DE3022282C2 - Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-VerhältnissesInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in fetten
oder mageren Luft/Brennstoff-Gemischen (Verbrennungsgasen) durch Bestimmung der Menge des in dem
Auspuffgas der Brennkraftmaschine vorhandenen Sauerstoffs mit einem ersten und einem zweiten
Elektrodenpaar, zwischen denen jeweils ein fester Elektrolyt angeordnet ist, der jeweils mit einer
Elektrode der Elektrodenpaare in Kontakt steht und einer Einrichtung zur Erzeugung von durch das erste
bzw. zweite Elektrodenpaar fließenden konstanten Strömen.
Aus der US-Patentanmeldung Ser. No. 28 747 vom 10. April 1979 (Shinji Kimura »Method of Detecting
Air/Fuel in Combustor by Detecting Oxygen in Combustion Engine«) ist bereits eine Vorrichtung zur
Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in einem
fetten oder mageren Luft/Brennstoff-Gemisch vorgeschlagen worden, wie sie in der Fi g. 1 der Zeichnungen
dargestellt ist Wie aus dieser F i g. 1 zu erkennen ist, umfaßt diese Vorrichtung eine Meßelektrode 1 aus
Platin, eine poröse Schicht 2 aus einem festen Elektrolyten, eine Vergleichselektrode 3 und eine
Schutzschicht 4, die schichtweise übereinander angeordnet sind, sowie eine einen konstanten Strom abgebende
Stromversorgung, mit der zwischen den Elektroden 1 und 3 ein Vorspannungsstrom erzeugt wird. Diese
Vorrichtung zeigt die in der Fig.2 dargestellte Ausgangskennlinie, d. h. die Beziehung zwischen der
abgegebenen Spannung V0 und dem Lust-Brennstoff-Verhältnis.
Bei dieser herkömmlichen Vorrichtung zur 3estimmung des Luft Brennstoff-Verhältnisses wird
der zu einer Elektrode diffundierte Sauerstoff durch die angelegte Vorspannung in Form von Sauerstoffionen zu
der anderen Elektrode transportiert, wodurch dort ein Sauerstoff-Partialdruck erzeugt wird, der als Vergleichssauerstoff-Partialdruck
dient. Der feste Elektrolyt 2 ist dabei für Sauerstoffionen durchlässig. Durch
diesen können auch die in dem Auspuffgas enthaltenen Sauerstoffionen zu der Vergleichselektrode 3 diffundieren.
Als Ergebnis davon ergibt sich eine Ausgangsspannung Vo, die einer Spannung entspricht, die man dadurch
erhält, daß man, wie es in der F i g. 2 dargestellt ist, zu einer Spannung Va die sich durch das Produkt aus
diesem Strom und dem Widerstand des festen Elektrolyten ergibt, eine elektromotorische Kraft
addiert, die dem Unterschied zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck
an der Elektrode 1 und dem Sauerstoff-Partialdruck an der Elektrode 3 entspricht
Wie zu erkennen ist, werden Schwankungen der Spannung Vr die von dem Widerstand des festen
Elektrolyten 2 abhängt, und damit Schwankungen der Ausgangskennlinie der Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses dadurch vermieden,
daß man während der Herstellung der Vorrichtung die Widerstandswerte des festen Elektrolyten konstant hält.
Der feste Elektrolyt wird jedoch durch Brennen einer geformten, ungebrannten Paste hergestellt, so daß es
schwierig ist, die Dicke und die Dichte konstant zu halten, die in direkter Beziehung zu dem Widerstandswert
stehen. In dieser Weise werden unvermeidbar Streuungen des Widerstandswerts des festen Elektrolyten
und damit Streuungen der Ausgangskennlinien der Vorrichtungen zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
verursacht Wenn ein Strom durch den festen Elektrolyten fließt, ergibt sich durch diese
Steuung des Widerstandswerts direkt eine Streuung der Ausgangsspannung Vr, wie es mit Hilfe der unterbrochenen
Linien in der Fxg.2 dargestellt ist Dieser
Streubereich verursacht einen Fehler der Messung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses innerhalb eines zi2mlich
breiten Bereichs, wie er in der F i g. 2 durch das Verhältnis (A/F)e dargestellt ist Da sich eine solche
Streuung der Ausgangsspannung ergibt ist es notwendig. Einrichtungen zu verwenden, mit denen die von dem
Widerstand des festen Elektrolyten abhängige Spannung VB konstant gehalten wird, insbesondere bei der
Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses einer magere
Gemische verbrennenden Brennkraftmaschine, die bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis (A/F) von mehr
als 20 betrieben wird, wozu eine Steuerungsgenauigkeit von ±0,5 · W (W=Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses)
erforderlich ist Hierdurch wird aber das System zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses kompliziert.
