WO2007048679A1 - Sensor zur messung der konzentration einer gaskomponente in einem gasgemisch - Google Patents

Sensor zur messung der konzentration einer gaskomponente in einem gasgemisch Download PDF

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Thomas Seiler
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention relates to a sensor for measuring the concentration of a gas component in a gas mixture according to the preamble of claim 1.
  • Such a sensor has become known for example from DE 101 51 328 Al.
  • the sensor has two cells, one of which acts as a Nernst cell, which determines the oxygen content in a sample gas area.
  • the second cell is a pump cell, which changes the oxygen content in the sample gas area.
  • the amount and sign of the pumping current can be used to determine the exhaust gas composition over a wide range between rich ( ⁇ ⁇ 1) and lean ( ⁇ > 1).
  • the basic idea of the invention is to supply oxygen from the exhaust gas to the measurement volume behind the diffusion barrier by means of the further pump electrode exposed to the exhaust gas.
  • This supplied oxygen is then additionally pumped out during operation of the sensor, so that a defined too lean output signal is produced.
  • a clear correlation between the pumping current amount and the exhaust gas composition from the rich to the lean region is made possible without the pumping current having to undergo a change of direction.
  • the additional outer electrode is arranged on the side facing away from the outer electrode of the solid electrolyte. By this arrangement, an optimal oxygen supply is achieved in the measurement volume.
  • the further outer electrode is acted upon by at least one separate supply line with electricity.
  • it can also be provided to electrically connect the further outer electrode to a ground terminal of a heater of the sensor.
  • the power source is connected in a control unit to the inner electrode, so no additional supply line is required.
  • the outer electrode covering protective layer can be made very dense, because no longer the increased pump voltage requirement in rich operation is the limit. The pumping of oxygen in the rich state is indeed partially taken over by the other external pumping electrode.
  • the additional, additional external pumping electrode can be covered by a protective layer, which merely serves to protect the electrode, but does not influence the pumping behavior of the electrode.
  • the solid electrolyte itself is gas-impermeable.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a known from the prior art sensor for measuring the concentration of a gas component in a gas mixture
  • FIG. 3 schematically shows the structure of a first embodiment of a sensor according to the invention
  • Fig. 5 shows the pump current over ⁇ in a known from the prior art, shown in Fig. 1 sensor and
  • Fig. 6 shows the pump current over ⁇ in a sensor according to the invention.
  • a known from the prior art, referred to as a broadband lambda probe sensor shown in Fig. 1 comprises a gas-impermeable solid electrolyte body 120, which may be constructed, for example, in layers.
  • a gas inlet hole 122 is provided, through which exhaust gas passes via a diffusion barrier 150 into a measurement volume 130.
  • an inner pumping electrode 170 is arranged in the measuring volume 130.
  • an outer electrode 160 is disposed, which is covered by a protective layer 230.
  • the outer electrode 160 and the inner pumping electrode 170 form a pumping cell 180, through which oxygen can be pumped out of the measuring volume 130.
  • a pump voltage U P is applied to the outer electrode 160, so that a pumping current I P flows.
  • a reference electrode 190 is further arranged in the solid electrolyte.
  • the reference electrode 190 and the inner pumping electrode 170 form a Nernst cell 195.
  • the oxygen content in the measuring volume 130 is changed.
  • the Nernst cell 195 the oxygen content in the measurement volume 130 is determined.
  • the exhaust gas composition can be unambiguously determined over a wide range between rich and lean. For this reason, such a sensor is also referred to as a broadband lambda probe.
  • the invention now provides for the arrangement of a further, additional outer electrode 165 on the solid electrolyte body 120 (FIGS. 3, 4).
  • This additional outer electrode 165 is preferably arranged on the side of the solid electrolyte body 120 facing away from the outer electrode 160. It can, as shown in FIG. 3, be acted upon via an additional line 167 with a constant additional current I ZuS z .
  • the additional outer electrode 165 may be covered with a protective layer 235.
  • the additional outer electrode 165 is electrically conductively connected to the heater mass 222, so that an additional line for application of the additional current I ZuS z can be dispensed with. Instead, the line of the heater mass is at for acting on the auxiliary electrode 165 to the additional current I z ZuS used.
  • the pumping current I P behaves over ⁇ as shown in Fig. 5. It runs from the third quadrant to the first, with a kink occurring at the transition from the third to the first quadrant. This makes a clear assignment between the pumping current amount and the exhaust gas composition from the fat to the lean area difficult.
