DE2703390A1

DE2703390A1 - Luftbrennstoffverhaeltnis-anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE2703390A1
Application number: DE19772703390
Authority: DE
Inventors: Keiji Aoki; Tokuta Inoue; Takehisa Yaegashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-02-09
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1977-08-11
Also published as: JPS5296092A; DE2703390C3; US4119512A; DE2703390B2

Description

T D „ If O Patentanwälte:

TlEDTKE - DÜHLING - ΓνΙΝΝΞ - ORUPE Dipl.-lng. Tiedtke

U Dipl.-Chem. Bühling

Dipl.-lng. Kinne 2703390 Dipl.-lng. Grupe

Bavariaring 4, Postfach 20 24

8000 München 2

Tel.: (0 89) 53 96 53-56

Te!ex:5 24 845tipat

cable. Germaniapatent München

27. Januar 1977

B 7886

case TYT-38-GER

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
Tokyo / Japan

Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine<Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung, die das Luftbrennstoffverhältnis eines von einem Motor angesaugten Ansauggemisches von Zeit zu Zeit anzeigt, indem der Sauerstoffgehalt seines Abgases abgefühlt oder erfaßt wird.

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ix/8

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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Unter den verschiedenen Vorrichtungen, die zur Vermeidung bzw. Beseitigung schädlicher Abgasverunreinigungen» wie Kohlenwasserstoffe und Oxyde des Kohlenstoffs und Stickstoffs (HC, CO und NO ), vorgeschlagen wurden, ist ein dreifach wirkender katalytischer Umwandler, der gleichzeitig HC, CO und NO beseitigen kannn. Für die gleichzeitige Behandlung dieser drei schädlichen Verbrennungsprodukte benötigt der dreifach wirkende katalytische Umwandler eine exakte Steuerung des Ansauggemisches zur Erzielung des^vstöchiometrischen LuftbrennstoffVerhältnisses, was wiederum ein genaues Luftbrennstoffverhältnis-Steuersystem erfordert.

Eine bekannte Luftbrennstoffverhältnis-Anzeige-Vorrichtung benützt vorteilhaft die bekannte Tatsache, daß eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn zwischen zwei Elektroden in einem Elektrolyten mit Sauerstoffionen ein Sauerstoff-Partialdruck besteht. Auf dem Prinzip gründend, daß der Sauerstoffgehalt im Abgas sich mit dem angesaugten Luftbrennstoffverhältnis ändert, benutzt diese Luftbrennstof fverhältnis-Anzeigevorrichtung einen festen Elektrolyten, setzt eine Elektrode der Umgebungsluft aus und hält die andere Elektrode in Berührung mit dem Abgas. Für die Elektroden wird üblicherweise Platin benutzt. Die katalytische Wirkung des Platins verkleinert den Sauerstoff-Partialdruck auf der elektrolytischen Oberfläche im wesentlichen bis auf das Konzentrationsgleichgewicht; als Ergebnis davon ändert sich in der Nähe des theoretischen Luftbrennstoffverhältnisses abrupt die elektromotorische Kraft.

Die bekannte Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung der vorstehend beschriebenen Art weist mehrere Mängel auf. Beispielsweise haften in den Abgasen enthaltenes Phosphor und Blei (P und Pb) am Platin und zerstören seine katalytische Wirkung. Der Aufprall von in Abgasen mitgeführten kleinen Eisenteilchen und anderen feinen Körnchen zerkratzt oder schmirgelt den Elektrolyten ab oder

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verursacht eine Trennung der Elektroden/ was zu einer Störung der Anzeigevorrichtung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung mit erhöhter Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu schaffen/ so daß die vorstehend genannten Mängel gemindert bzw. beseitigt werden.

Das Merkmal dieser Erfindung liegt darin, daß eine gitterförmige oder perforierte Metallplatte zu einer Elektrode geformt wird, die einen Elektrolyten umschließt/ und daß für diese Metallplatte eine leitfähige Metallplatte benutzt wird, die mit einer Aluminiumoxydschicht und diese

wiederum mit einer Platinschicht beschichtet ist. 15

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Teil A des Querschnitts von Figur 1.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Teil einer Ausführung der Elektrodenplatte.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Teil einer

weiteren Ausführung der Elektrodenplatte.

Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer Ausführung der Erfindung, bei der die Elektrodenplatte doppelt gewickelt ist.

Fig. 6 zeigt einen elektrischen Schaltkreis,

an den die erfindungsgemäße Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung angelegt werden kann.

