DE2601404A1

DE2601404A1 - Anordnung zur ueberwachung der zusammensetzung von abgasen

Info

Publication number: DE2601404A1
Application number: DE19762601404
Authority: DE
Inventors: Jack Graham Firth; Thomas Alwyn Jones; Brenda Rimmington; Yorkshire Sheffield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1975-01-17
Filing date: 1976-01-15
Publication date: 1976-07-22
Also published as: GB1529461A; JPS5196393A; FR2298104A1; IT1055809B; FR2298104B1; US4057996A

Description

MÜLLER-B ORE · OROENING · DEUFEL · SCHÖN · HERTEL

PATENTANWÄLTE

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DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE {PATENTANWALT VON 1927-1975) HANS W. GROENING, D1PL.-ING. DR. PAULDEUFEL, DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

Hl/We/th - N 1232

Jan,

NATIONAL. EESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION 66-74- Victoria Street, London SW1, England

Anordnung zur Überwachung der Zusammensetzung von Abgasen

"- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung der Zusammensetzung von Abgasen, die von einer Vorrichtung für die gesteuerte Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Treibstoff abgegeben werden.

Eine besondere Notwendigkeit für solche Anordnungen besteht in Verbindung mit dem Bestreben, eine Einrichtung zur automatischen Steuerung der Zusammensetzung eines Treibstoff-Luft-Gemisches zu ermöglichen, welches einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, und zwar in der Weise, daß der Treibstoffverbrauch und die Emission von schädlichen Gasen wie Kohlenmonoxid auf ein Minimum gebracht werden. Für einen wirksamen Betrieb in diesem Falle muß das Überwachungssystem dazu in der Lage sein, auf Veränderungen in der Konzentration des Sauerstoffs und/oder der reduzierenden Gase in den Abgasgemischen anzusprechen, und zwar in einem weiten Bereich von Treibstoff-Luft-Gemischen, die auf beiden Seiten des stöchiometrischen

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Verhältnisses zwischen Luft und Treibstoff liegen, und zwar für eine vollständige Oxidation, und das System muß insbesondere auf Veränderungen in den Abgasgemischen ansprechen, welche mageren Treibstoff-Luft-Gemischen entsprechen (d. h. bei Gemischen, welche einen niedrigeren Anteil an Treibstoff enthalten, als es den stöchiometrischen Verhältnissen entspricht) Eine besonders wesentliche praktische Betrachtung besteht darin, daß das Überwachungssystem einen Übertrager verwenden sollte, der eine monotone Veränderung in einem meßbaren Parameter über den wesentlichen Bereich der Abgaszusammensetzungen liefert. lur Zusammensetzungen, welche fetten Einlaßgemischen entsprechen, spricht der Übertrager hauptsächlich auf Veränderungen in der Konzentration von reduzierenden Gasen im Abgasgemisch an, während bei Zusammensetzungen, welche mageren Einlaßgemischen entsprechen, der Übertrager hauptsächlich auf Verände- rungen in der Konzentration von Sauerstoff im Abgasgemisch anspricht. Die obigen Betrachtungen gelten für alle Typen von Brennkraftmaschinen, und ähnliche Überlegungen sind im Falle anderer Typen von Verbrennungseinrichtungen (wie öfen) anwendbar, wo es zweckmäßig sein kann, die Zusammensetzung des Einlaßgemisches aus Brennstoff und Luft zu überwachen (oder eine andere, Sauerstoff enthaltende Komponente), und zwar in Eeaktion auf Veränderungen in der Zusammensetzung der Abgase, welche von der Einrichtung abgegeben werden.

Es ist hinreichend bekannt, daß die elektrischen Leitfähigkeiten vieler Halbleiter-Metalloxide auf die Konzentration von oxidierenden und/oder reduzierenden Gasen in den Atmosphären oberhalb ihrer Oberflächen ansprechen, und daß Gasfühlerwiderstände, welche aus solchen Oxiden aufgebaut sind, dazu in der Lage sind, bei verhältnismäßig hohen Temperaturen in zufrieden- · stellender Weise zu arbeiten. Es wurde daher bisher der

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Möglichkeit Aufmerksamkeit gewidmet, daß solche Widerstände zur Anwendung als Übertrager in Überwachungssystemen der oben diskutierten Art geeignet sein könnten. Beispielsweise wird auf die britische Patentschrift 1 376 769 hingewiesen, welche insbesondere die Verwendung von Übergangsmetalloxiden und von Oxiden seltener Erden in diesem Zusammenhang erwähnt.

Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß insbesondere zufriedenstellende Ergebnisse durch die Verwendung von Gasfühlerwiderständen erreicht werden können, welche im wesentlichen aus Galliumoxid bestehen (GapO*). Die Leitfähigkeitswerte von Halbleiter-Metalloxiden ändern sich mit der Temperatur beträchtlich, und es ist somit ersichtlich, daß dann, wenn ein Gasfühlerw-i Verstand aus Galliumoxid in einem Überwachungssystem der oben beschriebenen Art verwendet wird, der Widerstand auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden muß, wenn das System beständig arbeiten soll. Da diese Temperatur oberhalb der Temperatur der Abgase liegen muß, welchen der Widerstand ausgesetzt ist, muß eine Vorkehrung getroffen werden, um den Widerstand in unabhängiger Weise mit Wärme zu versorgen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist somit ein Überwachungssystem für die Zusammensetzung von Abgasen vorgesehen, welche von einer Vorrichtung abgegeben werden, um eine gesteuerte Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Treibstoff oder Brennstoff zu gewährleisten, welches sich dadurch auszeichnet, daß ein Gasfühlerwiderstand verwendet wird, der im wesentlichen aus Galliumoxid besteht und derart angeordnet ist, daß er beim Betrieb der Einrichtung den Abgasen ausgesetzt wird, daß weiterhin eine Einrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, den Widerstand auf eine im wesentlichen konstanten Temperatur oberhalb der Temperatur der Abgase zu halten, welchen

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der Widerstand ausgesetzt ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um ein Signal zu erzeugen, welches von dem Widerstandswert des Widerstandes abhängt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Einrichtung zur Verwendung in einem solchen System ein Gasfühlerwiderstand hat, der im wesentlichen aus Galliumoxid besteht, welches der Berührung mit einer gasförmigen Umgebung ausgesetzt ist, und daß eng benachbart zu dem Gasfühlerwiderstand eine elektrische Widerstandsheizung vorhanden ist und in der Weise betätigbar ist, daß sie den Widerstand auf eine Temperatur von wenigstens"900 ⁰C aufheizt.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Yeranschaulichung

Fig. 2 eine Darstellung einer Gasfühlereinrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Fühlerkopf, welcher mit einer Einrichtung gemäß Fig. 2 ausgestattet ist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teiles einer herkömmlichen Brennkraftmaschine im Teilschnitt, welche mit einem Fühlerkopf gemäß Fig. 3 ausgestattet ist, und

Fig. 5 ein Diagramm, welches die elektrische Schaltung eines Überwachungssystems veranschaulicht, welches der in der Fig. 4 dargestellten Maschine zugeordnet ist.

Die Ergebnisse, welche erreichbar sind, wenn ein Überwachungssystem gemäß der Erfindung verwendet wird, lassen sich anhand der Fig. 1 zeigen, welche darstellt, wie der (in Megaohm ausgedrückte) Widerstand eines typischen Galliumoxid-Gasfühlerwiderstandes sich verändert, der im Abgassystem einer herkömmlichen Brennkraftmaschine angeordnet ist und auf einer Temperatur von 900 C gehalten wird, wenn das Massenverhältnis zwischen der Luft und dem Treibstoff beim Einlaßgemisch verändert wird. Es ist zu bemerken, daß das stöchiometrische Verhältnis einen Wert von 15 hat, und es ist normalerweise anzustreben, die Maschine mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis im Bereich von 15,5 bis zu betreiben. Das Verhalten von Galliumoxid in dieser Beziehung steht in deutlichem Gegensatz zu demjenigen von anderen hitzebeständigen Metalloxiden, welche untersucht wurden, beispielsweise Titanoxid, Vanadiumpentoxid, Chromoxid und Ceriumoxid,

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und zwar unter ähnlichen Bedingungen, wie sie oben angegeben sind, denn Gasfühlerwiderstände, welche diese anderen Oxide verwenden, zeigen eine Schaltcharakteristik oder eine Sprungcharakteristik, bei welcher eine stufenweise Widerstandsveränderung auftritt (in einigen Fällen mit verschiedenen Größenordnungen) , und zwar bei oder in der Nähe von einem stöchiometrischen Verhältnis, während nur leichte Wider^öandsveränderungen bei einer Änderung der Zusammensetzung des Einlaßgemisches auf beiden Seiten dieses Verhältnisses auftreten. Eine solche Charakteristik ist natürlich wenig zweckmäßig, wenn Anwendungsfälle in Frage kommen, bei denen eine Feineinstellung der Zusammensetzung des Einlaßgemisches erforderlich ist, insbesondere in dem wesentlichen Bereich von mageren Gemischen.