  • the invention now provides, as an additional pumping current I z at ZuS with opposite to the pump current I P in sign to pressurize the inner pumping electrode 170 and the additional outer electrode 165 that oxygen is supplied to the measuring volume 130th This oxygen is now additionally pumped out, so that a defined too lean output signal arises.
  • the additional pumping current I ZuS at z is large enough, it will be so even with rich exhaust gas only to a positive pumping current Ip.
  • An unambiguous assignment between the pumping current amount and the exhaust gas composition from the rich to the lean region is made possible in this way without the pumping current I P having to undergo a change of direction (see FIG. 6).
  • an electric current flows in the outer electrode and an ionic current flows in the solid electrolyte body 120 made of zirconia, for example , similar to a fuel cell.
  • the ionic current is associated with a potential drop that distorts the potential measurement of the Nernst cell.

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Abstract

Ein Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem für Ionen leitfähigen Festelektrolyten (120) und mit durch den Festelektrolyten (120) voneinander getrennten Elektroden (160, 170), von denen eine Außenelektrode (160) dem Gasgemisch ausgesetzt ist und eine Innenelektrode (170) in einem durch eine Diffusionsbarriere (150) vom Gasgemisch getrennten Hohlraum (130) angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Außenelektrode (165) dem Abgas ausgesetzt ist, die mit einem Strom (IZusatz) beaufschlagt wird, dessen Vorzeichen entgegengesetzt dem Strom(IPump) ist, mit dem die Außenelektrode (160) beaufschlagt ist.

Description

Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus der DE 101 51 328 Al bekannt geworden. Der Sensor weist zwei Zellen auf, deren eine als Nernst-Zelle fungiert, mit der der Sauerstoffgehalt in einem Messgasbereich bestimmt wird. Die zweite Zelle ist eine Pumpzelle, durch die der Sauerstoffgehalt im Messgasbereich verändert wird. Die zu- oder abgepumpte Sauerstoffmenge wird dabei so eingestellt, dass im Messgasbereich oder Messvolumen stets ein λ=l-Gas vorhanden ist. Über den Betrag und das Vorzeichen des Pumpstroms kann die Abgaszusammensetzung in einem weiten Bereich zwischen fett (λ < 1) und mager (λ > 1) bestimmt werden.
Bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung von fett nach mager oder umgekehrt findet an der abgasseitigen Pumpelektrode ein Gaswechsel statt, der zur Einkopplung eines Störsignals in die Nernst-Zelle führt. Hierbei zeigt das Sondensignal, beispielsweise das Signal des Pumpstroms über der Zeit bei etwa λ = 1 einen Überschwinger bzw. einen Gegenschwinger, die als λ = 1 Welligkeit bezeichnet werden. Diese λ = 1 Welligkeit wirkt sich besonders bei Anwendungen für die Einzelzylin- dererkennung und Einzelzylinderregelung störend aus. Darüber hinaus steht sie einer schnellen Sondendynamik hinderlich entgegen.
In Fig. 2 ist schematisch der Signalverlauf beim Auftreten einer solchen λ = 1 Welligkeit, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 10, dargestellt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass diese störende λ = 1 Welligkeit reduziert wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Sensors sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen abhängigen Unteransprüche.
Grundidee der Erfindung ist es, durch die weitere dem Abgas ausgesetzte Pumpelektrode dem Messvolumen hinter der Diffusionsbarriere Sauerstoff aus dem Abgas zuzuführen. Dieser so zugeführte Sauerstoff wird dann während des Betriebs des Sensors zusätzlich abgepumpt, sodass ein definiert zu mageres Ausgangssignal entsteht. Auf diese Weise wird eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Pumpstrombetrag und der Abgaszusammensetzung vom Fett- bis in den Magerbereich ermöglicht, ohne dass der Pumpstrom einen Richtungswechsel durchlaufen muss. Hierdurch wird eine schnellere Dynamik des Sensors ermöglicht. Bevorzugt ist die zusätzliche Außenelektrode auf der der Außenelektrode abgewandten Seite des Festelektrolyten angeordnet. Durch diese Anordnung wird besonders optimal eine Sauerstoffzufuhr in das Messvolumen erreicht.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die weitere Außenelektrode über wenigstens eine separate Zuleitung mit Strom beaufschlagt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, die weitere Außenelektrode mit einem Massenanschluss eines Heizers des Sensors elektrisch leitend zu verbinden. In diesem Falle wird die Stromquelle in einem Steuergerät an die Innenelektrode angeschlossen, sodass keine zusätzliche Zuleitung erforderlich ist.
