DE2654892A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtasten der aenderung des luft-brennstoff-verhaeltnisses eines einer brennkraftmaschine zugefuehrten gemisches - Google Patents

Description

Nissan Motor Company, Limited No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku,
Yokohama City,
Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches, das durch eine Brennkraftmaschine verbrannt wird, durch Prüfung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Sensor, der nach dem Prinzip einer Festelektrolyt-Sauerstoff konzentrationszelle arbeitet, jedoch ein elektrisches Signal erzeugt, das eindeutig eine Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses um ein stöchiometrisches Verhältnis herum angibt.

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Ein herkömmlicher Sauerstoffsensor, der nach dem Prinzip der Konzentrationszelle oder des Konzentrationselements arbeitet, weist eine Schicht eines festen Elektrolyten auf, in der Sauerstoff-Ionen als Träger arbeiten, sowie zwei Elektronen leitende Elektrodenschichten, die als poröse Schichten auf beiden Seiten der Elektrolytschicht ausgebildet sind. Ein typisches Beispiel für den festen Elektrolyten ist Zirkonoxyd-Keramik mit einem stabilisierenden Bestandteil wie Kalziumoxyd, und die Elektrodenschichten bestehen üblicherweise aus Platin. Die Sauerstoffkonzentration in einem Gas, beispielweise in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine, wird dadurch geprüft, daß eine der beiden Elektrodenschichten des Sensors dem zu prüfenden Gas und die andere einem Vergleichsgas wie etwa Luft ausgesetzt wird. Dabei entwickelt der Sensor eine elektromotorische Kraft über die beiden Elektroden entsprechend der Differenz des Sauerstoff-Partialdruckes zwischen dem geprüften Gas und dem Vergleichsgas. Diese elektromotorische Kraft E wird bestimmt durch die Nernst¹sehe Gleichung:

•Π RT ι Pn KRT ι Pi-, I Λ \

E = 4P log_e 2 = -^r- 1Og₁₀ 2 (1),

in der R die Gaskonstante, T dif= ν'..solute Temperatur, P die Faraday¹sehe Konstante, K eine Konstante, P der Sauerstoff-Partialdruck und die Indexe 1 und 2 das gemessene und das Vergleichsgas bedeuten. Daher hängt die elektromotorische Kraft E oder die Ausgangsspannung des Sensors ab von der Temperatur, so daß die Elektrolytschicht des Sensors im praktischen Betrieb auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden sollte.

Im Auspuffgas einer Brennkraftmaschine, die mit einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie etwa Benzin betrieben wird, reagieren Kohlenmonoxyd und unverbrannte Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff, der in den Auspuffgasen verbleibt.Folglich wird angenommen, daß die folgenden Reaktionen in den Auspuffgasen im Gleichgewicht stehen. <

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ORIGINAL INSPECTED

^{C0 +} 2 °2 Τ"* ^C°2

Diese Gleichgewichtszustände und folglich der Sauerstoff-Partialdruck in den Auspuffgasen hängen ab von der Auspuffgas temper a tür. Platin wird als Material für die Elektrodenschichten des Sensors teilweise wegen seiner katalytischen Fähigkeiten in bezug auf diese Oxydationsreaktionen verwendet. Bei Berührung des Auspuffgases mit der Platinelektrode verschieben sich die beiden Reaktionen schnell nach rechts. Wegen des Auftretens derartiger Oxydationsreaktionen auf einer Seite der festen Elektrolytschicht und einer erheblichen Abhängigkeit der Sauerstoffmenge in dem Auspuffgas von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des durch die Maschine verbrannten Gemisches weist der beschriebene Sauerstoffsensor die folgenden Ausgangscharakteristika auf. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis durch den Überschußluftfaktor λ wiedergegeben wird, der definiert werden kann als Verhältnis des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des in der Maschine verbrannten Luft-Brennstoff-Gemisches zu dem stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnis derselben Bestandteile, befindet sich die Ausgangsspannung des Sensors auf einem relativ hohen Niveau, und sie wird nur geringfügig beeinflußt durch eine Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Dies gilt, sofern die Auspuffgastemperatur sich nicht wesentlich ändert, so lange, wie der Wert von <A kleiner als 1,0 ist, während sich ein erheblich niedrigerer Wert ergibt, wenn Λ größer als 1,0 ist. Wenn sich der Wert von Λ nach beiden Seiten von 1,0 ändert, erfährt die Ausgangsspannung einen plötzlichen übergang von einem Niveau zum anderen.

