WO2003056323A1 - Abgassonde - Google Patents

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WO2003056323A1
WO2003056323A1 PCT/DE2002/004388 DE0204388W WO03056323A1 WO 2003056323 A1 WO2003056323 A1 WO 2003056323A1 DE 0204388 W DE0204388 W DE 0204388W WO 03056323 A1 WO03056323 A1 WO 03056323A1
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exhaust gas
electrode
measuring
gas probe
probe according
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English (en)
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Lothar Diehl
Bernd Schumann
Frank Stanglmeier
Johann Riegel
Eberhard Schnaibel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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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
    • G01N27/407—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
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Definitions

  • the invention is based on an exhaust gas probe for measuring oxygen in an exhaust gas according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Such an exhaust gas probe which is referred to as a broadband lamda probe, is, for example, from Bosch ' "Automotive ' Tachenbuch", 22nd edition, 1998, p. 492 f. or ' the • DE 199 41 051 AI known.
  • the Breitbandlamdasonde has a Nernst Kohzentrationszelle and a pumping cell and egg ⁇ NEN with the surrounding gas atmosphere associated., Designed as a measuring chamber to the measuring gap.
  • the pump cell pumps oxygen out of the measuring gap. If, on the other hand, the measuring gap is exposed to a rich exhaust gas, oxygen is pumped from the surrounding exhaust gas by decomposition of C0 2 and H 2 0 into the measuring gap by means of the pump cell. In this case, the direction of the measured current is reversed to the current direction in the case of a lean exhaust gas.
  • the pump current is proportional to the oxygen concentration or • to the oxygen requirement.
  • the broadband lamda probe has an operating temperature of at least 600 ° C, which can be set using an " integrated heater " .
  • So-called HC sensors are used to measure the hydrocarbon content of an exhaust gas, which are arranged in an exhaust line downstream or upstream of a catalytic converter.
  • ER is used to detect and measure zth not umgeset by means of the catalyst of P ⁇ est-Kohlenwasserstof fanteils the exhaust gas.
  • DE 197 57 112 C2 discloses a gas sensor for measuring the air / fuel ratio ⁇ , which is designed as a two-point probe and is designed with a catalytically inactive electrode by means of which a carbon-hydrogen concentration in an exhaust gas is determined can be.
  • the hydrocarbon signal determined by means of an HC sensor depends on the concentration of oxygen in the exhaust gas in question.
  • An oxygen concentration gig ⁇ correction of the hydrocarbon signal is not possible with the gas sensor known from DE 197 57 112 C2.
  • the exhaust gas probe for measuring oxygen in an exhaust gas with the features according to the preamble of claim 1, in which at least one HC electrode is arranged on the outside of the layered structure for measuring a hydrocarbon content of the exhaust gas, has the advantage that the 'corrected detected signal in response to the oxygen content of the exhaust gas by means of the so-called HC-electrode for measurement of Hydrocarbons solid content and the.
  • Oxygen content and the hydrocarbons sto 'ffgehalt of the exhaust gas at the same time upstream of a catalytic converter which is arranged in an exhaust line of a motor vehicle, can be ge messenger-. This is particularly advantageous in an internal combustion engine in which misfires occur which lead to an increased hydrocarbon content upstream of the catalytic converter. Such increased concentrations of hydrocarbon in the exhaust gas occur in particular shortly after the misfire occurred. These misfires can be detected by means of the HC sensor for diagnostic purposes.
  • the exhaust gas probe according to the invention which forms an integrated probe with an oxygen sensor and an HC sensor for measuring the hydrocarbon content, which is determined by means of the HC electrodes. te measurement signal before ignition compared with the measurement signal determined shortly after this ignition.
  • the arrangement of the HC electrode for measuring the hydrocarbon content of the exhaust gas on an essentially known broadband lamna probe, for example comprising three or four solid-state electrolyte layers, which comprises an oxygen pump cell and a Nernst concentration cell, is an inexpensive possibility , the aforementioned diag-
  • the exhaust gas probe according to the invention can be provided with a 6-cable connection, which
  • the HC electrode is operated at a temperature of about 60 ° C. This operating temperature can
  • the HC electrode is heated by means of a heater, which is preferably also the heater for operating the oxygen sensor unit, which consists of the oxygen pump cell and the Nernst concentration cell.
  • the HC electrode for measuring the hydrocarbon content can also be operated at a temperature that is above 600 ° C. It is understood that in this case the material from which the HC electrode is made must support this operating temperature.
