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WO2000025119A1 - Gas sensor with a perovskite structure for determining hydrocarbon - Google Patents

Gas sensor with a perovskite structure for determining hydrocarbon Download PDF

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WO2000025119A1
WO2000025119A1 PCT/DE1999/003394 DE9903394W WO0025119A1 WO 2000025119 A1 WO2000025119 A1 WO 2000025119A1 DE 9903394 W DE9903394 W DE 9903394W WO 0025119 A1 WO0025119 A1 WO 0025119A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas sensor
sensor according
resistive
exhaust gas
perovskite structure
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Ceased
Application number
PCT/DE1999/003394
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Bausewein
Eric Chemisky
Hans Meixner
Bertrand Lemire
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.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2000025119A1 publication Critical patent/WO2000025119A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N11/00Monitoring or diagnostic devices for exhaust-gas treatment apparatus
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N2550/02Catalytic activity of catalytic converters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a resistive gas sensor for hydrocarbon determination in exhaust gases and a method for its use.
  • Resistive gas sensors are known. It is also known that sensors can be made of semiconducting metal oxide with a perovskite structure of the general formula A ⁇ _ x _ zl A ' x B ⁇ _ y _ z2 B' y 0 3 . Such a semiconductor sensor is described in EP 0 365 567 B1. The gas sensor described there should have a particularly high response speed for measuring the partial pressure of oxygen. A certain stoichiometric composition is proposed. However, the previously known sensors are not satisfactory in every respect, in particular with regard to their use in the field of exhaust gas monitoring in automobiles.
  • Exhaust gas monitoring is carried out here to minimize pollutant emissions.
  • Exhaust gas monitoring data ensures that the combustion in the engine runs optimally on the one hand and that the pollutants that are nevertheless emitted can be optimally converted in a downstream catalytic converter.
  • the exhaust gas itself is checked with the monitoring data, as is the quality of the catalyst.
  • ⁇ -value The ratio of air to fuel is referred to as ⁇ -value and is ideally 1.
  • an auto- moves upwards and downwards from the ideal value 1 due to the finite control speed and the constant load changes ⁇ .
  • the excess oxygen can be stored on or in the catalyst. If the fuel supply to the engine then rises so much that there is a rich mixture there, ie more fuel is supplied than can be reacted with the introduced air, the oxygen previously deposited on the catalytic converter can be used
  • Afterburning of the exhaust gas can be used.
  • the exhaust gas composition behind the catalytic converter is therefore comparatively constant with a functioning catalytic converter.
  • the exhaust gas composition is usually measured using a so-called ⁇ -
  • the object of the present invention is to provide something new for commercial use.
  • the invention is based on the knowledge that the hydrocarbon emissions in the exhaust gas behind the catalytic converter represent a much better measure of the quality of the catalytic converter than the lambda value detected with a ⁇ sensor.
  • the hydrocarbon emissions per distance covered are a direct measure of the catalytic effect.
  • a particularly suitable exhaust gas sensor for use behind an exhaust gas catalyst can be obtained from a semiconducting metal oxide with a perovskite structure, which has the general formula A ⁇ _ x _ zl A ' x B ⁇ _ y _ 22 B' y 0 3 and where x between 0 and 0.05; zl between 0.01 and 0.1; y is between 0 and 0.1 and z2 between 0 and 0.005.
  • zl can be between 0.015 and 0.03, a preferred value being 0.02. This ensures a sufficiently large excess of oxygen in the crystal.
  • y can approximately correspond to zl. This ensures that the amount of doping atoms present in the crystal, especially donors, approximately corresponds to that of the excess oxygen atoms.
  • the improved properties may be due in particular to the fact that the conductivity caused by oxygen migration in the crystal and by hole or electron movement is approximately the same, which may reduce cross-sensitivity.
  • Component A ' can be selected from one or more lanthanides and in particular one of lanthanum, cerium, praseodymium or neodymium.
  • Component A itself is preferably selected from calcium, strontium, barium or lead.
  • Component B will typically be titanium, so that one contains a calcium titanate, strontium titanate, barium or lead titanate, in which lanthanides are initially provided on one of the alkaline earth crystal lattice sites.
  • the titanium lattice sites can be partially occupied by tantalum, niobium, iron, chromium and / or vanadium, depending on the choice of z2 and B ' .
  • a particularly preferred material consists of Sro, 98 Ti 0/98 Ta o , o 2 0 3 . It is therefore a strontium titanate in which excess oxygen and additional tantalum have been introduced.
  • the gas sensor composed according to the invention can be arranged in an automobile behind the catalytic converter. When its electrical conductivity is determined, practically no cross-sensitivity to nitrogen oxide, NO, carbon monoxide and hydrogen is observed. The gas sensor is therefore practically insensitive to the most important secondary components in the exhaust gas and, apart from hydrocarbons, only responds to oxygen in the exhaust gas.
  • a gas sensor with a metal oxide having the composition Sr 0 98 Ti 0 98 Ta 0, o20 3 are in the required amounts of strontium carbonate, SRC0 3, and titanium dioxide, Ti0 2, ground together in water for more than twenty hours in a ball mill, and thereby intimately mixed. Then under vigorous stirring, a solution of tantalum pentachloride, TaCl 5 in ethanol was added dropwise together with a buffering ammonium carbonate solution (NH 4 ) 2 CO 3 . This buffering ammonium carbonate solution later burns without residue. The solution is freed from excess water by suction, dried, pulverized and calcined at 1100 ° C. for the reaction. The powder obtained is ground again for twenty hours in order to comminute agglomerates. The resulting particles are smaller than 10 microns.
  • the powder obtained is processed into a screen-printable paste and / or a sprayable material and screen-printed onto a suitable carrier in a thickness of between 1-100 micrometers, a sensitive layer of twenty micrometers being preferred.
  • the gas sensor obtained is installed behind a catalytic converter in the exhaust gas path of an automobile and its electrical conductivity is recorded. It shows no cross-sensitivity to NO, CO and H 2 , a clear oxygen characteristic and a clear and clear sensitivity to hydrocarbons.
  • the signal derived from the electrical conductivity of the gas sensor is a measure of the concentration of hydrocarbons in exhaust gases. Since the concentration or absolute amount of hydrocarbons per distance covered is a direct measure of the catalyst action, a simple and precise check of the catalyst is thus made possible. If the hydrocarbons covered for each distance covered increase continuously over a sufficiently long period of time, this shows that the catalytic converter is faulty.
  • the new gas sensor enables online monitoring of the exhaust gas quality.

