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WO2009083375A1 - Verfahren zur bestimmung einer gaszusammensetzung in einem messgasraum, sensorelement und sensoranordnung - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer gaszusammensetzung in einem messgasraum, sensorelement und sensoranordnung Download PDF

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Publication number
WO2009083375A1
WO2009083375A1 PCT/EP2008/066688 EP2008066688W WO2009083375A1 WO 2009083375 A1 WO2009083375 A1 WO 2009083375A1 EP 2008066688 W EP2008066688 W EP 2008066688W WO 2009083375 A1 WO2009083375 A1 WO 2009083375A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
pumping
voltage
gas
sensor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/066688
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Schumann
Henrico Runge
Holger Reinshagen
Thomas Classen
Martin Le-Huu
Berndt Cramer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2009083375A1 publication Critical patent/WO2009083375A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1456—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen

Definitions

  • PROCEDURE FOR DETERMINING A GAS COMPOSITION IN A MEASURING ROOM, SENSOR ELEMENT AND SENSOR ARRANGEMENT
  • the invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions.
  • sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions, in which case these sensor elements are also known as "lambda sensors" and an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines as well in diesel technology, play.
  • Such sensor elements are now known in numerous different embodiments.
  • One embodiment is the so-called "jump probe” whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured conductive properties usually doped zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized ZrC ⁇ ) or similar Liche ceramics are used as solid electrolyte.
  • doped zirconium dioxide eg yttrium-stabilized ZrC ⁇
  • Liche ceramics similar Liche ceramics are used as solid electrolyte.
  • Various exemplary embodiments of such jump probes which are also referred to as "Nernst cells” are described, for example, in DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 and
  • pump cells are used in which an electrical “pumping voltage” is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, whereby the “pumping current” is measured by the pump cell
  • both electrodes are usually connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes is exposed directly to the gas mixture to be measured (usually via a permeable protective layer) can not get directly to this electrode, but must first penetrate a so-called “diffusion barrier” to get into a cavity adjacent to this second electrode.
  • the diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii.
  • the sensor elements are usually operated in so-called limiting current operation, that is, in an operation in which the pumping voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counterelectrode.
  • the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensor elements are often referred to as proportional sensors.
  • proportional sensors can be used as so-called broadband sensors over a comparatively wide range for the air ratio
  • the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors Pump cell principle working "single cell” by adding a snap cell (Nernst cell) to a "double"
  • a snap cell Nel cell
  • the multicell sensor elements are used as amperometric gas sensors, gas sensors with three electrodes typically being used.
  • a pumping voltage is applied between an outer pumping electrode (APE), which is usually located under a protective layer, and an inner pumping electrode (IPE) arranged behind a diffusion barrier.
  • APE outer pumping electrode
  • IPE inner pumping electrode
  • RE reference electrode
  • the measured IPE-APE pumping current is a measure of the amount of oxygen in the exhaust gas.
  • water or carbon dioxide is decomposed at the APE and oxygen ions are pumped from there to the IPE (negative pumping voltage).
  • the oxygen that is pumped in reacts with hydrogen and carbon monoxide, which in turn are limited in their secondary flow by the diffusion barrier.
  • the pumping current is a measure of the oxygen deficit in the exhaust gas even in the rich air range.
  • a disadvantage of the multicellular structures of the sensor elements is the complexity of such sensor elements.
  • the number of electrodes and / or the number of leads to these electrodes represents a significant cost factor, which should be reduced if possible.
  • single-cell arrangements with two electrodes exposed to the gas mixture have the problem that there is no clear relationship between the pumping current and the gas mixture composition.
  • a positive pumping current (lean pumping current) is generally measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture.
  • a positive pumping current is usually also recorded, even if the applied pumping voltage (usually about 400 to 700 mV, for example, 500 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1, 23 V).
  • This positive pumping current in the rich rich is essentially attributable to the molecular hydrogen or other fuel gases contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, since water can now be formed on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen. The energy released at the anode during H 2 O formation thus compensates for the H 2 O formation.
  • DE 10 2005 054 144 A1 therefore describes a gas sensor with an outer electrode and an inner electrode, which are each separated from a measuring space by diffusion barriers. In this case, the two diffusion barriers have different diffusion coefficients.
  • a circuit is provided which is arranged by reversing the polarity of the pumping voltage and comparing the pumping currents before and after the polarity reversal in order to distinguish rich air-frequency ranges from lean air-power ranges.
  • a method for determining at least one physical property of a gas in at least one measuring gas space, as well as a sensor element and a sensor arrangement, which are particularly suitable for implementing the described method and which at least largely avoid the disadvantages of known methods and devices.
  • a basic idea of the present invention is the recognition that limiting the speed of known reversing methods, such as, for example, the method described in DE 10 2005 054 144 A1, which is particularly due to the fact that it is to be reloaded Capacities (electrical capacitance of the electrodes and optionally double-layer capacitances) is limited, can be improved by suitable design of the sensor system and the method. For example, after a change in the polarity of the pumping voltage, it is necessary to wait until all the capacitors have been reloaded and a new, steady state has been established.
  • the present invention therefore describes an electronic method by means of which the time resolution can be increased to the extent that an application in a car is possible.
  • the method is comparatively flexible with regard to the sensor elements used and can be carried out, for example, using conventional broadband probes, simple single-cell constructions, the sensor structure described in DE 10 2005 054 144 A1 and with a special sensor element proposed according to the invention.
  • conventional broadband probes allows a cost-effective implementation of the method, since known and proven sensor geometries can be used.
  • the proposed method for determining at least one physical property of a gas in a measurement gas space can be used in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine, for example in the context of one or more of the lambda probes described above.
  • other types of physical properties of the gas are also measurable, for example gas concentrations of other gas components in the gas.
  • the proposed method uses a sensor element having at least one first electrode and at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • the sensor element comprises at least one pumping cell.
  • the first electrode and the second electrode are connected to the measuring gas space in such a way that these two electrodes can be acted upon in each case with gas from the measuring gas space.
  • this application can be carried out, for example, directly and / or via a protective layer (for example a protective layer which protects the electrodes from contamination) and / or one or more diffusion barriers.
  • the proposed method is based on the basic idea described in DE 10 2005 054 144 A1, which consists in measuring different pump currents in the event of reversal of a pump voltage applied between the two electrodes due to inevitably existing (for example, component tolerances) and / or deliberately induced asymmetries which can be detected by reversing a pump voltage. Accordingly, at least a first pumping voltage is applied between the first electrode and the second electrode, so that the pumping cell with this first pumping voltage is applied. In this case (ie simultaneously or with a time delay), at least one first pumping current is measured between the first electrode and the second electrode.
  • At least one second pumping voltage is applied between the first electrode and the second electrode (ie, again to the pumping cell) and thereby (i.e., simultaneously and / or delayed) at least a second pumping current is measured through this pumping cell.
  • the second pumping voltage is selected such that it has a polarity reversed to the first pumping voltage (polarity reversal).
  • the second pumping voltage can be designed to be equal in magnitude to the first pumping voltage, although other types of a second pumping voltage are also possible.
  • a basic idea of the present invention consists in modifying the plausibility considerations mentioned in DE 10 2005 054 144 A1 in such a way that an unambiguous measured variable is formed from the measured pumping currents (i.e., directly from these pumping currents and / or from measured variables derived from these pumping currents).
  • This unique measure is to be chosen such that, in contrast to the pumping current itself, it substantially (i.e., for example, except for device-related fluctuations or noise) is unique, i. reversible, related to the physical property of the gas, for example a gas mixture composition, in particular an oxygen concentration (or another measurement gas concentration).
  • this can be a monotonic or strictly monotonic with the physical property of the gas, for example the oxygen concentration, increasing or decreasing, unambiguous measured variable, from which the physical property can be deduced.
  • the present invention proposes this, this unique
  • a linear combination of the minimum MIN and the maximum MAX of the two pump currents is a combination of the following type:
  • the coefficients a, b and c can be any numbers, for example real numbers, which in each case can also assume the value 0.
  • a, b and c are such Selects that the unique measurand ⁇ , as stated above, at each measurement point of a given range allows a clear inference to the physical property.
  • the coefficients a or b can also assume the value zero (but not simultaneously).
  • c can take the value zero.
  • a sum pumping current can also be formed from the maximum and the minimum and used as a linear combination ⁇ .
  • the maximum and the minimum for the implementation of the method according to the invention need not be explicitly determined, but it is also possible to determine directly, for example, a linear combination of this minimum and this maximum. Further embodiments of this idea will be further elaborated below.
  • the method described can be implemented in particular by means of a sensor arrangement which has at least one drive device.
  • This electrical control device makes it possible to quickly generate and / or determine the partial measured values (for example the first pumping current and the second pumping current) necessary for the method and to assemble these partial measured values into the unambiguous measured variable.
  • this results in a sensor operating mode for a sensor element, which shows a clear characteristic over a wide range of physical size, in particular over a wide lambda range, which is largely independent of the sensor geometry.
  • sensor elements with only two electrodes in various possible geometries and / or conventional sensor elements can also be used.
  • the operation of the sensor element can be done with high dynamics.
  • the switching between the first pumping voltage and the second pumping voltage in addition to a simple voltage-controlled mode, can take place in a current-controlled mode in order to further reduce the switching time.
  • the voltage pulse can be selected to be higher than the second pumping voltage by at least a factor of 1.5, in particular by at least a factor of 2 and particularly preferably by at least a factor of 3.
  • the voltage pulse may have a length between 2 and 100 microseconds, and preferably between 20 microseconds and 50 microseconds.
  • other types of voltage pulses or voltage pulse combinations are conceivable.
  • the switching between the first pumping voltage and the second pumping voltage can be repeated periodically, in which case the first pumping voltage and the second pumping voltage exchange the rollers and the method according to the invention is repeated analogously.
  • a voltage pulse can be used, which is then connected upstream in this case the first pumping voltage.
  • the proposed method is based in particular on an asymmetry between the first electrode and the second electrode, which is naturally present in most sensor elements.
  • this asymmetry can also be brought about artificially, which is particularly preferred in the context of the present invention.
  • the first electrode and the second electrode can each be connected via a first or second connection to the sample gas space.
  • These connections can be configured, for example, in the form of bores, openings or the like.
  • one or both of the electrodes may be exposed directly to the measuring gas space, that is to say have a free surface towards this measuring gas space, or a surface covered only by a protective layer or thin diffusion barrier.
  • first connection and the second connection have an asymmetry, so that the first electrode and the second electrode have different limiting currents. It is particularly preferred if these limit currents differ by at least 10%, but higher differences, for example by a factor of 20, are also possible.
  • the limiting current of an electrode is defined as the saturation pumping current, ie the maximum pumping current for the pure oxygen decomposition (or measuring gas decomposition), which can be achieved when the pumping voltage between the at least two electrodes is increased.
  • This limiting current can be defined, for example, for oxygen and oxygen ion transport through the solid electrolyte as the current which is achieved when all of the oxygen molecules which reach the cathode-operated electrode are completely transported through the solid electrolyte to the anode.
  • the pumping current is approximately proportional to the gas molecule concentration, the limiting current of the opposite electrode, which previously operated as the anode was accordingly determined experimentally by polarity reversal, so that now the former anode is operated as a cathode.
  • the setting of the different limiting currents of the two electrodes or of the two connections, in combination with the electrodes, can be achieved in particular by providing diffusion barriers in one or both of these connections.
  • This at least one diffusion barrier has a diffusion resistance.
  • the diffusion barriers are preferably selected such that the diffusion resistances of the two diffusion barriers of the two compounds differ by a factor of at least 1.1, preferably by a factor between 1.5 and 3 (or by the inverse of these numbers).
  • the diffusion resistance is that resistance which a diffusion barrier opposes to a concentration difference ⁇ c between both sides of the diffusion barrier of length 1 and of cross-section A and which thus hinders diffusion (current I gas ):
  • the diffusion coefficient D is composed (inverse additive) of the diffusion coefficients for the gas phase diffusion and for the Knudsendiffusion, both of which have different temperature dependencies.
  • the temperature dependence of the flow thus depends on the proportions of the individual types of diffusion.
  • the flux changes by about 4% when the temperature changes by 100 ° C.
  • a diffusion barrier is to be understood as meaning in general a porous element, for example a ceramic porous element which has a diffusion resistance
  • the term diffusion barrier may also include other types of elements which provide resistance to diffusion
  • porous covering layers, channels (in particular channels with a reduced cross-section), combinations of channels or similar elements or combinations of elements should be mentioned. Possibilities are also arbitrarily combinable to set a desired diffusion resistance.
  • the same diffusion medium eg a porous material
  • the two diffusion barriers can be used for the two diffusion barriers, but in different layer thicknesses, so that, for example, a higher layer thickness is used in front of the at least one first electrode than in front of the at least one second electrode .
  • an adjustment of the surface of the diffusion barriers can also take place.
  • the limiting current increases at least approximately proportionally with the cross-sectional area available for the diffusion, and inversely proportional to the length or layer thickness of the diffusion barriers.
  • a sensor element may be used in which the first electrode and the second electrode are separated from the measurement gas space by at least one cover layer.
  • the first compound and the second compound may each include one or more gas access holes, which are preferably formed at least partially separated for the first compound and the second compound and which penetrate the at least one cover layer.
  • a layer structure can be used in which the first electrode and the second electrode are arranged in the same layer plane of the layer structure, ie side by side, in contrast to the stacked embodiment according to DE 10 2005 054 144 A2. In this way, layer planes can be saved, and the entire sensor structure can be greatly simplified.
  • other types of sensor elements may be used.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement with a sensor element according to the prior art and a drive device
  • FIG. 2 shows an inventive sensor element which is alternative to the sensor element in FIG.
  • Figure 3 is a perspective view of a sensor element according to the invention.