  • the HC electrode can consist of a catalytically inactive material, for example a Pt / Au alloy.
  • the additional HC electrode is advantageously printed on an essentially conventional broadband lamda probe with a heater on the side on which the heater is arranged.
  • the HC electrode can then be electroplated provided with .Gold and alloyed using an annealing process.
  • the temperature can also be controlled via the internal resistance of the so-called Nernst concentration cell, so that the suitable operating temperature for the HC electrode is reached.
  • the electrode for measuring the hydrocarbon content is arranged outside a so-called "hot spot" area of a heater.
  • the "hot spot" area of the heater is the area of the exhaust gas probe in which the heater is located causes highest temperatures. Placing the HC probe outside of this range can easily
  • the electrode for measuring the hydrocarbon content has a low-resistance feed line.
  • the lead of the HC electrode is usually also printed on the outside of the layered structure.
  • a low-resistance supply line can then be achieved by increasing the thickness of the supply line, for example by means of a double pressure structure.
  • the electrode for measuring the hydrocarbon content is advantageously provided with a protective layer made of a porous material.
  • a suitable porous material in this application is zirconium dioxide.
  • the HC electrode can be provided with a simple protective layer of this type.
  • the layered structure Of the solid electrolyte layers ⁇ consists in particular of so-called carrier foils, which consist of yttrium-stabilized zirconium dioxide.
  • the electrode-HC then look at the outside of one of these ceramic carrier films disposed of, for example three or administratla- ⁇ Gigen structure.
  • the supply line to the electrode for measuring the hydrocarbon content can be insulated on both sides in accordance with a supply line to the external pump electrode of the exhaust gas probe. This ensures that one that arises during sintering Curvature of the HC sensor element in the case of different sintering shrinkage of the insulation, which can consist of aluminum oKid, and the carrier film consisting, for example, of yttrium-stabilized zirconium dioxide is reduced.
  • the double-sided insulation of the lead of the HC electrode only requires an additional pressure step in the manufacture of the exhaust gas probe according to the invention, since the associated contact contacts must be insulated on the underside anyway.
  • the HC electrode can be arranged on the side on which the oxygen sensor unit is also located; H. on the side of the outer pump electrode.
  • the lead of the HC electrode can be provided with a through-contacting connection.
  • the plated-through hole can pass through several layers of the layered structure.
  • Show it 1 shows a section through an exhaust gas probe according to the invention
  • Figure 2 is a plan view of the exhaust probe of Figure 1 along the arrow II in Figure 1;
  • FIG. 3 shows a section through an alternative embodiment of an exhaust gas probe according to the invention
  • Figure 4 is a plan view of the exhaust gas probe of Figure 3 in the direction of arrow IV in Figure 3;
  • Figure 5 is a plan view of another embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 A basic structure of an exhaust gas probe 10 is shown in FIGS. 1 and 2.
  • the exhaust gas probe 10 which is designed as a planar body, is a broadband lambda probe with an essentially conventional layered structure 11 with four ceramic foils, each of which is formed from a solid electrolyte, such as yttrium-stabilized zirconium dioxide.
  • a In the layered structure 11 of the broadband lamna probe 10 is a, provided with a porous diffusion barrier 12, as .
  • Measuring space formed measuring gap 14 is arranged, which is ring-shaped and is exposed via a gas inlet opening 15 oriented perpendicular to the plane of the probe 10 to an exhaust gas flowing in an exhaust line of a motor vehicle, not shown here.
  • the broadband lamda probe 10 includes an air reference channel 16, which is connected to the environment, and "A heater '17 which taktierungen about illustrated in -Figur 2 für- 18 and 19 and contact surfaces 20 and 21 with a non-illustrated power source is connected.
  • a heater '17 which taktierungen about illustrated in -Figur 2 fürkon- 18 and 19 and contact surfaces 20 and 21 with a non-illustrated power source is connected.
  • the heater 17 is the operating temperature of the exhaust gas sensor 10 adjustable.
  • the Breitbandlamdasonde 10 further includes two electrochemical 'cell, namely a so-called oxygen pumping cell having an annular outer pump electrode 22, which surrounds the gas inlet opening 15 and an annular inner pumping electrode 24, and a Nernst Kon ⁇ entra- tion cell, a has annular concentration electrode 26 and a reference electrode 28 delimiting the reference channel 16.
