DE2658273A1

DE2658273A1 - Gaskomponenten-erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2658273A1
Application number: DE19762658273
Authority: DE
Inventors: Keiji Aoki; Tadashi Hattori; Susumu Sato; Yoshihiro Segawa; Eturo Yasuda
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1977-06-30
Also published as: DE2658273B2; JPS5276991A; DE2658273C3; JPS5525376B2; US4099922A

Description

T.EDTKE - BüHUNG - K.NNE - GbUFE _-

Üipl.-Chem. Bühling Dipl.-Ing. Kinne

R ^\ R ? 7 3 ^D'P^l-"^ln9- ^GruP^e

Bavariaring 4, Postfach 20 24 8000 München 2

, ·% Tel.: (0 89)53 96 53-56

Telex: 5 24 845 tipat cable. Germaniapatent München 22. Dezember 1976 B 7838 /case A1934-02

Nippon Soken, Inc.
Nishio-shi, Japan

und
Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha

Toyota-shi, Japan

Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf-eine Gaskomponenten· Erfassungsvorrichtung der in der US-Patentanmeldung 956 beschriebenen Art; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Gaskomponenten-Er'fassungsvorrichtung zum Erfassen der Veränderung von Konzentrationen gasförmiger Komponenten wie Sauerstoff (Op)₅ Kohlenmonoxyd

709826/0810

VI/13

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

B 7838

(CO) und Kohlenwasserstoff (HC) in Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen wie einer Brennkraftmaschine.

Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtungen werden bei vielen industriellen Anwendungsgebieten verbreitet verwendet. Um dem Problem der Abgase aus Brennkraftmaschinen Rechnung zu tragen, werden in der letzten Zeit als Gegenmaßnahme Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtungen zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Brennstoffgemisches verwendet.

Beispielsweise besteht der Fall, daß ein Katalysator zur Reinigung der Abgase aus einer Brennkraftmaschine verwendet wird. In diesem Fall kann der Katalysator nicht seine maximale Leistungsfähigkeit entwickeln, wenn nicht das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoffgemisches auf einem geeigneten Wert konstant gehalten wird. Bei einer gewöhnlichen, mit einem herkömmlichen Vergaser oder einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine unterliegt jedoch unausweichlich das Luft/ Brennstoff-Verhältnis großen Veränderungen selbst dann, wenn das Verhältnis von eingespritztem Brennstoff zu Ansaugluft so eingestellt ist, daß es konstant ist. Zum Konstanthalten eines geeigneten Werts für das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist es folglich notwendig, unter Verwendung der Gaserfassungsvorrichtung das Luft/Brennstoff-Verhältnis vor der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs zu erfassen und das entsprechende Signal an den Vergaser oder die Einspritzvorrichtung zurückzuführen, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemischs zu steuern.

709826/0810

- J - B 7838

Die Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung ist zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses aufgrund der Tatsache ausgelegt, daß die Veränderung der Konzentrationen gasförmiger Bestandteile der Abgase in engem Zusammenhang zu der Veränderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Luft/Brennstoff-Gemischs stehen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß sowohl die Temperatur der Abgase als auch die Konzentrationen der gasförmigen Bestandteile der Abgase sich abrupt und beachtlich ändern;

Es ist daher wünschenswert, daß die Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung ungeachtet solcher hervortretenden Variablen mit hoher Genauigkeit betrieben werden kann.

Bisher ist eine Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung bekannt, die Oxyde von übergangsmetallen anwendet. Diese Erfassungsvorrichtung ist beispielsweise in einem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angebracht, wobei die Übergangsmetall-Oxyde den Abgasen ausgesetzt sind und ihre elektrische Widerstandsänderung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erfaßt wird. Die von den Übergangsmetall-Oxyden gebildeten elektrischen Widerstände ändern sich jedoch nicht nur in Abhängigkeit von den Konzentrationen der gasförmigen Komponenten der Abgase, sondern auch in Abhängigkeit von deren Temperaturen. Daher ist es zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit hoher Genauigkeit und daher zur Durchführung der geeigneten Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses notwendig, eine Temperaturkompensation durchzuführen, d.h., die auf der Temperatur der Abgase beruhende elektrische Widerstandsänderung der Übergangsmetall-Oxyde zu kompensieren.