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Abstract

Disclosed is a resistive gas sensor that determines hydrocarbon in exhaust gases, comprising a semiconductor metal oxide perovskite structure of the general formula A1-x-z1 A'x B1-y-z2 B'y O3, wherein x is between 0 and 0.05; z1 is between 0.01 and 0.1; y is between 0 and 0.1 and z2 is between 0 and 0.005.

Description

Beschreibungdescription

Gassensor zur Kohlenwasserstoffbestimmung mit Perovskit- strukturGas sensor for hydrocarbon determination with perovskite structure

Die vorliegende Erfindung betrifft einen resistiven Gassensor zur Kohlenwasserstoffbestimmung in Abgasen sowie ein Verfahren zu seiner Verwendung.The present invention relates to a resistive gas sensor for hydrocarbon determination in exhaust gases and a method for its use.

Resistive Gassensoren sind bekannt. Es ist auch bekannt, daß Sensoren aus halbleitendem Metalloxid mit Perovskitstruktur der allgemeinen Formel Aι_x_zl A' x Bι_y_z2 B' y 03 hergestellt werden können. Ein derartiger Halbleitersensor ist beschrieben in der EP 0 365 567 Bl. Der dort beschriebene Gassensor soll eine besonders hohe Ansprechgeschwindigkeit für die Messung des Partialdruckes von Sauerstoff besitzen. Dazu wird eine bestimmte stöchiometrische Zusammensetzung vorgeschlagen. Die vorbekannten Sensoren sind jedoch nicht in jeder Hinsicht befriedigend, insbesondere hinsichtlich ihrer Verwendung im Be- reich der Abgasüberwachung von Automobilen.Resistive gas sensors are known. It is also known that sensors can be made of semiconducting metal oxide with a perovskite structure of the general formula Aι_ x _ zl A ' x Bι_ y _ z2 B' y 0 3 . Such a semiconductor sensor is described in EP 0 365 567 B1. The gas sensor described there should have a particularly high response speed for measuring the partial pressure of oxygen. A certain stoichiometric composition is proposed. However, the previously known sensors are not satisfactory in every respect, in particular with regard to their use in the field of exhaust gas monitoring in automobiles.

