DE2254465C2

DE2254465C2 - Meßeinrichtung für den Sauerstoffteildruck der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE2254465C2
Application number: DE19722254465
Authority: DE
Inventors: Michael J. Detroit Mich. Esper; Donald J. Southfield Mich. Romine; Henry L. Stadler; Tseng-Ying Ann Arbor Mich. Tien
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1982-12-02
Also published as: GB1376769A; CA987928A; IT966767B; DE2254465A1; SE402649B; FR2161589A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung für den Sauerstoffteildruck der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Sensor, bestehend aus einer Sauerstoffatome enthaltenden und mittels einer Heizeinrichtung auf einer bestimmten Arbeitstemperatur gehaltenden Metallverbindung, die eine Oxidverbindung eines Übergangsmetalls mit wenigstens zwei Metalloxidationszuständen etwa gleicher Energien ist und in Abhängigkeit von ck rn Sauerstoffteildruck der Auspuffgase entweder zu einer Oxidation oder zu einer Reduktion neigt und bei der Umwandlung eine Änderung des zwischen wenigstens zwei Elektroden eines elektrischen Meßkreises bestehenden elektrischen Widerstandes als Meßgröße liefert

Aus der DE-OS 19 54 662 ist eine Meßeinrichtung der vorgenannten Art zum Messen des Sauerstoffteildrukkes von beliebigen Gasgemischen bekannt Als Oxidverbindung der verschiedenen Wertigkeit findet dabei Strontiumeisenoxid mit der Maßgabe bevorzugt Yerwendung, daß das Strontium auch durch eines der Erdalkalielemente Barium oder Kalzium und das Eisen durch eines der der ersten Übergangsgruppe angehörenden Elemente Mangan, Kobalt oder Nickel ersetzt werden kann. Die Oxidverbindung ist in Form eines dünnen Filmes auf einem inerten keramischen Grundkörper mit hohem Widerstandswert niedergeschlagen, in welchen die aus Platin bestehenden Elektroden eindiffundiert sind, von welchen eine erste Gruppe über angeschlossene elektrische Leitungen mit einer Konstantstromquelle und eine zweite Gruppe mit einem Voltmeter in Verbindung stehen, das so geeicht ist, daß eine durch Änderung des Widerstandswertes des Filmes hervorgerufene Spannungsänderung eine unmittelbare Messung des Sauerstoffgehaltes des jeweiligen Gasgemisches darstellt Der aus dem keramischen Grundkör- per und dem darauf niedergeschlagenen Film aer Oxidverbindung gebildete Sensor ist bei der bekannten Meßeinrichtung in einer besonderen Kammer angeordnet, durch welche das Gasgemisch für die Bestimmung seines Sauerstoffgehaltes vorzugsweise in einer Bypass- Leitung hindurchgeleitet und welche von außen durch die Heizeinrichtung auf einen bestimmten Temperaturwert der Oxidverbindung aufgeheizt wird, der durch einen Temperaturregler voreingestellt ist Die Heizeinrichtung verhindert dabei eine Kühlung des Filmes der Oxidverbindung aufgrund einer evtl. übermäßigen Strömung des Gasgemisches und damit eine Änderung des Widerstandswertcs der Oxidverbindung, wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden könnten. Aus der DE-OS 20 10 793 ist eine Einrichtung zur Re gelung des der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeu ges zugeleiteten Luft-Brennstoff-Gemisches bekannt, bei welcher zur Ermittlung einer Regelgröße der Kohlenmonoxidgehalt der Auspuffgase mittels eines an einem Spannungsmesser angeschlossenen Sensors ge messen wird. Der Sensor besteht dabei aus einem an den Auslaßkrüroraer der Brennkraftmaschine angeflanschten und in den Auslaßkrümmer vorstehenden Hohlzylinder aus einem Feststoff wie Zirkonoxid, der sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite mit einer aus Platin bestehenden porösen Elektrodenschicht versehen ist Durch die beiden Etektrodenschichten wird ein von dem Sauerstoffgehalt der Auspuffgase abhängiger Spannungsunterschied für einen auch temperaturabhängigen Vergleich mit einer Bezugsspan- nung erfaßt, aus dem die DrosselkJeppenstellung eines Vergasers der Brennkraftmaschine bei verschiedenen Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges zur Kleinhaltung des Kohlenmonoxidgehaltes in den Auspuffgasen eine Korrektur erfährt Dabei ist für die den Auspuffgasen ausgesetzte äußere Elektrodenschicht des Hohlzylinders auch noch eine Aufheizmöglichkeit vorgesehen, um damit eine schnellere Ansprechzeit der Einrichtung zu erhalten, die gemäß einer alternativen Ausführungsform für eine dabei von der Temperatur unabhängige Ermittlung der aus einem Spannungsunterschied zwischen den beiden Elektrodenschichten resultierenden Regelgröße auch in der Form einer aus Zirkonoxid bestehenden, mit einem zentralen Durchführungsisolator versehenen und beidseitig mit Platin beschichteten Pille ausgeführt sein kann.