709826/0810

-Y- B 7838

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung zu schaffen, mit der ohne Beeinflussung durch die Temperatur der Abgase die gasförmigen Komponenten der Abgase mit hoher Genauigkeit erfaßbar sind.

Mit der Erfindung wird eine Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung zum Ermitteln gasförmiger Komponenten von Auspuffgasen aus einer Brennvorrichtung geschaffen, die einen Gaskomponenten-Meßfühler, der eine den Abgasen aus der Brennvorrichtung teilweise ausgesetzte Oberfläche hat und den gasförmigen Komponenten und Temperaturen der Abgase entsprechend veränderbare elektrische Widerstände zeigt, einen am größeren Teil der Oberfläche des Meßfühlers gelagerten Katalysator, der zur Förderung einer Oxydations-Reaktion der gasförmigen Komponenten der Abgase den Abgasen ausgesetzt ist/· ein Paar von Elektroden, die in den Meßfühler so eingesetzt sind, daß sie nicht über den Katalysator kurzgeschlossen sind, wobei zur Abnahme eines abrupten Wechsels des elektrischen Widerstands, der aufgrund der gasförmigen Komponenten und Temperaturen der Abgase in dem Teilbereich des Meßfühlers nahe dem Katalysator auftreten, die äußeren Enden der Elektroden nahe dem Katalysator angeordnet sind, sowie eine weitere Elektrode aufweist, die in dem Meßfühler unter Abstand vom Katalysator für die in Verbindung mit einer aus dem Paar von Elektroden vorgenommene Abnahme des Wechsels des elektrischen Widerstands angeordnet ist, der hauptsächlich in Abhängigkeit von den Temperaturen der Abgase an dem Teilbereich des Meßfühlers auftritt, der im wesentlichen vom Katalysator entfernt liegt.

Die erfindungsgemäße Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung kann vorzugsweise bei einer Brennkraftmaschine zur Bestimmung darüber verwendet werden, ob das Luft/ßrennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-

709826/0810

- 9 - B 7838

•V·

gemisches größer oder kleiner als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis des in die Maschine eingeführten Luft/ Brennstoff-Gemisches auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu steuern.

Vorzugsweise ist der Gaskomponenten-Meßfühler aus einer gesinterten Masse von Halbleiter-Metalloxyden zusammengesetzt und der Katalysator mit einem elektrisch isolierenden porösen Keramikfilm bedeckt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 stellt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemischs und dem elektrischen Widerstand von Übergangsmetall-Oxyden dar, die den Abgasen ausgesetzt sind.

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt einer ersten Ausführungsform der Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung, wobei ein unterer Teilbereich eines armierten Kabels abgeschnitten ist,

Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt eines wesentlichen Teils der Erfassungsvorrichtung nach Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf Fig. 3· Fig. 5 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung im Einbauzustand in einer Auspuffleitung einer Brennkraftmaschine.

709826/0810

- i - β 7838

Fig. 6 stellt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/ Brennstoff-Gemischs und von unterschiedlichen Elektrodenpaaren der Gas !component en-Erfassungsvorrichtung abgenommenen elektrischen Widerständen dar.

Fig. 7 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Schaltung für die Bestimmung und Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unter Verwendung der Erfas sungsvorrichtung.

Fig. 8 ist ein der Fig. 7 gleichartiges Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der elektrischen Schaltung.

Fig. 9 A ist eine der Fig. 3 entsprechende Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer zweiten Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung.

Fig. 9 B ist eine Draufsicht auf Fig. 9 A.

Fig. 10 ist eine der Fig. 3 entsprechende Schnittansicht eines wesentlichen Teils eines dritten Ausführungsbeispiels der Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung.

Fig. 11 bis 13 sind der Fig. 3 entsprechende Schnittansichten, die wesentliche Teile von Modifikationen jeweils des ersten, des zweiten und des dritten Ausführungsbeispiels zeigen.

