DE4228052A1 - Abgas-sensor zur regelung des betriebs von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgas-Sensor zur Re­ gelung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Kfz-Motoren und -Katalysatoren.

Zur Regelung von Kfz-Motoren muß die Menge des nichtausreagier­ ten Treibstoff/Luft-Gemisches, das jeden Zylinder eines Mehrzy­ linder-Kfz-Motors verläßt, bekannt sein. Zur Regelung von Kfz- Katalysatoren muß der Lambda-Wert des zugemessenen Brenn­ stoff/Luft-Gemisches bekannt sein. Die Ansprechzeiten von Mo­ torregelungs-Sensoren müssen im Bereich von Millisekunden lie­ gen, um eine angestrebte Zylinderselektivität zu erzielen.

Für die zylinderselektive Regelung von Kfz-Motoren sind bisher keine Abgassensor-Konzepte bekannt. Für die Katalysator-Rege­ lung existieren die bekannten Ausführungsformen der Lambda-Son­ den auf der Basis von ionenleitendem Zirkonoxid oder elektro­ nisch leitendem Titanoxid.

Zur Regelung eines Mehrzylinder-Kfz-Motors muß sowohl die Kon­ zentration des unverbrannten Treibstoffs als auch die des vor­ handenen Sauerstoffs jeweils nach dem Verlassen der einzelnen Zylinder bekannt sein.

Eine Lambda-Sonde reicht zur Lösung dieser Aufgabe allein nicht aus. Die Sonde erfaßt nur das zugemessene Kraftstoff/Luft-Ver­ hältnis. Solange die Verbrennung in jedem Zylinder optimal ver­ läuft, ist die Lambda-Sonde zur Einstellung des Zylinder-Lamb­ dawerts ausreichend. Bei nichtoptimaler Verbrennung ändert sich das Signal der Lambda-Sonde nicht entsprechend der veränderten Abgaszusammensetzung, da die Reaktion an der katalytischen Elektrode der Lambda-Sonde vervollständigt wird.

Es ist demzufolge zusätzliche Information betreffend die Voll­ ständigkeit der Verbrennung in den einzelnen Zylindern erforder­ lich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgas-Sensor zur Regelung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Kfz-Motoren und -Katalysatoren zu schaffen, der zum Zwecke ei­ ner zylinderselektiven Erfassung des die Brennkraftmaschine verlassenden nichtausreagierten Treibstoff/Luft-Gemisches aus­ reichend schnell reagiert, zuverlässig arbeitet und kostengün­ stig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Abgas-Sensor gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die darin angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

lm folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im ein­ zelnen beschrieben, wobei die Figuren ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung betreffen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Schnitts durch den erfindungsgemäßen Abgas-Sensor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Sensorstruk­ tur, die in Fig. 1 dargestellt ist.

Erfindungsgemäß wird gemäß Fig. 1 u. Fig. 2 ein Abgas-Sensor vorgeschlagen, bei dem ein erstes Sensor-Element 1 den Sauer­ stoffpartialdruck mißt, nachdem sich beispielweise das Abgas der Sensor-Elektrode aufgrund deren katalytischer Wirkung voll­ ständig ausreagiert hat. Dieses Sensor-Element 1 mißt also den fehlenden bzw. überschüssigen Sauerstoffgehalt, aus dem sich wie bei herkömmlichen Lambda-Sonden der Lambda-Wert zur Kataly­ satorregelung ergibt. Ein zweites Sensor-Element 2 mißt gleich­ zeitig den Sauerstoffpartialdruck im Abgas ohne die katalyti­ sche Einstellung stöchiometrischer Verhältnisse. Der betref­ fende Wert wird i.a. höher liegen. Die Meßprinzipien der beiden Sensor-Elemente 1, 2 können gleich oder verschieden sein.

Das Differenzsignal aus den Signalen von Sensor-Element 2 und Sensor-Element 1 ist ein direktes Maß für die Unvollständigkeit der Verbrennung. Nach Maßgabe dieses Signals wird der Motor zy­ linderselektiv geregelt.

Sind die beiden Sensor-Elemente 1, 2 bis auf den katalytischen Bestandteil des Sensor-Elements 1 im Aufbau identisch, so wer­ den beide gegeneinander geschaltet. Auf diese Weise ist das ge­ wünschte Differenzsignal einfach zu gewinnen.

Ein wesentlicher dieser Anordnung besteht darin, daß schnelle Temperaturschwankungen des Abgas-Sensorsystems, die nicht durch eine Sensorheizung ausgeregelt werden können, automatisch kom­ pensiert werden.

Langzeitdrifts und Alterungseffekte werden auf diese Weise ebenfalls weitgehend kompensiert.

