DE2834228A1 - OXYGEN SENSOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION - Google Patents

OXYGEN SENSOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION

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    • G01N27/122Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits

Description

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Sauerstaffsensor mit TemperaturausgleichOxygen sensor with temperature compensation

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wahrnehmung des 0„—Gehaltes im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors. Die Erfindung ist insbesondere auf einen verbesserten Sensor vom Widerstandstyp gerichtet, der Titan.dioxid- und Zirkondioxidwiderstände aufweist.The invention relates to a device for perceiving the 0 "content in the exhaust gas of a motor vehicle engine. The invention is particularly directed to directed an improved resistance-type sensor, the titanium dioxide and zirconia resistors.

Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen von Automobilen, erzeugen Abgase, die Kohlenmonoxid, Stickoxide und nichtoxydierte Kohlenwasserstoffe, d.h. unverbrannte oder nur teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe, enthalten. Alle diese Substanzen tragen zur Luftverschmutzung bei. Um den Anteil dieser Substanzen auf ein Minimum zu bringen, ist es erforderlich, die Abgase der Verbrennungskraftmaschinen soviel wie möglich zu reinigen, indem der größtmögliche Anteil dieser Substanzen aus den Abgasen wirksam entfernt wird. Das bedeutet, daß Kohlenmonoxid und die nichtverbrannten Kohlenwasserstoffe soweit wie möglich auf ihre nächsthöhere Oxydationsstufe, nämlich Kohlendioxid und Wasser (für die Kohlenwasserstoffe], oxydiert und die Stickoxidverbindungen in elementaren Stickstoff und Sauerstoff überführt werden sollten.Internal combustion engines, in particular internal combustion engines from Automobiles, produce exhaust gases that include carbon monoxide, nitrogen oxides and non-oxidized Hydrocarbons, i.e. unburned or only partially burned Hydrocarbons. All of these substances contribute to air pollution. To keep the proportion of these substances to a minimum To bring, it is necessary to purify the exhaust gases of the internal combustion engines as much as possible, adding the largest possible proportion these substances are effectively removed from the exhaust gases. That means carbon monoxide and the unburned hydrocarbons so far as possible to their next higher level of oxidation, namely carbon dioxide and water (for the hydrocarbons), and the nitrogen oxide compounds are converted into elemental nitrogen and oxygen should.

Die Umwandlung der schädlichen Bestandteile der Abgase in ungiftige Bestandteile, wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser, kann durchgeführtThe conversion of the harmful components of the exhaust gases into non-toxic ones Ingredients, such as carbon dioxide, nitrogen, and water, can be carried out

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werden, indem die Abgase einer Nachverbrennung unterzogen werden, d.h. daß man sie Temperaturen von über etwa 600 C in Gegenwart von Katalysatoren aussetzt. Um dieses Verfahren erfolgreich anzuwenden, muß jedoch die Zusammensetzung der Abgase so gesteuert werden, daß praktisch eine vollständige Umwandlung der Abgase in die ungiftigen Verbindungen möglich ist. Das bedeutet, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis nahe am stöchiometrischen Wert liegt. Als Maß für diesen stöchiometrischen Wert wurde der Luftbeiwert Λ verwendet. Bei einem Wert von A = 1 entspricht das Luft-Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert. Wenn kein überschüssiger Sauerstoff vorhanden ist, der das Gleichgewicht der verschiedenen möglichen Reaktionen übersteigt, ist Λ geringer als 1. Wenn /\ größer als 1 ist, ist überschüssiger Sauerstoff im Gemisch vorhanden. Bei einem Wert von A= 1 gelangt das Gas von einem reduzierenden in einen oxydierenden Zustand.by subjecting the exhaust gases to afterburning, ie exposing them to temperatures above about 600 C in the presence of catalysts. In order to use this method successfully, however, the composition of the exhaust gases must be controlled in such a way that virtually complete conversion of the exhaust gases into the non-toxic compounds is possible. This means that the air-fuel ratio is close to the stoichiometric value. The air coefficient Λ was used as a measure of this stoichiometric value. With a value of A = 1, the air-fuel ratio corresponds to the stoichiometric value. If there is no excess oxygen that exceeds the equilibrium of the various possible reactions, Λ is less than 1. If / \ is greater than 1, there is excess oxygen in the mixture. At a value of A = 1, the gas changes from a reducing to an oxidizing state.

Um einen Wert von Λ bei etwa 1 zu erhalten, muß ein den Abgasen ausgesetzter Fühler vorgesehen werden, der den Sauerstoffgehalt bestimmt. Dieser Fühler wird an eine Steuervorrichtung angeschlossen, die die Brennstoff- oder Luftzufuhr steuert und die Verbrennungskraftmaschine mit dem richtigen Brennstoff-Luft-Gemisch versorgt, so daß die Abgase einen Anteil von schädlichen Bestandteilen aufweisen, der so niedrig wie möglich ist.In order to get a value of Λ at about 1, one must be exposed to the exhaust gases Sensors are provided to determine the oxygen content. This sensor is connected to a control device that controls the Controls fuel or air supply and supplies the internal combustion engine with the correct fuel-air mixture, so that the exhaust gases have as low a level of harmful components as possible.

