24 angrenzt. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 vorgesehene Volumen größer ist als das Volumen für die Abluft-Diffusionsbarriere 60.Another embodiment is in 10 shown in which the reference gas channel 26 at least partially with an exhaust diffusion barrier 60 is filled and in addition to the oxygen storage cavity 40 . 50 provided with an oxygen storage diffusion barrier 62 is filled. A development of this embodiment is in 11 shown, in addition, another oxygen storage cavity 64 is provided, which at the second electrode 24 borders. According to one embodiment, it may be provided that that for the oxygen storage diffusion barrier 62 provided volume is greater than the volume for the exhaust diffusion barrier 60 ,

Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 entsprechend den in den 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen als Sauerstoffspeicherkanal realisiert, der jedoch in einer anderen Ebene des Sensorelements 10 angeordnet ist. Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 52 des Sauerstoffspeicherkanals gemäß einer Ausgestaltung bis an die zweite Elektrode 24 herangeführt.At the in 12 the embodiment shown is the oxygen storage cavity 40 . 50 according to the in the 8th and 9 embodiments shown realized as an oxygen storage channel, but in another plane of the sensor element 10 is arranged. At the in 12 the embodiment shown is the opening 52 the oxygen storage channel according to an embodiment up to the second electrode 24 introduced.

Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher mit einem Material 70 realisiert, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Bei dem Material 70 handelt es sich beispielsweise um ein nicht stöchiometrisches Oxid wie beispielsweise CeO2-x oder La1-xSrxFeyCo1-yO3-d. Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 im Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 angeordnet, der gegebenenfalls die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 zusätzlich enthalten kann und der gegebenenfalls den Sauerstoffspeicher-Hohlraum 64 insbesondere benachbart zur zweiten Elektrode 24 aufweisen kann.At the in 13 shown execution example is the oxygen storage with a material 70 realized that stores oxygen by adsorption or absorption. In the material 70 it is, for example, a non-stoichiometric oxide such as CeO 2-x or La 1-x Sr x Fe y Co 1-y O 3-d . At the in 13 embodiment shown is the material 70 in the oxygen storage cavity 40 . 50 optionally, the oxygen storage diffusion barrier 62 may additionally contain and optionally the oxygen storage cavity 64 in particular adjacent to the second electrode 24 can have.

Ein alternatives, in 14 gezeigtes Ausführungsbeispiel des Sensorelements 10 sieht vor, dass das Material 70, welches Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichern kann, der zweiten Elektrode 24 zugeordnet ist. Bei dem in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 auf der zweiten Elektrode 24 aufgebracht. Wenn als Material 70 ein hoch Elektronen leitendes, nicht stöchiometrisches Oxid wie La1-xSrxFeyCo1-yO3-d eingesetzt wird, kann die zweite Elektrode 24 auch komplett mit dem Material 70 oder in Mischung mit ZrO2 realisiert sein. Ferner ist es möglich, das Material 70 zumindest zum teilweisen Beschichten der Oberfläche des Referenzgaskanals 26 heranzuziehen.An alternative, in 14 shown embodiment of the sensor element 10 Provides that material 70 , which can store oxygen by adsorption or absorption, the second electrode 24 assigned. At the in 14 embodiment shown is the material 70 on the second electrode 24 applied. If as material 70 a highly electron-conductive, non-stoichiometric oxide such as La 1-x Sr x Fe y Co 1 -y O 3-d is used, the second electrode 24 also complete with the material 70 or be realized in a mixture with ZrO 2 . Furthermore, it is possible to use the material 70 at least partially coating the surface of the reference gas channel 26 consulted.

In der mageren Betriebsphase des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 wird aufgrund der Pumpspannung UP, m Sauerstoff vom Messgas-Hohlraum 18 in den Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 des Referenzgaskanals 26 gepumpt. Bei einem Abgaslambda von beispielsweise 1,7, entsprechend 8,29% O2 in N2, und einem Magerbetrieb-Pumpstrom von maximal einigen 100 Mikroampère kann ein Sauerstoff-Überdruck im stationären Magerbetrieb von beispielsweise 2 bar bis 30 bar im Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 erzielt werden. Vorzugsweise wird der Überdruck zwischen 2 bar und 10 bar eingestellt. Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 kann der gespeicherte Sauerstoff durch die Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f und dem entsprechenden Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f vom Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 zurück in den Messgas-Hohlraum 18 gepumpt werden, der dort zur Oxidation von oxidierbaren Abgas-Bestandteilen im Messgas Hohlraum 18 zur Verfügung steht, wobei der Fettbetrieb-Pumpstrom IP, f auch im Falle des Fettbetriebs des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 ein Maß für das Abgaslambda widerspiegelt.In the lean phase of operation of the sensor element 10 the lambda probe 6 becomes due to the pumping voltage UP, m oxygen from the sample gas cavity 18 into the oxygen storage 40 . 50 . 62 . 64 . 70 of the reference gas channel 26 pumped. In the case of an exhaust lambda of, for example, 1.7, corresponding to 8.29% O 2 in N 2, and a lean operation pumping current of a maximum of a few 100 microampers, an oxygen overpressure in the stationary lean operation of, for example, 2 bar to 30 bar in the oxygen reservoir 40 . 50 . 62 . 64 . 70 be achieved. Preferably, the overpressure between 2 bar and 10 bar is set. During operation of the sensor element according to the invention 10 the lambda probe 6 The stored oxygen can be stored by the rich operation pumping voltage UP, f and the corresponding rich operation pumping current IP, f from the oxygen storage 40 . 50 . 62 . 64 . 70 back into the sample gas cavity 18 be pumped, there for the oxidation of oxidizable exhaust gas components in the sample gas cavity 18 is available, wherein the rich operation pumping current IP, f also in the case of the rich operation of the sensor element 10 the lambda probe 6 reflects a measure of the exhaust lambda.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (19)

