DE3028274C2

DE3028274C2 - Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3028274C2
Application number: DE3028274A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Yokosuka Ishitani; Shinji Yokohama Kimura; Hiroshi Kamakura Takao; Masaaki Yokohama 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: 1986-09-04
Also published as: US4306957A; DE3028274A1; GB2057140A; JPS5621053A; JPS6029066B2; FR2462707A1; GB2057140B; FR2462707B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Bei einer solchen, mit der DE-OS 30 20 132 angegebenen Einrichtung sind die Meßelektrodenschichten bzw. Bezugselektrodenschichten beider Sauerstoffkonzentrationszellen zusammengefaßt und damit auch elektrisch miteinander verbunden. Von einer Konstantgleichspannungsquelle wird ein Gleichstrom durch die festen Elektrolytschichten der beiden Sauerstoffkonzentrationszellen von der Meßelektrodenschicht zur Bezugselektrodenschicht in einer Zelle und von der Bezugselektrodenschicht zur Meßelektrodenschicht in der anderen Zelle hindurchgeschickt so daß die beiden Sauerstoffkonzentrationszellen bezüglich dieses Gleichstroms elektrisch umgekehrt in Reihe geschaltet sind. Ein Spannungsmesser oder ein entsprechendes Instrument liegt jeweils

so zwischen Meßelektroden- und Bezugselektrodenschicht beider Sauerstoffkonzentrationszellen, das die elektromotorische Kraft der jeweiligen Sauerstoffkonzentrationszelle mißt. Diese Einrichtung hat daher eine Ausgangssignalkennlinie, die beim stöchiometrischen Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches einen steilen Sprung von der negativen zur positiven Polarität hat und beiderseits des stöchiometrischen Verhältnisses mit einer relativ starken Neigung abfällt. Es ist daher eine genaue Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem weiten Bereich von der mageren Seite über das stöchiometrische Verhältnis hinweg zu der fetten Seite möglich. Diese Einrichtung kann daher bei Brennkraftmaschinen benutzt werden, die im mageren Bereich, im fetten Bereich oder sogar in beiden Bereichen arbeiten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß das Steuersignal, das einer Abweichung des tatsächlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem gewünschten Wert entspricht, mit guter Stabilität und unbeeinflußt durch die Temperatur des sauerstoffernpfindlichen Elementes selbst dann erzeugt werden kann, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist.

Bei einer Einrichtung der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim gewählten Aufbau und der elektrischen Schaltung des sauerstoffempfindlichen Elementes die Summe der elektromotorischen Kräfte beider Sauerstoffkonzentrationszellen unabhängig von der jeweiligen Temperatur im wesentlichen gleich ist. Dabei wird als Ausgangsspannung die zwischen der Bezugs- und der Meßelektrodenschicht nur einer der beiden Sauerstoffkonzentrationszellen auftretende Spannung erfaßt. Da andererseits aber der durch beide, elektrisch

umgekehrt in Reihe geschalteten Sauerstoffkonzentrationszellen fließende Gleichstrom in seiner Größe durch die elektromotorische Kraft der jeweils anderen Sauerstoffkonzentnitionszelle bestimmt wird, geht auch diese elektromotorische Kraft in die Spannungserfassung an der einen Sauerstoffkonzentrationszelle mit ein. Dadurch wird die angestrebte Kompensation der Temperatureinflüsse bewirkt, obwohl nur an einer der Sauerstoffkonzentrationszellen die Ausgangsspannung erfaßt werden muß.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele von sauerstoffempfindlichen Elementen sowie der erfindungsgemäßen Einrichtung werden anhand der Zeichnung erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 schtniatisch einen Schnitt durch ein herkömmliches sauerstoffempFindliches Element,

F i g. 2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration im Abgas und der Ausgangs- ι ο spannung des in Fig. 1 dargestellten Elementes im Abgas vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches,

F i g. 3 und 4 schematisch Schnitte des Grundaufbaues eines kürzlich entwickelten sauerstoffempfindlichen Elementes zur Darstellung des Funktionsprinzips des Elementes,

F i g. 5 die Ausgangskennlinie des in F i g. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes,

F i g. 6 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Festelektrolytschicht des in F i g. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes von der Temperatur,

F ί g. 7 und 8 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des in den F i g. 3 und 4 dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes von der Temperatur des Elementes,

F i g. 9 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des bei der erfindungsg:. >;äßen Einrichtung benutzten Elementes mit einer Signaierzeugungsschaitung,

F i g. 10 das elektrische Ersatzschaltbild der in F i g. 9 gezeigten Einrichtung,

F i g. 11 die Abhängigkeit des im sauerstoffempFindlichen Element bei der in F i g. 9 gezeigten Einrichtung fließenden Stromes von der Temperatur des Elementes,

F i g. 12 die Abhängigkeit der Ausgangskennlinie des sauerstoffciipfindlichen Elementes der in F i g. 9 gezeigten Einrichtung von der Temperatur des Elementes,

F i g. 13 bis 19 jeweils in einer F i g. 9 ähnlichen Ansicht sieben verschieden ausgebildete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 20 in einer F i g. 12 ähnlichen Darstellung die Ausgangskennlinie der in F i g. 19 gezeigten Einrichtung.

Fig.21 bis 25 fünf weitere verschieden ausgebildete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung und

F i g. 26 einen Schnitt längs der Linie 26-26 in F i g. 25.

F: g. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen sauerstoffempfindlichen Elements mit einer Schicht 10 aus einem für Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten, beispielsweise aus mit CaO oder Y₂O₃ stabilisierendem ZrO₂ in Form eines an einem Ende geschlossenen Rohres. Auf der Außenseite des festen Elektrolytrohres 10 befindet sich eine dünne und mikroskopisch poröse Meßelektrodenschicht 12, die dem Abgas £ausgesetzt wird, wenn das Element an einem Abgasrohr 16 eines Kraftfahrzeugmotors angebracht ist. An der Innenseite des festen Elektrolytrohres 10 ist eine dünne und mikroskopisch poröse Bezugselektrodenschicht 14 ausgebildet, cüe gegenüber dem Abgas isoliert und der Außenluft A ausgesetzt ist, die als Quelle für einen Bezugssauerstoffpartialdruck verwandt wird. Als Material für die Elektrodenschichten 12 und 14 dient gewöhnlich Platin.