Es wurdBn bereits Fühler verwendet, die auf die Konzentration an elementarem Sauerstoff ansprechen und bei denen ionenleitende ZellelektrodenFeelers have already been used to measure the concentration of elemental Oxygen respond and where ion-conducting cell electrodes

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Anwendung finden. Die Prinzipien, nach denen ein Trockenelektrolyt-Sensor arbeitet, sind im Detail im US-Reissue-Patent Re 28 792 (vormals US Patent 3 400 054) erläutert. In dieser Patentschrift ist ein Trockenelektrolyt-Sauerstoffsensor beschrieben, der, wenn eine Seite den Abgasen und die andere Seite der Umgebungsluft ausgesetzt ist, ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Funktion der Konzentration an elementarem Sauerstoff ist. Beide Seiten des Trockenelektrolyten sind zur Bildung von Elektroden zumindest teilweise mit Platin beschichtet. Der Elektrolyt bBsteht aus stabilisiertem Zirkondioxid. Ein anderes Beispiel eines derartigen Sensors findet man in der US-Patentschrift 3 978 006.Find application. The principles by which a solid electrolyte sensor works are described in detail in US Reissue Patent Re 28,792 (formerly U.S. Patent 3,400,054). In this patent specification is a Solid electrolyte oxygen sensor described, the if one side Exposed to the exhaust gases and the other side to the ambient air, an electrical signal is generated that is a function of concentration of elemental oxygen. Both sides of the solid electrolyte are at least partially coated with platinum to form electrodes. The electrolyte bB consists of stabilized zirconium dioxide. Another example of such a sensor is found in U.S. Patent 3 978 006.

Bei einem anderen Sensortyp ändert sich der elektrische Widerstand des Sensors mit der im Gas vorhandenen Sauerstoffmenge. Ein derartiger Sensor wird im allgemeinen als Sensor vom Widerstandstyp bezeichnet, und die Funktionsprinzipien eines solchen Sensors sind in der US-Patentschrift 3 555 280 beschrieben. Die Verwendung eines Titandioxidsensors vom Widerstandstyp in einem Steuersystem für das.Abgas eines Motors ist in der US-PS 3 915 135 erläutert.With another type of sensor, the electrical resistance changes of the sensor with the amount of oxygen present in the gas. Such a sensor is generally referred to as a resistance type sensor, and the operating principles of such a sensor are described in US patent specification 3,555,280. The use of a resistance-type titanium dioxide sensor in an engine exhaust control system is disclosed in US Pat U.S. Patent 3,915,135.

Der (Titandioxid) Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp hat bestimmte Nachteile. Beispielsweise muß der Titandioxidsensor über einen Bereich von 300°C bis 900°C arbeiten, wobei sich jedoch der elektrische Widerstand des Sensors über den Gesamtbereich nicht in einer Weise ändert,The resistance type (titanium dioxide) oxygen sensor has certain Disadvantage. For example, the titanium dioxide sensor must cover an area from 300 ° C to 900 ° C, but the electrical resistance of the sensor does not change over the entire range in a way that

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die sine Abgrenzung zwischen einem mageren Luft-Brennstaff-Gemisch und einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch erlaubt. Insbesondere fällt für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch über den Bereich von 300 C 900 C der Gleichstromwiderstand eines Titandioxidsensors von 3 χ 10 Ohmthe sine demarcation between a lean air-fuel mixture and a rich air-fuel mixture allowed. In particular falls for a lean air-fuel mixture over the range of 300 C 900 C is the DC resistance of a titanium dioxide sensor of 3 χ 10 ohms

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auf etwa 2 χ 10 Ohm, während der Gleichstromwiderstand für ein fettes Luft-Bremmstoff-Gemisch über den gleichen Bereich von 3 χ 10 0hm bis auf etwa 40 Ohm abfällt. Folglich überlappen sich die Widerstandscharakteristika des Sensors für ein fettes und ein mageres Gemisch. Es ist daher für Temperaturen, die etwa 250 C übersteigen, mit einem nichtausgeglichenen Titandioxidsensor nicht möglich, eine Bestimmung durchzuführen, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett oder mager ist. Naturgemäß ist dies nicht wünschenswert, da es eine Steuerung des Luft-Brennstoff-Gemisches unmöglich macht, weil der Titandioxidsensor nicht zwischen einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch und einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch bei Temperaturen oberhalb von 250 G unterscheiden kann.
4th
to about 2 10 ohms, while the direct current resistance for a rich air-fuel mixture drops over the same range from 3 χ 10 ohms to about 40 ohms. As a result, the resistance characteristics of the sensor overlap for a rich and a lean mixture. It is therefore not possible for temperatures in excess of about 250 C with an unbalanced titanium dioxide sensor to make a determination as to whether the air-fuel ratio is rich or lean. Naturally, this is undesirable because it makes it impossible to control the air-fuel mixture because the titanium dioxide sensor cannot distinguish between a rich air-fuel mixture and a lean air-fuel mixture at temperatures above 250 G.

Ein Beispiel Bines Gassensors aus einem keramischen Material aus Titandioxid, der eine Schaltung zur Umwandlung eines temperaturabhängigen Eingangssignals in ein tBmperaturunabhängiges Ausgangssignal und zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Kraftfahrzeugmotor umfaßt, ist in der vorstehend erwähnten US-PS 3 915 135 beschrieben.An example of a Bines gas sensor made of a ceramic material made of titanium dioxide, the one circuit for converting a temperature-dependent input signal into a temperature-independent output signal and for Control of the air-fuel ratio of an automobile engine is described in the aforementioned U.S. Patent No. 3,915,135.

Die vorliegende Erfindung stellt einen Sauerstaffsensor zur Verfügung, der nahezu keiner nachteiligen Beeinflussung durch die Temperatur des wahrgenommenen Gases unterliegt.The present invention provides an oxygen sensor available, which is almost not adversely affected by the temperature of the perceived gas.

