DE2917160A1 - Verfahren zum feststellen eines luft-brennstoff-verhaeltnisses in verbrennungseinrichtungen durch messung des sauerstoffgehalts im abgas - Google Patents
Verfahren zum feststellen eines luft-brennstoff-verhaeltnisses in verbrennungseinrichtungen durch messung des sauerstoffgehalts im abgasInfo
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Description
Verfahren zum Peststellen eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses
in Verbrennungseinrichtungen durch Messung des Sauerstoffge-
halts im Abgaso
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Peststellen des Luft-Brennstoff
-Verhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches, das einer Verbrennung in einer Verbrennungseinrichtung, z.B. der
Brennkammer einer Brennkraftmaschine, unterzogen wird, durch
Verwendung eines Sauerstoffühlers spezieller Bauart, der in
dem von der Verbrennungseinrichtung abgegebenen Verbrennungsgas angebracht ist.
Auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen, insbesondere bei
Kraftfahrzeugmotoren, ist es gebräuchlich geworden als Basis
für eine Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, Änderungen im Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine
zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisch.es zu messen durch Peststellen
der Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine, da es praktischer ist, einen Sauerstofffühler
im Auspuffsystem der Maschine anzubringen, als im Zuführsystem. Ein für diesen Zweck vorgesehener Fühler hat Konzentrationszellenbauart
mit einer Schicht eines Sauerstoffionen leitenden Peststoff-Elektrolyten, einer Messelektrodenschicht,
die porös an einer Seite der Peststoff-Elektrolytschicht angeordnet
ist und einer Bezugselektrodenschicht, die an der anderen Seite ausgebildet isto Dieser Säuerstoffühler arbeitet mit
Aufrechterhaltung eines Bezugs-Sauerstoffteildrucks an der Innenseite
zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Peststoff-Elektrolytschicht, so dass der Pühler eine elektromotorische
Kraft erzeugt, deren Grosse sich entsprechend der Differenz zwischen einem Säuerstoffteildruck in einem Prüfgas,
welchem die Uesselektrodenschicht ausgesetzt ist und dem Bezugs-Sauerstoff
teildruck ändert. Bei Verwendung im Abgas einer
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Brennkraftmaschine zeigt dieser Sauerstoffühler beim Auftreten
einer Änderung des luft-Brennstoff-Verhältnisses über ein
stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis eine starke und
scharfe Änderung in seinem Ausgang. Entsprechend ist dieser Sauerstoffühler gut geeignet für eine Brennkraftmaschine, die
mit einem stöchiometrischen oder einem etwa stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Gemisch betrieben wird.
Bei Benzin-Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge ist die Entwicklung
von sogenannten "Magerbrennmaschinen" im Fortschreiten, im Hinblick auf die Verbesserung des Y/irkungs grades der
Verbrennung und daraus folgend, einer weiteren Verbesserung der Abgasemissionssteuerung durch die Verwendung eines erheblich
mageren Luft-Brennstoff-Gemisches, d.h. eines Gemischs
mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis erheblich oberhalb des
stöchiometrischen Luft-Brennstoff-S-ewicht-Verhältnisses von
14,7.
Bei Magerbrennmaschinen steht jedoch der Regelung des Luft-Brennstoff
-Verhältnisses das Problem entgegen, das es unmöglich ist, bei einem mageren Gemisch genau ein tatsächliches Luft-Brennstoff
-Verhältnis durch Einbau eines Sauerstoffühlers der,,.
oben beschriebenen Art in das Auspuffsystem festzustellen oder
zu bestimmen, da hier nur geringe Änderungen in der Grosse der
elektromotorischen Kraft des Fühlers auftreten, wenn das Luft-Brennstoff -Verhältnis sich nur an einer Seite des stöchiometrischen
Verhältnisses ändert. Daher müssen übliche Magerbrennmaschinen
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelsysteme mit offener Schleife verwenden, die zusätzlich verschiedene Elemente
im Ansaugsystem in der Maschine fordern. Jedoch sind diese Regelsysteme nicht nur durch ihre Kompliziertheit und
ihre Kostspieligkeit nachteilig, sondern auch durch ihre unbefriedigende Genauigkeit und Ansprechfähigkeit.
Ein Verfahren zum Feststellen eines mageren Luft-Brennstoff-Verhältnisses
ist in dem SAE Blatt (Society of Automotive
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Engineers, USA) Hr. 78.0212 (1978) beschrieben. Bei diesem Verfahren
wird von einem Sauerstoffühler Gebrauch gemacht, der eine rohrförmige Schicht von Zirkonerde (Zirconia),einem typischen
Beispiel eines Sauerstoffionen leitenden Feststoff-Elektrolyten(hat,
der mit Bezugs-bzw. Hess-Elektrodenschichten an der Innenseite bzw. der Aussenseite abgedeckt ist, mit Temperaturkompensation
und Verwendung von Luft als Quelle für den Bezugssauerstoffteildruck.
Jedoch ist die Grosse der Änderungen einer von dem im Abgas
liegenden Sauerstoffühler auf diese Weise erzeugten elektromotorischen Kraft sehr gering, soweit das Luft-Brennstoff-Verhältnis
sich innerhalb des mageren Bereichs ändert, so dass es nicht leicht ist, eine Rücksteuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
auf der Basis des Aufgangs des Sauerstoffühlers
durchzuführen. Z.B. ist ein oauerstoffteildruck P im Abgas βίο
wa 1 χ 10 at, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis etwa 15
wa 1 χ 10 at, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis etwa 15
_p
ist und wird etwa 4 x-10 "at, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis
sich auf etwa 18 ändert, während der Bezugssauerstoffteildruck
(von Luft) P etwa 0,21 at ist. Entsprechend der ITerst-G-leichung
ist die Grosse einer Änderung Δ Ε der elektromotorischen
Kraft, die sich aus der Änderung des Sauerstoffteildrucks
—2 —2
P von P1 = 1 χ 10 auf P„ = 4 x 10 bei einer konstanten
Temperatur T ( K) ergibt, wie folgt ausgedrückt:
A- RT {/?o /Λ, RT * P2
Pp
= O0O496T χ log10 ψ (mV)
wobei R die Gaskonstante und P die Faradaysche Konstante ist.
Wenn die Abgastemperatur T=900°K betragt,ist
—2
AE = Oo0496 χ 900 χ login 4 x 10 o = 27 mV
1U 1 X 10"^
Dieser Wert für & E ist zu klein, um ihn als Rückspeisesignal
in einem praktisch durchführbaren Regelsystem für das Luft-Brennstoff
-Verhältnis zu verwenden, da verschiedene Paktoren
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z«B. die Dispersion der elektromotorischen Kraft, die die Verwendbarkeit
von industriell erzeugten Sauerstoffühlem begründet, der Einfluss der Abgastemperatur auf die elektromotorische
Kraft und Messfehler durch 'den Einfluss-von Geräuschen in
Betracht gezogen werden müssen.
Entsprechend dem SAE-Blatt No.76 0512 (1976) ist es möglich,
Änderungen im Luft-Brennstoff-Verhältnis eines mageren Gemische
festzustellen, durch Verwendung eines bestimmten Oxydhalbleiters, wie CoO, welcher eine Änderung in seinem Widerstand in
Abhängigkeit von Änderungen des Sauerstoffteildrucks in der umgebenden Gasatmosphäre zeigt, als Fühlelement eines Sauerstoff
ühlers, welcher dem Abgas ausgesetzt ist. Es ist jedoch erforderlich, dieses Fühlelement bei einer sehr hohen Temperatur,
z.B. über 9000G zu halten, da bei niederen Temperaturen
CoO zur Umwandlung in das mehr stabile Co^ 0. neigt, dessen
Widerstand durch einen Sauerstoffteildruck in einer umgebenden -Gasatmosphäre nicht'wesentlich beeinflusst wird.
Entsprechend erfordert ein Sauerstoffühler dieser Bauart die Anordnung einer Heizung. Bei der praktischen Anwendung ergibt
die Anordnung einer Heizung, welche kontinuierlich bei einer Temperaturhöhe von 9000C betrieben wird, verschiedene Probleme,
z.B. eine Beeinträchtigung nicht nur des Beheizungsmaterials, sondern auch des CoO-Fühlerelements selbst, und die Kompliziertheit eines unbedingt erforderlichen Temperaturkompensationskreiseso
Infolge dieser Probleme ist dieser Fühler ungeeignet für die Verwendung in allgemein verwendeten Geräten, wie Kraftfahrzeugen.
Die US-PS 39^41 673 zeigt einen Zirkonerderohr-Sauerstoffühler,
welcher ein nichtkatalytisches Material, wie Gold oder Silber
als Werkstoff für seine Messelektrodenschicht verwendet, welche dem Abgas einer Brennkraftmaschine ausgesetz ist und dient zur
Feststellung eines Luft-3rennstoff-Verhältnisses eines fetten Gemischs. Vom praktischen Gesichtspunkt aus, ist jedoch dieser
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- ίο -
Sauerstoffühler unbefriedigend, da die Messelektrodenschicht
bei einem Mediumstrom hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit ungenügend in ihrer standzeit ist, ZoB, bei einem Abgas
in einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen-Auspuffleitung, infolge eines relativ niederen Schmelzpunktes und der geringen
Härte des Elektrodenmaterials,und da das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffteildruck in einem Prüfgas und der elektromotorischen
Kraft des Fühlers zu Schwankungen infolge der Absorption des Prüfgases in der nichtkatalytischen Elektrodenschicht
neigt. Daneben v/irkt als Nachteil, der auch in Verbindung mit üblichen Säuerstoffühlern, mit einem so grossen Zirkonerderohr,
dass es als Konstruktionsteil dienen kann, auftritt, dass eine Temperaturkompensationsschaltung für diesen Säuerstoffühler
(auch zum Kompensieren von mit den Änderungen der Temperatur auftretenden Änderungen der elektromotorischen Kraft) infolge
der grossen Wärmekapazität des Zirkonerderohrs sehr kostspielig ist.