Die dem Gasgemisch ausgesetzte Außenelektrode, also die an sich bekannte abgasseitige Pumpelektrode, ist auf an sich bekannte Weise durch eine Schutzschicht abgedeckt. Hierdurch wird verhindert, dass aufgrund des kontinuierlichen Herauspumpens des Sauerstoffs an dieser Elektrode ein Gaswechsel stattfindet. Es wird insbesondere die λ = 1 Welligkeit erheblich reduziert. Diese, die Außenelektrode abdeckende Schutzschicht kann sehr dicht ausgeführt werden, weil nicht mehr der erhöhte Pumpspannungsbedarf im Fettbetrieb die Begrenzung darstellt. Das Einpumpen von Sauerstoff im fetten Zustand wird ja zum Teil von der weiteren Außenpumpelektrode übernommen.
Die weitere, zusätzliche Außenpumpelektrode kann durch eine Schutzschicht abgedeckt sein, die lediglich dem Schutz der Elektrode dient, jedoch das Pumpverhalten der Elektrode nicht beeinflusst. Der Festelektrolyt selbst ist gasundurchlässig.
Zeichnung
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Sensors.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch;
Fig. 2 schematisch die aus dem Stand der Technik bekannte λ = 1 Welligkeit des Pumpstroms über der Zeit;
Fig. 3 schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 4 schematisch den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 5 den Pumpstrom über λ bei einem aus dem Stand der Technik bekannten, in Fig. 1 dargestellten Sensor und
Fig. 6 den Pumpstrom über λ bei einem erfindungsgemäßen Sensor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in Fig. 1 dargestellter aus dem Stand der Technik bekannter, als Breitband-Lambdasonde bezeichneter Sensor umfasst einen gasundurchlässigen Festelektrolytkörper 120, der beispielsweise schichtweise aufgebaut sein kann. In dem Festelektrolytkörper 120 ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, durch welches Abgas über eine Diffusionsbarriere 150 in ein Messvolumen 130 gelangt. In dem Messvolumen 130 ist eine innere Pumpelektrode 170 angeordnet. Auf der Außenseite des Festelektrolyten 120 ist eine Außenelektrode 160 angeordnet, die durch eine Schutzschicht 230 überdeckt ist. Die Außenelektrode 160 und die innere Pumpelektrode 170 bilden eine Pumpzelle 180, durch die Sauerstoff aus dem Messvolumen 130 abgepumpt werden kann. Hierzu wird an die Außenelektrode 160 eine Pumpspannung UP angelegt, sodass ein Pumpstrom IP fließt.
In dem Festelektrolyten ist des weiteren eine Referenzelektrode 190 angeordnet. Die Referenzelektrode 190 und die innere Pumpelektrode 170 bilden eine Nernst-Zelle 195. Mit der Pumpzelle 180 wird der Sauerstoffgehalt im Messvolumen 130 verändert. Mit der Nernst- Zelle 195 wird der Sauerstoffgehalt im Messvolumen 130 bestimmt. Die zu- oder abgepumpte Sauerstoffmenge wird so eingeregelt, dass im Messvolumen 130 stets ein λ = 1 -Gas vorhanden ist. Über den Betrag und das Vorzeichen des Pumpstroms kann die Abgaszusammensetzung in einem weiten Bereich zwischen fett und mager eindeutig bestimmt werden. Aus diesem Grunde wird ein solcher Sensor auch als Breitband-Lamdasonde bezeichnet.
Bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung, d.h. bei einem Übergang von einem fetten zu einem mageren Gemisch tritt nun allerdings ungefähr bei λ = 1 unter anderem in dem Signal des Pumpstroms Ip ein in Fig. 2 schematisch dargestellter Überschwinger bzw. Gegenschwinger auf, der als λ = 1 Welligkeit bezeichnet wird. Diese λ = 1 Welligkeit wirkt sich ganz besonders bei Anwendungen zur Ein- zelzylindererkennung und -regelung störend aus. Darüber hinaus verhindert sie eine schnelle Sondendynamik.
