DE2654892B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abtasten der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten der Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches über den stöchiometrischen Wert hinweg mit Hilfe eines im Auspuffgasstrom der Maschine angeordneten Sensors, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und je eine poröse, elektronenleitende Elektrodenschicht aus einem Metall mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf die Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff auf der ersten und zweiten Seite des Festelektrolyten aufweist, bei dem man der. Auspuffgasstrom mit der ersten Seite des Festelektrolyten in Berührung bringt und die erzeugte Ausgangispannung mißt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art und eine entsprechende Vorrichtung siivij beispielsweise aus den DE-OS 22 35 105, 23 11 165 und 24 52 924 bekannt. Bei den bekannten Lösungen wird in der Regel eine Seite der Elektrolytschicht mit dem zu überwachenden Grs und die andere Seite mit einem Vergleichsgas, beispielsweise Luft in Berührung gebracht. Zumeist werden rohrförmige Sensoren verwendet, die durch die Wand eines Auspuffrohres in das Innere des Auspuffrohres hineinragen, an ihrem inneren Ende verschlossen sind und auf der innerhalb des Auspuffrohres hegenden Oberfläche dem Auspuffgas ausgesetzt werden, während Umgebungsluft durch das offene äußere Ende des Sensors eintritt.

Die bekannten Sensoren dieser Art haben den Nachteil, daß sie von außen den verhältnismäßig heißen Auspuffgasen, von innen dagegen der verhältnismäßig kühlen Umgebungsluft ausgesetzt sind, so daß eine Erwärmung auf eine gleichmäßige und für eine einwandfreie Funktion notwendigerweise erhöhte Betriebstemperatur in der Regel nicht zu erreichen ist. Auf Grund der eintretenden thermischen Belastungen kann die nicht sehr zähe Elektrolytschicht beschädigt werden. Im übrigen ist eine aufwendige, hermetische Abdichtung des Sensors beim Durchgang durch das Auspuffrohr unerläßlich, da andernfalls Auspuff-Leckgase von außen in den Sensor eintreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten der Änderung des Luft-Brennstotf-Verhältnisses gemäß dem Gattungsbegriff zu schaffen, die eine geringere thermische Belastung des zu verwendenden Sensors und geringere Anforderungen an die Abdichtung des Sensors beim Durchgang durch das Auspuffrohr ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man der. Auspuffgasstrom mit zeitlicher Verzögerung in bezug auf die erste Seite mit der zweiten Seite der Elektrolytschicht in Berührung bringt.

Bei einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhält-

nisses des Gemisches und damit der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine über die Zeit gelangt auf Grund der zeitlichen Verzögerung an beiden Seiten der Elektrolytschicht ein Auspuffgas unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration, so daß ein entsprechendes Signal erzeugt werden kann, ohne daß verhältnismäßig kühle Umgebungsluft für die Messung herangezogen werden muß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Sensor in einem Auspuffgasstrom der Brennkraftmaschine, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und je eine poröse, elektronenleitende Elektrodenschicht aus einem Metall mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen auf der ersten und zweiten Seite aufweist, dessen eine Seite direkt dem Auspuffgasstrom ausgesetzt ist, und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Gas-Kanal zwischen der ersten und zweiten Seite der Elektrolytschicht zum Einlassen von Auspuffgas zu der zweiten Seite der Elektrolytschicht mit Zeitverzögerung.

Daher kommt der Festelektrolyt auf Deiden Seiten mit den heißen Auspuffgasen in Berührung, so daß eine gleichmäßige und ausreichende Erwärmung möglich ist. Leckverluste des Auspuffgases im Bereich der Vorrichtung sind unschädlich, da es nicht erforderlich ist, reine Umgebungsluft zu Meßzwecken heranzuziehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbei spiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert

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

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

F i g. 3 ist ein Längsschnitt durch einen herkömmlichen Sauc-stoffsensor;

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

F i g. 5 ist ein Teilschnitt zur Veranschaulichung einer geringfügigen Änderung des Sensors der F i g. 4;

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

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

Fig. 8 zeigt zwei Diagramtne, 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;

F i g. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer periodischen Änderung der Größe der Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf beiden Seiten derselben Elektrolytschicht entsprechend den Darstellungen der F i g. 7 und 8;

Fig. 10 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der periodischen Änderung der Ausgangsspannung des Sensors entsprechend ä°.n Änderungen der F i g. 9;

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

Ein Sensor 10 gemäß Fig. 1 als einer Ausführungsforrn der Erfindung arbeitet nach dem bekannten Prinzip eines Sauerstoff-Konzentrationseiements 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 Stabilisierungskomponente 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 Platin, das eine katalytische Aktivität in bezug auf die Oxydation von oxydierbaren Bestandteilen der Auspuffgase der Brennkraftmaschine aufweist. Die innere Oberfläche des Rohres 1? ist vollständig mit einer Elei trodenschicht 16 überzogen, die ähnlich wie die äußere Elektrodenschicht 14 in bezug auf Materia! und Aufbau ausgeführt ist.