In Verbindung mit einer Einrichtung, die einen Brenner oder eine Brennkammer aufweist, in welcher ein Luft-Brennstoff-Gemisch
verbrannt wird und eine Abgasleitung aufweist, durch welche ein Verbrennungsgas geleitet wird, wie dies typisch für Brennkraftmaschinen
ist, ist es eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein verbessertes und praktikableres Verfahren zum Peststeilen
des tatsächlichen Luft-Brennstoff-Verhältnisses der
in der Brennkammer verbrannten Mischung durch Verwendung eines in der Abgasleitung liegenden Sauerstoffühlers zu schaffen, wobei
das Verfahren wirksam ist, sowohl wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch ein mageres Gemisch als auch wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch
ein fettes Gemisch ist.
Es ist eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zum Peststellen der Sauerstoffkonzentration in
einem Verbrennungsgas zu schaffen, das durch die Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Semischs mit .einem Luft-Brennstoff-Verhältnis
sowohl oberhalb als auch unterhalb des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses gebildet wird.
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- li -
Bei einem Verfahren gemäss der Erfindung wird das tatsächliche
Luft-Brennst off -Verhältnis eines Luft-Brennstoff-Gemischs, das
einer Verbrennung in einer Einrichtung unterzogen ist, welche eine Brennkammer und eine Abgasleitung aufweist, durch die die
durch Verbrennung des Luft-Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer
erzeugten Abgase geleitet werden, durch die folgenden
Schritte festgestellt. Bei diesem Verfahren wird Gebrauch gemacht von einem Sauerstoffühler, welcher eine gasdurchlässige
poröse Schicht eines Sauerstoffionen leitenden Feststoff-Elektrolyten,
eine gasdurchlässige, poröse und elektronisch leitende Messelektrodenschicht, die an und in dichter Berührung mit
einer Seite der Feststoff-Elektrolytschicht liegt, eine gasdurchlässige
und elektronisch leitende poröse Bezugselektrodenschicht, die an und in dichter Berührung mit der anderen Seite
der Peststoff-Elektrolytschicht liegt und einer Abdecksehicht
besteht, die aus einem elektrochemisch inaktiven Werkstoff besteht und die Bezugselektrodenschicht derart abdeckt, dass die
.Bezugselektrodenschicht mit der umgebenden Gasatmosphäre nur
durch Poren in der Messelektrodenschicht und der Feststoff-Elektrolytschicht in Verbindung steht. Dieser Fühler wird in die
Abgasleitung so eingesetzt, dass er dem Verbrennungsgas ausgesetzt ist und eine Gleichstromspannung wird kontinuierlich über
die Mess- und die Bezugselektrodenschicht aufgebracht, so dass ein Gleichstrom einer vorbestimmten Stärke durch die Feststoff-Elektrolytschicht
zwischen· der Mess- und der Bezugseiektroden— schicht fliesst und dabei einen Sauerstoffpartialdruck in der
Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Feststoff-Elektrolytschicht aufrecht erhält. Bei dieser Anordnung
wird eine über die Mess- und Bezugselektrodenschicht erzeugte elektromotorische Kraft gemessen und dabei das Luft-Brennstoff
-Verhältnis festgestellt, welches auf einem vorgetesteten Verhältnis zwischen dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
und der Grosse der elektromotorischen Kraft basiert. Bei diesem Verfahren wird die vorbestimmte Stärke des Stromes geringer gehalten,
als eine kritische Stromstärke, oberhalb welcher die
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often erwähnte elektromotorische Kraft im wesentlichen konstant wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis sich nur an einer
Seite des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses des
Luft-Brennstoff-Gemischs ändert*
Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Luft-Brennstoff-GemisdB
höher als das stödziometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis ist,
ist die Bezugselektrodenschicht des Sauerstoffühlers mit der
negativen Ausgangsklemme einer Gleichstromquelle zum Aufbringen einer G-leichstromspannung auf den Fühler verbunden. Wenn
das Luft-Brennstoff-Verhältnis geringen als das stö'chiometrische
Verhältnis ist, wird die Bezugselektrodenschicht mit der positiven Ausgangsklemme der Gleichstromquelle verbunden.
Ein dem beim Verfahren gemäss der Erfindung verwendeten vergleichbarer
Sauerstoffühler ist Gegenstand der früheren Anmeldung P 29 06 459·3 vom 20 Febro1979 der gleichen AnneIderin.
Dieser Fühler ist primär durch die Verbindung der Bezugselektrodenschicht mit einer äusseren Gasatmosphäre gekennzeichnet, die
einer Messung durch Poren in der Messelektrodenschicht und der Peststoff-Elektrolytschicht unterzogen ist, wobei ein Bezugssauerstoff teildruck an der Bezugselektrodenseite der Feststoff-Elektrolytschicht
(ohne Verwendung einer gesonderten Substanz als Bezugssauerstoffquelle) durch einen Strom aufrechtgehalten
wird, der durch die Elektrolytschicht fliesst, um eine elektrolytische Oxydation von Sauerstoffionen bzw. elektrolytische
Reduktion von Sauerstoffmolekülen in der porösen Mess-bzw. Bezugselektrodenschicht,
bzw. umgekehrt, zu bewirken. In Bezug auf Brennkraftmaschinen lehrt die vorstehend behandelte ältere
Anmeldung, dass es möglich ist, durch den Betrieb dieses Sauerstoff ühlers im Abgas eine Änderung im in der Maschine um das.
stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis erzeugten Luft-Brennstoff
-Verhältnis mit einer schnellen Ansprechbarkeit festzustellen
β
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Es wurde angenommen, dass dieser Säuerstoffühler eine Agglomeration von einer grossen Anzahl von mikroskopischen Sauerstoff- .
konzentrationszellen ist, deren jede einen Gasdurchgang aufweist, der die Messelektrodenschicht mit der Bezugselektrodenschicht
durch die Feststoff-Elektrolytschicht verbindet und es wurde festgestellt, dass durch Betrieb dieses Fühlers in einem
Brennkraftmaschinenabgas bei Aufrechterhaltung eines geregelten Gleichstromes, der zwischen der Mess- und der Bezugselektronenschicht
fliesst, eine genaue Feststellung der Änderungen im Luft-Brennstoff-Verhältnis möglich ist, sowohl bei einem
mageren Luft-Brennstoff-Gemisch, als auch bei einem fetten Luft-Brennstoff
-Gemisch, das der Maschine zugeführt wird.
Es wird deutlich, dass, wenn gewünscht die Konsentration von
Sauerstoff in den Verbrennungsgasen durch das oben aufgeführte Luft-Brennstoff-Verhältnis-Feststellverfahren gemäss der Erfindung
zahlenmässig festgestellt werden kann. In diesem Fall ist es erforderlich, das Verhältnis zwischen der Sauerstoffkonzentration
und der Grosse der elektromotorischen Kraft, anstelle des Verhältnisses zwischen dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und
der Grosse der elektromotorischen Kraft vorzubestimmen.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Feststellen eines zahlenmässigen Wertes des Luft-Brennstoff-Verhältnisses entweder
aus einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch oder einem fetten
Gemisch, das z.B. einen Brennkraftmaschine zugeführt wird, mittels eines den Abgasen ausgesetzten Sauerstoffühlers, Der
Fühler besteht aus einer porösen Messelektrodenschicht an einer
Seite einer porösen Feststoff-Elektrolytschicht, wie Zirkonerde, und einer porösen Bezugselektrodenschicht an der anderen Seite,
mit einer Abdeckschicht darauf, derart, dass die Bezugselektrodenschicht mit dem Abgas durch die Poren des Fühlers in Verbindung
gelangt. Die Intensität des Stroms liegt unter dem kritischen Y/ert, oberhalb welchem die durch den Fühler erzeugte
elektromotorische Kraft im wesentlichen konstant wird, wenn sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht über das stödiiometri-
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sehe Verhältnis ändert, und die Richtung des Stromflusses ist
in Abhängigkeit davon gewählt, o"b das Luft-Brennstoff-Gemisch
ein mageres oder ein fettes ist.
Die Erfindung ist nicht nur auf Brennkraftmaschinen anwendbar, sondern ebenso auf unterschiedliche Arten von Verbrennungsgeräten,
ζ·Βο auf Industriebrenner und Heiζeinrichtungen.
