DE2658273B2

DE2658273B2 - Gasdetektor

Info

Publication number: DE2658273B2
Application number: DE2658273A
Authority: DE
Inventors: Keiji Susono Aoki; Tadashi Hattori; Susumu Sato; Yoshihiro Segawa; Eturo Yasuda
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1979-12-13
Also published as: US4099922A; DE2658273A1; DE2658273C3; JPS5525376B2; JPS5276991A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Gasdetektoren sind aus der US-PS 79 257 bekannt und haben auf vielen industriellen Anwendungsgebieten breite Verwendung gefunden. Um dem Problem der Abgase von Brennkraftmaschinen Rechnung zu tragen, werden in jüngster Zeit als Gegenmaßnahme Gasdetektoren zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches verwendet.

Hierbei kann z. B. ein Katalysator zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine verwendet werden.

Ein solcher Katalysator kann jedoch nicht seinen maximalen Wirkungsgrad erreichen, wenn das Luff/ Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches nicht konstant auf einem geeigneten Wert gehalten wird. Bei einer mit einem üblichen Vergaser oder einer

ίο Brennstoff-Einspritzvorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine unterliegt jedoch das Luft/Brennstoff-Verhältnis unausweichlich selbst dann großen Veränderungen, wenn das Verhältnis des eingespritzten Brennstoffes zur Ansaugluft auf einen konstanten Wert eingestellt ist. Zur Konstanthaltung eines geeigneten Wertes des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ist es daher erforderlich, unter Verwendung des Gasdetektors das Luft/Brennstoff-Verhältnis vor der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches zu erfassen und zur Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältniswertes des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches ein entsprechendes Signal zu dem Vergaser oder der Einspritzvorrichtung zurückzuführen.
Die Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses basiert hierbei auf der Tatsache, daß Konzentrationsänderungen gasförmiger Bestandteile der Abgase in engem Zusammenhang mit einer Ändsrung des Luft/Brennrtoff-Verhältniswertes des Luft/Brennstoff-Gemisches stehen, wobei jedoch zu beachten ist, daß sowohl die Temperatur als auch die jeweiligen Konzentrationen der gasförmigen Abgasbestandteile sich abrupt und beachtlich ändern.

Es ist daher erwünscht, daß der Gasdetektor unabhängig von solchen herausragenden Variablen mit hoher Genauigkeit betrieben werden kann.

Bei bisher bekannten Gasdetektoren werden Oxyde von Übergangsmetallen verwendet, die beispielsweise in einem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angebracht und den Abgase ausgesetzt sind, wobei ihre elektrische Widerstandsänderung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfaßt wird (US-PS 38 93 230). Die von den Übergangsmetall-Oxyden gebildeten elektrischen Widerstände ändern sich jedoch nicht nur in Abhängigkeit von den Konzentrationen der gasförmigen Abgasbestandteile, sondern auch in Abhängigkeit von deren Temperatur. Für eine mit hoher Genauigkeit erfolgende Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses zur Durchführung einer geeigneten Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältniswertes ist

so daher eine Temperaturkompensation erforderlich, d. h., die auf der Temperatur der Abgase beruhende elektrische Widerstandsänderung der Übergangsmetall-Oxyde bedarf einer Kompensation.
Aus der US-PS 36 99 803 ist bereits ein Gasmeßfühler bekannt, bei dem fast ausschließlich der Temperaturkompensation der Meßwerte Beachtung geschenkt wird. Dieser Gasmeßfühler besteht aus einem Keramikhohlzylinder mit innen angeordneter Heizspule, wobei auf der Mantelfläche des Hohlzylinders eine als Gasmeßelement wirkende Halbleiterschicht und eine zu dieser im Abstand angeordnete Haltleiterschicht des gleichen Materials zur Temperaturkompensation aufgebracht sind. Die offenen Seiten des Keramikhohlzylinders sowie die Temperaturkompensationsschicht sind

