DE2703390C3

DE2703390C3 - Meßfühler zur Feststellung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansauggemisches

Info

Publication number: DE2703390C3
Application number: DE2703390A
Authority: DE
Inventors: Keiji Aoki; Tokuta Mishima Inoue; Takehisa Yaegashi
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1976-02-09
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1981-01-08
Also published as: JPS5296092A; DE2703390A1; US4119512A; DE2703390B2

Description

Die Erfindung betiifft einen Meßfühler zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine 7ugeführten Ansauggemisches durch Erfassung der Abgaszusammensetzung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs i.

Zur Reinigung der Abgase einer Brennstoffkraftmaschine von Schadstoffen, wie Kohlenwasserstoffen und Oxiden des Kohlenstoffs und Stickstoffs (HC, CO und NO,) ha*, sich ein Dreifach-Katalysator bewährt, der gleichzeitig die Abgasbestandteile HC, CO und NO, beseitigen kann. Die gleichzeitige Entfernung dieser drei schädlichen Verbrennungsprodukte durch den Dreifach-Katalysator ist jedoch nur im Bereich des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Ansauggemisches möglich, was eine genaue Regelung des Ansauggemisches erfordert.

Hierzu läßt sich allgemein die bekannte Tatsache ausnutzen, daß eine EMK erzeugt wird, wenn zwischen zwei Elektroden in einem Elektrolyten mit Sauerstoffionen ein Sauerstoff-Partialdruck besteht. Da der Sauerstoffgehalt der Abgase sich mit dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Ansauggemisches ändert, kann somit ein Festelektrolyt in Verbindung mit zwei Elektroden verwendet werden, von denen eine Elektrode der Umgebungsluft und die andere Elektrode den Abgasen ausgesetzt sind. Für die E'ektroden .vird üblicherweise Platin verwendet, dessin katalytsche Wirkung den Sauerstoff-Partialdruck an der Oberfläche des Festelektrolyten im wesentlichen bis auf das Konzentrationsgleichgewicht verkleinert, was zur Folge hat, daß sich die abgegebene EMK in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses abrupt ändert.

Probleme treten jedoch häufig dadurch aufj daß in den Abgasen enthaltenes Phosphor (P) und Blei (Pb) sich auf dem Platin ablagert Und die kätalytische Wirkung beeinträchtigen. Darüber hinaus wird der Festelektrolyt durch das Auftreffen Von in den Abgasen enthaltenen kleinen Eisenteilchen und anderen feinen Bestandteilen verkratzt oder abgeschmirgelt, was ein Ablösen der Elektroden und damit eine Störung der Meßwertermittlung bewirken kann.

Aus der DE-OS 24 33 158 ist z. B. ein Sauerstoff-Meßfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen einer Brennkraftmaschine zwecks Regelung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Ansauggemisches bekannt, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten in Rohrform aufweist, vobei auf der einem Vergleichsgas wie der Umgebungsluft ausgesetzten Innenseite und der den Abgasen ausgesetzten Außenseite des Festelektrolyten jeweils eine Dünnschicht-Platinelektrode ausgebildet ist, zwischen denen die der Differenz der Sauerstoffkonzentration bzw. des Partialdruckes der Abgase und des Vergleichsgases entsprechende EMK erzeugt und abgegriffen wird. Die Ausbildung der Platinelektroden als die Außenseite des Festelektrolyten vollständig bedeckende Dünnschichten soll eine maximale kätalytische Wirkung auf die Abgase zur Herbeiführung eines Konzentrationsgleichgewichtes der Abgasbestandteile sowie ein möglichst genaues Ansprechverhalten des Meßfühlers durch Ausnutzung seiner gesamten Außenfläche gewährleisten. Außerdem sind die Platinelektroden mit einer Schutzschicht aus Aluminiumoxid bzw. Ton, Kaolin oder Bentonit versehen, die ihre Widerstandsfähigkei' gegenüber den Abgasen erhöhen seil.

