EP2059797A1 - Circuit arrangement for operating a guide probe - Google Patents

Circuit arrangement for operating a guide probe

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Publication number
EP2059797A1
EP2059797A1 EP07788118A EP07788118A EP2059797A1 EP 2059797 A1 EP2059797 A1 EP 2059797A1 EP 07788118 A EP07788118 A EP 07788118A EP 07788118 A EP07788118 A EP 07788118A EP 2059797 A1 EP2059797 A1 EP 2059797A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
probe
exhaust gas
circuit arrangement
resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07788118A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Schaak
Goetz Reinhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2059797A1 publication Critical patent/EP2059797A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for operating a downstream of a catalyst arranged guide probe with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • an exhaust gas probe has become known in which the electrode exposed to the exhaust gas is covered by a porous ceramic protective layer in which catalytically active substances are discretely and homogeneously distributed such that the discretely distributed catalytically active substances, preferably platinum , are active at elevated temperature, whereas homogeneously distributed active components, preferably rhodium, are active at low temperature. Due to the small amounts of substance of these substances, an improvement of the sensor control position, in particular at low temperatures, is achieved in particular. The sensor is also easy to manufacture in terms of manufacturing technology.
  • the transition from a rich to a lean mixture is measured by measuring the potential between the exhaust gas electrode and the reference electrode exposed to a defined oxygen gas such as the ambient air.
  • This transition manifests itself in a sharp jump in probe voltage in the transition from a rich to a lean mixture, often referred to as a lambda jump.
  • the exhaust gas electrode is separated by a porous protective layer covering the exhaust gas electrode. The protective layer not only serves the mechanical protection of the exhaust gas electrode, it also increases the so-called poisoning resistance.
  • jump probes are used as guide probes. These guide probes are used to monitor the catalyst and are used in addition to the adjustment of the mixing mixture regulating probe upstream of the catalyst, the so-called Vorkat probe.
  • a disadvantage of the setting of such a high control point is that the probe voltage even at a constant lambda depends on the ratio of the fat gas components carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
  • the gas composition at the control point also depends strongly on the probe temperature. This strong gas and temperature dependence has increased workload for optimum coordination of the control system.
  • the catalyst can change over a longer time after a rich / lean change
  • the invention is therefore based on the object to provide a circuit arrangement which allows the increase in the accuracy of the fat gas measurement in a very small area with low concentrations of fat gas.
  • the temperature dependence of the measurement signal should be reduced.
  • the circuit arrangement according to the invention for operating a guide probe arranged downstream of the catalytic converter has the advantage that fat gas components in the exhaust gas can be detected by means of a known jump probe.
  • a known jump probe By arranged between the reference electrode and the exhaust electrode, an oxygen ion transport between the reference electrode and the exhaust electrode selectively influencing resistance is achieved in a very advantageous manner, a linear characteristic behavior at low concentrations of fat.
  • jump probes can be used as guide probes that do not require any additional circuit complexity.
  • the output signal is based on the known measurement of the probe voltage of such a jump probe.
  • the resistance is chosen so that the probe voltage dropping above it is lower than the Nernst voltage of the guide probe.
  • Advantageous values of the resistance vary between 5,000 and 20,000 ohms.
  • the resistance and the porous coating are preferably matched to one another in such a way that the fatty-acid molecules collecting in the porous coating are completely oxidized by the oxygen-ion transport caused by the resistance.
  • the porosity and thickness of the porous coating is advantageously adjusted so that at a hydrogen content of 100 ppm, an oxidation current in the range of 20 to 60 ⁇ A flows.
  • the values for the resistors and the oxidation current apply to the electrode size used.
  • the sensitivity to CO can be reduced.
  • the output signal of the guide probe is then proportional to the hydrogen partial pressure.
  • Fig. 1 shows schematically the construction of an exhaust gas probe
  • FIGS. 2 a and 2 b schematically illustrate circuit arrangements for operating a guide probe making use of the invention
  • Fig. 3 shows the probe voltage as a function of the lambda value in typical background cat gas compositions
  • FIG. 4 shows the probe voltage above the concentration of hydrogen at two different resistors connected between the reference electrode and the exhaust gas electrode according to FIG. 2a.