  • the inner pump electrode 24 and the concentration electrode 26 are each arranged opposite one another downstream of the diffusion barrier 12 in the measuring gap 14. , ,
  • the outer pump electrode 22 is provided with an annular porous protective layer 29.
  • the so-called HC electrode 31 is arranged, which is used to measure a carbon water content of the exhaust gas flowing in the exhaust gas line and also to protect against abrasive components of the exhaust gas with a porous protective layer 32 is made of zirconium dioxide.
  • the HC electrode 31 arranged in the effective area of the heater 17 is in one the so-called "hot spot” area of the heater 17.
  • the "hot spot area” is marked "X" in FIG.
  • the broadband lamda probe 10 further comprises a feed line 33 for the HC electrode 31, which is delimited on both sides in accordance with a feed line for the external pump 1 electrode 22 by insulation 34 made of aluminum oxide. Furthermore, an insulation layer 35 is arranged on the side of the HC electrode 31, which is printed with a contact surface 27 for connecting the HC electrode 31 and the contact surfaces 20 and 21 assigned to the heater 17.
  • the outer pump electrode 22, the inner pump electrode 24, the reference electrode 28 and the HC electrode 31 are sintered in a manner known per se with the structure 11 made of the ceramic foils.
  • FIGS. 3 and 4 show an alternative embodiment of an exhaust gas probe 40 according to the invention.
  • the exhaust gas probe 40 differs from that according to FIGS. 1 and 2 in that it consists of a layered structure 41 composed of three solid electrolyte layers and therefore has a compact 3-foil structure.
  • Such a structure of a broadband lamda probe is known from DE 199 41 051 AI.
  • the Nernst concentration cell is arranged behind the pumping cell in the broadband lambda probe 40, which has the outer pumping electrodes 22 and
  • measuring gap 14 and the reference channel are arranged essentially at a height one behind the other.
  • a so-called HC electrode which is fork-shaped and has two legs 43 and 44, is printed on the large surface of the structure 41 of the exhaust gas probe 40 facing away from the outer pump electrode 22.
  • the two legs 43 and 44 of the HC electrode are each provided with a porous protective layer 45 and 46, respectively.
  • This arrangement causes the HC electrode to be arranged outside the so-called “hot spot” area of the heater 17, so that the HC electrode is at a lower temperature, for example about 600 ° C., than that from the pump cell by means of the same heater and the concentration cell existing oxygen measuring unit can be operated, the operating temperature is about 750 ° C.
  • the broadband lamda probe "0 has a low-resistance lead 47 for the HC electrode consisting of the legs 43 and 44.
  • the lead 47 is designed for this purpose as a double-printed conductor and is provided on both sides with an insulating layer made of aluminum oxide.
  • FIG 5 is. another embodiment of an exhaust gas probe 50 according to the invention is shown.
  • the exhaust gas probe 50 differs from that according to FIGS. 3 and 4 in that it is provided with an HC electrode 51.
  • the so-called Nernst concentration cell is arranged below the HC electrode 51 in the interior of the exhaust gas probe 50.
  • the HC electrode 51 is therefore above the area of the exhaust gas probe 50 in which the Ernst concentration point is controlled internally.
  • the temperature-dependent internal resistance of the Nernst concentration cell is regulated to 600 ⁇ or, in an alternative embodiment, to 2000 ⁇ .
  • the internal resistance of the Nernst cell concentration but is regulated to for example, 80 ⁇ and 200 ⁇ .
  • the heater 17 may 3.
  • the heater is clocked with pulse width modulation.
  • the construction of the exhaust gas probe 50 has a low heat capacity, as a result of which a rapid change in temperature can be achieved when the heating output changes.
  • the invention is not featured on the Darge ⁇ embodiments is limited. Rather, for example, the structure shown in FIG. 1 can also be equipped with a " fork-like HC electrode.
  • the fork-shaped HC electrode of the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4 can also be replaced by an HC electrode corresponding to that according to FIG. 1.

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Abstract

Es wird eine Abgassonde zur Messung von Sauerstoff in einem Abgas vorgeschlagen, umfassend einen schichtweisen Aufbau (11) mit Festkörperelektrolytlagen, in welchem ein dem Ab­gas ausgesetzter Meßraum (14) ausgebildet ist, mindestens eine Innenpumpelektrode (24), die in dem Meßraum (14) ange­ordnet ist, mindestens eine Außenpumpelektrode (22), die mit der Innenpumpelektrode (24) zusammenwirkt und an der Außenseite des schichtweisen Aufbaus (11) angeordnet ist, und einen Referenzkanal mit einer Referenzelektrode. An der Außenseite des schichtweisen Aufbaus (11) ist mindestens eine HC-Elektrode (31) zur Messung eines Kohlenwasserstoff­gehalts des Abgases angeordnet.

