-
-
B e s c h r e i b u n g
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
in einem Gas gemäß Oberbegriff des Kauptanspruchs.
-
Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung oder zum
Nachweis des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Gases durch die Verwendung eines
Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten und insbesondere eine solche Vorrichtung
zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, bei der keine Abhängigkeit der
Meßcharakteristiken von der Anordnung der Vorrichtung in bezug auf die Strömung
des zu messenden Gases besteht.
-
Bei Brennkraftmaschinen für Automobile und bei vielen anderen Verbrennungsvorrichtungen
ist es bekannt, das Luft/Brennstoff-Verhältnis (d. h. das Verhältnis von Luft zu
Brennstoff) unter Verwendung eines Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten
zu messen, um die Bedingungen zu steuern, unter denen die Verbrennung abläuft. Es
wurden bereits verschiedenartige Konstruktionen solcher Luft/Brennstoff-Meßvorrichtungen
oder -Sonden vorgeschlagen und entwickelt. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der
Fig. 1 dargestellt, bei der der Sauerstoffsondenabschnitt aus einer elektrisch nicht
leitenden, rechteckig geformten, planen Grundplatte 1, einer auf dieser Grundplatte
1 angeordneten Elektronen leitenden Schicht 2, einer auf der Schicht 2 angeordneten
Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolytschicht 3 und einer auf der Schicht
3 angeordneten Elektronen leitenden festen Elektrolytschicht 4 besteht, so daß der
Sauerstoffsensorabschnitt oder Sauerstoffsondenabschnitt die dargestellte Plattenform
besitzt. Zusätz-
lich ist eine Glcichstl-ornquclLc oder Gleichstromversorgung
6 vorgesehen, mit der über die Leitungen 5 zwangsläufig ein Gleichstrom durch die
beiden Elektronen leitenden Schichten 2 und 4 geführt wird. Zur Messung der zwischen
den beiden Elektronen leitenden Schichten 2 und 4 erzeugten elektromotorischen Kraft
ist eine Spannungsmeßvorrichtung 7 vorgesehen.
-
Die in dieser Weise aufgebaute Meßvorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
ist insofern vorteilhaft, als ihr Sauerstoffsondenabschnitt einen einfachen und
kompakten Aufbau besitzt. Sie weist jedoch die folgenden Nachteile auf: (1) Der
Sauerstoffsondenabschnitt ist als planes Bauteil ausgebildet, da er durch nacheinander
erfolgendes Abscheiden der Elektronen leitenden Schicht 2, der festen Elektrolytschicht
3 und der Elektronen leitenden Schicht 4 aufgebaut worden ist. Demzufolge besitzt
der Sauerstoffsondenabschnitt unterschiedliche Meßcharakteristiken in Abhängigkeit
von der richtungsmäßigen Anordnung in bezug auf die zu messende Gasströmung. Mit
anderen Worten erhält man die besten Meßeigenschaften dann, wenn die Gasströmung
in rechtem Winkel auf die schichtförmig aufgebaute Oberfläche auftrifft, wie es
durch den Pfeil A in der Fig. 1 dargestellt ist, während sich die mäßgisten Meßcharakteristiken
dann ergeben, wenn die Gasströmung in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung
des Pfeils A, d. h. in der Richtung des Pfeils B, auf die Schichtoberfläche der
Sauerstoffsonde gerichtet ist. Somit ist es erforderlich, die richtungsmäßige Anordnung
der Sauerstoffsonde in ausreichendem Maße zu berücksichtigen, wenn der Sauerstoffsondenabschnitt
installiert
wird.
-
(2) Die Meßcharakteristiken der Sauerstoffsonde sind auf relativ niedrige
Werte begrenzt, da die Unterlagenschicht aus einem nichtleitenden Material besteht.
-
Dies kann wie folgt erläutert werden: Nach dem Prinzip der Sauerstoffsonde
wird eine elektromotorische Kraft nur durch die Kombination der festen Elektrolytschicht
3 und der auf beiden Seiten der Schicht 3 angeordneten Elektronen leitenden Schichten
2 und 4 erzeugt, so daß es demzufolge ausreicht, daß lediglich diese drei Schichten
ausgezeichnete Ansprecheigenschaften im Hinblick auf die Temperatur und die Atmosphäre
des zu messenden Gases besitzen. In der Tat ist jedoch die Unterlage für den Aufbau
der Sauerstoffsonde erforderlich. Zu diesem Zweck wird die elektrisch nicht leitende
Unterlage aus Aluminiumoxid etc. verwendet, was zur Folge hat, daß die Wärmekapazität
und damit die Ansprecheigenschaften der Sauerstoffsonde unvermeidbar beeinträchtigt
werden.
-
(3) Da als Unterlage die rechteckige, elektrisch nicht leitende Grundplatte
verwendet wird, ist die Sauerstoffsonde relativ groß. Mit anderen Worten ist es
schwierig, den Sauerstoffsondenabschnitt in sehr engen Bereichen anzuordnen, wenn
man die in der Fig.
