DE2701083C2

DE2701083C2 - Sensor für den Teildruck des Sauerstoffanteils der Auspuffgase eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE2701083C2
Application number: DE2701083A
Authority: DE
Inventors: Eleftherios M. Birmingham Mich. Logothetis; Kwansuh Ann Arbor Mich. Park
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE2701083A1; JPS5718578B2; GB1543638A; JPS5286396A; US4012709A; CA1089640A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für den Teildruck des Sauefstoffanteils der Auspuffgase eines Kraftfahrzeuges, der ein aus den Monoxiden eines 3dⁿ-Übergangselements und eines Erdalkalielements bestehendes Sensormaterial aufweist

Bei einem aus der DE-OS 19 54 662 bekannten Sensor dieser Art besteht das Sensormaterial bevorzugt aus Strontiumeisenoxid SrFeO₃ - *, um damit in der Anwendungsmöglichkeit auch auf die Auspuffgase eines Kraft fahrzeuges für die Messung des Teildruckes von deren Sauerstoffanteil aufgrund einer günstigen Druck-/Widerstandswertabhängigkeit dieser speziellen Oxidverbindung verschiedener Wertigkeit relativ kurze Ansprechzeiten auf Änderungen des Sauerstoffteildruckes zu erhalten. Die kurzen Ansprechzeiten sind dabei so erklärt, daß das Strontiumeisenoxid einen weiten Sauerstoff-Stöchiometriebereich aufweist und daher eine große Anzahl von Sauerstoff-Leerstellen aufweist, die einen verhältnismäßig freien Diffusionspfad für die Sauerstoffionen bilden. Als Folge einer entsprechend schnellen Diffusion der Sauerstoffionen würde sich daher auch eine rasche Änderung des elektrischen Widerstandswertes des Sensormaterials in Abhängigkeit von einer Änderung des Sauerstoffanteils der Gase ergeben. Bei dem bekannten Sensor ist deshalb noch ein externer elektrischer Meßkreis verwirklicht, mit dem dieser sich auch in Abhängigkeit von der Temperatur der Gase ändernde elektrische Widerstandswert des dabei als ein dünner Mischoxidfilm auf einen inerten keramischen Grundkörper mit hohem Widerstandswert aufgebrachten Strontiumeisenoxids als eine direkte Meßgröße für den Sauerstoffanteil der Gase gemessen werden kann. Neben dem Strontiumeisenoxid sind für den bekannten Sensor noch Barium und Calcium sowie Mangan, Kobalt und Nickel als für das Sensormaterial ersatzweise verwendbare Erdalkali- und Übergangselemente genannt. Auch ist darauf hingewiesen, daß die Oxidverbindung verschiedener Wertigkeit des Sensormaterials zweckmäßig noch ein weiteres stabilisierendes Oxidelement, nämlich bevorzugt ein Selten-Erdoxid, enthalten sollte, um dadurch mit einer bevorzugten Unterstützung durch eine externe Heizeinrichtung eine optimale Diffusion der Sauerstoffionen durch das Sensormaterial zu erhalten.

Aus der DE-OS 25 17 798 ist bekannt, daß solche Sensoren auch zur Steuerung eines mageren Verbrennungsgemisches für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen benutzt werden kann. Dabei wird der mittels des externen elektrischen Meßkreises für den Sauerstoffanteil des Auspuffgase ermittelte Meßwert des elektrischen Widerstandes des Sensormaterials für eine Veränderung entweder des Luft- oder des Brennstoffanteils des der Brennkraftmaschine zugeleiteten Verbrennungsgemisches ausgewertet Damit über eine solche Veränderungsmöglichkeit ein mageres Verbrennungsgemisch in der zur Kleinhaltung der in den Auspuffgasen enthaltenen Schadstoffanteile bevorzugten Größenordnung zwischen etwa 15 :1 und 22 :1 optima! gesteuert werden kann, besteht bei diesem noch bekannten Sensor das Sensormaterial aus einem Halbleiter auf der Basis von keramischem Kobaltmonoxid mit der beschränkten Maßgabe, daß durch eine auch dabei vorgesehene externe Heizeinrichtung das Sensormaterial auf einer Arbeitstemperatur von mehr als etwa 900⁰C gehalten werden muß, um so einen für die Erzielung präziser Meßergebnisse unerwünschten Phasenwechsel des Kobaltmonoxids zu dem Oxid CO3O4 zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für den Teildruck des Sauerstoffanteils der Auspuffgase eines Kraftfahrzeuges der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sich relativ unabhängig von der Beibehaltung einer bestimmten Arbeitstemperatur für das Sensormaterial zur Steuerung sowohl eines mageren Verbrennungsgemisches der vorerwähnten Größenordnung zwischen etwa 15:1 und 22 :1 als auch eines fetteren Verbrennungsgemisches der Größenordnung bis etwa 11 : 1 mit der gemeinsamen Zielsetzung einer Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen eignet
Das zur Lösung dieser Aufgabe nach dem Kennzeichen des Patentanspruches erfindungsgemäß vorgesehene Sensormaterial ergibt die Bereitstellung eines Sensors hoher Materialfestigkeit der sich für eine einfache Massenherstellung eignet und eine problemlose Anordnung auch in dem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges erlaubt Das gekennzeichnete Oxidgemisch ergibt bezüglich der Monoxide des Kobalts und des Magnesiums selbst bei einem Zugeständnis an ein größeres unterschiedliches Mischungsverhältnis innerhalb der angegebenen Grenzen einen im wesentlichen konstanten Gitterabstand, womit ohne sonstige besondere Vorkehrungen, so insbesondere ohne das Erfordernis für eine präzise Regelung der Arbeitstemperatur des Sensors, eine optimale Diffusion der Sauerstoffionen durch das Sensormaterial und damit eine schnelle und präzise Ermittlung der Meßwerte für den Sauerstoffanteil der Auspuffgase gewährleistet ist. Diese mithin unter den normalen Temperaturen der Auspuffgase eines Kraftfahrzeuges ermittelbaren Meßwerte sind dabei auch gleichzeitig unabhängiger von der Steuerung eines bestimmten Verbrennungsgemisches, so daß mit diesem Sensor über eine entsprechende Veränderung entweder des Luft- oder des Brennstoffanteils sowohl ein mageres als auch ein fetteres Verbrennungsgemisch jeweils mit der Zielsetzung einer Kleinhaltung des Schadstoffanteils in den Auspuffgasen optimaler gesteuert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Sensors ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch die Spitze des Sensors,