Es ist bekannt, daß ein Sauerstoffsensor der beschriebenen Art geeignet ist als Abtastelement in einem Rückkoppiungs-Steuersystem zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Gemisches, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, und

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insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug in Verbindung mit einer Ausschaltung einer Luftverschmutzung und/ oder einer Verringerung des Brennstoffbedarfs. Die Verwendung eines derartigen Sauerstoffsensors ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Steuersystem darauf ausgerichtet, den Überschußluftfaktor A in der Nähe von 1,0 zu halten, wie es häufig der Fall ist. Bei praktischen Anwendungsfällen ist die Festelektrolyt-Schicht dieses Sauerstoffsensors zumeist als Rohr ausgebildet, das an einem Ende geschlossen ist, so daß die Anbringung, beispielsweise an einem Auspuffrohr der Maschine vereinfacht wird und nur eine äußere Seite der Elektrolytschicht dem Auspuffgas ausgesetzt ist.

Herkömmliche Sauerstoffsensoren der beschriebenen Art haben jedoch folgende Nachteile.

(1) Eine hermetische und wärmebeständige Abdichtung ist bei diesen Sensoren unerläßlich, damit eine Seite der Elektrolytschicht vollständig von den Auspuffgasen isoliert wird.

(2) Die Sensoren sind nicht mehr betriebsfähig, wenn die feste Elektrolytschicht, die nicht sehr zäh ist, beispielsweise aufgrund von termisehen Stoßbelastungen bricht.

(3) Die FestelektrolyirSchicht kann nicht ohne weiteres gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden, da sie nur von einer Seite erwärmt wird.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, ein verbessertes Verfahren zum Abtasten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem ein Sensor verwendet wird, der nach dem Prinzip des Festelektrolyt-Sauerstoff-Konzentrationselements arbeitet, ohne daß die obenerwähnten Nachteile herkömmlicher Sauerstoffsensoren auftreten. Die Abtastung einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches um das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis herum soll verbessert werden. Es soll eine Vorrichtung mit einem Sensor geschaffen werden, der nach dem Prinzip des Festelektrolyt-Sauerstoff-Konzentrations-elements arbeitet und der frei von den obenerwähnten Nachtei-

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AO

len ist. Der Sensor soll bei Berührung mit dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine ein elektrisches Signal liefern,, das eindeutig eine Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches um den stöchiometrisehen Wert herum anzeigt.

Für Einzelheiten der Erfindung wird auf den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrxchtungsanspruchs Bezug genommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abtasten des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird ein Sensor verwendet, der eine Schicht aus einem Sauerstoff-Ionen leitenden Festelektrolyten und zwei poröse Elektrodenschichten aus einem Metall mit katalytischen Fähigkeiten in bezug auf Oxydationsreaktionen von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff auf beiden Seiten der Elektrolytschicht umfaßt. Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, einen Strom des Auspuffgases einer Brennkraftmaschine zunächst mit einer Seite der Elektrolytschicht des Sensors durch die dort angebrachte Elektrodenschicht hindurch in Berührung zu bringen und sodann denselben Auspuffgasstrom mit der anderen oder zweiten Seite der Elektrolytschicht mit zeitlicher Verzögerung in bezug auf die erste Seite der Elektrolytschicht zusammenzuführen, so daß der Sensor eine Ausgangsspannung erzeugt, wenn sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert hinweg ändert und eine Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf einer Seite der Elektrolytschicht und demjenigen auf der anderen Seite aufgrund der Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgasstrom und der zuvor erwähnten zeitlichen Verzögerung eintritt.

Der Sensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt eine Schicht eines Sauerstoff-Ionen leitenden festen Elektrolyten, zwei poröse und Elektronen leitende Elektrodenschichten aus Metall mit katalytischen Fähigkeiten in bezug auf Oxydationsreaktionen von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff auf beiden Seiten der Elektrolytschicht, wobei nur eine der beiden Elektrodenschichten auf einer ersten Seite der Elektrolytschicht

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direkt im Zutrittsbereich des zu überprüfenden Gases angeordnet ist, und einen Gas-Kanal, der es gestattet, das Gas in Berührung mit der anderen, zweiten Seite der Elektrolytschicht mit zeitlicher Verzögerung hinter der Kontaktberührung des Gasstromes mit der ersten Seite der Elektrolytschicht zu bringen. Der Gas-Kanal des Sensors weist vorzugsweise die Form von wenigstens einer Bohrung auf, die die Elektrolytschicht durchdringt, wenn die Elektrolytschicht die Form eines Rohres besitzt, das an einem Ende geschlossen ist. Alternativ kann der Kanal als Bohrung durch eine rohrförmige Hülse des Sensors ausgebildet sein, insbesondere, wenn die Elektrolytschicht als Scheibe ausgebildet und in der Hülse zum Verschließen eines Endes angebracht ist. Der Sensor kann wahlweise einen Gasauslaß zum Ableiten eines Teils des Gasstromes zu einer äußeren Umgebung umfassen, die sich im wesentlichen bei Atmosphärendruck befindet, wenn die Berührung mit der zweiten Seite der Elektrolytschicht durchgeführt ist.

