本发明专利技术涉及一个用于确定在测量气体室（１１２）里面的气体的至少一个物理参数的传感器元件（１１０），尤其用于确定内燃机废气中的气体组分分量。该传感器元件（１１０）具有至少一个第一电极（１１４）、至少一个第二电极（１１８）和至少一个使第一电极（１１４）和第二电极（１１８）连接的固体电解质（１１６）。第二电极（１１８）设置在至少一个电极空腔（１２０）里面。该传感器元件（１１０）具有至少一个气体输入路径（１２２），通过它以来自测量气体室（１１２）的气体加载电极空腔（１２０）。该气体输入路径（１２２）具有至少一个包括至少一个多孔流动屏障（１２６）的第一段（１２４）和至少一个包括至少一个扩散通道（１３６）的第二段（１３０）。在此第一段（１２４）和第二段（１３０）串联。第一段（１２４）具有第一扩散阻力，所述气体输入路径（１２２）具有总扩散阻力。第一扩散阻力是总扩散阻力的２０％至８０％。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种公知的传感器元件，它涉及某些固体的电解质特性，S卩，这些固体 传导确定的离子的能力。这种传感器元件尤其在汽车中使用，用于测量空气-燃料-气体 混合物组分。尤其在所谓的“λ探测器”中使用这种形式的传感器元件并且不仅在奥托 (Otto)发动机而且在柴油
在减少废气中的有害物质时具有重要的作用。但是本发 明也可以应用于其它形式的传感器元件，它们包括所述形式的固体电解质，即除了跃变探 测器和宽带探测器以外例如也涉及颗粒探测器或类似形式的具有固体电解质的探测器，例 如也用于测量C0，N0x或NH3。下面不局限于保护范围地以λ探测器为例解释本专利技术，但是 依据上述实施例也可以制造其它形式的传感器元件，例如用于确定其它气体组分(如含氧 气体组分)浓度或摩尔分数的传感器元件。
技术介绍
通常在内燃机
以所谓的空气系数“ λ ”表示实际提供的空气质量与用于 燃烧的理论上必需的(即，化学计算的)空气质量之间的比例。在此利用一个或多个传感 器元件至少在内燃机排气管中的一个或多个位置测量空气系数。“富油”气体混合物(即 具有多余燃料的气体混合物)相应地具有λ < 1的空气系数，而“贫油”气体混合物(即 具有缺量燃料的气体混合物)具有λ > 1的空气系数。除了汽车技术也在其它
(尤其是内燃机
)使用这种和类似的传感器元件，例如在飞行技术或在调节燃烧 时，例如在加热设备或发电机领域。已知不同实施例的λ探测器。第一实施例是所谓的“跃变探测器”，其测量原理涉 及测量基准气体与要被测量的气体混合物之间的电化学的电位差。基准电极和测量电极通 过固体电解质相互连接。由于其良好的通导氧气离子的特性通常使用氧化锆(例如钇稳定 的氧化锆YSZ)或类似的陶瓷作为固体电解质。备选或附加地对于跃变探测器也可以使用 所谓的“泵电池”，其中在两个通过固体电解质连接的电极上施加电的“泵电压”，其中通过 泵电池测量“泵电流”。所述的跃变电池和泵电池的探测原理也能够有利地组合地在所谓的 “多电池”中使用。泵电池和多电池尤其可以作为所谓的宽带探测器，即作为这样的探测器， 它们不仅在λ = 1的范围中使用，而且可以在其它的空气系数范围中使用。例如在Robert Bosch公司的文献“汽车中的传感器”(2001年6月第一期，第116-117页)描述了这种宽 带探测器和其工作原理。许多λ探测器、尤其是按照双电池原理的宽带λ探测器通过电极空腔工作，在电 极空腔里面设置至少一个电极。在此例如在静态调节的情况下氧气分压在整个电极空腔里 面在所测得的能斯脱电压上保持恒定。通过流动屏障(在文献中经常也称为扩散屏障)有 限的气体量从废气中扩散到电极空腔里面。在泵出氧气或泵入氧气时可以从泵电流推断各 氧气过剩或气体缺量。为了在流动屏障中建立恒定的扩散条件，通过调节器经常使能斯脱 电池的内阻或最好热元件的内阻保持恒定。