DE3028274A1

DE3028274A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines regelsignales fuer die rueckkopplungsregelung des kraftstoff-luftverhaeltnisses eines einer verbrennungseinrichtung gelieferten kraftstoff-luftgemisches

Info

Publication number: DE3028274A1
Application number: DE19803028274
Authority: DE
Inventors: Shigeo Ishitani; Shinji Kimura; Hiroshi Takao; Masaaki Uchida
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-07-28
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-02-12
Also published as: GB2057140B; GB2057140A; JPS5621053A; JPS6029066B2; FR2462707B1; US4306957A; DE3028274C2; FR2462707A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses eines einer Verbrennungseinrichtung, beispielsweise den Verbrennungskammern einer Brennkraftmaschine, gelieferten Kraftstoff-Luftgemisches auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsgas, das von der Verbrennungseinrichtung abgegeben wird.

Bei der jüngsten Entwicklung auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen ,insbesondere der Kraftfahrzeugmotoren, zeigt sich eine merkliche Neigung dazu, das Kraftstoff-Luftmischverhältnis sehr fein zu regeln, um das Leistungsvermögen der Maschinen zu verbessern und die Abgabe von Schadstoffen im Abgas zu verringern. In vielen Fällen ist es wünschenswert, eine Maschine mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisch zu versorgen, und es ist bereits in die Praxis übernommen worden, eine Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftmischverhältnisses zum Zweck der Beibehaltung des stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnisses durchzuführen, indem ein Abgassensor verwandt wird, der ein Rückkopplungssignal liefert, das die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches angibt, das tatsächlich der Maschine geliefert wird.

Bei einem Kraftfahrzeugmotor mit einem sog. Dreiwegekatalysator, der sowohl die Reduktion von Stickstoffoxiden als auch die Oxidation von Kohlenmonoxid und nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe katalysieren kann, die im Abgas enthalten sind, ist es besonders wichtig, die Maschine immer mit einem genau stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisch zu versorgen, da dieser Katalysator seine Leistungsfähigkeit nur voll in einem Abgas entwickelt, das durch die Verbrennung eines

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stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisches erzeugt wird. Bei diesen Motoren ist es daher unverzichtbar, eine Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftmischverhältnisses durchzuführen.

Herkömmliche Kraftstoff-Luftrückkopplungsregelsysteme, die das Kraftstoff-Luftverhältnis auf dem stöchiometrischen Wert regeln, verwenden in üblicher Weise einen auf dem Prinzip eines Konzentrationselementes arbeitenden Sauerstoffsensor als Abgassensor, um ein Rückkopplungssignal zu liefern. Diese Art eines Sauerstoffsensors weist eine Schicht aus einem für Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten ,beispielsweise aus mit Kalziumoxid stabilisiertem Zirkonoxid, in Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres, eine Messelektrodenschicht, die porös an der Aussenseite des festen Elektrolytrohres ausgebildet ist, und eine Vergleichselektrodenschicht auf, die an der Innenseite des Rohres ausgebildet ist. Wenn eine Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Vergleichselektrodenseite und der Messelektrodenseite der festen Elektrolytschicht auftritt, erzeugt dieser Sensor eine elektromotorische Kraft zwischen beiden Elektrodenschichten. Bei der Verwendung als Abgassensor wird die Messelektrodenschicht dem Maschinenabgas ausgesetzt, während die Vergleichselektrodenschicht auf der Innenseite der Aussenluft ausgesetzt wird, die als Quelle eines Vergleichssauerstoffpartialdruckes dient. In diesem Fall zeigt die Stärke der elektromotorischen Kraft, die durch diesen Sauerstoffsensor erzeugt wird, eine grosse und scharfe Änderung zwischen einem maximalen hohen Pegel und einem minimalen niedrigen Pegel beim Auftreten einer Änderung im Kraftstoff-Luftverhältnis eines der Maschine gelieferten Gemisches quer über das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis. Es ist daher möglich, ein Steuersignal für die Höhe der Kraftstoffversorgung auf der Grundlage des Ergebnisses eines Vergleiches des Ausgangssignales des Sauerstoffsensors mit einer Vergleichsspannung zu erzeugen, die auf einen Wert in der Mitte zwischen

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dem hohen und dem niedrigen Pegel des Ausgangssignales des Sensors festgelegt ist.

Diese Art eines Sauerstoffsensors hat jedoch den Nachteil, dass eine beträchtliche Temperaturabhängigkeit seiner Ausgangscharakteristik vorhanden ist, dass ein Vergleichsgas, wie beispielsweise Luft, verwandt werden muss, dass es schwierig ist, seine Grosse zu vermindern und dass er eine unzureichende mechanische Festigkeit zeigt.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wird in der US-Patentanmeldung Nr. 12 763 ein weiterentwickelter Sauerstoffsensor beschrieben, der vom Typ eines Konzentrationselementes ist und eine ebene feste Elektrolytschicht mit einer Vergleichselektrodenschicht und einer Messelektrodenschicht, die auf den beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils ausgebildet sind/ und eine Abschirmungsschicht aufweist, die auf der Vergleichselektrodenseite der festen Elektrolytschicht so ausgebildet ist, dass sie die Vergleichselektrodenschicht vollständig überdeckt. Die Abschirmungsschicht oder die feste Elsktrolytschicht ist so fest und stark ausgebildet, dass sie als Substrat dient, während die übrigen drei Schichten in Form dünner filmartiger Schichten ausgebildet sein können. Dieser Sensor verwendet kein Vergleichsgas. Statt dessen liegt eine Gleichstromversorgung an diesem Sensor, um einen Strom zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der Messelektrodenschicht fliessen zu lassen, wodurch eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht in einer gewählten Richtung hervorgerufen wird und folglich ein Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Zwischenfläche zwischen der festen Elektrolytschicht und der Vergleichselektrodenschicht gebildet wird. Die besonderen Eigenschaften dieses Sauerstoffsensors werden später beschrieben.

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Wenn dieser weiterentwickelte Sauerstoffsensor im Maschinenabgas angeordnet ist, zeigt er eine Ausgangscharakteristik/ die im allgemeinen ähnlich der Charakteristik eines herkömmlichen Sauerstoffsensors mit einem rohrförmigen festen Elektrolyten ist. Dieser Sauerstoffsensor ist daher als eine Einrichtung einsetzbar, die ein Rückkopplungssignal in einem Kraftstoff-Luftverhältnis-Regelsystem zum Regeln des Kraftstoff-Luftverhältnisses auf dem stöchiometrischen Wert liefert. Dieser Sensor hat darüberhinaus den Vorteil, dass kein Vergleichsgas benutzt werden muss, dass er mit einer sehr geringen Grosse ausgebildet werden kann und dass er eine hohe Stoss- und Schwingungsbeständigkeit zeigt. Die Ausgangscharakteristik auch dieses Sauerstoffsensors wird jedoch von der Temperatur stark beeinflusst. Wenn insbesondere die Temperatur des Sensors unter etwa 500⁰C liegt, ändert sich die Ausgangscharakteristik derart, dass es schwierig wird, einen Vergleich zwischen einer Vergleichsspannung geeigneter Höhe und dem Ausgangssignal des Sensors durchzuführen. Darin ist eine grosse Schwierigkeit bei der praktischen Anwendung für Kraftstoff-Luftverhältniss-Regelsysteme für Kraftfahrzeugmotoren zu sehen.

Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luf^Verhältnisses eines Kraftstoff-Luftgemisches für eine Verbrennungseinrichtung, beispielsweise für die Verbrennungskammern einer Brennkraftmaschine, die ein sauerstoffempfindliches Element aufweist, das im Verbrennungsgas von der Verbrennungseinrichtung angeordnet wird und ein Regelsignal, das der Abweichung des tatsächlichen Kraftstoff-Luftverhältnisses des Kraftstoff-Luftgemisches vom stöchiometrischen Wert entspricht, mit guter Stabilität und unbeeinflusst durch die Temperatur des Elementes selbst dann liefern kann, wenn die Temperatur ausserordentlich niedrig ist.

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Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist ein sauerstoffempfindliches Element auf/ das im Verbrennungsgas angeordnet wird, das von einer Verbrennungseinrichtung abgegeben wird, und das zwei Sauerstoffkonzentrationselemente umfasst, von denen jedes aus einer Schicht eines für Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten, einer Messelektrodenschicht, die auf einer Seite der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, einer Vergleichselektrodenschicht, die auf der anderen Seite der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist,und einer Abschirmungsschicht besteht, die derart auf der Vergleichselektrodenseite der festen Elektrolytschicht vorgesehen ist, dass sie die Vergleichselektrodenschicht dicht überzieht. Wenigstens die Abschirmungsschicht oder die feste Elektrolytschicht haben eine mikroskopisch poröse und gasdurchlässige Struktur, während entweder die Messelektrodenschicht oder die Vergleichselektrodenschicht eines Konzentrationselementes elektrisch mit der entsprechenden Messelektrodenschicht oder Vergleichselektrodenschicht des anderen Elementes verbunden ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst weiterhin eine Konstantgleichstromversorgungsquelle, die mit den nicht angeschlossenen Elektrodenschichten der jeweiligen Konzentrationselemente des sauerstoffempfindlichen Elementes verbunden ist, um zwangsweise einen Gleichstrom durch die festen Elektrolytschichten der beiden Elemente von der Messelektrodenschicht zur Vergleichselektrodenschicht in einem Element und von der Vergleichselektrodenschicht zur Messelektrodenschicht im anderen Element fHessen zu lassen, sowie eine ein Signal erzeugende Schaltung, die eine Vergleichseinrichtung aufweist, die einen Vergleich zwischen einer vorbestimmten Vergleichsspannung und der Ausgangsspannung des sauerstoffempfindlichen Elementes durchführt, die zwischen der Messelektrodenschicht und der Vergleichselektrodenschicht eines bestimmten Elementes entwickelt wird, um zu überprüfen, ob die Vergleichsspannung oder die Ausgangsspannung höher ist, sowie eine ein Signal erzeugende Einrichtung,

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die ein Regelsignal für das Kraftstoff-Luftverhältnis liefert, das sich entsprechend der relativen Beziehung zwischen der Vergleichsspannung und der Ausgangsspannung ändert, die durch die Vergleichseinrichtung untersucht wird.

