SENSOR DE GAS DE ELECTROLITO SÓLIDO.

Sensor de gas, en especial sonda lambda, para la determinación de la concentración de oxígeno en el gas de escape de un motor de combustión interna que funciona con una mezcla de combustible-aire,

que comprende una celda de bomba dispuesta en o sobre un elemento sensorial (110) con un primer electrodo (150) y con un segundo electrodo (140), que están separados del gas de escape mediante al menos una capa (155; 156), y con un circuito electrónico (190) para generar una tensión (Upump) aplicada entre el primer electrodo (150) y el segundo electrodo (140) y para medir y valorar una corriente de bomba (Ipump) que con ello se ajusta, para de aquí deducir la composición de la mezcla de aire-combustible, en donde se aumenta un valor que caracteriza la superficie activa electroquímicamente del primer electrodo (150) o del segundo electrodo (140) en comparación con en cada caso el otro electrodo, y en donde mediante el circuito electrónico se genera una tensión de bomba (Up) oscilante aplicada entre el primer electrodo (150) y el segundo electrodo (140), que oscila fundamentalmente de forma rectangular alrededor de un valor prefijable con una amplitud prefijable y una frecuencia prefijable, y en donde la amplitud de la corriente de bomba oscilante resultante a causa de la tensión de bomba oscilante se valora en el circuito electrónico (190), para de aquí deducir la composición de la mezcla de combustible-aire, caracterizado porque, si la amplitud de la corriente de bomba oscilante supera un valor umbral, en el circuito electrónico (190) se genera una señal para presencia de un gas pobre y, si la amplitud de la corriente de bomba oscilante no supera el valor umbral, en el circuito electrónico (190) se genera una señal para la presencia de un gas rico

La invención se refiere a un sensor de gas según el género de la reivindicación

1. Estado de la técnica

Los sensores de gas electroquímicos en forma de sondas lambda se usan en gran número en sistemas de gases de escape de motores de combustión interna en vehículos de motor, para poder proporcionar para el control del motor señales sobre la composición de los gases de escape. De este modo el motor puede hacerse funcionar de tal modo, que los gases de escape presenten una composición óptima para el post-tratamiento con catalizadores disponibles usualmente hoy en día en el sistema de gases de escape.

El documento US 2005/0284772 A1 hace patente una sonda de salto lambda, en la que se aplican impulsos rectangulares con polaridad inversa y la misma amplitud a los electrodos. En la pausa entre los impulsos se mide la caída de tensión

o la corriente.

Del documento DE 196 22 625 A1 se deduce un dispositivo y un procedimiento para diagnosticar un empeoramiento o un fallo de funcionamiento de un sensor de oxígeno, mediante la aplicación de una tensión de interrogación.

El documento DE 10 2005 018 436 A1 hace patente un dispositivo para hacer funcionar un elemento sensorial, en donde se aplica a un electrodo por impulsos, en procesos que se desarrollan cíclicamente, una corriente de bomba constante.

En la figura 1 se ha representado un sensor de gas del género expuesto conocido del estado de la técnica. El elemento sensorial 100 presenta un orificio de entrada de gas 115, a través del cual fluye hacia dentro o se difunde hacia dentro gas de escape, que llega a través de una barrera de difusión 120 hasta una cámara de medición 130. Un primer electrodo, que también recibe el nombre de electrodo exterior o electrodo de bomba exterior 150, está dispuesto en el lado exterior del electrolito compacto 110 y debajo de una capa de protección 155 porosa, y está expuesto al gas de escape de un motor de combustión interna (no representado). En la cámara de medición está dispuesto un segundo electrodo, también llamado electrodo interior o electrodo de bomba interior 140.

Entre el electrodo de bomba interior 140 y el electrodo de bomba exterior 150 se aplica una tensión de bomba Upump, de tal modo que fluye una corriente de bomba Ipump. En el electrolito compacto 110 está dispuesta además una calefacción 160 incrustada en una capa aislante 162. Mediante esta calefacción 160 se calienta el elemento sensorial hasta una temperatura que permite un funcionamiento óptimo del elemento sensorial 100.

