專利名稱：用于檢測混合氣中λ值的極限電流傳感器的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明基于主權(quán)利要求的一般類型的用于檢測混合氣中λ值的極限電流傳感器。
德國專利公開說明書3908393公開了一種極限電流傳感器，基中，為了減少響應(yīng)時間，該傳感器設(shè)置有第二抽運電池，其在擴散溝槽中可獲得恒定的氧濃度。該第二抽運電池用于在擴散溝槽中的較早的點上的擴散流的平衡條件及時達到穩(wěn)定狀態(tài)?？s短擴散溝槽的長度會引起快速的響應(yīng)時間，但同時也會使極限電流太強烈地增加。由于電極的受限制的電流承載能力，當(dāng)?shù)蜐舛鹊幕旌蠚庵械难鯘舛雀邥r，擴散溝槽的最小的長度是必須的。
為了在燃料/空氣比的貧稀范圍(λ＞1)，當(dāng)量范圍(λ＝1)以及直到濃密范圍(λ＜1)時使用極限電流傳感器，從EP-B1-190750可知道，其將抽運電池的陽極暴露于參考?xì)夥罩?。在貧稀范圍中，這些傳感器就象已知的低濃度傳感器那樣工作。在陰極氧分子被還原，因而，氧離子通過固態(tài)的ZrO2電解質(zhì)從陰極遷移到陽極。在陽極，氧離子又轉(zhuǎn)換為氧分子并適放到大氣中。在當(dāng)量條件下，在陰極具有化學(xué)平衡，因而沒有抽運電流存在。在濃密范圍內(nèi)(高濃度范圍)，作為施加抽運電壓的結(jié)果，氧離子也被從陰極送到陽極。在陽極，它們又轉(zhuǎn)化為氧分子。氧離子流以相反的方向從貧稀范圍流動。為了這一目的，轉(zhuǎn)換抽運電壓的極性是必要的。這是通過這樣的方式獲得的，即在當(dāng)量條件下出現(xiàn)的電動勢的電平被用作開關(guān)信號。
在極限電流傳感器中，極限電流一般通過用施加于極限電流傳感器的兩個電極上的恒定電壓而測量。用含氧的測量氣體，只要氣體向陰極的擴散決定正在進行的反應(yīng)的速度，極限電流就線性地取決于氧的局部壓力。這種特別地暴露于測量氣體的極限電流傳感器適合于檢測貧稀的測量氣體中的氧濃度。一旦通過擴散層經(jīng)過陰極的氧分子被迅速地轉(zhuǎn)換成離子的形式，極限電流就進到貧稀的范圍。在濃密的范圍，當(dāng)擴散載體置于陽極之前，H2和CO向陽極的擴散決定整個反應(yīng)速度時，極限電流出現(xiàn)。
當(dāng)抽運電壓從0伏慢慢變大時，在兩個電極之間存在著電阻條件，因此，隨著抽運電壓的增加，抽運電流增加直到擴散極限電流引起抽運電流的限制。假如陰極沒有擴散載體，或者暴露于測量氣體的陰極只具有很低的擴散阻力，特別是在高的局部壓力下，限制抽運電流的擴散就不會出現(xiàn)，其結(jié)果，傳感器的電流/電壓性能就會繼續(xù)依附于電阻條件。其結(jié)果是，抽運電壓連續(xù)增加，因而，最后既使電壓值大于1伏，其也不會進到極限電流范圍，這樣，要測量O2含量就會變成不可能。這種高的抽運電壓會導(dǎo)致所述固態(tài)的電解質(zhì)和電極被毀壞。另一方面，在低的局部壓力下，既使低的擴散阻力也將是足夠的。然而，為了在從貧稀范圍到濃密范圍的寬的范圍內(nèi)用極限電流傳感器進行檢測，必須確保足夠的擴散阻力。由測量氣體的相應(yīng)的擴散路徑而確定的足夠的擴散阻力，在當(dāng)量條件附近具有這樣的缺點，即在任何濃度下幾乎沒有任何差別，而這樣既使是測量氣體很小的波動也會使傳感器信號搞錯。在這種情況下，既使很小的電壓也足以損壞固態(tài)的電解質(zhì)。發(fā)明的優(yōu)點根據(jù)本發(fā)明的具有權(quán)利要權(quán)1的限定特征的極限電流傳感器具有這樣的優(yōu)點，即在當(dāng)量比率(λ＝1)附近的區(qū)域極限電流傳感器的敏感性被增加了。
