WO2005090956A1 - Messfühler zur bestimmung der sauerstoffkonzentration im abgas von brennkraftmaschinen - Google Patents

Messfühler zur bestimmung der sauerstoffkonzentration im abgas von brennkraftmaschinen Download PDF

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Jan Bahlo
Jörg Ziegler
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Definitions

  • the invention is based on a sensor for determining the oxygen concentration in the
  • the double protective tube has two cap-like protective tubes, which are fastened concentrically to the protruding section of the sensor element on the sensor housing and which enclose a hollow cylindrical cavity between them.
  • the cavity is filled with a ceramic fiber material, which is used, for example, as a wadding, wool or fleece between the inner and outer protective tube in such a way that the exhaust gas only enters the interior of the inner protective tube after the ceramic fiber material has flowed through and reaches the sensor element there can.
  • the fiber material has fibers
  • This fiber material arranged in the cavity of the double protective tube retains moisture contained in the exhaust gas, so that no moisture can condense on the protective tube and drops of condensed water cannot reach the sensor element and trigger a thermal shock there.
  • the gas-sensitive protruding section of the sensor element is covered with a protective cap attached to the sensor housing, in the cap base of which gas passage holes are provided.
  • the measuring space enclosed by the cap is filled with an aluminum oxide granulate to protect the sensor element from damage and temperature shock, the aluminum oxide grains being catalytic Have surface layer made of platinum or an alloy or a mixture of platinum and aluminum, cobalt, nickel or chrome.
  • a protective cap made of a porous sintered material, e.g. made of a high temperature resistant nickel alloy.
  • the protective cap also offers protection against inactivation of the sensor element by poisoning those arranged in the gas-sensitive section of the sensor element
  • the wall thickness of the protective cap is advantageously approximately 2 to 6 mm and the pore size of the sintered material is approximately 20 to 200 ⁇ m in order to optimize the protective effect of the protective cap against poisoning on the one hand and the response time of the sensor on the other.
  • the inner surface of the sensor element facing the sensor element is advantageous
  • the catalyst material contains precious metals, especially those from the platinum group.
  • the measuring sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that a suitable catalytic converter integrated in the double protective tube is connected upstream of the sensor element acted upon by the exhaust gas, which catalyzes the at certain operating points of the
  • Slurry engine such as targeted grease operation to regenerate the nitrogen oxide storage catalytic converter or fuel injection for soot filter generation in diesel engines, convert large amounts of unburned or only partially oxidized hydrocarbons and hydrogen that occur in the exhaust gas with the oxygen from the exhaust gas and adjust the water gas balance.
  • Exhaust gas in the measuring chamber of the sensor element enclosed by the double protective tube is a prerequisite for ensuring that the sensor measures flawless lambda.
  • the placement of the catalyst in the double protection tube is not just one represents a favorable conception in terms of production technology, but also enables the provision of a fairly large catalyst volume.
  • the catalyst has a support body and a catalytic material applied to the support body.
  • the carrier body preferably has a sponge-like or mesh-like structure and is constructed from ceramic or metallic materials. The fact that the catalyst is not introduced as a bed in the cavity of the double protective tube, but from a solid
  • the sensor for the determination of the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine or an internal combustion engine which is shown only in part with its measuring range in FIG. 1, has a metallic housing 10 which is provided with a screw-in thread 11 for installation in an exhaust gas pipe of the internal combustion engine.
  • the Sensor housing 10 accommodates a sensor element 12, which projects out of sensor housing 10 with a gas-sensitive end section 121.
  • a cap-shaped double protective tube 13 is placed and fastened on the free end face of the sensor housing 10 and completely covers the gas-sensitive protruding section 121 of the sensor element 12 with large radial and axial dimensions
  • the double protective tube 13 consists of a cup-shaped or cap-shaped inner protective tube 14 and, in contrast, a larger diameter, cup-shaped or cap-shaped outer protective tube 15, which are arranged concentrically with the projecting section 121 of the sensor element 12.
  • the outer protective tube 15 and the inner protective tube 14 enclose a cavity 19.
  • the cavity 19 is filled with a catalytic converter 20 for catalytically oxidizing gas components, preferably hydrocarbons (HC) and hydrogen (H 2 ), which occur in large quantities in the exhaust gas under certain operating conditions of the internal combustion engine.
  • a catalytic converter 20 for catalytically oxidizing gas components, preferably hydrocarbons (HC) and hydrogen (H 2 ), which occur in large quantities in the exhaust gas under certain operating conditions of the internal combustion engine.
  • Such operating states occur in particular in the exhaust gas aftertreatment in order to enable regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter with targeted rich operation ( ⁇ ⁇ 1) or to regenerate the particle filter in diesel engines by targeted injection of fuel into a lean exhaust gas ( ⁇ 1).
  • the catalytic converter ensures extensive conversion of the hydrocarbons and hydrogen with oxidizing constituents in the exhaust gas (e.g. oxygen, carbon dioxide), so that the thermodynamic equilibrium is established in the exhaust gas and the sensor delivers accurate ⁇ values for so-called unbalance exhaust gases.
  • the catalyst 20 has a support body and a catalytic material applied to the support body.
  • the catalytic material contains at least one noble metal, preferably platinum, rhodium, palladium or their alloys or mixtures thereof.
  • the carrier body is made of metallic material and has a sponge-like structure, which is achieved in that the carrier body is made of sintered metal or metal foam.
  • the carrier has a network-like or grid-like structure. Such a structure can be realized with ceramic material, for example by building the carrier out of a zirconium oxide mesh or a sintered ceramic.
  • both protective tubes 14, 15 enclose the cavity 19 between their cylinder walls.
  • the cap bottoms do not lie on one another without a gap, but instead enclose an additional cavity 21 between them.
  • the additional cavity 21 is filled with the same catalyst 20 which lies in the cavity 19 and is constructed as described above.
  • the gas through holes 16 are made on the one hand in the cylindrical tube wall at a relatively large distance from the cap base and additional gas through holes 16 are provided in the cap base.
  • the outer protective tube 15 has two tube sections 151, 152 with different diameters, the tubular portion 152 with the smaller diameter abutting the inner protective tube 14 with an annular region.
  • the gas passage holes 17 in the outer protective tube 15 are arranged on the one hand in the transition shoulder 153 between the two pipe sections 151 and 152 and on the other hand in the cap bottom of the outer protective tube 15, so that this is via the
  • Gas gas holes 16, 17 flowing into the measuring space 18 cover the longest possible path in the catalytic converter 20.

