DE10133385C1

DE10133385C1 - Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom

Info

Publication number: DE10133385C1
Application number: DE10133385A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-07-11

Abstract

Es wird ein Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, vorgeschlagen, umfassend mindestens eine erste Meßelektrode (8) und mindestens eine zweite Meßelektrode (9), welche mittels in dem Gasstrom enthaltener Teilchen elektrisch verbindbar sind. Die zweite Meßelektrode (9) und eine Referenzelektrode (4) bilden eine elektrochemische Zelle (Figur 3).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom, nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der US 4,656,832, der DE 28 36 002 C2 oder der JP 60123757 A bekannt und beispielsweise zum Einbau in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselverbrennungsmotor ausgelegt. Der Sensor enthält zwei Messelektroden, die durch im Abgasstrom enthaltene Teilchen elektrisch miteinander verbunden werden können.

Weiterhin ist aus der DE 42 36 711 A1 ein Rußsensor bekannt, dessen Signalbildung auf der Messung eines elektromotorischen Kraft zwischen einer Mess- und einer Referenzelektrode beruht.

In der DE 39 35 149 C2 ist eine Anordnung zur Rußmessung beschrieben, die auf der Messung des Sauerstoffgehalts eines Abgases beruht, wobei die entsprechenden Sonden ein aus einem keramischen Werkstoff gefertigtes Substrat aufweisen, auf dem eine Mess- und eine Referenzelektrode angeordnet ist.

Bei den bekannten Sensoren ist es jedoch nachteilhafterweise nicht möglich, Aussagen über die Art der die beiden Elektroden miteinander verbindenden Teilchen zu machen. Beispielsweise ist es nicht möglich, Rußteilchen von Ascheteilchen zu unterscheiden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem die zweite Messelektrode und eine Referenzelektrode eine elektrochemische Zelle bilden, hat demgegenüber den Vorteil, dass er zum einen eine resistive Messung von in bzw. an dem Sensor abgelagerter Teilchen mittels der beiden Messelektroden ermöglicht, und zum anderen die Möglichkeit einer elektrochemischen Detektion von in dem Gasstrom enthaltenen Gasen bzw. von Verbrennungsprodukten unter dem auf dem Substrat abgelagerten Teilchen bietet. Es ist mithin eine Doppelnutzung des Sensor möglich.

Mit dem Sensor nach der Erfindung ist es also möglich, Gase zu detektieren, und zwar beispielsweise dadurch, daß Sauer stoff an der zweiten Meßelektrode reduziert wird oder daß Sauerstoffplätze auf der zweiten Meßelektrode durch Adsorp tion von beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmon oxid besetzt werden, wodurch eine Änderung des an der elek trochemischen Zelle anliegenden Potentials eintritt.

Man kann somit z. B. ein Sauerstoff vertreibendes Gas de tektieren. Bei dieser Detektion tritt keine Leitfähigkeits veränderung in einem zwischen den beiden Meßelektroden lie genden Zwischenraum auf. Es tritt jedoch eine Änderung des Potentials auf, das an der elektrochemischen Zelle anliegt.

Wenn mehrere Gase auf der zweiten Meßelektrode adsorbieren, liegt ein Ungleichgewichtszustand vor, der bedeutet, daß an der Elektrode zwei chemische Reaktionen ablaufen. In diesem Falle spricht man von einem sogenannten Mischpotential, das an der elektrochemischen Zelle anliegt.

Wenn sich Feststoffteilchen, wie Ruß- oder Ascheteilchen, zusätzlich auf dem Substrat ablagern, wird der Zwischenraum zwischen den beiden Meßelektroden elektrisch überbrückt. Mit zunehmender Teilchenmenge in dem Sensor bzw. Teilchen konzentration in dem Gasstrom erhöht sich die Leitfähigkeit des Zwischenraums. Damit ist der Widerstand, welcher mit tels der ersten und der zweiten Meßelektrode ermittelbar ist, eine mit der Teilchenkonzentration in dem Gasstrom korrespondierende Größe.

Der Sensor nach der Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit Dieselver brennungsmotor ausgelegt, er kann aber auch andere Einsatz gebiete haben. Beispielsweise kann der Sensor im Bereich der Haustechnik in einem Abgasstrang einer Ölheizung zum Einsatz kommen. Je nach Einsatzgebiet kann der Sensor in einem entsprechend ausgelegten Gehäuse angeordnet sein.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung umfaßt die elektrochemische Zelle einen Fest körperelektrolyten. Die zweite Meßelektrode und die Refe renzelektrode sind dann mit dem Festkörperelektrolyten kon taktiert, der vorzugsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zir koniumdioxid oder auch aus Natrium-β-Aluminat hergestellt ist. Die erste Meßelektrode muß gegenüber dem Festkörpere lektrolyten isoliert sein, beispielsweise mittels einer Aluminiumoxidschicht. Der Festkörperelektrolyt stellt einen Ionenleiter und zusammen mit der zweiten Meßelektrode und der Referenzelektrode eine Pumpzelle dar. Die Pumpzelle liefert beispielsweise ein Signal, das proportional zu der an der zweiten Meßelektrode herrschenden Sauerstoffkonzen tration ist. Die Referenzelektrode steht beispielsweise mit der Umgebungsatmosphäre oder nach einer alternativen Aus führungsform mit dem betreffenden Gasstrom in Verbindung.