  • FIG. 4 shows a pumping current characteristic as a function of a gas partial pressure
  • FIG. 5 shows pump current characteristics analogous to FIG. 4 with and without reversing the polarity of the pump voltage
  • FIG. 6 shows the pumping current characteristic according to FIG. 5 with additionally a sum pump current characteristic
  • FIG. 7 shows pump current characteristics for sensor elements with virtually unhindered gas access to an electrode
  • FIG. 8 shows pumping currents when the pumping voltage is reversed
  • FIG. 9 shows pumping currents when switching over with an additional voltage pulse
  • FIG. 10 shows a further embodiment of a sensor element according to the invention.
  • FIG. 11 an exemplary embodiment of a circuit of the sensor element according to FIG. 10;
  • FIG. 12 shows a pump voltage curve at the electrodes of the sensor element according to FIG. 10 for explaining a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor arrangement 110 according to the present invention.
  • the sensor arrangement 110 comprises, in addition to a drive device 112, which can provide pumping voltages and / or pumping currents, take over measuring functions or perform similar tasks, a sensor element 114.
  • the drive device 112 can contain, for example, at least one of the following devices: a power source, a voltage source, a current measuring device, in particular for measuring a pumping current, a Voltage measuring device, in particular for measuring a pump voltage and / or for measuring a reference voltage, one or more control devices and other functions, such as logic functions, memory functions or the like.
  • the drive device 112 may also comprise one or more data processing devices, for example one or more microcomputers.
  • the control device 112 can be centralized, ie accommodated in one piece and / or housed in a single housing, configured or decentralized, ie distributed, for example, distributed in several separate components.
  • the at least one microcomputer can be set up, for example, in terms of programming, in order to control or completely or partially implement the method proposed above in one or more of the described embodiments.
  • the control device 112 is connected to the sensor element 114 via control lines 116.
  • the sensor element 114 corresponds to a sensor element known from the prior art. However, this sensor element 114 can be replaced by other types of sensor elements, for example, against the sensor elements described in subsequent embodiments.
  • the sensor element 114 shown in Figure 1 is a commercially available broadband sensor element, whose operation is described for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 2001, pages 116-117.
  • the sensor element 114 comprises a pumping cell 118 having a first electrode 120, a solid electrolyte 122 and a second electrode 126, which is in two parts in this exemplary embodiment and is arranged in an electrode cavity 124.
  • a second connection 134 is provided, which in this embodiment comprises a gas inlet hole 136, the electrode cavity 124 and a second connection 134 arranged between the electrode cavity 124 and the gas inlet hole 136 Diffusion barrier 138 includes.
  • the gas inlet hole 136 is disposed perpendicular to the layer structure shown in FIG. 1 and penetrates the solid electrolyte 122.
  • the sensor element 114 designed as a broadband probe comprises a reference air channel 140 with a reference electrode 142, as well as a heating element 144.
  • the functions of the reference electrode 142 and of the Heating element 144 will not be discussed in more detail below, but reference is made in this regard to the description of the sensor elements 114 known from the prior art.
  • the first electrode 120 which in this embodiment is designed as an outer electrode, is also referred to as APE (outer potential electrode or outer pumping electrode), the second electrode 126 as IPE (inner potential electrode or inner pumping electrode) and the reference electrode 142 as RE.
  • FIGS. 2 and 3 show possible alternative embodiments of the sensor element 114, wherein a possibly additionally present control device 112 has been dispensed with in this illustration.
  • the first electrode 120 has been separated from the sample gas chamber 132 only by a protective layer 130
  • the first connection 128 via which the first electrode 120 also has gas can be acted upon from the sample gas space 132, a first diffusion barrier 146.
  • a first electrode cavity 148 is provided, which, together with the first diffusion barrier 146, forms the first connection 128.
  • the second electrode 126 has a second electrode cavity 150 which corresponds to the electrode cavity 124 according to FIG. 1 and which, together with the second diffusion barrier 138, forms the second connection 134 between the second electrode 126 and the measurement gas space 132.
  • a heating element 144 is provided.
  • Electrodes 120, 126 are formed in this embodiment as two-part electrodes and arranged in a first or second electrode cavity 148, 150 and contactable by electrode leads 116, plated-through holes 154 and electrode contacts 156.
  • a heating element 144 with insulating foils 158 and heating resistors 160 is again provided.
  • connections 128, 134 are again provided.
  • These compounds which may also be wholly or partly filled with a gas-permeable, porous material, include, in addition to the electrode cavities 148, 150 a first gas inlet hole 162 and a second gas inlet hole 164 and a first diffusion barrier 146 and a second diffusion barrier 138.
  • the electrodes 120 and 126 are also arranged in the same layer plane of the layer structure of Figure 3, which is an introduction of additional layers, as criz- For example, in DE 10 2005 054 144 Al shown, avoidable makes.
  • the sensor element described in this document is basically used in the context of the present invention.
  • the present method is based on asymmetry effects between the two electrodes 120, 126 or the pump cell 118 formed from these electrodes and the solid electrolyte 122.
  • Previous designs have generally been optimized in such a way that the characteristic of the pump current is unambiguous in lean operation is, so that usually no pumping current in rich operation is measurable.
  • the pumping cells 118 are configured such that both electrodes 120, 126 experience a connection to the sample gas chamber 132. The result of this design is a V-shaped characteristic.
  • limiting currents are now measured for the fatty gas reaction at the anode (H 2 O decomposition at the cathode). Which of the electrodes 120, 126 functions as the anode and which as the cathode depends on the sonication. Limit currents in rich operation and in lean operation are positive, whereby the characteristic is not unique.
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of various pump current characteristics is shown in FIG. 4 for the sensor element 114 shown in FIG.
  • the first electrode 120 in FIG. 3 is connected as the anode, and the second electrode 126 as the cathode.
  • the pump currents I p (shown in arbitrary units in FIG. 4 and provided with an offset) were measured by the pump cell 118 for various sensor elements 114.
  • the ratio of the diffusion resistances or flow resistances of the connections 128 and 134 in FIG. 3 was varied. This occurs, for example, in that the distance between the first gas inlet hole 162 and the first electrode 120, denoted by d in FIG. 3, ie the length the first diffusion barrier 146 was varied. The numerical values given represent this distance d in mm. It can be seen that all the sensor elements 114 in the lean region, which is denoted by reference numeral 166 in FIG. 4, have an almost identical characteristic, since it is essentially not for this lean region 166 to the length of the first diffusion barrier 146 of the first electrode 120 acting as the anode arrives. In the rich region, which is denoted symbolically by the reference numeral 168 in FIG.
  • the characteristic curves of the sensor elements 114 differ greatly. Depending on how large the diffusion resistance in front of the anode 120, now limit currents for the fat gas oxidation at this anode 120 (H 2 O decomposition at the cathode) are measured. This shows that the slope of the fat branch of the characteristic curve in FIG. 4 can be influenced in a targeted manner by varying the diffusion resistance of the connection (in this case the first connection 128 in front of the anode-connected first electrode 120), so that the characteristic curve runs in the lean region 166 ("Lean load”) and the characteristic curve in the rich area 168 (“Fettast”) can be set differently.
  • the diffusion resistance of the connection in this case the first connection 128 in front of the anode-connected first electrode 120
  • fat operation and lean operation can be distinguished and the limit currents assigned accordingly.
  • the different gradients of the fat and lean load form a "tilted V" with different rising arms and thus allow the evaluation of both branches when quickly switching the pump voltage.
  • the limiting currents of the connections 128, 134, in particular of the diffusion barriers 146, 138, should differ by at least 10%. There are also differences by a factor of 20 possible. All in all, these signals can be used to measure plausible signals by means of a suitable control device 112, which contains a corresponding evaluation circuit. The aim is in particular a factor between 1.5 and 3 in the diffusion resistance of the diffusion barrier 146, 138. However, larger or smaller differences in the diffusion resistance are in principle possible.
  • the measuring range for the limiting currents can be, for example, in the range between 1 mA and 20 mA. An optimum range is usually between 1.5 mA and 6.0 mA.
  • the limiting currents (the pump currents IP in FIG.
  • FIG. 5 shows further pump current characteristics, by means of which the measuring principle, which is based on the asymmetry between lean and rich load, will be explained in more detail. The illustration is in principle the same as that shown in FIG.
  • first characteristic curve 170 is plotted which corresponds to the measured values in FIG.
  • This first characteristic 170 was recorded with the above-described wiring in which the first electrode 120 acts as a building electrode and the second electrode 126 acts as a built-in electrode.
  • the pumping voltage at the pumping cell 118 was chosen to be -500 mV for this first characteristic 170 (the sign results from the cited circuit).
  • the pumping current of the first characteristic 170 is determined by the second diffusion barrier 138 in the second connection 134 toward the second electrode 126 (labeled DB1 in FIG. 5), whereas in the rich region 168 the first diffusion barrier 146 is the deciding factor for the pumping current (denoted by DB2 in FIG. 5). Furthermore, a second characteristic curve 172 is plotted in FIG. 5, which results from the fact that the pumping voltage U p at the pumping cell 118 was reversed. The pump voltage in this case is for example +500 V, the sign in turn resulting from the wiring.
  • the first electrode 120 is connected as a built-in electrode, and the second electrode 126 as an expanding electrode.
  • the influences of the two diffusion barriers 146, 138 have reversed, since the roles of installing and removing electrode or diffusion barrier have interchanged.
  • the first characteristic curve 170 and the second characteristic curve 172 each differ at least approximately by a point reflection at the zero point.
  • the proposed method is based on a "trial-and-error" method as to whether the gas mixture in the sample gas chamber 132 is in the lean region 166 or in the rich region 168, which is unsatisfactory and not necessarily expedient in the proposed method described above
  • a characteristic curve of a definite measured variable is formed, by means of which not only an unambiguous assignment of the pumping currents I p to an air region is possible but which under certain circumstances can also be performed faster than a method in which periodically switched between a positive and a negative pump voltage U p .
  • the described method which is to be described with reference to FIG. 6, is composed of several sub-steps.
  • the starting point are the characteristic curves 170 and 172, as they have already been plotted in FIG.
  • the representation in FIG. 6 is essentially identical to the representation according to FIG. 5, whereby in turn the pumping current I p is plotted in arbitrary units against the partial pressure of oxygen p in%.
  • a further, third characteristic 173 is shown, which represents a definite measured variable.
  • the third characteristic curve 173 represents a linear combination of the two characteristic curves 170, 172, which, for example, can be predetermined and stored in the control device 112 numerically, analytically, as a table, as a function or in another known manner. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 6, a simple sum of the two characteristic curves 170, 172 is selected as the linear combination.
  • This third characteristic curve 173, which is monotonic or even strictly monotone increasing, is even at least approximately linear in the exemplary embodiment shown.
  • a first pumping current having a first polarity of the pumping voltage U p is first measured at the pumping cell 118, and this first pumping current is temporarily stored as an intermediate value, for example. Subsequently, the polarity of the pumping voltage is reversed and a second pumping current is measured. From the current and stored last measured value is thus obtained directly by summation, the unique measure of the characteristic curve 173. If this polarity reversal, so each of the previous reading can be cached, for example by means of a sample-and-hold method or the like.
  • the gas composition or the oxygen partial pressure p can be directly deduced, for example by comparison with stored curves, tables, analytical functions or the like.
  • a particular advantage of this method is that the effective measuring frequency is twice as high as the switching frequency of the polarity reversal of the pumping voltage U p .
  • each voltage change of the pump voltage U P (thus, for example, an From +500 mV to -500 mV) first a transloading of the capacitance of the sensor element 114 entails.
  • Relevant for this are, in particular, electrical double-layer capacitances as well as the electrical capacitance of the electrodes 120, 126 or similar capacitances.
  • One possibility for further increasing the measurement frequency consists in optimizing the geometry of the sensor element 114, in particular the electrodes 120, 126 and / or electrode cavities 148, 150.
  • a further possibility consists in a reduction of the lead electrolyte resistance.
  • One possibility, which can be used alternatively or additionally to a component optimization, is an electronic acceleration of the transhipment and thus an increased measuring frequency.
  • the polarity reversal between positive and negative pump voltages U p can be done, for example, by means of a periodic or non-periodic square-wave voltage. In this case, a square-wave voltage is applied and the measurement waits for the end of the exponentially decaying transhipment.
  • the voltage or current curve can also be chosen so that the transhipment is completed as quickly as possible. Then, for a short time, a measured current value at a known set voltage or a voltage value at a set current is measured, and then preferably directly poled again in the reverse direction with a suitable course.
  • this can be done by a current-controlled operation, for example, an operation in which the charge flow during polarity reversal a predetermined current profile is impressed.
  • a current-controlled operation for example, an operation in which the charge flow during polarity reversal a predetermined current profile is impressed.
  • this can be done by recharging in a constant current mode (CC, uniform current) instead of a constant voltage mode (CV, uniform voltage).
  • CC constant current mode
  • CV uniform voltage
  • FIG. 8 shows an example of a polarity reversal of the pumping voltage under different conditions.
  • the curve 174 shows the pump voltage curve, which is designed in this case rectangular periodically with the same residence time on positive and negative pumping voltage.
  • the two curves 176 and 178 denote the current response (ie the pumping current) at 3% oxygen (curve 176) or at -6% oxygen (curve 178).
  • the pump current is shown in arbitrary units on the I p axis.
  • the point 180 in FIG. 8 designates the state at which the current profile has settled, and to which a meaningful pump current measurement of the pumping current I p through the pumping cell 118 is thus possible.
  • this time period can be calculated, for example (for example, from the known R and C values) or determined empirically from empirical values.
  • this time period can be calculated, for example (for example, from the known R and C values) or determined empirically from empirical values.
  • the steady state is reached approximately 200 ms after the switchover.
  • a voltage-controlled transhipment with a suitable temporal voltage curve can be used.
  • a particular simple embodiment of such a voltage-controlled switching with a suitable temporal voltage curve is the abovementioned embodiment of an upstream voltage pulse.
  • a voltage pulse having a significantly increased voltage for example, a voltage increased by a factor of 3 may first precede the actual pumping voltage Uo. This is shown by way of example in FIG. Again, curve 174 represents the pump voltage curve, which in turn is plotted here in seconds, as in FIG.
