DE2745208A1

DE2745208A1 - Gas-sensor

Info

Publication number: DE2745208A1
Application number: DE19772745208
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Maruoka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-10-08
Filing date: 1977-10-07
Publication date: 1978-04-13
Also published as: JPS5346084A; US4212273A; GB1562656A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Gas-Sensor vom Typ einer Konzentrationszelle, bestehend aus einem Elektrolyten mit zwei Oberflächen, von denen jede mit einer der zwei metallischen Elektroden überzogen ist. Der Elektrolyt ist teilweise mit einer Schicht eines oxydierenden Katalysators ummantelt. Es sind Erhitzungseinrichtungen in diesem Katalysator zum Erhitzen mittels elektrischer Energie vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Gas-Sensor und im besonderen auf eine elektrochemische Meßeinrichtung zum Messen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines in einen Verbrennungsmotor eingespeisten Luft/Brennstoff-Gemisches durch Bestimmen des Sauerstoffgehalts in diesem Gemisch.

Zum Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches in einem stöchiometrischen Verhältnis wird weitgehend ein sogenannter geschlossener Regelkreis mit einem Sauerstoff-Sensor verwendet, der so angeordnet ist, daß er in Verbindung mit den vom Verbrennungsmotor ausgestoßenen Auspuffgasen in Verbindung steht. Der Sauerstoff-Sensor erzeugt ein vom Sauerstoffgehalt der Auspuffgase abhängiges elektrisches Signal. Dieses elektrische Signal wird dann seinerseits einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Steuereinrichtung zur Regulierung oder Veränderung des Charakters des Luft/ Brennstoff-Gemisches zugeführt, um dadurch dieses Gemisch im

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stöchiometrischen Verhältnis zu halten.

Mit dem vorstehend beschriebenen konventionellen System ist jedoch der unvermeidbare Nachteil verbunden, daß die Veränderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der im Vergaser od. dgl. erzeugten Eingangscharge durch den in der Auspuffleitung angeordneten Sensor beträchtliche Zeit nach der Verbrennung der betreffenden Eingangscharge bestimmt wird, wodurch bewirkt wird, daß das Steuersystem eine relativ lange Ansprechzeit aufweist, was bedeutet, daß eine wirksame Steuerung bei dem vorstehend beschriebenen Typ eines Steuersystems nicht erwartet werden kann.

Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, diese im konventionellen geschlossenen Regelkreis enthaltenen Nachteile zu eliminieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Gas-Sensor, insbesondere Sauerstoff-Sensor, zu schaffen, der ein Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungs-Steuerungssystem mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht, mit dem der Sensor eine kurze Ansprechzeit ergibt. Außerdem soll der Sensor kompakt ausgebildet und so ausgelegt sein, daß er im Einlaßkanalsystem eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gas-Sensor gelöst, der gekennzeichnet ist durch ein Gehäuse;

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einen in diesem Gehäuse angeordneten Elektrolyten, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die mit einer ersten bzw. zweiten metallischen Elektrode Überzogen sind, wobei die erste metallische Elektrode einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, während die zweite metallische Elektrode einem Bezugsgas ausgesetzt ist; Halteteile zum Befestigen des Elektrolyten im Gehäuse; eine Schicht eines oxydierenden Katalysators, der auf der ersten metallischen Elektrode aufgebracht ist und den Elektrolyten ummantelt; und Erhitzungseinrichtungen zum Erhitzen des Katalysators mittels eines elektrischen Stroms.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen; darin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Sauerstoff-Sensors der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Luft/Brennstoff-Gemisch-ZufÜhrungs-Steuerungssystems mit geschlossenem Regelkreis, in dem ein Sauerstoff-Sensor im Einlaßkanal des Verbrennungsmotors angeordnet ist; und

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 1, wobei jedoch eine zweite Ausführungsform der Erfindung

gezeigt ist.