Aus der DE-OS 26 31 819 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Gehaltes an molekularem und/oder
gebundenem Sauerstoff in Gasen bekannt, die ein erstes und ein zweites Elektrodenpaar aufweist, die auf einem
Rohr aus einem festen Elektrolyten angeordnet sind, und einer Einrichtung zur Erzeugung von durch das
erste bzw. zweite Elektrodenpaar fließenden konstanten Strömen. Diese Vorrichtung weist zwar zwei
getrennte Meßsysteme auf, wodurch eine Differenzmessung möglich ist, leidet jedoch an dem Nachteil, daß der
für beide Elektroden verwendete gemeinsame feste Elektrolyt nur schwer mit konstanter Dicke hergestellt
werden kann, so daß sich auch hier Streuungen des Widerstandswertes einstellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses anzugeben, die eine höhere Genauigkeit dieser Bestimmung sowohl bei
fetten als auch bei mageren Luft/Brennstoff-Gemischen ermöglicht und die auch bei der Massenproduktion
gleichmäßige und reproduzierbare Kennlinien aufweist und unter Verwendung von festen Elektrolyten
gleichmäßige und nichtstreuende Ausgangsspannungs-Kennlinien zeigt, selbst wenn die Widerstandswerte der
Elektrolyte bei der Massenherstellung streuen, so daß es nicht erforderlich ist, Maßnahmen vorzusehen, mit
denen die Ausgangsspannung des festen Elektrolyten konstant gehalten werden muß.
Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeich
nenden Merkmale der Vorrichtung gemäß Hauptanspruch.
Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung des obigen Aufbaus gelingt eine sehr genaue Messung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses sowohl bei fetten als auch
bei mageren Gemischen und man erhält auch bei der Massenproduktion Vorrichtungen mit gleichmäßigen
und reproduzierbaren Kennlinien.
Die vorliegende Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert In den
Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses,
F i g. 2 eine graphische Darstellung, die die Ausgangsspannungs-Kennlinie
der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis
wiedergibt,
Fig.3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen " -orrichtung zur
Bestimmung des Luft/Brennsioff-Verhäitui'-ses,
Fig.4 und 5 graphische Darstellungen, die die
Ausgangsspannungs-Kennlinie der in der F i g. 3 dargestellten Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Luft/
Brennstoff-Verhältnis wiedergeben,
Fig.6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses,
F i g. 7 eine Darstellung, die die Herstellung der in der
F i g. 6 dargestellten Vorrichtung verdeutlicht,
Fig.8 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und
F i g. 9 eine Darsteüung, die die Herstellung der in der
F i g. 8 dargestellten Vorrichtung wiedergibt
Die F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Die Vorrichtung umfaßt
ein Meßelektrodenpaar 10a und 106, die aus einem elektrisch leitenden Material, wie Platin, gebildet sind,
das für Oxidationsreaktionen von unverbranntem Gas oder unverbrannten Bestandteilen in dem Auspuffgas
einer Brennkraftmaschine katalytisch aktiv ist Zwischen dem Elektrodenpaar 10a und 106 ist ein poröser,
fester Elektrolyt 11 angeordnet. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin ein Paar Vergleichselektroden (Vergleichselektrodenpaar)
12a und 12£> aus einem elektrisch leitenden Material, das katalytisch aktiv ist. Zwischen
den Vergleichselektroden 12a und 126 ist ein poröser, fester Elektrolyt 13 angeordnet Zwischen der Meßelektrode
106 und der Vergleichselektrode i2b ist ein dichter, fester Elektrolyt angeordnet. Die Meßelektroden
lOa-'tnd 106 und der feste Elektrolyt 11 bilden einen
Meßelektrodenabschnitt. Die Vergleichselektroden 12a und 12b und der feite Elektrolyt 13 bilden einen
Vergleichselektrodenabschnitt.
Der oben im Hinblick auf die festen Elektrolyten 11
und 13 verwendete Ausdruck »porös« steht für eine Struktur oder ein GefSge, die bzw. das für diffundierende
Sauerstoffmoleküle des Aufpuffgases durchlässig ist, während der im Hinblick auf den festen Elektrolyten 14
verwendete Begriff »dicht« für eine Struktur bzw. ein Gefüge steht, die bzw. das für Sauerstoffmoleküle in
dem Auspuffgas nicht durchlässig ist.