Der Mechanismus der Punktion dieses Fühlers gemäss der Erfindung
wird an Ausführungsbeispielen im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Mg. 1 schematisch eine Schnittansicht einer grundsätzlichen
Konstruktion eines Sauerstoffühlers zur Verwendung bei
dem Verfahren,
Fig. 2 eine erläuternde Graphik, die die Änderungen einer durch den Sauerstoffühler gemäss Fig. 1 erzeugten elektromotorischen
Kraft (EMF) zeigt, wenn der Fühler in die Abgase einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, die mit
einer mageren Mischung betrieben wird, und wobei ein variabler Gleichstrom zugeführt wird,
Fig. 3 eine Graphik ähnlich Fig. 2, zeigt jedoch die Änderungen, wenn die Haschine mit einem fetten Gemisch betrieben
und die Richtung des Stromflusses umgekehrt ist,
Fig. 4, 6 und 7 schematisch in vergrö'ssertem ilasstab mikroskopisch
kleine Abschnitte des Fühlers gemäss Fig. 1 zur Erläuterung der Prinzipien des Verfahrens,
Fig. 5 eine Graphik, die die Abhängigkeit eines Sauerstoffpartialdrucks
in dem Abgas einer Maschine von dem Luft-Brennstoff
-Verhältnis des Verbrennungsgemisches zeigt, mit welchem die Maschine betrieben wird,
Fig. 8 und 9 graphisch eine Änderung des Verhältnisses von wirksamen Mikroporen zu unwirksamen Hikroporen bei dem
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/ Fühler gemäss Fig. I9 in Abhängigkeit von der Anwendungsart
dieses Fühlers,
Pig.10 und 11 Graphiken, die die Änderung der Ausgangscharakteristik
des Fühlers gemäss' Pig. 1 in Abhängigkeit von der Verwendungsart dieses Fühlers zeigen,
Pig.l2(A) - 12(E) Verfahrensschritte bei der Herstellung des Sauerstoffühlers mit dem grundsätzlichen Aufbau gemäss
Pig. I,
Pigο13 einen Längsschnitt durch einen praktisch anwendbaren
Säuerstoffühler, der das nach den Schritten gemäss Pig.
12 (A) bis 12 (E) hergestellte Sauerstoffühlelement einschliesst,
Pig.14 - 17 Graphiken, die die Änderungen des Ausgangs des
Sauerstoffühlex's gemäss Fig. 13 mit Änderungen im Sauerstoffgehaltes
im der Messung unterzogenen Abgas der Maschine und/oder in einem auf den Fühler aufgegebenen
Gleichstrom zeigen,
Fig.18 eine Schrägansicht des Säuerstoffühlerelementes gemäss
Fig. 12 (E), und
Fig.19 und 20 Graphiken, die die Änderungen der Ausgangscharakteristik
des Sauerstoffühlerelementes gemäss Fig. 18 mit der Änderung des Gehalts an Sauerstoff imfunterzogenen
Abgas |_der Messung, und/oder in einem dem Fühlerelement
aufgegebenen Gleichstrom zeigen.
Fig. 1 zeigt eine grundsätzliche Konstruktion eines Sauerstofffühlers
für die Verwendung bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis-Feststellungsverfahren
gemäss der Erfindung. Bei dieser Darstellung hat ein Sauerstoffühlelement IO eine Basisplatte
oder Unterlage 12, welche in diesem Fall als strukturelles Element des Fühlerelements 10 dient, eine mikroskopisch poröse
Schicht 14 aus einem Sauerstoffionen leitenden Feststoff-Elektrolyten,
der auf der Unterlage 12 abgestützt ist, eine Messelektrodenschieht
18, die auf der Aussenseite der Feststoff-
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Elektrolytschicht 14 ausgebildet ist und eine Besugselektrodenschicht
16, welche zwischen die Unterlage 12 und. die Feststoff~
Elektrolytschicht 14 so eingesetzt ist, dass sie völlig von der umgebenden Atmosphäre abgeschirmt ist.
Die Unterlage 12 hat eine im wesentlichen für Gase undurchlässige dichte Struktur und ist üblicherweise aus einem elektrisch
isolierenden Keramikmaterial, z.B. Tonerde, Aluminiumoxyd, Mullit, Spinell oder Forsterit hergestellt, kann jedoch, wenn
gewünscht, aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, z.B. Stahl, Platin, korrosionsbeständigen Legierungen oder Cermet hergestellt
sein. Das Material der Peststoff-Elektrolytschicht 14
ist ausgewählt aus Säuerstoffionen leitenden Feststoff-Elektrolytsystemen,
wie sie bei konventionellen Sauerstoffühlern der Konzentrationszellenbauart verwendet v/erden. Beispiele sind
ZrO2, stabilisiert mit z.B. CaO, MgO. SrO, WO7, Ta2O5 oder
Y2O5; Bi2O3 unter Zusatz von Ub2O5, SrO, WO5 oder Ta2Or;
Y2O.? - Systeme und CaO- - Y0O3 - Systeme. Diese Schicht 14
kann durch Zerstäuben, Vakuuiaevaporieren oder Brennen einer
auf das Substrat 12 nach der Bildung der Bezugselektrodenschicht 14 aufgebrachten Feststoff-Elektrolytpaste geformt
werden.= A^ch ist es möglich, dass die Feststoff-Elektrolytschicht
14 die Form einer ausreichend dicken Platte hat, die z.B. durch Bearbeitung eines gesinterten Körpers eines ausgewählten
Werkstoffes hergestellt ist, so dass diese Schicht 14 als strukturelles Basisteil des Fühlerelements 10 dient, während
die Unterlage 12 zu einer wesentlich dünneren Schicht abgewandelt ist, die nur als Abdeckschicht auf der Bezugselektrodenschicht
16 dient. Die beiden i-lektrodenschichten 16 und 18 sind jede aus einem elektronisch leitenden Uaterial gemachx,
welches aus Elektrodenmaterialien für konventionelle t einen
Feststoff-Elektrolyten verwendende Sauerstoffühler ausgewählt
ist. Beispiele sind Au, Ag, SiC, ThO2, CoO und LaCrO7, welche
keine katalytische Aktivität auf Ox.vdationsreaktionen zeigen,
und katalytisch^ IJotalle, wie Ru, £ά, Eh, Os, Ir und Pt ein-
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schliesslich Legierungen dieser Metalle der Platingruppe oder Legierungen von Metallen der Platingruppe mit einem Basismetall.
Beide Elektrodenschichten 16 und 18 sind so geformt, dass sie für Gase durchlässig sind, durch Zerstäuben, Vakuumevaporierung,
einen elektrochemischen Prozess (z.B. .Plattieren) oder Brennen einer Metallpulverpaste, die auf die Unterlage 12
oder die Feststoff-Elektrolytschicht 14 aufgebracht ist. Sowohl die Unterlage 12, als auch die Feststoff-Elektrolytschicht
14 sind in engem Kontakt mit der Bezugselektroden schicht 16.
Wenn gewünscht, kann entweder nur die Aussenseite der Messelektrodenschicht
16 oder die ganze Aussenfläche dieses Elements 10 mit einer porösen Schutzschicht aus einem hitzebeständigen
und elektrisch isolierenden Material, wie Tonerde, Spinell oder Calciumzirkonat (CaZrO.,) durch Zerstäuben, Plasmasprühen
oder Brennen einer Paste abgedeckt sein.
Bei einem Verfahren gemäss der Erfindung sind die Bezugs- und
Mess-Elektrodenschichten 16 und 18 dieses Sauerstoffühlerelements
10 mit einem Potentiometer 24 oder einem gleichartigen Gerät durch Leiter 20 zum Messen einer elektromotorischen
Kraft des Elements 10 verbunden, die erzeugt wird, wenn das Element einem Sauerstoff enthaltenden Gas ausgesetzt ist. Zusätzlich
wird eine Gleichstromquelle 22 mit den beiden Slektrodenschichten 16 und 18paiallel mit dem Potentioneter 24
verbunden, um einen Gleichstrom durch die Feststoff-Elektrolytschicht
14 zwischen den beiden Elektrolytschichten 16 und 18 während des Betriebs des Sauerstoffühlerelements 10 fliessen
zu lassen. Um Einflüsse von Temperaturänderungen und anderen Bedingungen der umgebenden Atmosphäre auf die Genauigkeit=
der Messung zu verhindern, ist vorzugsweise ein Konstant-Gleichstrom-Versorgungskreis,
wie die Stromquelle 22 in Fig. verwendet. Noch besser schliesst die Gleichstromquelle 22
eine Temperaturkonpensationsschaltung ein*
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Wenn das Sauerstoffühlerelement 10 in dem Abgas eingesetzt' ist,
welches von einer Benzin-Brennkraftmas chine abgeführt wird, die mit einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch betrieben wird,wobei
die Abgastemperatur an der Stelle des Pühlerelements 10 konstant
auf 55O0C gehalten wird, und wobei die Bezugselektrodenschicht
16 mit der negativen Anschlussklemme der Gleichstromquelle 22 (und selbstverständlich die Messelektrodenschient IS
mit der positiven Anschlussklemme) verbunden ist, ändert sich
die G-rösse der durch das Sauerstofffühlelement 10 erzeugten
elektromotorischen Kraft mit Änderungen in dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
des der Brennkraftmaschine zugeführten mageren Gemischs und mit der Stärke des dem Element 10 aufgegebenen
Stroms in der in Pig. 2 dargestellten Weise. Wie aus Pig. 2 zu ersehen ist, hängt die Grosse der elektromotorischen Kraft
(EIiIE1) nicht nur von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis, sondern
auch von der Stärke des Gleichstroms ab,und die elektromotorische Kraft wird unabhängig von den Werten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
im wesentlichen konstant, wenn die Stromstärke über einen kritischen V/ert I hinausgeht. Mit anderen
Worten, die Grosse der elektromotorischen Kraft ändert sich in Abhängigkeit von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis, wenn die
Stromstärke konstant auf einem Wert unterhalb des kritischen Werts I gehalten wird, so dass ein tatsächliches Luft-Brennstoff-Verhältnis
des mageren Gemischs durch das Sauerstoff— fühlerelement 10 festgestellt v/erden kann, wenn dieses den Abgasen
ausgesetzt ist.
