DE3028599A1

DE3028599A1 - Einrichtung zum erzeugen eines steuersignals fuer die rueckkopplungssteuerung des luft-kraftstoff-verhaeltnisses einer verbrennungseinrichtung.

Info

Publication number: DE3028599A1
Application number: DE19803028599
Authority: DE
Inventors: Masaaki Ichida; Shigeo Ishitani; Shinji Kimura; Hiroshi Takao
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-07-28
Filing date: 1980-07-28
Publication date: 1981-03-12
Also published as: US4302312A; FR2462706A1; DE3028599C2; JPS5621052A; GB2056083A; JPS6029065B2; FR2462706B1; GB2056083B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Riickkopp lungs steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer Yerbr ennungs einrichtung zugeführt wird, wie den Brennkammern einer Brennkraftmaschine, was aufgrund der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Brenneinrichtung erfolgt.

Bei jüngsten Brennkraftmaschinen, insbesondere Fahrzeugmotoren, hat sich eine bemerkenswerte Tendenz durchgesetzt, das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis sehr fein zu steuern, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschinen zu verbessern und die Abgabe von giftigen Bestandteilen der Abgase zu vermindern. In vielen Fällen soll einer Brennkraftmas chine ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt werden, und es wurde auch bereits eine Rückkopplungssteuerung für das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis auszuführen, um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis leichter beibehalten zu können, wobei ein Abgasfühler benutzt wird, der ein die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das tatsächlich der Brennkraftmaschine zugeführt wird, angebendes Rückkopplungssignal zu erzeugen.

Beispielsweise ist es bei einem Fahrzeugmotor, der einen sogenannten Drei-Wege-Katalysator benutzt, der sowohl die Reduktion von Stickoxyden als auch die Oxydation von

130011/0628

Kohlenstoffmonoxyd und unverbrannten Kohlenwasserstoffen katalytisch unterstützen kann, die in den Abgasen enthalten sind, sehr wichtig, der Brennkraftmaschine immer ein genau stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch zuzuführen, da dieser Katalysator seine volle Arbeitsfähigkeit bei einem Abgas entwickelt, das durch Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erzeugt wird. Bei einer solchen Brennkraftmaschine ist es daher unverzichtbar, eine Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses durchzuführen.

Gewöhnlich benutzen herkömmliche Rückkopplungssteuereinrichtungen für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Aufrechterhalten eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einen Sauerstoffühler, der auf dem Prinzip einer Konzentrationszelle als Abgasfühler arbeitet, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen. Ein solcher Sauerstoffühler hat eine Schicht eines für Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, wie mit Kalzium stabilisiertes Zirkon, der in Form einer an einem Ende geschlossenen Röhre ausgebildet ist, wobei eine Meßelektrodenschicht porös an der Außenseite des Festelektrolytröhre und eine Bezugselektrodenschicht an der Innenseite der Röhre ausgebildet sind. Wenn sich eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meßelektrodenseite der Festelektrolytschicht ausbildet, erzeugt dieser Fühler eine elektromotorische Kraft zwischen den beiden Elektrodenschichten. Bei der Verwendung als Abgasfühler wird die Meßelektrodenschicht den Abgasen ausge-

13001 1/0628

setzt, während die Bezugseiektrodenschicht an der Innenseite atmosphärischer Luft ausgesetzt wird, die als Quelle eines Bezugssauerstoffpatialdruckes benutzt wird. Bei diesem Zustand zeigt die Größe einer von diesem Sauerstoffühler erzeugten elektromotorischen Kraft eine große und scharfe Änderung zwischen einem maximalen hohen Pegel und einem minimalen niedrigen Pegel beim Auftreten einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Gemisches, das der Brennkraftmaschine um ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis herum zugeführt wird. Es kann daher ein Steuersignal für die Kraftstoffzuführungsgröße aufgrund des Ergebnisses eines Vergleiches des Ausgangssignals von dem Sauerstoffühler mit einer Bezugsspannung erzeugt werden, die auf die Mitte zwischen den hohen und niedrigen Pegeln des Fühlerausgangssignals eingestellt wird.

Ein solcher Sauerstoffühler hat jedoch Nachteile, die durch eine erhebliche Temperaturabhängigkeit seiner Ausgangskennlinie, die Notwendigkeit einer Benutzung eines Bezugsgases, wie Luft, die Schwierigkeit bei der Verringerung der Größe und eine unbefriedigende mechanische Festigkeit gegeben sind.

Um diese Nachteile zu beseitigen, beschreibt die US-Patentanmeldung Ser. No. 12 763 vom 16. Februar 1979 einen fortschrittlicheren Sauerstoffühler, der die Bauart einer Konzentrationszelle mit einer flachen Festelektrolytschicht und Bezugs-Meßelektrodenschichten, die jeweils auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolyt-

130011/0628

schicht ausgebildet sind, sowie mit einer Abschirmungsschiclit hat, die auf der Bezugselektrodenseite der Festelektrolytschicht derart ausgebildet ist, daß sie die Bezugselektrodenschicht vollständig bedeckt. Entweder die Abschirmungsschicht oder die Festelektrolytschicht wird starr und dick genug gemacht, daß sie als ein Substrat dienen kann, und jede der übrigen drei Schichten kann als eine Dünnfilmschicht ausgebildet werden. Dieser Fühler benutzt keinerlei Bezugsgas. Anstelle dieses wird eine Gleichspannungsspeisequelle mit diesem Fühler derart verbunden, daß sie einen Strom durch die Festelektrolytschicht zwischen der Bezugs- und Meßelektrodenschicht hindurchtreibt, wodurch eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die Festelektrolytschicht in einer vorgewählten Richtung bewirkt wird, wodurch wiederum ein Bezugssauerstoffpartialdruck an der Grenzschicht zwischen der Festelektrolytschicht und der Bezugselektrodenschicht erzeugt wird. Die Besonderheiten dieses Sauerstoffühlers werden später erläutert.

Wenn dieser verbesserte Säuerstoffühler einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ausgesetzt wird, so zeigt er eine Ausgangskennlinie, die im wesentlichen gleich der des herkömmlichen Sauerstoffühlers ist, der einen rohrförmigen Festelektrolyten hat. Dieser Säuerstoffühler ist daher als eine Einrichtung einsetzbar, die ein Rückkopplungssignal in einer Steuereinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt, das auf einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten werden soll. Außerdem hat dieser Fühler Vorteile, wie die fehlende Notwendigkeit der Benutzung irgendeines Bezugsgases, die Möglichkeit,