Eine erste, konstanten Strom abgebende Stromversorgung
15 ist elektrisch mit den Meßelektroden 10a
und 106 verbunden, und erzeugt einen vorbestimmten Strom /Ι, der von der Elektrode 106 zu der Elektrode
10a fließt. Die Vergleichselektroden 12a sind mit einer zweiten, konstanten Strom abgebenden Stromversorgung
16 verbunden, die einen vorbestimmten Strom /2 ~<
erzeugt, der von der Elektrode 12a zur Elektrode 126 fließt. Es ist festzuhalten, daß die Beziehung zwischen
den Strömen /Ί und ti>h oder i\<i2 lauten kann. Bei
dieser Anordnung wird eine Ausgangsspannung V0 mit
den Leitungen 17 und 17' abgegriffen, die mit der 1»
Meßelektrode 106 bzw. der Vergleichselektrode 126 verbunden sind, die ihrerseits an den beiden seitlichen
Oberflächen des festen Elektrolyten vorliegen, so daß man eine Ausgangsspannung erhält, die sich im
allgemeinen linear mit der Änderung des Luft/Brenn- ir>
stoff-Verhältnisses des Luft/Brennstoff-Gemisches im
fetten oder mageren Bereich des Gemisches ändert.
Im folgenden sei der Betrieb der in dieser Weise aufgebauten Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/
Brennstoff-Verhältnisses der vorliegenden Erfindung -" erläutert.
Wenn die Beziehung zwischen den Strömen der jeweils einen konstanten Strom abgebenden Stromversorgungen
15 und 16 /|> h lautet, besitzt die
Ausgangsspannung V0, wie es in der Fig.4 dargestellt ?>
ist, in dem Bereich der fetten Luft/Brennstoff-Gemische einen konstanten Sättigungswert, der im mageren
Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches jenseits des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses (das
einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von 14,5 bzw. einem Jo
Luftüberschußfaktor A = I entspricht) nach und nach abnimmt, so daß die Ausgangsspannung V0 schließlich
den Wert Null annimmt. Somit erhält man die in der Fig.4 dargestellte Kennlinie der Ausgangsspannung
V0. J5
Genauer sei der Betrieb der Vorrichtung anhand der in der F i g. 4 dargestellten Kennlinie wie folgt erläutert.
Der Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas liegt sowohl bei fetten als auch bei mageren Luft/Brennstoff-Gemischen
im Bereich von 10~2 bis 10-Jatm. Es ist «
weiterhin bekannt, daß die Menge der in dem Auspuffgas vorhandenen unverbrannten Gase, wie
Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) bei Luft/Brennstoff-Gemischen im fetten Bereich größer ist
und abrupt beim Überschreiten des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses im mageren Bereich des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses abnimmt. In dem Meßelektrodenabschnitt bewegen sich die in die Elektrode
10a diffundierten Sauerstoffmolekühle unter Einfluß des Vorspannungsstroms /Ί in Form von Sauerstoffionen
O- - (als O2- angegeben) von der Elektrode 10a zu der
Elektrode 106 entgegengesetzt zu der Fließrichtung des Vorspannungsstr^ms it. Im Vergleichselektrodenabschnitt
bewegen sich die in die Elektrode 126 diffundierten Sauerstoffmoleküle in Form von Sauerstoffionen
(O2~) von der Elektrode 126 zu der Elektrode
12a in entgegengesetzter Richtung zu der Fließrichtung des Vorspannungsstroms k- Ersichtlich ist die aus der
Elektrode 10a entnommene Sauerstoffmenge größer als
die aus der Elektrode 126. Die zu den Elektroden 106 &o
und 12a transportierten Sauerstoffionen (O2-) werden dort zu Sauerstoffmolekülen entladen und erhöhen den
Sauerstoffpartialdruck an den Elektroden 106 und 12a
Der Meßvorgang sei im folgenden unter den oben angegebenen Voraussetzungen für ein Luft/Brennstoff- tn
Gemisch aus dem fetten Bereich erläutert, dessen Luft/Brennstoff-Verhältnis kleiner ist als 14,5.
Da das Luft/Brennstoff-Gemisch aus dem fetten
Bereich eine größere Menge an unverbranntem Gas, wie Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid, in dem
Aufpuffgas enthält, ergibt sich eine katalytisch geförderte Oxidationsreaktion des unverbrannten Gases an der
Oberfläche der Elektroden 10a und 12λ, die mit dem
Auspuffgas in Kontakt stehen, was zur Folge hat, daß die unverbrannten Bestandteile, wie Kohlenwasserstoffe
und Kohlenmonoxid sich mit dem Sauerstoff in dem Auspuffgas vereinigen. Durch diese Oxidationsreaktion
wird Sauerstoff verbraucht, so daß die Sauerstoffpartialdrücke an bzw. in den Elektroden 10a und 12a auf
einen niedrigen Wert von etwa 10-'5 bis 10-30 atm
abgesenkt werden. Wenngleich der in dem Auspuffgas enthaltene Sauerstoff durch die festen Elektrolyten 11
und 13 in die Elektroden 106 und 126 diffundieren, liegen die Sauerstoffpartialdrücke in diesen Elektroden
106 und 126 auf ähnlich niedrigen Werten von etwa 10-" bis 1030 atm. Diese Arbeitsweise ist jene, bei der
der Vorspannungsstrom nicht berücksichtigt wird. Erfindungsgemäß werden jedoch die Ströme /( bzw. h
(wobei /|> /i) mit Kufe der einen konstanten Stroir.