Weitere wesentliche Faktoren sind folgende: Galliumoxid zeigt ein rasches Ansprechen auf Veränderungen in der Gaskonzentration (mit einer Zeitverzögerung, die wesentlich kürzer ist als eine Sekunde); es ist stabil, wenn es einem reduzierenden und einem oxidierenden Abgas bei Temperaturen bis zu wenigstens 900 ⁰C ausgesetzt wird, so daß es in der Nähe des Verbrennungsbereiches der Vorrichtung angeordnet werden kann, deren Abgase überwacht werden sollen (wie es wünschenswert ist, um ein rasches Ansprechen auf Veränderungen der Einlaßbedingungen zu gewährleisten); es zeigt eine vernachlässigbare Veränderungscharakteristik, wenn wiederholt Zyklen zwischen erhöhten Betriebstemperaturen und atmosphärischen Betriebstemperaturen auftreten, es läßt sich läßt in mechanisch fester Form aufbringen, so daß die Voraussetzungen bestehen, Gasfühlerwiderstände wirtschaftlich herzustellen.

Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 5 der Zeichnung beschrieben.

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Die in der Fig. 2 dargestellte Einrichtung weist einen Gasfühlerwiderstand 1 in der Form einer dünnen Galliumoxidschicht auf, die auf die Oberfläche einer geschmolzenen Glasperle 2 aufgebracht ist, die annähernd kugelförmige Gestalt und einen Durchmesser von 1 mm hat. Der Widerstand 1 ist mit Leitungen 3 und 4 ausgestattet, welche durch Drähte gebildet werden, die teilweise in der Perle 2 eingebettet sind. Da die Einrichtung bei Temperaturen in der Größenordnung von 900 ⁰C arbeiten soll, wird für die Glasperle 2 ein hochschmelzendes Glas verwendet, welches einen Erweichungspunkt von etwa 1200 ⁰C hat. Die Einrichtung weist weiterhin eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung 5 auf, die aus einer bestimmten Länge eines Platinum-

odium-Drahtes gebildet wird, dessen mittlerer Teil in der Form einer Spule gewickelt ist, die in der Perle 2 eingebettet' ist, wobei die Heizeinrichtung 5 typischerweise einen Widerstand in der Größenordnung von wenigen Ohm bei der Betriebstemperatur der Einrichtung aufweist. Es ist wesentlich zu bemerken, daß die Heizeinrichtung 5 einen nennenswerten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist. Bei der Herstellung der Einrichtung kann der Widerstand 1 zweckmäßigerweise dadurch hergestellt werden, daß ein wäßriger Schlamm von Galliumoxid auf die Oberfläche der Perle 2 aufgebracht wird und dann die Perle 2 mit Hilfe der Heizeinrichtung 5 auf eine Temperatur oberhalb von 500 ⁰C aufgeheizt wird, um auf diese Weise einen zusammenhängenden und anhaftenden Film von Galliumoxid auszubilden. Der Schlamm läßt sich zweckmäßigerweise dadurch herstellen, daß Galliumoxid auf eine durchschnittliche Partikelgröße von 20 Mikron gemahlen wird und dann das gemahlene Oxid mit dem gleichen Gewicht von Wasser gemischt wird.

Zur überwachung der Zusammensetzung von Abgasen, welche von einer Brennkraftmaschine abgegeben werden, wird die Einrichtung gemäß Fig. 2 in einem Fühlerkopf angeordnet, wie er in der Fig. 3 veranschaulicht ist. In diesem Fühlerkopf ist die

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Gasfühlereinrichtung 6 in dem einen Ende einer Metallhülse 7 angeordnet, die einen Flansch 8 aufweist und ein Gewindeteil 9 im Bereich ihres anderen Endes hat. Die Einrichtung 6 wird durch die Leitungen 3' und 4 gehalten, und die Enden der Heizeinrichtung 5 sind mit vier Drähten 10 verbunden, welche durch getrennte Bohrungen in einem keramischen Stopfen 11 hindurchgehen. Der keramische Stopfen 11 ist innerhalb der Hülse 7 mit Hilfe einer Schicht 12 aus einem hitzebeständigen Klebstoff angebracht. Die Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine herkömmliche Brennkraftmaschine, welche mit einem Fühlerkopf 13 der in der Fig. 3 dargestellten Form ausgestattet ist. Der Fühlerkopf 13 ist im Abgassystem 14 der Maschine an einer Stelle angeordnet, welche benachbart zu dem Zylinderblock 15 liegt, und eine elektrische Verbindung zu dem Kopf 13 ist mit Hilfe eines vieradrigen Kabels 16 hergestellt. Es ist ersichtlich, daß die Einrichtung 6 im Kopf 13 gegen den Einfluß der Strömung der Abgase durch die Hülse 7 geschützt ist. Die Temperatur der Abgase an der Stelle des Kopfes 13 liegt beim normalen Betrieb der Maschine in der Größenordnung von 700 ⁰C und demgemäß ist die Einrichtung 6 derart angeordnet und ausgebildet, daß sie bei einer Temperatur von etwa 900 ⁰C betrieben werden kann.