Die Sauerstoffkonzentration im Abgas E hängt vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches ab und nimmt in der durch die Kurve O₂ in F i g. 2 dargestellten Weise allmählich mit steigendem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu. Die elektromotorische Kraft, die über der festen Elektrolytschicht 10 als Ausgangsspannung V des Elementes gemäß F i g. 1 im Abgas erzeugt wird, ist jedoch nicht proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas. Wenn ein kraftstoffreiches Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird die örtliche Sauerstoffkonzentration an der Oberfiäche der Meßeiektrodenschieht 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 Sauersir>ffpartialdruck zwischen der Außen- und der Innenseite der festen Elektrolytschicht 10 auftritt. Die Ausgangsspannung V des Elementes bleibt daher auf einem maximalen hohen Pegel praktisch konstant, solange das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Wert, beispielsweise von etwa 14,7 bei Luft-Benzin-Gemischen liegt, wie es durch die Kurve V in Fig.2 dargestellt ist. Wenn ein armes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird der Unteisciiied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Luft A und dem Abgas £sehr klein, so daß die Ausgangsspannung Vdes Elementes praktisch auf dem kleinster, niedrigen Pegel konstant bleibt. Die Ausgangsspannung dieses Elementes im Abgas £ zeigt daher eine starke und plötzliche Änderung, wie es in Fig.2 dargestellt ist, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert ändert. Das heißt mit anderen Worten, daß dieses Element im Abgas feine EI N-AUS-Ausgangskennlinie bezüglich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zeigt. Die Aui^angsspannung V dieses Elementes wird durch die Temperatur des Elementes beeinflußt, und die in F i g. 2 dargestellte charakteristische Kurve V gibt die Versuchsergebnisse wieder, die bei einer konstanten Temperatur von 600° C erhalten werden.

Bei einem herkömmlichen Regelsystem für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das ein sauerstoffenipfindliches Element des in F i g. 1 dargestellten Typs verwendet, um das stöchiometrische Verhältnis beizubehalten, wird die Ausgangsspannung des Elementes als Rückkopplungssignal verwendet und mit einer festen Vergleichsspannung, die dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, beispielsweise mit 500 m v' im Fall einer Ausgangskennünie gemäß F i g. 2 verglichen. Wenn die Ausgangsspannung über der Vergleichsspannung liegt, so wird ein kraftstoffreiches Gemiirh der Brennkraftmaschine geliefert, und es wird ein Regelsignal zum Verringern der Kraftstoffzufuhr erzeugt. Wenn die Ausgangsspannung des Elementes unter der Vergleichsspannung liegt, so wird ein armes Gemisch, das einen Luftüberschuß enthält, der Brennkraftmaschine zugeführt, und es wird ein

Regelsignal zur Erhöhung der Kraftstoffzufuhr erzeugt.

F i g. 3 zeigt den Grundaufbau eines verbesserten sauerstoffempfindlichen Elementes 20 und eine Detektoreinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, 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 Substrat des Elementes 20 dienen kann. Eine Bezugselektrodenschicht 24, eine für Sauerstoffionen leitende feste Elektrolytschicht 26 und eine Meßelektrodenschicht 28 sind auf der Abschirmungsschicht 22 übereinander derart ausgebildet, daß die Bezugselektrodenschicht 24 in Sandwichbauweise zwischen der Abschirmungsschicht 22 und der festen Elektrolytschicht 26 liegt und makroskopisch vollständig gegenüber der Außenatmosphäre abgeschirmt ist. Die Meßelektrodenschicht 28

ie auf der Außenseite der festen Elektrolytschicht 26 ist so ausgebildet, daß sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat. 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 eine Sauerstoffkonzentrationszelle bilden, das eine elektromotorische Kraft liefert, wenn ein Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meß elektrodenseite der festen Elektrolytschicht 26 auftritt. In dieses Element 20 soll kein bestimmtes Vergleichsgas zur Oberfläche der Bezugselektrodenschicht 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 Elektrodenschichtcn 24 und 28 in einer gewählten Richtung tlieben zu lassen.

Wie es in F i g. 3 dargestellt ist, liegt die Gleichstromversorgung 30 derart an der Bezugselektrodenschicht und der Meßelektrodenschicht 24 und 28, daß ein Strom A durch die feste Elektrolytschicht 26 von der Bezugselektrodenschicht 24 zur Meßelektrodenschicht 28 fließt. Wenn dieses Element 20 daher in einem Sauerstoff enthaltenden Gas angeordnet ist, tritt eine Ionisation der Sauerstoffinoleküle an der Meßelektrodenschicht 28 auf. wobei die dadurch gebildeten Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht 26 zur Bezugselektrodenschicht 24 wandern. Die an der Bezugselektrodenschicht 24 ankommenden Sauerstoffionen werden in Sauerstoffmoleküle umgewandelt, so daß sich Sauerstoff an der Bezugselektrodenseite 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 naevi außen. Es wird daher ein nahezu konstanter Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht 24 und der festen Elektrolytschicht 26 nach kurzer Zeit eingestellt. Die Sauerstoffkonzentrationszelle in dem Element 20 erzeugt dann eine elektromotorische Kraft, die den Sauerstoffpartialdruck an der Meßelektrodenschicht 28, bezogen auf den nahezu konstanten Sauerstoffpartialdruck an der Bezugselektrodenschicht 24 angibt. Die zu dieser elektromotorischen Kraft gehörende Ausgangsspannung Vi kann zwischen der Bezugselektrodenschicht 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 Fi g. 3 dargestellten Weise versorgt wird, hat die Ausgangsspannung Vi entweder einen sehr hohen oder sehr niedrigen Wert, je nachdem, üb die BfcnnkfäfirnäSCnific mit einem rciCncü öucT einem armen Gemisch versorgt wird. Wenn ein reiches Gemisch zugeführt wird, hat die Zuführung von Sauerstoff zur Bezugselektrodenschicht 24 durch die Wanderung von Sauerstoffionen zu dieser Schicht eine beträchtliche Wirkung, verglichen mit der geringen Diffusion von gasförmigem Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist, nach innen durch die poröse feste Elektrolytschicht 24. Die Höhe des konstanten Bezugssauerstoffpanialdruckes an der Bezugselektrodenseite hängt von verschiedenen Einflußfaktoren, wie beispielsweise von der Abgastemperatur, der Stärke des Gleichstromes h sowie der Stärke und des Aufbaues der festen Elektrolytschicht 24 ab. Es bildet sich beispielsweise ein Bezugssauerstoffpartialdruck von 10° bis 10²atm, wenn die Abgastemperatur bei 600°C liegt und die Stromstärke 3 μΑ beträgt, wohingegen der Sauerstoffpartialdruck im Abgas 10~² bis 10~³ atm beträgt Wenn ein reiches Gemisch zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V\ auf einem sehr hohen Wert wie es durch die Kurve Vi in Form der ausgezogenen Linie in F i g. 5 dargestellt ist. Wenn jedoch ein armes Gemisch zugeführt wird, wird der Wanderungseffekt der Sauerstoffionen zur Bezugselektrode 24 relativ gering, verglichen mit der Diffusion einer größeren Menge an gasförmigem Sauerstoff durch

so die feste Elektrolytschicht 26. Das hat zur Folge, daß der Unterschied zwischen dem Bezugssauerstoffpar^aldruck an der Bezugselektrodenseite und dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas sehr klein wird, so daß die Ausgangsspannung V_x auf einem sehr niedrigen Wert bleibt wie es in F i g. 5 dargestellt ist Es tritt somit eine große und scharfe Änderung im Wert der Ausgangsspannung Vj auf, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sich über den stöchiometrischen Wert ändert Die in F i g. 3 dargestellte Einrichtung kann daher dieselbe Funktion wie ein herkömmliches sauerstoffempfindliches Element gemäß F i g. 1 in einem Abgas erfüllen.