  • this voltage pulse has a duration of approximately 50 ms and an amount of approximately 1.5 V.
  • the current response to the voltage waveform shown is represented by curves 176 (current response at 3% oxygen) and 178 (current response at -6% oxygen), respectively.
  • the pump current is shown in arbitrary units on the I p axis. It can be seen that a steady state 180 is achieved by this sounding as a whole already after 100 ms instead of the 200 ms in FIG. This allows the effective measuring frequency to be doubled again. Other adapted voltage curves may allow even higher speed increases.
  • the method according to the invention has hitherto been explained on a sensor element 114 with two diffusion barriers 146, 138.
  • the method described can in principle be used for different types of sensor elements 114, for example also for a sensor element 114 according to the embodiment in FIG. 1.
  • the diffusion restricting element is attached.
  • a diffusion barrier 138 exists in front of the second electrode 126 formed as an inner potential electrode.
  • a standard broadband lambda probe according to the sensor element 114 in FIG. 1 thus already fulfills the requirements for a sensor element 114 which can be used for the method according to the invention.
  • the first characteristic curve 170 is a characteristic of polarity of the sensor element 114 (this time, for example, according to the exemplary embodiment in FIG. 1), in which the first electrode 120 is used as the expansion electrode, and the second electrode 126 as the mounting electrode.
  • the second characteristic curve 172 again corresponds to a reverse polarity of the pumping voltage U p .
  • the first characteristic curve 170 in the lean air-fuel ratio range 166 increases substantially linearly.
  • the first characteristic curve 170 increases abruptly with decreasing oxygen concentration, that is to say as the fuel gas excess increases, since the diffusion resistance of the protective layer 130, which now acts as a diffusion barrier, is extremely low.
  • this sudden increase is limited by the fact that, starting from a certain pumping current, other limiting factors, such as, for example, subsequent delivery of gases through the diffusion barrier 138, which in theory is not limiting, become effective.
  • the first characteristic 170 goes into saturation.
  • the second characteristic curve 172 behaves in the lean air frequency range 166.
  • This fourth characteristic curve 184 in turn increases substantially strictly monotonically and, for example, in turn, again exhibits an approximately linear course.
  • two measured values are again measured by reversing polarity, for example by a voltage curve according to FIG. 8 or FIG. 9.
  • each measured value can be compared with the previously measured and buffered measured value of the reversed polarity and the smaller of these values can be used in each case.
  • the measured value in the pumping direction in which the electrode with the thick diffusion barrier 138 functions as a removing electrode, whereas in the lean air-number region 166, the opposite direction.
  • thick is meant in general a diffusion barrier with high diffusion resistance, wherein, alternatively or in addition to an increase in thickness, for example also a compaction or pore reduction, a reduction of the cross-section or similar measures can be used in that, under certain circumstances, the first electrode 122, which functions as an external potential electrode, can be equipped with a smaller electrode area, since a thick diffusion barrier is dispensed with in this first electrode 120. Such a reduced electrode area leads to a lower system capacity and thus to an accelerated transhipment Capacities at the Umpolen.
  • the determination of the minimum and the maximum of the two pump current measured values can be carried out in various ways, for example, as described above, by a direct comparison of these two measured values. Alternatively or additionally, however, this determination of the minimum can also take place by means of a plausibility analysis, for example by rejecting measured values which lie above a predetermined plausibility threshold or treating them separately. This can in turn be explained using the example of FIG.
  • the above-described measuring method of the minimum determination can be replaced by an even faster variant, which consists in pumping continuously in a pumping direction until the pumping current signal becomes higher than a predetermined limit value.
  • this threshold is chosen to reflect a pumping current above the highest oxygen value encountered in operation (eg,> 21%), or in the reverse pumping direction beyond the most realistic oxygen demand gas.
  • the limiting factor for the pole reversal frequency is the transhipment of the capacitances connected to the electrodes 120, 126. These may be for example a double-layer capacity, a cavity gas capacity or similar capacities involved.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a sensor element 114 which can be used in the context of the present invention (for example in a sensor arrangement 110 according to FIG. 1) and which can manage almost completely without recharging the electrodes 120, 126.
  • the sensor element 114 is fundamentally configured similar to the sensor elements 114 shown in FIGS. 2 and 3, so that reference may be made, for example, to the description of the sensor element 114 according to FIG.
  • the first electrode 120 and the second electrode 126 are each formed in several parts and each have first partial electrodes 186 and 188 and second partial electrodes 190 and 192, respectively. These sub-electrodes 186, 188, 190, 192 are each contactable by separate leads 116.
  • the first sub-electrodes 186, 188 can be used for a measurement in a first direction and the second sub-electrodes 190, 192 for a measurement with pump voltage in the reverse direction.
  • a suitable transient sound for example, with a square wave
  • a faster operation can be achieved, since now no reloading of the electrodes 120, 126 and their sub-electrodes is required more.
  • it is alternately pumped, for example, from the first part electrode 186 to the first part electrode 188 and then from the second part electrode 192 to the second part electrode 190.
  • the sensor element 114 according to the exemplary embodiment in FIG. 10 requires four drive lines 116 for contacting the sub-electrodes.
  • this increased complexity can be reduced by using a suitable wiring of the sub-electrodes, in which the sub-electrodes of an electrode are each contacted by a single control line 116, wherein diodes are used in a suitable manner, which ensure that always the "right An example of such a circuit is shown in Figure 11.
  • This circuitry may be included, for example, in the sensor element 114 and / or in the drive device 112, although the former is preferred for reducing the manufacturing outlay.
  • diodes 194 are accommodated in each of the control lines 116. In this case, in the drive line 116 to the first sub-electrode 186 of the first
  • Electrode 120 the diode 194 poled such that the forward direction corresponds to a current to the partial electrode 186.
  • a diode 194 is connected in the reverse direction.
  • a diode 194 is accommodated in the drive line 116, the forward direction of which corresponds to a current direction away from the first partial electrode 188.
  • a diode 194 is added with reverse polarity.
  • the drive lines 116 of the sub-electrodes 186, 190 and 188, 192 of each of the two electrodes 120, 126 are then combined to form two overall lines 196.
  • These diodes 194 cause positive voltages to be pumped only between the electrodes 190 and 192 while blocking the pumping path between the electrodes 186, 188 while preventing their discharge. At negative voltages however, only the pumping path between the sub-electrodes 186, 188 is active, while the pumping path between the sub-electrodes 190, 192 is blocked by the diode circuit.
  • the electrode pairs 186, 188 and 190, 192 thus always retain their polarity, although the polarity on the overall lines 196 constantly changes. This is shown symbolically in FIG. 12, in which the pumping voltage U p is plotted against time. In the periods indicated by 198 in FIG.
  • the pumping through the pumping cell is via the second sub-electrodes 190, 192, whereas in the periods indicated by the reference numeral 200, the pumping is through the first sub-electrodes 186, 188 ,
  • the change in the polarity of a pair of electrodes is always accompanied by the reloading of the capacitance of the electrodes.
  • the diodes 194 may be applied to the sensor element 114 by screen printing, for example, whereby the sensor element 114 has only two contacts of the overall lines 196 for pumping, plus one or two contacts for the heating element 144.
  • the diodes can also be integrated in the sensor housing or in a connector housing, for example in the control device 112. As a result, the sensor element 114 has four contacts, but the sensor has only four connections on the cable (three connections when a heater line and an electrode line are combined).
  • the diodes produced by means of screen printing can be constructed, for example, from doped SiC. Such diodes can be sintered, for example, at temperatures up to about 1400 0 C with the sensor element.
  • Silicon carbide-based diodes can be operated at temperatures of up to 650 ° C.
  • suitable design of the sensor element and appropriate arrangement of the sensor in the exhaust system can be achieved that occur in the rear part of the sensor element during operation no temperatures above 650 0 C. There, screen-mounted diodes should be placed.
  • the diodes 194 In an alternative attachment of the diodes 194 in the cable or connector are much lower demands on the temperature resistance to make. For this purpose, for example, a temperature resistance up to 200 0 C should be sufficient, as it is also met by simple, cheap diodes 194.
  • the diodes 194 can be mounted directly in this plug as the beginning of the sensor feed line.
  • the electrical control can be done by alternating positive and negative pump voltages. The magnitude and duration of these pump voltage pulses may vary, as in the other embodiments of the invention.
  • the device shown in FIG. 11 can be modified by interchanging the two lower sub-electrodes 190, 192, so that pumping takes place between the sub-electrodes 188 and 190 or 186 and 192.
  • an additional line piece without its own external contacting is provided in the electrolyte material above the sub-electrodes 186, 188 and / or below the sub-electrodes 190, 192.
  • FIG. 13 Another variant of the sensor element 114 is shown in FIG.
  • the supply lines can be combined to form two sub-electrodes, in particular a first sub-electrode and a second sub-electrode of different electrodes.
  • these are the drive lines of the first subelectrode 186 of the first electrode 120 and the second subelectrode 192 of the second electrode 126.
  • the electrodes 188 and 190 could also be combined, for example.
  • an electrode remains constantly at the same voltage in each pair of electrodes.
  • the number of sensor connection contacts thus corresponds to that of a standard broadband probe (three electrode connections), whereby one or two connections for the heating element 144 can additionally be added. These connections for the heating element 144 are not shown in FIG.
  • the sensor element 114 in FIG. 10 represents only one of several possibilities for designing the electrodes 120, 126 in each case in whole or in part in several parts.
  • the described sonicates in FIGS. 11 and 13, which are based on the idea of providing diodes in the leads to these sub-electrodes, in order to use different sub-electrodes at different polarities of the pumping voltage, are only some of the possibilities of a sonication of this arrangement.
  • a further variant of the multi-part design of the electrodes 120, 126 according to FIG. 10 would be, for example, designing the electrodes or sub-electrodes 120, 126, 186, 188, 190, 122 (or the further, additional electrodes) next to or behind one another.
  • the sonicating in FIGS. 11 and 13 could be used, or alternatively also alternative sonicating, which makes it possible to use only a few of the partial electrodes for one polarity in each case.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Dabei wird ein Sensorelement (114) verwendet, das mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine zweite Elektrode (126) und mindestens einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst. Die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) stehen derart mit dem Messgasraum (132) in Verbindung, dass diese mit Gas aus dem Messgasraum (132) beaufschlagbar sind. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: -mindestens eine erste Pumpspannung wird zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) angelegt, und mindestens ein erster Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) wird gemessen; -mindestens eine zweite Pumpspannung wird zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) angelegt, und mindestens ein zweiter Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (126) und der zweiten Elektrode (126) wird gemessen, wobei die zweite Pumpspannung eine zur ersten Pumpspannung umgekehrte Polarität aufweist. Mittels mindestens einer Linearkombination aus einem Maximum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom mit einem Minimum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom wird eine eindeutige Messgröße gebildet, aus der auf die physikalische Eigenschaft geschlossen wird.

Description

Beschreibung Titel
VERFAHREN . ZUR BESTIMMUNG EINER GASZUSAMMENSETZUNG IN EINEM MESSGASRAUM, SENSORELEMENT UND SENSORANORDNUNG
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen einge- setzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie, spielen.
Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d.h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d.h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d.h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunter- schuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Rege- lung von Brennern, z.B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Refe- renzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z.B. Yttrium- stabilisiertes ZrC^) oder ahn- liche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 Al, DE 199 38 416 Al und DE 10 2005 027 225 Al beschrieben.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messen- den Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei wel- chem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasge- misch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl
Lambda einsetzen. Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in DE 38 09 154 Cl und in DE 199 38 416 Al beschrieben.
In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombi- niert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppel- zeller" erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP O 678 740 Bl beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas werden die mehrzelligen Sensorelemente als amperometrische Gassensoren eingesetzt, wobei typischerweise Gassensoren mit drei Elektroden verwendet werden. Zwischen einer meist unter einer Schutzschicht liegenden äußeren Pumpelektrode (APE) und einer hinter einer Diffusionsbarriere angeordneten inne- ren Pumpelektrode (IPE) wird eine Pumpspannung angelegt. Durch Messung der Nernst- spannung, die sich zwischen IPE und einer in einer Referenzluft angeordneten Referenzelektrode (RE) einstellt, wird mindestens das Vorzeichen der Pumpspannung, besser noch das Vorzeichen und der Betrag der Pumpspannung, zwischen APE und IPE dynamisch eingestellt. So werden bei magerem Abgas Sauerstoffionen von der IPE zur APE gepumpt (positive Pumpspannung). Da die nachströmende Sauerstoffmenge durch die Diffusionsbarriere begrenzt wird, ist der gemessene IPE-APE-Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffmenge im Abgas. Im fetten Abgas hingegen werden Wasser oder Kohlendioxid an der APE zerlegt und Sauerstoffionen von dort zur IPE gepumpt (negative Pumpspannung). Dort reagieren der eingepumpte Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid ab, die in ihrem Nachstrom wiederum durch die Diffusionsbarriere begrenzt sind. Durch die Messung der Spannung zwischen IPE und RE wird sichergestellt, dass nicht zu viel Sauerstoff eingepumpt wird, sondern gerade nur so viel, dass sich an der IPE der Zustand λ = 1 ergibt (d.h. ein Zustand, in welchem Fettgase gerade abgesättigt sind). Dadurch ist der Pumpstrom auch im fetten Luftzahlbereich ein Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas.