用從屬權(quán)利要求所公開的手段，對根據(jù)本發(fā)明的極限電流傳感器進行有利的改進是可能的。特別有利的是使兩個抽運電池具有不同的擴散阻力。如果兩個抽運電池的陰極被設(shè)置成在擴散載體上具有不同的擴散路徑，獲得不同擴散阻力的簡單方式被獲得了。假如具有較高敏感性的抽運電池的擴散路徑相應(yīng)于具有較長擴散路徑的抽運電池的擴散路徑的0.1至0.7倍，最好為0.3倍，就能獲得好的結(jié)果。通過提高對于兩個抽運電池來說具有單連接線的普通的陽極，極限電流傳感器的成本效益設(shè)計是可能的。附圖在以下的附圖和說明書中描述了本發(fā)明的兩個典型實施例。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于低濃度廢氣的極限電流傳感器的第一個典型實施例；圖2表示依據(jù)根據(jù)圖1的極限電流傳感器的氧濃度而給出的極限電流的特性曲線；圖3表示用于檢測從低濃度廢氣到高濃度廢氣的范圍內(nèi)的廢氣的λ值的極限電流傳感器的第二個典型實施例；
圖4表示依據(jù)根據(jù)圖3的極限電流傳感器的氧濃度而給出的極限電流的特性曲線；圖5表示依據(jù)抽運電流Ip而繪制的的抽運電壓Up的曲線。典型實施例根據(jù)圖1的極限電流傳感器具有第一個固態(tài)的電解質(zhì)層10，其例如由釔-穩(wěn)定的鋯氧化物構(gòu)成，具有陽極11和第一陰極12以及第二陰極13。第一陰極12與陽極11構(gòu)成第一抽運電池14，第二陰極13與陽極11構(gòu)成第二抽運電池15。第二個固態(tài)的電解質(zhì)層16和第三個固態(tài)的電解質(zhì)層17與所述第一個固態(tài)的電解質(zhì)層10相平行而設(shè)置。被埋設(shè)于電絕緣層18中的加熱器19位于所述兩個固態(tài)的解質(zhì)層16、17之間。該絕緣層19例如由Al2O3構(gòu)成。除了固態(tài)的電解質(zhì)層16、17，其它的陶瓷層也能被很好地應(yīng)用，例如由Al2O3構(gòu)成，當(dāng)然，當(dāng)電絕緣陶瓷層被應(yīng)用時，用于埋設(shè)加熱器19的絕緣層18能夠省略。
在每一情況下，用于確定距離并且例如由鋯氧化物構(gòu)成的氣密框22設(shè)置在第一個固態(tài)的電解質(zhì)層10、第二個固態(tài)的電解質(zhì)層16和第三個固態(tài)的電解質(zhì)載體17之間。
在所述第一個固態(tài)的解質(zhì)層10和第二個固態(tài)的電解質(zhì)層16之間，設(shè)有擴散溝20，其形成用于測量氣體的擴散載體，該擴散溝20通過擴散孔21與測量氣體相連。陽極11和兩個陰極12、13例如以環(huán)形形狀圍繞著擴散孔21延伸。具有擴散路徑l1的第一陰極12被設(shè)置成比具有擴散路徑l2的第二陰極13更靠近擴散孔21。第一陰極12的擴散路徑l1例如為第二陰極的擴散路徑l2和0.3倍。為了形成合適的擴散阻力，擴散溝20中填充有多孔的材料，例如由Al2O3構(gòu)成。這里，除了其它因素外，孔的尺寸決定了擴散阻力。
陽極11和陰極12、13被連接到抽運電壓源U，陰極12、13的連接是可開關(guān)的，這里以開關(guān)24來描述。此外，電流表23設(shè)置在電路中，以便測量極限電流Ip。為了實際用在機動車中，控制裝置代替電流表23，該控制裝置為控制燃料/空氣混合氣而設(shè)置。