Das erfindungsgemäße Abtastverfahren für das Luft-Brennstoff-Verhältnis ist insbesondere geeignet für ein Maschinensystem, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei dem oder in der Nähe des stöchiometrischen Wertes des Luft-Brennstoff-Verhältnisses gehalten werden soll und hat den Vorteil, daß bei Schwankungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses um den stöchiometrischen Wert herum die Richtung der Änderung, das heißt die Änderung von der niedrigeren zu der höheren Seite oder umgekehrt, klar aus der Polarität der Ausgangsspannung des Sensors entnommen werden kann. Die Ausgangsspannung ist negativ im ersteren Falle und positiv im letzteren Falle.

Der erfindungscjemäße Sensor hat neben der erwähnten Ausgangscharakteristik die Vorteile, daß er auch mit Sprüngen in der Elektrolytschicht arbeiten kann und daß die Elektrolytschicht von beiden Seiten erwärmt und damit ohne weiteres auch unter ungünstigen Bedingungen, wie etwa beim Kaltstart der Maschine, auf gleichmäßige Temperatur gebracht werden kann.

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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Sensor entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Teilschnittdarstellung einer geringfügigen Änderung des Sensors der Fig.1;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen herkömmlichen Sauerstoffsensor;

Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 5 ist ein Teilschnitt zur Veranschaulichung einer geringfügigen Änderung-des Sensors der Fig.4;

Fig. 6 ist ein Diagramm und zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoff-Verhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Brennstoff-Gemisches und dem Sauerstoff-Partialdruck in den Auspuffgasen der Maschine;

Fig. 7 zeigt zwei Diagramme zur Veranschaulichung der Art der Änderung des Sauerstoff-Partialdruckes bei periodischer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses um den stöchiometrisehen Wert herum;

Fig. 8 zeigt zwei Diagramme, die die zeitliche Verzögerung bei der Entwicklung des Sauerstoff-Partialdruckes auf der Innenseite der Elektrolytschicht in einem erfindungsgemäßen Sensor hinter der Entwicklung desselben Sauerstoff-Partialdruckes auf der Außenseite derselben Schicht veranschaulichen;

Fig. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer periodischen Änderung der Größe der Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf beiden Seiten der-

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selben Elektrolytschicht entsprechend den Darstellungen der Fig.7 und 8;

Fig.10 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der periodischen Änderung der Ausgangsspannung des Sensors entsprechend den Änderungen· der Fig.9;

Fig.11 ist ein Diagramm entsprechend Fig.10 in einer stärker an die Betriebspraxis angenäherten Form.

Ein Sensor 10 gemäß Fig.1 als einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet nach dem bekannten Prinzip eines Sauerstoff-Konzentrationselements und weist eine Schicht in der Form eines Rohres 12 aus einem Sauerstoff-Ionen leitenden Festelektrolyten auf, der beispielsweise aus einem Zirkonoxyd oder -dioxyd-Keramikmaterial besteht, das Kalziumoxyd (calcia) als Stabilisierungskcmponente enthält. Das Rohr 12 ist an einem Ende geschlossen. Die äußere Oberfläche des Rohres 12 ist vollständig mit einer porösen, Elektronen leitenden Elektrodenschicht 14 überzogen. Diese Elektrodenschicht 14 besteht aus einem Metall wie Platen, das eine katalytische Aktivität in bezug auf die Oxydation von oxydierbaren Bestandteilen der Auspuffgase der Brennkraftmaschine aufweist. Die innere Oberfläche des Rohres 12 ist vollständig mit einer Elektrodenschicht 16 überzogen, die ähnlich wie die äußere Elektrodenschicht 14 in bezug auf Material und Aufbau ausgeführt ist.

