DE2833766A1

DE2833766A1 - Sauerstoffmessfuehler

Info

Publication number: DE2833766A1
Application number: DE19782833766
Authority: DE
Inventors: Michel Leon Jeunehomme
Original assignee: Bendix Autolite Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1978-08-01
Publication date: 1979-03-22
Also published as: AU3860278A; SE7809438L; IT7827402A0; GB2004067A; FR2402870A1; IT1098835B; JPS5451592A

Description

Sauerstoffmeßfühler

Die Erfindung betrifft Sauerstoffmeßfühler, insbesondere als Trockenzelle ausgebildete Sauerstoffmeßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes in den Abgasen eines Verbrennungsmotors .

Seit einigen Jahren ist es bekannt, den Sauerstoffanteil der Auspuffgase eines Verbrennungsmotors mit Hilfe elektrochemischer Meßfühler zu messen. Viele dieser Meßfühler verwenden eine Trockenzelle, in welcher ein als Festkörper ausgebildeter Sauerstoffionenelektrolyt auf einer Seite einem Bezugsgas und auf der anderen Seite dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Der Unterschied im Sauerstoffteildruck auf beiden Seiten des Festkörperelektrolyten erzeugt eine elektromotorische Kraft, die nach der folgenden Formel berechnet werden kann:

RT
E = In p(0₂) /p° (O₂) (1)

4F

worin R die Gaskonstante, T die Absoluttemperatur, S die Faraday-Konstante, ρ(O₂) der Sauerstoffteildruck an der dem zu messenden Gas ausgesetzten Elektrode und ρ (0») der Sauerstoffteildruck an der dem Bezugsgas ausgesetzten Elektrode ist.

Bei vielen früheren Meßfühlern sind beide Elektroden aus dem

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gleichen Werkstoff gefertigt. Bei einigen dieser Meßfühler, die z.B. in den US-Patentschriften 3 819 500, 3 935 089 und 3 940 327 beschrieben sind, sind beide Elektroden katalytisch, während bei anderen Geräten, wie den in den US-Patentschriften 3 768 259 und anscheinend 3 616 274 beide identischen Elektroden nichtkatalytisch sind. Andererseits legt das US-Patent 3 941 67 3 nahe, daß die dem zu messenden Gas ausgesetzte Elektrode nichtkatalytisch und die dem Bezugsgas ausgesetzte Elektrode katalytisch aktiv sei. In dieser Patentschrift wird festgestellt, daß die von einer solchen Zelle erzeugte, sich ergebende elektromotorische Kraft unter bestimmten Bedingungen eine ungenaue Anzeige des Sauerstoffgehaltes bietet, wenn eine katalytische Elektrode dem Auspuffgas ausgesetzt wird, da katalytische Elektroden eine Reaktion des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors mit dem Sauerstoff auf der Elektrodenoberfläche auslösen, bis beinahe ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Alle vorerwähnten Patentschriften zeigen, daß eine Elektrode der Trockenzelle dem zu messenden Gas und die andere einem Bezugsgas ausgesetzt ist. In der Praxis von Abgasüberwachungsgeräten für Kraftfahrzeuge wird der Meßfühler im Auspuffkanal eines Verbrennungsmotors so montiert, daß die Prüfelektrode den Auspuffgasen und die Bezugselektrode der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Wie in der US-Patentschrift 3 940 327 erläutert wird, erfordert die Genauigkeit dieser Anordnung große Vorsicht bei der Verhinderung des Leckens von Abgasen auf der Bezugsseite des Sauerstoffionenfestkörperelektrolytenο Der Haupttemperatur-

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gradient, welchem die Dichtung zwischen Betriebstemperatur und Nichtbetriebstemperatur solcher Vorrichtungen ausgesetzt ist, erschwert eine richtige Abdichtung und erhöht die Herstellungskosten eines Meßfühlers.

Ähnliche Meßfühler, bei welchen eine Seite des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten dem zu messenden Gas und die andere einem Bezugsgas ausgesetzt ist, werden für andere Anwendungen eingesetzt. Die US-Patentschrift 3 514 377 zeigt die Verwendung eines solchen Gerätes für die Analyse von Abgasen beim Abzug eines Blasstahlkonverters, und in der US-Patentschrift 3 791 954 wird nahegelegt, daß solch eine Vorrichtung für die Messung des Sauerstoffgehaltes von Gießmetall verwendet werden kann. Ähnliche Vorrichtungen wurden auch für die Analyse des Sauerstoffgehaltes von anderen Ofengasen eingesetzt, wie in der US-Patentschrift 3 546 086 gezeigt wird. Die Abdichtung der zu messenden Gase gegenüber dem Bezugsgas kann bei solchen Anwendungen besonders schwierig werden, wie sie in den beiden ersten vorerwähnten Patentschriften beschrieben sind, bei welchen extreme Temperaturen und hohe Temperaturwechselbelastungen auftreten.

