DE3028599C2

DE3028599C2 - Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals für die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3028599C2
Application number: DE3028599A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Yokohama Ichida; Shigeo Yokosuka Ishitani; Shinji Yokohama Kimura; Hiroshi Kamakura 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: 1986-10-16
Also published as: JPS5621052A; FR2462706B1; DE3028599A1; FR2462706A1; JPS6029065B2; US4302312A; GB2056083A; GB2056083B

Description

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durch kann in der ersten Zelle ein Bezugssauerstoff- F i g. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit

druck einer relativ hohen Größe auf der Seite der Be- des elektrischen Widerstandes einer Festelektrolyt-

zugselektrode aufrechterhalten werden, während in der schicht bei dem in den F i g. 3 und 4 gezeigten Element

zweiten Zelle ein Bezugssauerstoffpartialdruck einer re- von der Temperatur,

lativ niedrigen Größe auf der Seite der B&iugselektrode 5 Fig.? und 8 graphische Darstellung der Abhängigaufrechterhalten werden kann. Bei einem aus einem fet- keit der Ausgangsspannung des in den F i g. 3 und 4 ten Luft-ICraftstoff-Gemisch erzeugtem Abgas wird da- gezeigten Elementes im Abgas einer Brennkraftmaschiher die erste Ausgangsspannung höher als die zweite ne von der Temperatur des Elementes,
Ausgangsspannung, während bei einem aus einem ma- F i g. 9 schematisch und teilweise im Schnitt eines geren Gemisch erzeugten Abgas, das einen Luftüber- 10 Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichschuß enthält, die erste Ausgangsspannung niedriger als tung zur Erzeugung des Steuersignals und
die zweite Ausgangsspannung wird. Bei einem stöchio- F i g. 10 bis 13 jeweils ähnlich der F i g. 9 vier untermetrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigt jede der er- schiedlich ausgebildete erfindungsgemäße Einrichtunsten und zweiten Ausgangsspannungen eine scharfe An- gen.

derung zwischen einem hohen und einem niedrigen Pe- 15 Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeigel. Da die Ausgaiigskennlinien der ersten und zweiten spiele der Erfindung im einzelnen wird ein herkömmli-Zeilen in gleicher Weise von der Temperatur des auf eher, weit verbreiteter Sauerstoffühler kurz erläutert Sauerstoff ansprechenden Elements beeinflußt werden, und anschließend ein fortschrittlicheres, gegenüber Saubldbt eine Hoch-Niedrig-Beziehung zwischen der er- erstoff empfindliches Element näher erläutert
sten Ausgangsspannung und der zweitem Ausgangs- 20 F i g. 1 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Sauerspannung selbst dann unverändert, wenn die Tempera- stoffühlers, der bei Kraftfahrzeugabgassystemen gegentur des Elementes sich erheblich ändert Diese Einrich- wärtig benutzt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis tung kann daher ein Steuersignal für die Rückkopp- von den Brennkraftmaschinen zugeführten Luftlungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das Kraftstoff-Gemischen festzustellen. Dieser Sauerstoffauf einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis 25 fühler hat eine Schicht 10 aus einem Sauerstoffionen gehalten werden soll, mit guter Stabilität und Genauig- leitenden Festelektrolyten, wie ZrO₂, das mit CaO oder keit selbst dann erzeugen, wenn die Temperatur der Y2O3 stabilisiert ist, die in Form einer an einem Ende Abgase sehr niedrig ist. geschlossenen Röhre ausgebildet ist An der Außenseite