Nachteilig an den mehrzelligen Aufbauten der Sensorelemente, wie beispielsweise dem zuvor beschriebenen Doppelzellen- Aufbau, ist jedoch die Komplexität derartiger Sensorelemente. Insbesondere die Anzahl der Elektroden und/oder die Anzahl der Zuleitungen zu diesen Elektroden stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar, welcher nach Möglichkeit re- duziert werden sollte. Insofern wäre es vorteilhaft, auf Einzeller- Anordnungen zurückgreifen zu können. Derartige Einzeller- Anordnungen mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen jedoch in der Praxis insbesondere das Problem auf, dass kein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Gasgemischzusammensetzung besteht. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein po- sitiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom verzeichnet, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 400 bis 700 mV, beispielsweise 500 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1 ,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom im fetten Be- reich ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen molekularen Wasserstoff oder andere Brenngase zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode be- einflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden kann. Die bei der H2O-Bildung an der Anode freiwerdende Energie kompensiert somit die zur H2O-
Zersetzung an der Kathode benötigte Energie, weshalb die Pumpspannung in der Regel unter 1 ,23 V liegt. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene, Sau- erstoff-liefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise C(VCO.
Wünschenswert wäre daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensorelements, welche mit möglichst wenig Elektroden und/oder Zuleitungen auskommen und welche es dennoch ermöglichen, den Sauerstoffgehalt über einen möglichst breiten Luftzahlbereich zu messen. DE 10 2005 054 144 Al beschreibt daher einen Gassensor mit einer Außenelektrode und einer Innenelektrode, welche jeweils durch Diffusionsbar- rieren von einem Messraum getrennt sind. Dabei weisen die beiden Diffusionsbarrieren unterschiedliche Diffusionskoeffizienten auf. Es wird eine Schaltung vorgesehen, welche durch Umpolen der Pumpspannung und einen Vergleich der Pumpströme vor und nach dem Umpolen eingerichtet ist, um fette Luftzahlbereiche von mageren Luftzahlbereichen zu unterscheiden. Problematisch an der in DE 10 2005 054 144 Al vorgeschlagenen Anordnung und dem vorgeschlagenen Messverfahren ist jedoch, dass das Umschalten der Pumpspannungen schnell durchgeführt werden muss, was aufgrund der Kapazitäten der Anordnung nicht beliebig schnell erfolgen kann. Es muss jedoch für den praktischen Einsatz eine Sensorgeschwindigkeit erreicht werden, die den Sensor zur Lambda-Regelung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Pkws, qualifiziert. Dazu müssen Lambda- Variationen mit einem Takt von wenigen Hertz zuverlässig erkannt werden, so dass eine Zeitauflösung von mindestens 100 bis 200 ms erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum vorgeschlagen, sowie ein Sensorelement und eine Sensoranordnung, welche sich insbesondere zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrens eignen und welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass die Begrenzung der Geschwindigkeit bekannter Umpolverfahren, wie beispielsweise des in DE 10 2005 054 144 Al beschriebenen Verfahrens, welches insbesondere durch die umzuladenden Kapazitäten (elektrische Kapazität der Elektroden und gegebenenfalls Doppelschichtkapazitäten) limitiert ist, durch geeignete Ausgestaltung des Sensorsystems und des Verfahrens verbessert werden kann. So muss beispielsweise nach einem Polaritätswechsel der Pumpspannung abgewartet werden, bis alle Kapazitäten umgeladen wurden und sich ein neuer, eingeschwungener Zustand eingestellt hat. Die vorliegende Erfindung beschreibt daher ein elektronisches Verfahren, mit dessen Hilfe die Zeitauflösung so weit gesteigert werden kann, dass eine Anwendung im Pkw möglich wird. Das Verfahren ist hinsichtlich der verwendeten Sensorelemente vergleichsweise flexibel und kann beispielsweise unter Verwendung konventioneller Breitbandsonden, einfacher Einzellen- Aufbauten, dem in DE 10 2005 054 144 Al beschriebenen Sensoraufbau sowie mit einem speziellen, erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensorelement durchgeführt werden. Besonders die Verwendung bekannter, konventioneller Breitbandsonden erlaubt eine kostengünstige Umsetzung des Verfahrens, da bekannte und erprobte Sensorgeometrien eingesetzt werden können.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum lässt sich insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine einsetzen, beispielsweise im Rahmen einer oder mehrerer der oben beschriebenen Lambdasonden. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Arten von physikalischen Eigenschaften des Gases messbar, beispielsweise Gaskonzentrationen anderer Gaskomponenten in dem Gas.
Das vorgeschlagene Verfahren verwendet ein Sensorelement mit mindestens einer ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Insofern umfasst das Sensor- element mindestens eine Pumpzelle. Dabei stehen die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart mit dem Messgasraum in Verbindung, dass diese beiden Elektroden jeweils mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sind. Wie unten näher ausgeführt, kann diese Beaufschlagung beispielsweise unmittelbar erfolgen und/oder kann über eine Schutzschicht (beispielsweise eine Schutzschicht, welche die Elektroden vor Verschmutzungen schützt) und/oder eine oder mehrere Diffusionsbarrieren erfolgen.
Das vorgeschlagene Verfahren baut auf der in DE 10 2005 054 144 Al beschriebenen Grundidee auf, welche darin besteht, dass bei Umpolung einer zwischen die beiden Elektroden angelegten Pumpspannung aufgrund von zwangsläufig vorhandenen (beispielsweise durch Bauteiltoleranzen bedingten) und/oder bewusst herbeigeführten Asymmetrien unterschiedliche Pumpströme gemessen werden, welche durch Umpolen einer Pumpspannung erfasst werden können. Dementsprechend wird mindestens eine erste Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt, so dass die Pumpzelle mit dieser ersten Pumpspannung beaufschlagt wird. Dabei (d.h. gleichzeitig oder zeitversetzt) wird mindestens ein erster Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten E- lektrode gemessen.
Anschließend wird mindestens eine zweite Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt (also wiederum an die Pumpzelle) und dabei (d.h. gleichzeitig und/oder zeitversetzt) mindestens ein zweiter Pumpstrom durch diese Pumpzelle gemessen. Dabei wird die zweite Pumpspannung derart gewählt, dass diese eine zur ersten Pumpspannung umgekehrte Polarität aufweist (Umpolen). Die zweite Pumpspannung kann insbesondere betragsmäßig gleich zu der ersten Pumpspannung ausgestaltet sein, wobei jedoch auch andere Arten einer zweiten Pumpspannung möglich sind.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die in DE 10 2005 054 144 Al genannten Plausibilitätsüberlegungen dahingehend abzuwandeln, dass aus den gemesse- nen Pumpströmen (d.h. direkt aus diese Pumpströmen und/oder aus aus diesen Pumpströmen abgeleiteten Messgrößen) eine eindeutige Messgröße gebildet wird. Diese eindeutige Messgröße soll derart gewählt sein, dass diese, im Gegensatz zum Pumpstrom selbst, einen im Wesentlichen (d.h. beispielsweise von gerätebedingten Schwankungen oder Rauschen abgesehen) eindeutigen, d.h. umkehrbaren, Zusammenhang mit der physikalischen Eigen- schaft des Gases, beispielsweise einer Gasgemischszusammensetzung, insbesondere einer Sauerstoffkonzentration (beziehungsweise einer anderen Messgaskonzentration), aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine monoton oder streng monoton mit der physikalischen Eigenschaft des Gases, beispielsweise der Sauerstoffkonzentration, steigende oder fallende eindeutige Messgröße handeln, aus welcher auf die physikalische Eigenschaft ge- schlössen werden kann. Die vorliegende Erfindung schlägt hierfür vor, diese eindeutige
Messgröße dadurch zu bilden, dass zunächst das Minimum und das Maximum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom ermittelt werden. Anschließend wird mindestens eine vorgegebene Linearkombination aus diesem Minimum und diesem Maximum gebildet und hierdurch die eindeutige Messgröße generiert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer „Linearkombination" des Minimums MIN und des Maximums MAX der beiden Pumpströme eine Kombination der folgenden Art zu verstehen:
Φ = a - MIN + b - MAX + c (1),
wobei die Koeffizienten a, b und c beliebige Zahlen, beispielsweise reelle Zahlen, sein können, welche jeweils auch den Wert 0 annehmen können. Dabei sind a, b und c derart ge- wählt, dass die eindeutige Messgröße Φ , wie oben ausgeführt, an jedem Messpunkt eines vorgegebenen Bereiches einen eindeutigen Rückschluss auf die physikalische Eigenschaft erlaubt. Die Koeffizienten a oder b können dabei auch (jedoch nicht gleichzeitig) den Wert Null annehmen. Auch c kann den Wert Null annehmen. Im Rahmen der vorliegenden Erfin- düng sind aufgrund der einfachen Umsetzbarkeit besonders drei Arten der Linearkombination bevorzugt. Zum einen können jeweils das Minimum (das heißt b = 0 und c = 0) oder das Maximum (das heißt a = 0 und c = 0) selbst als Linearkombination verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein Summenpumpstrom aus dem Maximum und dem Minimum gebildet werden und dieser als Linearkombination Φ verwendet werden. In diesem Fall könnten beispielsweise a = b und ggf. c = 0 für die Koeffizienten verwendet werden. In diesem Fall könnte sogar auf einen Verfahrensschritt, in welchem explizit bestimmt wird, welcher der beiden Pumpströme das Minimum und welcher das Maximum darstellt, verzichtet werden, da diese Information bei der Summenbildung ohnehin keine Rolle spielt. Allgemein müssen das Maximum und das Minimum zur Umsetzung des erfϊn- dungsgemäßen Verfahren nicht explizit bestimmt werden, sondern es kann auch unmittelbar beispielsweise eine Linearkombination dieses Minimums und dieses Maximums bestimmt werden. Weitere Ausführungsbeispiele dieser Idee werden unten weiter ausgeführt.
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere mittels einer Sensoranordnung umgesetzt werden, welche mindestens eine Ansteuereinrichtung aufweist. Diese elektrische Ansteuereinrichtung erlaubt es, schnell die für das Verfahren notwendigen Teilmesswerte (zum Beispiel den ersten Pumpstrom und den zweiten Pumpstrom) zu generieren und/oder zu ermitteln und diese Teilmesswerte zu der eindeutigen Messgröße zusammenzusetzen. Insgesamt ergibt sich hieraus ein Sensorbetriebsmodus für ein Sensorelement, welcher eine eindeutige Kennlinie über einen weiten Bereich der physikalischen Größe, insbesondere über einen weiten Lambdabereich, zeigt, was weitgehend unabhängig ist von der Sensorgeometrie. Insbesondere können auch Sensorelemente mit nur zwei Elektroden in verschiedenen möglichen Geometrien und/oder herkömmliche Sensorelemente eingesetzt werden. Der Betrieb des Sensorelements kann mit einer hohen Dynamik erfolgen.
Weiterhin werden verschiedene Verbesserungen des vorgeschlagenen Verfahrens vorgeschlagen, welche insbesondere die Taktfrequenz des Verfahrens erhöhen. So kann insbesondere das Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung, neben einem einfachen spannungsgeregelten Modus, in einem stromgeregelten Betrieb er- folgen, um die Umschaltzeit weiter zu verringern. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, beim Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung zunächst mindestens einen Spannungspuls an die Pumpzelle anzulegen, welcher relativ zur zweiten Pumpspannung gleiche Polarität aufweist, wobei der Spannungspuls einen grö- ßeren Betrag aufweist als die zweite Pumpspannung. Auf diese Weise kann das Umladen der Kapazitäten beschleunigt werden. Beispielsweise kann der Spannungspuls um mindestens einen Faktor 1,5, insbesondere um mindestens einen Faktor 2 und besonders bevorzugt um mindestens einen Faktor 3 höher gewählt werden als die zweite Pumpspannung. Der Spannungspuls kann insbesondere eine Länge zwischen 2 und 100 Mikrosekunden und vorzugsweise zwischen 20 Mikrosekunden und 50 Mikrosekunden aufweisen. Auch andere Arten von Spannungspulsen oder Spannungspulskombinationen sind jedoch denkbar.
Das Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung kann dabei periodisch wiederholt werden, wobei dann die erste Pumpspannung und die zweite Pumpspannung die Rollen tauschen und das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß wiederholt wird. Bei dieser Wiederholung kann beispielsweise wiederum ein Spannungspuls verwendet werden, welcher dann in diesem Fall der ersten Pumpspannung vorgeschaltet wird.
Wie oben beschrieben, beruht das vorgeschlagene Verfahren insbesondere auf einer Asymmetrie zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, welche in den meisten Sensorelementen auf natürliche Weise vorhanden ist. Diese Asymmetrie kann jedoch auch künstlich herbeigeführt werden, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders be- vorzugt ist. So können die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils über eine erste beziehungsweise zweite Verbindung mit dem Messgasraum verbunden sein. Diese Verbindungen können beispielsweise in Form von Bohrungen, Öffnungen oder ähnlichem ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können jedoch eine oder beide der Elektroden unmittelbar dem Messgasraum ausgesetzt sein, das heißt eine freie Oberfläche hin zu diesem Messgasraum aufweisen oder eine lediglich durch eine Schutzschicht oder dünne Diffusionsbarriere bedeckte Oberfläche. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Verbindung und die zweite Verbindung eine Asymmetrie aufweisen, so dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode unterschiedliche Grenzströme aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich diese Grenzströme um mindestens 10 % unterscheiden, wobei jedoch auch höhere Unterschiede, beispielsweise um einen Faktor 20, möglich sind.
Der Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom, d.h. der maximale Pumpstrom für die reine Sauerstoffzersetzung (bzw. Messgaszersetzung), welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom, welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise wird das Sensor- element mit diesem Grenzstrom betrieben, d.h. mit einer (siehe oben) ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport" ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration. Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben wird.