Der Gleichstrom in den beiden Sauerstoffkonzentrationselementen bewirkt eine Wanderung der Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht jedes Elementes in die umgekehrte Richtung der Richtung, in die der Strom fliesst. Das hat zur Folge, dass ein Vergleichssauerstoffpartialdruck relativ grosser Höhe an der Vergleichselektrodenseite eines Elementes aufrechterhalten wird, wohingegen ein weiterer Sauerstoffpartialdruck relativ geringer Höhe auf der Vergleichselektrodenseite des anderen Elementes auf rechterhalten wird. In einem Verbrennungsgas, das von einem kraftstoffreichen Kraftstoff-Luftgemisch stammt, erzeugt daher eines der beiden Elementes eine elektromotorische Kraft relativ grosser Höhe, während das andere Element eine elektromotorische Kraft mit sehr niedriger Höhe erzeugt,und in einem Verbrennungsgas, das von einem armen Gemisch mit einem Luftüberschuss stammt, ist die Höhe der elektromotorischen Kräfte der beiden Elemente umgekehrt. Da derselbe Strom in beiden Elementen fliesst, die in der oben beschriebenen Weise miteinander verbunden sind, wird die oben erwähnte Ausgangsspannung des sauerstoffempfindlichen Elementes unabhängig vom elektrischen Widerstand der festen Elektrolytschichten im Element, so dass die Höhe dieser Ausgangsspannung kaum von der Temperatur des Elementes beeinflusst wird. Die Ausgangsspannung liegt auf einem konstanten Wert in einem Verbrennungsgas, das von einem reichen Gemisch stammt und auf einem anderen konstanten Wert in einem Verbrennungsgas, das von einem armen Gemisch stammt, und zwar praktisch unabhängig von der Temperatur des Verbrennungsgases. Es ist daher immer möglich, einen Vergleich zwischen dieser Ausgangsspannung und einer festen Vergleichsspannung durchzuführen, die einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisch entspricht, so dass die erfindungsgemässe Vorrichtung ein

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Regelsignal für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses auf dem stöchiometrischen Wert mit guter Stabilität und Genauigkeit selbst dann liefern kann, wenn die Temperatur des Verbrennungsgases sehr niedrig ist.

Grundsätzlich können die beiden Sauerstoffkonzentrationselemente im sauerstoffempfindlichen Element mechanisch voneinander getrennt sein, vorzugsweise werden beide Elemente zu einem einzigen Element dadurch vereinigt, dass entweder die Abschirmungsschichten oder die festen Elektrolytschichten der beiden Elemente zu einer einzigen Schicht vereinigt werden, die so fest und stark ausgebildet wird, dass sie als Grundbauelement oder Substrat des gesamten Elementes dienen kann. Darüberhinaus können die beiden Messelektrodenschichten oder die beiden Vergleichselektrodenschichten, die elektrisch miteinander verbunden sind, zu einer einzigen Elektrodenschicht vereinigt werden. Das sauerstoffempfindliche Element kann in einer Vielzahl verschiedener Formen ausgebildet werden, wie es später anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele dargestellt wird. In manchen Fällen ist es möglich, die feste Elektrolytschicht jedes Elementes auch als Abschirmungschicht für die >Vergleichselektrodenschicht des anderen Elementes zu verwenden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Erzeugen eines Signales kann beispielsweise aus einer Kombination eines Spannungsteilers, an dem eine Konstantspannungsquelle liegt, und eines Schalttransistors gebildet sein, dessen Basis an der Ausgangsklemme der Vergleichseinrichtung liegt.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einer Vorrichtung, die ein sauerstoffempfindliches Element aufweist, das im Verbrennungsgas einer Verbrennungseinrichtung angeordnet wird, um eine Abweichung des tatsächlichen Kraftstoff-Luftverhältnisses vom stöchiometrischen Wert wahrzunehmen. Das Element besteht aus einer Kombination von

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zwei Sauerstoffkonzentrationselementen, von denen jedes eine feste Elektrolytschicht, eine Messelektrodenschicht, die auf einer Seite der Elektrolytschicht ausgebildet ist, und eine Vergleichselektrodenschicht aufweist, die auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet und mit einer Abschirmungsschicht überdeckt ist. Entweder die Messelektrodenschichten oder die Vergleichselektrodenschichten der beiden Elemente sind miteinander verbunden, während eine Konstantgleichspannung an dem Element liegt, um einen Strom zwangsweise durch die festen Elektrolytschichten beider Elemente fliessen zu lassen, damit Sauerstoffionen dahindurch von der Messelektrode zur Vergleichselektrode in einem Element und umgekehrt im anderen Element wandern. Die Vorrichtung weist eine Schaltung auf, die einen Vergleich zwischen einer festen Vergleichsspannung und der Ausgangsspannung durchführt, die zwischen der Messelektrode und der Vergleichselektrode eines Konzentrationselementes des sauerstoffempfindlichen Elementes entwickelt wird, um entsprechend dem Ergebnis des Vergleiches ein Regelsignal mit hohem oder niedrigem Pegel zu erzeugen. Die Ausgangsspannung ist unabhängig vom Innenwiderstand des Elementes und wird kaum durch die Temperatur des Elementes beeinflusst.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einer herkömmlichen Sauerstoffsensor.

Fig. 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Maschine und der Ausgangsspannung des in Fig. dargestellten Sauerstoffsensors im Abgas vom Kraftstoff-Luftverhältnis eines der Maschine zugeführten Kraftstoff-Luftgemisches.

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Fig. 3 zeigen schematische Schnittansichten des Grundaufbaues eines kürzlich entwickelten sauerstoffempfindlichen Elementes zur Darstellung des Funktionsprinzips des Elementes.

Fig. 5 zeigt in einer grafischen Darstellung die Ausgangscharakteristik des in Fig. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes im Maschinenabgas .

Fig. 6 zeigt in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der festen Elektrolytschicht des in Fig. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes von der Temperatur.

Fig. 7 zeigen in grafischen Darstellungen die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des in den Fig. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes im Maschinenabgas von der Temperatur des Elementes.

Fig. 9 zeigt in einer teilweise geschnittenen schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales.

Fig. 10 zeigt das äquivalente Schaltbild der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 11 zeigt in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit des im sauerstoffempfindlichen Element bei der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung fliessenden Stromes von der Temperatur des Elementes.

Fig. 12 zeigt in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit der Ausgangscharakteristik des sauerstoff empfindlichen Elementes der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung im Abgas von der Temperatur des Elementes.

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Pig. 13 zeigen jeweils in einer Fig. 9 ähnlichen Ansicht sieben verschieden ausgebildete Ausführungsbeispiele der erfindungsgeitiässen Vorrichtung.

Fig. 20 zeigt in einer Fig. 12 ähnlichen grafischen Darstellung die Ausgangscharakteristik der in Fig. 19 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 21 zeigen fünf weitere verschieden ausgebildete

Ausführungsbeispie]e der erfindungsgemässen Vorrichtung.

Fig. 26 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie 26-26 in Fig. 25.

Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen werden kurz ein herkömmlicher weitverbreiteter Sauerstoffsensor und anschliessend das weiterentwickelte Sauerstoffsensorelement gemäss US-Patentanmeldung Nr. 12 76 3 im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Sauerstoffsensors, der gegenwärtig bei Kraftfahrzeugabgassystemen dazu verwandt wird, das Kraftstoff-Luftverhältnis des Kraftstoff-Luftgemisches wahrzunehmen, das der Maschine geliefert wird. Dieser Sauerstoffsensor weist eine Schicht 10 aus einem für Sauerstoff ionen leitenden festen Elektrolyten, beispielsweise aus mit CaO oder Y₂°3 stabilisiertem ZrO₂ in Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres auf. Auf der Aussenseite des festen Elektrolytrohres 10 befindet sich eine dünne und mikroskopisch poröse Messelektrodenschicht 12, die dem Abgas E ausgesetzt wird, wenn der Sensor an einem Abgasrohr 16 eines Kraftfahrzeugmotors angebracht ist. An der Innenseite des festen Elektrolytrohres 10 ist eine dünne und mikroskopisch poröse Vergleichselektrodenschicht 14 ausgebildet, die gegenüber dem Abgas isoliert ist und der Aussenluft A ausgesetzt ist, die als Quelle für einen Vergleichssauerstoffpartialdruck

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verwandt wird. Als Material für die Elektrodenschichten 12 und 14 dient gewöhnlich Platin.

