Stand, der Technik

Die Erfindung geht aus von aiaea Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs . Der bisher gebräuchlichste Typ der Lambdasoαde benutzt als Referenz den Sauer- stoffpartialdruck der Lu t, die Gegenelektrode dieser Sonden ist also mit der Außenluft in Kon akt . Der Auf¬ bau von Lambdasondeα wird jedoch dann einfacher, wenn es gelingt, sowohl die Meßelektrode als auch die Gegen¬ elektrode dem Abgas auszusetzen. Dies erleichtert auch die Möglichkeit, von einem röhrförmigen Aufbau zu einem plättchenfor igen Aufbau überzugehen. Ξs ergibt; sich je¬ doch die Schwierigkeit , an der Gegenelektrode ein Re ers: potential aus dem gleichen Gas zu schaffen, dem auch die Meßelektrode ausgesetzt ist. Hier sind bereits verschie¬ dene Lösungsmöglichkei-, n vorgeschlagen worden. So zeig ^* beispielsweise die DΞ-OS 25 '-T 633 eine Gegenelektrode, iie aus einem kataiy-isc inaktiven Material beszeht, so daß sich zwischen dieser Ξlekzrode und der kataly- i ^~ c£ aktiven Meßelektrode ein ?o ^~ eα ^~ ialu~,terschied ergibt.

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Der Nachteil einer solchen Lösung ist jedoch darin zu sehen, daß es kaum Materialien gibt, die auf längere Zeit katalytisch inaktiv sind, da diese Materialien durch die Betriebsdingungen allmählich eine gewisse atalytische Aktivität erlangen, so daß sich das Re- ferenzpotantial allmählich verschiebt. Aus der DS-OS 30 kQ k9k> ist die Möglichkeit bekannt geworden, eine poten iαmetrische Lambdasonde mit einem polarographischen Meßfühler, einer sogenannten Grenzstromsonde zu kombi¬ nieren, um auf diese Weise an der Gegenelel-ccrode der Lambdasonde stets eine Sauerstoffkonzentration 0 zu haben. Diese Lösung hat jedoch ä.en Nachteil, daß es notwendig ist, über die gesamte Betriebszeiz der Sonde eine _. .Gleichspannung an der Grenzstromsonde zur Erzeu¬ gung des Pumpstromes bereitzustellen. Schließlich ist es, beispielsweise aus der DE-OS 21 15 61 - bekannt, den Sauerstoffpartialdruck eines Metall/Metall¬ oxid-Gemisches als Referenz zu benutzen, um von dem Luftsauerstoff unabhängig zu sein, beispielsweise wenn vom Ξinbauort der Sonde her die Verwirklichung einer Luftreferenz schwierig ist. Sine solche Metali/Metall¬ oxid-Ref renz hat jedoch den Nachteil, daß sich das Mengenverhältnis von Metall zu Metailoxid allmählich verschiebt, so daß der Zeitpunkt kommt, bei dem nur noch Metall oder nur noch Metailoxid vorliegt, so daß diese Referenz nicht mehr funk-ionsf hig is .

Torteile der Erfindung

Das er indungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnen¬ den Merkmalen des Hauptanspruchs haz demgegenüber den Verteil, daß hier weder der Verbrauch eines Stoffes die Funktion der Referenz hemmen kann noch durch eine

allmähliche Aktivierung der Gegenelektrode einer Ver¬ schiebung des Referenzpotentials au tritt. Auch ist es nicht notwendig, während der gesamten Betriebs¬ dauer der Sonde eine Gleichspannung zur Verfügung zu stellen. Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist allerdings, daß eine Regelung vorge¬ sehen wird, die einen ständigen Wechsel zwischen fett und mager mit einer konstanten Fre uenz herbeiführt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Gegeneiektrode mit einer diffunsiσnshem enden Schicht zu bedecken, d.h.. eine sogenannte F.ettref renz zu verwenden, bei der die Ansprechzeit (hier und im folgenden umfaßt der Be¬ griff "Ansprechzeit" stets die Summe aus Ansprechzeit und Totzeit) beim Übergang des Meßgases von mager nach fett kürzer ist als die Ansprechzeit beim Über¬ gang von fett nach mager, da die Motoren im alige¬ meinen fett gestartet werden und damit der Ξinschwing- . Vorgang, der zu den oben erwähnten Regelschwingungen führt, erleichtert wird. Um gerade diesen Sinschwing- vαrgang noch weiter zu erleichtern, kann es vorteil¬ haft sein, in den ersten paar Sekunden nach dem Start eine Gleichspannung zur Erzeugung eines Pumpstromes an die Elektroden zu legen, um das Erreichen des fetten Referenzpotenziais zu beschleunigen. Dasselbe gilt aber auch für den Fall, daß mit einer Magerreferenz gearbeitet wird. Es kann darüber hinaus auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem der herkömmlichen Verfahren zur Schaffung eines Ref renzpo enziais zu

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kom.bini.eren, da zum einen im Falle eines Metall/Metall¬ oxid-Gemisches dieses nicht so schnell verbraucht wird, zum anderen aber man. die Lambdasonde bei tieferen Temperaturen betreiben kann, als dies ohne das erfin¬ dungsgemäße Verfahren möglich ist, da das Referenz¬ potential schon bei einer tieferen Temperatur erreicht wird.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei¬ bung näher erläutert-. Es zeigen Figur 1 die vereinfachte Darstellung einer Magerref renz, Figur 2 schematisch die Spannungs/Zeit-Surven dieser Magerreferenz, Figur 3 Funk¬ tionskurven der Lambdasonde, Figur k die vereinfachte Darstellung einer Fettreferenz und Figur 5 schließlich schematisch die Spannungs Zeit-Surven der Fettreferenz gemäß Figur k..