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Abstract

Es wird ein Messfühler zu Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen angegeben, der ein in einem Fühlergehäuse (10) festgelegtes Sensorelement (12) mit einem aus dem Fühlergehäuse (10) vorstehenden, gassensitiven Abschnitt (121) und ein dengassensitiven Abschnitt (121) mit Abstand kappenartig überdeckenden Doppelschutzrohr (13) mit Innenschutzrohr (14) und Außenschutzrohr (15), die jeweils mit Gasdurchtrittslöchern (16, 17) versehen sind und zwischen sich einen Hohlraum (19,21) einschließen, aufweist. Zur Herstellung eines die Messgenauigkeit gewährleistenden thermodynamischen Gleichgewichts des Abgases am Sensorelement durch katalytische Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff ist der Hohlraum (19 21) im Doppelschutzrohr (13) mit einem Katalysator (20) ausgefüllt.

Description

Messfuhler zur Bestimmung der Sauerstofflconzentration im Abgas von Breririkrafhiiaschmen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Messfuhler zur Bestimmung der Sauerstofikonzentration im
Abgas von Bremikraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Messfuhler dieser Art (DE 20004514 Ul) weist das Doppelschutzrohr zwei kappenartige, konzentrisch zum Vorstehabschnitt des Sensorelements am Fuhlergehause befestigte Schutzrohre auf, die zwischen sich einen hohlzylindrischen Hohlraum einschließen. Der Hohlraum ist mit einem keramischen Fasermaterial ausge llt, das beispielsweise als Watte, Wolle oder Vlies derart zwischen dem inneren und äußeren Schutzrohr eingesetzt ist, dass das Abgas nur nach Durchfluss des keramisches Fasermaterial in das Innere des inneren Schutzrohrs eintreten und dort an das Sensorelement gelangen kann. Das Fasermaterial weist Fasern aus
Alurniniumoxid oder Zirkoniumoxid auf. Durch dieses in dem Hohlraum des Doppelschutzrohrs angeordnete Fasermaterial wird im Abgas enthaltene Feuchtigkeit zurückgehalten, so dass am Schutzrohr keine Feuchtigkeit kondensieren kann und Kondenswassertropfen nicht auf das Sensorelement gelangen und dort einen Thermoschock auslösen können.
Bei einem bekannten Abgas-Messfühler (US 4 132 615) ist der gassensitive Vorstehabschnitt des Sensorelements mit einer am Fühlergehäuse befestigten Schutzkappe abgedeckt, in deren Kappenboden Gasdurchtrittslöcher vorgesehen sind. Der von der Kappe eingeschlossene Messraum ist zum Schütze des Sensorelements vor Beschädigungen und Temperaturschock mit einem Granulat aus Aluminiumoxid gefüllt, wobei die Aluminiumoxid-Körner eine katalytische Oberflächenschicht aus Platin oder einer Legierung oder einem Gemisch aus Platin und Aluminium, Kobalt, Nickel oder Chrom aufweisen.
Bei einem ebenfalls bekannten elektrochemischen Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Verbrennungsmotoren (DE 3000 993 AI) ist eine den gassensitiven Vorstehäbschnitt des Sensorelements mit Minimaläbstand überdeckende Schutzkappe aus einem porösen Sintermaterial, z.B. aus einer hochtemperaturfesten Nickellegierung, gefertigt. Die Schutzkappe bietet neben dem Schutz des Sensorelemenls gegen Druck- und Temperaturschock auch einen Schutz gegen Inaktivierung des Sensorelements durch Vergiftung der im gassensitiven Abschnitt des Sensorelements angeordneten
Messelektrode durch Schwefel-, Phosphor- oder bleihaltige Verbindungen, die im Abgas enthalten sind. Die Wandstärke der Schutzkappe beträgt vorteilhaft etwa 2 bis 6 mm und die Porengröße des Sintermaterials etwa 20 bis 200μm, um einerseits die Schutzwirkung der Schutzkappe gegen Vergiftung und andererseits die Ansprechzeit des Messfühlers zu optimieren. Vorteilhaft ist die zu dem Sensorelement weisende innere Oberfläche der
