DE4020385C2

DE4020385C2 - Wärmetönungssensor

Info

Publication number: DE4020385C2
Application number: DE19904020385
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Friese; Hans-Martin Wiedenmann; Gerhard Hoetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: DE4020385A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Wärmetönungssensor, insbesondere zur Bestimmung des Rußgehaltes in Dieselabgasen, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, daß sich in Abgasen von zur Ver brennung gebrachten Brennstoffen, z. B. in Abgasen von Dieselmotoren, Rußpartikel befinden, die die Umwelt in hohem Maße belasten. Es sind daher starke Bestrebungen im Gange, den Ausstoß von Rußpartikeln zu vermindern.

Zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen sind sehr ver schiedene Verfahren bekannt geworden.

Eine Standardmeßmethode zur quantitativen Bestimmung der mit einem Abgas ausgestoßenen Rußpartikel besteht darin, daß man Rußpartikel über einen bestimmten Zeitraum mit Hilfe eines Filters, das im Abgaskanal, z. B. im Auspuffrohr eines Kraftwagens angeordnet ist, abfiltriert, daß man die abfiltrier ten Rußpartikel in geeichte Gefäße bringt, bis zur Erreichung eines konstanten Gewichtes trocknet und kühlt und dann aus wiegt. Dieses Verfahren ist weit verbreitet und liegt vielfach gesetzlichen Bestimmungen zugrunde. Es eignet sich jedoch nicht zur Durchführung von kontinuierlichen Messungen oder gar zur Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von Dieselmotoren.

Über neuere Meßverfahren zur Ermittlung dieselmotorischer Emission wird von H. Holtei in den VDI-Berichten Band 559, 1985, Seiten 319-334 berichtet.

Ein Rußprüfgerät für Abgase von Dieselfahrzeugen, bei dem ein bestimmtes Abgasvolumen mittels einer Pumpe mit einem elektro nischen Antrieb durch ein Filterpapier gesaugt wird und aus dem Schwärzungsgrad des Filterpapiers an der Stelle, an der es von den Abgasen durchströmt wird, durch Vergleich mit einer Schwärzungstabelle die sog. Rußzahl oder ein anderer für den Rußgehalt des Abgases charakteristischer Wert ermittelt wird, ist aus der DE-OS 36 15 111 bekannt.

Aus der US-PS 4 633 706 ist ferner ein Verfahren zur Be stimmung des Rußgehaltes von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren bekannt, das auf der Ermittlung des Druckabfalles eines im Abgaskanal angeordneten Filters beruht, mit dem die Rußpartikel des Abgases abgefangen werden.

Aus der DE-PS 34 14 542 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen mit zwei spannungsbe aufschlagten Elektroden bekannt, mit der die Leitfähigkeit der Rußpartikel im Abgas kontinuierlich erfaßt werden kann. Zur Bestimmung des Anteils der Rußpartikel im Abgas wird dazu der Strom bzw. die Stromänderung, die durch eine Änderung der Leit fähigkeit zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, gemessen.

Ein Detektor zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen, bei der der Rußgehalt mittels zweier Elektroden und eines die Ruß partikel abfangenden hitzewiderstandsfähigen Gliedes über durch die abgeschiedenen Rußpartikel herbeigeführte Widerstandsver änderungen ermittelt wird, ist ferner aus der US-PS 4 656 832 bekannt.

Aus der CH-PS 667 534 ist schließlich bereits ein Verfahren zur Messung des Partikelgehalts in Abgasen bekannt, bei dem mittels eines im Abgasstrom angeordneten Sensors ein darauf sich bildender Partikelniederschlag erfaßt wird. Kennzeichnend für das bekannte Verfahren ist, daß als Sensor zwei elektrische Heizflächen vorgesehen werden, die in jeweils einem parallelen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brückenschaltung angeordnet werden, daß eine Heizfläche ständig so vorgeheizt wird, daß der Partikelniederschlag auf ihrer Oberfläche minimal ist, daß während der Heizzeitdauer im Diagonalzweig der Wheat stonschen Brückenschaltung die Spannung und/oder die Spannungs zunahme bzw. der Strom und/oder die Stromzunahme gemessen werden und daß aus dem Spannungs- bzw. Strommaximum und/oder der Steilheit des Spannungs- bzw. Stromanstiegs ein Warnsignal und/oder ein Meßwert für den Partikelgehalt abgeleitet wird.