Grundsätzlich können die erste und zweite Sauer- der Festelektrolytröhre 10 ist eine dünne und mikroskostoffkonzentrationszelle in dem gegenüber Sauerstoff 30 pisch poröse Meßelektrodenschicht 12 gebildet, die eiempfindlichen Element voneinander getrennt werden, nem Abgas E ausgesetzt ist, wenn der Fühler in einer jedoch werden bei der praktischen Anwendung die bei- Abgasleitung 16 einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschiden Zellen vorzugsweise in einem einzigen Element ver- ne angeordnet ist An der Innenseite der Festelektrolyteinigt, indem entweder die Abschirmungsschichten oder röhre 10 ist eine dünne und mikroskopisch poröse Bedie Festelektrolytschichten der beiden Zellen in einer 35 zugselektrodenschicht 14 gebildet, die gegenüber dem einzigen Schicht vereinigt werden, die starr und dick Abgas isoliert und einer atmosphärischen Luft A ausgegenug gemacht wird, damit sie als ein Konstruktions- setzt ist, die als Quelle eines Bezugssauerstoffpartialgrundelement oder Substrat für das gesamte Element druckes benutzt wird. Gewöhnlich wird Platin als das dienen kann. Das gegenüber Sauerstoff emprindliche Material für die Elektrodenschichten 12 und 14 benutzt Element kann vielfältig ausgebildet werden, wie dieses 40 Die Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas E anhand der Beschreibung der bevorzugten Ausfüh- hängt in erster Linie von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis rungsbeispiele erläutert wird. eines Luft-Kraftstoff-Gemisches ab, das einer Verbren-So kann z. B. die Signalgeneratoreinrichtung bei der nung in der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist, und, wie Erfindung durch die Kombination eines Spannungstei- durch die Kurve Ot in F i g. 2 dargstellt ist, nimmt sie lers, dem eine Konstantspannung zugeführt wird, und 45 allmählich zu, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gröeines Schalttransistors gebildet werden, deren Basis mit ßer wird. Jedoch ist eine elektromotorische Kraft, die dem Ausgangsanschluß der Vergleichseinrichtung ver- über der Festelektrolytschicht 10 als eine Ausgangsbunden ist. spannung V des Sauerstoffühlers der F i g. 1 erzeugt

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- wird, in dem Abgas nicht proportional der Sauerstoffsprüchen angegeben. 50 konzentration des Abgases. Wenn ein fettes Gemisch

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird eine örtli-

der Zeichnung erläutert Im einzelnen zeigt ehe Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche der

F i g. 1 einen schematischen Schnitt eines herkömmli- Meßelektrodenschicht 12 etwa gleich Null, da dort Oxy-

chen Sauerstoffühlers, dationsreaktionen von CO, HC, also unverbrannten

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit 55 Kohlewasserstoffen, usw, die in dem Abgas enthalten der Sauerstoffkonzentration in einem von einer Brenn- sind, an der Oberfläche der Elektrodenschicht 12 aufkraftmaschine abgegebenen Abgas und der Ausgangs- tritt, die aus einem katalytischen Material, wie Platin, spannung des in F i g. 1 gezeigten Sauerstoffühlers, der hergestellt ist, so daß eine große Differenz im Sauerin dem Abgas angeordnet ist, von dem Luff-Kraftstoff- stoffpartialdruck zwischen den Außen- und Innenseiten Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten 60 der Festelektrolytschicht 10 erzeugt wird. Die AusLuft-Kraftstoff-Gemisches, gangsspannung V des Sauerstoffühlers bleibt daher

F i g. 3 und 4 schematisch und im Schnitt eines Cirund- praktisch konstant auf einem maximalen hohen Pegel,

aufbaus eines in jüngster Zeit entwickelten, gegenüber solang das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterhalb eines

Sauerstoff empfindlichen Elementes zur Erläuterung stöchiometrischen Verhältnisses liegt, das etwa 14,7 für

der prinzipiellen Funktion des Elementes, 65 ein Luft-Benzin-Gemisch beträgt, wie dieses durch die

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangs- Kurve Vm F i g. 2 dargestellt ist.

kennlinien des in den Fi g. 3 und 4 gezeigten Elementes Wenn ein mageres Gemisch der Brennkraftmaschine

im Abgas einer Brennkraftmaschine, zugeführt ist, wird eine Differenz im Sauerstoffrjartial-

druck 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 F i g. 2 zu erkennen ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhälnis sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert Mit anderen Worten, im Abgas E zeigt dieser Sauerstoffühler eine EIN-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 F i g. 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 F i g. 1 gezeigten Art benutzt, um ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, wird die Ausgangsspannung des Sauerstoffühlers als ein Rückkopplungssignal benutzt und mit einer festen Bezugsspannung verglichen, die dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht und z. B. 500 mV im Falle eines Fühlers mit der Ausgangskennlinie der F i g. 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 Kraftstoffzuführungsgröße erzeugt

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 Sauerstoffühler jedoch Nachteile in verschiedener Hinsicht, wie dieses zuvor angegeben wurde.