Die Einstellung der unterschiedlichen Grenzströme der beiden Elektroden beziehungsweise der beiden Verbindungen, in Kombination mit den Elektroden, kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass in einer oder in beiden dieser Verbindungen Diffusionsbarrieren vorgesehen werden. Diese mindestens eine Diffusionsbarriere weist einen Diffusionswiderstand auf. Dabei sind die Diffusionsbarrieren vorzugsweise derart gewählt, dass sich die Diffusionswiderstände der beiden Diffusionsbarrieren der beiden Verbindungen um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 3 (beziehungsweise um die Kehrwerte dieser Zahlen) unterscheiden. Der Diffusionswiderstand ist dabei derjenige Widerstand, welchen eine Diffusionsbarriere einem Konzentrationsunterschied Δc zwischen beiden Seiten der Diffusionsbarriere der Länge 1 und des Querschnitts A entgegensetzt und welcher somit eine Diffusion (Strom IGas) behindert:
IGas = -D . A. Δc (2)
Der Diffusionskoeffizient D setzt sich (invers additiv) aus den Diffusionskoeffizienten für die Gasphasendiffusion und für die Knudsendiffusion zusammen, welche beide unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen. Die Temperaturabhängigkeit des Flusses hängt somit von den Anteilen der einzelnen Diffusionsarten ab. Typischerweise ändert sich der Fluss bei einer Temperaturänderung um 100 0C um ca. 4 %. Für die Einstellung eines gewünschten Grenzstromes kann also auf die Geometrie der Widerstandselemente (Querschnitt, Länge) oder auch auf die Materialeigenschaften und die Temperatur eingewirkt werden.
Unter einer „Diffusionsbarriere" ist allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein poröses Element zu verstehen, beispielsweise ein keramisches poröses Element, welches einen Diffusionswiderstand aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff Diffusionsbarriere jedoch auch andere Arten von Elementen beinhalten, welche einer Diffusion einen Widerstand entgegensetzen. Beispielsweise wären hierbei poröse Abdeckschichten, Kanäle (insbesondere Kanäle mit reduziertem Querschnitt), Kombinationen aus Kanälen oder ähnliche Elemente oder Kombinationen von Elementen zu nennen. Die ge- nannten Möglichkeiten sind auch beliebig kombinierbar, um einen gewünschten Diffusionswiderstand einzustellen.
Für diese Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise dasselbe Diffusi- onsmedium (z.B. ein poröses Material) für die beiden Diffusionsbarrieren eingesetzt werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise vor der mindestens einen ersten Elektrode eine höhere Schichtdicke verwendet wird als vor der mindestens einen zweiten Elektrode. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche der Diffusionsbarrieren erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest näherungsweise proportional mit der für die Diffusion zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, und umgekehrt proportional mit der Länge beziehungsweise Schichtdicke der Diffusionsbarrieren an.
Wie oben beschrieben, können die beiden Verbindungen, welche eine Beaufschlagung der beiden Elektroden mit Gas aus dem Messgasraum ermöglichen, auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise kann ein Sensorelement verwendet werden, bei welchem die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch mindestens eine Deckschicht von dem Messgasraum getrennt sind. Die erste Verbindung und die zweite Verbindung können dabei jeweils ein oder mehrere Gaszutritts löcher umfassen, welche vorzugsweise für die erste Verbindung und die zweite Verbindung zumindest teilweise getrennt ausgebildet sind und welche die mindestens eine Deckschicht durchdringen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Schichtaufbau verwendet werden, in welchem die erste Elektrode und die zweite Elektrode in derselben Schichtebene des Schichtaufbaus angeordnet sind, also nebeneinander, im Gegensatz zu der gestapelten Ausführung gemäß DE 10 2005 054 144 A2. Auf diese Weise können Schichtebenen eingespart werden, und der gesamte Sensoraufbau kann stark verein- facht werden. Wie oben beschrieben, können jedoch auch andere Arten von Sensorelementen eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelement und einer Ansteuereinrichtung; Figur 2 ein zu dem Sensorelement in Figur 1 alternatives, erfϊndungsgemäßes Sensorelement;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
Figur 4 eine Pumpstrom-Kennlinie als Funktion eines Gas-Partialdrucks;
Figur 5 Pumpstrom-Kennlinien analog zu Figur 4 mit und ohne Umpolung der Pumpspannung;
Figur 6 die Pumpstrom-Kennlinie gemäß Figur 5 mit zusätzlich einer Summenpump- strom-Kennlinie;
Figur 7 Pumpstrom-Kennlinien bei Sensorelementen mit nahezu ungehindertem Gaszu- tritt zu einer Elektrode;
Figur 8 Pumpströme beim Umpolen der Pumpspannung;
Figur 9 Pumpströme beim Umschalten mit einem zusätzlichen Spannungspuls;
Figur 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements;
Figur 11 ein Ausfuhrungsbeispiel einer Beschaltung des Sensorelements gemäß Figur 10;
Figur 12 einen Pumpspannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelements gemäß Figur 10 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figur 13 eine zu Figur 11 alternative Beschaltung des Sensorelements gemäß Figur 10.
Ausfuhrungsformen
In Figur 1 ist ein Ausfuhrungsbeispiel einer Sensoranordnung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel neben einer Ansteuereinrichtung 112, welche beispielsweise Pumpspannungen und/oder Pumpströme bereitstellen kann, Messfunktionen übernehmen kann oder ähnliche Aufgaben übernehmen kann, ein Sensorelement 114. Die Ansteuereinrichtung 112 kann beispielsweise mindestens eine der folgenden Vorrichtungen enthalten: eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine Strommessvorrichtung, insbesondere zum Messen eines Pumpstroms, eine Spannungsmessvorrichtung, insbesondere zum Messen einer Pumpspannung und/oder zum Messen einer Referenzspannung, eine oder mehrere Regelvorrichtungen sowie weitere Funktionen, beispielsweise logische Funktionen, Speicherfunktionen oder ähnliches. Insbesondere kann die Ansteuereinrichtung 112 auch einen oder mehrere Datenverarbeitungsein- richtungen umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Mikrocomputer. Die Ansteuereinrichtung 112 kann zentralisiert, d.h. einstückig und/oder in einem einzelnen Gehäuse aufgenommen, ausgestaltet sein oder auch dezentralisiert, d.h. beispielsweise in mehreren separaten Komponenten verteilt, ausgestaltet werden. Der mindestens eine Mikrocomputer kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um das oben vorgeschlagene Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen zu steuern beziehungsweise ganz oder teilweise umzusetzen. Die Ansteuereinrichtung 112 ist über Ansteuerleitungen 116 mit dem Sensorelement 114 verbunden.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht das Sensorelement 114 einem aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelement. Dieses Sensorelement 114 kann jedoch durch andere Arten von Sensorelementen ausgetauscht werden, beispielsweise gegen die in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Sensorelementen. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 114 ist ein kommerziell erhältliches Breitband- Sensorelement, dessen Funktionsweise beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2001, Seiten 116-117, beschrieben ist. Das Sensorelement 114 umfasst eine Pumpzelle 118 mit einer ersten Elektrode 120, einem Festelektrolyten 122 und einer in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildeten, in einem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten zweiten Elektrode 126.
Während die erste Elektrode 120 in diesem Fall über eine erste Verbindung 128, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine einfache, gasdurchlässige Schutzschicht 130 umfasst, mit einem das zu messende Gasgemisch enthaltenden Messgasraum 132 in Verbindung steht, ist die zweite Elektrode 126 im Inneren des Sensorelements 114 angeordnet. Zur Beaufschlagung der zweiten Elektrode 126 mit Gas aus dem Messgasraum 132 ist eine zweite Verbin- düng 134 vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel ein Gaszutrittsloch 136, den Elektrodenhohlraum 124 und eine zwischen dem Elektrodenhohlraum 124 und dem Gaszutrittsloch 136 angeordnete, der zweiten Verbindung 134 zugeordnete zweite Diffusionsbarriere 138 umfasst. Das Gaszutrittsloch 136 ist senkrecht zu dem in Figur 1 dargestellten Schichtaufbau angeordnet und durchdringt den Festelektrolyten 122.
Weiterhin umfasst das als Breitbandsonde ausgestaltete Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 einen Referenzluftkanal 140 mit einer Referenzelektrode 142, sowie ein Heizelement 144. Auf die Funktionen der Referenzelektrode 142 und des Heizelements 144 wird im Folgenden nicht näher eingegangen, sondern es sei diesbezüglich auf die Beschreibung der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente 114 verwiesen. In Anlehnung an die in der Literatur verwendete Nomenklatur wird die erste Elektrode 120, welche in diesem Ausführungsbeispiel als äußere Elektrode ausgestaltet ist, auch als APE (äußere Potenzialelektrode oder äußere Pumpelektrode) bezeichnet, die zweite Elektrode 126 als IPE (innere Potenzialelektrode oder innere Pumpelektrode) und die Referenzelektrode 142 als RE.
In den Figuren 2 und 3 sind mögliche alternative Ausgestaltungen des Sensorelements 114 dargestellt, wobei in dieser Darstellung auf eine möglicherweise zusätzlich vorhandene Ansteuereinrichtung 112 verzichtet wurde. Während bei dem Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 die erste Elektrode 120 lediglich durch eine Schutzschicht 130 vom Messgasraum 132 getrennt wurde, weist bei den Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 und 3 auch die erste Verbindung 128, über welche die erste Elektrode 120 mit Gas aus dem Messgasraum 132 beaufschlagt werden kann, eine erste Diffusionsbarriere 146 auf. Weiterhin ist ein erster Elektrodenhohlraum 148 vorgesehen, welcher, gemeinsam mit der ersten Diffusionsbarriere 146, die erste Verbindung 128 bildet. Analog weist die zweite Elektrode 126 einen zweiten Elektrodenhohlraum 150 auf, welcher dem Elektrodenhohlraum 124 gemäß Figur 1 entspricht und welcher, gemeinsam mit der zweiten Diffusionsbar- riere 138, die zweite Verbindung 134 zwischen der zweiten Elektrode 126 und dem Messgasraum 132 bildet. Weiterhin ist wiederum auch ein Heizelement 144 vorgesehen.
Während bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 die Elektrodenhohlräume 148, 150 vom Messgasraum 132 durch eine einfache Deckschicht 152 (welche auch ganz oder teilweise von dem Festelektrolyten 122 gebildet werden kann) getrennt sind, sind bei einem dritten Ausführungsbeispiel des Sensorelements 114 gemäß Figur 3 beide Elektroden 120, 126 vollständig im Inneren des Sensorelements 114 angeordnet und durch eine Deckschicht 152 vollständig vom Messgasraum 132 getrennt. Diese Deckschicht 152 kann beispielsweise wiederum eine Festelektrolytschicht 122 umfassen beziehungsweise sein. Beide Elektroden 120, 126 sind in diesem Ausführungsbeispiel als zweiteilige Elektroden ausgebildet und in einem ersten beziehungsweise zweiten Elektrodenhohlraum 148, 150 angeordnet und durch Elektrodenzuleitungen 116, Durchkontaktierungen 154 und Elektrodenkontakte 156 kon- taktierbar. Auch ein Heizelement 144 mit Isolationsfolien 158 und Heizwiderständen 160 ist wiederum vorgesehen.
Um die Elektroden 120, 126 mit Gas aus dem Gasraum 132 zu beaufschlagen, sind wieder Verbindungen 128, 134 vorgesehen. Diese Verbindungen, welche auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material gefüllt sein können, umfassen neben den E- lektrodenhohlräumen 148, 150 ein erstes Gaszutrittsloch 162 beziehungsweise ein zweites Gaszutrittsloch 164 und eine erste Diffusionsbarriere 146 sowie eine zweite Diffusionsbarriere 138. Die Elektroden 120 und 126 sind zudem in derselben Schichtebene des Schichtaufbaus gemäß Figur 3 angeordnet, was eine Einbringung zusätzlicher Schichten, wie bei- spielsweise in DE 10 2005 054 144 Al dargestellt, vermeidbar macht. Auch das in dieser Druckschrift beschriebene Sensorelement ist jedoch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.
Wie eingangs beschrieben, beruht das vorliegende Verfahren auf Asymmetrieeffekten zwi- sehen den beiden Elektroden 120, 126 beziehungsweise der aus diesen Elektroden und dem Festelektrolyten 122 gebildeten Pumpzelle 118. Bisherige Designs sind in der Regel derart optimiert, dass im mageren Betrieb die Kennlinie des Pumpstroms eindeutig ist, so dass in der Regel kein Pumpstrom im fetten Betrieb messbar ist. Bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Beispielen sind die Pumpzellen 118 jedoch derart ausgestaltet, dass beide Elekt- roden 120, 126 eine Anbindung an den Messgasraum 132 erfahren. Ergebnis dieses Designs ist eine V-förmige Kennlinie. Je nachdem, wie die Diffusionswiderstände beziehungsweise Strömungswiderstände der Verbindungen 128 und 134 zueinander ausgestaltet sind, werden nun Grenzströme für die Fettgasreaktion an der Anode (H2O-Zersetzung an der Kathode) gemessen. Welche der Elektroden 120, 126 dabei als Anode und welche als Kathode fun- giert, hängt dabei von der Beschallung ab. Grenzströme im Fettbetrieb und im Magerbetrieb sind positiv, wodurch die Kennlinie nicht eindeutig ist.
Ein Ausführungsbeispiel verschiedener Pumpstromkennlinien ist in Figur 4 für das in Figur 3 gezeigte Sensorelement 114 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass die erste Elektrode 120 in Figur 3 als Anode beschaltet wird, und die zweite Elektrode 126 als Kathode. Dabei wurden für verschiedene Sensorelemente 114 die Pumpströme Ip (in Figur 4 in willkürlichen Einheiten dargestellt und mit einem Offset versehen) durch die Pumpzelle 118 gemessen. Auf der x- Achse ist dabei die Gasgemischszusammensetzung aufgetragen, welche im positiven Bereich (Werte > 0) den Partialdruck p (angegeben in Prozent) des Sauerstoffs O2 im Gasgemisch bezeichnet, und im negativen Bereich (Werte < 0) den Partialdruck der Fettgaskomponenten (hier symbolisch mit H2 bezeichnet), welcher einem Sauerstoff- Unterschuss gegenüber dem Gleichgewicht λ = 1 (d.h. dem Nullpunkt der x- Achse in Figur 4) entspricht.