Schutzkappe mit einem Katalysatormaterial beschichtet, das die Einstellung des thermodynamischen Gasgleichgewichtes beschleunigt. Das Katalysatormaterial enthält Edelmetalle, insbesondere solche der Platingruppe.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass dadurch, dass dem vom Abgas beaufschlagten Sensorelement ein im Doppelschutzrohr inte- grierter, geeigneter Katalysator vorgeschaltet ist, der die in bestimmten Betriebspunkten der
Breiinkraftmaschine, wie gezielter Fettbetrieb zur Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators oder Kraftstofmacheinspritzung zur Russfiltergenerierung bei Dieselmotoren, im Abgas auftretenden großen Mengen an unverbrannten oder nur teiloxidierten Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus dem Abgas umsetzt und das Wassergasgleichgewicht einstellt. Das dadurch erreichte thermodynamische Gleichgewicht des
Abgases in dem von dem Doppelschutzrohr eingeschlossenen Messraum des Sensorelements ist Voraussetzung dafür, dass eine einwandfreie Lambda-Messung durch den Messfuhler gewährleistet ist. Die Unterbringung des Katalysators im Doppelschutzrohr stellt nicht nur eine fertigungstechnisch günstige Konzeption dar, sondern ermöglicht auch das Vorsehen eines recht großen Katalysatorvolumens.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiter- bildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Katalysator einen Trägerkörper und ein auf den Trägerkörper aufgebrachtes katalytisches Material auf. Vorzugsweise hat der Trägerkörper eine schwammartige oder netzähnliche Struktur und ist aus keramischen oder metallischen Werkstoffen aufgebaut. Dadurch, dass der Katalysator nicht als Schüttung in den Hohlraum des Doppelschutzrohrs eingebracht ist, sondern aus einem festen
Geflecht oder einem Metallschaum aufgebaut ist, ist eine hohe mechanische Stabilität des Katalysators gewährleistet. Über die Variation der Porengröße des Trägermalerials kann ein optimales Verhältnis von AnStrömungsgeschwindigkeit des Sensorelements, Katalysatorumsatz und Versottungsresistenz erreicht werden. Durch die Wärmeabstrahlung des üblicherweise beheizten Sensorelements und durch das heiße Abgas ist eine ausreichend hohe
Katalysatortemperatur gewährleistet, so dass gute Umsatzraten am Katalysator erzielt werden.
Zeichnung •:
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt und 2 eines Messfühlers zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten und zweiten Ausfiihrungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 ausschnittweise nur mit seinem Messbereich dargestellte Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoftkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors weist ein metallisches Gehäuse 10 auf, das für den Einbau in ein Abgasrohr der Brennkraftmaschine mit einem Einschraubgewinde 11 versehen ist. Im Fühlergehäuse 10 ist ein Sensorelement 12 aufgenommen, das mit einem gassensitiven, endseitigen Abschnitt 121 aus dem Fühlergehäuse 10 vorsteht. Zum Schutz; des Sensorelements 12 gegen mechanische Beschädigung ist auf die freie Stirnseite des Fühlergehäuses 10 ein kappenförmiges Doppelschutzrohr 13 aufgesetzt und befestigt, das den gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 vollständig mit großem radialen und axialen
