DE102004006875A1

DE102004006875A1 - Exhaust gas sensors with oxygen ion conducting solid electrolyte, useful in controlling fuel-air ratios and catalyst regeneration cycles, having two waste gas-side electrodes and reference atmosphere side electrode

Info

Publication number: DE102004006875A1
Application number: DE200410006875
Authority: DE
Inventors: Roland Stahl; Andy Tiefenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-01

Abstract

An exhaust gas sensor device (54), comprising an oxygen ion conducting solid electrolyte (70) separating the exhaust gas from a reference atmosphere and forming a Nernst cell with a first waste gas-side electrode (72) and a reference atmosphere side electrode (76), includes a second waste gas-side electrode (74) forming a pump cell with the first waste gas-side electrode (72). An independent claim is also included for a method for operating the device, involving producing a potential difference between the first and second waste gas-side electrodes using operating and evaluation circuitry (56) (for measuring the Nernst potential set up in the Nernst cell) and alternating the extent of the potential difference between at least two values.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgassensorvorrichtung mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der Abgas von einer Referenzatmosphäre trennt und der mit einer ersten abgasseitigen Elektrode und einer Referenzatmosphären-seitigen Elektrode eine Nernstzelle bildet, und mit einer Schutzschicht, die die erste abgasseitige Elektrode im eingebauten Zustand vom Abgas trennt.The The invention relates to an exhaust gas sensor device having an oxygen ion conducting Solid electrolyte that separates exhaust gas from a reference atmosphere and that having a first exhaust-side electrode and a reference atmosphere-side Electrode forms a Nernst cell, and with a protective layer, the first exhaust gas electrode in the installed state of Exhaust gas separates.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgassensorvorrichtung mit einer Betriebs- und Auswerteschaltung, die eine zwischen den Elektroden der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst.Further The invention relates to a method for operating such Exhaust gas sensor device with an operating and evaluation circuit, one between measures Nernst voltage existing on the electrodes of the Nernst cell.

Eine solche Abgassensorvorrichtung und ein solches Verfahren sind bekannt, zum Beispiel aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 23. Auflage (ISBN 3-528-03876-4), Seite 523.A Such exhaust gas sensor device and method are known for example, from the Automotive Handbook, 23rd Edition (ISBN 3-528-03876-4) Page 523.

Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und in der Referenzatmosphäre rufen einen Sauerstoffionenstrom durch den Festelektrolyten hervor, der zu einer Potentialdifferenz zwischen einer abgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode führt. Diese Potentialdifferenz wird als Nernstspannung bezeichnet.different Call oxygen concentrations in the exhaust gas and in the reference atmosphere an oxygen ion current through the solid electrolyte, the to a potential difference between an exhaust side electrode and the reference electrode leads. This potential difference is called Nernst voltage.

Nach dem Nernstprinzip arbeitende Abgassensoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit in der Nähe von Lambda = 1 aus. Dabei bezeichnet die Luftzahl Lambda das Verhältnis von zwei jeweils auf eine gleiche Kraftstoffmasse bezogenen Luftmassen. Im Zähler steht die tatsächlich für die Verbrennung der Kraftstoffmasse benötigte Luftmasse und im Nenner steht die für eine stöchiometrische Verbrennung der Kraftstoffmasse erforderliche Luftmasse.To The Nernst principle working exhaust gas sensors are characterized by a very high sensitivity near lambda = 1 off. This designates the air ratio lambda the ratio of two in each case based on an equal mass of fuel masses of air. In the counter is that actually for the Combustion of fuel mass required air mass and denominator stands the for a stoichiometric Combustion of fuel mass required air mass.

Katalytisch aktive abgasseitige Elektroden sorgen für eine chemische Gleichgewichtseinstellung der Abgasbestandteile an den Elektroden. Bei Lambda gleich 1 zeigt die Nernstspannung einen sehr steilen Gradienten. Der steile Gradient rührt von der chemischen Gleichgewichtseinstellung her, weil sich der Gleichgewichts-Sauerstoff-Partialdruck in einer engen Umgebung des stöchiometrischen Punkt um mehrere Größenordnungen ändert.catalytic active exhaust gas electrodes ensure a chemical equilibrium of the Exhaust gas components at the electrodes. At lambda equal to 1, the Nernst voltage a very steep gradient. The steep gradient stirs up the chemical equilibrium ago, because the equilibrium oxygen partial pressure in a tight environment of stoichiometric Point changes by several orders of magnitude.

Der Einsatz dieses Sensortyps im Abgas von Verbrennungsmaschinen kann prinzipiell verschiedenen Zwecken dienen.Of the Use of this sensor type in the exhaust gas of internal combustion engines can principally serve various purposes.

Ein erster Zweck besteht darin, als schneller Regelsensor für einen Regelkreis das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in Brennräumen von Verbrennungsmotoren zu dienen. Als Maß für das Kraftstoff/-Luft-Verhältnis erfasst ein erster Abgassensor eine Sauerstoffkonzentration vor einem Katalysator. Die aus unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und in der Referenzatmosphäre resultierende Nernstspannung wird hochohmig erfasst und als Eingangsignal für den ersten Regelkreis benutzt.One first purpose is as a fast control sensor for a Control loop the fuel / air ratio in combustion chambers of To serve internal combustion engines. Measured as a measure of the fuel / air ratio a first exhaust gas sensor has an oxygen concentration in front of a catalyst. The from different oxygen concentrations in the exhaust gas and in the reference atmosphere resulting Nernst voltage is detected high impedance and as an input signal for the used first loop.

Ein Rückschluss von der Potentialdifferenz/Nernstspannung auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist nur dann möglich, wenn sich im Abgas ein thermodynamisches Gasgleichgeweicht einstellt. Diese Bedingung wird mit Hilfe katalytisch aktiver Elektroden erfüllt, die lokal an der dem Abgas zugewandten Elektrode eine vollständige Umsetzung zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser herbeiführen. In diesem Fall zeigt die Sondenkennlinie den genannten steilen Gradienten. Wenn hohe Konzentrationen von Abgaskomponenten, die nicht im thermischen Gleichgewicht sind, nur unvollständig umgesetzt werden, zeigt die Kennlinie der Sonde Verschiebungen der Lage des Sprungs.One conclusion from the potential difference / Nernst voltage to the fuel / air ratio only possible when a thermodynamic gas equilibrium is established in the exhaust gas. This condition is met by means of catalytically active electrodes, which locally to the exhaust gas electrode facing a complete implementation to nitrogen, carbon dioxide and water. In this case shows the sonar characteristic of said steep gradient. If high Concentrations of exhaust components that are not in thermal equilibrium are only incomplete be converted, the characteristic curve of the probe shifts the Location of the jump.