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Wie in Figur 1 gezeigt,weist eine Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung 1 einen festen Elektrolyten 2 auf, der in einer Halterung 3 gehalten ist. Der feste Elektrolyt 2 besitzt einen Höhlraum oder eine Bohrung 4, in die Atmosphärenluft einleitbar ist; der Elektrolyt 2 ist aus ZrO. (Zirkoniumdioxid), möglicherweise mit einem kleinen Gehalt an Verunreinigungen, hergestellt. Eine zylindrische positive Elektrode 5 ist an dem Einlaß vorgesehen, durch den die Umgebungsluft eingeleitet wird, während eine negative Elektrodenplatte 6 mit vielen kleinen öffnungen um den Hohlraum oder die Bohrung 4 herum angeordnet ist. Diese positive Elektrode 5 und negative Elektrodenplatte 6 werden in enger Berührung mit dem festen Elektrolyten 2 gehalten.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, besitzt die negative Elektrodenplatte eine leitfähige, aus Platin hergestellte Metallplatte 7 mit vielen öffnungen 8; auf der mit dem Abgas in Berührung kommenden Fläche ist eine Aluminiumoxydschicht 9 ausgebildet. Auf dieser Aluminiumoxydschicht 9 ist eine katalytische Schicht 10 aus Edelmetall, z.B. Platin, ausgebildet.

Eine in Figur 3 gezeigte gitterartige Metallplatte 11 stellt ein geeignetes Beispiel der leitfähigen Metallplatte 7 mit vielen öffnungen 8 dar. Bei dieser Ausführung sind die Öffnungen 8 von sich kreuzenden Rippen 12 gebildet.

Mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion versieht die Erfindung die katalytische Schicht 10 aus Platin mit vergrößerter Oberfläche, ermöglicht aber auch,daß das Abgas gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Elektrolyten auftrifft oder aufprallt. Durch zweckmäßige Auswahl der Tiefe (h) der öffnungen 8 wird die durch mitgeführte oder mitschwimmende Partikel verursachte Erosion des Elektrolyten verringert, wodurch ein Abtrennen der Elektrodenplatte 6 von dem Elektrolyten 2 ausgeschlossen wird.

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Die Aluminumoxydschicht 9 kann mittels eines geeigneten Verfahrens, wie durch Aufspritzen und Sintern, gebildet werden. Die Ausbildung der Katalysatorschicht 10 aus Platin auf der Aluminiumoxydschicht 9 kann ebenfalls mittels eines geeigneten, an sich bekannten elektrochemischen, chemischen oder mechanischen Verfahrens erzielt werden. Zum Ausbilden der Katalysatorschicht 10 aus Platin auf der Aluminiumoxydschicht 9 können elektrochemische Verfahren,

wie beispielsweise Vakuumverdampfungsverfahren oder 10

Ionenstrahlenverfahren, und chemische Verfahren wie beispielsweise ein stromloses Plattierverfahren, angewendet werden. Ferner könnten jegliche, in den U.S.-PS.3 841 987, 3 843 400 und 3 891 529 beschriebene Verfahren verwendet werden, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit einbezogen wurde.

Erfindungsgemäß könnte die Schicht 9 anstelle aus Aluminiumoxyd auch aus TiO- (Titandioxid) sein.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann ferner eine Elektrodenplatte mit vielen runden öffnungen 8* verwendet werden.

Die öffnungen 8 und 8¹ sind bezüglich ihrer Form oder Gestalt nicht auf die vorstehenden Ausführungen beschränkt; sie können vielmehr mit anderen geeigneten Formen hergestellt werden.

Die Elektrodenplatte 6 kann,wie in Figur 5 dargestellt, in einer doppelten Lage gewickelt sein,um eine zur Verringerung des Aufpralls der mitgeführten oder mitschwimmenden Partikel auf die Elektrodenoberfläche ausreichende Vergrößerung der Tiefe der öffnungen 8 und 8' und um eine Vergrößerung der Oberfläche der Katalysatorschicht aus Platin zu erhalten.

Die Vorrichtung wird benutzt, indem die Bohrung zum Anschluß an die umgebende Atmosphäre mit dieser verbunden wird, während die freiliegende Katalysatorschicht 10 und der feste

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Elektrolyt 2 in der Abgasströmung eines Motors angeordnet sind und die Elektroden an jedem gewünschten elektrischen Meßkreis oder -Vorrichtung angelegt sind. Wie in Figur 6 dargestellt ist, wird die Ausgangsspannung aus der Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung in einem Vergleicher 21 mit einer Bezugsspannung verglichen, die durch Teilung einer konstanten Spannung +B gemäß dem von den Werten der Widerstände R. und R_ bestimmten Teilverhältnis festgelegt ist. Das auf diese Weise vom Vergleicher 21 erhaltene Ausgangssignal, das der Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung der Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung und der Bezugsspannung entspricht, wird in einen nachfolgenden Steuerkreis (nicht gezeigt) eingebracht. Ein derartiger Kreis ist an sich bekannt und beispielsweise in Figur 3 der U.S.PS 3 815 561 gezeigt, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme mit einbezogen wurde. Der Steuerkreis erzeugt ein Steuersignal mit einer das Zeitintervall der Brennstoffversorgung bestimmenden Impulsbreite. Das Steuersignal wird an ein elektromagnetisches Ventil ( nicht gezeigt) zur Brennstoffeinspritzung weitergeleitet, wodurch die zu liefernde Brennstoffmenge und damit das Luftbrennstoffverhältnis gesteuert wird.

