DE2758835C2 - Meßfühleranordnung - Google Patents

Description

— katalytisch aktive Zone,

— Gas-Diffusionsstrecke,

— elektronenleitende Elektrode, 5c

— Festelektrolyt,

— elektronenleitende Elektrode,

— Gas-Diffusionsstrecke.

7. Meßfühleranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zumindest teilweise von einem zumindest einseitig offenen Schutzrohr (36) umgeben ist.

8. Meßfühleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement einen rohrförmigen Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, auf dessen Innen- und Außenseite sich die Schichten der beiden Meßzellen (14,16) befinden.

9. Meßfühleranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement einen plattenförmigen Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, dessen eine Hauptfläche mit einer gemeinsamen Gegenelektrode (24) versehen ist und auf dessen anderer Hauptfläche sich die übrigen Schichten der beiden Meßzellen (14,16) befinden.

10. Meßfühleranordnung nach Anspruch?), dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Hauptfläche des Grundkörpers (20) mehrere Bereiche mit den übrigen Schichten mindestens zweier Meßzellenpaare (38) vorgesehen sind

11. Meßfühleranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzellenpaire (38) zur Meßspannungserhöhung elektrisch in Reihe geschaltet sind.

12. Meßfühleranordnung nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßfühler mit den Meßzellen (14, IS) gegensinnig auf ein gemeinsames Meßinstrument (18) geschaltet sind.

Die Erfindung betrifft eine Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von, insbesondere katalytisch arbeitenden, Abgaskonvertern.

Es ist bekannt, in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine einen Meßfühler zum Messen der Abgaszusammensetzung anzuordnen, der eine Meßspannung an ein Steuergerät liefert, mit dessen Hilfe die Gemischbildung am Vergaser jder Brennkraftmaschine gesteuert wird. Ein derartiger Meßfühler ist beispielsweise in der DE-OS 23 04 622 beschrieben und besitzt eine relativ massive Platte aus Festelektrolytmaterial zwischen zwei plattenförmigen Elektroden, von denen die eine katalytisch aktiv und die andere katalytisch inaktiv ist.

Es ist auch bereits ein Meßfühler für die Überwachung der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren in Abgasentgiftungsanlagen unter Verwendung einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten vorgeschlagen worden, der mindestens zwei Elektroden trägt, von denen mindestens eine als Meßelektrode dienende, erste Elektrode stromabwärts vom Katalysator vom Abgas umspült ist, wobei die als Meßelektrode dienende erste Elektrode aus solchen Metallen besteht, die eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes nicht zu katalysieren vermögen. Nachteilig an einem derartigen Meßfühler ist jedoch, daß anfänglich katalytisch inaktive Metalle allmählich katalytisch aktiv werden und so eine Feststellung der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren über einen längeren Zeitraum hinweg nicht möglich ist.

Es ist auch bekanr.-t, daß gebräuchliche Vorrichtungen zur Nachreinigung von Abgasen nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen. Außerdem besteht immer die Gefahr, daß solche Katalysatoren infolge von Zündaussetzern oder durch mechanische Kräfte an Wirksamkeit verlieren. Infolge dessen ist eine kontinuierliche oder auch diskontinuierliche Überwachung der Funktionsfähigkeit der Abgas-Reinigungsanlage wünschenswert.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von, insbesondere katalytisch arbeitenden, Abgaskonvertern anzugeben, die unabhängig von den katalytischer! Eigenschaften des Elektrodenmetalls arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßfühleranordnung der eingangs beschriebenen Art gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Das Vorhandensein einer solchen Gasdiffusionsschicht bringt den Vorteil mit sich, daß an der damit beschichteten Elektrode eine in definierter Weise in ih-