Bei den in Figur 4 dargestellten Messungen wurde dabei das Verhältnis der Diffusionswiderstände beziehungsweise Strömungswiderstände der Verbindungen 128 und 134 in Figur 3 variiert. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der in Figur 3 mit d bezeichnete Abstand zwischen dem ersten Gaszutrittsloch 162 und der ersten Elektrode 120, d.h. die Länge der ersten Diffusionsbarriere 146, variiert wurde. Die angegebenen Zahlenwerte stellen diesen Abstand d in mm dar. Dabei ist zu erkennen, dass sämtliche Sensorelemente 114 im mageren Bereich, welcher in Figur 4 mit Bezugsziffer 166 bezeichnet ist, eine nahezu identische Kennlinie aufweisen, da es für diesen mageren Bereich 166 im Wesentlichen nicht auf die Länge der ersten Diffusionsbarriere 146 der als Anode wirkenden ersten Elektrode 120 ankommt. Im fetten Bereich, welcher in Figur 4 symbolisch mit der Bezugsziffer 168 bezeichnet ist, unterscheiden sich die Kennlinien der Sensorelemente 114 jedoch stark. Je nachdem, wie groß der Diffusionswiderstand vor der Anode 120 ist, werden nun Grenzströme für die Fettgasoxidation an dieser Anode 120 (H2O-Zersetzung an der Kathode) gemessen. Dies zeigt, dass die Steigung des Fettastes der Kennlinie in Figur 4 durch Variation des Diffusionswiderstandes der Verbindung (in diesem Fall der ersten Verbindung 128 vor der als Anode beschalteten ersten Elektrode 120) gezielt beeinflusst werden kann, so dass sich der Kennlinienverlauf im mageren Bereich 166 („Magerast") und der Kennlinienverlauf im fetten Bereich 168 („Fettast") unterschiedlich einstellen lassen. Entsprechend der unterschiedlichen Verläufe (beispielsweise der unterschiedlichen Steigungen, da diese Mager- beziehungsweise Fettäste näherungsweise Geraden darstellen) lassen sich Fettbetrieb und Magerbetrieb unterscheiden und die Grenzströme dementsprechend zuordnen. Die unterschiedlichen Steigungen des Fett- und Magerastes bilden ein „gekipptes V" mit unterschiedlich ansteigenden Armen und ermöglichen somit beim schnellen Umschalten der Pumpspannung die Auswertung beider Äste.
Die Grenzströme der Verbindungen 128, 134, insbesondere der Diffusionsbarrieren 146, 138, sollten sich dabei um mindestens 10 % unterscheiden. Dabei sind auch durchaus Unterschiede um einen Faktor 20 möglich. Mit diesen Werten lassen sich insgesamt mittels einer geeigneten Ansteuereinrichtung 112, die eine entsprechende Auswerteschaltung beinhaltet, plausible Signale messen. Anzustreben ist insbesondere ein Faktor zwischen 1,5 und 3 im Diffusionswiderstand der Diffusionsbarrieren 146, 138. Auch größere oder kleinere Unterschiede im Diffusionswiderstand sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Messbereich für die Grenzströme kann dabei beispielsweise im Bereich zwischen 1 mA und 20 mA liegen. Ein optimaler Bereich liegt üblicherweise zwischen 1,5 mA und 6,0 mA. Die Grenzströme (die Pumpströme IP in Figur 4 sind derartige Grenzströme) lassen sich beispielsweise durch entsprechende Gestaltung der Elektroden 120, 126 und der Diffusionsbarrieren 146, 138 einstellen. Beim Betrieb mit einer konstanten Festspannung bestimmt also im mageren Bereich 166 die zweite Diffusionsbarriere 138 vor der zweiten Elektrode 126, welche als einbauende Elektrode (IPE) wirkt, den Strom, wohingegen im fetten Bereich 168 die erste Diffusionsbarriere 146 an der als ausbauende Elektrode (APE) wirkenden ersten Elektrode 120 den Strom bestimmt. In Figur 5 sind weitere Pumpstromkennlinien dargestellt, anhand derer das Messprinzip, welches auf der Asymmetrie zwischen Mager- und Fettast beruht, näher erläutert werden soll. Die Darstellung ist prinzipiell die gleiche zur Darstellung in Figur 4, so dass wiederum der Pumpstrom Ip (wiederum angegeben in willkürlichen Einheiten und mit einem Offset versehen) gegen die Gasgemischszusammensetzung (hier Sauerstoff-Partialdruck p in %) aufgetragen ist. Aufgetragen ist hierbei zunächst eine erste Kennlinie 170, welche den Messwerten in Figur 4 entspricht. Diese erste Kennlinie 170 wurde mit der oben beschriebenen Beschaltung, bei welcher die erste Elektrode 120 als ausbauende Elektrode und die zweite Elektrode 126 als einbauende Elektrode wirkt, aufgenommen. Die Pumpspannung an der Pumpzelle 118 wurde für diese erste Kennlinie 170 zu -500 mV gewählt (das Vorzeichen ergibt sich aus der genannten Beschaltung). Dabei wird, wie oben beschrieben, im mageren Bereich 166 der Pumpstrom der ersten Kennlinie 170 durch die zweite Diffusionsbarriere 138 in der zweiten Verbindung 134 hin zur zweiten Elektrode 126 bestimmt (in Figur 5 mit DBl bezeichnet), wohingegen im fetten Bereich 168 die erste Diffusionsbarriere 146 der entscheidende Faktor für den Pumpstrom ist (in Figur 5 mit DB2 bezeichnet). Weiterhin ist in Figur 5 eine zweite Kennlinie 172 aufgetragen, welche sich daraus ergibt, dass die Pumpspannung Up an der Pumpzelle 118 umgepolt wurde. Die Pumpspannung beträgt in diesem Fall beispielsweise +500 V, wobei sich das Vorzeichen wiederum aus der Beschaltung ergibt. Dabei wird bei dieser Umpolung die erste Elektrode 120 als einbauende Elekt- rode geschaltet, und die zweite Elektrode 126 als ausbauende Elektrode. In diesem Fall haben sich die Einflüsse der beiden Diffusionsbarrieren 146, 138 umgekehrt, da sich die Rollen von einbauender und ausbauender Elektrode beziehungsweise Diffusionsbarriere vertauscht haben. Es ist festzustellen, dass zumindest in einem Bereich um λ = 1 (p = 0) die erste Kennlinie 170 und die zweite Kennlinie 172 sich jeweils zumindest näherungsweise durch eine Punktspiegelung am Nullpunkt auseinander ergeben.
Durch Vergleich der beiden Kennlinien 170, 172 in Figur 5 ist eine eindeutige Zuordnung zu fettem oder magerem Abgas möglich, solange die Kennlinien 170, 172 einen asymmetrischen Verlauf zu einer senkrechten Achse um p = 0 aufweisen. Allerdings ist dieses Ver- gleichsverfahren, bei welchem beispielsweise mit einer Rechteckspannung periodisch die Pumpspannung Up umgepolt wird, vergleichsweise langsam, und übliche Frequenzen liegen bei ca. 2,5 Hertz. Weiterhin beruht das vorgeschlagene Verfahren auf einem „Trial-and- error"- Verfahren, ob sich das Gasgemisch im Messgasraum 132 im mageren Bereich 166 oder im fetten Bereich 168 befindet, was unbefriedigend und nicht unbedingt zielführend ist. Bei dem vorgeschlagenen, oben beschriebenen Verfahren, wird hingegen eine Kennlinie einer eindeutigen Messgröße gebildet, anhand derer nicht nur eine eindeutige Zuordnung der Pumpströme Ip zu einem Luftbereich möglich ist, sondern welches unter Umständen auch schneller durchgeführt werden kann als ein Verfahren, bei welchem periodisch zwischen einer positiven und einer negativen Pumpspannung Up umgeschaltet wird.
Das beschriebene Verfahren, welches anhand Figur 6 beschrieben werden soll, setzt sich aus mehreren Teilschritten zusammen. Ausgangspunkt sind die Kennlinien 170 und 172, wie sie bereits in Figur 5 aufgetragen wurden. Die Darstellung in Figur 6 ist im Wesentlichen identisch zur Darstellung gemäß Figur 5, wobei wiederum der Pumpstrom Ip in willkürlichen Einheiten gegen den Sauerstoff-Partialdruck p in % aufgetragen ist. Zusätzlich zu den beiden Kennlinien 170, 172 ist jedoch eine weitere, dritte Kennlinie 173 dargestellt, welche eine eindeutige Messgröße darstellt. Es ist zu erkennen, dass diese dritte Kennlinie 173 im Wesentlichen einen streng monotonen (in diesem Fall streng monoton steigenden) Verlauf aufweist und somit (zumindest in der Nähe von λ = 1 , p = 0) eine eindeutige Zuordnung zwischen der eindeutigen Messgröße und einem Sauerstoffpartialdruck p beziehungsweise einer Luftzahl λ ermöglicht. Die dritte Kennlinie 173 stellt eine Linearkombination der bei- den Kennlinien 170, 172 dar, welche beispielsweise zuvor festgelegt und in der Ansteuereinrichtung 112 numerisch, analytisch, als Tabelle, als Funktion oder in einer sonstigen bekannten Weise hinterlegt werden kann. In dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Linearkombination eine einfache Summe der beiden Kennlinien 170, 172 gewählt. Diese dritte Kennlinie 173, welche monoton oder sogar streng monoton wachsend ist, ist zumin- dest näherungsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sogar linear.
Die elektronische Umsetzung dieser Linearkombination ist besonders einfach. Es wird beispielsweise zunächst ein erster Pumpstrom mit einer ersten Polarität der Pumpspannung Up an der Pumpzelle 118 gemessen und dieser erste Pumpstrom als Zwischenwert beispielswei- se zwischengespeichert. Anschließend wird die Polarität der Pumpspannung umgepolt und ein zweiter Pumpstrom gemessen. Aus dem aktuellen und gespeicherten letzten Messwert erhält man somit direkt per Summation die eindeutige Messgröße der Kennlinie 173. Erfolgt dieses Umpolen wechselweise, so kann jeweils der vorherige Messwert zwischengespeichert werden, beispielsweise mittels eines Sample-and-Hold- Verfahrens oder ähnlichem. Aus der dadurch gewonnenen eindeutigen Messgröße kann, beispielsweise durch Vergleich mit hinterlegten Kurven, Tabellen, analytischen Funktionen oder ähnlichem, unmittelbar auf die Gaszusammensetzung beziehungsweise den Sauerstoffpartialdruck p geschlossen werden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die effektive Messfrequenz doppelt so hoch ist wie die Umschaltfrequenz der Umpolung der Pumpspannung Up.
Grundsätzlich ist trotz der Verdoppelung der effektiven Messfrequenz dafür Sorge zu tragen, dass der Messvorgang weiter verkürzt wird. Ein in der Regel limitierender Faktor liegt darin, dass jede Spannungsänderung der Pumpspannung Up (also zum Beispiel eine Ände- rung von +500 mV auf -500 mV) zuerst eine Umladung der Kapazitäten des Sensorelements 114 nach sich zieht. Relevant hierfür sind insbesondere elektrische Doppelschichtkapazitäten sowie die elektrische Kapazität der Elektroden 120, 126 oder ähnlicher Kapazitäten. Mit den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Sensorelementen 114 lassen sich Umlade- zeiten von 200 ms und weniger in einer Richtung im Labor beobachten, bevor ein eingeschwungener Zustand erreicht wird. Die Grenzfrequenz dieses Verfahrens liegt also beispielsweise bei ca. 5 Hz. Kürzere Umladezeiten können, insbesondere in der Umgebung von λ = 1 , zu Abweichungen von den erwarteten Kennlinien führen.
Eine Möglichkeit, die Messfrequenz weiter zu erhöhen, besteht in einer Optimierung der Geometrie des Sensorelements 114, insbesondere der Elektroden 120, 126 und/oder Elektrodenhohlräume 148, 150. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer Verringerung des Zuleitungselektrolyt-Widerstands. Eine Möglichkeit, welche alternativ oder zusätzlich zur eine Bauteiloptimierung genutzt werden kann, besteht in einer elektronischen Beschleunigung der Umladung und damit einer erhöhten Messfrequenz. So kann die Umpolung zwischen positiven und negativen Pumpspannungen Up beispielsweise mittels einer periodischen oder nicht-periodischen Rechteckspannung erfolgen. Hierbei wird eine Rechteckspannung angelegt und für die Messung auf das Ende der exponentiell abklingenden Umladung zugewartet. Anstelle einer derartigen Rechteckspannung kann jedoch der Spannungs- oder Strom- verlauf auch so gewählt werden, dass die Umladung so schnell wie möglich abgeschlossen wird. Dann wird für kurze Zeit ein Strommesswert bei bekannter eingestellter Spannung oder ein Spannungswert bei eingestelltem Strom gemessen, um danach vorzugsweise unmittelbar wieder in die umgekehrte Richtung mit geeignetem Verlauf zu polen.
In einem Ausführungsbeispiel kann dies durch einen stromgeregelten Betrieb erfolgen, beispielsweise einen Betrieb, in welchem dem Ladungsfluss beim Umpolen ein vorgegebener Stromverlauf aufgeprägt wird. Beispielsweise kann dies durch Umladung in einem constant current mode (CC, gleichförmiger Strom) anstelle eines constant voltage mode (CV, gleichförmige Spannung) geschehen. Bei gleicher Zeitkonstante des Systems (definiert durch das Produkt aus ohmschem Widerstand R und Kapazität C) benötigt eine Umladung im constant voltage mode ca. 4-5 • RC, eine Umladung im constant current mode hingegen theoretisch nur 1-2 • RC. Insofern ist ein constant current mode zu bevorzugen.