Das bekannte Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß die Entfernung des auf dem Sensor sich bildenden Partikelnieder schlags, wie Ruß und dgl., ein endothermer Vorgang ist, also Wärme verbraucht. Die Heizenergie, die zum Aufheizen der Heiz fläche zwecks Entfernung des Partikelniederschlags erforderlich ist, muß daher bei einer mit einem Partikelniederschlag belegten Heizfläche größer sein als bei einer sauberen Oberfläche der Heizfläche. Bei dem bekannten Verfahren wird daher die bisher zusätzlich erforderliche Reinigungsprozedur des Sensors zur Messung des Partikelgehalts selbst herangezogen.

Ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Bestimmung des Ruß gehaltes in Abgasen wird ferner in der älteren Patentanmeldung nach DE-OS 39 35 149 beschrieben. Das Verfahren besteht darin, daß man in einem von dem Abgas durchströmten Kanal mit mindestens einer hierin angeordneten Sonde für die Bestimmung des Sauer stoffgehaltes in Abgasen und einem beheizbaren Rußfilter

a) die O₂-Konzentration des ungefilterten Abgases mißt;
b) mit dem unbeheizten Rußfilter eine bestimmte Zeitspanne lang Rußpartikel abfiltriert;
c) die abfiltrierten Rußpartikel durch Aufheizen des Rußfilters mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff verbrennt;
d) die durch Verbrennen der Rußpartikel ver minderte O₂-Konzentration im Abgas mißt und
e) aus dem verminderten O₂-Gehalt die Ruß konzentration des Abgases ermittelt,

wobei man die Verfahrensschritte (b) und (c) gegebenenfalls gleichzeitig durchführen kann.

Die Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem zweigeteilten Abgaskanal mit einer ersten und einer zweiten durch eine Kanalwand hindurch in den Kanal hineinragenden und gegenüber der Kanalwand isolierten Sonde für die Bestimmung des O₂-Gehaltes von Abgasen, wobei vor der einen Sonde in Strömungs richtung ein periodisch beheizbarer Rußfilter aus porösem keramischem Material angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmetönungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weist gegenüber den bisher bekannt gewordenen Meßgeräten und Verfahren zur Bestimmung des Rußge haltes in Abgasen den Vorteil auf, daß der Rußgehalt durch Erfassung der für eine Wärmetönungsbestimmung erforderlichen Meßgrößen bestimmt wird, und zwar mittels eines in Keramik folientechnik hergestellten Ruß-Sensors, der sich mit gleichen oder weitestgehend gleichen oder ähnlichen Stoffen und Verfahren herstellen läßt wie planare λ-Sensoren und Temperaturfühler.

Ein erfindungsgemäßer Wärmetönungssensor besteht somit aus einer Kombination aus

a) einem in Keramikfolientechnik ausgebildeten, mit konstanter Heizleistung kontinuierlich oder inter mittierend (z. B. sinusförmig oder ähnlich betreibbaren Heizelement (B) und
b) mindestens einem in Keramikfolientechnik ausgebildeten, mit dem Heizelement (B) ein Mehrschicht-System bildenden Temperatur fühlerelement (A).

Das Heizelement oder der Heizleiter weist dabei in vorteilhafter Weise eine Widerstandsbahn aus einer Edelmetall-Cermetschicht, vorzugsweise aus einer Pt-Cermetschicht aus.

Die Temperaturfühlerelemente - oftmals auch als Temperatursonden bezeichnet - sind vorzugsweise PTC-Temperaturfühlerelemente oder NTC-Temperaturfühlerelemente oder Dickschicht-Thermo elemente.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Wärmetönungssensor ein Temperaturfühlerelement oder eine Temperatursonde auf. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Aus gestaltung der Erfindung weist der Wärmetönungssensor zwei Temperaturfühlerelemente oder Temperatursonden auf.

A. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetönungsmessers geeignete PTC-Temperaturfühlerelemente.

Besonders geeignete PTC-Temperaturfühlerelemente lassen sich unterteilen in solche aus:

1. Keramikfolien auf Isolatorkeramik-Basis, insbesondere auf Al₂O₃-Basis und
2. Keramikfolien auf Festelektrolyt-Basis,

wobei gegebenenfalls auch eine Kombination beider Folientypen möglich ist.

1.) PTC-Temperaturfühlerelemente aus Keramikfolien auf Isolatorkeramik-Basis

Temperaturfühlerelemente dieses Typs zeichnen sich dadurch aus, daß auf die Anbringung von Isolationen zwischen Folie einerseits und PTC-Widerstand und Leiterbahnen, im folgenden kurz als Widerstandsbahn bezeichnet, andererseits sowie in den Durch kontaktierungslöchern verzichtet werden kann. Besonders vorteilhafte Keramikfolien auf Isolatorkeramik-Basis sind solche auf Al₂O₃-Basis, deren Verwendung zur Herstellung erfindungsgemäßer Temperaturfühler im folgenden beispielsweise beschrieben wird.