Der äußere Durchmesser des Rohres 12 ist im Mittelbereich erweitert und bildet einen ringförmigen Rücken 12a Das Rohr 12 ist :n eine rohrförmige Hüisc 18 aus Metall eingesetzt deren innerer Durchmesser örtlich zur Aufnahme des Rückens 12a des Rohres 12 erweuert ist, während ein geschlossener Endbereich aes Rohres 12 aus der Hülse 18 hinausragt. Die Hüise 18 weist auf ihrer Außenseite eine Befestigungseinrichtung. beispielsweise ein Gewinde auf, mit dessen Hilfe devorspringende 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 äußer. Elektroder schicht 14. Das Rohr 12 und die Hülse 18 sind so geformt, daß zwischen beiden ein ringförmiger Zwischenraum in einem Bereich vom rechten Enae des Rückens 12a zum offenen Ende des Rohres 12 hin in Fig. I entsteht. Dieser ringförmige Zwischenraum ist mit einem pulverförmigen, elektrisch leitenden Dich-U'igsmittel 24, wie beispielsweise Graphitpuiver. Kupferpulver oder halbleitendes CuO-Pulver oder einem pulverförmigen Gemisch aus einem derartigen leitenden Material und einem nichtleitenden, hitzebeständigen Material gefüllt, das in dim ringförmigen Zwischenraum zusammengepreßt ist.

Zum Abstützen des zusammengedrückten Dichtung;-mittels 24 und zum Festlegen des Elektrolyt-Rohres '.'■: an der Hülse 18 sind Ringe 26 aus Metall wie etwa Kupfer in den ringförmigen Zwischenraum eingepreßt Diese Ringe trigen ebenfalls zur Sicherung einer elektrischen Verbindung zwischen der äußeren EL>ktrodenschicht 14 und der Hülse 18 bei. Zur weiteren Festlegung des Rohres 12 in der Hülse 18 ist ·?;η Haltering 28 aus Metall dicht in das offene Ende reefr. in F i g. 1 des ringförmigen Zwischenraums eingeschraubt.

Ein offener Endbereich der Bohrung des Rohre, 12 weist einen erweiterten Durchmesser auf. der mit einem kegelförmigen Abschnitt in den restlichen Teil der Bohrung übergeht. Ein metallischer Leiter 30 in aer Form eines massiven Zylinders mit einem kegeiförmigen 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 weis: einen derartigen äußeren Durchmesser auf, daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen dem ar· der Flansch angrenzenden Bereich de~ 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 der inneren Elektrodenschicht 16 und dem Leiter 30.

Als wesentliches Merkmal des erfindungvemäßcn Sensors ist eine Anzahl von Bohrungen 36 in der Wand des Elektrolyt- Rohres 12 und den beiden Elektroclenschichten 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 Auspuffgases 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.

F i g. 2 zeigt einen Sensor 50, der gegenüber dem Sensor 10 der Fig. 1 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 F i g. 2 ebenso aufgebaut wie der Sensor 10 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 Fiohrungen 36.

Ein herkömmlicher Sauerstoff-Sensor 60. der im wesentlichen ebenso aufgebaut ist wie der Sensor 50 der Fig. 2, ist in F i g. 3 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 Brennkraft maschine um den stöchiometrischen Wert herum, wie sich aus der folgenden Erläuterung der Funktion dieser Sensoren 10 und 50 in dem Auspuffgas ergeber, wird.

Wenn ein Auspuffgas, das aus einer Verbrennung eines Luft-Benzin-Gemisches in einer Brennkraftmaschine entsteht, mit einem katalytischem Metall wie etwa

Platin bei hohen Temperaturen in Berührung gebracht wird, ändert sich der im Gleichgewicht befindliche Partialdruck P(AIm) des Sauerstoffs in dem Auspuffgas mit Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, das heißt des Überschußluftfaktors A, 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 A auf einer der Seiten des stöchiometrischen Luft-Brenn stoff-Verhältnisses, bei dem A gleich I ist. Bei 600⁰C beispielsweise liegt der Sauerstoff-Partialdruck Pin der Größenordnung von 10 ^m, wenn der Wert von A kleiner als 1,0 ist. jedoch in der Größenordnung von IO ',wenn der Wert von A größer als 1,0 ist. Der Sauerstoff-Partialdruck P erfahrt einen plötzlichen Übergang von einer dieser Größenordnungen zu der anderen, wenn A über den Wert von 1,0 hinweg geändert wird.

