DE19937016A1 - Sensor element and method for determining the oxygen concentration in gas mixtures - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensorelement und ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen. Der Gassensor umfaßt eine Pumpzelle und eine Konzentrationszelle, wobei die Pumpzelle auf einem Festelektrolyten angeordnete Pumpelektroden aufweist, deren eine dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und wobei die Konzentrationszelle auf einem Festelektrolyten angeordnet eine dem Gasgemisch ausgesetzte Meßelektrode und eine einer Referenzatmosphäre ausgesetzte Referenzelektrode beinhaltet. Die andere Pumpelektrode (30) ist ebenfalls der Referenzgasatmosphäre ausgesetzt. In einem Bereich, in dem der Lambda-Wert ungefähr 1 ist, wird mittels der Konzentrationszelle die Sauerstoffkonzentration bestimmt. In den von Lambda = 1 verschiedenen Bereichen wird auf amperometrischem Wege mittels der Pumpzelle die Sauerstoffkonzentration ermittelt. Die Sonde eignet sich besonders als Führungssonde zur Überwachung eines Dreiwegekatalysators.A sensor element and a method for determining the oxygen concentration in gas mixtures, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, are proposed. The gas sensor comprises a pump cell and a concentration cell, the pump cell having pump electrodes arranged on a solid electrolyte, one of which is exposed to the gas mixture, and the concentration cell arranged on a solid electrolyte containing a measuring electrode exposed to the gas mixture and a reference electrode exposed to a reference atmosphere. The other pump electrode (30) is also exposed to the reference gas atmosphere. In a range in which the lambda value is approximately 1, the oxygen concentration is determined using the concentration cell. In the areas other than lambda = 1, the oxygen concentration is determined amperometrically by means of the pump cell. The probe is particularly suitable as a guide probe for monitoring a three-way catalytic converter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement und ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a sensor element and a method for Determination of the oxygen concentration in gas mixtures after the Preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Der heute in Kraftfahrzeugen üblicherweise zur Abgasreinigung eingesetzte Dreiwegekatalysator wird nicht permanent mit einem Lambda-Wert von 1 betrieben, obwohl bei diesem Luft-/Brennstoff­ verhältnis die oxidierenden und reduzierenden Abgaskomponenten in einem stöchiometrischen Verhältnis zueinander vorliegen und somit an der Katalysatoroberfläche vollständig abreagieren kön­ nen. Tatsächlich sind aber die Konzentrationen der entsprechen­ den Abgaskomponenten so klein, daß es aus statistischen Gründen nicht zu einer hundertprozentigen Umsetzung kommt. Um dies zu umgehen, wird das Luft-/Brennstoffverhältnis abwechselnd kurz­ zeitig auf einen Lambda-Wert < 1 eingestellt (mager) und dann auf einen Lambda-Wert < 1 (fett). Dies führt zu besseren Umset­ zungsraten, erfordert jedoch zur Steuerung eine Lambdasonde, die nicht nur bei Lambda = 1 sondern auch bei mageren und fetten Verbrennungsabgasen hinreichend genau die Sauerstoffkonzentrati­ on im Abgas bestimmt.Usually used today in motor vehicles for exhaust gas purification Three-way catalyst used is not permanently with one Lambda value operated by 1, although with this air / fuel ratio of the oxidizing and reducing exhaust gas components are in a stoichiometric relationship to each other and can thus react completely on the catalyst surface nen. In fact, however, the concentrations are the same the exhaust components so small that for statistical reasons is not fully implemented. To do this bypass, the air / fuel ratio alternately becomes short timely set to a lambda value <1 (lean) and then to a lambda value <1 (bold). This leads to better implementation rates, but requires a lambda probe to control the not only with lambda = 1 but also with lean and rich ones  Combustion fumes are precisely the oxygen concentration determined in the exhaust gas.

Die klassische Lambda-Nernstsonde nutzt als Meßprinzip die elek­ tromotorische Kraft zwischen dem Sauerstoffgehalt einer Umge­ bungsatmosphäre und des Verbrennungsabgases. Der bei Lambda = 1 auftretende sogenannte Lambda-Sprung (ein Anstieg des gemessenen Potentials von weniger als 100 mV auf über 750 mV) ermöglicht bei dieser Art Sonde eine genaue Bestimmung des Lambda-Wertes wenn Lambda 1 ist.The classic Lambda Nernst probe uses the electromotive force as a measuring principle between the oxygen content of an ambient atmosphere and the combustion exhaust gas. The so-called lambda jump occurring at lambda = 1 (an increase in the measured potential from less than 100 mV to over 750 mV) enables an exact determination of the lambda value when lambda is 1 with this type of probe.