13001 1/0628

inn mit kleinen Abmessungen herzustellen, und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und Schwingungen. Jedoch wird die Ausgangskennlinie dieses Sauerstofffühlers zu stark durch die Temperatur beeinflußt. Insbesondere, wenn die Temperatur des Fühlers etwa unter 5OO°C liegt, ändert sich die Ausgangskennlinie derart, daß er schwierig wird, einen Vergleich zwischen einer Bezugsspannung geeigneten Pegels und dem Ausgangssignal des Fühlers durchzuführen. Dieses führte zu großen Schwierigkeiten bei praktischen Steuereinrichtungen für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Kraftfahrzeugmotor en.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu Erzeugen eines Steuersignals für die Eückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer Verbrennungseinrichtung, wie den Brennkammern einer Brennkraftmaschine, zugeführt wird, zu schaffen, die ein verbessertes, gegenüber Sauerstoff empfindliches Element aufweist, das in einem von der Verbrennungseinrichtung abgegebenen Abgasstrom anzuordnen ist und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuersignal, wenn ein tatsächliches Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft-Kraftstoff-Gemisches von einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht, mit guter Stabilität und ohne Beeinflussung durch die Temperatur des Elementes selbst dann, erzeugen kann, wenn die Temperatur bemerkenswert niedrig ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist ein auf Sauerstoff empfindliches Element auf, das in einem von einer Verbrennungseinrichtung abgegebenen Abgasstrom anzuordnen ist

13001 1/0628

und erste und zweite Konzentrationszellen aufweist, die jeweils aus einer Schicht eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, einer Meßelektrodenschicht,' die auf einer Seite der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, einer Bezugselektrodenschicht, die auf der anderen Seite der Pestelektrolytenschicht ausgebildet ist, und einer Abschirmungsschicht aufgebaut sind, die auf der Bezugselektrodenseite der Festelektrolytschicht derart ausgebildet ist, daß die Bezugselektrodenschicht makroskopisch vollständig gegenüber einer umgebenden Atmosphäre durch die Abschirmungsschicht und die Festelektrolytschicht abgeschirmt ist, wobei mindestens eine der Abschirmungsschicht und der Festelektrolytschicht einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat. Die Einrichtung weist außerdem eine Gleichspannungsspeisequelle zum Hindurchtreiben eines ersten Gleichstromes einer bestimmten Intensität durch die I"estelektrolytschicht der ersten Konzentrationszelle von der Bezugselektrodenschicht zu der Meßelektrodenschicht und eines zweiten Gleichstromes einer bestimmten Intensität durch die Festelektrolytschicht der zweiten Konzentrationszelle von der Meßelektrodenschicht zu der Bezugselektrodenschicht hin und eine Signalerzeugungsschaltung auf, die eine Vergleichseinrichtung zur Vornahme eines Vergleichs zwischen einer ersten Ausgangsspannung, die zwischen der Bezugs- und Meßelektrodenschicht der ersten Zelle erzeugt wird, und einer zweiten Ausgangsspannung, die zwischen der Bezugsund Meßelektrodenschicht der zweiten Zelle erzeugt wird, um zu prüfen, welche der ersten und zweiten Ausgangs-

13001 1/0628

spannungen größer als die jeweils andere ist, sowie eine Signalgeneratoreinrichtung zum Erzeugen eines Luft-Kraftstoff -Verhältnis-Steuersignals hat, das sich nach Maßgabe einer Hoch-Niedrig-Beziehung zwischen den ersten und zweiten Ausgangsspannungen, die von der Vergleichs einrichtung geprüft wurden, ändert.

Der Stromfluß in jeder Zelle bedingt eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die Festelektrolytschicht zwischen der Bezugs- und Meßelektrodenschicht in einer Richtung entgegengesetzt zur Stromrichtung. Dadurch kann in der ersten Zelle ein Bezugssauerstoffdruck einer relativ hohen Größe auf der Seite der Bezugselektrode aufrechterhalten werden, während in der zweiten Zelle ein Bezugssauerstoffpartialdruck einer relativ niedrigen Größe auf der Seite der Bezugselektrode aufrechterhalten werden kann. Bei einem aus einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugtem Abgas wird daher die erste Ausgangsspannung höher als die zweite Ausgangsspannung, während bei einem aus einem mageren Gemisch erzeugten Abgas, das einen Luftüberschuß enthält, die erste Ausgangsspannung niedriger als die zweite Ausgangsspannung wird. Bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigt jede der ersten und zweiten Ausgangsspannungen eine scharfe Änderung zwischen einem hohen und einem niedrigen Pegel. Da die Ausgangskennlinien der ersten und zweiten Zellen in gleicher Weise von der Temperatur des auf Sauerstoff ansprechenden Elements beeinflußt werden, bleibt eine Hoch-Niedrig-Beziehung zwischen der ersten Ausgangs spannung und der zweiten Ausgangsspannung selbst dann unverändert, wenn die Temperatur des

130011/0628

Elementes sich erheblich ändert. Diese Einrichtung kann daher ein Steuersignal für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das auf einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten werden soll, mit guter Stabilität und Genauigkeit selbst dann erzeugen, wenn die Temperatur der Abgase sehr niedrig ist.

Grandsätζlieh können die erste und zweite Sauerstoffkonzentrationszelle in dem gegenüber Sauerstoff empfindlichen Element voneinander getrennt werden, jedoch werden bei der praktischen Anwendung die beiden Zellen vorzugsweise in einem einzigen Element vereinigt, indem entweder die Abschirmungsschichten oder die Festelektrolytschichten der beiden Zellen in einer einzigen Schicht vereinigt werden, die starr und dick genug gemacht wird, damit sie als ein Konstruktionsgrundelement oder Substrat für das gesamte Element dienen kann. Das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element kann vielfältig ausgebildet werden, wie dieses anhand der Beschreibung der bevorzugtan Ausführungsbeispiele erläutert wird.

So kann z.B. die Signalgeneratoreinrichtung bei der Erfindung durch die Kombination eines Spannungsteilers, dem eine Konstantspannung zugeführt wird, und eines Schalttransistors gebildet werden, deren Basis mit dem Ausgangsanschluß der Vergleichseinrichtung verbunden ist.

Gemäß einem bevorzugten Gedanken der Erfindung wird also eine Einrichtung mit einem gegenüber Sauerstoff empfindlichen Element geschaffen, das in einem von einer Ver-

13001 1/0628

brennungseinrichtung abgegebenen Abgasstrom anzuordnen ist, um die Abweichung eines tatsächlichen Luft-Kräftstoff-Gemischverhältnisses von einer der Verbrennungseinrichtung zugeführten Mischung gegenüber einem stöchiometrischen Verhältnis zu erfassen. Das Element ist eine Kombination aus zwei Sauerstoffkonzentrationszeilen, die jeweils eine Festelektrolyt schicht, eine Meßelektroäenschicht, die auf einer Seite der Elektrolytschicht gebildet ist, und eine Bezugselektrodenschicht hat, die auf der gegenüberliegenden Seite gebildet ist und mit einer Abschirmungsschicht bedeckt ist. Die Einrichtung umfaßt eine Gleichspannungsspeisequelle zum Hindurchtreiben eines Stroms durch die IFestelektrolytschicht einer jeden Zelle, wodurch eine Wanderung von Sauerstoffionen durch diese von der Meßelektrode zu der Bezugselektrode in einer Zelle und in umgekehrter Richtung in der anderen Zelle bedingt ist, und eine Schaltung, die einen Vergleich zwischen ersten und zweiten Ausgangsspannungen vornimmt, die jeweils durch die ersten und zweiten Zellen erzeugt werden, um zu prüfen, welche dieser beiden Ausgangsspannungen höher als die jeweils andere ist, und um ein Steuersignal nach Maßgabe des Vergleichsergebnisses zu erzeugen. Die Signalerzeugungsfunktion wird nicht durch die Temperatur des Elementes beeinflußt, so daß ein richtiges Steuersignal selbst dann erzeugt werden kann, wenn das Element noch nicht ausreichend erwärmt ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den TJnteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