Die Sauerstoffkonzentration im Abgas E hängt hauptsächlich vom Kraftstoff-Luftverhältnis des Kraftstoff-Luftgemisches ab, das in der Maschine verbrannt wird/ und nimmt in der durch die Kurve O₂ in Fig. 2 dargestellten Weise allmählich mit steigendem Kraftstoff-Luftverhältnis zu. Die elektromotorische Kraft, die über der festen Elektrolytschicht 10 als Ausgangsspannung V des Sauerstoffsensors gemäss Fig. 1 im Abgas erzeugt wird, ist jedoch nicht proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas.Wenn ein kraftstoffreiches Gemisch der Maschine zugeführt wird, wird die örtliche Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche der Messelektrodenschicht 12 nahezu gleich Null, da eine Oxidationsreaktion von CO, HC (unverbrannten Kohlenwasserstoffen) usw. auftritt, die im Abgas an der Oberfläche der Elektrodenschicht vorhanden sind, die aus einem katalytischen Material, wie beispielsweise Platin besteht, so dass ein grosser Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Aussen- und der Innenseite der festen Elektrolytschicht 10 auftritt. Die Ausgangsspannunv V des Sauerstoffsensors bleibt daher praktisch auf einem maximalen hohen Pegel konstant, solange das Kraftstoff-Luftverhältnis unter dem. stöchiometrischen Wert, beispielsweise von etwa 14,7 bei Benzin-Luftgemischen liegt, wie es durch die Kurve V in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn ein armes Gemisch der Maschine geliefert wird, wird der Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Luft A und dem Abgas E sehr klein, so dass die Ausgangsspannung V des Sensors praktisch auf dem kleinsten niedrigen Pegel konstant bleibt. Die Ausgangsspannung dieses Sauerstoffsensors im Abgas E zeigt daher eine starke und plötzliche Änderung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, wenn sich das Kraftstoff-Luftverhältnis über den stöchiometrischen Wert ändert. D.h. mit anderen Worten, dass dieser Sauerstoffsensor im Abgas E eine EIN-AUS-Ausgangscharakteristik bezüglich des Kraftstoff-Luftverhältnisses zeigt. Die Aus-

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gangsspannung V dieses Sauerstoffsensor wird durch die Temperatur des Sensors beeinflusst und die in Fig. 2 dargestellte charakteristische Kurve V gibt die Versuchsergebnisse wieder, die bei einer konstanten Temperatur von 6 00⁰C erhalten werden.

Bei einem herkömmlichen Regelsystem für das Kraftstoff-Luftverhältnis, das einen Sauerstoffsensor des in Fig. 1 dargestellten Typs verwendet, um das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis beizubehalten, wird die Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors als Rückkopplungssignal verwandt und mit einer festen Vergleichsspannung, die dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftverhältnis entspricht, beispielsweise mit 500 mV im Fall einer Sensorausgangscharakteristik gemäss Fig. 2 verglichen. Die Tatsache, dass die Ausgangsspannung über der Vergleichsspannung liegt, wird so beurteilt, dass ein kraftstoffreiches Gemisch der Maschine geliefert wird, so dass ein Regelsignal zum Verringern der Kraftstoffzufuhr erzeugt wird. Die Tatsache, dass die Ausgangsspannung des Sensors unter der Vergleichsspannung liegt, wird so beurteilt, dass ein armes Gemisch, das einen Luftüberschuss enthält, der Maschine geliefert wird, so dass ein Regelsignai zur Erhöhung der Kraftstoffzufuhr erzeugt wird. Bei der praktischen Anwendung hat dieser Sauerstoffsensor jedoch in vielfacher Hinsicht Nachteile , wie es oben beschrieben wurde.

Fig. 3 zeigt den Grundaufbau eines weiterentwickelten Sauerstoffempfindlichen Elementes 20 gemäss US-Patentanmeldung Nr. 12 763 und eine Detektoreinrichtung für das Kraftstoff-Luftverhältnis, die dieses Element verwendet. Das dargestellte sauerstoffempfindliche Element 20 weist eine Abschirmungsschicht 22 auf, die aus einem elektrochemisch inaktiven und wärmebeständigen Material besteht und so stark ist, dass sie als Grundbauelement oder Substrat des Elementes 20 dienen kann. Eine Vergleichselektrodenschicht 24, eine für Sauerstoffionen leitende feste Elektrolytschicht 26 und eine Messelektrodenschicht 28 sind auf der Abschirmungsschicht 22 aufeinander derart ausgebildet, dass die

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Vergleichselektrodenschicht 24 in Sandwichbauweise zwischen der Abschirmungsschicht 22 und der festen Elektrolytschicht 26 liegt und makroskopisch vollständig gegenüber der Aussenatmosphäre abgeschirmt ist. Die Messelektrodenschicht 28 auf der Aussenseite der festen Elektrolytschicht 26 ist so ausgebildet, dass sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat, und wenigstens die feste Elektrolytschicht 26 oder die Abschirmungsschicht 22 , und zwar gewöhnlich die erstere ist so ausgebildet, dass sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat. Es versteht sich, dass die feste Elektrolytschicht 26 und die beiden Elektrodenschichten 24, 28 ein Sauerstoffkonζentrationselement bilden, das eine elektromotorische Kraft liefert, wenn ein Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Vergleichselektrodenseite und der Messelektrodenseite der festen Elektrolytschicht 26 auftritt. In dieses Element 20 soll kein bestimmtes Vergleichsgas zur Oberfläche der Vergleichselektrodsnschicht 24 eingeführt werden. Statt dessen liegt eine Gleichstromversorgung 30 an der Vergleichs- und Messelektrodenschicht 24 und 28, um zwangsweise einen Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht 26 zwischen den beiden Elektrodenschichten 24 und 28 in einer gewählten Richtung fliessen zu lassen.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, liegt die Gleichstromversorgung 30 derart an der Vergleichselektrodenschicht und der Messelektrodenschicht 24 und 28, dass ein Strom I- durch die feste Elektrolytschicht 26 von der Vergleichselektrodenschicht 24 zur Messelektrodenschicht 28 fliesst. Wenn dieses Element 20 daher in einem Sauerstoff enthaltenden Gas angeordnet ist, tritt eine Ionisation der Sauerstoffmoleküle an der Messelektrodenschicht 28 auf, wobei die gebildeten Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht 26 auf die Vergleichselektrodenschicht 24zu .wandern. Die an der Vergleichselektrodenschicht 24 ankommenden Sauerstoffionen werden in Sauerstoffmoleküle umgewandelt, so dass sich Sauer-

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stoff an der Vergleichselektrodenseite der festen Elektrolytschicht 26 ansammelt, was zu einem Anstieg des Sauerstoffpartialdruckes an dieser Seite führt. Der gesammelte Sauerstoff fliesst jedoch weiter durch die poröse feste Elektrolytschicht 26 nach aussen. Es wird daher ein nahezu konstanter Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht 24 und der festen Elektrolytschicht 26 nach kurzer Zeit eingestellt. Das Konzentrationselement in dem Element 20 erzeugt dann eine elektromotorische Kraft, die den Sauerstoffpartialdruck an der Messelektrodenschicht 28, bezogen auf den nahezu konstanten Sauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenschicht 24 angibt. Die zu dieser elektromotorischen Kraft gehörige Ausgangsspannung V- kann zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der Messelektrodenschicht 24 und 28 gemessen werden.

Wenn dieses Element 20 im Abgas einer Brennkraftmaschine angeordnet wird und mit einem Gleichstrom geeigneter Stärke in der in Fig. 3 dargestellten Weise versorgt wird, hat die Ausgangsspannung V₁ entweder einen sehr hohen oder sehr niedrigen Wert, je nachdem, ob die Maschine mit einem reichen oder einem armen Gemisch versorgt wird. Wenn ein reiches Gemisch der Maschine zugeführt wird, hat die Zuführung von Sauerstoff zur Vergleichselektrodenschicht 24 durch die Wanderung von Sauerstoffionen zu dieser Schicht eine beträchtliche Wirkung, verglichen mit der Geringfügigkeit einer Diffusion von gasförmigem Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist, nach innen durch die poröse feste Elektrolytschicht 24. Die Höhe des konstanten Vergleichssauerstoffpartialdruckes an der Vergleichselektrodenseite hängt von verschiedenen Einflussfaktoren, wie beispielsweise von der Abgastemperatur, der Stärke des Gleichstromes I₁, der Stärke und des Aufbaues der festen Elektrolytschicht 24 ab. Es bildet sich beispielsweise ein Vergleichssauerstoffpartialdruck von 10 bis 1Q^ atm, wenn die Abgastemperatur bei 6 00⁰C liegt und die Stromstärke 3 μΑ beträgt, wohingegen der Sauerstoffpartial-

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druck im Abgas 10 bis 10 atm beträgt. Wenn somit ein reiches Gemisch der Maschine zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V₁ auf einem sehr hohen Wert, wie es durch die Kurve V- in Form einer ausgezogenen Linie in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn jedoch ein armes Gemisch der Maschine zugeführt wird, wird der Wanderungseffekt der Sauerstoffionen zur Vergleichselektrode 24 relativ gering, verglichen mit der Eindiffusion einer grösseren Menge an gasförmigem Sauerstoff durch die feste Elektrolytschicht 26. Das hat zur Folge, dass der unterschied zwischen dem Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenseite und dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas sehr klein wird, so dass die Auagangsspannung V₁ auf einem sehr niedrigen Wert bleibt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Es tritt somit eine grosse und scharfe Änderung im Wert der Ausgangsspannung V₁ auf, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis des der Maschine gelieferten Gemisches sich über den stöchiometrischen Wert ändert. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung kann daher dieselbe Funktion wie ein herkömmlicher Sauerstoffsensor gemäss Fig. 1 in einem Abgas erfüllen.