Zur Erzeugung der Widerstandsbahnen können in bekannten Auftragstechniken auftragbare Suspensionen und Pasten auf Metall- bzw. Cermetbasis verwendet werden, vorzugsweise Suspensionen und Pasten, die als Metallkomponente Platin partikel und/oder solche von anderen Pt-Metallen enthalten.

In einfachster Weise läßt sich ein PTC-Temperaturfühler element aus Keramikfolien auf Al₂O₃-Basis nach der Erfindung somit z. B. dadurch herstellen, daß man aus einer ersten Folie Durchkontaktierungslöcher ausstanzt, Durchkontaktierungen erzeugt, die Folie mit einer Widerstandsbahn bedruckt und auf diese Folie, vorzugsweise nach Aufdrucken einer interlaminaren Binderschicht auf Al₂O₃-Basis, eine weitere Keramikfolie auf Al₂O₃-Basis auflaminiert und sintert.

Die Sinterung erfolgt in vorteilhafter Weise durch etwa 3- stündiges Erhitzen auf eine Temperatur bis 1600°C. Bei Zusatz geeigneter Flußmittel, vorzugsweise auf Silikatbasis, z. B. Erdalkalioxidsilikat-Basis in ausreichender Menge, läßt sich die maximal anzuwendende Sintertemperatur auch absenken. Dies gilt in ähnlicher Weise für den Einsatz hochsinteraktiver Al₂O₃-Rohstoffe.

Die elektrischen Kontaktflächen lassen sich in vorteilhafter Weise vor, jedoch auch nach Durchführung des Sinterprozesses aufdrucken.

2. PTC-Temperaturfühlerelemente für Keramikfolien auf Festelektrolyt-Basis

Zur Herstellung von Temperaturfühlerelementen dieses Typs geeignete Folien sind bekannt, z. B. aus der DE-PS 37 33 193. In typischer Weise können derartige Folien zu etwa 50 bis 97 Mol-% aus ZrO₂, CeO₂, HfO₂ oder ThO₂ und 50 bis 3 Mol-% aus CaO, MgO oder SrO und/oder Yb₂O₃, Sc₂O₃ oder anderen Oxiden der seltenen Erden und/oder insbesondere Y₂O₃ bestehen. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich Folien aus mit Yttrium stabilisiertem ZrO₂, sog. YSZ-Folien verwenden, die in der Hegel etwa 4-8 Mol-% Y₂O₃ enthalten.

Da Festelektrolyte des angegebenen Typs leicht einer elektro lytischen Zersetzung infolge einer zu hohen Strombelastung unterliegen, ist es bei Verwendung von Folien dieses Typs bekannt, zwischen Widerstandsbahnen und Folienoberfläche eine Isolationsschicht anzuordnen, die beispielsweise aus einer keramischen Al₂O₃-Schicht bestehen kann. Aus der GB-PS 1 048 069 und der EP-A 0 115 148 ist es ferner bekannt, den elektrischen Widerstand keramischer Materialien auf Basis von ZrO, HfO₂, CeO₂ bzw. ThO₂ durch Einbau von fünfwertigen Metall ionen, wie z. B. Nb⁵⁺- und Ta⁵⁺-Ionen in das Wirtsgitter zu erhöhen. Zwecks näherer Einzelheiten sei auf die DE-OS 37 26 479 verwiesen.

B. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetönungssensors geeignete NTC-Temperaturfühlerelemente

Wie im Falle der PTC-Temperaturfühlerelemente lassen sich auch die NTC-Temperaturfühlerelemente unterteilen in solche aus 1.) Keramikfolien auf Festelektrolyt-Basis und 2.) Keramik folien auf Isolatorkeramikbasis. Im Falle der Verwendung von Keramikfolien auf Festelektrolytbasis, insbesondere ZrO₂-Basis, wird ein Teil des Festelektrolytsubstrates selbst als NTC- Widerstand ausgenutzt, während im Falle der Verwendung von Keramikfolien auf Isolatorkeramikbasis insbesondere Al₂O₃- Basis ein schichtförmiger NTC-Widerstand, z. B. in Siebdruck technik aufgebracht werden muß. Schließlich ermöglicht die verschiedene Art der Sauerstoffversorgung des NTC-Widerstandes die Herstellung von weiteren verschiedenen Typen von NTC- Temperaturfühlern nach der Erfindung. So kann die Sauerstoff versorgung des NTC-Widerstandes in vorteilhafter Weise erfolgen durch

a) einen Kanal, der durch Ausstanzen oder unter Verwendung eines Hohlraumbildners erzeugt werden kann, und gegebenenfalls eine Füllung aus porösem Material enthalten kann und/oder
b) im Falle der Verwendung von Keramikfolien auf Festelektrolytbasis alternativ auch durch Schaffung eines Sauerstoff-Reservoirs durch Anordnung von Pumpelektroden.