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In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein neuer und verbesserter Sauerstoff-Sensor dargestellt, der allgemein mit dem Dezugszeichen 1o bezeichnet ist. Der Sensor 1o umfaßt ein festes Elektrolytrohr 12, das an seinem einen Ende geschlossen und an seinem anderen Ende offen ist. Wie dargestellt, weist das Elektrolytrohr 12 auf seiner einen Hälfte 12a in der Nähe seines offenen Endes einen Dund auf, während die andere Hälfte 12b einen Konus bildet und vom Bund bei 12a bis zum geschlossenen Ende mit der dünnsten Stelle spitz zuläuft. Das Elektrolytrohr 12 kann z.B. aus einem stabilisierten Zirkoniumdioxyd (ZrO₃) hergestellt sein. Die äußeren und inneren Oberflächen dieses Elektrolytrohrs 12 sind mit einer ersten bzw. zweiten Platinschicht 14 bzw. 16 bedeckt oder überzogen, die als erste und zv/eitc Elektrode wirken. Das feste Elektrolytrohr 12 ist in einem in geeigneter Weise ausgebildeten, aus Metall hergestellten Sockel oder Basisteil, das im folgenden als Gehäuse 18 bezeichnet ist, durch Einsetzen eines leitenden Rings 2o bzw. eines isolierenden Materials zwischen dem Bund bei 12a und dem Gehäuse 18 befestigt. Das isolierende Material 22 verschließt das offene Ende des Elektrolyten 12 und weist einen Durchgang 24 auf, der als Fluidverbindung zwischen dem Inneren des Elektrolytrohrs 12 und der Umgebungsluft dient. Ein elektrischer Leitungsdraht 26 ist durch einen anderen, im isolierenden Material 22 ausgebildeten Durchgang 28 hindurchgeführt und an die zweite Elektrode 16 angeschlossen. Der Durchgang 24 kann auch weggelassen werden, solange der Durchgang 28 so ausgebildet ist, daß er eine ausreichende Fluidverbindung zwischen dem Inneren dee Elektrolytrohrs 12 und der Außenluft

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gewährleistet. Dadurch wird eine sogenannte Konzentrationszelle gebildet.

Nach der vorliegenden Erfindung ist außerdem die folgende Maßnahme erforderlich: wie gezeigt ist der konische Bereich bei 12b des festen Elektrolytrohrs 12 von einer Schicht eines oxydierenden Katalysators 3o umgeben, die durch eine an ihrem einen Ende am Gehäuse 18 befestigte poröse, rohrförmige, metallische Abdeckung 32 fest zusammengehalten oder getragen wird. Die Öffnungen in dieser Abdeckung 32 sind mit den Dezugszeichen 34 bezeichnet. Eine längliche Zündelektrode 36 ist im Katalysator 3o stationär angeordnet, wobei das eine gebogene Ende 38 dieser Elektrode so angeordnet ist, daß eine geeignete Funkenstrecke "G" zwischen der Elektrode und der Abdeckung 32 vorhanden ist. Das andere Ende dieser Zündelektrode 36 ist mit einem elektrischen Leitungsdraht 3o verbunden, der sich durch das isolierende Material 22 und durch den im Ring 2o ausgebildeten Durchgang 42 hindurch erstreckt. Falls dies erforderlich ist, kann die Zündelektrode 36 auch so ausgebildet sein, daß sich ihre integrale Erstreckung, die zur Außenluft hin gerichtet ist, durch das Isoliermaterial 22 hindurch erstreckt.

In Fig. 2 ist eine Anordnung gezeigt, in der der

vorstehend erwähnte Sauerstoff-Sensor 1o mit einem geschlossenen Regelkreis eines Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungs-Steuerungssystems 4 4 für einen Verbrennungsmotor 45 zusammenwirkt. Das hier gezeigte Steuerungssystem 44 enthält im wesentlichen

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den Sauerstoff-Sensor 1o, der in der Einlaßleitung 46 so befestigt ist, daß er mit seiner metallischen Abdeckung 32 in den Ansaugstutzen 48 stromabwärts von einem Drosselventil 5o hineinragt. Dabei ist das Gehäuse 18 des Sensors 1o durch die Einlaßleitung 46 hindurchgeführt. Der elektrische Leitungsdraht 26, der mit der zweiten Elektrode 16 des Sensors 1o verbunden ist, führt zu einer Steuereinheit 52, die ihrerseits mit einer elektronisch gesteuerten Luft/Brennstoff-Geraisch-Zuführungseinrichtung 54 verbunden ist. Die Einrichtung 54 kann entweder dergestalt sein, daß sie unmittelbar die in den Ansaugstutzen 4 8 eingespeiste Brennstoffmenge steuert, oder daß die Brennstoffmenge durch Veränderung der offenen Querschnittsfläche der Abzapfleitung in Abhängigkeit von den darauf angewandten Befehlssignalen gesteuert wird. Der mit der Zündelektrode 36 verbundene elektrische Leitungsdraht 4o führt zu einer elektrischen Hochspannungsquelle 56. Diese Hochspannungsquelle 56 kann aus einem konventionellen Zündkreis bestehen, der eine Gleichstrombatterie, eine Zündspule und einen Verteiler umfaßt.