Ein Sauerstoff-Meßfühler dieser Art weist jedoch den Nachteil auf, daß nach einer gewissen Verwendungsdauer ein Leistungsabfall eintritt, der derart gravierend ist, daß die erzeugte EMK für die angestrebten Regelzwekke nicht mehr ausreicht Dies beruht im wesentlichen darauf, daß die ständig den Abgasen ausgesetzte Dünnschichtelektrode insbesondere bei den beträchtlichen Abgastemperaturen sowie durch Abschmirgelung aufgrund von in den Abgasen mitgeführten Eisenpartikeln und dgl. trotz der Schutzschicht in kurzer Zeit verbraucht oder abgelöst wird, da die Schutzschicht lediglich eine begrenzte Wid°rstanL>fähigkeit insbesondere gegenüber hohen Temperaturen aufweist und die Elektrode selbst eine äußerst aünne empfindliche Schicht bildet. Außer dem begrenzten Widerstandsvermögen der Schutzschicht und dem Dünnschichtaufbau der Elektrode ist ferner maßgebend, daß Elektrode und Elektrolyt aus ut erschiedlichen Werkstoffen bestehen und das Haftvermögen bzw. die Bindewirkung zwischen ihnen gering ist. Durch Abnutzung und Ablösung der Dünnschichtelektrode treten daher nach einer gewissen Zeit häufig Unterbrechungen der elektrischen Leitung zwischen nicht verbrauchten oder nicht abgelösten Teilen der Elektrode auf, was zu einer wesentlichen Herabsetzung der erzeugbaren EMK führt.

Weiterhin ist aus der DD-PS 43 242 eine galvanische Zelle mit einem ebenfalls rohrförnvger, sauerstoffio nenleitenden Festelektrolyten für gaspotontiometrischi Zwecke bekannt, bei dem Innen- und Außenelektrode jeweils von Platindrahtnetzen gebildet werden, die lediglich einen kleinen Teil des Festelektrolyten bedecken. Bei Verwendung derartiger Platindrahtelektroden ist zwar die Gefahr der Abnutzung und Ablösung der Elektroden vom Festelektrolyten weitaus geringer, jödoch läßt sich aufgrund der wesentlich geringeren aktiven Elektrodenoberfläche lediglich eine für die Vorstehend beschriebenen Zwecke unzureichende EMK erzeugen, da nur ein geringer Teil der den Abgasen ausgesetzten Außenfläche des Meßfühlers ausgenutzt wirdj was außerdem dazu führt, daß auch die erforderliche bzw. gewünschte kätalytische Wirkung

zur Herbeiführung eines Konzentrationsgleichgewichtes der Abgasbestandteile unzureichend ist. Außerdem würde bei Verwendung derartiger Drahtnetzelektroden bei einem Meßfühler der in Rede stehenden Art eine starke Erosion des Festelektrolyten mit der Folge einer allmählichen Unterbrechung des Kontaktes mit der Elektrode auftreten, da der Festelektrolyt zwar mit den Abgasen zur Erzeugung einer EMK in Verbindung treten soll, gleichzeitig aber auch zur Erzielung einer für die Praxis ausreichenden Lebensdauer in dem erforderlichen Maße vor den schädlichen Auswirkungen der Abgase geschützt werden muß, die insbesondere aufgrund der hohen Abgastemperaturen sowie der Mitführung von Eisenpartikeln, chemischen Verunreinigungen usw. gegeben sind. Ein solcher Schutz ist durch die gemäß der DD-PS 43 242 vorgeschlagenen Platindrahtnetzelekiroden nicht erzielbar.

Darüber hinaus ist gemäß einem älteren Vorschlag (DE-OS 26 57 437) auch ein Sauerstoff-Meßfühler mit einer zwar ebenfalls den Abgasen einer Brennkraftmaschine ausgesetzten, jedoch aus einem drahiförrmgen Bauteil in Verbindung mit einer Dünnschicht Deckelektrode bestehenden Außenelektrode bekannt während es aus der DE-OS 23 51815 bekannt ist, einen perforierten Schutzmantel im Abstand vor dem Festelektrolyten anzuordnen. Ein wirksamer Schutz der den Abgasen ausgesetzten Elektrode und des Festelektrolyten insbesondere vor den hohen Abgastemperaturen ist hierdurch jedoch ebenfalls nicht gewährleistet