durch Überschmelzen mit einem Glasmaterial gasdicht abgeschlossen bzw. versiegelt. Die beiden Halbleiterschichten weisen jeweils eine Endelektrode sowie eine gemeinsame Mittelelektrode auf, die mit Widerständen

zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt sind. Bei der mit den festzustellenden Gasen in Berührung kommenden Halbleiterschicht treten somit sowohl in Abhängigkeit von der Temperatur als auch von der Konzentration der zu erfassenden Gase elektrische Widerstandsänderungen auf, während sich der Widerstand der von den Gasen hermetisch abgeschlossenen Halbleiterschicht allein in Abhängigkeit von ihrer Temperatur ändert Die Konzentration der Gase läßt sich dann auf der Basis der Änderung des Widerstar.dsverhältnisse", der beiden Haltleiterschichten ermitteln, wobei gleichzeitig eine Kompensation der Temperatureinflüsse erfolgt Dieser bekannte Meßfühler weist jedoch aufgrund de,^r getrennten Anordnung der Halbleiterschichten und des erforderlichen gasdichten Abschlusses der für die Temperaturkompensation vorgesehenen Halbleiterschicht einmal den Nachteil einer aufwendigen Herstellung sowie einer in bezug auf die Praxis geringen Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie andererseits den Nachteil einer trot/: Temperaturkompensation geringen Ansprechzeit und Meßernpfindlichkeit auf, da kein Katalysator verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen mit einem Katalysator ausgestatteten Gasdetektor für Verbrennungsabgase zu schaffen, mit dem die gasförmigen Bestandteile der Abgase unabhängig von der Abgastemperatur mit hoher Genauigkeit und kurzer Ansprechzeit erfaßbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Mitteln gelöst

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Gasdetektor kann vorzugsweise bei einer Brennkraftmaschine zur Durchführung einer Bestimmung dahingehend verwendet werden, ob das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches größer oder kleiner als der stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältniswert ist, so daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf den stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältniswert eingeregelt werden kann. Bei einfachem Aufbau des Gasdetektors ist hierbei ohne Verzicht auf die durch Verwendung eines Katalysators erzielbare Steigerung der Ansprechempfindlichkeit eine wesentliche Erhöhung der Meßgenauigkeit durch Temperaturkompensation der Meßwerte erreichbar, wobei der erfindungsgemäße Gasdetektor darüberhinaus auch den Anforderungen der Praxis besser gerecht wird, da bei ihm ein gasdichter Abschluß eines Teiles des Meßbereiches bzw. Metalloxydkörpers nicht erforderlich ist, der insbesondere bei hohen Temperaturen, wie sie z. B. bei den Abgasen einer Brennkraftmaschine auftreten, zumindest bei der angestrebten langen Lebensdauer des Gasdetektors sehr schwierig aufrecht zu erhalten ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 stellt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemisches und dem elektrischen Widerstand von Übergangsmetall-Oxyden dar, die dem Abgas ausgesetzt sind;

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform des Gasdetektors, wobei ein unterer Teilbereich eines armierten Kabels abgeschnitten ist;

F i g. 3 ist ein vergrößerter Schnitt eines wesentlichen Teils des Gasdetektors gemäß F i g. 2;

F i g. 4 ist eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig.3;

Fig.5 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht des Gasdetektors im Einbauzustand in einer Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine;

F i g. 6 stellt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemisches und von unterschiedlichen Elektrodenpaaren des Gasdetektors abgegriffenen elektrischen Widerständen dar;

Fig.7 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeisp'els einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung und Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit Hilfe des Gasdetektors;

Fig.8 ist ein Fig. 7 gleichartiges Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der elektrischen Schaltung;

Fig.9A ist eine Fig.3 entsprechende Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform des Gasdetektors;

Fig. 9B ist eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig.9A;

Fig. 10 ist eine Fig.3 entsprechende Schnitiansicht eines wesentlichen Teils eines dritten Ausführungsbeispiels des Gasdetektors;

Fig. 11 bis 13 sind Fig.3 entsprechende Schnittansichten, die wesentliche Teile von Weiterbildungen jeweils des ersten, des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels des Gasdetektors zeigen.

