DE2719138A1 - Sensorvorrichtung zum messen der sauerstoffkonzentration in den auspuffgasen von verbrennungsmotoren - Google Patents
Sensorvorrichtung zum messen der sauerstoffkonzentration in den auspuffgasen von verbrennungsmotorenInfo
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Description
PHN. 8401 Va/AvdV
N. V. Pbi!:fis" r-v---: ''-·: P-1 ' -'-ns
"Sensorvorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren".
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in
den Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren.
Eine derartige Vorrichtung, die aus dem eigentlichen Sensor und einem Filter besteht, durch
dessen Verwendung vermieden wird, dass der Sensor durch Verschmutzung unbrauchbar wird, ist aus der
DT-OS 23 04 747 bekannt.
709848/078J
PHN.8*101 23-3.77
Tatsächlich wird der Sensor zum Messen
von Sauerstoffkonzentrationen in diesem Fall zum Messen
der Konzentration des Kohlenmonoxids iin Auspuffgas verwendet, weil dieses Kohlenmonoxid bei niedrigen
Konzentrationen nach der Gleichung
co + £ o2trr>
co2
mit Sauerstoff im Gleichgewicht ist.
Der Sensor ist z.B. aus "J. Electrochem. Soc." 109, S. 723-726 (1962) bekannt. Er umfasst eine Trennwand,
die aus einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Sauerstoff eingeht und dabei Ionenleitung
aufweist, wobei diese Trennwand auf beiden Seiten mit einer dünnen metallischen Elektrodenschicht versehen ist.
Ein solcher Feststoff ist nach der Ausführungsform, auf die sich die Erfindung bezieht, mit CaO oder Y„0„
stabilisiertes Zirkonoxid, das Leitung durch Sauerstoffionen aufweist, während die Elektroden aus Edelmetall,
insbesondere Platin, bestehen. Das Gasgemisch, dessen Sauerstoffpartialdruck gemessen werden soll,befindet
sich auf einer Seite der Trennwand. Auf der anderen Seite befindet sich die Aussenluft, die als Referenzgas
mit einem konstanten Sauerstoff-Partialdruck dient.
Bei der Betriebstemperatur des Auspuffsystems, d.h.
zwischen etwa UOO und 85Ο C, wird durch Bewegung der
Ionen zwischen den beiden Sensorelektroden ein Spannungs-
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->- PHN.
23.3.77
unterschied E erhalten, der nach der Nernstschen Gleichung
E - 2zF ln p2
von dem Verhältnis der Partialdrücke P1 und p„ abhängt.
von dem Verhältnis der Partialdrücke P1 und p„ abhängt.
In dieser Gleichung ist R die Gaskonstante
in Joules/ C, T die absolute Temperatur, ζ die Wertigkeit
des Sauerstoffions und F die Faraday-Konstante in Coulombs.
In den Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors kann ein Überschuss an Sauerstoff bei Verbrennung
armer Kraftstoff-Luft-Gemische vorhanden sein. Bei Verbrennung
reicher Gemische wird das Auspuffgas einen Überschuss an Kohlenmonoxid enthalten, das an der Platinoberfläche
einer Sensorvorrichtung mit Sauerstoff reagiert, der dort in atomarer Form vorhanden ist. Der Sauerstoff-Partialdruck
wird dann auf dieser Seite des Sensors sehr niedrig und der Partialdruckunterschied zu beiden
Seiten der ZrO„-¥and sehr gross. Der Übergang von einem
armen zu einem reichen Gemisch kennzeichnet sich daher durch einen grossen Spannungssprung von etwa 500 mV.
Dieser grosse Spannungsunterschied wird dazu benutzt, in einem Glied zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
diese Grosse zu steuern.
Bei Anordnung der Sensorvorrichtung in dem Auspuffgasstrom sind insbesondere die Elektroden
einer Starken Abnutzung durch die Kollision grosser Teilchen aus den Verbrennungsgasen ausgesetzt.
709848/0780
ΡΠΝ.8^01
23-3.77
Ausserdem wird, nachdem die Elektroden kurze Zeit der! Einwirkung von Auspuffgasen ausgesetzt worden
sind, auf diesen Elektroden ein Niederschlag gebildet, der die Oberfläche der Elektroden abschirmt und deren
katalytische Wirkung erheblich hemmt. Dies hat zur Folge, dass sowohl die Empfindlichkeit des Sensors als auch
seine Ansprechgeschwindigkeit beträchtlich herabgesetzt werden.
Namentlich die im Benzin vorhandenen Bleiverbindungen, die nach Verbrennung feine Bleioxidteilchen
oder Teilchen metallischen Bleis liefern, beeinträchtigen in erheblichem Masse die Wirkung der Pt-Elektroden als
Katalysator und führen eine beträchtliche Herabsetzung der Lebensdauer des Sensors herbei.
Um die genannten Nachteile zu verringern, ist nach der vorgenannten DT-OS vorgeschlagen worden,
den Sensor mit einem Filter zu versehen. Da ein übliches Filter, das z.B. aus gesintertem rostfreiem Stahl besteht,
verhältnismässig schnell verschlammt und dadurch den Kontakt des Messgases mit dem Sensor verhindert, wurde
ein sogenanntes Diffusions'filter verwendet. Ein derartiges
Filter ist derart angeordnet, dass das Messgas an diesem Filter entlangfliesst und also direkt gegen das Filter
geblasen wird.
