WO1984004816A1 - Device for generating a reference potential by means of potentiometric lambda probes - Google Patents

Device for generating a reference potential by means of potentiometric lambda probes Download PDF

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Hermann Fischer
Roland Stahl
Guenther Straub
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Bosch Gmbh Robert
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • G01N27/4076—Reference electrodes or reference mixtures

Definitions

  • the invention is based on aiaea method according to the type of the main claim.
  • the most common type of lambda probe so far uses the oxygen partial pressure of the air as a reference, so the counter electrode of these probes is in contact with the outside air.
  • the construction of lambda probe ⁇ becomes simpler if it is possible to expose both the measuring electrode and the counter electrode to the exhaust gas. This also facilitates the possibility of going from a tubular structure to a platelet structure. It yields; the difficulty, however, of creating a reference potential at the counterelectrode from the same gas to which the measuring electrode is also exposed.
  • Various possible solutions have already been proposed here.
  • DE-OS 25 47 633 shows a counter electrode, which is made of a kataiy-isch inactive material, so that there is a potential difference between this electrode and the catalytically active measuring electrode.
  • the disadvantage of such a solution can be seen in the fact that there are hardly any materials which are catalytically inactive for a long time, since these materials gradually acquire a certain catalytic activity as a result of the operating conditions, so that the reference potential is gradually shifted.
  • FIG. 1 shows the simplified representation of a lean reference
  • FIG. 2 schematically shows the voltage / time curves of this lean reference
  • FIG. 3 functional curves of the lambda probe
  • FIG. 4 shows the simplified representation of a rich reference
  • FIG. 5 finally schematically shows the voltage / time surfing of the rich reference according to FIG 4 ..
  • FIG. 1 shows a lean reference, ie a counter electrode, in which the response time when the sample gas changes from rich to lean is shorter than the response time when changing from lean to rich.
  • the lambda probe consists of a plate made of stabilized zirconium dioxide, which on one side carries the measuring electrode 2, which in a known manner can consist of platinum or a piazin-zirconium dioxide mixture.
  • a conductor track 3 for the electrical connection of this electrode is connected to the measuring electrode 2.
  • the opposite side of the cookie 1 carries the electrode 4, which corresponds in its structure to the measuring electrode 2 and to which a conductor track 5 is connected for electrical contact.
  • About half of the electrode h is covered with a gas-tight glaze 6, for example from a 3-arium borate glass.
  • FIG. 3a shows the course of the lambda value over time, which is brought about by the lambda probe itself in cooperation with a control device.
  • Figure 3b shows the voltage of the counter electrode described - measured z. 3. against an air reference - with the lambda curve according to FIG. 3a. These curves were derived from those in FIG. 2 for a plurality of successive lambda changes.
  • FIG. 3c shows the voltage of a conventional lambda probe electrode - measured against air reference. This Eiekzrode serves as a measuring electrode.
  • FIG. 3a shows the course of the lambda value over time, which is brought about by the lambda probe itself in cooperation with a control device.
  • Figure 3b shows the voltage of the counter electrode described - measured z. 3. against an air reference - with the lambda curve according to FIG. 3a. These curves were derived from those in FIG. 2 for a plurality of successive lambda changes.
  • FIG. 3c shows the voltage of a conventional lambda probe
  • the voltage of a sensor according to the invention with fez reference can be made in the same way by forming a difference be obtained as described above in the lean reference. By reversing the polarity, a sensor signal is obtained which is compatible both with signals from probes with an air reference and with signals from probes with a lean reference according to the invention.
  • electrodes of this type with asymmetrical response times can only serve as a reference if a regulation is provided which brings about a constant change between rich and lean.
  • the control frequency is approximately one Hz.
  • the slow process taking place at the counterelectrode takes at least approximately as long as a control oscillation. This must be taken into account when coordinating the regulation and design of the counter electrode. If the process slowly taking place on the counter electrode takes less time than a control oscillation, the entire system takes too long to settle.
  • the lambda probe for example, also carries a heater on the side of the measuring electrode, since the functionality of the solid electrolyte only occurs at a specific threshold temperature, which, depending on the festival, causes electriometry between 300 and lies at 400 °.