Gemäß vorstehender Beschreibung schafft die Erfindung eine höchst brauchbare Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung mit einfacher Konstruktion, erhöhter Lebensdauer und verbessertem Anzeigevermögen.

Die Erfindung ist eine Elektrodenkonstruktion zum Anzeigen eines LuftbrennstoffVerhältnisses, die eine gitterförmige oder perforierte Metallplatte aufweist, die mit einer Aluminiumoxydschicht beschichtet ist,die mit einer Platinschicht beschichtet ist, die in elektrischem Kontakt mit einem festen Elektrolyten steht, der für Berührung mit Abgasen als auch der Umgebungsluft ausgestaltet ist, so daß,

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wenn das Platin.den Motorabgasen ausgesetzt ist, die katalytische Wirkung des Platins den Sauerstoff-Partialdruck auf der Elektrolytoberfläche bis zu seinem Konzentrationsgleichgewicht verkleinert, wodurch eine abrupte Änderung der zwischen einer positiven, in elektrischem Kontakt mit dem festen Elektrolyten stehenden Elektrode und der Gitterelektrode nachweisbaren elektromotorischen Kraft verursacht wird.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

/^l.) Luftbrennstoffverhältnis-Anzeigevorrichtung zum Anzeigen des Luftbrennstoffverhältnises einer Brennkraftmaschine, indem die Zusammensetzung des Abgases eines derartigen Motors abgefühlt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung eine erste Elektrode (5) und einen 10

festen Elektrolyten (2) besitzt, der für die Berührung mit der umgebenden Atmosphärenluft nahe der ersten Elektrode und für die Berührung mit dem Abgas nahe einer zweiten Elektrode (6) ausgestaltet ist, wobei die zweite Elektrode (6) ein mit vielen öffnungen (8) versehenes, elektrisch leitendes Material aufweist und der feste Elektrolyt (2) für die Berührung mit dem Abgas durch diese öffnungen zugänglich ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) ein mit öffnungen versehenes, elektrisch leitendes Metall (7) aufweist, dessen eine Fläche in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten (2) steht und dessen andere Fläche mit einer Aluminiumoxydschicht (9) beschichtet ist, die wiederum mit einer Platinschicht (10) beschichtet ist, die für die Berührung mit Abgas nahe dem festen Elektrolyten (2) freiliegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) eine Mehrzahl von Lagen aus mit Löchern versehenem, elektrisch, leitendem Metall (7;11;13) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Elektrolyt (2) eine Bohrung (4) aufweist, durch die die umgebende Atmosphäre zur

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Berührung mit dem festen Elektrolyten durchführbar ist, wobei die erste Elektrode (5) an der Oberfläche der Bohrung in Verbindung mit dem Elektrolyten steht und das

c mit Löchern versehene Metall der zweiten Elektrode (6) um die Außenseite des festen Elektrolyten gewickelt ist und in direkter Verbindung damit steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ^q kennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) eine positive

Elektrode und die zweite Elektrode (6) eine negative Elektrode ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die zweite Elektrode (6) ein mit Löchern versehenes, elektrisch leitendes Metall (7;11;13) aufweist, dessen eine Fläche in elektrischer Verbindung mit dem festen Elektrolyten

(2) steht und dessen andere Fläche mit einer Schicht aus Titandioxyd beschichtet ist, die wiederum mit einer Platinschicht (10) beschichtet ist, die zur Berührung mit Abgas nahe

dem festen Elektrolyten (2) freiliegt. 20
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) eine Mehrzahl von Lagen von mit Löchern versehenem, elektrisch leitendem Metall (7; 11; 13) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Elektrolyt (2)eine Bohrung (4) aufweist, durch die die umgebende Atmosphärenluft zur Berührung mit dem festen Elektrolyten hindurchführbar ist,wobei die erste Elektrode (5) an der Oberfläche der Bohrung mit dem Elektrolyten in Verbindung steht und das mit Löchern versehene Metall der zweiten Elektrode (6) um die Außenseite des festen Elektrolyten (2) gewickelt ist und in direkter Verbindung damit

steht.
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9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Elektrolyt (2) aus Zirkondioxid besteht.

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