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PHN. 8401 23.3.77
Die Anmelderin hat gefunden, dass dadurch
zwar die Verschmutzung erheblich herabgesetzt wird, aber dass damit eine äusserst geringe Ansprechgeschwindigkeit
erhalten wird, wodurch bei einer Anordnung in der Auspuffleitung eines Verbrennungsmotors
eine viel zu träge Reaktion auf Änderungen in der Auspuffgaszusammensetzung auftritt.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, in der der Sensor mit einem
Filter versehen ist, das den Sensor in genügendem Masse vor Verschmutzung schützt und ausserdem eine hohe Ansprechgeschwindigkeit
gewährleistet.
Die Sensorvorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filter aus einer
Kombination von drei oder mehr mit L8chern versehenen Trennwänden besteht, wobei diese Löcher einen Durchmesser
aufweisen, der viel grosser als der mittlere Durchmesser der auszufilternden Teilchen ist, während
diese Löcher wenigstens in den beiden äusseren Trennwänden nicht miteinander in Verbindung stehen, wobei
die Trennwände durch einen Raum voneinander getrennt sind, so dass durch diese Kombination der Gasstrom seine
Richtung ändert und grössere Teilchen von dem Gasstrom abgetrennt werden, und dass weiter ein feinmaschiges
gesintertes oder faseriges Filtermaterial zwischen zwei Trennwänden auf der Seite des Sensors vorhanden ist.
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-/Γ- PHN. 8401
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Die Löcher in den Trennwänden liegen in der Grössenordnung von 1 mm. Das feinmaschige Filtermaterial
kann aus gesintertem Nickelpulver, gesintertem Pulver aus rostfreiem Stahl, grobporöser Keramik,
Quarzglasfasern, Alundumfasern usw. bestehen.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In dieser Zeichnung in einem Masstab 2 : (linear) bezeichnet 1 einen aus stabilisiertem ZrO„
bestehenden Sensor. Eine aufgedampfte Platinschicht 2 bildet die Aussenelektrode. Die ähnliche Platinschicht
auf der Innenseite, die als die andere Elektrode dient, ist nicht sichtbar. Diese Elektrodenschichten sind
elektrisch mit Kontaktstiften 7 und 8 verbunden. Der Sensor
ist von einer Verteilerkappe 6 umgeben, die auf der Oberseite einen kleineren Durchmesser aufweist und
mit Offnungen versehen ist. Zwischen diesem Teil und einer ebenfalls mit Löchern versehenen Filterbuchse 5
befindet sich faseriges Quarzglas oder Alundum k, das in
feiner Gaze aus Chromnickelstahl verpackt ist. Rings um die Filterbuchse 5 ist eine ebenfalls mit Löchern
versehene Verteilerkappe 6 angeordnet, die durch einen Zwischenraum von 5 getrennt ist. Die Löcher in der
Verteilerkappe 6 und die Löcher in der Filterbuchse 5 stehen nicht miteinander in Verbindung. Ein Gasstrom 9»
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I1IIN. 23-3.77
der die Verteilerkappe trifft, tritt über die Löcher ein und verfolgt seinen Weg über die Löcher in der Buchse
5. Dabei macht der Strom einen Umweg, wobei die grösseren
Teilchen in dem Raum zwischen den Buchse 5 und 6 der Kappe zurückbleiben.
Der Sensor ohne Filter ist, nachdem er
25 km in einem mit einem Verbrennungsmotor ausgerüsteten
Fahrzeug gebraucht worden ist, mit einem dichten Niederschlag versehen und ist dann bereits weniger empfindlich
geworden. In der Sensorvorrichtung nach der Erfindung ist der Sensor sogar nach 10.000 km noch nicht sichtbar
verschmutzt (bei 10.000-facher Vergrösserung in einem
Abtastelektronenmikroskop). Die Ansprechgeschwindigkeit und die Empfindlichkeit haben dann fast noch nicht
abgenommen. Bei diesen Versuchen wurde mit Tetraäthylblei dotiertes Superbenzin verwendet.
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Claims (1)
- PHN.8401 23.3-77PATENTANSPRUCH:Sensorvorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in den Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren, die aus einem Sensor aus stabilisiertem ZrO„ besteht, der auf beiden Seiten Elektrodenschichten aufweist und mit einem Filter versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter aus einer Kombination von drei oder mehr mit Löchern versehenen Trennwänden besteht, wobei diese Löcher einen Durchmesser aufweisen, der viel grosser als der mittlere Durchmesser der auszufilternden Teilchen ist, während wenigstens in den beiden äusseren Trennwänden diese Löcher nicht miteinander in Verbindung stehen,, wobei die Trennwände durch einen Raum voneinander getrennt sind, so dass durch diese Kombination der Gasstrom seine Richtung ändert und grössere Teilchen von dem Gasstrom abgetrennt werden, unddass weiter ein feinmaschiges gesintertes oder faseriges Filtermaterial zwischen zwei Trennwänden aufder Seite des Sensors vorhanden ist.709848/078J
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