In S.A.E. 970843, Seite 77 bis 78, wird ein Gassensor beschrie­ ben, der in der Lage ist, den Sauerstoffgehalt auch bei mager eingestellten Verbrennungsgemischen zu bestimmen. Er basiert auf dem amperometrischen Meßprinzip, d. h. es wird ein konstantes Po­ tential von 800 mV an die Elektroden des Sensors angelegt und der zwischen den Elektroden gemessene Pumpstrom als Meßgröße zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration genutzt. Allerdings sind mittels dieses Sensors keine genauen Lambda-Werte für Lambda < 1 zu ermitteln.In S.A.E. 970843, pages 77 to 78, a gas sensor is described ben who is able to reduce the oxygen content even when lean set combustion mixtures. It is based on the amperometric measuring principle, d. H. it becomes a constant bottom potential of 800 mV to the electrodes of the sensor and the pump current measured between the electrodes as a measured variable for Determination of the oxygen concentration used. However no exact lambda values for lambda <1 using this sensor to investigate.

Eine universell einsetzbare Sauerstoffsonde, die auch als Breit­ bandsonde bezeichnet wird, ist in der EP 194 082 A1 beschrieben. Sie beinhaltet eine Pumpzelle und eine Konzentrationszelle mit je zwei auf einem Festelektrolyten angeordneten Elektroden, wo­ bei die Pumpzelle einem Sauerstofftransport in dem Umfang dient, daß an der Konzentrationszelle ein konstantes vorbestimmtes Po­ tential anliegt. Als Meßgröße wird der Pumpstrom der Pumpzelle herangezogen, wobei bei Lambda = 1 eine Umpolung der Pumpzelle stattfinden muß. Diese Sonde ermöglicht eine Bestimmung des Lambda-Wertes in allen Bereichen, sie hat aber den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit bei Lambda = 1 nicht an die der Lambda- Nernstsonde heranreicht. A universal oxygen probe that is also available as a wide is called band probe is described in EP 194 082 A1. It includes a pump cell and a concentration cell two electrodes arranged on a solid electrolyte, where the pump cell serves to transport oxygen to the extent that a constant predetermined Po at the concentration cell is present. The pump current of the pump cell is used as the measured variable used, with a polarity reversal of the pump cell at lambda = 1 must take place. This probe enables the determination of the Lambda value in all areas, but it has the disadvantage that the measuring accuracy at lambda = 1 does not match that of the lambda Nernst probe reaches.  

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Sensorelement und das erfindungsgemäße Ver­ fahren mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 haben den Vorteil, daß die Sauerstoffkonzentration eines Gasgemisches simultan auf zweierlei Weise unabhängig voneinander bestimmt werden kann. Dabei liefert die eine Methode besonders bei Sauerstoffkonzentrationen, die einem Lambda-Wert von annä­ hernd 1 entsprechen, sehr genaue Werte und die andere Methode bei von 1 verschiedenen Lambda-Werten. Dies ermöglicht die ge­ naue Bestimmung der Sauerstoffkonzentration für alle üblicher­ weise in Abgasen auftretenden Lambda-Werte.The sensor element according to the invention and the Ver drive with the respective characteristic features of claims 1 and 8 have the advantage that the oxygen concentration of a Gas mixtures simultaneously in two ways independently of each other can be determined. One method is particularly useful at oxygen concentrations that have a lambda value of approx hernd 1 correspond to very precise values and the other method with lambda values different from 1. This enables the ge accurate determination of the oxygen concentration for all common Lambda values occurring in exhaust gases.

Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Sensorelement durch einen sehr einfachen und damit kostengünstigen Aufbau aus. Das Sensorelement besteht im wesentlichen aus einer Pumpzelle und einer Konzentrationszelle, deren Elektroden direkt dem Ab­ gasstrom bzw. einer Referenzgasatmosphäre ausgesetzt sind. Dies erübrigt den Einbau von sonst in derartigen Sensorelementen üb­ lichen Meßgasräumen.In addition, the sensor element according to the invention is distinguished by a very simple and therefore inexpensive construction. The sensor element essentially consists of a pump cell and a concentration cell, the electrodes of which are directly connected to the Ab gas flow or a reference gas atmosphere are exposed. This superfluous the installation of otherwise in such sensor elements Sample gas spaces.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unab­ hängigen Ansprüchen angegebenen Sensorelements möglich. So kön­ nen alle Elektroden auf derselben Festelektrolytschicht aufge­ bracht werden, was den Aufbau des Sensorelements weiter verein­ facht und eine enorme Kostenersparnis darstellt.By the measures listed in the subclaims advantageous further developments and improvements in the unab dependent claims specified sensor element possible. So can NEN all electrodes on the same solid electrolyte layer are brought, which further unites the structure of the sensor element fold and represents an enormous cost saving.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Folienaufbau und Fig. 2 bzw. 2a einen Quer­ schnitt durch die Großfläche des erfindungsgemäßen Sensor­ elements. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils I/U-Kennlinien ei­ ner Grenzstromsonde.An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Fig. 1 shows a film structure and Fig. 2 or 2a shows a cross section through the large area of the sensor element according to the invention. FIGS. 3 and 4 show, respectively, I / U characteristics ei ner limit current probe.