F i g. 4 zeigt den Fall, in dem die Gleichstromversorgung 30 so mit der Bezugselektrodenschicht 24 und der Meßelektrodenschicht 28 des sauerstoff empfindlichen Elementes 20 verbunden ist daß ein Gleichstrom /₂ durch die feste Elektrolytschicht 26 von der Meßelektrodenschicht 28 zur Bezugselektrodenschicht 24 fließt In diesem Fall werden die zur Bezugselektrodenschicht 24 diffundierten Sauerstoffmoleküle an dieser Elektrodenschicht 24 ionisiert und die so gebildeten Sauerstoffionen wandern durch die feste Elektrolytschicht 26 nach außen. An der Meßelektrodenschicht 28 werden die Sauerstoffionen in gasförmigen Sauerstoff umgewandelt der an die äußere Atmosphäre abgegeben wird. Es besteht daher eine Neigung zur Abnahme des Sauerstoffpartialdruckes auf der Bezugselektrodenseite der festen Elektrolytschicht 26. Im Ausgleich durch die Eindiffusion von Saueres stoffmoieküien durch die feste Elektroiytschicht bildet sich baid ein nahezu konstanter und relativ niedriger Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht 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 Bezugssauerstoffpartialdruckes, beispielsweise 1O^-20 bis IQ-²² atm, wenn die Abgas-

temperatur 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 der unterbrochenen Linie in F i g. 5 dargestellt ist. Wenn der Brennkraftmaschine ein reiches Gemisch geliefert wird, bleibt die Ausga.igsspannung V₂ auf einem sehr niedrigen Wert, wie es in F i g. 5 dargestellt ist, da die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrodenschicht 24 aufgrund einer großen Abnahme in der Menge des gasförmi- ·> gen 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 Luft-Kraftsioff-VeoVitnis des Gemisches sich über den stöchiometrischen Wert ändert.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 ist es wünschenswert, daß die Gleichstromversorgung 30 eine Konstantstromversorgung ist, so daß der Strom /, oder /2, der zwangsweise durch die feste Elek-.rolytschicht 26 zwischen den Elektrodenschichten 24 und 28 fließt, ein konstanter Strom ist.

Bei beiden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Einrichtungen sind die Gleichstromversorgung und ein nicht dargestelltes Spannungsmeßinstrument zwischen die Bezugselektrodenschicht 24 und die Meßelektrodenschicht 28 geschaltet. Die Ausgangsspannung Vi oder V₂ 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 /ι oder I₂ entwickelt wird. d. h. einer Spannung, die durch U χ R oder I₂ χ R ausgedrückt wird. Der

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weise in F i g. 6 dargestellt ist. Der Widerstand R nimmt stark mit abnehmender Temperatur des Elementes 20 zu. Die Ausgangsspannung V\ oder V₂ wird daher sehr stark durch die Temperatur des Elementes 20 beeinflußt. Wie es in F i g. 7 und 3 dargestellt ist, besteht die Neigung, daß die Ausgangsspannung Vi oder V₂ mit abnehmender Temperatur größer wird, wobei diese Neigung dann sehr stark wird, wenn die Temperatur unter einem bestimmten Wert, beispielsweise unter etwa 550"C, liegt.

Bei der Durchführung einer Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Brcnnkraftmaschine unter Verwendung der in den F i g. 3 oder 4 dargestellten Einrichtung wird gewöhnlich die Ausgangsspannung V] oder V₂ mit einer festen Vergleichsspannung V_r von 0,5 V verglichen, wenn die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Einrichtung eine normale Ausgangskennlinie hat, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist. In den F i g. 7 und 8 ist dargestellt, daß dann, wenn die Temperatur des sauerstoffempfindlichen Elementes 20 unter 450^: C liegt, die Ausgangsspannung V, oder V₂ über der Vergleichsspannung V_r bleibt, gleichgültig ob ein reiches oder ein armes Ge.iiisch zugeführt wird, was bedeutet, daß eine Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unmöglich wird. Das heißt mit anderen Worten, daß eine stabile Arbeitsweise eines Rückkopplungsregelungssystems mit einer Einrichtung gemäß F i g. 3 oder 4 dann schwierig wird, wenn die Temperatur des Elementes 20 oder die Abgastemperatur unter beispielsweise 550⁰C liegt.

Diese Schwierigkeit wird durch die verbesserte Einrichtung beseitigt, so daß in optimaler Weise die wesentlichen Eigenschaften des weiterentwickelten sauerstoffempfindlichen Elementes ausgenutzt werden.

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Regelsignals für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem sauerstoffempfindlichen Element 40, einer Konstantgleichspannungsquelle 50 und einer Signalerzeugungsschaltung 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 Bezugselektrodenschicht 44/4, eine erste Sauerstoffionen leitende feste Elektrolytschicht 46Λ und eine erste Meßelektrodsnschicht 48/4 aufeinander derart ausgebildet, daß die Bezugselektrodenschicht 44/4 makroskopisch vollständig gegenüber der Außenatmosphäre durch die Abschirmungsschicht 42 und die feste Elektrolytschicht 46.4 abgeschirmt ist. Jede der drei Schichten 44/4,46/4 und 48/4 ist in Form einer dünnen filmartigen Schicht ausgebildet, wobei die Meßeiektrodenschicht 48/4 und die feste Elektrolytschicht 46Λ beide mikroskopisch porös und gasdurchlässig sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Abschirmungsschicht 42 sind eine zweite Bezugselektrodenschicht 445, eine zweite sauerstoffleitende feste Elektrolytschicht 465 und eine zweite Meßeiektrodenschicht 485 aufeinander und etwa symmetrisch zu den entsprechenden Schichten 44Λ, 46/4 und 485 auf der anderen Seite ausgebildet. Makroskopisch ist die zweite Bezugselektrodenschicht 44.9 vollständig gegenüber der Außenatmosphäre abgeschirmt, während die zweite MePelektrodenschicht 485 und die zweite feste Elektrolytschicht 465 mikroskopisch porös und gasdurchlässig sind. Dieses Element 40 ist somit eine Kombination aus zwei Sauerstoffkonzentrationszellen, von denen die eine aus der ersten festen Elektrolytschicht 46/4, der ersten Bezugselektrodenschicht 44/4 und der ersten Meßelektrodenschicht 48Λ sowie der Abschirmungsschicht 42 besteht, während die andere aus der zweiten festen Elektrolytschicht 465, der zweiten Bezugselektrodenschicht 44.5, der zweiten Meßelektrodenschicht 485 und der Abschirmungsschicht 42 besteht, die für beide Elemente gemeinsam verwendet wird.