Bei einem Ausführungsbeispiel der US-Patentschrift 3 578 578 wird eine im Auspuffgas angeordnete Zelle aus Zirkonerde ohne ein Bezugsgas benutzt. Die Bezugsspannung wird jedoch bei dieser Vorrichtung durch ein in der Zirkonerde angeordnetes Me= tall-MetalloxidpIattenpaar geliefert„

Erfindungsgemäß ist eine Trockenzelle mit einem Sauerstoffionen·=

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festkörperelektrolyten vorgesehen, die kein Bezugsgas oder eine Bezugsspannungsquelle aus Metall-Metalloxid braucht.

Erfindungsgemäß ist eine Trockenzelle mit Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten vorgesehen, die eine katalytische Elektrode auf einer Oberfläche und eine nichtkatalytische Elektrode auf der anderen Oberfläche besitzt und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Sauerstoffionfestkörperelektrolyt durch eine Montagevorrichtung im Abgasstrom angeordnet ist, sowie dadurch, daß beide Elektroden dem zu messenden Gas ausgesetzt sind.

Die Anmelderin erkannte, daß der verhältnismäßig geringe Wechsel des Sauerstoffpartialdruckes an der nichtkatalytischen Elektrode zwischen einem fetten und mageren Gemisch gegenüber der verhältnismäßig großen Veränderung, die durch die katalytische Wirkung an der katalytischen Elektrode auftritt, eine geeignete Bezugsspannung zum Betrieb der Zelle liefert. Dadurch, daß beide Seiten des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten von den Auspuffgasen umströmt werden, entfällt die Notwendigkeit für eine betriebssichere temperaturunabhängige Dichtung, um zu verhindern, daß die Auspuffgase mit der Bezugselektrode in Berührung kommen« Dadurch wird der Aufwand für den und damit auch die Kosten des Meßfühlers erheblich herabgesetzt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel des Meßfühlers wird die Platte des Festkörperelektrolyten durch eine Montagevorrichtung oder einen Träger gestützt, wobei beide planparallelen Oberflächen des Elektrolyten, auf welchem die Elektroden be-

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festigt sind, parallel zum Abgasstrom angeordnet sind. Diese Auslegung setzt weitgehend den Verschleiß herab, der durch den Abgasteilchenbeschuß bewirkt wird und vermeidet die Notwendigkeit für einen Schutzschirm.

In dem bekanntgemachten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt der Sauerstoffionenfestkörperelektrolyt die Form einer Scheibe, die auf der Kante einer nichtleitenden Grundplatte aufliegt, welche durch eine Öffnung in der Seitenwand des Auslaßkanals ragt. Ringförmige elektrische Leiter stehen in elektrischem Kontakt mit den Elektroden auf den planparallelen Oberflächen der Scheibe und sind mit elektrischen Leitungen verbunden, welche durch den nichtleitenden Sockel geführt sind.

Es wird vermutet, daß die erfindungsgemäße Anordnung einen verbesserten thermischen Frequenzgang aufweist und somit bei der Temperatur des Abgases zu einem schnellen Gleichgewicht und minimalen Kaltstartverzögerungen führt, wenn sie bei der Luft-Kraftstoffgemisch-Regelung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.

Die Erfindung ist nachstehend naher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Aufriß eines erfindungsgemäßen Meßfühlers mit dem

Auslaßkanal, in welchen der Meßfühler eingesetzt ist, Fig. 2 einen Seitenriß des Meßfühlers der Fig. 1, gesehen von

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- 8 der rechten Seite der Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Trockenzelle umfaßt einen Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten 1. Entsprechende Elektrolyten dieser Art sind allgemein bekannt, wobei allgemein Mischkristalle aus Zirkonoxid verwendet werden, die durch Calciumoxid stabilisiert
sind. Der Sauerstoffionenfestkörperelektrolyt kann als Scheibe
ausgeformt sein, die mit einem Teil ihrer Kante in einem nichtleitenden Träger wie einem Keramiksockel 3 gelagert ist.

An den planparallelen Oberflächen des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten 1 sind Elektroden 5 und 7 angebracht. Die Elektrode 5 umfaßt eine poröse Schicht aus einem Werkstoff wie Platin,
der in bezug auf die Oxidation des Kohlenmonoxids und der Kohlen· Wasserstoffe, die in den Abgasen des Verteilungsmotors anwesend sind, katalytisch aktiv ist, während die Elektrode 7 eine poröse Schicht eines katalytisch nicht aktiven Materials wie Gold oder Silber umfaßt. Andere geeignete katalytische und nichtkatalytische Elektrodenwerkstoffe sind allgemein bekannt.

Die ringförmigen Leiter 9 und 11 sind an den planparallelen
Oberflächen der Scheibe 1 befestigt und stehen in elektrischem
Kontakt mit den porösen Elektroden 5 und 7. Elektrische, an die Leiter 9 und 11 angeschlossene Leitungen 13 und 15 sind durch
den keramischen Sockel 3 geführt und ragen über den Boden des
Sockels hinaus, um einen zweipoligen Kontaktstift-Steckerbinder des Meßfühlers zu bilden.