Vorteilhaft sind die erste Meßelektrode und die zweite Me ßelektrode in einer Kammer angeordnet. Diese Kammer, die eine Öffnung hat, über die ein Teil des Gasstroms eindrin gen kann, ermöglicht eine Beruhigung des Gasstroms, so daß gegebenenfalls in dem Gasstrom enthaltene abrasive Teilchen die beiden Meßelektroden nicht beeinträchtigen können und die Ablagerung von Teilchen begünstigt wird. Die beiden Me ßelektroden, die planar ausgeführt sein können, sind bei spielsweise nebeneinander oder übereinander in der Kammer angeordnet.

Zwischen der Kammer und dem Gasstrom kann eine Eintritts barriere angeordnet sein. Die Eintrittsbarriere bewirkt ebenfalls eine Beruhigung von Strömungen in dem Gasstrom und begünstigt so die Ablagerung von Teilchen in dem Sen sor. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ein trittsbarriere aus einem Werkstoff mit einer Porosität zwi schen 50 und 80% hergestellt. Die Eintrittsbarriere kann z. B. aus versinterten Keramik- oder Metallteilchen oder einer Mischung hieraus hergestellt sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfaßt der Sensor eine Heizvorrichtung. Diese Heizvorrichtung kann zum Abbrennen von zwischen den beiden Meßelektroden abgela gerten und die beiden Meßelektroden elektrisch miteinander verbindenden Teilchen eingesetzt werden. So können bei spielsweise adsorbierte Rußteilchen abgebrannt werden, so bald ein bestimmter, mittels der Meßelektroden ermittelter Schwellenwiderstand unterschritten ist. Beim Abbrennen von Rußteilchen wird der Sensor beispielsweise mittels der Heizvorrichtung auf ca. 550°C bis 800°C erhitzt. Hierauf werden die Rußteilchen abgebrannt, und der Sauerstoffgehalt in der Kammer verändert sich. Es entstehen zusätzlich Koh lenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, welche von der elektro chemischen Zelle als Mischpotential bzw. als Stromsignal nachgewiesen werden können. Sobald alle Rußteilchen abge brannt sind, verschwindet das Mischpotential, die beiden Meßelektroden sind wieder elektrisch voneinander isoliert und die Heizvorrichtung kann wieder heruntergefahren wer den. Die jeweiligen Schaltvorgänge können durch von einer Steuerelektronik ausgelöste Steuersignale ausgelöst werden.

Durch Einsatz der Heizvorrichtung können mit dem Sensor nach der Erfindung beispielsweise Rußteilchen von Asche teilchen unterschieden werden, da Rußteilchen abgebrannt werden können, wobei mittels der elektrochemischen Zelle detektierbare Gase entstehen, wohingegen Ascheteilchen an sich schon im verbrannten Zustand vorliegen.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors hat die erste Meßelektrode eine höhere katalytische Aktivität als die zweite Meßelektrode. Beispielsweise ist eine der Elektroden eine Platin-Gold-Elektrode und die an dere Elektrode eine Platin-Elektrode. An den Elektroden kann man dann zwischen Sauerstoffsschwankungen in dem Gasstrom und einer in der Kammer erfolgenden Feststoffver brennung, beispielsweise einer Verbrennung von Rußteilchen, unterscheiden. Es ist aber auch denkbar, zwei gleichartige Meßelektroden einzusetzen.

Die Referenzelektrode grenzt zweckmäßigerweise an einen Re ferenzkanal. Der Referenzkanal, der vorzugsweise Bestand teil des Sensors ist, führt entweder an die Umgebung oder zu dem Abgasstrang.

Bei einer speziellen Ausführungsform des Sensors nach der Erfindung sind zwei zweite Meßelektroden vorgesehen. Diese beiden Elektroden sind dann mit dem Festkörperelektrolyten verbunden. So ist eine genauere Vergleichsmessung der Po tentiale und Ströme möglich. Die beiden zweiten Meßelektro den liegen von der Öffnung der Kammer aus gesehen vorteil hafterweise nebeneinander, so daß sie beide von in dem Gasstrom enthaltenen Teilchen auf gleiche Weise belegt wer den. Eine der beiden zweiten Meßelektroden kann aus Platin und die andere kann aus einer Platin-Gold-Legierung herge stellt sein. Mittels der Platinelektrode kann Kohlenstoff katalytisch oxidiert werden.