Hier wird eine Abgasüberwachung vorgenommen, um den Schadstoffausstoß zu minimieren. Es wird dabei anhand von Abgas- überwachungs-Daten dafür gesorgt, daß einerseits die Verbren- nung im Motor optimal abläuft und andererseits, daß in einem nachgeschalteten Katalysator die dennoch ausgestoßenen Schadstoffe optimal umgesetzt werden können. Dazu wird mit den Überwachungsdaten das Abgas selbst überprüft, genauso wie die Katalysatorgüte. Bei Automobilen ist es dabei zunächst üb- lieh, Luft- und Treibstoffzufuhr zum Motor so zu regeln, daß ein idealerweise stöchiometrisches Verhältnis erzielt wird, welches es erlaubt, den Treibstoff im Motor vollständig umzusetzen, ohne daß überschüssige Luft eingeführt wird. Das Verhältnis von Luft zu Treibstoff wird als λ- ert bezeichnet und liegt im Idealfall bei 1. Allerdings weicht bei einer Auto- fahrt wegen der nur endlichen Regelgeschwindigkeit und den ständigen Lastwechseln λ sowohl nach oben als auch nach unten vom Idealwert 1 ab.Exhaust gas monitoring is carried out here to minimize pollutant emissions. Exhaust gas monitoring data ensures that the combustion in the engine runs optimally on the one hand and that the pollutants that are nevertheless emitted can be optimally converted in a downstream catalytic converter. For this purpose, the exhaust gas itself is checked with the monitoring data, as is the quality of the catalyst. In automobiles, it is initially common to regulate the air and fuel supply to the engine in such a way that an ideal stoichiometric ratio is achieved which allows the fuel to be converted completely in the engine without excess air being introduced. The ratio of air to fuel is referred to as λ-value and is ideally 1. However, an auto- moves upwards and downwards from the ideal value 1 due to the finite control speed and the constant load changes λ.

In mageren Phasen kann dabei der überschüssige Sauerstoff am Katalysator an bzw. in diesem eingelagert werden. Wenn dann die Treibstoffzufuhr zum Motor so stark ansteigt, daß dort ein fettes Gemisch vorliegt, also mehr Treibstoff zugeführt wird, als mit der eingeführten Luft umgesetzt werden kann, kann der zuvor am Katalysator angelagerte Sauerstoff zurIn lean phases, the excess oxygen can be stored on or in the catalyst. If the fuel supply to the engine then rises so much that there is a rich mixture there, ie more fuel is supplied than can be reacted with the introduced air, the oxygen previously deposited on the catalytic converter can be used

Nachverbrennung des Abgases genutzt werden. Die Abgaszusammensetzung hinter dem Katalysator ist somit bei einem funktionsfähigen Katalysator vergleichsweise konstant.Afterburning of the exhaust gas can be used. The exhaust gas composition behind the catalytic converter is therefore comparatively constant with a functioning catalytic converter.

Üblicherweise wird die Abgaszusammensetzung mit einer sog. λ-The exhaust gas composition is usually measured using a so-called λ-