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Description

Verfahren, zur Erzeugung eines Referenzpotentials bei potent iometrischen Lambd.asond.en
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von aiaea Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Der bisher gebräuchlichste Typ der Lambdasoαde benutzt als Referenz den Sauerstoffpartialdruck der Luft, die Gegenelektrode dieser Sonden ist also mit der Außenluft in Konzakt. Der Aufbau von Lambdasondeα wird jedoch dann einfacher, wenn es gelingt, sowohl die Meßelektrode als auch die Gegenelektrode dem Abgas auszusetzen. Dies erleichtert auch die Möglichkeit, von einem röhrförmigen Aufbau zu einem plättchenformigen Aufbau überzugehen. Es ergibt; sich jedoch die Schwierigkeit, an der Gegenelektrode ein Refersnzpotential aus dem gleichen Gas zu schaffen, dem auch die Meßelektrode ausgesetzt ist. Hier sind bereits verschiedene Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen worden. So zeige beispielsweise die DE-OS 25 47 633 eine Gegenelektrode, iie aus einem kataiy-isch inaktiven Material beszeht, so daß sich zwischen dieser Elekzrode und der katalytisch aktiven Meßelektrode ein Potentialunterschied ergibt. Der Nachteil einer solchen Lösung ist jedoch darin zu sehen, daß es kaum Materialien gibt, die auf längere Zeit katalytisch inaktiv sind, da diese Materialien durch die Betriebsdingungen allmählich eine gewisse katalyt ische Aktivität erlangen, so daß sich das Referenzpotantial allmählich verschiebt. Aus der DS-OS 30 40 494 ist die Möglichkeit bekannt geworden, eine potent iαmetrische Lambdasonde mit einem polarographischen Meßfühler, einer sogenannten Grenzstromsonde zu kombinieren, um auf diese Weise an der Gegenelel-ccrode der Lambdasonde stets eine Sauerstoffkonzentration 0 zu haben. Diese Lösung hat jedoch ä.en Nachteil, daß es notwendig ist, über die gesamte Betriebszeiz der Sonde eine Gleichspannung an der Grenzstromsonde zur Erzeugung des Pumpstromes bereitzustellen. Schließlich ist es, beispielsweise aus der DE-OS 21 15 619, bekannt, den Sauerstoffpartialdruck eines Metall/Metalloxid-Gemisches als Referenz zu benutzen, um von dem Luftsauerstoff unabhängig zu sein, beispielsweise wenn vom Einbauort der Sonde her die Verwirklichung einer Luftreferenz schwierig ist. Sine solche Metali/Metalloxid-Referenz hat jedoch den Nachteil, daß sich das Mengenverhältnis von Metall zu Metailoxid allmählich verschiebt, so daß der Zeitpunkt kommt, bei dem nur noch Metall oder nur noch Metailoxid vorliegt, so daß diese Referenz nicht mehr funktionsfähig ist.
Torteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs haz demgegenüber den Verteil, daß hier weder der Verbrauch eines Stoffes die Funktion der Referenz hemmen kann noch durch eine allmähliche Aktivierung der Gegenelektrode einer Verschiebung des Referenzpotentials auftritt. Auch ist es nicht notwendig, während der gesamten Betriebsdauer der Sonde eine Gleichspannung zur Verfügung zu stellen. Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist allerdings, daß eine Regelung vorgesehen wird, die einen ständigen Wechsel zwischen fett und mager mit einer konstanten Frequenz herbeiführt.