Wenn die Maschine mit einem fetten Gemisch betrieben wird,und
die Bezugselektrodenschicht 16 des Pühlerelements 10 mit der positiven Anschlussklemme der Gleichstromquelle 22 verbunden
ist, ist die Abhängigkeit der elektromotorischen Kraft vom Luft-Brennstoff-Verhältnis und der Stromstärke wie in Pig. 3
dargestellt. Auch in diesem Pail besteht ein kritischer V/ert
I ' für die Stromstärke und ein tatsächliches Luft-Brennstoff-Verhältnis
kann durch Zuführen eines konstanten Gleichstroms
0300
mit geringerer als der kritischen Stärke I ' auf das Pühle-r-
element 10 im Abgas gemessen werden.
Es wurden die vorstehend erläuterten Tatsachen festgestellt und
experimentell bestätigt. Zusammenfassend: Es-wurde festgestellt,
dass wenn ein Säuerstoffühler, der im wesentlichen, wie
oben beschrieben, aufgebaut ist, in einem Brennkraftmaschinenabgas in der in Pig. 1 gezeigten Weise verwendet ist, besteht
eine kritische Stromstärke (I oder I '), oberhalb welcher
eine durch den Sauerstoffühler erzeugte elektromotorische Kraft
sich nicht ändert, ausser wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis
des der Maschine zugeführten Gemischs sich über ein stöchiometrisches Verhältnis ändert, und dass ein tatsächliches Luft-Erennstoff-Verhältnis
ausserhalb des stöchiometrischen Verhältnisses
mit hoher Genauigkeit dadurch festgestellt werden kann, dass der Sauerstoffühler den Abgasen ausgesetzt wird, und ein
Gleichstrom mit geringerer als der kritischen Gleichstromstärke aufgegeben wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, das, wie
weiter unten erläutert werden wird, die Einstellung eines stöchi ometrischeii Luft-Brennstoff—Verhältnisses durch Verwendung des
gleichen Sauerstoffühlers im wesentlichen in der gleichen V/eise festgestellt werden kann, jedoch durch Zuführen eines Stroms
mit einer über der kritischen liegenden Stromstärke in den Fühler.
Pas -Betriebsprinzip des Sauerstoffühlerelements 10 im Abgas
einer Brennkraftmaschine wird im einzelne! in. Verbindung mit
Pig. 4-11 erläutert.
Die Peststoff-Elektrolytschicht 14 dieses Pühlerelements 10
hat eine ausserordentlich grosse Zahl von offenen Mikroporen,
und dieses Element kann als Agglomeration einer grossen Anzahl von mikroskopischen Säuerstoffkonzentrationszellen, die zur
Vereinfachung als Mikrowellen bezeichnet werden,, angesehen werden, deren jede eine Durchgangs öffnung, d.h. einen G-asdurchgang
aufweist, der die beiden Slektrodenschichten 16 und 18
030020/0515
über die Feststoff-Elektrolytschicht 14 verbindet, die durch
eine Fraktion von Mikroporen gebildet ist. Pig. 4 zeigt eine Mikrozelle 19 in vereinfachter Form. Als Beispieli Die Feststoff-ElektrolytscMcht
12 besteht aus ZrOp-Y9O-(Molverhältnis
9 : l)( i sowohl die 3ezugs- als auch die Hesselektrodensehicht
16 bzw. 18 besteht aus Platin? und die Abdeckschicht bzwounterlage
12 besteht aus einer Aluininiumoxydplatte. Das Bezugszeichen
13 zeigt eine winzige Durchgangsöffnung, die eine Verbindung
zwischen der BezugselektrodenscMcht 16 und der äusseren Gasatmosphäre (die durch das Bezugszeichen 17 bezeichnet ist)
herstellt, die ein Verbrennungsgas ist, das über die Messelektrodenschicht
18 und die Feststoff-Elektrolytschicht 14 gemessen werden soll. Es soll angenommen werden, dass ein Endabschnitt
dieser Öffnung 13 einen Raum 15 an der Zwischenfläche
zwischen der BezugselektrodenscMcht 16 und der Feststoff-Elektrolytschicht
14 bildet«
Eine elektromotor is ehe" Kraft E, die durch diese Mikrozelle 19
erzeugt wird, wird ausgedrückt durch die Werst-Gleichung:
po(I)
4P
wobei P0(I) ein Sauerstoffteildruck in dem zu prüfenden Gas 17
und P0(II) ein Sauerstoffteildruck im Raum 15 ist. Infolge der
Gaskommunilcation zwischen dem inneren Raum 15 und der äusseren
Gasatmosphäre 17 durch die Öffnung 13 ist es erforderlich, einen Gleichstrom zwischen den beiden Elektrodenschichten 16 und 18
fliessen zu lassen, so dass, wie im folgenden beschrieben wird, sie bewirken, dass elektrolytisch^ Reaktionen sich an beiden
Seiten der Peststoff-Elektrolytsciiicht 14 fortsetzen und dabei
den Bezugssauerstoffpartialdruck P (IJ) konstant auf einem
Spiegel unterschiedlich vom Sauerstoffpartialdruck I*o(l) ini
Prüfgas 17 halten. Die Grosse des'Sauerstoffpartialdrucks
el D
P (I) im Verbrennungsgas 17 hängt/von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis
einen Luft-Brennstoff-Genischs, aus v/elchem das Verbrennungsgas
17 erzeugt wird« Für eine Kraftfahrseug-Benzin-
Q30Ö2ö/051g
Maschine zeigt Fig· 5 die Art der Abhängigkeit des Saue-rstoffteildrucks
PQ(I) vom Luft-Brennstoff-(Gewichts-)Verhältnis
eines Hageren Gemischs, mit welchem die Maschine betrieben
wird. In Abhängigkeit von der Pliessrichtung dieses Stroms erfolgt entweder ein Ausströmen des Sauerstoffes aus de^ inneren
Raum 15 in das Prüfgas 17 oder ein Einfliessen von Sauerstoff in den Raum 15.
Pig. 6 zeigt einen Fall, bei dem das Verbrennungsgas 17 das Produkt der Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs
ist und die Bezugselektrodenschicht 16 des Fühlers 10, d.h. einer Mikrozelle 19 A dieses Fühlers 10, ist mit der negativen
Ausgangsklemme der Gleichstromquelle 22 verbunden, so dass ein Gleichstrom I-r durch die Elektrolytschicht 14 aus der Messelektrodenschicht
18 in die Bezugselektrodenschicht 16 fliesst. In diesem Fall neigt der Sauerstoff zum Ausströmen aus der
Mikrozelle 19 A durch das folgende elektrochemische Phänomen. Durch die Öffnung 13 erreicht in dem Verbrennungsgas 17 enthaltenes
Op den inneren Raum 15 zusammen mit den anderen Komponenten,
wie CO, COp» HpO und Wp· Jedoch tritt eine Ionisation der
Sauerstoffmoleküle (Op+ 4e —?· 20 ~* ) in diesem Raum 15 auf, und
die negativ geladenen Sauerstoffionen wandern durch die Öffnung 13 zur Messelektrodenschicht 18, in welcher der Strom I- die
Umwandlung der Säuerstoffionen in Sauerstoffmoleküle bewirkt
(20 -*■ O2 + 4e). In der Zwischenzeit werden CO2 und H9O, die
im Raum 15 angelangt sind, elektrolytisch entsprechend in CO und H2 zerlegt (CO2 ->C0 + ·| O2; H2O-^ E2 + Ί °2}i S5^01S* von
2
Ί 2
Ionisation des durch die Zersetzungsreakticnen erzeugten Sauerstoffs.
