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.