DE3143480A1

DE3143480A1 - Sensor zur optischen beobachtung von gasen

Info

Publication number: DE3143480A1
Application number: DE19813143480
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. 7000 Stuttgart Sarholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS5885138A

Description

Sensor zur optischen Beobachtung von Gasen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches, von einem Verfahren nach einem der nebengeordneten Ansprüche 8 bis 10 sowie von einer Anwendung nach einem der nebengeordneten Ansprüche 11 und 12.
Es ist bekannt, zur optischen Beobachtung von Gasen, insbesondere Brenngasen in Brennkraftmaschinen Sensoren zu verwenden, die mit einem den Gasen ausgesetzten optischen Aufnehmer versehen sind. Bei längerem Betrieb der Brennkraftmaschine kann jedoch eine zunehmende Verschmutzung des den Brenngasen ausgesetzten Sensorteiles auftreten, wodurch die Funktion des Sensors beeinträchtigt wird. Dabei lagern sich nämlich Partikel, z. B. Ruß, Bleiverbindungen aus Antiklopfmiteln oder Feststoffe aus anderen Additiven auf der Sensoroberfläche ab. Zwar läßt sich abgelagerter Ruß be Temperaturen von circa 6ovo0 c abbrennen, wobei diese Temperaturen durch Einstellung von Motorzuständen hoher Last und mittlerer bis hoher Drehzahl bzw. mittlflrer Last und hoher Drehzahl im Abgas z. B. eines Die::elmotors erzielbar ist, es verbleibt jedoch gleichwoh. noch ein beträchtlicher Bereich mit niedrigeren Temperaturen, beispielsweise in langen Leerlaufphasen, wie sie bei Kraftfahrzeugen im Stau, im Stadtverkehr und im Kurzstreckenverkehr auftreten. Bei derartigen Betriebszuständen brennen ohne weitere Gegenmaßnahmen wegen der zu niedrigen Temperaturen am Sensor die Rußschichten im Bereich der Sensoroberflache nicht mehr ab.
Aus der DE-OS 30 11 569 ist eine Sensoranordnung bekannt, bei der das brennraumseitige Fenster eine mit Spitzen und/ oder Kanten konturierte Oberfläche aufweist. Es ist weiter aus der DE-OS 30 11 570 bekannt, vor dem brennraumseitigen Fenster eines derartigen Sensors eine Heizung anzubringen, die die Rückstände auf dem Fenster wegbrennt.
Die-erste bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die optischen Übertragungseigenschaften der Fensteroberfläche beeinträchtigt sind; die weitere bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß zusätzliche Leitungen, Regelschaltungen und dergleichen erforderlich sind.
Vorteil der Erfindung Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die optischen Eigenschaften des Sensors nur unwesentlich beeinträchtigt werden und weitere technische Maßnahmen, wie Stromzuführungen, Regelschaltungen und dergleichen nicht erforderlich sind. Außerdem weist der erfindungsgemäße Sensor besonders gute Langlaufeigenschaften auf, da eine ständige Selbstreinigung der Oberfläche stattfindet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich.
So werden in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung aktive katalysierende Substanzen verwendet, die einmal die Oxidation der Rußbestandteile beschleunigen, so daß die für eine Rußoxidation ausreichende Temperatur am Fenster des Sensors herabgesetzt wird. Zum anderen nimmt durch Verwendung dieser Substanzen die Neigung von Rußteilchen zur Haftung an Grenzflächen deutlich ab. Außerdem verlieren solche Rußteilchen ihre Fähigkeit, mit anderen Partikeln des Abgases zu verkleben und diese Partikel an der Fensteroberfläche zu fixieren.
Erfindungsgemäße Sensoren können mit Vorteil durch aus der Dünn- bzw. Dickschichttechnik an sich bekannte Verfahren hergestellt werden. Bei Verwendung eines Dickschichtverfahrens ergibt sich dabei zusätzlich die Möglichkeit, das Fenster des Sensors in mehreren Schichten mit aktiver Substanz zu versehen, wobei eine höhere Haftung durch allmählichen Übergang der Zusammensetzung der aufeinanderliegenden Schichten erzielt wird.
Erfindungsgemäße Sensoren lassen sich bevorzugt zu optischen Beobachtung eines Brennraumes oder eines Auspuffsystems einer Brennkraftmaschine einsetzen. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch andere Anwendungen, beispielsweise bei Heizungen, industriellen Öfen und dergleichen möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die zur optischen Beobachtung von Gasen, beispielsweise Brenngasen von Brennkraftmaschinen verwendeten Sensoren weisen in der Regel ein den Gasen zugewandtes Fenster auf, durch das die optische Beobachtung vorgenommen wird.