Auf diese Weise ist der Raum 15 mit einer Gasmischung gefüllt, die wenig Sauerstoff und eine grosse Menge von CO,
Ii2 und H2 enthält, so dass der Bezugssauerstoffteildruck
P0(Il) in diesem Fall eine sehr geringe Grosse bekommt, während
der Sauerstoffteildruck PQ(l) in dem Verbrennungsgas 17 (welches
durch Verbrennung eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs
gebildet ist und entsprechend einen beträchtlichen Wert an
030020/0515
Sauerstoff enthält) eine relativ erhebliche Grosse hat. Daher
erzeugen die Mikrczellen 19A eine elektromotorische Kraft in einer relativ grossen Höhe. Y/enn das Verbrennungsgas 17 das
Produkt der Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoff-Gemischs
ist, und der Fühler 10 mit einer Gleichstromquelle 22, wie in Fig. 7 dargestellt, verbunden ist, kann der Fühler 10 nur eine
sehr kleine elektromotorische Kraft erzeugen, da in diesem Fall nicht nur der Bezugs-Sauerstoffteildruck P (II), sondern auch
der Sauerstoffteildruck P (i) im Verbrennungsgas 17 sehr gering
wird ο
In Fig. 7 ist die Bezugselektrodenschicht 16 des gleichen Sauerstoffühlers
10 mit der positiven Ausgangsklemme der Gleichstromquelle verbunden, so dass ein Strom Ij, durch die Feststoff-Elektrolytschicht
14 von der Bezugselektrodenschicht 16 in die Messelektrodenschicht 18 strömt. Das Verbrennungsgas
wird als Produkt der Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoff-Gemischs
angenommene In diesem Fall v/erden im Verbrennungsgas enthaltene Sauerstoffmoleküle in der Llesselektrodenschicht 18
ionisiert, und die negativ geladenen Sauerstoffionen v/andern durch die Öffnung 15 zur Bezugselektrodenschicht 16, d.h. in
den oben erwähnten Raum 15, in welchem den Sauerstoff ionen ihre Elektronen entzogen werden, um sie in Sauerstoffmolekülo
umzuwandeln» Daraus folgt, dass der Bezugs-Sauerstoffteildruck P (II) in diesem Fall eine sehr erhebliche Grosse aufweist,
während das Verbrennungsgas 17 mit seinem Sauerstoffteildruck
P (I) sehr niedrig liegte Eine Milcrozelle 19A erzeugt daher
eine relativ grosse elektromotorische Kraft. Wenn das Verbrennungsgas 17 in Fig. 7 das Produkt der Verbrennung eines mageren
Luft-Brennstoff-Gemischs ist, kann die Mikrozelle 19^ nur
eine sehr geringe elektromotorische Kraft erzeugen·
Zusätzlich zu den oben erläuterten elektrolytischen Reaktionen, die an beiden Seiten der Featstoff-Elektrolytschioht 14 ϊ?ΐσΐΐ-finden,
finden"gewisse Oxydationsreaktionen in der Öffnung 13
statt, durch welche ein Diffusionsaustausch von gasförmigen
030020/0 5 15
Substanzen zwischen der äusseren Gasatmosphäre 17 und dem inneren
Raum 15 erfolgt«. Im Fall von Fig. 6 werden gewisse Anteile
von CO und H0, die in der Bezugselektrodenschicht 16 erzeugt
werden, während ihres Durchfliessens durch die Öffnung 13 durch in die Öffnung 13 von der äusseren Gasatmosphäre 17- gelangendes
O2 oxydiert (entsprechend zu CO2 und HgO). Im Fall von Fig.
7 werden CO und H2, die in der Öffnung 13 auf die Bezugselektrode
16 zuströmen, durch einen im Raum 15 gebildeten Anteil von O0 oxydiert. Der Umfang dieser Oxydationsreaktionen in der
Öffnung 13 hängt von den Mengen der durch die Öffnung 13 gehenden gasförmigen Substanzen und damit von dem wirksamen Querschnittsbereich
der Öffnung 13 ab« Es ist zu ersehen, dass eine Mikrozelle 19B, in welcher die Öffnung 13 einen unzulässig
grossen Querschnittsbereich aufweist, kaum eine elektromotorische Kraft erzeugen kann, da der Sauerstoff-Bezugsteildruck
P (II) in diesen Mikrozellen IQB immer gleich dem Sauerstoff
teildruck J?O(I) in der äusseren Gasatmosphäre 17 wird,
Aus der vorstehenden Erläuterung in Verbindung mit Fig. 4 bis wird deutlich, dass die Fähigkeit zur Erzeugung einer elektromotorischen
Kraft in jeder Mikrozelle 19 in diesem Sauerstofffühlerelement 10 nicht nur durch die Sauerstoffkonzentration
in der äusseren Gasatmosphäre 17 und die Richtung und Stärke des durch die Zelle 19 fliessenden Stromes (I1 oder I) beeinflusst
ist, sondern auch von den Mengen an CO, H2, CO2 und H2O,
die in dem Gas 17 enthalten sind und von der Wirksamkeit der Öffnung 13 als Gasdiffusionsdurchgang. Da die zahlreichen Öffnungen
13 im Fühler 10 üblicherweise in ihren wirksamen Querschnittsbereich und/oder ihrer Länge unterschiedlich voneinander
sindj, ist es leicht möglich., dass sowohl im Fall der Figo
S9 als auch im Fall der Figo 7 einige der gesamten Mikrozellen
19 im Fühler 10 im wesentlichen keine elektromotorische Kraft
erzeugen (wie durch die Mikrozelle 19B in Figo 6 und 7 darge«
stellt) ρ während die verbleibenden Mikrowellen 19 (dargestellt
durch die Mikrozellen 19A in Figo 6 und 7) jede eine sehr
grosse elektromotorische Kraft erseugeiio ϊίβΏχι der Fühler 10 in
Betrieb ist, wird eine Mikrozelle 19A, die ordnungsgemäss eine
elektromotorische Kraft erzeugt als "lebende Mikrozelle",und
eine Mikrozelle 19B, die im wesentlichen keine elektromotorische Kraft erzeugt, als "tote Mikrozelle" bezeichnet·
Das Verhältnis der lebenden Mikrozellen 19A zu den toten Mikrozellen
19B in Fühler 10 ist im wesentlichen durch die Sauerstoffkonzentration in dem zu prüfenden Gas 17, die Richtung
und die Stärke des Stromes IT oder Ix, und das Ausmass der Gasdiffusion
durch die Öffnungen 13 in jeder Mikrozelle 19 bestimmt. Wenn der Fühler 10 einem Verbrennungsgas mit einer bestimmten
Zusammensetzung ausgesetzt ist, und ein bestimmter Gleichstrom aufgegeben wird, hängt die Leichtigkeit der Gasdiffusion
von dem wirksamen Querschnittsbereich der Öffnung 13 in jeder Mikrozelle 19, der wirksamen Länge jeder Öffnung.13,
den Temperaturen der durch jede Öffnung 13 gehenden gasförmigen Substanzen und der Diffusionskonstante jeder der durch die
Öffnung 13 gehenden gasförmigen Substanzen ab, die im folgenden im einzelnen erläutert wird.
Y/enn die gesamten Mikrozellen 19 im Fühler 10 im Querschnittsbereich und in der Länge ihrer Öffnungen 13 gleich wären, würde
entweder ein Fall auftreten, in welchem alle Mikrozellen 19 im Fühler 10, auf die ein entsprechender Gleichstrom aufgegeben
wird, den lebenden Status, oder ein entgegengesetzter Fall eintreten, in welchem die Mikrozellen 19 den toten Status haben,
in Abhängigkeit von der Grosse des Sauerstoffteildrucks P (i)
des Gases 17, d.h. dass der Fühler 10 eine An-und Abschaltfunktion
erfüllen und die Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
über einen vorbestimmten Wert anzeigen kann. Tatsächlich jedoch sind die Mikrozellen 19 im Fühler 10 nur selten identisch
in Bezug auf die Abmessungen der Öffnungen 13. Wenn, (wie
üblich) die Öffnungen 13 des Fühlers 10 in ihren Abmessungen voneinander unterschiedlich sind, und die Grosse der Öffnungen
eine kontinuierliche Dispersion ermöglicht, sind sowohl die lebenden Mikrozellen 19A als auch die toten Mikrozellen 19B
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im in Betrieb befindlichen Fühler 10 vorhanden und das Verhältnis
der lebenden Mikrozellen 19A zu den toten Mikrozellen 19B
ändere sich ständig entsprechend den äusseren Faktoren, wie
der Stromstärke I-r oder IR und dem Sauerstof-fpartialdruck
P (I) im zu prüfenden Gas 17. Dann wird der Fühler 10 einen kontinuierlich variablen Ausgang abgeben in Abhängigkeit von
einer kontinuierlichen Änderung des Sauerstoffteildruckes P (I) oder vom Luft-Brennstoff-Verhältnis eines Luft-Brennstoff
-G-emischs, aus welchem das Verbrennungsgas 17 erzeugt ist.
Diese Überlegung zeigte sich als durchführbar und wurde Schiüsselpunkt
der Erfindung.
Auch wenn die Öffnung 13 im Fühler 10 voneinander unterschiedlich in der G-rösse sind, beeinflusst die Stärke des auf den
Fühler 10 aufgegebenen Stroms erheblich das Verhältnis von lebenden Mikrozellen 19Λ. zu den toten Mikrozellen 19B. Das
Verhältnis der lebenden Mikrozellen 19A erhöht sich, wenn die Stromstärke erhöht wird, und werm. die Stromstärke einen bestimmten
kritischen Wert überschreitet, arbeiten alle Mikrozellen 19 im Fühler 10 als lebende Mikrozellen 19A. (Die oben erwähnte
ältere Anmeldung lehrt die Verwendung des Fühlers 10 in einem solchen Zustand.)
Wenn die Stärke des Stromes I-r in Fig. 6 oder I„ in Fig. 7
ausreichend ist, um einen Teil der Mikrozellen 19 im Fühler 10 lebend zu halten, hängt die Tatsache, welche der Mikrozellen
19 lebend oder tot wird ab von dem Verhältnis zwischen der Masse (oder der Strömungsmenge) Ji von in der Öffnung 13 dieser
Mikrozelle 19, entweder auf die Bezugselektrodenschicht 16 oder auf die Messelektrodenschicht 18 zu strönendem 0? oder
von der Masse (oder Strömungsmenge) J des mit Sauerstoff reagierenden Gases (z.B. einer Mischung von CO und Hp, das in
diese oder aus dieser Mikrozelle 19 durch die Öffnung 13 diffundiert. Wenn die Differenz «£ J = J. - J positiv ist(AJ
> Q ). wird die Mikrozelle 19 lebend und erzeugt eine elektromotorische
Kraft, wenn jedoch die Differenz £ J negativ ist (Δ J
< 0),
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wird die Mikrozelle 19 tot und erzeugt im wesentlichen keine
elektromotorische Kraft.