Ein zweiter Zweck besteht darin, als Führungssonde für einen zweiten Regelkreis zu dienen, der dem ersten Regelkreis überlagert ist. Für diesen Zweck wird der Abgassensor hinter einem Katalysatorvolumen angeordnet. Das Katalysatorvolumen bringt das Abgas weitgehend in das thermische Gleichgewicht, so dass der zweite Abgassensor die Sauerstoffkonzentration im Abgas mit erhöhter Genauigkeit erfassen kann. Neben diesem Vorteil hat die Anordnung des zweiten Abgassensors hinter dem katalytischen Volumen jedoch den Nachteil, dass Änderungen der Sauerstoffkonzentration im verbrennungsmotorischen Rohabgas gewissermaßen durch Speichereffekte des Katalysatorvolumens gedämpft werden, so dass der zweite Abgassensor nur vergleichsweise langsam auf solche Änderungen reagiert. Aus diesem Grunde verwendet man für die Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches primär den ersten Abgassensor und benutzt den zweiten Regelkreis zur überlagerten Korrektur, beispielsweise zu einer korrigierenden Sollwertverschiebung für den ersten Regelkreis.One second purpose is as a guide probe for a Serve second loop superimposed on the first loop is. For This purpose, the exhaust gas sensor is behind a catalyst volume arranged. The catalyst volume brings the exhaust largely into the thermal equilibrium, so that the second exhaust gas sensor the oxygen concentration in the exhaust with increased Can capture accuracy. Besides this advantage, the arrangement has however, the second exhaust gas sensor is behind the catalytic volume the disadvantage of having changes the oxygen concentration in the internal combustion engine raw exhaust gas so to speak be damped by storage effects of the catalyst volume, so that the second exhaust gas sensor reacts only relatively slowly to such changes. For this reason, one uses for the regulation of the fuel / air mixture primary the first exhaust gas sensor and uses the second control loop to superimposed Correction, for example, to a corrective setpoint shift for the first Control loop.

Weiter sind Konzepte für den Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen der Verbrennungsmotor nur bei mittlerer und hoher Last mit stöchiometrischem Kraftstoff/Luftgemisch betrieben wird und bei denen bei niedriger Last ein Betrieb mit Luftüberschuss bevorzugt wird. Bei einem solchen Magerbetrieb entstehen in größerem Umfang Stickoxide, die bei gleichzeitig hohen Sauerstoffkonzentrationen nur schwer zu konvertieren sind. Zur Konvertierung großer Stickoxidmengen ist das kontinuierliche SCR-Verfahren (selective catalytic reduction) bekannt, für dessen Betrieb und Überwachung wohl ein NO_x-Sensor oder NH₃-Sensor benötigt wird. Ein anderes, jedoch diskontinuierliches Verfahren, nutzt einen NO_x-Speicherkatalysator, der im mageren Abgas Stickoxide einspeichert und diese in konvertierter Form in kurzen Regenerierungsphasen abgibt, die sich durch eine reduzierende Abgasatmosphäre auszeichnen.Further, concepts for the operation of an internal combustion engine are known in which the internal combustion engine is operated only at medium and high load with stoichiometric fuel / air mixture and in which at low load operation with excess air is preferred. In such a lean operation, nitrogen oxides are formed on a larger scale, which are difficult to convert with high oxygen concentrations simultaneously. For the conversion of large quantities of nitrogen oxide, the continuous SCR (selective catalytic reduction) method is known, for the operation and monitoring of which a NO _x sensor or NH ₃ sensor is required. Another but discontinuous process uses egg NEN NO _x storage catalytic converter, which stores nitrogen oxides in the lean exhaust gas and emits them in converted form in short regeneration phases, which are characterized by a reducing exhaust gas atmosphere.

Man kann die Phase, in der Stickoxide eingespeichert werden, durch einen NO_x-Sensor überwachen. Alternativ oder ergänzend kann die Regenerierungsphase durch einen sauerstoffempfindlichen Abgassensor überwacht werden. Ein dritter Zweck besteht daher darin, als Überwachungssonde für die Regenerierung des NO_x-Speicherkatalysators zu dienen.You can monitor the phase in which nitrogen oxides are stored by a NO _x sensor. Alternatively or additionally, the regeneration phase can be monitored by an oxygen-sensitive exhaust gas sensor. A third purpose is therefore to serve as a monitoring probe for the regeneration of the NO _x storage catalytic converter.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass beim Einsatz herkömmlicher Abgassensoren mit Sprungcharakteristik zur Überwachung der Regenerierungsphasen überempfindliche Reaktionen in den Sondensignalverläufen auftreten können, die eine genaue Steuerung der Regenerierungsphase erschweren. Der Vorteil einer extrem hohen Empfindlichkeit bei der Verwendung als Führungssonde ist daher für die Verwendung zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators eher hinderlich.It However, it has been found that when using conventional exhaust gas sensors with Jump characteristic for monitoring the regeneration phases are hypersensitive Reactions in the probe waveforms may occur To complicate a precise control of the regeneration phase. The advantage extremely high sensitivity when used as a guide probe is therefore for the use for monitoring the regeneration of a storage catalyst rather obstructive.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Abgassensorvorichtung und eines Verfahrens zum Betreiben einer Abgassensorvorrichtung, die für die drei genannten Zwecke geeignet ist, ohne die genannten Nachteile aufzuweisen. Dabei soll die Empfindlichkeit im Betrieb als Überwachungssonde so reduziert werden, dass die genannten Überempfindlichkeitsreaktionen zumindest verringert werden. Dabei soll aber insbesondere die Eignung als Führungssonde erhalten bleiben.In front In this background, the object of the invention in the specification an exhaust gas sensor device and a method for operating an exhaust gas sensor device, the for the three purposes mentioned are suitable, without having the disadvantages mentioned. The sensitivity during operation as a monitoring probe should be reduced be that the hypersensitivity reactions mentioned at least be reduced. But in particular the suitability as guide probe remain.

Diese Aufgabe wird bei einer Abgassensorvorichtung der eingangs genannten Art durch eine zweite abgasseitige Elektrode gelöst, die mit der ersten abgasseitigen Elektrode eine Pumpzelle bildet.These Task is at an exhaust gas sensor device of the aforementioned Art solved by a second exhaust gas electrode, with the first exhaust side Electrode forms a pump cell.

Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung einen Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten abgasseitigen Elektrode erzeugt und ein Ausmaß des Potentialunterschiedes zwischen wenigstens zwei Werten umsteuert.Further This object is achieved in a method of the type mentioned solved by that the operating and evaluation circuit has a potential difference generated between the first and the second exhaust-side electrode and an extent of the potential difference switches between at least two values.

Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Die Pumpzelle erlaubt das Pumpen von Sauerstoff zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden. Dadurch kann gezielt eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden eingestellt werden. Als Folge ergibt sich bei einer Erfassung der Nernstspannung zwischen der Referenzelektrode und einer der beiden abgasseitigen Elektroden eine definierte Verschiebung des Verlaufs der Nernstspannung sowohl im Vergleich zu einer Messung zwischen der Referenzelektrode und der anderen abgasseitigen Elektrode als auch im Vergleich zu einer Messung ohne Pumpstrom. Die Verschiebung erfolgt bevorzugt so, dass an der abgasseitigen Elektrode, die zur Messung verwendet wird, eine erhöhte Sauerstoffkonzentration eingestellt wird. Dadurch wird die Empfindlichkeit, mit der die Messung auf kurzzeitige Störungen der Sauerstoffkonzentrationen an der beteiligten abgasseitigen Elektrode reagiert, verringert.By these features, the object of the invention is completely solved. The Pump cell allows the pumping of oxygen between the two exhaust-side electrodes. This allows targeted oxygen concentration difference be set between the two exhaust gas electrodes. As a consequence, the detection of the Nernst voltage results in between the reference electrode and one of the two exhaust-side electrodes a defined shift in the course of the Nernst voltage both in the Comparison to a measurement between the reference electrode and the other exhaust-side electrode as well as compared to a measurement without pumping current. The displacement is preferably such that at the exhaust gas electrode used for measurement, an increased oxygen concentration is set. This will increase the sensitivity with which the Measurement for short-term disturbances the oxygen concentrations at the exhaust gas electrode involved reacts, decreases.

