ITMI941926A1 - Dispositivo atto a rilevare il contenuto di ossigeno nel gas di scarico di un motore endotermico utilizzato per l'azionamento di - Google Patents

Abstract

L'invenzione concerne un dispositivo atto a rilevare il contenuto di ossigeno nel gas di scarico di un motore endotermico, comprendente una cella di misurazione della concentrazione che lavora secondo il principio di Nernst, con un elettrodo di misurazione, un elettrolito solido ed un elettrodo di riferimento, ed un circuito - serie formato da una fonte di tensione continua (Uv) e da una pre - resistenza (Rv), che collega l'elettrodo di misurazione con l'elettrodo di riferimento, laddove l'elettrodo di misurazione è in collegamento con il gas di scarico del motore endotermico ed è collegato tramite l'elettrolito solido con l'elettrodo di riferimento, il quale è in collegamento con un volumi di gas di riferimento, e laddove il volume del gas di riferimento è separato dal gas di scarico e dall'aria ambiente in maniera tale da rendere perlomeno difficile uno scambio di particelle tra il volume del gas di riferimento ed il gas di scarico, nonché tra il volume del gas di riferimento e l'aria ambiente, e laddove la tensione di uscita della cella di misurazione della concentrazione rappresenta una misura per la differenza delle concentrazioni di ossigeno nel gas di scarico del motore endotermico e del volume del gas di riferimento, e laddove la tensione di uscita della fonte di tensione continua e/oppure il valore della pre - resistenza sono predeterminati in modo tale che una corrente elettrica Ip, che passa nel circuito elettrico formato dalla fonte di tensione continua, dalla pre - resistenza e dalla cella di misurazione della concentrazione, indipendente dalla tensione di uscita della cella di misurazione della concentrazione è sempre diretta in maniera che l'ossigeno venga trasportato dal gas di scarico verso il volume del gas di riferimento (Figura 1).

Description

Descrzione

Stato dell ' arte

L'invenzione concerne un dispositivo atto a ri levare il contenuto di ossigeno nel gas di scarico di un motore endotermico.

E' noto il fatto di misurare il contenuto di os sigeno di gas di scarico con l'ausilio di una cella di concentrazione, per esempio consistente in cerami ca Zr02, rapportato ad un tenore di ossigeno di rife rimento in un'atmosfera di riferimento. L'atmosfera di riferimento può a titolo di esempio essere forma ta dall'aria ambiente oppure anche da un gas di rife rimento in un volume separato rispettivamente quasi separato relativamente all'ambiente circostante. Un' atmosfera stabile di ossigeno viene conseguita in questo volume a titolo di esempio per il fatto che, immettendo una corrente, ossigeno viene pompato dal gas di scarico nel volume. Una tale atmosfera di ri ferimento pompata possiede rispetto al riferimento dell'aria ambiente il vantaggio che un'inquinamento dell'atmosfera del gas di riferimento, per esempio dovuto a spruzzi d'acqua oppure a vapori di carburali te nelle immediate vicinanze del dispositivo, è rela tivamente modesto. Dato che i volumi di riferimento generalmente scelti assai piccoli non sono a tenuta di gas nei confronti dell'ambiente circostante — per esempio a causa di porosità residua della ceramica di Zr02 oppure di canali del gas volutamente previsti, che devono evitare eccessive pressioni del gas nel volume di riferimento - un'atmosfera di riferimento stabile può essere conservata soltanto tramite una corrente immessa in permanenza.