Die erste Bezugselektrodenschicht 44/4 und die zweite Bezugselektrodenschicht 445 sind elektrisch miteinander verbunden, wie es in Fig.9 dargestellt ist, während die Gleichspannungsquelle 50 an der eisten und der zweiten Meßelektrodenschicht 485 und 48Λ des sauerstoffempfindlichen Elementes 40 über einen Widerstand R, liegt, um eine Konstantspannung V₁ an das Element 40 zu legen und dadurch zwangsweise einen Strom /, durch die erste und die zweite feste Elektrolytschicht 465 und 46Λ fließen zu lassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Meßelektrodenschicht 485 mit der positiver. Klemme der Gleichspannungsquelle 50 verbunden, so daß in der zweiten Sauerstoffkonzentrationszelle der Strom I_s von der Meßelektrode 485 zur Bezugselektrode 44S und in der ersten Zelle von der Bezugselektrode 44Λ zur Meßeiektrode 48-4 fließt. b5 Wenn daher das sauerstoffempfindliche Element 40 in einem sauerstoffenthaltenden Gas, beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine, angeordnet wird, tritt eine Ionisation des Sauerstoffes an der Meßeiektrodenschicht 48/4 auf, wobei die gebildeten Sauerstoffionen durch die erste feste Elektrolytschicht 46.4 zur ersten

Bezugselektrodenschicht 44/4 wandern, wohingegen in der zweiten Zeil*! auf der gegenüberliegenden Seite Sauerstoffionen durch die zweite feste Elektrolytschicht 465 von der Bezugselektrodenschicht 44B aus zur Meßelektrodenschicht 48J3 wandern. Wenn daher das Element 40 im Gas eines Benzinmotors angeordnet ist, >B zeigt die erste Zelle (im unteren Teil in Fig.9) eine Ausgangskennlinie, wie sie durch die Kurve Vi in Fig.5

P 5 wiedergegeben ist, während die zweite Zelle (auf dem oberen Teil) eine Ausgangskennlinie zeigt, wie sie durch

Sj die Kurve V₂ in F i g. 5 wiedergegeben wird. In Form einer Kombination von zwei derartigen Sauerstoffkonzen-

§ trationszellen, deren Bezugselektrodenschichten 44Λ und 44ß miteinander verbunden sind, liefert das Element

jjji 40 gemäß F i g. 9 eine Ausgangsspannung V₁. die zwischen der Bezugselektrodenschicht 44Λ und der Meßelek-

fj trodenschicht 48-4 der ersten Zelle entwickelt wird. Der Ursprung und Wert dieser Ausgangsspannung V₅ wird

ß i i i il

pg ggp

ti ίο im folgenden anhand von F i g. 10 beschrieben, in der das Element 40 gemäß F i g. 9 in Form eines äquivalenten Schaltbildes dargestellt ist.

In F i g. 10 ist die erste Sauerstoffkonzentrationszelle des Elementes 40 als ein Element mit einem Innenwider- ^ιφ stand Λ(ΐ) dargestellt, der hauptsächlich der ersten festen Elektrolytschicht 46Λ zuzuschreiben ist, wobei die erste

j;> Konzentrationszelle eine elektromotorische Kraft £<o erzeugt. In ähnlicher V/eise hat die zweite Zelle einen

15 Innenwiderstand %>, der hauptsächlich der zweiten festen Elektrolytschicht 46ß zuzuschreiben ist, wobei die

zweite Zelle eine elektromotorische Kraft £(₂) erzeugt. Da beide Zellen elektrisch umgekehrt in Reihe geschaltet

Q sind, führt ein Anlegen einer Konstantspannung V_r an das Element 40 dazu, daß ein Strom U in beiden Zellen mit

ΐ? derselben Stromstärke fließt. Dieser Strom /_s wird ausgedrückt als:

_/ _ Vf- (E(U+ Eg)) (1)

Wenn das Abgas aus einer Verbrennung entweder eines retchen oder eines armen Gemisches stammt, ergeben sich grob die folgenden Größen der elektromotorischen Kräfte £(i) und JEj₂), die von den jeweiligen Zellen erzeugt werden, obwohl diese Werte durch die Temperatur des Elementes 40 beeinflußt werden.

Der Maschine geliefertes Gemisch Reiches Gemisch Armes Gemisch

EMK der ersten Zelle £j,> 1,0V 0,1V

EMK der zweiten Zelle ^₂) 0,1V 1,0 V

Die Summe von £<u und £}₂₎ ändert sich somit nicht, gleichgültig ob ein reiches Gemisch oder ein armes

Gemisch zugeführt wird, so daß die Stärke des Stromes l_s gemäß Gleichung (1) so lange konstant ist, solange das Element 40 auf einer konstanten Temperatur bleibt. Dadurch hat das sauerstoffempfindliche Element 40 den Vorteil, daß der Bezugssauerstoffdruck an der jeweiligen Bezugseiektrodenschicht 44Λ, und 44S kaum durch Änderungen in der Zusammensetzung des Abgases beeinflußt wird.

Die Innenwiderstände R(\) und Λ(₂) des Elementes 40 ändern sich mit der Temperatur des Elementes 40, es bleibt jedoch immer die Beziehung /C(i) = ifo = R(s) bestehen, selbst wenn die Temperatur des Elementes 40 sich während des Betriebe? ändert, da die beiden Sauerstoffkonzentrationszellen in diesem Element 40 im wesentlichen identisch aufgebaut sind. Gleichung (1) läßt sich somit umschreiben in:

K,-(5n+£ffl) ⁽²⁾

' 2Ä<„

Da der Innenwiderstand ^; jeder Sauerstoffkonzentrationszelle im Element 40 eine Temperaturabhängigkeit zeigt, wie sie durch die Kurve in Fig.6 dargestellt ist, ändert sich die Stärke des Stromes I₁, die durch die Gleichung (2) gegeben ist, wenn sich die Temperatur des Elementes 40 ändert Das heißt im einzelnen, daß der

Strom /j kleiner wird, wenn die Temperatur des Elementes relativ niedrig ist, so daß nur eine relativ geringe Gasmenge durch jede feste Elektrolytschicht 46A, 46Z? diffundiert, jedoch größer wird, wenn die Temperatur des Elementes 40 ansteigt, so daß eine größere Gasmenge durch jede feste Elektrolytschicht 46A, 465 diffundiert. F i g. 11 zeigt z. B. die Beziehung zwischen der Temperatur des Elementes 40 und der Stärke des Stromes /,, der im Element 40 fließt, bei einer Höhe der Konstantspannung Vf von 0,5 V.