Sonde gemessen, die auf den sich am Punkt λ = 1 sprungartig um viele Größenordnungen ändernden Sauerstoff-Partialdruck anspricht. Wird eine derartige λ-Sonde hinter einem funktionsfähigen Katalysator angeordnet, wird sie im Mittel einen Wert ausgeben, der genau dem Signal bei λ = 1 entspricht. Ist der Katalysator hingegen defekt oder gealtert, so daß kein Sauerstoff mehr angelagert und/oder zur Abgasnachverbrennung genutzt werden kann, werden sich die typischen, im Automobilbetrieb regelmäßig einstellenden Schwankungen des λ-Wertes auch hinter dem Katalysator auswirken und mit einer dort angeordneten λ-Sonde meßbar sein. Aus einem Vergleich zwischen dem λ-Wert, welcher vor dem Katalysator gewonnen wird, und jenem λ-Wert, der mit einem entsprechenden Sensor hinter dem Katalysator bestimmt werden kann, kann also eine Aussage über das Sauerstoffspeichervermögen des Katalysators gewonnen wer- den. Damit ist es prinzipiell möglich, die Qualität eines Katalysators zu bestimmen. Nachteilig bei der vorbekannten Bestimmung der Katalysatorqualität ist nun, daß es hier nur einen mittelbaren Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffspeichervermögen und der tatsächlichen Katalysatorkonvertierungseffizienz gibt. Der im vorbe- kannten Stand der Technik erhaltene Vorteil der schnellen Meßgeschwindigkeit bringt zudem keinen signifikanten Nutzen. Die bislang aus dem Vergleich der Sensorwerte vor und nach dem Katalysator gewonnene Aussage ist daher nicht so präzise, wie es bei den steigenden Anforderungen an die Abgasüberwa- chung und die Online-Überwachung sämtlicher abgasrelevanten Komponenten wünschenswert oder durch gesetzliche Vorschriften erforderlich ist. Es ist somit wünschenswert, die Qualität und Güte eines Katalysators besser als bisher möglich zu bestimmen.Probe measured, which responds to the oxygen partial pressure that suddenly changes by many orders of magnitude at point λ = 1. If such a λ probe is arranged behind a functional catalytic converter, it will output an average value that corresponds exactly to the signal at λ = 1. If, on the other hand, the catalytic converter is defective or aged, so that oxygen can no longer be deposited and / or used for exhaust gas afterburning, the typical fluctuations in the λ value that occur regularly in automobile operation will also have an effect behind the catalytic converter and with a λ probe arranged there be measurable. Is obtained from a comparison between the λ-value which is upstream of the catalyst, and that λ-value which can be determined by an appropriate sensor downstream of the catalyst, so it can advertising obtained an indication of the oxygen storage capacity of the catalyst, the. In principle, this makes it possible to determine the quality of a catalytic converter. A disadvantage of the previously known determination of the catalyst quality is that there is only an indirect connection between the oxygen storage capacity and the actual catalyst conversion efficiency. The advantage of the fast measuring speed obtained in the known prior art also brings no significant benefit. The information obtained up to now from the comparison of the sensor values before and after the catalytic converter is therefore not as precise as is desirable due to the increasing demands on exhaust gas monitoring and online monitoring of all exhaust gas-relevant components or is required by legal regulations. It is therefore desirable to determine the quality and quality of a catalyst better than was previously possible.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.The object of the present invention is to provide something new for commercial use.

Die Lösung dieser Aufgabe wird unabhängig beansprucht. Bevor- zugte Ausführungsformen werden abhängig beansprucht.The solution to this problem is claimed independently. Preferred embodiments are claimed dependent.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß die Kohlenwasserstoffemissionen im Abgas hinter dem Katalysator ein wesentlich besseres Maß für die Güte des Katalysators darstel- len als der mit einem λ-Sensor erfaßte Lambda-Wert. Die Kohlenwasserstoffemissionen je zurückgelegter Strecke sind ein direktes Maß für die Katalysatorwirkung. Es wurde weiter erkannt, daß ein besonders geeigneter Abgassensor zur Verwendung hinter einem Abgaskatalysator aus einem halbleitenden Metalloxid mit Perovskitstruktur gewonnen werden kann, welches die allgemeine Formel Aι_x_zl A' x Bι_y_22 B' y 03 besitzt und wobei x zwischen 0 und 0,05; zl zwischen 0,01 und 0,1; y zwischen 0 und 0,1 und z2 zwischen 0 und 0,005 beträgt. Anders als mit vorbekannten halbleitenden Metalloxidgassensoren mit Perovskitstruktur kommt es im vorliegenden Fall nicht darauf an, ein besonders schnelles Ansprechen auf Sauerstoff zu erhalten, sondern die Kohlenwasserstoffe besonders leicht und präzise messen zu können. Es wurde erkannt, daß dies durch Variation nur der Stöchiometrie von an sich bekannten Metalloxidgassensoren in Perovskitstruktur möglich ist. Der Mechanismus, der den verbesserten Eigenschaften zu Grunde liegt, ist noch nicht vollständig verstanden. Es wird aber bemerkt, daß bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, in welcher zl zwischen 0,01 und 0,1 beträgt, im sich ergebenden Kristall ein Netto-SauerstoffÜberschuß vorliegt. Es wird vermutet, daß dieser SauerstoffÜberschuß, insbesondere bei gleichzeitigem Vorhandensein von dotierenden Stoffen, für die verbesserte Meßbarkeit der Kohlenwasserstoffe verantwortlich ist. Diese sind vorhanden, wenn wenigstens einer von x oder y ungleich 0 ist.The invention is based on the knowledge that the hydrocarbon emissions in the exhaust gas behind the catalytic converter represent a much better measure of the quality of the catalytic converter than the lambda value detected with a λ sensor. The hydrocarbon emissions per distance covered are a direct measure of the catalytic effect. It was further recognized that a particularly suitable exhaust gas sensor for use behind an exhaust gas catalyst can be obtained from a semiconducting metal oxide with a perovskite structure, which has the general formula Aι_ x _ zl A ' x Bι_ y _ 22 B' y 0 3 and where x between 0 and 0.05; zl between 0.01 and 0.1; y is between 0 and 0.1 and z2 between 0 and 0.005. In contrast to previously known semiconducting metal oxide gas sensors with a perovskite structure, it is not important in the present case to obtain a particularly rapid response to oxygen, but rather to be able to measure the hydrocarbons particularly easily and precisely. It was recognized that this is possible by varying only the stoichiometry of metal oxide gas sensors known per se in a perovskite structure. The mechanism underlying the improved properties has not yet been fully understood. However, it is noted that with the composition of the invention in which zl is between 0.01 and 0.1, there is a net excess of oxygen in the resulting crystal. It is assumed that this excess of oxygen, especially when doping substances are present at the same time, is responsible for the improved measurability of the hydrocarbons. These are present if at least one of x or y is not equal to 0.