1. NTC-Temperaturfühlerelemente aus Keramikfolien auf Festelektrolytbasis

Zur Herstellung dieses Typs von Fühlerelementen geeignete Folien sind bekannt. In typischer Weise können derartige Folien zu etwa 50 bis 97 Mol-% aus ZrO₂, CeO₂, HfO₂ oder ThO₂ und 50 bis 3 Mol-% aus CaO, MgO oder SrO und/oder La₂O₃, Sc₂O₃, Gd₂O₃ und insbesondere Y₂O₃ bestehen. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich Folien aus mit Yttrium stabilisiertem ZrO₂, sog. YSZ-Folien verwenden.

Der NTC-Widerstand wird durch Auftrag von 2 Elektroden in definierten Abmessungen auf eine der Folien festgelegt. Die Elektroden sind vorzugsweise porös und sollen eine möglichst lange Dreiphasengrenze zwischen Festelektrolyt, Elektrode und gasförmigem Sauerstoff aufweisen. Solche Elektroden lassen sich in bekannter Weise als Pt-Cermet-Elektroden mit einem Sauer stoffionen leitenden Stützgerüst, z. B. aus YSZ-Körnern ver wirklichen.

Bei Verwendung von Folien dieses Typs ist es ferner vorteil haft, zwischen Leiterbahnen und Folienoberfläche eine Isolationsschicht anzuordnen. Eine solche Isolationsschicht kann in vorteilhafter Weise aus einer keramischen Al₂O₃-Schicht bestehen. In Verbindung mit Keramikfolien auf YSZ-Basis ist die Verwendung poröser Al₂O₃-Schichten im Hinblick auf die Anpassung der thermischen Ausdehnung zweckmäßig.

Gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läßt sich eine solche Isolationsschicht zwischen Leiterbahnen und Festelektrolytsubstrat aber auch durch Einbau von fünfwertigen Metallionen, wie z. B. Nb⁵⁺- und Ta⁵⁺-Ionen in das Wirtsgitter erzeugen. Die Ausbildung einer solchen iso lierenden Zwischenschicht läßt sich dadurch erreichen, daß man der zur Ausbildung der Leiterbahnen verwendeten Suspension oder Paste eine oder mehrere Verbindungen mit einem 5- oder höher wertigen Kation zusetzt, daß man beim sich an den Laminierungs prozeß anschließenden Sinterprozeß bei Temperaturen bis zu 1600°C, vorzugsweise 1350 bis 1500°C in das Festelektrolyt substrat eindiffundieren läßt. In entsprechender Weise können auch in den Durchkontaktierungslöchern derartige isolierende Zwischenschichten erzeugt werden.

Zur Herstellung der Leiterbahnen können auf die isolierenden Schichten sowie den Teil der Festelektrolytfolie, die mit den Leiterbahnen den NTC-Widerstand bildet, in üblicher Dick schichttechnik übliche Leiterbahnen erzeugende Massen aufge tragen werden. In vorteilhafter Weise können z. B. Pasten auf Edelmetallbasis, insbesondere Platinbasis oder Edelmetall- Cermetbasis, insbesondere Platin-Cermetbasis verwendet werden. Diese Pasten können in bekannter Weise unter Verwendung von organischen Bindemitteln und/oder Haftverbesserern, Weich machern und organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Sollen isolierende Zwischenschichten erzeugt werden, so können den Pasten geringere Mengen von Verbindungen mit einem 5- wertigen oder höherwertigen Kation zugesetzt werden, z. B. Nb₂O₅. Als haftverbessernde Zusätze eignen sich z. B. Al₂O₃, ZrO₂ und Silikate.

Durchkontaktierungslöcher können durch einfaches Ausstanzen erzeugt werden. Die Isolierung der Durchkontaktierungslöcher kann z. B. mittels einer isolierenden Al₂O₃-Schicht oder durch Verwendung einer Paste des beschriebenen Typs mit einem 5- oder höherwertigen Kation erfolgen.