Aus dem Schaltbild von Fig. 10 ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung V₅ des sauerstoff empfindlichen Elementes 40 ausgedrückt werden kann als:

V_s = £<,) + Is ■ R_1n = 5d + Is ■ R<s) (3)

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

_{= Ein +}

₌ Vj_ E_1n-Em (4)

2 2

Gleichung (4) zeigt, daß die Ausgangsspannung Vj unabhängig vom Widerstand /?<y jeder Sauerstoffkonzentrationszelle ist. Die Ausgangsspannung V_s des Elements 40 gemäß F i g. 9 wird daher durch große Änderungen in der Hör.e einer Spannung, die gegeben ist durch I,x R(_S), mit Änderungen in der Temperatur des Elements 40 nicht beeinflußt, wie es im Vorhergehenden anhand der F i g. 7 und 8 beschrieben wurde. Das heißt, daß abgesehen von einer geringen Abhängigkeit der elektromotorischen Kräfte E\\) und £}₂) von der Temperatur die -, Ausgangsspannung V_s 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. Aufgrund dieser Tatsache dient die Ausgangsspannung V, dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 40 als ideales Rückkopplungssignal für die Rückkopplungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. to

Die das Regelsignal erzeugende Schaltung 60 weist einen Vergleicher 62 und einen Schalttransistor 64 auf. Die erste und die zweite Bezugselektrodenschicht 44Λ und 445 des Elementes 40, die miteinander verbunden sind, liegen an der positiven Eingangsklemme des Vergleichers 62, so daß die Ausgangsspannung V₅ des Elementes 40 am positiven Eingang des Vergleichers 62 liegt, während ein·; konstante Spannung V_ram negativen Eingang des Vergleichers 62 als Vergleichsspannung liegt. Der Ausgang des Vergleichers 62 ist mit der Basis des Schalttransistors 64 über einen Widerstand R₂ verbunden. Eine Konstantspannung V_t. liegt am Kollektor des Schalttransistors 64 über einen Widerstand R$, während der Emitter 64 über einen Widerstand Ra an Masse liegt. Wenn der Schalttransistor 64 leitet, bilden die Widerstände Ri und R^ einen Spannungsteiler. Mit dem Ausgang auf der LÜViUcf Seite uicSCS opänriüngSiciicrS iSi ucr AüSgaiig 66 ucF oCuaitüng 60 VCri/üHuCn.

Wenn das sauerstoffempfindliche Element 40 elektrisch in der in F i g. 9 dargestellten Weise geschaltet und im Abgas einei Brennkraftmaschine angeordnet ist, wird die Ausgangsspannung V₅ relativ hoch, wenn ein reiches Gemisch der Brennkraftmaschine geliefert wird, und relativ niedrig im Falle eines armen Gemisches. Die Vergleichsspannung V_r ist auf einem Wert zwischen dem hohen und dem niedrigen Wert der Ausgangsspannung V_s festgelegt. Wenn ein reiches Gemisch der Brennkraftmaschine geliefert wird, wird die Ausgangsspannung V,, die als Rückkopplungssignal genommen wird, höher als die Vergleichsspannung V_r, was bedeutet, daß der Vergleicher 62 ein größeres Eingangssignal an seinem positiven Eingang als an seinem negativen Eingang erhält. Der Vergleicher 62 liefert somit eine solche Ausgangsspannung der Basis des Schalttransistors 64, daß dieser leitend wird und die Spannungsquelle V_c ein Regelsignal S_c bestimmter Spannung an der Ausgangsklciume 66 der ein Signal erzeugenden Spannung 60 liefern läßt. Beispielsweise bei einer Spannungsquelle mit einer Spannung V_c von 12 V, einem Widerstand Rj von 11 ΚΩ und einem Widerstand R4 von 1 ΚΩ, ergibt sich eine Amplitude des Regel- bzw. Steuersignals 5_C von 1 V. Dieses Regelsignal 5c liegt an einer nicht dargestellten Regeleinrichtung für die Kraftstoffzufuhr, um die Kraftstoffzufuhr herabzusetzen, bis sich das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ergibt. Wenn ein armes Gemisch zugeführt wird, wird die Ausgangsspannung V. kleiner als die Vergleichsspannung V_r> was bedeutet, daß der Vergleicher 62 an seinem negativen Eingang ein größeres Eingangssignal als an seinem positiven Eingang empfängt. Der Vergleicher 62 unterbricht daher die Bildung eines Ausgangssignals, so daß der Schalttransistor 64 nichtleitend wird. Das Regelsignal S_c am Ausgang 66 wird daher ein Si"na! mit Nu!! Volt das bewirkt daß die Rcc'einrichtur·" für dir Kraftstoffzufuhr die Kraftstoffzufuhr erhöht, bis das stöchiometrische Verhältnis erreicht ist.

F i g. 12 zeigt ein Beispiel der Ausgangskennlinie des sauerstoffempfindlichen Elementes 40 in F i g. 9 im Abgas einer Brennkraftmaschine. Die konstante Spannung Vf, die am Element 40 liegt, beträgt ;5,0 V, und der Strom /, fließt in der Richtung, wie es in F i g. 9 dargestellt ist. Die Höhe der Ausgangsspannung V₅ beträgt etwa 3 V, wenn ein reiches Gemisch zugeführt wird, da die durch die erste Konzentrationszelle in diesem Element 40 unter diesen Bedingungen erzeugte elektromotorische Kraft £<i) etwa 1,0 V beträgt, während die durch die zv ^ite Konzentrationszelle erzeugte elektromotorische Kraft E^) etwa 0,1 V beträgt. (Gemäß Gleichung (4) wird K in diesem Fall gleich 2,5 V + etwa 0,45 V.) Wenn ein armes Gemisch zugeführt wird, nimmt die Höhe der Ausgangsspannung V_s auf etwa 2 V ab, wie es sich aus Gleichung (4) und den obengenannten numerischen Werten für die hohen und niedrigen Werte von £<i) und E\₂) ergibt. Anhand von Fig. 12 ist ersichtlich, daß die hohen und niedrigen Werte der Ausgangsspannung V₅ durch die Temperatur des Elementes 40, d. h. die Temperatur des Abgases, nicht beeinflußt v/erden, außer wenn die Abgastemperatur extrem niedrig ist. Bei einer ein Signal erzeugenden Einrichtung mit dem sauerstoffempfindlichen Element 40, das die in Fig. 12 dargestellte Ausgangskennlinie zeigt, ist es zweckmäßig, die Vergleichsspannung V_r auf einen Wert von etwa 2,5 V festzulegen.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das sauerstoffempfindliche Element 41 im Prinzip •dem Element 40 in F i g. 9 ähnlich, jedoch in der Anordnung der beiden Sauerstoffkonzentrationszellen unterschiedlich ist. Die Kombination der ersten Bezugselektrodenschicht 44/4, der ersten festen Elektrolytschicht 46.4 und der ersten Meßelektrodenschicht 4SA 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 Bezugselektrodenschicht 445, der zweiten festen Elektrolytschicht 46S und der zweiten Meßelektrodenschicht 485 in ähnlicher Weise wie die erste Kombination der drei Schichten 44Λ, 46Λ, 48/4 ausgebildet. Die Abschirmungsschicht 42 ist für beide Sauerstoffkonzentra- so tionszellen gemeinsam und dient auch als Substrat für das gesamte Element 41. Im übrigen ist die in Fig. 13 dargestellte Vorrichtung mit der in F i g. 9 dargestellten Vorrichtung identisch. Die erste und die zweite Bezugselektrodenschicht 44/4 und 445 sind miteinander verbunden, und die Gleichspannungsquelle 50 liegt an den Meßelektrodenschichten 48Λ und 485. Der positive Eingang des Vergleichers 62 ist mit den Bezugselektrodenschichten 44/4,445 verbunden, um die Ausgangsspannung V₅ des Elementes 4i zu empfangen. Die Funktion der t>5 in F i g. 13 dargestellten Signalerzeugungsschaltung mit dem Element 41 ist daher mit der Funktion der in F i g. 9 dargestellten Einrichtung identisch.

