[发明专利]用于检测混合气中的燃料/空气比的限电流式传感器

说明书

现有技术

本发明涉及一种用于检测混合气中燃料/空气比的限电流式传感器。

德国专利公开说明书3908393公开了一种限电流式传感器，其中，为了减少响应时间，该传感器设置有第二泵电池，其在扩散沟槽中可获得恒定的氧浓度。该第二泵电池用于在扩散沟槽中的较早的点上的扩散流的平衡条件及时达到稳定状态。缩短扩散沟槽的长度会引起快速的响应时间，但同时也会使极限电流太强烈地增加。由于电极的受限制的电流承载能力，当低浓度的混合气中的氧浓度高时，扩散沟槽的最小的长度是必须的。

为了在燃料/空气比(以下用λ表示)的贫氧范围(λ＞1)，化学计算的范围(λ=1)以及直到富氧范围(λ＜1)时使用限电流式传感器，从EP-B1-190750可知道，其将泵电池的阳极暴露于参考气氛中。在贫氧范围中，这些传感器就象已知的低浓度传感器那样工作。在阴极氧分子被还原，因而，氧离子通过固态的ZrO₂电解质从阴极迁移到阳极。在阳极，氧离子又转换为氧分子并释放到大气中。在化学计算的条件下，在阴极具有化学平衡，因而没有泵电流存在。在富氧范围内(高浓度范围)，作为施加抽运电压的结果，氧离子也被从阴极送到阳极。在阳极，它们又转化为氧分子。氧离子流以相反的方向从贫氧范围流动。为了这一目的，转换抽运电压的极性是必要的。这是通过这样的方式获得的，即在化学计算的条件下出现的电动势的电平被用作开关信号。

在限电流式传感器中，极限电流一般通过用施加于限电流式传感器的两个电极上的恒定电压而测量。用含氧的测量气体，只要气体向阴极的扩散决定正在进行的反应的速度，极限电流就线性地取决于氧的局部压力。这种特别地暴露于测量气体的限电流式传感器适合于检测贫氧的测量气体中的氧浓度。一旦通过扩散层经过阴极的氧分子被迅速地转换成离子的形式，极限电流就进到贫氧的范围。在富氧的范围，当扩散阻挡层置于阳极之前，H₂和CO向阳极的扩散决定整个反应速度时，极限电流出现。

当抽运电压从0伏慢慢变大时，在两个电极之间存在着电阻条件，因此，随着抽运电压的增加，泵电流增加直到扩散极限电流引起泵电流的限制。假如阴极没有扩散阻挡层，或者暴露于测量气体的阴极只具有很低的扩散阻力，特别是在高的局部压力下，限制泵电流的扩散就不会出现，其结果，传感器的电流/电压性能就会继续依附于电阻条件。其结果是，抽运电压连续增加，因而，最后即使电压值大于1伏，其也不会进到极限电流范围，这样，要测量O2含量就会变成不可能。这种高的抽运电压会导致所述固态的电解质和电极被毁坏。另一方面，在低的局部压力下，既使低的扩散阻力也将是足够的。然而，为了在从贫氧范围到富氧范围的宽的范围内用限电流式传感器进行检测，必须确保足够的扩散阻力。由测量气体的相应的扩散路径而确定的足够的扩散阻力，在化学计算的条件附近具有这样的缺点，即在任何浓度下几乎没有任何差别，而这样既使是测量气体很小的波动也会使传感器信号搞错。在这种情况下，即使很小的电压也足以损坏固态的电解质。

发明的优点

根据本发明的具有权利要求1的限定特征的极限电流传感器具有这样的优点，即在化学计算的比率(λ=1)附近的区域限电流式传感器的敏感性被增加了。

用从属权利要求所公开的手段，对根据本发明的极限电流传感器进行有利的改进是可能的。特别有利的是使两个泵电池具有不同的扩散阻力。如果两个抽运电池的阴极被设置成在扩散阻挡层上具有不同的扩散路径，获得不同扩散阻力的简单方式被获得了。假如具有较高敏感性的泵电池的扩散路径相应于具有较长扩散路径的泵电池的扩散路径的0.1至0.7倍，最好为0.3倍，就能获得好的结果。通过提高对于两个泵电池来说具有单连接线的普通的阳极，限电流式传感器的成本效益设计是可能的。

附图

在以下的附图和说明书中描述了本发明的两个典型实施例。

图1示出了根据本发明的用于低浓度废气的极限电流传感器的第一个典型实施例；

图2表示依据根据图1的限电流式传感器的氧浓度而给出的极限电流的特性曲线；

图3表示用于检测从低浓度废气到高浓度废气的范围内的废气的λ值的限电流式传感器的第二个典型实施例；

图4表示依据根据图3的限电流式传感器的氧浓度而给出的极限电流的特性曲线；

图5表示依据泵电流Ip而绘制的的抽运电压Up的曲线。

典型实施例