Fig.2 eine Stirnansicht der Sensorspitze gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht nach der Linie IN-IU in Fig. 1,

Fig.4 ein Schaubild zur Veranschaulichung des von der Temperatur über dem Sauerstoffteildruck abhängigen Phasenwechsels des Sensormaterials und

F i g. 5 ein Schaubild zur Veranschaulichung des von

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dem elektrischen Widerstand über dem Sauerstoffteildruck abhängigen Verhaltens verschiedener Sensormalerialien.

Der in den Fig. 1 bis 3 nur mit seiner Spitze gezeigte Sensor ist ein Bauteil einer Vorrichtung zur Steuerung des der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zugeleiteten Verbrennungsgemisches beispielsweise gemäß der aus der DE-OS 25 17 798 bekannten Ausbildung. Um mit der Zielsetzung einer Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen über eine entsprechende Veränderung entweder des Luft- oder des Brennstoff&nteils mit einer solchen Vorrichtung die Einhaltung eines bestimmten Verbrennungsgemisches optimal steuern zu können, wird dafür diese in der Gesamtheit mit 1 bezeichneten Sensorspitze im Auspuffrohr des Kraftfahrzeuges derart angeordnet, daß an ihr die Auspuffgase für eine Messung ihres Sauerstoffteildrukkes vorbeistreichen können.

Die Sensorspitze 1 besteht aus einem keramischen Grundkörper 2, der eine Anordnung innerhalb eines nicht näher gezeigten Schutzgehäuses erfährt, das zur Befestigung des Sensors am Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist Der keramische Grundkörper 2 ist mit zwei achsparallelen Bohrungen 3,4 versehen, die in einer siin;säitig ausgebildeten axialen Sacklochbohrung 5 enden. In die Sackiochbohrung 5 ist über Nuten 6 ein Keramikplättchen 7 so weit eingesteckt, daß die Auspuffgase über einen stirnseitigen Freiraum 5' in die Sacklochbohrung 5 zum praktisch drucklosen Umspülen dieses Keramikplättchens 7 einströmen können. An das Keramikplättchen 7 sind zwei über die Bc'.)-rungen 3,4 des keramischen Grundkörpers 2 herangeführte elektrische Leiter 8, 9 angeschlossen, die mit einem von der Fahrzeugbatterie mit Strom versorgten Meßkreis verbunden sind, mit dem der sich nach dem Sauerstoffteildruck der Auspuffgase ändernde elektrische Widerstand des Keramikplättchens 7 als Meßgröße für den Sauerstoffanteil der Auspuffgase gemessen wird. Das Keramikplättchen 7 ist außen noch von einer Heizspule 10 umgeben, die auf ein Außengewinde 11 des keramischen Grundkörpers 2 aufgewickelt und in eine angeordnete Masse 12 eingebettet ist Auch diese Heizspule 10 weist einen Stromanschlu3 an die Fahrzeugbatterie auf.