In Fig. 1 ist graphisch der Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemischs und dem elektrischen Widerstand von Übergangsmetall-Oxyden gezeigt, die den Abgasen ausgesetzt sind. Eine Kennlinie B stellt den Zusammenhang dar, der erhalten wird, wenn die Abgastemperatur 350⁰C beträgt, während eine Kennlinie C den Zusammenhang darstellt, der bei einer Abgastemperatur von 850⁰C erhalten wird. Die Kennlinien zeigen deutlich, daß sich der von den Übergangsmetall-Oxyden gebildete elektrische Widerstand in Abhängigkeit nicht nur von den Konzentrationen der gasförmigen Komponenten des Luft/Brennstoff-Gemisches, sondern auch von den Temperaturen des Abgases verändert.

Falls das Luit/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/ Brennstoff-Gemisches unter Verwendung von Übergangsmetall-Oyxden bestimmt wird, wird ein Differenz-Rechenverstärker verwendet, der einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß, an dem über Bezugswiderstände eine Vergleichs- oder Bezugsspannung anliegt, und einen invertierenden Eingangsanschluß aufweist, an dem eine von dem elektrischen Widerstand der Übergangsmetall-Oxyde bestimmte Spannung anliegt. Der Rechenverstärker vergleicht die an seinen beiden Eingangsanschlüssen anliegenden Spanwungen und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Dieses Signal kann zur Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Verbrennungsvorrichtung zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches verwendet werden. Um jedoch unter Verwendung der Übergangsmetall-Oxyde eine geeignete Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen, ist es notwendig, die auf die Temperaturveränderung des Abgases zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung der Übergangsmetall-Oxyde zu kompensieren. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann bei Einstellung der Bezugsspannung zur Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Verhältnis (diese Bezugsspannung ist durch eine strichpunktierte Linie A in F i g. 1 auf den

elektrischen Widerstand umgesetzt) eine solche Regelung vorzugsweise ausgeführt werden, wenn die Abgastemperatur 850° beträgt. Bei einer Abgastemperatur von 350⁰C ist jedoch das bestimmte Luft/Brennstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Verhältnis, was eine genaue Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unmöglich macht.

Die Fig.2 bis 4 zeigen den Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Gasdetektors 10, der ein Gehäuse 11 aus hitzebeständigen und korrosionsfesten Metallwerkstoffen aufweist. Das Gehäuse 11 hat einen Gewindeteil 11a und einen Dichtungsteil 116, mit deren Hilfe es an einem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angebracht wird. Ein scheibenförmiger Metalloxydkörper 12 aus einer gesinterten Masse von Halbleitermetalloxyden hat einen verjüngten oberen Umfangsrand 12a. Der Metalloxydkörper 12 kann aus Übergangsmetall-Oxyden wie Titanoxyd (TiO₂). Nickeloxyd (NiO), Kobaltoxyd (CoO), Manganoxyd (MnO). Zinkoxyd (ZnO), Kupferoxyd (CuO) und Nioboxyd (Nb₂O₅) sowie Zinnoxyd (SnO₂) hergestellt sein. In den Metalloxydkörper sind drei aus hitzebeständigen und korrosionsfesten Metallmaterialien wie Platin (Pt) oder Gold (Au) hergestellte stangenartige Elektroden 13a, 136 und 13c unter Abstand der oberen Teilbereiche eingesetzt und eingebettet. Unterhalb des Metalloxydkörpers 12 ist ein aus elektrisch isolierenden Keramikmaterialien hergestelltes Abstandsteil 14 angeordnet. Das Abstandsteil 14 hat drei im Abstand zueinander angeordnete durchgehende öffnungen 14a, 146 und 14c, in die die unteren Teilbereiche der jeweiligen Elektrode 14a, 146 bzw. 14c eingeführt sind. Mit dem Abstandsteil 14 wird vermieden, daß die drei Elektroden 13a, 136 und 13c kurzgeschlossen werden. Das Abstandsteil und der Metalloxydkörper 12 sind im Gehäuse 11 gefaßt und durch Einbiegen des oberen Randes des Gehäuses 11 in dieser Lage festgehalten. Der Metalloxydkörper 12 trägt an seiner oberen oder äußeren Oberfläche eine Katalysatorschicht 15, die aus Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder Platin zusammengesetzt ist und das Oxydieren der gasförmigen Komponenten des Abgases bewirkt. Die Katalysatorschicht 15 ist auf der Außenseite des Metalloxydkörpers 12 beispielsweise durch Imprägnieren les Metalloxydkörpers 12 in Chloroplatinat (H₂PtCl₄ · 6 H₂O), durch Oxydieren desselben in einem Wasserstoffstrom und Sintern desselben aufgebracht.

