Sensor de gases con célula de bombeo situada en el interior.

Elemento sensor (210) para la determinación como mínimo de una propiedad física de un mezcla gaseosa en como mínimo una cámara del gas (212),

principalmente para la determinación de una concentración de oxígeno de un gas de escape de un motor de combustión interna, teniendo al menos un primer electrodo (218; 219), como mínimo un segundo electrodo (216; 215) y por lo menos un electrolito sólido (214) conectando el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y el, al menos un, segundo electrodo (216; 215), estando el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) dispuestos dentro del elemento sensor (210) y formando el cátodo de bombeo y el ánodo de bombeo de una célula de bombeo y estando conectado el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) a través de al menos un canal de evacuación de aire (240) con por lo menos una cámara del gas de referencia (242), teniendo el a menos un canal de evacuación de aire (240) como mínimo un elemento poroso de relleno (244), caracterizado porque la corriente límite del al menos un segundo electrodo (216; 215) es menor que la corriente límite del como mínimo un primer electrodo (218; 219).

Sensor de gases con célula de bombeo situada en el Interior Estado Actual de la Técnica La presente invención parte de elementos sensores conocidos que estriban en las propiedades electrolíticas de determinados sólidos, y por consiguiente, en la capacidad de estos sólidos de conducir determinados iones. Estos elementos sensores se emplean, principalmente, en automóviles para medir las composiciones de la mezcla gaseosa aire-combustible. Principalmente, se emplean elementos sensores de este tipo conocidos bajo la denominación "sonda lambda" y juegan un papel esencial en la reducción de contaminantes en los gases de escape, tanto en los motores de gasolina como también en la tecnología diesel.

Con el llamado índice de relación de aire "lambda" (A) se designa, generalmente, en la técnica de combustión a la diferencia entre la masa de aire proporcionada y la masa de aire teóricamente necesaria para la combustión (es decir, estequiométrica) . El índice de relación de aire se mide así por medio de uno o varios elementos sensores, la mayoría de las veces por uno o varios puntos, en el conducto de los gases de escape de un motor de combustión. Las mezclas gaseosas "ricas" (es decir, mezclas gaseosas con un exceso de combustible) tienen, de manera correspondiente, un índice de relación de aire A< 1, mientras que las mezclas gaseosas "pobres" (es decir, mezclas gaseosas con un defecto de combustible) tienen un índice de relación de aire A> 1. Junto a la técnica del automóvil, estos elementos sensores y similares se emplean también en otros ámbitos de la técnica (principalmente de la técnica de combustión) , por ejemplo, en la técnica de conducción del aire o en la regulación de quemadores, por ejemplo, en instalaciones de calefacción o plantas de generación de energía. Gracias al estado actual de la técnica se conocen numerosas formas de ejecución diferentes de los elementos sensores y se describen, por ejemplo, en Robert Bosch GmbH: "Sensores en el automóvil", Junio de 2001, pág. 112-117 o en T. Baunach et al.: " gases de escape más limpios mediante sensores cerámicos", libro básico de física 5 (2006) nº 5, pág. 33-38.

Una forma de ejecución representa la llamada "sonda de salto", cuyo principio de medida se basa en la medición de una diferencia de potencial electroquímico entre un electrodo de referencia expuesto a un gas de referencia y un electrodo de medida expuesto a la mezcla gaseosa a medir. Los electrodos de referencia y de medida están conectados conjuntamente por el electrolito sólido, empleándose, normalmente, como electrolito sólido dióxido de zirconio (por ejemplo, dióxido de zirconio estabilizado con itrio) , o materiales cerámicos similares debido a sus propiedades conductoras de los iones de oxígeno. La diferencia de potencial entre los electrodos tiene teóricamente un salto característic o, justo en el paso entre mezcla gaseosa rica y mezcla gaseosa pobre, que puede usarse para medir y/o regular la composición de la mezcla gaseosa. Diferentes ejemplos de ejecución de estas sondas de salto, que también se designan como "células de Nernst", se describen, por ejemplo, en los documentos DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 y DE 10 2005 027 225 A1.