abgebenden Stromversorgungen 15 und 16 zugeführt. Demzufolge wird in dem Meßelektrodenabschnitt durch
den Transport der Sauerstoffionen (O2-) von der Elektrode 10a zu der Elektrode 106 der Sauerstoffpartialdruck
in der Elektrode 106 erhöht. In dem Vergleichselektrodenabschnitt wird der in die Elektrode
126 diffundierte Sauerstoff in Form von Sauerstoff ionen
(O2-) abgezogen. Dies führt dazu, daß der Sauerstoffpartialo':uck
in der Meßelektrode 106 größer ist als in der Vergleichselektrode 126, was durch den dazwischenliegenden
festen Elektrolyten 14 verursacht wird. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, solange das
Luft/Brennstoff-Gemisch in den fetten Bereich liegt. Somit wird eine der Differenz der Sauerstoffpartialdrücke
entsprechende elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden !06 und 126 erzeugt, die von den
Leitungen 17 und 17' als Ausgangsspannung V0
abgegriffen wird, die einen konstanten Sättigungswert aufweist, solange die Luft/Brennstoff-Mischung im
fetten Bereich liegt.
Im folgenden sei der Betrieb der Vorrichtung in dem mageren Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches erläutert,
in dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis größer ist als
14,5.
Wenn der Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis (mit
einem Wert von 14,5) übersteigt und einen Wert in dem mageren Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches annimmt,
nimmt die Menge an unverbranntem Gas in dem Auspuffgas abrupt ab. Demzufolge erfolgt kein Verbrauch
des Sauerstoffs durch Oxidationsreaktionen an den Elektroden 10a und 12a, so daß die Sauerste .fpartialdrücke
an den Elektroden 10a und 12a etwa gleich sind dem Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas von
etwa 10-2 bis 10~3 atm. Als Ergebnis davon steigt der
Sauerstoffpartialdruck in der Elektrode 106 des Meßelektrodenabschnitts unter dem Einfluß von Sauerstoff,
der in Form von Sauerstoffionen transportiert wird und der durch den festen Elektrolyten diffundiert,
abrupt auf einen Wert von etwa 10-2 bis 10~3 atm an. Im
Gegensatz dazu nimmt der Sauerstoffpartialdruck in der Elektrode 126 des Vergleichselektrodenabschnitts
nach und nach mit zunehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis zu. Mit anderen Worten ist bei einem
Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses von etwa 14,5, die durch Diffusion
zugeführte Sauerstoffmenge geringer als die Menge des
Sauerstoffs, der in Form von Sauerstoffionen durch den
Strom I2 verbrauch! wird, so daß der Sauerstoffpartialdruck
in der Elektrode 126 niedriger ist. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis zunimmt, nimmt die durch
Diffusion verbrauchte Sauerstoffmenge nach und nach zu, selbst wenn die in Form von Sauerstoffionen
abgeführte Sauerstoffmenge konstant ist, so daß der Sauerstoffpartialdruck in der Elektrode 126 in Abhängigkeit
von dem zunehmenden Wert des üift/Brennstoff-Vi:'hältnisses
zunimmt. Als Ergebnis davon nimmt die Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck an
der Elektrode 126 und dem Sauerstoffpartialdruck an der Elektrode 106 nach und nach ab, so daß man die
Kennlinie der Ausgangsspannung V0 erhält, die sich im
allgemeinen linear in dem mageren Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches ändert, wie es in der F i g. 4
dargestellt ist. Wenn der Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses weiter zunimmt, wird der Sauerstoffpartialdruck
in der Elektrode 126 gleich dem in der Elektrode 106 so daß die Differenz zwischen den Partialdrücken
den Weü Nuii annimmt. Ais Ergebnis davon wird keine
elektromotorische Kraft erzeugt, so daß die Ausgangsspannung Voden Wert Null besitzt.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß, da die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses derart angeordnet ist, daß der Strom nicht dem festen Elektrolyten 14
zugeführt wird, der eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck
an der Elektrode 106 und dem Sauerstoffpartialdruck an der Elektrode \2b entspricht und die als
Ausgangsspannung V0 abgegriffen werden kann. Dabei wird cie Ausgangsspannung V0 nicht durch den
Widerstandswert des festen Elektrolyten 14 beeinflußt. Die Fig.5 verdeutlicht die Änderung der Ausgangsspannung
V0 in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis, wenn die Beziehung zwischen den beiden
Strömen bei der in der Fig.3 dargestellten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart geändert wird, daß der Strom ι, kleiner ist als der Strom
h (i\ < h\ Wie zu erkennen ist, nimmt die Ausgangsspannung
V0 in dem mageren Bereich einen konstanten Sättigungswert an und fällt ab, wenn der Wert des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses jenseits des stöchiometrischen
Luft/Brennstoff-Verhältnisses von 14.5 in den Bereich fetter Luft/Brennstoff-Gemische verändert
wird. Mit anderen Worten wird im Falle /, <h die
Menge des Sauerstoffs, der in Form von Sauerstoffionen als Strom h aus der Vergleichselektrode i2b abgezogen
wird, größer als die Menge des Sauerstoffs, der als Strom /| in Form von Sauerstoffionen zu der
Meßelektrode 106 zugeführt wird.