rer Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Abgases abweichende Atmosphäre erzeugbar ist, wenn das diffundierende Gasgemisch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht ist. Dieses nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befindliche Gas enthält einen Anteil an Wasserstoff, der von allen Komponenten des Abgases mit Abstand am schnellsten durch die Gasdiffusionsschicht hindurch wandert. Durch die daraus folgende Diffusiorisanreicherung des Wasserstoffs wird der Sauerstoffpartialdruck an der Dreiphasengrenze lokal erniedrigt, da das ankommende Gasgemisch fetter ist als vor der Gasdiffusionsschichi (diffusionsbedingte /i-Verschiebung).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung sind zwei Meßzellen vorgesehen, von denen die erste eine katalytisch aktive Elektrode, eine davon durch den Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode und eine Gasdiffusionsschicht über der katalytisch aktiven Elektrode aufweist und von denen die zweite eine elektronenleitende, auf Sauerstoff ansprechende Elektrode, die ebenfalls katalytisch aktiv sein kann, eine davon durch dta Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode, eine Gasdiffusionsschicht über der elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode und eine darüber vorgesehene, katalytisch aktive Schicht aufweist Dabei ist es besonders günstig, wenn die erste Meßzelle stromabwärts von dem Abgaskonverter angeordnet ist, wenn der zweite Meßfühler stromaufwärts von dem Abgaskor.verter angeordnet ist und wenn die beiden Meßzellen gegensinnig auf ein gemeinsames Meßinstrument geschaltet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung sind die Sauerstoffpartialdrücke an den Dreiphasengrenzen beider Meßzellen normalerweise gleich, so daß zwischen den Meßzellen keine Poteniialdiffcrcnz meßbar ist Bei nicht voll funktionierender Abgasreinigungsanlage bzw. bei einem nicht voll funktionsfähigen Abgaskonverter sind dagegen die Sauerstoffpartialdrücke an den Dreiphasengrenzen der beiden Meßzellen verschieden, was eine Potentialdifferenz zur Folge hat, die von dem Meßinstrument angezeigt wird bzw. als Überwachungssignal dienen kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 2a und b eine Seitenansicht bzw. einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung;

F i g, 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung;

F i g. 6a und b eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer fünften bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung.

F i g. 1 der Zeichnung zeigt stark schematisiert ein Teilstück 10 einer Abgasleitung beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskonverter 12. Die Strömungsrichtung der Abgase ist durch einen Pfeil angedeutet. Stromabwärts vom Abgaskonverter 12 befindet sich ein erster Meßfühler mit einer Meßzelle 14, während stromaufwärts vom Abgaskonverter 12 ein zweiter Meßfühler mit einer Meßzelle 16 vorgesehen ist.

Die erste Meßzelle 14 weist einen im Temperaturbereich zwischen 250° und 950⁰C sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, eine elektronenleitende, im Bereich zwischen 250° und 950°C stabile, auf Stauerstoff ansprechende katalytisch aktive Elektrode und eine der Dreiphasengrenze vorgeschaltete Gas-Diffusionsstrekke auf, während die zweite Meßzelle 16 bei im übrigen gleichem Aufbau zusätzlich eine katalytisch aktive Zone aufweist, die dafür sorgt, daß nur solches Abgas die Dreiphasengrenze erreicht, das in seiner Zusammensetzung und damit in seinem Sauerstoffgehalt dem Gasgleichgewicht entspricht, welches bei voll funktionsfähigem Abgaskonverter geliefert wird. Die beiden Meßzellen 14,16, die jeweils noch mit eine- r*eferenzelektrode bzw. einer Gegenelektrode versehen sind, sind über ein Meßinstrument 18 elektrisch gegeneinander geschaltet.

Bei der Meßfühleranordnung gemäß F i g. 1 wird die

zweite Meßzelle 16 von den unbehandelten Abgasen einer Brennkraftmaschine od. dergl. umspült und besitzt als äußerste, mit dem Abgas in Kontakt stehende Schicht eine katalytisch aktive Zone, die dafür sorgt, daß die Dreiphasengrenze dieser zweiten Meßzelle 16 durch die Gas-Diffusionszone hindurch nur von solchem Abgas erreicht wird, das in seinem Sauerstoffgehalt dem Gasgleichgewicht bei der betreffenden Abgastemperatur entspricht

Stromabwärts vom Abgaskonverter 12 muß dann, wenn der Abgaskonverter 12 einwandfrei arbeitet, ebenfalls ein Abgas vorbanden sein, das in seinem Sauerstoffgehalt und in seiner übrigen Zusammensetzung dem chemisch-thermodynamischen Gasgleichgewicht entspricht. Von diesem Abgasstrom wird nun d;-e erste Meßzelle 14 umspült, welche als äußerste Schicht keine katalytisch aktive Zone, sondern unmittelbar die Gas-Diifusionsstrecke aufweist. Bei voll funktionsfähigem Abgaskonverter muß also an der Dreiphasengrenze der ersten Meßzelle 14 zumindest im wesentlichen der gleiche Sauerstoffpartialdruck herrschen, wie an der Dreiphasengrenze der zweiten Meßzelle 16. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich aber auch keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Meßzellen 14,16, so daß am Meßinstrument 18 kein Ausschlag festgestellt werden kann.