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Der Meßfühler ist in der Wand des Abgaskanals 17 eines Verbrennungsmotors montiert \nd wird durch eine Verriegelungsmutter 19 gehalten. Der Meßfühler ist so montiert, daß die planparallelen Oberflächen der Scheibe 1 parallel zur Strömungsrichtung der Auspuffgase durch den Abgaskanal 17 liegen, der seinerseits quer zum Schnitt der Fig. 1 angeordnet ist.

Im Betrieb bringt die katalytische Wirkung die Abgase an der aktiven Elektrode 5 in ein thermodynamisches Gleichgewicht. So ist selbst bei einem leicht angereicherten oder fetten Auspuffgas, dessen Sauerstoffteildruck etwa 1 % des Gesamtdruckes erreicht, der Effektivteildruck des Sauerstoffs an der aktiven Elektrode etwa 10 atü im Temperaturbereich des praktischen Betriebes (400 - 950 ° C). Da der Teildruck an der inaktiven Elektrode nicht weiter beeinflußt wird, erzeugt die Zelle eine EMK. Nach Gleichung (1) muß ein Signal von etwa 0,62 V für ein leicht angereichertes Gemisch bei 1000 ° K (727 ° C, 1341 ° F) erzeugt werden. Unter Bedingungen eines mageren Gemisches erhöht sich der Sauerstoffdruck im Auspuffgasgemisch auf mehrere %. Da unter diesen Bedingungen weniger Kraftstoff im Abgas anwesend ist, ändert sich der Sauerstoff-Partialdruck an der Oberfläche der katalytischen Elektrode nur wenig infolge der katalytischen Wirkung. Daher bleiben Sauerstoffpartialdrücke an den Oberflächen beider Elektroden im wesentlichen gleich und es wird, keine große EMK erzeugt»

Bei den Meßfühlern des früheren Standes der Technik„ bei.Vielehen die Bezugselektroden der Umgebungsluft mit 21 δ Sauerstoff aus= gesetzt ist, ist das durch die Zelle nach Gleichung -(1) er=

ORIGINAL INSPECTED

zeugte Signal stärker als das des dort vorgeschlagenen Maßfühlers. Doch erzeugen diese früheren Vorrichtungen auch ein meß- und abgreifbares Signal für Magergemischsustände, so daß der Größenunterschied der für magere und fette Luft-Kraftstoffgemische erzeugten Signale für beide Arten von Meßfühlern weitgehend gleich ist. Der erfindungsgemäße Meßfühler erreicht jedoch diese Ergebnisse ohne Notwendigkeit für Hochleistungsdichtungen, die bei Meßfühlern erforderlich sind, welche die ümgebungsluft als Bezugsgas benützen. Die erfindungsgemäßen Meßfühler sind daher einfacher herzustellen und damit auch billiger.

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Claims

Patentanwälte Dipl. Ing. H. Hauck Dipl. Phys. V/. Schmitz Dipl. Ing. E. Gfsalts Dipl. Ing. W. W2hirert Dipl. Phys. VV. Carstens Dr.-Ing. VV. Döring Mozartstraße 23 80OO München 2 Bendix Autolite Corporation Executive Office P.O. Box 880 Anwaltsakte M-4674 Fostoria, Ohio (USA) 17. Juli 1978 Sauerstoffmeßfühler Pj.ten tj.n sprüchej

1. Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit vom Sauerstoffteildruck in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, die durch einen Abgaskanal strömen, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Baugruppen umfaßt: eine Platte (1) eines Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten mit einer ersten und zweiten planparallelen Oberfläche auf jeder Seite, ferner mit einer ersten Elektrode (5), die in bezug auf die Oxidierung von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen in den Abgasen des Verbrennungsmotors katalytisch aktiv ist und an der ersten planparallelen Oberfläche der Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten befestigt ist, sodann mit einer zweiten Elektrode (7), die in bezug auf die Oxidation der Kohlenmonoxide und der Koh-

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QRIGMÄL· INSPECTED

lenmonoxide und der Kohlenwasserstoffe in den Auspuffgasen des Verbrennungsmotors katalytisch inaktiv ist und an der zweiten planparallelen Oberfläche der Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten befestigt ist, und schließlich, mit Mitteln (3) zur Befestigung der Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten im Abgaskanal (17), wobei beide Elektroden (5, 7) den Abgasen ausgesetzt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagevorrichtung (3) die Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten mit deren planparallelen Oberflächen parallel zum Abgasstrom haltert.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten als Scheibe (1) ausgeformt ist sowie dadurch, daß die Montagevorrichtung (3) ein nichgleitender Sockel (3) ist, in welchen ein Teil der Scheibe (1) befestigt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode (5, 7) als Beläge auf die entsprechenden planparallelen Oberflächen der Platte (1) des Sauerstoffionenfestkörperelektrolyten aufgebracht sind sowie dadurch, daß ringförmige Leiter (9, 11) in elektrischem Kontakt mit der ersten und zweiten Elektrode (5, 7) sowie mit elektrischen Leitungen (13, 15) stehen, welche an die ringförmigen Leiter (9, 11) angeschlossen sind und durch den nichtleitenden Sockel (3) durchgeführt sind»

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