Das Signal des Sensor-Elements 1, das wie eine Lambda-Sonde ar­ beitet, dient (falls erforderlich) darüber hinaus zur Regelung des Abgas-Katalysators.

Um die erforderliche Ansprechgeschwindigkeit zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein Aufbau des Sensor-Systems in dünnen Schich­ ten vorgesehen. Dafür kommen alle Arten von Planartechnologien, wie Dickschicht-, Dünnschicht-, CVD-Technologien usw., in Frage. Als Substrat 3 wird vorteilhafterweise ein gut wärme­ leitfähiges Material verwendet. Dies gewährleistet einen schnellen Ausgleich eventuell vorhandener Temperaturgradienten und optimiert so die automatische Temperatur-Kompensation der beiden Sensor-Elemente.

Als Sauerstoffsensor-Grundmaterial dienen Metalloxide, deren elektronische Leitfähigkeit vom Sauerstoff-Partialdruck ab­ hängt. Die katalytische Schicht des Sensor-Elements 1 besteht aus einem katalytisch wirksamen, jedoch korrosionsfesten Mate­ rial, z. B. einem Metall der 8. Nebengruppe.

Eine mögliche Ausführungsform der Sensorstruktur ist in Fig. 1 gezeigt:

Auf das gut wärmeleitfähige Substrat 3 sind für jedes Sensor- Element 1, 2 zwei Interdigitalstruktur-Elektroden 4, 5 aufge­ bracht, vergl. auch Fig. 2. Diese müssen korrosionsfest und temperaturstabil sein und sind vorzugsweise aus Pt gebildet. Auf jedes dieser Elektrodenpaare 4/5 ist eine dünne, sauer­ stoffsensitive Schicht aus Metalloxid 6 aufgebracht. Eine der beiden Sensorstrukturen ist mit einer dünnen Katalysatorschicht 7 möglichst großer spezifischer Oberfläche bedeckt, und zwar das Sensorelement 1. Um das Sensor-Elementpaar herum ist eine Dünnschicht-Temperaturregelungsanordnung 8 in an sich bekannter Weise, bestehend aus einem Heizmäander und einem Temperaturfüh­ ler, beispielsweise aus Pt vorgesehen. Alle ungeschützten Me­ tallbereiche außerhalb des Sensor-Elementpaares sind beispiels­ weise mittels einer Si₃N₄-Schicht passiviert.

Die angegebene Struktur bildet einen einfach aufgebauten, schnellen Abgas-Sensor insbesondere zur Regelung von Kfz-Moto­ ren über einen weiten Lambda-Bereich hinweg mit inherenter Tem­ peratur- und Driftkompensation.

Claims (6)

1. Abgas-Sensor zur Regelung von Brennkraftmaschinen, insbeson­ dere Kfz-Motoren und -Katalysatoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Sensor-Einheit als Kombination zweier Sensor-Elemente (1, 2) vorgesehen ist, die auf einem gemeinsamen Substrat (3) angeordnet sind, daß das eine Sen­ sor-Element (1) auf sich eine Katalysatorschicht (7) trägt und dazu bestimmt ist, den Sauerstoffpartialdruck zu messen, nachdem sich das Abgas beispielsweise an der Sensor-Elektro­ de aufgrund deren katalytischer Wirkung vollständig ausrea­ giert hat, daß das andere Sensor-Element (2), das keine Ka­ talysatorschicht auf sich trägt, gleichzeitig den Sauer­ stoffpartialdruck im Abgas ohne die katalytische Einstellung stöchiometrischer Verhältnisse mißt und daß das Differenzsi­ gnal der Signale aus dem einen Sensor-Element (1) und dem anderen Sensor-Element (2) ein direktes Maß für die Unvoll­ ständigkeit der Verbrennung in der Brennkraftmaschine bil­ det.

2. Abgas-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwei Sensor-Elemente (1, 2) in ihrem Aufbau mit Ausnahme der Katalysatorschicht (7) auf dem einen Sensor-Element (1) identisch sind und daß die zwei Sensor-Elektrodenpaare zur Gewinnung des Differenzsignals gegeneinandergeschaltet sind.

3. Abgas-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (3) aus einem gut wärme­ leitfähigen Material besteht.

4. Abgas-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß um zumindest eines der Sensor-Elemente (1) herum eine Heiz- und Temperaturfühlerstruktur (8) ange­ ordnet ist.

5. Abgas-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Sensor in Pla­ nartechnologie mittels Dickschichtverfahren ausgeführt ist.

6. Abgas-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Sensor in Pla­ nartechnologie mittels Dünnschichtverfahren ausgeführt ist.