DE2922218C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Sauerstoffionen leitende Festelektrolytzellen sind bei Sauerstoffmeßeinrichtungen in großem Umfang bekannt. Derartige Festelektrolytzellen werden auch für die indirekte Messung verbrennbarer Substanzen bzw. des Brennstoffanteils in einem Gas verwendet. Neben diesem bekannten Einsatz (US-PS Re 28 792) sind auch Einrichtungen bekannt, um derartige sauerstoffionenleitende Festelektrolyt­ zellen sowohl für die Überwachung von Sauerstoff als auch von Brennstoffen zu verwenden (US-Patentanmeldungen 6 37 998 und 7 44 898). Auch durch die US-PS 35 14 377 ist eine Meßeinrichtung zum Ausmessen des Sauerstoffgehalts in einem zusammengesetzten Gas bekannt, wobei durch die Messung festgestellt wird, ob das Gasgemisch oxidierend oder reduzierend ist. Dabei wird mit Hil­ fe eines einstellbaren Stromes ein Sauerstoffionen pumpender Festelektrolyt gesteuert, um das Gasgemisch auf oxidierende oder reduzierende Eigenschaften einzustellen. Auch die DE-OS 26 54 483 offenbart nur die Verwendung einer elektrochemischen Zelle als Pumpe, um einen Partialdruck aufzubauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sauerstoff-/Brennstoff-Über­ wachungsgerät zu schaffen, mit dem die Sauerstoffkonzentration über ein vor­ gegebenes Konzentrationsniveau feststellbar ist.

Ausgehend von dem eingangs erwähnten Überwachungsgerät wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Maßnahmen der Erfindung und die Verbindung der Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytzelle mit elektronischen Schalteinrichtungen ist es mög­ lich, daß die Überwachungseinrichtung in einem bestimmten Spannungsmodus arbeitet, um die Sauerstoffkonzentration über dem vorgegebenen Konzentrations­ niveau festzustellen. Wenn dabei die Sauerstoffkonzentration in der überwachten Gasatmosphäre unter ein bestimmtes Spannungsniveau abfällt, wird die an der elektrochemischen Zelle wirksame Spannung konstant gehalten, um einen Strom durch die Zelle zu leiten, der seinerseits einen Sauerstofftransport in die zu überwachende Atmosphäre bewirkt. Dieser Sauerstofftransport wird automatisch gesteuert und zwar basierend auf dem Sauerstoffbedarf aufgrund des Brennstoff­ überschusses in der überwachten Atmosphäre.

Durch diese Maßnahme wird durch die elektrochemische Zelle ein Spannungs­ signal zur Messung des Sauerstoffüberschusses und ein Stromsignal zur Messung des Brennstoffüberschusses erzeugt. Der kombinierte Betriebsmodus der elektro­ chemischen Zelle und zwar unter der Steuerung der elektronischen Schaltung, ermöglicht eine sehr einfache und genaue Überwachung sowie Steuerung eines Verbrennungssystems.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung ausgeführtes Sauerstoff-/Brennstoff- Überwachungsgerät arbeitet im Spannungsmeßbetrieb zur Feststellung der Sauerstoffkonzentration oberhalb einer vorgegebenen niederen Sauerstoffkonzen­ tration. Dabei ist die Ausgangsspannung der Festelektrolytzelle begrenzt, und zwar typischerweise auf einen Wert zwischen 0 und 125 mV. Dabei wird der Bereich des Sauerstoffdruckes zwischen etwa 0,21 Atmosphären, was etwa einem Sauerstoffanteil von 21% in der Luft entspricht, und 0,001 Atmosphären, was etwa einem Sauerstoffanteil von 0,1% entspricht, gemessen. Wenn die Sauer­ stoffkonzentration geringer als ein vorgegebenes Niveau, z. B. 0,01% entsprechend der voreingestellten Spannung ist, wird die Spannung an der Festelektrolytzelle elektrisch auf dem vorgegebenen Wert von beispielsweise 125 mV gehalten, wodurch ein Strom aus einer Konstantspannungsquelle gezogen wird. Dieser über die Festelektrolytzelle fließende Strom, bewirkt einen Sauerstofftransport von der Sauerstoffbezugsatmosphäre, d. h. von der Bezugselektrode zur Fühlerelektro­ de, wobei dieser Sauerstoff an der Fühlerelektrode mit der in der Gasatmos­ phäre vorhandenen verbrennbaren Substanz bzw. dem Brennstoff im Sinne einer Verbrennung reagiert. Dieser Sauerstoffstrom wird automatisch gesteuert ent­ sprechend dem Sauerstoffbedarf durch die Verbrennungsreaktion, damit der vor­ gegebenen Spannung der Festelektrolytzelle Genüge getan wird, welche durch die Konstantspannungsquelle aufrechterhalten wird. Die an der Fühlerelektrode festgestellten verbrennbaren Substanzen werden als Äquivalent des Stromes gemessen, der den Sauerstoffbedarf für die Verbrennung befriedigt. Bei diesem Betrieb liefert die Festelektrolytzelle ein Spannungssignal als Maß für den Überschuß an Sauerstoff und ein Stromsignal als Maß für den Überschuß an Brennstoff bzw. verbrennbarer Substanz. Das ausgangsseitige Spannungssignal hängt logarithmisch von der überschüssigen Sauerstoffkonzentration und das ausgangsseitige Stromsignal hängt linear von der überschüssigen Brennstoff­ konzentration in der überwachten Gasatmosphäre ab.