Wenn man die Ströme /, und h in der oben
beschriebenen Weise einstellt, liegt der Sauerstoffpartialdruck in der Vergieichselektrode 126 bei einem
niedrigen Wert von etwa ΙΟ-« bis 10-» atm in dem
gesamten Bereich von mageren und fetten Luft/Brennstoff-Gemischen,
da die Menge des Sauerstoffs, der in Form von Sauerstoffionen durch den Strom £
verbraucht wird, größer ist, während der Sauerstoffpartialdruck
in der Meßelektrode 106 einen Wert von etwa 10-2 bis 10-3 atm aufweist, der dem Wert des
Sauerstoffpartialdrucks in dem Auspuffgas entspricht,
so daß eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, die die Ausgangsspannung V0 ergibt Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
sich erniedrigt und in den Bereich fetter Luft/Brennstoff-Gemische fällt, nimmt die Menge des
Sauerstoffs, der durch Diffusion der Elektrode 106
zugeführt wird, dur. h Oxidationsreaktionen des unverbrannten
Gases ab. Die Verminderung der zugeführten Menge des Sauerstoffs führt zu einer Verminderung des
Sauerstoffpartialdrucks in der Elektrode 106, so daß sich *' bei einem Luft/Brennstoff-Gemisch in dem fetten
Bereich der geneigte Abschnitt der Kennlinie der Ausgangsspannung V0 ergibt. Schließlich wird auch der
Sauerstoffpartialdruck in der Elektrode 106 auf einen Wert von etwa 10~15 bis 10~J atm erniedrigt und nimmt
den Wert des Sauerstoffpartialdrucks in der Elektrode 126 an. Dies hat zur Folge, daß keine elektromotorische
Kraft erzeugt wird, so daß die Ausgangsspannung V0 den Wert Null annimmt.
Wenngleich die obigen Ausführungen auf eine Ausführungsform bezogen sind, gemäß der die Meßelektroden
10a und 106 und die Vergleichselektroden 12a und 126 aus einem elektrisch leitenden Material, das
katalytisch aktiv ist, wie Platin, bestehen, so daß sie die katalytische Wirkung auf die Oxidationsreaktionen des
unverbrannten Gases ausüben können, ist festzuhalten, daß die Meüeiektroden iöa und iöö auch aus einem
elektrisch leitenden Material, das katalytisch inert ist, gebildet sein können, so daß sie keine katalytische
Wirkung auf das unverbrannte Gas ausüben. Vorzugsweise verwendet man als katalytisch inertes, elektrisch
leitendes Material ein elektrisch leitendes Material, wie Au, Ag, SnO2, V2O3 oder PbO oder elektrisch leitende
perowskitartige Materialien, wie LaCrOj, LaNiO3 oder
SmCoOj, die mit Ca, Zr, Mg oder Sr versetzt bzw.
dotiert worden sind.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Elektroden 10a und 106 katalytisch
inert sind, ist ebenso aufgebaut wie die in der Fig.3 dargestellte Ausführungsform, wobei dann, wenn die
Fließrichtungen der Ströme i\ und h der in der F i g. 3
dargestellten Art und Weise entsprechen, man die in der Fig.4 dargestellte Ausgangsspannungs-Kennlinie erhält,
während man zur Erzeugung der in der Fig.5
dargestellten Kennlinie die Polaritäten der konstante Ströme abgebenden Stromversorgungen 15 und 16
umkehrt, so daß die Fließrichtungen der Ströme i\ und ^
umgekehrt verlaufen.