Durch die in den Unt eransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Gegeneiektrode mit einer diffunsiσnshemmenden Schicht zu bedecken, d.h.. eine sogenannte F.ettreferenz zu verwenden, bei der die Ansprechzeit (hier und im folgenden umfaßt der Begriff "Ansprechzeit" stets die Summe aus Ansprechzeit und Totzeit) beim Übergang des Meßgases von mager nach fett kürzer ist als die Ansprechzeit beim Übergang von fett nach mager, da die Motoren im aligemeinen fett gestartet werden und damit der EinschwingVorgang, der zu den oben erwähnten Regelschwingungen führt, erleichtert wird. Um gerade diesen Sinschwingvαrgang noch weiter zu erleichtern, kann es vorteilhaft sein, in den ersten paar Sekunden nach dem Start eine Gleichspannung zur Erzeugung eines Pumpstromes an die Elektroden zu legen, um das Erreichen des fetten Referenzpotenz iais zu beschleunigen. Dasselbe gilt aber auch für den Fall, daß mit einer Magerreferenz gearbeitet wird. Es kann darüber hinaus auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem der herkömmlichen Verfahren zur Schaffung eines Referenzpot enz iais zu kom.bini.eren, da zum einen im Falle eines Metall/Metalloxid-Gemisches dieses nicht so schnell verbraucht wird, zum anderen aber man. die Lambdasonde bei tieferen Temperaturen betreiben kann, als dies ohne das erfindungsgemäße Verfahren möglich ist, da das Referenzpotential schon bei einer tieferen Temperatur erreicht wird.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert-. Es zeigen Figur 1 die vereinfachte Darstellung einer Magerreferenz, Figur 2 schematisch die Spannungs/Zeit-Kurven dieser Magerreferenz, Figur 3 Funktionskurven der Lambdasonde, Figur 4 die vereinfachte Darstellung einer Fettreferenz und Figur 5 schließlich schematisch die Spannungs /Zeit-Surven der Fettreferenz gemäß Figur 4..
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Magerreferenz, d.h. eine Gegeneiektrode, bei welcher die Ansprechzeit beim Übergang des Meßgases von fett nach mager kürzer ist als die Ansprechzeit beim Übergang von mager nach fett, dargestellt. Die Lambdasonde besteht aus einem Plättchen aus stabilisiertem Zirkondioxid, das auf der einen Seite die Meßeiektrode 2, die in an sich bekannzer Weise aus Platin oder einem Piazin-Zirkondioxid-Gemisch bestehen kann, trägt. An die Meßeiektrode 2 schließt sich eine Leiterbahn 3 zum elektrischen Anschluß dieser Electrode an. Die Gegenseite des Pläztchens 1 trägt die
Figure imgf000006_0001
elektrode 4 , die in ihrem Aufbau der Meßelektrode 2 entspricht und an die sich zur elektrischen Kontakt ierung eine Leiterbahn 5 anschließt. Die Elektrode h ist etwa zur Hälfte mit einer gasdichten Glasur 6, beispielsweise aus einem 3ariumboratglas, abgedeckt. 3ei dem Übergang des Meßgases von fett nach mager, der sich an dieser Gegenelektrode schnell abspielt, treten folgende Vorgänge auf: Zunächst weist die Elektrode bei dem fetten Abgas über ihren gesamten Bereich hinweg einen Sauerstoffpart ialdruck von etwa 10-15bar auf. Wenn nun bei dem Übergang des Meßgases von fett nach mager der Sauerstoffpartialdruck auf 10-4 bar - das entspricht etwa dem Punkt λ = Λ ansteigt, so entspricht dies einem Transport nur weniger Sauerstoffmolaküla von dem unbedeckten Elektrodenteil zu dem mit dar gasdichten Schicht 6 abgedeckten Teil, so daß leicht einzusehen ist, daß dieser Vorgang, bei welchem nur wenige Sauerstoffmoleküle diffundieren müssen, recht schnell verläuft. In Figur 2, in welcher der Spannungsverlauf der Gegenelektrode (gemessen gegen eine Lufteiektrode ) gegen die Zeit aufgetragen ist, sieht man dies an der Kurve 7 sehr deutlich. Ausgehend von einer hohen Spannung von beispielsweise 800 mV fällt die Spannung sehr schnell auf einen Wert von etwa 200 mV ab, um sich dann asymptotisch dem Gleichgewichtswert zu nähern. Dies entspricht dann etwa einem Sauerstoffpartialdruck von 10 -2 bar
Geht das Gasgemisch nun wieder vom mageren in den fetzen
3ereich über, so bedeutet dies, daß bei einem Übergang von einem Partialdruck von 10 - 2 auf einen Parz ialdruck von 10 bar sehr viel mehr Sauarstoffmoleküle transportiert werden müssen als bei dem Übergang von 10-15 auf 10 bar, daß nunmehr für den Transport dieser vielen Sauerstoffmoleküle vom abgedeckten Teil der Elektrode zu dem unbedeckten Teil sehr viel mehr Zeit notwendig ist, was mit anderen Worten besagt, daß der Übergang des Meßgases von mager nach fett sehr viel langsamer nachvollzogen wird als dies in der umgekehrten Richtung der Fall ist. Dies kommt in der Kurve 8 in Figur 2 deutlich zum Ausdruck, wo gezeigt ist, daß die Spannung der Gegenelektroda, ausgehend von beispielsweise etwa 100 mV zunächst sehr langsam ansteigt um erst später nach einem verzögerten steilen Anstieg sich der Grenzspannung des fetten Meßgases zu nähern. Es zeigt sich also deutlich, daß die Ansprechzeit dieser Elektrode asymmetrisch in bezug auf den wiederholten "Wechsel zwischen fett und mager ist.