Das Keramikplättchen 7 bildet das eigentliche Sensorelement zur Ermittlung des Teildruckes des Sauerstoffanteils der Auspuffgase. Es besteht dafür aus einem gesinterten Oxidgemisch der Formel Coi _ »Mg>0, wobei χ einen Wert zwischen 0,1 und 0,95, insbesondere zwischen 0,5 und 0,8, annimmt. Für diese Zusammensetzung des Sensormaterials ist aus dem Schaubild der F i g. 4 ersichtlich, daß bei dem damit dargestellten zentralen Bereich der angegebenen x-Werte das Oxidgemisch unter Freigabe seines Sauerstoffanteils in elementares Kobalt und Magnesium zerfällt, wenn bei kleinen Sauerstoffteildrücken die Grenzkurven an der linken Seite dieses Schaubildes überschritten werden. Das Sensormaterial läßt dann keine exakten Meßwerte mehr ermitteln. Gleiches gilt auch dann, wenn bei höheren Sauerstoffteildrücken die Grenzkurven an der rechten Seite dieses Schaubildes überschritten werden, weil dann eine Phasenumwandlung des Oxidgemisches in eine sog. Spinellform stattfindet. Je höher bei den angegebenen x-Werten des Magnesiumoxids bei dem Oxidgemisch des Sensormaterials ist, desto geringer existiert dann diese mögliche Phasenumwandlung bei den höheren Sauerstoffteildrücken. Dabei findet mithin eine zunehmende Entfernung von der in dieser Darstellung noch berücksichtigten Grenzknrve statt, die zu Vergleichszwecken für ein aus Kobaltmonoxid CoO bestehendes Sensormaterial ermittelt wurde, was im übrigen auch für die Grenzkurven an der linken Seite des Schaubildes gilt Dort ist dargestellt daß die Grenzkurve für das O\idgemisch der Zusammensetzung CoosMgojO nur wenig links von der Grenzkurve eines aus Kobaltmonoxid CoO bestehenden Sensorniaterials verläuft, während gleichzeitig für die entsprechenden Grenzkurven von Oxidgemischen mit kleineren x-Werten eine entsprechend zunehmende Entfernung von dieser zu Vergleichszwecken dargestellten Grenzkurve auftritt

Aus dem Schaubild der F i g. 4 ist andererseits auch ableitbar, daß mit einem Oxidgemisch der Zusammen-Setzung Coo.9Mgo.1O ein fetteres Verbrennungsgemisch der Größenordnung bis etwa 11:1 entsprechend der Grenzkurven an der linken Seite problemlos gesteuert werden kann. Mit einem Oxidgemisch der Zusammensetzung Coo.5Mgo.5O kann andererseits entsprechend der Grenzkurven an der rechten Seite ein mageres Verbrennungsgemisch der mittleren Größenordnung von etwa 15:1 ohne die Gefahr einer Phasenumwandlung ebenfalls problemlos gesteuert werden, wenn dabei gleichzeitig für das Sensormaterial eine Arbeitstemperatur von etwa 800° C aufrecht erhalten wird. Für ein aus Kobaltmonoxid CoO bestehendes Sensormaterial müßte bei dem gleichen Sauerstoffteildruck demgegenüber eine Arbeitstemperatur von etwa 950° C aufrecht erhalten werden. Dieses günstige Temp«raturverhalten des Oxidgemisches der Formel Coi _ »Mg,0 bei der Steuerung eines mageren Verbrennungsgemisches wird zu den kleineren Werten des Sauerstoffteildruckes hin noch weiter verbessert und kann für den dabei maßgeblichen Meßbereich mit etwa 700° C angegeben werden.

Für das Oxidgemisch der angegebenen Zusammensetzung ist andererseits aus dem Schaubild der F i g. 5 der damit erzielbare Meßbereich für den elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von dem Sauerstoffteildruck ableitbar. Auch in diesem Schaubild ist wieder zu Vergleichszwecken der entsprechende Meßbereich dargestellt der für ein aus Kobaltmonoxid CoO bestehendes Sensormaterial erhalten wird. Aus den einzelnen Kurven, für deren Darstellung eine konstante Arbeitstemperatur von 1000°C des Sensorrnaterials ausgewählt wurde, ist ersichtlich, daß je größer der Anteil des Magnesiumoxids in dem Oxidgemisch ist, desto größer auch der elektrische Widerstand des Oxidgemisches bei jedem beliebigen Sauerstoffteildruck wird.

Bei der Herstellung des Sensormaterials wird am einfachsten so vorgegangen, daß die Monoxide von Kobalt und Magnesium in den gewünschten Teilmengen zu einem Pulver vermählen und dabei gleichzeitig miteinander vermischt werden. Das Gemisch wird dann zur Erzielung eines homogenen Endproduktes vorgebrannt, um wiederholt ein Zwischenprodukt zu erhalten, das wieder fein gemahlen und nachfolgend wieder gebrannt wird. Dieses Verfahren kann auch dahin abgewandelt werden, daß zuerst die Karbonate oder Oxilatt von Kobalt und Magnesium gemahlen werden, um daraus dann durch ein Brennen die entsprechenden Monoxide zu erhalten. Aus dem in beiden Fällen erhaltenen Endprodukt werden dann die Keramikplättchen unter Anwendung der herkömmlichen Sintertechnik hergestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentanspruch:

Sensor für den Teildruck des Sauerstoff an teils der Auspuffgase eines Kraftfahrzeuges, der ein aus den Monoxiden eines 3d"-Übergangselements und eines Erdalkalielements bestehendes Sensormaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormaterial ein gesintertes Oxidgemisch der Formel Coi _ «Mg^O ist, wobei χ einen Wert zwischen 0,1 und 0,95, insbesondere zwischen 0,5 und 0,8, annimmt.