Soll zur Sauerstoffversorung des NTC-Widerstandes Umgebungs luft oder elektrolytisch zugepumpter Sauerstoff über einen Kanal im Laminatverbund zugeführt werden, so kann dieser Kanal in verschiedener Weise erzeugt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Folie mit den aufgedruckten Leiterbahnen und Durchkontaktierungslöchern mit einer weiteren zweiten Festelektrolyt-Keramikfolie zusammenzulaminieren, aus der vor der Laminierung ein Luftkanal ausgestanzt worden ist, der in zweckmäßiger Weise im Bereich der die Elektroden bildenden Leiterbahnen erweitert ist, so daß ein freier Zugang des Luftsauerstoffs zu den Elektroden des NTC-Widerstandes gewähr leistet ist. Die hermetische Abdichtung des NTC-Widerstandes kann in einfacher Weise z. B. durch Verwendung einer dritten Festelektrolyt-Keramikfolie erreicht werden, mit der die den ausgestanzten Kanal aufweisende Folie abgedeckt wird.

Der Kanal kann jedoch auch in anderer Weise erzeugt werden. So ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, den Kanal sowie gegebenenfalls eine Kanalerweiterung durch Verwendung eines Hohlraumbildners zu erzeugen. Geeignete Hohlraumbildner sind z. B. unter Sinterbedingungen verbrennende, zersetzbare oder verdampfbare Substanzen, z. B. Kunststoffe, z. B. auf Poly urethanbasis, und Salze, z. B. Ammoniumcarbonat, wie auch Thermalrußpulver, das beim Sintern in oxidierender Atmosphäre herausbrennt.

Gegebenenfalls können weitere Schichten am Aufbau des Laminat verbundes beteiligt sein, z. B. haftverbessernde Schichten und abdichtende Schichten. Auch können einzelne Folien des Folien verbundes in vorteilhafter Weise mit abdichtenden Rahmen, z. B. aus YSZ-Paste, bedruckt werden.

Die einzelnen Folien lassen sich in vorteilhafter Weise mit interlaminaren Bindern, z. B. auf YSZ-Basis zusammenlaminieren.

Der Laminatverbund wird anschließend gesintert, z. B. durch 1- bis 10-stündiges Erhitzen auf Temperaturen von 1350 bis 1500°C. Vor, gegebenenfalls jedoch auch nach Durchführung des Sinterprozesses können im Bereich der Durchkontaktierungslöcher auf der äußeren Folienseite elektrische Kontaktflächen aufgedruckt werden.

Ein Sauerstoff-Reservoir durch Anordnung von Pumpelektroden läßt sich in vorteilhafter Weise dadurch schaffen, daß man auf eine erste Folie mit aufgedruckten Leiterbahnen unter Erzeugung eines Hohlraums über dem NTC-Widerstand eine zweite Folie aus Festelektrolytkeramik auflaminiert, die zuvor beidseitig mit Pumpelektroden und dazugehörigen Leiterbahnen bedruckt worden ist. Die Leiterbahnen dieser Pumpelektroden können z. B. an eine Batterie mit einer konstanten Arbeits spannung im Bereich von 0,5 bis 1,0 Volt angeschlossen werden. Die flächenmäßige Ausdehnung der Pumpelektroden kann gering sein. Die Pumpelektroden bestehen vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe oder aus Legierungen von Metallen der Platin gruppe mit anderen Metallen. Sie sind vorzugsweise porös. Die zu den Pumpelektroden gehörenden Leiterbahnen bestehen vorzugs weise aus dem gleichen Material wie die Pumpelektroden. Die äußere Pumpelektrode kann mit einer porösen Keramikfolie oder auch einer anderen porösen Schicht, z. B. auf Magnesium-Spinell basis abgedeckt werden.

2. NTC-Temperaturfühlerelemente aus Keramikfolien auf Isolatorkeramikbasis

Temperaturfühlerelemente dieses Typs unterscheiden sich von den Temperaturfühlerelementen auf Festelektrolytbasis grund sätzlich dadurch, daß auf eine der zur Herstellung des Laminat verbundes verwendeten Folien nicht nur Leiterbahnen, sondern auch ein NTC-Widerstand aufgedruckt werden muß und daß auf die Anbringung von Isolationsschichten zwischen Folie und Leiterbahnen und in den Durchkontaktierungslöchern verzichtet werden kann. Ein besonders vorteilhafter Typ von Kermikfolien auf Isolatorkeramikbasis sind aufgrund ihrer im Vergleich zur ZrO₂-Keramik hohen Wärmeleitfähigkeit solche auf Al₂-O₃-Basis, deren Verwendung zur Herstellung erfindungsgemäßer Temperatur fühler im folgenden beispielsweise beschrieben wird.

