DE69800519T2 - Gas Sensor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Sensoren zur Bestimmung der Konzentration von umweltverschmutzenden Gasgemischen, insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) insofern als eine Anwendung bei Abgasen von Kraftfahrzeugmotoren betroffen ist.
• Sowohl die Schadstoffemissionen, die durch diese Motoren erzeugt werden, als auch deren Treibstoffverbrauch werden innerhalb der nächsten Jahre auf Grund der Einführung von immer strengeren Regelungen sehr stark reduziert bzw. verringert werden müssen. Diese Ziele können durch die Entwicklung von neuen Treibstoffzufuhr-Systemen und von neuen Systemen zur Schadstoffemissionsverringerung erreicht werden.
• Eine Lösung für die vorgeschriebenen Regelungen stellt die Bereitstellung von Dieseldirekteinspritzungs-Zufuhrsystemen dar, die mit Oxidationsmittel-Katalysator-Abgaseinrichtungen gekoppelt sind, die zum Reduzieren von Stickstoffoxiden ausgelegt sind.
• Eine weitere Einstellung, die im Rahmen der Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren optimiert werden muß, ist die Handhabung der EGR (Exhaust Gas Recirculation, Abgasrückführung) und der Einspritz-Zeitabstimmung gemäß einem geschlossenen Kreislauf, derart daß Stickstoffoxide beziehungsweise die Teilchen reduziert werden. Darüber hinaus wird ebenfalls eine Verwendung von Oxidationsmittelkatalysatoren bzw. Oxidationskatalysatoren betrachtet, welche unter Höchstwirkungsgrad-Bedingungen betrieben werden müssen.
• Die Bestimmung der Zusammensetzung der Abgase und folglich des Vorliegens und der Konzentration der Hauptschadstoffkomponenten (CO, HC, NOX) darin, stellt im Zusammenhang mit Zukunftstechnologien zur Emissionsverringerung einen strategisch wichtigen Punkt dar. Beispielsweise würde im Dieselmotorbereich ein Erfassen bzw. Messen der Konzentration von NOX und HC sowohl eine Optimierung der Betriebsweise von NOX-verringernden Katalysatoren (DeNOX catalysts), als auch eine optimierte EGR-Handhabung ermöglichen.
• Gemäß dem Stand der Technik sind die einzigen auf dem Markt erhältlichen, chemischen Kraftfahrzeug-Sensoren Sauerstoffsensoren des An/Aus-Typs (Lambda-Sonde) oder des Proportional-Typs, die beide auf den elektrochemischen Eigenschaften von Zirconiumoxid (ZrO&sub2;) basieren.
• Vor kurzem wurden Gassensoren für eine selektive Erfassung von verschiedenen Schadstoffen als industrielle Prototypen vorgestellt, die noch auf den Eigenschaften von Zirconiumoxid oder auf den elektrochemischen Eigenschaften von anderen Metalloxiden, insbesondere von β-Al&sub2;O&sub3; basieren. Die zuletzt genannten Sensoren umfassen einen aus β-Aluminiumoxid bestehenden, festen Elektrolyten bzw. Festelektrolyten, auf dem zwei Elektroden angeordnet sind, von denen normalerweise eine aus Gold und die andere aus Platin hergestellt wird, die dafür ausgelegt sind, dem Gas ausgesetzt zu werden und Erfassungsmitteln zum Messen der elektromotorischen Kraft zwischen diesen beiden Elektroden und zum Bestimmen der Konzentration von Schadstoffen wie CO, HC und NOX innerhalb des Gases als eine Funktion der gemessenen elektromotorischen Kraft.
• Beispiele von Gassensoren des vorstehend erwähnten Typs werden beispielsweise in der GB-A-2 119 933 und der FR-B-9 207 414 offenbart und erläutert. Das zuletztgenannte Dokument offenbart, dass der Festelektrolyt eine irreversible Behandlung erfährt, indem er für zwei Stunden bei 600ºC in einer Atmosphäre mit einem Gehalt von ungefähr 1% SO&sub2; gehalten wird, um derart die Sensorantwort auf das Vorliegen von Kohlenstoffmonoxid und Schwefeldioxid zu verbessern.