Der im Zusammenhang mit dem Verfahren genannte Potentialunterschied treibt den Pumpstrom. Dadurch, dass der Potentialunterschied umgesteuert werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die Abgassensorvorrichtung zeitweise mit jeweils angepasster Empfindlichkeit zur Führung eines Regelkreises und zeitweise zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators zu verwenden. Dadurch kann bei Abgasreinigungskonzepten, bei denen der Sensorteil der Abgassensorvorrichtung hinter einem Speicherkatalysator angeordnet ist, sowohl eine Führungsaufgabe, als auch eine Überwachungsaufgabe erfüllt werden. Zur Führung und Überwachung werden in diesem Fall verschiedene Potentialunterschiede eingestellt.Of the mentioned in connection with the process potential difference drives the pumping current. Because the potential difference is reversed can be the result of the exhaust gas sensor device temporarily with each adapted sensitivity to the leadership a loop and at times to monitor the regeneration to use a storage catalyst. As a result, in emission control concepts, in which the sensor part of the exhaust gas sensor device behind a Storage catalyst is arranged, both a management task, as well as a monitoring task Fulfills become. For guidance and monitoring In this case, different potential differences are set.

Mit anderen Worten: Durch einen bedarfsweise einzustellenden Pumpstrom wird die Gasatmosphäre an der abgasseitigen Elektrode etwas verändert. Dieser Pumpstrom wird zum Beispiel nur im Speicher- und Regenerierbetrieb eingeschaltet und bei Lambda=1-Betrieb bleibt er abgeschaltet. Dadurch benötigt man keinen teuren NOx-Sensor. Durch die mehrfache Verwendungsmöglichkeit der Abgassensorvorrichtung können die drei Aufgaben mit gleichen Sensoren erfüllt werden. Diese Sensoren können daher in erhöhten Stückzahlen gefertigt werden. Außerdem wird die Vorratshaltung für den Ersatzteilmarkt vereinfacht.With In other words, by a pumping current to be set as required becomes the gas atmosphere At the exhaust side electrode something changed. This pumping current is for example, only switched on in the storage and regeneration mode and at Lambda = 1 operation it remains switched off. This requires you no expensive NOx sensor. By the multiple use the exhaust gas sensor device can the three tasks are fulfilled with the same sensors. These sensors can therefore in increased numbers be made. Furthermore is the stockpiling for simplified the spare parts market.

Es ist bevorzugt, dass die erste abgasseitige Elektrode neben der zweiten abgasseitigen Elektrode auf dem Festelektrolyten angeordnet ist.It is preferred that the first exhaust-side electrode adjacent to the second Abgasseitigen electrode is disposed on the solid electrolyte.

Diese Anordnung ist leicht herstellbar, da die zusätzliche zweite abgasseitige Elektrode im gleichen Prozessschritt wie die erste abgasseitige Elektrode auf dem Festelektrolyten angeordnet werden kann.These Arrangement is easy to produce, since the additional second exhaust side Electrode in the same process step as the first exhaust gas side Electrode can be arranged on the solid electrolyte.

Bevorzugt ist auch, dass die zweite abgasseitige Elektrode von einer porösen Schutzschicht bedeckt ist.Prefers is also that the second exhaust-side electrode covered by a porous protective layer is.

Die Schutzschicht schützt die darunterliegende Elektrode vor dem Aufprall von Partikeln, die mit dem Abgasstrom transportiert werden. Darüber behindert sie den Gaszutritt aus dem Abgas zur Elektrode durch einen erwünschten Diffusionswiderstand. Durch Variation des Diffusionswiderstandes, zum Beispiel durch unterschiedliche Porengrößen der Schutzschicht der ersten abgasseitigen Elektrode und der zweiten abgasseitigen Elektrode kann die Einstellung der gewünschten Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen beiden abgasseitigen Elektroden gegebenenfalls unterstützt werden.The protective layer protects the underlying electrode from the impact of particles that be transported with the exhaust stream. In addition, it hinders gas access from the exhaust gas to the electrode by a desired diffusion resistance. By varying the diffusion resistance, for example by different pore sizes of the protective layer of the first exhaust-gas-side electrode and the second exhaust-side electrode, the adjustment of the desired oxygen concentration difference between the two exhaust-side electrodes can optionally be supported.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Betriebs- und Auswerteschaltung aus, die eine zwischen den Elektroden der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst.A further preferred embodiment is characterized by an operating and evaluation circuit, one between the electrodes of the Nernst cell measuring existing Nernst voltage.

Durch diese Ausgestaltung kann der steile Signalgradient, der eine sehr genaue Messung von Sauerstoffkonzentrationsunterschieden zwischen der Referenzelektrode und der zur Messung verwendeten abgasseitigen Elektrode ermöglicht, für die Auswertung verwendet werden.By This configuration can be the steep signal gradient, which is a very accurate measurement of oxygen concentration differences between the Reference electrode and the exhaust gas used for the measurement Electrode allows for the evaluation be used.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung einen Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten abgasseitigen Elektrode erzeugt.Prefers is also that the operating and evaluation circuit has a potential difference generated between the first and the second exhaust-side electrode.

Dieser aufgezwungene oder eingeprägte Potentialunterschied sorgt für eine definierte Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden. Als Folge wird die Kennlinie der Abgassensorvorrichtung und damit der Sprung im Signalverhalten definiert verschoben, wobei die Genauigkeit, mit der der definiert verschobene Sprung erfasst wird, erhalten bleibt.This imposed or imprinted Potential difference ensures a defined oxygen concentration difference between the two exhaust-side electrodes. As a result, the characteristic of the exhaust gas sensor device becomes and thus the jump in the signal behavior defined shifted, where the accuracy with which the defined shifted jump is detected will be preserved.

Ferner ist bevorzugt, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung ein erstes Potential an die erste abgasseitige Elektrode anlegt und ein zweites Potential an die zweite abgasseitige Elektrode anlegt.Further is preferred that the operation and evaluation circuit a first Potential applies to the first exhaust-side electrode and a second Potential to the second exhaust gas electrode applies.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung ein erstes Potential an die Referenzelektrode anlegt und ein zweites Potential an die zweite Abgaselektrode anlegt.Prefers is also that the operation and evaluation circuit a first potential to the reference electrode and a second potential to the second Exhaust electrode applies.

In ersten Fall ist die Referenzelektrode frei von eingeprägten Potentialen, während im zweiten Fall die erste abgasseitige Elektrode von eingeprägten Potentialen frei bleibt. In jedem Fall lassen sich die eingeprägten Potentiale so einstellen, dass sich eine Verschiebung der Sauerstoffkonzentration an der zu Messung verwendeten abgasseitigen Elektrode und damit eine Verschiebung des Sprungs in der Kennlinie einstellt.In In the first case, the reference electrode is free of impressed potentials. while in the second case, the first exhaust-gas-side electrode of impressed potentials remains free. In any case, the impressed potentials can be Adjust so that there is a shift in the oxygen concentration on the exhaust gas electrode used for measurement and thus sets a shift of the jump in the characteristic.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung an der ersten abgasseitigen Elektrode ein höheres Potential erzeugt als an der zweiten abgasseitigen Elektrode.A Another preferred embodiment is characterized in that the operating and evaluation circuit on the first exhaust gas side electrode a higher one Potential generated as at the second exhaust gas side electrode.