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Magerreferenz, d.h. eine egeneiek- trode, bei welcher die Ansprechzeit beim Übergang des Meßgases von fett nach mager kürzer ist als die An¬ sprechzeit beim Übergang von mager nach f tt , darge¬ stellt. Die Lambdasonde besteht aus einem Plättchen aus stabilisier em Zirkondioxid, das auf der einen Seite die Meßeiektrode 2, die in an sich bekannzer W i3 aus Platin oder einem Piazin-Zirkondioxid-Ge isch be¬ stehen kann, trägt. An die Meßeiektrode 2 schließt si:.-. eine Leiterbahn 3 zum elektrischen Anschluß dieser £!*.<.- trode an. Die Gegenseite des Pläztchens 1 trägt die ^"■ ■»- ^■ •:

elektrode k , die in ihrem Aufbau der Meßelektrode 2 entspricht und an die sich zur elektrischen Kontaktierung eine Leiterbahn 5 anschließt. Die Elektrode h ist etwa zur Hälfte mit einer gasdichten Glasur 6, beispiels¬ weise aus einem 3ariumboratglas , abgedeckt. 3ei dem Übergang des Meßgases von fett nach mager, der sich an dieser Gegenelektrode schnell abspielt, treten folgende Vorgänge auf: Zunächst weist die Elektrode bei dem fetten Abgas über ihren gesamten Bereich hinweg einen Sauerstoffpartialdruck von etwa 10 bar auf. Wenn nun bei dem Übergang des Meßgases von fett nach mager der Sauerstoffpartialdruck auf 10 bar - das ent¬ spricht etwa dem Punkt A β ansteigt, so entspricht dies"'einem Transport nur weniger Sauerstoffmolaküla von dem unbedeckten Elektrodenteil zu dem mit dar gasdichten Schicht 6 abgedeckten Teil, so daß leicht einzusehen ist, daß dieser Vorgang, bei welchem nur wenige Sauer¬ stoffmoleküle diffundieren müssen, recht schnell ver¬ läuft. In Figur 2, in welcher der Spannungsverlauf der Gegenelektrode (gemessen gegen eine Lufteiektrode) gegen die Zeit aufgetragen ist, sieht man dies an der Kurve 7 sehr deutlich. Ausgehend von einer hohen Spannung von beispielsweise 800 mV fällt die Spannung sehr schnell auf einen Wert von etwa 200 mV ab , um sich dann asym¬ ptotisch dem Gleichgewichtswert zu nähern. Dies ent- spricht dann etwa einem Sauerstoffpartialdruck von 10 -2 bar

Geht das Gasgemisch nun wieder vom mageren in den fetzen

3ereich über, so bedeutet dies, daß bei einem Übergang von einem Partialdruck von 10 -2 auf einen Parzialdruck von 10 bar sehr viel mehr Sauarsto fmoleküle trans¬ portiert werden müssen als bei dem Übergang von 10 ' auf 10 bar, daß nunmehr für den Transport dieser

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vielen Sauerstoffmoleküle vom abgedeckten Teil der Elektrode zu dem unbedeckten Teil sehr viel mehr Zeit notwendig ist, was mit anderen Worten besagt, daß der Übergang des Meßgases von mager nach fett sehr viel langsamer nachvollzogen wird als dies in der umgekehr¬ ten Richtung der Fall ist. Dies kommt in der Kurve 8 in Figur 2 deutlich zum Ausdruck, wo gezeigt ist, daß die Spannung der Gegenelektroda , ausgehend von bei¬ spielsweise etwa 100 mV zunächst sehr langsam ansteigt um erst später nach einem verzögerten steilen Anstieg sich der Grenzspannung des fetten Meßgases zu nähern. Es zeigt sich also deutlich, daß die Ansprechzeit die¬ ser Elektrode asymmetrisch in bezug auf n wiederhol¬ ten "Wechsel zwischen fett und mager ist.