Zur Erzeugung des NTC-Widerstandes können einen Festelektrolyten bildende Pasten und Suspensionen verwendet werden, die die zur Herstellung von Festelektrolyten des beschriebenen Typs benö tigten Ausgangssubstanzen enthalten und sich durch einen Sinter prozeß in ionenleitenden Festelektrolyte überführen lassen. In typischer Weise lassen sich somit zur Herstellung der Pasten und Suspensionen Pulver auf Basis von mit Yttrium stabilisiertem Zirkondioxid verwenden, z. B. ZrO₂-Pulver mit 5 bis 15 Mol-% Y₂O₃. Geeignet sind aber auch elektronenleitende NTC-Wider standsmaterialien, wie beispielsweise Pulver auf Basis von Praseodymoxid, insbesondere solche aus Gemischen von Prase odymoxid und einem anderen Metalloxid, wie sie z. B. bekannt sind aus der DE-PS 23 33 189 und J. Am. Ceram. soc. 61, Nr. 7-8, Juli-Aug. 1978, S. 318-321. Dies bedeutet, daß z. B. auch Pulver auf Basis von Pr-Fe-Oxid oder Fe₂O₃(MnO) verwendet werden können. In ähnlicher Weise können Cr₂O₃/Al₂O₃-NTC- Widerstandsschichten eingesetzt werden, wie sie z. B. in der EP-A 056 752 beschrieben werden.

Die Herstellung eines NTC-Temperaturfühlerelementes aus Keramik folien auf Al₂O₃-Basis kann somit unter Berücksichtigung der Not wendigkeit des Aufdruckens eins NTC-Widerstandes und unter Ver zicht auf die Anbringung isolierender Schichten in der für NTC- Temperaturfühler aus Keramikfolien auf Festelektrolyt-Basis beschriebenen Weise erfolgen. Demzufolge kann somit auch im Falle von Kermaikfolien auf Al₂O₃-Basis die Sauerstoffversorung des NTC-Widerstandes über einen zur Umgebungsluft offenen bzw. mit porösem Material gefüllten Kanal erfolgen.

Zwecks näherer Einzelheiten sei auf die DE-PS 37 33 193 verwiesen.

Die erfindungsgemäßen Wärmetönungssensoren sind für einen intermittierenden Heizerbetrieb wie auch für einen kontinuier lichen Heizerbetrieb geeignet.

Bei intermittierendem Heizerbetrieb kann sich in den unbeheizten Phasen am Sensorelement Ruß niederschlagen. Bei Einschalten des Heizers steigt die Sensortemperatur schnell an. Nach Über schreiten der Zündgrenze brennt der Ruß ab und verändert so die Sensortemperatur zusätzlich. Der Effekt ist um so ausge prägter, je mehr Ruß abbrennt. Nach vollständigem Abbrand des Rußes stellt sich die stationäre Temperatur des beheizten Sensors ein. Aus dem Vergleich der Temperaturen im unbeheizten Betrieb sowie im beheizten Betrieb bei maximalem bzw. nach abgeschlos senem Rußausbrand kann auf die in vorgegebener Zeit niederge schlagene Rußmenge geschlossen werden.

Im Falle eines Wärmetönungssensors mit zwei Temperaturfühler elementen läßt sich die Abgastemperatur indirekt mittels eines zurückgezogenen angeordneten 2. Temperatursensors auch im beheizten Wärmetönungssensor kontinuierlich mitbestimmen. In diesem Fall darf sich jedoch an der Temperaturfühlerelement oberfläche im Bereich des 2. Temperaturfühlerelementes kein Ruß niederschlagen bzw. kein Ruß abbrennen.

Die Sensortemperatur im Heizerbetrieb (1. Temperaturfühlerelement) gibt bei kontinuierlichem Heizerbetrieb ein Maß für die abbren nende Rußmenge/Zeiteinheit, wenn der Meßwert auf die Abgas temperatur (2. Temperaturfühlerelement) bezogen wird. Bei Ver wendung von NTC- bzw. PTC-Temperaturfühlerelementen kann zur Steigerung der Empfindlichkeit des Meßsignals eine Brücken schaltung mit Vergleichswiderständen benutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform werden beide Temperatur fühlerelemente durch den Heizer für ein rußfreies Abgas auf annähernd gleiches Temperaturniveau gebracht. Im Bereich des 2. Temperaturfühlerelementes darf sich im rußhaltigen Abgas kein Ruß niederschlagen. In diesem Falle gibt der Vergleich der beiden Temperatursonden ein Maß für die anfallende Rußmenge/- Zeiteinheit, da im Bereich des 1. Temperaturfühlerelementes eine Temperaturänderung durch Rußabbrand erfolgt. Bei dieser Ausführungsform bietet es sich auch an, die katalytische Beschichtung über beide Temperatur fühlerelemente anzuordnen, so daß gasförmige Kohlenwasserstoffe an beiden Stellen abbrennen können. Die Ablagerung von Ruß im Bereich des Temperaturfühler elementes 2 muß durch eine Blende verhindert werden. Das Heizer- Layout muß annähernd gleiche Temperaturen an beiden Temperatur fühlerelementen schaffen.