AusführungsbeispielEmbodiment

Die Fig. 1, 2 und 2a zeigen einen prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit 10 ist ein plan­ ares Sensorelement eines elektrochemischen Gassensors bezeich­ net, das beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenlei­ tenden Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c und 11d aufweist. Die Festelektrolytschichten 11a-11d werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sen­ sorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktions­ schichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sin­ tern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise herge­ stellt. Jede der Festelektrolytschichten 11a-11d ist aus sauer­ stoffionenleitendem Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise aus stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO₂ ausgeführt. Figs. 1, 2 and 2a show a schematic structure of an embodiment of the present invention. 10 with a plan ares sensor element of an electrochemical gas sensor is designated, which has, for example, a plurality of oxygen-ion-conducting solid electrolyte layers 11 a, 11 b, 11 c and 11 d. The solid electrolyte layers 11 a- 11 d are designed as ceramic films and form a planar ceramic body. The integrated shape of the planar ceramic body of the sensor element 10 is produced by laminating together the ceramic films printed with functional layers and then sintering the laminated structure in a manner known per se. Each of the solid electrolyte layers 11 a- 11 is made of sour stoffionenleitendem solid electrolyte material, such as, for example, stabilized or partially stabilized ZrO ₂ d.

Das Sensorelement 10 beinhaltet einen Luftreferenzkanal 19, der beispielsweise in der Festelektrolytschicht 11b angeordnet ist und an einem Ende aus dem planaren Körper des Sensorelements 10 herausführt. Er steht mit einer Referenzgasatmosphäre in Verbin­ dung.The sensor element 10 includes an air reference channel 19 which is arranged, for example b in the solid electrolyte layer 11 and leads out at one end from the planar body of the sensor element 10th It is connected to a reference gas atmosphere.

Auf der dem Meßgas unmittelbar zugewandten Großfläche 20 des Sensorelements 10 ist auf der Festelektrolytschicht 11a eine er­ ste äußere Elektrode 29 angeordnet, die mit einer porösen Schutzschicht 33 bedeckt sein kann, und eine zweite äußere Elek­ trode 31, die beispielsweise mit einer als Diffusionswiderstand wirkenden, porösen Schicht 35 überzogen ist. Auf der dem Luftre­ ferenzkanal zugewandten Seite 21 der Festelektrolytschicht 11a befinden sich die jeweils dazugehörigen inneren Elektroden 28, 30. On the measurement gas directly facing major surface 20 of the sensor element 10 is formed on the solid electrolyte layer 11 a is a he ste outer electrode 29 is arranged which can be covered with a porous protective layer 33, and a second outer elec trode 31, for example, with a force acting as a diffusion resistance , porous layer 35 is coated. The associated inner electrodes 28 , 30 are located on the side 21 of the solid electrolyte layer 11 a facing the air reference channel.

Alternativ kann die poröse Schutzschicht der zweiten äußeren Elektrode 31 auch als Teilstück eines Keramikfolienlaminats, wie in Fig. 2a dargestellt, ausgeführt werden. Dabei wird über der zweiten äußeren Elektrode 31 ein Keramikfolienlaminat 35a aufge­ bracht, dergestalt, daß über der zweiten äußeren Elektrode 31 ein Hohlraum 36 entsteht, der den Zutritt des Meßgasgemisches zur Elektrodenoberfläche über eine Bohrung 37 gestattet. Der Hohlraum 36 und die Bohrung 37 können alternativ auch mit einem porösen keramischen Material gefüllt sein.Alternatively, the porous protective layer of the second outer electrode 31 can also be embodied as a section of a ceramic foil laminate, as shown in FIG. 2a. In this case, over the second outer electrode 31, a ceramic sheet laminate 35 is a be applied, such that a cavity 36 is formed above the second outer electrode 31 which permits the access of Meßgasgemisches to the electrode surface via a bore 37th The cavity 36 and the bore 37 can alternatively be filled with a porous ceramic material.