Abstand umgibt. Das Doppelschutzrohr 13 besteht aus einem becher- oder kappenförmigen Innenschutzrohr 14 und einem demgegenüber einen größeren Durchmesser aufweisenden, becher- oder kappenförmigen Außenschutzrohr 15, die konzentrisch zum Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 angeordnet sind. In den zylindrischen Rohrwänden von Innenschutzrohr 14 und Außenschutzrohr 15 sind Gasdurchtrittslöcher 16 bzw. 17 zum Gasaustausch zwischen dem vom Innenschutzrohr 14 eingeschlossenen Messraum 18 und dem das Außenschutzrohr 15 umspülenden Abgasstrom vorhanden. Außenschutzrohr 15 und Innenschutzrohr 14 schließen einen Hohlraum 19 ein. Der Hohlraum 19 ist mit einem Katalysator 20 zum katalytischen Oxidieren von Gaskomponenten, vorzugsweise von Kohlenwasserstoffen (HC) und Wasserstoff (H2) ausgefüllt, die im Abgas bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors in größeren Mengen anfallen. Solche Betriebszustände treten insbesondere bei der Abgasnachbehandlung auf, um mit gezieltem Fettbetrieb (λ<l) eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators zu ermöglichen, oder um bei Dieselmotoren durch gezieltes Einspritzen von Kraftstoff in ein mageres Abgas (λ l) den Partikelfilter zu regenerieren. Der Katalysator stellt eine weitgehende Umsetzung der Kohlenwasserstoffe und des Wasserstoffs ' mit oxidierenden Bestandteilen im Abgas (z.B. Sauerstoff, Kohlendioxid) sicher, so dass das thermodynamische Gleichgewicht im Abgas hergestellt wird und der Messfühler messgenaue λ- Werte auch für sog. Ungleichgewichtsabgase liefert.
Der Katalysator 20 weist einen Trägerkörper und ein auf den Trägerkörper aufgebrachtes, katalytisches Material auf. Das katalytische Material enthält mindestens ein Edelmetall, vorzugsweise Platin, Rhodium, Palladium oder deren Legierungen oder Mischungen davon. In einem ersten Ausfuhrungsbeispiel ist der Trägerkörper aus metallischem Werkstoff und weist eine schwammartige Struktur auf, was dadurch erreicht wird, dass der Trägerkörper aus Sintermetall oder Metallschaum aufgebaut wird. In einer alternativem Ausführungsform weist der Träger eine netz- oder gitterartige Struktur auf. Eine solche Struktur lässt sich mit keramischem Werkstoff realisieren, z.B. durch Aufbau des Trägers aus einem Zirkoniumoxid- Geflecht oder einer Sinterkeramik. Der in Fig. 2 ausschnittweise dargestellte Messfühler unterscheidet sich insoweit von dem in Fig. 1 dargestellten und zuvor beschriebenen Messfuhler, als das Außenschutzrohr 15 und das Innenschutzrohr 14 in ihrer konstruktiven Gestaltung modifiziert sind. Beide Schutzrohre 14, 15 schließen zwischen ihren Zylinderwänden den Hohlraum 19 ein. Anders als bei dem Doppelschutzrohr 13 in Fig. 1 liegen die Kappenböden nicht spaltlos aufeinander, sondern schließen zwischen sich einen Zusatzhohlraum 21 ein. Der Zusatzhohlraum 21 ist mit dem gleichen Katalysator 20 ausgefüllt, der im Hohlraum 19 einliegt und wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist. Im Innenschutzrohr 14 sind die Gasdurchtrittslöcher 16 einerseits in der zylindrischen Rohrwand mit relativ großem Abstand vom Kappenboden angebracht und zusätzliche Gasdurchtrittslöcher 16 im Kappenboden vorgesehen. Das Außenschutzrohr 15 weist zwei Rohrabschnitte 151, 152 mit unterschiedlichen Durchmessern auf, wobei der Rohräbschnitt 152 mit dem kleineren Durchmesser mit einem Ringbereich an dem Innenschutzrohr 14 anliegt. Die Gasdurchtrittslöcher 17 im Außenschutzrohr 15 sind einerseits in der Übergangsschulter 153 zwischen den beiden Rohräbschnitten 151 und 152 und andererseits im Kappenboden des Außenschutzrohrs 15 angeordnet, so dass das über die
Gasdurchtrittslöcher 16, 17 in den Messraum 18 einströmende Messgas einen mögUchst langen Weg im Katalysator 20 zurücklegt.