Fig.3 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines fortschrittlicheren, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes 20, 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 26 ist so hergestellt, daß sie einen mikroskopisch porösen und gasdurchlässigen Aufbau hat und mindestens eine der 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 Festelektrolytschicht 26 und die zwei Elektrodenschichten 24, 28 eine Sauerstoffkonzentrationszelle bilden, die eine elektromotorische Kraft erzeugt wenn eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck 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 F i g. 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 Sauerstoffionen werden in Sauerstoffmoleküle umgeformt, so daß die Neigung besteht, 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 Festelektrolytschicht 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 Ausgangsspannung Vj 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 Fig.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, der in dem Abgas enthalten ist, durch die poröse Festelektrolytschicht 24. Die Größe eines konstanten Bezugssauerstoffpartialdruckes, der an der Bezugselektrodenseite erzeugt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Abgastemperatur, der Intensität des Gleichstroms Λ und der Dicke sowie dem Aufbau des Festelektrolytschicht 24. So wird z. B. ein Bezugssauerstoffpartialdruck von 10°—10² atm erzeugt, wenn die Abgastemperatur 600° C beträgt und die Stromintensität gleich 3 uA ist, während der Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas gleich 10-²— 10-³atm ist Wenn daher ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V| auf einem bemerkenswert hohen Pegel, wie dieses durch die mit einer durchgezogenen Linie angegebene Kurve Vi in F i g. 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 dem Bezugssauerstoffpartialdruck an der Bezugselektrodenseite und dem Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas sehr klein, so daß die Ausgangsspannung Vi bei einem sehr niedrigen Pegel bleibt, wie dieses in F i g. 5 gezeigt ist. Daher tritt eine große und scharfe Änderung im Pegel der Ausgangsspannung Vi auf, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert. Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung kann daher die gleiche Funktion ausüben wie der in F i g. 1 gezeigte herkömmliche Sauerstoffühler in einem Abgas.

F i g. 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 I₂ 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 Sauerstoffionen 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 Sauerstoffpartialdruck an der Bezugselektrodenseite 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 erzeugten Bezugssauerstoffpartialdruckes gleich ΙΟ-²⁰—10~²² atm, wenn z.B. die Abgastemperatur bei 600⁰C liegt und die Intensität des Gleichstromes I₂ 3 μΑ beträgt Die Ausgangsspannung V₂ des Elementes 20 bleibt in diesem Fall bei einem bemerkenswert hohen Pegel, wie es durch die mit gestrichelten Linien in F i g. 5 angegebene Kurve V₂ gezeigt ist. Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung V₂ auf einem relativ niedrigen Pegel, wie dieses in F i g. 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 V₂ auf, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches sich am stöchiometrischen Verhältnis ändert.

Sowohl im Fall der F i g. 3 als auch im Fall der F i g. 4 soll die Gleichspannungsspeisequelle 30 einen konstanten Strom abgeben, so daß der Strom h oder I₂, der durch die Festelektrolytschicht 26 zwischen den zwei Elektrodenschichten 24 und 28 hindurchgetrieben wird, ein konstanter Strom ist