130011/0628

Fig. Λ einen schematischen Schnitt eines herkömmlichen Sauerstoffühlers,

Pig. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration in einem von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgas und der Ausgangsspannung des in Fig. 1 gezeigten Sauerstoffühlers, der in dem Abgas angeordnet ist, von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches,

Fig. 3 schematisch und im Schnitt eines Grundaufbaus eines in jüngster Zeit entwickelten, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes zur Erläuterung der prinzipiellen Funkt ion des Elementes,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangskennlinien des in den Fig. 3 und 4- gezeigten Elementes im Abgas einer Brennkraftmaschine,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer Festelektrolytschicht bei dem in den Fig. 3 "und. 4 gezeigten Element von der Temperatur,

graphische Darstellungen der Abhängigkeit der Ausgangsspannung des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Elementes im Abgas einer Brennkraftmaschine von der Temperatur des Elementes,

13001 1/0628

Fig. 9 schematisch und teilweise im Schnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung des Steuersignals und

!"ig. 10 jeweils ähnlich der Fig. 9 vier unterschiedlich

bis 1^5

^J ausgebildete erfindungsgemäße Einrichtungen.

Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen wird ein herkömmlicher, weit verbreiteter Sauerstoffühler kurz erläutert und anschließend ein fortschrittlicheres, gegenüber Sauerstoff empfindliches Element näher erläutert, das in der vorstehend genannten US-Patentanmeldung beschrieben ist.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Sauerstofffühlers, der bei Kraftfahrzeugabgassystemen gegenwärtig benutzt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von den Brennkraftmaschinen zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischen festzustellen. Dieser Sauerstoffühler hat eine Schicht 10 aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, wie ZrO^, das mit CaO oder YpO^ stabilisiert ist, die in Form einer an einem Ende geschlossenen Röhre ausgebildet ist. An der Außenseite der Festelektrolytröhre 10 ist eine dünne und mikroskopisch poröse Meßelektrodenschicht 12 gebildet, die einem Abgas E ausgesetzt ist, wenn der Fühler in einer Abgasleitung 16 einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine angeordnet ist. An der Innenseite der Festelektrolytröhre 10 ist eine dünne und mikroskopisch poröse Bezugselektrodenschicht 14 gebildet, die gegenüber dem Abgas isoliert und einer atmosphärischen Luft A ausge-

13001 1/0628

setzt ist, die als Quelle eines Bezugssauerstoffpartialdruckes benutzt wird. Gewöhnlich wird Platin als das Material für die Elektrodenschichten 12 und 14 benutzt.

Die Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas E hängt in erster Linie von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemisches ab, das einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist, und, wie durch die Kurve Oo in Fig. 2 dargestellt ist, nimmt sie allmählich zu, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer wird. Jedoch ist eine elektromotorische Kraft, die über der Festelektrolytschicht 10 als eine Ausgangsspannung V des Säuerstoffühlers der Fig. 1 erzeugt wird, in dem Abgas nicht proportional der Sauerstoffkonzentration des Abgases. Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird eine örtliche Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche der Meßelektrodenschicht 12 etwa gleich Null, da dort Oxydationsreaktionen von CO, HC, also unverbrannten Kohlewasserstoffen, usw., die in dem Abgas enthalten sind, an der Oberfläche der Elektrodenschicht 12 auftritt, die aus einem katalytischen Material, wie Platin, hergestellt ist, so daß eine große Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen den Außen- und Innenseiten der Festelektrolytschicht 10 erzeugt wird. Die Ausgangsspannung V des Sauerstoffühlers bleibt daher praktisch konstant auf einem maximalen hohen Pegel, solang das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses liegt, das etwa 14,7 für ein Luft-Benzin-Gemisch beträgt, wie dieses durch die Kurve V in Fig. 2 dargestellt ist.

130011/0628

Wenn ein mageres Gemisch, der Brennkraftmas chine zugeführt ist, wird eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Luft A und dem Abgas E sehr klein, so daß die Ausgangsspannung V des Fühlers auf einem minimalen niedrigen Pegel praktisch konstant bleibt. Die Ausgangsspannung dieses Sauerstoffühlers im Abgas E zeigt daher eine große und plötzliche Änderung, wie dieses aus Fig. 2 zu erkennen ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert. Mit anderen Worten, im Abgas E zeigt dieser Sauerstoffühler eine EUT-AUS-Ausgangskennlinie in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Ausgangsspannung V dieses Sauerstoffühlers wird durch die Temperatur des Fühlers beeinträchtigt, wobei die Kennlinie V in Fig. 2 experimentelle Daten angibt, die bei einer konstanten Temperatur von 600⁰C erhalten wurden.

Bei einer herkömmlichen Steuereinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die einen Sauerstoffühler der in Fig. Λ gezeigten Art benutzt, um ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, wird die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers als ein Rückkopplungssignal benutzt und mit einer festen Bezugs spannung verglichen, die dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht und z.B. 500 mV im Falle eines Fühlers mit der Ausgangskennlinie der Fig. 2 beträgt. Während die Ausgangsspannung höher als die Bezugsspannung ist, wird eine Beurteilung, daß ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, vorgenommen und daher ein Steuersignal zum Vermindern der Kraft stoff zuführungsgröße erzeugt.

13001 1/0628

Während das Ausgangssignal des Fühlers unter der Bezugsspannung liegt, wird eine Beurteilung, daß ein mageres Gemisch, das einen Überschuß an Luft enthält, der Brennkraftmaschine zugeführt wird, vorgenommen und ein Steuersignal zum Vergrößern der KraftstoffZuführungsgröße erzeugt. In der Praxis hat dieser Säuerstoffühler jedoch Nachteile in verschiedener Hinsicht, wie dieses zuvor angegeben wurde.

Fig. $ zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines fortschrittlicheren, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes 20, das in der zuvor angegebenen US-Patentanmeldung beschrieben ist, sowie eine Erfassungseinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die das gleiche Element benutzt. Dieses gegenüber Sauerstoff empfindliche Element hat eine Abschirmungsschicht 22, die aus einem elektrochemisch inaktiven und hitzebeständigen Material hergestellt und dick genug ist, um als ein Konstruktionsgrundelement oder Substrat des Elementes 20 zu dienen. Eine Bezugselektrodenschicht 24, eine Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 26 und eine Meßelektrodenschicht 28 sind auf der Abschirmungsschicht 22 jeweils übereinander so gebildet, daß die Bezugselektrodenschicht 24 zwischen der Abschirmungsschicht 22 und der Festelektrolytschicht 26 sandwichartig eingeschlossen und makroskopisch vollständig gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschirmt ist. Die Meßelektrodenschicht 28 auf der Außenseite der Festelektrolytschicht ist so hergestellt, daß sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat, und mindestens eine der

13001 1/0628

Festelektrolytschicht 26 und der Abschirmungsschicht 22, gewöhnlich die erstere, ist so hergestellt, daß sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Pestelektrolytschicht 26 und die zwei Elektrodenschichten 24, 28 eine Sauerstoffkonzentrationszelle bilden, die eine elektromtorrische Kraft erzeugt, wenn eine Differenz im Sauerstoff partialdruck zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meßelektrodenseite der Festelektrolytschicht 26 auftritt. Bei diesem Element 20 braucht kein bestimmtes Bezugsgas an die Bezugselektrodenschicht 24 gegeben werden. Anstelle dieses ist eine Gleichspannungsspeisequelle 30 mit der Bezugs- und der Meßelektrodenschicht 24 und 28 verbunden, um einen Gleichstrom durch die Festelektrolytschicht 26 zwischen den beiden Elektrodenschichten 24 und 28 in einer ausgewählten Richtung hindurchzutreiben.