Fig. 14 zeigt eine Abwandlungsform des in Fig. 1 λ dargestellten sauerstoffempfindlichen Elementes 41. Das

in F i g. 14 dargestellte sauerstoff empfindliche Element 43 unterscheidet sich von dem Element 41 in F i g. 13 nur darin, daß dieses Element 43 eine einzige Bezugselektrodenschicht 44 aufweist, die beiden Sauerstoffkonzentrationszellen gemeinsam ist und eine Vereinigung der ersten und der zweiten Bezugselektrodenschicht 44/4 und 44ß in F i g. 13 bedeutet. Diese einzige Bezugselektrodenschicht 44 ist mit dem positiven Eingang des Vergleichers 62 verbunden. Es versteht sich, daß die in Fig. 14 dargestellte Einrichtung in gleicher Weise wie die in F i g. 13 dargestv^lte Einrichtung arbeitet. In diesem Fall kann die Abschirmungsschicht 42 aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, wobei die Abschirmungsschicht 42 und die Bezugselektrodenschicht 44 zu einem einzigen Element zu integrieren ist

F i g. 15 zeigt ein sauerstoffempfindliches Element 45, das grundsätzlich dem Element 41 in F i g. 13 ähnlich ist.

ίο Die einzige Änderung besteht darin, daß das Element 45 eine einzige feste Elektrolytschicht 46C aufweist, die eine Vereinigung der ersten und der zweiten festen Elektrolytschicht 46/4 und 465 in F i g. 13 darstellt Das heißt, daß ein Teil dieser festen Elektrolytschicht 46C der zwischen der ersten Bezugselektrodenschicht 44Λ und der ersten Meßelektrodenschicht 48/4 verläuft als ein wesentlicher Bestandteil der ersten Sauerstoffkonzentrationszelle verwandt wird, während der andere Teil, der zwischen der zweiten Bezugselektrodenschicht 44ß und der zweiten Meßelektrodenschicht 48ß verläuft als Bestandteil der zweiten Sauerstoffkonzentrationszelle dient Es versteht sich, daß diese Abwandlung die Arbeitsweise des sauerstoffempfindlichen Elementes nicht beeinflußt

F i g. IC zeigt eine weitere Abwandlung des in F i g. 15 dargestellten Elementes 45. Anstelle von zwei Bezugselektrodenschichten 44Λ und 44ß in F i g. 15 weist das sauerstoffempfindliche Element 47 in F i g. 16 eine einzige Bezugselektrodenschicht 44 auf, die für beide Sauerstoffkonzentrationszellen gemeinsam ist. Ähnlich wie bei dem Element 43 in F i g. 14 kann die Abschirmungsschicht 42 in F i g. 16 aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und erforderlichenfalls mit άζτ einzigen Bezugselektrodenschicht 44 in einem Stück ausgebildet sein.

F i g. 17 zeigt eine weitere Abwandlung des sauerstoffempfindlichen Elementes 41 aus F i g. 13. Das Element 49 in F i g. 10 weist eine einzige feste Elektrolytschicht 46 auf, die in Form einer festen Platte ausgebildet ist die stark genug ist um als Substrat des Elementes 49 zu dienen. Auf einer Seite dieser festen Elektrolytschicht 46 sind eine dünne erste Bezugselektrodenschicht 44Λ und eine ähnliche zweite Bezugselektrodenschicht 44ß im Abstand voneinander ausgebildet Auf derselben Seite der festen Elektrolytschicht 46 sind eine erste Abschirmungsschicht 42A so, daß sie die erste Bezugselektrodenschicht 44.4 dicht überdeckt, und eine zweite Abschirmungsschicht 42ß so ausgebildet daß sie die zweite Bezugselektrodenschicht 44ß dicht überdeckt. Auf der gegenüberliegenden Seite der festen Elektrolytschicht 46 sind eine erste Meßelektrodenschicht 48/4 so, daß sie einen begrenzten Bereich einnimmt und der ersten Bezugselektrodenschicht 44/4 etwa gegenüberliegt und auf derselben Seite eine zweite Meßelektrodenschicht 48ß so, daß sie im Abstand von der ersten Meßelektrodenschicht 48Λ und der zweiten Bezugselektrodenschicht 44ß etwa gegenüberliegt ausgebildet. Die beiden Bezugselektrodenschichten 44/4,44ZJ, sind miteinander und mit dem positiven Eingang des Vergleichers 62 verbunden, während die Konstantspannung V>am Element 49 in derselben Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen liegt Dieses sauerstoffempfindliche Element 49 unterscheidet sich in seiner Arbeitsweise somit nicht von deni Element 41 in F i ^σ. 13.

Auch in diesem Fall ist die feste Elektrolytschicht 46 mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet Die feste Elektrolytschicht 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 4223

-M) mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet sind. Wenn die feste Elektrolytschicht 46 gasundurchlässig ist die Abschirmungsschichten 42/4,42ß aber gasdurchlässig sind, sind auch die Bezugselektrodenschichten 44,4, 44β gasdurchlässig ausgebildet

Das in Fig. 18 dargestellte sauerstoffempfindliche Element 51 stellt eine Abwandlung des in Fig. 17 dargestellten Elementes 49 dar und weist eine einzige Bezugselektrodenschicht 44 auf, die von einer einzigen Abschirmungsschicht 42Cüberdeckt ist und sowohl der ersten als auch der zweiten Meßelektrodenschicht 48-4 und 48fi gegenüberliegt Diese Bezugselektrodenschicht 44 ist mit dem positiven Eingang des Vergleichers 62 verbunden, so daß sich da; Element 51 in seiner Arbeitsweise nicht von dem Element 49 in F i g. 17 unterscheidet.