  • An exhaust gas probe shown in FIG. 1, has a solid electrolyte 100 in which, in a manner known per se, a reference electrode 110 and an exhaust gas electrode 120 are arranged.
  • the exhaust gas electrode 120 is exposed to an exhaust gas 150, it is covered by a single or multilayer porous protective layer 130.
  • the exhaust gas probe with the exhaust gas electrode 120 and the reference electrode 110 form an independent voltage source.
  • FIG. 1 schematically shows the flow of oxygen ions (O 2 " ions) from the reference electrode 110 to the exhaust gas electrode 120 and, for the example of carbon monoxide, the flow of carbon monoxide CO through the porous coating 130 Exhaust electrode 120 shown.
  • O 2 " ions oxygen ions
  • CO carbon monoxide
  • FIG. 2 A circuit arrangement for operating a probe shown in Fig. 1 is shown schematically in Fig. 2. Accordingly, the exhaust electrode 120 is connected to a terminal 220 and the reference electrode 110 is connected to a terminal 210 to measure the probe voltage U s . Between the terminal 210 and the terminal 220 is a resistor Rx (see Fig. 2a). Alternatively, an additional parallel resistor R p may be provided between the terminal 210 and the reference electrode 110, as shown schematically in FIG. 2b. This resistance is 56 k ⁇ , for example. Through the resistor Rx, which is connected in parallel to the reference electrode 110 and to the exhaust gas electrode 120, flows a significant flow of O 2 " ions from the reference electrode 110 to
  • Exhaust electrode 120 This current flowing through the solid electrolyte 100 forming the probe is effectively trapped at the exhaust electrode 120 by the above-mentioned reactions with the rich gases H 2 and CO.
  • FIG. 3 shows the probe voltage U s above the lambda value in such a probe.
  • FIG. 3a shows an uncoupled probe with the typical lambda jump at lambda equal to 1 and at 3 different probe temperatures.
  • the set lambda value varies by 0.35% o in lambda.
  • the slope dU / d ⁇ at the control point is -110 V at
  • FIG. 3b shows the same probe with a resistance Rx of 15 k ⁇ and the circuit from FIG. 2a for the same temperatures.
  • a linear progression between probe voltage and lambda is found in the range of probe voltages between 0.2 V and 0.45 V independent of the probe temperature. In this range, the characteristic is almost independent of the probe temperature.
  • a control point of 350 mV a variation in lambda of 0.03% o results. This is more than an order of magnitude less than the uncoupled probe.
  • the slope at the control point dU / d ⁇ with a value of -670 V is greater by a factor of approx. 6 than with the uncoupled probe. This significantly facilitates the regulation to the control point.
  • FIG. 4 shows the probe voltage as a function of the hydrogen content for resistors Rx of 8 k ⁇ and 16 k ⁇ .
  • the value of the resistance sets the linear range for a set porosity of the coating.
  • the characteristic curve is between 40 ppm and 120 ppm H 2 linear, at 8 k ⁇ between 80 ppm and 220 ppm.
  • the resistance Rx is generally chosen such that the resulting probe voltage Us is significantly lower than the associated Nernst voltage of the probe in the de-energized state. This condition limits the upper voltage 0.45 V to 0.5 V. At probe voltage lower than 0.2 V oxygen is still released as a further electrode reaction.
  • the parallel reaction increases the current or the probe voltage U s .
  • protective layers 130 which are more dense than protective layers in the case of jump sensors known per se are used in this jumping probe used as a guide probe.
  • a larger reference air channel can be provided.