Beim Fall der Fig. 3 ist die Gleichspannungsspeisequelle 30 mit der Bezugs- und Meßelektrodenschicht 24 und 28 derart verbunden, daß ein Strom I^ durch die Festelektrolytschicht 26 von der Bezugselektrodenschicht 24 aus zu der Meßelektrodenschicht 28 hin fließt. Wenn daher dieses Element 20 in einem Sauerstoff enthaltenden Gas angeordnet wird, tritt eine Ionisation der Sauerstoffmoleküle an der Meßelektrodenschicht 28 auf, und die gebildeten Sauerstoffionen wandern durch die Festelektrolytschicht 26 zu der Bezugselektrodenschicht 24 hin. Die an der Bezugselektrodenschicht 24 ankommenden Sauerstoff ionen werden in Sauerstoffmoleküle umgeformt, so daß die Neigung besteht,

13001 1/0628

daß sich Sauerstoff an der Bezugselektrodenseite der Festelektrolytschicht 26 sammelt, wodurch sich ein Anstieg im Sauerstoffpartialdruck an dieser Seite ergibt. Jedoch fließt der sich sammelnde Sauerstoff laufend durch die poröse Festelektrolytschricht 26 nach außen ab. Daher wird ein nahezu konstanter Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht 24 und der Festelektrolytschicht 26 nach dem Verstreichen einer kurzen Zeitdauer erzeugt. Dann erzeugt die Konzentrationszelle in dem Element 20 eine elektromotorische Kraft, die einen Sauerstoffpartialdruck an der Meßelektrodenschicht 28 in Bezug auf den nahezu konstanten Sauerstoffdruck an der Bezugselektrodenschicht 24 angibt. Eine dieser elektromotorischen Kraft zugeordnete Aus gangs spannung V^, kann zwischen der Bezugs- und der Meßelektrodenschicht 24 und 28 gemessen werden.

Wenn dieses Element 20 in einem Abgas einer Brennkraftmaschine vorgesehen und mit der Speisung eines Gleichstroms einer geeigneten Intensität in der in Pig. 3 gezeigten Weise versehen wird, wird die Ausgangsspannung V^. entweder bemerkenswert hoch oder sehr niedrig nach Maßgabe des der Brennkraftmaschine zugeführten fetten oder mageren Gemisches.

Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, erzeugt die Zufuhr von Sauerstoff zu der Bezugselektrodenschicht 24 durch die Wanderung von Sauerstoffionen eine merkbare Wirkung, verglichen mit der geringen, nach innen gerichteten Diffusion von gasförmigem Sauerstoff,

13001 1/0628

der in dem Abgas enthalten ist, durch die poröse Festelektrolytschicht 24-. Die Größe eines konstanten Bezugssauerstoff partial druckes, der an dex Bezugselektrodenseite erzeugt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Abgastemperatur, der Intensität des Gleichstroms I- und der Dicke sowie dem Aufbau des Festelektrolytschicht 24·.

O P

So wird z.B. ein Bezugssauerstoffpartialdruck von 10 - 10 a erzeugt, wenn die Abgastemperatur 600⁰C beträgt und die Strom intensität gleich 3 /A.A ist, während der Sauerstoffpärtialdruck in dem Abgas gleich 10 - 10"^ atm ist. Wenn daher ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V₁ auf einem bemerkenswert hohen Pegel, wie dieses durch die mit einer durchgezogenen Linie angegebene Kurve V,, in Jig. 5 angegeben ist. Wenn jedoch ein mageres Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird die Wirkung der Wanderung .der Sauerstoffionen zu der Bezugselektrode 24- relativ gering, verglichen mit der nach innen gerichteten Diffusion einer größeren Menge von gasförmigem Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht 26. Dadurch wird die Differenz zwischen dein Bezugssauerstoffpartialdruck an der Bezugselektrodenseite und dem Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas sehr klein, so daß die Ausgangs spannung V^ bei einem sehr niedrigen Pegel bleibt, wie dieses in Fig. 5 gezeigt ist. Daher tritt eine große und scharfe Änderung im Pegel der Ausgangs spannung V^ auf, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert. Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung kann daher die gleiche Funktion ausüben wie der in Fig. 1 gezeigte herkömmliche Sauerstoffühler in einem Abgas.

130011/0628

]fig. 4· zeigt einen weiteren Fall, bei der die Gleichspannungsspeisequelle 30 mit der Bezugs- und Meßelektrodenschicht 24· und 28 des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes 20 derart verbunden ist, daß ein Gleichstrom Ip durch die Festelektrolytschicht 26 von der Meßelektrodenschicht 28 zu der Bezugselektrodenschicht 24- fließt. Bei diesem Fall werden zu der Bezugselektrodenschicht 24-diffundierende Sauerstoffmoleküle an dieser Elektrodenfläche 24- ionisiert, und die gebildeten Sauerstoff ionen wandern durch die Festelektrolytschicht 26 nach außen. An der Meßelektrodenschicht 28 werden die Sauerstoffionen in gasförmigen Sauerstoff umgeformt, der an die äußere Gasatmosphäre freigegeben wird. Es besteht daher die Neigung, den Sauer stoff partial druck an der Bezugselelctrodenseite der Festelektrolytschicht 26 zu vermindern. Ausgeglichen durch die Diffusion nach innen von Sauerstoffmolekülen durch die Festelektrolytschicht stellt sich ein nahezu konstanter und relativ niedriger Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Bezugselektrodenschicht 24- und der Festelektrolytschicht 26 ein. Bei einem von einer Brennkraftmaschine, die mit einem mageren Gemisch betrieben wird, abgegebenen Abgas wird die Größe des so erzeug-

—20 -22

ten Bezugssauerstoffpartialdruckes gleich 10 - 10 atm, wenn z.B. die Abgastemperatur bei 600⁰C liegt und die ■ Intensität des Gleichstromes ^ 3 /iA beträgt. Die Ausgangsspannung Yp des Elementes 20 bleibt in diesem Fall bei einem bemerkenswert hohen Pegel, wie es durch die mit gestrichelten Linien in Fig. 5 angegebene Kurve V₂ gezeigt ist. Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V₂ ^auf einem

13001 1/0628

relativ niedrigen Pegel, wie dieses in Pig. 5 gezeigt ist, da die Ionisation des Sauerstoffes an der Bezugselektrodenschicht 24 dadurch unbedeutend wird, daß ein großer Abfall in der Menge des gasförmigen Sauerstoffs auftritt, der durch, die Feststoffelektrolytschicht 26 nach innen diffundiert. Auch in diesem Fall tritt daher eine große und scharfe Änderung in dem Pegel der Ausgangsspannung ?2 ^aui? wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert.

Sowohl im Fall der Fig. 3 als auch im Fall der Fig. 4 soll die Gleichspannungsspeisequelle 30 einen konstanten Strom abgeben, so daß der Strom I^ oder Ip, der durch die Festelektrolytschicht 26 zwischen den zwei Elektrodenschichten 24 und 28 hindurchgetrieben wird, ein konstanter' Strom ist.

Bei den in Fig. 3 oder Fig. 4 gezeigten Anordnungen sind die Gleichspannungsspeisequelle 30 und ein hier nicht gezeigtes Spannungsmeßinstruinent beide zwischen die Bezugsund die Meßelektrodenschicht 24 und 28 geschaltet. Die Ausgangsspannungen V^ oder V~ des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes wird daher die Summe einer elektromotorischen Kraft des Elementes 20, und einer Spannung, die über der Festelektrolytschicht 26 erzeugt wird, die einen elektrischen Widerstand R hat, in dem der Konstant strom oder Ί-2 durch diese fließt, das heißt, gleich einer Spannung, die durch I^·R oder ^»R ausgedrückt ist. Der Widerstand R der Festelektrolytschicht 26 hängt erheblich von der Temperatur des Elementes 20 ab, wie dieses beispielsweise in Fig.

13001 1/0628

gezeigt ist. In diesem Fall steigt der Widerstand R stark an, wenn sich die Temperatur des Elementes 20 vermindert. Vie es in den Fig. 7 und. 8 gezeigt ist, besteht eine Tendenz, daß die Ausgangsspanmmg V_x. oder V~ höher wird, wenn sich die Temperatur erniedrigt, und diese Tendenz wird sehr stark, wenn die Temperatur unterhalb eines bestimmten Pegels, z.B. unterhalb von etwa 55O°C, liegt.

Beim Ausführen der Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine unter Benutzung der Einrichtung aus Fig. 3 oder Fig. 4 wird gewöhnlich die Ausgangs spannung V,, oder Vp mit einer festen Bezugsspannung V von 0,5 Volt verglichen, wenn eine normale Ausgangskennlinie der Einrichtung aus Fig. 3 oder 4- vorliegt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Fig. 7 unä- 8 zeigen, daß, wenn die Temperatur des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes 20 unterhalb von 4-5O⁰C liegt, die Ausgangs spannung V^ oder V₂ oberhalb der Bezugsspannung V_r bleibt, unabhängig davon, ob ein fettes oder mageres Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, so daß damit die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unmöglich wird. Mit anderen Worten, eine stabile Arbeitsweise einer Rückkopplungssteuereinrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die eine Einrichtung der Fig. 5 oder 4- enthält, wird schwierig, wenn die Temperatur des Elementes 20 oder die Abgastemperatur z.B. unterhalb von etwa 55O⁰G liegt.

Wie zuvor erwähnt wurde, löst die Erfindung dieses Problem und nutzt die wesentlichen Merkmale des fortschrittlichen,

13001 1/0628

gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes optimal aus.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erzeugung eines Steuersignals für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Im wesentlichen besteht diese Einrichtung aus einem gegenüber Sauerstoff empfindlichen Element 40, einer Gruppe von Gleichspannungsspeisequellen 5OA und 50B und einer Signal erz eugungsschaltung 60.

Das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 40 hat eine Abschirmungsschicht 42, die starr und dick genug ist, um als ein Substrat für das Element 40 zu wirken. An einer Seite der Abschirmungsschicht 42 sind eine erste Bezugselektrodenschicht 44A, eine erste, für Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 46A und eine erste Meßelektrodenschicht 48A jeweils übereinander derart gebildet, daß die Bezugselektrodenschicht 44A makroskopisch vollständig gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch die. Abschirmungsschicht 42 und die Festelektrolytschicht 46A abgeschirmt ist. Jede der drei Schichten 44A, 46A und 48A sind Dünnfilm-Schichten, und die Meßelektrodenschicht 48A und die Festelektrolytschicht 46A sind beide mikroskopisch porös und gasdurchlässig. An der gegenüberliegenden Seite der Abschirmungsschicht 42 sind eine zweite Bezugselektrodenschicht 44B, eine zweite Sauerstoff leitende Festelektrolytschicht 46B und eine zweite Meßelektrodenschicht 48B jeweils übereinander und im wesentlichen symmetrisch zu den entsprechenden Schichten 44A, 46A und

13001 1/0628

48A auf der anderen Seite ausgebildet. Die zweite Bezugselektrodenschicht 44B ist makroskopisch vollständig gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschirmt, und die zweite Meßelektrodenschicht 48B sowie die zweite Festelektrolytschicht 46B sind mikroskopisch porös und gasdurchlässig.

Dieses Element 40 kann daher als eine Zusammenfassung von zwei Anordnungen von Sauerstoffkonzentrationszellen aufgefaßt werden. Das heißt, eine ist aus der ersten Festelektrolytschicht 46A, der ersten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44A, 48A und der Abschirmungsschicht 4-2 gebildet, während die andere aus der zweiten Festelektrolytschicht 46B, der zweiten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44B, 48B und der Abschirmungsschicht 42 gebildet, die von beiden Zellen gemeinsam benutzt wird.

Eine erste Gleichspannungsspeisequelle 50-Δ-, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, ist mit der Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44A und 48A der ersten Zelle so verbunden, daß ein Gleichstrom I^ einer bestimmten Intensität durch die erste Festelektrolytschicht 46A von dem Bezugselektrodenschicht 44A zu der Meßelektrodenschicht 48A hindurchgetrieben wird. Eine zweite Gleichspannungsspeisequelle 5OB, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, ist mit den Elektrodenschichten 44B und 48B der zweiten Zelle so verbunden, daß ein Gleichstrom Ip einer bestimmten Intensität durch die zweite Festelektrolytschicht 46B von der Meßelektrodenschicht 48B zu der Bezugselektrodenschicht 44B hin hindurchgetrieben wird. Wenn daher das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 40 in einem

13001 1/0628

Sauerstoff enthaltenden Gas angeordnet ist, wie dem Abgas einer Brennkraftmaschine, tritt eine Ionisation des Sauerstoffes an der ersten Meßelektrodenschicht 48A auf, und die gebildeten Sauerstoffionen wandern durch die erste Festelektrolytschicht 46A zu der ersten Bezugselektrodenschicht 44A, während in der Zelle an der gegenüberliegenden Seite Sauerstoffionen durch die zweite Eestelektrolytschicht 46B von der Bezugselektrodenschicht 44B zu der Meßelektrodenschicht 48B hin wandern.