Um der oben im einzelnen erläuterten Ablagerung von Schmutzschichten auf diesem Fenster entgegenzuwirken, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das den Gasen zugewandte Fenster des optischen Aufnehmers mit einer wirksamen Oberfläche mit partikelabweisenden und katalytischen Eigenschaften zu versehen. Es versteht sich dabei, daß der optische Aufnehmer an seiner den Brenngasen ausgesetzten Oberfläche mit einer transparenten Schicht versehen ist, wobei erfindungsgemäß in diese Schicht, die vorzugsweise aus Glas, z.B. Quari-oder Silikatglas besteht, eine aktive katalysierende Substanz eingebracht wird.
Mit dieser Substanz werden zwei Ziele verfolgt. Einmal wirkt die Substanz katalytisch, in dem insbesondere sich ablagernder Ruß oxidiert wird, zum anderen wird jedoch auch eine artikelabweisende Wirkung dadurch erzielt, daß durch die beginnende Oxidation des Ruß es die Neigung der Rußteilchen, sich an der Fensteroberfläche niederzuschlagenlvermindert und außerdem die Fähigkeit der Rußteilchen, mit anderen Abgaspartikeln zu verkleben, herabgesetzt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dabei nicht eine einzelne transparente Schicht mit derartigen Substanzen verwendet, sondern es werden mehrere Schichten, vorzugsweise in Dickschichttechnik, au-feinander aufgebracht um Haftprobleme zu vermeiden, die dadurch auftreten könnten, daß sich die Eigenschaften des Fenstermateriales und der aufzubringenden Schicht zu sehr voneinander unterscheiden. Es werden daher mehrere Schichten aufeinander aufgebracht, deren Zusammensetzung sich von innen nach außen sukzessiv in der Weise ändert, daß die am weitesten innen, auf dem Fenster aufliegende Schicht die Zusammensetzung des Fenstermaterials hat und sich die Zusammensetzung nach außen in der Weise ändert, daß immer mehr die Zusammensetzung der Schicht derjenigen der wirksamen Substanz ähnelt, bis schließlich an der Oberfläche in der letzten Zwischenschicht die Zusammensetzung der wirksamen Substanz erreicht ist.
gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die aktive Substanz nicht nur in einer Oberfläche auf dem Fenster aufgebracht, es wird vielmehr das als Fenster wirkende transparente Material, vorzugsweise Quarzglas, durchgehend mit der aktiven Substanz versehen, so daß sich die gewünschten Eigenschaften der Oberfläche einstellen. Auf diese Weise kann durch Verwendung des entsprechend hergestellten Glases ein Arbeitsgang, nämlich das Aufbringen der einen oder der mehreren Schichten eingespart werden.
Als aktive katalysierende Substanzen können dabei einmal an sich bekannte Substanzen mit Rußabbaueigenschaften verwendet werden, beispielsweise Kupfer-, Blei-, Zink-, Kobalt-, Nickel-, Eisen-, Manganoxide und -halogenide, Kupfer und Blei, sowie Alkali- und Erdalkaliverbindungen.
Weiterhin wurde gefunden, daß sich zur Herstellung erfindungsgemäßer Sensoren auch die folgenden aktiven Substanzen eignen: Fe2Mg04, Fe2CoO4, MoO3, CuMoO4, FeMoO4, LaMoOx, La203, La2CuOh, CuWOh, verschiedene nichtreduzierte Vorstufen von Fischer-Tropsch-Katalysatoren, Ag2MoO4, Ag2W04, Ag, Ru, PbMo04, Ca2PbO4, PbZrO3, PbTiO3, Pb2SnO h oder andere Bleistannate. Ebenso können Substanzen mit abweichender Stöchiometrie, wie z.B. Pb2 xSnO4 y (statt Pb2SnO4) eingesetzt werden.
Es versteht sich dabei von selbst, daß die genannten Substanz-en jeweils nicht nur einzeln verwendet werden können, sondern selbstverständlich auch in Legierungen aus mehreren der vorstehend genannten Komponenten.
Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoren können zur Auf- bzw. Einbringung der aktiven Substanzen an sich bekannte Technologien verwendet werden, wie die Dünnschichttechnik (Vakuumbedampfung, Sputtern oder dergleichen). Weiterhin ist es möglich, wie bereits erwähnt, die wirksamen Schichten in Dickschichttechnik aufzubringen. Schließlich können auch noch andere Techniken wie Tauchen in Lösungen oder Schmelzen mit nachfolgendem Glühen bei Substanzen vorteilhaft verwendet werden, die nicht unzersetzt verdampfen oder bei denen die Aufdampfschicht anders zusammengesetzt ist als die Ausgangssubstanz.
Es versteht sich weiter, daß die Anwendung erfindungsgemäßer Sensoren nicht auf die optische Beobachtung von Brenngasen in Brennkraftmaschinen beschränkt ist. Erfindungsgemäße Sensoren lassen sich vielmehr mit Vorteil überall dort einsetzen, wo Gase höherer Temperatur beobachtet werden müssen und die Gefahr besteht, daß der optische Sensor durch Rückstände und Ablagerungen mit der Zeit verunreinigt wird. Derartige Aufgaben treten beispielsweise auch bei Heizungen, industriellen Öfen und dergleichen auf.

