DE2758835A1 - Messfuehleranordnung - Google Patents

Description

• Meßfühleranordnung
• Die Erfindung betrifft eine Meßfühleranordnung zur Oberwachung der Funktionsfähigkeit vor insbesondere katalytisch arbeitenden, Abgaskonvertern.
• Es ist bekannt, in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine einen Meßfühler zum Messen der Abgaszusammensetzung anzuordnen, der eine Meßspannung an ein Steuergerät liefert, mit dessen Hilfe die Gemischbildung am Vergaser der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Ein derartiger Meßfühler ist beispielsweise in der DT-OS 2 304 622 beschrieben und besitzt eine relativ massive Platte aus Festelektrolytmaterial zwischen zwei plattenförmigen Elektroden, von denen die eine katalytisch aktiv und die andere katalytisch inaktiv ist.
• Es ist auch bereits ein Meßfühler für die Überwachung der Funktionsfähigkeit von Katalysatoren in Abgasentgiftungsanlagen unter Verwendung einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten vorgeschlagen worden, der mindestens zwei Elektroden trägt, von denen mindestens eine als Meßelektrode dienende erste Elektrode stromabwärts vom Katalysator vom Abgas umspült ist, wobei die als Meßelektrode dienende erste Elektrode aus solchen Metallen besteht, die eine Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes nicht zu katalysieren vermögen.
• Es ist auch bekannt, daß gebräuchliche Vorrichtungen zur Nachreinigung von Abgasen nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen. So erreichen z.B. Katalysatoren oder andere Reaktoren im Kraftfahrzeug - bei unverändert guter mechanischer Stabilität -nur in seltenen Fällen Standzeiten von mehr als 30.000 km.
• Außerdem besteht immer die Gefahr, daß solche Katalysatoren infolge von Zündaussetzern oder durch mechanische Kräfte an Wirksamkeit verlieren. Infolge dessen ist eine kontinuierliche oder auch diskontinuierliche Überwachung der Funktionsfähigkeit der Abgas-Reinigungsanlage wünschenswert.
• Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von insbesondere katalytisch arbeitenden, Abgaskonvertern anzugeben.
• Diese Aufgabe wird bei einer Meßfühleranordnung der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens ein Meßfühler mit zwei Elektroden vorgesehen ist,zwischen denen sich ein Festelektrolyt befindet und von denen mindestens eine von dem zu untersuchenden Abgas durch eine Gasdiffusionsschicht getrennt ist.
• Das Vorhandensein einer solchen Gasdiffusionsschicht bringt insbesondere den Vorteil mit sich, daß an der dahinter befindlichen Elektrode, insbesondere an der damit beschichteten Elektrode, eine in definierter Weise in ihrer Zusammensetzung von der Zusammensetzung des Abgases abweichende Atmosphäre erzeugbar ist.
• Bei einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn eine der Elektroden katalytisch aktiv ist. Ferner ist es günstig, wenn sich auf der Außenseite der Gasdiffusionsschicht eine katalytisch aktive Schicht befindet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung sind zwei Meßfühler vorgesehen,von denen der erste eine katalytisch aktive Elektrode, eine davon durch den Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode und eine Gasdiffusionsschicht über der katalytisch aktiven Elektrode aufweist und von denen der zweite eine elektronen leitende , auf Sauerstoff ansprechende Elektrode, eine davon durch den Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode, eine Gasdiffusionsschicht über der elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode und eine darüber vorgesehene, katalytisch aktive Schicht aufweist. Dabei ist es besonders günstig, wenn der erste Meßfühler stromabwärts von dem Abgaskonverter angeordnet ist, wenn der zweite Meßfühler stromaufwärts von dem Abgaskonverter angeordnet ist und wenn die beiden Meßfühler gegensinnig auf ein gemeinsames Meßinstrument geschaltet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung der Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung sind die Sauerstoffpartialdrücke an den Dreiphasengrenzen beider Meßfühler normalerwaise gleich, so daß zwischen den Meßfühlern keine Potentialdifferenz meßbar ist. Bei nicht voll funktionierender Abgasreinigungsanlage bzw. bei einem nicht voll funktionsfähigen Abgaskonverter sind dagegen die Sauerstoffpartialdrücke an den Dreiphasengrenzen der beiden Meßfühler verschieden, was eine Potentialdifferenz zur Folge hat, die von dem Meßinstrument -angezeigt wird bzw. als Überwachungssignal dienen kann.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung; Fig. 2a und b eine Seitenansicht bzw. einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung; Fig.3 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung; Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung; Fig. 6a eine Draufsicht bzw. einen Querschnitt einer fünften und b bevorzugten Ausführungsform einer Meßfühleranordnung gemäß der Erfindung.