zl kann zwischen 0,015 und 0,03 betragen, wobei ein bevorzug- ter Wert bei 0,02 liegt. Dies stellt einen hinreichend großen Sauerstoff-Überschuß im Kristall sicher. Zugleich kann y näherungsweise zl entsprechen. Dies stellt sicher, daß die Menge der im Kristall vorhandenen dotierenden Atome, insbesondere Donatoren, jener der überschüssigen Sauerstoffatome näherungsweise entspricht. Auch hier ist der Grund, weshalb die derart aufgebauten Gassensoren besonders gut für den beabsichtigten Zweck geeignet sind, noch nicht abschließend verstanden sind. Womöglich rühren die verbesserten Eigenschaften insbesondere daher, daß die durch Sauerstoffwande- rung im Kristall und durch Loch- bzw. Elektronenbewegung verursachte Leitfähigkeit näherungsweise gleich ist, was womöglich Querempfindlichkeiten reduziert. Die Komponente A' kann aus einem oder mehreren Lanthaniden ausgewählt sein und insbesondere eines von Lanthan, Cer, Praseodym oder Neodym sein.zl can be between 0.015 and 0.03, a preferred value being 0.02. This ensures a sufficiently large excess of oxygen in the crystal. At the same time, y can approximately correspond to zl. This ensures that the amount of doping atoms present in the crystal, especially donors, approximately corresponds to that of the excess oxygen atoms. Here too, the reason why the gas sensors constructed in this way are particularly well suited for the intended purpose is not yet fully understood. The improved properties may be due in particular to the fact that the conductivity caused by oxygen migration in the crystal and by hole or electron movement is approximately the same, which may reduce cross-sensitivity. Component A 'can be selected from one or more lanthanides and in particular one of lanthanum, cerium, praseodymium or neodymium.

Die Komponente A selbst ist bevorzugt ausgewählt aus Calcium, Strontium, Barium oder Blei. Die Komponente B wird typischerweise Titan sein, so daß man ein Calciumtitanat, Strontiumti- tanat, Barium- oder Bleititanat enthält, in welchem zunächst auf einem der Erdalkali-Kristallgitterplätze Lanthanide vor- gesehen sind. Die Titangitterplätze können zum Teil entsprechend der Wahl von z2 und B' durch Tantal, Niob, Eisen, Chrom und/oder Vanadium besetzt sein.Component A itself is preferably selected from calcium, strontium, barium or lead. Component B will typically be titanium, so that one contains a calcium titanate, strontium titanate, barium or lead titanate, in which lanthanides are initially provided on one of the alkaline earth crystal lattice sites. The titanium lattice sites can be partially occupied by tantalum, niobium, iron, chromium and / or vanadium, depending on the choice of z2 and B ' .