Die äußeren Elektroden 29, 31 werden durch Leiterbahnen 23, 25 kontaktiert, die auf der Oberfläche 20 der Festelektrolytschicht 11a aufgebracht sind. Die Kontaktierung der inneren Elektroden 28, 30 erfolgt über die Leiterbahnen 22, 24, die zwischen den Festelektrolytschichten 11a und 11b geführt sind und über Durch­ kontaktierungen 26, 27 mit der Großfläche des Sensorelements verbunden sind.The outer electrodes 29 , 31 are contacted by conductor tracks 23 , 25 , which are applied to the surface 20 of the solid electrolyte layer 11 a. The contacting of the inner electrodes 28 , 30 takes place via the conductor tracks 22 , 24 , which are guided between the solid electrolyte layers 11 a and 11 b and are connected via contacts 26 , 27 to the large area of the sensor element.

Um zu gewährleisten, daß an den Elektroden eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts der Meßgaskomponenten erfolgt, bestehen alle verwendeten Elektroden aus einem katalytisch akti­ ven Material, wie beispielsweise Platin, wobei das Elektrodenma­ terial für alle Elektroden in an sich bekannter Weise als Cermet eingesetzt wird, um mit den keramischen Folien zu versintern.To ensure that an adjustment of the thermodynamic equilibrium of the sample gas components takes place, all electrodes used consist of a catalytically active ven material such as platinum, the electrode size material for all electrodes in a conventional manner as a cermet is used to sinter with the ceramic films.

In den keramischen Grundkörper des Sensorelements 10 ist ferner zwischen zwei hier nicht dargestellten elektrischen Isolations­ schichten ein Widerstandsheizer 40 eingebettet. Der Widerstands­ heizer dient dem Aufheizen des Sensorelements 10 auf die notwen­ dige Betriebstemperatur. Dabei liegt an den räumlich eng benach­ barten Elektroden 28, 29, 30 und 31 im wesentlichen die gleiche Temperatur vor. In the ceramic base body of the sensor element 10 , a resistance heater 40 is also embedded between two electrical insulation layers, not shown here. The resistance heater is used to heat the sensor element 10 to the necessary operating temperature. Here, the spatially closely adjacent electrodes 28 , 29 , 30 and 31 have essentially the same temperature.

Betriebsweise als Lambda-SondeOperating as a lambda probe

Bei der Verwendung des Sensorelements 10 als Lambda-Sonde werden die erste innere Elektrode 30 und die erste äußere Elektrode 31 als Pumpelektroden einer Pumpzelle betrieben. An diese Elek­ troden wird eine Pumpspannung angelegt, mittels der ein Sauer­ stofftransport aus dem Abgasraum in den Referenzgaskanal statt­ findet. Die äußere Elektrode 31 ist von einer als Diffusionswi­ derstand wirkenden porösen Schicht 35 bzw. 35a bedeckt. Diese bewirkt, daß im Pumpbetrieb ein Gradient der Sauerstoffkonzen­ tration zwischen Abgasraum und Elektrodenoberfläche entsteht und daß die Pumpzelle so unabhängig von dem im Abgas vorliegenden Sauerstoffpartialdruck stets in der Lage ist, den gesamten an die Elektrodenoberfläche diffundierenden Sauerstoff abzupumpen (sogenanntes Grenzstromprinzip).When the sensor element 10 is used as a lambda probe, the first inner electrode 30 and the first outer electrode 31 are operated as pump electrodes of a pump cell. A pump voltage is applied to these electrodes, by means of which oxygen is transported from the exhaust gas space into the reference gas channel. The outer electrode 31 is covered by a porous layer 35 or 35 a acting as a diffusion resistor. This causes a gradient of the oxygen concentration between the exhaust gas chamber and the electrode surface to occur in pump operation and that the pump cell is always able to pump out all of the oxygen diffusing to the electrode surface regardless of the oxygen partial pressure present in the exhaust gas (so-called limit current principle).

Die weitere innere Elektrode 28 und die weitere äußere Elektrode 29 werden als Konzentrationszelle betrieben. Dabei wird die durch die unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen in Abgas- und Referenzgasraum hervorgerufene elektromotorische Kraft (EMK) nach dem Nernstprinzip bestimmt. Die äußere Elektrode 29 ist von einer porösen Schutzschicht 33 als Schutz vor Verunreinigungen bedeckt.The further inner electrode 28 and the further outer electrode 29 are operated as a concentration cell. The electromotive force (EMF) caused by the different oxygen concentrations in the exhaust gas and reference gas space is determined according to the Nernst principle. The outer electrode 29 is covered by a porous protective layer 33 as protection against contamination.

Es ist aber auch möglich, die Elektroden 30, 31 als Konzentrati­ onszelle zu schalten und die Elektroden 28, 29 als Pumpzelle zu betreiben.However, it is also possible to switch the electrodes 30 , 31 as a concentration cell and to operate the electrodes 28 , 29 as a pump cell.