Die Menge J. des Sauerstoffs stellt entweder die Menge der elektrolytischen Bildung von Op oder die Menge der Ionisation
von Op in jeder Mikrozelle 19 dar und hängt daher von der Intensität
des Stromes I~ oder Iß ab. Die Menge J des reagierenden
Gases ist durch die folgende Gleichung nach dem ersten Mck1 sehen Gesetz bestimmt:
wobei D die Diffusionskonstante des reagierenden Gases, S der effektive Querschnittsbereich der öffnung 13 und L eine effektive
Länge der Öffnung 13 ist.
Unter der Voraussetzung, dass der mittlere freie Weg der reagierenden
Gasmoleküle ausreichend gross im Vergleich zum Durchmesser 0 der Öffnung 13 ist, und dass das reagierende Gas in
die Öffnung 13 mit einer ausreichend grossen Menge strömt, ist
nach der Knudsen1sehen Diffusion die Diffusionskonstante D
ausgedrückt durch
D = 9.7 x 103Q fÖVM (cm2/sec) (3)
wobei M das Molekulargewicht des reagierenden Gases ist.
Dann wird J ausgedrückt durch
Jg = 9.7 x ΙΟ5 Γτ7Μ 1^T [P0(I) - P0(II)] ·♦· U)
Die Gleichung(4) zeigt, dass J grosser wird, wenn der Durchmesser
0 der Öffnung grosser wird, wenn die Porenlänge L sich
vermindert, und wenn die Temperatur T sich erhöht und damit wird die "Wahrscheinlichkeit, dass die Mikrozelle 19 den toten
Zustand annimmt grosser.
Eine weitere Analyse wird im Hinblick auf eine Änderung des
Durchmessers C der öffnung gemacht unter der Voraussetzung }
030020/0515
291716Q
dass die Länge L der Öffnung und die G-astemperatur T konstant
sind.
Die Gesamtzahl der Mikrozellen 19 im Fühler 10 wird durch Ή
dargestellt, wobei die Anzahl der lebenden Mikrozellen 19A- =
n-r, und die Anzahl der toten Mikrozellen 19B = n^ ist (entsprechend
H = n-r + EL)). Dannkann eine elektromotorische Kraft
E. , die durch den Fühler 0 erzeugt wird, als Ganzes etwa durch die folgende Gleichung ausgedrückt-werdenί
wobei E1 die durch eine einzige lebende Mikrozelle 19^· erzeugte
elektromotorische Kraft darstellt (üblicherweise liegt E1
dicht bei 1 YoIt).
Im Fall von Fig. 6 (die Bezugselektrodenschicht 16 ist mit der negativen Anschlussklemme der Gleichstromquelle 22 verbunden
und das Verbrennungsgas 17 ist ein Produkt eines mageren Luf t-Brennstoff-^emischs
mit einem Luftüberschussfaktor λ ( dem
Verhältnis des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dieser Mischung sum stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis) grosser als
T,O) erhöht sich die Menge J eines durch die Öffnung 13 jeder
Mikrozelle 19 strömenden reagierenden Gases, wenn das Luft-Brennstoff
-Verhältnis des Luft-Brennstoff-Gemische sieh infolge
einer Erhöhung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsgas 17 erhöht, so dass die Anzahl n^ der toten Mikrozellen 19B
sich erhöht (und natürlich mindert sich die Anzahl nT der Iebenden
Mikrozellen 19A), wenn das Luft-Brennstoff—Verhältnis
sich erhöht. Die oben definierte elektromotorische Kraft E^
kann als konstant bleibend angenommen werden., während das Verhältnis
von n-r au n^ sich mit der Erhöhung des Luft-Brennstoff-Yerhältnisses
vermindert.
Pig. 8 zeigt die Verteilung der öffnungsdurchmesser Q in dem
Fühler 10 in Fig. 6 und das Verhältnis von n-r zu n^ in diesem
Fühlerj, wenn der Luftüberschussfaktor X des mageren Luft-
030020/0515
2317160
Brennstoff-Gsmischs einen Wert λ 1 etwas grosser als 1,0 annimmt.
Unter diesen Bedingungen wird die Anzahl n-j- der lebenden
Mikrozellen 19A und die Anzahl n-^ der toten Mikrozellen
19B in diesem Fühler 10 = n^ bzwo n·^ ' (selbstverständlich
ist η,--] + η-η^ = N). Aus Fig. 9 ist zu ersehen, dass, wenn das
Luft-Brennstoff-Verhältnis sich erhöht, so dass λ. = Λ ρ (>λ -j)
wird, sich die Anzahl der toten Mikrozellen 19B von τα~.^ in
Pig.8 erhöht auf n~2 ^i^ einer Verminderung der Anzahl der
lebenden Hikrozeilen 19A von n,-« zu n-r ρ (11T1? + nD2 = -^) ·
Infolge dieser Änderung des Verhältnisses von n^ zu n^ ändert
sich die G-rösse der durch den Fühler 10 in Fig. 6 erzeugten elektromotorischen Kraft E,, wie in Figo 10 dargestellt, wenn
das Luft-Brennstoff-Verhältnis, d.h. der Luftüberschussfaktor
A sich änder$iVenn der Luftüberschussfaktor Λ grosser als
1,0 ist, was bedeutet, dass das Verbrennungsgas 17 aus einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch entstanden ist, schliesst der
Fühler 10 in Fig. 6 (mit der Zuführung des Stromes I^ mit einer
angemessenen Stärke) eine kontinuierliche Änderung der G-rösse der elektromotorischen Kraft E+ in Abhängigkeit von einer kontinuierlichen
Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses oder
des Luftüberschussfaktors λ aus. Entsprechend ist es möglich,
nicht nur das Auftreten einer Änderung in dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des mageren Luft-Brennstoff-Gemischs, sondern auch
einen tatsächlichen numerischen Wert für das Luft-Brennstoff-Verhältnis
in jedem Augenblick festzustellen.
Im Fall von Fig. 7 (die Bezugselektrodenschicht 16 des Fühlers 10 ist mit der positiven Anschlussklemme der Gleichstromquelle
22 verbunden, und das Verbrennungsgas 17 ist durch Verbrennung eines fetten Luft-Brennstoff-G-emischs entstanden, Λ <
l»0) ist ersichtlich, dass der Fühler 10 (dem der Strom IR mit einer
angemessenen Stärke zugeführt v/ird), eine kontinuierliche Änderung
der Grosse der elektromotorischen Kraft E, in Abhängigkeit einer kontinuierlichen Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
des fetten Luft-Brennstoff-Gemischs zeigt»
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Wie vorstehend anhand der Pig. 2 und 3 beschrieben, erzeugt,
wenn der Fühler 10 entweder gemäss Figo 6 oder7 mit einem Gleichstrom über der kritischen G-leichstromstärke (I oder I*)
c c
versorgt wird, der Fühler 10 eine in wesentlichen konstante elektromotorische Kraft, wenn nicht X über 1,0 wechselt, da
der Unterschied A J zwischen J., und J immer positiv bleibt
( Δ J >· 0), wenn ein so starker Strom durch jede Mikrozelle
19 fliesst. In diesem Zustand dient der Fühler 10 als An-und Abschaltfühler, der das Auftreten eines Wechsels des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
über ein stöchiometrisches Verhältnis anzeigt, d.h. einen Wechsel eines mageren Luft-Brennstoff-Gemischs
zu einem fetten Gemisch oder einen umgekehrten Wechsel. Eine Ausgangscharakteristik, wie in Fig. 10 bzw. 11 dargestellt
wird erreicht, wenn der Strom IT in Fig» 6 kleiner als In in
Fig. 2 oder der Strom I13 in Fig. 7 kleiner als I · in Fig. 3
it C
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
Figo 12 (A) bis 12 (E) zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Säuerstoffühlers 50, welcher im wesentlichen den in Fig. 1 gezeigten
Aufbau hat.
G-emäss Fig. 12 (A) war eine Abdeckschicht oder Unterlage 32
dieses Fühlers 50 eine etwa 3,4 x 5 mm breite und 1,6 mm dicke Aluminiumoxydplatte und 0,2 mm Platindrähte 40 wurden auf
dieser Unterlage 32 so befestigt, dass sie als Leitungspaar dieses Fühlers 50 dienen. Wie in Fig. 12 (B) gezeigt, wird
eine aus Platinpulver, dispergiert in einem organischen Binder, bestehende Paste auf eine Seite der Aluminiumoxydunterlage
aufgetragen, und nach Trocknen in Luft bei 1000C üb-er 20 Minuten
bei einer Temperatur von 13UO0C 1 Stunde lang einer
Brennbehandlung unterzogen, um eine poröse Bezugselektrodenschicht
36 aus Platin mit einer Dicke von 1-2 /i-mzu bilden*
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Dann wurde eine Feststoff-Slektrolydpaste, die durch Dispergieren
von einem Gewi ent st eil eines fein gepulverten ZrO„ - ?.