Gemäß Fig. 5 ist zu diesem Zweck die Heizeinrichtung 5 Einrichtung 6 in einem Arm einer Wheatstone-Brückenschaltung 17 angeordnet (die nur schematisch dargestellt ist, da sie an sich bekannt ist), wobei die Schaltung 17 mit Strom von einer Quelle 18 versorgt wird, und zwar mit einer Konstantspannung über eine elektrisch steuerbare Impedanzeinrichtung 19 (die zweckmäßigerweise ein Leistungstransistor ist). Die Bauelemente der Schaltung 17 (die alle einen verhältnismäßig geringen Widerstand haben) sind derart gewählt, daß .die Schaltung 17 im wesentlichen abgeglichen ist, wenn der Widerstand der

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Heizeinrichtung 5 einen Wert hat, welcher der gewünschten Betriebstemperatur der Einrichtung 6 entspricht. Irgendeine Spannung von der Schaltung 17, welche den abgeglichenen Zustand verändert, wird einem Differentialverstärker 20 zugeführt, dessen Ausgangssignal dazu verwendet wird, die Einrichtung 19 in einem Sinne zu steuern, daß die Tendenz besteht, den abgeglichenen Zustand der Schaltung 17 wieder herzustellen. Somit wird eine Servoschleife gebildet, welche in der Weise arbeitet, daß der Strom gesteuert wird, welcher der Schaltung 17 zugeführt wird, und zwar in der Weise, daß der Widerstand der Heizeinrichtung 5 im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird, welcher bei der gewünschten Betriebstemperatur vorliegt.

Ein Widerstand 1 der Einrichtung 6 ist in einer herkömmlichen Widerstandsmeßschaltung 21 angeordnet (beispielsweise in einer Wheatstone-Brückenschaltung), die auch von der Quelle 18 mit Strom versorgt wird. Die Schaltung 21 hat Ausgangsklemmen 22, zwischen denen eine Spannung auftritt, welche von dem Wert des Widerstandes 1 abhängt und somit von der Zusammensetzung des Luft-Treibstoff-Gemisches, welches der Maschine zugeführt wird. Das durch diese Spannung gebildete Signal kann in geeigneter Weise dazu verwendet werden, einen (nicht dargestellten) Servomechanismus zu steuern, welcher in der Weise arbeitet, daß automatisch die Einstellung des Vergasers oder einer ähnlichen (nicht dargestellten) Einrichtung verändert wird, welche zu der Maschine gehört, und zwar in der Weise, daß eine gewünschte Zusammensetzung des Einlaßgemisches aufrechterhalten wird. Im Hinblick auf den hohen Widerstandswert des Widerstandes 1 (der typischerweise in der Größenordnung einiger Megaohm liegt, bei einer Temperatur von 900 ⁰C, wenn das Luft-Treibstoff-Verhältnis des Einlaßgemisches stöchiometrisch ist), liegt natürlich der durch die Schaltung 21 von der Quelle 18 entnommene Strom viel niedriger als der von der Schaltung 17 gezogene Strom.

- Patentansprüche 609830/0658

Claims

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Patentansprüche

Anordnung zur Überwachung der Zusammensetzung von Abgasen, die von einer Vorrichtung für die überwachte Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Treibstoffes abgegeben werden, wobei die Anordnung einen Gasfühlerwiderstand aufweist, welcher derart angeorndet ist, daß er im Betrieb der Vorrichtung den Abgasen ausgesetzt ist, wobei weiterhin eine Heizeinrichtung vorhanden ist, um den Widerstand auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur oberhalb der Temperatur der Abgase zu halten, welchen der Widerstand ausgesetzt ist, und wobei eine Signalerzeugungseinrichtung auf den Widerstandswert des Widerstandes anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im wesentlichen aus G-alliumoxid besteht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand durch einen PiIm bzw. eine dünne Schicht aus Galliumoxid gebildet ist, welche an der Oberfläche einer geschmolzenen Glasperle haftet, und daß die Heizeinrichtung eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung ist, welche aus einem Stück Draht gebildet ist, dessen mittlerer Teil die iOrm einer in der Perle eingebetteten Spule oder Wendel· aufweist.
3· Einrichtung zur Verwendung in einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Gasfühlerwiderstand aufweist, der im wesentlichen aus Galliumoxid besteht und der gasförmigen Umgebung ausgesetzt ist, und daß eine elektrische Widerstandsheizung räumlich eng benachbart zu dem Gasfühlerwiderstand angeordnet und derart betätigbar ist, daß der Widerstand auf eine Temperatur von wenigstens 900 ⁰C aufheizbar ist.

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4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einem Film bzw. einer dünnen Schicht von Galliumoxid gebildet ist, welches an der Oberfläche einer geschmolzenen Glasperle haftet, und daß die Heizeinrichtung aus einem Stück Draht gebildet ist, dessen mittlerer Teil in der Form einer Spule oder Wendel in der Perle angeordnet ist.

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