Fig. 4 zeigt den Fall, in dem die Gleichstromversorgung so mit der Vergleichselektrodenschicht 24 und der Messelektrodenschicht 28 des sauerstoffempfindlichen Elementes 20 verbunden ist, dass ein Gleichstrom I2 durch die feste Elektrolytschicht 26 von der Messelektrodenschicht 28 zur Vergleichselektrodenschicht 24 fliesst. In diesem Fall werden die zur Vergleichselektrodenschicht 24 diffundierten Sauerstof fmoleküle an dieser Elektrodenschicht 24 ionisiert und wandern die gebildeten Sauerstoffionen nach aussen durch die feste Elektrolytschicht 26. An der Messelektrodenschicht 28 werden die Sauerstoffionen in gasförmigen Sauerstoff umgewandelt, der an die äussere Gasatmosphäre abgegeben wird. Es besteht daher eine Neigung zur Abnahme des Sauerstoffpartialdruckes auf der Vergleichselektrodenseite der festen Elektrolytschicht 26. Im Ausgleich durch die Ein-

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diffusion von Sauerstoffmolekülen durch die feste Elektrolytschicht bildet sich bald ein nahezu konstanter und relativ niedriger Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht 24 und der festen Elektrolytschicht 26. Im Abgas von einer Brennkraftmaschine, die mit einem armen Gemisch arbeitet ,beträgt die Höhe des in dieser Weise gebildeten Vergleichssauerstoffpartialdruckes, beispielsweise 10 bis 10 atm, wenn die Abgastemperatur bei 600⁰C liegt und die Stärke des Gleichstromes I₂ 3 μΑ beträgt. Die Ausgangsspannung V₂ des Elementes 20 bleibt daher in diesem Fall auf einem sehr hohen Wert, wie es durch die Kurve V₂ in Form einer unterbrochenen Linie in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn der Maschine ein reiches Gemisch geliefert wird, bleibt die Ausgangsspannung V₂ auf einem sehr niedrigen Wert, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, da die Ionisation des Sauerstoffs an der Vergleichselektrodenschicht 24 aufgrund einer grossen Abnahme in der Menge des gasförmigen Sauerstoffes unbedeutend wird, der durch die feste Elektrolytschicht 26 eindiffundiert. Auch in diesem Fall tritt somit eine grosse und scharfe Änderung im Wert der Ausgangsspannung V₂ auf, wenn das Kraftstoff-Luftverhältnis des der Maschine gelieferten Gemisches sich über den stöchiometrischen Wert ändert.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist es wünschenswert, dass die Gleichstromversorgung 30 eine Konstantstromversorgung ist, so dass der Strom I-| oder I₂, der zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht 26 zwischen den Elektrodenschichten 24 und 28 fliessen gelassen wird, ein konstanter Strom ist.

Bei beiden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen sind die Gleichstromversorgung und ein nicht dargestelltes Spannungsmessinstrument zwischen die Vergleichselektrodenschicht 24 und die Messelektrodenschicht 28 geschaltet. Die

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Ausgangsspannung V-, oder V- des sauerstoffempfindlichen Elementes 20 wird daher gleich der Summe einer elektromotorischen Kraft, die das Element 20 erzeugt, und einer Spannung, die über der festen Elektrolytschicht 26, die einen elektrischen Widerstand R hat, durch den hindurchfliessenden konstanten Strom I. oder I₂ entwickelt wird, d.h. einer Spannung, die durch LxE oder I~ x R ausgedrückt wird. Der Widerstand R der festen Elektrolytschicht 26 hängt bezeichnend von der Temperatur des Elementes 20 ab, wie es beispielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Der Widerstand R nimmt stark mit abnehmender Temperatur des Elementes 20 zu. Die Ausgangsspannung V₁ oder V- wird daher sehr starkdurch die Temperatur des Elementes 20 beeinflußt.Wie es in Fig. 7 und 8 dargestellt ist, besteht die Neigung, dass die Ausgangs spannung V-j oder V₂ mit abnehmender Temperatur grosser wird, wobei diese Neigung dann sehr stark wird, wenn die Temperatur unter einem bestimmten Wert, beispielsweise unter etwa 550⁰C liegt.

Bei der Durchführung einer Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses einer Brennkraftmaschine unter Verwendung der in den Fig. 3 oder 4 dargestellten Vorrichtung wird gewöhnlich die Ausgangsspannung V- oder V₂ mit einer festen Vergleichsspannung V von 0,5V verglichen, wenn die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Vorrichtung eine normale Ausgangscharakteristik hat, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. In den Fig. 7 und 8 ist dargestellt, dass dann, wenn die Temperatur des sauerstoffempfindlichen Elementes 20 unter 45O⁰C liegt, die Ausgangsspannung V- oder V₂ über der Vergleichsspannung V_r bleibt, gleichgültig ob ein reiches oder ein armes Gemisch der Maschine zugeführt wird, was bedeutet, dass eine Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses unmöglich wird. D.h. mit anderen Worten, dass eine stabile Arbeitsweise eines Rückkopplungsregelungssystems für das Kräftstoff-Luftverhältnis mit einer Vorrichtung gemäss Fig. 3 oder 4 dann schwierig wird, wenn die Temperatur des Elementes 20 oder die Abgastemperatur unter beispielsweise 550⁰C liegt.

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Wie es oben bereits beschrieben wurde, wird diese Schwierigkeit durch die Erfindung beseitigt, so dass in der bestmöglichen Weise von den wesentlichen Eigenschaften des weiterentwickelten sauerstoffempfindlichen Elementes Gebrauch gemacht werden kann.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales für das Kraftstoff-Luftverhältnis. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem sauerstoffempfindlichen Element 40, einer Konstantgleichspannungsquelle 50 und einer ein Signal erzeugenden Schaltung 60.

Das sauerstoffempfindliche Element 40 weist eine Abschirmungsschicht 42 auf, die so fest und stark ist, dass sie als Substrat dieses Elementes 40 dient. Auf einer Seite der Abschirmungsschicht 42 sind eine erste Vergleichselektrodenschicht 44A, eine erste Sauerstoffionen leitende feste Elektrolytschicht 46A und eine erste Messelektrodenschicht 48A aufeinander derart ausgebildet, dass die Vergleichselektrodenschicht 4 4A makroskopisch vollständig gegenüber der Aussenatmosphäre durch die Abschirmungsschicht 42 und die feste Elektrolytschicht 46A abgeschirmt ist. Jede der drei Schichten 44A, 46A und 48A ist in Form einer dünnen filmartigen Schicht ausgebildet, wobei die Messelektrodenschicht 48A und die feste Elektrolytschicht 46A beide mikroskopisch porös und gasdurchlässig sind. Auf der gegenüberliegende Seite der Abschirmungsschicht 4 2 sind eine zweite Vergleichselektrodenschicht 44B, eine zweite sauerstoffleitende feste Elektrolytschicht 46B und eine zweite Messelektrodenschicht 48B aufeinander und etwa symmetrisch zu den entsprechenden Schichten 44A, 46A und 48B auf der anderen Seite ausgebildet. Makroskopisch ist die zweite Vergleichselektrodenschicht 44B vollständig gegenüber der Aussenatmosphäre abgeschirmt, während die zweite Messelektrodenschicht 48B und die zweite feste Elektrolytschicht 46B mikroskopisch porös und gasdurchlässig sind.

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Dieses Element 40 kann somit als eine Kombination von zwei Sauerstoffkonzentrationselementen angesehen wird, von denen das eine aus der ersten festen Elektrolytschicht 46A, der ersten Vergleichselektrodenschicht 44A und der ersten Messelektrodenschicht 48A sowie der Abschirmungsschicht 42 besteht, während das andere aus der zweiten festen Elektrolytschicht 46B, der zweiten Vergleichselektrodenschicht 44B, der zweiten Messelektrodenschicht 48B und der Abschirmungsschicht 42 besteht, die für beide Elemente gemeinsam verwandt wird.

Die erste Vergleichselektrodenschicht 44A und die zweite Vergleichselektrodenschicht 44B sind elektrisch miteinander verbunden, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, während die Konstantgleichspannungsquelle 50 an der ersten und der zweiten Messelektrodenschicht 48B und 48A des sauerstoffempfindlichen Elementes 40 über einen Widerstand R₁ liegt, um eine Konstantspannung Vc an das Element 40 zu legen und dadurch zwangsweise einen Strom I durch die erste und die zweite feste Elektrolytschicht 46B und 46A fHessen zu lassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Messelektrodenschicht 48B mit der positiven Klemme der Energiequelle 50 verbunden, so dass in dem zweiten Konzentrationselement der Strom I von der Messelektrode 48B zur Vergleichselektrode 44B und in dem ersten Element von der Vergleichselektrode 44A zur Messelektrode 48A fliesst. Wenn daher das sauerstoffempfindliche Element 40 in einem sauerstoffenthaltenden Gas,beispielsweise im Abgas, einer Brennkraftmaschine angeordnet wird, tritt eine Ionisation des Sauerstoffes an der Messelektrodenschicht 48A auf, wobei die gebildeten Sauerstoffionen durch die erste feste Elektrolytschicht 46A zur ersten Vergleichselektrodenschicht 44A wandern, wohingegen im zweiten Element auf der gegenüberliegenden Seite Sauerstoffionen durch die zweite feste Elektrolytschicht 46B von der Vergleichselektrodenschicht 44B aus zur Messelektrodenschicht 48B wandern. Wenn daher das Element 40 im Gas eines Benzinmotors angeordnet ist, zeigt das erste Element (im unteren Teil in Fig. 9) eine

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Ausgangscharakteristik, wie sie durch die Kurve V^ in Fig. 5 wiedergegeben ist, während das zweite Element (auf dem oberen Teil) eine Ausgangscharakteristik zeigt, wie sie durch die Kurve V- ^ⁿ Fig. 5 wiedergegeben wird. In Form einer Kombination von zwei derartigen Sauerstoffkonzentrationselementen, deren Vergleichselektrodenschichten 44A und 44B miteinander verbunden sind, liefert das Element 40 gemäss Fig. 9 eine Ausgangsspannung V , die zwischen der Vergleichselektrodenschicht 44A und der Messelektrodenschicht 48A des ersten Elementes entwickelt wird. Der Ursprung und Wert dieser Ausgangsspannung V wird im folgenden anhand von Fig. 10 beschrieben, in der das Element 40 gemäss Fig. 9 in Form eines äquivalenten Schaltbildes dargestellt ist.