Claims

Ansprüche
1. Messfuhler zur Bestimmung der Sauersloffkonzentration im Abgas von Brennlαraflmaschinen, mit einem in einem Fühlergehäuse (10) festgelegten Sensorelement (12), das mit einem gassensitiven Abschnitt (121) aus dem Fühlergehäuse (10) vorsteht, und mit einem den gassensitiven Abschnitt (121) mit Abstand kappenartig überdeckenden Doppelschutzrohr (13), das aus einem Gasdurchtrittslöcrier (16) aufweisenden Innenschutzrohr (14) und einem Gasdurchtrittslöcher (17) aufweisenden Außenschutzrohr (15) mit dazwischen eingeschlossenem Hohlraum (19, 21) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (19, 21) mit einem Katalysator (20) zum katalytischen Oxidieren von im Abgas enthaltenen Gas omponenten, vorzugsweise von Kohlenwasserstoffen (HC) und Wasserstoff (H2), ausgefüllt ist.
2. Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (20) einen Trägerkörper und auf dem Trägerkörper aufgebrachtes katalytisches Material aufweist.
3. Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische Material mindestens ein Edelmetall, vorzugsweise Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd) oder deren Legierungen oder Mischungen davon enthält.
4. Messfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper eine schwammartige Struktur aufweist.
5. Messfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus metallischem Werkstoff, vorzugsweise aus Sintermetall oder Metallschaum, besteht.
6. Messfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper eine netz- oder gitterartige Struktur aufweist. Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper aus keramischem Werkstoff, vorzugsweise aus einem Zirkoniumoxid-Geflecht oder einer Sinterkeramik, besteht.
PCT/EP2005/050786 2004-03-17 2005-02-24 Messfühler zur bestimmung der sauerstoffkonzentration im abgas von brennkraftmaschinen WO2005090956A1 (de)

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