Bei den in F i g. 3 oder 4 gezeigten Anordnungen sind die Gleichspannungsspeisequelle 30 und ein hier nicht gezeigtes Spannungsmeßinstrument beide zwischen die Bezugs- und die Meßelektrodenschicht 24 und 28 geschaltet Die Ausgangsspannungen V\ oder V₂ des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes wird daher die Summe einer elektromotorischen Kraft des Elements 20, und einer Spannung, die über der Festelektrolytschicht 26 erzeugt wird, die einen elektrischen Widerstand R hat, in dem der Konstantstrom /ι oder I₂ durch diese fließt, das heißt, gleich einer Spannung, die durch /i · R oder I₂ ■ R ausgedrückt ist. Der Widerstand R der Festelektrolytschicht 26 hängt erheblich von der Temperatur des Elementes 20 ab, wie dieses beispielsweise in Fig.6 gezeigt ist. In diesem Fall steigt der Widerstand R stark an, wenn sich die Temperatur des Elementes 20 vermindert. Wie es in den F i g. 7 und 8 gezeigt ist, besteht eine Tendenz, daß die Ausgangsspannung Vi oder V₂ 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 550° C, liegt.

Beim Ausführen der Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine unter Benutzung der Einrichtung aus F i g. 3 oder F i g. 4 wird gewöhnlich die Ausgangsspannung Vi oder V₂ mit einer festen Bezugsspannung V_r von 0,5 Volt verglichen, wenn eine normale Ausgangskennlinie der Einrichtung aus F i g. 3 oder 4 vorliegt, wie es in F i g. 5 gezeigt ist Die F i g. 7 und 8 zeigen, daß, wenn die Temperatur des gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes 20 unterhalb von 450° C liegt, die Ausgangsspannung Vi 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 F i g. 3 oder 4 enthält, wird schwierig, wenn die Temperatur des Elementes 20 oder die Abgastemperatur z. B. unterhalb von etwa 550° C liegt

Wie zuvor erwähnt wurde, löst die verbesserte Einrichtung dieses Problem und nutzt die wesentlichen Merkmale des fortschrittlichen, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elementes optimal aus.

F i g. 9 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel dieser 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 50.4 und 50ß und einer Signalerzeugungsschaltung 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 44Λ, eine erste, für Sauerstoffionen leitende Festelektrolytschicht 46Λ und eine erste Meßelektrodenschicht 48Λ jeweils übereinander derart gebildet, daß die Bezugselektrodenschicht 44/4 makroskopisch vollständig gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch die Abschirmungsschicht 42 und die Festelektrolytschicht 46A abgeschirmt ist Jede der drei Schichten 44Λ, 46Λ und 48Λ sind Dünnfilm-Schichten, und die Meßelektrodenschicht 48/4 und die Festelektrolytschicht 46i4 sind beide mikroskopisch porös und gasdurchlässig. An der gegenüberliegenden Seite der Abschirmungsschicht 42 sind eine zweite Bezugselektrodenschicht 44B, eine zweite Sauerstoff leitende Festelektrolytschicht 465 und eine zweite Meßelektrodenschicht 48ß jeweils übereinander und im wesentlichen symmetrisch zu den entsprechenden Schichten 44A,

46/4 und 48Λ auf der anderen Seite ausgebildet. Die zweite Bezugselektrodenschicht 445 ist makroskopisch vollständig gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschirmt, und die zweite Meßelektrodenschicht 485 sowie die zweite Festelektroiytschicht 465 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 Festelektroiytschicht 46A, der ersten Bezugsund Meßelektrodenschicht 44/4, 48/4 und der Abschirmungsschicht 42 gebildet, während die andere aus der zweiten Festelektroiytschicht 46B, der zweiten Bezugsund Meßelektrodenschicht 445, 485 und der Abschirmungsschicht 42 gebildet, die von beiden Zellen gemeinsam benutzt wird.

