DE69613757T2

DE69613757T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung eines Abgaskatalysators

Info

Publication number: DE69613757T2
Application number: DE69613757T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Ina; Nobuhide Kato
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: EP0743431A3; EP0743431B1; US5772965A; JP3481344B2; EP0743431A2; DE69613757D1; JPH08285809A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und ein System zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgasreinigungskatalysators. Insbesondere betrifft die Erfindung ein derartiges Verfahren und System zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Katalysators, der ausgebildet ist, von Automobil-Verbrennungsmotoren ausgestoßene Verbrennungsabgase zu reinigen, und in einem Abgasemissionsdurchgang angeordnet ist, durch den das Verbrennungsgas inklusive verbrennbarer Gaskomponenten abgeleitet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration des restlichen im Verbrennungsabgas verbleibenden Sauerstoffs.

Besprechung des Stands der Technik

In einem Abgasdurchgang, durch den das von Verbrennungsmotoren emittierte Verbrennungsabgas ausgestoßen wird, ist üblicherweise ein Katalysator vorhanden, wie z. B. ein Dreiwegkatalysator oder ein Oxidationskatalysator, der ausgebildet ist, verbrennbare Gaskomponenten im Verbrennungsabgas zu oxidieren und zu entfernen. Ein solcher Katalysator neigt während langer Verwendungszeiten je nach den herrschenden Betriebsbedingungen zu Leistungsverschlechterung. Katalysatorengiftkomponenten im Verbrennungsabgas sorgen überdies für eine ungünstige Beeinträchtigung des Katalysators. Die Leistungsverschlechterung des Katalysators führt zur Reduktion seines Wirkungsgrads zur Reinigung des Verbrennungsabgases, d. h. dem katalytischen Wirkungsgrad.
Angesichts dieser Situation schlägt die Offenlegungsschrift Nr. JP-A-62-61919 der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusteranmeldung ein Beispiel für eine solche Vorrichtung zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgasreinigungskatalysators vor, der im Abgasströmungspfad angeordnet ist, durch den das vom Verbrennungsmotor ausgestoßene Verbrennungsgas strömt. Die in dieser Veröffentlichung geoffenbarte Vorrichtung enthält Folgendes: Mittel zum Detektieren der Temperaturen des Abgases am Einlass bzw. Auslass des Katalysators; Mittel zum Detektieren der Betriebsbedingungen des Motors; und Mittel zum Bestimmen, dass die Katalysatorleistung vermindert ist, wenn die Differenz zwischen der der Einlas- und und Auslasstemperatur des Abgases, die vor bzw. nach seinem Durchgang durch den Katalysator detektiert wird, unter einem vorbestimmten Wert liegt, der je nach der Betriebsbedingung des Motors festgelegt wird.
Während des tatsächlichen Betriebs der obigen Vorrichtung zum Detektieren der Leistungsverschlechterung des Katalysators auf der Basis der Differenz zwischen Ein- und Auslasstemperatur des Abgases ist es erforderlich, die Vorrichtung solcherart zu steuern, dass sie die Bestimmung der Leistungsverschlechterung des Katalysators nach mehreren Minuten des konstanten Fahrens des Fahrzeugs bei konstanter Geschwindigkeit von 40 bis 60 km/h durchführen kann. Der Grund liegt darin, dass eine vorbestimmte Zeit notwendig ist, um das Abgassystem des Fahrzeugs angesichts der relativ hohen Wärmekapazität des Katalysators thermisch zu stabilisieren. Zur präzisen Detektion der Beeinträchtigung des Katalysators ist ein längerer Zeitraum erforderlich, bevor die Bestimmung dieser Leistungsverschlechterung erfolgen kann.
Während des Betriebs des Fahrzeugs mit wiederholten Beschleunigungen und Verlangsamungen ist es ziemlich schwierig, die obige Bedingung zu erfüllen, d. h. für konstantes Fahren des Fahrzeugs zu sorgen, unter welcher Bedingung die Vorrichtung betreibbar ist, die Bestimmung vorzunehmen. Es ist demnach sehr schwierig, die Leistungsverschlechterung des Katalysators auf der Basis der Differenz der Abgastemperaturen präzise zu detektieren, die am Einlass und am Auslass des Katalysators gemessen werden. Außerdem erfordert die obige Vorrichtung unweigerlich zwei Sensoren am Einlass bzw. Auslass des Katalysators, um die Temperaturen des Abgases vor bzw. nach seinem Durchgang durch den Katalysator zu detektieren.
Es ist weiters allgemein eine Sauerstoffabfühlvorrichtung zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsabgas bekannt, die eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle, eine Sauerstoffkonzentrationszelle und ein Diffusionsregulierungsmittel enthält. Während des Betriebs wird Gas in Form eines Verbrennungsabgases in einen Messraum der Vorrichtung unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand mittels des Diffusionsregulierungsmittels eingeleitet. Die Pumpzelle ist ausgebildet, Sauerstoff aus dem Messraum hinaus und in den Messraum hinein zu pumpen, sodass eine durch die Sauerstoffkonzentrationszelle detektierte elektromotorische Kraft auf konstanter Höhe gehalten wird. Die solcherart konstruierte Abfühlvorrichtung ist ausgebildet, den Pumpstrom zu messen, der die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Messraums auf einem konstanten Wert hält.
In dieser Art von Sauerstoffabfühlvorrichtung können jedoch verbrennbare Gaskomponenten wie z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff - so sie im vorliegenden Gas wie z. B. Verbrennungsabgas enthalten sind - mit Sauerstoff im Messraum reagieren, sodass die Sauerstoffmenge im Verbrennungsabgas reduziert und die Präzision der Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas beeinträchtigt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die Probleme des bekannten Verfahrens und Geräts zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas zu lösen. Es ist daher ein erstes Ziel der Erfindung, ein Verfahren und System zum Detektieren der Leistungsverschlechterung des Katalysators mit hoher Präzision und mittels eines einzigen Sensors während des tatsächlichen Fahrens des Fahrzeugs bereitzustellen, ohne dass die Wärmekapazität des Abgassystems inklusive des Katalysators dadurch beeinflusst wird.
Es ist ein zweites Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die präzise Messung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas gewährleisten, ohne dass die im Verbrennungsabgas enthaltenen Verbrennungsgaskomponenten beeinflusst werden.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgasreinigungskatalysators bereitgestellt, der in einem Abgasdurchgang vorgesehen ist, durch den ein Verbrennungsabgas abgegeben wird, das eine brennbare Gaskomponente enthält, folgende Schritte umfassend: das Einbringen des Verbrennungsabgases, das durch den Katalysator hindurchgegangen ist, in eine Behandlungszone unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; das Versorgen mit Energie einer elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle, um eine Sauerstoffpumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone herauszupumpen, um dadurch eine Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann; das Detektieren eines Pumpstroms, der während des Versorgens der elektrochemischen Pumpzelle mit Energie durch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle fließt; sowie das Bestimmen eines Grads der Verschlechterung der Leistung des Katalysators gemäß einer Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas, die auf Basis des detektierten Pumpstroms erhalten wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein System zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgasreinigungskatalysators bereitgestellt, der in einem Abgasdurchgang vorgesehen ist, durch den ein Verbrennungsabgas abgegeben wird, das eine brennbare Gaskomponente enthält, umfassend: eine Behandlungszone, die mit einem Abschnitt des Abgasdurchgangs kommuniziert, der sich, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromab vom Katalysator befindet; Diffusionsregulierungsmittel, um das Verbrennungsabgas, das durch den Katalysator hindurchgegangen ist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in die Behandlungszone einzubringen; eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle, die eine Sauerstoffion- leitende Trockenelektrolytschicht, die die Behandlungszone teilweise definiert, sowie ein Elektroden paar