DE2254465A1

DE2254465A1 - Messeinrichtung fuer das mischungsverhaeltnis des luft-kraftstoff-gemisches bei verbrennungsmaschinen, insbesondere bei verbrennungsmotoren von kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE2254465A1
Application number: DE19722254465
Authority: DE
Inventors: Michael J Esper; Donald J Romine; Henry L Stadler; Tseng-Ying Tien
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1973-05-24
Also published as: IT966767B; DE2254465C2; CA987928A; SE402649B; FR2161589A5; GB1376769A

Description

FOHD-tforlcc AKTISIIGBSSLLSCIIAFT, 15 KÖLN-D3UTZ, OTTOPIATZ 2

Meßeinrichtung für das Mischungsverhältnis vdes Luft-Kraf ts-toff-Gemisches bei Verbrennungsmaschinen, insbesondere
bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen.

'2s kann ala Tjolcannt vorausgesetzt-werden., tlaß die Teuiperatur
Ü.CV dio üronnkamaoru eines Verbremiungr-motorü mit hin und her gehenden Kolben verlassendenAuspuffgaoe proportional dem Ausmaß der Verbrennung int. Diese Wechselbeziehung wurde bislang bei Plugzeugniotoren für die Bestimmung des Mischungsverhältnisses dos dem Motor zur Verbrennung zugefiihrten Luft-Kra^tstpxi-Ge misch es ausgenutzt« Spätere Vorsuche zeigten, daß die viärnioleitoigonschaften dei· verschiedenen Komponenten der Auspuffgase dazu ausgenutzt worden könnten, den Anteil dieser Komponenten in den Auspuffgasen zu bestimmen» Es liegen doshalb auch
bereits Vorschläge für entsprechende Meßeinrichtungen vor, die

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meistens mit Widerstands-Meßbrücken ausgerüstet sind und die einen Vergleich erlauben zwischen der Wärmeleitfähigkeit der Auspuffgase und derjenigen von Gasgemischen "bekanntor Zusammensetzung, um so entweder das Luft-Kraftstoff—Mischungsverhältnis oder den Wirkungsgrad der Verbrennung zu bostitnraen.

Das gesteigerte Interesse an einer Reduzierung der unerwünschten Komponenten in den Auspuffgasen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen hat in der jüngsten Zeit auch zu der Entwicklung verfeinerter Systeme zum ständigen Überwachen des Mischungsverhältnisses des Luft-Kraftstoff-Gemisches geführt, das den Motoren zur Verbrennung zugeführt wird. Sämtliche Entwicklungen auf diesem Gebiet befassen sich mit der Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit der Auspuffgase, So wurde beispielsweise gefunden, daß sich. diese Wärmeleitfähigkeit nahezu linear ändert ait dem Kohlenstoff dioxyd-Anteil der Auspuffgase, der seinerseits wieder verhältnisgleich ist mit dem Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis. Spätere Untersuchungen ergaben, daß die "Wärmeleitfähigkeit der Auspuffgase eine Funktion wowohl des Kohlenstoffdioxyd-Anteils al ο auch, des I/asserstoff-Anteila ist.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein weiterer Beitrag für diese Untersuchungsreinen geliefert werden. Erfindungsgemäß soll eine Meßeinrichtung für dar. Mischungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches box VerbronnunganarschinQii, insbesondere bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrsengen, geschaffen werden, welche ein direktes Ermitteln der Ozydation-Reduktion-Gharaktoristiken der Auspuffgase erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgoiuiiße Meßeinrichtung gekennzeichnet durch einen entweder dem der Verbrennungsmaschine zur Verbrennung ^ugeftilirten Luft-Kraft stoff-Gemisch. oder den Verbrennungs- oder Auspuffgasen ausgesetzten Sensor, der aus einer Sauerstoffatome enthaltenden, wenigstens zwei Metalloxydationszustände etwa gleicher Energien aufwölbenden Metallvorbindung, welche im Verhältnis zu doi;i Gleichgewichtszustand dos Sauerstoff druckes dos jeweiligen Gasgemisches, welchem der Lioa-