Mit dieser den Sauerstoff-Sensor 1o enthaltenden Anordnung ergibt sich die Arbeitsweise des Steuerungssystems 44 wie folgt:

Wenn der Zündschalter (nicht dargestellt) beim Start des Motors 45 geschlossen ist, erzeugt die elektrische Spannungsquelle 56 intermittierend eine Hochspannung, die in der zwischen dem gebogenen Ende 38 der Zündelektrode 36

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und der metallischen Abdeckung 32 vorgesehenen Funkenstrecke "G" überspringt und einen Zündfunken erzeugt. Die Hitze dieses Zündfunkens erwärmt den oxydierenden Katalysator und entzündet gleichzeitig den Brennstoff, der durch die öffnungen 34 der Abdeckung 32 hindurch in den Katalysator eingedrungen ist. Dadurch wird nicht nur der oxydierende Katalysator 3o sondern auch die Konzentrationszelle, die aus dem Elektrolyten 12 mit der ersten und zweiten Elektrode 14 bzw. 16 besteht, sehr schnell aufgewärmt, so daß sehr schnell die maximalen Wirkungsgrade erreicht werden. Die Konzentrationszelle mißt den Sauerstoffgehalt, der in den Verbrennungsgasen enthalten ist, die in der Schicht des Katalysators 3o gebildet werden, um dann ein Informationssignal, das repräsentativ für das Luft/Brennstoff-Verhältnis des in den Motor 45 eingespeisten Luft/Brennstoff-Gemisches ist, an die Steuereinheit 52 abzugeben. Bei Erhalt des Signals gibt die Steuereinheit 52 ein Befehlssignal an die Luft/ Brennstoff-Gemisch-Zuführungseinrichtung 54 und veranlaßt diese, den Motor 45 mit einem Eingangsgemisch zu versorgen, das ein gewünschtes oder das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist. Es sei bemerkt, daß, wenn der Katalysator 3o erst einmal arbeitet, der Vorgang durch die Reaktionswärme weiterläuft, um die gewünschte Temperatur des Katalysators 3o einzuhalten, bei der ein effektiver Reaktionswirkungsgrad erzielt wird. Da außerdem der Sensor 1o dem Luft/Brennstoff-Gemisch mit einer relativ niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, wird verhindert, daß der Sensor 1o überhitzt wird.

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Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Konstruktion ist es auch möglich, ein Steuerungssystem 44 mit einer Zeitgebereinrichtung (nicht dargestellt) zu verwenden, die die elektrische Verbindung zwischen der Zündelektrode 36 und der Energiequelle 56 unterbricht,um die Zündfunkenbildung einzustellen, wenn die Erwärmung durch diese Zündfunken eine vorgeschriebene Zeit überschreitet, und/oder eine Temperaturmeßeinrichtung (nicht dargestellt) vorzusehen, die die Verbindung unterbricht, wenn die Temperatur des Sauerstoff-Sensors 1o einen vorbestimmten Wert überschreitet.

In Fig. 3 ist schließlich eine modifizierte Form eines Sauerstoff-Sensors nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, der ganz allgemein mit dem Dezugszeigen 1ο¹ bezeichnet ist. Der Einfachheit halber sollen Teile, die mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform nach Fig. 1 ähnlich oder gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden. In der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 58 eine konische Abdeckung für das Isoliermaterial 22 bezeichnet. In diesem modifizierten Ausführungsbeispiel wird ein Heizdraht 6o mit vielen Windungen, die eine Spule bilden, die in einem Abstand um den konischen Bereich 12b des Elektrolyten 12 angeordnet ist, als Ersatz für die Zündelektrode 36 in Fig. 1 verwendet. Das eine Ende 6oa des Heizdrahtes 6o ist mit dem Leitungsdraht 4o verbunden, während dessen anderes Ende mit der metallischen Abdeckung 32 verbunden ist.

Wenn der Sensor 1o* im geschlossenen Regelkreis des 809815/0791

Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungseinrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 2 eingebaut ist, ist der Leitungsdraht 4o vom Heizdraht 60 mit einer konventionellen elektrischen Energiequelle, wie z.B. einer Gleichstrombatterie, verbunden. Auch in diesem Fall können die vorstehend erwähnte Zeitgebereinrichtung und die Temperaturmeßeinrichtung im Steuerungssystem vorhanden sein.