Im folgenden sei der Betrieb der Vorrichtung, bei der
die Meßelektroden 10a und 106 katalytisch inert sind, anhand der F i g. 3 und 4 erläutert. Da der Sauerstoffpartialdruck
in der Meßelektrode nicht durch eine Oxidationsreaktion unter Einfluß eines katalytisch
wirksamen Elektrodenmaterials beeinflußt wird, wird der Strom i\ derart eingestellt, daß der Sauerstoffpartialdruck
innerhalb des gesamten fetten und mageren Bereiches des Luft/Brennstoff-Gemisches einen Wert
von 10~2bis 10~3 annimmt
Der Sauerstoffpartialdruck in der Vergleichselektrode
12a besitzt einen niedrigen Wert von etwa 10-I5 bis 10-30 atm im fetten Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches,
da eine Oxidationsreaktion des unverbrannten Gases unter katalytischer Einwirkung des Vergleichseiektrodenmaterials
erfolgt, so daß die Ausgangsspannung Vo einen konstanten Wert annimmt In dem
mageren Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches ist jedoch die Menge des Sauerstoffs, der in Form von
Sauerstoffionen unter der Einwirkung des Stroms h abgezogen wird, größer als die Menge des Sauerstoffs,
der durch Sauerstoffdiffusion bei einem relativ mageren
Luft/Brennstoff-Verhältnis zugeführt wird, während die
durch Diffusioazugeführte Sauerstoffmenge mit zunehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis allmählich zunimmt
Als Ergebnis davon steigt der Sauerstoffpartial-
druck in der Elektrode 126 an, so daß die in der F i g. 4 dargestellte Kennlinie der Ausgangsspannung V0 in dem
mageren Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches den geneigten Verlauf zeigt.
Wenn die Fließrichtungen der Ströme i\ und h zur
Erzeugung der in der F i g. 5 dargestellten Ausgangsspannungs-Kennlinie
zu der in der F i g. 3 dargestellten Form umgekehrt werden, wird die Sauerstoffmenge, die
in Form von Sauerstoffionen unter Einwirkung des Stroms λ vor. der Meßelektrode 106 abgeführt wird,
derart beeinflußt, daß der Sauerstoffpartialdruck in der Meßelektrode 106einen niedrigen Wert von etwa 10-"
bis 10-J0atm annimmt.
Die Vergleichselektrode \1b wird durch Diffusion durch den festen Elektrolyten 13 mit Sauerstoff und von
Jer Elektrode 12a unter Einwirkung des Stroms h mit
Sauerstoffionen versorgt, so daß der Sauerstoffpartialdruck in der Vergleichselektrode 126 in dem mageren
Bereich des Luft/Brennstoff-Gemisches, in dem die Menge des unverbrannten Gases niedriger ist. einen
hohen Wert von etwa 10~2 bis 10~3atm annimmt, so
daß eine elektromotorische (Craft erzeugt wird, deren Ausgangsspannung V0 einen konstanten Wert besitzt.
Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis vermindert wird, so daß es in den fetten Bereich der Luft/Brennstoff-Gemische
eintritt, nimmt die Menge an unverbranntem Gas zu, wodurch der Sauerstoff durch Oxidationsreaktionen
an der katalytisch aktiven Elektrode 12a verbraucht wird. Demzufolge ist die Zuführung von in
Form von Sauerstoffionen zu der Vergleichselektrode 126 zugeführten Sauerstoff konstant, während die durch
Diffusion zugeführte Sauerstoffmenge mit absinkendem Wert des Luft/Brennstotf-Verhältnisses nach und nach
abnimmt. Demzufolge erniedrigt sich der Sauerstoffpartialdruck in der Vergleichselektrode nach und nach und
nimmt schließlich einen niedrigen Wert von etwa 10~15
bis 10-30atm an, der gleich ist dem Wert der
Meßelektrode 106. Somit vermindert sich die Differenz des Sauersiöffpariialdrucks zwischen den Elektroden
106 und 126, so daß demzufolge die Ausgangsspannung V0 mit abnehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis abnimmt
und schließlich den Wert Null annimmt.
Die Fig.6 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses. Die Fig.7
verdeutlicht das Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses.
Im folgenden sei der Aufbau der in der Fig.6
dargestellten Vorrichtung unter Bezugnahme auf die anhand der F i g. 7 erläuterte Herstellung verdeutlicht.
Zunächst bildet man die Meßelektrode 106 und die Vergleichselektrode 126 durch Auftragen einer Platinpaste
oder einer Platin enthaltenden Paste durch Siebdruck auf die beiden Oberflächen des festen
Elektrolyten 14, der in Form einer gebrannten oder ungebrannten Grundplatte aus einem Sauerstoffionen
leitenden, festen Elektrolyten besteht, beispielsweise ZrO2, ThO2-Y2O3 oder CaO-Y2O3, der mit beispielsweise
CaO, Y2O3 oder MgO stabilisiert worden ist Dann
bildet man die festen Elektrolyten 11 und 13 unter Anwendung einer Siebdruckmethode, wobei man jene
Abschnitte freiläßt, an denen die Elektrodenzuleitungen befestigt werden. Als Material zur Bildung der festen
Elektrolyten 11 und 13 verwendet man das gleiche Material wie für die Bildung des festen Elektrolyten 14,
wobei jedoch die Teilchengröße des Materials zur Erzeugung der festen Elektrolyten 11 uf-d 13 etwa
0,5 um beträgt, was größer ist als die Teilchengröße des Materials zur Bildung des festen Elektrolyten 14.
Weiterhin bilde' man die Meßelektrode 10a und die Vergleichselektrode 12a durch Aufdrucken einer Platin-
■> paste oder einer Platin enthaltenden Paste mit Hilfe
einer Siebdruckmethode auf die Oberflächen des festen Elektrolyten 11 bzw. des festen Elektrolyten 13.
Nachdem man die Schutzschichten 18 mit Hilfe einer Siebdruckmelhode aufgetragen hat, brennt man den
ι» gebildeten Gegenstand bei 1450°C. Die Schutzschicht
18 bildet man durch Aufdrucken einer Paste, die beispielsweise ZrO2-CaO, AI2O3, MgO oder Spinell
enthält, mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens. Schließlich schweißt man die Elektrodenzuleitungen 17, 17' und 19,
' > 19', die beispielsweise aus Platin bestehen, an, so daß man den vollständigen Sauerstoffsondenabschnitt der
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erhält.
Man kann die Elektroden 10a, 10b, 12a und 126 auch
Man kann die Elektroden 10a, 10b, 12a und 126 auch
-<> durch Aufspritzen oder galvanisch (Schnellüberzug)
aufbringen. Man kann die porösen festen Eiekiroiyien
11, 13 und die Schutzschichten 18 auch durch Piasmabespritzen auftragen. Diese Verfahrensweise ist
besonders geeignet für den Fall, daß die Meßelektroden
-■> 10a und 106 aus einem katalytisch inerten, elektrisch
leitenden Material bestehen, das die Brenntemperatur des festen Elektrolyten 14 nicht zu überstehen vermag.
Die F i g. 8 verdeutlicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestim-
)" mung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, deren Aufbau
und deren Herstellung im folgenden und anhand der F i g. 9 erläutert wird. Zunächst wird eine Heizeinrichtung
21 durch Aufdrucken einer Platinpaste mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens auf einer seitlichen Oberflä-
n ehe einer Aluminiumoxid-Grundplatte 20 aufgetragen.
Dann verpreßt man eine weitere Aluminiumoxid-Grundplatte 20' und den festen Elektrolyten 14 unter
Einführen von Zuleitungen 22, 22', die mit der Heizeinrichtung 21 in Kontakt stehen, mit der
4(i Aluminiumoxid-Grundplatte 20, so daß man einen integralen Grundabschnitt erhält. Dann bildet man die
Meßelektrode 106 und die Vergleichselektrode 126 auf der Oberfläche des festen Elektrolyten 1·? aus, in dem
man eine Platinpaste durch Siebdruck auf den integralen
•»■■1 Grundabschnitt aufträgt Dann bildet man die porösen,
festen Elektrolyten 11 bzw. 13 durch Siebdruck auf der
Oberfläche der in dieser Weise gebildeten Elektroden 106 bzw. 126 aus. Dann erzeugt man die Meßelektrode
10a bzw. Vergleichselektrode 12a durch Auftragen von Platinpasten mit Hilfe einer Siebdruckmethode auf den
Oberflächen der in dieser Weise gebildeten festen Elektrolyten 11 bzv/. 13. Anschließend erzeugt man die
Schutzschicht 18 durch Siebdruck in der Weise, daß sie annähernd die gesamte Oberfläche des festen Elektrolyten
14 bedeckt Nach dem Brennen des in dieser Weise gebildeten Gegenstands bei 14500C verbindet man die
Zuleitungen 17,17' und die Zuleitungen 19,19' mit den
entsprechenden Elektroden.
Man kann die in der F i g. 8 dargestellte Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auch
wie folgt herstellen. Nachdem man die Aluminiumoxid-Grundplatten 20 und 20' aufeinandergestapelt und
miteinander verpreßt hat brennt man den gebildeten integralen Grundabschnitt Dann bildet man auf der
Oberfläche des gebrannten integralen Grundabschnitts die Meßelektrode 106 und die Vergleichselektrode 126,
indem man das hierfür verwendete Material aufspritzt, aufgalvanisiert oder mit Hilfe eines Siebdruckverfah-
rens aufträgt. Anschließend erzeugt man die festen EleKtrulyten 11 und 13 mit Hilfe eines Siebdruckverfahrens
auf der Oberfläche der in dieser Weise gebildeten Meßelektrode 106 bzw. Vergleichselektrode 126,
worauf mau die Meßelektrode 10a bzw. die Vergleichselektrode
12a durch Aufspritzen oder galvanisches Aufbringen bildet. Anschließend erzeugt r,<an die
Schutzschicht 18 durch Plasmabespritzen und verbindet schließlich die Zuleitungen 17, 17' und die Zuleitungen
19,19' mit den entsprechenden Elektroden.