Eine sonst übliche sogenannte Breitbandsonde beinhaltet, wie in der bereits erwähnten Schrift EP 194 082 A1 beschrieben, eben­ falls eine Pump- und eine Konzentrationszelle. Die inneren Elek­ troden dieser Zellen sind in einem durch einen Diffusionswider­ stand vom Abgasraum abgetrennten Meßgasraum angeordnet, die äu­ ßere Elektrode der Pumpzelle ist auf der Sensorgroßfläche ausge­ bildet und direkt dem Abgasstrom ausgesetzt, während die äußere Elektrode der Konzentrationszelle in einem Referenzgaskanal an­ gebracht ist. Im Betrieb wird die an die Pumpzelle angelegte Pumpspannung und damit die Pumpleistung so eingestellt, daß sich eine konstante Sauerstoffkonzentration im Meßgasraum des Sensor­ elements einstellt, so daß zwischen den Elektroden der Konzen­ trationszelle ein konstantes, vorbestimmtes Potential anliegt. Die Konzentrationszelle dient also als Regulativ für den Betrieb der Pumpzelle, wobei als Meßsignal zur Bestimmung der Sauer­ stoffkonzentration der in der Pumpzelle fließende Pumpstrom her­ angezogen wird.An otherwise common so-called broadband probe includes, as in the already mentioned document EP 194 082 A1 if a pump and a concentration cell. The inner elec trodes of these cells are in one by a diffusion resistor stood separated from the exhaust gas sample gas space arranged, the external The outer electrode of the pump cell is out on the large sensor surface forms and directly exposed to the exhaust gas flow, while the outer  Electrode of the concentration cell in a reference gas channel brought. In operation, the pump cell is applied Pump voltage and thus the pump power set so that a constant oxygen concentration in the sample gas chamber of the sensor elements so that between the electrodes of the conc tration cell has a constant, predetermined potential. The concentration cell thus serves as a regulatory for the company the pump cell, with the measurement signal for determining the acid concentration of the pump current flowing in the pump cell is attracted.

Wird die Konzentrationszelle dagegen nicht zur Kontrolle der Pumpzelle eingesetzt, so steht sie als zweites, von der Pumpzel­ le unabhängiges Meßelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzen­ tration zur Verfügung. Es stellt sich nun aber das Problem, daß auf irgendeine Weise die an die Pumpzelle anzulegende Pumpspan­ nung ermittelt werden muß.However, if the concentration cell is not used to control the Pump cell used, so it stands second from the pump cell le independent measuring element for determining the oxygen concentration tration available. The problem now arises that in any way the pump chip to be applied to the pump cell must be determined.

Fig. 3 zeigt eine I/U-Kennlinie einer Pumpzelle, die nach dem sogenannten Grenzstromprinzip arbeitet. Wird an die Elektroden einer Pumpzelle eine sehr kleine Pumpspannung angelegt, so ist der resultierende Pumpstrom der angelegten Pumpspannung direkt proportional. Dieser Bereich wird als sogenannter Ohmscher Be­ reich bezeichnet. Wird die Pumpspannung kontinuierlich erhöht, so tritt an einem bestimmten Punkt, der als kritischer Betriebs­ punkt K bezeichnet werden kann, der Fall ein, daß die Pumpzelle den gesamten an der Elektrodenoberfläche der Pumpzelle vorhande­ ne Sauerstoff abpumpt und eine weitere Erhöhung der Pumpspannung zu keiner Veränderung des Pumpstroms führt. Der dabei gemessene Pumpstrom wird als Grenzstrom bezeichnet und ist der Sauerstoff­ konzentration des Meßgases direkt proportional. Wird die Pump­ spannung dennoch weiter erhöht, so wird bei hohen Spannungen ein Bereich erreicht, in dem sich wiederum ein pseudo-Ohm'sches Ver­ halten der Pumpzelle zeigt. Dies beruht im wesentlichen darauf, daß bei hoher Betriebsspannung an der Elektrodenoberfläche der Pumpzelle auch sauerstoffhaltige Verbindungen wie Wasser und Kohlendioxid zersetzt werden und der dabei freigesetzte Sauer­ stoff abgepumpt wird. Dieser Bereich ist für eine Sauerstoffbe­ stimmung ungeeignet. Fig. 3 shows an I / U characteristic of a pump cell, which works according to the so-called limit current principle. If a very small pump voltage is applied to the electrodes of a pump cell, the resulting pump current is directly proportional to the pump voltage applied. This area is referred to as the so-called ohmic area. If the pump voltage is continuously increased, then at a certain point, which can be referred to as the critical operating point K, the case occurs that the pump cell pumps out all of the oxygen present on the electrode surface of the pump cell and a further increase in the pump voltage does not change of the pump current. The pump current measured here is called the limit current and is directly proportional to the oxygen concentration of the sample gas. If the pump voltage is nevertheless increased further, a range is reached at high voltages, in which again a pseudo-ohmic behavior of the pump cell is shown. This is essentially due to the fact that at high operating voltage on the electrode surface of the pump cell also oxygen-containing compounds such as water and carbon dioxide are decomposed and the oxygen released is pumped out. This range is unsuitable for oxygen determination.