Description

Abgas sonde
Stand der . Technik
Die Erfindung- geht von einer Abgassonde zur Messung von Sauerstoff in einem Abgas gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Eine derartige Abgassonde, die als Breitbandlamdasonde bezeichnet wird, ist beispielsweise aus Bosch' "Kraftfahrtech- nisches' Tachenbuch", 22. Auflage, 1998, S. 492 f. oder' der •DE 199 41 051 AI bekannt. Die Breitbandlamdasonde weist ei- ne Nernst—Kohzentrationszelle und eine Pumpzelle sowie ei¬ nen mit der umgebenden Gasatmosphäre verbundenen., als Meßraum ausgebildeten Meßspalt auf. Eine elektronische Schaltung regelt die an der Pumpzelle anliegende Spannung so, daß die Zusammensetzung eines in dem Meßspalt vorliegenden Gases konstant bei λ = 1 liegt, wobei λ die sogenannte
Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl darstellt. Wenn der Meßspalt einem mageren Abgas ausgesetzt ist, pumpt die Pumpzelle Sauerstoff aus dem Meßspalt nach außen . Wenn hingegen der Meßspalt einem fetten Abgas ausgesetzt ist , wird mittels der Pumpzelle Sauerstof f aus dem Abgas der Umgebung durch Zersetzung von C02 und H20 in den Meßspalt gepumpt . In diesem Falle ist die Richtung des gemessenen Stromes urngekehrt zu der Stromrichtung im Falle eines mageren Abgases . Der Pumpstrom ist proportional zur Sauerstoff konzentration bzw. • zum Sauerstoffbedarf . Die Breitbandlamdasonde hat eine Be- triebstemperatur von mindestens 600 °C, welche mittels eines" integrierten Heizers einstellbar ist .
Zur Messung des Kohlenwasserstoffgehaltes eines Abgases kommen sogenannte HC-Sensoren zum Einsatz, welche in einem Abgasstrang stromab oder stromauf eines Katalysators angeordnet sind . Wenn der HC-Sensor stromab des Katalysators in dem Abgasstrang angeordnet ist , dient er- zur Erkennung und Messung des mittels des Katalysators nicht umgeset zten P^est-Kohlenwasserstof fanteils des Abgases . • ' •
Aus der DE 197 57 112 C2 ist ein Gassensor zur Messung der Luft/Kraftstoxf-Verhältniszahl λ bekannt, welcher als Swei- punktsonde ausgebildet ist und mit einer katalytisch nicht- aktiven EleJtrode ausgebildet, ist, mittels der eine Kohlen- Wasserstoffkonzentration in einem Abgas bestimmt werden kann.
Das mittels eines HC-Sensors ermittelte Kohlenwasserstoffsignal ist abhängig von der Konzentration an Sauerstoff in dem betreffenden Abgas. Eine Sauerstoffkonzentrationsabhän- gigε Korrektur des KohlenwasserstoffSignals ist bei dem- aus der DE 197 57 112 C2 bekannten Gassensor nicht möglich.
Vorteile der Erfindung
Die Abgassonde zur Messung von Sauerstoff in einem Abgas mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welcher an der Außenseite des schichtweisen Äufbaus mindestens eine HC-Elektrodε zur Messung eines Kohlenwas- serstoffgehalts des Abgases angeordnet ist, hat demgegenüber den Vorteil, daß das mittels der sogenannten HC-Elektrode zur Messung des Kohlenwasse stoffgehalts' ermittelte Signal in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt des Abgases korrigiert und der. Sauerstoffgehalt und der Kohlenwasser- sto'ffgehalt des Abgases gleichzeitig stromauf eines Katalysators, welcher in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, gemessen- werden können. Dies ist insbesondere bei einer Brennkraftmaschine von Vorteil, bei welcher Zündaussetzer auftreten, welche zu einem erhöhten Kohlenwasserstoffgehalt vor dem Katalysator führen. Derartige erhöhte Konzentrationen an Kohlenwasserstoff in dem Abgas treten insbesondere kurz nach dem Zeitpunkt des Zündaussetzers auf. Mittels des HC-Sensors können diese Aussetzer zu Diagnosezwecken erkannt werden.