Ein besonders bevorzugtes Material besteht aus Sro,98 Ti0/98 Tao,o203. Es handelt sich also um ein Strontiumti- tanat, in welches überschüssiger Sauerstoff und zusätzlich Tantal eingebracht sind.A particularly preferred material consists of Sro, 98 Ti 0/98 Ta o , o 2 0 3 . It is therefore a strontium titanate in which excess oxygen and additional tantalum have been introduced.

Der erfindungsgemäß zusammengesetzte Gassensor kann in einem Automobil hinter dem Katalysator angeordnet werden. Wenn seine elektrische Leitfähigkeit bestimmt wird, wird praktisch keine Querempfindlichkeit auf Stickoxid, auf NO, Kohlenmon- oxid und Wasserstoff beobachtet. Der Gassensor ist somit praktisch unempfindlich gegen die wichtigsten Nebenkomponen- ten im Abgas und spricht außer auf Kohlenwasserstoffe nur noch auf Sauerstoff im Abgas an.The gas sensor composed according to the invention can be arranged in an automobile behind the catalytic converter. When its electrical conductivity is determined, practically no cross-sensitivity to nitrogen oxide, NO, carbon monoxide and hydrogen is observed. The gas sensor is therefore practically insensitive to the most important secondary components in the exhaust gas and, apart from hydrocarbons, only responds to oxygen in the exhaust gas.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.The invention is described below only by way of example using a preferred embodiment.

Zur Bildung eines Gassensors mit einem Metalloxid der Zusammensetzung Sr0,98 Ti0,98 Ta0,o203 werden in den erforderlichen Mengen Strontiumkarbonat, SrC03, und Titandioxid, Ti02, in Wasser über zwanzig Stunden in einer Kugelmühle miteinander gemahlen und dabei innig vermischt. Anschließend wird unter starkem Rühren eine Lösung aus Tantalpentachlorid, TaCl5 in Ethanol zusammen mit einer puffernden Ammoniumcarbonat-Lösung (NH4)2C03 eingetropft. Diese puffernde Ammoniumcarbonat-Lösung verbrennt später rückstandsfrei. Die Lösung wird durch Abnut- schen von überschüssigem Wasser befreit, getrocknet, pulverisiert und zur Umsetzung bei 1100°C calciniert. Das erhaltene Pulver wird erneut für zwanzig Stunden gemahlen, um Agglome- rate zu zerkleinern. Die resultierenden Teilchen sind kleiner als 10 Mikrometer.For the formation of a gas sensor with a metal oxide having the composition Sr 0 98 Ti 0 98 Ta 0, o20 3 are in the required amounts of strontium carbonate, SRC0 3, and titanium dioxide, Ti0 2, ground together in water for more than twenty hours in a ball mill, and thereby intimately mixed. Then under vigorous stirring, a solution of tantalum pentachloride, TaCl 5 in ethanol was added dropwise together with a buffering ammonium carbonate solution (NH 4 ) 2 CO 3 . This buffering ammonium carbonate solution later burns without residue. The solution is freed from excess water by suction, dried, pulverized and calcined at 1100 ° C. for the reaction. The powder obtained is ground again for twenty hours in order to comminute agglomerates. The resulting particles are smaller than 10 microns.

Das erhaltene Pulver wird zu einer siebdruckfähigen Paste und/oder einem spritzfähigen Material verarbeitet und im Siebddruck auf einen geeigneten Träger in einer Dicke zwischen 1-100 Mikrometer aufgetragen, wobei eine sensitive Schicht von zwanzig Mikrometern bevorzugt ist.The powder obtained is processed into a screen-printable paste and / or a sprayable material and screen-printed onto a suitable carrier in a thickness of between 1-100 micrometers, a sensitive layer of twenty micrometers being preferred.