Des weiteren umfaßt der Sensor nach der Erfindung vorteil hafterweise eine Auswerteelektronik, mittels der eine Kreuzkorrelation zwischen einem der ersten und der zweite Meßelektrode herrschenden elektrischen Widerstand und einem an der elektrochemischen Zelle anliegenden Potential durch führbar ist.

Der Sensor nach der Erfindung hat zweckmäßig einen Aufbau, der nach einem Folientechnikverfahren hergestellt ist. Der Sensor besteht dann aus mehreren beispielsweise keramischen Schichten, die über sogenannte Folienbinder-Schichten mit einander verbunden sind und auf die die jeweiligen Elektro den aufgebracht sein können.

Zwei Ausführungsbeispiele des Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu tert. Es zeigen

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Sen sor nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausfüh rungsform eines Sensors; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines Sensors 1 zur Detektion von Stoffen in einem Abgasstrang eines mit einem Dieselverbrennungsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeuges dargestellt. Der Sensor 1 ist stromab eines hier nicht dargestellten Rußfilters in dem Abgasstrang so wie in einem hier ebenfalls nicht näher dargestellten Ge häuse angeordnet.

Der Sensor 1 ist nach einem Folientechnikverfahren herge stellt und umfaßt eine keramische Basisschicht 2, in wel cher eine hier nicht gezeigte elektrische Heizung auf an sich bekannte Weise eingebettet ist, mittels der der Sensor 1 auf eine Temperatur zwischen 300°C und 1000°C aufgeheizt werden kann.

Auf der Basisschicht 2 ist eine erste Zwischenschicht 3 an geordnet, welche eine sogenannte Referenzelektrode 4 um faßt, die zusammen mit der Basisschicht 2 einen Referenzka nal 5 begrenzt, der an die Umgebungsatmosphäre führt.

An der dem Referenzkanal 5 abgewandten Seite grenzt die Re ferenzelektrode 4 an eine eine weitere Zwischenschicht bil dende Schicht 6 aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid. Die Zwischenschicht 6 stellt mithin einen Festkörperelek trolyten dar. An der der ersten Zwischenschicht 3 abgewand ten Seite des Festkörperelektrolytens 6 grenzt an den Fest körperelektrolyten 6 zum einen eine Isolierschicht 7 aus Aluminiumoxid, auf der wiederum eine erste Meßelektrode 8 angeordnet ist. Die erste Meßelektrode 8 ist aus Platin ge fertigt.

Zum anderen ist auf dem Festkörperelektrolyten 6 eine zwei te Meßelektrode 9 aufgebracht, die aus einer Platin-Gold- Legierung besteht. Die erste Meßelektrode 8 und die zweite Meßelektrode 9 sind mit jeweils einer isolierten Zuleitung 10 bzw. 11 ausgestattet und nebeneinander liegend in einer sogenannten Sammelkammer 12 angeordnet, welche mittels ei ner Eintrittsbarriere 13 von dem Abgasstrang getrennt ist.

Die Eintrittsbarriere 13 bewirkt eine Beruhigung von Strö mungen in dem Abgasstrom und begünstigt so eine Absetzung beispielsweise von Rußteilchen in der Sammelkammer 12. Die Eintrittsbarriere 13 besteht aus versinterten Keramikteil chen mit einer Porosität von ca. 60%. Die Porengröße be trägt dabei bevorzugt zwischen 5 µm und 30 µm.

An der Oberseite ist der Sensor 1 mit einer keramischen Deckschicht 14 versehen. Seitlich ist der Sensor 1 von Flanken 15 und 16 begrenzt, welche entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau ebenfalls schichtweise aufgebaut sind.

Die zweite Meßelektrode 8, der Festkörperelektrolyt und die Referenzelektrode 5 bilden zusammen eine elektrochemische Zelle.

Die einzelnen, in der Zeichnung dargestellten Schichten sind der Anschaulichkeit halber überhöht dargestellt. Die Höhe der Sammelkammer beträgt vorliegend etwa 50 µm.

Der Sensor 1 umfaßt des weiteren sogenannte Folienbinder- Schichten, mittels welcher die einzelnen keramischen, foli enartigen Schichten miteinander verklebt sind.

Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Sensors 20 unterscheidet sich von demjenigen nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß es eine erste Meßelektrode 8 und eine zweite Meßelektrode 9 umfaßt, welche planparallel übereinander in der Sammelkammer 12 angeordnet sind. Die beiden Meßelektroden 8 und 9 sind voneinander beabstandet. Die erste Meßelektrode ist gegenüber dem Festkörperelektro lyten 6 isoliert. Die erste Meßelektrode 8, die aus Platin gefertigt ist, ist gegenüber der Abdeckschicht 14 des Sen sors 20 mittels einer Isolierschicht 21 getrennt. Im übri gen entspricht der Aufbau des Sensors 20 im wesentlichen demjenigen des Sensors nach den Fig. 1 und 2.