在此输运过程(在输运过程中气体分子、尤其是氧气在其路径上抛到电极空腔里面)对于λ探测器的性能具有重要意义。λ探测器通常只能测得气体组分的分量、例如氧 气的摩尔分数和/或废气中的富油气体，用于使内燃机适合地运行。但是因为通过分压确 定扩散，λ探测器通常只能测量整个分压。只有在已知气体分压时才可以由分压换算成摩 尔分数。但是，为了确定这个总压力需要外部的压力传感器或废气压力模型。但是这在许 多情况下由于不准确已知的质量流和几何形状伴随较大的误差。总压力的误差与所谓的静 态压力关系系数相乘载入到总误差。因此，为了使输出信号的静态压力关系保持尽可能微小，原则上一个具有多孔的 或敞开的流动屏障的探测器是有利的，因为这种流动屏障保证微小的静态压力关系的同时 保证短的响应时间。但是除了静态关系原则上也可以考虑动态关系，即，传感器信号与高频 压力振荡的关系。所谓的平均值偏移同样属于这种动态效应。由于废气输入到正的压力半 波和从空腔输出λ =1的气体到负的压力半波使平均值偏移是泵电流-氧气分压-特性曲 线的伴随频率增加的(数学上正的)旋转。为了降低静态压力关系原则上优选具有更大孔 径的流动屏障，用于与怒森-扩散(Knudsen-Diffusion)相比在流动屏障中优选气相扩散， 而为了降低动态压力关系和平均值偏移原则上期望小孔的流动屏障，用于降低与压力有关 的怒森_扩散分量。此外电极空腔的体积要保持尽可能地微小，用于进一步减小动态压力 关系，如同在DE 10 2004 023 004 Al中所述的那样。在DE 37 28 289 Cl中描述了一个 装置，在其中在内部的泵电极前面设有通道系统，它具有用于怒森扩散的多孔充满的扩散 通道和用于气相扩散的扩散通道。由此这样制动测量气体到泵电极的提供，使测量气体的 扩散变成速度确定的步骤。通过这个措施尤其改善动态效应，但是其中仍然在静态压力关 系方面存在最佳水平。因此总体上也存在目的冲突。为了减小输出信号的静态压力关系一个具有多孔的 或敞开的流动屏障的探测器是适合的，但是又对于动态压力变化起到太大敏感性的作用， 这又由于削波危险减小控制范围。在此削波一般指的是由于不足够的控制范围剪切信号， 这例如可能导致曲线形状失真或平均值偏移。同样避免由于压力脉冲引起的平均值偏移， 因为它由于流入和流出的不对称性在输出信号中产生不可中和的误差。此外低的静态压力 关系产生扩散边界流的更高温度关系。尽管更高的温度关系通过传感器元件的温度调节 在大多数情况下在能斯脱电池的内阻上绝大部分地被补偿。但是在获得最佳的扩散栅栏 时，与由于加热的输入管线引起的温度调节误差相权衡考虑这一点，如同例如在DE 101 01 351 C2或DE 101 00 599 B4中所述的那样。
技术实现思路
因此建议一个用于确定在测量气体室里面的测量气体的物理参数的传感器元件， 它至少在很大程度上避免已知传感器元件的缺陷。该传感器元件尤其可以用于确定在气 体、尤其是内燃机废气中的至少一个气体组分的至少一个数量分量，例如用于确定废气中 的氧气和/或富油气体的摩尔分数(克分子分数)。但是原则上也能够在其它领域使用，尤 其在气体感应领域中使用。本专利技术基于这种思考，通过使已知的流动屏障(流动势垒)与相应的扩散通道组 合能够绕开上述的目的冲突。因此可以使流动屏障与前置的和/或接着的扩散通道这样组 合，由此给出低的静态压力关系同时给出低的动态压力关系。这一点尤其可以由此实现，通过大的横截面和短的长度这样形成流动屏障，使它 的极限流相对于扩散通道的极限流和体积的比例非常大，扩散通道最好具有尽可能小的横 截面和大的长度。在此使两个分量、即流动屏障的分量和扩散通道的分量、即具有高和低的 静态压力关系的分量的扩散极限流的比例建立整个静态压力关系，因为两个扩散阻力如同 串联起作用。在流动方向上设置在流动屏障后面的扩散通道或扩散通道段的体积V在低频情 况下在以频率f的δ ρ压力振荡时以速率An/At = Ap.V/(kB'T) · f(mol/s)被充填， 其中、是波兹曼(Boltzmarm)常数，T是温度。