圖2表示根據(jù)O2的濃度C而繪制的兩個抽運電池14，15的抽運電流Ip的特性曲線。兩個抽運電池的極限電流通過電流表23而測得。當(dāng)測量氣體(空氣＝20.5％)中氧濃度高時，第二陰極13通過開關(guān)24連接到電壓源U。當(dāng)氧濃度C下降時，第二抽運電池15的極限電流Ip下降。一旦達到預(yù)定的氧濃度C的閾值，抽運電壓被施加到第一電極12。為了這一目的，開關(guān)24按照圖1中的虛線開啟。開關(guān)24的開啟由控制電路(末示出)來完成，閾值Cs由與電流成比例的抽運電壓來確定。此時，由電流表23測得的極限電流Ip1明顯高于同樣氧濃度下的第二抽運電池15的極限電流。當(dāng)氧濃度下降時，第一抽運電池14的極限電流越來越變小，直到氧濃度為10-10巴時變?yōu)榱?，該氧濃?0-10巴相應(yīng)于當(dāng)量比值(λ＝1)。第一抽運電池14的極限電流Ip的特性曲線的斜度僅僅表明，在λ＝1附近的測量氣體中的氧濃度的既使很小的變化，也會引起極限電流Ip1的明顯變化。最后，這表明了在靠近λ＝1附近時極限電流傳感器的較高的敏感性。在閾值Cs時由第二抽運電池15到第一抽送電池14的切換完成，閾值的大小取決于第一陰極在擴散溝20中的位置。
極限電流傳感器的第一個典型實施例示于圖3，其被用作寬帶傳感器，從混合氣的低濃度范圍直到高濃度范圍。在這種極限電流傳感器中，陽極11設(shè)置在參照溝槽25中。參照溝槽25例如與大氣相連。如根據(jù)圖1的傳感器的情況那樣，測量氣通過擴散孔21和擴散載體20送到兩個陰極12和13。陰極12、13和它們的擴散路徑l1和l2的設(shè)置相應(yīng)于根據(jù)圖1的實施例。然而，在本典型實施例中，陰極12、13被設(shè)置在第二個固態(tài)的電解質(zhì)層16上。第一個固態(tài)的電解質(zhì)層10包含擴散孔21，就象第一個典型實施例那樣。陽極11與進一步的陶瓷層26相鄰接，在該陶瓷層26中設(shè)置有參照溝槽25。在本典型實施例中，為了更好的熱傳導(dǎo)，加熱器19與絕緣層18直接連接到參照溝槽25。然而，同樣可以設(shè)想的是，在絕緣層18和參照溝槽25之間設(shè)置附加的陶瓷層。
圖4中所示的特性曲線表示依據(jù)λ＝1和高濃度廢氣中(λ＜1)氧濃度之間的氧濃度范圍而給出的低濃度廢氣(λ＞1)中的氧濃度的抽運電流Ip的曲線。高濃度廢氣中的氧濃度表示氧氣的不正確的量，其對于使混合氣變?yōu)棣耍?是必要的。在這里，氧氣的濃度必須被理解為其已被證明在座標(biāo)系中具有負(fù)值。低濃度廢氣特性曲線的圖形與圖2的圖形相應(yīng)。對λ＝1的給定的進一步的近似，根據(jù)圖5的抽運電壓Up被保持恒定值例如300mV。
當(dāng)λ＝1時，獲得了與外部抽運電壓相反的電動勢(能斯脫電壓-Nernst Volatage)，如已經(jīng)描述的，作為其結(jié)果，由電流表23測得的極限電流Ip1變?yōu)榱?。在此情況下，擴散溝20中的氧氣的局部壓力近似地變?yōu)?0-10巴。變換為高濃度廢氣(λ＜1)時，大約900mV的電動勢起支配作用。然而，這個電壓并不是有效的，因為在一個方面，其與從外部施加的抽運電壓相反作用，另一方面，主要在相對大的抽運電流時，被電動熱的電壓源的內(nèi)部阻力所減小。假如從外部施加的抽運電壓Up沒有被選擇而太大以及電動勢的電壓源的內(nèi)部阻力小，在電動勢對λ＜1的影響下，陽極極限電流Ip1’增大，當(dāng)特定的、可調(diào)節(jié)的閾值C5被超過出時，第二陰極13被開關(guān)24開啟。這里，由電流表23測得的極限電流Ip1’按照點劃線突然下降到較低的值直到陽極極限電流Ip2′，其在第二陰極13上獲得。當(dāng)氧濃度下降時，陽極極限電流Ip2’持續(xù)升高，但與第一個抽運電池14的陽極極限電流Ip1’相比具有較低的斜率。
為了由第一陰極12轉(zhuǎn)換到第二陰極13，反之亦然，用于極限電流的閾值也可以被設(shè)置。當(dāng)相應(yīng)的抽運電池工作時，裝置又以和電流成比例的抽運電壓工作。