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Abstract

A circuit arrangement for operating a guide probe which is arranged behind a catalytic converter and has at least one reference electrode which is arranged in a solid electrolyte, an exhaust gas electrode which is exposed to the exhaust gas and a porous ceramic coating which covers the exhaust gas electrode is characterized in that a resistor which influences the transport of oxygen ions between the reference electrode and the exhaust gas electrode in a targeted manner is arranged between the reference electrode and the exhaust gas electrode.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Schaltungsanordnung zum Betreiben einer FührungssondeCircuit arrangement for operating a guide probe
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer stromabwärts eines Katalysators angeordneten Führungssonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a circuit arrangement for operating a downstream of a catalyst arranged guide probe with the features mentioned in the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Aus der DE 41 00 106 Cl ist eine Abgassonde bekannt geworden, bei der die dem Abgas ausgesetzte Elektrode durch eine poröse keramische Schutzschicht überdeckt ist, in der katalytisch aktive Stoffe diskret und homogen derart verteilt sind, dass die diskret verteilten katalytisch aktiven Stoffe, vorzugsweise Platin, bei erhöhter Temperatur aktiv sind, wohingegen homogen verteilte aktive Komponenten, vorzugsweise Rhodium, bei niedriger Temperatur aktiv sind. Durch die geringen Stoffmengen dieser Substanzen wird insbesondere eine Verbesserung der Sensor- Regellage, insbesondere bei niedrigen Temperaturen erreicht. Der Sensor ist darüber hinaus fertigungstechnisch einfach herzustellen.From DE 41 00 106 Cl, an exhaust gas probe has become known in which the electrode exposed to the exhaust gas is covered by a porous ceramic protective layer in which catalytically active substances are discretely and homogeneously distributed such that the discretely distributed catalytically active substances, preferably platinum , are active at elevated temperature, whereas homogeneously distributed active components, preferably rhodium, are active at low temperature. Due to the small amounts of substance of these substances, an improvement of the sensor control position, in particular at low temperatures, is achieved in particular. The sensor is also easy to manufacture in terms of manufacturing technology.
In derartigen Abgassensoren mit sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wird der Übergang von einem fetten zu einem mageren Gemisch durch Messung des Potenzials zwischen der Abgaselektrode und der Referenzelektrode, die einem Gas mit definiertem Sauerstoffgehalt ausgesetzt ist, wie beispielsweise der Um- gebungsluft, gemessen. Dieser Übergang äußert sich in einem starken Sprung der Sondenspannung beim Übergang von einem fetten zu einem mageren Gemisch, der häufig auch als Lambda-Sprung bezeichnet wird. Die Abgaselektrode ist durch eine poröse Schutzschicht, die die Abgaselektrode überdeckt, getrennt. Die Schutzschicht dient nicht nur dem mechanischen Schutz der Abgaselektrode, sie erhöht auch die so genannte Vergiftungsresistenz.In such exhaust gas sensors with oxygen ion conductive solid electrolyte, the transition from a rich to a lean mixture is measured by measuring the potential between the exhaust gas electrode and the reference electrode exposed to a defined oxygen gas such as the ambient air. This transition manifests itself in a sharp jump in probe voltage in the transition from a rich to a lean mixture, often referred to as a lambda jump. The exhaust gas electrode is separated by a porous protective layer covering the exhaust gas electrode. The protective layer not only serves the mechanical protection of the exhaust gas electrode, it also increases the so-called poisoning resistance.
Zur Überwachung von Abgaszusammensetzungen stromabwärts eines Katalysa- tors werden derartige Sprungsonden als Führungssonden eingesetzt. Diese Führungssonden dienen der Überwachung des Katalysators und werden zusätzlich zum Abgleich der die Gemischbildung regelnden Sonde stromaufwärts des Katalysators, der sogenannten Vorkat-Sonde, eingesetzt. Die Regelung und die Überwachung einer solchen stromabwärts des Katalysators eingesetzten Füh- rungssonde basiert auf einem Regelpunkt, der geringfügig vom stöchiometri- schen Punkt (Lambda = 1) in den Fettbereich verschoben ist. Dabei kommen Regelspannungen im Bereich von 600 mV bis 700 mV zum Einsatz.For monitoring exhaust gas compositions downstream of a catalyst, such jump probes are used as guide probes. These guide probes are used to monitor the catalyst and are used in addition to the adjustment of the mixing mixture regulating probe upstream of the catalyst, the so-called Vorkat probe. The control and monitoring of such a guide probe used downstream of the catalytic converter is based on a control point that is slightly shifted from the stoichiometric point (lambda = 1) into the rich range. In this case, control voltages in the range of 600 mV to 700 mV are used.
Nachteilig bei der Einstellung eines derartig hohen Regelpunktes ist es, dass die Sondenspannung selbst bei konstantem Lambda vom Verhältnis der Fettgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) abhängt. Darüber hinaus hängt die Gaszusammensetzung am Regelpunkt auch noch stark von der Sondentemperatur ab. Diese starke Gas- und Temperaturabhängigkeit hat einen erhöhten Arbeitsaufwand zur optimalen Abstimmung des Regelsystems zur FoI- ge. Der Katalysator kann nach einem fett/mager Wechsel über einen längerenA disadvantage of the setting of such a high control point is that the probe voltage even at a constant lambda depends on the ratio of the fat gas components carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). In addition, the gas composition at the control point also depends strongly on the probe temperature. This strong gas and temperature dependence has increased workload for optimum coordination of the control system. The catalyst can change over a longer time after a rich / lean change
Zeitraum die Gasgleichgewichte unterschiedlich gut einstellen. Unter bestimmten Umständen gibt es Arbeitsbereiche in denen keine Regelung auf einen konstanten Lambdawert im System aufgrund der unterschiedlichen Gaszusammensetzung möglich ist.Period adjust the gas equilibria differently. In certain circumstances, there are work areas where no regulation of a constant lambda value in the system is possible due to the different gas composition.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu vermitteln, welche die Erhöhung der Genauigkeit der Fettgasmessung in einem sehr kleinen Bereich mit geringen Fettgaskonzentrationen ermöglicht. Darüber hinaus soll die Temperaturabhängigkeit des Messsignals verringert werden.The invention is therefore based on the object to provide a circuit arrangement which allows the increase in the accuracy of the fat gas measurement in a very small area with low concentrations of fat gas. In addition, the temperature dependence of the measurement signal should be reduced.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Führungssonde hat den Vorteil, dass mittels einer an sich bekannten Sprungsonde Fettgaskomponenten im Abgas nachgewiesen werden können. Durch den zwischen der Referenzelektrode und der Abgas- elektrode angeordneten, einen Sauerstoffionentransport zwischen der Referenzelektrode und der Abgaselektrode gezielt beeinflussenden Widerstand wird auf sehr vorteilhafte Weise ein lineares Kennlinienverhalten bei Fettgaskonzentrationen erreicht. Von besonderem Vorteil ist es auch, dass Sprungsonden als Führungssonden einsetzbar sind, die keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand erfor- dem. Das Ausgangssignal beruht auf der an sich bekannten Messung der Sondenspannung einer derartigen Sprungsonde.Advantages of the invention The circuit arrangement according to the invention for operating a guide probe arranged downstream of the catalytic converter has the advantage that fat gas components in the exhaust gas can be detected by means of a known jump probe. By arranged between the reference electrode and the exhaust electrode, an oxygen ion transport between the reference electrode and the exhaust electrode selectively influencing resistance is achieved in a very advantageous manner, a linear characteristic behavior at low concentrations of fat. It is also particularly advantageous that jump probes can be used as guide probes that do not require any additional circuit complexity. The output signal is based on the known measurement of the probe voltage of such a jump probe.
Der Widerstand wird so gewählt, dass die über ihm abfallende Sondenspannung niedriger ist als die Nernstspannung der Führungssonde. Vorteilhafte Werte des Widerstands variieren zwischen 5000 und 20000 Ohm.The resistance is chosen so that the probe voltage dropping above it is lower than the Nernst voltage of the guide probe. Advantageous values of the resistance vary between 5,000 and 20,000 ohms.
Bevorzugt werden der Widerstand und die poröse Beschichtung so aufeinander abgestimmt, dass durch den durch den Widerstand hervorgerufenen Sauerstoffionentransport die sich in der porösen Beschichtung sammelnden Fettgasmolekü- Ie vollständig oxidiert werden.The resistance and the porous coating are preferably matched to one another in such a way that the fatty-acid molecules collecting in the porous coating are completely oxidized by the oxygen-ion transport caused by the resistance.
Die Porosität und Dicke der porösen Beschichtung wird vorteilhaft so eingestellt, dass bei einem Wasserstoffgehalt von 100 ppm ein Oxidationsstrom im Bereich von 20 bis 60 μA fließt. Die Werte für die Widerstände und den Oxidationsstrom gelten für die verwendete Elektrodengröße. Bei Veränderung der geometrischenThe porosity and thickness of the porous coating is advantageously adjusted so that at a hydrogen content of 100 ppm, an oxidation current in the range of 20 to 60 μA flows. The values for the resistors and the oxidation current apply to the electrode size used. When changing the geometric
Fläche der Abgaselektrode müssen die Werte entsprechend angepasst werden.Surface of the exhaust gas electrode, the values must be adjusted accordingly.
Durch Wahl geeigneter katalytisch wenig aktiver Elektroden kann die Empfindlichkeit gegenüber CO vermindert werden. Das Ausgangssignal der Führungs- sonde ist dann proportional dem Wasserstoffpartialdruck.By selecting suitable catalytically less active electrodes, the sensitivity to CO can be reduced. The output signal of the guide probe is then proportional to the hydrogen partial pressure.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Brief description of the drawings Further advantages and features of the invention are the subject of the following description and the drawings of exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Abgassonde;Fig. 1 shows schematically the construction of an exhaust gas probe;
Fig. 2a und 2b schematisch von der Erfindung Gebrauch machende Schal- tungsanordnungen zum Betreiben einer Führungssonde;FIGS. 2 a and 2 b schematically illustrate circuit arrangements for operating a guide probe making use of the invention; FIGS.
Fig. 3 die Sondenspannung als Funktion des Lambdawertes bei typischen HinterkatgaszusammensetzungenFig. 3 shows the probe voltage as a function of the lambda value in typical background cat gas compositions
a) ohne Beschaltunga) without wiring
b) mit einer in Fig. 2a dargestellten Beschaltung;b) with a circuit shown in Figure 2a;
Fig. 4 die Sondenspannung über der Konzentration von Wasserstoff bei zwei unterschiedlichen zwischen Referenzelektrode und Abgaselektrode gemäß Fig. 2a geschalteten Widerständen.4 shows the probe voltage above the concentration of hydrogen at two different resistors connected between the reference electrode and the exhaust gas electrode according to FIG. 2a.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Eine Abgassonde, dargestellt in Fig. 1, weist einen Festelektrolyten 100 auf, in dem auf an sich bekannte Weise eine Referenzelektrode 110 und eine Abgaselektrode 120 angeordnet sind. Die Abgaselektrode 120 ist einem Abgas 150 ausgesetzt, sie ist durch eine ein- oder mehrlagige poröse Schutzschicht 130 überdeckt. Die Abgassonde mit der Abgaselektrode 120 und der Referenzelekt- rode 110 bilden eine eigenständige Spannungsquelle.An exhaust gas probe, shown in FIG. 1, has a solid electrolyte 100 in which, in a manner known per se, a reference electrode 110 and an exhaust gas electrode 120 are arranged. The exhaust gas electrode 120 is exposed to an exhaust gas 150, it is covered by a single or multilayer porous protective layer 130. The exhaust gas probe with the exhaust gas electrode 120 and the reference electrode 110 form an independent voltage source.
In Fig. 1 sind schematisch der Strom der Sauerstoffionen (O2"-lonen) von der Referenzelektrode 110 zur Abgaselektrode 120 sowie, am Beispiel von Kohlenmo- noxid, der Strom von Kohlenmonoxid CO durch die poröse Beschichtung 130 zur Abgaselektrode 120 dargestellt. In der Abgaselektrode 120 findet dabei die folgende Reaktion statt:FIG. 1 schematically shows the flow of oxygen ions (O 2 " ions) from the reference electrode 110 to the exhaust gas electrode 120 and, for the example of carbon monoxide, the flow of carbon monoxide CO through the porous coating 130 Exhaust electrode 120 shown. In the exhaust gas electrode 120, the following reaction takes place:
CO + O2" --> CO2 + 2e".CO + O 2 " -> CO 2 + 2e " .
In der Abgaselektrode 120 findet darüber hinaus eine weitere Reaktion des Fettgases Wasserstoff H2 statt:In addition, a further reaction of the fatty gas hydrogen H 2 takes place in the exhaust gas electrode 120:
H2 + O2" --> H2O + 2e".H 2 + O 2 " -> H 2 O + 2e " .
Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer in Fig. 1 dargestellten Sonde ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Demgemäß ist die Abgaselektrode 120 mit einer Klemme 220 und die Referenzelektrode 110 mit einer Klemme 210 verbunden, um die Sondenspannung Us zu messen. Zwischen der Klemme 210 und der Klemme 220 liegt ein Widerstand Rx an (vergl. Fig. 2a). Alternativ kann auch ein zusätzlicher Parallelwiderstand Rp zwischen der Klemme 210 und der Referenzelektrode 110 vorgesehen sein, wie es schematisch in Fig. 2b dargestellt ist. Dieser Widerstand beträgt beispielsweise 56 kΩ. Durch den Widerstand Rx, der parallel zur Referenzelektrode 110 sowie zur Abgaselektrode 120 geschaltet ist, fließt ein signifikanter Strom von O2"-lonen von der Referenzelektrode 110 zurA circuit arrangement for operating a probe shown in Fig. 1 is shown schematically in Fig. 2. Accordingly, the exhaust electrode 120 is connected to a terminal 220 and the reference electrode 110 is connected to a terminal 210 to measure the probe voltage U s . Between the terminal 210 and the terminal 220 is a resistor Rx (see Fig. 2a). Alternatively, an additional parallel resistor R p may be provided between the terminal 210 and the reference electrode 110, as shown schematically in FIG. 2b. This resistance is 56 kΩ, for example. Through the resistor Rx, which is connected in parallel to the reference electrode 110 and to the exhaust gas electrode 120, flows a significant flow of O 2 " ions from the reference electrode 110 to
Abgaselektrode 120. Dieser durch den Festelektrolyten 100, der die Sonde bildet, fließende Strom wird an der Abgaselektrode 120 durch die oben aufgeführten Reaktionen mit den Fettgasen H2 und CO gewissermaßen aufgefangen.Exhaust electrode 120. This current flowing through the solid electrolyte 100 forming the probe is effectively trapped at the exhaust electrode 120 by the above-mentioned reactions with the rich gases H 2 and CO.
Bei entsprechender Einstellung des Diffusionswiderstands der Schutzschicht 130 und bei einem optimierten Wert des parallel geschalteten Widerstands Rx können Betriebsbedingungen eingestellt werden, bei denen im Grunde jedes in der Schutzschicht 130 ankommende Fettgasmolekül oxidiert wird. Der durch die Anordnung fließende Strom ist dann proportional zur Konzentration zur Komponen- te im Abgas. Damit ist auch die Sondenspannung Us proportional zur Konzentration im Abgas.With appropriate adjustment of the diffusion resistance of the protective layer 130 and with an optimized value of the resistor Rx connected in parallel, operating conditions can be set at which virtually every fatty gas molecule arriving in the protective layer 130 is oxidized. The current flowing through the arrangement is then proportional to the concentration to the component in the exhaust gas. Thus, the probe voltage U s is proportional to the concentration in the exhaust gas.
In Fig. 3 ist die Sondenspannung Us über den Lambdawert bei einer derartigen Sonde dargestellt. Fig3a zeigt dabei eine nicht beschaltete Sonde mit dem typi- schen Lambdasprung bei Lambda gleich 1 und bei 3 verschiedenen Sondentemperaturen. Bei einem üblichen Regelpunkt von 600 mV variiert der eingestellte Lambdawert dabei um 0,35%o in Lambda. Für die Regelung ist es generell günstig, wenn die Signaländerung über Lambda am Regelpunkt sehr hoch ist. Bei der nicht beschalteten Sonde beträgt die Steigung dU/dλ am Regelpunkt -110 V beiFIG. 3 shows the probe voltage U s above the lambda value in such a probe. FIG. 3a shows an uncoupled probe with the typical lambda jump at lambda equal to 1 and at 3 different probe temperatures. At a standard control point of 600 mV, the set lambda value varies by 0.35% o in lambda. For the control, it is generally favorable if the signal change over lambda at the control point is very high. For the unconnected probe, the slope dU / dλ at the control point is -110 V at
7300C.730 0 C.
In Fig 3b ist die gleiche Sonde mit einem Widerstand Rx von 15 kΩ und der Be- schaltung aus Fig. 2a für die gleichen Temperaturen dargestellt. Ein linearer Ver- lauf zwischen Sondenspannung und Lambda wird im Bereich von Sondenspannungen zwischen 0,2 V und 0,45 V unabhängig von der Sondentemperatur gefunden. In diesem Bereich ist die Kennlinie nahezu unabhängig von der Sondentemperatur. Bei einem Regelpunkt von 350 mV resultiert eine Variation in Lambda von 0,03%o. Das ist um mehr als eine Größenordnung geringer als bei der nicht beschalteten Sonde. Die Steigung am Regelpunkt dU/dλ ist mit einem Wert von -670 V um einen Faktor von ca. 6 größer als bei der nicht beschalteten Sonde. Dies erleichtert signifikant die Regelung auf den Regelpunkt. Vorteilhafte Werte für den Regelpunkt liegen zwischen λ = 0,999 und λ = 0,9998.FIG. 3b shows the same probe with a resistance Rx of 15 kΩ and the circuit from FIG. 2a for the same temperatures. A linear progression between probe voltage and lambda is found in the range of probe voltages between 0.2 V and 0.45 V independent of the probe temperature. In this range, the characteristic is almost independent of the probe temperature. At a control point of 350 mV, a variation in lambda of 0.03% o results. This is more than an order of magnitude less than the uncoupled probe. The slope at the control point dU / dλ with a value of -670 V is greater by a factor of approx. 6 than with the uncoupled probe. This significantly facilitates the regulation to the control point. Advantageous values for the control point are between λ = 0.999 and λ = 0.9998.
In Fig 4 ist die Sondenspannung als Funktion des Wasserstoffgehaltes für Widerstände Rx von 8 kΩ und 16 kΩ dargestellt. Durch den Wert des Widerstandes wird bei einer eingestellten Porosität der Beschichtung der lineare Bereich eingestellt. Bei 16 kΩ verläuft die Kennlinie zwischen 40 ppm und 120 ppm H2 linear, bei 8 kΩ zwischen 80 ppm und 220 ppm.FIG. 4 shows the probe voltage as a function of the hydrogen content for resistors Rx of 8 kΩ and 16 kΩ. The value of the resistance sets the linear range for a set porosity of the coating. At 16 kΩ, the characteristic curve is between 40 ppm and 120 ppm H 2 linear, at 8 kΩ between 80 ppm and 220 ppm.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das Pumpvermögen des Referenzluftkanals (nicht dargestellt) hierbei zu berücksichtigen ist. Kann über die Referenzluft nicht genügend Sauerstoff nachgeliefert werden, wird vorstehendes Reaktionsverhalten insoweit begrenzt.It should be noted that the pumping capacity of the reference air duct (not shown) must be considered here. If sufficient oxygen can not be replenished via the reference air, the above reaction behavior is limited to that extent.
Um eine Diffusionskontrolle, also einen gezielten Diffusionsstrom zu erzielen, wird der Widerstand Rx generell so gewählt, dass die resultierende Sondenspannung Us signifikant niedriger als die zugehörige Nernstspannung der Sonde im stromlosen Zustand ist. Diese Bedingung begrenzt die obere Spannung auf 0,45 V bis 0,5 V. Bei Sondenspannung niedriger als 0,2 V wird als weitere Elektrodenreaktion noch Sauerstoff freigesetzt.In order to achieve a diffusion control, ie a targeted diffusion current, the resistance Rx is generally chosen such that the resulting probe voltage Us is significantly lower than the associated Nernst voltage of the probe in the de-energized state. This condition limits the upper voltage 0.45 V to 0.5 V. At probe voltage lower than 0.2 V oxygen is still released as a further electrode reaction.
O2" --> 1A O2 + 2e".O 2 " -> 1 AO 2 + 2e " .
Durch die Parallelreaktion wird der Strom bzw. die Sondenspannung Us erhöht.The parallel reaction increases the current or the probe voltage U s .
Bei der Anwendung als Führungssonde stromabwärts des Katalysators treten als Fettgaskomponenten fast ausschließlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf. Wegen der schnelleren Diffusion von Wasserstoff wird dieser mit wesentlich größerer Empfindlichkeit nachgewiesen. An sich bekannte Elektroden sind zum Teil katalytisch wesentlich inaktiver in Bezug auf die Elektrodenreaktion mit Kohlenmonoxid. Mit geeignet gewählten katalytisch inaktiven Elektrodenmaterialien ist es dadurch möglich, eine Erhöhung der Selektivität bezüglich H2 zu erzeugen.When used as a guide probe downstream of the catalyst occur as a fatty gas components almost exclusively hydrogen and carbon monoxide. Because of the faster diffusion of hydrogen, it is detected with much greater sensitivity. Known per se electrodes are in part catalytically substantially inactive with respect to the electrode reaction with carbon monoxide. With suitably selected catalytically inactive electrode materials, it is thereby possible to produce an increase in the selectivity with respect to H 2 .