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Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Sauer- ■ stoffgehaltes im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, der die nachfolgenden Bestandteile umfaßt: einen ersten Widerstand aus Titandioxid, einen zweiten Widerstand aus stabilisiertem Zirkondioxid, einen keramischen Isolator mit drei Durchgängen für drei elektrische Leitungen und ein Gehäuse, das um mindestens einen Teil des keramischen Isolators montiert ist.The invention relates to an oxygen sensor for determining the acid ■ substance content in the exhaust gas of an internal combustion engine, the following Components include: a first resistor made of titanium dioxide, a second resistor made of stabilized zirconium dioxide, a ceramic Insulator with three passages for three electrical lines and a housing that surrounds at least part of the ceramic insulator is mounted.

Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp zu schaffen.The aim of the invention is to provide an improved oxygen sensor from To create resistance type.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Sauerstoffsensor zur Verfügung zu stellen, der bei Temperaturen von unterhalb 250°C bis oberhalb 850 G ein gutes Betriebsverhalten zeigt.Another object of the invention is to provide an oxygen sensor to provide, which shows good operating behavior at temperatures from below 250 ° C to above 850 G.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines temperaturausgeglichenen Sauerstoffsensors, der durch die Temperatur des wahrgenommenen Gases keiner nachteiligen Beeinflussung unterliegt.Another object of the invention is to provide a temperature compensated Oxygen sensor, which is perceived by the temperature of the Gas is not adversely affected.

Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, einen Sauerstoffsensor zu schaffen, der gegenüber bekannten Sauerstoffsensoren vom Widerstandstyp ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist.Finally, it is an object of the invention to provide an oxygen sensor create which has improved performance over known resistance-type oxygen sensors.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensor findet ein Zirkondioxidwiderstand als Kompensationsvorrichtung Verwendung, während andereIn the sensor designed according to the invention, there is a zirconium dioxide resistor as a compensation device use while others

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Sensoren, beispielsweise der in der vorstehend genannten US-PS 3 915 beschriebene, einen Widerstand aus Platindraht (oder eine Heizvorrichtung) verwenden. Der in diesem Sensor eingesetzte Zirkondioxidwiderstand besitzt eine Temperaturansprechempfindlichkeit, die einem Titandioxidwiderstand sehr ähnlich ist, d.h. einen exponentiellen Widerstandsabfall als Funktion der ansteigenden Temperatur. Der Platindraht-Widerstand der vorstehend erwähnten Patentschrift hingegen besitzt eine Ü.nsare Ansprechempfindlichkeit (d.h. die Widerstandsänderung des Platindrahtes ist der Temperaturänderung direkt proportional) und schränkt daher den Temperaturbereich, über den der Sensor betrieben werden kann, stark ein. Da sich demzufolge der Widerstand eines Titandioxidwiderstands mit der Änderung der Temperatur in einem so großen Ausmaß ändert (nichtlinear), führt naturgemäß die Verwendung eines linearen Widerstandes zum Temperaturausgleich zu einem Sensor, der nur über einen sehr kleinen Temperaturbereich arbeitet. Andererseits bewirken die exponentiellen (nichtlinearen) Temperaturcharakteristika des Zirkondioxidelementes dieses Sensors eine ausgezeichnete Temperaturkompensatian von unterhalb 250 C bis oberhalb B50°C.Sensors such as that in U.S. Patent 3,915, cited above a resistor made of platinum wire (or a heating device) use. The zirconium dioxide resistor used in this sensor has a temperature sensitivity similar to that of a titanium dioxide resistor is very similar, i.e. an exponential drop in resistance as a function of increasing temperature. The platinum wire resistance of the In contrast, the above-mentioned patent has an insare sensitivity (i.e. the change in resistance of the platinum wire is directly proportional to the change in temperature) and therefore limits the temperature range, over which the sensor can be operated. As a result, the resistance of a titanium dioxide resistor increases with the change If the temperature changes to such a large extent (non-linear), the use of a linear resistor naturally leads to temperature compensation to a sensor that only works over a very small temperature range. On the other hand, the exponential (nonlinear) Temperature characteristics of the zirconia element of this sensor one excellent temperature compensation from below 250 C to above B50 ° C.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:In the following, the invention is illustrated in FIG Connection described with the accompanying drawing. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensor;1 shows a section through an oxygen sensor designed according to the invention;

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Fig. 2 einen anderen Schnitt durch einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Sauerstoffsensors;FIG. 2 shows another section through part of the oxygen sensor shown in FIG. 1;

Fig. 3 eine Teilfrontansicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Sauerstoffsensors;3 is a partial front view of that shown in FIGS Oxygen sensor;

Fig. 4 eine Teilendansicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Sauerstoffsensors;4 is a partial end view of that shown in FIGS Oxygen sensor;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des O„-Gehaltes im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine verwendeten elektrischen Schaltung; undFig. 5 is a schematic diagram of the in accordance with the invention Method and device according to the invention for measuring the O 2 content in the exhaust gas of an internal combustion engine electrical circuit used; and

Fig. 6 ein Diagramm, in dem die Spannung am Titandioxidwiderstand als Funktion der Temperatur dargestellt ist.Fig. 6 is a diagram in which the voltage across the titanium dioxide resistor is shown as a function of temperature.