-
1 dargestellte Konstruktion verwendet, während man ein Thermoelement
zur Bestimmung der Temperatur in wesentlich engeren Bereichen anordnen kann.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses anzugeben, die hervorragende
Eigenschaften besitzt und die Nachteile des Standes der Technik überwindet und die
insbesondere keine Unterschie-
de des Meßverhaltens in Abhängigkeit
von der richtungsmäßigen Anordnung in bezug auf die zu messende Gasströmung zeigt,
die klein und einfach aufgebaut ist und damit in engen Bereichen angeordnet und
vielfältig angewendet werden kann und die ausgezeichnete Ansprecheigenschaften und
eine geringere Wärmekapazität besitzt im Vergleich zu den herkömmlichen Meßvorrichtungen
zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, die eine elektrisch nicht leitende,
tragende Unterlage aufweisen, die beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht und in
Form einer flachen Platte vorliegt.
-
Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des
Hauptanspruchs.
-
Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen
dieses Erfindungsgegenstandes.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung zum Nachweis oder
zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einem Gas, die eine elektronisch
leitenden oder Elektronen leitenden Draht, wie einen Platindraht, umfaßt, der auch
als tragendes Grundelement dient. Zusätzlich ist auf der Oberfläche des Elektronen
leitenden Drahts eine Sauerstoffionen leitende Schicht aus einem festen Elektrolyten
ausgebildet, die auf ihrer Oberfläche eine weitere Elektronen leitende Schicht träyt.
Mit dem Elektronen leitenden Draht und der Elektronen leitenden Schicht ist ein
Voltmeter verbunden, mit dem die dazwischen erzeugte elektromotorische Kraft gemessen
wird.
-
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahem auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert, in dene gleiche Bezugsziffern für gleiche Teile und Elemente
stehen.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische vertikale Schnittansicht einer
herkömmlichen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig.
2 eine schematische vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisscs; Fig. 3 eine schematische
vertikale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 4 eine schematische
vertikale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 5 eine vergrößerte
Schnittansicht des gemäß Beispiel 1 gebildeten Sauerstoffsondenabschnitts einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses;
Fig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht der Vorrichtung, in der der in der Fig. 5
dargestellte Sauerstoffsondenabschnitt verwendet wird; Fig. 7 eine teilweise im
Schnitt dargestellte Ansicht eines Teils der Vorrichtung, die den in der Fig.
-
5 dargestellten Sauerstoffsondenabschnitt enthält;
Fig.
8 eine graphische Darstellung, die die Ausgangsspannungscharakteristik der gemäß
Beispiel 1 hergestellten Vorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt; Fig.
9 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Ausgangsspannung der gemäß
Beispiel 2 hergestellten Vorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt; Fig.
10 eine Kurve, die die Veränderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem
Luft/Brennstoff-Verhältnis bei fetten Luft/Brennstoff-Verhältnissen wiedergibt;
Fig. 11 eine Kurve ähnlich der in der Fig. 1o dargestellten, die jedoch die Änderung
der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis bei mageren
Luft/Brennstoff-Verhältnissen wiedergibt; Fig. 12A eine Schnittansicht, die die
Herstellungsweise des Sauerstoffsondenabschnitts gemäß Beispiel 3 verdeutlicht;
Fig. 12B eine Schnittansicht des gemäß Beispiel 3 gebildeten Sauerstoffsondenabschnitts;
Fig. 13A bis 13E schematische Darstellungen, die die Herstellung eines herkömmlichen
Sauerstoffsondenabschnitts gemäß dem Vergleichsbeispiel wiedergeben; Fig. 14A bis
14C Kurven, die die Ansprechcharakteristiken der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
einer
herkömmlichen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
wiedergeben; und Fig. 15 eine Kurve, die die Änderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von dem Luftüberschußverhältnis wiedergibt.
-
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 der Zeichnung sei im folgenden eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses näher erläutert. Die Vorrichtung umfaßt einen (ohne
Bezugsziffer gekennzeichneten) Sauerstoffsondenabschnitt, der einen Elektronen leitenden
oder elektronisch leitenden Draht 12 mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt
umfaßt. Auf einem Endabschnitt des Elektronen leitenden Drahts 12 ist eine Schicht
13 aus einem Sauerstoffionen leitenden , festen Elektrolyten derart ausgebildet,
daß sie den Endabschnitt des Drahts 12 bedeckt und die Oberfläche des Drahts 12
direkt berührt.
-
Auf der Oberfläche der Schicht 13 aus dem festen Elektrolyten ist
eine Elektronen leitende oder elektronisch leitende Schicht 14 angeordnet, die mit
der Oberfläche des festen Elektrolyten 13 in direktem Kontakt steht.
-
Über die Leitungen 15 ist ein Spannungsmeßgerät oder ein Voltmeter
17 elektrisch mit dem Elektronen leitenden Draht 12 und der Elektronen leitenden
Schicht 14 verbunden, um eine elektromotorische Kraft zu messen, die zwischen dem
Draht 12 und der Schicht 14 erzeugt wird.
-
Bei dieser Anordnung dient ein Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche
des Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten als Vergleichswert. Demzufolge
kann, wenn es sich bei dem zu messenden Gas um das Auspuffgas einer Automobil-Brennkraftmaschine
handelt und man ein fettes Gas (mit einem höheren Brennstoffanteil als es
dem
stöchiometrischen Verhältnis entspricht) mit niedriqem Saiierstoffpartiaidruck und
ein mageres Gas (mit einem höheren Luftanteil als es dem stöchiometrischen Verhältnis
entspricht) mit hohem Sauerstoffpartialdruck alternierend mit dem Sauerstoffsondenabschnitt
in Kontakt bringt, der Nachweis des stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Verhältnisses
des Auspuffgases erreicht werden, indem man die elektromotorische Kraft mißt, die
zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, wenn der fette Gasstrom durch den mageren Gasstrom
ersetzt wird oder umgekehrt.