umfasst, das in Kontakt mit der Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolytschicht angeordnet ist und von denen eine in der Behandlungszone freiliegt, wobei die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle mit Energie versorgt wird, um eine Sauerstoffpumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, um dadurch eine Sauerstoffkonzentration in einer Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann; Detektionsmittel zum Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle fließt, während die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle mit Energie versorgt wird; und Mittel zum Bestimmen eines Verschlechterungsgrades der Leistung des Katalysators gemäß einer Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas, die auf Basis des Pumpstroms erhalten wird, der durch das Detektionsmittel erhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung ist eine der Elektroden, die in der Behandlungszone freiliegt, aus einem Elektrodenmaterial gebildet, das im Wesentlichen keinen oder einen geringen Funktionsgrad als Oxidationskatalysator aufweist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen einer Sauerstoffkonzentration in einem Verbrennungsabgas bereitgestellt, das eine brennbare Gaskomponente enthält, folgende Schritte umfassend: das Einbringen des Verbrennungsabgases in eine Behandlungszone unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand; das Versorgen einer elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle mit Energie, um eine Sauerstoffpumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, wodurch eine Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert reguliert wird, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann; das Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle fließt, während die elektrochemische Pumpzelle mit Energie versorgt wird; und das Erhalten einer Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas auf Basis des detektierten Pumpstroms.
Gemäß einem vierten Aspekt bietet die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen einer Sauerstoffkonzentration in einem Verbrennungsabgas, las eine brennbare Gaskomponente enthält, umfassend: eine Behandlungszone, die mit einem Abgasdurchgang kommuniziert, durch den das Verbrennungsabgas abgegeben wird; Diffusionsregulierungsmittel, um das Verbrennungsabgas unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand aus dem Abgasdurchgang in die Behandlungszone einzubringen; eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle, die eine Sauerstoffion-leitende Trockenelektrolytschicht, die die Behandlungszone teilweise definiert, sowie ein Elektrodenpaar umfasst, das in Kontakt mit der Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolytschicht angeordnet ist und von denen eine in der Behandlungszone freiliegt, wobei die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle mit Energie versorgt wird, um eine Sauerstoffpumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, um dadurch eine Sauerstoffkonzentration in einer Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann; und Detektionsmittel zum Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle fließt, während die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle mit Energie versorgt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vierten Aspekts der Erfindung ist eine der Elektroden, die in der Behandlungszone freiliegt, aus einem Elektrodenmaterial gebildet, das im Wesentlichen keinen oder einen geringen Funktionsgrad als Oxidationskatalysator aufweist.
In der vorliegenden Erfindung wird die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle, umfassend die Sauerstoffion-leitende Trockenelektrolytschicht und das in Kontakt mit der Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenpaar, mit Energie versorgt, um die Sauerstoffpumptätigkeit bei einer geeigneten Temperatur zu bewirken, sodass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre, die mit einem Teil des Elektrodenpaars in Kontakt steht (d. h. der Kathode), auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Reaktion von Sauerstoff mit den im vorliegenden Gas vorhandenen verbrennbaren Gaskomponenten zu hemmen. Demzufolge kann die Sauerstoffmenge im Gas präzise erhalten werden, indem der zwischen dem Elektrodenpaar fließende elektrische Strom gemessen wird.
Genauer beschrieben führt die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle die Pumptätigkeit aus, um einen Zustand zu schaffen, in dem die Reaktion von Sauerstoff mit den verbrennbaren Gaskomponenten im Verbrennnungsabgas als dem zu behandelnden Gas gehemmt wird. Der zwischen dem Elektroden paar fließende Pumpstrom wird detektiert, um die Konzentration des im Verbrennungsabgas verbleibenden Restsauerstoffs zu erhalten, wenn die Sauerstoffkonzentration die oben reguliert wird. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, den Verschlechterungsgrad des Abgasreinigungskatalysators auf der Basis der erhaltenen Sauerstoffkonzentration präzise zu messen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen in Zusammenhang mit den beiliegenden Abbildungen, worin:
Fig. 1 eine im Längsschnitt dargestellte Vorderansicht eines Beispiels für ein bekanntes Sauerstoffabfühlelement ist;
Fig. 2 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Pumpstrom und der Überwachungsspannung im bekannten Sauerstoffabfühlelement veranschaulicht;
Fig. 3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Pumpstrom und der Überwachungsspannung veranschaulicht, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern;
Fig. 4(a) eine fragmentarische Draufsicht einer Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung ist, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
Fig. 4(b) eine fragmentarische vergrößerte Querschnittsansicht entlang Linie A-A von Fig. 4(a) ist;
Fig. 5 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen Pumpstrom und Sauerstoffkonzentration darstellt;
Fig. 6 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen Pumpstrom und C&sub3;H&sub8;-Konzentration veranschaulicht;
Fig. 7 eine Ansicht ist, aus der die Positionsanordnung eines Beispiels für ein System zum Detektieren der Leistungsverschlechterung eines Abgasreinigungskatalysators gemäß der Erfindung schematisch ersichtlich ist;
Fig. 8 eine Längsschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung der Erfindung ist; und
Fig. 9 eine Längsschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung der Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst wird das Prinzip der Messung der Sauerstoffkonzentration gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Sauerstoffsensor erklärt.
Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ein Abfühlelement 2 des herkömmlichen Sauerstoffsensors mit einstückiger Laminarstruktur zu sehen, die eine Vielzahl an Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolytschichten enthält. Innerhalb dieses Abfühlelements 2 ist ein Innenraum 4 als Messraum ausgebildet, der mit einem Außengasraum durch eine Öffnung 6 kommuniziert, die als Diffusionsregulierungsdurchgang mit vorbestimmtem Diffusionswiderstand dient. Auf den gegenüberliegenden Hauptflächen der Trockenelektrolytschicht, durch die die Öffnung 6 ausgebildet ist, sind eine äußere Pumpelektrode 8 und eine innere Pumpelektrode 10 angeordnet, sodass die Trockenelektrolytschicht und die Elektroden 8, 10 eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle darstellen. Das Abfühlelement 2 besitzt auch einen Bezugsluftdurchgang 12 (siehe Fig. 1). Auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Trockenelektrolytschicht, die den Innenraum 4 und den Bezugsluftdurchgang 12 teilweise definiert, befinden sich eine Bezugselektrode 14 und eine Messelektrode 16, sodass die Trockenelektrolytschicht und die Elektroden 14, 16 eine elektrochemische Sauerstoffabfühlzelle bilden.
Während des Betriebs des Sauerstoffabfühlelements 2 mit der wie oben konstruierten elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle und elektrochemischen Sauerstoffabfühlzelle wird das Gas durch die Öffnung 6 hindurch unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand aus dem Außengasraum in den Innenraum 4 eingeleitet. Die Sauerstoffpumpzelle wird mit Energie versorgt, um Sauerstoffpumptätigkeit zu bewirken und Sauerstoff aus dem Innenraum 4 zu pumpen; dies erfolgt bei einer Spannung aus der Spannungsquelle 18 mit variabler Spannung, die so reguliert wird, dass die Spannung (Überwachungsspannung) der Sauerstoffabfühlzelle auf einem konstanten Wert gehalten wird. Der Betrieb des Abfühlelements 2 des herkömmlichen Sauerstoffsensors stellt eine Beziehung bereit, die für den Pumpstrom (mA) und die Überwachungsspannung (V) charakteristisch und auf dem Gebiet allgemein bekannt ist (siehe den Graph von Fig. 2).
Im durch "I" angegebenen Bereich im Graph von Fig. 2 nimmt der Pumpstrom proportional zu einer Steigerung der Überwachungsspannung zu, die einer Leerlaufspannung entspricht, die zwischen der Bezugs- und der Messelektrode 14 und 16 gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre im Innenraum 4 und der Bezugsluft im Bezugsluftdurchgang 12 hervorgerufen wird. In diesem ersten Bereich I ist die Sauerstoffmenge, die in den Innenraum 4 durch die Öffnung 6 einströmt, größer als die Sauerstoffmenge, die mittels der Sauerstoffpumpzelle aus dem Innenraum 4 in den Außengasraum gepumpt wird.
Wenn die Überwachungsspannung zunimmt, gelangt man in den Bereich "II", in dem der Pumpstrom ungeachtet der Steigerung der Überwachungsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird (siehe den Graph von Fig. 2). Dieser zweite Bereich "II" wird als "Strombegrenzungsbereich" bezeichnet, in dem die durch die Öffnung 6 in den Innenraum 4 eingeleitete Sauerstoffmenge im Wesentlichen der Sauerstoffmenge entspricht, die durch die Sauerstoffpumpzelle in den Außenraum gepumpt wird. Die herkömmliche Sauerstoffabfühlvorrichtung wird in diesem zweiten Bereich II betrieben, um den Pumpstrom (Begrenzungsstrom) zu detektieren, der zwischen den zwei Pumpelektroden 8, 10 fließt. Somit wird die Sauerstoffkonzentration im Gas auf der Basis des detektierten Pumpstroms erhalten, da der Pumpstrom in diesem zweiten Bereich II proportional zur Sauerstoffkonzentration im Gas ist.
Wenn die Überwachungsspannung weiter zunimmt, tritt Bereich "III" auf, in dem der Pumpstrom wiederum proportional zur Steigerung der Überwachungsspannung zunimmt. In diesem dritten Bereich III ist die Sauerstoffmenge, die mittels der Sauerstoffpumpzelle in den Außenraum hinausgepumpt wird, größer als die Sauerstoffmenge, die durch die Öffnung 6 in den Raum 4 eingeleitet wird. Sauerstoff, der durch Zersetzung eines Teils des im Gas enthaltenen Kohlendioxids oder Wassers erzeugt wird, wird in diesem dritten Bereich III hinausgepumpt. Bei einer weiteren Zunahme der Überwachungsspannung wird der Trockenelektrolytkörper des Abfühlelements 2 zersetzt und der Sauerstoff, der durch Zersetzung des Trockenelektrolytkörpers entsteht, durch die Pumpzelle hinausgepumpt.
Infolge der umfangreichen Forschungsarbeiten der Anmelder der vorliegenden Erfindung zeigte sich, dass die Pumpstrom- und Überwachungsspannungseigenschaften (mA-V-Eigenschaften) je nach der Gegenwart von verbrennbaren Gaskomponenten im Gas und dem Grad der Sauerstoffkonzentration im Gas schwanken (siehe den Graph von Fig. 3).
Im Graph von Fig. 3 stellt die mit "a" gekennzeichnete Kurve die Beziehung zwischen Überwachungsspannung und Pumpstrom dar, die erhalten wurde, wenn das Gas keine verbrennbaren Gaskomponenten enthielt, während die mit "b" gekennzeichnete Kurve die Beziehung zwischen Überwachungsspannung und Pumpstrom darstellt, die erhalten wurde, wenn das Gas die verbrennbaren Gaskomponenten enthielt. Wie aus den zwei Kurven "a" und "b" ersichtlich, ist im zweiten Bereich II der durch Kurve "b" dargestellte Pumpstrom des Gases deutlich niedriger als der durch Kurve "a" dargestellte. Dies bedeutet, dass im zweiten Bereich, II der Pumpstrom in hohem Ausmaß von der Gegenwart der im Gas enthaltenen verbrennbaren Gaskomponenten beeinflusst wird. Im dritten Bereich III hingegen nehmen die durch Kurven "a" und "b" gekennzeichneten Pumpströme mit steigender Überwachungsspannung ähnlich zu. Dies bedeutet, dass im dritten Bereich III der Pumpstrom vollkommen frei vom Einfluss der im Gas enthaltenen verbrennbaren Gaskomponenten ist. Im dritten Bereich III ist es möglich, den Pumpstrom zu erhalten, der die Sauerstoffkonzentration im Gas präzise reflektiert - ungeachtet der Gegenwart der verbrennbaren Gaskomponenten im Gas.
Im Graph von Fig. 3 zeigt Kurve "c" die Beziehung zwischen Überwachungsspannung und Pumpstrom, die erhalten wurde, wenn das Gas eine höhere Sauerstoffkonzentration aufwies als das durch Kurve "a" gekennzeichnete Gas. (Das Gas der Kurve "c" enthielt keine verbrennbaren Gaskomponenten.) Es ist aus den zwei Kurven "a" und "c" ersichtlich, dass im dritten Bereich III der Pumpstrom im Gas der Kurve "c" höher als jener im Gas der Kurve "a" ist. Dies bedeutet, dass im dritten Bereich III der Pumpstrom proportional zur Veränderung der Überwachungsspannung je nach Sauerstoffkonzentration im Gas variiert. Somit ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im Gas zu erhalten, indem der Pumpstrom im dritten Bereich III auf der Basis der vorbestimmten Beziehung zwischen Pumpstrom und Sauerstoffkonzentration detektiert wird.
Die Erfindung wurde ausgehend von der Entdeckung entwickelt, dass die Oxidation der verbrennbaren Gaskomponenten im dritten Bereich III nicht eintritt und dass der Pumpstrom proportional zur Änderung der Sauerstoffkonzentration im Gas im dritten Bereich variiert. Detailliert beschrieben bietet die Erfindung seine Technik zur genauen Messung der Sauerstoffkonzentration im Gas durch Detektieren des Pumpstroms nach Anlegen einer Spannung, die einer zweckmäßig regulierten Überwachungsspannung entspricht. Die Technik der Erfindung dient dazu, die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas zu messen, das die verbrennbaren Gaskomponenten enthält, und die Leistungsverschlechterung des Katalysators zur Reinigung des Verbrennungsabgases zu detektieren.
Bezug nehmend auf Fig. 4(a) und 4(b) sieht man ein typisches Beispiel für ein Abfühlelement 20, das in der Vorrichtung einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird; diese dient zur Messung der Sauerstoffkonzentration im verbrennbare Gaskomponenten enthaltenden Verbrennungsabgas.
Das Abfühlelement 20 ist ein plattenartiger Körper mit relativ kleiner Breite und relativ großer Länge. Wie aus Fig. 4(b) ersichtlich, ist der plattenartige Körper des Abfühlelements 20 eine einstückige Laminarstruktur, die aus einer Vielzahl dichter, im Wesentlichen gasdichter Schichten 22a, 22b, 22c, 22d, 22e und 22f von Sauerstoffionen-leitendem Trockenelektrolyt besteht. Diese Trockenelektrolytschichten 22a-22f sind aus Zirconiumdioxidkeramik oder anderen bekannten Säuerstoffionen- leitenden Trockenelektrolytmaterialien gebildet. Dieses einstückige Abfühlelement 20 wird durch gemeinsames Brennen eines Stapels ungebrannter Vorläufer der Sauerstoffionen-leitenden Elektrolytschichten 22a-22f in auf dem Gebiet bekannter Weise produziert.
Innerhalb dieses einstückigen Abfühlelements 20 ist ein Innenhohlraum 24 ausgebildet, der - wie aus Fig. 4(a) und 4(b) ersichtlich - ein Parallelepiped ist. Der Innenhohlraum 24 ist in Bezug auf die Sauerstoffion-leitenden Trockenelektrolytschichten 22a-22f im Wesentlichen gasdicht ausgebildet und stellt die Behandlungszone dar. Das Abfühlelement 20 besitzt einen Bezugsgasraum in Form eines Bezusgasdurchgangs 26, der in Bezug auf den Innenhohlraum 24 gasdicht ausgebildet ist. Der Bezugsluftdurchgang 26 erstreckt sich in Längsrichtung des Abfühlelements 20 und ist an einem längsseitigen (dem proximalen) Ende des Abfühlelements gegenüber der Umgehungsatmosphäre offen.
Der Innenhohlraum 24 ist durch ein rechteckiges Loch definiert, das durch die Trockenelektrolytschicht 22b hindurch ausgebildet und durch die angrenzende obere und untere Trockenelektrolytschicht 22a, 22c geschlossen ist. Der Bezugsluftdurchgang 26 ist durch einen rechteckigen Schlitz definiert, der durch die Trockenelektrolytschicht 22d hindurch ausgebildet und durch die angrenzende obere und untere Trockenelektrolytschicht 22c, 22e geschlossen ist.
Die Trockenelektrolytschicht 22b besitzt einen Schlitz, der durch die angrenzende obere und untere Trockenelektrolytschicht 22a, 22c geschlossen ist, um ein Diffusionsregulierungsmittel in Form eines Diffusionsregulierungsdurchgangs 28 bereitzustellen, das am anderen längsseitigen (dem distalen) Ende des Abfühlelements 20 offen ist. Während der Verwendung ist das Abfühlelement 20 solcherart positioniert, dass der distale Endabschnitt, in dem der Diffusionsregulierungsdurchgang 28 offen ist, gegenüber einem Außenraum freiliegt, in dem das verbrennbare Gaskomponenten enthaltende Gas (d. h. Verbrennungsabgas) vorhanden ist. Während des Betriebs des Abfühlelements 20 wird das Verbrennungsabgas durch den Diffusionsregulierungsdurchgang 28 unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand in den Innenhohlraum 24 eingeleitet. Der Diffusionsregulierungsdurchgang 28 dient dazu, die Strömungsrate des in den Innenhohlraum 24 eingeleiteten Abgases nach Anlegen von Spannung an die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle (Beschreibung folgt) zu begrenzen, um den durch die Pumpzelle fließenden Strom einzuschränken.
Eine rechteckige, poröse innere Pumpelektrode 30 aus Platin (Pt) ist in Kontakt mit einem Bereich der Innenfläche der Trockenelektrolytschicht 22a ausgebildet, der gegenüber dem Innenhohlraum 24 freiliegt und diesen teilweise definiert. Außerdem ist eine rechteckige, poröse äußere Pt-Pumpelektrode 32 in Kontakt mit einem Bereich der Außenfläche der Trockenelektrolytschicht 22a ausgebildet, der mit der Innenfläche korrespondiert, auf der sich die innere Pumpelektrode 30 befindet. Diese innere und äußere Pumpelektroden 30, 32 und die Trockenelektrolytschicht 22a stellen eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle dar. Beim Betrieb dieser Sauerstoffpumpzelle wird eine vorbestimmte Spannung aus einer externen Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode 30, 32 angelegt, um den Fluss von elektrischem Strom von der äußeren Pumpelektrode 32 zur inneren Pumpelektrode 30 zu bewirken, sodass Sauerstoff in der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 in den Außengasraum gepumpt wird. Im Abfühlelement 20 sind die porösen Pt- Pumpelektroden 30, 32 aus Cermet ausgebildet, das Pt als Elektrodenmetall und Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;) als Keramikmaterial umfasst.
Eine rechteckige, poröse Pt-Messelektrode 36 ist in Kontakt mit einem Bereich auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Trockenelektrolytschicht 22c ausgebildet, die gegenüber dem Innenhohlraum 24 freiliegt, während eine rechteckige, poröse Pt- Bezugselektrode 38 in Kotnakt mit dem korrespondierenden Bereich der anderen Oberfläche der Trockenelektrolytschicht 22c ausgebildet ist, die dem Bezugsluftdurchgang 26 gegenüber freiliegt. Diese Mess- und Bezugselektroden 36, 38 sowie die Trockenelektrolytschicht 22c stellen das Sauerstoffpartialdruck-Detektionsmittel in Form einer elektrochemischen Abfühlzelle dar. Wie dies auf dem Gebiet allgemein bekannt ist, ist die Abfühlzelle 22c, 36, 38 ausgebildet, den Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 auf der Basis des Ausgangssignals eines Potentiometers 40 zu detektieren, das die elektromotorische Kraft anzeigt, die zwischen der Mess- und der Bezugselektrode 36, 38 auf der Basis der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 und der Bezugsluft (Umgebungsatmosphäre) im Bezugsluftdurchgang 26 induziert wird. Die Spannung der Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung wird auf der Basis einer Spannung (gegebenenfalls als "Überwachungsspannung" bezeichnet) reguliert, die dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 (detektiert durch das Potentiometer 40) entspricht, sodass der Sauerstoffpartialdruck im Innenhohlraum 24 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Der elektrische Strom, der zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode 30, 32 nach Anlegen der regulierten Spannung aus der Spannungsquelle 34 Fließt, wird durch einen Strommesser 42 gemessen. Dieser Strom wird als "Pumpstrom" bezeichnet.
Innerhalb des Abfühlelements 20 ist ein Heizmittel 44 eingebettet, das von den angrenzenden oberen und unteren Trockenelektrolytschichten 22e und 22f sandwichartig umfasst wird. Dieses Heizmittel 44 wird mittels einer geeigneten externen Spannungsquelle mit Energie versorgt. Das Heizmittel 44 besitzt einen Widerstand (z. B. 9 Ω), der ausgewählt ist, um die Temperatur im Innenhohlraum z. B. bei 600ºC zu halten, wenn das Heizmittel 44 mit einer Nennspannung von 12 V mit Energie versorgt wird. Für die elektrische Isolierung der Trockenelektrolytschichten 22e, 22f vom Heizmittel 44 sind dünne elektrisch isolierende Schichten aus Aluminiumoxid oder einem anderen zweckmäßigen Keramikmaterial ausgebildet, um die obere und untere Fläche des Heizmittels 44 abzudecken. Wie aus Fig. 4(b) ersichtlich, besitzt das Heizmittel 44 eine Länge, die ausreicht, um die gesamte Länge des Innenhohlraums 24 abzudecken, sodass der Raum innerhalb des Innenhohlraums 24 gleichmäßig auf eine geeignete Temperatur erhitzt wird, um dadurch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle 22a, 30, 32 und die elektrochemische Abfühlzelle 22c, 36, 38 auf der im Wesentlichen gleichen erhöhten Temperatur zu halten.
Das solcherart konstruierte Abfühlelement 20 ist so positioniert, dass der distale Endabschnitt, in dem der Diffusionsregulierungsabschnitt 28 geöffnet ist, gegenüber dem Verbrennungsabgasraum freiliegt, während der proximale Endabschnitt, in dem der Bezugsluftdurchgang 26 geöffnet ist, gegenüber der Umgebungsatmosphäre freiliegt. Demzufolge wird das die verbrennbaren Gaskomponenten enthaltende Verbrennungsabgas durch den Diffusionsregulierungsdurchgang 28 hindurch unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand in den Innenhohlraum 24 geleitet. Das Gas in Form des Verbrennungsabgases enthält verbrennbare Gaskomponenten wie z.C. CO, H&sub2; und HC sowie Gaskomponenten wie etwa N&sub2;, O&sub2;, CO&sub2;, und H&sub2;O. Während des Betriebs des Abfühlelements wird die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle 22a, 30, 32 betrieben, um Sauerstoffpumptätigkeit durch Anlegen der vorbestimmten Spannung zwischen den zwei Pumpelektroden 30, 32 auszuführen, wodurch Sauerstoff aus dem Innenhohlraum 24 in den Außengasraum gepumpt und die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Oxidation und Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten innerhalb des Innenhohlraums 24 zu hemmen.
Zur Beibehaltung des Sauerstoffpartialdrucks im Innenhohlraum 24 auf dem vorbestimmten Wert wird die zwischen der Mess- und der Bezugselektrode 36, 38 der elektrochemischen Sauerstoffabfühlzelle induzierte Leerlaufspannung durch das Potentiometer 40 gemessen und die Spannung (aus der Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung) zwischen den zwei Elektroden 30, 32 der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle geregelt, um die gemessene elektromotorische Kraft z. B. auf 800 mV bei 600ºC zu halten. Der Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 wird in diesem Fall auf etwa 10&supmin;²&sup0; at gehalten. Bei diesem Sauerstoffpartialdruck sind die Oxidation und die Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten wie z. B. HC, CO und H&sub2; im Wesentlichen unmöglich. Die an die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle 22a, 30, 32 angelegte Spannung wird solcherart reguliert, dass die elektromotorische Kraft, die der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration im Innenhohlraum 24 und der Sauerstoffkonzentration der Bezugsluft entspricht, einen erwünschten Wert der Überwachungsspannung erreicht.
Wie oben erwähnt wird der Sauerstoffpartialdruck (die Sauerstoffkonzentration) innerhalb des Innenhohlraums 24 auf einem Wert gehalten, der niedrig genug ist, um die Oxidation und Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten in der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 in Gegenwart der inneren und der äußeren Pumpelektrode 30, 32 zu hemmen - sogar unter Hitze infolge der relativ hohen Temperatur des Verbrennungsabgases, das im Außengasraum vorhanden ist, und infolge der erhöhten Temperatur (z. B. 600ºC) im Innenraum 24, der durch das Heizmittel 44 erhitzt wird. Im Allgemeinen wird der Sauerstoffpartialdruck im Innenhohlraum 24 auf 10&supmin;¹&sup4; at oder weniger, vorzugsweise 10&supmin;¹&sup6; dt oder weniger, gehalten. Dieser Zustand des Innenhohlraums 24, in dem der Sauerstoffpartialdruck - wie oben beschrieben - beibehalten wird, entspricht dem dritten Bereich III im Graph von Fig. 3. Der zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode 30, 32 fließende Pumpstrom wird nach Anlegen der Spannung zwischen den zwei Elektroden 30, 32 aus der Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung durch den Strommesser 42 detektiert, sodass die Spannung der Überwachungsspannung entspricht, die den obigen Zustand des Innenhohlraums 24 bewirkt. Da der detektierte Pumpstrom proportional zur Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas innerhalb des Innenhohlraums 24 und frei von jeglichem Einfluss der verbrennbaren Gaskomponenten ist, kann die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas auf der Basis des detektierten Pumpstroms gemäß der vorbestimmten Beziehung zwischen Pumpstrom und Sauerstoffkonzentration bestimmt bzw. erhalten werden.
Der Graph von Fig. 5 zeigt eine Änderung des Pumpstroms Ip zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode 30, 32 der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle im Verhältnis zur O&sub2;-Konzentration eines Standardgases (umfassend 7% H&sub2;O) an, wenn die O&sub2;-Konzentration von 0 auf 5000 ppm geändert wurde. Das Standardgas enthielt Stickstoff (N&sub2;) als Trägergas. Man erkennt aus dem Graph von Fig. 5, dass sich der Pumpstrom linear mit der Änderung der O&sub2;-Konzentration verändert. Demzufolge wird die Spannung der Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung auf der Basis der im dritten Bereich III erhaltenen Überwachungsspannung geregelt, in welchem Bereich die O&sub2;-Konzentration auf einem Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Oxidation und Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten zu hemmen. Somit wird die O&sub2;-Konzentration im Verbrennungsabgas auf der Basis des durch die elektrochemische Sauerstoffpumpzelle fließenden detektierten Pumpstroms erhalten - ohne den Einfluss der verbrennbaren Gaskomponenten.
Der Graph von Fig. 6 zeigt die beeinflussenden Eigenscharten von Propan (C&sub3;H&sub8;) als verbrennbare Gaskomponente in Bezug auf den Pumpstrom Ip. Genauer beschrieben wurde das obige Standardgas verwendet, dessen O&sub2;-Konzentration 2000 ppm betrug. Diesem Standardgas wurde C&sub3;H&sub8; solcherart zugegeben, dass es unterschiedliche Werte der C&sub3;H&sub8;-Konzentration aufwies. Der Graph zeigt die Messergebnisse des Pumpstroms, die Hit dem Abfühlelement 20 der Erfindung und dem herkömmlichen Sauerstoffsensor erhalten wurden. Während der Pumptätigkeit der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle unter Bedingungen, in denen die Oxidation der verbrennbaren Gaskomponente C&sub3;H&sub8; gehemmt war (z. B. 600ºC/800 mV), wurde der Pumpstrom im Abfühlelement 20 auf einem konstanten Wert gehalten, wie dies aus dem Graph ersichtlich ist, ohne durch die Änderung der Konzentration von C&sub3;H&sub8; als verbrennbare Gaskomponente beeinflusst zu sein. Im Gegensatz dazu war im herkömmlichen Sauerstoffsensor, in dem die Überwachungsspannung auf 450 mV (600ºC/450 mV) gehalten wurde, was dem obigen strombegrenzenden zweiten Bereich 11 im Graph von Fig. 3 entspricht, der Pumpstrom in hohem Ausmaß von der verbrennbaren Gaskomponente C&sub3;H&sub8; beeinflusst (siehe den Graph von Fig. 6), wodurch es nicht möglich war, die O&sub2;-Konzentration präzise zu messen. Es ergibt sich daraus, dass die Messung des Pumpstroms mittels des herkömmlichen Sauerstoffsensors keine präzise Detektion der O&sub2;-Konzentration sicherstellt.
Im erfindungsgemäßen Abfühlelement 20 kann der Sauerstoffion-leitende Trockenelektrolytkörper 22 aus einem anderen geeigneten Material als Zirconiumdioxid- Keramik bestehen. Die Trockenelektrolytschichten 22a-22f und die verschiedenen Elektroden müssen nicht gemeinsam gebrannt werden. Beispielsweise können die Elektroden durch Brennen auf den geeigneten gesinterten Trockenelektrolytschichten geformt werden; die einzelnen Trockenelektrolytschichten, von denen einige die Elektroden tragen, werden dann mit einem zweckmäßigen Glasmaterial miteinander verbunden.
Die Elektroden 30, 32, 36 und 38 sind vorzugsweise aus einem porösen Cermet gebildet, bestehend aus einem Gemisch aus einem Elektrodenmetall (einem elektrisch leitenden Material) und einem Keramikmaterial, um das Haftvermögen an den Trockenelektrolytschichten (Keramiksubstraten) zu verbessern. Diese Elektroden können jedoch auch ausschließlich aus einem metallischen Material bestehen. Von diesen Elektroden bestehen die innere Pumpelektrode 30 der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle und die Messelektrode 36 der elektrochemischen Sauerstoffabfühlzelle vorzugsweise aus einem Material, das keinen oder einen nur geringen Funktionsgrad als Oxidationskatalysator aufweist. Es ist diesbezüglich wünschenswert, Au, Ni oder ein ähnliches Elektrodenmaterial für diese Elektroden 30, 36 zu verwenden. In Hinblick auf die Brenntemperatur des Trockenelektrolytmaterials (z. B. Zirconiumdioxoid) von ungefähr 1400ºC ist es allerdings wünschenswert, eine Legierung eines derartigen Elektrodenmaterials (z. B. Au, Ni) und eines Edelmetalls mit relativ hohem Schmelzpunkt wie z. B. Pt, Pd und Rh zu verwenden. Obwohl solche Edelmetalle einen vergleichsweise hohen Funktionsgrad als Oxidationskatalysatoren aufweisen, kann die Funktion ausreichend gesenkt werden, wenn die Legierungen zumindest 1% Au, Ni oder ein ähnliches Elektrodenmaterial enthalten. Beispielsweise wird 1% Au zu Platin (Pt) zugegeben und Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;) dieser Legierung der Elektrodenmaterialien zugegeben, sodass das Volumensverhältnis zwischen Pt und Au gemeinsam sowie ZrO&sub2; 60 : 40 ist. In diesem Fall kann die Funktionalität als Oxidationskatalysator der erhaltenen Elektrode ausreichend reduziert werden.
Die elektromotorische Kraft, d. h. die Überwachungsspannung, die durch die elektrochemische Sauerstoffabfühlzelle detektiert wird, wird in Abhängigkeit von der Temperatur der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 und dem ausgewählten Elektrodenmaterial solcherart bestimmt, so dass die Überwachungsspannung im dritten Bereich Ill im Graph von Fig. 3 gehalten wird, wodurch die O&sub2;-Konzentration der Atmosphäre im Innenhohlraum 24 auf einem Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten im Hohlraum 24 zu hemmen. Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, die Überwachungsspannung auf 600-2000 mV, noch bevorzugter auf 100-1500 mV, einzustellen. Wenn die Überwachungsspannung zu niedrig ist (unter 600 mV), würden die verbrennbaren Gaskomponenten im Verbrennungsabgas oxidiert, wodurch es schwierig ist, die O&sub2;-Konzentration im Hohlraum 24 präzise zu ermitteln. Wenn hingegen die Überwachungsspannung zu hoch ist (höher als 2000 mV), würde die Möglichkeit bestehen, dass die erhaltene O&sub2;- Konzentration durch die Zersetzung von im Verbrennungsabgas vorhandenem CO&sub2; oder H&sub2;O beeinflusst wird. Im dritten Bereich III ist das Ausmaß der Veränderung des Pumpstroms in Bezug auf das Ausmaß der Veränderung der Überwachungsspannung relativ groß, und der Pumpstrom neigt dazu, durch die Partialdrücke von H&sub2;O und CO&sub2; beeinflusst zu werden. Angesichts dieser Tatsache wird zwar die Überwachungsspannung innerhalb des dritten Bereichs III im Graph von Fig. 3 gehalten, doch entspricht sie vorzugsweise einem Wert in einem Teil des dritten Bereichs III, der relativ nahe am zweiten Bereich II liegt, in dem der Einfluss der Partialdrücke von H&sub2;O und CO&sub2; vergleichsweise gering und ist und keine Reaktion der verbrennbaren Gaskomponenten mit Sauerstoff eintritt.
Bezug nehmend auf Fig. 7 wird ein Beispiel für ein System zum Detektieren der Beeinträchtigung eines Abgasregulierungskatalysators erklärt, welches System die wie oben konstruierte Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung verwendet.
Das die verbrennbaren Gaskomponenten enthaltende Verbrennungsabgas wird durch einen Verbrennungsmotor 50 eines Automobils ausgestoßen und durch einen Abgasdurchgang 52 hindurch abgegeben. In diesem befindet sich ein Katalysator 54 in Form eines bekannten Oxidationskatalysators oder Dreiwegkatalysators, der ausgebildet ist, die im ausgestoßenen Verbrennungsabgas vorhandenen verbrennbaren Gaskomponenten zu oxidieren und zu verbrennen. Der Katalysator 54 wird durch eine Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 56 (Konstruktion siehe Fig. 4) auf seinen Abgasreinigungs-Wirkungsgrad überprüft, welche Vorrichtung in einem Abschnitt des Abgasdurchgangs 52 stromab vom Katalysator - in Flussrichtung des Verbrennungsabgases vom Motor 50 aus betrachtet - angeordnet ist. Die Sauerstoffkonzentrations- Messvorrichtung 56 ist ausgebildet, das Verbrennungsabgas, das durch den Katalysator 54 gelangte, zu kontrollieren und den Verschlechterungsgrad des Katalysators auf der Basis der im Verbrennungsabgas enthaltenen Sauerstoffmenge zu bestimmten. Wenn der Katalysator 54 ausreichend neu ist, um einen genügend lohen Reinigungswirkungsgrad aufzuweisen, wird die Sauerstoffkonzentration im durch den Katalysator 54 gelangten Verbrennungsabgas um eine Menge gesenkt, die der Sauerstoffmenge entspricht, die während der Oxidation und Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten aufgebraucht wird. Wenn hingegen der Katalysator 54 beeinträchtigt ist und einen niedrigeren Reinigungswirkungsgrad aufweist, ist die bei der Oxidation und Verbrennung der verbrennbaren Gaskomponenten im Katalysator 54 aufgebrauchte Sauerstoffmenge gering. Somit wird der Verschlechterungsgrad des Katalysators 54 bestimmt, indem die Sauerstoffmenge gemessen wird, die im Abgas enthalten ist, das der Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 56 durch den Katalysator 54 hindurch zugeführt wird.
In dieser Anordnung gelangt das Verbrennungsabgas durch den Katalysator 54, der im Abgasdurchgang 52 angeordnet ist, und wird in das Abführelement 20 der gemäß Fig. 4 konstruierten Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 56 eingeleitet. Auf diese Weise detektiert - wie oben erläutert - das Abfühlelement 20 den Pumpstrom, der der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas entspricht, das durch den Katalysator 54 gelangte. Auf der Basis des gemessenen Pumpstroms (der Sauerstoffkonzentration) bestimmt ein Bestimmungsgerät 58 den Beeinträchtigungsgrad des Katalysators 54, und das Bestimmungsergebnis wird durch eine Anzeige- und Warnvorrichtung 60 angezeigt. Die Vorrichtung 60 zeigt den Verschlechterungsgrad des Katalysators 54 an oder informiert darüber, dass der Katalysator 54 nicht mehr in der Lage ist, eine ausreichende katalytische Wirkung auszuüben.
In der Anordnung von Fig. 7, in der die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 56 in einem Abschnitt des Abgasdurchgangs 52 positioniert ist, der sich auf der stromabwärtigen Seite des Abgasreinigungskatalysators 54 befindet, wurde der Pumpstrom durch die Sauerstoffkonzentrations-Messvorrichtung 36 gemessen, um den Verschlechterungsgrad des Katalysators 54 zu überprüfen, wenn der Motor 50 auf das stöchiometrische Luft/Treibstoffverhältnis geregelt wurde.
Der im Test verwendete Motor war ein Vierzylinder-Reihenmotor mit einem Hubraum von 2,0 l. Als Katalysator 54 wurden fünf Probekörper A-E vorbereitet. Probekörper A war brandneu, die anderen Probekörper wurden einer Alterungsbehandlung unterzogen, wobei die Dauer der Alterungsbehandlung der Probekörper B, C, D, E in dieser Reihenfolge anstieg jeder dieser Probekatalysatoren A-E wurde im Abgasdurchgang des Motors eingebaut und der Pumpstrom Ip gemessen, um die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas zu erhalten, das durch jeden der Probekörper A-E strömte, und dadurch den Verschlechterungsgrad jedes Probekörpers zu bestimmen. Die Konzentrationen an Kohlenwasserstoff (HC) im Verbrennungsabgas vor und nach dem Durchgang durch den Katalysator wurden jeweils gemäß dem bekannten FID-Verfahren erhalten. Auf der Basis der erhaltenen HC-Konzentrationen wurde der HC- Reinigungswirkungsgrad für jeden der Probekatalysatoren A-E errechnet. Die Messergebnisse sind in nachstehender Tabelle 1 veranschaulicht. TABELLE 1
Es ergibt sich aus den Ergebnissen von Tabelle 1, dass der Pumpstrom Ip mit Abnahme des HC-Umwandlungswirkungsgrads des Katalysators zunimmt. Demzufolge wird der Beeinträchtigungsgrad des Katalysators auf der Basis des detektierten Pumpstroms Ip bestimmt. Es wird z. B. festgelegt, dass der katalytische Wirkungsgrad unter einem vorbestimmten Wert liegt, wenn der detektierte Pumpstrom Ip über einem vorbestimmten Wert liegt.
Die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde zwar ausführlich zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben, doch ist zu beachten, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Verbesserungen der Erfindung für Fachleute offenkundig sind, ohne vom Grundprinzip und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Im Abfühlelement 20 der Fig. 4(a) und 4(b) wird der Innenhohlraum 24 durch den Diffusionsregulierungsdurchgang 28 in Kommunikation mit dem Außengasraum gehalten. Der Innenhohlraum 24 kann jedoch auch direkt mit dem Außengasraum am distalen Ende des Abfühlelements 20 kommunizieren. Das heißt, der Diffusionsregulierungsdurchgang 28 kann das gleiche Breitenmaß aufweisen wie der Innenhohlraum 24. Um für verbesserte Stabilität der Atmosphäre im Hohlraum 24 zu sorgen oder die Regulierung der Atmosphäre im Hohlraum 24 zu vereinfachen, ist es wünschenswert, dass die Querschnittsfläche des Diffusionsregulierungsdurchgangs 28 kleiner als jene des Innenhohlraums 24 ist.
Der Diffusionsregulierungsdurchgang 28 als Diffusionsregulierungsmittel in der dargestellten Ausführungsform kann durch eine poröse Schicht 62 (siehe Fig. 8) ersetzt sein, durch die das Verbrennungsabgas in das Abfühlelement 20 unter vorbestimmtem Diffusionswiderstand eingeleitet wird. In der dargestellten Ausführungsform wird die in der elektrochemischen Sauerstoffabfühlzelle gemessene Überwachungsspannung detektiert, um die Spannung der Spannungsquelle 34 mit variabler Spannung, die zwischen den zwei Pumpelektroden 30, 32 der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle anzulegen ist, zu regeln. Die Detektion der Überwachungsspannung kann jedoch entfallen. In diesem Fall wird eine vorbestimmte konstante Spannung aus einer Spannungsquelle 64 mit konstanter Spannung zwischen den Pumpelektroden 66, 68 der elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle angelegt, sodass Sauerstoff im Verbrennungsabgas, das um die Pumpelektrode 66 herum vorhanden ist, in einen Atmosphären- Kommunikationsdurchgang 70 gepumpt wird. Der Pumpstrom zwischen den zwei Elektroden 66, 68 wird durch einen Strommesser 42 gemessen, um die Konzentration des Sauerstoffs im Atmosphären-Kommunikationsdurchgang 70 zu erhalten. In Fig. 8 steht Bezugszeichen 72 für einen Festelektrolytkörper.
Wie aus Fig. 9 ersichtlich, kann die Pumpelektrode 68, durch die Sauerstoff hinausgepumpt wird, mit einem porösen Körper 74 bedeckt sein, sodass der durch die elektrochemische Pumpzelle hinausgepumpte Sauerstoff um die Pumpelektrode 68 herum gesammelt und als Bezugssauerstoff verwendet wird. In diesem Fall wird die zwischen den zwei Elektroden 66, 68 induzierte elektromotorische Kraft überlagert, wodurch die aus der konstanten Spannungsquelle 64 zugeführte Spannung gesenkt werden kann.
Das Abfühlelement 20 kann zahlreichen, Fachleuten auf dem Gebiet offenkundigen Änderungen unterzogen werden. Beispielsweise ist die Konfiguration des Abfühlelements 20 keinesfalls auf den plattenartigen Körper der dargestellten Ausführungsform beschränkt, sondern kann auch ein zylindrischer Körper sein. Ferner können die Bezugselektrode 38 und die äußere Pumpelektrode 32, die sich im Bezugsluftdurchgang 26 befinden, als gemeinsame Elektrode ausgebildet sein.
Gemäß dem Verfahren und System zum Detektieren der Beeinträchtigung des Abgasreinigungskatalysators der Erfindung kann die Konzentration von im Verbrennungsabgas verbleibendem Sauerstoff präzise gemessen werden, ohne durch die im Verbrennungsabgas enthaltenen verbrennbaren Gaskomponenten beeinflusst zu sein. Ferner ist es möglich, den Verschlechterungsgrad des Katalysators auf der Basis der erhaltenen Sauerstoffkonzentration zweckmäßig zu bestimmen. Das vorliegende Verfahren eignet sich für eine Vorrichtung und Methode zur präzisen Messung der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsabgas, das verbrennbare Gaskomponenten enthält.