In Figur 3 wird das Funktionieren der erfindungsgemäßen Lambdasonda verdeutlicht. Figur 3a zeigt den zeitlichen Verlauf des Lambdawerts, der durch die Lambdasonde selbst im Zusammenwirken mit einer Regeleinrichtung bewirkt wird. Figur 3b zeigt die Spannung der beschriebenen Gegenelektrode - gemessen z. 3. gegen eine Luftreferenz - bei dem Lambda-Veriauf entsprechend Figur 3a. Diese Kurven wurden von denen der Figur 2 für mehrere nacheinander ablaufende Lambda-Wechsei abgeleitet. Figur 3c zeigt die Spannung einer üblichen Lambdasondenelekzrode - gemessen gegen Luftreferenz -. Diese Eiekzrode dient als Meßelektrode. Figur 3d zeig- schließlich die Spannung der Meßelektrode gegen die Gegeneiektrode - die Differenz der Kurven 3c und 3b -, somit also die Spannung, die an einem erfindungsgemäßen Sensor ohne Luftreferenz gemessen wird. Man sieht, daß schon nach wenigen Sinschwingvorgängen die Sondenspannung dem Lambda-Wechsei genau folgt. Anhand der Figuren 4 und 5 soll nun der Mechanismus einer Fettreferenz beschrieben werden. Auch in diesem Falle besteht die Sonde aus dem Festelektrolyten 1, der Meßelektrode 2 sowie der Leiterbahn 3. Auch die Gegenelektrode 4 sowie die sich daran anschließende Leiterbahn 5 entspricht der Darstellung in Figur 1. Im Falle dieser Fettreferenz, bei der die Ansprechzeit der Gegenelektrode beim Übergang des Meßgases von mager nach fett kürzer ist als die Ansprechzeit beim Übergang von fett nach mager, ist nun die gesamte Elektrode 4 mit einer diffusionshemmenden Schicht bedeckt, deren Poren Durchmesser haben, die klein sind gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoieküle. Die Herstellung derartiger poröser Schichten ist in der DE-OS 29 45 020 beschrieben. Der Übergang von fett nach mager entspricht einem höheren Angebot an Sauerstoff im Meßgas, jedoch ist die diffus ionshemmende Schicht 9 so ausgelegt, daß die Sauerstoffmoleküle nur langsam durch die Schicht 9 hindurch an die Elektrode 4 gelangen können. Dies ist in Figur 5 anhand der Kurve 11 dargestellt. Wechselt das Meßgas nun wieder von mager nach fett, so herrscht zunächst an der Elektrode 4 ein Sauerstoffpartialdruck von etwa 10 -2 bar, jedoch spi.elt hi.er nun der i.m Meßgas vorhandene Wasserstoff eine wichtige Rolle, der aufgrund seines sehr viel kleineren Diffusionskoeffizienten sehr schnell durch die diffusionshemmende Schicht 9 hindurch an die Elektrode h gelangen kann und sich hier mit dem vorhandenen Sauerstoff zu Wasser vereinigt, was dazu führt, daß sich das Fettpotential an dieser Gegenelektrode sehr schnell einstellt. Dies ist wiederum in Figur 5 an der Kurve 10 deutlich zu sehen.