Auf diese Weise wird Sauerstoff von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode gepumpt. Als Folge wird an der zur Messung verwendeten ersten abgasseitigen Elektrode die Sauerstoffkonzentration definiert erhöht, so das kurzzeitige Störungen der Sauerstoffkonzentration (sogenannte Spitzen), die sonst bereits einen störenden Sprung in der Nernstspannung zur Folge hätten, noch keinen Sprung erzeugen. Auf diese Weise können kurzzeitige störende Effekte gewissermaßen ausgefiltert werden.On this way, oxygen from the second exhaust gas side electrode pumped to the first exhaust gas electrode. As a result, at the for measuring used first exhaust gas electrode, the oxygen concentration defined increased, so the short-term disturbances the oxygen concentration (so-called peaks), which otherwise already a disturbing Jump in the Nernst voltage would result, still produce no jump. That way you can short-term disturbing Effects filtered out to some extent become.

Ferner ist bevorzugt, dass der Potentialunterschied kleiner als 200 mV ist.Further it is preferred that the potential difference is less than 200 mV is.

Die Größe des Pumpstroms muss in angemessener Relation zu den Diffusionsströmen, also zu den durch Sauerstoffkonzentrationsgradienten getriebenen Teilchenströmen durch die porösen Schutzschichten, stehen. Zu große Pumpspannungen (z.B. > 200 mV) sind zu vermeiden. Wenn diese Pumpspannung für die gewünschte "Pumpverschiebung" des Sondensprungs nicht ausreichen sollte, können Modifikationen beim Diffusionswiderstand der Elektrode oder der Schutzschicht vorgenommen werden.The Size of pumping current must be in reasonable relation to the diffusion currents, so to the oxygen concentration gradient driven particle streams the porous protective layers, stand. Too big Pump voltages (e.g.,> 200 mV) should be avoided. If this pumping voltage is insufficient for the desired "pump shift" of the probe jump should, can Modifications in the diffusion resistance of the electrode or the Protective layer can be made.

Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung den Potentialunterschied bei einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen kleinen Wert umsteuert und den Potentialunterschied bei einem geringen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen hohen Wert umsteuert.With Looking at embodiments of the method is preferred that the Operating and evaluation circuit the potential difference at a high oxygen content in the exhaust gas to a small value and the potential difference at a low oxygen content in the exhaust gas to a high value.

Mit anderen Worten: Bei einem Lambda = 1 Betrieb kann die Abgassensorvorrichtung als hochgenaue Führungssensorik arbeiten und beim Betrieb mit Luftüberschuss und zwischenzeitlichen kurzen Regenerationsphasen kann die Abgassensorvorrichtung mit definiert eingeschränkter Empfindlichkeit zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators verwendet werden.With In other words, with a lambda = 1 operation, the exhaust gas sensor device work as highly accurate guidance sensors and when operating with excess air and intermediate short regeneration phases, the exhaust gas sensor device with defined restricted Sensitivity to monitoring the regeneration of a storage catalyst can be used.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung den Potentialunterschied bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas so steuert, dass sich ein konstanter Strom von Sauerstoffionen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode einstellt.Prefers is also that the operation and evaluation circuit the potential difference At low oxygen content in the exhaust gas so controls that a constant flow of oxygen ions from the second exhaust side Adjusting the electrode to the first exhaust-side electrode.

Ein konstanter Strom erzeugt eine definierte Verschiebung der Sauerstoffkonzentration. Alternativ kann man bei hinreichend konstanten Widerstandsverhältnissen auch eine konstante Potentialdifferenz vorgeben. Der Widerstand hängt stark von der Abgastemperatur ab, die im Betrieb eines Verbrennungsmotors stark schwanken kann. Bei hinter einem Speicherkatalysator angeordneten Abgassonden ist die Temperatur jedoch wegen der ausgleichenden Wärmekapazität der davor liegenden Katalysatorvolumina in vielen Fällen hinreichend konstant.A constant current produces a defined shift in the oxygen concentration. Alternatively, with sufficiently constant resistance ratios, one can also specify a constant potential difference. The resistance depends strongly on the exhaust gas temperature, which in the operation of a combustion can vary greatly. In the case of exhaust gas probes arranged behind a storage catalytic converter, however, the temperature is sufficiently constant in many cases because of the balancing heat capacity of the preceding catalyst volumes.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further Advantages will be apparent from the description and the attached figures.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Drawings Embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explained. Show it:

1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem; 1 schematically an internal combustion engine with an exhaust system;

2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgassensorvorrichtung; und 2 an embodiment of an exhaust gas sensor device according to the invention; and

3 Verläufe von Potentialen an einer abgasseitigen Nernstelektrode und einer Referenzelektrode als Funktion eines zwischen abgasseitiger Gegenelektrode und Referenzelektrode eingeprägten elektrischen Feldes. 3 Curves of potentials at an exhaust-side Nernst electrode and a reference electrode as a function of an embossed between the exhaust side counter electrode and the reference electrode electric field.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgassystem 12. Brennräume 14, 16, 18, 20 des Verbrennungsmotors 10 werden aus einem Ansaugsystem 22 mit Luft gefüllt, wobei die Masse der in die Brennräume 14, 16, 18, 20 strömenden Luft mit einem Luftmassenmesser 24 erfasst wird. Aus dem Signal des Luftmassenmessers 24 und/oder eines Fahrpedalgebers 26 sowie aus dem Signal eines Drehzahlsensors 28 werden in einem Steuergerät 30 Basiswerte für Kraftstoffmengen bestimmt, die über Einspritzventile 32, 34, 36 und 38 zur Füllung der Brennräume 14, 16, 18, 20 mit Luft dosiert werden. Gegebenenfalls steuert das Steuergerät 30 auch die Stellung einer optional vorhandenen Drosselklappe 40 durch einen Steller 42. 1 shows an internal combustion engine 10 with an exhaust system 12 , combustion chambers 14 . 16 . 18 . 20 of the internal combustion engine 10 be from an intake system 22 filled with air, the mass being in the combustion chambers 14 . 16 . 18 . 20 flowing air with an air mass meter 24 is detected. From the signal of the air mass meter 24 and / or an accelerator pedal encoder 26 and from the signal of a speed sensor 28 be in a control unit 30 Underlying fuel levels determined by injectors 32 . 34 . 36 and 38 for filling the combustion chambers 14 . 16 . 18 . 20 be dosed with air. Optionally, the controller controls 30 also the position of an optional existing throttle 40 by a steller 42 ,

Abgase aus Verbrennungsprozessen in den Brennräumen 14, 16, 18 und 20 werden durch das Abgassystem 12 gesammelt und im Abgas enthaltene Schadstoffe werden durch wenigstens ein Katalysatorvolumen 44 konvertiert. Das Katalysatorvolumen 44 kann beispielsweise als herkömmlicher 3-Wege-Katalysator realisiert sein. Hinter dem ersten Katalysatorvolumen 44 kann ein weiteres Katalysatorvolumen 46 angeordnet sein, das zum Beispiel als NO_x-Speicherkatalysator zur Konvertierung der bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit Luftüberschuss emittierten Stickoxide dient.Exhaust gases from combustion processes in the combustion chambers 14 . 16 . 18 and 20 be through the exhaust system 12 collected and contained in the exhaust pollutants are characterized by at least one catalyst volume 44 converted. The catalyst volume 44 can be realized for example as a conventional 3-way catalyst. Behind the first catalyst volume 44 can be another catalyst volume 46 be arranged, for example, as a NO _x storage catalytic converter for converting the operation of the internal combustion engine 10 used with excess air nitrogen oxides.