In Fig. 10 ist das erste Sauerstoffkonzentrationselement des Elementes 40 als ein Element mit einem Innenwiderstand Rz₁. dargestellt, der hauptsächlich der ersten festen Elektrolytschicht 46A zuzuschreiben ist, wobei das erste Konzentrationselement eine elektromotorische Kraft E.... erzeugt. In ähnlicher Weise hat das zweite Element einen Innenwiderstand R,₂·, der hauptsächlich der zweiten festen Elektrolytschicht 46B zuzuschreiben ist, wobei das zweite Element eine elektromotorische Kraft E.„. erzeugt. Da beide Element in Reihe geschaltet sind, führt ein Anlegen einer Konstantspannung Vr; an das Element 4 0 dazu, dass ein Strom I in beiden Elementen mit derselben Stromstärke fliesst. Dieser Strom I wird ausgedrückt als:

_{I =} ^Vf - ^(E(1) ⁺

_{I = (1)}

^{S R}(D ^{+ R}(2)

(Der Widerstand R- wird vernachlässigt, da das Vorhandensein dieses Widerstandes R₁ bei der Betrachtung des Grundarbeitsprinzipes des Elementes 40 nicht wesentlich ist).

Wenn das Abgas ein Produkt einer Verbrennung entweder eines reichen Gemisches oder eines armen Gemisches ist, ergeben sich grob die folgenden Höhen der elektromotorischen Kräfte

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^E(1) ^un(^ ^E(2)' ^{die von den} Jeweiligen Elementen erzeugt werden, obwohl diese Werte durch die Temperatur des Elementes 40 beeinflusst werden.

Der Maschine geliefertes Gemisch	Reiches Gemisch	Armes Gemisch
2MK des ersten Elementes IJ,.,. SMK des zweiten Elementes E.„.	1,0 V 0,1 V	0,1 V 1,0 V
^E(D ^+E(2)	1,1 V	1,1 V

Die Summe von E... und E.„, ändert sich somit nicht, gleichgültig ob ein reiches Gemisch oder ein armes Gemisch der Maschine geliefert wird, so dass die Stärke des Stromes I gemäss Gleichung (1) solange konstant ist, solange das Element 40 auf einer konstanten Temperatur bleibt. Aufgrund dieser Tatsache hat das sauerstoffempfindliche Element den Vorteil, dass der Vergleichssauerstoffdruck an der jeweiligen Vergleichselektrodenschicht 44A, und 4433 kaum durch Änderungen in der Zusammensetzung des Abgases beeinflusst wird, die eine Folge von Änderungen im Kraftstoff-Luftmischverhältnis des der Maschine gelieferten Gemisches sind.

Die Innenwiderstände R,

und R,

des Elementes 40 ändern

(1) """ ~(2) sich mit der Temperatur des Elementes 40, es bleibt jedoch immer die Beziehung R,., = R₍₂\ ^{= R}/ \ bestehen, selbst wenn die Temperatur des Elementes 40 sich während des Betriebes ändert, da die beiden Konzentrationselemente in diesem Element 40 im wesentlichen identisch aufgebaut sind. Gleichung (1) lässt sich somit umschreiben in:

2R

(2)

Da der Innenwiderstand R- * jedes Konzentrationselementes

is)

im Element 40 eine Temperaturabhängigkeit zeigt, wie sie durch die Kurve in Fig. 6 dargestellt ist, ändert sich die Stärke des Stromes I , die durch die Gleichung (2) gegeben ist, wenn sich die Temperatur des Elementes 40 ändert. D.h. im einzelnen, dass der "Strom I₃ kleiner wird, wenn die Temperatur des Elementes relativ niedrig ist, so dass nur eine relativ geringe Gasmenge durch jede feste Elektrolytschicht 46A, 46B diffundiert, jedoch grosser wird, wenn die Temperatur des Elementes 40 ansteigt, so dass eine höhere Gasmenge durch jede feste Elektrolytschicht 46a, 46B diffundiert. Fig. 11 zeigt z.B. die Beziehung zwischen der Temperatur des Elementes 4 0 und der Stärke des Stromes I , der im Element 40 fliesst, bei einer Höhe der Konstantspannung V_f von 0,5 V.

Aus dem Schaltbild von Fig. 10 ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung V₃ des sauerstoffempfindlichen Elementes 40 ausgedrückt werden kann als:

■(1)

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (3) ergibt sich:

^Vs = ^E(1) -K<s) !f + ^(E(1) ^+E(P^

^2R(s) ;

V₁

2 τ» - ₍4)

Gleichung (4) zeigt, dass die Ausgangsspannung V unabhängig vom Widerstand R. . jedes Sauerstoffkonzentrationselementes ist. Die Ausgangsspannung V₃ des Elementes 40 gemäss Fig.

wird daher durch grosse Änderungen in der Höhe einer Spannung, die gegeben ist durch I χ R. . , mit Änderungen in der

s \s)

Temperatur des Elementes 40 nicht beeinflusst, wie es im Vorhergehenden anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben wurde. D.h., dass abgesehen von einer geringen Abhängigkeit der elektromotorischen Kräfte E ,... und E,-» von der Temperatur die Ausgangsspannung V kaum durch die Temperatur des Elementes 40 beeinflusst wird und sich nahezu ausschliesslich nach Massgabe der Änderungen in der Zusammensetzung des Abgases ändert, die aus Änderungen zwischen einem reichen und einem armen Gemisch resultieren, das der Maschine geliefert wird. Aufgrund dieser Tatsache dient die Ausgangsspannung V_s dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 40 als ideales Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses.

Die das Regelsignal erzeugende Schaltung 60 weist einen Komparator 62 und einen Schalttransistor 64 auf. Die erste und die zweite Vergleichselektrodenschicht 44A und 44B des Elementes 40, die miteinander verbunden sind, liegen an der positiven Eingangsklemme des Komparators 62, so dass die Ausgangsspannung V des Elementes 40 an der positiven Eingangsklemme des Komparators 62 liegt, während eine konstante Spannung V an der negativen Eingangskiemme des Komparators 62 als Vergleichsspannung liegt. Die Ausgangsklemme des Komparators 62 ist mit der Basis des Schalttransistors 64 über einen Widerstand R„ verbunden. Eine Quelle einer Konstantspannung V liegt am Kollektor des Transistors

Cm·

64 über einen Widerstand R₃, während der Emitter des Transistors 64 über einen Widerstand R^ an Masse liegt. Wenn der Transistor 64 leitet, bilden die Widerstände R₃ und R. einen Spannungsteiler. Mit dem Ausgang auf der Emitterseite dieses Spannungsteilers ist eine Ausgangsklemme 66 der Schaltung 60 verbunden .

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Wenn das sauerstoffempfindliche Element 40 elektrisch in der in Fig. 9 dargestellten Weise geschaltet und im Abgas einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wird die Ausgangsspannung V_ relativ hoch, wenn ein reiches Gemisch der Maschine geliefert wird_y und relativ niedrig im Falle eines armen Gemisches. Die Vergleichsspannung V ist auf einem Wert zwischen dem hohen und dem niedrigen Wert der Ausgangsspannung V festgelegt. Wenn ein reiches Gemisch der Maschine geliefert wird, wird die Ausgangsspannung V , die als Rückkopplungssignal genommen wird, höher als die Vergleichsspannung V , was bedeutet, dass der Komparator 62 ein grösseres Eingangssignal an seiner positiven Eingangsklemme als an seiner negativen Eingangsklemme empfängt. Der Komparator 6 2 liefert somit eine Ausgangsspannung der Basis des Schalttransistors 64, so dass der Transistor 64 leitend wird und die Spannungsquelle V ein Regelsignal S vorbestimmter Spannung an der Ausgangsklemme 66 der ein Signal erzeugenden Spannung 60 liefern lässt. Beispielsweise bei einer Spannungsquelle mit einer Spannung V von 12V, einem Widerstand R, von 11 KiI und einem Widerstand R- von 1 K Λ. , ergibt sich eine Amplitude des Regelsignales S von 1 V. Dieses Regelsignal S liegt an einer nicht dargestellten Regeleinrichtung für die Kraftstoffzufuhr, um die Kraftstoffzufuhr herabzusetzen, bis sich das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis ergibt. Wenn ein armes Gemisch der Maschine geliefert wird, wird die Ausgangsspannung V kleiner als die Vergleichsspannung V , was bedeutet, dass der Komparator 62 an seiner negativen Eingangsklemme ein grösseres Eingangssignal als an seiner positiven Eingangsklemme empfängt. Der Komparator 62 unterbricht daher die Bildung eines Ausgangssignales, so dass der Transistor 64 nichtleitend wird. Das Regelsignal S an der Ausgangsklemme 6 6 wird daher ein Signal mit Null Volt, das bewirkt, dass die Regeleinrichtung für die Kraftstoffzufuhr die Kraftstoffzufuhr erhöht, bis das stöchiometrische Kraftstoff-Luftverhältnis hergestellt ist.