Die Spannung eines erfindungsgemäßen Sensors mit Feztreferenz kann in derselben Art durch Differenzbildung erhalten werden, wie es oben bei der Magerreferenz beschrieben wurde. Durch Umpolen erhält man ein Sensorsignal, das sowohl mit Signalen von Sonden mit Luftreferenz als auch mit Signalen von Sonden mit erfindungsgemäßer Magerreferenz kompatibel ist.
Es wurde oben betont, daß derartige Elektroden mit asymmetrischen Ansprechzeiten nur dann als Referenz dienen können, wenn eine Regelung vorgesehen ist, die einen ständigen Wechsel zwischen fett und mager herbeiführt. Die Regelfrequenz liegt etwa bei einem Hz. Eine weitere Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist die, daß der langsam sich abspielende Prozeß an der Gegenelektrode mindestens etwa so lange dauert wie eine Regelschwingung. Hierauf muß bei der Abstimmung zwischen Regelung und Auslegung der Gegeneiektrode geachtet werden. Benötigt der langsam sich an der Gegenelektrode abspielende Prozeß weniger Zeit als eine Regelschwingung, so braucht das gesamte System zu lange Zeit zum Einschwingen.
Um beim Start eines Motors die Regelschwingungen in möglichst kurzer Zeit zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Lambdasonde beispielsweise auf der Seite der Meßelektrode zusätzlich eine Heizung trägt, da die Funktionsfähigkeit des Festelekzrolyten erst bei einer beszimmzen Schwellentemperatur, die je nach Fest elektroiyzmateriai zwischen 300 und 400° liegt, einsetzt.
Da die Motoren in den meisten Fällen fezt gestarzet werden, ist es vorteilhaft, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Fettreferenz einzusezzen, wie sie anhand der Figuren 4 und 5 beschrieben wurde, da nur in diesen Falle nach sehr kurzer Zeit bereits das Referenzpotential der Gegenelektrode zur Vergfügung steht. Es ist aber prinzipiell auch möglich, beim Start im Fetten eine Magerreferenz zu verwenden, in diesem Falle ist lediglich mehr Zeit erforderlich, bis die Lambdasonde in einem betriebsgünstigen Zustand sich befindet.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines Referenzpotentials bei potentiometrischen Lambdasonden, bei denen Meßeiektrode und Gegenelektrode dem Abgas ausgesetzt sind und die eine Regelung aufweisen, die einen ständigen Wechsel zwischen fett und mager mit einer konstanten Frequenz herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode derart ausgelegt ist, daß die Ansprech- und Totzeit beim Übergang des Meßgases von fett nach mager abweicht von der Ansprech- und Totzeit beim Übergang des Meßgases von mager nach fett (asymmetrische Ansprechzeiten).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech- und Totzeit beim Übergang des Meßgases von fett nach mager kürzer ist als die Ansprech- und Totzeit beim Übergang von mager nach fetz (Magerreferenz).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode zu einem Teil gasdichz abgedeckt wird. h , Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode mit einer Glasur teilweise abgedeckt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenaiektrode zu 1/3 bis 2/3 der gesamten Fläche gasdicht abgedeckt ist.
β. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech- und Totzeit beim Übergang des Meßgases von mager nach fett kürzer ist als die Ansprech- und Totzeit beim Übergang von fett nach mager (Fettreferenz).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode mit einer diffusionshemmenden Schicht bedeckt wird, die die Diffusion von Sauerstoff stärker hemmt als die Diffusion von Wasserstoff.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode mit einer diffus ionshemmenάen Schicht bedeckt wird, die Poren aufweist, deren Durchmesser klein sind gegenüber der mittleren freien Weglänge der Sauerstoffmoleküle.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach Inbetriebnahme der Lambdasonde für einige Sekunden eine Spannung zwischen Meß- und Gegenelektrode zur Erzeugung eines Pumpstromes angelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrode und der diffusionshemmenden Schicht eine Schicht aus einem Metall/Metalloxid-Gemisch angeordnet wird.
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