Ein erster Abgassensor 48 erfasst die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem ersten Katalysatorvolumen 44. Der erste Abgassensor 48 bildet zusammen mit dem Steuergerät 30 als Regler und den Einspritzventilen 32, 34, 36, 38 als Stellglieder einen schnellen Kraftstoff/Luft-Verhältnis-Regelkreis für den Verbrennungsmotor 10. Ein zweiter Abgassensor 50 ist hinter dem katalytischen Volumen 44 im Abgassystem 12 angeordnet und bildet zusammen mit dem Steuergerät 30 einen zweiten Regelkreis, der den ersten Regelkreis führt. Ist zum Beispiel der erste Abgassensor 48 wegen eines ungleichgewichtigen Abgases systematisch falsch, so wird die Abweichung vom richtigen Wert durch den zweiten Abgassensor 50 erfasst und über das Steuergerät 30 beispielsweise zur Änderung eines Sollwertes für den ersten Regelkreis verwendet, so dass der erste Regelkreis trotz Fehlmessungen des ersten Abgassensors 48 auf den richtigen Sollwert regelt. Ein weiterer zweiter Abgassensor 52 ist alternativ oder ergänzend zu dem zweiten Abgassensor 50 hinter dem zweiten katalytischen Volumen 46 angeordnet. Die Abgassensoren 48, 50 und 52 sind bevorzugt gegeneinander austauschbar und erfüllen verschiedene Aufgaben jeweils dadurch, dass sich ihre individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen voneinander unterscheiden. Die individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen sind bevorzugt in das Steuergerät 30 integriert. Die Katalysatoren 44 und 46 können zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein. In diesem Fall ist an Stelle der beiden Abgassensoren 50, 52 prinzipiell nur der Abgassensor 52 erforderlich, wenn er auch die Führungsaufgabe erfüllen kann. Die erfindungsgemäße Abgassensorvorrichtung ist dazu in der Lage.A first exhaust gas sensor 48 detects the oxygen concentration in the exhaust gas before the first catalyst volume 44 , The first exhaust gas sensor 48 forms together with the control unit 30 as a regulator and injectors 32 . 34 . 36 . 38 as actuators a fast air-fuel ratio control circuit for the internal combustion engine 10 , A second exhaust gas sensor 50 is behind the catalytic volume 44 in the exhaust system 12 arranged and forms together with the control unit 30 a second loop that carries the first loop. Is, for example, the first exhaust gas sensor 48 Because of an unbalanced exhaust gas systematically wrong, the deviation from the correct value by the second exhaust gas sensor 50 recorded and via the control unit 30 For example, used to change a setpoint for the first control loop, so that the first control loop despite incorrect measurements of the first exhaust gas sensor 48 regulated to the correct setpoint. Another second exhaust gas sensor 52 is alternative or complementary to the second exhaust gas sensor 50 behind the second catalytic volume 46 arranged. The exhaust gas sensors 48 . 50 and 52 are preferably interchangeable and accomplish various tasks in each case in that their individual operating and evaluation circuits differ from each other. The individual operating and evaluation circuits are preferably in the control unit 30 integrated. The catalysts 44 and 46 can be combined into a structural unit. In this case, instead of the two exhaust gas sensors 50 . 52 in principle, only the exhaust gas sensor 52 required if he can also fulfill the management task. The exhaust gas sensor device according to the invention is capable of doing so.

2 zeigt einen Abgassensor 54 im Schnitt zusammen mit einer in das Steuergerät 30 integrierten Betriebs- und Auswerteschaltung 56. Die Betriebs- und Auswerteschaltung 56 ist mit Rechner- und Speicherbausteinen 58 des Steuergerätes 30 verbunden, die darüber hinaus über einen Eingang 60 Eingangssignale der Sensoren 26, 28 empfangen und über einen Ausgang 62 die Stellglieder 32, 34, 36, 38 und 42 ansteuern. Der Abgassensor 54 nach der 2 kann als Abgassensor 48 oder 50 oder 52 nach 1 verwendet werden. Die Eignung für die jeweilige Verwendung ergibt sich durch verschiedene Betriebsweisen der Betriebs- und Auswerteschaltung 56. 2 shows an exhaust gas sensor 54 on average along with one in the control unit 30 integrated operating and evaluation circuit 56 , The operating and evaluation circuit 56 is with computer and memory modules 58 of the control unit 30 connected, in addition, over an entrance 60 Input signals of the sensors 26 . 28 received and via an exit 62 the actuators 32 . 34 . 36 . 38 and 42 drive. The exhaust gas sensor 54 after 2 can as an exhaust gas sensor 48 or 50 or 52 to 1 be used. The suitability for the respective use results from different operating modes of the operating and evaluation circuit 56 ,

So stellt die Betriebs- und Auswerteschaltung 56 den Potentialunterschied bei einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen kleinen Wert ein, während sie den Potentialunterschied bei einem geringen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen hohen Wert umsteuert.This is how the operating and evaluation circuit 56 The potential difference at a high oxygen content in the exhaust gas to a small value, while the potential difference at a low oxygen content in the exhaust gas to a high Value changes.

Insbesondere stellt sie den Potentialunterschied bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas so ein, dass sich ein konstanter Strom von Sauerstoffionen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode einstellt.Especially it represents the potential difference with low oxygen content in the exhaust gas so that there is a constant flow of oxygen ions from the second exhaust-side electrode to the first exhaust-side Electrode adjusts.

Der Abgassensor 54 weist bevorzugt einen Aufbau aus mehreren Schichten oder Folien auf. Eine Heizerfolie 64 trägt eine Heizerstruktur 66, auf der eine Referenzkanalfolie 68 aufgebracht ist. Über der Referenzkanalfolie 68 ist eine Zwischenfolie 70 angeordnet.The exhaust gas sensor 54 preferably has a structure of several layers or films. A heater foil 64 carries a heater structure 66 on which a reference channel slide 68 is applied. Above the reference channel foil 68 is an intermediate foil 70 arranged.

Die genannten Folien 64, 68, und 70, wenigstens jedoch die Zwischenfolie 70, bestehen aus einem Sauerstoffionen leitenden Material, beispielsweise aus einem Zirkon-Dioxid-Festkörperelektrolyten.The mentioned films 64 . 68 , and 70 , but at least the intermediate foil 70 , consist of an oxygen-ion-conducting material, for example of a zirconia-dioxide solid electrolyte.