Zeichnung

Die Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. Dargestellt ist der schematische Aufbau von verschiedenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Wärmetönungssensoren.

Im einzelnen sind dargestellt in:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Wärmetönungssensors mit einem NTC-Temperaturfühlerelement;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Wärmetönungssensor mit einem NTC-Temperaturfühlerelement;

Fig. 3 ein dritte Ausführungsform eines Wärmetönungssensors mit zwei NTC-Temperaturfühlerelementen;

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform eines Wärmetönungssensors mit zwei NTC-Temperaturfühlerelementen;

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform eines Wärmetönungssensors mit einem PTC-Temperaturfühlerelement;

Fig. 6 eine sechste Ausführungsform eines Wärmetönungssensors mit zwei PTC-Temperaturfühlerelementen.

Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Wärme tönungssensors nach der Erfindung mit einem NTC-Temperatur fühlerelement besteht im wesentlichen aus der die Oberseite des Wärmetönungssensors bildenden Folie 1 mit Durchkon taktierungen 2 und 2' sowie den elektrischen Kontaktflächen 3 und 3', der Elektronen 4; der Zuleitungen 4', der Isolier schicht 5; dem Dichterahmen 6; der Heizer-Widerstandsbahn 7, der Isolierschicht 8; dem Dichterahmen 9; sowie der die Rückseite des Wärmetönungssensors bildenden Folie 10 mit Durchkontaktierungen 11 und 11' sowie den elektrischen Kontaktflächen 12 und 12'.

Die Folien 1 und 10 bestehen gemäß einer vorteilhaften Aus führungsform aus Festelektrolytfolien, insbesondere auf Basis von O²-ionenleitendem ZrO₂. Die Durchkontaktierungen 2 und 2' bzw. 11 und 11' bestehen in vorteilhafter Weise aus Pt/Nb₂O₂- Cermet. Aus dem gleichen Material bestehen auch die elektrischen Kontaktflächen 3 und 3' bzw. 12 und 12'. Zum Aufdrucken der Zuleitungen 4' wird vorzugsweise eine gegebenenfalls Nb₂O₅-haltige Pt/ZrO₂-Cermetpaste verwendet, wobei in vorteilhafter Weise zur Bereitung der Paste ein mit Y₂O₃ stabilisiertes ZrO₂ (YSZ) verwendet wird. Die Elektroden 4 werden mit einer Pt/ZrO₂- Cermetpaste ohne Nb₂O₅-Zusatz gedruckt. Elektroden 4 und Zu leitungen 4' können aber auch gemeinsam mit einer Pt/ZrO₂- Cermetpaste im selben Druckprozeß aufgetragen werden.

Die Isolierschichten 5 und 8 bestehen vorzugsweise aus Al₂O₃ und die Dichterahmen 6 und 9 aus mit Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ (YSZ). Die Außenflächen des Wärmetönungssensors können gegebenenfalls katalytisch aktiv beschichtet sein. Zur katalytisch aktiven Beschichtung können beispielsweise Pasten aus Platin und/oder Pt-Metallen, vorzugsweise mit Zusatz von CeO₂ und/oder ZrO₂, jeweils mit Stabilisatorzusätzen, wie Y₂O₃ oder Oxiden der schweren seltenen Erden verwendet werden.

Die Isolierschicht 5 kann gegebenenfalls Theobromin oder eine andere beim Sinterprozeß verbrennbare Substanz zur Ausbildung eines Luftkanals enthalten.

Die in Fig. 2 dargestellte zweite rationellere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetönungssensors unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform durch den Wegfall der Al₂O₃-Isolationsschicht auf der Heizerfolie 10. Die Isolation des Heizers wird dabei durch Verwendung einer Nb₂O₅- haltigen Pt/ZrO₂-Cermet-Paste für die Heizleiterbahn 7 erreicht. Im Falle der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform befindet sich die Widerstandsbahn 7 zwischen einer gedruckten Schicht 13 aus Y₂O₃-stabilisiertem ZrO₂, das als interlaminarer Binder wirkt, und der die Rückseite des Wärmetönungssensors bildenden Folie 10. Die Schicht 13 kann jedoch gegebenenfalls auch entfallen.