Zwei der drei Elektroden, nämlich die Elektroden 13a und 13c liegen mit ihren oberen oder äußeren Stirnflächen an der oberen Fläche des Metalloxydkörpers 12 frei, während die andere Elektrode 136 mit ihrem oberen oder äußeren Stirnende innerhalb des Metalloxydkörpers 12 liegt. Die Katalysatorschicht 15 ist gemäß der Beschreibung auf die obere Fläche des Metalloxydkörpers 12, jedoch nicht auf und um die oberen Stirnflächen der Elektroden 13a und 13c herum aufgebracht. Auf diese Weise ist vermieden, daß die Elektroden 13a und 13c über die Katalysatorschicht 15 kurzgeschlossen werden. Das Gehäuse 11 ist mit einer langgestreckten durchgehenden öffnung lic großen Durchmessers ausgestattet, in die ein armiertes Kabel 16 eingeführt ist, das aus einem Schutzrohr 16c/ aus hitzebeständigen Metallmaterialien, in dieses eingesetzten Leitungsdrähten 16a, 166 und 16c aus Metallmaterialien mit sowohl hoher Hitzebeständigkeit als auch hoher Leitungsfähigkeit und hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Pulvermaterialien besteht, die in das Schutzrohr i6d eingefüllt sind. Die Stimenden der jeweiligen Leitungsdrähte 16a, 166 und 16c sind durcl Schweißen od. dgl. an die unteren Enden der jeweilige Elektroden 13a, 136 und 13c angeschlossen. Ferner is das armierte Kabel 16 an dem unteren Ende de Gehäuses 11 beispielsweise durch Plasma-Schweißer befestigt.

Gemäß Fig.5 ist der Gasdetektor 10 in einen Auspuffrohr 101 einer mit Benzin betriebenen üblicher Brennkraftmaschine 100 derart angebracht, daß de Metalloxydkörper 12 den Abgasen ausgesetzt ist. De Gasdetektor 10 kann jedoch auch in dem Teilbereich eines Auspuffsammlers 102 angebracht werden, an derr eine Mehrzahl von Zweigleitungen zusammengefaßt ist Bekanntermaßen bestehen die Abgase aus gasförmiger Komponenten wie Sauerstoff (O₂), Stickoxyden (NOx) Kohlenmonoxyd (CO), Kohlenwasserstoff (HC) unc Wasserstoff (H₂), wobei die Konzentration einer jeder dieser gasförmigen Komponenten in Abhängigkeit vor dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff Gemisches in dessen unverbranntem Zustand variiert Der Metalloxydkörper 12 wird hauptsächlich von der Konzentrationen oder Partialdrücken des Sauerstoff. (O₂), des Kohlenmonoxyds (CO) und des Kohlenwasser Stoffs (HC) beeinflußt und zeigt veränderbare elektri sehe Widerstandswerte entsprechend der Veränderung des Gesamtabgaszustands die durch die Veränderung der Partialdrücke der einzelnen gasförmigen Kompo nenten hervorgerufen ist. Der Metalloxydkörper Ii wird auch von der Temperatur des Abgases beeinfluß und zeigt entfprecheno. seiner Temperatur verändern ehe elektrische Widerstandswerte. Auf die dem Abga: ausgesetzte Fläche des Metalloxydkörpers 12 ist in de beschriebenen Weise die Katalysatorschicht 15 aufge bracht. Wenn daher die Abgase mit der Katalysator schicht 15 in Berührung kommen, finden untei Einw.rkung der Katalysatorschicht 15 beispielsweise folgende Reaktionen statt:

CO+ V₂ O₂-

In dieser Gleichung sind mit x, y und ζ geeignete Koeffizienten bezeichnet

Wie aus den vorstehenden Reaktionen ersichtlich ist zeigt der Teilbereich des Metalloxydkörpers 12, auf der die Katalysatorschicht 15 aufgebracht ist, eine hohe Empfindlichkeit in bezug auf den Partialdruck vor Sauerstoff, mit dem er in Berührung steht, so daß eine abrupte elektrische Widerstandsänderung auftritt, wenr sich der Partialdruck von Sauerstoff ändert. Dieser Teilbereich des Metalloxydkörpers 12 erfährt elektri sehe Widerstandsänderungen auch in Abhängigkeit vor der Temperatur des Abgases. Andererseits ist dei Teilbereich des Metalloxydkörpers 12, auf den keine Katalysatorschicht 15 aufgebracht ist, keiner wesentli chen katalytischen Wirkung durch die Katalysator schicht 15 unterworfen. Daher zeigt dieser Teilbereicl keine wesentliche Veränderung der elektrischen Wider standswerte, wenn die Abgaskomponenten mit ihm ir Berührung kommen, jedoch eine hauptsächlich von de Temperatur des Abgases abhängende elektrische Widerstandsänderung.

Die elektrische Widerstandsänderung (oder genauei eine von dem elektrischen Widerstand abhängig« Spannung) die sowohl von den Abgaskomponenten ah auch von der Abgastemperatur abhängig ist, wird übei die Elektroden 13a, 13c abgegriffen, während die hauptsächlich von der Abgastemperatur abhängige elektrische Widerstandsänderung über die Elektrode

i3b und eine der Elektroden 13a oder 13c abgegriffen wird. Hierbei ist der Betrag der von der Abgastemperaturänderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung, die über die Elektroden 13a und 13c abgegriffen wird, im wesentlichen gleich dem Betrag der von der Abgastemperaturänderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung, die über die Elektrode 13£> und eine der Elektroden 13a oder 13c abgegriffen wird.

F i g. 6 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff ι ο Gemisches und den elektrischen Widerstandswerten, die über die verschiedenen Elektrodenpaare abgegriffen werden. In Fig.6 zeigt eine Kurve I den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der sowohl von der Abgastemperatur als auch von den Abgaskomponenten abhängigen elektrischen Widerstandsänderung, die über die Elektroden 13a und 13c abgegriffen wird, während eine Kurve II den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der hauptsächlich von der Abgastemperatur abhängigen elektrischen Widerstandsänderung zeigt, die entweder über die Elektroden 13a und 13b oder die Elektroden 13b und 13c abgegriffen wird. Die Kurven 1 und II wurden durch einen Versuch erhalten, bei dem der Metalloxydkörper 12 und die Katalysatorschicht 15 aus Titanoxyd (TiO₂) bzw. Platin (Pt) hergestellt waren. Ferner hatte das Abgas eine Temperatur von 35O⁰C. In der graphischen Darstellung gemäß F i g. 6 ist über der Ordinate der elektrische Widerstand (kO) in logarithmischem Maßstab aufgetragen, während über der Abszisse das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases in linearem Maßstab aufgetragen ist Wie beschrieben ist der Betrag der über die Elektroden 13a und 13c abgegriffenen, von der Abgastemperatur-Änderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung im wesentlichen identisch mit dem Betrag der über die Elektrode 13/> und eine der Elektroden 13a oder 13c abgegriffenen, von der Abgastemperatur-Änderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung. Daher können bei sich ändernden Abgastemperaturen Kennlinien erzielt werden, die den Kurven I und Il nach F i g. 6 gleichartig sind.