YpO^-Systems (92 : 8 Gewicht, 0,5 /{m mittleren Teilchengrösse)
in einem Teil eines organischen Binders (Lack) auf die Unterlage 32 so aufgetragen, dass sie die Platinelektrodenschicht
36, wie in Mg· 12 (c) dargestellt, abdeckte. Nach Trocknen in
Luft bei 1000C über 30 Minuten wurde die Unterlage 32 mit der
aufgebrachten Paste in Luft bei 13800G 3 Stunden lang gebrannt,
um das ZrOp - ^2^3 ~ Pulver der Paste in eine poröse Festoff-Elektrolytschicht
34- zu sintern, welche 20 ρ dick war. Dann wurde eine poröse Messelektrodenschicht 38 aus Platin in einem
grösseren Bereich als die Feststoff-Elektrolytschicht 34, wie
in Pig. 12 (D) gezeigt, durch das Verfahren ausgebildet, welches für die Bildung der Bezugselektrodenschicht 36 angewendet
wurde. Das auf diese Weise behandelte Element wurde völlig mit einer porösen Schutzschicht 42 (dargestellt in Fig. 12E) durch
Plasmasprühen eines Calciumzirkonatpulvers abgedeckt.
Wie in Fig» 13 gezeigt wurde ein Säuerstoffühler durch Zusammenbauen
des Sauerstoffühlerelements 50 gemäss Fig. 12 (E) mit
einem rohrförmigen Halter 52, einer mit Öffnungen 56a versehenen Kappe 56 und einem rohrförmigen und mit Flanschen versehenen
Befestigungsteil 58 hergestellt. Das Bezugszeichen 54 zeigt einen Aluminiumoxydstab, der axiale Bohrungen aufweist, durch
welche die Leiter 40 verlaufen. Das Innere des Befestigungsteils 58 ist mit einem Lietallrohr 60 ausgekleidet, welches mit einem
hitzebeständigen Dichtungsmittel gefüllt isto
Der Säuerst of fühler gemäss Fig. 13 wurde in dem Auspuffrohr
einer Kraftfahrzeug-Benzinmotors so befestigt, dass das Fühlerelement 50 den Auspuffgasen durch die öffnungen 56a in der
Kappe 56 ausgesetzt war, und die Bezugselektrodenschicht 36 des Fühlerelements 50 wurde mit der negativen Anschlussklemme
einer Gleichstromquelle und die Messelektrodenschicht 38 mit
■ier positiven Anschlussklemme verbunden. I£in Potentiometer das
.zur Les sung
/einer du-rch den Fühler erzeugten elektromotorischen Kraft
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diente, hatte einen inneren Widerstand von 1 Meg ohm. Um-die
Funktion des Fühlers zu prüfen, wurde das Luft-Brennstoff-Verhältnis
einen Luft-Benzin-Gemischs zum Betrieb der Maschine in einem Bereich von 13 - 19,5 geändert, uikL die Stärke des
durch das Fühlerelement 50 fliessenden Stroms wurde in einem Bereich von 1 /ik bis 15 -M A geändert. Der Versuch wurde so
ausgeführt, dass die Abgastemperatur an der Stelle des Sauerstoffühlers
konstant 55O0C betrugo Das Ergebnis dieses Versuchs
ist in Fig. 14 dargestellt.
Wie aus Fig. 14 zu ersehen ist, betrug die kritische Stärke I
(oberhalb welcher die elektromotorische Kraft im wesentlichen konstant wurde, wenn der Maschine ein mageres Luft-Brennstoff-G-emisch
zugeführt wurde) für das Sauerstoffühlerelement 50 bei
diesem Versuch 15 /ίίΑο Wenn das Fühlerelement 50 mit Zuführung
eines Stroms unter 15 /Λ- A betrieben wurde, zeigte der Ausgang
des Fühlerelements 50 eine gute Ansprechbarkeit des Ausgangs auf Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines mageren
Luft-Brennstoff-Gemischs und die Abhängigkeit war sehr klar
und vorzüglich, wenn die Stärke des Stroms in einem Bereich von etwa 20?έ - 805». der kritischen Stromstärke, 15 /ι. Α lag.
Dies ist ein Vergleich zwischen dem im Beispiel 1 hergestellten
Sauerstoffühler und einem üblichen Säuerstoffühler, der ein
Zirkonerderohr einschliesst und Luft als Quelle für einen
Sauerstoffbezugsteildruck verwendet. Diese beiden.J?ühler wurden
beide im Auspuffrohr einer Kraftfahrzeug-Benzin-Brennkraftmaschine
befestigt und das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines Iiuft-Brennstoff-G-emischs, das der Maschine zugeführt wurde,
wurde in einem Bereich von 13S7 in 17»3 geändert» Die Abgastemperatur
an der Stelle der Fühler wurde konstant bei etwa 6000C gehalten» Ein konstanter Strom von 3 /ΛA wurde auf den
Fühler gemäss Fig. 13 durch Verbinden der Bezugselektroaenschicht
36 mit der negativen Anschlussklemme einer Gleichstromquelle
aufgegeben. Selbstverständlich wurde der übliche Fühler
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mit dem Zirkonerderohr ohne Zuführung eines Stroms von aussen
verwendet.
Das Ergebnis dieses Vergleichsversuchs ist in Fig. 15 dargestellt,
in welchem die Kurve (A) den Fühler gemäss Fig. 13 und die Kurve (B) bekannten Fühler mit einem Zirkonerderohr
wiedergibt. Wie deutlich aus Fig. 15 zu ersehen, zeigt der Ausgang des Fühlers gemäss Fig. 13 eine kräftige und kontinuierliche
Änderung, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis in einem mageren Bereich verändert wurde, während der bekannte
Fühler geringe Änderungen in seinem Ausgang zeigte, mit Ausnah·* me, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis sich über das stöchiometrische
Verhältnis von 14,7 änderte.
Zur Prüfung der Temperaturabhängigkeit der Ausgangscharakteristik
eines Säuerstoffühlerelements 50, das nach dem Beispiel
1 hergestellt ist, wurde der in Beispiel 1 beschriebene Versuch wiederholt, mit Ausnahme, dass die Abgastemperatur an der Stelle
des Säuerstoffühlers auf 7000C angehoben wurde. Das Ergebnis
ist in Fig. 16 dargestellt. V/ie gezeigt, betrug in diesem Fall die kritische Stromstärke I etwa 20 /tA,und das Anspreehverhalten
des Fühlers auf Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses im mageren Bereich war besonders gut, wenn ein Strom
im Beiteich von etwa 4 - 16 U A auf das Fühlerelement 50 atifgegeben
wurde.
Dieses Beispiel war ebenfalls im wesentlichen gleich dem Beispiel 1 mit Ausnahme, dass die Dicke der Feststoff-Elektrolytschicht
34 = 10 /H m war, und dass eine konstante Abgastemperatur von 6000C an der Stelle des Sauerstoffühlers aufrechterhalten
wurde,·
Fig. 17 seigt die Ausgangscharakteristik des Sauerstoffühlers,
der in Baispiel 4 hergestellt und geprüft wurde. In diesem
030020/0515
fall wurde die kritische Stromstärke In mit etwa 30 /a. A be-
stimmt. Mit der Zuf-rührung eines geringeren Stroms gab de'r ·
Fühler genaue Anzeigen eines Luft-Brennstoff-Verhältnisses höher
als das stöchiometrische Verhältnis o
• *
Wie in Pig. 18 dargestellt, wurde eine Unterlage 32A für
ein Sauerstoffühlerelement mit im wesentlichen dem gleichen
Aufbau, wie das Fühlerelement 50 gemäss Fig. 12 (E), aus drei Schichten aus Aluminiumoxydsandplatten hergestellte Zuerst
wurden 0,25 mm ^eizdrähte 54 aus Platin zwischen zwei Aluminiumoxydplatten
eingelegt. Dann wurde ein Paar von Leitungsdrähten 40 (0,25 mm Platindrähte) an der Aussenflache der aufeinander
gestapelten Aluminiumoxydplatten angebracht und eine dritte Aluminiumoxydplatte auf die gleiche Oberfläche so aufgelegt,
dass sie die Leitungsdrähte 40 abdeckte. In diesem Zustand wurde die ganze Anordnung in Luft zwei Stunden lang bei 15000C
gebrannt. An einer Seite 33 der auf diese Weise erhaltenen Unterlage
32A wurde eine Bezugselektrodenschicht aus Platin, eine Feststoff-Elektrolytschicht aus ZrOp - ^2°3 1^ eine Messelektrodenschicht
aus Platin genau nach dem Verfahren gemäss Beispiel 1, dargestellt in Fig. 12 (A) - 12 (D), ausgebildet.
Entsprechend kann das nach Beispiel 5 hergestellte Sauerstofffühlerelement als die Anfügung eines Heizelements 64 am Element
50 gemäss Fig. 12 (E) betrachtet werden. Der Widerstand dieses Heizelements 64 war 1 0hm bei Raumtemperatur.
Die Funktion dieses Sauerstoffühlerelements in den Abgasen eines Kraftfahrzeug-Benzinmotors wurde durch einen Versuch
überprüft, der grundsätzlich ähnlich, wie der Versuch gemäss Fig. 1 war» Das Fühlerelement wurde durch Zuführung gemäss
konstanten Stroms mit 3 U A durch Verbinden der Bezugselektrodenschicht
mit der negativen Anschlussklemme der Gleichstromquelle
betrieben, und ein geregelter Strom wurde auf das xieiselenent
64 so aufgegeben, dass die Oberflächentemperatur des
Fühlerelements konstant bei 6000C mit einer Genauigkeit von
030020/051S
150C gehalten wurde, ausgehend von den tatsächlichen Temperaturen,
die vom V/iderstand des Heizdrahts 64 bestimmt wurden. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis für den Betrieb der Brennkraftmaschine
wurde stufenweise innerhalb des Bereichs von etwa 15 bis etwa 18 geändert.