在此这个入流起到整个屏障的静态扩散极 限流总信号的相对变化Δ η/ Δ t = D · Δ Ptj2的作用。在此D表示总扩散系数。因此对于扩 散通道、本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于确定在测量气体室（１１２）里面的气体的至少一个物理参数的传感器元件，尤其用于确定内燃机废气中的气体组分是数量分量，其中该传感器元件（１１０）具有至少一个第一电极（１１４）、至少一个第二电极（１１８）和至少一个使第一电极（１１４）和第二电极（１１８）连接的固体电解质（１１６），其中第二电极（１１８）设置在至少一个电极空腔（１２０）里面，其中该传感器元件（１１０）具有至少一个气体输入路径（１２２），通过该至少一个气体输入路径用来自测量气体室（１１２）的气体加载电极空腔（１２０），其中该气体输入路径（１２２）具有至少一个包括至少一个多孔流动屏障（１２６）的第一段（１２４）和至少一个包括至少一个扩散通道（１３６）的第二段（１３０），其中第一段（１２４）和第二段（１３０）串联，其中第一段（１２４）具有第一扩散阻力并且所述气体输入路径（１２２）具有总扩散阻力，其中第一扩散阻力具有总扩散阻力的２０％至８０％的比例。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE102008040175.72008年7月4日1.用于确定在测量气体室(11 里面的气体的至少一个物理参数的传感器元件，尤其 用于确定内燃机废气中的气体组分是数量分量，其中该传感器元件(110)具有至少一个第 一电极(114)、至少一个第二电极(118)和至少一个使第一电极(114)和第二电极(118) 连接的固体电解质(116)，其中第二电极(118)设置在至少一个电极空腔(120)里面，其中 该传感器元件(110)具有至少一个气体输入路径(122)，通过该至少一个气体输入路径用 来自测量气体室(11 的气体加载电极空腔(120)，其中该气体输入路径(12 具有至少 一个包括至少一个多孔流动屏障(126)的第一段(124)和至少一个包括至少一个扩散通道 (136)的第二段(130)，其中第一段(124)和第二段(130)串联，其中第一段(124)具有第 一扩散阻力并且所述气体输入路径(122)具有总扩散阻力，其中第一扩散阻力具有总扩散 阻力的20%至80%的比例。2.如上述权利要求所述的传感器元件(110)，其中第一扩散阻力具有总扩散阻力的 50%的比例。3.如上述权利要求所述的传感器元件(110)，其中第二段(130)具有至少一个第一分 段(13 和至少一个第二分段(134)，其中第一分段(13 在气体的流动方向(128)上设置 在第一段(124)前面，并且第二分段(134)在气体的流动方向(128)上设置在第一段(124)后面。4.如上述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中多孔的流动屏障(126)具 有最多30%的敞开的孔。5.如上述权利要求中任一项所述的传感器元件(110)，其中所述扩散通道(136)至少 部分地具有垂直于气体的流动方向(128)的横截面，它位于250 μ m2至40000 μ m2，最好为 2000 μ m2。6.如上述权利要求所述的传感器元件(110)，其中所述扩散通道(136)至少在一个分 段具有垂直于气体的流动方向(128)...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·戈尔，
申请(专利权)人：罗伯特博世有限公司，
类型：发明
国别省市：DE
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