Sensorelement einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.Sensor element of a lambda probe ( 6 ) for measuring the exhaust gas lambda in an exhaust gas duct ( 4 ) of an internal combustion engine ( 2 ), which is a first electrode ( 20 ), which in one with the exhaust duct ( 4 ) connected sample gas cavity ( 18 ), which has a second electrode ( 24 ), which via an oxygen ion conducting solid electrolyte ( 22 ) with the first electrode ( 20 ) and in a reference gas channel ( 26 ), characterized in that in the reference gas channel ( 26 ) a specifically formed oxygen storage ( 40 . 50 . 62 . 64 . 70 ) and that the reference gas channel ( 26 ) a flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) to the exhaust duct ( 4 ) having. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) benachbart zur zweiten Elektrode (24) beginnt.Sensor element according to claim 1, characterized in that the flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) adjacent to the second electrode ( 24 ) begins. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der dem Abgaskanal (4) zugewandeten Stirnseite (88) des Sensorelements (10) mündet.Sensor element according to claim 1, characterized in that the flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) on the exhaust duct ( 4 ) facing end face ( 88 ) of the sensor element ( 10 ) opens. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Oberseite/Unterseite (94a, 94b) des Sensorelements (10) mündet.Sensor element according to claim 1, characterized in that the flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) on the top / bottom ( 94a . 94b ) of the sensor element ( 10 ) opens. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Seitenfläche (84a, 84b) des Sensorelements (10) mündet.Sensor element according to claim 1, characterized in that the flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) on the side surface ( 84a . 84b ) of the sensor element ( 10 ) opens. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.Sensor element according to claim 1, characterized in that the oxygen storage ( 40 . 50 . 62 . 64 . 70 ) on the second electrode ( 24 ) adjoins. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) enthält und dass zumindest am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals (26) ein Strömungswiderstand (42) vorgesehen ist.Sensor element according to claim 1, characterized in that the reference gas channel ( 26 ) an oxygen storage cavity ( 40 . 50 . 64 ) and that at least at the output end of the reference gas channel ( 26 ) a flow resistance ( 42 ) is provided. Sensorelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) und der Strömungswiderstand (42) durch einen geringeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) realisiert sind.Sensor element according to claim 7, characterized in that the oxygen storage cavity ( 40 . 50 . 64 ) by a larger cross-section of the reference gas channel ( 26 ) and the flow resistance ( 42 ) by a smaller cross-section of the reference gas channel ( 26 ) are realized. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum (40, 50, 64) enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung (52) im Bereich der zweiten Elektrode (24) vorgesehen ist.Sensor element according to claim 1, characterized in that the reference gas channel ( 26 ) an oxygen storage cavity ( 40 . 50 . 64 ), which is realized by a closed oxygen storage channel whose opening ( 52 ) in the region of the second electrode ( 24 ) is provided. Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) im Bereich des von der zweiten Elektrode (24) abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher-Hohlraums (40, 50, 64) beginnt.Sensor element according to claim 8 or 9, characterized in that the flow path ( 80 . 82 . 86 . 90 . 92 ) in the region of the second electrode ( 24 ) distal end of the oxygen storage cavity ( 40 . 50 . 64 ) begins. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (42) oder der Referenzgaskanal (26) zumindest teilweise eine Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60) enthalten.Sensor element according to claim 7, characterized in that the flow resistance ( 42 ) or the reference gas channel ( 26 ) at least partially an exhaust diffusion barrier ( 44 . 60 ) contain. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) zumindest teilweise als Speicher-Diffusionsbarriere (62) realisiert ist.Sensor element according to claim 11, characterized in that the oxygen storage ( 40 . 50 . 62 . 64 . 70 ) at least partially as a storage diffusion barrier ( 62 ) is realized. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum (64) vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.Sensor element according to claim 12, characterized in that in addition an oxygen storage cavity ( 64 ) provided on the second electrode ( 24 ) adjoins. Sensorelement nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere (62) vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60).Sensor element according to claim 11 and 12, characterized in that the oxygen storage diffusion barrier ( 62 ) volume is greater than that for the exhaust diffusion barrier ( 44 . 60 ). Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) ein Material (70) enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert.Sensor element according to claim 1, characterized in that the oxygen storage ( 40 . 50 . 62 . 64 . 70 ) a material ( 70 ) which stores oxygen by adsorption or absorption. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) ein nicht stöchiometrisches Oxid enthält.Sensor element according to claim 15, characterized in that the material ( 70 ) contains a non-stoichiometric oxide. Sensorelement nach Anspruch 15 und 11 oder 15 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft-Diffusionsbarriere (44, 60) oder die Speicher-Diffusionsbarriere (62) zumindest abschnittsweise das Material (70) enthalten.Sensor element according to claim 15 and 11 or 15 and 12, characterized in that the exhaust diffusion barrier ( 44 . 60 ) or the storage diffusion barrier ( 62 ) at least in sections the material ( 70 ) contain. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals (26) aufgebracht ist.Sensor element according to claim 15, characterized in that the material ( 70 ) at least on a part of the surface of the reference gas channel ( 26 ) is applied. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) auf der zweiten Elektrode (24) aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode (24) das Material (70) enthält.Sensor element according to claim 15, characterized in that the material ( 70 ) on the second electrode ( 24 ) or that the second electrode ( 24 ) the material ( 70 ) contains.
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