709826/081Q

- <- B 7838

'f-

In Fig. 1 ist graphisch der Zusammenhang zwischen

dem Luft /Brennstoff -Verhältnis eines Li*f t /Brennstoff -Gemischs und dem elektrischen Widerstand von Übergangsmetall-Oxyden gezeigt, die den Abgasen ausgesetzt sind. Eine Kennlinie B stellt den Zusammenhang dar, der erhalten wird, wenn die Abgastemperatur 35O⁰C ist, während eine Kennlinie C den Zusammenhang darstellt, der bei einer Abgastemperatur von 85O⁰C erhalten wird. Diese Kennlinien zeigen deutlich, daß sich der von den Übergangsmetall-Oxyden gezeigte elektrische Widerstand in Abhängigkeit nicht nur von den Konzentrationen der gasförmigen Komponenten des Luft/Brennstoff Gemisches, sondern auch von den Temperaturen des Abgases verändert.

Falls das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/ Brennstoff-Gemisches unter Verwendung von Übergangsmetall-Oxyden bestimmt wird, wird ein Differenz-Rechenverstärker verwendet, der einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß, an den mit Hilfe von Bezugswiderständen eine Vergleichsoder Bezugsspannung angelegt ist und einen invertierenden Eingangsanschluß hat, an den eine durch den elektrischen Widerstand der Übergangsmetall-Oxyde bestimmte Spannung angelegt ist. Der Rechenverstärker vergleicht die an seinen beiden Eingangsanschlüssen angelegten Spannungen und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Dieses §ignal kann zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennvorrichtung zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches verwendet werden. Um jedoch unter Verwendung der Übergangsmetall-Oxyde eine geeignete Steuerung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen, ist es notwendig, die auf die Temperaturveränderung des Abgases zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung der Übergangsmetall-Oxyde zu kompensieren. Wie aus Fig.'l ersichtlich ist, kann in dem Fall, bei dem die Bezugsspannung zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Verhältnis eingestellt ist (diese Bezugsspannung ist durch

709826/0810

- -8 - B 7838

•40'

eine strichpunktierte Linie A in Fig. 1 auf den elektrischen Widerstand umgesetzt gezeigt), eine solche Steuerung vorzugsweise ausgeführt werden, wenn die Abgastemperatur 850⁰ ist. Wenn jedoch die Abgastempratur 35O⁰C ist, ist das bestimmte Luft/Brennstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Verhältnis, was die genaue Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unmöglich macht.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung 10. Nach diesen Figuren weist die Erfassungsvorrichtung 10 ein Gehäuse 11 aus hitzebeständigen und korrosionsfesten Metallstoffen auf. Das Gehäuse 11 hat einen Gewindeteil 11a und einen Dichtungsteil 11b, mit Hilfe denen es an ein Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angebracht wird. Ein scheibenförmiges Gaskomponenten-Detektorelement bzw. ein Meßfühler 12 aus einer gesinterten Masse von Halbleitermetalloxyden hat einen verjüngten oberen Umfangsrand 12a. Der Meßfühler 12 kann aus Übergangsmetall-Oxyden wie Titanoxyd (TiOp), Nickeloxyd (NiO), Kobaltoxyd (CoO), Manganoxyd (MnO), Zinkoxyd (ZnO), Kupferoxyd (CuO) und Nioboxyd (Nb₂O₅) sowie Zinnoxyd (SnO_?) hergestellt sein. In den Meßfühler sind drei aus hitzebeständigem und korrosionsfesten Metallmaterialien wie Platin (Pt) oder Gold (Au) hergestellte stangenartige Elektroden 13a, 13b und 13c unter Abstand der oberen Teilbereiche eingesetzt und eingebettet. Unterhalb des Meßfühlers 12 ist ein aus elektrisch isolierenden Keramikmaterialien hergestelltes Abstandsteil 14 angeordnet. Das Abstandsteil 14 hat drei in Abstand angeordnete durchgehende Öffnungen 14a, l4b und 1^c, in die die unteren Teilbereiche cer jeweiligen Elektrode 14a, l4b bzw. l4c eingeführt sind. Mit dem Abstandsteil 14 wird vermieden, daß die drei Elektroden 13a, 13b und' 13c kurzgeschlossen werden. Der Abstandsteil und der Meßfühler 12 sind im Gehäuse 11 gefaßt und durch Einbiegen des oberen Randes des

709826/0810

- B 7838

Gehäuses 11 in der Lage festgehalten. Der Meßfühler 12 trägt an seiner oberen oder äußeren Oberfläche eine Katalysatorschicht 15, die aus Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder dergl. zusammengesetzt ist und die das Oxydieren der gasförmigen Komponenten der Abgase bewirkt. Die Katalysatorschicht 15 ist auf der äußeren Fläche des Meßfühlers 12 beispielsweise durch Imprägnieren des Meßfühlers 12 in Chloroplatinat (H₂PtCl₂₁ · 6H₂O), durch Oxydieren desselben in einem Wasserstoffstrom und Sintern desselben abgelagert.