Wenn der Abgaskonverter dagegen nicht einwandfrei arbeitet, dann ändert sich die Zusammensetzung des die erste Meßzelle 14 umspülenden Abgases aufgrund der diffmionsbedingten A-Verschiebung entsprechend, so daß das Meßinstrument 18 eine Potentialdifferenz anzeigt, wobei sich versteht, daß das Meßinstrument in Fig. 1 nur zur Verdeutlichung der Erfindung eingezeichnet ist und daß in der Praxis die Potentialdifferenz an den beiden Meßzellen auch auf andere Weise ange< zeigt oder ausgewertet werden kann.

Beim Einsatz einer Meßfühleranordnung gemäß F i g. 1 in einem Kraftfahrzeug ist es vorteilhaft, wenn die stromaufwärts vom Abgaskonverter 12 befindliche zweite Meßzelie gleichzeitig als Regelsonde für das Gemisch-Aufbereitungssystem eingesetzt wird. Bei anderen Anwendungszwt-cken, bei denen das Gemisch nicht wie bei einem Kraftfahrzeug mit sehr kleinen Zeitkonstanten bzw. gar nicht geregelt wird, wo also die entsprechenden Regelfunktion der zweiten Meßzelle 16

entfallen kann, kann dieser auch hinter dem Abgaskonverter 12 eingebaut werden. In diesem Fall ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Meßzellen 14, 16 zu einem einzigen Bauelement zusammenzufassen, wie dies die F i g. 2—6 zeigen, wobei das Bauelement verhältnismäßig kompakt und rein äußerlich ähnlich wie die heute üblichen Λ-Sonden ausgebildet sein kann.

Im einzelnen zeigen die F i g. 2a und b ein Bauelement mit einem Grundkörper 20 aus einem Festelektrolyten, der innen einen Hohlraum 22 aufweist, welcher mit einer Innenelektrode 24 versehen ist. Auf der Außenseite des Grundkörpers 20 sind zwei durch eine Isolationszone 26 voneinander getrennte Elektrodensysteme 28, 30 vorgesehen. Da« erste Elektrodensystem 28 bildet zusammen mit der Innenelektrode 24 und der Wandung des Grundkörpers 20 einen der ersten Meßzelle 14 entsprechenden Meßfühler, während das zweite Elektrodensystem 30 zusammen mit der Innenelektrode 24 und

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dem Giunukutpci 20 einen der zweuen MeSzcHc 56 entsprechenden Meßfühler bildet. Das erste Elektrodensystem besteht also aus einer elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden katalytisch aktiven Elektrode, auf deren Außenseite eine Gas-Diffusionsstrecke vorgesehen ist. während das zweite Elektrodensystem aus den gleichen Schichten besteht und außerdem auf der Außenseite der Gas-Diffusionsstrecke eine katalytisch aktive Zone aufweist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.3 besitzt der aus einem Festelektrolyten bestehende Grundkörper 20 einen Hohlraum in Form einer durchgehenden Mittelöffnung 32, deren Wandung mit dem Elektrodensystem 30 versehen ist, während auf der Außenseite des Grundkörpers 20 das Elektrodensystem 28 vorgesehen ist. Jedes der Elektrodensysteme 28, 30 bildet die Gegenelektrode für das jeweils andere Elektrodensystem 30, 28, so daß ein der Innenelektrode 24 gemäß F i g. 2 entsprechendes Element entfallen kann. Im übrigen kann die Innen- oder Bezugselektrode auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 weggelassen werden, wenn die Belastung durch die Meßschaltung klein ist