Der erhaltene Gassensor wird hinter einem Katalysator im Abgasweg eines Automobils eingebaut und seine elektrische Leitfähigkeit erfaßt. Sie zeigt keinerlei Querempfindlichkeiten auf NO, CO und H2, eine eindeutige Sauerstoffkennlinie und eine klare und eindeutige Empfindlichkeit auf Kohlenwasserstoffe.The gas sensor obtained is installed behind a catalytic converter in the exhaust gas path of an automobile and its electrical conductivity is recorded. It shows no cross-sensitivity to NO, CO and H 2 , a clear oxygen characteristic and a clear and clear sensitivity to hydrocarbons.

Das aus der elektrischen Leitfähigkeit des Gassensors herge- leitete Signal ist ein Maß für die Konzentration an Kohlenwasserstoffen in Abgasen. Da die Konzentration, bzw. absolute Menge an Kohlenwasserstoffen pro zurückgelegter Wegstrecke ein direktes Maß für die Katalysatorwirkung ist, wird somit eine einfache und präzise Überprüfung des Katalysators ermög- licht. Wenn die je zurückgelegter Strecke erfaßten Kohlenwasserstoffe über einen hinreichend langen Zeitraum dauerhaft ansteigen, zeigt dies, daß der Katalysator fehlerhaft ist. So ermöglicht der neue Gassensor die Online-Überwachung der Abgasqualität. The signal derived from the electrical conductivity of the gas sensor is a measure of the concentration of hydrocarbons in exhaust gases. Since the concentration or absolute amount of hydrocarbons per distance covered is a direct measure of the catalyst action, a simple and precise check of the catalyst is thus made possible. If the hydrocarbons covered for each distance covered increase continuously over a sufficiently long period of time, this shows that the catalytic converter is faulty. The new gas sensor enables online monitoring of the exhaust gas quality.

Claims

Patentansprüche claims 1. Resistiver Gassensor zur Kohlenwasserstoffbestimmung in Abgasen mit einem halbleitenden Metalloxid in Perovskitstruktur der allgemeinen Formel Aι-χ-zi A' x Bι-y_z B y 03 , dadurch gekennzeichnet, daß x zwischen 0 und 0,05; zl zwischen 0,01 und 0,1; y zwischen 0 und 0,1 und z2 zwischen 0 und 0,005 beträgt.1. Resistive gas sensor for hydrocarbon determination in exhaust gases with a semiconducting metal oxide in a perovskite structure of the general formula Aι-χ- z i A ' x Bι- y _ z B y 0 3 , characterized in that x between 0 and 0.05; zl between 0.01 and 0.1; y is between 0 and 0.1 and z2 between 0 and 0.005. 2. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zl zwischen 0,015 und 0,03 insbesondere 0,02 beträgt.2. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that zl is between 0.015 and 0.03, in particular 0.02. 3. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin A1 ausgewählt ist aus einem oder mehreren Elementen der Lanthaniden, insbesondere aus Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym.3. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims, wherein A 1 is selected from one or more elements of the lanthanides, in particular from lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium. 4. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin A ausgewählt ist aus einem oder mehreren, bevorzugt einem von Calcium, Strontium, Barium und Blei.4. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims, wherein A is selected from one or more, preferably one of calcium, strontium, barium and lead. 5. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin B Titan ist.5. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims, wherein B is titanium. 6. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, worin B' ausgewählt ist aus einem oder mehreren6. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims, wherein B 'is selected from one or more Tantal, Niob, Eisen, Chrom und Vanadium.Tantalum, niobium, iron, chromium and vanadium. 7. Resistiver Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit der Zusammensetzung Sr0,98 Ti0,98 Ta0f0203. 7. Resistive gas sensor according to one of the preceding claims with the composition Sr 0 , 98 Ti 0 , 98 Ta 0f02 0 3rd 8. Verfahren zur Verwendung eines Gassensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor hinter einem Katalysator im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet, ein seiner elektrischen Leitfähigkeit charakterisierender Wert bestimmt und daraus eine Abgas-Kohlenwasserstoffkonzentration ermittelt wird. 8. The method for using a gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the gas sensor is arranged behind a catalyst in the exhaust gas stream of an internal combustion engine, a value characterizing its electrical conductivity is determined and an exhaust gas hydrocarbon concentration is determined therefrom.
PCT/DE1999/003394 1998-10-23 1999-10-22 Gas sensor with a perovskite structure for determining hydrocarbon Ceased WO2000025119A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

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