DE2416629C2 - Meßeinrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von Verbrennungsmotoren - Google Patents
Meßeinrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von VerbrennungsmotorenInfo
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Description
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25
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen,
vorwiegend von Verbrennungsmotoren, mit einem elektrochemischen Meßfühler in Form einer Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Festelektrolyten, dem in Strömungsrichtung ein Katalysator vorgeschaltet
ist.
Kfz-Verbrennungsmotoren erzeugen in ihrem Abgas u. a. Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte
oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen.
Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung
auf einen Minimalwert zu drücken, ist es w> erforderlich, Abgase von Kfz-Verbrennungsmotoren
möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien. Das bedeutet, daß Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe
möglichst vollständig in ihre höchste Oxidationsstufe, Kohlendioxid und — im Falle der Kohlenwasser-
stoffe — Wasser, bzw. Stickoxide in elementaren Stickstoff übergeführt werden müssen. Eine solche
Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff
und Wasser kann z. B. dadurch geschehen, daß man die
Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, indem man sie bei Temperaturen oberhalb 6C0°C übe«· Katalysatoren
leitet Voraussetzung für der Erfolg ist jedoch, daß das Abgas in seiner Zusammensetzung so eingestellt
wird, daß eine praktisch vollständige Umsetzung zu den
unschädlichen Verbindungen überhaupt möglich ist dh, das Verhältnis Luft zu Brennstoff muß nahezu
stöchiometrisch sein, was bekanntlich mit einem A-Wert
nahe 1 gekennzeichnet wird. Bezüglich des Sauerstoffgehaltes des Abgases bedeutet dies für λ S 1, daß kein
über die Gleichgewichtsmenge der verschiedenen möglichen Reaktionen hinausgehender »überschüssiger«
Sauerstoff vorhanden ist während bei λ > 1 »überschüssiger« Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt
Bei λ = 1 geht also das Abgas vom reduzierenden in den oxidierenden Zustand über.
Für die Einhaltung eines Α-Wertes von 1 ist es erforderlich, eine Meßeinrichtung in den Weg des
Abgases zu bringen, die z. B. den Sauerstoffgehalt bestimmt und über eine Regeleinrichtung die richtige
Einstellung der Abgaszusammensetzung bewirkt
Bekannte derartige Meßeinrichtungen sind mit einem elektrochemischen Meßfühler ausgestattet, der auf dem
Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten beruht Dabei wird stets
angestrebt, daß die Meßeinrichtung bei λ = 2 einen möglichst scharfen Potentialsprung aufweist, da ein
solcher scharfer Sprung für eine Verarbeitung in einer Regeleinrichtung von besonderem Vorteil ist.
Ein solcher scharfer Potentialsprung, wie er angestrebt wird, kann nur dann erreicht werden, wenn sich
die Komponenten des Abgases im thermodynamischen Gleichgewicht befinden, was normalerweise keineswegs
der Fall ist
Es sind bereits derartige Meßeinrichtungen beschrieben worden, die einen Meßfühler aufweisen, der auf
seiner dem Abgas ausgesetzten Oberfläche eine elektronenleitende, poröse Schicht trägt, die die
Einsteüung des Gasgleichgewichtes katalysiert. Diese Katalysatorschicht ist mit einer ebenfalls porösen,
katalytisch inaktiven Schutzschicht überzogen, die dazu beiträgt daß vor dem Kontakt des Abgases mit der
Katalysatorschicht das Abgas homogenisiert wird, was zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und
damit zu einer Erniedrigung der Ansprechzeit der Meßeinrichtung führt. Darüber hinaus wird durch eine
Erniedrigung der Gasgeschwindigkeit innerhalb der Schutzschicht die Verweilzeit des Gases an der
Oberfläche des Katalysators erhöht (DE-OS 22 11 858).
Durch die Tatsache, daß der elektrochemische Meßfühler mit seinem Schichtaufbau bei dieser Meßeinrichtung
unmittelbar mit dem Abgas in Berührung kommt, ist er starken mechanischen Einflüssen wie
Temperaturschocks und Partikelbeschuß ausgesetzt, so daß an die Keramik, aus der der Fühler besteht, und an
die darauf aufgebrachten Schichten hohe Anforderungen bezüglich Temperaturwechselbeständigkeit und
Haftfestigkeit gestellt werden, was die Herstellung dieser Meßfühler verhälnismäßig kostspielig macht.
