DE102004015783A1

DE102004015783A1 - Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004015783A1
Application number: DE102004015783A
Authority: DE
Inventors: Jan Bahlo; Jörg Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-06
Also published as: WO2005090956A1

Abstract

Es wird ein Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen angegeben, der ein in einem Fühlergehäuse (10) festgelegtes Sensorelement (12) mit einem aus dem Fühlergehäuse (10) vorstehenden, gassensitiven Abschnitt (121) und ein den gassensitiven Abschnitt (121) mit Abstand kappenartig überdeckenden Doppelschutzrohr (13) mit Innenschutzrohr (14) und Außenschutzrohr (15), die jeweils mit Gasdurchtrittslöchern (16, 17) versehen sind und zwischen sich einen Hohlraum (19, 21) einschließen, aufweist. Zur Herstellung eines die Messgenauigkeit gewährleistenden thermodynamischen Gleichgewichts des Abgases am Sensorelement durch katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff ist der Hohlraum (19, 21) im Doppelschutzrohr (13) mit einem Katalysator (20) ausgefüllt (Fig. 2).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Messfühler dieser Art ( DE 200 04 514 U1 ) weist das Doppelschutzrohr zwei kappenartige, konzentrisch zum Vorstehabschnitt des Sensorelements am Fühlergehäuse befestigte Schutzrohre auf, die zwischen sich einen hohlzylindrischen Hohlraum einschließen. Der Hohlraum ist mit einem keramischen Fasermaterial ausgefüllt, das beispielsweise als Watte, Wolle oder Vlies derart zwischen dem inneren und äußeren Schutzrohr eingesetzt ist, dass das Abgas nur nach Durchfluss des keramisches Fasermaterial in das Innere des inneren Schutzrohrs eintreten und dort an das Sensorelement gelangen kann. Das Fasermaterial weist Fasern aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid auf. Durch dieses in dem Hohlraum des Doppelschutzrohrs angeordnete Fasermaterial wird im Abgas enthaltene Feuchtigkeit zurückgehalten, so dass am Schutzrohr keine Feuchtigkeit kondensieren kann und Kondenswassertropfen nicht auf das Sensorelement gelangen und dort einen Thermoschock auslösen können.

Bei einem bekannten Abgas-Messfühler ( US 4 132 615 ) ist der gassensitive Vorstehabschnitt des Sensorelements mit einer am Fühlergehäuse befestigten Schutzkappe abgedeckt, in deren Kappenboden Gasdurchtrittslöcher vorgesehen sind. Der von der Kappe eingeschlossene Messraum ist zum Schutze des Sensorelements vor Beschädigungen und Temperaturschock mit einem Granulat aus Aluminiumoxid gefüllt, wobei die Aluminiumoxid-Körner eine katalytische Oberflächenschicht aus Platin oder einer Legierung oder einem Gemisch aus Platin und Aluminium, Kobalt, Nickel oder Chrom aufweisen.