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Fig. 12 zeigt ein Beispiel der Ausgangscharakteristik des sauerstoffempfindlichen Elementes 40 in Fig. 9 im Abgas einer Brennkraftmaschine. Die konstante Spannung V^, die am Element 40 liegt, beträgt 5,0V und der Strom I_g fliesst in der Richtung, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Die Höhe der Ausgangsspannung V_ beträgt etwa 3 V, wenn ein reiches Gemisch der Maschine geliefert wird, da die durch das erste Konzentrationselement in diesem Element 40 unter diesen Bedingungen erzeugte elektromotorische Kraft E, ^. etwa 1,0 V beträgt, während die durch das zweite Konzerttrationselement erzeugte elektromotorische Kraft E.₂. etwa 0,1 V beträgt. (Gemäss Gleichung (4) wird V^ in diesem Fall gleich 2,5 V + etwa 0,45 V.) Wenn ein armes Gemisch der Maschine geliefert wird, nimmt die Höhe der Ausgangsspannung V auf etwa 2 V ab, wie es sich aus Gleichung (4) und den oben genannten numerischen Werten für die hohen und niedrigen Werte von E,... und E,„. ergibt. Anhand von Fig. 12 ist ersichtlich, dass die hohen und niedrigen Werte der Ausgangsspannung V durch die Temperatur des Elementes 40, d.h. die Temperatur des Abgases nicht beeinflusst werden, ausser für den Fall, in dem die Abgastemperatur extrem niedrig ist. Bei einer ein Signal erzeugenden Einrichtung mit dem sauerstoffempfindlichen Element 40, das die in Fig. 12 dargestellte Ausgangscharakteristik zeigt, ist es zweckmässig, die Vergleichsspannung V auf einen Wert von etwa 2,5 V festzulegen.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das sauerstoffempfindliche Element 41 bei dieser ein Signal erzeugenden Vorrichtung ist im Prinzip dem Element 40 in Fig. 9 ähnlich, jedoch davon in der Anordnung der beiden Sauerstoffkonzentrationselemente verschieden. Die Kombination der ersten Vergleichselektrodenschicht 44A, der ersten festen Elektrolytschicht 46A und der ersten Messelektrodenschicht 48A ist so gebildet, dass sie einen begrenzten Teil des Oberflächenbereiches der Abschirmungsschicht 42 einnimmt. Im Abstand von dieser Kombination jedoch auf derselben Seite der Abschirmungsschicht 42 ist die Kombination aus der zweiten

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Vergleichselektrodenschicht 44B, der zweiten festen Elektrolytschicht 46B und der zweiten Messelektrodenschicht 48B in ähnlicher Weise wie die erste Kombination der drei Schichten 44A, 46A, 48A ausgebildet. Die Abschirmungsschicht 42 ist für beide Konzentrationselemente gemeinsam und dient auch als Substrat für das gesamte Element 41. Im übrigen ist die in Fig. 13 dargestellte Vorrichtung mit der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung identisch. Die erste und die zweite Vergleichselektrodenschicht 44A und 44B sind miteinander verbunden und die Konstantgleichspannungsquelle 50 liegt an den Messelektrodenschichten 48A und 48B. Die positive Eingangsklemme des Komparators 62 ist mit den Vergleichselektrodenschichten 44a, 44B verbunden, um die Ausgangsspannung V des Elementes 41 zu empfangen. Die Funktion der in Fig. 13 dargestellten ein Signal erzeugenden Vorrichtung mit dem Element 41, das sich im Verbrennungsgas befindet, ist daher mit der Funktion der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung identisch.

Fig. 14 zeigt eine Abwandlungsform des in Fig. 13 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes 41. Das in Fig. 14 dargestellte sauerstoffempfindliche Element 43 unterscheidet sich vcn dem Element 41 in Fig. 13 nur darin, dass dieses Element 43 eine einzige Vergleichselektrodenschicht 44 aufweist, die beiden Sauerstoffkonzentrationselementen gemeinsam ist und als eine Vereinigung der ersten und der zweiten Vergleichselektrodenschicht 44A und 44B in Fig. 13 angesehen werden kann. Diese einzige Vergleichselektrodenschicht 44 ist mit der positiven Eingangsklemme des Komparators 62 verbunden. Es versteht sich, dass die in Fig. 14 dargestellte Vorrichtung in gleicher Weise wie die in Fig. 13 dargestellte Vorrichtung arbeitet. In diesem Fall kann die Abschirmungsschicht 42 aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und ist es darüberhinaus möglich, die Abschirmungsschicht 42 und die Vergleichselektrodenschicht 44 zu einem einzigen Element zu integrieren.

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Fig. 15 zeigt ein sauerstoffempfindliches Element 45, das grundsätzlich dem Element 41 in Fig. 13 ähnlich ist. Die einzige Änderung besteht darin, dass das Element 45 eine einzige feste Elektrolytschicht 46C aufweist, die als eine Vereinigung der ersten und der zweiten festen Elektrolytschicht 46A und 46B in Fig. 13 angesehen werden werden. D.h.,dass ein Teil dieser festen Elektrolytschicht 46C, der zwischen der ersten Vergleichselektrodenschicht 44A und der ersten Messelektrodenschicht 48A verläuft, als ein wesentlicher Bestandteil des ersten Sauerstoffkonzentrationselementes verwandt wird, während der andere Teil, der zwischen der zweiten Vergleichselektrodenschicht 44B und der zweiten Messelektrodenschicht 48B verläuft., als Bestandteil des zweiten Konzentrationselementes dient. Es versteht sich, dass diese Abwandlung die Arbeitsweise des sauerstoffempfindlichen Elementes nicht beeinflusst.

Fig. 16 zeigt eine weitere Abwandlung des in Fig. 15 dargestellten Elementes 45. Anstelle von zwei Vergleichselektrodenschichten 44A und 44B in Fig. 15 weist das sauerstoff empfindliche Element 47 in Fig. 16 eine einzige Vergleichselektrodenschicht 44 auf, die für beide Sauerstoffkonzentrationselemente gemeinsam ist. Ähnlich wie bei dem Element 43 in Fig. 14 kann die Abschirmungsschicht 42 in Fig. 16 aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und erforderlichenfalls mit der einzigen Vergleichselektrodenschicht 44 in einem Stück ausgebildet sein.

Fig. 17 zeigt eine weitere Abwandlung des sauerstoffempfindlichen Elementes 41 in Fig. 13. Das Element 49 in Fig. 10 weist eine einzige feste Elektrolytschicht 46 auf, die in Form einer festen Platte ausgebildet ist, die stark genug ist, um als Grundbauelement oder Substrat des Elementes 49 zu dienen. Auf einer Seite dieser festen Elektrolytschicht 46 sind eine dünne erste Vergleichselektrodenschicht 44A und eine ähnliche zweite Vergleichselektrodenschicht 44B im Abstand voneinander ausgebildet. Auf derselben Seite

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der festen Elektrolytschicht 46 sind eine erste Abschirmungsschicht 42A so, dass sie die erste Vergleichselektrodenschicht 44A dicht überdeckt, und eine zweite Abschirmungsschicht 42B so ausgebildet, dass sie die zweite Vergleichselektrodenschicht 44B dicht überdeckt. Auf der gegenüberliegenden Seite der festen Elektrolytschicht 46 sind eine erste Messelektrodenschicht 48A so, dass sie einen begrenzten Bereich einnimmt und der ersten Vergleichselektrodenschicht 44A etwa gegenüberliegt, und auf derselben Seite eine zweite Messelektrodenschicht 48B so, dass sie im Abstand von der ersten Messelektrodenschicht 48A und der zweiten Vergleichs-. elektrodenschicht 44B etwa gegenüberliegt, ausgebildet. Die beiden Vergleichselektrodenschichten 44A, 44B sind miteinander und mit der positiven Eingangsklemme des !Comparators 62 verbunden, während die Konstantspannung V_f am Element in derselben Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen liegt. Dieses sauerstoffempfindliche Element unterscheidet sich in seiner Arbeitsweise somit nicht von dem Element 41 in Fig. 13.

Auch in diesem Fall ist die feste Elektrolytschicht 46 mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet. Die feste Slektrolytschicht 46 kann auch so ausgebildet sein, dass sie einen festen dichten und praktisch gasundurchlässigen Aufbau hat, vorausgesetzt, dass dann die erste und die zweite Abschirmungsschicht 42A und 42B mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet sind. Wenn die feste Elektrolytschicht 46 gasundurchlässig ist, die Abschirmungsschichten 42A, 42B aber gasdurchlässig sind, sind auch die Vergleichselektrodenschichten 44A, 44B gasdurchlässig ausgebildet.

Das in Fig. 18 dargestelle sauerstoffempfindliche Element stellt eine Abwandlung des in Fig. 17 dargestellten Elementes 49 dar und weist eine einzige Vergleichselektrodenschicht 44 auf, die von einer einzigen Abschirmungsschicht 42C überdeckt ist und sowohl der ersten als auch der zweiten Mess-

elektrodenschicht 48A und 48B gegenüberliegt. Diese Vergleichselektrodenschicht 44 ist mit der positiven Eingangsklemme des Komparators 62 verbunden, so dass sich das Element 51 in seiner Arbeitsweise nicht von dem Element 49 in Fig. 17 unterscheidet.