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung, in die der Gasdetektor eingegliedert ist. In dieser Schaltung ist der Teilbereich des Metalloxydkörpers 12 ohne die Katalysatorschicht 15 durch einen Detektorwiderstand R3 zwischen den Elektroden 13a und 13c dargestellt, während der Teilbereich des Metalloxydkörpers 12 mit der Katalysatorschicht 15 durch einen weiteren Detektorwiderstand Ra zwischen den Elektroden 13a und i3b dargestellt ist. so Die Detektorwiderstände A3 und Ra sind in Reihe geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt χ an einen invertierenden Eingangsanschluß (—) eines Differenz-Rechenverstärkers C angeschlossen ist Bezugswiderstände R1 und R 2 sind in Reihe geschaltet, wobei eine durch diese Bezugswiderstände eingestellte Bezugsspannung an einem nicht-invertierenden zweiten Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers Canliegt. An dem Verbindungspunkt χ wird die über die Elektroden 13a und 136 abgegriffene, auf die Tempera- &o turänderung des Abgases zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung im wesentlichen durch die an den Elektroden 13a und 13c auftretende, auf die Abgastemperaturänderung zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung ausgeglichen oder aufgehoben. Folglich wird an dem Verbindungspunkt χ eine Spannung ausgebildet, die nur die von den Abgaskomponenten abhängige abrupte elektrische Widerstandsänderung angibt. Das heißt, die an dem Verbindungspunkt χ erhaltene Sp?nnung hängt im wesentlichen von den Konzentrationen der Abgaskomponenten oder dem Luft/Brennstoff-Verhältnis ab.

Der elektrische Widerstandswert des Metalloxydkörpers 12 zeigt eine abrupte Veränderung, wenn sich das tatsächliche oder das erfaßte Luft/Brennstoff-Verhältnis über das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis hinweg ändert. Daher wird zur Einregelung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis die mittels der Bezugswiderstände eingestellte Bezugsspannung zur Darstellung des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß ( + ) des Rechenverstärkers C angelegt (diese Bezugsspanrmng ist in F i g. 6 durch eine strichpunktierte Linie A' als elektrischer Widerstand ausgedrückt). Der Rechenverstärker C vergleicht die an seinen beiden Eingangsanschlüssen anliegenden Spannungen und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal zur Betätigung eines Stellgliedes D ab, das beispielsweise aus einer

Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kompensationseinheit
eines Vergasers besteht. Falls z. B. das ermittelte Luft/Brennstoff-Verhältnis größer als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist und daher die Spannung an dem Schaltungspunkt χ größer als die das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis darstellende Bezugsspannung ist, gibt der Rechenverstärker Czur Betätigung des Stellgliedes D das Ausgangssignal zum Verringern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Verhältnis ab. Ist dagegen das ermittelte Luft/Brennstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Verhältnis und die Spannung an dem Schaltungspunkt χ kleiner als die Bezugsspannung, betätigt das von dem Rechenverstärker C abgegebene Ausgangssignal das Stellglied D zur Vergrößerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Verhältnis. In Fig. 7 bezeichnet V eine elektrische (Spannungs-)Quelle, wie z. B. eine Batterie.