Der in der 2 dargestellte Abgassensor 54 weist eine erste abgasseitige Elektrode 72, eine zweite abgasseitige Elektrode 74 und eine Referenzelektrode 76 auf. Die Elektroden 72, 74 und 76 sind durch den Festelektrolyten der Zwischenfolie 70 gekoppelt, der eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen besitzt. Dabei sind die beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 auf einer ersten Seite 78 und die Referenzelektrode 76 auf einer zweiten Seite 80 der Zwischenfolie 70 angeordnet.The Indian 2 illustrated exhaust gas sensor 54 has a first exhaust-side electrode 72 , a second exhaust gas electrode 74 and a reference electrode 76 on. The electrodes 72 . 74 and 76 are through the solid electrolyte of the intermediate foil 70 coupled, which has a conductivity for oxygen ions. Here are the two exhaust gas electrodes 72 . 74 on a first side 78 and the reference electrode 76 on a second side 80 of the intermediate foil 70 arranged.

Die Referenzelektrode 76 ist einer Referenzatmosphäre ausgesetzt, die in dem Referenzkanal 69 herrscht. Über eine Verbindung des Referenzkanals 69 zur Umgebungsluft außerhalb des Abgassystems 12 kann die Referenzatmosphäre beispielsweise aus Luft bestehen. Ein Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen im Abgas 82 und im Referenzkanal 69 ruft dann einen ausgleichenden Sauerstoffionen-Diffusionsstrom durch den Festelektrolyten der Schicht 70 hervor, der zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen an der Referenzelektrode 76 auf der einen Seite und den beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 führt.The reference electrode 76 is exposed to a reference atmosphere in the reference channel 69 prevails. Via a connection of the reference channel 69 to the ambient air outside the exhaust system 12 For example, the reference atmosphere may be air. A difference of oxygen concentrations in the exhaust gas 82 and in the reference channel 69 then calls a compensating oxygen ion diffusion current through the solid electrolyte of the layer 70 which results in different electrical potentials at the reference electrode 76 on the one side and the two exhaust-side electrodes 72 . 74 leads.

Der auch als Nernstspannung bezeichnete Potentialunterschied zwischen der ersten abgasseitigen Elektrode 72 und der Referenzelektrode 76 wird durch den Operationsverstärker 84 der Betriebs- und Auswerteschaltung 56 hochohmig erfasst und an den Rechner 58 übergeben.Also referred to as Nernst voltage potential difference between the first exhaust-side electrode 72 and the reference electrode 76 is through the operational amplifier 84 the operating and evaluation circuit 56 detected high impedance and to the computer 58 to hand over.

Die Erfassung einer solchen Nernstspannung ist bekannt. Bei der Erfassung von Nernstspannung mit hinter einem NO_x- Speicherkatalysator 46 gemäß 1 angeordneten Abgassensor hat sich in Versuchen herausgestellt, dass der Nernstsensor bereits auf eine Fettanzeige springt, obwohl das angebotene Gas noch einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Der Signalverlauf zeigt damit eine Überempfindlichkeitsreaktion. Ein solcher Durchbruch ist also auf eine Fehlfunktion des Nernstsensors zurückzuführen (Methanverschiebung) und nicht etwa auf einen Sauerstoffmangel hinter dem Speicherkatalysator 46. Es hat sich speziell bei einem bestimmten Speicherkatalysator gezeigt, dass am Ende einer Regenerierung, die durch eine fette Abgasatmosphäre am Katalysatoreingang erfolgt, eine Methanspitze hinter dem Speicherkatalysator auftrat, bei dem die Nernstsonde trotz nachgewiesenem Sauerstoffüberschuss am Katalysatorausgang (z.B. Lambda = 1,003) schon eine Fettspannung anzeigt. Würde man der Nernstsonde noch ein weiteres katalytisches Volumen vorschalten, so könnte man ohne die erfindungsgemäße Pumpverschiebung bestenfalls einen Sprung bei Lambda gleich 1 erzielen. Es ist aber damit zu rechnen, dass kurzzeitige, relativ unschädliche Fettdurchbrüche auf z.B. Lambda = 0,997 vorkommen.The detection of such Nernstspannung is known. When detecting Nernst voltage with behind a NO _x - storage catalytic converter 46 according to 1 arranged exhaust gas sensor has been found in experiments that the Nernst sensor already jumps to a fat gauge, although the offered gas still has an excess of oxygen. The waveform shows a hypersensitivity reaction. Such a breakthrough is therefore due to a malfunction of the Nernstsensors (methane shift) and not about a lack of oxygen behind the storage catalyst 46 , It has been shown, especially with a specific storage catalyst, that at the end of a regeneration, which takes place through a rich exhaust gas atmosphere at the catalyst inlet, a methane peak behind the storage catalyst, in which the Nernst probe despite a proven excess oxygen at the catalyst outlet (eg Lambda = 1.003) already a fat tension displays. If the Nernst probe were to be preceded by another catalytic volume, one could at best achieve a jump at lambda equal to 1 without the pump displacement according to the invention. However, it is to be expected that short-term, relatively harmless fat breakthroughs on eg Lambda = 0.997 occur.

Einer solchen Fehlanzeige wird beim Gegenstand der 2 dadurch entgegengewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 durch einen Sauerstoffpumpstrom Ip von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 erhöht wird. Poröse Schutzschichten 84, 86 schützen beide abgasseitigen Elektroden vor Beschädigungen durch mit dem Abgas transportierte Partikel. Eine weitere Aufgabe der Schutzschichten 84, 86 besteht in der Verhinderung eines zu schnellen Ausgleichs von Sauerstoffkonzentrationsdifferenzen zwischen beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 durch das Abgas 82. Dazu können beide Schutzschichten 84, 86 einen gleichen Diffusionswiderstand oder einen verschiedenen Diffusionswiderstand aufweisen, wobei der Diffusionswiderstand zum Beispiel durch Porengrößen des Schutzschichtmaterials bestimmt wird.Such a false report is at the subject of 2 counteracted by the fact that the oxygen concentration at the first exhaust gas side electrode 72 by an oxygen pumping current Ip from the second exhaust gas side electrode 74 is increased. Porous protective coatings 84 . 86 protect both exhaust-side electrodes from damage by particles transported with the exhaust gas. Another task of the protective layers 84 . 86 is to prevent too fast compensation of oxygen concentration differences between the two exhaust gas electrodes 72 . 74 through the exhaust 82 , Both protective layers can do this 84 . 86 have a same diffusion resistance or a different diffusion resistance, wherein the diffusion resistance is determined, for example, by pore sizes of the protective layer material.

Eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz wird bei dem Ausführungsbeispiel der 2 durch eine Pumpstromquelle 88 erzeugt, die vom Rechner 58 des Steuergerätes 30 bedarfsweise gesteuert wird. Die Pumpstromquelle 88 kann eine steuerbare oder schaltbare Konstantstromquelle oder eine steuerbare oder schaltbare Spannungsquelle sein. Der Pluspol der Pumpstromquelle 88 ist mit der ersten abgasseitigen Elektrode 72 verbunden, während der Minuspol der Pumpstromquelle 88 an die zweite abgasseitige Elektrode 74 angeschlossen ist. Der Stromkreis wird über den Festkörperelektrolyten in der Schicht 70 geschlossen, wobei der Strom im Festkörperelektrolyten durch Sauerstoffionen getragen wird. Die von der Pumpstromquelle 88 erzeugte Potentialdifferenz zwischen beiden abgasseitigen Elektroden treibt damit den Strom Ip (negativer) Sauerstoffionen durch den Elektrolyten der Schicht 70 von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 zur ersten abgasseitigen Elektrode 72 und erhöht so die Sauerstoffkonzentration an der ersten abgasseitigen Elektrode. Die mit dem Einprägen des Sauerstoffionen-Pumpstroms verbundene Anreicherung von Sauerstoff an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 verschiebt die Kennlinie der Nernstzelle aus den Elektroden 72 und 76 mit der dazwischen liegenden Zwischenfolie 70 so, dass eine Fettanzeige nicht bei einem Lambdawert von größer oder gleich 1, sondern bei einem Lambdawert < 1 auftritt.An oxygen concentration difference is in the embodiment of 2 by a pumping power source 88 generated by the calculator 58 of the control unit 30 is controlled as needed. The pumping power source 88 may be a controllable or switchable constant current source or a controllable or switchable voltage source. The plus pole of the pump current source 88 is with the first exhaust gas side electrode 72 connected while the negative pole of the pumping power source 88 to the second exhaust gas electrode 74 connected. The circuit is passed over the solid state electrolyte in the layer 70 closed, wherein the current is carried in the solid electrolyte by oxygen ions. The of the pumping power source 88 generated potential difference between the two exhaust gas side electrodes thus drives the current Ip (negative) oxygen ions through the electrolyte of the layer 70 from the second exhaust-side electrode 74 to the first exhaust-side electrode 72 and thus increases the oxygen concentration at the first exhaust-side electrode. The with the Impressing the oxygen ion pumping current associated oxygen enrichment at the first exhaust gas side electrode 72 shifts the characteristic of the Nernst cell from the electrodes 72 and 76 with the intervening intermediate foil 70 so that a grease indication does not occur with a lambda value of greater than or equal to 1, but with a lambda value <1.

Damit lassen sich die genannten Fettdurchbrüche, die mit einem üblichen, idealen Lambda = 1,000 Sensor nicht ausgefiltert werden können, durch die eingeprägte Pumpverschiebung beseitigen. Durch die Pumpverschiebung lassen sich damit sowohl Methanverschiebungen des Sensors als auch kurzzeitige Fettdurchbrüche durch den Katalysator 44, 46 kompensieren, so dass es nicht zu unerwünschten Reaktionen der Regelung kommt.Thus, the mentioned fat breaks, which can not be filtered out with a standard, ideal lambda = 1.000 sensor, can be eliminated by the impressed pump displacement. The pump displacement allows both methane shifts of the sensor and short-term fat breakthroughs through the catalyst 44 . 46 compensate, so that it does not lead to undesirable reactions of the scheme.

3 zeigt Verläufe von Potentialen an einer abgasseitigen Nernstelektrode und einer Referenzelektrode als Funktion eines zwischen abgasseitiger Gegenelektrode und Referenzelektrode eingeprägten Feldes, das den Pumpstrom treibt. Dabei sind Potentiale φ über dem Pumpstrom Ip zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden 72 und 74 aufgetragen. Positive Pumpstromwerte entsprechen einem Sauerstoffionenstrom von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 zur ersten abgasseitigen Elektrode 72. Negative Pumpstromwerte entsprechen der umgekehrten Stromrichtung. 3 shows curves of potentials at an exhaust-side Nernst electrode and a reference electrode as a function of an embossed between the exhaust side counter electrode and the reference electrode field, which drives the pumping current. In this case, potentials φ are above the pumping current Ip between the two exhaust gas-side electrodes 72 and 74 applied. Positive pump current values correspond to an oxygen ion flow from the second exhaust gas side electrode 74 to the first exhaust-side electrode 72 , Negative pump current values correspond to the reverse current direction.

Die Linie 90 bezeichnet das hohe Potential der Luftreferenz, also das Potential an der Referenzelektrode 76. Die Linie 92 bezeichnet das Potential an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 bei hohem Sauerstoffanteil am Abgas und die Linie 94 bezeichnet das Potential der ersten abgasseitigen Elektrode 72 bei Sauerstoffmangel im Abgas. Die erste Abgaselektrode 72 liegt bei magerem Abgas, also wenn das Abgas relativ viel Sauerstoff enthält, auf einem ähnlich hohen Potential wie die Referenzelektrode 76. Es kann auf einem knapp 1 Volt niedrigeren Potential liegen, wenn das Abgas fett ist. Die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden 72, 76 wird hochohmig als Sensorspannung gemessen.The line 90 indicates the high potential of the air reference, that is the potential at the reference electrode 76 , The line 92 denotes the potential at the first exhaust-side electrode 72 with high oxygen content of the exhaust gas and the line 94 denotes the potential of the first exhaust-side electrode 72 in the absence of oxygen in the exhaust gas. The first exhaust gas electrode 72 With lean exhaust gas, that is, when the exhaust gas contains relatively much oxygen, at a similar high potential as the reference electrode 76 , It can be at just under 1 volt lower potential if the exhaust gas is rich. The potential difference between both electrodes 72 . 76 is measured with high resistance as sensor voltage.

Die Referenzelektrode ist bei Nernstsonden normalerweise als Pluspol geschaltet, so dass man, ohne Pumpstrom (Ip = 0), bei magerem Abgas ca. 50 mV und bei fettem Abgas z.B. 800 mV Sensorspannung U 0 erhält. Bei Pumpbetrieb aus der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 heraus erhält man (bei verschobenen Lambdawerten) einen Sprung U K von z.B. – 50 mV auf + 700 mV.The reference electrode is normally connected as a positive pole in the case of Nernst probes, so that, without pump current (Ip = 0), approximately 50 mV is obtained with lean exhaust gas and, for example, 800 mV with rich exhaust gas. When pumping from the second exhaust gas side electrode 74 you get (with shifted lambda values) a jump UK from eg - 50 mV to + 700 mV.

Die Referenzelektrode 76 wird bei modernen Sensoren als "gepumpte Referenz" ausgeführt, bei der eine weitere Pumpstromquelle Sauerstoffionen aus dem Abgas zur Referenzelektrode 76 pumpt. Wenn man die zum Ausfiltern kurzzeitiger Störungen dienende Pumpverschiebung nur durch die abgasseitigen Elektroden 72, 74 realisiert, greift man in das Management der gepumpten Referenz nicht ein. Die Sensorspannung beinhaltet dann nur die Polarisation der Abgaselektrode 72.The reference electrode 76 is performed in modern sensors as a "pumped reference", in which a further pumping power source oxygen ions from the exhaust gas to the reference electrode 76 inflated. If one uses the pump displacement, which serves to filter out short-term disturbances, only through the exhaust gas-side electrodes 72 . 74 realized, one does not intervene in the management of the pumped reference. The sensor voltage then only contains the polarization of the exhaust gas electrode 72 ,

Man kann in besonders einfacher Weise, statt einen Pumpstrom vorzugeben, eine konstante Pumpspannung von z.B. 200 mV anlegen. Die gepumpte Referenz kann man zwischen Gegen- und Luftelektrode arbeiten lassen.you can specify in a particularly simple manner, instead of a pumping current, a constant pumping voltage of e.g. Create 200 mV. The pumped Reference can be worked between counter and air electrode.