• Aus der GB-A-2 119 933 ist ebenfalls bekannt, dass die Antwort dieser β-Aluminumoxid- Sensoren in Bezug auf die Schadstoffe als eine Funktion der Temperatur davon hinsichtlich höherer oder niedrigerer Empfindlichkeit variabel ist. Herausgefunden wurde, daß diese Gassensoren bei niedrigeren Temperaturen empfindlicher auf Stickstoffoxide sind, während sie bei höheren Temperaturen empfindlicher auf reduzierende Verbindungen, derart wie HC und CO sind. Aus der US-A-5 656 190 ist in allgemeiner Weise ein Temperatur-Regulierungssystem für einen Festelektrolyt-basierenden Sensor bekannt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensors von dem zu Beginn beschriebenen Typ, der unter Nutzung des Vorteils der vorstehend erwähnten Antwortvariabilität als Funktion der Temperatur zweckmäßig in einer praktischen und zuverlässigen Weise und bei verhältnismäßig geringem Kostenaufwand verwendet werden kann, um direkt bei Abgas-Einrichtungen von Kraftfahrzeugmotoren angewendet zu werden, so daß deren Betriebsweise optimiert wird und die Schadstoffemissionen reduziert werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe primär durch einen, mit den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen bereitgestellten Gassensor gelöst. In Anspruch 8 wird ebenfalls ein Verfahren aufgeführt, das einen derartigen Gassensor verwendet.
• Das Thermoregulierungssystem umfaßt zweckmäßigerweise Heizwiderstandsmittel und Steuerwiderstandsmittel, welche beide durch Siebdruck auf einer Seite eines keramischen Substrats angebracht werden, wobei auf der entgegengesetzten Seite davon ebenfalls durch Siebdruck β-Aluminiumoxid aufgetragen wird.
• Das Thermoregulierungssystem soll normalerweise die Sensortemperatur zwischen einem Minimalwert von um 300ºC, bei dem der Sensor empfindlicher auf Stickstoffoxide ist, und einem Maximalwert von um 700ºC und bis hin zu 900ºC, bei dem der Sensor empfindlicher auf reduzierende Verbindungen, derart wie HC und CO ist, einstellen.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten, lediglich in der Weise eines nicht einschränkenden Beispiels bereitgestellten Zeichnungen im Detail offenbart, worin:
• - Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors ist, und
• - die Fig. 2 bis 6 Graphen sind, welche die Antwort des Gassensors gemäß Fig. 1 bei unterschiedlicher Betriebstemperatur zeigen.
• In Übereinstimmung mit der in Fig. 1 gezeigten, beispielhaften Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßer Gassensor im wesentlichen ein keramisches Substrat 1, wobei auf dessen einer Seite ein Festelektrolyt 2 durch Siebdruck angebracht wird, welcher aus β-Aluminiumoxid gebildet wird, das beispielsweise über ein "Solgel" hergestellt wird, das mit Siliziumdioxid- Aluminumoxid-Glas und Natriumoxid ergänzt ist, und anschließend thermisch behandelt wird, derart daß eine Verankerung davon auf dem Substrat 1 durchgeführt wird.
• Eine Platinelektrode 3 und eine Goldelektrode 4 sind in Kontakt mit dem Festelektrolyt 2 angeordnet und sind durch jeweilige Leitungen 5, 6 mit einer Erfassungseinrichtung 7, beispielsweise einem Millivoltmeter verbunden, die zum Erfassen der elektromotorischen Kraft zwischen den Elektroden 3 und 4 bereitgestellt ist.
• Erfindungsgemäß enthält der Gassensor weiterhin ein Thermoregulierungssystem, das zum selektiven und gesteuerten Variieren der Temperatur davon bereitgestellt ist.
• Dieses, im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 8 versehene Thermoregulierungssystem beinhaltet einen Heizwiderstand 9, der ebenfalls durch Siebdruck auf der, dem Festelektrolyt 2 entgegengesetzten Seite des Substrats 1 angebracht ist, unter Einfügung einer Schicht aus einem inerten oder elektrisch isolierenden Material, und einen Steuerwiderstand 9, der in Nähe des Heizwiderstandes 9 ebenfalls durch Siebdruck angebracht ist.
• Es ist wichtig, dass der Heizwiderstand 9 in Bezug auf den Festelektrolyt 2 elektrisch isoliert ist, um derart elektrische Interferenzen zu verhindern.
• Die Erfassungseinrichtung 7 und die Widerstände 9, 10 sind mit einer elektronischen Steuereinheit 11 verbunden, durch die der Heizwiderstand 9 mit Wechselstrom versorgt wird.
• Der empfindliche Teil des Sensors kann in einen Schutzkörper eingebaut sein, der derart angeordnet ist, daß er in einer sondenartigen Weise beispielsweise in eine Abgaseinrichtung eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors eingepaßt werden kann, so daß er den Abgasen ausgesetzt ist. Während des Betriebs ist die, durch die Erfassungseinrichtung 7 zwischen den zwei Elektroden 3, 4 erfaßte Spannung aufschlußreich für die Konzentration der Schadstoffsubstanzen (NOX, HC, CO).
• Die in Fig. 2 bis 6 gezeigten Diagramme stellen dar, wie die Empfindlichkeit und folglich die Antwort des Gassensors in Bezug auf den einen oder den anderen Schadstoff als eine Funktion der Temperatur variiert.