根據(jù)本發(fā)明的極限電流傳感器以已知的方式用層疊和網(wǎng)板印刷技術(shù)以及借助于熱壓結(jié)合而加工。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測混合氣中、特別是內(nèi)燃機的廢氣中λ值的極限電流傳感器，其具有帶抽運電極的第一和第二抽運電池，該抽運電極設(shè)置在固態(tài)的電解質(zhì)的每個表面上，其傳送氧離子，抽運電極的陰極暴露于待測的、通過擴散載體的混合氣，其特征在于，其中的抽運電池(14，15)以這種方式獲得具有相同的外部氧濃度時，不同的抽運電流Ip這樣獲得，即當(dāng)氧濃度處于靠近當(dāng)量混合氣(λ＝1)附近的范圍內(nèi)時，具有較高抽運電流Ip的抽運電池(14)能被開啟，否則，當(dāng)氧濃度在這一范圍之外時，具有較低抽運電流Ip的抽運電池(15)運行。
2.如權(quán)利要求1所述的極限電流傳感器，其特征在于，其中設(shè)有裝置(24)，其作為氧濃度的預(yù)定閾值的函數(shù)，開啟一個或另一個抽運電池(14，15)。
3.如權(quán)利要求2所述的極限電流傳感器，其中，用于從一個抽運電池切換到另一個抽運電池(14，15)的閾值能夠通過抽運電流(Ip)來指令。
4.如權(quán)利要求2所述的極限電流傳感器，其中，用于從一個抽運電池切換到另一個抽運電池(14，15)的閾值能夠通過與電流成比例的抽運電壓(Up)來指令。
5.如權(quán)利要求1所述的極限電流傳感器，其中，每個抽運電池(14，15)具有不同的擴散阻力，在靠近當(dāng)量混合氣(λ＝1)附近運行的抽運電池(14)比另一個抽運電池(15)具有較低的擴散阻力。
6.如權(quán)利要求5所述的極限電流傳感器，其中，在擴散載體中的陰極(12，13)在每個表面上通過不同的擴散路徑(l1和l2)間隔開設(shè)置，第一個抽送電池(14)的一個陰極(12)比第二個抽運電池的另一個陰極具有較小的擴散路徑。
7.如權(quán)利要求6所述的極限電流傳感器，其中，一個陰極(12)的擴散路徑(l1)為另一個陰極(13)的擴散路徑(l2)的0.1和0.7倍之間，最好為擴散路徑(l2)的0.3倍。
8.如權(quán)利要求1所述的極限電流傳感器，其中，兩個抽運電池具有普通的抽運電極，其作為陽極(11)被開關(guān)。
9.如權(quán)利要求1所述的極限電流傳感器，其中，在當(dāng)量混合氣(λ＝1)附近運行的抽運電池(14)的抽運電壓(Up)能夠被保持為恒定值。
10.如權(quán)利要求9所述的極限電流傳感器，其中，抽運電壓(Up)小于能斯脫(Nernst)電壓，最好為300mV。
全文摘要
一種用于檢測混合氣中、特別是內(nèi)燃機的廢氣中λ值的極限電流傳感器被提出。該極限電流傳感器具有設(shè)置在固態(tài)的電解質(zhì)上、傳送氧離子的第一抽運電池(14)和第二抽運電池(15)，它們分別具有暴露于通過擴散部(20)的測量氣體的第一陰極(12)和第二陰極(13)。抽運電池(14和15)以這樣的方式獲得在具有相同的外部氧濃度的情況下，不同的抽送電流Ip這樣獲得，即當(dāng)氧濃度至少在當(dāng)量混合氣(λ＝1)附近時，具有較高抽運電流Ip的抽運電池(14)能被開啟，否則，當(dāng)氧濃度在這一范圍之外時，具有較低抽運電流Ip的抽運電池運行。為了這一目的，擴散載體(20)中的陰極(12，13)在每個表面上通過不同的擴散路徑(文檔編號G01N27/417GK1116879SQ9419098
公開日1996年2月14日 申請日期1994年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月3日
發(fā)明者卡爾-海爾曼·弗里澤, 維爾訥·格呂內(nèi)瓦爾德 申請人:羅伯特博施有限公司