Die Funktion eines Rückkopplungssystems zur Aufrechterhaltung des Wertes von A bei 1,0 führt zu einer geringen Höhe der periodischen Änderung des Wertes von A um den Wert 1,0 herum, wie es durch das Diagramm A in F i g. 7 wiedergegeben ist. Auf der Basis dieses Diagramms A und des Diagramms der F i g. 6 erfährt der Sauerstoff-Partialdruck Pdes Auspuffgase¹ bei Berührung mit Platin und 600⁰C eine periodische Änderung in der Art, wie sie durch das Diagramm B in F i g. 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 F i g. 7 ändert, gelangt der schwankende Sauerstoff-Partialdruck P an die Außenseite des Rohres 12, da c:as Auspuffgas durch die äußere Elektrodenschicht 14 hindurchgeht. Für die Außenseite des Rohres 12 soll dieser Sauerstoff-Partialdruck P im folgenden zur Vereinfachung mit P₁ bezeichnet werden, in F i g. 8 zeigt das Diagramm i. das im wesentlichen mit dem Diagramm S der F i g. 7 übereinstimmt, die Änderung des Sauerstoff-Partialdrucks Pin 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 Elektrodenschicht 16 mit Zeitverzögerung gegenüber dem Auftreffen auf der Außenseite des Rohres 12 in Berührung. Der Sauerstoff-Partialdruck auf der Innenseite des Rohres 12 soll im folgenden als P: bezeichnet werden. Da der Sauerstoff-Partialdruck P oder P\ eine periodische Änderung gemäß dem Diagramm I erfährt, ändert sich der Partialdruck P₂ im wesentlichen in derselben "/eise. Es besteht jedoch eine Phasendifferenz zwischen der Änderung von /Ί und derjenigen von Pi auf Grund 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 din F i g. 8 bezeichnet.

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 είπε Differenz zwischen der Größe von P\ und Pi, die intermittierend für bestimmte Zeitperioden eintritt, wie in Fig.8 zu r'''ennen ist. Die elektromotorische Kraft oder

Ausgangsspannung £ der Sensoren 10 oder 50 ergibt sich aus folgender Gleichung:

KRT . P₂ KRT

AF

4 F (login P₂ - log,,, P₁).

(2)

Der Wert von (logioPj-logioPi), der aus den Dij-jrammen der F i g. 8 zu errechnen ist, erfährt eine periodische Änderung, wie aus F i g. 9 hervorgeht.

Fig. 10 zeigt eine ähnliche Schwankung der Ausgangsspannung E (Volt) als Ergebnir einer rechne- '» rischen F.rmittlung aus der Gleichung 2 auf der Grundlage des Diagramms der Fig.9. Wie Fig. 10 zeigt, nimmt die Ausgangsspannung ffder Sensoren 10 oder 50 einen Wert von etwa - 1 Volt an, wenn sich der Wert von λ über 1,0 hinweg von einem kleineren r. Bereich (λ *■ 1,0, das heißt überschüssiger Brennstoff im Luft-Brennstoff-Gemisch) zu einem größeren Bereich (λ·> ID Hau hpiöt Rrennsloffmangel im I.iift-Brennstoff-Gemisch) ändert. Dagegen tritt ein Wert von etwa + 1 Volt ein, wenn sich λ über 1,0 hinweg von einem :u größeren Wert zu einem kleineren Wert ändert. Die Ausgangsspannung Ebleibt im wesentlichen auf 0 Volt, während der Wert λ überhalb oder unterhalb 1,0 liegt. Die Ausgangsspannung E ändert sich in Abhängigkeit von der Auspuffgastemperatur, wie in F i g. 6 gezeigt ist, _>> erfährt jedoch eine periodische Änderung in der in Fig. 10 gezeigten Weise unabhängig von der Auspuffgastemperatur, wenn sich der Wert von A über 1,0 hinweg ändert. Die Wellenform der Fig. 10 ist id' ilisiert dargestellt, und im praktischen Gebrauch ist in die Wellenform des Ausgangssignals £der Sensoren 10 oder 50 etwas verformt und/oder ungleichmäßig, wie es in F i g. 11 gezeigt ist. Dies beruht auf feinen und ständigen Änderungen der verschiedenen Faktoren einschließlich des Wertes λ. r.

Bei einem erfindungsgemäßen Sensor muß die Festelektrolytschicht nicht notwendigerweise rohrförmig ausgebildet sein, wie es in F i g. 1 und 2 gezeigt ist.