In Fig. 19 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt Die in Fig. 19 dargestellte Einrichtung weist ein sauerstoffempfindliches Element 53 auf, das in seinem Aufbau mit dem Element 41 in F i g. 13 identisch ist. Bei diesem Element 53 sind die beiden Bezugselektrodenschichten 44/4 und 44ß jedoch nicht miteinander verbunden, sondern sind statt dessen die erste und die zweite Meßelektrodenschicht 48/4 und 48ß elektrisch miteinander und mit dem negativen Eingang des Vergleichers 62 der signalerzeugenden Schaltung 60 verbunden. Die Quelle 50 der Konstantgleichspannung V> liegt an der ersten und der zweiten Meßelektrodenschicht 48ß und 48/4 derart daß ein Strom I, durch die zweite feste Elektrolytschicht 46ß von der zweiten Meßelektrode 48ß zur zweiten Bezugselektrode 44ß und anschließend durch die erste feste Elektrolytschicht 46A von der erster Meßelektrode 4SA zur ersten Bezugselektrode 44A fließt Die Wanderungsrichtung der Sauerstoffionen in den jeweiligen festen Elektrolytschichten 46/4 und 46ß ist daher der Wanderungsrichtung bei dem Element 41 ir F i g. 13 entgegengesetzt

Aufgrund der oben beschriebenen Abwandlungen in den elektrischen Verbindungen hat dieses Element 53 im Abgas einer Brennkraftmaschine eine Ausgangskennlinie, wie sie in F i g. 20 dargestellt ist, wenn die Höhe der Koi.stantgleichspannung Vr 5.0 V beträgt im Gegensatz zu der Ausgangskennlinie des Elementes 40 in F i g. 9 oder des Elementes 41 in F i g. 13, die in F i g. 12 dargestellt ist. Das heißt, daß die Ausgangsspannung V₅ dieses Elementes 51, gemessen zwischen der Meß- und der Bezugselektrodenschicht 48/4 und 44/4 des ersten Elementes 3 V, wenn ein armes Gemisch zugeführt wird, und etwa 2 V im Falle eines reichen Gemisches beträgt. In diesem Falle wird die Vergleichsspannung V_r daher auf 2,5 V festgelegt und an den positiven Eingang des Vergleichers 62 gelegt. Bei der in F i g. 19 dargestellten Einrichtung erzeugt der Vergleicher 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 F i g. 19 fehlende Einrichtung zum Erzeugen eines Signals der Schaltung 60 und die anhand der F i g. 9 und 10 beschriebene Einrichtung zum Regeln der Kraftstoffzufuhr müssen daher- im Falle der Einrichtung gemäß F i g. 19 nicht geändert werden. Erforderlichenfalls ist es jedoch möglich, die Ausgangsspannung V₅ des Elementes 53 in F i g. 19 an den positiven Eingang des Vergleichers 62 und die Vergleichsspannung V_r an den negativen Eingang zu legen, indem die Beziehung zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel des Regelsignals S_c. das ϊ von der Schaltung 60 erzeugt wird und die Arbeitsweise der die Kraftstoffzufuhr regulierenden Einrichtung geändert werden.

Das in Fig.21 dargestellte sauerstoffempfindliche Element 55 ist dem Element 53 in Fig. 19 ähnlich. Die einzige Änderung besteht darin, daß die erste und die zweite Meßelektrodenschicht 48A und 485 in F i g. 19 zu einer einzigen Meßelektrodenschicht 48 in Fig.21 vereinigt sind, die an dem negativen Eingang des Vergleichers 62 liegt Es besteht in der Arbeitsweise daher kein Unterschied zwischen den beiden Elementen 53 und 55.

Das in F i g. 21 dargestellte Element 55 kann weiter zu dem ia F i g. 22 dargestellten sauerstoffempfindlichen Element 56 abgewandelt werden, indem die erste und die zweite feste Elektrolytschicht 46/4 und 465 durch eine einzige feste Elektrolytschicht 46 ersetzt werden, die von beiden Sauerstoffkonzentrationszellen geteilt wird und von einer einzigen Meßelektrodenschicht 48 überlagert wird. Im übrigen sind die beiden Elemente 55 und 56 identisch.

F i g. 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 Bezug^rc'.ektrodenschicht 44Λ, 445, die erste und die zweite Abschirmungsschicht 42Λ, 425 und die erste und die zweite Meßelektrodenschicht 48Λ, 485 trägt, die alle ähnlich den entsprechenden Schichten bei dem Element 49 in F i g. 17 ausgebildet und angeordnet sind. Bezüglich der elektrischen Verbindungen ist das Element 57 in F i g. 23 ähnlich der. Elementen 53,55,56 in den F i g. 19,21 und 22.

Das Element 57 in F i g. 23 kann zu einem sauerstoffempfindlichen Element 59 abgewandelt werden, das in F i g. 24 dargestellt ist, indem die erste und die zweite Meßelektrodenschicht 48Λ und 485 zu einer einzigen Meßelektrodenschicht 48 vereinigt werden und wahlweise auch die erste und die zweite Abschirmungsschicht 42,4 und 425 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 Bezugselektrodenschicht 44Λ und 445 miteinander verbunden werden sollen oder diese beiden Elektrodenschichten 44/4 und 445 zu einer einzigen Bezugselektrodenschicht 48 vereinigt werden sollen, kann das sauerstoffempfindliche Element so ausgelegt werden, daß die feste Elektrolytschicht jeder Sauerstoffkonzentrationszelle der Einrichtung auch als Abschirmungsschicht für die Bezugselektrodenschicht der anderen Zelle dient Die Fig.25 und 26 zeigen ein sauerstoffempfindliches Element 70 als ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Ausbildung. Das Substrat dieses Elementes 70 ist eine Stange oder ein Stab 74 ajjs einem elektrisch leitenden Material, der vollständig mit einer Schicht 76 eines sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten im wesentlichen über die gesamte Länge überzogen ist Die feste Elektrolytschicht 76 ist so js 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 Meßelektroder.schicht 78,4 und 785 im Abstand voneinander ausgebildet. Der Stab 74 dient auch als einzige Bezugselektrode dieses Elementes 70, so daß eine Sauerstoffkonzentrationszelle aus der Bezugselektrode 74, der ersten Meßelektrodenschicht 78/4 und einem Teil der festen Elektrolytschicht 76 gebildet ist, der zwischen diesen zwei Elektroden 74 und 78Λ verläuft, während die andere Sauerstoffkonzentrationszelle von der Bezugselektrode 74, der zweiten Meßelektrode 785 und einem anderen Teil der festen Elektrolytschicht 76 gebildet ist, der zwischen diesen beiden Elektroden 74 und 785 verläuft.

Die stabförmige einzige Bezugselektrode 74 ist mit dem positiven Eingang des Vergleichers 62 der signalerzeugenden Schaltung 60 verbunden, während die Meßelektrodenschichten 78/4 und 785 mit der Quelle der Konstantgleichspannung Vf derart verbunden sind, daß ein Gleichstrom I_s im Element 70 von der zweiten Meßelektrodenschicht 785 zur Bezugselektrode 74 durch die feste Elektrolytschicht 76 und anschließend zur ersten Meßelektrodenschicht 78/4 durch die feste Elektrolytschicht 76 fließt. In einem Bereich zwischen der ersten Meßelektrodenschicht 78Λ und der Bezugselektrode 74 wandern Sauerstoffionen somit durch die feste Elektrolytschicht 76 nach innen, während in einem Bereich zwischen der Bezugselektrode 74 und c.r zweiten Meßelektrodenschicht 785 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 '.st die Möglichkeit der leichten Herstellung eines Elementes mit sehr geringer Größe unter Verwendung eines dünnen Drahtes oder eines dünnen Metallbleches als Bezugselektrode 74. In der Praxis ist es bevorzugt, einen Platindraht als Bezugselektrode 74 zu verwenden.