In Figur 3 wird das Funktionieren der erfindungsgemäßen La bdasonda verdeutlicht. Figur 3a zeigt den zeitlichen Verlauf des Lambdawerts , der durch die Lambdasonde selbst im Zusammenwirken mit einer Regeleinrichtung be¬ wirkt wird. Figur 3b zeigt die Spannung der beschrie¬ benen Gegenelektrode - gemessen z. 3. gegen eine Luft¬ referenz - bei dem Lambda-Veriauf entsprechend Figur 3a. Diese Kurven wurden von denen der Figur 2 für mehrere nacheinander ablaufende La bda-Wechsei abgeleitet. Figur 3c zeigt die Spannung einer üblichen Lambdasondenelekzrode - gemessen gegen Luftreferenz -. Diese Eiekzrode dient als Meßelektrode. Figur 3d zeig- schließlich die Spannung der Meßelektrode gegen die Gegeneiektrode - die Differenz der Kurven 3c und 3b -, somit also die Spannung, die an einem erfindungsgemäßen Sensor ohne Luftreferenz gemessen wird. Man sieht, daß schon nach wenigen Sinschwingvorgängen die Sondenspannung dem Lambda-Wechsei genau folgt.

Anhand der Figuren k und 5 soll nun der Mechanismus einer Fettreferenz beschrieben werden. Auch in diesem Falle besteht die Sonde aus dem Festelektroly en 1 , der Meßelektrode 2 sowie der Leiterbahn 3. Auch die Gegen¬ elektrode k sowie die sich daran anschließende Leiter¬ bahn 5 entspricht der Darstellung in Figur 1. Im Falle dieser Fettreferenz, bei der die Ansprechzeit der Gegen¬ elektrode beim Übergang des Meßgases von mager nach fett kürzer ist als die Ansprechzeit beim Übergang von fett nach mager, ist nun die gesamte Elektrode 1+ mit einer di fusionshemmenden Schicht bedeckt, deren Poren Durch¬ messer haben, die klein sind gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gas oieküle. Die Herstellung derar¬ tiger poröser Schichten ist in der DΞ-OS 29 ^ 020 be¬ schrieben. Der Übergang von fett nach mager entspricht einem höheren Angebot an Sauerstoff im Meßgas, jedoch ist die diffusionshemmende Schicht 9 so ausgelegt, daß die Sauerstof moleküle nur langsam durch die Schicht 9 hindurch an die Elektrode k gelangen können. Dies ist in Figur 5 anhand der Kurve 11 dargestellt. Wechselt das Meßgas nun wieder von mager nach fett , so herrscht zu¬ nächst an der Elektrode k ein Sauerstoffpartialdruck von etwa 10 -2 bar, jedoch spi.elt hi.er nun der i.m Meßgas vor¬ handene Wasserstoff eine wichtige Rolle, der aufgrund seines sehr viel kleineren Diffusionskoeffizienten sehr schnell .durch die dif usionshemmende Schicht 9 hindurch an die Elektrode h gelangen kann und sich hier mit dem vorhandenen Sauerstoff zu Wasser vereinigt, was dazu führt, daß sich das Fettpoten ial an dieser Gegenelektrode sehr schnell einstellt. Dies ist wiederum in Figur 5 an der Kurve 10 deutlich zu sehen.

Die Spannung eines er indungsgemäßen Sensors mit Fezt- referenz kann in derselben Art durch Differenzbildung

erhalten werden, wie es oben bei der Magerreferenz be¬ schrieben wurde. Durch Umpolen erhält man ein Sensor¬ signal, das sowohl mit Signalen von Sonden mit Luftre¬ ferenz als auch mit Signalen von Sonden mit erfindungs¬ gemäßer Magerreferenz kompatibel ist.

Es wurde oben betont, daß derartige Elektroden mit asymmetrischen Ansprechzeiten nur dann als Referenz dienen können, wenn eine Regelung vorgesehen ist, die einen ständigen Wechsel zwischen fett und mager herbei¬ f hrt. Die Regelfrequenz liegt etwa bei einem Hz. Eine weitere Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist die, daß der langsam sich abspielende Prozeß an der Gegenelektrode mindestens etwa so lange dauert wie eine Regelschwingung. Hierauf muß bei der Abstimmung zwischen Regelung und Auslegung der Gegeneiektrode geachtet werden. Benötigt der langsam sich an der Gegenelektrode abspielende Prozeß weniger Zeit als eine Regelschwingung, so braucht das gesamte System zu lange Zeit zum Einschwingen.

Um beim Start eines Motors die Regelschwingungen in mög¬ lichst kurzer Zeit zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Lambdasonde beispielsweise auf der Seite der Me߬ elektrode zusätzlich eine Heizung trägt, da die Funktions¬ fähigkeit des Festelekzrolyten erst bei einer beszimmzen Schwellentemperatur, die je nach Festelektroiyzmateriai zwischen 300 und θO° liegt, einsetzt.

Da die Motoren in den meisten Fällen fezt gestarzet werden, ist es vorteilhaft, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Fettreferenz einzusezzen, wie sie anhand der Figuren k und 5 beschrieben wurde, da nur in die *-.

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Falle nach sehr kurzer Zeit bereits das Referenzpotential der Gegenelektrode zur Vergfügung steht. Es ist aber prinzipiell auch möglich, beim Start im Fetten eine Magerre erenz zu verwenden, in diesem Falle ist ledig¬ lich mehr Zeit erforderlich, bis die Lambdasonde in einem betriebsgünstigen Zustand sich befindet.