DE2547683A1 - Abfuehler fuer das luft-brennstoffverhaeltnis von brennkraftmaschinen - Google Patents
Abfuehler fuer das luft-brennstoffverhaeltnis von brennkraftmaschinenInfo
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Description
19
TeU '■ 04 42 65 W/Vh-3129
23.lo.75
General Motors Corporation, D e t r ο it , Mich., V.St.A.
Abfühler für das Luft-Brennstoffverhältnis
von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Abfühler für das Luft-Brennstoffverhältnis von Brennkraftmaschinen mit
einem festen Elektrolyt in Form eines Körpers aus stabilisiertem Zirkondioxid. Derartige Abfühler arbeiten nach dem Prinzip,
die Sauerstoffkonzentration in einem Gas mittels einer elektrochemischen
Zelle zu messen.
Bei einem bekannten Abfühler für das Luft-Brennstoff
verhältnis wird eine Zirkonoxidzelle zur Messung der Sauerstoffkonzentration benutzt, wobei Aussenluft als Bezugsgas verwendet
wird, die eine katalytische Bezugselektrode umspült, während eine katalytische Elektrode von den Abgasen der Brennkraftmaschine
umspült wird. Der Ausgang E in Volt des Abfühlers
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entsteht durch Bewegung von Sauerstoffionen zwischen den beiden
katalytischen Elektroden nach der Nernst-Gleichung
E=- RT In Ρ-,/Ρο , in der
R die Gaskonstante in Joules/frfol ,
T die absolute Temperatur,
F die Faraday-Konstante in Coulombs, P-, den Partialdruck des Sauerstoffs in dem Bezugsgas, das die
katalytische Bezugselektrode umspült, Pp dem Partialdruck des Sauerstoffs in den Abgasen, die die
abfühlende katalytische Elektrode umspült^/
darstellen.
Bei armen Gemischen ist der Partialdruck des Sauerstoffs und damit die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen
wesentlich erhöht und kann nahezu den Partialdruck der Luft erreichen, in welchem Falle das Verhältnis der Partialdrücke
zwischen dem Bezugsgas und den Abgasen annähernd eins wird, so dass die Ausgangsspannung des Abfühlers auf nahezu Null fällt.
Bei reichem Gemisch fühlt die den Abgasen ausgesetzte Elektrode einen niedrigen Partialdruck des Sauerstoffs ab, so dass das
Verhältnis der Partialdrücke grosser als eins wird, woraus sich
eine bemerkenswerte Erhöhung der Ausgangsspannung des Abfühlers ergibt.
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Die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen ist eine direkte Funktion des Luft-BrennstoffVerhältnisses des im
Ansaugkasten einer Brennkraftmaschine einströmenden Gemischs. Mit Zirkonoxid arbeitende Abfühler haben die bemerkenswerte
Eigenschaft, dass sie einen kräftigen Wechsel der Ausgangsspannung im Bereich des stöchiometrischen Luft-BrennstoffVerhältnisses
aufweisen. Es ist allgemein anerkannt, dass ein besseres Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bei Betrieb
mit stöchiometrischem Luft-Brennstoffverhältnis erreichbar ist. Es kann daher der Ausgang des Abfühlers zur Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses
beispielsweise am Vergaser der Brennkraftmaschine benutzt werden, wodurch für das Gemisch ein
stöchiometrisches Verhältnis aufrechterhalten wird.
Die zuvor erwähnten bekannten Arten von Abfühlern haben sich sehr zufriedenstellend erwiesen; sie benötigen jedoch
zwei katalytische Elektroden, für die Platin erforderlich ist, und Platin ist ein sehr teurer Werkstoff. Weiterhin benötigen
alle bisher bekannten Abfühler für das Luft-Brennstoffverhältnis eine besondere Bezugsatmosphäre, beispielsweise die Aussenluft,
zum Bespülen der einen katalytischen Elektrode. Die Bezugselektrode
muss gasdicht von den Abgasen abgedichtet sein und umgekehrt. Dies führt zu einer reichlich verwickelten Ausbildung
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des Gehäuses für den Abfühler, wodurch zusätzliche Kosten
entstehen und im übrigen die Zuverlässigkeit im Betrieb gefährdet sein kann. Weiterhin kann das Zirkonoxidelement brechen,
wenn besonders ungünstige Beanspruchungen auftreten und dann ein Vermischen der Abgase mit dem Bezugsgas gestatten, wodurch
der Ausgang des Abfühlers verfälscht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese
Nachteile zu vermeiden und einen Abfühler der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, dass ein Bezugsgas entbehrlich wird,
eine Abdichtung der Elektroden nicht erforderlich ist und Leckagen durch Risse in dem Zirkonoxid-Körper die Betriebsfähigkeit
nicht gefarden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Körper des festen Elektrolyts zwei Gribssflachen aufweist,
deren eine eine katalytische gasdurchlässige Elektrode und deren andere eine nichtkatalytische gasdurchlässige Elektrode
trägt, dass der Körper durch eine Halterung in einem Abgasrohr so gehalten ist, dass beide Elektroden vom Abgasstrom bespült
werden und zwischen ihnen eine Ausgangsspannung entsteht,
die über mit den Elektroden verbundene Leiter einem Steuergerät zur Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses der Brennkraftmaschine
zugeleitet wird.