Zwei der drei Elektroden, nämlich die Elektroden 13a und 13c liegen mit ihren oberen oder äußeren Stirnflächen an der oberen Fläche des Meßfühlers 12 frei, während die andere Elektrode 13b mit ihrem oberen oder äußeren Stirnende innerhalb des Meßfühlers 12 liegt. Die Katalysatorschicht 15 ist gemäß der Beschreibung auf deroberen Fläche des Meßfühlers 12 abgelagert, sie ist jedoch nicht auf und um die oberen Stirnflächen der Elektroden 13a und 13c abgelagert. Auf diese Weise ist vermieden, daß die Elektroden 13a und 13c über die Katalysatorschicht 15 kurzgeschlossen werden. Das Gehäuse 11 ist mit einer langgestreckten durchgehenden öffnung lic großen Durchmessers ausgestattet, in die ein armier.tes Kabel 16 eingesetzt ist, das aus einem Schutzrohr l6d aus hitzebeständigen Metallmaterialien, in dieses eingesetzten Leitungsdrähten 16a, 16b und l6c aus Metallmaterialien mit sowohl hoher Hitzebeständigkeit als auch hoher Leitungsfähigkeit und hitzebeständigen, elektrisch isolierenden Pulvermaterialien besteht, die in das Schutzrohr l6d eingefüllt sind. Die Stirnenden der jeweiligen Leitungsdrähte 16a, 16b und l6c sind durch Schweißen oder dergl. an die unteren Enden der jeweiligen Elektroden 13a, 13b und 13c angeschlossen. Ferner ist das armierte Kabel 16 an dem unteren Ende des Gehäuses 11 beispielsweise durch Plasma-Schweißen befestigt.

709826/0810

B 7838

Weiterhin ist nach Fig. 5 die Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung 10 in einem Auspuffrohr 101 einer gewöhnlichen Brennkraftmaschine 100 unter Verwendung von Benzin als Brennstoff in der Weise angebracht, daß der Meßfühler 12 den Abgasen ausgesetzt ist. Es ist ersichtlich, daß die Erfassungsvorrichtung 10 auch in dem Teil-r bereich eines Auspuffsammlers 102 angebracht werden kann, an dem eine Mehrzahl von Zweigleitungen des Sammlers zusammengefaßt ist.. Bekannterweise sind die Abgase aus gasförmigen Komponenten wie Sauerstoff (O₂), Stickoxyden (NOx), Kohlenmonoxyd (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Wasserstoff (Hp) zusammengesetzt, wobei die Konzentration einer jeden dieser gasförmigen Komponenten in Abhängigkeit von dem Luft/ Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches in dessen unverbrannten Zustand variiert. Der Meßfühler 12 wird hauptsächlich durch die Konzentrationen oder Teildrücke des Sauerstoffs (0_?), des Kohlenmonoxyds (CO) und des Kohlenwasserstoffs (HC) beeinflußt und zeigt veränderbare elektrische Widerstandswerte entsprechend der Veränderung im Gesamtabgaszustand, die durch die Veränderung bei den Teildrücken dieser einzelnen gasförmigen Komponenten hervorgerufen ist. Der Meßfühler 12 ist auch von der Temperatur des Abgases beeinflußt und zeigt entsprechend seiner Temperatur veränderbare elektrische Widerstandswerte. Auf der den Abgasen ausgesetzten Fläche des Meßfühlers 12 ist wie beschrieben die Katalysatorschicht 15 abgelagert. Wenn daher die Abgase mit der Katalysatorschicht 15 in Berührung kommen, finden unter Einwirkung der Katalysatorschicht 15 beispielsweise die folgenden Reaktionen statt:

CO + 1/2 O₂ > C02

HC + x0₂ > yCO-₂- + zH₂0

709826/0810

B 7838

In dieser Gleichung sind mit x, y und ζ geeignete Koeffizienten bezeichnet.