Zur Diagnose wird bei Einsatz der Abgassonde nach der Erfindung, die eine integrierte Sonde mit einem Sauerstoff- Sensor und einem HC-Sensor zur Messung des Kohlenwasser- stoffgehalts bildet, das mittels der HC-Elektrodε ermittel- te Meßsignal vor einer Zündung mit dem kurz nach dieser Zündung ermittelten Meßsignal verglichen.
Die Anordnung der HC-Elektrode zur Messung des Kohlenwas- 5 serstoffgehalts des Abgases auf einer im wesentlichen be- kannnten, beispielsweise drei oder vier Festkörperelektro- lytlagen umfassenden Breitbandlamdasonde., die eine Sauer- stoffpumpzellε und eine Nernst-Konzentrationszelle umfaßt, ist eine kostengünstige Möglichkeit, die vorgenannte Diag-
10 nose durchzuführen. Zur Herstellung der Abgassonde sind im Vergleich zu einer herkömmlichen Breitbandlamdasonde ohne HC-Elektrode nur wenige zusätzliche Druckschritte zum Aufbringen der HC-Elektrode an der Außenseite des schichtweisen Aufbaus erforderlich. Der Anschluß für die HC-Elektrode
15 kann- mit einem Kabelstrang in Verbindung stehen, 'der auch zum Betreiben der eigentlichen amdasondeneinheit , d. h. der Einheit zur Messung des Sauerstoffs in dem Abgas, eingesetzt wird. Beispielsweise kann die Abgassonde nach der Erfindung mit einem 6-Kabel-Anschluß versehen sein, welcher
20 • ' bei herkömmlichen Breitbandlamdasonden- als- Serientechni bekannt ist.
2weckmäPjig wird die HC-Elektrode bei einer Temperatur von etwa 60Q °C betrieben. Diese Betriebstemperatur kann vor-
25. teilhaft dadurch erreicht werden, daß- die' HC-Elektrode mittels eines Heizers erhitzt wird, der vorzugsweise auch der Heizer zum Betreiben der Sauerstoff-Sensoreinheit ist, welche aus der Sauerstoffpumpzelle und der Nernst-Konzentrationszelle besteht.
30 Grundsätzlich kann die HC-Elektrode zur Messung des Kohlen- wasserstoffgehalts auch bei einer Temperatur betrieben werden, die oberhalb von 600 °C liegt. Es versteht sich, daß in diesem Falle der Werkstoff, aus dem 'die HC-Elektrode be- steht, diese Betriebstemperatur unterstützen muß.
Die HC-Elektrode kann aus einem katalytisch inaktiven Werkstoff, beispielsweise einer Pt/Au-Legierung, bestehen.
Bei der Herstellung der Abgassonde nach der Erfindung wird vorteilhaft bei einer im wesentlichen herkömmlichen" Breitbandlamdasonde mit einem Heizer auf der Seite, auf, der der Heizer angeordnet ist, die zusätzliche HC-Elektrode aufgedruckt. Die HC-Elektrode kann dann nach einem Galvanisier- verfahren mit .Gold versehen und nach einem Temperverfahren legiert werden.
Wenn die Abgassonde keinen separaten Heizer aufweist, kann die Temperaturregelung auch über den Innenwiderstand der sogenannten Nernst-Konzentratio s∑elle erfolgen, so daß die geeignete Betriebstemperatur für die HC-Elektrode erreicht wird.
Nach einer speziellen Ausführungsform der Abgassonde nach der Erfindung ist die Elektrode zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts außerhalb eines sogenannten „hot spot" -Bereichs eines Heizers ' angeordnet . Der „hot spot" -Bereich des Heizers ist derjenige Bereich der Abgassonde, in dem der Heizer die höchsten Temperaturen bewirkt. Durch Anordnung der HC-Sonde außerhalb dieses Bereichs kann auf einfache
Weise erreicht werden, daß die HC-Elektrode auf einer nied- rigeren Temperatur als die Sauerstoff-Sensoreinheit betrieben werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Abgassonde nach der Erfindung hat die Elektrode zur Messung des Kohlenwas- serstoffgehalts eine niederohmige Zuleitung. Die Zuleitung der HC-Elektrode ist in der Regel ebenfalls an der Außenseite des schichtweisen Aufbaus aufgedruckt. Eine niederohmige Zuleitung kann dann durch Erhöhung der Dicke der Zu- leitung, beispielsweise durch eine doppelte Druckstruktur, erreicht werden.