Durch diesen Dual-Betrieb ist das Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät besonders vorteilhaft für die Steuerung eines Sauerstoff/Brennstoffgemisches bei Verbrennungsmaschinen wie Kraftfahrzeugen, Dieselmotoren oder Gastur­ binen und dergleichen geeignet.

Die Erfindung ergibt sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus­ führungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 ein Überwachungsgerät für Sauerstoff und verbrenn­ bare Substanzen mit einer Festelektrolytzelle;

Fig. 2 eine modifizierte Ausführungsform der Fest­ elektrolytzelle gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild des Überwachungs­ gerätes gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Überwachungsgerätes ge­ mäß Fig. 1;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltungsmodifikation des Überwachungsgerätes gemäß Fig. 1, um den Sauerstoffbedarf für ein Verbrennungssystem zu steuern.

In Fig. 1 ist der schematische Aufbau eines Gasüberwachungs­ gerätes mit einer elektrochemischen Zelle 10 in einer Sonde 20 schematisch dargestellt. Die elektrochemische Zelle 10 besteht aus einem Festelektrolyt 12, welcher Sauerstoffionen leitet, einer Fühlerelektrode 14, welche einer Gasatmosphäre G aus­ gesetzt ist, um den Gehalt an Sauerstoff und verbrennbaren Gasen festzustellen. Ferner ist eine Bezugselektrode 16 vor­ gesehen, welche von der zu überwachenden Gasatmosphäre G isoliert ist und einer Sauerstoff-Bezugsatmosphäre wie z. B. Luft ausgesetzt ist. Die Elektroden 14 und 16 bestehen typischerweise aus Platin, wobei der Festelektrolyt 12 aus einer geeigneten elektrolytischen Zusammensetzung hergestellt sein kann, welche im Festzustand Sauerstoffionen leitet. Eine solche Zusammen­ setzung ist durch das US-PS Re 28 792 bekannt. Die Elektroden 14 und 16 sind über Anschlußleitungen 31 und 32 an eine elektroni­ sche Schaltung 40 angeschlossen.

Diese elektronische Schaltung 40 umfaßt eine Schalteinrichtung, die vereinfacht als Voltmeter-Relais 42 dargestellt und auf einen Sollwert einstellbar ist. Dieses Voltmeter-Relais spricht auf eine EMK-Spannung von der Festelektrolytzelle 10 an, wenn diese Spannung gleich einem vorgegebenen Niveau ist oder dieses übersteigt. Dabei wird ein Ruhekontakt NC geöffnet und ein Arbeitskontakt NO geschlossen. Unter Sauerstoff­ überschußbedingungen in der zu überwachenden Gasatmosphäre G arbeitet die Festelektrolytzelle entsprechend der Nernst- Gleichung und erzeugt eine EMK-Spannung, die der Differenz des Sauerstoffpartialdruckes zwischen der Fühlerelektrode 14 und der Bezugselektrode 16 entspricht. Diese Differenz im Sauerstoffpartialdruck an der Festelektrolytzelle 10 führt zur Erzeugung einer EMK-Spannung, die im Ruhebetrieb über den Ruhekontakt NC an einem Voltmeter 44 wirksam ist, das auf­ grund einer entsprechenden Eichung den Sauerstoffpartialdruck in der Gasatmosphäre G anzeigt. Wenn man davon ausgeht, daß der Sauerstoffpartialdruck in der überwachten Gasatmosphäre niemals 0,21 Atmosphären übersteigt, was 21% Sauerstoff in Luft entspricht, und daß als Bezugssauerstoffquelle Luft Verwendung findet, ergibt sich kein Differentialdruck an dem Festelektrolyt 12 unter maximalen Sauerstoffbedingungen in der überwachten Gasatmosphäre G. Das heißt, unter diesen Bedin­ gungen hat das erzeugte EMK-Signal den Wert Null Millivolt. Der Schwellwert für das Voltmeter-Relais 42 ist auf ein Millivolt-Niveau eingestellt, welches im wesentlichen, je­ doch nicht genau den Nullsauerstoff-Bedingungen in der über­ wachten Gasatmosphäre entspricht, d. h. etwa 0,0001 Atmosphären oder 0,01% Sauerstoffanteil. Für die weiteren Betrachtungen wird dieses Niveau bei 125 Millivolt liegend angenommen. Somit liefert das Voltmeter 44 eine Anzeige für den Sauerstoffpartialdruck in der Gasatmosphäre G, wenn die EMK-Spannung am Ausgang der Festelektrolytzelle zwischen 0 und 125 mV liegt.