Wie aus den vorstehenden Reaktionen ersichtlich ist, zeigt der Teilbereich des Meßfühlers 12, an dem die Katalysatorschicht 15 gelagert ist, eine hohe Empfindlichkeit auf einen Teildruck von Sauerstoff, mit dem er in Berührung gebracht ist, so daß er eine abrupte elektrische Widerstandsänderung zeigt, wenn sich der Teildruck von Sauerstoff ändert. Dieser Teilbereich des Meßfühlers 12 zeigt die elektrische Widerstandsänderung auch in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase. Andererseits ist der Teilbereich des Meßfühlers 12, auf dem keine Katalysatorschicht 15 gelagert ist, der katalytischen Wirkung durch die

Katalysatorschicht 15 nicht wesentlich unterworfen. Daher zeigt dieser Teilbereich keine wesentliche Veränderung der elektrischen Widerstandswerte, wenn die gasförmigen Komponenten mit ihm in Berührung kommen, aber eine elektrische Widerstandsänderung, die hauptsächlich von der Temperatur der Abgase abhängt.

Die elektrische Widerstandsänderung (oder genauer eine durch den elektrischen Widerstand eingestellte Spannung) die sowohl von den gasförmigen Komponenten als auch von der Abgastemperatur abhängig ist, wird über die Elektroden 13a, 13c abgenommen, während die hauptsächlich von der Abgastemperatur abhängige elektrische Widerstandsänderung über die Elektrode 13b und eine der Elektroden 13a oder 13c abgenommen wird. Es ist anzumerken, daß die Größe der von der Abgastemperaturänderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung, die über die Elektroden 13a und 13c abgenommen wird, im wesentlichen gleich der Größe der von der Abgastemperaturänderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung ist, die über die Elektrode 13b und eine der Elektroden 13a oder 13c abgenommen wird.

709826/0810

- 4? - B 7838

Die Fig. 6 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches und den elektrischen Widerständen, die über unterschiedliche Elektrodenpaare abgenommen werden. In Pig. 6 zeigt eine Kurve I den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der sowohl von der Abgastemperatur als auch von den gasförmigen Komponenten abhängigen elektrischen Widerstandsänderung, die über die Elektroden 13a und 13c abgenommen ist, während eine Kurve II den Zusammenhang zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der hauptsächlich von der Abgastemperatur abhängigen elektrischen Widerstandsänderung zeigt, die entweder über die Elektroden 13a und 13b oder die Elektroden 13b und 13c abgenommen ist. Diese Kurven I und II wurden durch einen Versuch erhalten, bei dem der Meßfühler 12 und die Katalysatorschicht 15 aus Titanoxyd (TiO₂) bzw. Platin (Pt) hergestellt waren. Ferner hatte das Abgastemperatur eine Temperatur von 350 C. In der graphischen Darstellung nach Fig. 6 zeigt die Ordinate den elektrischen Widerstand (k Ω- ) in logarithmischem Maßstab, während die Abszisse das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases in gleichmäßig geteiltem Maßstab zeigt. Wie beschrieben, ist die Größe der über die Elektroden 13a und 13c abgenommenen, von der Abgastemperatur-Änderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung im wesentlichen

identisch mit der Größe der über die Elektrode 13b und eine der Elektroden 13a oder 13c abgenommenen, von der Abgastemperatur-Änderung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung. Daher können bei sich ändernden Abgastemperaturen Kennlinien erzielt werden, die den Kurven I und II nach Fig. 6 gleichartig sind.

Die Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung, in die die Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung eingegliedert ist. In dieser Schaltung ist der Teilbereich des Meßfühlers 12 ohne die Katalysatorschicht 15 durch einen Detektorwiderstand FL· zwischen den Elektroden 13a und