Die zweite, aus einer Platin-Gold-Legierung gefertigte Me ßelektrode 9, der Festkörperelektrolyt 6 und die Referenze lektrode 4 bilden zusammen eine elektrochemische Zelle.

Die erste Meßelektrode aus Platin hat eine höhere katalyti sche Aktivität als die zweite Meßelektrode 9, welche aus einer Platin-Gold-Legierung gefertigt ist.

Die vorstehend beschriebenen Rußsensoren arbeiten in nach folgend beschriebener Weise.

Bei Anordnung des Rußsensors 1 bzw. 20 in einem Abgasstrang wird der Sensor zunächst in einer sogenannten Sammelphase betrieben. In diesem Zustand ist der Sensor 1 bzw. 20 nicht beheizt oder teilbeheizt. In letzterem Fall beträgt die Temperatur des Sensors 1 bzw. 20 zwischen ca. 200°C und 450°C. Das Abgas dringt über die Eintrittsbarriere 13 in die Sammelkammer 12 ein.

Wenn in dem Abgas beispielsweise Rußteilchen enthalten sind, lagern sich diese in dem Zwischenraum zwischen den beiden Meßelektroden 8 und 9 ab. Damit wird der Zwischen raum zwischen den Meßelektroden 8 und 9 elektrisch über brückt, so daß ein mittels einer nicht dargestellten Meß elektronik zwischen diesen beiden Elektroden gemessener Wi derstand abnimmt.

Bei einem bestimmten Grenzwiderstand wird mittels der Meße lektronik ein Steuersignal generiert, so daß der Sensor 1 bzw. 20 mittels der Heizvorrichtung auf eine Temperatur zwischen 550 und 800°C erhitzt wird. Dadurch brennen die Rußteilchen ab, wobei sich der Sauerstoffgehalt in der Sam melkammer 12 verändert. Als zusätzliche Gase entstehen Koh lenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, welche mittels der aus der zweiten, aus einer Platin-Gold-Legierung bestehenden Meßelektrode 9, der Referenzelektrode 4 und dem Festkör perelektrolyten 6 gebildeten elektrochemischen Zelle als Mischpotential bzw. Stromsignal nachgewiesen werden können.

Wenn im wesentlichen sämtliche Rußteilchen abgebrannt sind, verschwindet das an der elektrochemischen Zelle anliegende Mischpotential. Dadurch wird mittels der Meßelektronik ein Steuersignal generiert, so daß die Heizvorrichtung herun tergefahren wird. Der Sensor 1 bzw. 20 wird damit wieder in den nicht beheizten oder teilbeheizten Sammelzustand ge bracht. Alternativ kann die Heizvorrichtung nach einer vor gegebenen Zeit heruntergefahren werden.

Mittels der Auswerte- bzw. Meßelektronik wird eine Kreuz korrelation zwischen dem zwischen der ersten Meßelektrode 8 und der zweiten Meßelektrode 9 herrschenden elektrischen Widerstand und dem an der elektrochemischen Zelle anliegen den Potential durchgeführt.

Claims

1. Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Gasstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, mit mindestens einer ersten Meßelektrode (8) und mindestens einer zweiten Meßelektrode (9), welche mittels in dem Gasstrom ent haltener Teilchen elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Meßelektrode (9) und ei ne Referenzelektrode (4) eine elektrochemische Zelle bilden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle einen Festkörperelektrolyten (6) umfaßt.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßelektrode (8) gegenüber dem Festkörperelektro lyten (6) isoliert ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Meßelektrode (8) und die zweite Meßelektrode (9) in einer Kammer (12) angeordnet sind.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kammer (12) und dem Gasstrom eine Ein trittsbarriere (13) angeordnet ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsbarriere (13) aus einem Werkstoff mit einer Porosität zwischen 50% und 80% besteht.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Meßelektrode (8) eine höhe re katalytische Aktivität als die zweite Meßelektrode (9) aufweist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Referenzelektrode (4) an einen Referenzkanal (9) grenzt.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch zwei zweite Meßelektroden.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeich net durch eine Auswerteelektronik, mittels der eine Kreuzkorrelation zwischen einem zwischen der ersten (8) und der zweiten (9) Meßelektrode herrschenden elek trischen Widerstand und einem an der elektrochemischen Zelle anliegenden Potential durchführbar ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeich net durch einen Aufbau, der nach einem Folientechnik verfahren hergestellt ist.