In Fig. 19 ist ein .weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die in Fig. 19 dargestellte Vorrichtung weist ein sauerstoffempfindliches Element 53 auf, das in seinem Aufbau mit dem Element 41 in Fig. 13 identisch ist. Bei diesem Element 53 sind die beiden Vergleichselektrodenschichten 44A und 44B jedoch nicht miteinander verbunden, sondern sind statt dessen die erste und die zweite Messelektrodenschicht 48A und 48B elektrisch miteinander und mit der negativen Eingangskiemme des Komparators 62 der ein Signal erzeugenden Schaltung 60 verbunden. Die Quelle 50 der Konstantgleichspannung V^ liegt an der ersten und der zweiten Messelektrodenschicht 48B und und 48A derart, dass ein Strom I durch die zweite feste Elektrolytschicht 46B von der zweiten Messelektrode 48B zur zweiten Vergleichselektrode 44B und anschliessend durch die erste feste Elektrolytschicht 46A von der Messelektrode 48A zur Vergleichselektrode 44A fliesst. Die Wanderungsrichtung der Sauerstoffionen in den jeweiligen festen Elektrolytschichten 46A und 46B ist daher der Wanderungsrichtung bei dem Element 41 in Fig. 13 entgegengesetzt.

Aufgrund der oben beschriebenen Abwandlungen in den elektrischen Verbindungen hat dieses Element 53 im Abgas einer Brennkraftmaschine eine Ausgangscharakteristik, wie sie in Fig. 20 dargestellt ist, wenn die Höhe der Konstantgleichspannung V_f 5, OV beträgt, im Gegensatz zu der Ausgangscharakteristik des Elementes 40 in Fig. 9 oder des Elementes 41 in Fig. 13, die in Fig. 12 dargestellt ist. D.h., dass die Ausgangsspannung V-; dieses Elementes 51 gemessen zwischen der Mess- und der Vergleichselektrodenschicht 48A und 44A des ersten Elementes 3 V/ wenn ein armes Gemisch der Maschine

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geliefert wird und etwa 2 V im Falle eines reichen Geraisches beträgt♦ In diesem Falle wird die Vergleichsspannung V daher auf 2,5 V festgelegt und an'"die positive Eingangsklemme des Komparators 62 gelegt. Bei der in Fig. 19 dargestellten Vorrichtung erzeugt der Komparator 62 eine Ausgangsspannung, wenn die Ausgangsspannung V des sauerstoffempfindlichen Elementes 53 unter der Vergleichsspannung V liegt, d.h. wenn das Element 53 einem Abgas ausgesetzt ist, das von einem reichen Gemisch stammt. Die in Fig. 19 fehlende Einrichtung zum Erzeugen eines Signales der Schaltung 60 und die anhand der Fig. 9 und 10 beschriebene Einrichtung zum Regeln der Kraftstoffzufuhr müssen daher im Falle der Vorrichtung gernäss Fig. 19 nicht geändert werden. Erforderlichenfalls ist es jedoch möglich, die Ausgangsspannung V_ des Elementes 53 in Fig. 19 an die positive Klemme des Komparators 62 und die Vergleichsspannung V an die negative Eingangsklemme zu legen, indem die Beziehung zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel des Regelsignales S_, das von der Schaltung 6 0 erzeugt wird und die Arbeitsweise der die Kraftstoffzufuhr regulierenden Einrichtung geändert werden.

Das in Fig. 21 dargestellte sauerstoffempfindliche Element 55 ist im allgemeinen dem Element 53 in Fig. 19 ähnlich. Die einzige Änderung besteht darin, dass die erste und die zweite Messelektrodenschicht 48A und 48B in Fig. 19 zu einer einzigen Messelektrodenschicht 48 in Fig. 21 vereinigt sind, die an der negativen Eingangsklemme des Komparators 62 liegt. Es besteht in der Arbeitsweise daher kein unterschied zwischen den beiden Elementen 53 und 55.

Das in Fig. 21 dargestellte Element 5 5 kann weiter zu dem in Fig. 22 dargestellten sauerstoffempfindlichen Element abgewandelt werden, indem die erste und die zweite feste Elektrolytschicht 46A und 46B durch eine einzige feste Elektrolytschicht 46 ersetzt werden, die von beiden Sauerstoffkonzentrationselementen geteilt wird und von einer

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einzigen Messelektrodenschicht 48 überlagert wird. Im übrigen sind die beiden Elemente 55 und 56 identisch.

Fig. 23 zeigt ein sauerstoffempfindliches Element 57 mit einer einzigen festen Elektrolytschicht 46, die so ausgebildet ist, dass sie als Substrat dieses Elementes 57 dient, · und die darauf die erste und die zweite Vergleichselektrodenschicht 44A, 44B, die erste und die zweite Abschirmungsschicht 42A, 42B und die erste und die zweite Messelektrodenschicht 48A, 48B trägt, die alle ähnlich den entsprechenden Schichten bei dem Element 49 in Fig. 17 ausgebildet und angeordnet sind. Bezüglich der elektrischen Verbindungen ist das Element 57 in Fig. 23 jedoch ähnlich den Elementen 53, 55, 56 in den Fig. 19, 21 und 22.

Das Element 57 in Fig. 23 kann zu einem sauerstoffempfindlichen Element 59 abgewandelt werden, das in Fig. 24 dargestellt ist, indem die erste und die zweite Messelektrodenschicht 48A und 48B zu einer einzigen Messelektrodenschicht 48 vereinigt werden und wahlweise auch die erste und die zweite Abschirmungsschicht 42A und 42B zu einer einzigen Abschirmungsschicht 42C vereinigt werden. In der Arbeitsweise besteht kein Unterschied zwischen diesen beiden Elementen 57 und 59.

Wenn die erste und die zweite Vergleichselektrodenschicht 44A und 44B miteinander verbunden werden sollen oder diese beide Elektrodenschichten 44A und 44B zu einer einzigen Vergleichselektrodenschicht 48 vereinigt werden sollen, kann das sauerstoffempfindliche Element gemäss der Erfindung so auscrelegt werden, dass die feste Elektrolytschicht jedes Konzentrationselementes der Vorrichtung auch als Abschirmungsschicht für die Vergleichselektrodenschicht des anderen Elementes dient. Die Fig. 25 und 26 zeigen ein sauerstoffempfindliches Element 70 als ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Ausbildung. Das Grundbauelement dieses Elementes 70 ist eine Stange oder ein Stab 74 aus einem elektrisch leitenden Material, der vollständig mit einer Schicht 76 eines

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sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten im wesentlichen über die gesamte Länge überzogen ist. Die feste Elektrolytschicht 76 ist so ausgebildet, dass sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat. Auf der Aussenfläche der festen Elektrolytschicht 76 sind eine erste und eine zweite gasdurchlässige poröse Messelektrodenschicht 78A und 78B im Abstand voneinander ausgebildet. Der Stab 74 dient auch als einzige Vergleichselektrode dieses Elementes 70,so dass ein Sauerstoffkonzentrationselement aus der Vergleichselektrode 74, der ersten Messelektrodenschicht 78A und einem Teil der festen Elektrolytschicht 76 gebildet ist, der zwischen diesen zwei Elektroden 74 und 78A verläuft, während ein anderes Sauerstoffkonzentrationselement von der Vergleichselektrode 74, der zweiten Messelektrode 78B und einem anderen Teil der festen Elektrolyschicht 76 gebildet ist, der zwischen diesen beiden Elektroden 74 und 78B verläuft.

Die stabförmige einzige Vergleichselektrode 74 ist mit der positiven Eingangsklemme des Komparators 62 der das Signal erzeugenden Schaltung 60 verbunden, während die Messelektrodenschichten 78A und 78B mit der Quelle der Konstantgleichspannung V.C derart verbunden sind, dass ein Gleichstrom I im Element 70 von der zweiten Messelektrodenschicht 78B zur Vergleichselektrode 74 durch die feste Elektrolytschicht 76 und anschliessend zur ersten Messelektrodenschicht 78A durch die feste Elektrolytschicht 76 fliesst. In einem Bereich zwischen der ersten Messelektrodenschicht 78A und der Vergleichselektrode 74 wandern Sauerstoffionen somit durch die feste Elektrolytschicht 76 nach innen, während in einem Bereich zwischen der Vergleichselektrode 74 und der zweiten Messelektrodenschicht 78B Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht 76 nach aussen wandern. Dieses sauerstoffempfindliche Element 70 arbeitet daher ähnlich wie beispielsweise das Element 47 in Fig. 16. Ein Hauptvorteil des sauerstoffempfindlichen Elementes 70 in Fig. 25 und 26 ist die Möglichkeit der leichten Herstellung eines Elementes mit sehr geringer Grosse unter Verwendung

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eines dünnen Drahtes oder eines dünnen Metallbleches als Vergleichselektrode 74. In der Praxis ist es bevorzugt, einen Platindraht als Vergleichselektrode 74 zu verwenden.

Bei allen sauerstoffempfindlichen Elementen, die in den Fig. 9, 13 bis 19 und 21 bis 26 dargestellt sind, kann wahlweise ein poröser Schutzüberzug vorgesehen sein, der die erste und die zweite Messelektrodenschicht 48A, 48B, 78A, 78B oder die vereinigte Messelektrodenschicht 48 gegebenenfalls zusammen mit den Aussenflachen der festen Elektrolytschicht oder der festen Elektrolytschichten oder sogar die gesamte Aussenflache des Elementes überdeckt.