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4 ist ähnlich wie bei dem Ausfühningsbeispiel gemäß F i g. 3 ein rohrförmiger Grundkörper 20 vorgesehen, auf dessen Umfangsfläche das zweite Elektrodensystem 30 vorgesehen ist, während sich das erste Elektrodensystem 28 in der Mittelöffnung 32 des Grundkörpers 20 befindet und insofern modifiziert ist, als die Diffusionsstrecke nicht als äußere Beschichtung der elektronenleitenden Elektrode ausgebildet, sondern als scheibenförmige Materialschicht 34 auf uer im Betrieb dem Abgasstrom zugewandten offenen Seite des Grundkörpers 20 angeordnet ist

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist der aus dem Festelekirolyten bestehende Grundkörper 20 plattenförmig ausgebildet und auf seiner einen Hauptfläche mit dem ersten Elektrodensystem 28 und auf seiner zweiten Hauptfläche mit dem zweiten Elektrodensystem 30 versehen, wobei die beiden Elektrodensysteme 28,30 wie auch bei dem Ausführungsbeispiei gemäß F i g. 4 einander wieder gegenseitig die Gegenelektrode bilden. Zum Schutz der Elektrodensysteme und zur Halterung des ganzen Bauelements mit dem Grundkörper 20 und den Elektrodensystemen 28,30 ist bei dem Ausführungsbeispie! gemäß F i g. 5 ein Schutzrohr 36 vorgesehen, in welches das plattenförmige Bauelement vorzugsweise vollständig hineingeschoben ist

Bei dem Ausführungsbeispiei gemäß F i g. 6 ist wieder ein plattenförmiger Grundkörper 20 aus einem Festelektrolyten vorgesehen, dessen eine Hauptfläche mit einer gemeinsamen Gegenelektrode versehen ist, die wegen der funktionellen Übereinstimmung mit der Innenelekirode des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 ebenfalls wieder mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet ist. Auf der anderen Hauptfläche des plattenförmigen Grundkörperü 20 — in den F i g. 6a und b auf der Oberseite desselben — sind zwei Meßzellenpaare 38 vorgesehen, welche zur Meßspannungserhöhung in Reihe geschaltet sind. Jedes Meßzellenpaar 38 umfaßt dabei zwei Elektronensysteme mit jeweils einer an den Festelektrolyten angrenzenden elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode und mit einer darüber angeordneten katalytisch aktiven Zone, wozu bei dem in den Fig. 6a und b jeweils rechts befindlichen Elektrodensystem noch eine Gas-Diffusionsstrecke hinzukommt. Eine solche Gas-Diffusionsstrecke bzw. Gasen Elektrolytoberfläche vorgesehen (nicht dargestellt).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von, insbesondere katalytisch arbehenden, Abgaskonvertern, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei Meßzellen besteht, von denen die eine Zelle (16) auf einem Festelektrolyten eine elektrisch leitende, auf Sauerstoff ansprechende Meßelektrode und darüber eine an sich bekannte Gasdiffusionsscbicht sowie eine katalytisch aktive Schicht aufweist, während die andere Zelle (14) auf dem Festelektrolyten eine katalytisch aktive Schicht und darüber ebenfalls eine Gasdiffusionsschicht aufweist, wobei die Gegenseiten der Festelektrolyte Gegenelektroden tragen.

2. Meßfühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßzellen (14, 16) zwei getrennte Meßfühler bilden, von denen der erste mit der Meßzelle (14) in Strömungsrichtung hinter und de»" zweite mit der Meßzelle (16) vor dem Abgaskonverter (12) angeordnet ist

3. Meßfühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßzeüen (14, 16) zu einem einzigen Bauelement zusammengefaßt sind.

4. Meßfühleranordnung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement einen als Hohlkörper ausgebildeten Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, auf dessen Innenseite eine gemeinsame Gegenelektrode (24) für beide Meßzellen (14,16) vorgesehen ist und auf dessen Außenseite die zweiten Elektrode./ der beiden Meßzellen (14, 16) durch eine Isolationtzone (26) voneinander getrennt sind.

5. Meßfühleranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement derart aufgebaut ist, daß die katalytisch aktive Elektrode der ersten Meßzelle (14) die Gegenelektrode der zweiten Meßzelle (16) bildet und daß die elektronenleitende, auf Sauerstoff ansprechende Elektrode der zweiten Meßzelle (16) die Gegenelektrode der ersten Meßzelle (14) bildet.

6. Meßfühleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Platte mit folgender Schichtfoige ist: