DE2528165A1

DE2528165A1 - Geraet zum bestimmen des kraftstoff-luft-verhaeltnisses in einem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2528165A1
Application number: DE19752528165
Authority: DE
Inventors: Piero Chiampo
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1974-07-23
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1976-02-12
Also published as: FR2280057A1; FR2280057B1; GB1496265A; IT1016660B

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-IN G. H. FINCKE DIPL.-ING. H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

Patentanwalt· Or. Finck« ■ Bohr · Stoeger · 8 München 5 · MOIIerstrafie

8 MÜNCHEN B₁ Müllurilraßo 31 Fernruf: (089)'266OiO Telegramme: Cloimi München Telex: S23903 Claim d

Mopp« No. A 188 Bitte in der Antwort angeben

Juni 1975

- Case F. 22U7

Beschreibung

zum Patentgesuch

der Firma FIAT Societä per Azioni

Turin / Italien

betreffend

"Gerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor"

Priorität: 2 3. Juli 1974 - ITALIEN

Die Erfindung betrifft ein Cerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor. Die Leistung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, steht in enger Beziehung zu dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis, mit dem der Motor arbeitet. Es ist daher wich-

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Bankverbindung ι Bayer. Vereintbank München, Konto £20404 · Pcuticheckkonto: München 27044-802

tig, dieses Verhältnis zu kennen; ein Gerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor sollte in der Lage sein, eine Anzeige des augenblicklichen Zahlenwertes dieses Verhältnisses zu liefern und sollte ein Ausgangssignal abgeben, mit dem eine Vorrichtung zum Einstellen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses des dem Motor zugeführten Brenngases gesteuert werden kann. Ausserdem ist es ganz allgemein erforderlich, derartige Geräte billig, leistungsfähig und robust zu bauen.

Geräte zum Bestimmen der Größe des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses sind an sich bekannt, die Messung beruht bei ihnen auf der Bestimmung der verschiedenen Komponenten der Abgase, insbesondere der Bestimmung des in den Abgasen vorhandenen Kohlenmonoxids oder Sauerstoffs. Ein bekanntes Gerät dieser Art arbeitet nach chemischen Methoden, kann aber nicht voll zufriedenstellen, weil exakte Messungen nicht vorgenommen werden können und kein geeignetes Ausgangssignal abgegeben werden kann, mit dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch automatisch gesteuert werden könnte. Ein weiteres bekanntes Gerät weist eine Wheatstone'sehe Brücke auf, bei der zwei Brückenzweige aus Platindrähten bestehen, die durch Joule'sehe Wärme auf hohe Temperatur gebracht werden, wobei der eine Zweig in Luft liegt und der andere von den zu analysierenden Abgasen umspült wird; die unverbrannten Bestandteile der Abgase verbrennen in Gegenwart des Platins und stören das Brückengleichgewicht. Ferner sind Geräte bekannt, die mit Meßkammern ausgerüstet sind, durch die die Abgase geleitet werden; Ultrarotstrahlung durchsetzt die Meßkammern und wird von Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung unterschiedlich stark absorbiert; die Zusammensetzung der Abgase wird auf diese Weise aus dem Grad der Absorption von Ultrarotstrahlung bestimmt.

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Schließlich sind auch noch Geräte bekannt, die in Gegenwart von Luft und Abgasen arbeiten, z.B. eine elektrolytische Gaskonzentrationszelle, die eine elektromotorische Kraft nach Maßgabe des Unterschieds der Sauerstoffkonzentration in der Luft und der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen erzeugt.

Die bekannten Geräte, von denen einige eigentlich für die Analyse der Verbrennungsprodukte von Heizkesseln entwickelt worden sind oder für die Lösung von Problemen, die sich erheblich von den speziellen Problemen unterscheiden, die bei der Untersuchung der Konzentration von Abgasen zur Ermittlung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem einem Verbrennungsmotor ursprünglich zugeleiteten Brenngas auftreten, haben verschiedene Nachteile, wenn man sie für den genannten Zweck einzusetzen versucht. Zum Beispiel arbeiten einige dieser Geräte nur mit geringer Wirkung in dem Bereich, der in den Abgasen von Ottomotoren anzutreffenden Werte, und die meisten Geräte sind in gewissem Umfang empfindlich gegenüber Änderungen von Temperatur und Druck und erfordern daher einen Temperaturausgleich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und einfaches Gerät anzugeben, das schnell und zuverlässig ein elektrisches Signal liefert, aus dem man das Kraftstoff-Luft-Verhältnis eines Ottomotors bestimmen kann,

Die Erfindung gibt ein Gerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor an, das in Abhängigkeit von diesem Verhältnis ein elektrisches Signal abgibt und einen Meßfühler, der bei Benutzung des Geräts in die Abgase des Motors eingeführt wird, sowie eine Schaltung zur Ermittlung von Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Meßfühlers aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet,

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daß der Meßfühler mit einem empfindlichen Element ausgestattet ist, das ein Halbleitermetalloxid enthält.

Eine Ausführungsform der Erfindung soll nachstehend beispielsweise ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, die folgendes darstellen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, die für die Bestimmung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor einsetzbar ist;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Form des Abgasmeßfühlers, wie er in der Schaltung nach Fig. 1 eingesetzt werden kann;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltung, die gegen Temperaturänderungen besonders unempfindlich ist.

In Fig. 1 ist ein Gerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor gezeigt; ein Meßfühler 1 wird bei Benutzung des Geräts in den Strom der von dem Motor abgegebenen Abgase gestellt; ferner ist ein Widerstand 8 und eine Batterie 6 vorgesehen, und die Spannung an dem Widerstand 8 wird von einem Voltmeter 10 abgegriffen.

Der Meßfühler 1 weist einen Stab 2 aus Halbleiter-Metalloxid auf, vorzugsweise ein Chromoxid, beispielsweise Chromioxid (CrjO-j), ein Titanoxid, beispielsweise Titandioxid (TiOj), oder ein Molybdänoxid, beispielsweise Molybdäntrioxid (MoO₃), sowie zwei Metallelektroden 3 und 5, die elektrischen Kontakt mit den Enden des Stabes 2 haben. Es hat sich gezeigt, daß die Leitfähigkeit eines Halbleitermetalloxids, wie es etwa für das Fühlelement 1 verwendet wird,

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bei einer Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 500 und 900⁰C (in welchem Bereich die Abgastemperatüren eines Verbrennungsmotors liegen) in Beziehung zu der Zusammensetzung der Gase steht, insbesondere zu den relativen Gehalten an Kohlenmonoxid und Sauerstoff in den Abgasen, und zwar kann diese Leitfähigkeit dazu benutzt werden, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der in den Motor eingeleiteten Brenngase zu bestimmen. Für diese Bestimmung wird eine Schaltung nach Fig. 1 verwendet, indem der Spannungsabfall an einem in Reihe mit dem Meßfühler 1 liegenden festen Widerstand gemessen wird, durch den aus der Batterie 6 ein gleichbleibender Strom fließt. Änderungen der Leitfähigkeit des Meßfühlers 1 führen zu entsprechenden Änderungen des den Meßfühler durchfliessenden Stroms und daher zu entsprechenden Änderungen des Spannungsabfalls am Widerstand 8. Die von dem Voltmeter 10 gemessene Spannung hängt somit von dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis ab, und daher ist es bei geeigneter Eichung der Voltmeterskala möglich, eine unmittelbare Ablesung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in dem Motor vorzunehmen; sollte das Kraftstoff-Luft-Verhältnis nicht den Forderungen entsprechen, kann es aufgrund der Anzeige geändert werden. Es läßt sich auch eine automatische Steuerung erreichen, wenn das Signal an dem Widerstand 8 abgetastet und zur Betätigung einer geeigneten Steuereinrichtung an sich bekannter, beliebiger Art benutzt wird.

Fig. 2 gibt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des Abgasmeßfühlers wieder, bei dem Halbleitermetalloxide in Pulver- oder Granulatform verwendet werden. Der Fühler besteht aus einer Hülse 22 aus Keramik, in die eine bestimmte Menge des verdichteten Metalloxidpulvers 21 eingebracht ist, vorzugsweise Chromioxid (Cr₂O₃), Titanoxid

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(TiO₂) oder Molybdäntrioxid (MoO₃). Das Metalloxidpulver befindet sich in der Hülse 22 zwischen zwei Metallelektroden 2 3 und 25, die in einem Schaltkreis entsprechend Fig. 1 liegen.

Das Keramikmaterial der Hülse 22 ist porös, so daß die Gase, in die der Meßfühler bei der Messung eingetaucht wird, in unmittelbaren und innigen Kontakt mit dem Oxidpulver 21 kommen.