-
Die Fig. 3 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, gemäß der eine Gleichstromquelle
16 mit dem Elektronen leitenden Draht 12 und der Elektronen leitenden Schicht 14
verbunden ist, um das Fließen eines elektrischen Stroms durch den Draht 12 und die
Schicht 14 zu bewirken. In diesem Fall wird die Gleichstromquelle, bei der es sich
vorzugsweise um eine Gleichstromquelle oder Gleichstromversorgung mit konstantem
Stronl}landelt, mit dem elektrisch leitenden Draht 12 und der Elektronen leitenden
Schicht 14 in der Weise verbunden, daß zwangsweise ein Sauerstoffionenfluß innerhalh
des festen Elektrolyten 13 verursacht wird, was zur Folge hat, daß der Sauerstoffpartialdruck
an der Grenzfläche zwischen der festen Elektrolytschicht 13 und dem Elektronen leitenden
Draht 12 konstanter wird, was zur Folge hat, daß man stabile Ausgangsspannungscharakteristiken
erreichen kann.
-
Die Fig. 4 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses, gemäß der eine Elektronen
leitende Drahtwicklung 14' um die feste Elektrolytschicht 13 angeordnet ist und
mit dieser in Kontakt steht. Diese
Drahtwicklung 14' wird anstelle
der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Elektronen leitenden Schicht 14 verwendet.
-
Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, Leitungsdrähte direkt
mit der Elektronen leitenden Schicht 14 zu verbinden, wie es in den Fig. 2 und 3
gezeigt ist.
-
Wie oben erläutert, wird erfindungsgemäß als tragendes Grundelement
der Elektronen leitende Draht 12 mit kreisförmigem oder rechteckigem Querschnitt
verwendet, um den die feste Elektrolytschicht 13 und die Elektronen leitende Schicht
14 herum angeordnet sind. Demzufolge besitzt die Sauerstoffsonde ausgezeichnete
Ansprechcharakteristiken für beliebige Gas ströme, die in radialer Richtung zu der
zylindrischen Sauerstoffsonde fließen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung kein
elektrisch nichtleitendes Substrat aufweist, kann die Wärmekapazität der Sauerstoffsonde
beträchtlich erniedrigt werden, so daß ihre Ansprechcharakteristiken bezüglich einer
Gasatmosphäre und der Temperatur verbessert werden, so daß der Sauerstoffsondenabschnitt
eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit besitzt. In dieser Hinsicht kann man die
Querschnittsfläche des Elektronen leitenden Drahts 12 klein halten, soweit dies
die Festigkeit des Drahtes als tragendes Element ermöglicht, so daß der Durchmesser
des Drahts 12 vorzugsweise 0,5 mm oder weniger beträgt, wenn der Draht 12 einen
kreisförmigen Querschnitt besitzt. Weiterhin beträgt die Dicke der festen Elektrolytschicht
13 vorzugsweise o,1 mm oder weniger. Aufgrund dieser Anordnung wird der Sauerstoffsondenabschnitt
der erfindungsgemäßen Sauerstoffsonde sehr klein, so daß der in dieser Weise aufgebaute
Sauerstoffsondenabschnitt für eine Vielzahl von Anwendungszwecken geeignet ist,
die jenen entsprechen, bei denen ein herkömmliches Thermoelement eingesetzt werden
kann.
-
Der Elektronen leitende Draht 12 besteht vorzugsweise aus einem metallischen
dünnen Draht aus einem Material, das keine Oxide bildet, wie Gold, Silber, Platin
oder Palladium. Man kann als Material für den dünnen metallischen Draht auch eine
Legierung verwenden, beispielsweise eine Silber-Palladium-Legierung oder eine Gold-Palladium-Le-Legierung.
-
Das Material, aus dem die Sauerstoffionen leitende , feste Schicht
13 aus dem festen Elektrolyten besteht, ist vorzugsweise ZrO2, das beispielsweise
mit CaO, Y203, SrO, MgO, ThO2, WO3 oder Ta Or stabilisiert worden ist, oder das
ThO2-Y203-System oder das CaO-Y2O 3-System. Die Schicht 13 aus dem festen Elektrolyten
oder die feste Elektrolytschicht 13 kann beispielsweise durch physikalisches Aufdampfen,
wie durch Aufspritzen, Ionenplattieren, durch galvanische oder elektrochemische
Methoden oder durch Einbrennen einer auf die Oberfläche des Drahtes 12 aufgetragenen
Paste des festen Elektrolyten auf der Oberfläche des Elektronen leitenden Drahts
12 ausgebildet werden.
-
Die Elektronen leitende Schicht 14 besteht aus einem Material, das
keine katalytische Aktivität besitzt, beispielsweise aus Gold, Silber oder Siliciumcarbid
(SiC); einem Oxid-Halbleiter, wie TiO2, CoO oder LaCrO3; einem Metall der Platingruppe,
das eine katalytische Aktivität aufweist, wie Ruthen, Palladium, Rhodium, Osmium,
Iridium oder Platin, oder Legierungen dieser Metalle der Platingruppe; oder aus
einer Legierung eines Metalls der Platingruppe mit einem Grundmetall. Diese Elektronen
leitende Schicht 14 wird durch eine Aufdampfmethode, wie durch Aufspritzen, Ionenplattieren,
durch elektrochemische oder galvanische Methoden, wie Metallplattieren, oder durch
Einbrennen einer auf die Oberfläche der festen
Elektrolytschicht
13 aufgetragenen Paste auf der Oberfläehe der festen Elektrolytschicht 13 ausgebildet.
Man kann auch einen dünnen Draht 14' spiralförmig um die feste Elektrolytschicht
13 herumwickeln, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, eine Schutzschicht auf der Oberfläche
des oben beschriebenen Sauerstoffsondenabschnitts auszubilden. Die Schutzschicht
kann aus CaO-ZrO2 (Calciumzirkonat), Al203 (Aluminiumoxid) oder Mg1204 (Spinell)
bestehen, welche Schicht durch Einbrennen eines (durch Tauchen) aufgebrachten Überzugs
oder durch Plasmabespritzen auf die Oberfläche der Sauerstoffsonde aufgebracht werden
kann. Es ist ersichtlich, daß das Sauerstoffionen-Leitungsvermögen des festen Elektrolyten
bei niedrigerer Temperatur geringer wird bzw. nachläßt. Daher ist es bevorzugt,
eine Elektronen leitende Einrichtung in der Schutzschicht vorzusehen, die Wärme
zu entwickeln in der Lage ist, oder den Sauerstoffsondenabschnitt in einer Atmosphäre
anzuordnen, die erhitzt werden kann.
-
Beispiel 1 Dieses Beispiel verdeutlicht die in den Fig. 5, 6 und 7
dargestellte Ausführungsform der Erfindung.
-
Zur Herstellung einer Sauerstoffsonde 20 der in der Fig.
-
5 dargestellten Ausführungsform wird ein Endabschnitt (mit einer Länge
von 2 mm vom extremen Ende) eines Platindrahts mit einem Durchmesser von 0,2 mm
und einer Länge von 30 mm, der als Elektronen leitender Draht 12 dient, in eine
Paste eines festen Elektrolyten eingetaucht. Die Paste aus dem festen Elektrolyten
bereitet man zuvor durch Vermischen und Vermengen von 5 Mol-%
eines
Y 203 -ZrO2-Pulvers mit einem Lack in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1 und anschließendem
Einstellen der Viskosität der erhaltenen Mischung auf etwa 80 ooo cP (centipoise)
unter Verwendung eines Verdünnungsmittels.
-
Nach dem oben angesprochenen Eintauchen trocknet man den Platindraht
12 während 1 Stunde bei looOC. Die Dicke der in dieser Weise erhaltenen (noch nicht
gebrannten) festen Elektrolytschicht 13 beträgt etwa So um.
-
Anschließend trägt man eine Platinpaste als Elektronen leitende Schicht
14 derart auf die Oberfläche der festen r'lektrolytschicit 13 auf, daß die Platinpaste
nicht direkt mit dem Platindraht 12 in Kontakt kommt. Dann bringt man einen Platindraht
18 mit einem Durchmesser von o,2 mm und einer Länge von 30 mm, der als Leitungsdraht
dient, mit der Schicht aus der Platinpaste in Kontakt und trocknet dann die Schicht
aus der Platinpaste während 1 Stunde bei 100 C. Anschließend brennt man die oben
erwähnte Paste aus dem festen Elektrolyten und die Platinpaste während 3 Stunden
bei 1400°C, wobei man im Bereich von Raumtemperatur bis zu 1400°C mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von 60°C/h arbeitet. Die Schichtdicke der erhaltenen festen Elektrolytschicht 13
beträgt etwa 30/um, während die Schichtdicke der Elektronen leitenden Schicht 14
(Platin) etwa 7 bis 8/um beträgt. Anschließend bildet man auf der Oberfläche der
Elektronen leitenden Schicht 14 und dem Draht 18 durch Plasmabesprühen eine CaO-ZrO2-Schicht
(Calciumzirkonat-Schicht) als Schutzschicht 19 aus, so daß man den Sauerstoffsondenabschnitt
20 erhält. Die Dicke der gebildeten Schicht 19 beträgt etwa o/um.
