DE3108305C2

DE3108305C2 -

Info

Publication number: DE3108305C2
Application number: DE19813108305
Authority: DE
Inventors: Harald 7016 Gerlingen De Reber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-03-05
Filing date: 1981-03-05
Publication date: 1988-11-03
Also published as: DE3108305A1; JPS57158548A

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem polarographischen Meß fühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Bestimmung des Äquivalenzpunktes g=1 geschieht zumeist mit Hilfe der potentiometrisch arbeitenden sogenannten Lambda-Sonde, die eine Luftsauerstoffreferenz aufweist und deshalb beim Äquivalenzpunkt einen gegen die Lauftsauerstoff elektrode gemessenen ausgeprägten Spannungsprung auf weist. Derartige Lambda-Sonden haben üblicherweise rohr- oder fingerartige Formen und einen luftdichten Abschluß zwischen Innenseite und Außenseite, so daß sie verhältnis mäßig aufwendig herzustellen sind. Einfacher aufgebaut sind dagegen Meßfühler, die nach dem Grenzstromprinzip arbeiten und plättchenförmig aufgebaut sind. Diese Grenz stromsensoren liefern beim Überschreiten des Äquivalenz punktes (λ=1) einen Nulldurchgang des Grenzstromes entsprechend den ReaktionenThe invention relates to a polarographic sensor according to the preamble of the main claim. The equivalence point g = 1 is usually determined with the aid of the potentiometric so-called lambda probe, which has an atmospheric oxygen reference and therefore has a pronounced voltage jump measured against the running oxygen electrode at the equivalence point. Such lambda probes usually have tubular or finger-like shapes and an airtight seal between the inside and outside, so that they are relatively expensive to produce. On the other hand, sensors that work on the limit current principle and have a plate-like structure are simpler. These limit current sensors deliver a zero crossing of the limit current according to the reactions when the equivalence point ( λ = 1) is exceeded

O₂ + 4e^- ⇄ 2 O²^- (λ<1) (1)
2 H₂ + O²^- ⇄ H₂O + 2e^- (λ<1) (2)
O₂ + 4e ^- ⇄ 2 O² ^- ( λ <1) (1)
2 H₂ + O² ^- ⇄ H₂O + 2e ^- ( λ <1) (2)

Reaktion (1) läuft im mageren Bereich ab, während die Reaktion (2) im fetten Bereich stattfindet. Dabei steht Reaktion (2) symbolisch auch für die komplizierter ablaufende Oxydationsreaktion der Kohlenwasserstoffe. Die Reaktion (1), die im mageren Bereich unter Grenzstrom bedingungen abläuft, wird bei Erreichen des Punktes λ=1 zu "Null", dagegen kann nach Überschreiten dieses Punktes die Reaktion (2) sowohl anodisch wie auch kathodisch ablaufen. Der Strom steigt wieder an, ohne seine Vorzeichen zu wechseln, so daß eine Zuordnung des Stromes zu einem Lambda-Wert über oder unter λ=1 auf diese Weise nicht möglich ist.Reaction (1) takes place in the lean range, while reaction (2) takes place in the rich range. Reaction (2) also symbolically stands for the more complicated oxidation reaction of the hydrocarbons. The reaction (1), which takes place in the lean range under limit current conditions, becomes "zero" when the point λ = 1 is reached, but after this point the reaction (2) can take place both anodically and cathodically. The current rises again without changing its sign, so that it is not possible to assign the current to a lambda value above or below λ = 1.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß trotz des relativ einfachen Aufbaus des Meßfühlers mit diesem nicht nur der Äquivalenzpunkt bestimmt werden kann, sondern auch eine eindeutige Zuordnung des gemessenen Stromes zu einem Lambda-Wert über oder unter g=1 möglich ist. Es ist somit eindeutig möglich zu entscheiden, ob das gemessene Abgas mager oder fett eingestellt ist.The sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage over that, in spite of the relatively simple construction of the sensor, not only the equivalence point can be determined with it, but also a clear assignment of the measured current to a lambda value above or below g = 1 is possible. It is therefore clearly possible to decide whether the measured exhaust gas is lean or rich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Teilkathoden die Form kamm förmig ineinandergreifender Elektroden aufweisen und wenn die eine Teilkathode auf ca. 850 mV und die andere Teilkathode auf 100-700 mV polarisiert ist.By the measures listed in the subclaims are advantageous developments and improvements of sensor specified in the main claim possible. Especially It is advantageous if the partial cathodes comb the shape have interdigitated electrodes and if one partial cathode at approx. 850 mV and the other Partial cathode is polarized to 100-700 mV.

drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is in the drawing shown and in the description below explained. It shows

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Kathoden seite eines erfindungsgemäßen Meßfühlers, Fig. 1 is a plan view of the cathode side of a sensor according to the invention,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A nach Fig. 1 und Fig. 2 shows a section along the line AA of Fig. 1 and

Fig. 3 schließlich den Verlauf des gemessenen Stromes in Abhängigkeit von λ. Fig. 3 finally the profile of the measured current as a function of λ.

Description of the embodiment

Der Meßfühler besteht aus einem Plättchen 1 aus stabili siertem Zirkondioxid. Auf der in Fig. 1 dargestellten Seite, der Kathodenseite, trägt das Plättchen zwei kammartig ineinandergreifende Elektroden 3 und 4, während, wie in Fig. 2 dargestellt, auf der anderen Seite des Plättchens eine Anode 2 aufgebracht ist. Die Elektroden 3 und 4 sind über Leiterbahnen 5 und 6 an das obere Ende des Plättchens 1 geführt, was in der gleichen Weise auch für die Elektrode 2 auf der Gegenseite gilt. Die Elektroden sowie die Leiter bahnen bestehen aus Platin oder aus einem Gemisch aus Platin und stabilisiertem Zirkondioxid und werden vorzugs weise durch Drucken und anschließendes Einsintern aufge bracht. Der mit r in Fig. 2 gekennzeichnete Abstand der Elektroden 3 und 4 voneinander liegt zwischen 0,1 und 1 mm. In dem Bereich, in welchem die Elektroden 3 und 4 mit dem Abgas in Berührung kommen, sind diese mit einer porösen keramischen Schicht 7 abgedeckt. Die Porosität dieser Schicht ist so gewählt, daß der Meßfühler im Grenzstrom bereich arbeiten kann, d. h. daß jedes an der Elektrode 3 ankommende Sauerstoffmolekül sofort zur Anode 2 hin abge pumpt wird. Der Durchmesser der Poren der Schicht 7, die aus Aluminiumoxid oder Magnesiumspinell bestehen kann, liegt bei etwa 1 µm. An die Elektroden 2 und 3 wird eine Spannung von etwa 850 mV angelegt derart, daß die Elektrode 2 mit dem positiven Pol und die Elektrode 3 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden wird. An die Elektroden 2 und 4 wird in der gleichen Weise eine Spannung zwischen 100 und 700 mV, also beispielsweise eine solche von 400 mV angelegt. The sensor consists of a plate 1 made of stabilized zirconia. On the side shown in FIG. 1, the cathode side, the plate carries two interdigitated electrodes 3 and 4 , while, as shown in FIG. 2, an anode 2 is applied to the other side of the plate. The electrodes 3 and 4 are guided via conductor tracks 5 and 6 to the upper end of the plate 1 , which also applies to the electrode 2 on the opposite side in the same way. The electrodes and the conductor tracks consist of platinum or a mixture of platinum and stabilized zirconium dioxide and are preferably brought up by printing and subsequent sintering. The distance between the electrodes 3 and 4 marked r in FIG. 2 is between 0.1 and 1 mm. In the area in which the electrodes 3 and 4 come into contact with the exhaust gas, they are covered with a porous ceramic layer 7 . The porosity of this layer is selected so that the sensor can work in the limit current range, ie that every oxygen molecule arriving at the electrode 3 is immediately pumped down to the anode 2 . The diameter of the pores of the layer 7 , which can consist of aluminum oxide or magnesium spinel, is approximately 1 μm. A voltage of approximately 850 mV is applied to the electrodes 2 and 3 in such a way that the electrode 2 is connected to the positive pole and the electrode 3 to the negative pole of the voltage source. A voltage between 100 and 700 mV, for example a voltage of 400 mV, is applied to the electrodes 2 and 4 in the same way.