Aus den vorstehenden Ausführungen kann man ersehen, daß der Sensor 1o oder I0¹, der die vorliegende Erfindung im wesentlichen ausmacht, seine effektive Wirksamkeit in kurzer Zeit zeigen kann, wenn er in einer Einlaßleitung angeordnet ist, wodurch es nunmehr dem geschlossenen Regelkreis des Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungs-Steuersystems, das solch einen Sensor enthält, möglich ist, optimal zu arbeiten.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vorstehende Beschreibung nur zwei exemplarische Ausführungsformen darstellt. Dabei sind dem Fachmann, ohne daß er sich vom Wesensgehalt der vorliegenden Erfindung, die ausschließlich in den anliegenden Patentansprüchen definiert ist, entfernt, ohne weiteres verschiedenartige Abwandlungen und Verbesserungen möglich.

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Claims

Dr. D.Thomsen PATE NTANWALTS BÜRO

O Telefon (OK) 530211 ** 530212

W. Weinkauff "¹¹SKSZ !"""^y 45208

Telex 524303 xpert d

PATENTANWÄLTE

MOnchen: Frankfurt/M.:

Dr. rer. nat. D. Thomsen Dipl.-Ing. W. Weinkauff

(Fuchshohl 71)

Dreadmr Bank AQ. Manchen. Konto 5574237

8000 München 2 Kateer-Ludwlg-Platze 7. Oktober 1977

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Gas-Sensor

Patentansprüche

IGas-Sensor vom Typ einer Konzentrationszelle, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (18); einen in diesem Gehäuse angeordneten Elektrolyten 12, der eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die mit einer ersten bzw. zweiten metallischen Elektrode (14, 16) überzogen sind, wobei die erste metallische Elektrode (14) einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, während die zweite metallische Elektrode (16) einem Bezugsgas ausgesetzt ist; Halteteile (2o, 22) zum Befestigen des Elektrolyten (12) im Gehäuse (18); eine Schicht eines oxydierenden Katalysators (3o), der auf der ersten metallischen Elektrode (14) aufgebracht ist und den

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Elektrolyten (12) ummantelt; und Erhitzungseinrichtungen (36, 6o) zum Erhitzen des Katalysators (3o) beim Anlegen eines elektrischen Stroms.
2. Gas-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtungen folgende Elemente umfassen: eine poröse metallische Abdeckung (32), die die Schicht des oxydierenden Katalysators (3o) umschließt; und eine in diesem Katalysator (3o) angeordnete Zündelektrode (36), deren eines Ende in der Nähe eines Teils der metallischen Abdeckung (32) angeordnet ist und eine Funkenstrecke (G) zwischen diesem Ende und diesem Teil erzeugt, wobei die Funkenstrecke so bemessen ist, daß bei Anlegen einer bestimmten Hochspannung zwischen der metallischen Abdeckung (32) und der Zündelektrode (36) ein Zündfunken gebildet wird.
3. Gas-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtungen einen in diesem Katalysator (3o) angeordneten Draht (6o) umfassen.
4. Gas-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Draht (6o) viele Windungen aufweist und eine Spule bildet, die in einem Abstand um den Elektrolyten (12) angeordnet ist.
5. Gas-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser außerdem eine poröse metallische Abdeckung (32) aufweist, die die Schicht des oxydierenden Katalysators (3o)

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überdeckt und die einen Bereich hat, an den das Ende (6ob) des Drahtes (60) angeschlossen ist.
6. Gas-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile einen leitenden Ring (2o) enthalten, der eine elektrische Verbindung zwischen der ersten metallischen Elektrode (14) und dem Gehäuse (18) schafft.
7. Gas-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile außerdem ein isolierendes Material (22) umfassen, das in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (18) und dem Elektrolyten (12) eingepackt ist.