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sor ausgesetzt irrt, zu einer Hedulctioij6der einer Oxydation aus. den einen dieser beiden Oxydationszustände in den anderen Zustand fähig ist, sowie weiterhin wenigstens zwei Elektroden bepteht, die an dem Sensor befestigt und über wenigstens einen Teil der Motallverbinclung auf Abstand zueinander angeordnet sind und an die eine Meßbrücke zum Messen ihres elektrischen Widerstandes angeschlossen ist. _:

xiis ward damit eine Meßeinrichtung bereitgestellt, bei welcher der für die Elektroden gemessene Widerstand proportional ist zu don Gleichgewichtszustand des Sauerstoffdruckes des Gasgemisches, welchem der Sensor ausgesetzt ist,, so daß diese Widerstandsmessung direkt umgeschlüsselt werden kann auf das ,jeweilige -Mischungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches, welches der Verbrennungsnaschine zur Verbrennung zugeführt wird, ·

In diesen Zusanmenbang ist unter dem Gleichgewichtszustand des Sauerstoffdruckes der Teildruck des Sauerstoffs in einen-Gasgemisch zu verstehen, -unter welchem das Gemisch in ein vollständiges, chemisches Gleichgewicht gebracht wird. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßeinrichtung mißt diesen Teildruck eines Gasger.iiselies salbst dann, wenn sich das Gasgemisch nicht in diesem chemischen Gleichgewicht befindet, der wirkliche Sauerstoff-Teildruck des jeweiligen Gasgemisches also höher ist als der Teildruck, der bei einem solchen chemischen Gleichgewichtszustand vorliegen würde. ... --.'-..■■ ..

Als für den Sensor geeignete Metallverbindungen kommen insbesondere in Betracht alle Übergangsmetalloxyde. Besonders geeignet erveisen sich Titaudioxyd, Vanadiuruoxyd, Chromoxyd, Manganoxyd, Eisenoxyd, Nickeloxyd, Kobaldoxyd und, die Oxyde der seltenen Erdmetalle, wie Zcrpxyd, Praseodymoxyd usw.» Diese Metalloxyde werden insbesondere deshalb bevorzugt, weil ihre keramischen Eigenschaften relativ lange Standzeiten selbst bei höheren Temperaturen sicherstellen und weil in diesen Metalloxyden die. Anwesenheit dor Sauerstoffatome sehr- ausgeprägt ist. Es kommen daneben natürlich auch andere Metallverbindungen in Betracht ebenso wie

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Gemi3Clio aus don vorerwähnten Metalloxyden untereindander und/ oder mit solchen anderen Metallverbindungen. Es muß jedoch je- \ieils darauf geachtet werden, daß die beiden Oxydationszustäncio der Metalle etwa gleiche Energien besitzen, damit bei den jeweiligen Betriebstemperaturen die ausgesprochene Umkehrung der beiden Zustände bei einem Wechsel des Gleichgewichtszustandes des Sauerstoffdruckes stattfindet. Einfache empirische Versuche reichen aus zum Erhalten dieser Ifeehselwirkung.

Dor Sensor der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung sollte bevorzugt den Verbreunungs- oder Auspuffgasen ausgesetzt worden, weil diese den für die Sensoren erwünschten Betriebstemperaturen näherkommen als das noch nicht verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch. Die Verbrennungs- oder Auspuffgase enthalten im allgemeinen auch keinen unverdampftea Kraftstoff, welcher die Meßergebnisse verfälschen oder nachteilig beeinflussen könnten.

Bei den Sensoren handelt es sich bevorzugt um eine relativ dünne Scheibe aus gesinterten Teilchen der jeweils gex/ählton Metallverbindung, also inabesondere eines oder mehrerer Oxyde der vorerwähnten übergangsmetalle. Diese Scheiben sollten vorzugsweise eine Dichte besitzen, welche einem Wert von etwa 80 bis 95 fo der theoretischen Dichte entspricht. Scheiben mit einer niedrigeren Dichte sind leichter zerbrechlich, während Scheiben mit einer höheren Dichte, einschließlich der theoretischen Dichte, abfallende Ansprechzeiten besitzen. Die Teilchengröße kann innerhalb größerer Grenzen beliebig gewählt werden, sie beeinflußt allerdings die Ansprechzeit. Die Elektroden können entweder an der Oberfläche dieser Scheiben befestigt oder bevorzugt in die Scheiben eingebettet werden. Für diese Einbettung der Elektroden wird eine Anordnung bevorzugt, bei welcher die Elektroden zwischen zwei noch nicht gebrannten Scheiben in Sandwichanordnung angeordnet werden, welche Anordnung dann anschließend gebrannt wird.

Wird der Sensor in einer Anordnung beispielsweise in dem Auspuffrohr an einer Stelle unmittelbar hinter dem Auspuffkrümmer des Verbrennungsmotors den Verbrennungs- oder Auspuffgasen ausgesetzt,

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dann kann er innerhalb- größerer Temperaturgrenzen, welche "beispielsweise zwischen 600 und 900 ⁰C schwanken, befriedigende Meßergebnisse liefern. Diese Meßergebnisse lassen sich, wie vorerwähnt, uasehlüssoln auf das Mischungsverhältnis des Luft-Kraftst.off-Gemisch.es, welches dem Verbrennungsmotor zur Verbrennung augeführt wird. Bei niedrigen Temperaturen als 600 C besteht allerdings die Gefahr, daß sich an dem Sensor Büß und andere Verunreinigungen absetzen, so daß dadurch die Meßergebnisse verfälscht werden können, während Temperaturen von mehr als-900⁰C die Standzeit des Sensors verkürzen. Es sollte deshalb der vorerwähnte Temperaturbereich zwischen 6OO und 9OO C als Betriebstemperatur für den Sensor eingehalten werden. Um diese Betriebstemperatur mit Sicherheit zu erhalten und ein anhalten, wird eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung darin gesehen, daß der Sensor zusätzlich mit einer diese Aufgabe übernehmenden Heizeinrichtung ausgerüstet ist. Eine solche Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Heizdraht sein, der in eine Sandwichanordnung von insgesamt drei Scheiben eingebeltot wird, indem zwischen einer ersten und einer zweiten Scheibe die beiden Elektroden und zwischen der zweiten und einer dritten Scheibe dieser Heizdraht angeordnet wird, bevor diese Gesamtanordnung gebrannt wird. Zwischen den beiden Scheiben des einen oder des anderen Paares sollte dabei zweckmäßig gleichzeitig ein-Thermoelement angeordnet werden.

Die Arbeitsweise eines solchen Sensors kann jfdamit erklärt werden, daß die Metallionen der Metallverbindung aus dem einen Oxydationszustand in den anderen Zustand entweder reduziert oder , oxydiert werden, und zwar im Verhältnis zu der reduzierenden oder oxydierenden Zusammensetzung der Verbrennungs- oder Auspuffgase. Im Falle von Titandioxyd-Molekülen bewirkt" beispielsweise eine. Reduktion die Freilegung eines Slektrons, wodurch ein gesteigerter Stromdurchfluß stattfindet, der eine Erniedrigung des Widerstandes in dem zwischen den beiden Elektroden liegenden Sensorteil zur Folge hat. .

Ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel

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der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in schernatischer Darstellung einen Verbrennungsmotor, in dessen Auspuffrohr der Sensor dor Meßeinrichtung angeordnet ist,

Fig. 2 in schematise«or Dax α teilung den Sensor i:iit zugehörigen Stromkreis und

Fig. j einen Querschnitt'durch den Sensor.

Der in Fig, 1 schematise!) gezeigte Verbrennungsmotor IO besitzt einen Ansaugkrümraer 12 mit Vergaser 16 und Luftfilter 18 und einen Auspuffkrümmer l^li_t an welchen ein Auspuffrohr 20 angeschlossen ist. In dieses Auspuffrohr £0 eingebaut ist der Sensor 22 der in ihrer Gesamtheit mit PA bezeichneten !-leiteinrichtung, welche riit elektrischen Anschlußloitungen 26, 27 und 28 versehen ist.

Gem. den Figuren 2 und 3 besteht der Sensor 22 aus drei dünnen Scheiben 30, 32 und '3k in Sandwichanordnung. Zwischen die beiden Scheiben 30 und 32 lot ein Heizdraht "6 eingefügt, während swischon die beiden Scheiben '32 und y-i z./ei .iülektrodon 3ß und -Ί0 und ein Thennooleriiont 42 eingefügt sind. Die beiden Elektroden 'JO und hO sind auf Abstand zueinander angeordnet und das Thermoelement k?, liegt bezüglich dieser Elektroden, die über die Leitungen 26 an einen /iderstand^sensor kk angeschlossen sind, et-./a rnittig. Die baLden 13nden des Ileizdrahtes 36 sind über die Leitungen 27 an eine Stromquelle hG und an einen Sfceuox-kreis Ί0 angoüchlosseu, an welch letzteren auch das Theraoelorient k2 über die Leitungen 28 angeschlossen ict.

Jode dei" drei Scheiben j'O, 32 und ^r/jh besteht i:u v/ooentlicliou aus Titandioxyd. Jede Scheibe hat eine Enddicke von etwa 0,02 c::i und einen Durchmesser von etwa 0,63 cm. Bei der Herstellung wird zweckmäßig so vorgegangen, daß zunächst eine aus den Titandioxyd hergestellte Aufschlämmung auf einen bandförmigen Träger aus Kunststoff aufgegossen wird. Danach wird das Lösungsmittel durch Verdampfen aus der Aufschlämmung entfernt und das Trägermaterial

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abgezogen, so daß die kreisföi-migen Scheiben schließlich ausgestanzt werden' können. Für die Herstellung der Aufschlämmung kann pulverförmiges Titandioxyd rait einer Teilchengröße von etwa 44 mikron (325 mesh) benutzt werden, wenngleich es auch möglich ist, die finale Teilchengröße durch ein abschließendes Schleifen zu erbalten. . . _

Der zwischen die Scheiben 30 und 32 eingelegte Heizdraht besteht vorzugsweise aus Platin, das mit etwa 13$ Rhodium legiert wurde. Der Durchmesser des Drahtes sollte etwa 0,02 era sein. Atieh die Elektroden 58 und 40 bestehen vorzugsweise aus ".Piabin,, wobei der BrahtdurehViiesser ebenfalls etwa. 0,02 cm sein kann. Das Thermoelement 42 ist schließlich zweckmäßig eine Kombination aus Gold-Palladium-Pl a tin und Gold-Palladium. Die aus den drei Scheiben 2;0, 32 und 34, dem Heizdraht 36, den beiden Elektroden 33» ^O und dom Thermoelement 42 gebildete Sandwiehanordnung wird bevor-

zugt unter einem Druck von etwa 7OO kg/cra^ zusammengepreßt und danach bei Temperaturen zwischen etwa i 26Ο und 1 370 G für i bis 2 Stunden gebrannt.

Wenn der Sensor 22 in der beschriebenen Weise in das Auspuffrohr 20 eingebaut ist, dann ist er den Auspuffgasen ausgesetzt und wird von diesen auf eine Temperatur von etwa 7OO C erwärmt. Wenn das don Verbrennungsmotor zur Verbrennung zugeführtο Luft-Kraft- " stoff-Getnisch ein Mischungsverhältnis von etwa 13:1 besitzt', dann beträgt der zwischen den Elektroden 38, 40 gemessene Widerstand etwa 2000 0hm. Wird unter Beibehaltung derselben Parameter das Mischungsverhältnis auf 14:1 geändert, dann erhöht sich dieser Widerstand auf etwa. 7OOO 0hm, und er ändert sich auf etwa 20 000 Ohm bei einem Mischungsverhältnis von 15:1. Mit anderen Sensoren ^v lassen sich für Mischüngsvorhältnisse^ifi fold l6il Widerstände zwischen 100 und 500 000 0hm messen. ·