Der äußere Durchmesser des Rohres 12 ist im Mittelbereich erweitert und bildet einen ringförmigen Rücken 12a. Das Rohr 12 ist in eine röhrförmige Hülse 18 aus Metall eingesetzt, deren innerer Durchmesser örtlich zur Aufnahme des Rückens 12a des Rohres 12 erweitert ist, während ein geschlossener Endbereich des Rohres 12 aus der Hülse 18 hinausragt. Die Hülse 18 weist auf ihrer Außenseite eine Befestigungseinrichtung, beispielsweise ein Gewinde auf, mit dessen Hilfe der vorspringende Endbereich des Elektrolyt-Rohres 12 in einem Auspuffrohr 20 einer Brennkraftmaschine, beispielsweise mit Hilfe eines Ansatzes 22 in der Wand des Auspuffrohres 20 festgelegt werden kann. Die Hülse 18 dient ebenfalls als Leiter für die Äußere Elektroden-

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— ΊΓ —

A^

schicht 14. Das Rohr 12 und die Hülse 18 sind so geformt, daß zwischen beiden ein ringförmiger Zwischenraum in einem Bereich vom rechten Ende des Rückens 12a zum offenen Ende des Rohres 12 hin in Fig.1 entsteht. Dieser ringförmige Zwischenraum ist mit einem pulverförmigen, elektrisch leitenden Dichtungsmittel 24, wie beispielsweise Graphitpulver, Kupferpulver oder halbleitendes CuO-Pulver oder einem pulverförmigen Gemisch aus einem derartigen leitenden Material und einem nichtleitenden, hitzebeständigen Material gefüllt, das in dem ringförmigen Zwischenraum zusammengepreßt ist.

Zum Abstützen des zusammengedrückten Dichtungsmittels 24 und zum Festlegen des Elektrolyt-Rohres 12 an der Hülse 18 sind Ringe 26 aus Metall wie etwa Kupfer in den ringförmigen Zwischenraum eingepreßt. Diese Ringe tragen ebenfalls zur Sicherung einer elektrischen Verbindung zwischen der äußeren Elektrodenschicht 14 und der Hülse 18 bei. Zur weiteren Festlegung des Rohres 12 in der Hülse 18 ist ein Haltering 28 aus Metall dicht in das offene Ende rechts in Fig.1 des ringförmigen Zwischenraumes eingeschraubt.

Ein offener Endbereich der Bohrung des Rohres 12 weist einen erweiterten Durchmesser auf, der mit einem kegelförmigen Abschnitt in den restlichen Teil der Bohrung übergeht. Ein metallischer Leiter 30 in der Form eines massiven Zylinders mit einem kegelförmigen Flansch an einem Ende ist teilweise in die Bohrung des Rohres 12 eingefügt, so daß der kegelförmige Flansch gegen den kegelförmigen Übergangsabschnitt der Bohrung anliegt. Der Leiter 30 weist einen derartigen äußeren Durchmesser auf, daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen dem an den Flansch angrenzenden Bereich des Leiters 30 und dem inneren der Elektrodenschicht 16 entsteht. Dieser ringförmige Zwischenraum ist mit einem pulverförmigen und elektrisch leitenden Dichtungsmittel 32 ausgefüllt, das zusammengepreßt ist und aus demselben Material bestehen kann wie das Dichtungsmittel 24. Ringe 34 aus Metall sind in den ringförmigen Zwischenraum um den Leiter 30 herum eingepreßt und halten das Dichtungsmittel 32 fest und sicher in eine elektrische Verbindung zwischen

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λ*

der inneren Elektrodenschicht 16 und dem Leiter 30.

Als wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Sensors ist eine Anzahl von Bohrungen 36 in der Wand des Elektrolyt-Rohres 12 und den beiden Elektrodenschichten 14 und 16 am geschlossenen Endbereich, der von der Hülse 18 aus vorspringt, vorgesehen. Diese Bohrungen 36 sind insbesondere, jedoch nicht notwendig radial zu dem Rohr 12 angeordnet. Folglich kann das Auspuffgas, das durch das Auspuffrohr-20 hindurchströmt, in das Innere des Rohres 12 eintreten. Der Querschnitt der Bohrungen 36 ist jedoch so klein, daß ein erheblicher Widerstand gegen das Einströmen des Auspuffsgases in das Innere des Rohres 12 erzeugt wird. Folglich trifft das Auspuffgas auf die innere Oberfläche des Rohres 12 mit einer zeitlichen Verzögerung nach dem Auftreffen auf die äußere Oberfläche des Rohres 12. Sowohl die äußere als auch die innere Elektrodenschicht 14,16 sind porös und gasdurchlässig. Das Innere des Rohres 12 in dem Sensor der Fig.1 ist gegenüber der Atmosphäre durch den Leiter 30 abgedichtet, so daß die erwähnte zeitliche Verzögerung durch den Querschnitt der Bohrungen 36 und das Volumen im Inneren des Rohres 12 bestimmt wird.