•Das Ergänis dieses Versuchs, wie in Pig. 19 dargestellt, zeigt,
dass das getestete Fühlerelement hervorragend in Bezug auf
seine Ansprechbarkeit auf Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
mit einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch arbeitet und
für die praktische Anwendung bei Magerbrennmaschinen gut geeignet ist.
Das nach dem Beispiel 5 hergestellte Sauerstoffühlerelement
wurde im allgemeinen gemäss dem Versuchsverfahren in Beispiel
1 getestet, mit Ausnahme, dass die Bezugselektrodenschicht des Fühlerelements mit der positiven Anschlussklemme der Gleichstromquelle
verbunden war, dass das Luft-Brennstoff-Verhältnis
innerhalb des Bereichs von 12 - 15,7 geändert wurde, und dass die !Temperatur des Fühlerelements bei etwa 60O0C gehalten
wurde·
Fig. 20 zeigt das Ergebnis dieses Versuchs. Wie aus Fig. 20 zu ersehen, änderte sich der Ausgang des Fühlerelements mit guten
Ansprechvermögen auf Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses aus einem der Maschine zugeführten fetten Luft-Brennstoff-Gemischs,
wenn ein Strom unterhalb 15 /A A dem Fühlerelement
zugeführt wurde, und das Fühlerelement zeigte eine besonders
vorteilhafte Ausgangscharakteristik, wenn es mit einem zugeführten Strom im Bereich von etwa J>
μ. Α etwa 12 βλ Α betrieben wurde, d.h. mit einem Strom im Bereich von etwa 20 - 80$ der
kritischen Stromstärke I0 1
030020/0515
Leerseite
Claims (8)
1. Verfahren zum Feststellen eines Luft—Brennstoff—Verhältnisses
eines Luft Brennstoff—Gemisches, das in einer Einrichtung
einer Verbrennung unterzogen wird die eine Abgasleitung aufweist, durch welche ein durch die Verbrennung des Luft-Brennst
off-Gemisches erzeugtes Verbrennungsgas geleitet wird,
gekennzeichnet durch folgende Sehritte:
- Einsetzen eines Sauerstoffühlers (10) in die Abgasleitung
derart, dass er mit dem Abgas in Berührung kommt, wobei der Fühler eine gasdurchlässige,poröse Schicht (14) eines Sauerstoffionen
leitenden Feststoff-Elektrolyten, eine gasdurchlässige, poröse und elektronisch leitende Bezugselektrodenschieht
(16), die an und in e-.nger Berührung mit einer Seite der Peststoff-Elektrolytsehicht liegt, eine gasdurchlässige,
poröse und elektronisch leitende Messelektrodenschicht (18), die an und in dichter Berührung mit der anderen Seite der
Feststoff-Elektrolytschicht liegt und eine Abdecksshicht
(.12 .) auf v/eist, welche aus einem elektrochemisch inaktiven Y/erkstoff hergestellt ist und die Besugselektrodenschicht
{16) so abdeckt, dass die Bezugselektrodensehicht mit einer
030020/0515
umgebenden Gasatmosphäre nur durch Poren in der Messelektrodenschicht
und in der Feststoff-Elektrolytschicht in Verbindung gelangt,
- Kontinuierliches Anlegen einer Gleichstromspannung an die
Bezugs- und Messelektroäenschicht, derart, dass ein Gleichstrom mit vorbestimmter Stärke durch die Peststoff-Elektrolytschicht
(14) zwischen der Bezugselektrodenschicht (16) und der Messelektrodenschicht (18) strömt und dabei einen
Sauerstoffbezugs-Teildruck an der Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und der Peststoff-Elektrolytschicht
aufrechterhält, und
- Messen einer elektromotorischen Kraft, die über die Bezugselektrodenschicht
(16) und die Messelektrodenschicht (18) erzeugt wird und dadurch Peststellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses,
das auf einem vorher durch Versuch ermittelten Verhältnis zwischen dem Luft-und Brennstoffverhältnis
und der Grosse der elektromotorischen Kraft basiert,
- wobei die vorbestimmte Stärke des Stromes kleiner als die
kritische Stromstärke ist, oberhalb welcher die Grosse der elektromotorischen Kraft im wesentlichen konstant wird,wenn
das Luft-Brennstoff-Verhältnis nur an einer Seite des stöchiometrischen
Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Luft-Brennstoff
mischung sich ändert.
2· ^erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spannung auf den Fühler durch Verbindung der Bezugselektrodenschicht (16) bzw. der Messelektrodenschicht
(18) mit der negativen Anschlussklemme bzw. der positiven Anschlussklemme einer Gleichstromquelle
(22) aufgebracht wird, wobei vorausgesetzt ist, dass das x Luft-Brennstoff-Verhältnis der Luft-Brennstoffmischung oberhalb
des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch l,da durch gekenn-
030020/0515
zeichnet, dass die Spannung auf den Fühler durch.
Verbinden der Bezugselektrodenschicht (16) bzw« der Hesselektrodenschicht
(18) mit der positiven Anschlussklemme
bzw ο der negativen Anschlussklemme
einer Gleichstromquelle (22) erfolgt, wobei vorausgesetzt ist, dass das Luft-Brennstoff-Verhältnis der
Luft-Brennstoff mischung unterhalb des'stöchiometri sehen
Luft-Brennstoff-Verhältnisses verbleibt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3? dadurch geke nnzeichnet
, dass die vorbestiminte Stärke des Stromes im Bereich von etwa 2O7& bis etwa 80$ der kritischen Stromstärke
liegt.
5ο Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch Erhitzen des in der Abgasleitung eingesetzten Fühlers (ΙΟ) mittels eines elektrischen Heizelements, welches an
dem Fühler so angebracht ist, dass der Fühler auf einer genau konstanten Temperatur gehalten wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet',
dass die Bezugselektrodenschicht (16) und die Messelektrodenschicht (18) jede aus einem Metall
hergestellt sind, welches eine katalytisch^ V7irkung auf Oxydationsreaktionen ausschliesst.
7ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abdeckschicht (12) die Form einer Platte aufweist und als strukturelles Basiselement
des Fühlers dient, wobei die Feststoff-Elektrolytschicht (14), die Bezugselektrodenschicht (16) und die Messelektrodenschicht
(18) jede die Form eines relativ dünnen Film3 N haben.
8. Verfahren zum Feststellen einer Sauerstoffkonzentration in
einem Verbrennungsgas, welches durch Verbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemisches in einer Einrichtung erzeugt wird,
die eine Brennkammer aufweist, und welches durch eine -Ab-;
gasleitung strömt, die von der Brennkammer ausgeht, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Einsetzen eines Sauerstoffühlers (10) in die Abgasleitung,
so dass er mit dem Verbrennungsgas in Berührung kommt,'wobei der Fühler besteht aus einer gasdurchlässigen,porösen
Schicht (14) eines Sauerstoffionen leitenden Peststoff-Elektrolyten,
einer gasdurchlässigen, porösen Bezugselektrodenschicht
(16), die an und in dichter Berührung mit einer der Seiten der Feststoff-Elektrolytschicht ausgebildet ist,
einer gasdurchlässigen, porösen Messelektrodenschicht (18), die an und in dichter Berührung mit der anderen Seite der
Feststoff-Elektrolytschicht ausgebildet ist und einer Abdeckschicht (12), welche aus einem elektrochemisch inaktiven
Material besteht und die Bezugselektrodenschicht so abdeckt, dass die Bezugselektrodenschicht (16) mit der umgebenden
Gasatmosphäre nur über die Poren der Messelektrodenschicht
und der Feststoff-Elektrolytschicht in Verbindung kommt,
- kontinuierliches Aufbringen einer Gleichstromspannung auf
die Bezugs- und die Messelektrodenschicht, so dass ein Gleichstrom in einer vorbestimmten Stärke durch die Feststoff
elektrolytschicht (14) zwischen der Bezugselekrodenschicht (16) und der Messelektrodenschicht (18) fliesst
und dabei einen Sauerstoff-Bezugsteildruck an der Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht und Feststoff-Elektrolyt
schicht aufrechterhält,
- Messen einer zwischen der Bezugselektrodenschicht (16)
und der Messelektrodenschicht (18) erzeugten elektromotorischen Kraft und damit Feststellen der Sauerstoffkonzentration,
die auf einem vorgestimmten Verhältnis zwischen der Sauerstoffkonzentration und der G-rösse der elektromotorischen
Kraft .basiert,
- wobei die vorbestimmte Stärke dieses Stroms kleiner als
OD 3 QD QD 2 OD//QD 511$
eine kritischeStroinstärke ist, oberhalb welcher die G-rösse
der elektromotorischen Kraft im wesentlichen konstant wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis der Luft-Brennstoffmischung
sich nur an einer Seite des stöchiometrisehen
Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Luft-Brennstoff-Gemisches
ändert.
030020/0515
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Also Published As
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| US4224113A (en) | 1980-09-23 |
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