Claims

1. Verfahren zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgasreinigungskatalysators, der in einem Abgas-Durchgang vorgesehen ist, durch den ein Verbrennungsabgas abgegeben wird, das eine brennbare Gaskomponente enthält, folgende Schritte umfassend:

das Einbringen des Verbrennungsabgases, das durch den Katalysator hindurchgegangen ist, in eine Behandlungszone (24) unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand;

das Versorgen mit Energie einer elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32), um eine Sauerstoff-Pumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone herauszupumpen, um dadurch eine Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann;

das Detektieren eines Pumpstroms, der während des Versorgens der elektrochemischen Pumpzelle mit Energie durch die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle fließt; sowie

das Bestimmen eines Grads der Verschlechterung der Leistung des Katalysators gemäß einer Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas, die auf Basis des detektierten Pumpstroms erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiters umfassend einen Schritt des Detektierens eines Sauerstoff-Partialdrucks des Verbrennungsabgases innerhalb der Behandlungszone (24), und worin der Schritt des Versorgens mit Energie der elektrochemischen Sauerstoff- Pumpzelle das Regulieren einer Spannung einer Spannungsquelle (34) mit variabler Spannung, die zwischen dem Elektrodenpaar (30, 32) anzulegen ist, auf Basis einer Überwachungsspannung umfasst, die dem detektierten Sauerstoff-Partialdruck innerhalb der Behandlungszone entspricht, so dass der Sauerstoff-Partialdruck innerhalb der Behandlungszone innerhalb eines vorbestimmten Werts gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der Sauerstoff-Partialdruck des Verbrennungsabgases innerhalb der Behandlungszone auf 10&supmin;¹&sup4; atm oder darunter gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Überwachungsspannung in einem Bereich von 600 bis 2.000 mV gehalten wird.