709826/0810

-*<"-., B 7838

13b dargestellt, während der Teilbereich des Meßfühlers 12 mit der Katalysatorschicht 15 durch einen weiteren Detektor-,widerstand Rj, zwischen den Elektroden 13a und 13c dargestellt ist. Die Detektorwiderstände R und Rj, sind in Reihe geschaltet und ein dazwischen liegender Schaltungspunkt χ ist an einen invertierenden Eingangsanschluß (-) eines Differenz-Rechenverstärkers C angeschlossen. Bezugs-W-: -erstände Rl und R2 sind in Reihe geschaltet, wobei eine durch diese Bezugswiderstände eingestellte Bezugsspannung an einen nicht-invertierenden zweiten Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers C angelegt ist. An dem zwischenliegenden Schaltungspunkt χ wird die über die Elektroden 13a und 13b abgenommene auf die Temperaturänderung des Abgases zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung im wesentlichen durch die an den Elektroden 13a und 13c abgenommene auf die Abgastemperaturänderung zurückzuführende elektrische Widerstandsänderung ausgeglichen oder aufgehoben. Folglich ist an dem zwischenliegenden Schaltungspunkt χ die Spannung ausgebildet, die nur die von den gasförmigen Komponenten abhängige abrupte elektrische Widerstandsänderung darstellt. D.h., die an dem zwischenliegenden Schaltungspunkt χ erhaltene Spannung hängt im wesentlichen von den Konzentrationen der gasförmigen Komponenten oder dem Luft/Brennstoff-Verhältnis ab.

Der elektrische Widerstandswert des Meßfühlers 12 zeigt eine abrupte Veränderung, wenn sich das tatsächliche oder das erfaßte Luft/Brennstoff-Verhältnis über das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis hinweg ändert. Daher wird zur Steuerung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis die mittels der Bezugswider-stände eingestellte Bezugsspannung zur Darstellung des stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Verhältnisses an den nicht-invertierenden Ein-

709826/0810

B 7838

gangsanschluß (+) des Rechenverstärkers C angelegt (diese Bezugsspannung ist in Fig. 6 durch eine strichpunktierte Linie A¹ als elektrischer Widerstand ausgedrückt dargestellt). Der Rechenverstärker C vergleicht die an seinen beiden Eingangsanschlüssen angelegten Spannungen und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal zum Betreiben eines Betätigungsorgans D ab, das beispielsweise durch eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kompensationseinheit eines Vergasers gebildet ist. Falls z.B. das ermittelte Luft/Brennstoff-Verhältnis größer als das stöchiometrische Luft/ Brennstoff-Verhältnis ist und daher die Spannung an dem zwischenliegenden Schaltungspunkt χ größer als die das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis darstellende Bezugsspannung ist, gibt der Rechenverstärker C zum Betreiben des Betätigungsorgans D das Ausgangssignal zum Verringern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ab, um dadurch dieses auf das stöchiometrische Verhältnis zu bringen. Falls andererseits das ermittelte Luft/Brennstoff-Verhältnis kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist und die Spannung an dem zwischenliegenden Schaltungspunkt χ kleiner als die Bezugsspannung ist, betreibt das von dem Rechenverstärker C abgegebene Ausgangssignal das Betätigungsorgan D zur Vergrößerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses und bringt dieses auf das stöchiometrische Verhältnis. In Fig. 7 bezeichnet V eine elektrische (Spannungs-) Quelle wie eine Batterie.

Wie aus dem vorstehenden ersichtlich ist, können bei dem Aufbau der Erfassungsvorrichtung die an dem die Katalysatorschicht 15 tragenden Teilbereich des Meßfühlers 12 gezeigte elektrische Widerstandsänderung und die an dem die Katalysatorschicht 15 nicht tragenden Teilbereich gezeigte elektrische Widerstandsänderung gesondert abgenommen werden. Auf diese Weise wird es möglich, die auf der Abgastemperaturänderung beruhende elektrische Widerstands-

709826/0810

j j_H B 7838

. /If.

änderung am erstgenannten Teilbereich durch die elektrische Widerstandsänderung am letztgenannten Teilbereich zu kompensieren. Folglich kann die Bestimmung des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses, d.h. die Bestimmung, ob das tatsächliche Luft/Brennstoff-Verhältnis größer oder kleiner als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, auf konstante Weise ausgeführt werden.

Da ferner die Oxidationsreaktionen der gasförmigen Komponenten unter der katalytischen Einwirkung der Katalysatorschicht 15 Reaktionswärme erzeugen, tritt an der Oberfläche des Meßfühlers 12 ein Temperaturanstieg auf. Daher zeigt der Meßfühler 12 selbst dann hohe Empfindlichkeit, wenn die Abgastemperatur niedrig ist, wie es der Fall ist, wenn die Brennkraftmaschine bei niedriger Temperatur angelassen wird.