• Fig. 1 der Zeichnung stark schematisiert ein Teilstück 10 einer Abgasleitung beispielsweise einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskonverter 12. Die Strömungsrichtung der Abgase ist durch einen Pfeil angedeutet. Stromabwärts vom Abgaskonverter 12 befindet sich ein erster Meßfühler 14, während stromaufwärts vom Abgaskonverter 12 ein zweiter Meßfühler 16 vorgesehen ist.
• Der erste Meßfühler 14 weist einen im Temperaturbereich zwischen 2500 und 9500 C sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, eine elektronenleitende, im Bereich zwischen 2500 und 9500 C stabile, auf Sauerstoff ansprechende Elektrode und eine der Dreiphasengrenze vorgeschaltete Gas-Diffusionsstrecke auf, während der zweite Meßfühler 16 bei im übrigen gleichen Aufbau zusätzlich eine katalytisch aktive Zone aufweist, die dafür sorgt, daß nur solches Abgas die Dreiphasengrenze erreicht, das' in seiner Zusammensetzung und damit in seinen Sauerstoffgehalt dem Gasgleichgewicht entspricht, welches bei voll funktionsfähigem Abgaskonverter geliefert wird. Die beiden Meßfühler 14, 16, die jeweils noch mit einer Referenzelektrode bzw. einer Gegenelektrode versehen sind, sind über ein Meßinstrument 18 elektrisch gegeneinander geschaltet.
• Bei der Meßfühleranordnung gemäß Fig. 1 wird der zweite Meßfühler 16 von den unbehandelten Abgasen einer Brennkraftmaschine od. dergl. umspült und besitzt als äußerste mit dem Abgas in Kontakt stehende Schicht eine katalytisch aktive Zone, die dafür sorgt, daß die Dreiphasengrenze dieses zweiten Meßfühlers 16 durch die Gas-Diffusionszone hindurch nur von solchem Abgas erreicht wird, das in seinem Sauerstoffgehalt dem Gasgleichgewicht bei der betreffenden Abgastemperatur entspricht.
• Stromabwärts vom Abgaskonverter 12 muß dann, wenn der Abgaskonverter 12 einwandfrei arbeitet, ebenfalls ein Abgas vorhanden sein, das in seinem Sauerstoffgehalt und in seiner übrigen Zusammensetzung dem chemisch-thermodynamischen Gasgleichgewicht entspricht. Von diesem Abgasstrom wird nun der erste Meßfühler umspült, welcher als äußerste Schicht keine katalytisch aktive Zone, sondern unmittelbar die Gas-Diffusionsstrecke aufweist.
• Bei voll funktionsfähigem Abgaskonverter muß also an der Dreiphasengrenze des ersten Meßfühlers 14 zumindest im wesentlichen der gleiche Sauerstoffpartialdruck herrschen, wie an der Dreiphasengrenze des zweiten Meßfühlers 16. Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich aber auch keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Meßfühlern 14, 16, so daß am Meßinstrument 18 kein Ausschlag festgestellt werden kann.
• Wenn der Abgaskonverter dagegen nicht einwandfrei arbeitet, dann ändert sich die Zusammensetzung des den ersten Meßfühler 14 umspülenden Abgases entsprechend, sc daß das Meßinstrument 18 eine Potentialdifferenz anzeigt, wobei sich versteht, daß das Meßinstrument in Fig. 1 nur zur Verdeutlichung der Erfindung eingezeichnet ist und daß in der Praxis die Potentialdifferenz an den beiden Meßfühlern auch auf andere Weise angezeigt oder ausgewertet werden kann.