Zum Schutz gegen abrasive Bestandteile des Abgases ist die Elektrode zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts in vor- teilhafter Weise mit einer Schutzschicht aus einem porösen Werkstoff versehen. Ein zweckmäßiger poröser Werkstoff stellt bei dieser Anwendung Zirkoniumdioxid dar. Die HC- Elεktrode kann mit einer einfachen derartigen Schutzschicht versehen sein.
Der schichtweise Aufbau.aus den Festkörperelektrolytlagen ■ besteht insbesondere aus sogenannten Trägerfolien, die aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid bestehen. Die HC- Elektrode-, ist dann an der Außenseite einer dieser kerami- sehen Trägerfolien eines beispielsweise drei- oder vierla- ■ gigen Aufbaus angeordnet .
Die Zuleitung der Elektrode zur Messung des Kohlenwasser- stoffgehalts kann entsprechend einer Zuleitung der Außen- pumpelektrode der Abgassonde doppelseitig isoliert sein. Dadurch wird erreicht, daß eine beim Sintern entstehende Krümmung des HC-Sensorelements bei unterschiedlicher Sinterschrumpfung der Isolation, welche aus AluminiumoKid bestehen kann, und der beispielsweise aus Yttrium-stabili- ≤iertem Zirkoniumdioxid bestehenden Trägerfolie gemindert wird. Die doppelseitige Isolierung der Zuleitung der HC- Elektrode macht bei der Herstellung der Abgassonde nach der Erfindung nur einen zusätzlichen Druckschritt erforderlich, da die zugehörigen Anschluß ontakte ohnehin unterseitig isoliert werden müssen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Abgassonde nach der Erfindung kann die HC-Elektrode auf der Seite angeordnet sein, auf der auch die Sauerstoff-Sensoreinheit liegt, d. h. auf der Seite der Außenpumpelektrode . In diesem Falle kann die Zuleitung der HC-Elektrode mit einem eine Durch- kontaktierung aufweisenden Anschluß versehen sein. Die Durchkontaktierung kann dabei mehrere Lagen des schichtweisen Aufbaus durchgreifen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der. Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen- entnehmbar.
Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele der Abgassonde nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu- tert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch eine Abgassonde nach der Erfindung;
Figur 2 eine Aufsicht auf die Abgassonde nach Figur 1 entlang dem Pfeil II in Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungs- form einer Abgassonde nach der Erfindung;
Figur 4 eine Aufsicht auf die Abgassonde nach Figur 3 in Richtung des Pfeiles IV in Figur 3; und
Figur 5 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 und 2 ist ein prinzipieller Aufbau einer Abgassonde 10 dargestellt. Die als planarer Körper ausgeführte Abgassonde 10 ist eine Breitbandlamdasonde mit einem im wesentlichen- üblichen schichtweisen Aufbau 11 mit vier keramischen Folien, die jeweils aus einem Festkörperelektrolyt, wie Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, gebil- det sind.
In dem schichtweisen Aufbau 11 der Breitbandlamdasonde 10 ist ein mit einer porösen Diffusionsbarriere 12 versehener, als. Meßraum ausgebildeter Meßspalt 14 angeordnet, der ring- förmig- ist und über eine senkrecht zur Ebene der Sonde 10 ausgerichtete Gaseinlaßöffnung 15 einem in einem hier nicht näher dargestellten Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges strömenden Abgas ausgesetzt ist.
Des weiteren umfaßt die Breitbandlamdasonde 10 einen Luftreferenzkanal 16, der mit der Umgebung verbunden ist, sowie "einen Heizer '17, der über in -Figur 2 dargestellte Durchkon- taktierungen 18 und 19 sowie Kontaktflächen 20 und 21 mit einer hier nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Mittels des Heizers 17 ist die Betriebstemperatur der Abgassonde 10 einstellbar.