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Meßfühler der eingangs genannter. Art zu schaffen, der eine längere Lebensdauer, größere Zuverlässigkeit und insbesondere eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber den hohen Abgastemperaturen aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Es kann somit ohne Verwendung empfindlicher gasdurchlässiger Dünnschichtelektroden mit notwendigerweise geringer Lebensdauer, die lediglich eine Schutzschicht aus eine relativ geringe Temperaturfestigkeit aufweisendem Aluminiumoxid bzw. Ton, Kaolin oder Bentonit tragen, nunmehr die gesamte, im Bereich der Abgase befindliche Oberfläche des Meßfühlers über die Perforationen der z. B. als Metallplatte ausgebildeten und die eine äußerst hohe Temperaturfestigkeit aufweisenue Titandioxid-Beschichtuiig tragende zweite Elektrode den Abgasen ausgesetzt werden, wobei ein wirkungsvoller Schutz der zweiten Elektrode sowie des Elektrolyten vor den hohen Abgastemperaturen und den von den Abgasen mitgeführten Partikeln gewährleistet ist. Die als robuste Metallplatte herstellbare zweite Elektrode gewährleistet somit aufgrund der temperaturfesten Titandioxid-Beschichtung eine hohe Lebensdauer des Meßfühlers, die bei Verwendung empfindlicher und in der Herstellung zudem erheblich aufwendigerer Dünnschichtelektroden sowie Schutzschichten aus Aluminiumoxid bzw. Ton, Kaolin oder Bentonit nicht erzielbar ist. Durch geeignete Wahl von Größe und Anzahl, insbesondere jedoch der durch die Dicke der zweiten Elektrode vorgebbaren Tiefe der Perforation läßt sich darüber hinaus die Beaufschlagung des Festelektrolyten mit Abgasen in der erforderlichen Weise steuern. Außerdem wird eine Oberflächenvergrößerung der zweiten Elektrode erzielt, die eine bessere katalytisch^ Wirkung durch Aufbringung einer Platindeckschicht auf die Titandioxidschicht ermöglicht.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung läßt sich diese erwünschte Oberflächenvergrößerung auch durch Mehrfachumwickeln des Festelektrolyten mit der perforierten zweiten Elektrode erzielen, wodurch gleichzeitig auch die Tiefe der Perforationen erheblich erhöht und damit die Temperatur- und Erosionswirkung der Abgase weiter herabgesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Querschnittsansicht eines Meßfühlers zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansauggemisches durch Erfassung der Abgaszusammensetzung,

Fig.2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Bereichs A des Meßfühlers gemäß Fig. I₁

F i g. 3 einen vergrößerten Bereich einer mit Perforationen versehenen Elektrode,

Fig.4 eine vergrößerte Quersdwittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Meßfühlers, bei dem die mit Perforationen versehene Elektrode aus mehreren gleichartigen Lagen besteht, um'

F i g. 5 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die in Verbindung mit dem Meßfühler verwendbar ist.

In Fig. 1 ist ein Meßfühler 1 zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansauggemisches durch Erfassung der Abgaszusammensetzung dargestellt, der einen in einer Halterung 3 angeordneten Festelektrolyten 2 aufweist. Der Festelektrolyt 2 besitzt einen mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Hohlraum 4 und besteht aus Zirkondioxid (ZrO?), das gegebenenfalls geringfügige Verunreinigungen aufweist. Eine zylindrische positive erste Elektrode 5 ist an einem Einlaß vorgesehen, über den die Umgebungsluft eingeleitet wird, während eine mit Perforationen versehene negative zweite Elektrode 6 mit vielen kleinen Öffnungen um den Hohlraum 4 herum angeordnet ist. Die positive erste Elektrode 5 und die negative zweite Elektrode 6 werden in enger Berührung m't dem Festelektrolyten 2 gehalten.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht die negative zv jite Elektrode aus einer leitfähigen, aus Platin hergestellten Metallplatte 7 mit vieien Öffnungen 8. Auf der den Abgasen zugewandten Seite der zweiten Elektrode 6 ist eine Titandioxidschicht 9 ausgebildet, die wiederum von einer katalytischen Edelmetallschicht 10 aus z. B. Platin bedeckt ist, über die der Festelektrolyt 2 durch die öffnungen bzw. Perforationen 8 der zweiten Elektrode 6 hindurch direkt mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist.

Die katalytische Edelmetallschicht 10 weist somit eine vergrößerte Oberfläche auf, ermöglicht aber auch, daß die Abgase gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Festelcktrolyten 2 auftreffen. Durch zveckmäßige Auswahl der Tiefe (h) der Perforationen 8 wird eine durch mitgeführti· Partikel verursachte Erosion des Festelektrolyten 2 verringert, so daß eine Unterbre chung der Verbindung zwischen der zweiten Elektrode 6 und dem Ffstt-Iektrolyten 2 weitgehend ausgeschlossen ist.