Die DE-AS 23 30 084 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Stickstoffdioxidgehaltes
in einem Gasstrom. Dabei ist der eigentlichen Meßzelle ein Behälter mit einem Katalysator, in
welchem Stickstoffdioxid in Stickstoffmonoxid umgewandelt wird; die eigentliche photometrische Messung
über die Chemoluminessenz bei dem Übergang von NO
in NO2 findet in einer Reaktionskammer statt, in der NO
durch Zusammenbringen mit Ozon in NO2 umgewandelt wird. Dieser Druckschrift ist also lediglich ganz
allgemein zu entnehmen, einer Meßzelle einen katalytischen Konverter vorzuschalten, es ist ihr aber nicht die
Lehre zu entnehmen, daß dieser katalytische Konverter diejenige Aufgabe übernehmen soll, die zuvor das
Meßgerät selber bewerkstelligt hat
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung für die Bestimmung des Sauerstoff gehaltes
in Abgasen anzugeben, bei der der Meßfühler vor Temperatun chocks und vor Partikelbeschuß geschützt
wird, ohne daß die elektrochemischen Eigenschaften wesentlich ungünstiger sind als die von den bisher
bekannten Meßeinrichtungen, so daß eine einfachere und damit preiswertere Herstellung möglich ist
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Meßfühler von einem Rohr umgeben ist,
in dem sich der Katalysator befindet, und daß das Rohr eine Verbindung zur Außenluft oder zum Saugrohr
aufweist. Der Katalysator besteht aus kugeligen, vorzugsweise porösen Trägerkörpern, deren Oberfläche
mit einer Katalysatorschicht überzogen ist. Die Trägerkörper bestehen beispielsweise aus Aluminiumoxid,
während die Katalysatorschicht beispielsweise aus Platin oder aus einer Platinlegierung mit Aluminium,
Kobalt, Nickel, Chrom oder anderen Platinmetallen als Legierungskomponente besteht.
Der Katalysator kann aber auch aus Mineralwolle bestehen, deren Oberfläche mit einer Katalysatorschicht
überzogen ist. Als Mineralwolle kommt insbesondere solche aus Glas oder Asbest in Betracht,
deren Oberfläche mit dem gleichen katalytischen Material überzogen ist, wie es oben für die Trägerkörper
aus Aluminiumoxid genannt ist.
Der Erfindung soll beispielhaft im folgenden anhand der Figur noch näher erläutert werden. Dabei zeigt die
Figur einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung.
Die Meßeinrichtung gemäß der Figur ist im Hauptgasstrom 1 montiert. Der Meßfühler 2 als
Bestandteil der Meßeinrichtung enthält ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr 3, das an seinem
offenen Ende einen Bund 4 trägt. Das Festelektrolytrohr 3 besteht aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid.
Auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolytrohres 3 befindet sich die äußere Elektrode 5 und in dem
Hohlraum des Rohres 3 die innere Elektrode 6, jeweils in Form einer Leiterbahn. Die beiden Elektroden 5 und 6
bestehen aus Platin und werden durch Aufpinseln einer Platinsuspension und anschließendes Einbrennen hergestellt.
Sie reichen jeweils bis in den Bereich des Bundes 4. Das Festelektrolytrohr 3 sitzt mit seinem Bund 4 in einer
entsprechend geformten Fassung 7 aus Stahl, die außen ein Gewinde 8 zum Einschrauben des Meßfühlers trägt.
Zwischen dem Bund 45 des Rohres 3 und der Fassung 7 befindet sich ein elektrisch leitender Schmelzfluß 9.