In proposito sussiste tuttavia il pericolo di un danneggiamento dell'elettrolito ad opera della tensione applicata, allo scopo necessaria, specialmente quando il gas di scarico risulta dalla combustione di una miscela ricca di carburante e presenta un contenuto di ossigeno corrispondentemente modesto Quando la tensione di pompaggio viene applicata all'elettrolito attraverso gli elettrodi di misurazione, si verifica inoltre una variazione del segna le misurato dipendente dalla temperatura. Il segnale misurato Us, preso su un elettrodo di misurazione la to-gas di scarico e su un elettrodo di riferimento lato-gas di riferimento, è composto in questo caso per addizione della tensione di Nernst Un, che risul ta sull'elettrolito a motivo delle differenti pressioni parziali dell'ossigeno, e di una escursione della tensione Ri*Ip, laddove Ri contrassegna la re sistenza interna Ri dell'elettrolito ed Ip contrasse gna la corrente di pompaggio Ip che passa come conse guenza della tensione di pompaggio. A motivo della dipendenza della resistenza interna Ri della sonda dalla temperatura, il prodotto Ri*Ip rappresenta in certo qual modo una perturbazione del segnale misura to dipendente dalla temperatura.

Di fronte a questo retroscena il compito dell' invenzione consiste nell'indicazione di un dispositi vo atto a misurare il contenuto di ossigeno nel gas di scarico di un motore endotermico, laddove il dispositivo lavora con un volume di gas di riferimento quasi isolato, senza che si verifichino i menzionati inconvenienti, come la decomposizione dell'elettroli to ed eccessivi disturbi del segnale misurato causa ti dalla dipendenza della resistenza interna dell' elettrolito dalla temperatura.

L'invenzione risolve questo compito con una cel la di misurazione della concentrazione che lavora se condo il principio di Nem st, con un elettrodo di mi surazione, un elettrolito solido ed un elettrodo di riferimento, ed un circuito-serie formato da una fon te di tensione continua (Uv) e da una pre-resistenza (Rv), che collega l'elettrodo di misurazione con 1' elettrodo di riferimento,

laddove l'elettrodo di misurazione è in collegamento con il gas di scarico del motore endotermico ed è collegato tramite l'elettrolito solido con l'elettro do di riferimento, il quale è in collegamento con un volume di gas di riferimento, e laddove il volume del gas di riferimento è separato dal gas di scarico e dall'aria ambiente in maniera tale da rendere per lomeno difficile uno scambio di particelle tra il vo lume del gas di riferimento ed il gas di scarico, nonché tra il volume del gas di riferimento e l'aria ambiente, e laddove la tensione di uscita della cel la di misurazione della concentrazione rappresenta una misura per la differenza delle concentrazioni di ossigeno nel gas di scarico del motore endotermico e del volume del gas di riferimento, e laddove la ten sione di uscita della fonte di tensione continua e/ /oppure il valore della pre-resistenza sono predeter minati in modo tale che una corrente elettrica Ip, che passa nel circuito elettrico formato dalla fonte di tensione continua, dalla pre-resistenza e dalla cella di misurazione della concentrazione, indipendentemente dalla tensione di uscita della cella di misurazione della concentrazione, è sempre diretta in maniera che l'ossigeno venga trasportato dal gas di scarico verso il volume del gas di riferimento, e laddove nel gas di scarico grasso rispettivamente con alta tensione della sonda risulta un flusso net to di corrente assai piccolo e con gas di scarico ma gro rispettivamente con piccola tensione della sonda risulta un flusso netto di corrente nettamente più elevato .

Il dispositivo di cui all'invenzione provoca un'abbassamento della dipendenza dalla temperatura dal segnale della sonda Us = Un Ri*Ip specialmente in presenza di composizione grassa della miscela, ed impedisce una possibile decomposizione dell'elettro lito, come quella che incombe in presenza di basso contenuto di ossigeno nel gas di scarico (composizio ne grassa della miscela) e di alta corrente di pompaggio. Un'ulteriore vantaggio risiede nel fatto che in caso di riferimento falsato, ciò che può a titolo di esempio verificarsi come conseguenza dell'ingres so di vapori di carburante nel volume del gas di ri ferimento con veicolo fermo, si verifica un'elimina zione automatica della falsificazione, in quanto du rante la falsificazione risulta sempre una tensione della sonda nettamente più bassa, la quale genera un'aumentato flusso netto di corrente.

La figura l rappresenta un esempio di realizza zione dell'invenzione, del quale

la figura 2 riproduce uno schema elettrico cir cuitale sostitutivo.