Die Breitbandlamdasonde 10 umfaßt des weiteren zwei elektrochemische' Zellen, und zwar eine sogenannte Sauerstoff- Pumpzelle, die eine ringförmige Außenpumpelektrode 22, die die Gaseinlaßöffnung 15 umgibt, und eine ringförmige Innenpumpelektrode 24 aufweist, sowie eine Nernst-Kon∑entra- tionszelle, die eine ringförmige Konzentrationselektrode 26 sowie eine den Referenzkanal 16 begrenzende Referenzelektrode 28 aufweist. Die Innenpumpelektrode 24 und die Kon- zentrationselektrode 26 sind jeweils einander gegenüberliegend stromab der Diffusionsbarriere 12 in dem Meßspalt 14 angeordne . . .
Zum Schutz gegen abrasive Abgasbεstandteile ist die Außen- pumpelektrode 22 mit einer ringförmigen porösen Schutzschicht 29 versehen.
Auf der den Außenpumpelektroden 22 und 2.3 abgewandten Großfläche, des schichtweisen Aufbaus 11 der Breitbandlamdasonde 10 ist des weiteren eine sogenannte HC-Elektrode 31 angeordnet, die zur Messung eines Kohlenwasse.rstoffgehalts des in dem Abgasstrang strömenden Abgases dient und ebenfalls zum Schutz gegen abrasive Bestandteile des Abgases mit einer porösen Schutzschicht 32 aus Zirkoniumdioxid versehen ist. Die im Wirkungsbereich des Heizers 17 angeordnete HC- Elektrode 31 ist bei diesem .Ausführungsbeispiel in einem sogenannten „hot spot" -3ereich des Heizers 17 angeordnet. Der „hot spot -Bereich ist in Figur 2 mit "X" gekennzeichnet.
Die Breitbandlamdasonde 10 umfaßt des weiteren eine Zuleitung 33 für die HC-Elektrode 31, die entsprechend einer Zuleitung für die Außenpumpe1-ektrode 22 doppelseitig von einer Isolierung 34 aus Äluminiumoxid begrenzt ist. Des weiteren ist auf der Seite der HC-Elektrode 31 eine Isolati- onsschicht 35 angeordnet, die mit einer Kontaktfläche 27 zum Anschluß der HC-Elektrode 31 und den dem Heizer 17 zugeordneten Kontaktflächen 20 und 21 bedruckt ist.
Die Außenpumpelektrode 22, die Innenpumpelektrode 24, die Referenzelektrode 28 und die HC-Elektrode 31 sind in an sich bekannter Weise mit dem Aufbau 11 aus den keramischen Folien versintert.
In den Figuren 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Abgassonde 40 nach der Erfindung dargestellt. Die Abgassonde 40 unterscheidet sich von derjenigen nach den Figuren 1 und 2 dadurch, daß sie aus einem- schichtweisen Aufbau 41 aus drei Festkörperelektrolytlagen besteht und mithin einen kompakten 3-Folien-Aufbau hat. Ein derartiger Aufbau einer Breitbandlamdasonde ist aus der DE 199 41 051 AI bekannt.
Die Nernst-Konzεntrationszella ist bei der Breitbandlamdasonde 40 in der in Figur 3 gewählten Darstellung hinter der Pumpzεlle angeordnet, welche die Außenpumpelektroden 22 und
23 sowie die Innenpu pelektroden 24 und 25 umfaßt. Dies be- deutet, daß der Meßspalt 14 und der in der Zeichnung nicht sichtbare Referenzkanal im wesentlichen in einer Höhe hintereinander angeordnet sind.
Des weiteren ist an der der Außenpumpelektrode 22 abgewandten Großfläche des Aufbaus 41 der Abgassonde 40 eine sogenannte HC-Elektrode aufgedruckt, die gabelförmig ausgebildet ist und zwei Schenkel 43 und 44 aufweist. Die beiden Schenkel 43 und 44 der HC-Elektrode sind jeweils mit einer porösen Schutzschicht 45 bzw. 46 versehen.
Diese .Anordnung bewirkt, daß die HC-Elektrode außerhalb des sogenannten „hot spot"-Bereichs des Heizers 17 angeordnet ist, so daß die HC-Elektrode mittels desselben Heizers mit einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise etwa 600 °C, als die aus der Pumpzelle und der Konzentrationszelle bestehende Sauerstoffmeßeinheit betrieben werden kann, deren Betriebstemperatur bei etwa 750 °C liegt.
Des weiteren verfügt die Breitbandlamdasonde" 0 über eine niederohmige Zuleitung 47 für die aus den Schenkeln 43 und 44 bestehende HC-Elektrode. Die Zuleitung 47 ist hierzu als doppeltgedruckter Leiter ausgebildet und doppelseitig mit einer Isolierschicht aus Aluminiumoxid versehen. .