Im Augenblick jedoch, in welchem die EMK-Spannung der Elektro­ lytzelle 10 gleich oder größer 125 Volt ist, öffnet das Voltmeter- Relais 22 den Ruhekontakt NC und schaltet das Voltmeter 44 ab. Gleichzeitig wird der Arbeitskontakt NO geschlossen und eine Konstantspannungsquelle 46 in Serie zu einem Ampere­ meter 48 parallel zur Festelektrolytzelle 10 geschaltet. Durch diese Maßnahme wird die elektronische Schaltung 40 aus einem Spannungsmeßbetrieb zur Bestimmung des Sauerstoffanteils einer Gasatmosphäre mit Sauerstoffüberschuß in einen Strommeß­ betrieb umgeschaltet, um den Anteil von Verbrennungsgasen in der Gasatmosphäre mit einem Überschuß an Verbrennungsgasen festzustellen. Die Konstantspannungsquelle 46 liefert eine kon­ stante Spannung von 125 mV, wodurch die vorausstehend erwähnten Spannungsbedingungen bei 125 mV entsprechend der angenäherten 0,01%igen Sauerstoffbedingungen an der Fühlerelektrode aufrecht­ erhalten werden und die Festelektrolytzelle einen Strom von der Konstantspannungsquelle 46 ziehen kann, um Sauerstoff von der Bezugselektrode 16 zur Fühlerelektrode 14 zu transportieren. Dieser Strom wird im Amperemeter 48 gemessen und ist eine Funktion des Niveaus an Sauerstoff, welcher zu der Fühler­ elektrode 14 transportiert wird, um mit dem Überschuß an verbrennbaren Teilen an der Fühlerelektrode 14 der überwachten Gasatmosphäre im Sinne einer Verbrennung zu reagieren. In diesem Strommeßbetrieb kennzeichnet das Amperemeter 48 den Anteil an verbrennbaren Substanzen in der überwachten Gasatmosphäre G. Das gewählte Konstantspannungsniveau, auf­ grund dessen eine minimale Sauerstoffbedeckung, d. h. 0,01% Sauer­ stoff an der Fühlerelektrode 14 sichergestellt wird, schützt die Fühlerelektrode gegen eine reduzierende Atmosphäre, z. B. durch eine sulfidierende Atmosphäre, welche auf die Fühlerelektrode 14 einen physikalisch zerstörerischen Einfluß haben kann.

Im Strommeßbetrieb wird mit Hilfe des Amperemeters 48 der Sauerstoffbedarf für die Verbrennung der verbrennbaren Substanzen an der Fühlerelektrode 14 festgestellt. Mit anderen Worten ist der mit dem Amperemeter 48 gemessene Strom ein Maß für den Sauerstoffbedarf, um am Ausgang der Festelektrolytzelle eine EMK-Spannung mit dem vorgegebenen Niveau von bei­ spielsweise 125 mV aufrechtzuerhalten.

Wenn die EMK-Spannung unter dieses vorgegebene Niveau von beispielsweise 125 mV absinkt, wie es durch das Volt­ meter-Relais 42 festgestellt wird, öffnet der Arbeitskontakt NO und schließt der Ruhekontakt NC. Damit wird die Konstant­ spannungsquelle und das Amperemeter von der Festelektrolyt­ zelle 10 abgeschaltet und das Voltmeter 44 erneut ange­ schaltet. In diesem Zustand arbeitet die elektronische Schaltung wieder im Spannungsmeßbetrieb.