Bei der Wahl der anzulegenden Pumpspannung muß also darauf ge­ achtet werden, daß der Betrieb der Pumpzelle in den Bereich des Grenzstrombetriebs der Pumpzelle fällt und nicht in den Bereich eines Ohm'schen oder pseudo-Ohm'schen Verhaltens der Zelle.When choosing the pump voltage to be applied, it must be ge care is taken that the operation of the pump cell in the range of Limit current operation of the pump cell falls and not in the range an ohmic or pseudo-ohmic behavior of the cell.

Die Lage des kritischen Betriebspunktes K und des Punktes an dem das Grenzstromverhalten der Zelle in ein pseudo-Ohm'sches Ver­ halten übergeht, sind aber von der im Abgas vorliegenden Sauer­ stoffkonzentration abhängig. Dies wird in Fig. 4 verdeutlicht. So ist beispielsweise der Betrieb des eingangs erwähnten, in S.A.E. 970843, Seite 77 bis 78, beschriebenen Sensors auf Berei­ che mit Lambda-Werten < 1 beschränkt, da die dort angelegte kon­ stante Pumpspannung von 800 mV zwar gewährleistet, daß der Sen­ sor nie den kritischen Betriebspunkt K unterschreitet. Bei sehr kleinen Sauerstoffkonzentrationen zeigt der Sensor aber ein pseudo-Ohm'sches Verhalten und ist daher für Lambda-Werte < 1 ungeeignet.The location of the critical operating point K and the point at which the limiting current behavior of the cell changes into a pseudo-ohmic behavior, but are dependent on the oxygen concentration present in the exhaust gas. This is illustrated in Fig. 4. For example, the operation of the sensor mentioned at the beginning, described in SAE 970843, pages 77 to 78, is limited to areas with lambda values <1, since the constant pump voltage of 800 mV applied there ensures that the sensor never touches the sensor falls below the critical operating point K. At very low oxygen concentrations, however, the sensor shows pseudo-ohmic behavior and is therefore unsuitable for lambda values <1.

Um die Pumpspannung einer momentanen Sauerstoffkonzentration im Abgas anzupassen, bedarf es also eines Regelmechanismuses, damit eine derartige Pumpzelle sowohl bei fetten als auch bei mageren Abgasen verwendet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anpassung der Pumpspannung steuerungstechnisch auf mathematischem Wege erfolgt. Dazu wird zu einem beliebigen Zeitpunkt T der zeitlich kurz vor diesem Zeitpunkt zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Pumpstrom I bestimmt und dar­ aus gemäß der Gleichung
In order to adapt the pump voltage to an instantaneous oxygen concentration in the exhaust gas, a control mechanism is required so that such a pump cell can be used with both rich and lean exhaust gases. According to the invention, this is achieved in that the pump voltage is adjusted mathematically in terms of control technology. For this purpose, the pumping current I flowing between the electrodes of the pumping cell shortly before this point in time is determined at any point in time T and is determined from the equation

U = a + (b . I)
U = a + (b. I)

die an die Pumpzelle anzulegende Pumpspannung U berechnet, wobei a ein frei gewähltes konstantes Potential und b eine frei wähl­ bare Konstante bezeichnet. Für a wird erfahrungsgemäß ein Wert zwischen 0 und 500 mv, bevorzugt jedoch 350 mV gewählt. Die Kon­ stante b ergibt sich dann aus der Charakteristik des jeweiligen Sensorelements.calculates the pump voltage U to be applied to the pump cell, where a a freely chosen constant potential and b one freely choose called constant. Experience has shown that a is a value between 0 and 500 mV, but preferably chosen 350 mV. The con constant b then results from the characteristics of each Sensor element.