Gemäß Fig.4, die eine andere Ausführungsform 4·> eines erfindungsgemäßen Sensors 70 zeigt, ist die Sauerstoff-Ionen leitende Festelektrolyt-Schicht als Scheibe 12,4 ausgebildet. Die Scheibe 12,4 ist fest und luftdicht in einer rohrförmigen Hülse 18/4 aus Metall befestigt und schließt ein Ende dieser Hülse 18-4. Die j> äußere Elektrodenschicht 14 und die innere Elektrodenschicht 16 sind auf beiden Seiten der Scheibe 12,4 im wesentlichen in derselben Weise wie bei dem Sensor 10 gemäß F i g. 1 ausgebildet. Die äußere Eiektrodenschicht 14 steht in Serührung mit der metallischen Hülse 18/4 und die innereElektrodenschicht 16 ist gegenüber dieser Hülse 18Λ isoliert Das andere Ende der rohrförmigen Hülse iSA 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 Platin besteht, verbindet die innere Elektrodenschicht 16 mit dem Leiter 42 innerhalb der Axialbohning der Hülse 18A Die Hülse t&A ist auf der Außenseite mit bo Gewinde versehen, und ein Flansch befindet sich an einem Ende gegenüber der Elektrolyt-Scheibe 12/4, so daß ein Teil der Hülse 18,4 einschließlich des durch die Elektrolyt-Scheibe 12,4 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 18,4 angebracht. Die Bohrungen 46 dienen als Gas-Kanäle zum Einlassen von Auspuffgas in das Innere der Hülse 184 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 F i g. 1 zu dem Sensor 50 der F i g. 2 kann die Hülse 184 rip« Sensors 70 pinpn Cia«-Aii«lan 48 anfwpkpn wip 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 18/4 herum, wie es bei herkömmlichen Sauerstoff-Sensoren in Festelektrolyt-Konzentrationselementen bauweise der Fall ist.

Aus der Beschreibung geht hervor, 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 F i g. 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 auf Grund von thermischen 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.

(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 Übergangs des Luft-Brennstoff-Verhältnisses über den stöchiometrischen Wert geändert wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtasten der Änderung der Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches über den stöchiometrischen Wert hinweg mit Hilfe eines im Auspuffgasstrom der Maschine angeordneten Sensors, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und je eine poröse, elektronenleite'nde Elektrodenschicht aus einem MetaJl mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf die Oxydationsreaktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff auf der ersten und zweiten Seite des Festelektrolyten aufweist, bei dem man den Auspuffgasstrom mit der ersten Seite des Festelektrolyten in Berührung bringt und die erzeugte Ausgangsspannung mißt, dadurch gekennzeichnet, daß man den Auspuffgasstrom mit zeitlicher Verzögerung in bezug auf die erste Seite mit der zweiten Seite der Elektrolytschicht in Berührung bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit der zweiten Seite des Festelektrolyten in Berührung gebrachte Auspuffgas wenigstens teilweise an eine äußere, im wesentlichen unter Atmosphärendruck stehende Umgebung ableitet.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einem Sensor in einem Ausnuffgasstrom der Brennkraftmaschine, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und je eine poröse, tiektror anleitende Elektrodenschicht aus einem Me'.all mit katalytischen Eigenschaften in bezug auf Oxyd;·« !onsreaktionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen auf der ersten und zweiten Seite aufweist, dessen eine Seite direkt dem Auspuffgasstrom ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch durch einen Gas-Kanal (36, 46) zwischen der ersten und zweiten Seite der Elektrolytschicht (12, \2A) zum Einlassen von Auspuffgas zu der zweiten Seite der Elektrolytschicht mit Zeitverzögerung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Elektrolytschicht die Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres aufweist, das mit einem Teilbereich einschließlich des geschlossenen Endes in den Auspuffgasstrom hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-Kanal (36) durch wenigstens eine Bohrung in der Wand des Rohres (12) im Bereich des Auspuffgasstroms gebildet ist und daß der Durchmesser der Bohrung derart bemessen ist, daß dem Eintreten von Auspuffgas in das Innere des Rohres ein Widerstand entgegengesetzt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolytschicht die Form einer Scheibe (i2A) aulweist, und daß der Gas-Kanal als wenigstens eine Bohrung (46) in der Wand einer der Scheibe [12A) aufnehmenden metallischen Hülse [\9A) ausgebildet ist und einen den Eintritt von Auspuffgas beschränkenden Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Verschluß (40) aus elektrisch isolierendem Material, der fest und luftdicht in das offene Ende der Hülse [MA) in Abstand von der Bohrung (46) eingepaßt ist, und durch einen Leiter (42), der luftdicht in den Verschluß eingesetzt und elektrisch mit der zweiten F.lektrodenschicht (16) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine öffnung (48) zum Verbinden des Inneren der Hülse [XSA) mit der Atmosphäre, die in das Innere der Hülse in einer Position zwischen der Bohrung (46) und dem Verschluß (40) einmündet.