-
Die Fig. 6 und 7 verdeutlichen ein Beispiel einer Methode, gemäß der
der erhaltene Sauerstoffsondenabschnitt 20 zu einer Vorrichtung zur Bestimmung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses angeordnet wird. Wie in den Fig. 6
und
7 dargestellt, wird der Sauerstoffsondenabschnitt 20 in einer Kappe 21 angeordnet,
um zu verhindern, daß der Sauerstoffsondenabschnitt 20 direkt dem zu bestimmenden
Gas ausgesetzt ist. Die Kappe 21 umfaßt Öffnungen 21a, durch die das zu bestimmende
Gas in das Innere der Kappe 21 eintreten kann, wo es mit dem Sauerstoffsondenabschnitt
20 in Kontakt kommt, wonach es über das andere Loch 21a wieder austreten kann. Der
Sauerstoffsondenabschnitt 20 ist mit Hilfe eines Keramikklebstoffs 22 an ein elektrisch
nicht leitendes Rohr 23 angeklebt oder in anderer Weise fest verbunden. Der Klebstoff
22 dient auch als Gasdichtung. Das nichtleitende Rohr 23 weist längsverlaufende
öffnungen 23a und 23b auf, in denen die Platindrähte 12 und 18 angeordnet sind,
wodurch ein Kurzschluß zwischen den Platindrähten 12 und 18 vermieden wird. Das
nichtleitende Rohr 23 ist von einem falter 24 aus rostfreiem Stahl umgeben, der
einen Bruch des nichtleitenden Rohrs 23 verhindert. Die Kappe 21 ist fest über einen
Ring 25 aus rostfreiem Stahl durch eine Schweißnaht mit dem Halter 24 verbunden.
-
Die Platindrähte 12 und 18 sind an ihren Schweißstellen 26 bzw. 26
mit Nickeldrähten 27 bzw. 27 verbunden. Die längsverlaufenden Öffnungen 23a und
23b sind ebenfalls mit dem Keramikklebstoff ausgefüllt, um das Eintreten des Gases
zu verhindern. Weiterhin ist der Halter 24 durch Verschweißen fest mit einer weiteren
Halterung 28 verbunden, die ein Aluminiumpulver 29 enthält, das einen Kurzschluß
zwischen den Nickeldrähten 27 und 27 verhindert.
-
Die Halterung 28 ist durch die Quetschverbindungsstellen 30 mit einem
Rohr 31 aus rostfreiem Stahl verbunden. Das Rohr 31 enthält ein Trennelement 33
aus Silikonkautschuk, welches das Auslaufen des Aluminiumoxidpulvers 29 verhin-
dert
und einen Kurzschluß zwischen den Nickeldrähten 27, 27 und den Kupferdrähten 32,
32 unterbindet. Die Kupferdrähte 32, 32 sind an den Stellen 34, 34 unter Verwendung
eines Silberlots mit den Nickeldrähten 27, 27 verbunden. Ein Kurzschluß zwischen
den Kupferdrähten 32, 32 wird mit Hilfe eines Silikonkautschuks 35 verhindert, um
den eine Drahtabschirmungsschicht 36 ausgebildet ist.
-
Die Drahtabschirmungsschicht 36 ist über die Quetschverbindungsstellen
37 mit dem Rohr 31 aus rostfreiem Stahl verbunden. Um die Drahtabschirmungsschicht
36 ist eine frei bewegliche Mutter 38 angeordnet, die in der Pfeilrichtung bewegt
und mit dem Ring 25 in Kontakt gebracht werden kann, um diese Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses sicher mit der Wand eines (nicht dargestellten)
Auspuffrohrs zu verbinden, durch das das Auspuffgas der Brennkraftmaschine strömt.
-
Im folgenden sei ein Bewertungstest erläutert, der die oben beschriebene
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses unterworfen wird,
gemäß der die Änderung der Ausgangs spannung des Sauerstoffsondenabschnitts 20 mit
Hilfe des Spannungsmeßgeräts 17 unter Bedingungen gemessen wird, bei denen ein fettes
Gas (mit einem Sauerstoffpartialdruck von etwa 10 20 atm) und ein mageres Gas (mit
einem Sauerstoffpartialdruck von etwa lo 3 atm) alternierend in Intervallen von
20 Sekunden mit einer Temperatur von 600C mit dem Sauerstoffsondenabschnitt 20 in
Kontakt gebracht wird. Bei dieser Untersuchung wird die positive Klemme des Spannungsmeßgeräts
17 mit der Elektronen leitenden Schicht 14 verbunden. Das Ergebnis dieser Untersuchung
ist in der Fig. 8 dargestellt.
-
Wenn man bei dieser Untersuchung oder bei diesem Test das mit dem
Sauerstoffsondenabschnitt 20 in Kontakt gebrachte Auspuffgas in einem fetten Gaszustand
hält, bei
dem die Sauerstoffkonzentration geringer ist als bei
dem stöchiometrischen Zustand, entspricht der Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas
dem Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen dem Elektronen leitenden
Draht 12 und der festen Elektrolytschicht 13. Demzufolge nimmt die Ausgangsspannung
den Wert Null an. Wenn jedoch das Auspuffgas mit einem mageren Gas zustand, bei
dem die Sauerstoffkonzentration größer ist als sie dem stöchiometrischen Zustand
entspricht, anschließend in die Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
einströmen gelassen wird und mit dem Sauerstoffsondenabschnitt 20 in Kontakt kommt,
ergibt sich eine Ausgangsspannung von 740 mV, die durch die folgende Nernst'sche
Gleichung ausgedrückt werden kann:
Da zu diesem Zeitpunkt das magere Gas die Grenzfläche zwischen dem Elektronen leitenden
Draht 12 und der festen Elektrolytschicht 13 über die Elektronen leitende Schicht
14 und die feste Elektrolytschicht 13 durchdringt, nimmt der Wert für den Sauerstoffpartialdruck
an der oben angesprochenen Grenzfläche und der des Auspuffgases gleiche Werte an,
so daß die Ausgangsspannung den Wert Null annimmt. Dann nimmt in dem Augenblick,
da das fette Gas die Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses
einströmt und mit dem Sauerstoffsondenabschnitt 20 in Kontakt bringt, die Ausgangsspannung
einen Wert von -740 mV gemäß der folgenden Gleichung an:
Dann erreicht das fette Gas die oben angesprochene Grenzfläche und diffundiert durch
sie hindurch, was zur Folge
hat, daß die Ausgangsspannung wieder
den Wert Null annimmt, so daß sich die Ausgangsspannungscharakteristik ergibt, die
in der Fig. 8 dargestellt ist.