Das Material für jede feste Elektrolytschicht 46, 46A, 46B, 46C, 76 kann aus sauerstoffionenleitenden festen Elektrolytmaterialien gewählt sein, die für herkömmliche Sauerstoffsensoren vom Typ eines Konzentrationselementes verwandt werden. Einige Beispiele sind mit CaO, Y-O-ir SrO, MgO, ThO₂, WO₃ oder Ta₃O₅.stabilisiertes ZrO», mit Nb₃O₅,SrO, WO₃, Ta₃O₅ oder Y₃O₃ stabilisiertes Bi₃O₃ und mit ThO₃ oder CaO stabilisiertes Y„0,. Im Falle der Verwendung einer festen Elektrolytschicht 46 als Substrat des sauerstoffeiripfendlichen Elementes, wie es in den Fig. 17, 18, 23 und 24 dargestellt ist, kann die Schicht 46 beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein pressgeformtes Pulvermaterial gesintert oder eine sog. Rohplatte gesintert wird, die dadurch erhalten wird, dass ein wasserhaltiges Gemisch geformt oder extrudiert wird, das als Hauptbestandteil ein pulverförmiges festen Elektrolytmaterial enthält. Wenn die Abschirmungsschicht 42 oder die Elektrode 74 in Fig. 25 als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes dient, kann jede feste Elektrolytschicht 46A, 46B, 46C, 76 als dünne filmartige Schicht durch ein physikalisches Auftragsverfahren, beispielsweise durch Aufdampfen oder Ionenplattieren oder über ein elektrochemisches Verfahren im typischen Fall durch Plattieren oder mit einem Verfahren ausgebildet werden, bei dem eine ein pulverförmiges festes Elektrolytmaterial enthaltende Paste auf das Substrat gedruckt und anschliessend das Substrat

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mit der aufgebrachten Paste gebrannt wird.

Jede Abschirmungsschicht 42, 42A, 42B, 42C besteht gewöhnlich aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde, Mullit, Spinell oder Forsterit, wenn jedoch das sauerstoffempfindliche Element eine vereinigte Vergleichselektrodenschicht 44 aufweist, kann wahlweise ein leitendes Material, wie beispielsweise ein metallisches Element im typischen Falle Platin, eine Legierung, wie beispielsweise nicht rostender Stahl oder eine leitende Metallkeramik verwandt werden. Wenn die Abschirmungsschicht 42 als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes dienen soll, wird sie dadurch hergestellt, dass beispielsweise entweder eine Rohplatte oder eine pressgeformtes Pulvermaterial gesintert oder der Körper eines gewählten Materials maschinell bearbeitet wird. Wenn die feste Elektrolytschicht 46 als Substrat verwandt wird, kann jede Abschirmungsschicht 42A, 42B, 42C als relativ dünne filmartige Schicht,beispielsweise über ein physikalisches Niederschlagsverfahren,durch Plasmasprühen oder dadurch ausgebildet werden, dass eine ein pulverförmiges keramisches Material enthaltende Paste auf das Substrat gedruckt und anschliessend die aufgedruckte Pastenschicht gesintert wird.

Jede Vergleichs- und Messelektrodenschicht 44A, 44B, 44, 48A, 48B, 48 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, das aus Elektrodenmaterialien für herkömmliche feste Elektrolytsauerstoff sensoren gewählt ist. Beispiele sind Metalle der Platingruppe, die eine katalytische Wirkung auf Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid usw. zeigen, wie beispielsweise Pt, Pd, Ru, Rh, Os und Ir, einschliesslich der Legierungen dieser Metalle der Platingruppe und Legierungen eines Metalls der Platingruppe mit einem Grundmetall sowie einige andere Metalle und Oxidhalbleiter, wie beispielsweise Au, Ag, SiC, TiO₂, CoO und LaCrO₃, die

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die oben erwähnten Oxidationsreaktionen nicht katalysieren. Jede Elektrodenschicht ist auf einer Abschirmungsschicht oder auf einer festen Elektrolytschicht als relativ dünne filmartige Schicht, beispielsweise durch ein physikalisches Niederschlagsverfahren/ wie beispielsweise durch Aufdampfen oder Ionenplattieren oder durch ein elektrochemisches Verfahren im typischen Fall durch Plattieren oder dadurch ausgebildet, dass eine ein pulverförmiges Elektrodenmaterial enthaltende Paste aufgedruckt und die Abschirmungsschicht und/oder die feste Elektrolytschicht mit der aufgebrachten Paste gebrannt wird.

Als oben erwähnten poröser Schutzüberzug kann ein wärmebeständiges und elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Tonerde, Spinell, Mullit oder Calciumzirkonat (CaO-ZrO^) verwandt werden. Der poröse Schutzüberzug kann durch Plasmasprühen oder dadurch gebildet werden, dass das sauerstoffempfindliche Element in einen Brei eines gewählten Pulvermaterials eingetaucht, der am Element haftende Brei getrocknet und anschliessend das so behandelte Element gebrannt wird.

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Leerseite

Claims

NISSMi MOTOR CO., LTD. No. 2, Takara-ctio, Kanagawa-ku Yokohama City Japan Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses eines einer Verbrennungseinrichtung gelieferten Kraftstoff-Luftgemisches PATENTANSPRÜCHE

1.) Vorrichtung zum Erzeugen eines Regelsignales für die Rückkopplungsregelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses eines einer Verbrennungseinrichtung gelieferten Kraftstoff-Luftgemisches , gekennzeichnet durch ein sauerstoffempfindliches Element (40, 41 j usw.), das im Verbrennungsgas anzuordnen ist, das von der Verbrennungseinrichtung abgegeben wird_y und das zwei Sauerstoffkonzentrations-

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elemente aufweist, von denen jedes von einer Schicht (46, 46A, 46B, 46C, 76) aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten, aus einer Messelektrodenschicht (48A, 48B, 48, 78a, 78B), die auf einer Seite der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, aus einer Vergleichselektrodenschicht (44A, 44B, 44, 74), die auf der anderen Seite der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, und aus einer Abschirmungsschicht (42, 42A, 42B, 42C, 76) gebildet ist, die auf der Vergleichselektrodenseite der festen Elektrolytschicht so vorgesehen ist, dass sie die Vergleichselektrodenschicht dicht überdeckt, wobei wenigstens die feste Elektrolytschicht oder die Abschirmungsschicht jedes Konzentrationselementes einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat und die Messelektrodenschicht oder die Vergleichselektrodenschicht eines Konzentrationselementes elektrisch mit der entsprechenden Schicht des anderen Konzentrationselementes verbunden ist, durch eine Konstantgleichspannungsquelle (50), die mit den nicht verbundenen Elektroden-Schichten der jeweiligen Konzentrationselemente des sauerstoff empfindlichen Elementes verbunden ist, um zwangsweise einen Gleichstrom (I ) durch die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente von der Messelektrodenschicht zur Vergleichselektrodenschicht in einem Element und von der Vergleichselektrodenschicht zur Messelektrodenschicht im anderen Element fliessen zu lassen, und eine ein Signal erzeugende Schaltung (60), die eine Vergleichseinrichtung (62), die einen Vergleich zwischen einer bestimmten Vergleichsspannung (V ) und einer Ausgangsspannung (V_s) des sauerstoffempfindlichen Elementes durchführt, die zwischen der Messelektrodenschicht und der Vergleichselektrodenschicht eines bestimmten Elementes der beiden Konzentrationselemente entwickelt wird, um zu prüfen, ob die Vergleichsspannung oder die Ausgangsspannung höher als die jeweils andere Spannung ist, und eine ein Signal erzeugende Einrichtung (64, R₃, R,) aufweist, die ein Regelsignal erzeugt, das sich entsprechend der durch die Vergleichseinrichtung überprüften Beziehung

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zwischen der Vergleichsspannung und der Ausgangsspannung ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Abschirmungsschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Abschirmungsschicht

(42) vereinigt sind, die so geformt ist und derartige Abmessungen hat, dass sie als Grundbauelement des sauerstoffempfindlichen Elementes dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente auf zwei gegenüberliegenden Seiten der einzigen Abschirmungsschicht jeweils liegen, so dass beide Elemente etwa symmetrisch zur Mittelebene in der einzigen Abschirmungsschicht angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente auf derselben Seite der einzigen Abschirmungsschicht liegen, so dass die beiden Elemente etwa symmetrisch bezüglich einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur einzigen Abschirmungsschicht verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Vergleichselektrodenschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Vergleichselektrodenschicht (44) vereinigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrodenschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Messelektrodenschicht (48) vereinigt sind.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen festen Elektrolytschicht (46C) vereinigt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen festen Elektrolytschicht (46) vereinigt sind, die so geformt ist und derartige Abmessungen hat, dass sie als Grundbauelement des Sauerstoffempfindlichen Elementes dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichselektrodenschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Vergleichselektrodenschicht (44) vereinigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrodenschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Messelektrodenschicht (48) vereinigt sind.

1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungsschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Abschirmungsschicht (42C) vereinigt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Hass die feste Elektrolytschicht (76) jedes Konzentrationselementes so ausgebildet ist, dass sie auch als Abschirmungsschicht für die Vergleichselektrodenschicht des anderen Elementes dient.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichselektrodenschichten der beiden Konzentrationselemente zu einer einzigen Vergleichs-

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elektrode (74) vereinigt sind, die so geformt ist und derartige Abmessungen hat, dass sie als Grundbauelement des sauerstoffempfindlichen Elementes dient.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die festen Elektrolytschichten der beiden Konzentrationselemente zu einar einzigen festen Elektrolytschicht (76) vereinigt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die das Signal erzeugende Einrichtung der Schaltung (60) einen Schalttransistor (64) aufweist, dessen Basis elektrisch mit der Vergleichseinrichtung (62) verbunden ist, so dass eine Ausgangsspannung von der Vergleichseinrichtung der Basis des Transistors geliefert wird, wenn eine bestimmte Spannung aus der Vergleichsspannung (V ) und der Ausgangsspannung (V ) des sauerstoffempfindlichen Elementes grosser als die jeweils andere Spannung ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die das Signal erzeugende Einrichtung einen Spannungsteiler (R,, R.) aufweist, an dem eine Quellenspannung (V_) liegt, wenn der Schalttransistor

(64) leitet, wobei das Regelsignal (S_c) auf einer Spannung an der Ausgangsklemme des Spannungsteilers basiert.

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