Es ist ersichtlich, daß die Materialien zur Erzeugung der Teile und Elemente, wie sie in der F i g. 8 dargestellt
sind, die gleichen Materialien sind, wie sie zur Erzeugung der in der Fig.6 dargestellten Einrichtungen
verwendet wurden. Der Grundkörper der in der
F i g. 8 dargestellten Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ist dabei derart ausgelegt
daß man einen bestimmten elektrischen Strom durch die zwischen den Aluminiumoxid-Grundplatten 20 und 20'
angeordnete Heizeinrichtung 21 führen kann, so daß die Temperatur des Grundkörpers der Vorrichtung mit
Hilfe der durch die Heizeinrichtung erzeugten Wärme auf einem konstanten Wert gehalten werden kann und
nicht durch die Auspuffgastemperatur beeinflußt wird. Demzufolge nehmen der temperaturabhängige innere
Widerstand oder Innenwiderstand und die temperaturabhängige Gasdiffusionskonstante der festen Elektrolyten
11 und 13 konstante Werte an, was zu einer stabileren Ausgangsspannungs-Kennlinie führt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
mit einem ersten und einem s zweiten Elektrodenpaar, zwischen denen jeweils ein
fester Elektrolyt angeordnet ist, der jeweils mit einer
Elektrode der Elektrodenpaare in Kontakt steht, und einer Einrichtung zur Erzeugung von durch das
erste bzw. zweite Elektrodenpaar fließenden kostan- to ten Strömen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem ersten Elektrodenpaar (10a, 106,1
ein erster poröser, fester Elektrolyt (11) zwischen dem zweiten Elektrodenpaar (12a, \2b) ein zweiter
poröser, fester Elektrolyt (13), zwischen den ersten is
und zweiten Elektrodenpaaren (10a, 106, 12a, 126,)
ein dichter fester Elektrolyt (14) angeordnet ist, der mit einer Elektrode (106,) des ersten Elektrodenpaars
(10a, 106J und einer Elektrode (126^ des
zweiten Elektrodenpaares (12a, 126^ in Kontakt
steht, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Spannung zwischen den mit dem dichten festen
Elektrolyten (14) in Kontakt stehenden Elektroden (106,126^ vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Elektrode des ersten Elektrodenpaars (10a, lOb) und mindestens eine
Elektrode des zweiten Elekirodenpaars (12a, 126J
aus Platin bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß die Elektroden des ersten Elektrodenpaars
(10a, 10b) und des zweiten Elektrodenpaars (12a, 126,) aus einem katalytisch aktiven Material
bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden is ersten Elektrodenpaars
(10a, iOb) aus einem katalytisch inerten Material bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines
konstanten Stroms eine erste Einrichtung (15) zur Erzeugung eines durch das erste Elektrodenpaar
(10a, 106,) fließenden ersten Vorspannungsstroms und eine zweite Einrichtung (16) zur Erzeugung
eines durch das zweite Elektrodenpaar (12a, 12b) «
fließenden zweiten Vorspannungsstroms umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Vorspannungsstrom (i\)
größer ist als der zweite Vorspannungsstrom (η).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- so
zeichnet, daß der erste Vorspannungsstrom (i\)
kleiner ist als der zweite Vorspannungsstrom (h).
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das katalytisch inerte Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die Au, Ag, SnO2, V2O3, PbO,
LaCrO3, LaNiO3 und SmCoO3 umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten porösen, festen
Elektrolyten (11, 13) aus dem gleichen Material bestehen wie der dichte, feste Elektrolyt (14).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der ersten und
zweiten porösen, festen Elektrolyten (11, 13) eine größere Teilchengröße aufweist als das Material des
dichten, festen Elektrolyten (14).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Material für die ersten und zweiten porösen, festen Elektrolyten (11, 13) einen
Vertreter der Gruppe von Verbindungen enthält, die ZrO2, ThO2 - Y2O3 und CaO - Y2O3 umfaßt
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eine Schutzschicht
(18) aufweist, die die ersten und zweiten Elektrodenpaare (10a, 106,12a, 126^ und die ersten
und zweiten porösen, festen Elektrolyten (11, 13) bedeckt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (18) aus
einem Material gebildet ist, das einen Vertreter der Gruppe von Verbindungen enthält, die Ζ1Ό2—CaO,
Al2O3 und MgO umfaßt
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich eine Aluminiumoxid-Grundplatte
(20) aufweist, die direkt mit dem dichten, festen Elektrolyten (14) und mit der
Heizeinrichtung (21) in Kontakt steht
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Legal Events
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