Wird in einem Abgas, von der mageren Seite herkommend, der Lambda-Wert allmählich verringert, so läuft zwischen den Elektroden 2 und 3 zunächst die Reaktion (1) von links nach rechts ab, wobei sich ein Stromverlauf ergibt, wie er in Fig. 3 durch den Kurvenzug 8 schematisch dargestellt ist. Beim Äquivalenzpunkt λ=1 geht der Strom auf Null zurück und die von links nach rechts ablaufende Reaktion (1) geht in die von rechts nach links ablaufende Reaktion (2) über. Dabei steigt der Strom in der gleichen Richtung wieder an, wie dies durch den Kurvenzug 9 schematisch dargestellt ist.If the lambda value in an exhaust gas, coming from the lean side, is gradually reduced, the reaction (1) initially runs from left to right between electrodes 2 and 3 , resulting in a current profile as shown in FIG. 3 is represented schematically by the curve 8 . At the equivalence point λ = 1, the current drops to zero and the reaction (1) from left to right changes into the reaction from right to left (2). The current rises again in the same direction, as is shown schematically by the curve 9 .

Wäre also auf der Kathodenseite des Meßfühlers nur die Elektrode 3 vorhanden, so könnte man nicht entscheiden, ob das Abgas bei einem bestimmten Stromfluß mager oder fett eingestellt ist. Bei der von rechts nach links im fetten Bereich ablaufenden Reaktion (2) wird Wasserstoff an der Elektrode 3 gebildet. Dieser gelang nun über die sogenannte "Echo-Diffusionsstrecke" r an die Elektrode 4, die gegen über der Elektrode 3 positiv polarisiert ist. Wird Wasser stoff an der zu 3 anodisch geschalteten Elektrode 4 registriert, so beginnt ein anodischer Strom zu fließen, der in Fig. 3 mit I _3,4 bezeichnet ist. Dieser anodische Strom ist nun charakteristisch für den Betriebszustand "fett" (λ<1). Der Einsatzpunkt dieses Stromes kann durch die Größe der anodischen Polarisation der Elektrode 4 gegenüber der Elektrode 3 noch leicht beeinflußt werden, wie dies in Fig. 3 durch das schraffierte Feld von I _3,4 angedeutet ist. Diese Möglichkeit kann bedeutungsvoll sein für die Einstellung von Betriebszuständen, die nahe bei λ=1 liegen.If only the electrode 3 were present on the cathode side of the sensor, it would not be possible to decide whether the exhaust gas is set to be lean or rich at a specific current flow. In the reaction (2) running from right to left in the rich region, hydrogen is formed on the electrode 3 . This now succeeded via the so-called "echo diffusion path" r to the electrode 4 , which is positively polarized with respect to the electrode 3 . If hydrogen is registered at the electrode 4 connected to 3 anodically, an anodic current begins to flow, which is designated I _3.4 in FIG. 3. This anodic current is now characteristic of the operating state "rich" ( λ <1). The point of application of this current can still be slightly influenced by the size of the anodic polarization of the electrode 4 in relation to the electrode 3 , as is indicated in FIG. 3 by the hatched field of I _3.4 . This possibility can be significant for setting operating states that are close to λ = 1.

Claims

1. Polarographic sensor for determining the lambda equivalence point in exhaust gases, which works according to the diffusion limit current principle, with an oxygen-ion-conducting solid electrolyte body in the form of a plate which carries an anode on one side and a cathode on the other, to which one constant voltage can be applied, the cathode being covered with a diffusion barrier in the form of a porous layer and both electrodes being exposed to the gas to be measured, characterized in that the cathode is split into two partial cathodes ( 3 ) and ( 4 ) which are close to each other in the measuring range, and that one partial cathode ( 3 ) is more cathodically polarized than the second partial cathode ( 4 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the partial cathodes ( 3 ) and ( 4 ) have the shape of a comb-shaped interlocking electrodes.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the partial cathode ( 3 ) has a potential of about 850 mV, while the partial cathode ( 4 ) has a potential between 100 and 700 mV.

4. Sensor according to claim 1, characterized in that the solid electrolyte body made of stabilized zircon there is dioxide.

5. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrodes ( 2, 3, 4 ) consist of platinum or of a mixture of platinum and stabilized zirconium dioxide.