-
Wenn sich somit das fette Gas zu einem mageren Gas verändert, so daß
das Luft/Brennstoff-Verhältnis sich über den stöchiometrischen Wert hinweg ändert,
ergibt sich eine positive elektromotorische Kraft, während bei einer Veränderung
des mageren Gases zu dem fetten Gas das Luft/Brennstoff-Verhältnis über das stöchiometrische
Verhältnis hinaus geändert wird und eine negative elektromotorische Kraft erzeugt
wird. Wenn man andererseits die positiven und die negativen Klemmen des Spannungsmeßgeräts
17 umgekehrt verbindet, ergeben sich umgekehrte positive und negative Charakteristiken.
Es ist somit ersichtlich, daß in beiden Fällen es möglich wird, das stöchiometrische
Luft/Brennstoff-Verhä ltni s nachzuweisen bzw. zu bestimmen.
-
Beispiel 2 Die Bewertungsuntersuchung dieses Beispiels erfolgt mit
der gleichen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, wie es
in Beispiel 1 beschrieben ist, mit dem Unterschied, daß der Elektronen leitende
Draht 1 2 und die Elektronen leitende Schicht 1 4 mit einer Gleichstromquelle verbunden
sind (wie es in der Fiy. 3 dargestellt ist), um in dieser Weise zwangsläufig einen
Stromfluß in diesen Einrichtungsteilen zu erzeugen. In diesem Fall wird eine Gleichstromversorgung
mit konstantem Strom als Gleichstromquelle 16 verwendet, deren negativer Pol mit
der Elektronen leitenden Schicht 14 und demzufolge deren positiver Pol mit dem Elektronen
leitenden Draht 12 verbunden sind.
-
Mit der in dieser Weise angeordneten Prüfvorrichtung werden fette
und magere Gase alternierend in Intervallen von 20 Sekunden, wie in Beispiel 1 beschrieben,
durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses geführt,
wobei man stets bei einem konstanten Strom von 5/µA und einer Temperatur von 600°C
arbeitet, um in dieser Weise die Ausgangscharakteristiken der Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses festzustellen. In diesem Fall ist der Elektronen
leitende Draht 12 mit der positiven Klemme des Spannungsmeßgeräts 17 verbunden,
dessen Meßimpedanz 1 M Q beträgt. Das L'rgebnis dieser Untersuchung ist in der Fig.
9 dargestellt.
-
Da in diesem Fall zwangsläufig ein Strom fließt, werden stets Sauerstoffionen
durch die festen Elektrolytschicht 13 zu der Grenzfläche zwischen dem Elektronen
leitenden Draht 12 und der festen Elektrolytschicht 13 geführt, so daß sich ein
höherer Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche ergibt. Als Ergebnis davon wird
eine höhere Ausgangsspannung erzeugt, wenn der Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas
geringer ist als in dem fetten Gas, während eine niedrigere Ausgangsspannung erzeugt
wird, wenn der Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas höher ist als in dem mageren
Gas. Weiterhin erzielt man die in der Fig. 10 dargestellten Ergebnisse bei der Bestimmung
der Ausgangsspannungen bei variierendem Luft/Brennstoff-Verhältnis des fetten Gases.
-
Bei einer weiteren Untersuchung verbindet man die Pole der Gleichstromversorgung
mit konstantem Strom umgekehrt als in der oben angegebenen Weise, so daß man für
die Durchführung dieses Test den positiven Pol der Gleichstromquelle mit der Elektronen
leitenden Schicht 14 und den negativen Pol mit dem Elektronen leitenden Draht 12
verbindet.
In diesem Fall wird eine höhere Ausgangsspannung dann erzeugt, wenn der Sauerstoffpartialdruck
in dem Abyas größer ist als in dem mageren Gas, während sich eine niedrigere Ausgangsspannung
ergibt, wenn der Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas niedriger ist als in dem
fetten Gas. Weiterhin erhält man die in der Fig. 11 dargestellten Ergebnisse, wenn
man die Ausgangsspannungen bei variierendem Luft/Brennstoff-Verhältnis des mageren
Gases mißt.
-
Beisl?iel 3 Im folgenden sei die erstellung des Sauerstoffsondenabschnitts
20 einer Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses gemäß den
Fig. 12A bis 12B erläutert.