In Fig. 3 ist eine Brückenschaltung zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor gezeichnet; die Schaltung ist besonders unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Die Schaltung stellt eine normale Wheatstone'sehe Brücke dar, deren eine Diagonale mit Spannung aus einer Batterie 30 über einen Schalter versorgt wird; in der anderen Brückendiagonale liegt ein Strommesser 39. In zwei Brückenzweigen liegt ein Festwiderstand 35 bzw. ein einstellbarer Widerstand 36, der verstellt werden kann, um die Brücke bei der ersten Eichung des Geräts abzugleichen. In den anderen beiden Brückenzweigen liegen zwei Abgasmeßfühler 37, 38 der oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Bauweise, jedoch befindet sich der Meßfühler 38 in einer gasundurchlässigen Umhüllung, so daß dieses auf Gas ansprechende Fühlelement mit den Abgasen nicht in Kontakt kommt, aber die gleichen Temperaturänderungen erleidet wie der Meßfühler 37, der den Abgasen unmittelbar ausgesetzt ist.

Diejenigen Widerstandsänderungen des Meßfühlers 37, die ausschließlich auf Temperaturschwankungen in den Abgasen zurückzuführen sind, werden somit durch ertsprechende Widerstandsänderungen des Meßfühlers 38 ausgeglichen. Die Änderungen des Brückengleichgewichts sind daher allein auf

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Änderungen der Zusammensetzung der Abgase zurückzuführen und sind eine Funktion lediglich des Kraftstoff-Luft-Ver hältnisses und nicht der Gastemperatur.

Patentansprüehe:

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Claims

Patentansprüche

Gerät zum Bestimmen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsmotor, das in Abhängigkeit von diesem Verhältnis ein elektrisches Signal abgibt und einen Meßfühler, der bei Benutzung des Geräts in die Abgase des Motors eingeführt wird, sowie eine Schaltung zur Ermittlung von Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Meßfühlers aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (1) mit einem empfindlichen Element ausgestattet ist, das ein Halbleiter· metalloxid (2, 21) enthält.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichne:, daß Chromioxid (Cr₂O₃) als Halbleitermetalloxid verwendet wird.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Titanoxid (TiOj) als Halbleitermetalloxid verwendet wird.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Moybdänoxid (MoOg) als Halbleitermetalloxid verwendet wird,
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß das empfindliche Eiemer.t (21) des genann. ter. Meßfühlers Cl) ein halbleiterr.et ailcxiapulver '21· carstelit» das zwischen zwei Elektroden (23» 25) und einer Hülse (22) aus poröser. Kerarrdkmateria.! verdichte-

c . 'erür nach eirerr der Ansprüche 1 bis ^u _r dacurcr gekennzeichnet, daß das empfindliche Eier.ent C 2 ■ ce~ renanrter. N.eibf Üh.lers ( 1'; eine-: Stab C 2) au£ HalMeite-rrer^licx- .: urr.faüti ar. cessen Deiden Lnoer, jewei_s eine Elektrode H-, D- ar.^ebrcCht ist.

7_r Gerät nach eineir^ der vorhersenencer. Ansprüche» daourcn ?ekennzeicnne-. daß die genannte Schaltung zurr. .Nachweis von Äncerungen der elektrischen Eigenschaften des Meßfühlers als Wheatstone'sehe Brücke ausgebildet ist» in deren einer 2weig cer genannte Meßfühler CS^-^) liegt, wSnrenc ir. cer benachbarten Brückenzweig ein gleicner MeAfühler (3S) liegt, den eine gasundurchlässige Keramikhülle umgict« und daß die beiden Meßfühler CS'⁷, 38) bei der Benutzung des Geräts in die Motorabgase eingeführt werden_? se daß sie beide die gleichen Temperaturänderungen erleiden,

Gerät nach einein der Ansprüche 1 bis t» , dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schaltung zur Ermittlung der Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Meßfühlers (1) eine Stromquelle (6) und einen in Reihe damit geschal· teten Widerstand (8), sowie eine auf den Spannungsabfall

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an dem in Reihe geschalteten Widerstand (8) oder den ihn durchfliessenden Strom ansprechende Einrichtung aufweist» die eine Anzeige der Leitfähigkeitsänderung des Meßfühlers liefert.

Fürs FIAT SOCIETA PER AZIONI

PATBNTANWXLTC

«MN». H. FINCKE, DIPL-ING. H. «OMI WPUINQ. S. STAiGiB

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