Zur Vermeidung einer derartigen λ = 1 Welligkeit und zur Ermöglichung einer hohen Sondendynamik sieht nun die Erfindung die Anordnung einer weiteren, zusätzlichen Außenelektrode 165 an dem Festelektrolytkörper 120 vor (Fig. 3, Fig. 4). Diese zusätzliche Außenelektrode 165 ist bevorzugt auf der der Außenelektrode 160 abgewandten Seite des Festelektrolytkörpers 120 angeordnet. Sie kann, wie in Fig. 3 dargestellt, über eine zusätzliche Leitung 167 mit einem konstanten Zusatzstrom IZuSatz beaufschlagt werden. Zu Schutzzwecken kann die zusätzliche Außenelektrode 165 mit einer Schutzschicht 235 überdeckt sein.
Bei einem weiteren, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zusätzliche Außenelektrode 165 mit der Heizermasse 222 elektrisch leitend verbunden, sodass eine zusätzliche Leitung zur Beaufschlagung mit dem Zusatzstrom IZuSatz entfallen kann. Vielmehr wird die Leitung der Heizermasse zur Beaufschlagung der Zusatzelektrode 165 mit dem Zusatzstrom IZuSatz verwendet.
Die Funktionsweise der zusätzlichen Außenelektrode 165 wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 5 und 6 näher beschrieben.
Bei einem in Fig. 1 dargestellten Sensor verhält sich der Pumpstrom IP über λ wie in Fig. 5 dargestellt. Er verläuft vom dritten Quadranten in den ersten, wobei beim Übergang vom dritten in den ersten Quadranten ein Knick auftritt. Dies erschwert eine eindeutige Zuordnung zwischen Pumpstrombetrag und Abgaszusammensetzung vom Fett- in den Magerbereich. Die Erfindung sieht nun vor, die innere Pumpelektrode 170 und die zusätzliche Außenelektrode 165 so mit einem zusätzlichen Pumpstrom IZuSatz mit zu dem Pumpstrom IP entgegengesetztem Vorzeichen zu beaufschlagen, dass Sauerstoff dem Messvolumen 130 zugeführt wird. Dieser Sauerstoff wird nun zusätzlich abgepumpt, so dass ein definiert zu mageres Ausgangssignal entsteht. Ist der zusätzliche Pumpstrom IZuSatz groß genug, kommt es so auch bei fettem Abgas nur zu einem positiven Pumpstrom Ip. Eine eindeutige Zuordnung zwischen Pumpstrombetrag und Abgaszusammensetzung vom Fett- bis in den Magerbereich wird auf diese Weise ermöglicht, ohne dass der Pumpstrom IP einen Richtungswechsel durchlaufen muss (siehe Fig. 6). Hierdurch wird eine schnellere Dynamik des Sensors ermöglicht. Durch die von der zusätzlichen Außenelektrode 165 angeordnete dichte Schutzschicht 235 wird verhindert, dass aufgrund des kontinuierlichen Herauspumpens von Sauerstoff diese Elektrode einen Gaswechsel erfahren kann. Hierdurch wird die λ = 1 Welligkeit reduziert. Nach gegenwärtigem Verständnis gelangt dieser Gaswechsel nicht gleichzeitig an alle Stellen der Außenelektrode 160. Liegt auf einer Seite des Sensors Fettgas und auf der anderen Seite Magergas vor, dann fließt ein elektrischer Strom in der Außenelektrode und ein ionischer Strom in dem beispielsweise aus Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper 120, ähnlich einer Brennstoffzelle. Der ionische Strom ist mit einem Potenzialabfall verknüpft, der die Potenzialmessung der Nernst-Zelle verfälscht.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem für Ionen leitfähigen Festelektrolyten (120) und mit durch den Festelektrolyten (120) voneinander getrennten Elektroden (160, 170), von denen eine Außenelektrode (160) dem Gasgemisch ausgesetzt ist und eine Innenelektrode (170) in einem durch eine Diffusionsbarriere (150) vom Gasgemisch getrennten Hohlraum (130) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Außenelektrode (165) dem Abgas ausgesetzt ist, die mit einem Strom (Izusatz) beaufschlagt wird, dessen Vorzeichen entgegengesetzt dem Strom (Ipump) ist, mit dem die Außenelektrode (160) beaufschlagt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) auf der der Außenelektrode (160) abgewandten Seite des Festelektrolyten (120) angeordnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) über eine separate Zuleitung (167) mit Strom beaufschlagt wird.
4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Außenelektrode (165) mit einem Massenanschluss (222) eines Heizers (220) des Sensors elektrisch leitend verbunden ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) mit einer Schutzschicht (235) überdeckt ist
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt (120) gasundurchlässig ist.
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