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DE4228052A1 - EXHAUST GAS SENSOR FOR CONTROLLING THE OPERATION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES - Google Patents

EXHAUST GAS SENSOR FOR CONTROLLING THE OPERATION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

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DE4228052A1
DE4228052A1 DE19924228052 DE4228052A DE4228052A1 DE 4228052 A1 DE4228052 A1 DE 4228052A1 DE 19924228052 DE19924228052 DE 19924228052 DE 4228052 A DE4228052 A DE 4228052A DE 4228052 A1 DE4228052 A1 DE 4228052A1
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DE
Germany
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exhaust gas
sensor
gas sensor
sensor element
internal combustion
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Withdrawn
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DE19924228052
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German (de)
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Wolfgang Dipl Phys D Hanrieder
Peter Dipl Phys Kleinschmidt
Uwe Dr Lampe
Hans Dr Meixner
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
    • F02D41/1441—Plural sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

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Abstract

Two sensor arrays (1,2) of pref. platinum are mounted on a common substrate (3). Each sensor has two respective interdigital electrodes (4,5) also arranged on the substrate which exhibits a high thermal conductivity. The electrode pairs are covered with a thin oxygen-sensitive metal-oxide coating (6). One array (1) only is additionally coated with a thin layer of catalyst (7) having max. specific surface area, to measure the oxygen-partial pressure of the exhaust gas. It is partly surrounded by a temp.-regulating thin-film zig-zag line and temp. probe (8). USE/ADVANTAGE - Esp. on motor vehicles with exhaust catalytic convertors. Reliable sensor for cylinder-selective fuel/air mixt. ratio detection, reacts sufficiently quickly to detect misfiring and incorrect combustion.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgas-Sensor zur Re­ gelung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Kfz-Motoren und -Katalysatoren.The present invention relates to an exhaust gas sensor for re gelation of internal combustion engines, in particular motor vehicle engines and -Catalysts.

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.To regulate automotive engines, the amount of unreacted th fuel / air mixture that each cylinder of a Mehrzy linder motor vehicle leaves, be known. To regulate automotive Catalysts must have the lambda value of the measured combustion Known substance / air mixture. The response times of Mo Gate control sensors must be in the millisecond range gene to achieve the desired cylinder selectivity.

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.So far for the cylinder-selective control of automotive engines No exhaust gas sensor concepts known. For the catalyst rain the known embodiments of the lambda son exist based on ion-conductive zirconium oxide or electro nically conductive titanium oxide.

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.To control a multi-cylinder automotive engine, both the Kon concentration of unburned fuel as well as that of before available oxygen after leaving the individual Cylinder to be known.

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. A lambda probe alone is not enough to solve this task out. The probe only detects the metered fuel / air Ver ratio. As long as the combustion in each cylinder is optimal is running, the lambda probe is used to set the cylinder lamb dawerts sufficient. If the combustion is not optimal, changes the signal of the lambda probe does not correspond to the changed one Exhaust gas composition because the reaction to the catalytic Electrode of the lambda probe is completed.  

Es ist demzufolge zusätzliche Information betreffend die Voll­ ständigkeit der Verbrennung in den einzelnen Zylindern erforder­ lich.It is therefore additional information regarding the full constant combustion is required in the individual cylinders 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.The present invention has for its object a Exhaust gas sensor for regulating internal combustion engines, in particular To create automotive engines and catalytic converters for the purpose of ei ner cylinder-selective detection of the internal combustion engine leaving unreacted fuel / air mixture Reacts quickly enough, works reliably and inexpensively is always producible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Abgas-Sensor gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die darin angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.To solve this problem, an exhaust gas sensor according to the Ober concept of claim 1 proposed by the features identified therein.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are characterized by the in the features specified in the subclaims.

lm folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im ein­ zelnen beschrieben, wobei die Figuren ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung betreffen.In the following the invention with reference to several figures in one described individually, the figures being a preferred embodiment Example of the invention relate.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Schnitts durch den erfindungsgemäßen Abgas-Sensor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Fig. 1 shows a schematic view of a section through the inventive exhaust gas sensor according to a preferred embodiment.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Sensorstruk­ tur, die in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 2 shows a schematic plan view of the sensor structure, which is shown in Fig. 1.

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.According to the invention is shown in FIG . Fig. 2 proposed an exhaust gas sensor in which a first sensor element 1 measures the oxygen partial pressure after, for example, the exhaust gas of the sensor electrode has completely reacted due to its catalytic effect. This sensor element 1 thus measures the missing or excess oxygen content from which, as in conventional lambda probes, the lambda value for catalyst control results. A second sensor element 2 simultaneously measures the oxygen partial pressure in the exhaust gas without the catalytic setting of stoichiometric conditions. The relevant value will generally be higher. The measuring principles of the two sensor elements 1 , 2 can be the same or different.