Wenn die Nernstsonde ungleichgewichtigem Abgas ausgesetzt wird, gibt es unter Umständen eine Diffusionsverschiebung, die ohne geometrische Größen von Schutzschicht oder Elektrode bestimmt werden kann. Es ist nicht bekannt, ob der zugepumpte Sauerstoff direkt auf die erste abgasseitige Elektrode 72 einwirkt oder in eine katalytische Schicht der Elektrode einströmende Fettgase, wie z.B. CO, H2 und Methan, oxidiert und dadurch den Gleichgewichts-Sauerstoff-Partialdruck verschiebt. In jedem Fall ist bei der oben beschriebenen Pumpverschiebung nicht mehr so, dass die absolute Größe der Diffusionsströme keine Rolle spielt. Die Größe des Pumpstroms muss in angemessener Relation zu den Diffusionsströmen stehen. Zu große Pumpspannungen (z.B. > 200 mV) sind zu vermeiden. Wenn diese Pumpspannung für die gewünschte "Pumpverschiebung" des Sondensprungs nicht ausreichen sollte, müssten Modifikationen beim Diffusionswiderstand der Elektrode oder der Schutzschicht vorgenommen werden. Hier ist ein praktisch-experimenteller Abgleich erforderlich.If the Nernst probe is exposed to unbalanced exhaust gas, there may be a diffusion shift that can be determined without geometric parameters of the protective layer or electrode. It is not known if the oxygen pumped directly to the first exhaust gas electrode 72 acting or oxidized into a catalytic layer of the electrode flowing fat gases, such as CO, H2 and methane, and thereby shifts the equilibrium oxygen partial pressure. In any case, in the case of the pumping displacement described above, it is no longer the case that the absolute size of the diffusion flows is irrelevant. The magnitude of the pumping current must be in reasonable relation to the diffusion currents. Excessive pumping voltages (eg> 200 mV) must be avoided. If this pumping voltage were not sufficient for the desired "pump shift" of the probe jump, modifications to the diffusion resistance of the electrode or the protective layer would have to be made. Here a practical-experimental adjustment is required.

Alternativ zu einem Pumpen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode kann der Sauerstoff prinzipiell auch von der Referenzelektrode zur Abgaselektrode gepumpt werden. Diese Ausführungsart bedingt kaum Änderungen am herkömmlichen Sensorelement. Allerdings ist die Sauerstoffzufuhr über den Referenzluftkanal allein schon durch den langen Diffusionsweg begrenzt. Außerdem werden die Sensorelemente oft so eingebaut, dass fast kein Sauerstoff aus der Umgebungsluft an die Referenzelektrode gelangt. Undichtigkeiten zwischen den Einzeldrähten eines Litzenkabels sind oft die einzige Verbindung zur Umgebung. Damit soll das Vordringen von Kraftstoff- oder Öldämpfen usw. zur Referenzelektrode verringert werden. Die Bestandteile solcher Dämpfe würden bei ihrer Oxidation an der katalytischen Referenzelektrode Sauerstoff verbrauchen und damit die Referenzatmosphäre verfälschen.alternative for pumping from the second exhaust-side electrode to the first one In principle, the oxygen can also be removed from the exhaust-gas-side electrode the reference electrode are pumped to the exhaust gas electrode. This embodiment hardly changes at the conventional Sensor element. However, the oxygen supply is over the Reference air channel already limited by the long diffusion path. Furthermore The sensor elements are often installed so that almost no oxygen from the ambient air reaches the reference electrode. leaks between the individual wires A stranded cable is often the only connection to the environment. In order to intended to advance fuel or oil vapors, etc. to the reference electrode be reduced. The constituents of such vapors would become oxidized the catalytic reference electrode consume oxygen and thus the reference atmosphere distort.

Es ist daher besonders vorteilhaft, die zweite abgasseitige Elektrode 74 zu verwenden, um Sauerstoff zur ersten abgasseitigen Elektrode 72 zu pumpen. Wenn bei der Regeneration des Speicherkatalysators 46 nur wenig Sauerstoff im Abgas enthalten ist, wird H₂O und CO₂ zersetzt.It is therefore particularly advantageous, the second exhaust gas electrode 74 to use oxygen to the first exhaust gas electrode 72 to pump. When in the regeneration of the Speicherataly crystallizer 46 is little oxygen in the exhaust gas, H ₂ O and CO _{2 is} decomposed.

Die Porosität der Schutzschichten 84, 86 kann bei Abgas- und Gegenelektrode, also bei der ersten abgasseitigen Elektrode 72 und zweiter abgasseitiger Elektrode 74 verschieden sein. Ebenso können Elektrodenmaterial und Morphologie unterschiedlich sein.The porosity of the protective layers 84 . 86 can at the exhaust and counter electrode, ie at the first exhaust gas electrode 72 and second exhaust side electrode 74 to be different. Likewise, electrode material and morphology may be different.

Bei Lambda=1-Betrieb kann man mit der Abgaselektrode oder der Gegenelektrode oder beiden zusammengeschaltet messen.at Lambda = 1 operation can be done with the exhaust gas electrode or the counter electrode or both together.

Die zusätzliche Elektrode 74 kann weitere Vorteile ermöglichen, z.B. für eine die Temperaturregelung als Widerstandstemperaturfühler dienen.The additional electrode 74 may allow further advantages, eg for a temperature control serve as a resistance temperature sensor.

Claims

Exhaust gas sensor device ( 54 ) with an oxygen ion-conducting solid electrolyte ( 70 ), which separates exhaust gas from a reference atmosphere and with a first exhaust gas side electrode ( 72 ) and a reference atmosphere-side electrode ( 76 ) forms a Nernst cell, characterized by a second exhaust gas side electrode ( 74 ) connected to the first exhaust gas electrode ( 72 ) forms a pump cell.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to claim 1, characterized in that the first exhaust-gas-side electrode ( 72 ) next to the second exhaust gas side electrode ( 74 ) on the solid electrolyte ( 70 ) is arranged.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the second exhaust-gas-side electrode ( 74 ) of a protective layer ( 86 ) is covered.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to at least one of claims 1 to 3, characterized by an operating and evaluation circuit ( 56 ), one between the electrodes ( 72 . 76 ) the Nernst cell measures existing Nernst voltage.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) a potential difference between the first exhaust-side electrode ( 72 ) and the second exhaust gas side electrode ( 74 ) generated.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to claim 5, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) a first potential to the first exhaust gas side electrode ( 72 ) and a second potential to the second exhaust gas side electrode ( 74 ) applies.

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to at least one of claims 5 to 6, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) at the first exhaust gas side electrode ( 72 ) generates a higher potential than at the second exhaust gas side electrode ( 74 ).

Exhaust gas sensor device ( 54 ) according to at least one of claims 5 to 7, characterized in that the potential difference is less than 200 mV.

Method for operating an exhaust gas sensor device ( 54 ) with an oxygen ion-conducting solid electrolyte ( 70 ), which separates exhaust gas from a reference atmosphere and with a first exhaust gas side electrode ( 72 ) and a reference atmosphere-side electrode ( 76 ) forms a Nernst cell, and with an operating and evaluation circuit ( 56 ), one between the electrodes ( 72 . 76 ) measures the Nernst cell existing Nernst voltage, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) a potential difference between the first exhaust-side electrode ( 72 ) and the second exhaust gas side electrode ( 76 ) and reverses an amount of potential difference between at least two values.

Method according to Claim 10, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) reverses the potential difference at a high oxygen content in the exhaust gas to a small value and reverses the potential difference at a low oxygen content in the exhaust gas to a high value.

Method according to Claim 11, characterized in that the operating and evaluation circuit ( 56 ) controls the potential difference at low oxygen content in the exhaust gas so that a constant flow of oxygen ions from the second exhaust gas side electrode ( 74 ) to the first exhaust-side electrode ( 72 ).