A esta sonda lambda de banda ancha plana según el principio de corriente límite se aplica una tensión de bomba fija Upump. La tensión de bomba fija genera, en el caso de un gas de escape pobre, es decir en el caso de un gas de escape con exceso de aire, una corriente de bomba positiva Ipump, que está relacionada claramente con el contenido de oxígeno del gas de escape. En un gas de escape rico, es decir un gas de escape con exceso de oxígeno, se produce sin embargo también una corriente de bomba positiva, a causa de la descomposición del agua contenida en el gas de escape en el electrodo de bomba interior 140. La tensión de bomba aplicada Upump está claramente por debajo de la tensión de descomposición del agua, pero como existe hidrógeno en el gas de escape la descomposición del agua se hace energéticamente posible, ya que sobre el electrodo de bomba exterior 150 se genera agua a partir de la reacción del hidrógeno con los iones de oxígeno. En el gas pobre la corriente de bomba está limitada mediante la difusión del oxígeno en el electrodo interior, es decir el cátodo, mientras que la generación de oxígeno en el electrodo de bomba exterior 150 sólo exige un poco de energía. Por ello decae la mayor parte de la tensión de bomba Upump aplicada como sobretensión de concentración sobre la superficie límite entre el electrodo interior (cátodo) y el electrolito que forma el elemento sensorial. En el gas rico la corriente de bomba Ipump está limitada por la difusión de hidrógeno al electrodo exterior (ánodo). En este caso decae la mayor parte de la tensión de bomba Upump aplicada como sobretensión de concentración sobre la superficie límite entre el electrodo exterior (ánodo) y el electrolito que forma el elemento sensorial. La corriente de bomba Ipump está limitada por lo tanto por el contenido de hidrógeno, en el caso del gas de escape rico. Debido a que la corriente de bomba Ipump presenta en el gas de escape rico la misma dirección que la corriente de bomba Ipump en el gas de escape pobre, ya no puede deducirse sin más de la corriente de bomba Ipump la composición del gas de escape. Manifiesto de la invención Ventajas de la invención

El sensor de gas conforme a la invención con las particularidades de la reivindicación independiente tiene la ventaja, frente a esto, de que no sólo puede determinarse si se presenta un gas de escape pobre (gas pobre) o un gas de escape rico (gas rico), sino que en el caso de presentarse un gas de escape pobre y también en el caso de presentarse un gas de escape rico, también puede deducirse claramente la composición del gas de escape.

La idea básica de la invención es aumentar la tensión de bomba rectangularmente en un importe prefijable. En este caso decae la tensión de bomba adicional casi exclusivamente en el electrodo en el que se presenta la limitación de difusión mediante la aportación de gas. El flujo de corriente adicional ligado a esto depende sólo muy poco de un aumento de la reducción de oxígeno o de la oxidación de hidrógeno. El aumento de tipo pico que se obtiene con ello, con una caída exponencial a continuación de la pérdida de corriente, representa más bien una curva de carga de la capa doble electroquímica. El aumento de un valor que caracterice la superficie electroquímicamente activa, en especial la extensión geométrica de la superficie de electrodo o la estructura fina de uno de los electrodos, en especial del cátodo, conduce a que la capacidad de doble capa del cátodo es bastante mayor que la del ánodo. Si en este caso se aplica el impulso de tensión rectangular al presentarse un gas pobre, la corriente de carga de la capa doble que de aquí se obtiene es mayor que si se presenta un gas rico. Por medio de esto es posible una determinación cualitativa de si se presenta un gas rico o un gas pobre. El importe de la corriente de bomba antes del impulso o después de decrecer la curva de carga hace posible una determinación cuantitativa de la concentración de oxígeno y/o de agua.

Mediante las medidas citadas en las reivindicaciones subordinadas son posibles perfeccionamientos y mejoras ventajoso(a)s del sensor de gas indicado en la reivindicación independiente.