In Figur 8 ist ein Beispiel einer Umpolung der Pumpspannung unter verschiedenen Bedin- gungen dargestellt. Dabei zeigt die Kurve 174 den Pumpspannungsverlauf, welcher in diesem Fall rechteckförmig periodisch mit gleicher Verweildauer auf positiver und auf negativer Pumpspannung ausgestaltet ist. Auch andere Arten der Gestaltung der Rechteckspannung sind jedoch selbstverständlich möglich. Die beiden Kurven 176 und 178 bezeichnen die Stromantwort (also den Pumpstrom) bei 3 % Sauerstoff (Kurve 176) bzw. bei -6 % Sauerstoff (Kurve 178). Auf der Ip- Achse ist dabei wiederum der Pumpstrom in willkürlichen Einheiten dargestellt. Mit dem Punkt 180 ist dabei in Figur 8 symbolisch der Zustand bezeichnet, an welchem der Stromverlauf eingeschwungen ist, und zu welchem somit eine sinnvolle Pumpstrommessung des Pumpstroms Ip durch die Pumpzelle 118 möglich ist. Insofern ist es sinnvoll, jeweils für die Pumpstrommessung eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Umpolen abzuwarten, wobei diese Zeitdauer beispielsweise (zum Beispiel aus den bekannten R- und C-Werten) berechnet oder aus Erfahrungswerten empirisch ermittelt werden kann. Im in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer einfachen Rechteckspan- nung als Pumpspannung ist der eingeschwungene Zustand ca. 200 ms nach dem Umschalten erreicht.
Für einen constant current mode, mittels dessen sich der constant voltage mode, welcher in Figur 8 dargestellt ist, weiter verbessern ließe, ist in der Regel jedoch eine aufwändige Be- Schaltung des Sensorelements 114 erforderlich. Um weiter Kosten zu sparen, kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch eine spannungsgeführte Umladung mit geeignetem zeitlichen Spannungsverlauf Verwendung finden. Ein besonderes einfaches Ausführungsbeispiel eines derartigen spannungsgeregelten Umschaltens mit geeignetem zeitlichen Spannungsverlauf ist das oben erwähnte Ausführungsbeispiel eines vorgeschalteten Spannungspulses. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann zum Beispiel zuerst ein Spannungspuls mit einer deutlich erhöhten Spannung (zum Beispiel einer um einen Faktor 3 erhöhten Spannung) der eigentlichen Pumpspannung Uo vorausgehen. Dies ist in Figur 9 beispielhaft gezeigt. Wiederum stellt die Kurve 174 dabei den Pumpspannungsverlauf dar, welcher hier wiederum, wie auch in Figur 8, als Funktion der Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Deutlich ist zu erkennen, dass der Pumpspannung jeweils beim Umschalten ein Spannungspuls 182 gleicher Polarität vorgeschaltet ist. Dieser Spannungspuls hat in dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Zeitdauer von ca. 50 ms und einen Betrag von ca. 1,5 V.
Wiederum ist die Stromantwort auf den dargestellten Spannungsverlauf mit den Kurven 176 (Stromantwort bei 3 % Sauerstoff) bzw. 178 (Stromantwort bei -6 % Sauerstoff) dargestellt. Auf der Ip- Achse ist dabei wiederum der Pumpstrom in willkürlichen Einheiten dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass durch diese Beschallung insgesamt schon nach 100 ms anstelle der 200 ms in Figur 8 ein eingeschwungener Zustand 180 erreicht wird. Damit lässt sich die effektive Messfrequenz nochmals verdoppeln. Weitere angepasste Spannungsver- laufe können unter Umständen noch höhere Geschwindigkeitssteigerungen ermöglichen.
Aus Gründen der Einfachheit wurde das erfindungsgemäße Verfahren bisher an einem Sensorelement 114 mit zwei Diffusionsbarrieren 146, 138 erläutert. Das beschriebene Verfahren kann jedoch prinzipiell für verschiedene Arten von Sensorelementen 114 eingesetzt werden, beispielsweise auch für ein Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1. Beispielsweise ist es prinzipiell ausreichend, wenn vor einer der beiden Elektroden 120, 126 im Abgas eine Diffusionsbarriere oder ein ähnliches, die Diffusion beschränkendes Element angebracht ist. So existiert beispielsweise bei dem als Breitbandsonde ausgestalteten Sensorelement 114 gemäß Figur 1 vor der als innere Potentialelektrode ausgebildeten zweiten Elektrode 126 eine Diffusionsbarriere 138. Zusätzlich existiert vor der ersten Elektrode (APE, Bezugsziffer 120) eine dünne Schutzschicht 130, die praktisch auch wie eine (wenn auch sehr durchlässige) Diffusionsbarriere wirkt. Auch eine Standard-Breitband- Lambdasonde gemäß dem Sensorelement 114 in Figur 1 erfüllt somit bereits die Anforderungen an ein für das erfmdungs gemäße Verfahren einsetzbare Sensorelement 114.
Bei derartigen Sensorelementen mit hoher Durchlässigkeit der Diffusionsbarriere verlässt diese Sonde jedoch in einer Pumprichtung bereits nahe bei λ = 1 den Bereich, in welchem diese durch die Diffusionsbarriere in ihrem Grenzstrom begrenzt ist. Dies ist exemplarisch in Figur 7 dargestellt, in welcher wiederum der Pumpstrom Ip in willkürlichen Einheiten gegen den Sauerstoff-Partialdruck p in % aufgetragen ist. In dieser Darstellung ist wieder die erste Kennlinie 170 eine Kennlinie einer Polung des Sensorelements 114 (diesmal beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1), bei welcher die erste Elektrode 120 als Aus- bauelektrode verwendet wird, und die zweite Elektrode 126 als Einbauelektrode. Die zweite Kennlinie 172 entspricht wiederum einer umgekehrten Polung der Pumpspannung Up. Es ist zu erkennen, dass bei der ersten Kennlinie 170 im mageren Luftzahlbereich 166 diese Kennlinie im Wesentlichen linear ansteigt. Im fetten Luftzahlbereich 168 hingegen steigt die erste Kennlinie 170 mit sinkender Sauerstoffkonzentration, das heißt mit zunehmendem Brenn- gasüberschuss, sprunghaft an, da der Diffusionswiderstand der nunmehr als Diffusionsbarriere wirkenden Schutzschicht 130 äußerst gering ist. Dieser sprunghafte Anstieg wird jedoch dadurch begrenzt, dass ab einem bestimmten Pumpstrom andere limitierende Faktoren, wie beispielsweise eine Nachlieferung von Gasen durch die eigentlich theoretisch nicht begrenzende Diffusionsbarriere 138 wirksam werden. Bereits ab einem Sauerstoff-Unterschuss von ca. 0,2 % geht daher die erste Kennlinie 170 in Sättigung. Ähnlich verhält sich die zweite Kennlinie 172 im mageren Luftzahlbereich 166. Bei derartigen Sensorelementen 114, in welchen die Diffusionsbarriere vor einer der beiden Elektroden 120, 126 einen sehr kleinen Wert annimmt, weist auch die Summenkennlinie, welche in Figur 7 wiederum mit der Bezugsziffer 173 bezeichnet ist, keinen monotonen oder streng monotonen Verlauf mehr auf und eignet sich somit nicht mehr als eindeutige Messgröße. Wenn (was beispielsweise durch Berechnungen oder Messungen bekannt ist) ein derartiger Verlauf der Kurven 170, 172 und 173 gegeben ist, ist es daher sinnvoll, als eindeutige Messgröße eine andere Linearkombination des Maximums und des Minimums der Kennlinien 170, 172 zu verwenden. Wie oben bereits ausgeführt, kann dies beispielsweise dadurch geschehen, dass der Pumpstrom vor dem Umpolen und nach dem Umpolen (das heißt die jeweiligen Messwerte auf den Kurven 170, 172) miteinander verglichen werden und jeweils nur das Minimum dieser Messwerte verwendet wird. Dadurch ergibt sich in Figur 7 die vierte Kennlinie 184, welche im fetten Luftzahlbereich 168 der zweiten Kennlinie 172 entspricht und welche im mageren Luftzahlbereich 166 der ersten Kennlinie 170 entspricht. Diese vierte Kennlinie 184 steigt wiederum im Wesentlichen streng monoton an und zeigt beispielsweise sogar wiederum einen näherungsweise linearen Verlauf.
Zur Messung werden also wiederum durch Umpolen, beispielsweise durch einen Spannungsverlauf gemäß Figur 8 oder Figur 9, zwei Messwerte (ein erster Pumpstrom und ein zweiter Pumpstrom) gemessen. Dabei kann beispielsweise wiederum jeder Messwert mit dem zuvor gemessenen und zwischengespeicherten Messwert der umgekehrten Polarität verglichen werden und jeweils der kleinere dieser Werte verwendet werden. Im fetten Abgas ist dies jeweils der Messwert in der Pumprichtung, bei welcher die Elektrode mit der dicken Diffusionsbarriere 138 als ausbauende Elektrode fungiert, im mageren Luftzahlbereich 166 hingegen die umgekehrte Richtung. Unter „dick" ist dabei allgemein eine Diffusionsbarriere mit hohem Diffusionswiderstand zu verstehen, wobei, alternativ oder zusätzlich zu einer Dickenerhöhung beispielsweise auch eine Verdichtung bzw. Porenverkleinerung, eine Verringerung des Querschnitts oder ähnliche Maßnahmen eingesetzt werden können. Ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt beispielsweise darin, dass unter Umständen die als äußere Potentialelektrode fungierende erste Elektrode 122 mit einer geringeren E- lektrodenfläche ausgestattet werden kann, da bei dieser ersten Elektrode 120 auf eine dicke Diffusionsbarriere verzichtet wird. Eine derart verkleinerte Elektrodenfläche führt zu einer geringeren Systemkapazität und somit zu einer beschleunigten Umladung der Kapazitäten beim Umpolen.
Die Bestimmung des Minimums und des Maximums der beiden Pumpstrom-Messwerte kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise, wie oben beschrieben, durch einen unmittelbaren Vergleich dieser beiden Messwerte. Alternativ oder zusätzlich kann diese Bestimmung des Minimums jedoch auch durch eine Plausibilitätsbetrachtung erfolgen, beispielsweise indem Messwerte, welche oberhalb einer vorgegebenen Plausibilitätsschwelle liegen, verworfen werden oder gesondert behandelt werden. Dies kann wiederum am Bei- spiel der Figur 7 erläutert werden. In dem dargestellten Extremfall, bei welchem die Diffusionsbarriere vor der ersten Elektrode 120 verschwindend gering ist (in diesem Fall lediglich die Schutzschicht 130) ergibt sich, wie oben diskutiert, ein sehr steiler Anstieg der ersten Kennlinie 170 im fetten Luftzahlbereich 168, bzw. ein sehr steiler Anstieg (in den negativen Bereich) der zweiten Kennlinie 172 im mageren Luftzahlbereich 166, sobald eine Abweichung von λ = 1 erfolgt. Hier kann das oben beschriebene Messverfahren der Minimumsbestimmung durch eine noch schnellere Variante ersetzt werden, welche darin besteht, dass kontinuierlich in einer Pumprichtung gepumpt wird, solange bis das Pumpstromsignal höher als ein vorgegebener Grenzwert wird. Dieser Grenzwert wird beispielsweise derart gewählt, dass er einen Pumpstrom oberhalb des beim höchsten im Betrieb anzutreffenden Sauerstoffwerts (zum Beispiel > 21 %) widerspiegelt, bzw. in der umgekehrten Pumprichtung jenseits des Abgases mit größtem realistischem Sauerstoffbedarf. Ein gemessener Stromwert jenseits dieses Grenzwerts zeigt an, dass die Sonde jetzt in umgekehrter Richtung be- trieben werden muss, da offensichtlich ein λ = 1 -Durchgang stattgefunden haben muss. Der extrem steile Anstieg der Kennlinien bei λ = 1 führt zu einem vernachlässigenden kleinen Bereich, in welchem die Kennlinie nicht ganz eindeutig ist. Alle Bereiche mit Pumpstromwerten unterhalb der oben definierten Grenze ergeben zusammen eine komplette und bis auf einen sehr kleinen Bereich um λ = 1 eindeutige Kennlinie. Dieses Verfahren stellt jedoch de facto nichts anderes dar als eine praktische und technisch schnell zu realisierende Umsetzung der Bestimmung des Minimums der beiden gemessenen Pumpströme aufgrund von Plausibilitätsbetrachtungen. Der Vorteil dieser Betriebsweise ist eine sehr hohe Geschwindigkeit.
Wie oben insbesondere anhand der Figuren 8 und 9 beschrieben, ist der limitierende Faktor für die Umpolfrequenz die Umladung der mit den Elektroden 120, 126 verbundenen Kapazitäten. Dies können beispielsweise eine Doppelschichtkapazität, eine Hohlraumgaskapazität oder ähnliche beteiligte Kapazitäten sein. Das Umpolen benötigt typischerweise eine Zeitdauer, welche idealerweise in der Größenordnung der Zeitkonstante T = R - C liegt, wobei R der Zuleitungs- und Elektrolytwiderstand ist und wobei C die Gesamtheit aller Kapazitäten darstellt.
In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 114 dargestellt, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann (beispielsweise in ei- ner Sensoranordnung 110 gemäß Figur 1) und welches nahezu vollständig ohne Umladung der Elektroden 120, 126 auskommen kann. Das Sensorelement 114 ist grundsätzlich ähnlich zu den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Sensorelementen 114 ausgestaltet, so dass beispielsweise auf die Beschreibung des Sensorelements 114 gemäß Figur 2 verwiesen werden kann. Im Unterschied zu der dort beschriebenen Ausführung sind jedoch die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 126 jeweils mehrteilig ausgebildet und weisen jeweils erste Teilelektroden 186 bzw. 188 und zweite Teilelektroden 190 bzw. 192 auf. Diese Teilelektroden 186, 188, 190, 192 sind jeweils durch getrennte Zuleitungen 116 kontaktierbar. Ein Grundgedanke besteht nun darin, die einzelnen Teilelektroden 186, 190 bzw. 188, 192 der ersten Elektrode 120 bzw. zweiten Elektrode 126 für die unterschiedlichen Pumprichtungen beim Umpolen einzusetzen. So können beispielsweise die ersten Teilelektroden 186, 188 für eine Messung in einer ersten Richtung verwendet werden und die zweiten Teilelekt- roden 190, 192 für eine Messung mit Pumpspannung in umgekehrter Richtung. Auf diese Weise kann, beispielsweise durch eine geeignete transiente Beschallung (zum Beispiel mit einer Rechteckspannung) hiermit ein schneller Betrieb erreicht werden, da nunmehr kein Umladen der Elektroden 120, 126 bzw. deren Teilelektroden mehr erforderlich ist. Es wird also abwechselnd beispielsweise von der ersten Teilelektrode 186 zur ersten Teilelektrode 188 und anschließend von der zweiten Teilelektrode 192 zur zweiten Teilelektrode 190 gepumpt.