• Fig. 2 zeigt die Antwort des Sensors bei einer Temperatur um 300ºC: eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf Stickstoffoxide, insbesondere auf Stickstoffdioxid (NO&sub2;) kann festgestellt werden. Das Signal ist in Bezug auf das, der Umweltluft entsprechende Signal negativ.
• Fig. 3 zeigt die Antwort bei einer Temperatur um 400ºC: der Sensor ist noch bemerkenswert empfindlich auf Stickstoffdioxid und auf Stickstoffmonoxid; bei Vorliegen von CO (oxidierend) wird das Signal positiv.
• Fig. 4 zeigt die Antwort bei einer Temperatur um 500ºC: die Empfindlichkeit in Bezug auf Stickstoffoxide nimmt bemerkenswert ab, während die Empfindlichkeit auf CO zunimmt. Das Signal bei Vorliegen von sowohl CO, als auch von NO&sub2;, ist positiv.
• Fig. 5 zeigt die Antwort bei einer Temperatur um 600ºC: die Empfindlichkeit in Bezug auf Stickstoffoxide nimmt noch ab, während die Empfindlichkeit auf CO noch zunimmt.
• Schließlich zeigt Fig. 6 die Antwort bei einer Temperatur um 700ºC: der Sensor ist praktisch lediglich auf CO (sowie ebenfalls auf HC) empfindlich, während eine schwache Empfindlichkeit auf NO&sub2; noch fortbesteht.
• Dementsprechend ist das Thermoregulierungssystem 8 des erfindungsgemäßen Gassensors für ein selektives und gesteuertes Variieren der Temperatur des Festelektrolyten 2 während des Betriebs zwischen einem Minimalwert von um 300ºC und einem Maximalwert von um 700ºC und mehr, beispielsweise bis hin zu 900ºC, mittels der elektronischen Steuereinheit 11 angeordnet. In Übereinstimmung mit dem Vorstehenden wird die Sensorantwort bei dem untersten Temperaturwert leistungsfähiger und präziser in Bezug auf Stickstoffoxide sein, während bei dem obersten Temperaturwert das gleiche Ergebnis in Bezug auf CO (und HC) erreicht wird.
• Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß der erfindungsgemäße Gassensor eine merkliche Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit der Abgas-Zusammensetzung eines Kraftfahrzeugmotors und folglich des Vorliegens und der Konzentration der Hauptschadstoffe ermöglicht, was zu einem bemerkenswert höheren Wirkungsgrad der zum Reduzieren dieser Schadstoffe bereitgestellten Vorrichtungen (Oxidationsmittelkatalysatoren etc.) führt, die derart entworfen sind, daß sie in betriebsfähiger Weise mit dem Sensor verbunden sind.
• Natürlich können die Konstruktionsdetails und die Ausführungsformen in Bezug auf das Offenbarte und das Erläuterte weitgehend verändert werden, ohne dabei den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, zu verlassen.
• Während das im Fall des gezeigten Beispiels offenbarte Thermoregulierungssystem die Sensortemperatur zwischen zwei äußersten Werten selektiv variieren soll, so muß folglich besonders erwähnt werden, dass innerhalb des Rahmens der Erfindung eine Anordnung betrachtet werden kann, bei welcher das Thermoregulierungssystem derart angeordnet ist, daß es den Sensor konstant bei einer dieser Temperaturen hält. In diesem Fall kann ein zweiter, nahezu identischer Sensor bereitgestellt werden, dessen Thermoregulierungssystem die Temperatur davon konstant bei dem anderen Wert halten soll, und möglicherweise kann sogar ein dritter, identischer Sensor bereitgestellt werden, dessen Thermoregulierungssystem beispielsweise die Temperatur davon konstant bei einem Zwischenwert halten soll. Alternativ kann ein einzelner Multielement-Sensor geplant werden, der aus einer Gruppe von empfindlichen Festelektrolyt- Elementen gebildet ist, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und mit einer einzelnen elektronischen Steuereinheit für die elektrische Versorgung und für die Verarbeitung der, durch die verschiedenen empfindlichen Elemente bereitgestellten Signale verbunden sind.
• Darüber hinaus kann der Festelektrolyt ebenfalls aus Aluminiumoxid in einer anderen kristallinen Phase bestehen und die betreffenden Elektroden können ebenfalls aus anderen, als den vorstehend offenbarten Materialien sein.
• Schließlich können der Festelektrolyt 2 und die betreffenden Elektroden 3, 4 ebenfalls mit einem porösen Schichtmaterial (keramisch oder metallisch) bedeckt sein, wobei sowohl mechanischer Schutz, als auch eine chemische Filterfunktion bereitgestellt werden.