Dieser Schmelzfluß dient zur mechanischen Verbindung von Festelektrolytrohr 3 und Fassung 7 und gewährleistet
zugleich den elektrischen Kontakt zwischen der äußeren Elektrode 5 und der Fassung 7. Außerdem ist
durch den Schmelzfluß eine Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Fassung sichergestellt
Im oberen Teil des Hohlraumes des Festelektrolytrohres 3 befindet sich ein Kcntaktnippel 10, der mit dem
gleichen elektrisch leitenden Schmelzfluß 9 mechanisch fixiert ist und gleichzeitig den elektrischen Kontakt
zwischen der inneren Elektrode 6 und dem Kontaktnippel 10 herstellt Über dem elektrisch leitenden
Schmelzfluß 9 befinden sich Stahlringe 11 bzw. 12, die als Druckstempel zum Zusammenpressen des elektrisch
leitenden Schmelzflusses dienen. Der Kontaktnippel 10 ist mit einer Bohrung 13 versehen, die einen
ungehinderten Zutritt der als Bezugsgröße dienenden Umgebungsluft in den Hohlraum des Rohres 3 gestattet
Innerhalb des Hauptabgasstromes 1 ist der in diesen ragende Teil des Meßfühlers 2 von einem konischen
Rohr 14 aus Edelstahl umgeben, dessen unterer Abschluß von einem Drahtnetz aus Edelstahl 15 gebildet
wird. In dem konischen Rohr 14 befindet sich ein Schüttkatalysator 16, der aus Aluminiumoxid-Kugeln
von etwa 3 mm Durchmesser besteht, die auf ihrer Oberfläche eine dünne Piatinschicht tragen. Im oberen
Abschlußteil des Rohres 14, der mit dem Abgasrohr in einer Ebene liegt, ist mindestens eine Bohrung 17
angebracht, die entweder mit der Außenluft in Verbindung steht oder eine Verbindung zum Saugrohr
darstellt, so daß auf diese Weise eine Abgasrückführung möglich ist. Durch diese Maßnahme wird es ermöglicht,
daß ein Teil des Abgases durch den Schüttkatalysator hindurch an die Oberfläche des Festelektrolytrohres 3
gelangen kann. Eine Verschlechterung der Ansprechzeit der Meßeinrichtung durch zu starke Verringerung der
Gasgeschwindigkeit und eventuell entstehende Totvolumina wird hierdurch vermieden. Zur Verhinderung
eines unmittelbaren Kontaktes des Schüttkatalysators 16 mit der äußeren Oberfläche des Festelektrolytrohres
3 ist am unteren Teil der Fassung 7 ein Drahtnetz 18 aus Edelstahl angebracht, welches das Festelektrolytrohr 3
umgibt. Das Drahtnetz 18 kann seinerseits mit einer Platinschicht versehen sein, um die katalytische
Wirkung noch zu verstärken bzw. die katalytische Einstellung des Gasgleichgewichtes auch dann noch zu
gewährleisten, wenn der Katalysator 16 nicht mehr voll wirksam ist.
In dem beschriebenen Beispiel trägt die äußere Oberfläche das Festelektrolytrohres 3 lediglich eine
äußere Elektrode 5 in Form einer Leiterbahn. Zur Unterstützung des Katalysators 16 kann man darüberhinaus
zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche des Elektrolytrohres 3 mit einer elektronenleitenden
Schicht versehen, die die Einstellung des Gasgleichgewichtes katalysiert. Eine solche katalysierende Schicht,
die porös sein muß, damit das Abgas an die Elektrolytoberfläche gelangen kann, kann aus Platin
oder aus einer Platinlegierung mit Aluminium, Kobalt, Nickel, Chrom oder anderen Platinmetallen als Legierungskomponente
oder aus oxidischen Systemen wie Kupfer-Chrom-Oxid, das gegebenenfalls mit Bariumoxid
oder Nickeloxid dotiert ist, oder Lanthan-Kobalt-Oxid, das gegebenenfalls mit Strontiumoxid dotiert ist,
bestehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Meßeinrichtung für die Bestimmung Sauerstoffgehaltes in Abgasen, vorwiegend von
Verbrennungsmotoren, mit einem elektrochemisehen
Meßfühler in Form einer Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die Form eines einseitig
geschlossenen Rohres hat, dem in Strömungsrichtung ein Katalysator vorgeschaltet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) von einem Rohr (14) umgeben ist in dem sich der
Katalysator (16) befindet, und daß das Rohr (14) eine Verbindung (17) zur Außenluft oder zum Saugrohr
aufweist
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) zumindest
auf einem Teil seiner äußeren Oberfläche eine elektronenleitende Schicht (S) trägt die die Einstellung
des Gasgleichgewichtes katalysiert
3. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Katalysator
(16) aus kugeligen, vorzugsweise porösen Trägerkörpern besteht, deren Oberfläche mit einer
Katalysatorschicht überzogen ist
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (16) aus
kugeligen Körpern aus Aluminiumoxid mit einer Oberflächenschicht aus Platin oder aus einer
Platinlegierung mit Aluminium, Kobalt Nickel, Chrom oder anderen Platinmetallen als Legierungskomponente besteht
5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Katalysator
(16) aus Mineralwolle besteht, deren Oberfläche mit einer Katalysatorschicht überzogen ist
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (16) aus Glasoder
Asbestwolle besteht, deren Oberfläche mit einer Schicht aus Platin oder einer Platinlegierung
mit Aluminium, Kobalt Nickel, Chrom oder anderen Platinmetallen als Legierungskomponente überzogen
ist.
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| JP50041134A JPS587184B2 (ja) | 1974-04-05 | 1975-04-04 | ハイガスチユウノサンソリヨウオソクテイスル ソクテイソウチ |
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