(57)【要約】  測定ガス混合物におけるガスコンポーネント、特に燃焼装置の排ガスにおけるガスコンポーネントを決定するためのセンサエレメント（１）は、測定混合物とガス導通統合された測定室（７）と、測定室（７）内の酸素含有量を調節するために、測定室（７）内に配置されたポンプ電極（４）と対抗ポンプ電極（５）とを酸素イオンを導くように接続する固体電解質（３）とを有している。このセンサエレメント（１）は、対抗ポンプ電極（５）が基準ガス室（８）内に配置されていることを特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガス混合物におけるガスコンポーネント、特に燃焼装置の排ガスにおけるガスコンポーネントを決定するためのセンサエレメントであって、測定ガス混合物とガス導通結合された測定室（７）と、測定室（７）内の酸素含有量を調節するために、測定室（７）内に配置されたポンプ電極（４）と対抗ポンプ電極（５）とを酸素イオンを導くように接続する固体電解質（３）とを有している形式のものにおいて、対抗ポンプ電極（５）が基準ガス室（８）内に配置されていることを特徴とする、センサエレメント。
【請求項２】
基準室（８）がガスを導くように周辺空気と接続されている、請求項１記載のセンサエレメント。
【請求項３】
測定室（７）におけるポンプ電極（４）への固体電解質（３）を通るＯ2-の搬送を極端な濃厚排ガスにおいても保証するために、対抗ポンプ電極（５）における限界流が十分に大きくなるように基準ガス室（８）が寸法設定されている、請求項１又は２記載のセンサエレメント。
【請求項４】
ポンプ電極（４）が第１の測定電極（１２）と一緒に構成されている、請求項１、２又は３記載のセンサエレメント。
【請求項５】
対抗ポンプ電極（５）が第２の測定電極（１１）と一緒に構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項６】
基準電極（１１）が個別の基準ガス室内にあって、そこでポンピングされた基準として稼動されることができる、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項７】
対抗ポンプ電極（５）が加熱エレメント（１３）の近くに位置し、対抗ポンプ電極（５）並びに測定セルが迅速に稼動温度にある、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項８】
測定室に測定領域に向かって拡散バリヤ（１４）が前接続されて配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【請求項９】
拡散バリヤ（１４）がその有効な横断面で見て、ほぼ同じ大きさの拡散抵抗をポンプ電極（４）の、拡散バリヤ（１４）に面した表面の前に構成している、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサエレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念として記載したセンサエレメントに関する。
【０００２】
従来技術
ガスコンポーネントの立証のため及び／又は測定ガス混合物におけるガス濃度の決定のためにガスセンサを使用し、該ガスセンサが測定ガスとガス導通結合された測定室における酸素含有量に関連して測定信号を生ぜしめることは公知である。
【０００３】
このようなセンサの一種はいわゆるラムダセンサである。これは２つの電極を導イオン的に結合するセラミック式の固体電解質をベースとした限界流センサである。測定室は有利には測定室内への測定ガスの流入を鎮静化するかもしくは制限もする拡散バリヤを備えている。
【０００４】
測定室における酸素含有量を調節するためには両方の電極は適当な回路を用いてポンプ電圧で負荷される。測定室内に配置されたポンプ電極と測定室の外側に配置された対抗ポンプ電極との間の酸素イオン流の尺度はその際測定可能な、両電極の間を流れる電流である。測定室における酸素不足もしくは酸素過剰（これは排ガスにおいては濃厚なもしくは稀薄な混合物を意味する）、に応じて、前記回路によって適当な電圧が両方の電極にかけられる。この電圧は両電極の間に、固体電解質を流れる酸素イオン流を電界力が生ぜしめる電界を形成する。
【０００５】