Die an dem die Katalysatorschicht 15 tragenden Teilbereich des Metalloxydkörpers 12 auftretende elektrische Widerstandsänderung und die an dem die Katalysatorschicht 15 nicht tragenden Teilbereich auftretende elektrische Widerstandsänderung können somit gesondert abgegriffen werden. Auf diese Weise kann die auf der Abgastemperaturänderung beruhende elektrische Widerstandsänderung am erstgenannten Teilbereich durch die elektrische Widerstandsänderung am letztgenannten Teilbereich kompensiert werden. Folglich kann die Bestimmung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses, d. h. die Feststellung, ob das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis größer oder kleiner als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, auf konstante Weise ausgeführt werden.

Da ferner die Oxidationsreaktionen der Abgaskomponenten unter der katalytischen Einwirkung der Katalysatorschicht 15 Reaktionswärme erzeugen, tritt an der Oberfläche des Metalloxydkörpers 12 ein Temperaturanstieg auf. Daher zeigt der Metalloxydkörper 12 selbst dann hohe Empfindlichkeit, wenn die Abgastemperatur niedrig ist, wie es z. B. beim Anlassen der Brennkraftmaschine bei niedriger Temperatur der Fall ist

Ersichtlicherweise ist die in Fig.7 gezeigte elektrische Schaltung nur ein Ausführungsbeispiel. So kann beispielsweise auch eine in Fig.8 gezeigte weitere elektrische Schaltung verwendet werden. Bei der Schaltung nach Fig.8 sind der Bezugswiderstand R₂

und der Detektorwiderstand Rj in Reihe geschaltet, während mit dem Bezugswiderstand R\ der Detektorwiderstand Ra in Reihe geschaltet ist. Ferner liegt eine an einem Schaltungspunkt x' zwischen dem Bezugswiderstand /?2 und dem Detektorwiderstand Ri gebildete Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluß ( —) des Rechenverstärkers C an, während eine zwischen dem Bezugswiderstand R\ und dem Detektorwiderstand Ra gebildete Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß ( + ) des Rechenverstärkers C anliegt. Der übrige Aufbau dieser Schaltung entspricht im wesentlichen der Schaltung nach F i g. 7, wobei zur Bezeichnung gleicher oder gleichartiger Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

Die Fig.9A und 9B zeigen einen wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsform des Gasdetektors, die der ersten Ausführungsform ähnlich ist, jedoch eine Katalysatorschicht 25 auf einem Teil der Oberfläche eines Metalloxydkörpers 22 aufweist. Elektroden 23a und 23c sind in den Metalloxydkörper 22 derart eingefügt, daß ihre äußeren Enden an dem Teilbereich des Metalloxydkörpers 22 freiliegen, der die Katalysatorschicht 25 trägt, während eine Elektrode 23f> so eingesetzt ist, daß ihr äußeres Ende an dem Teilbereich des Metalloxydkörpers 22 ohne die Katalysatorschicht 25 freiliegt. Die zweite Ausführungsform weist dadurch den Vorteil auf, daß die teure Katalysatorschicht 25 wirkungsvoll genutzt werden kann. Der Metalloxydkörper 22 besteht wie bei der ersten Ausführungsform aus einer gesinterten Masse von Übergangsmetall-Oxyden.

Fig. 10 zeigt einen wesentlichen Teil einer dritten Ausführungsform des Gasdetektors, bei der ein Metalloxydkörper 32 in Form einer dünnen Schicht aus Halbleiter-Metalloxyden auf eine obere Fläche eines Trägers 37 aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial aufgebracht ist. Der Metalloxydkörper 32 ist hierbei beispielsweise durch Vakuumaufdampfen oder F.lektronenstrahlaufdampfen als dünner Film mit einer Stärke von ungefähr 10 nm bis 10 μπι aufgebracht. Auf die