Fig.2 zeigt einen Sensor 50, der gegenüber dem Sensor 10 der Fig.T geringfügig abgewandelt ist. In diesem Falle ist der Leiter 30 mit einer Axialbohrung 38 versehen, durch die die Auspuffgase, die in das Innere des Rohres 12 eintreten, an eine äußere Umgebung, beispielsweise einen Luftfilter der Brennkraftmaschine austreten, der im wesentlichen unter Atmosphärendruck steht. Im übrigen ist der Sensor 50 der Fig.2 ebenso aufgebaut wie der Sensor TO der Fig.1. In diesem Falle ist die Zeitverzögerung der Ankunft des Auspuffgases auf der Innenseite des Rohres 12 nach dem Auftreffen auf die Außenseite abhängig von dem Unterschied zwischen dem Auspuffgasdruck und dem Atmosphärendruck sowie dem Querschnitt der Bohrungen 36.

Ein herkömmlicher Sauerstoff-Sensor 60, der im wesentlichen ebenso aufgebaut ist wie der Sensor 50 der Fig.2,ist in Fig.3

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gezeigt. Als einzigen Unterschied gegenüber dem Sensor 50 der Fig.2 weist dieser herkömmliche Sensor 60 keine Bohrungen in der Wand des Rohres 12 auf, da es bei diesem Typ des Sauerstoff-Sensors 60 notwendig ist, daß die Innenseite des Rohres 12 vollständig von den Auspuffgasen isoliert und Atmosphärenluft als Vergleichsgas ausgesetzt ist.

Die Sensoren 10 und 50 sind nicht geeignet für eine exakte Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas, jedoch durchaus verwendbar zur Überprüfung einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in einem brennbaren Gemisch einer Brennkraftmaschine um den stöchiometrischen Wert herum, wie sich aus der folgenden Erläuterung der Funktion dieser Sensoren 10 und 50 in dem Auspuffgas ergeben wird.

Wenn ein Auspuffgas, das aus einer Verbrennung eines Luft-Benzin-Gemisches in einer Brennkraftmaschine entsteht, mit einem katalytischen Metall wie etwa Platin bei hohen Temperaturen in Berührung gebracht wird, ändert sich der im Gleichgewicht befindliche Partialdruck P (Atm) des Sauerstoffs in dem Auspuffgas mit Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, · das heißt des Überschußluftfaktors λ , des Gemisches und der Auspuffgastemperatur, wie es in Fig. .6 gezeigt ist. Der Sauerstoff-Partialdruck P befindet sich auf zwei genau getrennten Ebenen, je nach dem Wert von Λ auf einer der Seiten des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses, bei dem

^l gleich 1 ist. Bei 600⁰Cbeispielsweise liegt der Sauerstoff-Partialdruck P in der Größenordnung von 10~ , wenn der Wert von Λ kleiner als 1,0 ist, jedoch in der Größenordnung von 10 , wenn der Wert von /λ. größer als 1,0 ist. Der Sauerstoff-Partialdruck P erfährt einen plötzlichen Übergang von einer dieser Größenordnungen zu der anderen, wenn /V über den Wert von 1,0 hinweg geändert wird.

Die Funktion eines Rückkopplungssystems zur Aufrechterhaltung des Wertes von Λ bei 1,0 führt zu einer geringen Höhe der periodischen Änderung des Wertes von λ um den Wert 1,0 herum,

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wie es durch das Diagramm A in Fig.7 wiedergegeben ist. Auf der Basis dieses Diagramms A und des Diagramms der Fig.6 erfährt der Sauerstoff-Partialdruck P des Auspuffgases bei Berührung mit Platin und 600⁰C eine periodische Änderung in der Art, wie sie durch das Diagramm B in Fig.7 wiedergegeben ist.