拡散バリヤを介して測定室内へ流れる測定ガスによって惹起される、測定室内でコンスタントに調節された酸素濃度の変化は、いわゆる測定セルで確認することができる。この測定セルは有利には同様に固体電解質と測定室内に配置された測定電極と、基準ガス、有利には空気に晒された基準電極とから成っている。測定電極と基準電極との間で発生する電圧は、測定室内のガス混合物と基準ガスとの間の酸素濃度の差である。基準ガスにおける公知の酸素含有量の場合、つまり、空気が約２１％である場合には、濃度補償に際して測定室における絶対的な酸素濃度も公知である。
【０００６】
このようなガスセンサは、しばしばゾンデとも呼ばれ、燃焼プロセスを調整するために使用される。ガスセンサは燃焼プロセスで発生する排ガスを評価するために用いられ、これにより適当な別の処置ですでに、例えば燃焼機関の場合に大幅な有害成分の減少が達成される。しかしながら有害成分のエミッションの意義が増大していることに基づき、可動な燃焼プロセスでも不動な燃焼プロセスでもより良い効果を得ることが望まれている。
【０００７】
本発明の課題と利点
本発明の課題は冒頭に述べた形式のセンサを改良することである。
【０００８】
この課題は請求項１の特徴によって解決された。従属請求項には有利な、合目的的な構成が開示されている。
【０００９】
本発明は、測定ガス混合物におけるガスコンポーネント、特に燃焼装置の排ガスにおけるガスコンポーネントを決定するためのセンサエレメントであって、測定ガス混合物とガス導通結合された測定室（７）と、測定室（７）内の酸素含有量を調節するために、測定室（７）内に配置されたポンプ電極（４）と対抗ポンプ電極（５）とを酸素イオンを導くように接続する固体電解質（３）とを有している形式のものにおいて、対抗ポンプ電極（５）が基準ガス室（８）内に配置されていることを特徴としている。
【００１０】
基準ガス室における対抗ポンプ電極の配置は、これによって、特にラムダ＝１−通過で、ゾンデの高い信号安定性が達成されるという認識に基づいている。これまで公知技術によって知られている、測定信号として役立つポンプ電流のいわゆるラムダ＝１−波動性は、前述の如く構成されたセンサエレメントで強く減じられる。この理由は、測定ガスにおける濃厚と稀薄との間でのガス交換が、測定室の酸素供給のために基準室に配置された対抗ポンプ電極の酸素イオン受容に影響を持たないことにある。すなわち、特にラムダ＝１−通過で強く変化する酸化及び還元過程は、測定ガスと対抗ポンプ電極との間のガス密な分離によって、対抗ポンプ電極の表面にてポンピング過程のために用いられる自由な酸素イオンに、測定信号に影響を及ぼす量変化が生ぜしめられることはない。
【００１１】
基準室が周辺空気とガスを導くように接続されていることによって、センサエレメントの全寿命に亙って測定信号の安定化が保証されるだけではなく、きわめて濃厚な、つまり酸素の少ない測定ガス混合物に向かって拡大されたセンサエレメントの使用領域が提供される。
【００１２】
周辺空気と接続された基準室が、測定ガス室におけるポンプ電極へのＯ2-の搬送を生ぜしめるために対抗ポンプ電極における限界流が十分に大きくなるように寸法設定されている条件のもとでは、極端な濃厚ガスにおいても固定電解質の分解によってセンサエレメントの損傷が発生せず、ひいては反応（ＺｒＯ2＋４ｅ-−＞Ｚｒ＋２Ｏ2-）による明確な褐色化が発生しないことが保証される。周辺空気と接続されている対抗ポンプ電極は、基準ガス室の適宜の寸法設定で、きわめて濃厚な排ガス混合物の測定の場合にも十分なＯ2-が、測定室内のポンプ電極に接触する濃厚ガスを完全に酸化するために提供される。この結果、本発明の配置はきわめて濃厚なガス混合物においても確実にかつより長い時間帯に亙ってλ値を決定することができる。
【００１３】
このようなセンサエレメントの製造費用を減少させるためもしくは製造労力を低減させるためには、適当に変更された実施形態においては、ポンプ電極を第１の測定電極と一緒にかつ／又は対抗ポンプ電極を第２の測定電極と一緒に構成することができる。測定室におけるポンプ電極が第１の電極と一緒に構成され、基準ガス室において対抗ポンプ電極が第２の測定電極（基準電極とも呼ばれる）と一緒に構成されていると、電極の数は適当な材料選択で２つに低減させることすらできる。この場合、センサエレメントの接続は使用される電極の数に相応して実施形態に応じて適合させられる必要がある。
【００１４】