5. System zum Detektieren der Verschlechterung der Leistung eines Abgas- Reinigungskatalysators, der in einem Abgas-Durchgang vorgesehen ist, durch den ein erbrennungsabgas abgegeben wird, das eine brennbare Gaskomponente enthält, umfassend:

eine Behandlungszone (24), die mit einem Abschnitt des Abgasdurchgangs kommuniziert, der sich, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromab vom Katalysator befindet;

Diffusionsregulierungsmittel (28), um das Verbrennungsabgas, das durch den Katalysator hindurchgegangen ist, unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand in die Behandlungszone einzubringen;

eine elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32), die eine Sauerstoffion- leitende Trockenelektrolytschicht (22a), die die Behandlungszone teilweise definiert, sowie ein Elektrodenpaar (30, 32) umfasst, das in Kontakt mit der Sauerstoffion- leitenden Trockenelektrolytschicht angeordnet ist und von denen eine in der Behandlungszone freiliegt, wobei die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle mit Energie versorgt wird, um eine Sauerstoff-Pumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, um dadurch eine Sauerstoff-Konzentration in einer Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann;

Detektionsmittel (42) zum Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle fließt, während die elektrochemische Sauerstoff- Pumpzelle mit Energie versorgt wird; und

Mittel (38) zum Bestimmen eines Verschlechterungsgrades der Leistung des Katalysators gemäß einer Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas, die auf Basis des Pumpstroms erhalten wird, der durch das Detektionsmittel erhalten wird.

6. System nach Anspruch 5, worin die eine der Elektroden, die in der Behandlungszone freiliegt, aus einem Elektrodenmaterial gebildet ist, das im Wesentlichen keinen oder einen geringen Funktionsgrad als Oxidationskatalysator aufweist.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, worin die Behandlungszone (24), der Diffusionsregulierungsdurchgang (28) und die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32) einstückig in einem Abfühlelement (20) vorgesehen sind, das die Sauerstoffion- leitende Trockenelektrolytschicht (22a) als einstückigen Teil enthält, wobei das Abfühlelement einen Innenhohlraum (24) aufweist, der die Behandlungszone darstellt und mit dem Abschnitt des Abgasdurchgangs kommuniziert, der sich in Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases gesehen stromab vom Katalysator befindet.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin das Diffusionsregulierungsmittel - (28) in Kommunikation mit dem Innenhohlraum (24) ausgebildet ist und gegenüber dem Abschnitt des Abgasdurchgangs freiliegt, der sich in die genannte Richtung gesehen stromab vom Katalysator befindet.

9. System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiters umfassend Sauerstoff-Partialdruck- Detektionsmittel (22c, 36, 38) zum Detektieren eines Sauerstoff-Partialdrucks der Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone (24), und eine Spannungsquelle (34) mit variabler Spannung zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Elektrodenpaar (30, 32) der elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle, so dass die Spannung auf Basis einer Überwachungsspannung reguliert wird, die dem Sauerstoff-Partialdruck entspricht, der durch das Sauerstoff-Partialdruck-Detektionsmittel detektiert wird, um dadurch den Sauerstoffdruck der Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone zu regulieren.

10. System nach einem der Ansprüche 5 bis 9, weiters umfassend Heizmittel (44) zum Aufheizen der elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32) auf eine vorbestimmte Temperatur.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, worin das Diffusionsregulierungsmittel aus einer porösen Schicht (62) besteht, die auf einer aus dem Paar von Elektroden ausgebildet ist.

12. Verfahren zum Messen einer Sauerstoff-Konzentration in einem Verbrennungsabgas, das eine brennbare Gaskomponente enthält, folgende Schritte umfassend:

das Einbringen des Verbrennungsabgases in eine Behandlungszone (24) unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand;

das Versorgen einer elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32) mit Energie, um eine Sauerstoff-Pumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, wodurch eine Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert reguliert wird, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann;

das Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoff- Pumpzelle fließt, während die elektrochemische Pumpzelle mit Energie versorgt wird; und

das Erhalten einer Sauerstoff-Konzentration im Verbrennungsabgas auf Basis des detektierten Pumpstroms.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiters umfassend einen Schritt des Detektierens eines Sauerstoff-Partialdrucks des Verbrennungsabgases innerhalb der Behandlungszone (24), und worin der Schritt des Versorgens der elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle mit Energie das Regulieren einer Spannung einer Spannungsquelle (34) mit variabler Spannung, die zwischen dem Elektrodenpaar (30, 32) anzulegen ist, auf Basis einer Überwachungsspannung umfasst, die dem detektierten Sauerstoff-Partialdruck innerhalb der Behandlungszone entspricht, so dass der Sauerstoff-Partialdruck innerhalb der Behandlungszone auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, worin der Sauerstoff-Partialdruck der Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone auf 10&supmin;¹&sup4; atm oder darunter gehalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin die Überwachungsspannung in einem Bereich von 600 bis 2.000 mV gehalten wird.

16. Vorrichtung zum Messen einer Sauerstoff-Konzentration in einem Verbrennungsabgas, das eine brennbare Gaskomponente enthält, umfassend:

eine Behandlungszone (24), die mit einem Abgasdurchgang kommuniziert, durch den das Verbrennungsabgas abgegeben wird;

Diffusionsregulierungsmittel (28), um das Verbrennungsabgas unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand aus dem Abgasdurchgang in die Behandlungszone einzubringen;

eine elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32), die eine Sauerstoffion- leitende Trockenelektrolytschicht (22a), die die Behandlungszone teilweise definiert, sowie ein Elektrodenpaar (30, 32) umfasst, das in Kontakt mit der Sauerstoffion- leitenden Trockenelektrolytschicht angeordnet ist und von denen eine in der Behandlungszone freiliegt, wobei die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle mit Energie versorgt wird, um eine Sauerstoff-Pumptätigkeit zu bewirken, um Sauerstoff aus der Behandlungszone abzupumpen, um dadurch eine Sauerstoff-Konzentration in einer Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone auf einen vorbestimmten Wert zu regulieren, bei dem die brennbare Gaskomponente im Wesentlichen nicht verbrannt werden kann; und

Detektionsmittel (42) zum Detektieren eines Pumpstroms, der durch die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle fließt, während die elektrochemische Sauerstoff- Pumpzelle mit Energie versorgt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin die eine der Elektroden, die in der Behandlungszone freiliegt, aus einem Elektrodenmaterial gebildet ist, das im Wesentlichen keinen oder einen geringen Funktionsgrad als Oxidationskatalysator aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, worin die. Behandlungszone (24), der Diffusionsregulierungsdurchgang (28) und die elektrochemische Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32) einstückig in einem Abfühlelement (20) vorgesehen sind, das die Sauerstoffion-leitende Trockenelektrolytschicht (22a) als einstückigen Teil umfasst, wobei das Abfühlelement einen Innenhohlraum (24) aufweist, der die Behandlungszone darstellt und mit dem Abgasdurchgang kommuniziert.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, worin das Diffusionsregulierungsmittel (2ß) in Kommunikation mit dem Innenhohlraum (24) ausgebildet ist und zum Abgasdurchgang hin offen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, weiters umfassend Sauerstoff- Partialdruck-Detektionsmittel (22c, 36, 38) zum Detektieren eines Sauerstoff- Partialdrucks der Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone (24), und eine Spannungsquelle (34) mit variabler Spannung zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Elektroden paar (30, 32) der elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle, so dass die Spannung auf Basis einer Überwachungsspannung reguliert wird, die dem Sauerstoff- Partialdruck entspricht, der vom Sauerstoff-Partialdruck-Detektionsmittel detektiert wird, wodurch der Sauerstoffdruck der Atmosphäre innerhalb der Behandlungszone reguliert wird.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, weiters umfassend Heizmittel (44) zum Aufheizen der elektrochemischen Sauerstoff-Pumpzelle (22a, 30, 32) auf eine vorbestimmte Temperatur.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, worin das Diffusionsregulierungsmittel aus einer porösen Schicht (62) besteht, die auf einer aus dem Paar von Elektroden ausgebildet ist.