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Durch die erfindungsgemässe Ausbildung ist eine
"besondere Bezugsatmosphäre nicht mehr erforderlich, ausserdem ist nur eine Elektrode als katalytische Elektrode auszubilden.
Es ergibt sich hierdurch eine widerstandsfähigere und billigere Ausführung des Luft-Brennstoffabfühlers.
Weitere vwrteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Brennkraftmaschine mit Abgasanlage und einem Abfühler
für das Luft-Brennstoffverhältnis,
Fig. 2 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht eines bekannten Abfühlers für das Luft-Brennstoff
verhältnis, der in ein Abgasrohr eingesetzt ist,
Fig. 3 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht
Fig. 3 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht
einer ersten Ausführungsform eines Abfühlers
für das Luft-Brennstoffverhältnis nach der Erfindung,
Fig. 4 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht
Fig. 4 eine zum Teil geschnittene Seitenansicht
einer weiteren Ausführungsform eines Abfühlers
nach der Erfindung,
-6-
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Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4 in grösserem Maßstabe,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 4 in grösserem Maßstäbe,
Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 und Fig. 8 ein Schaubild, in dem die Ausgangsspannung
des Abfühlers in Milli-Volt über dem Luft-Brennstoffverhältnis
einer Brennkraftmaschine aufgetragen ist.
In Fig. 2 ist ein Abfühler für das Luft-Brennstoffverhältnis
bisher bekannter Bauart dargestellt. Dieser enthält ein Gehäuse 10, das über ein Gewinde 12 in ein Abgasrohr 14 der
Brennkraftmaschine eingeschraubt ist. In dem Gehäuse 10 ist eine Schulter 16 gebildet, von der ein länglicher napfförmiger
stabilisierter Körper 18 aus Zirkondioxid abgestützt ist. Dieser Körper ist dünnwandig und hat einen verstärkten Rand, der abgedichtet
gegen die Schulter 16 anliegt. Ein Rohr 20 mit einer Lüfteinlassoffnung 22 hält den Körper 18 gegen die Schulter 16
in Anlage. Der Körper 18 weist eine innere katalytische Elektrode 24 und eine äussere katalytische Elektrode 26 auf, wobei die
elektrische Verbindung der inneren Elektrode 24 über eine metallische Dichtung 28 und das Rohr 20 und die der ausseren
Elektrode 26 über eine metallische Dichtung 30 und das Gehäuse
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zum Abgasrohr 14 vorgenommen isto
Ein derartiger Abfühler kann ebenso wie ein Abfühler nach der Erfindung in eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine
gemäss Fig. 1 eingegliedert werden. Die Brennkraftmaschine 32 hat eine BrennstoffzuteiJ-Einrichtung, beispielsweise einen
Vergaser 34. Ein Auslaßsammeikasten 36 der Brennkraftmaschine 32 ist über ein Abgasrohr 38 mit einem katalytischen Konverter
40 verbunden. Ein Abfühler 42 für das Luft-Brennstoffverhältnis ist in das Abgasrohr 38 stromaufwärts des katalytischen Konverters
40 eingeschraubt und elektrisch mit einem Steuergerät 44 verbunden, das das Luft-Brennstoffverhältnis steuert und auf
den Vergaser 34 einwirkt. Das Steuergeät 44 enthält elektronische
Einrichtungen, die den Ausgang des Abfühlers 42 erhalten und Einrichtungen zur Einstellung des Vergasers 34 in Abhängigkeit
vom Ausgang des Abfühlers 42. Der Ausgang des Abfühlers kann zum Vergaser 34 rückgekoppelt werden, so dass selbsttätig
ein eingestelltes Luft-Brennstoffverhältnis, beispielsweise ein stöchiometrisches Verhältnis, eingeregelt wird.