Die gegenüber Aluminiumoxid bzw. Ton, Kaolin oder Bentonit eine äußerst hohe TemperaturfestigkeH und in Verbindung mit einem geringeren Gewicht eine höhere Widerstandsfähigkeit aufweisende Titandioxidschicht 9 kann mittels eines geeigneten Verfahrens, z. B. durch Aufspritzen und Sintern, gebildet werden. Die Ausbildung der Edelmetallschicht 10 auf der Titandioxidschicht 9 kann ebenfalls mittels eines geeigneten, an sich bekannten Verfahrens, d. h., z. B. durch elektrochemie

sehe Verfahren, wie VakuunvAufdampfverfahren oder lonenstrahlverfahren, und chemische Verfahren¹, wie stromlose Plattierverfahren, erzielt werdet!· Bezüglich weiterer geeigneter Verfahren sei auf die US-Patentschriften 384! 987,38 43 400 und 38 91 529 verwiesen.

Gemäß F i g. 3 kann ferner eine zweite Elektrode mit Vielen runden Öffnungen 8' verwendet werden,

Die Perforationen bzw. öffnungen 8 und 8' sind hierbei nicht auf die vorstehend beschriebenen Atlsführungsbeispiele beschränkt, sondern können auch eine andere geeignete Form aufweisen.

Wie in Fig.4 dargestellt ist, kann die zweite Elektrode 6 aus mehreren gleichartigen Lagen bestehen, wodurch eine zur Verringerung der TemperaturWirkung der Abgase und des Aufpralls der von* den Abgasen milgefühften Partikeln auf die Elektfodertoberfläche ausreichende Vergrößerung der Tiefe der Perforationen 8 und 8' in Verbind-un¹⁷ mit eino*" Vergrößerung der Oberfläche der katalytischen Edelmetallschicht 10 erzielt wird.

Im Betrieb steht der Meßfühler 1 über den Hohlraum 4 mit der Ümgebungsluft in Verbindung, während die freiliegende katalytische Edelmetallschicht 10 und der Festelektrolyl 2 im Abgasweg der Brennkraftmaschine angeordnet und die Elektroden mit einer Meßschaltüng Verbunden sind. Gemäß F i g, 5 Wird die Ausgangsspannung des Meßfühlers hierbei eincr.i Vergleiche!· 21 zugeführt und mit einer Bezugsspannung verglichen, die durch Teilung einer konstanten Spannung + B gemäß einem von den Widefstandswerten von Widerständen R\ und /?2 bestimmten Teilverhältnis festgelegt ist. Das

ίο auf diese Weise vom Vergleicher 21 erhaltene, der Spannungsdifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Meßfühlers und der Bezugsspannung entsprechende Ausgangssignal wird einem (nicht gezeigten) nachgeschalteten Regelkreis zugeführt, der an sich bekannt ist und z. B. der US-Patentschrift 38 15 561 zu entnehmen ist. Ein solcher Regelkreis erzeugt ein Stellsignal mit einer das Zeitintervall der Brennstoffzufuhr bestimmenden Impulsdauer, das zur Regelung der jeweils zugeführten Brennstoffmenge und damit des Luft/

2u Brennstoffe Verhältnisses z. B. an ein (nicht gezeigtes) Magnetventil zur Brnnstoffeinspritzung angelegt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßfühler zur Feststellung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansauggemisches durch Erfassung der Abgaszusammensetzung mit einem einen mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Innenhohlraum aufweisenden Festelektrolyten, der zur Erzeugung einer der Abgaszusammensetzung entsprechenden EMK über eine erste Elektrode der Umgebungsluft und über eine mit Perforationen versehene zweite Elektrode aus im wesentlichen festem metallischem Material den Abgasen der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Abgasen zugewandten Seite der zweiten Elektrode (6) eine Titandioxydschicht (9) aufgebracht ist, die wiederum von einer Edelmetallschicht (10) bedeckt ist, über die der Festelektrolyt (2) durch die Perforationen (äs) der zweiten £.;ktrode (6) hindurch direkt mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (6) aus mehreren gleichartigen Lagen besteht.