In Fig. 1 ist ein Sauerstoffsensor 100 im Schnitt dargestellt. Der Sauerstoffsensor 100 umfaßt ain Gehäuse 20, in dem ein keramischer Isolator 10 befestigt ist. Der keramische Isolator 10 weist eine Vielzahl von Durchgängen für elektrische Leitungen auf. Durch den Durchgang 11 kann sich beispielsweise die elektrische Leitung 41 von dem am vorderen Ende montierten Widerstand 101 zu dem am rückwärtigen Ende des Isolators 10 montierten Anschluß 70 erstrecken. Das vordere Ende des Isolators 10 ist mit einem ausgesparten Abschnitt 14 versehen, inIn Fig. 1, an oxygen sensor 100 is shown in section. Of the Oxygen sensor 100 comprises a housing 20 in which a ceramic Isolator 10 is attached. The ceramic insulator 10 has a plurality of passages for electrical lines. Through the passage 11, for example, the electrical line 41 from the resistor 101 mounted on the front end to the terminal 70 mounted on the rear end of the insulator 10. The front end of the insulator 10 is provided with a recessed portion 14, in

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dam der Widerstand 101 montiert ist, der aus einem Material besteht, dessen Widerstand sich als Funktion der Temperatur und des Sauerstoffgehalts des Gases, dem er ausgesetzt ist, ändert. Ein derartiges Material ist Titandioxid. Die Leitungen 41 und 61 erstrecken sich von dem Widerstand 101 durch den keramischen Isolator 10 und enden an Anschlüssen 70 am rückwärtigen Ende des Isolators. Jeder Anschluß 70 ist bei 40 einzementiert und bei 50 mit Epoxidharz am keramischen Isolator 10 befestigt, während jede elektrische Leitung bei SO mit Silber mit einem Anschluß 70 verlötet ist. Das Gehäuse 20 umfaßt ein Gewinde 21, über das die Sensoren mit einem entsprechenden Gewinde im Abgassystem eines Kraftfahrzeugmotors verschraubt werden können. Eine Einkerbung 17 ist am rückwärtigen Ende des Isolators als visuelle Anzeige der Orientierung der elektrischen Leitungen vorgesehen.dam the resistor 101 is mounted, which consists of a material its resistance varies as a function of temperature and oxygen content of the gas to which it is exposed changes. One such material is titanium dioxide. Lines 41 and 61 extend from the resistor 101 through the ceramic insulator 10 and terminate at terminals 70 at the rear end of the insulator. Each port 70 is cemented in at 40 and at 50 with epoxy resin attached to the ceramic insulator 10, while each electrical line at SO with silver with a terminal 70 is soldered. The housing 20 includes a thread 21 through which the sensors can be screwed with a corresponding thread in the exhaust system of a motor vehicle engine. A notch 17 is at the rear End of the insulator provided as a visual indication of the orientation of the electrical lines.

In Fig. 2 ist der Isolator 10 des Sauerstoffsensors 100 in einem anderen Schnitt dargestellt. Unmittelbar vor dem Ende 15 des Isolators 10 ist in der Aussparung 14 Bin Widerstand 102 montiert, dessen Widerstand sich nur in Abhängigkeit von der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt ist, ändert. Die von dem Widerstand 102 kommenden Leitungen 51 und 61 erstrecken sich durch die Durchgänge 12 und 13 zu den Anschlüssen 70 am rückwärtigen Ende des Isolators. Der Widerstand 102 besteht aus einem Material wie Zirkondioxid, das durch solche Elemente wie Kalzium, Barium, Strontium, Yttrium, Lanthan, Skandium, Ytterbium und Samarium stabilisiert ist. Durch Kalzium stabilisiertes Zirkondioxid und durch Yttrium stabilisiertes Zirkondioxid sind bekannte Materialien undIn FIG. 2, the insulator 10 of the oxygen sensor 100 is in another Section shown. Immediately before the end 15 of the insulator 10 is A resistor 102 is mounted in the recess 14, the resistance of which depends only on the temperature of the gas to which it is exposed is, changes. Lines 51 and 61 coming from resistor 102 extend through passages 12 and 13 to the terminals 70 at the rear of the isolator. The resistor 102 consists of a material like zirconia, which is made up of elements like calcium, Barium, strontium, yttrium, lanthanum, scandium, ytterbium and samarium is stabilized. Zirconia stabilized by calcium and by Yttrium stabilized zirconia are known materials and

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werden durch Zugabe von etwa 0,05 bis O,3D/o (Molprozent) Yttriumoxid YO oder Kalziumoxid CaO zu Zirkondioxid (ZrO„] erhalten. Andere Materialien, die anstelle des Zirkondioxid eingesetzt werden können, sind Yttriumoxid (Yo0„), Aluminiumoxid (Al„0 ), Ceroxid (CeO0), Hafniumoxid (HfO2) und Thoriumoxid (Th0O ).are obtained by adding about 0.05 to 0.3 D / o (mol percent) yttrium oxide YO or calcium oxide CaO to zirconium dioxide (ZrO "]. Other materials that can be used instead of zirconium dioxide are yttrium oxide (Y o 0") , Aluminum oxide (Al “0), cerium oxide (CeO 0 ), hafnium oxide (HfO 2 ) and thorium oxide (Th 0 O).

Fig. 3 ist eine Frontansicht des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Sensors, in der die Anordnung der beiden Widerstände 101 und 102, die den heißen Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt sind, dargestellt ist. Das vordere freie Ende 15 des Isolators 10 umgibt die Widerstände, so daß diese gegenüber einem direkten Gasstrom über ihre Oberflächen geschützt sind. Die Durchgänge 11, 12 und 13 im keramischen Isolator 10 führen die Leitungen 41, 51 und 61 zu den Anschlüssen am anderen Ende des Sensors zurück, wobei die Leitung 61 diejenige Leitung ist, die an die Verbindung zwischen dem Titandioxidwiderstand und dem Zirkondioxidwiderstand angeschlossen ist.Fig. 3 is a front view of the sensor shown in Figs. 1 and 2; in which the arrangement of the two resistors 101 and 102, which are called the Exhaust gases from an internal combustion engine are exposed, is shown. The front free end 15 of the insulator 10 surrounds the resistors, so that these are protected against a direct gas flow over their surfaces. The passages 11, 12 and 13 in the ceramic insulator 10 lead Lines 41, 51 and 61 back to the connections at the other end of the sensor, the line 61 being the line that connects to the connection connected between the titanium dioxide resistor and the zirconium dioxide resistor is.