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.The difference signal from the signals from sensor element 2 and sensor element 1 is a direct measure of the incompleteness of the combustion. In accordance with this signal, the motor is controlled cylinder-selectively.

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.Are the two sensor elements 1 , 2 identical except for the catalytic component of the sensor element 1 in structure, so who switched the two against each other. In this way, the desired differential signal is easy to obtain.

Ein wesentlicher dieser Anordnung besteht darin, daß schnelle Temperaturschwankungen des Abgas-Sensorsystems, die nicht durch eine Sensorheizung ausgeregelt werden können, automatisch kom­ pensiert werden.An essential part of this arrangement is that fast Temperature fluctuations in the exhaust gas sensor system that are not caused by a sensor heater can be adjusted automatically be penalized.

Langzeitdrifts und Alterungseffekte werden auf diese Weise ebenfalls weitgehend kompensiert.Long-term drifts and aging effects are this way also largely compensated.

Das Signal des Sensor-Elements 1, das wie eine Lambda-Sonde ar­ beitet, dient (falls erforderlich) darüber hinaus zur Regelung des Abgas-Katalysators.The signal from sensor element 1 , which works like a lambda probe, also serves (if necessary) to regulate the exhaust gas catalytic converter.

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. In order to achieve the required response speed, a structure of the sensor system is provided in thin layers according to the invention. All types of planar technologies, such as thick-film, thin-film, CVD technologies etc., are suitable for this. A material with good heat conductivity is advantageously used as the substrate 3 . This ensures a quick compensation of any temperature gradients and thus optimizes the automatic temperature compensation of the two sensor elements.

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.Metal oxides serve as the basic oxygen sensor material, and their electronic conductivity depends on the partial pressure of oxygen. The catalytic layer of the sensor element 1 consists of a catalytically effective, but corrosion-resistant mate rial, for. B. a metal of sub-group 8.

Eine mögliche Ausführungsform der Sensorstruktur ist in Fig. 1 gezeigt:A possible embodiment of the sensor structure is shown in FIG. 1:

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.On the highly thermally conductive substrate 3 , two interdigital structure electrodes 4 , 5 are brought up for each sensor element 1 , 2 , see also FIG. 2. These must be corrosion-resistant and temperature-stable and are preferably formed from Pt. A thin, oxygen-sensitive layer of metal oxide 6 is applied to each of these electrode pairs 4/5 . One of the two sensor structures is covered with a thin catalyst layer 7, the largest possible specific surface, namely sensor element 1 . Around the pair of sensor elements, a thin-film temperature control arrangement 8 is provided in a manner known per se, consisting of a heating meander and a temperature sensor, for example made of Pt. All unprotected metal areas outside the pair of sensor elements are passivated, for example, by means of an Si 3 N 4 layer.

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.The specified structure forms a simply constructed, Fast exhaust gas sensor, especially for controlling motor vehicle moto ren over a wide lambda range with inherent Tem temperature and drift compensation.

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.1. exhaust gas sensor for controlling internal combustion engines, in particular motor vehicles and catalytic converters, characterized in that a sensor unit is provided as a combination of two sensor elements ( 1 , 2 ), which on a common substrate ( 3 ) are arranged that the one sensor element ( 1 ) carries a catalyst layer ( 7 ) and is intended to measure the oxygen partial pressure after the exhaust gas has reacted completely, for example, on the sensor electrode due to its catalytic effect that the other sensor element ( 2 ), which carries no catalyst layer on itself, simultaneously measures the oxygen partial pressure in the exhaust gas without the catalytic adjustment of stoichiometric conditions and that the difference signal of the signals from the one sensor element ( 1 ) and the another sensor element ( 2 ) a direct measure of the incompleteness of combustion in the internal combustion engine. 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.2. Exhaust gas sensor according to claim 1, characterized in that the two sensor elements ( 1 , 2 ) are identical in structure with the exception of the catalyst layer ( 7 ) on the one sensor element ( 1 ) and that the two sensors -Electrode pairs are connected to each other to obtain the difference signal. 3. Abgas-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat (3) aus einem gut wärme­ leitfähigen Material besteht.3. Exhaust gas sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate ( 3 ) consists of a good heat conductive material. 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.4. Exhaust gas sensor according to claim 1 or 2, characterized in that around at least one of the sensor elements ( 1 ) around a heating and temperature sensor structure ( 8 ) is arranged. 5. Abgas-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Sensor in Pla­ nartechnologie mittels Dickschichtverfahren ausgeführt ist.5. Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 4, characterized  characterized in that the exhaust gas sensor in Pla nartechnologie is carried out by means of thick film processes. 6. Abgas-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Sensor in Pla­ nartechnologie mittels Dünnschichtverfahren ausgeführt ist.6. Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the exhaust gas sensor in Pla nartechnologie is carried out by means of thin film processes.
DE19924228052 1991-09-30 1992-08-24 EXHAUST GAS SENSOR FOR CONTROLLING THE OPERATION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES Withdrawn DE4228052A1 (en)

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