別の有利な実施形態に応じて対抗ポンプ電極は加熱エレメントの近くに配置され、対抗ポンプ電極が迅速に運転温度にもたらされ、支障ない使用準備状態が対抗ポンプ電極に与えられる。この場合には加熱エレメントと測定セルとの間に支障のない熱伝達を与えることができると特に有利である。このためには第１の実施形態では加熱エレメントと対抗ポンプ電極との間に構成された基準ガス室の部分が、濃厚な混合物のためにも十分な酸素供給を考慮したもとでできるだけ小さく構成されていることができる。このためには大きな容積で構成された基準ガス室の端部における先細部が対抗ポンプ電極が配置されている領域に提供される。
【００１５】
測定信号の別のポジティブな影響は測定室に測定ガス混合物の方向で前置された拡散バリヤによって可能である。この拡散バリヤは、その有効な横断面に亙って見て、ほぼ同じ大きさの拡散抵抗をポンプ電極の、拡散バリヤに向いた表面の前に形成する。これによってポンプ電極の全有効横断面に亙ってポンプ電極の均等な老化が達成される。これはポンプ電極の有効な横断面で見て、すべての部分がほぼ等しく、測定室におけるガスの酸素含有量を一定に保つために酸素イオンの形成もしくは減少に係わることに起因する。
【００１６】
実施例
以下、図面と図面に関する説明とに基づき本発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１から３までには異なる断面図でセンサエレメントが概略に示されている。
【００１８】
図１は本発明のセンサエレメントの縦断面図である。センサエレメント１は細長い形態を有しており、有利にはイトリユウム安定化されたジルコンニ酸化物をベースとして構成されている。このジルコンニ酸化物は固体電解質３の機能の他に保持体エレメント２の機能を有している。固体電解質３はポンプ電極４と対抗ポンプ電極５と共に酸素イオンのトランスファのために適したポンプセル６を構成する。
【００１９】
ポンプ電極４は測定室７内に配置され、測定室７内に一定の酸素濃度を準備するために固体電解質３を介して酸素イオンを導くように、本発明に従って基準ガス室８内に配置された対抗ポンプ電極５と接続されている。基準ガス、この場合には周辺空気における対抗ポンプ電極５の配置は特に測定ガス混合物のラムダλ＝１−通過でゾンデの良好な信号安定をもたらす。対抗ポンプ電極を測定ガス内に配置することに帰因する測定信号に対するネガティブな作用、つまり、従来公知の配置でλ＝１による排ガス組成の通過に際して酸素信号の非単調性として認められる作用は前記センサエレメント構造によって排除することができる。
【００２０】
本発明のセンサエレメントの別の利点は基準ガス室８の適当な寸法設定で本発明によるセンサエレメントの使用領域が著しく広いことである。例えばこのようなセンサエレメントを排ガストレーンに配置した場合に対抗ポンプ電極は排ガスがきわめて濃厚である場合にも確実な信号を保証するためにＯ2＋２ｅ-−＞２Ｏ2-に従ってＯ2から十分なＯ2-をポンプ電極に供給する。このためには勿論、基準空気通路の正しい寸法設定が重要である。つまり対抗ポンプ電極における限界流は、ポンプ電極へのＯ2-の搬送を保証するために十分に大きいことが必要である。測定しようとするガス混合物が濃厚であるほど、多くのＯ2が追加搬送されなければならないために、基準空気通路の限界流は大きく選択されなければならない。
【００２１】
これに対し対抗ポンプ電極が排ガス内にあると、濃厚ガスにおいてはＯ2-は単にＣＯ2（ＣＯ2＋２ｅ-−＞ＣＯ＋Ｏ2-）から又はＨ2Ｏ（Ｈ2Ｏ＋２ｅ-−＞Ｈ2＋Ｏ2-）からしか獲得されない。この反応のためには著しく高いポンプ電圧が必要であると想われる。このような反応後にもはや十分なＯ2-が形成されないと（この危険は特に多くのＯ2-が必要とされるのできわめて濃厚な混合物の場合に発生する）、ＺｒＯ2−セラミック（ＺｒＯ2＋４ｅ-−＞Ｚｒ＋２Ｏ2-）が分解し、ひいてはセンサエレメントの損傷（褐色化）が生じるものと想われる。しかし、センサエレメントのこのような損傷は本発明による構成によって阻止することができる。
【００２２】
図１のセンサエレメントはさらに、基準電極１１と測定電極１２とを有している。この基準電極１１と測定電極１２とを介して適宜の回路と共に、測定室７における酸素濃度が検出される。次いでこのように検出された酸素濃度値に関連して、対抗ポンプ電極５とポンプ電極４とがポンプ電圧で負荷される。このポンプ電圧は測定室における濃度差を補償する、固体電解質を通る酸素イオン流を惹き起す。