In Fig. 4 ist eine Endansicht des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sensors 100 gezeigt, in der die drei Anschlüsse zur Aufnahme und Übertragung der Spannungen an die Leitungen 41, 51 und 61, die wiederum zur Aufnahme und Übertragung der Spannungen an die Widerstände 101 und 102 dienen, dargestellt sind. Der ausgesparte Abschnitt 17 am Isolator 10 wird zur Identifizierung der Lage der Anschlüsse 41, 51 und 61 verwendet. 4 is an end view of that shown in FIGS Sensor 100 shown, in which the three connections for receiving and transmitting the voltages to the lines 41, 51 and 61, which in turn for Receiving and transmitting the voltages to the resistors 101 and 102 are shown. The recessed portion 17 on the insulator 10 is used to identify the location of ports 41, 51 and 61.

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In Fig. 5 ist eine elektrische Schaltung dargestellt, die die Widerstände 101 und 102 des Sensors 100 enthält und an den Ausgängen A und B eine Anzeige für den O„-Gehalt eines mit den Widerständen 101 und 102 in Kontakt tretenden Gases vorsieht. Die Schaltung besteht allgemein aus einer Batterie (12 Volt Gleichstrom), einem Spannungsregulierenden Netz 103, 104, einem Spannungsteilernetz 105, 106, den variablen Wider-In Fig. 5 an electrical circuit is shown, the resistors 101 and 102 of the sensor 100 and at the outputs A and B a display for the O “content of a with the resistors 101 and 102 provides for contacting gas. The circuit generally consists of a battery (12 volts direct current), a voltage regulator Network 103, 104, a voltage divider network 105, 106, the variable resistor

ständen 101, 102 des Sensors 100, einem Trennverstärker 120 und einem Komparator 130, der eine Digitalausgabe vorsehen kann. Eine Zenerdiode 104 baut ein maximales Spannungsniveau an den Festwiderständen 105, 106 und den variablen Widerständen 101, 102 auf. Die Zenerdiode 104 begrenzt die Spannung an den Widerständen 101 und 102 sowie den Widerständen 105 und 106. Mit einer Eingangsgleichstromspannung von 12 Volt sieht diese Schaltung am Widerstand 101 ein Signal größer als 1,5 Volt vor, wenn das Abgas mager ist, und eine kleinere Spannung als 1,5 Volt am Widerstand 101, wenn es sich um ein fettes Abgas handelt. In ähnlicher Weise sind die Widerstandswerte für die Widerstände 103, 105 und 106 ausgewählt, so daß die Spannung am Widerstand 106, die dem dem Stift 7 des Komparators 130 zugeführten Spannungssignal entspricht, etwa 1,5 Volt beträgt. Die Spannung am Widerstand 101 wird über den Trennverstärker 120 dem Eingangsstift 6 des Komparators 130 zugeführt. Wenn die Spannung am Widerstand 101 größer als 1,5 Volt (die Spannung am Widerstand 106] ist, ist das dem Komparator 130 am Stift 6 zugeführte Signal größer als das Signal am Stift 7, so daß die Komparatorausgabe gleich Null ist. Wenn die Spannung am Widerstand 101 auf weniger als 1,5 Volt abfällt, ist das demstands 101, 102 of the sensor 100, an isolation amplifier 120 and a Comparator 130 which can provide a digital output. A zener diode 104 builds a maximum voltage level across the fixed resistors 105, 106 and the variable resistors 101, 102. The Zener diode 104 limits the voltage across the resistors 101 and 102 as well as the resistors 105 and 106. With a DC input voltage of 12 volts, this circuit provides a signal greater than 1.5 volts across resistor 101 when the exhaust gas is lean, and a voltage less than 1.5 volts across the resistor 101 if the exhaust gas is rich. Similarly, the resistance values for resistors 103, 105 and 106 are selected, so that the voltage across resistor 106 corresponds to that of pin 7 of the comparator 130 supplied voltage signal corresponds to approximately 1.5 volts. the Voltage across resistor 101 is fed to input pin 6 of comparator 130 via isolating amplifier 120. When the voltage across the resistor 101 is greater than 1.5 volts (the voltage across resistor 106), that is signal applied to comparator 130 on pin 6 is greater than the signal on pin 7 so that the comparator output is zero. When the tension drops to less than 1.5 volts across resistor 101, that's dem

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Komparator 130 am Stift 7 zugeführte Signal größer als die Spannung am Stift 6, so daß der Komparator ein digitales 12-Volt-Signal abgibt. Um die Phase der Komparatorausgabe umzukehren, müssen nur die Leitungen 7 und 6 umgeschaltet werden.Comparator 130 at pin 7 applied signal greater than the voltage on pin 6 so that the comparator outputs a digital 12 volt signal. To reverse the phase of the comparator output, only the leads need 7 and 6 can be switched.