ίο Oberfläche des Metalloxydkörpers 32 ist eine Katalysatorschicht 35 beispielsweise durch Vakuumaufdampfen aufgebracht. In Fig. 10 sind mit 33a, 33ύ und 33c Elektroden bezeichnet.
Die F i g. 11 bis 13 zeigen die wesentlichen Teile von Weiterbildungen der ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform. Bei diesen Modifikationen sind die Oberflächen sowohl von Metalloxydkörpern 42,52 und 62 als auch von auf diese aufgebrachten Katalysatorschichten 45, 55 und 65 mit gasdurchlässigen und elektrisch isolierenden porösen Keramikfilmen 48, 58 bzw. 68 bedeckt. Die Keramikfilme 48, 58 und 68 bestehen beispielsweise aus Gamma-Aluminiumoxyd und bewirken, daß in den Abgasen enthaltene Verunreinigungen wie Phosphor und Blei sich nicht auf den Oberflächen der Metalloxydkörper 42, 52 bzw. 62 niederschlagen können. In diesen Figuren sind mit 43a, 43f> und 43c, mit 53a, 53f>, und 53csowie mit 63a, 636 und 63c jeweils drei Elektroden bezeichnet. Ferner ist in Fig. 13 mit der Bezugszahl 67 ein Träger bezeichnet, der dem Träger 37 in F i g. 10 entspricht.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasdetektor zur Überwachung des Abgases von Verbrennungsvorgängen mit

a) einem dem Abgas ausgesetzten haibleitenden Metalloxydkörper,

b) einer die Oxydation von einzelnen Komponenten des Abgases bei Anwesenheit von Sauerstoff fördernden Katalysatorschicht, die in einem vom Abgas beaufschlagten Oberflächenbereich des Metalloxydkörpers angebracht ist, und

c) zwei Elektroden, die innerhalb des Oberflächenbereichs im Abstand zueinander und gegen die Katalysatorschicht isoliert derart angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen ein Gebiet des Metalloxydkörpers von sowohl temperatur- als auch gaskonzentrationsabhängigem Widerstand erstreckt, gekennzeichnet durch

d) eine weitere Elektrode (136; 23b; 33b; 436; 536; 63b), die derart im Abstand zur Katalysatorschicht (15; 25; 35; 45; 55; 65) in dem Metalloxydkörper (12; 22, 32, 42; 52; 62) angeordnet ist, daß sich zwischen ihr sowie einer der beiden anderen Elektroden (13a, 13c; 23a, 23c, 33a, 33c; 43a, 43c; 53a, 53c; 63a, 63c; ein Gebiet mit im wesentlichen nur temperaturabhängigem Widerstand erstreckt:

2. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (15; 35; 45; 65) mit Ausnahme der von den beiden Elektroden (13a, 13c; 33a, 33c; 43a, 43c; 63a, 63cj eingenommenen Bereiche die gesamte vom Abgas beaufschlagte Oberfläche des Metalloxydkörpers (12; 32; 42; 62) bedeckt, und daß die weitere Elektrode (136; 336; 43b; 63b) innerhalb des Metalloxydkörpers(12;32,42;62) im Abstand zu der die Katalysatorschicht (15; 35; 45; 65) tragenden Oberfläche oder an einer von ietzterer Oberfläche abgewandten und dem Abgas nicht ausgesetzten Begrenzungsfläche des Metalloxydkörpers angeordnet ist.

3. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Katalysatorschicht (25; 55) tragende Oberflächenbereich des Metalloxydkörpers (22; 52) nur einen Teil der gesamten, dem Abgas ausgesetzten Oberfläche umfaßt, und daß die weitere Elektrode (23b; 53b) in dem nicht von der Katalysatorschicht bedeckten, aber dem Abgas ausgesetzten Teil der Oberfläche angeordnet ist.

4. Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht (45; 55; 65) mit einem elektrisch isolierenden porösen Keramikfilm (48; 58; 68) abgedeckt ist.