Es ist ersichtlich, daß die in Fig. 7 gezeigte elektrische Schaltung nur ein Ausführungsbeispiel ist. Beispielsweise kann eine in Fig. 8 gezeigte weitere elektrische Schaltung verwendet werden. In der Schaltung nach Fig. 8 sind der Bezügswiderstand R„ und der Detektorwiderstand R^ in Reihe geschaltet, während der Bezugswiderstand R₁ und der Detektorwiderstand Rj, in Reihe geschaltet sind. Ferner ist eine an einem Zwischen-Schaltungspunkt x· zwischen dem Bezugswiderstand Rp und dem Detektorwiderstand R-, gebildete Spannung an den invertierenden Eingangsanschluß (-) des Rechenverstärkers C angelegt, während eine zwischen dem Bezugswiderstand R₁ und dem Detektorwiderstand R₁. gebildete Spannung an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß (+) des Rechenverstärkers C angelegt ist. Der übrige Aufbau dieser Schaltung ist im wesentlichen gleich dem der elektrischen Schaltung nach Fig. 7,'wobei zur Bezeichnung gleicher oder gleichartiger Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

709826/0810

B 7838

Die Fig. 9 A und 9 B zeigen einen wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsforia der Gas !component en-Erfassungsvorrichtung. Die zweite Ausfuhrungsform ist im wesentlichen gleichartig der ersten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform ist jedoch eine Katalysatorschicht 25 auf einem Teil der Oberfläche eines Gaskomponenten-Meßfühlers 22 abgelagert. Elektroden 23a und 23c sind in den Meßfühler 22 so eingesetzt, daß ihre äußeren Enden an dem Teilbereich des Meßfühlers 22 freiliegen, der die Katalysatorschicht 25 trägt, während eine Elektrode 23b so eingesetzt ist, daß ihr äußeres Ende an dem Teilbereich des Meßfühlers 22 ohne Katalysatorschicht 25 freiliegt. Die zweite Ausführungsform bringt dadurch einen Vorteil, daß die teure Katalysatorschicht 25 wirkungsvoll genutzt werden kann. Auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform ist der Meßfühler 22 aus einer gesinterten Masse von Übergangsmetall-Oxyden gebildet.

Die Fig. 10 zeigt einen wesentlichen Teil einer dritten Ausführungsform der Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung. Bei dieser dritten AusführungsiOrm ist ein Gaskomponenten-Meßfühler 32 durch einen dünnen Film aus Halbleiter-Metalloxyden gebildet und an einer oberen Fläche eines Trägers 37 aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial gehalten bzw. abgelagert. Der Meßfühler 32 ist beispielsweise durch Vakuumaufdampfen oder Elektronenstrahlaufdampfen als dünner Film mit einer Stärke von ungefähr 10 nm bis 10yum aufgebracht. Auf die Oberfläche des Meßfühlers 32 ist eine Katalysatorschicht 35 beispielsweise durch Vakuumaufdampfen abgelagert. In Fig. 10 sind mit 33a, 33b und 33c Elektroden bezeichnet.

709826/0810

-W- B 7838

•/ff.

Die Fig. 11 bis - 13 zeigen die wesentlichen Teile

von Modifikationen der ersten, der zweiten bzw. der dritten Ausführungsform. Bei diesen Modifikationen sind die Oberflächen sowohl von Gaskomponenten-Meßfühlern 42, 52 und 62 als auch von auf diesen abgelagerten Katalysatorschichten 45, 55 und 65 mit gasdurchlässigen und elektrisch isolierenden porösen Keramikfilmen 48, 58 bzw. 68 abgedeckt, die über die Flächen aufgebracht sind. Die Keramikfilme 48, 58 und 68 sind aus beispielsweise Gamma-Aluminiumoxyd gebildet und bewirken, daß in den Abgasen enthaltene Verunreinigungen wie Phosphor und Blei nicht an den Oberflächen der Meßfühler 42, 52 bzw. 62 anhaften können. In diesen Figuren sind mit 43a, 43b und 43c, mit 53a, 53b, und 53c und mit 63a, 63b und 63c jeweils drei Elektroden bezeichnet. Ferner ist in Fig. 13 mit 67 ein Träger bezeichnet, der dem Träger 37 in Fig. 10 entspricht.