Grundsätzlich erfordert das Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 10 vier Ansteuerleitungen 116 zum Kontaktieren der Teilelektroden. Dieser erhöhte Aufwand kann jedoch dadurch reduziert werden, dass eine geeignete Beschaltung der Teilelektroden verwendet wird, bei welchen die Teilelektroden einer Elektrode jeweils durch eine einzige Ansteuerleitung 116 kontaktiert werden, wobei auf geeignete Weise Dioden verwendet werden, die dafür sorgen, dass stets die „richtige" der beiden Teilelektroden angesteuert wird. Ein Beispiel einer derartigen Beschaltung ist in Figur 11 dargestellt. Diese Beschal- tung kann beispielsweise im Sensorelement 114 aufgenommen sein und/oder in der Ansteuereinrichtung 112, wobei jedoch zur Verringerung des Fertigungsaufwandes ersteres bevorzugt ist.
Wie aus Figur 11 erkennbar ist, sind jeweils in den Ansteuerleitungen 116 Dioden 194 auf- genommen. Dabei ist in der Ansteuerleitung 116 zur ersten Teilelektrode 186 der ersten
Elektrode 120 die Diode 194 derart gepolt, dass die Durchlassrichtung einem Strom hin zur Teilelektrode 186 entspricht. Bei der zweiten Teilelektrode 190 der ersten Elektrode 120 ist eine Diode 194 aufgenommen, welche in umgekehrter Richtung geschaltet ist. Bezüglich der zweiten Elektrode 126 ist in der Ansteuerleitung 116 eine Diode 194 aufgenommen, deren Durchlassrichtung einer Stromrichtung weg von der ersten Teilelektrode 188 entspricht. In der Ansteuerleitung 116 zur zweiten Teilelektrode 192 ist eine Diode 194 mit umgekehrter Polung aufgenommen. Die Ansteuerleitungen 116 der Teilelektroden 186, 190 bzw. 188, 192 jeder der beiden Elektroden 120, 126 sind dann zu zwei Gesamtleitungen 196 zusammengefasst.
Diese Dioden 194 bewirken, dass bei positiven Spannungen nur zwischen den Elektroden 190 und 192 gepumpt wird, während die Pumpstrecke zwischen den Elektroden 186, 188 gesperrt ist und gleichzeitig deren Entladen verhindert wird. Bei negativen Spannungen hingegen ist lediglich die Pumpstrecke zwischen den Teilelektroden 186, 188 aktiv, während die Pumpstrecke zwischen den Teilelektroden 190, 192 durch die Diodenbeschaltung gesperrt ist. Die Elektrodenpaare 186, 188 und 190, 192 behalten also stets ihre Polarität, obwohl sich die Polarität an den Gesamtleitungen 196 ständig ändert. Dies ist symbolisch in Figur 12 dargestellt, in welcher die Pumpspannung Up gegen die Zeit aufgetragen ist. In den Zeitabschnitten, welche in Figur 12 mit 198 bezeichnet sind, erfolgt das Pumpen durch die Pumpzelle über die zweiten Teilelektroden 190, 192, wohingegen in den Zeitabschnitten, welche mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet sind, das Pumpen durch die ersten Teilelektroden 186, 188 erfolgt. Die Änderung der Polarität eines Elektrodenpaares geht stets mit dem Umladen der Kapazität der Elektroden einher. Die Größenordnung der Umladezeit ist physikalisch durch die Zeitkonstante T = R - C limitiert. Vermeidet man das Umladen der Elektroden durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Elektrodenpaaren und vier Dioden, so entfällt diese Limitierung.
Die Dioden 194 können beispielsweise mittels Siebdruck auf das Sensorelement 114 aufgebracht werden, wodurch das Sensorelement 114 lediglich über zwei Kontakte der Gesamtleitungen 196 zum Pumpen, zuzüglich einem oder zweier Kontakte für das Heizelement 144, verfügt. Alternativ können die Dioden auch im Sensorgehäuse oder in einem Steckergehäuse integriert werden, beispielsweise in der Ansteuereinrichtung 112. Dadurch verfügt das Sensorelement 114 über vier Kontakte, der Sensor allerdings lediglich über vier Anschlüsse am Kabel (drei Anschlüsse bei Kombination einer Heizer- mit einer Elektrodenleitung). Die mittels Siebdruck erzeugten Dioden können beispielsweise aus dotiertem SiC aufgebaut werden. Derartige Dioden können beispielsweise bei Temperaturen bis ca. 14000C mit dem Sensorelement gesintert werden. Dioden auf Siliziumcarbid-Basis können bei Temperaturen von bis zu 6500C betrieben werden. Durch geeignete Gestaltung des Sensorelements und geeignete Anordnung des Sensors im Abgasstrang kann erreicht werden, dass im hinteren Teil des Sensorelements im Betrieb keine Temperaturen oberhalb von 650 0C auftreten. Dort sollten im Siebdruck angebrachte Dioden angeordnet werden.
Bei einer alternativen Anbringung der Dioden 194 im Kabel oder im Anschlussstecker sind wesentlich geringere Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit zu stellen. Hierfür sollte beispielsweise eine Temperaturbeständigkeit bis zu 200 0C ausreichend sein, wie sie auch von einfachen, billigen Dioden 194 erfüllt wird. Verfügt das Sensorelement 114 jedoch über einen beispielsweise vierpoligen Stecker zum Anschluss an das Verbindungskabel zur Elekt- ronik, so können etwa in diesem Stecker direkt als Beginn der Sensorzuleitung die Dioden 194 angebracht werden. Die elektrische Ansteuerung kann durch abwechselnde positive und negative Pumpspannungen erfolgen. Die Höhe und Dauer dieser Pumpspannungsimpulse kann, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung, variieren.
Die in Figur 11 dargestellte Vorrichtung kann dadurch modifiziert werden, dass die beiden unteren Teilelektroden 190, 192 vertauscht werden, so dass zwischen den Teilelektroden 188 und 190 bzw. 186 und 192 gepumpt wird.
In einer weiteren Variante wird, ausgehend von einer der oben genannten Varianten, ein zusätzliches Leitungsstück ohne eigene externe Kontaktierung in dem Elektrolytmaterial oberhalb der Teilelektroden 186, 188 und/oder unterhalb der Teilelektroden 190, 192 angebracht.
Eine weitere Variante des Sensorelements 114 ist in Figur 13 dargestellt. Eine Grundidee dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Zuleitungen zu zwei Teilelektroden, insbesondere einer ersten Teilelektrode und einer zweiten Teilelektrode verschiedener Elektroden, zusammengefasst werden können. In dem in Figur 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dies die Ansteuerleitungen der ersten Teilelektrode 186 der ersten Elektrode 120 und die zweite Teilelektrode 192 der zweiten Elektrode 126. Alternativ könnten jedoch auch beispielsweise die Elektroden 188 und 190 zusammengefasst werden. Hierdurch verbleibt in jedem Elektrodenpaar eine Elektrode konstant auf gleicher Spannung. Die Anzahl der Sensoranschlusskontakte entspricht damit der einer Standard-Breitband-Sonde (drei Elektrodenanschlüsse), wobei zusätzlich ein bis zwei Anschlüsse für das Heizelement 144 hinzukommen können. Diese Anschlüsse für das Heizelement 144 sind in Figur 13 nicht dargestellt.
Das Sensorelement 114 in Figur 10 stellt nur eine von mehreren Möglichkeiten dar, die E- lektroden 120, 126 jeweils ganz oder teilweise mehrteilig auszugestalten. Analog stellen auch die beschriebenen Beschallungen in den Figuren 11 und 13, welche auf dem Gedanken beruhen, Dioden in den Zuleitungen zu diesen Teilelektroden vorzusehen, um jeweils bei unterschiedlichen Polaritäten der Pumpspannung unterschiedliche Teilelektroden zu nutzen, nur einige der Möglichkeiten einer Beschallung dieser Anordnung dar. Eine weitere Variante zu der mehrteiligen Ausgestaltung der Elektroden 120, 126 gemäß Figur 10 bestünde beispielsweise darin, die Elektroden oder Teilelektroden 120, 126, 186, 188, 190, 122 (bzw. die weiteren, hinzukommenden Elektroden) neben- oder hintereinander angeordnet auszugestalten. Auch in diesem Fall könnten beispielsweise die Beschallungen in den Figuren 11 und 13 verwendet werden oder wiederum auch alternative Beschallungen, welche es ermöglichen, jeweils lediglich einige der Teilelektroden für eine Polarität zu nutzen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoff- konzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (114) verwendet wird, das mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine zweite E- lektrode (126) und mindestens einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst, wobei die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) derart mit dem Messgasraum (132) in Verbindung ste- hen, dass diese mit Gas aus dem Messgasraum (132) beaufschlagbar sind, wobei das
Verfahren folgende Schritte umfasst: mindestens eine erste Pumpspannung wird zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) angelegt, und mindestens ein erster Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) wird gemessen; - mindestens eine zweite Pumpspannung wird zwischen der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) angelegt, und mindestens ein zweiter Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode (126) und der zweiten Elektrode (126) wird gemessen, wobei die zweite Pumpspannung eine zur ersten Pumpspannung umgekehrte Polarität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Linearkombination aus einem Maximum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom mit einem Minimum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom eine eindeutige Messgröße gebildet wird, aus der auf die physikalische Eigenschaft geschlossen wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Linearkombination mindestens eine der folgenden Linearkombinationen umfasst: das Minimum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom wird als Linearkombination verwendet; - das Maximum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom wird als Linearkombination verwendet; das Maximum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom und das Minimum aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom werden zu einem Summenpumpstrom addiert und der Summenpumpstrom wird als Linearkombinati- on verwendet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Pumpspannung und die zweite Pumpspannung den gleichen Betrag aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung in einem spannungsgeregelten und/oder in einem stromgeregelten Betrieb erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung derart erfolgt, dass zunächst mindestens ein Spannungspuls zwischen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) angelegt wird, wobei der Spannungspuls eine relativ zur zweiten Pump- Spannung gleiche Polarität aufweist, wobei der Spannungspuls einen größeren Betrag aufweist als die zweite Pumpspannung.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Spannungspuls einen um mindestens einen Faktor 1,5, insbesondere um mindestens einen Faktor 2 und beson- ders bevorzugt um mindestens einen Faktor 3 höheren Betrag aufweist als die zweite
Pumpspannung.
7. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungspuls eine Länge zwischen 2 Mikrosekunden und 100 Mikrosekunden aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung periodisch wiederholt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (120) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine erste Verbindung (128) verbunden ist, wobei die zweite Elektrode (126) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine zweite Verbindung (134) verbunden ist, wobei die erste Verbindung (128) und die zweite Verbindung (134) derart ausgestaltet sind, dass die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) unterschiedliche Grenzströme aufweisen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Grenzströme der ersten Elektrode (120) und der zweiten Elektrode (126) um mindestens 10 % unterscheiden.
11. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Verbindung (128) und/oder die zweite Verbindung (134) mindestens eine Diffusionsbarriere (138, 146) aufweisen.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Verbindung (128) eine erste Diffusionsbarriere (146) mit einem ersten Diffusionswiderstand aufweist, wobei die zweite Verbindung (134) eine zweite Diffusionsbarriere (138) mit einem zweiten Diffusionswiderstand aufweist, wobei der erste und der zweite Diffusionswiderstand sich mindestens um einen Faktor 1,1, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und
3, unterscheiden.
13. Sensorelement (114) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung ei- ner Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine zweite Elektrode (126) und mindestens einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst, wobei die erste Elektrode (120) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine erste Verbindung (128) mit mindestens einer ersten Diffusionsbarriere (146), aufweisend einen ersten Diffusionswiderstand, verbunden ist, wobei die zweite Elektrode (126) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine zweite Verbindung (134) mit mindestens einer zweiten Diffusionsbarriere (138), aufweisend einen zweiten Diffusionswiderstand, verbunden ist, wobei der erste und der zweite Diffusionswiderstand sich mindestens um einen Faktor 1,1, vor- zugsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 3, unterscheiden.
14. Sensorelement (114) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) durch mindestens eine Deckschicht (122) von dem Messgasraum (132) getrennt sind, wobei die erste Verbindung (134) mindestens ein erstes Gaszutrittsloch (162) umfasst, wobei das erste Gaszutritts loch (162) die
Deckschicht (122) durchdringt, wobei die zweite Verbindung (134) mindestens ein zweites Gaszutrittsloch (164) umfasst, wobei das zweite Gaszutrittsloch (164) die Deckschicht (122) durchdringt und wobei das zweite Gaszutrittsloch (164) zumindest teilweise getrennt ausgebildet ist von dem ersten Gaszutritts loch (162).
15. Sensorelement (114) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) einen Schichtaufbau aufweist, wobei die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) in derselben Schichtebene des Schichtaufbaus angeordnet sind.
16. Sensoranordnung (110) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Sensorelement (114), insbesondere ein Sensorelement (114) nach einem der vorhergehenden, auf ein Sensorelement (114) gerichteten Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine erste Elektrode (120) und mindestens eine zweite Elektrode (126) und mindestens einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) aufweist, wobei die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) derart mit dem Messgasraum (132) in Verbindung stehen, dass diese mit Gas aus dem Messgasraum (132) beaufschlagbar sind, wobei die Sensoranordnung (110) weiterhin mindestens eine Ansteuereinrichtung (112) aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung (112) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche durchzuführen.
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