Wenn der Sensor 10 oder 50 der vorliegenden Erfindung einem Strom des Auspuffgases ausgesetzt ist, in dem sich der Sauerstoff-Partialdruck P gemäß Fig.7 ändert, gelangt der schwankende Sauerstoff-Partialdruck P an die Außenseite des Rohres 12, da das Auspuffgas durch die äußere Elektrodenschicht 14 hindurchgeht. Für die Außenseite des Rohres 12 soll dieser Sauerstoff-Partialdruck P im folgenden zur Vereinfachung mit P. bezeichnet werden. In Fig.8 zeigt das Diagramm I, das im wesentlichen mit dem Diagramm B der Fig.7 übereinstimmt, die Änderung des Sauerstoff-Partialdrucks P in dem Auspuffgasstrom auf der Außenseite des Rohres 12. Sodann tritt das Auspuffgas in das Innere des Rohres 12 durch die Bohrungen 36 ein und gelangt mit der Innenseite des Rohres 12 durch die innere Elektrodensch.icht 16 mit Zeitverzögerung gegenüber dem Auftreffen auf c$er Außenseite des Rohres 12 in Berührung. Der Sauerstoff-Partialdruck auf der Innenseite des Rohres 12 soll im folgenden als P₂ bezeichnet werden. Da der Sauerstoff-Partialdruck P oder P₁ eine periodische Änderung gemäß dem Diagramm I erfährt, ändert sich der Partialdruck P₃ im wesentlichen in derselben Weise, Es besteht jedoch eine Phasendifferenz zwischen der Änderung von P₁ und derjenigen von P₂ aufgrund der erwähnten Zeitverzögerung. Im Gegensatz zu dem Diagramm I ist die Änderung von P₂ in dem Diagramm II in Fig.8 gezeigt. Die Größe der Phasendifferenz zwischen der Kurve in dem Diagramm I und derjenigen in dem Diagramm II oder die Länge der Zeitverzögerung zwischen dem Auftreffen des Auspuffgases auf die Außenseite und die Innenseite des Rohres 12 ist mit d in Fig.8 bezeichnet.

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Wenn die Länge der Zeitverzögerung d, die von der Art der Bohrungen 36 der Sensoren 10 oder 50 abhängt, annähernd in Beziehung zu der Frequenz der periodischen Änderung des Partialdrucks P oder der Änderung des Wertes vorgegeben ist, ergibt sich eine Differenz zwischen der Größe von P. und P₂, die intermittierend für bestimmte Zeitperioden eintritt, wie in Fig.8 zu erkennen ist. Die elektromotorische Kraft oder Ausgangsspannung E der Sensoren 10 oder 50 ergibt sich aus folgender Gleichung:

E =

(1Og_1nP, - 1Og_1nP₁) (2)

4F

Der Wert von (log.. P„ - 1Og_1nP₁), der aus den Diagrammen der Fig.8 zu errechnen ist, erfährt eine periodische Änderung, wie aus Fig.9 hervorgeht.

Fig.10 zeigt eine ähnliche Schwankung der Ausgangsspannung E (Volt) als Ergebnis einer rechnerischen Ermittlung aus der Gleichung 2 auf der Grundlage des Diagramms der Fig.9. Wie Fig.10 zeigt, nimmt die Ausgangsspannung E der Sensoren 10 oder 50 einen Wert von etwa -1 Volt an, wenn sich der Wert von Λ über 1,0 hinweg von einem kleineren Bereich (Λ < 1,0, das heißt überschüssiger Brennstoff im Luft-Brennstoff-Gemisch) zu einem größeren Bereich ( /\, ? 1,0, das heißt Brennstoffmangel im Luft-Brennstoff-Gemisch) ändert. Dagegen tritt ein Wert von etwa + 1 Volt ein, wenn sich Λ über 1,0 hinweg von einem größeren Wert zu einem kleineren Wert ändert. Die Ausgangsspannung E bleibt im wesentlichen auf 0 Volt, während der Wert von Λ überhalb oder unterhalb 1,0 liegt. Die Ausgangsspannung E ändert sich in Abhängigkeit von der Auspuffgastemperatur, wie in Fig.6 gezeigt ist, erfährt jedoch eine periodische Änderung in der in Fig.10 gezeigten Weise unabhängig von der Auspuffgastemperatur, wenn sich der Wert von ^Λ über 1,0 hinweg ändert. Die Wellenform der Fig.10 ist

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idealisiert dargestellt, und im praktischen Gebrauch ist die Wellenform des Ausgangssignals E der Sensoren 10 oder 50 etwas verformt und/oder ungleichmäßig, wie es in Fig.11 gezeigt ist. Dies beruht auf feinen und ständigen Änderungen der verschiedenen Faktoren einschließlich des Wertes λ .

Bei einem erfindungsgemäßen Sensor muß die Festelektrolyt-Schicht nicht notwendigerweise rohrförmig ausgebildet sein, wie es in Fig.T und 2 gezeigt ist.