Dies erlaubt eine unabhängige, simultane Bestimmung der Sauer­ stoffkonzentration des Abgases auf amperometrischem Wege mittels der Pumpzelle und nach dem Nernst-Prinzip mittels der nun dafür zur Verfügung stehenden Konzentrationszelle. Dabei ist es beson­ ders vorteilhaft, in einem Bereich, in dem Lambda 1 ist, die Sauerstoffkonzentration mit Hilfe der Konzentrationszelle unter Ausnutzung des oben beschriebenen Lambda-Sprungs durchzuführen und in den Bereichen, in denen Lambda ≠ 1 ist, die Sauerstoff­ konzentration mittels der Pumpzelle auf amperometrischem Wege zu bestimmen. Dies ermöglicht für alle Lambda-Bereiche eine äußerst präzise Erfassung der Sauerstoffkonzentration.This allows an independent, simultaneous determination of the oxygen concentration of the exhaust gas in an amperometric way by means of the pump cell and according to the Nernst principle by means of the concentration cell now available for this. It is particularly advantageous in an area in which lambda 1 is to carry out the oxygen concentration using the concentration cell using the lambda jump described above and in the areas in which lambda ≠ 1 is the oxygen concentration by means of the pump cell to be determined by amperometric means. This enables extremely precise detection of the oxygen concentration for all lambda ranges.

Es ist aber auch möglich, beide Meßverfahren unabhängig vom vor­ herrschenden Lambda-Wert des Abgases stets synchron anzuwenden und als gegenseitige Kontrolle einzusetzen.However, it is also possible to use both measurement methods independently of the one before Always apply the prevailing lambda value of the exhaust gas synchronously and use it as a mutual control.

Zur Steuerung eines Dreiwegekatalysators wird üblicherweise eine Anordnung benutzt, die als OBD (On Board Diagnose-System) be­ zeichnet wird. Dabei ist eine erste Lambdasonde dem Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet, wobei sie als Regelsonde der Einstellung des Luft-/Brennstoffgemisches dient und gleichzeitig die Schwankungen um den Lambda-Wert von 1 er­ zeugt. Dem Katalysator nachgeordnet ist eine weitere Lambdason­ de, die als Führungsonde die Kontrolle des Dreiwegekatalysators übernimmt und die Steuerung der Regelsonde korrigiert. Die er­ findungsgemäße Sonde eignet sich aufgrund ihres großen Meßbe­ reichs und der präzisen Meßmethodik besonders als Führungssonde. One is usually used to control a three-way catalytic converter Arrangement used as an OBD (On Board Diagnostic System) is drawn. A first lambda probe is the catalytic converter upstream in the flow direction of the exhaust gas, being as Control probe is used to adjust the air / fuel mixture and at the same time the fluctuations around the lambda value of 1 er testifies. Another lambdason is located downstream of the catalytic converter de, which, as a guiding probe, controls the three-way catalytic converter takes over and the control of the control probe is corrected. Which he The probe according to the invention is suitable due to its large measuring range Reichs and the precise measurement methodology, especially as a guide probe.  

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht nur eine Lambdasonde mit dem beschriebenen Aufbau des Sensorelements 10 geeignet. Es sind auch weitere Ausgestaltungen von Sensorele­ menten denkbar, die die beschriebene Betriebsweise zur Bestim­ mung der Sauerstoffkonzentration ermöglichen.Not only a lambda probe with the described construction of the sensor element 10 is suitable for carrying out the method according to the invention. There are also other configurations of Sensorele elements conceivable that allow the operation described for determination of the oxygen concentration.

Claims (13)