Um zu vermeiden, dass der Nachtransport von Sauerstoff über den Referenzluftkanal die vorbeschriebenen Messungen, wie oben beschrieben, limitiert, werden bei dieser als Führungssonde eingesetzten Sprungsonde Schutzschichten 130 eingesetzt, die dichter sind als Schutzschichten bei an sich bekannten Sprung- sonden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein größerer Referenzluftkanal vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich der vorbeschriebene lineare Bereich erweitern und optimieren. In order to avoid that the subsequent transport of oxygen via the reference air channel limits the above-described measurements, as described above, protective layers 130 which are more dense than protective layers in the case of jump sensors known per se are used in this jumping probe used as a guide probe. Alternatively or additionally, a larger reference air channel can be provided. As a result, the above-described linear range can be expanded and optimized.

Claims

Ansprüche claims
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer hinter einem Katalysator angeordneten Führungssonde, die wenigstens eine, in einem Festelektrolyten angeordnete Referenzelektrode (110), eine dem Abgas ausgesetzte Abgas- elektrode (120) und eine die Abgaselektrode (120) überdeckende poröse keramische Beschichtung (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Referenzelektrode (110) und Abgaselektrode (120) ein den Sauerstoffionentransport zwischen Referenzelektrode (110) und Abgaselektrode (120) gezielt beeinflussender Widerstand angeordnet ist, derart, dass die Sonden- Spannung nahe Lambda = 1 nicht durch die Nernstspannung bestimmt ist, sondern in einem kleinen Lambdabereich ( < 1) linear von der Fettgaskonzentration abhängt.1. Circuit arrangement for operating a arranged behind a catalyst guide probe having at least one, arranged in a solid electrolyte reference electrode (110), an exhaust gas exposed to the exhaust electrode (120) and the exhaust electrode (120) covering porous ceramic coating (130) , characterized in that between the reference electrode (110) and the exhaust gas electrode (120) a oxygen ion transport between the reference electrode (110) and the exhaust gas electrode (120) specifically arranged resistance is arranged such that the probe voltage near lambda = 1 is not determined by the Nernst voltage is, but in a small lambda range (<1) depends linearly on the fat gas concentration.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand und die poröse Beschichtung (130) so aufeinander abgestimmt sind, dass durch den durch den Widerstand hervorgerufenen Sauerstoffionentransport die sich in der porösen Beschichtung sammelnden Fettgasmoleküle in einem definiert eingestellten Lambdabereich (λ < 1) vollständig oxi- diert werden.2. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the resistance and the porous coating (130) are coordinated so that the accumulated in the porous coating of the fat gas molecules in a defined lambda range (λ <1 ) are completely oxidized.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand einen Wert zwischen 5 kΩ und 20 kΩ Ohm aufweist.3. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resistor has a value between 5 kΩ and 20 kΩ ohms.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und Dicke der porösen Beschichtung (130) so eingestellt werden, dass bei einem Wasserstoffgehalt von 100 ppm H2 ein Oxidationsstrom zwischen 20 μA und 60 μA fließt. 4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity and thickness of the porous coating (130) are adjusted so that at a hydrogen content of 100 ppm H 2, an oxidation current between 20 uA and 60 uA flows.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und die Dicke der porösen Beschichtung (130) sowie der Widerstand so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Sondenspannung von 0,35 V in einem Lambdabereich zwischen 0,999 und 0,9998 auftritt.5. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the porosity and the thickness of the porous coating (130) and the resistance are coordinated so that a probe voltage of 0.35 V in a lambda range between 0.999 and 0.9998 occurs ,
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand zwischen 5 kΩ und 20 kΩ variiert, insbesondere 8 kΩ oder 16 kΩ beträgt. 6. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance varies between 5 kΩ and 20 kΩ, in particular 8 kΩ or 16 kΩ.
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