Alternativa o adicionalmente a las sondas de salto, se emplean también las llamadas "células de bombeo", en las que se aplica una "tensión de bombeo" eléctrica en dos electrodos conectados por el electrolito sólido, midiéndose la "corriente de bombeo" a través de la célula de bombeo. A diferencia del principio de las sondas de salto, en las células de bombeo, de forma habitual, ambos electrodos están conectados con la mezcla gaseosa a medir. Así se expone uno de ambos electrodos (la mayoría de las veces a través de una capa protectora permeable) directamente a la mezcla gaseosa a medir. De manera alternativa, este electrodo también puede exponerse a una referencia de aire. El segundo de ambos electrodos se conforma, sin embargo, de manera habitual, de tal forma que la mezcla gaseosa no pueda llegar directamente a este electrodo, sino que primero debe traspasar una llamada "barrera de difusión" para llegar a un hueco contiguo a este segundo electrodo. Como barrera de difusión se emplea, la mayoría de las veces, una estructura cerámica porosa con radios de poro ajustables de manera selectiva. Si el gas de escape pobre atraviesa esta barrera de difusión hasta llegar al hueco, las moléculas de oxígeno se reducen electroquímicamente a iones de oxígeno, por medio de la tensión de bombeo, en el segundo electrodo negativo, son transportados por el electrolito sólido al primer electrodo positivo y salen del mismo de nuevo como oxígeno libre. Los elementos sensores se accionan, la mayoría de las veces, en la llamada operación en corriente límite, es decir, en una operación, en la que la tensión de bombeo se selecciona de tal forma, que el oxígeno entrante a través de la barrera de difusión se bombee por completo hacia el contraelectrodo. En esta operación, la corriente de bombeo es aproximadamente proporcional a la presión parcial del oxígeno en la mezcla gaseosa de escape, de forma que tales elementos sensores se designan frecuentemente también como sensores proporcionales. Al contrario de los sensores de salto, las células de bombeo se pueden usar a lo largo de un rango comparativamente amplio para el índice de relación de aire lambda, por lo cual se emplean células de bombeo principalmente en los llamados sensores de banda ancha, para medir y/o regular también composiciones de la mezcla gaseosa aparte de A=1.

Los principios anteriormente descritos de los sensores de células de salto y células de bombeo se pueden utilizar, de manera ventajosa, también combinados, en las llamadas "pluricélulas". Así, los elementos sensores pueden contener una o varias células trabajando según el principio de los sensores de salto, y una o varias células de bombeo. Un ejemplo de "doble célula" se describe en la patente EP 0 678 740 B1. Así se mide por medio de una célula de Nerst la presión parcial del oxígeno en el hueco anteriormente descrito de una célula de bombeo, en el

segundo electrodo contiguo, y se orienta la tensión de bombeo mediante una regulación, de forma que en el hueco impere constantemente la condición = 1. Se conocen diferentes variaciones de esta estructura pluricelular.

Los elementos sensores conocidos gracias al estado actual de la técnica, en disposición mono-celular con dos electrodos expuestos al gas de escape o gas de medida muestran, sin embargo, en muchos casos, una curva característica inconfundible solamente en el gas de escape pobre. En el rango ligeramente pobre, por consiguiente, cuando A se acerca al valor 1, se observa, sin embargo, en muchos casos, una desviación de la curva característica de la corriente de bombeo respecto de la evolución teórica. En vez de un decrecimiento de la corriente de bombeo con valores de lambda decrecientes hasta el valor A= 1, se observa incluso, en muchos casos, un aumento de la corriente de bombeo. Esta desviación provoca que la curva característica de la corriente de bombeo no tenga ya una evolución inconfundible, a partir de la cual pueda deducirse el índice de relación de aire. Esto se hace perceptible, de forma negativa, por ejemplo, en las sondas lambda para la incorporación a los vehículos diesel, en los que se trabaja generalmente en el rango ligeramente pobre. Otros elementos sensores se conocen gracias a las patentes US 6 306 271 B1 y a la DE 10 2004 057687. La US 6306271B1 expone el término genérico de la Reivindicación 1.

Revelación de la Invención La presente invención parte del conocimiento de que la desviación de la corriente de bombeo de la curva característica esperada en el rango ligeramente pobre y en el rico, se debe a la presencia de componentes oxidables (gas rico) en el entorno del ánodo. En este caso hay, en vez de las reacciones del cátodo, determinantes de la corriente límite en el rango pobre, reacciones en el ánodo en las que generalmente se expone de igual manera al gas de escape, de manera definitiva. Estas reacciones del ánodo provocan una señal de corriente como en la operación pobre, que no puede distinguirse de la señal de corriente a través de las reacciones que discurren en el cátodo. Incluso pequeñas cantidades de gas combustible (y, por consiguiente, de componentes gaseosos oxidables, especiamente H2) pueden influir en la señal de medida, de forma que no se dé más la inconfundibilidad de la curva característica de la corriente límite - ya en el gas de escape no equilibrado (por ejemplo, en operación diesel) , ya cerca de A= 1. Para realizar una curva característica inconfundible de... [Seguir leyendo]