【００２３】
この実施形態ではポンプ電極４と測定電極１２とは一緒に構成されている。この場合には対抗ポンプ電極５と基準電極１１とは別個に構成されている。しかし変化実施例では対抗ポンプ電極５と基準電極１１とは節約的な理由から同様に一緒に構成されていることもできる。択一的に基準電極は図１とは異なって別の基準ガス室にて稼動されることもできる。この場合には基準電極もポンピングされた基準電極として稼動させることができる。センサエレメントを、特に対抗ポンプ電極５をできるだけ迅速に運転温度にもたらすためには基準室８の下側で加熱エレメント１３がセンサエレメント１に配置されている。特に燃焼機関の排ガス設備に発生する強い流れ変動がセンサエレメントの測定エレメントの測定信号に作用することを減退させるためには、センサエレメント１は図１に相応して拡散バリヤ１４を有している。この拡散バリヤ１４は、その有効な横断面で見て、ほぼ同じ大きさの拡散抵抗をポンプ電極４の、拡散バリヤ１４に向いた表面の前に構成するように構成されている。象徴的に図１においては測定ガス混合物は矢印１５で示されている。測定室７においてガス濃度のより迅速な均等な分配を行なうためには、この実施形態では拡散バリヤ１４とポンプ電極４との間にさらにガス室１６が構成されている。
【００２４】
このセンサエレメントの別の構成は図２に図１のＩＩ−ＩＩ線の横断面図で示されている。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったセンサエレメントの断面図である。この実施形態では基準空気通路８は幅の広い供給領域１７を有し、この供給領域１７には測定セル領域１９における先細部１８が接続され、測定セルに対する加熱エレメントのできるだけ良好な熱伝導が保証されている。
【００２５】
センサエレメント１の測定セルの対抗ポンプ電極への酸素の十分な供給を保証するためには以下の関係が提案されている：
ｂ＞ｒ＞ｓ及びｔ≧ｓ並びにｓ≦ｂ／４
基準空気通路の必要な限界流にて空気を評価するためには以下の評価が役立つ：基準空気通路は  ＩRK（空気）≧｜ＩP（濃厚ガス）｜  が当嵌まるように寸法設定されなければならない。
【００２６】
ＩRK（空気）：  カソード的に運転される対抗ポンプ電極の限界流の空気。
｜ＩP 濃厚ガス ｜：  濃厚ガスにおけるポンプ電極におけるポンプ流の値。λが小さければ小さいほど  ｜ＩP 濃厚ガス ｜  は大きい。
【００２７】
Ｉrel＝｜ＩP（濃厚ガス）｜／ＩP（空気）
ＩP（空気）：カソード的に運転されたポンプ電極のための限界流の空気。
【００２８】
この結果、  ＩRK（空気）≧Ｉrel*ＩP（空気）  となる。
【００２９】
以下の表ではＩrelはλ＝０．４まで決定されている（仮定：燃料におけるＣ：Ｈ−比１：２；これは理想的な濃厚ガスである。つまり、濃厚ガスはＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ及びＮ2だけから成っている）。
【００３０】
【表１】
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Ｉrelは２つの異なる濃厚排ガスのために算出されている：ＫP（水平衡のための平衡定数）＝３．５は典型的な機関排ガスに相当し、ＫP＝２はＨ2−含有量の多い濃厚ガスに相当している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるセンサエレメントの長手方向断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１  センサエレメント、  ２  保持体エレメント、  ３  固体電解質、  ４  ポンプ電極、  ５  対抗ポンプ電極、  ６  ポンプセル、  ７  測定室、  ８  基準ガス通路、  １１  基準電極、  １２  測定電極、  １３  加熱エレメント、  １４  拡散バリヤ、  １５  矢印、  １６  ガス室、  １７  供給領域、  １８  先細部、  １９  測定セル領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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