• Beim Einsatz einer Meßfühleranordnung gemäß Fig. 1 in einem Kraftfahrzeug ist es vorteilhaft, wenn der stromaufwärts vom Abgaskonverter 12 befindliche zweite Meßfühler gleichzeitig als Regel sonde für das Gemisch-Aufbereitungssystem eingesetzt wird. Bei anderen Anwendungszwecken,bei denen das Gemisch nicht wie bei einem Kraftfahrzeug mit sehr kleinen Zeitkonstanten bzw. gar nicht geregelt wird, wo also die entsprechenden Regelfunktion des zweiten Meßfühlers 16 entfallen kann, kann dieser auch hinter dem Abgaskonverter 12 eingebaut werden. In diesem Fall ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Meßfühler 14, 16 zu einem einzigen Bauelement zusammenzufassen, wie dies die Figuren 2 - 6 zeigen, wobei das Bauelement verhältnismäßig kompakt und rein äußerlich ähnlich wie die heute üblichen A-sonden ausgebildet sein kann.
• Im einzelnen zeigen die Fig. 2a und b ein Bauelement mit einem Grundkörper 20 aus einem Festelektrolyten, der innen einen Hohlraum 22 aufweist, welcher mit einer Innenelektrode 24 versehen ist. Auf der Außenseite des Grundkörpers 20 sind zwei durch eine Isolationszone 26 voneinander getrennte Elektrodensysteme 28, 30 vorgesehen. Das erste Elektrodensystem 28 bildet zusammen mit der Innenelektrode 24 und der Wandung des Grundkörpers 20 einen dem ersten Meßfühler 14 entsprechenden Meßfühler, während das zweite Elektrodensystem 30 zusammen mit der Innenelektrode 24 und dem Grundkörper 20 einen dem zweiten Meßfühler 16 entsprechenden Meßfühler bildet. Das erste Elektrodensystem besteht also aus einer elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode, auf deren Außenseite eine Gas-Diffusionsstrecke vorgesehen ist, während das zweite Elektrodensystem aus den gleichen Schichten besteht und außerdem auf der Außenseite der Gas-Diffusionsstrecke eine katalytisch aktive Zone aufweist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besitzt der aus einem Festelektrolyten bestehende Grundkörper 20 einen Hohlraum in Form einer durchgehenden Mittelöffnung 32, deren Wandung mit dem Elektrodensystem 30 versehen ist, während auf der Außenseite des Grundkörpers 20 das Elektrodensystem 28 vorgesehen ist. Jedes der Elektrodensysteme 28, 30 bildet die Gegenelektrode für das jeweils andere Elektrodensystem 30, 28, so daß ein der Innenelektrode 24 gemäß Fig. 2 entsprechendes Element entfallen kann. Im übrigen kann die Innen- oder Bezugselektrode auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weggelassen werden, wenn die Belastung durch die Meßschaltung klein ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 einrohrförmiger Grundkörper 20 vorgesehen, auf dessen Umfangsfläche das zweite Elektrodensystem 30 vorgesehen ist, während sich das erste Elektrodensystem 28 in der Mittelöffnung 32 des Grundkörpers 20 befindet und insofern modifiziert ist, als die Diffusionsstrecke nicht als äußere Beschichtung der elektronen leitenden Elektrode ausgebildet, sondern als scheibenförmige Materialschicht 34 auf der im Betrieb dem Abgasstrom zugewandten offenen Seite des Grundkörpers 20 angeordnet ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist der aus dem Festelektrolyten bestehende Grundkörper 20 plattenförmig ausgebildet und auf seiner einen Hauptfläche mit dem ersten Elektrodensystem 28 und auf seiner zweiten Hauptfläche mit dem zweiten Elektrodensystem 30 versehen, wobei die beiden Elektrodensystem 28, 30 wie auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 einander wieder gegenseitig die Gegenelektrode bilden. Zum Schutz der Elektrodensysteme und zur Halterung des ganzen Bauelements mit dem Grundkörper 20 und den Elektrodensystemen 28, 30 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ein Schutzrohr 36 vorgesehen, in welches das plattenförmige Bauelement vorzugsweise vollständig hineingeschoben ist.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist wieder ein plattenförmiger Grundkörper 20 aus einem Festelektrolyten vorgesehen, dessen eine Hauptfläche mit einer gemeinsamen Gegenelektrode versehen ist, die wegen der funktionellen bbereinstimmung mit der Innenelektrode des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 ebenfalls wieder mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet ist. Auf der anderen Hauptfläche des plattenförmigen Grundkörpers 20 - in den Fig. 6a und b auf der Oberseite desselben - sind zwei Meßfühlerpaare 38 vorgesehen, welche zur Meßspannungserhöhung in Reihe geschaltet sind. Jedes Meßfühlerpaar 38 umfasst dabei zwei Elektronen systeme mit jeweils einer an den Festelektrolyten angrenzenden elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode und mit einer darüber angeordneten katalytisch aktiven Zone, wozu bei dem in den Fig.