Bei allen sauerstoffempfindlichen Elementen, die in den F i g. 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 485,78/4,785oder die vereinigte Meßelektrodenschicht 48 gegebenenfalls zusammen mit den Außenflächen der festen Elektrolytschicht oder der festen Elektrolytschichten oder sogar die gesamte Außenfläche des Elementes ho übmlcckl.

Das Material für jede feste Elektrolytschicht 46,46,4,465,46C, 76 kann aus sauerstoffionenleitenden festen Elektrolytmaterialien gewählt sein, die für herkömmliche Sauerstoffühler vom Typ einer Sauerstoffkonzentrationszelle verwendet werden. Einige Beispiele sind mit CaO, Y2OJ, SrO, MgO, ThO₂, WO₃ oder Ta₂Os stabilisiertes ZrO₂, mit Nb₂O₅. SrO, WO₃,Ta₂O₅ oder Y₂O₃ stabilisiertes Bi₂O₃ und mit ThO₂ oder CaO stabilisiertes Y₂Oi. e>5 Im Falle der Verwendung einer festen Elektrolytschicht 46 als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes, wie es in den F i g. 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 festes Elektrolytmaterial enthält Wenn die Abschirmungsschicht 42 oder die Elektrode 74 in F i g. 25 als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes dient, kann jede feste Elektrolytschicht 46Λ, 465, 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 mit der aufgebrachten Paste gebrannt wird.

Jede Abschirmungsschicht 42, 42Λ, 425, 42C besteht gewöhnlich aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde, Mullit, Spinell oder Forsterit Wenn jedoch das sauerstoffemyfindli-

ehe Element eine gemeinsame Bezugselektrodenschicht 44 aufweist, kann wahlweise ein leitendes Material, wie beispielsweise ein metallisches Element, im typischen Falle Platin, eine Legierung, wie beispielsweise nichtrostender Stahl oder eine leitende Metallkeramik verwendet werden. Wenn die Abschirmungsschicht 42 als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes dienen soll, wird sie dadurch hergestellt, daß beispielsweise entweder eine Rohplatte oder ein preßgeformtes Pulvermaterial gesintert oder der Körper eines gewählten

Materials maschinell bearbeitet wird. Wenn die feste Elekirolytschicht 46 als Substrat verwendet wird, kann jede Abschirmungsschicht 42A 425,42CaIs relativ dünne filmartige Schicht, beispielsweise über ein physikalisches Niedsrschlagsverfahren, 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 Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44Λ, 445, 44, 4SA, 485, 48 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, das aus Elektrodenmaterialien für herkömmliche feste E!ektro!ytsauerstoffüh!er gewählt wird. Beispiele sind Metalle der Platingruppe, die eine katalytische Wirkung auf Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid usw. zeigen, wie beispielsweise Pt, Pd, Ru, Rh, Os und Ir₁ 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, ΤΊΟ2, CoO und LaCrO₃, die die obenerwähnten Oxidationsreaktionen nicht katalysieren. Jede Elektrodenschicht ist auf einer Abschirmungsschicht oder auf einer festen Elektrolytschicht als relativ dünne filmartige Schicht, beispielsweise durch physikalisches Niederschlagsverfahren, wie beispielsweise durch Aufdampfen oder Ionenplattieren oder durch ein elektrochemisches Verfahren im typischen Fall durch Plattieren oder dadurch ausgebildet, daß eine ein pulver-

förmiges Elektrodenmaterial enthaltende Paste aufgedruckt und die Abschirmungsschicht und/oder die feste Elektrolytschicht mit der aufgebrachten Paste gebrannt wird.

Als poröser Schutzüberzug kann ein wärmebeständiges und elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Tonerde, Spinell, Mullit oder Calciumzirkonat (CaO-ZrO₂) verwendet 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.

Hierzu 14 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, mit nur einem sauerstoffempfindlichen Element (40,41,43,45,47,49,5t, 53,55,56,57,59,70), das in einem Abgasstrom von der Brennkraftmaschine angeordnet ist und erste und zweite Sauerstoffkonzentrationszellen aufweist, die jeweils durch eine Schicht (46,46A,46B, 46C, 76) eines für Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, eine Meßelektrodenschicht (48,48Λ 48ß, 78Λ, 7SB), die auf einer Seite der Festclektrolytenschicht gebiidet ist eine Bezugselektrodenschicht (44, 44A 44ß, 74), die auf der anderen Seite der Festelektrolytenschicht

ίο gebildet ist, und eine Abschirmungsschicht (42,42A, 42B, 42C; Elektrolytenschicht 70) gebildet sind, die auf der Bezugselektrodenschichtseite der Festelektrolytenschicht derart gebildet ist, daß die Bezugselektrodenschicht makroskopisch vollständig gegenüber einer umgebenden Atmosphäre durch die Abschirmungsschicht und die Festelektrolytenschicht abgeschirmt ist, wobei mindestens eine von beiden, nämlich der Festelektrolytenschicht und der Abschirmungsschich X, einer jeden Konzentrationszelle einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat, und einer Gleichspannungsquelle (50) zum Hindurchtreiben eines Gleichstroms bestimmter Amplitude durch die Festelektrolytenschicht der ersten Zelle von der Bezugselektrodenschicht (44,44Λ^ zu der Meßelektrodenschicht (48,4%A) hin und durch die FestelektrolytenscLicht der mit der ersten Zelle elektrisch umgekehrt in Reihe geschalteten zweiten Zelle von der Meßelektrodenschicht (48, 4JuSJ zu der Bezugselektrodenschicht (44, 445,) hin, gekennzeichnet durch eine Signalerzeugungssenaltung (60) mit einer Yergleichseir.richturig (52) zum Vergleich einer Ausgangsspannung (V_s), die zwischen der Bezugs- (44,44Λ, 44B) und der Meßelektrodenschicht (48,48Λ, 48B) jeweils einer der beiden Sauerstoffkonzentrationszellen auftritt, mit einer bestimmten Vergleichsspannung (V_r), um festzustellen, ob die Ausgangsspannung größer als die Vergleichsspannung ist und mit einer Signalgeneratoreinrichtung (64, Rz, Ri) zum Erzeugen des Steuersignals (5c) nach Maßgabe dieses Vergleichsergebnisses.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Signalgeneratoreinrichtyng (64, A₂, Rz)

einen Schalttransistor (64) aufweist dessen Basis mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung (62) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalgeneratoreinrichtung (64, A₂, Ri) einen die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors (64) umfassenden Spannungsteiler (A3, A4) auf-

jo weist, at' dem eine Quellenspannung (V_c) liegt, wobei das Steuersignal (S_c) auf einer Spannung an einer Ausgangsklemme des Spannungsteilers basiert

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die feste Elektrolytschicht (76) jeder Sauerstoffkonzentrationszeile so ausgebildet ist, daß sie auch als Abschirmungsschicht für die Bezugselektrodenschicht (74) der anderen Sauerstoffkonzentrationszelle dient

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zu einer einzigen Bezugselektrode (74)

vereinigten Bezugselektrodenschichten so geformt sind und derartige Abmessungen haben, daß sie als Substrat des sauerstoffempfindlichen Elementes dienen.