Bei einem ebenfalls bekannten elektrochemischen Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmotoren ( DE 30 00 993 A1 ) ist eine den gassensitiven Vorstehabschnitt des Sensorelements mit Minimalabstand überdeckende Schutzkappe aus einem porösen Sintermaterial, z.B. aus einer hochtemperaturfesten Nickellegierung, gefertigt. Die Schutzkappe bietet neben dem Schutz des Sensorelements gegen Druck- und Temperaturschock auch einen Schutz gegen Inaktivierung des Sensorelements durch Vergiftung der im gassensitiven Abschnitt des Sensorelements angeordneten Messelektrode durch Schwefel-, Phosphor- oder bleihaltige Verbindungen, die im Abgas enthalten sind. Die Wandstärke der Schutzkappe beträgt vorteilhaft etwa 2 bis 6 mm und die Porengröße des Sintermaterials etwa 20 bis 200 μm, um einerseits die Schutzwirkung der Schutzkappe gegen Vergiftung und andererseits die Ansprechzeit des Messfühlers zu optimieren. Vorteilhaft ist die zu dem Sensorelement weisende innere Oberfläche der Schutzkappe mit einem Katalysatormaterial beschichtet, das die Einstellung des thermodynamischen Gasgleichgewichtes beschleunigt. Das Katalysatormaterial enthält Edelmetalle, insbesondere solche der Platingruppe.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass dadurch, dass dem vom Abgas beaufschlagten Sensorelement ein im Doppelschutzrohr integrierter, geeigneter Katalysator vorgeschaltet ist, der die in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, wie gezielter Fettbetrieb zur Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators oder Kraftstoffnacheinspritzung zur Russfiltergenerierung bei Dieselmotoren, im Abgas auftretenden großen Mengen an unverbrannten oder nur teiloxidierten Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus dem Abgas umsetzt und das Wassergasgleichgewicht einstellt. Das dadurch erreichte thermodynamische Gleichgewicht des Abgases in dem von dem Doppelschutzrohr eingeschlossenen Messraum des Sensorelements ist Voraussetzung dafür, dass eine einwandfreie Lambda-Messung durch den Messfühler gewährleistet ist. Die Unterbringung des Katalysators im Doppelschutzrohr stellt nicht nur eine fertigungstechnisch günstige Konzeption dar, sondern ermöglicht auch das Vorsehen eines recht großen Katalysatorvolumens.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Katalysator einen Trägerkörper und ein auf den Trägerkörper aufgebrachtes katalytisches Material auf. Vorzugsweise hat der Trägerkörper eine schwammartige oder netzähnliche Struktur und ist aus keramischen oder metallischen Werkstoffen aufgebaut. Dadurch, dass der Katalysator nicht als Schüttung in den Hohlraum des Doppelschutzrohrs eingebracht ist, sondern aus einem festen Geflecht oder einem Metallschaum aufgebaut ist, ist eine hohe mechanische Stabilität des Katalysators gewährleistet. Über die Variation der Porengröße des Trägermaterials kann ein optimales Verhältnis von Anströmungsgeschwindigkeit des Sensorelements, Katalysatorumsatz und Versottungsresistenz erreicht werden. Durch die Wärmeabstrahlung des üblicherweise beheizten Sensorelements und durch das heiße Abgas ist eine ausreichend hohe Katalysatortemperatur gewährleistet, so dass gute Umsatzraten am Katalysator erzielt werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