La figura 1 mostra in sezione una sonda 2 per gas di scarico in un tubo di scarico del gas, del quale è rappresentata una parete 1. Questa parete se para il gas di scarico di un motore endotermico (a sinistra) dall'aria ambiente (a destra). La sonda per gas di scarico presenta nella propria parte lato -gas di scarico un elettrolito solido 3 tra un elet trodo di misurazione 4, esposto al gas di scarico, ed un elettrodo di riferimento 5. Un volume di rife rimento 6, che è in collegamento con l'elettrodo di misurazione 5, non è in contatto diretto nè con il gas di scarico nè tantomeno con l'aria ambiente. Una sovrapressione che dovesse eventualmente crearsi nel volume del gas di riferimento viene eliminata attra verso un collegamento indiretto con l'aria ambiente, per esempio attraverso una linea di misurazione 10 realizzata porosa. Tra questa linea di alimentazione 10, che è collegata con l'elettrodo di riferimento, ed una linea di alimentazione 9, che è in collegamen to con l'elettrodo di misurazione, sono posizionate una fonte 8 di tensione continua (Uv) ed una pre-re sistenza 7 (Rv). Il segnale Us della tensione di mi surazione di questo dispositivo viene preso tra le linee di alimentazione 9 e 10.

La figura 2 mostra uno schema circuitale sosti tutivo del dispositivo di cui all'invenzione, in cui sono rappresentati l'elettrolito 3 e gli elettrodi 4 e 5 fungenti da fonte di tensione Un {10) e da resi stenza Ri (9).

La fonte di tensione continua provoca una corrente di pompaggio Ip attraverso l'elettrolito che, in collegamento con la resistenza interna Ri dell' elettrolito, provoca un'escursione della tensione Ri*Ip. La cella di concentrazione, formata dall'elet trolito e dagli elettrodi, produce una tensione di Nernst Un, che in presenza di temperatura costante dipende dal logaritmo del quoziente delle pressioni parziali nel volume del gas di riferimento e nel gas di scarico. Il segnale della tensione di misurazione Us è dato dalla somma di entrambe le componenti {Uv-Un = Ip* (Rv+Ri). In proposito, la corrente di pompaggio Ip è diretta in maniera tale, per cui essa trasposta ossigeno dal gas di scarico verso il volu me di riferimento. Ci si oppone in questa maniera ad un abbassamento della pressione parziale dell'ossige no nel volume del gas di riferimento. Il valore del la contro-tensione Uv viene vantaggiosamente scelto in maniera tale che esso si situi di poco al di sopra della tensione di Nernst Un migliore possibile della cella di concentrazione.

La tabella che segue mostra come la corrente di pompaggio Ip in un esempio di realizzazione del dispositivo di cui all'invenzione, con un valore Rv pa ri a 51 kOhm e con una pre-tensione di 1 Volt, varia in funzione della composizione del gas e della tempe ratura della sonda. La tensione di Nernst Un = 0,9 Volt indica in proposito miscela grassa, quella di 0,1 Volt miscela magra. La resistenza interna della sonda Ri = 100 Ohm è tipica per una sonda calda e quella di 10.000 Ohm per una sonda fredda. I valori relativi a Us ed Ip sono stati calcolati tramite le

I vantaggi menzionati inizialmente si vengono a creare a motivo delle seguenti correlazioni.

Anzitutto il dispositivo di cui all'invenzione abbassa la dipendenza del segnale della sonda Us = Un Ri*Ip dalla temperatura per il fatto che la va riazione in funzione della temperatura della resistenza interna Ri della sonda, in qualità di parte del circuito elettrico di pompaggio, porta ad una va riazione di segno opposto della corrente di pompaggio Ip, cosicché l'effetto della variazione della re sistenza interna della sonda sull'escursione della tensione Ri*Ip si riduce.