Gemäß Fig.4, die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors 70 zeigt, ist die Sauerstoff-Ionen leitende Festelektrolyt-Schicht als Scheibe 12A ausgebildet. Die Scheibe ist fest und luftdicht in einer rohrförmigen Hülse 18A aus Metall befestigt und schließt ein Ende dieser Hülse. Die äußere Elektrodenschicht 14 und die innere Elektrodenschicht 16 sind auf beiden Seiten der Scheibe 12A im wesentlichen in derselben Weise wie bei dem Sensor 10 gemäß Fig.1 ausgebildet. Die äußere Elektrodenschicht 14 steht in Berührung mit der metallischen Hülse 18A und die innere Elektrodenschicht 16 ist gegenüber dieser Hülse isoliert. Das andere Ende der rohrförmigen Hülse 18A ist luftdicht durch eine Scheibe 40 aus hitzebeständigem und elektrisch isolierendem Material wie etwa Keramik verschlossen. Ein Leiter 42 läuft durch die Scheibe 40 in luftdichter Verbindung hindurch, und ein Leitungsdraht 44, der beispielsweise aus Platindraht besteht, verbindet die innere Elektrodenschicht 16 mit dem Leiter 42 innerhalb der Axialbohrung der Hülse 18A. Die Hülse 18A ist auf der Außenseite mit Gewinde versehen, und ein Flansch befindet sich an einem Ende gegenüber der Elektrolyt-Scheibe 12A, so daß ein Teil der Hülse 18A einschließlich des durch die Elektrolyt-Scheibe 12A verschlossenen Endes in das Auspuffrohr eingefügt werden kann. In diesem Bereich ist eine oder eine Anzahl von radialen Bohrungen 46 in der Wand der Hülse 18A angebracht. Die Bohrungen dienen als Gas-Kanäle zum Einlassen von Auspuffgas

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in das Innere der Hülse 18A mit einem bestimmten Widerstand. Der Sensor 70 arbeitet auf dieselbe Weise wie der Sensor 10 der Fig.1.

Entsprechend der Abwandlung des Sensors 10 der Fig.1 zu dem Sensor 50 der Fig.2 kann die Hülse 18A des Sensors 70 einen Gas-Auslaß 48 aufweisen, wie Fig.5 zeigt. Dieser befindet sich in einer Position außerhalb des Auspuffrohres.

Ein erfindungsgemäßer Sensor kann unabhängig von seinem Aufbau zusätzliche Bauteile umfassen wie beispielsweise nicht gezeigte poröse Schutzüberzüge auf der Oberfläche der äußeren und/oder der inneren Elektrodenschicht 14,16 und Wärmeschilder um die Hülse 18 oder 18A herum, wie es bei herkömmlichen Sauerstoff-Sensoren in Festelektrolyt-Konzentrationselementen bauweise der Fall ist.

Aus der Beschreibung geht hervor,t daß der erfindungsgemäße Sensor zweckmäßig ist als Element eines Rückkopplungs-Steuersystems zur Aufrechterhaltung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Luft-Brennstoff-Gemisches einer Brennkraftmaschine genau auf oder in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses. Im Vergleich zu herkömmlichen Sauerstoff-Sensoren entsprechend Fig.3 weisen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Vorteile auf:

(1) Der erfindungsgemäße Sensor kann auch dann arbeiten, wenn die Elektrolytschicht Sprünge aufweist, beispielsweise aufgrund von termischen Stoßbelastungen.

(2) Die Festelektrolyt-Schicht kann ohne weiteres und gleichförmig durch das Auspuffgas erwärmt werden.

(3) Die Anforderungen an eine hermetische Abdichtung sind verringert, insbesondere, wenn die Innenseite der Elektrolytschicht gegenüber der Atmosphäre isoliert ist. Außerdem ist es nicht notwendig, Leitungen vorzusehen, die die Innenseite der Elektrolytschicht mit der Luft verbinden.

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(4) Es kann auf einfache Weise und zweifelsfrei festgestellt werden, ob die Menge des Brennstoffs in dem Luft-Brennstoff-Gemisch sich von Überschuß auf Mangel oder entgegengesetzt geändert hat, da die Polarität der Ausgangsspannung des Sensors in Abhängigkeit von der Richtung des Überganges des Luft-Brennstoff-Verhältnisses über den stöchiometrischen Wert geändert wird.

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Claims (19)