1. Elemento sensor (210) para la determinación como mínimo de una propiedad física de un mezcla gaseosa en como mínimo una cámara del gas (212) , principalmente para la determinación de una concentración de oxígeno de un gas de escape de un motor de combustión interna, teniendo al menos un primer electrodo (218; 219) , como mínimo un segundo electrodo (216; 215) y por lo menos un electrolito sólido (214) conectando el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y el, al menos un, segundo electrodo (216; 215) , estando el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) dispuestos dentro del elemento sensor (210) y formando el cátodo de bombeo y el ánodo de bombeo de una célula de bombeo y estando conectado el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) a través de al menos un canal de evacuación de aire (240) con por lo menos una cámara del gas de referencia (242) , teniendo el a menos un canal de evacuación de aire (240) como mínimo un elemento poroso de relleno (244) , caracterizado porque la corriente límite del al menos un segundo electrodo (216; 215) es menor que la corriente límite del como mínimo un primer electrodo (218; 219)

2. Elemento sensor (210) conforme a la anterior reivindicación, caracterizado porque el como mínimo un canal de evacuación de aire (240) tiene al menos un elemento poroso de relleno (244) a base de Al2O3.

3. Elemento sensor (210) a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el al menos un primer electrodo (218; 219) se separa de la por lo menos una cámara del gas (212) a través de como mínimo una barrera de difusión (230) .

4. Elemento sensor (210) conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque la corriente límite del al menos un segundo electrodo (216; 215) es menor que 1/50 de la corriente límite del como mínimo un primer electrodo (218; 219) , preferentemente menor de 1/100.

5. Elemento sensor (210) conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque el a menos un canal de evacuación de aire (240) tiene como mínimo una de as siguientes propiedades:

- el por lo menos un canal de evacuación de aire (240) tiene una superficie transversal rectangular;

- el como mínimo un canal de evacuación de aire (240) tiene una longitud en el rango de 5 mm a 60 mm, preferentemente de 35 mm a 60 mm;

- el al menos un canal de evacuación de aire (240) tiene una superficie transversal en el rango de 5·10-3 mm2 a 240·10-3 mm2 , preferentemente de 20·10-3 mm2 a 120·10-3 mm2 .

6. Elemento sensor (210) conforme a una de las anteriores reivindicaciones, con un electrolito sólido (214) adosado a la por lo menos una cámara del gas (212) , con un segundo electrodo (216; 215) y un primer electrodo (218; 219) , dispuestos uno junto a otro por el lado del electrolito sólido (214) opuesto a la como mínimo una cámara del gas (212) y en contacto con el electrolito sólido (214) , caracterizado por una estructura laminar con al menos una de las siguientes características:

- el primer electrodo (218; 219) y el segundo electrodo (216; 215) están en contacto a través de conductores (232, 246) dispuestos sustancialmente paralelos al electrolito sólido (214) , estando los conductores (232, 246 dispuestos sustancialmente uno sobre otro y estando los conductores (232, 246) aislados unos de otros por el como mínimo un canal de evacuación de aire (240) y preferentemente por el al menos un elemento poroso de relleno (244) ;

- el primer electrodo (218; 219) y el segundo electrodo (216; 215) están en contacto mediante conductores (232, 246) dispuestos sustancialmente paralelos al electrolito sólido (214) , estando los conductores (232, 246) dispuestos sustancialmente uno al lado de otro y estando los conductores (232, 246) aislados unos de otros por el como mínimo un canal de evacuación de aire (240) y preferentemente por el al menos un elemento poroso de relleno (244) ;

- en el electrolito sólido (214) se prevé al menos un orificio de alimentación de aire (228) para la conexión del primer electrodo (218; 219) con la como mínimo una cámara del gas (212) ;

- por encima y/o por debajo del segundo electrodo (216; 215) se prevé al menos un segundo hueco de electrodo (238) ;

- por encima y/o por debajo del primer electrodo (218; 219) se prevé como mínimo un primer hueco de electrodo (226) ;

- debajo del primer electrodo (218; 219) y del segundo electrodo (216; 215) se prevé por lo menos un segundo electrolito sólido (220) , estando el primer electrodo (218; 219) y/o el segundo electrodo (216; 215) en contacto con el al menos un segundo electrolito sólido (220) ;

- debajo del primer electrodo (218; 219) y del segundo electrodo (216; 215) se prevé como mínimo un segundo electrolito sólido (220) , teniendo el primer electrodo (218; 219) como mínimo un primer electrodo parcial (222) en contacto con el electrolito sólido (214) y por lo menos un segundo electrodo parcial (224) en contacto con el como mínimo un segundo electrolito sólido (220) , estando el como mínimo un primer electrodo parcial (222) y el, a menos un segundo electrodo parcial (224) conectados de manera eléctricamente conductora y habiéndose previsto como mínimo un primer hueco de electrodo (226) preferentemente entre el al menos un primer electrodo parcial (222) y el por lo menos un segundo electrodo parcial (224) ;