Aus der US-PS 30 51 895 ist eine hauptsächlich zur Messung der Dichte von Gasen und Dämpfen geeignete Einrichtung bekannt, bei der ein als Sinterkörper ausgeführter und insbesondere aus Germanium, Kobalt- oder

eo Nickeloxid bestehender Sensor eingesetzt ist, in den zwei Elektroden zur Messung der Leitfähigkeit dieses Sensors in Abhängigkeit von der die Wanderung der Elektronen beeinflussenden Beaufschlagung mit den zu untersuchenden Gasen oder Dämpfen einßebettet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie insbesondere bezüglich des Sensors eine einfachere und kostensparende Massenfertigung erlaubt

und unter Berücksichtigung eines dafür vorgesehenen Einbaus insbesondere in das Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges unverändert verläßliche Meßwerte für den Sauerstoffgehalt der Auspuffgase liefert, um damit das der Brennkraftmaschine zugeleitete Luft-Brennsicff-Gemisch für eine Kleinhaltung der in den Auspuffgasen enthaltenen Schadstoffe präzise regeln zu können.

Dicae Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Meßeinrichtung der eingangs genannten Art der Sensor aus einer verpreßten Sandwichan-Ordnung von drei scheibenförmigen Sinterkörpern der Metallverbindu.'ig besteht, wobei zwischen das eine aneinanderliegende Scheibenpaar die beiden über ihren Meßkreis an einen Regelkreis für das der Brennkraftmaschine zugeleitete Luft-Brennstoff-Gemisch angeschlossenen Elektroden und zwischen das andere aneinanderliegende Scheibenpaar ein Heizdraht der Heizeinrichtung eingebettet ist

Die Sinterkörper sollten dabei zu einer Dichte von vorzugsweise zwischen 80 und 95% der theoretischen Dichte verpreßt sein und durch die Heizeinrichtung auf eine Betriebstemperatur des Sensors zwischen 600 und 900° C gehalten werden, womit bei einer bevorzugten Verwendung von Titandioxid für diese Sinterkörper eine verlängerte Standzeit des Sensors mit äußerst zuverlässigen Meßergebnissen schon für geringe Veränderungen des Sauerstoffgehaltes der Auspuffgase erhalten wird.

Der Sensor läßt sich auf einfachste Weise fertigen und stellt innerhalb des angegebenen Bereichs seiner Arbeitstemperatur sicher, daß es dann zu keiner Ablagerung von Ruß und sonstigen Verunreinigungen an dem Sensor kommt, womit die Meßergebnisse verfälscht werden könnten, die im übrigen auf der Grundlage der für die Sinterkörper angegebenen Dichte mit einer relativ kurzen Ansprechzeit der Meßeinrichtung erhalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, bei welcher der Sensor der Meßeinrichtung im Auspuffrohr angeordnet ist,

F i g. 2 ein Schaltbild der Meßeinrichtung zusammen mit einer Schemadarstellung des Sensors und

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Sensor der Meßeinrichtung.

Eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeuges weist einen Ansaugkrümmer 12 mit einem Vergaser 16 und einem Luftfilter 18 auf sowie einen Auslaßkrümmer 14, an den ein Auspuffrohr 20 angeschlossen ist In das Auspuffrohr 20 ist ein Sensor 22 einer Meßeinrichtung 24 eingebaut, die mit elektrischen Anschlußleitungen 26, 27 und 28 versehen ist

Der Sensor 22 besteht aus einer verpreßten Sandwichanordnung von drei scheibenförmigen Sinterkörpern 30,32 und 34, wobei zwischen die beiden Scheiben 30 und 32 ein Heizdraht 36 und zwischen die beiden Scheiben 32 und 34 zwei Elektroden 38 und 40 eingebettet sind. Zwischen den beiden Elektroden 38 und 40, die über die Leitungen 26 an einen Widerstandsmesser 44 angeschlossen sind, ist ein Thermoelement 42 angeordnet. Die beiden Enden des Heizdrahtes 36 sind über die Leitungen 27 an eine Stromquelle 46 und an einen Regelkreis 48 angeschlossen, an welch letzteren auch das Thermoelement 42 über die Leitungen 28 aneeschlossen ist.

Die drei Scheiben 3Ö, 32 und 34 bestehen aus der Oxidverbindung eines Übenpngsmfftall« mit wenigstens zwei MetalloKidationscur-iäiiüin -twa j'-..^her L.isr foen, die in Abhängigkeit von dem Saüen>k>fftei!di ujk der Auspuffgase, denen der Sensor 22 in dem Auspuffrohr 20 ausgesetzt ist, entweder zu einer Oxidation oder 2ü emer Reduktion neigen und bei der Umwandlung eine Änderung des zwischen den beiden Elektroden 38 und 40 bestehenden elektrischen Widerstandes bewirken. Damit wird eine Meßgröße erhalten, aus welcher Rückschlüsse auf die entweder reduzierende oder oxidierende Zusammensetzung der Auspuffgase möglich sind und somit unter Einschaltung des Regelkreises 48 das der Brennkraftmaschine 10 zugeleitete Luft-Brennstoff-Gemisch geregelt werden kann. Als zweckmäßige Oxidverbindung erweist sich Titandioxid, jedoch kommen auch andere, bei den regelmäßig hohen Temperaturen der Auspuffgase die Anwesenheit einer zur Erzielung genauer Meßergebnisse gewünschten großen Anzahl von Sauerstoffatomen sicherstellende Metallverbindungen in Betracht, wie VanadiumoxH, Chromoxid, Manganoxid, Eisenoxid. Nickeloxid, KoUJtoxid und die Oxide der seltenen Erdmetalle, wie Zeroxid und Praseodymoxid. Bei der Verwendung von Titandioxid weist jede Scheibe eine Enddicke von beispielsweise etwa 0,02 cm und einen Durchmesser von etwa 0,63 cm auf. Bei der Hei-stellung wird dabei zweckmäßig so vorgegangen, daß zunächst aus pulverförmigem Titandioxid mit einer Teilchengröße von etwa 44 μπι eine Aufschlämmung zubereitet wird, die dann auf einen bandförmigen Träger aus Kunststoff aufgegossen wird. Danach wird das Lösungsmittel durch Verdampfen aus der Aufschlämmung entfernt und das Trägermaterial abgezogen, womit dann die kreisförmigen Scheiben, die abschließend noch geschliffen werden können, ausgestanzt werden können.

Der zwischen die Scheiben 30 und 32 eingelegte Heizdraht besteht vorzugsweise aus Platin, das mit etwa 13% Rhodium legiert ist Auch die Elektroden 38 und 40 bestehen vorzugsweise aus Platin und weisen wie der Heizdraht 36 einen Durchmesser von etwa 0,02 cm auf. Das Thermoelement 42 besteht vorzugsweise aus einer Kombination aus Gold-Palladium-Platin und Gold-Palladium. Die aus den drei Scheiben 30, 32 und 34, dem Heizdraht 36, den beiden Elektroden 38 und 40 und dem Thermoelement 42 gebildete Sandwichanordnung wird bevorzugt unter einem Druck von etwa 6900 N/cm² zusammengepreßt und danach bei Temperaturen zwischen etwa 1260 und 1370⁰C für eine bis zwei Stunden gebrannt

Der in das Auspuffrohr 20 eingebaute Sensor 22 ist ständig den Auspuffgasen ausgesetzt und wird von diesen auf eine Temperatur von etwa 700⁰C erwärmt. Wenn das der Brennkraftmaschine zugeleitete Luft-Breniistoif-Gemisch ein Mischungsverhältnis von etwa 13:1 aufweist, dann beträgt der zwischen den Elektro den 38 und 40 gemessene Widerstand etwa 200Ü Ohm. Wird unter Beibehaltung derselben Parameter das Mischungsverhältnis auf 14 :1 geändert, dann erhöht sich dieser "'iderstand au' etwa 7000 Ohm, und er ändert sich au/ etwa 20 000 Ohm, wenn das Mischungsverhältnis 15 :1 beträft Mit anderen Sensoren lassen sich für Mischungsverhältnisse zwischen 11:1 und ^1li:l Widerstände zwischen i00 und 500 000 0hm messen. Die Widerstanden -.zzu:iii ist dabei auch abnängig von dem Abstand /> ischen C¹^n beiden ElektroJen 38 v~l 40 sowie der Temperatur, die mittels der Heizeinrichtung auf eine Arbeiistemperatur des Sensors zwischen 600

und 900⁰C eingestellt werden sollte. Werden die Mes- lureinfluß nur minimal, weil dann eine sehr rasche Änsungen bei angenähert stöchiometrischem Mischungs- derung des Widerstandes auftritt, verhältnis vorgenommen, dann ist dabei der Tempera-

Hierzu t Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung für den Sauerstoffteildruck der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem Sensor, bestehend aus einer Sauerstoffatome enthaltenden und mittels einer Heizeinrichtung auf einer bestimmten Arbeitstemperatur gehaltenen Metallverbindung, die eine Oxidverbindung eines Übergangsmetalls mit wenigstens zwei Metalloxidationszuständen etwa gleicher Energien ist und in Abhängigkeit von dem Sauerstoffteildruck der Auspuffgase entweder zu einer Oxidation oder zu einer Reduktion neigt und bei der Umwandlung eine Änderung des zwischen wenigstens zwei Elektroden eines elektrischen Meßkreises bestehenden elektrischen Widerstandes als Meßgröße liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) aus einer verpreßten Sandwrehanordnung von drei scheibenförmigen Sinterkörpern (30,32,34) der Metaiiverbindung besteht, wobei zwischen das eine aneinander liegende Scheibenpaar (32, 34) die beiden über ihren Meßkreis an einen Regelkreis (48) für das der Brennkraftmaschine (10) zugeleitete Luft-Brennstoff-Gemisch angeschlossenen Elektroden (38, 40) und zwischen das andere aneinander liegende Scheibenpaar (30, 32) ein Heizdraht (36) der Heizeinrichtung eingebettet ist

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörper (30, 32, 34) zu einer Dichte zwischen 80 und 95% der theoretischen Dichte verpreßt sind.

3. Meßeinrichtung nach Ar-pruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung auf eine Arbeitstemperatur des Sensors (22) zwischen etwa 600 und 900⁰C eingestellt ist.