1 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt

und 2 eines Messfühlers zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 ausschnittweise nur mit seinem Messbereich dargestellte Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors weist ein metallisches Gehäuse 10 auf, das für den Einbau in ein Abgasrohr der Brennkraftmaschine mit einem Einschraubgewinde 11 versehen ist. Im Fühlergehäuse 10 ist ein Sensorelement 12 aufgenommen, das mit einem gassensitiven, endseitigen Abschnitt 121 aus dem Fühlergehäuse 10 vorsteht. Zum Schutz des Sensorelements 12 gegen mechanische Beschädigung ist auf die freie Stirnseite des Fühlergehäuses 10 ein kappenförmiges Doppelschutzrohr 13 aufgesetzt und befestigt, das den gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 vollständig mit großem radialen und axialen Abstand umgibt. Das Doppelschutzrohr 13 besteht aus einem becher- oder kappenförmigen Innenschutzrohr 14 und einem demgegenüber einen größeren Durchmesser aufweisenden, becher- oder kappenförmigen Außenschutzrohr 15, die konzentrisch zum Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 angeordnet sind. In den zylindrischen Rohrwänden von Innenschutzrohr 14 und Außenschutzrohr 15 sind Gasdurchtrittslöcher 16 bzw. 17 zum Gasaustausch zwischen dem vom Innenschutzrohr 14 eingeschlossenen Messraum 18 und dem das Außenschutzrohr 15 umspülenden Abgasstrom vorhanden. Außenschutzrohr 15 und Innenschutzrohr 14 schließen einen Hohlraum 19 ein. Der Hohlraum 19 ist mit einem Katalysator 20 zum katalytischen Oxidieren von Gaskomponenten, vorzugsweise von Kohlenwasserstoffen (HC) und Wasserstoff (H₂) ausgefüllt, die im Abgas bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors in größeren Mengen anfallen. Solche Betriebszustände treten insbesondere bei der Abgasnachbehandlung auf, um mit gezieltem Fettbetrieb (λ<1) eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators zu ermöglichen, oder um bei Dieselmotoren durch gezieltes Einspritzen von Kraftstoff in ein mageres Abgas (λ>1) den Partikelfilter zu regenerieren. Der Katalysator stellt eine weitgehende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe und des Wasserstoffs mit oxidierenden Bestandteilen im Abgas (z.B. Sauerstoff, Kohlendioxid) sicher, so dass das thermodynamische Gleichgewicht im Abgas hergestellt wird und der Messfühler messgenaue λ-Werte auch für sog. Ungleichgewichtsabgase liefert.
Der Katalysator 20 weist einen Trägerkörper und ein auf den Trägerkörper aufgebrachtes, katalytisches Material auf. Das katalytische Material enthält mindestens ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, Rhodium, Palladium oder deren Legierungen oder Mischungen davon. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Trägerkörper aus metallischem Werkstoff und weist eine schwammartige Struktur auf, was dadurch erreicht wird, dass der Trägerkörper aus Sintermetall oder Metallschaum aufgebaut wird. In einer alternativem Ausführungsform weist der Träger eine netz- oder gitterartige Struktur auf. Eine solche Struktur lässt sich mit keramischem Werkstoff realisieren, z.B. durch Aufbau des Trägers aus einem Zirkoniumoxid-Geflecht oder einer Sinterkeramik.
Der in 2 ausschnittweise dargestellte Messfühler unterscheidet sich insoweit von dem in 1 dargestellten und zuvor beschriebenen Messfühler, als das Außenschutzrohr 15 und das Innenschutzrohr 14 in ihrer konstruktiven Gestaltung modifiziert sind. Beide Schutzrohre 14, 15 schließen zwischen ihren Zylinderwänden den Hohlraum 19 ein. Anders als bei dem Doppelschutzrohr 13 in 1 liegen die Kappenböden nicht spaltlos aufeinander, sondern schließen zwischen sich einen Zusatzhohlraum 21 ein. Der Zusatzhohlraum 21 ist mit dem gleichen Katalysator 20 ausgefüllt, der im Hohlraum 19 einliegt und wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Im Innenschutzrohr 14 sind die Gasdurchtrittslöcher 16 einerseits in der zylindrischen Rohrwand mit relativ großem Abstand vom Kappenboden angebracht und zusätzliche Gasdurchtrittslöcher 16 im Kappenboden vorgesehen. Das Außenschutzrohr 15 weist zwei Rohrabschnitte 151, 152 mit unterschiedlichen Durchmessern auf, wobei der Rohrabschnitt 152 mit dem kleineren Durchmesser mit einem Ringbereich an dem Innenschutzrohr 14 anliegt. Die Gasdurchtrittslöcher 17 im Außenschutzrohr 15 sind einerseits in der Übergangsschulter 153 zwischen den beiden Rohrabschnitten 151 und 152 und andererseits im Kappenboden des Außenschutzrohrs 15 angeordnet, so dass das über die Gasdurchtrittslöcher 16, 17 in den Messraum 18 einströmende Messgas einen möglichst langen Weg im Katalysator 20 zurücklegt.

Claims

Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Fühlergehäuse (10) festgelegten Sensorelement (12), das mit einem gassensitiven Abschnitt (121) aus dem Fühlergehäuse (10) vorsteht, und mit einem den gassensitiven Abschnitt (121) mit Abstand kappenartig überdeckenden Doppelschutzrohr (13), das aus einem Gasdurchtrittslöcher (16) aufweisenden Innenschutzrohr (14) und einem Gasdurchtrittslöcher (17) aufweisenden Außenschutzrohr (15) mit dazwischen eingeschlossenem Hohlraum (19, 21) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (19, 21) mit einem Katalysator (20) zum katalytischen Oxidieren von im Abgas enthaltenen Gaskomponenten, vorzugsweise von Kohlenwasserstoffen (HC) und Wasserstoff (H₂), ausgefüllt ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (20) einen Trägerkörper und auf dem Trägerkörper aufgebrachtes katalytisches Material aufweist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische Material mindestens ein Edelmetall, vorzugsweise Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd) oder deren Legierungen oder Mischungen davon enthält.
Messfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper eine schwammartige Struktur aufweist.
Messfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise aus Sintermetall oder Metallschaum, besteht.
Messfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. dass der Trägerkörper eine netz- oder gitterartige Struktur aufweist.
Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus keramischem Werkstoff, vorzugsweise aus einem Zirkoniumoxid-Geflecht oder einer Sinterkeramik, besteht.