Conforme a la reivindicación 1 está previsto que el importe de la diferencia entre la corriente de bomba antes del impulso de tensión y después de discurrir un espacio de tiempo prefijable se valore, después del impulso de tensión, en el circuito electrónico para, de aquí, deducir la composición de la mezcla de combustible-aire. Si el importe de la diferencia es con ello mayor que un valor umbral prefijable determinado, se deduce la presencia de un gas pobre. Si es menor que el valor umbral se deduce la presencia de un gas rico.

Conforme a la reivindicación 1 está también previsto, mediante el circuito electrónico, generar una tensión de bomba oscilante aplicada entre el primer electrodo y el segundo electrodo, que oscile alrededor de un valor prefijable con una amplitud prefijabele y una frecuencia prefijable fundamentalmente de forma rectangular.

La valoración de la corriente de bomba oscilante se realiza en el circuito electrónico, en donde de la corriente de bomba oscilante se deduce la composición de la mezcla de combustible-aire. Esto se realiza de forma preferida por medio de que, cuando la amplitud de la corriente de bomba supera un valor umbral prefijable, se deduce un gas pobre y, cuando la amplitud no supera un valor umbral prefijable, se deduce un gas rico.

Aparte de la extensión geométrica ya explicada anteriormente de la superficie de electrodo, como valor que caracteriza la superficie activa electroquímicamente puede utilizarse también la ampliación activa electroquímicamente de la zona trifásica, con base en la variación del contenido de la armadura de apoyo o la estructura fina. El aumento se realiza con ello al menos en el factor 10. Descripción breve de los dibujos

En los dibujos se han representado ejemplos de ejecución de la invención, que se...

1. Sensor de gas, en especial sonda lambda, para la determinación de la concentración de oxígeno en el gas de escape de un motor de combustión interna que funciona con una mezcla de combustible-aire, que comprende una celda de bomba dispuesta en o sobre un elemento sensorial (110) con un primer electrodo (150) y con un segundo electrodo (140), que están separados del gas de escape mediante al menos una capa (155; 156), y con un circuito electrónico (190) para generar una tensión (Upump) aplicada entre el primer electrodo (150) y el segundo electrodo (140) y para medir y valorar una corriente de bomba (Ipump) que con ello se ajusta, para de aquí deducir la composición de la mezcla de aire-combustible, en donde se aumenta un valor que caracteriza la superficie activa electroquímicamente del primer electrodo

(150) o del segundo electrodo (140) en comparación con en cada caso el otro electrodo, y en donde mediante el circuito electrónico se genera una tensión de bomba (Up) oscilante aplicada entre el primer electrodo (150) y el segundo electrodo (140), que oscila fundamentalmente de forma rectangular alrededor de un valor prefijable con una amplitud prefijable y una frecuencia prefijable, y en donde la amplitud de la corriente de bomba oscilante resultante a causa de la tensión de bomba oscilante se valora en el circuito electrónico (190), para de aquí deducir la composición de la mezcla de combustible-aire, caracterizado porque, si la amplitud de la corriente de bomba oscilante supera un valor umbral, en el circuito electrónico

(190) se genera una señal para presencia de un gas pobre y, si la amplitud de la corriente de bomba oscilante no supera el valor umbral, en el circuito electrónico

(190) se genera una señal para la presencia de un gas rico.

2. Sensor de gas según la reivindicación 1, caracterizado porque un valor que caracteriza la superficie activa electroquímicamente del primer electrodo (150) o del segundo electrodo (140) es uno de los valores siguientes:

- la extensión de la superficie de electrodo,

- la ampliación de la zona trifásica con base en la variación del contenido de

armadura de apoyo,

- la estructura fina del electrodo.

3. Sensor de gas según la reivindiacción 2, caracterizado porque el valor que caracteriza la superficie activa electroquímicamente del primer electrodo (150) o del segundo electrodo (140) está aumentado al menos en el factor 10 con relación a la superficie del en cada caso otro electrodo.

Siguen dos hojas de dibujos.