-
Für die Herstellung des Sauerstoffsondenabschnitts 20 taucht man einen
Endabschnitt (der einen Bereich von 2 mm vom äußersten Ende des Drahtes umfaßt)
eines Platindrahts mit einem Durchmesser von o,2 mm und einer Länge von 30 mm, der
als Elektronen leitender Draht 12 verwendet wird, in eine einen festen Elektrolyten
enthaltende Paste. Die Paste aus dem festen Elektrolyten hat man zuvor durch Vermischen
und Vermengen von 5 Mol-% Y 203 -ZrO2-Pulver mit einem Lack in einem Gewichtsverhältnis
von 1 : 1 und anschließendes Einstellen der Viskosität der erhaltenen Mischung auf
etwa 80 ooo cP hergestellt. Nach dem oben angesprochenen Eintauchen trocknet man
den mit der Paste beschichteten Platindraht 12 während 1 Stunde bei looOC. Die Dicke
der in dieser Weise erhaltenen (noch nicht gebrannten) Schicht 13 aus dem festen
Elektrolyten, wie sie in der Fig. 12A dargestellt ist, beträgt etwa So um. Anschließend
wird ein Endabschnitt eines Platindrahts mit einem Durchmesser von o,2 mm unter
Bil-
dung einer Elektronen leitenden Wicklungsschicht 14' um die
Schicht 13 aus dem festen Elektrolyten herumgewickelt.
-
Beim Aufwickeln des einen Endabschnitts des Platindrahts kann man
das freie Ende des Platindrahts 12 in die umgekehrte Richtung biegen und erneut
um den festen Elektrolyten 13 und anschließend zur Trennung des Drahtwicklungsabschnitts,
der als Elektronen leitende Schicht 14' dient, abschneiden.
-
Anschliel3end brennt man das Material während 3 Stunden bei 14000C,
um die feste Elektrolytschicht 13 zu sintern, wobei man das Erhitzen von Raumtemperatur
auf 1400C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 6o0C/h bewirkt. Die erhaltene Schicht
13 aus dem festen Elektrolyten besitzt nach dem Brennen eine Dicke von etwa 30um
und ist derart porös, daß Sauerstoffgas durch die Schicht 13 hindurchdringen kann.
Anschließend trägt man durch Plasmabespritzen eine CaO-ZrO2-Schicht in Form einer
Schutzschicht 19 auf, die die Platindrahtwicklung 14', die feste Elektrolytschicht
13 und den freiliegenden Abschnitt des Platindrahts 12 bedeckt, so daß man den in
der Pig. 12B gezeigten Sauerstoffsondenabschnitt 20 erhält.
-
Man bewertet den in dieser Weise gebildeten Sauerstoffsondenabschnitt
20 unter Bedingungen, gemäß denen der Sondenabschnitt 20 in der in der Fig. 7 dargestellten
Kappe angeordnet ist, wobei der Elektronen leitende Platindraht 12 und die Elektronen
leitende Schicht 14 mit den Nickeldrähten 27 bzw.27 verbunden sind. In diesem Fall
erhält man bei alternierender Zuführung fetter und magerer Gase in Intervallen von
20 Sekunden bei einer Temperatur von 600C nach der Verfahrensweise von Beispiel
1 die in der Fig. 8 dargestellte Ausgangsspannungscharakteristik. Weiterhin erzielt
man die gleiche
Ausgangsspannungscharakteristik, wie sie in der
Fig. 9 dargestellt ist, wenn man die in Beispiel 2 beschriebene Untersuchung durchführt,
gemäß der fette und magere Gase alternierend zugeführt werden und wobei eine Gleichstromquelle
mit dem Elektronen leitenden Draht 12 und der Elektronen leitenden Schicht 14' verbunden
ist.
-
V e r g 1 e i c h s b e i s p i e 1 Mit IIilfe einer herkömmlichen
Verfahrensweise, die durch die Fig. 13A bis 13E verdeutlicht wird, stellt man einen
Sauerstoffsondenabschnitt des flachen Plattentyps her.
-
Bei dieser Verfahrensweise bedruckt man die Oberfläche einer Aluminiumoxid-Grundplatte
1 mit den Abmessungen 5 x 4 x o,6 mm, wie sie in der Fig.13A dargestellt ist, mit
einer Platinpaste zur Erzeugung der Elektronen leitenden Schicht 2 (die in der Fig.
13B schraffiert dargestellt ist). Die mit der Platinpaste bedruckte Aluminiumoxid-Grundplatte
1 wird dann während 1 Stunde bei 100 0C getrocknet und anschließend an der Umgebungsluft
während 1 Stunde bei 1300C gebrannt. Die Dicke der in dieser Weise erhaltenen Elektronen
leitenden Schicht 2 beträgt 5 bis 6/um. Anschließend wird eine Paste aus einem festen
Elektrolyten in dem in der Fig. 13C schraffiert dargestellten Muster unter Bildung
der festen Elektrolytschicht 3 aufgedruckt. Die in dieser Weise mit der Paste des
festen Elektrolyten bedruckte Grundplatte wird dann während 1 Stunde bei 100°C getrocknet
und anschließend während 3 Stunden bei 1400°C gebrannt. Die Dicke der erhaltenen
festen Elektrolytschicht 3 beträgt etwa So um Dann wird eine Platinpaste mit dem
in der Fig.