Claims (7)

1. Gassensor umfassend,

einen festen, vorzugsweise aus β-Aluminiumoxid bestehenden Elektrolyten (2), auf welchem zwei Elektroden (3, 4) angeordnet sind, von denen eine vorzugsweise aus Gold und die andere aus Platin hergestellt wird, um dem Gas ausgesetzt zu werden, und

Erfassungsmittel (7) zum Messen der elektromotorischen Kraft zwischen den beiden Elektroden (3, 4), und zur Bestimmung der Konzentration von Schadstoffen, wie CO, HC und NOX in dem Gas als eine Funktion der gemessenen elektromotorischen Kraft, wobei die Antwort des Sensors in Bezug auf die Schadstoffe als eine Funktion der Temperatur veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Thermoregulierungssystem (8) bereit gestellt wird, welches die Temperatur des festen Elektrolyten (2) selektiv und kontrolliert von einem untersten Wert um 300ºC bis mindestens zu einem zwischen 500ºC und 700ºC liegenden Zwischenwert und bis zu einem obersten Wert um 900ºC variieren soll, um die Empfindlichkeit und entsprechend damit die Antwort des Gassensors bezüglich CO, HC und NOX selektiv zu verändern.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoregulierungssystem (8) Heizwiderstandsmittel (9) und Steuerwiderstandsmittel (10) umfasst.

3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Elektrolyt (2) auf einer Seite eines keramischen Substrats (1) durch Siebdruck gebildet wird, und der Heizwiderstand (9) und der Steuerwiderstand (10) auf der anderen entgegengesetzten Seite des keramischen Substrats (1) ebenfalls durch Siebdruck angebracht werden.

4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (9) mit Wechselstrom versorgt wird.

5. Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (9) in Bezug auf den festen Elektrolyten (2) elektrisch isoliert ist.

6. Gassensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Elektrolyt (2) und die betreffenden Elektroden (3, 4) mit einer porösen Materialschicht bedeckt sind, welche sowohl eine mechanische Schutzfunktion als auch eine chemische Filterfunktion aufweist.

7. Verfahren zum Bestimmen der Konzentration an CO, HC und NOX einschließenden Schadstoffen in einem Gas, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines Gassensors, welcher einen festen, aus β- Aluminiumoxid bestehenden Elektrolyten (2) umfasst, und auf welchem zwei Elektroden (3, 4) angebracht sind, von denen eine aus Gold und die andere aus Platin hergestellt wird, wobei der Gassensor ein Thermoregulierungssystem (8) aufweist.

- Aussetzen der Gassensorelektroden dem Gas,

- selektives und kontrolliertes Variieren der Temperatur des festen Elektrolyten (2) von einem untersten Wert um 300ºC bis mindestens zu einem zwischen 500ºC und 700ºC liegenden Zwischenwert und bis zu einem obersten Wert um 900ºC, um die Empfindlichkeit und entsprechend damit die Antwort des Gassensors bezüglich CO, HC, NOX selektiv zu verändern,

- Erfassen der elektromotorischen Kraft zwischen den zwei Elektroden (3, 4) bei jedem der Temperaturwerte und Bestimmen der Konzentration an CO, HC und NOX innerhalb des Gases als eine Funktion der gemessenen elektromotorischen Kraft.