In Figur 5 ist. ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgassonde 50 nach der Erfindung dargestellt. Die Abgassonde 50 unterscheidet sich von derjenigen nach den Figuren 3 und 4 dadurch, daß sie mit einer HC-Elektrode 51 versehen ist. Unterhalb der HC-Elektrode 51 ist im Inneren der Abgassonde 50 die sogenannte Nernst-Konzentrationszelle angeordnet. Die HC-Elektrode 51 liegt mithin oberhalb des Bereichs des Abgassonde 50, in dem eine Innenwiderstandsregeiung des ernst-Konzentrationstelle erfolgt.
Bei der Abgassonde 50 liegt die Betriebstemperatur der
HC-Elektrode 51 bei etwa 600 °C, welche über eine entsprechende Taktung der mittels eines hier nicht dargestellten Steuergeräts durchgeführten Innenwiderstandsregeiung der Nernst-Konzentrationszelle realisiert werden kann. Bei- spielsweise wird der tεmpεraturabhängige Innenwiderstand der Nernst-Konzentrationszelle auf 600 Ω oder bei einer alternativen Ausführungsform auf 2000 Ω geregelt. Bei dieser Ausführungsform wird eine Innenwiderstandsregeiung genutzt', die derjenigen entspricht,- die bei der Ausführungs- form nach den Figuren 3 und 4 eingesetzt wird, bei der der Innenwiderstand der Nernst-Konzentrationszelle jedoch auf beispielsweise 80 Ω bzw. 200 Ω geregelt wird. Entsprechend kann der gleiche Heizer 17 wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3. und 4 eingesetzt 'werden. Die Taktung des Heizers erfolgt pulsweitenmoduliert . Der Aufbau der Abgassonde 50 hat eine geringe Wärmekapazität, wodurch eine schnelle Temperaturänderung bei' Änderung der .Heizleistung erreicht werden kann.
.Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die darge¬ stellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann beispielsweise auch der in Figur 1 dargestellte Aufbau mit einer " gabelartigen HC-Elektrode ausgestattet sein. Auch kann die gabelförmige HC-Elektrode des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 3 und 4 durch eine HC-Elektrode entsprechend derjenigen nach Figur 1 ersetzt sein.

Claims

- ιAnsprüche
1. Abgassonde zur Messung von Sauerstoff in einem Abgas, umfassend einen schichtweisen Aufbau .(11, 41) mit Fest- körperelektrolytlagen, in welchem ein dem Abgas ausgesetzter Mεßraum (14) ausgebildet ist, eine Innenpumpelektrode (24)., die in dem Meßraum (14) angeordnet ist, eine Außenpumpelektrode (22), die mit der Innenpumpelektrode (24) eine Pumpzelle bildet und an der Außen- seite des schichtweisen Aufbaus (11, 41) angeordnet ist, sowie einen- Referenzkanal (16) mit einer Referenzelektrode (28), die einer Konzentrationszelle zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an- der' Außenseite des schichtweisen Aufbaus (11, 41) mindestens eine HC- Elektrode (31; 43, 44; 51) zur Messung' eines Kohlenwasserstoffgehalts des Abgases angeordnet ist.
2. Abgassonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Heizer (17) , mittels dessen eine Betriebstemperatur der HC-Elektrode (31; 43, 44; 51) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts einstellbar ist.
3. Abgassonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HC-Elektrode (43, 44) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts außerhalb eines „hot spot"-Bereichs des Heizers (17) angeordnet ist.
4. Abgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die HC-Elektrodε (31; 43, 44; 51) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts eine Betriebs- temperatur von wenigstens annähernd 600 °C hat.
5. Abgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HC-Elektrode (43, 44) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts eine ni-ederohmige Zu- leitung (47) hat.
6. Abgassonde- nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die niederohmige Zuleitung (47) aus einer doppelten Druckstruktur gebildet ist.
7. Abgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode- (31; 43, 44) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts mit einer Schutzschicht (32;- 45, 46) aus einem porösen Werkstoff verse- hen ist.
8. Abgassonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Werkstoff aus Zirkoniumdioxid gebildet ist.
9. Abgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (47) der HC-Elεktrode (42) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts doppelseitig isoliert ist.
10. Abgassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung der Elektrode zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts mit einem eine -Durchkontaktierung ausweisenden Anschluß versehen ist,
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