-
13D schraffiert dargestellten Muster aufgedruckt unter Bildung der
Elektronen leitenden Schicht 4. Die erhaltene, gemäß den riy. 13E bis 13D bedruckte
Grundplatte 1 wird während 1 Stunde bei looOC getrocknet und anschlie-
ßcnd
während 1 Stunde bei 13000C gebrannt. Die Dicke der erhaltenen Clektronisch leitenden
Schicht 4 beträgt 5 bis 6 Weiterhin werden, wie in der Fig. 13E dargestellt, Leitungsdrähte
5 angebracht und der in dieser Weise erhaltene Sauerstoffsondenabschnitt wird in
ein aus Aluminiumoxid hergestelltes Schutzrohr eingebracht unter Bildung einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, die dann in Vergleich
zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
einer Bewertungsuntersuchung unterzogen wird.
-
Man führt die Bewertungsuntersuchung oder den Bewertungstest in der
Weise durch, daß man die Ansprechcharakteristik der Ausgangs spannung der herkömmlichen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit einem plattenartigen
Sauerstoffsondenabschnitt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses unter Bedingungen vergleicht, bei denen das Auspuffgas
abrupt von einem mageren Glaszustand (mit einem höheren Sauerstoffanteil als er
dem stöchiometrischen Zustand entspricht) zu einer fetten Glaszustand (mit einem
geringeren Sauerstoffanteil als er dem stöchiometrischen Zustand entspricht) verändert.
-
In bezug auf die Fig. 14A bis 14C ist zu bemerken, daß das Bezugszeichen
"a" auf die erfinSungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
hinweist, das Bezugszeichen "b" eine herkömmliche Vorrichtung verdeutlicht, die
gemäß der Verfahrensweise hergestellt worden ist, die unter Bezugnahme auf die Fig.
-
13A bis 13E verdeutlicht worden ist, und die in der Weise untersucht
worden ist, daß das zu bestimmende Gas in rechtem Winkel zu der Schichtoberfläche
anströmt, wie
es in der Fig. 1 durch den Pfeil A dargestellt ist,
während das Bezugszeichen "c" für eine weitere herkömmliche Vorrichtung steht, wie
sie unter Bezugnahme auf das Bezugszeichen "1," verdeutlicht wurde, und die in der
Weise untersucht worden ist, daß das Gas in der Gegenrichtung zu dem Pfeil A anströmt,
d. h. in Richtung des Pfeils B, der in der Fig. 1 dargestellt ist. In allen Fällen
war der Minus-Pol der Gleichstromquelle 16 oder 6 mit konstantem Strom mit der Auspuffgasseite
der Elektronen leitenden Schicht 14 oder 4 verbunden, um der Elektronen leitenden
Schicht einen konstanten Strom von 5 µa zuzuführen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen
sind in den Fig. 14A bis 14C verdeutlicht, wobei die Fig. 14A die bei einer Temperatur
von 700°C, die Fig. 14B die bei einer Temperatur von 500C und die Fig. 14C die bei
einer Temperatur von 3oOC ermittelten Ergebnisse wiedergeben.
-
In den Kurven der Fig. 14A bis 14C sind auf der Abszisse die Zeit
und auf der Ordinate die prozentuale Änderung der Ausgangsspannung aufyetragen.
Die Änderung F der Ausgangsspannung wird mit hilfe der folgenden Gleichung herechnet:
V V F = VR - VL x 100 (%), wobei, wie es anhand der Fig. 15 erläutert wird, VR für
die stabile Ausgangs spannung in der Atmosphäre des fetten Gases, VL für die stabile
Ausgangsspannung in der Atmosphäre des mageren Gases und V die Ausgangsspannung
zu einem Zeitpunkt nach dem Ablauf einer bestimmten Zeitdauer stehen.
-
sowie aus den Fig. 14A bis 14C zu erkennen ist, werden die Ansprechcharakteristiken
mit steigender Temperatur sowohl im Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
a als auch im hinblick auf die herkömmlichen Vorrich-Stunden b und c hesser. Unter
den gleichen Temperaturbe-
Bedingungen ist jedoch die Ansprechcharakteristik
der erfindungsgemäßen Vorrichtung a wesentlich besser als die der Vergleichsvorrichtungen
b und c. Weiterhin unterscheiden sich die AnsPrechcharakteristiken der herkömmlichen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses flllt einem Sauerstoffsondenabschnitt
in Form einer jlacien Platte erhehlich von denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
indem die guten Ansprechcharakteristiken nur dann erreicht werden können, wenn die
Vorrichtung in der weise verwendet wird, aaß die Gasströmung in Richtung des in
der Fig. 1 dargestellten Pfeils A strömt.
-
I.ie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, umfaßt die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/ Brennstorf-Verhältnisses keine elektrisch nichtleitende
spezielle Grundplatte als tragendes Element, so daß sie wesentlich einfacher aufgebaut
ist und kleiner gehalten werden kann. hierdurch wird es möglich, die Vorrichtung
zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auch in räumlich sehr engen Verhältnissen
anzuordnen, ähnlich den Anordnungsstellen eines herkömmlichen Thermoelements, so
daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in vielfältiger Weise eingesetzt werden kann.
Weiterhin ist die Wärmekapazität der erfindungsgemäßen Vorrichtung geringer als
die der herkömmlichen Vorrichtung, die eine elektrisch nichtleitende Grundplatte
aufweist. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, das unterschiedliche Meßverhalten
in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung des zu messenden Gasstroms zu vermeiden.
Demzufolge ist es bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht erforderlich,
diese in einer bestimmten Richtung zu justieren.