Bei der Ausführungsform eines Abfühlers nach der Erfindung gemäss Fig. 3 ist ein rohrförmiger stirnseitig offener
Körper 46 aus stabilisiertem Zirkondioxid vorgesehen und dient als Elektrolyt. Der Körper 46 kann durch Werkstoffe wie beispielsweise
Kalziumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO), Scandium-
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oxid (Sc9O,) oder Yttriumoxid (Y9O,) stabilisiert sein. Eine
gasdurchlässige katalytische Elektrode 48, beispielsweise aus
Platin, bedeckt die innere Fläche im unteren Teil des Körpers Unter einer katalytischen Elektrode wird ein elektrisch leitender
Überzug des Körpers 46 verstanden, der eine chemische Oxidation von restlichen Brennstoffteilen wie Kohlenmonoxid oder
Kohlenwasserstoffe in den Abgasen bewirkt. Obwohl Platin für diese Elektrode vorzuziehen ist, können auch andere Werkstoffe
verwendet werden, die Eisenoxide und Gold enthalten.
Die äussere Fläche des unteren Teils des Körpers 46 ist mit einer gasdurchlässigen nichtkatalytischen Elektrode
50 bekleidet, die beispielsweise aus Silber besteht. Die beiden Elektroden 48 und 50 liegen sich unmittelbar gegenüber. Unter
einer nichtkatalytischen Elektrode wird eine Elektrode verstanden, die einen elektrisch leitenden Überzug auf dem Körper
46 bildet, aber keine chemische Oxidation von restlichen Brennstoffen wie Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffen in den Abgasen
mit restlichem Sauerstoff Irawirkt. Dies ermöglicht die Bildung von Sauerstoffionen an der Zwischenfläche zwischen der Elektrode
und dem Elektrolyt, die der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration in den Abgasen entspricht. Obwohl Silber für die nichtkatalytische
Elektrode zu bevorzugen ist, können auch andere Werkstoffe
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wie Mangan, Nickel, Kobalt und deren Oxide verwendet werden.
Der obere Teil des Körpers 46 ist mit einer
Halterung 52 verbunden, die mit der Wand eines Abgasrohres 54 verbunden ist. Der Körper 46 erstreckt sich einwärts in das
Abgasrohr und steht senkrecht zum Strom der Abgase, der durch die Pfeile angedeutet ist. Der rohrförmige Körper 46 enthält
eine Öffnung 56, die dem Abgasstrom zugewandt ist und oberhalb der Elektroden 48 und 50 liegt, so dass die Abgase in das
Innere des Körpers 46 treten können und diesen durch die offene untere Stirnfläche (Fig. 3) wieder verlassen. Auf diese Weise
wird die Geschwindigkeit der Abgase beim Umspülen der katalytischen
Elektrode 48 verringert, die dadurch auch gegen das unmittelbare Auftreffen der einen Abrieb bewirkenden Abgase
entzogen ist. Bei dieser Ausführungsform ist die nichtkatalytische Elektrode 50 nicht gegen den direkten Aufprall der
Abgase geschützt, sie ist aber gegen Korrosion und Abrieb widerstandsfähiger als die kataly±±sche Elektrode 48, so dass
ein derartiger Schutz auch nicht unbedingt erforderlich ist.
Die katalytische Elektrode 48 und die nicht-
katalytische Elektrode 50 werden beide von den Abgasen umspült, also anders als bei der bekannten Bauart nach Fig. 2, bei der
nur die Elektrode 26 von den Abgasen bespült wird, während die andere Elektrode durch ein Vergleichsgas, beispielsweise Luft,
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609822/0
bespült werden muss. Bei der bekannten Bauart müssen auch beide Elektroden aus katalytischem Werkstoff, beispielsweise Platin,
bestehen.
In den Fig. 4 bis 7 ist eine weitere Ausf ührungsform
eines Abfühlers nach der Erfindung dargestellt. Als Elektrolyt wird eine im wesentlichen rechteckige Platte 58 aus stabilisiertem
Zirkondioxid verwendet, die zwei zueinander parallele Grossflächen 60 und 62 und diese verbindende Schmalflächen
und 66 aufweist. Eine nichtkatalytische Elektrode in Form eines Überzuges 68 bedeckt die Grossfläche 60, hat jedoch Abstand
von den Schmalflächen 64 und 66. Der Überzug erstreckt sich in der Senkrechten über die gesamte Länge der Platte 58
(Fig. 4 und 6). Eine katalytische Elektrode 70 in. Form eines Überzuges bedeckt die Grossfläche 62 und erstreckt sich auch
über die beiden Schmalflächen 64 und 66. Die katalytische Elektrode 70 hat von dem oberen Rand der Platte 58 Abstand
(Fig. 6 und 7).