8. Gas-Sensor, insbesondere Sauerstoff-Sensor, zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in einem Gasgemisch, gekennzeichnet durch: ein rohrförmiges Gehäuse (18) aus Metall; einen rohrförmigen festen Elektrolyten (12), der ein geschlossenes und ein offenes Ende aufweist und der in einem Abstand in das Gehäuse (18) eingesetzt ist; erste und zweite metallische Elektroden (14, 16), die die äußere bzw. innere Oberfläche des Elektrolyten (12) überdecken, wobei sie voneinander elektrisch isoliert sind und wobei die erste metallische Elektrode (14) dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt ist, während die zweite metallische Elektrode (16) einem Bezugsgas ausgesetzt ist; einen leitenden Ring (2o), der koaxial in den ringforigen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse (18) und den Elektrolyten (12) eingesetzt ist und eine elektrische Verbindung zwischen diesem Gehäuse und der ersten metallischen Elektrode (14)

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schafft; eine Schicht eines oxydierenden Katalysators (3o), dio _auf der ersten metallischen Elektrode (14) so angeordnet ist, daß sie die eine Hälfte (12b) des Elektrolyten (12) ummantelt, wobei diese Hälfte das geschlossene Ende enthält; ein isolierendes Material (22), das in den ringförmigen Zwischenraum außerhalb des Rings (2o) eingepackt ist; einer porösen metallischen Abdeckung (32), die die Schicht des oxydierenden Katalysators (3o) überdeckt und am Gehäuse (18) befestigt ist; und Erhitzungseinrichtungen (36, 6o), die in der Schicht des oxydierenden Katalysators (3o) zum Erhitzen dieses Katalysators mittels elektrischer Energie angeordnet sind.

9. Gas-Sensor, insbesondere Sauerstoff-Sensor, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtung eine längliche Zündelektrode (36) umfaßt, deren eines Ende zu einem Bereich der genannten metallischen Abdeckung (32) hingebogen ist und eine Funkenstrecke (G) zwischen diesem Ende und diesem Bereich bildet, wobei diese Funkenstrecke so bemessen ist, daß ein Zündfunken darin erzeugt wird, wenn eine vorbestimmte Hochspannung zwischen der metallischen Abdeckung (32) und der Zündelektrode (36) anliegt.

1o. Gas-Sensor, insbesondere Sauerstoff-Sensor, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtung einen Draht (6o) umfaßt, der in vielen Windungen und im Abstand um die eine Hälfte des Elektrolyten (12) angeordnet ist und dessen eines Ende an die metallische Abdeckung (32) angeschlossen ist.

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11. Verwendung eines Gas-Sensors, insbesondere Sauerstoff-Sensors, nach den vorstehenden Ansprüchen, in einem Steuerungssystem für die Luft/Brennstoff-Geirdsch-Zuführung bei einem Verbrennungsmotor mit einem zugehörigen Einlaßleitungssystem, in dem ein Drosselventil verstellbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungssystem (44) für die Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführung folgende Einrichtungen enthält: eine Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungseinrichtung (54) zum Steuern der Menge des in den Motor eingespeisten Brennstoffs in Abhängigkeit von den an diese Einrichtung gerichteten Befehlssignalen; eine Steuereinheit (52) zum übertragen der Befehlssignale an die Luft/Brennstoff-Gemisch-Zuführungseinrichtung (54) in Abhängigkeit von den ankommenden Informationssignalen; einen in dem Einlaßleitungssystem (46) angeordneten Sauerstoff-Sensor (1o, 1o'), der in den Ansaugstutzen (48) stromabwärts vom Drosselventil (5o)hineinragt, wobei dieser Sensor die Informationssignale durch Messen des Sauerstoffgehalts in diesem Ansaugstutzen (48) erzeugt und wobei dieser Sensor ein elektrisch und mechanisch mit diesem Einlaßleitungssystem (46) verbundenes Gehäuse (18) aufweist, in dem ein Elektrolyt (12) angeordnet ist, der eine erste und zweite Oberfläche aufweist, die mit einer ersten bzw. zweiten metallischen Elektrode (14, 16) überdeckt sind, wobei die erste metallische Elektrode (14) zum Innern des Ansaugstutzens (48) und die zweite metallische Elektrode (16) zu einem Bezugsgas hin ausgerichtet ist, wobei ein elektrisch leitendes Halteteil (2o) in diesem Gehäuse (18) zur Halterung des Elektrolyten (12) unter Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen

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der ersten metallischen Elektrode (14) und dem Gehäuse (18) angeordnet 1st, wobei eine Schicht aus einem oxydierenden Katalysator (3o) auf der ersten metallischen Elektrode (14) angeordnet 1st und den Im Innenraum des Ansaugstutzens (48) angeordneten Elektrolyten (12) ummantelt, und wobei außerdem Erhitzungseinrichtungen (38, 6o) zum Erhitzen der Schicht des Katalysators (3o) mittels elektrischer Energie vorgesehen sind; und eine elektrische Energiequelle (56) zur Energieversorgung dieser Erhitzungseinrichtung (38, 6o) innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode nach dem Start des Motors.

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