Die Schaltung 60 hat einen Tergleicher 62 und einen Schalttransistor 64·. Der positive Eingangs ans chluß des Vergleichers 62 ist mit der ersten Bezugselektrodenschicht 44A des Elementes 4-0 verbunden, um eine Ausgangsspannung V* der ersten Konzentrationszelle zu erhalten, und der negative Eingang des Vergleichers ist mit der zweiten Meßelektrodenschicht 48B verbunden, um eine Ausgangsspannung Vp der zweiten Konzentrationszelle zu erhalten. Der Ausgang des Vergleichers 62 ist mit der Basis des Schalttransistors 64 über einen Widerstand R,. verbunden.. Eine Speisespannung V wird dem Kollektor des Transistors 64 über einen Widerstand R~ zugeführt, und der Emitter dieses Transistors 64 ist über einen Widerstand E, geerdet. Wenn der Transistor 64 leitend ist, bilden die Widerstände R~ und R, einen Spannungsteiler. Mit einem Ausgang des Spannungsteilers auf der Emitterseite ist ein Ausgangsanschluß 66 der Schaltung 60 verbunden.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Einrichtung entspricht die die erste JFestelektrolytschicht 46A aufweisende erste

130011/0628

Konzentrationszelle dem Element JO in Fig. 3, und die die zweite Fe st elektrolyt schicht 46B aufweisende zweite Konzentrationszelle entspricht dem Element 30 in Fig. 4. Wenn das Element 40 der Fig. 9 in einem Abgas einer Benzin verbrennenden Brennkraftmaschine angeordnet ist, zeigt die erste Konzentrationszelle eine Ausgangskennlinie, wie sie in Fig. 5 durch die Kurve V,, dargestellt ist, während die zweite Zelle eine Ausgangskennlinie zeigt, wie sie durch die Kurve V₂ ^1:EL ^¹S* 5 angegeben ist. Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird die Ausgangsspannung Y. der ersten Zelle sehr viel größer als die Ausgangsspannung V₂ der zweiten Zelle, so daß der Vergleicher 62 ein größeres Eingangssignal an seinem positiven Eingang als an seinem negativen Eingang erhält. Der Vergleicher 62 erzeugt daher eine Ausgansspannung für die Basis des Schalttransistors 64, so daß der Transistor 64 leitend wird, und ein Steuersignal S einer bestimmten Spannung an den Ausgangsanschluß 66 gibt. Wenn z.B. die Speisespannung V gleich 12 Volt ist, der Widerstand R₂ gleich 11 k^Xist, und der Widerstand R- gleich 1 kilist, wird die Amplitude des Steuersignals S_n gleich 1 Volt. Dieses Steuersignal S„ wird an eine hier nicht gezeigte Kraftstoffzuführungsregeleinrichtung gegeben, um die Kraftstoffzuführungsgröße zu vermindern, bis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht ist. Wenn ein mageres Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird die Ausgangsspannung V^ der ersten Zelle sehr viel niedriger als die Ausgangsspannung Vp der zweiten Zelle, wodurch der Vergleicher

130011/0628

ein größeres Eingangssignal an seinem negativen Eingang als an seinem positiven Eingang erhält. Der Vergleicher. erzeugt daher nicht langer ein Ausgangssignal, so daß der Transistor 64· gesperrt wird. Das Steuersignal S. am Ausgang 66 wird daher gleich Null Volt, wodurch die Kraftstoffzuführungsregeleinrichtung die Kraftstoffzuführungsgröße vermindert, bis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht ist.

Beide Ausgangsspannungen V^ und V₂ hängen von der Temperatur des Elementes 4-0 ab, und wenn die Temperatur niedriger wird, werden beide Ausgangsspannungen V^ und V₂ in gleicher Weise höher. Dadurch bleibt ein Hoch-Niedrig-Verhältnis zwischen den beiden Ausgangsspannungen V^, und Vp selbst dann unverändert, wenn die Temperatur sich beispielsweise bis auf 450⁰C erniedrigt, um einen großen Anstieg des maximalen Pegels einer jeden Ausgangsspannung V-, V₂ zu bewirken, wie dieses anhand der Fig. 7 und 8 zu erkennen ist. Bei einer Eiickkopplungssteuereinrichtung, die die in Fig. 9 gezeigte Signalerzeugungseinrichtung aufweist, braucht keine feste Bezugsspannung benutzt zu werden, die der in Fig. 7 und 8 gezeigten Bezugsspannung V entspricht. Durch Verwendung der Einrichtung aus Fig. 9 ist es daher möglich, eine Eückkopplungssteuerung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Richtung eines stöchiometrischen Verhältnisses ohne ungünstige Einflüsse stabil durchzuführen, die durch Änderungen der Temperatur des Elementes 4-0 oder des Abgases bedingt sind, in dem das Element 40 angeordnet ist.

130011/062 8

I"ig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein gegenüber Sauerstoff empfindlich.es Element 41 bei dieser Signalerzeugungseinrichtung ist im Prinzip gleich dem in Pig. 9 gezeigten Element, unterscheidet sich jedoch in der .Anordnung der zwei Sauerstoffkonzentrationszellen. Die Zusammenfassung der ersten Bezugselektrodenschicht 44A, der ersten Festelektrolytschicht 46A und der ersten Meßelektrodenschicht 48A ist so ausgebildet, daß sie einen begrenzten Teil des Oberflächenbereichs der Abschirmungsschicht 42 einnimmt. Mit Abstand zu dieser Zusammenfassung, aber auf der gleichen Seite der Abschirmungsschicht 42, ist die Zusammenfassung der zweiten Bezugselektrodenschicht 44B, der zweiten Fe st elektrolyt schicht 46B und der zweiten Meßelektrodenschicht 4-8B in gleicher Weise wie die Zusammenfassung der drei Schichten 44A, 46A und 48A ausgebildet. Die Abschirmungsschicht 42 ist den zwei Konzentrationszellen gemeinsam und dient auch als Substrat für das gesamte Element 41.

In Bezug auf die anderen Merkmale ist die Einrichtung der Pig. 10 in der gleichen Weise aufgebaut wie .die in Pig. 9 gezeigte Einrichtung. Eine erste Gleichspannungsspeisequelle 50A ist mit der ersten Zelle des Elementes 41 derart verbunden, daß ein konstanter Gleichstrom I^ durch die erste Festelektrolytschicht 46A von der ersten Bezugselektrodenschicht 44A zu der ersten Meßelektrodenschicht 48A hin gezwungen wird. Die zweite Gleichspannungsspeisequelle 50B ist mit der zweiten Zelle so verbunden, daß ein konstanter Strom L·, durch die zweite Pestelektro-

13001 1/0628

lytschicht 46B von der Meßelektrodenschicht 48B zu der Bezugselektrodenschicht 44B hin gezwungen wird. Die Ausgangsspannung V^j der ersten Zelle und die Ausgangsspannung Vo der zweiten Zelle werden jeweils an die positiven und negativen Eingänge des Vergleichers 62 der Signalerzeugungsschaltung 60 gegeben. Daher ist die Arbeitsweise der Einrichtung der Fig. 10 mit dem in einem Abgas angeordneten Element 41 gleich der der Einrichtung der Fig. 9-

Fig. 11 zeigt eine Signalerzeugungseinrichtung, die fast der in Fig. 10 gezeigten Einrichtung identisch ist. Als einzige Abvrandlung hat das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 43 in dieser Einrichtung eine einzige Festelektrolytschicht 46G, die als die Vereinigung der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 46A und 46B bei dem Element 41 der Fig. 10 aufgefaßt werden kann. Das heißt, ein Teil dieser Festelektrolytschicht 46G, die zwischen der ersten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44A und 48A liegt, wird zum Bilden der ersten Konzentrationszelle benutzt, während ein anderer Teil, der zwischen der zweiten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44B und 48B liegt, zur Bildung der zweiten Zelle benutzt wird. Selbstverständlich sind die ersten und zweiten Bezugselektrodenschichten 44A und 44B voneinander beabstandet, und die ersten und zweiten Meßelektrodenschichten 48A und 48B sind voneinander beabstandet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 11 gezeigte Einrichtung identisch mit den in den Fig. 9 und 10 gezeigten Einrichtungen arbeitet.

130011/0628

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein gegenüber Sauerstoff empfindliches Element 45 bei dieser Signalerzeugungseinrichtung hat eine einzige Festelektrolytschicht 46, die in Form einer starren Platte vorliegt und dick genug ist, um als ein Konstruktionsgrundteil oder ein Substrat dieses Elementes 45 zu dienen. An einer Seite dieser Festelektrolytschicht 46 sind eine dünne erste Bezugselektrodenschicht 44A und eine dünne zweite Bezugselektrodenschicht 44B mit einem Abstand zwischen ihnen ausgebildet. Auf der gleichen Seite der Festelektrolytschicht 46 sind eine erste Abschirmungsschicht 42A zum vollständigen Bedecken der ersten Bezugselektrodenschicht 44A und eine zweite Abschirmungsschicht 44B zum vollständigen Bedecken der zweiten Bezugselektrodenschicht 443 gebildet. An der gegenüberliegenden Seite der Festelektrolytschicht 46 ist eine erste Meßelektrodenschicht 4SA derart gebildet, daß sie einen begrenzten Bereich einnimmt und der ersten Bezugselektrodenschicht 44A im wesentlichen gegenüberliegt. Auf der gleichen Seite ist eine zweite Meßelektrodenschicht 48B so ausgebildet, daß sie von der ersten Meßelektrodenschicht 48A beabstandet ist und der zweiten Bezugselektrodenschicht 44B im wesentlichen gegenüberliegt. Auch in diesem Fall kann die Festelektrolytschicht 46 mikroskopisch porös gemacht werden. Andererseits kann die Festelektrolytschicht 46 so ausgebildet sein, daß sie einen festen, dichten und praktisch gasundurchlässigen Aufbau hat, wobei dann die ersten und zweiten Abschirmungsschichten 42A und 42B mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet werden müssen. Wenn die Festelektrolytschicht 46 gasundurchlässig ist, jedoch

13001 1/0628

die Abschiirmungsschichten 42A., 42B gasdurchlässig sind, werden auch, die Bezugselektrodensehichten 44A, 44B gasdurchlässig gemacht. Auch dieses gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 45 weist also zwei Anordnungen von Sauerstoffkonzentrationszellen auf.

Neben dem zuvor beschriebenen Unterschied in der Ausbildung des Elementes 45 ist die Einrichtung der Fig. identisch mit der in Fig. 9 gezeigten Einrichtung aufgebaut, so daß sie auch die gleiche Funktion wie die in Fig· 9 gezeigte Einrichtung hat.

Fig. 13 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 12 gezeigten Elementes 45. Das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 47 der Fig. 13 wird durch Vereinigung der ersten und zweiten Abschirmungsschichten 42A und 42B in Fig. zu einer einzigen Abschirmungsschicht 42G gebildet, die die ersten und zweiten Bezugselektrodenschichten 44A und 44B bedeckt. Während die Festelektrolytschicht 46 einen gasundurchlässigen Aufbau hat, ist diese Abschirmungsschicht 42C mikroskopisch porös und damit gasdurchlässig. In Bezug auf die anderen Merkmale ist die Einrichtung der Fig. 13 identisch der Einrichtung der Fig. 12 in Aufbau und Arbeitsweise.

Bei jedem der in den Fig. 9 bis 13 gezeigten, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementen kann wahlweise eine poröse Schutzschicht vorgesehen werden, die die ersten und zweiten Meßelektrodenschichten 48A, 48B bedeckt, falls gewünscht, zusammen mit den Außenflächen der Fest-

130011/0628

elektrolytschicht oder -schichten, oder sogar den gesamten Außenflächen des Elementes.

Das Haterial für jede Pestelektrolytschicht 46, 4-6A, 46B, 46C kann aus Materialien eines für Säuerstoffionen leitenden Festelektrolytmaterials ausgewählt werden, das "bei herkömmlichen Sauerstof fühl era der Konzentrationszellenbauart benutzt wird. Einige Beispiele sind ZrO₂, stabilisiert mit CaO, ^2⁰V ^Sr0' ^Mg0' ^Til02' ^¥03 ^0<3-^er Ta₂O₅; Bi₂O^, stabilisiert mit Fb₂O₅, SrO, WO,, Ta₂O₅ oder Ί^Ο-, sowie Y₀O-Z, stabilisiert mit ThO₀ oder CaO. Wenn die Festelektrolytschicht 46 als das Substrat des Elementes benutzt wird, wie dieses in den Fig. 12 und 13 gezeigt ist, kann diese Schicht 46 z.B. durch Sintern eines in einer Presse geformten Pulvermaterials oder durch Sintern eines sogenannten grünen Blattes hergestellt werden, das durch Formen oder Extrudieren einer nassen Verbindung erhalten wird, die ein pulverisiertes, festes Elektrolytmaterial als Grundkomponente enthält. Wenn die Abschirmungsschicht 46 als das Substrat des Elementes benutzt wird, kann jede Festelektrolytschicht 46A, 46B, 46C als eine dünne filmähnliche Schicht mit Hilfe einer physikalischen Ablagerungstechnik, wie Zerstäuben oder Plattieren durch Ionenaustausch, oder durch eine elektrochemische Technik, wie Plattieren, oder durch einen Vorgang erhalten werden, mit den Schritten des Drückens einer Paste, die ein pulverisiertes festes Elektrolytmaterial enthält, auf dem Substrat und anschließendes Brennen des mit Paste versehenen Substrates.

130011/0628

Jede Abschirmungsschicht 42, 4-2A, 42B, 4-2C ist gewöhnlich, aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, wie Aluminiumoxyd, Mullit, Spinel oder Forsterit hergestellt. Wenn sie als das Substrat des Elementes dienen sollen, wird die Abschirmungsschicht 42 z.B. durch Sintern entweder eines grünen Blattes oder eines in einer Presse geformten !Pulvermaterials oder durch Bearbeiten eines Körpers aus einem ausgewählten Material gebildet. Wenn die Pestelektrolytschicht 46 als das Substrat benutzt wird, kann jede Abschirmungsschicht 42A, 42B, 42C als eine relativ dünne filmähnliche Schicht gebildet werden, z.B. durch eine physikalische Ablagerungstechnik, durch Plasmasprühen oder durch die Schritte des Drückens einer ein pulverförmiges Keramikmaterial enthaltenden Paste auf das Substrat und anschließendes Sintern der bedruckten Pastenschicht.

Jede der Bezugs- und Meßelektrodenschichten 44A, 44B, 48A, 48B ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, das aus Elektrodenmaterialien für herkömmliche Festelektrolyt-Sauerstoffühler ausgewählt ist. Beispiele sind Metalle aus der Platingruppe, die eine katalytisch^ Wirkung auf die Oxydationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxyd, und dergl. zeigt, wie Pt, Pd, Eu, Eh, Os und Ir, einschließlich von Legierungen dieser Metalle der Platingruppe und Legierungen eines Metalls aus der Platingruppe mit einem G-rundmetall, sowie einigen anderen Metallen und Oxydhalbleitern, wie Au, Ag, SiC, TiOpj CoO und LaCrO^, die die zuvor erwähnten Oxydationsreaktionen katalytisch nicht beeinflussen. Jede Elektrodenschicht wird auf einer Abschirmungs-

130011/0628

schicht oder einer Festelektrolytschicht als eine relativ dünne filmähnliche Schicht gebildet, z.B. durch eine physikalische Ablagerungstechnik, wie Zerstäuben oder plattieren durch Ionisation, oder durch eine elektrochemische Technik, wie 25.B. Plattieren, oder durch Drucken einer ein pulverisiertes Elektrodenmaterial enthaltenden Pasten und anschließendes Brennen der mit der Paste versehenen Abschirmungsschicht und/oder der Pestelektrolytschicht.

Pur die zuvor erwähnte poröse Schutzbeschichtung können hitzebeständige und elektrisch isolierende Materialien, wie Aluminiumoxyd, Spinel, Mullit oder Kalziumzirkonat ■ (CaO-ZrOo) benutzt werden. Die poröse Schutzbeschichtung kann z.B. durch Plasmasprühen oder durch die Schritte des Eintauchens des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes in einer Aufschlämmung eines ausgewählten Pulvermaterials, Trocknen des mit der Aufschlämmung behafteten Elementes und anschließendes Brennen des so behandelten Elementes hergestellt werden.

130011/0628

Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DlPL-INQ

H. KINKELDEY

DH-INO

W. STOCKMAIR

Dn-INa-AaElOU-TECH)

K. SCHUMANN

. DH RfR ΝΑΓ · DPL-PHva

P. H. JAKOB

DIPU-INa

G. BEZOLD

CA RER NAT · OcFL-CHEM

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSe 43

28. Juli 1980 P 15 314- -

NISSAN MOTOR CO., LTD.

2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals
für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungseinrichtung

Patent ansprüche

M.j Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer Verbrennungseinrichtung zugeführt wird, gekennzeichnet durch:

ein auf Sauerstoff empfindliches Element .(4O, 41, ...), das in einem Abgasstrom von der Verbrennungseinrichtung anzuordnen ist und erste und zweite Säuerstoffkonzentrationszellen aufweist, die jeweils durch eine Schicht (46,

130011/0628

TELEFON <oao) 02 2862 TELEX OB-SSSBO TELESRAMME MONAPAT TELEKOPIEREFi

46A, 46B, 46C) eines für Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, eine Meßelektrodenschicht (48A, die auf einer Seite der Festelektrolytenschicht gebildet ist, eine Bezugselektrodenschicht (44A, 44B), die auf der anderen Seite der Festelektrolytenschicht gebildet ist, und eine Abschirmungsschicht (42, 42A, 42B, 42C) bestehen, 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 der Festelektrolytenschicht und der Abschirmungsschicht einer jeden Konzentrationszelle einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat,

eine Gleichspannungsspeisequelle (5OA, 50B) zum Hindurchtreiben eines ersten Gleichstroms (I,,) einer bestimmten Intensität durch die Festelektrolytenschicht der ersten Zelle von der Bezugselektrodenschicht (44A) zu der Meßelektrodenschicht (48A) hin und eines zweiten Gleichstromes (Ip) einer bestimmten Intensität durch die Festelektrolytenschicht der zweiten Zelle von der Meßelektrodenschicht (48B) zu der Bezugselektrodenschicht (44B) hin, und

eine Signalerzeugungsschaltung (60), die eine ■Vergleichseinrichtung (62) zum Vergleichen einer ersten Ausgangsspannung (V,,), die zwischen der Bezugs- und der Meßelektrodenschicht der ersten Zelle erzeugt wird, und einer zweiten Ausgangsspannung (Vp), die zwischen der Bezugs- und der Meß elektroden schicht der zweiten Zelle

130011/0628

erzeugt wird, um zu prüfen, welche der ersten und zweiten Ausgangsspannungen größer als die andere ist, und eine ■ Signalgeneratoreinrichtung (64, Rp» ^x) ^zum Erzeugen eines Steuersignals aufweist, das nach. Maßgabe einer Hoch-Niedrig-Beziehung zwischen den ersten und zweiten Ausgangsspannungen, die von der Vergleichseinrichtung geprüft sind, sich ändert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsschicht der ersten Zelle und die Abschirmungsschicht der zweiten Zelle in einer einzigen Abschirmungsschicht (42) vereinigt sind, die so geformt und bemessen ist, daß sie als ein Konstruktionsgrundteil des sauerstoffempfindlichen Elementes dient.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugselektrodenschicht (44A) der ersten Zelle auf einer Seite der einzigen Abschirmungsschicht liegt, während die Bezugselektrodenschicht (44B) der zweiten Zelle auf der entgegengesetzten Seite der einzigen Abschirmungsschicht (42) liegt, so daß die ersten und zweiten Zellen im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine Mittenebene in der einzigen Ab schirmungs schicht angeordnet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bezugselektrodenschicht (44A) der ersten Zelle und die Bezugselektrodenschicht (44B) der zweiten Zelle auf der gleichen Seite der einzigen Abschirmungsschicht (42) liegen, so daß die ersten und

130011/0628

zweiten Zellen im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur einzigen Abschirmungsschicht verläuft.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Festelektrolytschicht der ersten Zelle und die Festelektrolytschicht der zweiten Zelle in einer einzigen Festelektrolytschicht (46, 46C) vereint sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Festelektrolytschicht der ersten Zelle und die Festelektrolytschicht der zweiten Zelle in einer einzigen Festelektrolytschicht (46) vereinigt sind, die so geformt und bemessen ist, daß sie als ein Konstruktionsgrundteil des auf Sauerstoff empfindlichen Elements dient.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmungsschicht der ersten Zelle und die Abschirmungsschicht der zweiten Zelle in einer einzigen Abschirmungsschicht (420) vereinigt sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der ersten und zweiten Gleichströme (I_x., Ip) ein Eonstantstrom ist.

13001 1/0628
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalgeneratoreinrichtung . der Schaltung (60) einen Schalttransistor (64·) aufweist, dessen Basis elektrisch mit der Vergleichseinrichtung (62) derart verbunden ist, daß eine Ausgangsspannung von der Vergleichseinrichtung der Basis des Transistors zugeführt wird, wenn eine bestimmte der ersten und zweiten Ausgangsspannungen (V,,, Vo) höher als die andere ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Signalgeneratoreinrichtung einen Spannungsteiler (Ep, IU) aufweist, dem eine Speisespannung (V₀) zugeführt wird, wenn der Schalttransistor (64·) leitend ist, wobei das Steuersignal auf der Spannung am Ausgangsanschluß des Spannungsteilers beruht.

130011/062 8