Zur Regelung der Prozesse in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen wird der Einsatz von Sr(Ti,Fe)O3-Dickschichten vorgestellt, deren (R = f(pO2))-Kennlinien sich von denen massiver Sr(Ti, Fe)O3-Bulkkeramiken nicht unterscheiden dürfen. Nur auf Grund ihrer feinkörnigen Struktur und geringen Schichtdicken weisen sie die gewünschte hohe Dynamik im ms-Bereich auf. Ihre Sensoreigenschaften werden in einem Versuchsmotor im betriebsnahen Zustand überprüft. Damit soll das Potential von Sr(Ti,Fe)O3- Dickschichtensystemen ausgelotet werden. Der Sensoreffekt resistiver O2-Sensoren beruht auf der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom O2-Partialdruck der umgebenden Atmosphäre. Daneben liegt eine starke Abhängigkeit von der Temperatur vor. Die für den Einbau von O2 in einen Festkörper notwendigen kinetischen Prozesse gliedern sich prinzipiell in drei seriell ablaufende Teilschritte, der Gasdiffusion, Durchtrittsreaktion und Festkörperdiffusion. Eine optimale Bedingung für eine hohe Kinetik ist die offenporige und feinkörnige Mikrostruktur der keramischen Dickschicht. Ihre Schichtdicke sollte wegen ausreichender Gasdiffusion einen Wert von 20 Mikrometer nicht übersteigen. Der Porenanteil sollte bei ca. 20 % liegen. Um eine genügende Festkörperdiffusion zu gewährleisten, sind kurze Diffusionswege mit Korngrößen <= 1 Mikrometer notwendig. Diese geringen Korngrößen begünstigen auch hohe Durchtrittsraten. Resistive O2-Sensoren auf der Basis von Sr(Ti(0,65)Fe(0,35))O3 zeigen bei Betriebstemperaturen zwischen 750 Grad C und 900 Grad C eine temperaturunabhängige Kennlinie. Damit lassen sich die dann nur noch vom O2-Partialdruck abhängigen Widerstandswerte mit erhöhter Genauigkeit erkennen. Sie sind somit zur Regelung von Verbrennungsvorgängen im Magerbereich optimal einsetzbar. Als feinkörnige Dickschichtsensoren zeigen sie eine hohe Dynamik von wenigen ms, die eine zyklusaufgelöste Diagnose ermöglichen. Die Verwendung der technisch einfachen, miniaturisierbaren Dickschichttechnologie führt zu Sensorelementen geringer thermischer Masse, so daß Anheizzeiten von wenigen Sek unden möglich sind.
Resistive Sauerstoffsensoren auf der Basis von Strontium-Titanat-Ferrit zur Regelung von Verbrennungsvorgängen
Oxygen sensors for internal combustion control
Tagung der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, Sensoren und Meßsysteme, 2000 ; 169-178
VDI-Berichte ; 1530
2000
10 Seiten, 5 Bilder, 1 Tabelle, 14 Quellen
Conference paper
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