• 6a und b jeweils rechts befindlichen Elektrodensystem noch eine Gas-Diffusionsstrecke hinzukommt. Eine solche Gas-Diffusionsstrecke bzw. Gas-Diffusionsschicht ist ferner vorzugsweise über der freien Elektrolytoberfläche vorgesehen (nicht dargestellt).

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Meßfühleranordnung zur Überwachung der Funktionsfähigkeit von, insbesondere katalytisch, arbeitenden, Abgaskonvertern.

   d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein Meßfühler(14, 18)mit zwei Elektroden vorgesehen ist, zwischen denen sich ein Festelektrolyt befindet und von denen mindestens eine von dem zu untersuchenden Abgas durch eine Gas-Diffusionsschicht getrennt ist.
2. 2. Meßfühleranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine der Elektroden katalytisch aktiv ist.
3. 3. Meßfühleranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß sich auf der Außenseite der Gas-Diffusionsschicht eine katalytisch aktive Schicht befindet
4. 4. Meßfühleranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß zwei Meßfühler (14,16) vorgesehen sind, von denen der erste eine katalytisch aktive Elektrode, eine davon durch den Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode und eine Gas-Diffusionsschicht über der katalytisch aktiven Elektrode aufweist und von denen der zweite eine elektronenleitende, auf Sauerstoff ansprechende Elektrode' eine davon durch den Festelektrolyten getrennte Gegenelektrode, eine Gas-Diffusionsschicht über der elektronenleitenden, auf Sauerstoff ansprechenden Elektrode und eine darüber vorgesehene katalytisch aktive Schicht aufweist.
5. 5. Meßfühleranordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Meßfühler(14, 16) zu einem einzigen Bauelement zusammengefasst sind.
6. 6. Meßfühleranordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement einen als Hohlkörper ausgebildeten Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, auf dessen Innenseite eine gemeinsame Gegenelektrode (24) für beide Meßfühler (14,16) vorgesehen ist und auf dessen Außenseite die zweiten Elektroden der beiden Meßfühler (14,16) durch eine Isolationszone (26) voneinander getrennt sind.
7. 7. Meßfühleranordnung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement derart aufgebaut ist, daß die katalytisch aktive Elektrode des ersten Meßfühlers (14) die Gegenelektrode des zweiten Meßfühlers (16) bildet und daß die elektronenleitende, auf Sauerstoff ansprechende Elektrode des zweiten Meßfühlers (16) die Gegenelektrode des ersten MeßfühlerS (14) bildet.
8. 8. Meßfühleranordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement eine Platte mit folgender Schichtfolge ist: - katalytisch aktive Zone - Gas-Diffusionsstrecke - elektronenleitende Elektrode - Festelektrolyt - elektronenleitende Elektrode - Gas-Diffusionsstrecke.
9. 9. Meßfühleranordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Platte zumindest teilweise von einem zumindest einseitig offenen Schutzrohr (36) umgeben ist.
10. 10. Meßfühleranordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement einen rohrförmigen Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, auf dessen Innen- und Außenseite sich die Schichten der beiden Meßfühler (14, 16) befinden.
11. 11. Meßfühleranordnung nach Anspruch 5, d ad u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement einen plattenförmigen Grundkörper (20) aus einem Festelektrolyten aufweist, dessen eine Hauptfläche mit einer gemeinsamen Gegenelektrode versehen ist und auf dessen andererHauptflãche sich die übrigen Schichten der beiden Meßfühler (14,16) befinden.
12. 12. Meßfühleranordnung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß auf der anderen Hauptfläche des Grundkörpers (20) mehrere Bereiche mit den übrigen Schichten mindestens zweier Meßfühlerpaare (38) vorgesehen sind.
13. 13. Meßfühleranordnung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die zwei Meßfühlerpaare (38) zur Meßspannungserhöhung elektrisch in Reihe geschaltet sind.
14. 14. Meßfühleranordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t, daß der erste Meßfühler (14) stromabwärts von dem Abgaskonverter (12) angeordnet ist, daß der zweite Meßfühler (16) stromaufwärts von dem Abgaskonverter (12) angeordnet ist und daß die beiden Meßfühler (14,16) gegensinnig auf ein gemeinsames Meßinstrument (18} geschaltet sind.