Diese beiden Betriebszustände, in welchem in einer Spannungs­ abhängigkeit der Sauerstoff und in einer Stromabhängigkeit die verbrennbaren Substanzen gemessen werden, welche z. B. aus Wasserstoff oder Kohlenmonoxid bestehen können, sind in Fig. 4 im Diagramm dargestellt. Die Sauerstoffkonzentration ist eine logarithmische Funktion der EMK-Spannung an der Festelektrolytzelle 10, wogegen der gemessene Strom in linearer Funktion den überschüssigen Anteil an verbrennbaren Substanzen anzeigt.

Die vorausstehende Diskussion wurde auf ein bestimmtes Niveau bezogen, wobei stöchiometrische Verhältnisse angenommen wurden. Die Überwachungseinrichtung arbeitet jedoch auch in gleicher Weise für eine genaue und exakte Messung der Abweichung von stöchiometrischen Verhältnissen des Brennstoff-Sauer­ stoffgemisches und ermöglicht die Steuerung der Sauerstoff- Brennstoff-Zufuhr für ein Verbrennungssystem bei einer vor­ gegebenen Abweichung von der Stöchiometrie.

Bei einem Verbrennungssystem nach Fig. 1, wie es für Kraft­ fahrzeuge, Dieselfahrzeuge, Turbinen usw. Verwendung finden kann, kann das vorgegebene Umschaltniveau für das Voltmeter- Relais auf ein bestimmtes gewünschtes Brennstoff-Sauerstoff­ gemisches des Verbrennungssystems eingestellt werden. Die Signale der elektronischen Schaltung 40 werden an eine Steuerung für das Sauerstoff- Brennstoffverhältnis F angelegt, welche ent­ sprechend die Sauerstoff-Brennstoffzufuhr zu dem Verbrennungs­ system CS steuert. Wenn am Ausgang der Sonde gemäß Fig. 1 eine Sauerstoffüberschußbedingung angezeigt wird, wird durch den Ruhekontakt NC 1 des Voltmeter-Relais 42 eine elektrische Erregung von einer Erregungsquelle E an die Wicklung MW 1 eines Motors angelegt, welcher ein Ventil in der Sauerstoff­ quelle OS steuert, um die Sauerstoffzufuhr zum Verbrennungs­ system CS zu verringern. Ergibt sich jedoch am Ausgang der Sonde eine Anzeige für einen Überschuß an verbrennbaren Substanzen, dann wird der Ruhekontakt NC 1 vom Voltmeter- Relais 42 aus geöffnet und der Arbeitskontakt NO 1 geschlossen. Dies bewirkt eine Erregung der Wicklung MW 2 durch die Er­ regungsquelle E, womit das vom Motor angetriebene Ventil in der Sauerstoffquelle OS öffnet und eine vergrößerte Sauer­ stoffzufuhr zum Verbrennungssystem CS bewirkt.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung der Sonde 20 dargestellt, deren rohrförmiger Teil auf der einen Seite mit einem Einsatz C verschlossen ist, der eine Öffnung A hat. Dadurch kann der Volumenanteil des aus der zu überwachenden Umgebung G ein­ dringenden und die Fühlerelektrode 14 erreichenden Gas­ volumens reduziert werden. Ein solcher Adapter ist besonders nützlich für den Strommeßbetrieb, weil sich dadurch der Volumenanteil der an der Fühlerelektrode 14 zu verbrennenden Substanzen und damit der Sauerstofftransport von der Bezugs­ elektrode 16 zur Fühlerelektrode 14 begrenzen läßt. Der Strombedarf von der Konstantspannungsquelle 46 für Brenn­ stoffüberschußbedingungen wird durch die Diffusionsrate der verbrennbaren Substanzen durch die Öffnung A gesteuert. Die Verwendung einer solchen Blende C ist durch die vorausstehend erwähnten Patentschriften bekannt.

Eine elektronische Schaltung mit der vorausstehend beschriebenen Funktion für die elektronische Schaltung 40 kann in einfacher Weise vom Fachmann unterschiedlich aufgebaut sein. Eine Version, die die an sie gestellten Bedingungen erfüllt und aus kommerziellen Elementen aufbaubar ist, zeigt das Schaltbild gemäß Fig. 3.

Mit Hilfe einer solchen Schaltung läßt sich eine herkömmliche sauerstoffionenleitende Festelektrolytzelle dazu benutzen, ein Spannungssignal zu erzeugen, mit weichem ein Sauerstoff­ überschuß bzw. ein Brennstoffüberschuß ausmeßbar ist. In vorteilhafter Weise wird durch die Umschaltbarkeit der Schaltung erreicht, daß im einen Fall, nämlich im Strommeß­ betrieb, ein Überschuß von verbrennbaren Substanzen in der zu überwachenden Gasatmosphäre und im Spannungsmeßbe­ trieb ein Überschuß an Sauerstoff quantitativ und qualitativ fest­ gestellt werden kann.