Nachfolgend sind typische Beispiele für die Höhe des Widerstandes bei unterschiedlichen Temperaturen an den Widerständen 101 und 102 wiedergegeben: Below are typical examples of the level of resistance at different temperatures at the resistors 101 and 102:

Für ein fettes Luft-Bremmstoff-Gemisch beträgt der Widerstand am Zirkon-For a rich mixture of air and fuel, the resistance at the zirconium

□ 7 Dhm
dioxidwiderstand 102 bei 400 C 3 χ 10 /und bei 750 C 6k Ohm; für das gleiche Luft-Brennstoff-Gemisch und den gleichen Temperaturbereich beträgt der Widerstand des Titandioxidwiderstandes 101 jeweils 140k Ohm und 120 Ohmj
□ 7 Dhm
Dioxide resistance 102 at 400 C 3 χ 10 / and at 750 C 6k ohms; for the same air-fuel mixture and the same temperature range, the resistance of the titanium dioxide resistor 101 is 140k ohms and 120 ohmsj, respectively

für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch beträgt der Widerstand des Zirkondioxidwiderstandes 102 bei 400°C 3 χ 10 Ohm und bei 750DC 6k Ohm; undfor a lean air-fuel mixture is the resistance of the Zirkondioxidwiderstandes 102 at 400 ° C for 3 χ 10 ohms and 750 ohms D C 6k; and

der Widerstand des Titandioxidwiderstandes 101 für das gleiche Gemischthe resistance of the titanium dioxide resistor 101 for the same mixture

g und die gleichen Temperaturen ist größer als jeweils 1 χ 10 Ohm und 280k 0hm.g and the same temperatures is greater than 1 χ 10 ohms and respectively 280k ohm.

Daraus folgt, daß das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 und der Summe der Widerstandswerte beider Widerstände 101 und 102 bei einer Temperatur von 400°C bis 750°C für ein fettes Gemisch ziemlich klein ist (etwa 0,00467 und 0,o196). Bei einBmIt follows that the ratio between the resistance value of the titanium dioxide resistor 101 and the sum of the resistance values of both resistors 101 and 102 at a temperature of 400 ° C to 750 ° C for a rich mixture is quite small (about 0.00467 and 0.0196). At some

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mageren Luft-Brennstoff-Gemisch und einem Temperaturbereich von 400 C bis 750 C steigt jedoch das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 und dem gesamten Widerstandswert beider Widerstände 101, 102 im Vergleich zu dem Verhältnis für ein fettes Gemisch beträchtlich an (etwa 0,9? und 0,98). Demzufolge ist die Spannung am Titandioxidwiderstand bei einem mageren Luftgemisch beträchtlich größer als bei einem fetten Luftgemisch.lean air-fuel mixture and a temperature range of 400 C however, up to 750 C the ratio between the resistance value increases of the titanium dioxide resistor 101 and the total resistance value of both resistors 101, 102 compared to the ratio for a rich mixture considerably (around 0.9? and 0.98). As a result, the voltage across the titanium dioxide resistor is significant with a lean air mixture larger than with a rich air mixture.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung am Titandioxidwiderstand als Funktion der Temperatur des Widerstandes dargestellt ist. Auf der x-Achse ist die Temperatur des Abgases um den Widerstand herum in Grad Celsius angegeben, während die y-Achse die über den Titandioxidwiderstand gemessene Ausgangsspannung enthält, wenn sich der Widerstand mit der in Fig. 5 gezeigten Schaltung in Betrieb befindet. Die untere Kurve zeigt eine geringere Spannung als 0,3 Volt am Titandioxidwiderstand für Temperaturen von etwa 300 C - 800 C und für ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch an. Die Spannung am Titandioxidwiderstand für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch und für den gleichen Temperaturbereich ist größer als 5 Volt. Wenn sich daher die Spannung über oder unter einem vorgegebenen Wert befindet, kann aus dem Abgas bestimmt werden, ob das Luft-Brennstoff-Gemisch fett oder mager ist. Wenn beispielsweise bei einer Bezugsspannung von 1,5 Volt (Spannung am Widerstand 106) diB Spannung am Titandioxidwiderstand 101 größer als 1,5 Volt ist, ist das Luft-Brennstoff-Gemisch mager, und wenn die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 geringer als 1,5 Volt ist, zeigt das Abgas an, daß der Motor ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch erhält.Fig. 6 shows a diagram in which the voltage across the titanium dioxide resistor is shown as a function of the temperature of the resistor. The temperature of the exhaust gas around the resistor is on the x-axis in degrees Celsius, while the y-axis is that of the titanium dioxide resistance contains measured output voltage when the resistor is in operation with the circuit shown in FIG. The lower curve shows a voltage less than 0.3 volts across the titanium dioxide resistor for temperatures of around 300 C - 800 C and for a rich air-fuel mixture at. The voltage across the titanium dioxide resistor for a lean air-fuel mixture and for the same temperature range is greater than 5 volts. Therefore, when the voltage is above or below a predetermined value, it can be determined from the exhaust gas whether the The air-fuel mixture is rich or lean. For example, if at a reference voltage of 1.5 volts (voltage across resistor 106) diB The voltage across the titanium dioxide resistor 101 is greater than 1.5 volts, the air-fuel mixture is lean, and if the voltage across the titanium dioxide resistor 101 is less than 1.5 volts, the exhaust gas indicates that the engine is receiving a rich air-fuel mixture.

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Da sich der Widerstandswert des Zirkondioxidwiderstandes 102 in etwa der gleichen Weise mit der Temperatur ändert wie der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes, bleibt die zwischen den beiden Widerständen aufgeteilte Spannung im wesentlichen gleich, es sei denn, es tritt eine Änderung des Widerstandswertes des Titandioxidwiderstandes infolge des O^-Gehaltes auf. Da sich somit der Widerstandswert des Zirkandioxidwiderstandes nur mit der Temperatur ändert, der er ausgesetzt ist, während sich der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes in ähnlicher Weise mit der Temperatur und dem CL-Gehalt ändert, kann die zwischen den beiden Widerständen 101 und 102 aufgeteilte Spannung als temperaturkompensiert angesehen werden, so daß die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 eine Anzeige für den Sauerstoffgehalt des Gases bildet, mit der Wirkung, daß der Einfluß der Temperatur auf ein Minimum gebracht oder vollständig eliminiert worden ist.Since the resistance value of the zirconium dioxide resistor 102 is approximately In the same way as the resistance of the titanium dioxide resistor changes with temperature, that remains between the two resistors divided voltage is essentially the same, unless there is a change in the resistance value of the titanium dioxide resistor as a result of the O ^ content. Since the resistance value of the zirconium dioxide resistor only changes with the temperature to which it is exposed, while the resistance value of the titanium dioxide resistor is more similar Way with the temperature and the CL content changes, the between the two resistors 101 and 102 divided voltage as temperature compensated be viewed so that the voltage across the titanium dioxide resistor 101 provides an indication of the oxygen content of the gas, with the Effect that the influence of temperature has been minimized or completely eliminated.

Im Betrieb vergleicht der Komparator 130 das Spannungssignal am Titandioxidwiderstand 101 (eingegeben durch den Eingangsstift 6) mit der Spannung am Widerstand 106 (eingegeben durch den Eingangsstift 7) und erzeugt Ausgangssignale, wenn das Signal am Eingang 7 größer und kleiner ist als das Signal am Eingang S.In operation, the comparator 130 compares the voltage signal across the titanium dioxide resistor 101 (input through input pin 6) with the voltage across resistor 106 (input through input pin 7) and generates output signals when the signal at input 7 is larger and smaller than the signal at input S.

Da die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 eine Funktion des Sauerstoffgehaltes in einem Gas ist, dem der Widerstand ausgesetzt ist, stellen die Signale an den Ausgängen A und B eine Funktion des 0„-Gehaltes in einem derartigen Gas dar.Since the voltage across the titanium dioxide resistor 101 is a function of the oxygen content is in a gas to which the resistor is exposed, the signals at outputs A and B represent a function of the 0 "content in such a gas.

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Wenn eine Spannung von 12 Volt in die in Fig. 5 dargestellte Schaltung eingegeben wird und die Widerstände 101 und 102 in das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, liefert der Ausgang der Schaltung bei A und B eine Anzeige des Sauerstaffgehaltes im Abgas, die für die Bestimmung und Einstellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses für eine derartige Brennkraftmaschine nutzbringend eingesetzt werden kann.When a voltage of 12 volts in the circuit shown in FIG is input and the resistors 101 and 102 are used in the exhaust gas of an internal combustion engine, the output of the Circuit at A and B a display of the oxygen content in the exhaust gas, which is used for determining and setting the air-fuel ratio can be used beneficially for such an internal combustion engine.

Wenn die Widerstände 101 und 102 einem Abgas ausgesetzt werden, ändert die Temperatur des Abgases den Widerstandswert der Widerstände 101 und 102. Da jedoch beide Widerstände so ausgewählt worden sind, daß sie Widerstandswerte besitzen, die sich mit der Temperatur um den gleichen Prozentsatz ändern, bleibt die über die beiden Widerstandswerte aufgeteilte Spannung etwa die gleiche. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt des Abgases abfällt, nimmt der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 ab. Folglich ist der Op-Gehalt im Abgas bei einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch (s. Fig. 6), das in den Motor eingeführt wird, geringer, als wenn ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch in den Motor eingeführt wird.When the resistors 101 and 102 are exposed to exhaust gas, changes the temperature of the exhaust gas determines the resistance of resistors 101 and 102. However, since both resistors have been selected to be If you have resistance values that change by the same percentage with temperature, the one shared over the two resistance values remains Voltage about the same. However, when the oxygen content of the exhaust gas drops, the resistance value of the titanium dioxide resistor increases 101 from. Consequently, the Op content in the exhaust gas for a rich air-fuel mixture (see Fig. 6) that is introduced into the engine is less than when a lean air-fuel mixture was introduced into the engine will.

Umgekehrt dazu steigt die Spannung am Titandioxidwxderstand auf einen Wert größer als 1,5 Volt (s. Fig. 6) an, wenn der Titandioxidwiderstand einem Abgas ausgesetzt wird, das einen größeren Sauerstaffanteil [mageres Luft-Brennstoff-Gemisch) besitzt.Conversely, the voltage on the titanium dioxide resistance increases to one Value greater than 1.5 volts (see Fig. 6) if the titanium dioxide resistance is exposed to an exhaust gas that has a larger proportion of oxygen [lean air-fuel mixture).

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Die Spannung am Titandioxidwiderstand gelangt über den Trennverstärker 120 zum Eingangspol 6 des Komparators 130. Der Komparator 130 vergleicht dieses Spannungssignal mit dem Spannungssignal am Widerstand 106 (das gleichbleibt). Wenn die Spannung am Eingangsstift 7 größer ist als die Spannung am Eingangsstift S, gibt der Komparator 130 ein 12-Volt-Signal ab, das anzeigt, daß dem in den Motor eingeführten Luft-Brennstoff-Gemisch weniger Brennstoff zugeführt werden soll. Wenn die Spannung am Eingangsstift 7 geringer ist als die Spannung am Eingangsstift S1 gibt der Komparator 130 ein Signal (null Volt) ab, das anzeigt, daß dem in den Motor eingeführten Luft-Brennstoff-Gemisch mehr Brennstoff zugeführt werden soll.The voltage at the titanium dioxide resistor reaches the input terminal 6 of the comparator 130 via the isolating amplifier 120. The comparator 130 compares this voltage signal with the voltage signal at the resistor 106 (which remains the same). When the voltage on input pin 7 is greater than the voltage on input pin S, comparator 130 outputs a 12 volt signal indicating that less fuel should be added to the air-fuel mixture introduced into the engine. If the voltage on input pin 7 is less than the voltage on input pin S 1 , comparator 130 outputs a signal (zero volts) indicating that more fuel should be added to the air-fuel mixture introduced into the engine.