Mit der Erfindung ist eine Gäskomponenten-Erfassungsvorrichtung für die Ermittlung gasförmiger Komponenten von Abgasen aus einer Brennvorrichtung angegeben. Es ist ein Gaskomponenten-Detektorelement oder Meßfühler vorgesehen, der aus halbleitenden Metalloxyden gebildet ist und dessen äußere Oberfläche teilweise den Abgasen ausgesetzt ist. Auf dem größten Teil dieser äußeren Oberfläche des Meßfühlers ist eine Katalysatorschicht abgelagert. Für die Abnahme des an dem die Katalysatorschicht tragenden Teilbereich des Meßfühlers auftretenden elektrischen Widerstands ist ein Paar von Elektroden vorgesehen. Ferner ist eine weitere Elektrode dafür vorgesehen, zusammen mit einer aus dem Paar von Elektroden den elektrischen Widerstand abzunehmen, der an dem Teilbereich des Meßfühlers auftritt, der nicht die Katalysatorschicht trägt. Der erstgenannte Teilbereich des Meßfühlers zeigt in Abhängigkeit von den Konzentrationen der gasförmigen Komponenten und den Temperaturen der Abgase veränderbare

709826/0810

fr B 7838

dielektrische Widerstände, während der letztgenannte Teilbereich in Abhängigkeit von hauptsächlich den Temperaturen der Abgase veränderbare elektrische Widerstände zeigt. Polglich kann durch Kompensieren der beiden getrennt abgenommenen elektrischen Widerstände mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung ein Ausgangssignal erzeugt werden, das im wesentlichen nur von den gasförmigen Komponenten der Abgase abhängig ist.

709826/081 0

, ^ι

Leerseite

Claims

B 7838

• Patent ansprüche

( 1/ Gaskomponenten-Erfassungsvorrichtung zum Ermitteln~"gasförmiger Komponenten von Abgasen aus einer Verbrennungsvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Gaskomponenten-Meßfühler (12j 22) aus halbleitenden Metalloxyden, der eine teilweise den Abgasen ausgesetzte Oberfläche hat und der entsprechend den gasförmigen Komponenten und Temperaturen der Abgase veränderte elektrische Widerstände aufweist, einen auf einem größeren Teil der teilweise den Abgasen ausgesetzten Oberfläche des Meßfühlers gelagerten Katalysator (15;25) zur Förderung von Oxidationsreaktionen der gasförmigen Komponenten der Abgase, ein Paar von Elektroden (13a,13c;23a,23c), die in den Meßfühler so eingesetzt sind, daß sie nicht über den Katalysator kurzgeschlossen sind und ihre äußeren Enden .nahe dem Katalysator angeordnet sind, und die eine abrupte Änderung der elektrischen Widerstände aufnehmen, die in Abhängigkeit von den gasförmigen Komponenten und den Temperaturen der Abgase an dem nahe dem Katalysator gelegenen Teilbereich des Meßfühlers auftritt, und eine weitere Elektrode (13b; 23iJ) , die in dem Meßfühler unter Abstand von dem Katalysator angeordnet ist und die zusammen mit einer aus dem Paar von Elektroden die Änderung der elektrischen Widerstände aufnimmt, die in Abhängigkeit von hauptsächlich den Temperaturen der Abgase an dem von dem Katalysator

im wesentlichen abliegenden Teilbereich des Meßfühlers auftritt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektrisch isolierenden porösen Keramikfilm (48;53;68), der den Katalysator abdeckt.

709826/0810

ORIGINAL INSPECTED

- B 7838

•JL.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus übergangsmetall-Oxyden besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus Zinnoxyd besteht.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus einer gesinterten Masse von Metalloxyden besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (32) aus einem dünnen Film von Metalloxyden gebildet ist, der auf einem elektrisch isolierenden keramischen Träger (37) angebracht ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (15) auf der ganzen gegenüber den Abgasen freiliegenden Oberfläche des Meßfühlers abgelagert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (23b) durch den Meßfühler (22) hindurchläuft und ihr äußeres Ende von dem den Katalysator (25) tragenden Teilbereich des Meßfühlers entfernt angebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Bestandteile von Abgasen einer Brennkraftmaschine (100) erfaßt werden, um zu ermitteln, ob das.Luft/Brennstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemischs größer oder kleiner als das stochiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist.

709826/0810