Die Platte 58 sitzt mit Preßsitz längs der Achse eines Metallrohres 72, das am unteren Ende offen ist, während
sein oberes Ende mit dem unteren Teil eines als Halterung dienenden Kopfes 74 verschweisst ist. Der Kopf 74 besteht beispielsweise
aus Stahl und hat ein Gewinde 76, das in ein Gewinde
Abgas-78 in einer Warze eines JöaEgiOEiPErohres 80 eins ehr aabbar ist.
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Eine elektrische Verbindung, die als Masseanschluss verwendet werden kann, besteht zwischen der katalytischen Elektrode 70
und dem Ausgangsrohr 80. Ein Stopfen 82 aus elektrisch isolierendem Werkstoff, beispielsweise aus Keramik, füllt den oberen
Teil des hohl ausgebildeten Kopfes 74 aus. Koaxial durch den Stopfen 82 erstreckt sich ein Stab 84 als elektrischer Leiter,
dessen unteres Ende 86 S-förmig abgebogen ist und mittels eines Nietes 88 mit der Platte 58 verbunden ist und damit eine
elektrische Verbindung zwischen der nichtkatalytisehen Elek-•fcfeode
68 und dem Stab 84 herstellt. Ein Einsatz 90 aus Asbest
oder Talium dient der gasdichten Abdichtung zwischen dem Stopfen 82 und dem Stab 84. Eine Lippe 92 des Kopfes 74 wird
über den Stopfen 82 gebördelt, so dass dieser gegen eine Schulter 94 anliegend die Gasdichtung bewirkt (Fig. 4). Obwohl
bei dieser Ausführungsform beide Elektroden 68 und 70 vom direkten Aufprall der Abgase durch das Rohr 72 geschützt sind,
befinden sich beide Efeitroden innerhalb der Abgase, da das R-ohr 72 unten offen ist.
Fig. 8 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung eines Abfühlers nach der Erfindung in Milli-Volt über dem Luft-Brennstoff
verhältnis einer Brennkraftmaschine. Es wird angenommen, dass die nichtkatalytische Elektrode Sauerstoffmolekülen den
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609822/025S
Durchtritt zu der Berührungsfläche zwischen der nichtkatalytischen
Elektrode und dem Elektrolyt gestattet, ohne dass dabei eine chemische Oxidation der restlichen Brennstoffe in den
Abgasen eintritt. Die Sauerstoffkonzentratbn an dieser Fläche entspricht damit im wesentlichen der Sauerstoffkonzentration
in den Abgasen. Andererseits bewirkt die katalytische Elektrode eine chemische Oxidation der oxidierbaren Bestanteile oder
restlichen "Brennstoffs, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Wasserstoff, die in den Abgasen enthalten sein können. Durch
eine solche Reaktion sinkt die Konzentration des Sauerstoffs in den Abgasen, wenn diese die Verbindungsfläche zwischen dem
Elektrolyt und der katalytischen Elektrode erreichen.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass diese Erfindung von der Erkenntnis ausgeht, dass noch eine beachtliche
Konzentration von reaktionsfähigen Restbeständen und Sauerstoff in den Abgasen enthalten ist, gleichgültig, mit
welchem Luft-Brennstoffverhältnis gefahren wird. Dieser nicht
verbrauchte Sauerstoff wird als Bezugsgas für die nichtkatalytische Elektrode gemäss der Erfindung verwendet.
Bei magerem Gemisch liegt ein verhältnismässig hoher Anteil von Sauerstoff vor und die Anteile von restlichen
Brennstoffen in den Abgasen sind gering. Es wird daher eine verhältnismässig grosse Anzahl von Sauerstoffionen an der Fläche
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zwischen der nichtkatalytischen Elektrode und dem Elektrolyt
gebildet. Da nur geringe Brennstoffreste in den Abgasen enthalten
sind, die durch die katalytische Elektrode chemisch oxidiert werden könnten und damit die Sauerstoffkonzentration
an der Fläche zwischen der katalytischen Elektrode und dem Elektrolyt vermindern könnten, wird auch dort eine nahe gleiche
Menge von Sauerstoffionen unter Gleichgewichtsbedingungen
auftreten. Es tritt demzufolge ein vernachlässigbarer Ionenaustausch zwischen den beiden Elektroden auf, wodurch sich eine
geringe Ausgangsspannung ergibt.