1. Patentansprüche

   Verfahren zum Abtasten der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches über den stöchiometrischen Wert hinweg, dadurch gekennzeichnet , daß man einen Sensor in einem Kanal eines Auspuffgasstromes der Maschine anordnet, der eine Schicht eines Sauerstoff-Ionen leitenden Festelektrolyten und eine poröse, Elektronen leitende erste und zweite Elektrodenschicht aus einem Metall mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf Oxydationsreaktionen von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen auf einer ersten und zweiten Seite der Elektrolytschicht umfaßt, daß man den Auspuffgasstrom mit der ersten Seite der Elektrolytschicht des Sensors durch die erste Elektrodenschicht hindurch in Berührung bringt und daß man den Auspuffgasstrom mit der zweiten Seite der Elektrolytschicht mit zeitlicher Verzögerung in bezug auf die erste Seite in Berührung bringt und eine Ausgangsspannung erzeugt, wenn sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert hinweg ändert und eine Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf der ersten Seite und dem Sauerstoff-Partialdruck auf der zweiten Seite aufgrund der Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas und der zeitlichen Verzögerung auftritt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolytschicht wenigstens als Teil eines geschlossenen Rohres mit der ersten Seite auf der Außenseite und der zweiten Seite auf der Innenseite des geschlossenen Rohres ausbildet und einen Gas--Kanal durch die Wand des Rohres mit einem ein Einströmen von Auspuffgas in das Innere des Rohres behindernden Querschnitt vorsieht.

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   ORiGIiMAL IK'SPEC^TED
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das in das Innere des Rohres eintretende Auspuffgas ausschließlich durch den Gas-Kanal wieder austritt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man das in das Innere des Rohres eingetretene Auspuffgas wenigstens teilweise an eine äußere, im wesentlichen unter Atmosphärendruck stehende Umgebung ableitet.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses über den stöchiometrisehen Wert hinweg als ansteigend oder absinkend aufgrund der Ausgangsspannung des Sensors ermittelt, die beim Ansteigen negativ und beim Absinken positiv ist.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Sensor in einem Auspuffgasstrom der Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Schicht (12,12A) eines Sauerstoff-Ionen leitenden Festelektrolyten, poröse und Elektronen leitende erste und zweite Elektrodenschichten (14, 16) aus einem Metall mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf die Oxydationsreaktionen von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen auf einer ersten und zweiten Seite der Elektrolytschicht, die derart angeordnet sind, daß nur entweder die erste oder die zweite Elektrodenschicht direkt dem Auspuffgas in der Auspuffleitung der Maschine ausgesetzt ist, und einen Gas-Kanal (36, 46) zum Einlassen von Auspuffgas zu der zweiten Seite der Elektrolytschicht mit Zeitverzögerung hinter der Berührung des Gasstromes mit der ersten Seite der Elektrolytschicht.

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7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine rohrförmige Hülse (18) aus Metall, die die Elektrolytschicht (12,12A) fest und luftdicht aufnimmt und an einem Ende durch wenigstens einen Teilbereich der Elektrolytschicht verschlossen ist sowie mit der Elektrolytschicht in Berührung steht.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrolytschicht die Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres (12) aufweist, daß ein Teilbereich des Rohres einschließlich des geschlossenen Endes von der Hülse (18) aus vorspringt, daß der Gas-Kanal durch wenigstens eine Bohrung in der Wand des Rohres in dem vorspringenden Bereich gebildet wird und daß der Durchmesser der Bohrung derart bemessen ist, daß dem Eintreten von Auspuffgas in das Innere des Rohres ein Widerstand entgegengesetzt wird.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Innere des Rohres (12) mit der Atmosphäre durch ein offenes Ende des Rohres in Verbindung steht.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein Verschlußglied (30) fest und luftdicht in ein offenes Ende des Rohres (12) eingesetzt ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Verschlußglied (30) aus Metall besteht und mit der zweiten Elektrodenschicht

    (16) in Berührung ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter (30) fest in ein offenes Ende des Rohres (12) eingesetzt ist und eine

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    öffnung (38) zur Verbindung des Inneren des Rohres mit der Atmosphäre aufweist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrolytschicht die Form einer Scheibe (12A) aufweist, und daß der Gas-Kanal als wenigstens eine Bohrung (46) in der Wand der metallischen Hülse (18a) ausgebildet ist und einen den Eintritt von Auspuffgas beschränkenden Querschnitt aufweist.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Hülse (18A) mit der Atmosphäre über deren offenes Ende in Verbindung steht.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Verschluß (40) aus elektrisch isolierendem Material, der fest und luftdicht in das offene Ende der Hülse (18A) in Abstand von der Bohrung (46) eingepaßt ist, und durch einen Leiter (42), der luftdicht in den Verschluß eingesetzt und elektrisch mit der zweiten Elektrodenschicht (16) verbunden ist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (40) aus Keramik besteht.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Öffnung (48) zum Verbinden des Inneren der Hülse (18A) mit der Atmosphäre, die in das Innere der Hülse in einer Position zwischen der Bohrung (46) und dem Verschluß (40) einmündet.
18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß der Festelektrolyt aus Zirkonoxyd mit Kalziumoxyd als Stabilisierungs-

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    komponente besteht.
19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenschichten (14,16) aus Platin bestehen.

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