Claims (4)

1. Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät zur Steuerung eines Verbren­ nungssystems in Abhängigkeit vom Sauerstoff-Brennstoffgehalt einer zu überwachenden Gasatmosphäre bestehend aus:
einer Sauerstoffionen leitende Festelektrolytzelle mit einer Fühlerelek­ trode und Bezugselektrode, wobei die Fühlerelektrode der zu über­ wachenden Gasatmosphäre ausgesetzt und die Bezugselektrode gegenüber dieser Gasatmosphäre isoliert und einer Sauerstoff-Bezugsatmosphäre ausgesetzt ist,
einer elektronischen, mit der Fühler- und der Bezugselektrode verbun­ denen Schaltung mit zumindest einem Strommeßkreis, wobei der Strom­ meßkreis eine konstante Spannungsquelle sowie einen Strommesser umfaßt und die Festelektrolytzelle aus der Konstantspannungsquelle Strom zieht, um Sauerstoff aus der Sauerstoff-Bezugsatmosphäre von der Bezugs­ elektrode zur Fühlerelektrode unter gleichzeitiger Messung des für den Sauerstofftransport benötigten Stromes zu transportieren und mit dem Brennstoffüberschuß reagieren zu lassen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Schaltung einen Spannungsmeßkreis und Umschalt­ einrichtungen umfaßt, mit welchen der Spannungsmeßkreis und der Strommeßkreis alternierend in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Spannungsniveau des von der Festelektrolytzelle entsprechend der herr­ schenden Differenz des Sauerstoffpartialdruckes zwischen den Elektroden erzeugten EMK-Signals an die Fühlerelektrode und die Bezugselektrode anschließbar ist, daß das vorgegebene Spannungsniveau derart eingestellt ist, daß der Spannungsmeßkreis (NC, 44) während eines Sauerstoffüber­ schusses in der Gasatmosphäre (G) an die Fühlerelektrode und die Bezugselektrode (14, 16) angeschlossen ist und die gemessene EMK- Spannung den Sauerstoffgehalt in der Gasatmosphäre (G) mißt,
daß das vorgegebene Spannungsniveau ferner derart eingestellt ist, daß der Strommeßkreis (NO, 46, 48) während eines Brennstoffüberschusses in der Gasatmosphäre (G) an die Fühlerelektrode und die Bezugselektroden (14, 16) angeschlossen ist, wobei die Konstantspannungsquelle (46) der Strommeßeinrichtung ein vorgegebenes Spannungsniveau an der Festelek­ trolytzelle aufrechterhält, und das vorgegebene Spannungsniveau der Änderung vom Sauerstoffüberschuß-Zustand zum Brennstoffüberschuß- Zustand in der überwachten Gasatmosphäre entspricht;
daß der von der Strommeßeinrichtung gemessene Strom ein Maß für den Brennstoffanteil in der Gasatmosphäre (G) ist, und
daß eine Sauerstoff-/Brennstoff-Steuerung (F) mit der elektronischen Schaltung (40) verbunden ist und in Abhängigkeit von dem von der elektronischen Schaltung abgegebenen Ausgangssignal das Sauerstoff-/ Brennstoffverhältnis im Verbrennungssystem einstellt.

2. Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem vorgegebenen Niveau entsprechende Spannung derart ausge­ wählt wird, daß eine minimale Sauerstoffschutzschicht auf der Oberfläche der Fühlerelektrode (14) unter Brennstoffüberschußbedingungen aufrecht­ erhalten wird.

3. Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Festelektrolytzelle (10) in einem rohrförmigen Gehäuse unter­ gebracht ist, in welches von der einen Seite die zu überwachende Gasatmosphäre und von der anderen Seite die Sauerstoff-Bezugsatmo­ sphäre einwirkt, und
daß ferner Einrichtungen vorhanden sind, um das Volumen pro Zeiteinheit des mit der Fühlerelektrode in Berührung kommenden Gases zu begrenzen.

4. Sauerstoff-/Brennstoff-Überwachungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse auf der Seite der Fühlerelektrode (14) mit einem Einsatz (C) versehen ist, der über eine Öffnung (A) das Innere des rohrförmigen Gehäuses mit der zu überwachenden Gasatmosphäre ver­ bindet.