- debajo del primer electrodo (218; 219) y del segundo electrodo (216; 215) se prevé como mínimo un segundo electrolito sólido (220) , teniendo segundo electrodo (216; 215) al menos un primer electrodo parcial (310) , en contacto con el electrolito sólido (214) y como mínimo un segundo electrodo parcial (312) , en contacto con el por lo menos un segundo electrolito sólido (220) , estando el al menos un primer electrodo parcial (310) y el, como mínimo un, segundo electrodo parcial (312) conectados de manera eléctricamente conductora y habiéndose previsto como mínimo un segundo hueco de electrodo (238) preferentemente entre el como mínimo un primer electrodo parcial

(310) y el al menos un segundo electrodo parcial (312) ;

- el elemento sensor (210) tiene además como mínimo un elemento calefactor (252) .

7. Elemento sensor (210) conforme a una de las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque también se ha previsto como mínimo un electrodo reductor (510) en contacto con el al menos un electrolito sólido (214) , estando configurado el, al menos un, electrodo reductor (510) en un plano laminar, que no coincide con el plano laminar, en el que están dispuestos el a menos un primer electrodo (218; 219) y el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) .

8. Elemento sensor (210) conforme a la anterior reivindicación, caracterizado porque una proyección perpendicular del como mínimo un electrodo reductor (510) en un plano laminar, en el que está configurado el por lo menos un primer electrodo (218; 219) y/o el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) , tiene un solapamiento con el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y/o el al menos un segundo electrodo (216; 215) .

9. Elemento sensor (210) conforme a la anterior reivindicación, caracterizado porque la proyección perpendicular del al menos un electrodo reductor (510) cubre el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y/o el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) en el plano laminar, en el que están configurados el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y/o el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) .

10. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-9, caracterizado porque al aplicar una tensión de bombeo entre el como mínimo un primer electrodo (218; 219) y el, al menos un, segundo electrodo (216; 215) , fluye una corriente iónica (512) a través del como mínimo un electrolito sólido (214) desde el al menos un segundo electrodo (216; 215) hacia el por lo menos un electrodo reductor (510) y del como mínimo un electrodo reductor

(510) hacia el al menos un primer electrodo (218; 219) o viceversa.

11. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-10, caracterizado porque el al menos un electrodo reductor (510) se configura como electrodo sin contacto.

12. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-11, caracterizado porque el como mínimo un electrodo reductor (510) está configurado en un plano de capa inferior al del al menos un primer electrodo (218; 219) y el como mínimo un segundo electrodo (216; 215) .

13. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-12, caracterizado porque el como mínimo un electrodo reductor (510) está configurado entre al menos un elemento calefactor (252) y el por lo menos un electrolito sólido (214) .

14. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-13, caracterizado porque el, como mínimo un, electrodo reductor (510) está conectado con al menos una cámara estanca para el gas (814) para el almacenamiento intermedio de gas.

15. Elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-14, caracterizado porque el como mínimo un electrodo reductor (510) está configurado por un lado adosado a la por lo menos una cámara del gas (212) del al menos un electrolito sólido (214) , separándose preferentemente el, como mínimo un, electrodo reductor (510) de la al menos una cámara del gas (212) a través de por lo menos una capa protectora (610) .

16. Procedimiento para la determinación de al menos una propiedad física de un mezcla gaseosa en como mínimo una cámara del gas (212) , principalmente para la determinación de una concentración de oxígeno de un gas de escape de un motor de combustión interna, con empleo de un elemento sensor (210) conforme a una de las anteriores Reivindicaciones, caracterizado porque entre el, como mínimo un, segundo electrodo (216; 215) y el al

menos un primer electrodo (218; 219) se aplica una tensión de bombeo, midiéndose como mínimo una corriente de bombeo entre el como mínimo un primer electrodo (118) y el al menos un segundo electrodo (116) .

17. Procedimiento conforme a la anterior reivindicación, caracterizado porque se emplea una tensión de bombeo de entre 100 mV y 1, 0 V, preferentemente entre 300 mV y 800 mV y de manera especialmente preferente entre 600 mV y 700 mV.

18. Procedimiento conforme a una de las dos reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el como mínimo un primer electrodo (118) se conecta como cátodo de bombeo, mientras que el al menos un segundo electrodo (116) se conecta como ánodo de bombeo.

19. Procedimiento para la fabricación de un elemento sensor (210) conforme a una de las reivindicaciones 7-15, caracterizado porque como mínimo una resistencia interna del al menos un elemento sensor (210) se ajusta adaptando por lo menos una forma y/o como mínimo una magnitud del al menos un electrodo reductor (510) por medio de como mínimo un procedimiento de corte y/o de ablación, principalmente por medio de un procedimiento de corte y/o ablación por láser.