Obwohl vorstehend eine bevorzugte Ausführungsfarm der Erfindung beschrieben worden ist, weiß der Fachmann, daß bei der in den vorstehenden Ansprüchen wiedergegebenen Erfindung Änderungen möglich sind und daß in einigen Fällen bestimmte Merkmale der Erfindung ohne eine entsprechende Verwendung von anderen Merkmalen vorteilhaft eingesetzt werden können. Beispielsweise muß die Zenerdiode 104 nicht unbedingt eingebaut werden. Darüber hinaus können auch andere Materialien als das vorgeschlagene Titandioxid und Zirkondioxid für die Widerstände verwendet werden, solange wie die Eigenschaften in bezug auf den elektrischen Widerstand und die Temperatur beider Materialien im wesentlichen gleich sind oder sich im gleichen Verhältnis ändern und solange wie eines der Materialien einen elektrischen Widerstandswert besitzt, der sich auch mit dem 0,-,-Gehalt des Gases ändert, dem das Material ausgesetzt ist.Although a preferred embodiment of the invention has been described above has been, the skilled person knows that changes are possible in the invention recited in the preceding claims and that in in some cases certain features of the invention without a corresponding one Use of other features can be used to advantage. For example, the Zener diode 104 does not necessarily have to be installed. In addition, materials other than the proposed titanium dioxide and zirconium dioxide can also be used for the resistors, as long as how the electrical resistance and temperature properties of both materials are substantially the same or differ in change the same ratio and as long as one of the materials has an electrical resistance value, which is also with the 0, -, - content changes in the gas to which the material is exposed.

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Claims (5)

PatentansprücheClaims 1. Elektrochemischer Sauerstoffsensor zur Bestimmung eines vorgegebenen Sauerstoffgehaltes eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Bestandteile umfaßt: einen ersten elektrischen Widerstand (1O1), dessen Widerstandswert sich als Funktion der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt ist, und des Sauerstoffgehaltes dieses Gases ändert, einen zweiten elektrischen Widerstand (102), dessen Widerstandswert sich nur als Funktion der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt ist, ändert, und Mittel, um den ersten Widerstand elektrisch in Reihe mit dem zweiten Widerstand zu schalten.1. Electrochemical oxygen sensor for determining a given Oxygen content of a gas, characterized in that it comprises the following components: a first electrical Resistance (1O1), the resistance value of which is a function of the temperature of the gas to which it is exposed and the oxygen content of this gas changes, a second electrical resistor (102), the resistance value of which changes only as a function the temperature of the gas to which it is exposed changes, and means to put the first resistor electrically in series with the second resistor to switch. 2. Sauerstaffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (1O,2O) zur Montage der Widerstände in enger Nachbarschaft zueinander aufweist, die drei elektrische Leitungen (41,51,61) umfassen, welche voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die erste Leitung (61) an die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Widerstand (101,102) angeschlossen ist, die zweite Leitung (41) an die andere Seite des ersten Widerstandes (1O1)2. Oxygen sensor according to claim 1, characterized in that it has means (1O, 2O) for mounting the resistors in close proximity having to one another, which comprise three electrical lines (41,51,61) which are electrically insulated from one another, the first line (61) being connected to the connection between the first and the second resistor (101,102) is connected, the second line (41) to the other side of the first resistor (1O1) 9098U/06499098U / 0649 angeschlossen ist und die dritte Leitung (51) an die andere Seite des zweiten Widerstandes (1O2) angeschlossen ist.is connected and the third line (51) to the other Side of the second resistor (1O2) is connected. 3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1O,2O) zur Montage der Widerstände einen keramischen Isolator (1O) umfassen, in dem drei Durchgänge (11,12,13) vorgesehen sind, von denen jeder eine der drei elektrischen Leitungen (41,51,61) enthält, sowie ein Gehäuse (20.), das um mindestens einen Teil des keramischen Isolators (1O) befestigt ist.3. Oxygen sensor according to claim 2, characterized in that the Means (1O, 2O) for mounting the resistors a ceramic insulator (1O) include, in which three passages (11,12,13) are provided each of which has one of the three electrical lines (41,51,61) contains, as well as a housing (20.) which extends around at least part of the ceramic insulator (1O) is attached. 4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektrische Widerstand (102) über einen vorgegebenen Temperaturbereich des Gases etwa die gleichen Widerstands-Temperatur-Eigenschaften besitzt wie der erste elektrische Widerstand (1O1).4. Oxygen sensor according to claim 1, characterized in that the second electrical resistance (102) over a predetermined temperature range of the gas approximately the same resistance-temperature properties has like the first electrical resistance (1O1). 5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (1O1) aus Titandioxid und der zweite Widerstand (102) aus stabilisiertem Zirkondioxid besteht.5. Oxygen sensor according to claim 1, characterized in that the first resistor (1O1) consists of titanium dioxide and the second resistor (102) consists of stabilized zirconium dioxide. 909814/0649909814/0649
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