Claims

Ansprüche Sensor zur optischen Beobachtung von Gasen, insbesondere Brenngasen einer Brennkraftmaschine mit einem den Gasen ausgesetzten optischen Aufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer eine wirksame Oberfläche mit Partikelabweisenden und katalytischen Eigenschaften aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer an seiner Oberfläche mit einer transparenten Schicht vorzugsweise aus Glas, z.B. Quarz- oder Silikatglas, versehen ist, in der eine aktive katalysierende Substand eingebracht ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus mehreren Zwischeschichten besteht, deren Zusammensetzung sich von Innen nach Außen von der Zusammensetzung des Aufnehmers zur Zisammensetzung der wirksamen Substanz hin ändert.
. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer aus einem transparenten Material, vorzugsweise Glas besteht, in das eine aktive katalysierende Substanz eingebracht ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lie katalysierende Wirkung sich auf die Oxidation von Ruß bezieht.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als aktive katalysierende Substanz Kupfer-, Blei-, Zink-, Kobalt-, Nickel-, Eisen-, Manganoxide und -halogenide, Kupfer und Blei sowie Alkali- und Erdalkaliverbindungen verwendet werden.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als aktive katalysierende Substanz Fe2MgO4, Fe2CoO4, MoO3, Cu'doO4, FeMoO, LaMoO , La203, La2CuO4, CuWOk, verschiedene nichtreduzierte Vorstufenvon Fischer-Tropsch-Katalysatoren, Ag2MoO4, Ag2WO4, Ag, Ru, PbHoO4 Ca2PbO4, PbZrO3, PbTiO3, Pb2SnO4 oder andere Bleistannate, die genannten Oxide mit abweichender Stöchiometrie, z.B. Pb xSnOk y, oder Legierungen dieser untereinander oder mit einer oder mehreren der in Anspruch 6 genannten Substanzen enthält.
8. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 2, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive katalysierende Substanz durch Dünnschichttechnik wie Vakuumbedampfung, Sputtern oder dergleichen aufgebracht wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 2, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive katalysierende Substanz durch Tauchen in Lösungen oder Schmelzen mit; nachfolgendem Glühen aufgebracht wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 3, 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive katalysierende Substanz durch Dickschichttechnik aufgebracht wird.
11. Anwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur optischen Beobachtung eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine.
12. Anwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur optischen Beobachtung eines Auspuffsystems einer Brennkraftmaschine.