Die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetönungssensors unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß sie zwei Temperaturfühlerelemente aufweist. Im Falle dieser Ausführungsform weist die Folie 1 drei Durchkontaktierungen 2, 2' und 2" und drei elektrische Kontaktflächen 3, 3', 3" sowie die Elektroden-Leiterbahnen 4" und 4''' als Pt/ZrO₂-Druckschichten auf. Auf die Folie 1 ist die katalytisch aktive Beschichtung 14 auf gedruckt.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Wärmetönungssensors unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform durch ein zweites Temperatur fühlerelement. Im Falle dieser Ausführungsform weist die Folie 1 wiederum drei Durchkontaktierungen 2, 2', 2" und drei elektrische Kontaktflächen 3, 3', 3" sowie zwei Elektroden-Leiterbahnen 4", 4''' aus Pt/ZrO₂-Druckschichten auf. Auf die Folie 1 ist eine katalytisch aktive Beschichtung 14, 14' aufgedruckt. Sie kann jedoch entfallen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Wärmetönungssensors handelt es sich um einen Sensor mit einem PTC-Temperaturfühlerelement. Der Aufbau dieses Wärme tönungssensors entspricht dem Aufbau des in Fig. 1 dargestellten Wärmetönungssensors mit der Ausnahme der unterschiedlichen Ausge staltung der Leiterbahn 15. Die Isolation der PTC-Leiterbahn 15 gegen die ZrO₂-Deckfolie 1 läßt sich durch Verwendung einer Pt/Nb₂O₅-Leiterbahnpaste erreichen. Auch im Falle dieser Ausführungsform können die Außenflächen des Sensors wiederum katalytisch aktiv beschichtet sein.

Der in Fig. 6 dargestellte Wärmetönungssensor nach der Erfindung weist zwei PTC-Temperaturfühlerelemente auf. Wie im Falle der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen sind zwei Leiterbahnen 15 und 15', drei Durchkontaktierungen 2, 2', 2" und drei elektrische Kontaktflächen 3, 3' und 3" vorgesehen. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmetönungssensoren kann nach Techniken erfolgen, wie sie zur Herstellung von planaren Temperaturfühlerelementen und Abgassensoren bekannt sind. Dies bedeutet, daß zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmetönungs sensoren übliche Stanz-, Beschichtungs-, Laminier- und Sinter techniken angewandt werden können.

Ein erfindungsgemäßer Wärmetönungssensor läßt sich beispiels weise in einem Gehäuse in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselmotor unterbringen.

Claims

1. Wärmetönungssensor, insbesondere zur Bestimmung des Rußgehaltes in Dieselabgasen, gekennzeichnet durch die Kombination aus

a) einem in Keramikfolientechnik ausgebildeten, mit konstanter Heizleistung kontinuierlich oder intermittierend betreibbaren Heizelement (B) und
b) mindestens einem in Keramikfolientechnik ausgebildeten, mit dem Heizelement (B) eine Folienschicht bildenden Temperaturfühlerelement (A).

2. Wärmetönungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfühlerelement (A) ein PTC- Temperaturfühlerelement ist.

3. Wärmetönungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Temperaturfühlerelement (A) aus einer Keramikfolie (1) und einer Isolierschicht (5) gebildet ist, in dem ein PTC- Widerstand (15) hermetisch gegenüber dem Meßgas und der Umgebungsluft abgekapselt ist.

4. Wärmetönungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfolie (1) des PTC-Temperaturfühlerelementes (A) aus einer Folie auf einer Isolatorkeramik-Basis besteht, und zwar einer Basisfolie mit einer in Dickschichttechnik aufgedruckten Elektrode (4) mit Zuleitungen (4') sowie der Isolierschicht (5), die mit der Basisfolie (1) zusammenlaminiert und zusammengesintert ist.

5. Wärmetönungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (5) des PTC-Temperaturfühlerelementes (A) aus einer Schicht auf Al₂O₃-Basis besteht.

6. Wärmetönungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfühlerelement (A) ein NTC- Temperaturfühlerelement ist.

7. Wärmetönungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das NTC-Temperaturfühlerelement (A) aus einem Laminatverbund aus Keramikfolien gebildet wird, derart, daß Umgebungsluft oder elektrolytisch zugepumpter Sauerstoff über einen mit porösen Material gefüllten Kanal freien Zugang zu einem NTC-Widerstand hat, dieser selbst jedoch hermetisch gegenüber dem Meßgas abgedichtet ist.

8. Wärmetönungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfühlerelement (A) eine mit einem katalytisch aktiven Material beschichtete Außenfläche (14, 14') aufweist.

9. Wärmetönungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Temperaturfühlerelements (A) als katalytisch aktives Material Platin und/oder Pt-Metalle, unter Zusatz von CeO₂ und/oder ZrO₂ enthält.

10. Wärmetönungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (7) des Heizelementes (B) eine Pt-Cermet Heizleiterschicht ist.