Die Widerstandsmessung ist natürlich auch abhängig von dem für die Elektroden 38, ^tO gewählten Abstand und von der Temperatur, jedocb ist feststellbar, daß diese Faktoren lediglich eine Verschiebung der Kurve zur Folge haben, die für den Widerstand über

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dem Luft-Kraftotoff-Iiischungsverhältnis gezeichnet wird. Bei diescr Verschiebung ändert oicli die Kurvenfortn nicht oder nur un— wesentlich. Allgemein ist feststellbar, daß sich dor Widerstand, in dor NUhe dos atöchiouiotrischcn Mischungsverhältnisses sehr i*o.seh. ändert, und daß beträchtliche Tetaperaturschwankungen toleriert werden können, wenn die Messungen in der Nähe dieses stöchioBietriüchen Mischungsverhältnisses vorgouomtnen werden lcba— neu ο

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Claims

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1. Messeinrichtung für das Mischungsverhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei'Verbrennungsiaascainon, insbesondere hei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, g e k e η η ζ ei eh ή et. durch einen entweder detii der Verbrennungsmaschine zur Verbrennung zugeführten Luf t-Kraf tstoff-Geinisch oder den Verbrennungs- oder Auspuffgasen ausgesetzten Sensor (22), der aus einer Sauerstoffatome enthaltenden, wenigstens zwei Met-alloxydatidiiszustände et— v/a gleicher Energien aufweisenden Metallverbindung, welche iia Verhältnis zu dein Gleichgewichtszustand des Sauerstoffdruckes des

. jeweiligen Gasgemisches, welchesi der Sensor ausgesetzt ist, zu einer Reduktion oder einer Oxydation aus dem einen dieser beiden Oxydationszustände in den anderen Zustand fähig ist, sowie weiterhin wenigstens zwei Slektroden₅(38, 40) besteht, die an dem Sensor (22) befestigt und über wenigstens einen Teil der Metallverbindung auf Abstand zueinander angeordnet sind und an die eine Meßbrücke (^lt^lt) zum Messen ihres elektrischen Wider Standes angeschlossen ist.

2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung ein iibergangsmetaloxyd ist.

3. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensor (22) als eine relativ dünne Scheibe aus gesinterten Teilchen des Übergangsmetalloxyds ausgebildet ist. ^

h. Messeinrichtung nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch g e kennzeichnet , daß der Sensor (22) aus wenigstens zwei Scheiben (j2_f 3^) besteht, zwischen welchen die beiden Elektroden (38, hO) eingebettet sind.

5. Messeinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) mit einer seine Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen haltenden Heizeinrichtung (36) ausgerüstet -ist.

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6. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge Ir on η so lehnet , daß die Heizeinrichtung aus einem in den Sensor (22) eingebetteten Heizdraht (36) besteht.

7. Messeinrichtung mindestens nach den Ansprüchen h. und 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensor (>°-2) eine dritte Scheibe (30) in Sandwichanordnung aufweist, wobei der Heizdraht (36) zwischen diese dritte Scheibe (j>0) und die riittlere üclieibo (32) eingebettet ist»

0. Messeinrichtung mindestens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensor (22) auch noch ovit.oineia eingebetteten Therraoelement (42) ausgerüstet ist,

9. Verfahren zum Herstellen des Sonsors der Messeinrichtung nacli den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e k e η η ζ e i c h u e fc , daß zunächst ausder in Pulverform vorliegenden Metallvorbindung eine Aufschlämmung vorbereitet wird, welche dann getrocknet und zu Scheiben geformt wird, worauf zwischen jeweils zwei Scheiben die zwei Elektroden gelegt und schließlich die so erhaltene Sandwichanordnung nach einem ggf. vorausgehenden Zusammenpressen gebrannt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Sandwichanordnung vor ihrem Brennen mit einer dritten Scheibe unter Zwischenfügung eines Ileizdrahtes und ggf. auch unter Zwischenfiigung eines Thermoelements zwischen eines dor beiden Scheibenpaare vervollständigt wird.

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