Una possibile decomposizione dell'elettrolito in presenza di basso contenuto di ossigeno nel gas di scarico (composizione grassa della miscela) viene contrastata per il fatto che la corrente di pompaggio Ip nel cirucito di cui all'invenzione è proporzionale alla differenza tra la pre-tensione Uv e la tensione di Nernst Un della cella di concentrazione. Il valore di questa differenza diventa piccolo in presenza di miscela grassa, poiché il basso tenore di ossigeno nel gas di scarico porta ad una grande tensione di Nernst. In questa maniera, la corrente di pompaggio si imposta in una certa qual maniera co me funzione della composizione della miscela, cosic chè nel caso critico di una miscela grassa passa una corrente relativamente piccola e nel caso non criti co della miscela magra passa una corrente più alta. Quest'ultima provoca un trasporto maggiore di ossige no verso il volume del gas di riferimento ed impedi sce che la pressione parziale dell'ossigeno nel volu me del gas di riferimento si abbassi eccessivamente nel tempo.

In caso di riferimento falsificato, la pressio ne parziale del 02 nel volume del gas di riferimento può scendere sotto il valore della pressione parzia le del 02 nel gas di scarico. In determinate circostanze, con veicolo fermo, vapori di carburante pos sono a titolo di esempio penetrare nel volume del gas di riferimento e legare per una grossa parte 1' ossigeno. Se la pressione parziale dell'ossigeno nel volume del gas di riferimento scende al di sotto del valore della pressione parziale dell'ossigeno nel gas di scarico, la tensione di Nera st Un cambia il proprio segno. Nel caso del dispositivo di cui all' invenzione quindi non è più la differenza, bensì la somma dei valori della pre-tensione Uv e della tensione di Nernst Un a fissare l'entità della corrente di pompaggio Ip. Aumenta in seguito a ciò la corren te di pompaggio e per conseguenza aumenta la quanti tà dell'ossigeno trasportato dal gas di scarico ver so il volume del gas di riferimento. In ultima anali si, ciò provoca in un certo qual modo un flussaggio con ossigeno del volume del gas di riferimento, ciò che porta all'eliminazione della falsificazione del riferimento .

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1.- Dispositivo atto a rilevare il contenuto di ossigeno nel gas di scarico di un motore endotermico, utilizzato per l'azionamento di un autoveicolo, laddove il dispositivo presenta perlomeno - una cella di misurazione della concentrazione che lavora secondo il principio di Nernst, con un elet trodo di misurazione, un elettrolito solido ed un elettrodo di riferimento, ed un - circuito-serie formato da una fonte di tensione continua (Uv) e da una pre-resistenza (Rv), che collega l'elettrodo di misurazione con l'elettrodo di riferimento, laddove l'elettrodo di misurazione è in collegamento con il gas di scarico del motore endotermico ed è collegato tramite l'elettrolito solido con l'elettro do di riferimento, il quale è in collegamento con un volume di gas di riferimento, e laddove il volume del gas di riferimento è separato dal gas di scarico e dall'aria ambiente in maniera tale da rendere perlomeno difficile uno scambio di particelle tra il volume del gas di riferimento ed il gas di scarico, nonché tra il volume del gas di riferimento e l'aria ambiente, e laddove la tensione di uscita della cella di misurazione della concentra zione rappresenta una misura per la differenza delle concentrazioni di ossigeno nel gas di scarico del mo tore endotermico e del volume del gas di riferimento, e laddove - la tensione di uscita della fonte di tensione con tinua e/oppure il valore della pre-resistenza sono predeterminati in modo tale che una corrente elet trica Ip, che passa nel circuito elettrico formato dalla fonte di tensione continua, dalla pre-resistenza e dalla cella di misurazione della concentrazione, indipendentemente dalla tensione di usci ta della cella di misurazione della concentrazione, è sempre diretta in maniera che l'ossigeno ven ga trasportato dal gas di scarico verso il volume del gas di riferimento. 2.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, ca ratterizzato dal fatto che il valore della tensione continua Uv è inferiore in ragione di 1,5 volte la tensione massima di uscita della cella di misurazione della concentrazione, misurata senza tensione conti nua e pre-resistenza. 3.- Dispositivo secondo perlomeno una delle ri vendicazioni che precedono, caratterizzato dal fatto che la cella di misurazione della concentrazione vie ne utilizzata in combinazione con altre celle.