Bei reichem Gemisch hingegen besteht eine geringere Sauerstoffkonzentration und eine grössere Konzentration von
restlichem Brennstoff, der in den Abgasen oxidiert werden kann. Es wird daher eine geringere Menge von Sauerstoffionen an der
Fläche zwischen der nichtkatalytischen Elektrode und dem Elektrolyt gebildet als bei Vorliegen eines mageren Gemischs.
Dagegen wird ein noch kleinerer Anteil von Sauerstoffionen
an der Fläche zwischen der katalytischen Elektrode und dem Elektrolyt gebildet, und zwar deshalb, weil unter Gleichgewichtsbedingungen
die katalytische Elektrode eine chemische Oxidation des restlichen Brannstoffs in den Abgasen bei reichem Gemisch
bewirkt. Es wird daher nahezu der gesamte Sauerstoff an der katalytischen Elektrode mit dem restlichen Brennstoff
-14-
609822/0258
in Reaktion kommen, so dass die an sich schon geringe Sauerstoffkonzentration
in diesem Bereich vollständig verschwendet. Dies "bedeutet einen beachtlichen Unterschied der Sauerstoffkonzentration,
der von den beiden Elektroden abgefühlt wird. Es werden also Sauerstoffionen von der nichtkatalytischen Elektrode zur
katalytischen Elektrode wandern, wodurch sich eine entsprechende Ausgangsspannung einstellt. Wie Fig. 8 erkennen lässt, ist
ein plötzlicher Wechsel der Ausgangsspannung beim stöchiometrischen
Luft-Brennstoffverhältnis (l4,7) festzustellen. Der Sprung
beträgt bei dem Abfühler gemäss der Erfindung etwa 500 Milli-Volt,
Eine derartige Spannung kann als Ausgangssignal einem Steuergerät
für die Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses zugeleitet werden, das seinerseits den Vergaser beeinflusst, so
dass die Brennkraftmaschine auf ein stöchiometrisches Luft-Brennstoff
verhältnis eingeregelt werden kann, wodurch ihr Wirkungsgrad verbessert wird.
60982 2/0258
Claims (4)
- -15-PatentansprücheΓι.).K -./Abfühler für das Luft-Brennstoff verhältnis von Brennkraftmaschinen mit einem festen Elektrolyt in Form eines Körpers aus stabilisiertem Zirkondioxid, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (46;58) des festen Elektrolyts zwei Grossflächen aufweist, deren eine eine katalytische gasdurchlässige Elektrode (48,70) und deren andere eine nichtkatalytische gasdurchlässige Elektrode (50,68) trägt, dass der Körper durch eine Halterung (52,74) in einem Abgasrohr (74,80) so gehalten ist, dass beide Elektroden vom Abgasstrom bespült werden und zwischen ihnen eine Ausgangxspannung entsteht, die über mit den Elektroden verbundene Leiter einem Steuergerät (42) zur Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses der Brennkraftmaschine (32) zugeleitet wird.
- 2. Abfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Abgasstromes im Bereich der katalytischen Elektrode (48,70) verzögert wird, um eine aus gleichende chemische Oxidation der in den Abgasen noch befindlichen brennbaren Bestandteile zu unterstützen.-16-609822/0258
- 3. Abfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Elektrode (48,70) aus Platin und die nichtkatalytische Elektrode (50,68) aus Silber bestehen.
- 4. Abfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus festem Elektrolyt eine im wesentlichen rechteckige Platte (58) ist, die eine sich auf der einen Grossfläche befindliche Elektrode (70) sich über die Schmalflächen (64,66) der Platte erstreckend-, und die andere, auf der anderen Grossfläche befindliche Elektrode (68) von den Schmalflächen Abstand hat, dass die Platte mit Preßsitz in einem stirnseitig offenen Metallrohr (72) unter elektrischer Verbindung zwischen deren Innenwand und der einen Elektrode eingesetzt ist, während das eine Ende des Rohres elektrisch leitend mit einem Kopf (74) verbunden ist, der über ein Aussengewinde (76) mit seiner Achse senkrecht zum Abgasstrom in die Wand des Abgasrohres (80) einschraubbar ist.60 9 8 22/0258Leerseite
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