1. Sensorelement zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmoto­ ren, mit mindestens einer Pumpzelle und mindestens einer Konzen­ trationszelle, wobei die Pumpzelle auf einem Festelektrolyten angeordnete Pumpelektroden aufweist, deren eine dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und wobei die Konzentrationszelle auf einem Fe­ stelektrolyten angeordnet eine dem Gasgemisch ausgesetzte Meße­ lektrode und eine einer Referenzatmosphäre ausgesetzte Referenz­ elektrode beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Pumpelektrode (30) ebenfalls der Referenzgasatmosphäre ausge­ setzt ist.1. Sensor element for determining the oxygen concentration in gas mixtures, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with at least one pump cell and at least one concentration cell, the pump cell having pump electrodes arranged on a solid electrolyte, one of which is exposed to the gas mixture, and the concentration cell on one Fe electrolytes arranged a measuring electrode exposed to the gas mixture and a reference electrode exposed to a reference atmosphere, characterized in that the other pump electrode ( 30 ) is also exposed to the reference gas atmosphere. 2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (28, 29, 30, 31) auf demselben Festelektroly­ ten (11a) angeordnet sind.2. Sensor element according to claim 1, characterized in that the electrodes ( 28 , 29 , 30 , 31 ) are arranged on the same solid electrolyte ( 11 a). 3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Festelektrolytschichten vorgesehen sind, zwischen denen ein Referenzgaskanal (19) ausgebildet ist, der mit der Re­ ferenzgasatmosphäre in Verbindung steht und in dem eine der Pumpelektroden (30) und eine der Elektroden der Konzentrations­ zelle (28) angeordnet sind.3. Sensor element according to claim 2, characterized in that a plurality of solid electrolyte layers are provided, between which a reference gas channel ( 19 ) is formed, which is in communication with the re reference gas atmosphere and in which one of the pump electrodes ( 30 ) and one of the electrodes of the concentration cell ( 28 ) are arranged. 4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekenzeichnet, daß in die Festelektrolytschichten ein Heizelement (40) eingearbei­ tet ist.4. Sensor element according to claim 3, characterized in that a heating element ( 40 ) is incorporated into the solid electrolyte layers. 5. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekenzeichnet, daß die dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden aus einem Material gefertigt sind, das eine thermodynamische Gleichgewichtseinstel­ lung der Abgaskomponenten zu katalysieren vermag.5. Sensor element according to claim 4, characterized in that the electrodes exposed to the gas mixture made of one material are manufactured, which is a thermodynamic equilibrium able to catalyze the exhaust gas components. 6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, mittels der der zwi­ schen den Pumpelektroden der Pumpzelle auftretende Pumpstrom und mittels der die zwischen den Elektroden der Konzentrationszelle auftretende elektromotorische Kraft (Nernstspannung) unabhängig voneinander bestimmbar ist.6. Sensor element according to claim 1, characterized in that a circuit arrangement is provided by means of which the zwi between the pump electrodes of the pump cell and by means of the between the electrodes of the concentration cell occurring electromotive force (Nernst voltage) independently can be determined from each other. 7. Sensorelement nach Anspruch 6, dadurch gekenzeichnet, daß mittels der Schaltungsanordnung bei einem Lambda-Wert zumindest in der Nähe von 1 die Konzentrationszelle und bei einem im we­ sentlichen von 1 verschiedenen Lambda-Wert die Pumpzelle zu­ schaltbar ist.7. Sensor element according to claim 6, characterized in that by means of the circuit arrangement at least for a lambda value near 1 the concentration cell and at one in the we the pump cell considerably different from 1 is switchable. 8. Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzention in Gas­ gemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit­ tels eines Sensorelements nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Elektroden der Pumpzelle auftretende Pumpstrom und/oder die zwi­ schen den Elektroden der Konzentrationszelle auftretende elek­ tromotorische Kraft (Nernstspannung) unabhängig voneinander als Meßsignal zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration herangezo­ gen werden. 8. Method for determining the oxygen concentration in gas mix, especially in exhaust gases from internal combustion engines means of a sensor element according to at least one of the preceding the claims, characterized in that the between the Electrodes of the pump cell occurring pump current and / or the zwi electrical electrodes occurring in the concentration cell tromotor force (Nernst voltage) independently of each other as Measurement signal for determining the oxygen concentration be.   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Pumpzelle zu einem beliebigen Zeitpunkt T eine variable Pumpspannung U angelegt wird, die mathematisch aus der Höhe des Pumpstroms I zeitlich nahe vor dem Zeitpunkt T ermittelt wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the pump cell at any time T a variable Pump voltage U is applied, mathematically from the amount of Pump current I is determined in time close to the time T. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der variablen Pumpspannung U zu einem beliebigen Zeitpunkt T nach der Formel U = a + (b . I) erfolgt, wobei a ein frei gewähltes konstantes Potential, b eine frei wählbare, Konstante und I den gemessenen Pumpstrom zeitlich nahe vor dem Zeitpunkt T bezeichnet.10. The method according to claim 9, characterized in that the calculation of the variable pump voltage U to any one Time T takes place according to the formula U = a + (b. I), where a a freely chosen constant potential, b a freely selectable, Constant and I the measured pump current close to the time Designated time T. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das frei gewählte konstante Potential a einen Zahlenwert zwi­ schen 0 und 500 mV, bevorzugt 350 mV annimmt.11. The method according to claim 10, characterized in that the freely chosen constant potential a is a numerical value between between 0 and 500 mV, preferably 350 mV. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Lambda-Wert zumindest in der Nähe von 1 das Meßsignal der Konzentrationszelle und bei einem im wesentlichen von 1 ver­ schiedenen Lambda-Wert das Meßsignal der Pumpzelle zur Bestim­ mung der Sauerstoffkonzentration herangezogen wird.12. The method according to claim 11, characterized in that with a lambda value at least close to 1, the measurement signal the concentration cell and at a ver of essentially 1 different lambda value the measurement signal of the pump cell for determination Oxygen concentration is used. 13. Verwendung eines Sensorelements und eines Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Steuerung des Luft-/Brennstoffgemisches von Verbrennungsmotoren.13. Use of a sensor element and a method according to at least one of the preceding claims for controlling the Air / fuel mixture of internal combustion engines.