Eine erste Gleichspannungsspeisequelle 5OA, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, ist mit der Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44Λ und 48Λ der ersten Zelle so verbunden, daß ein Gleichstrom I\ einer bestimmten Intensität durch die erste Festelektroiytschicht 46Λ von dem Bezugselektrodenschicht 44Λ zu der Meßelektrodenschicht 48/4 hindurchgetrieben wird. Eine zweite Gleichspannungsspeisequelle 505, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, ist mit den Elektrodenschichten 445 und 485 der zweiten Zelle so verbunden, daß ein Gleichstrom h einer bestimmten Intensität durch die zweite Festelektroiytschicht 465 von der Meßelektrodenschicht 48.5 zu der Bezugselektrodenschicht 445 hin hindurchgetrieben wird. Wenn daher das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 40 in einem Sauerstoff enthaltenden Gas angeordnet ist, wie dem Abgas einer Brennkraftmaschine, tritt eine Ionisation des Sauerstoffes an der ersten Meßelektrodenschicht 48/4 auf, und die gebildeten Sauerstoffionen wandern durch die erste Festelektroiytschicht 46/4 zu der ersten Bezugselektrodenschicht 44Λ, während in der Zelle an der gegenüberliegenden Seite Sauerstoffionen durch die zweite Festelektroiytschicht 465 von der Bezugselektrodenschicht 445 zu der Meßelektrodenschicht 485 hin wandern.

Die Schaltung 60 hat einen Vergleicher 62 und einen Schalttransistor 64. Der positive Eingangsanschluß des Vergleichers 62 ist mit der ersten Bezugselektrodenschicht 44/4 des Elementes 40 verbunden, um eine Ausgangsspannung V'i der ersten Konzentrationszeile zu erhalten, und der negative Eingang des Vergleichers ist mit der zweiten Meßelektrodenschicht 485 verbunden, um eine Ausgangsspannung V₂ 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_c wird dem Kollektor des Transistors 64 über einen Widerstand /?2 zugeführt, und der Emitter dieses Transistors 64 ist über einen Widerstand R3 geerdet Wenn der Transistor 64 leitend ist, bilden die Widerstände R₂ und A₃ einen Spannungsteiler. Mit einem Ausgang des Spannungsteilers auf der Emitterseite ist ein Ausgangsanschluß 66 der Schaltung 60 verbunden.

Bei der in F i g. 9 gezeigten Einrichtung entspricht die die erste Festelektroiytschicht 46/4 aufweisende erste Konzentrationszelle dem Element 30 in F i g. 3, und die die zweite Festelektroiytschicht 465 aufweisende zweite Konzentrationszelle entspricht dem Element 30 in F i g. 4. Wenn das Element 40 der F i g. 9 in einem Abgas einer Benzin verbrennenden Brennkraftmaschine angeordnet ist, zeigt die erste Konzentrationszelle eine Ausgangskennlinie, wie sie in Fig.5 durch die Kurve Vi dargestellt ist, während die zweite Zelle eine Ausgangskennlinie zeigt, wie sie durch die Kurve V2 in Fig.5 angegeben ist. Wenn ein fettes Gemisch der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird die Ausgangsspannung Vi 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 Ausgangsspannung für die Basis des Schalttransistors 64, so daß der Transistor 64 leitend wird, und ein Steuersignal S_c einer bestimmten Spannung an den Ausgangsanschluß 66 gibt. Wenn z. B. die Speisespannung V_c gleich 12 Volt ist, der Widerstand R₂ gleich 11 kQ ist, und der Widerstand A3 gleich 1 kn ist, wird die Amplitude des Steuersignals S_c gleich 1 Volt. Dieses Steuersignal S_c 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 Vi der ersten Zelle sehr viel niedriger als die Ausgangsspannung V2 der zweiten Zelle, wodurch der Vergleicher 62 ein größeres Eingangssignal an seinem negativen Eingang als an seinem negativen Eingang erhält. Der Vergleicher 62 erzeugt daher nicht länger ein Ausgangssignal, so daß der Transistor 64 gesperrt wird. Das Steuersignal S_c am Ausgang 66 wird daher gleich Null Volt, wodurch die Kraftstoffzuführungsregeleinrichtung die Kraftstoffzuführungsgröße vermindert, bis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht ist.

Beide Ausgangsspannungen Vi und V2 hängen von

der Temperatur des Elementes 40 ab, und wenn die Temperatur niedriger wird, werden beide Ausgangsspannungen Vi und V2 in gleicher Weise höher. Dadurch bleibt ein Hoch-Niedrig-Verhältnis zwischen den beiden Ausgangsspannungen Vi und V2 selbst dann unverändert, wenn die Temperatur sich beispielsweise bis auf 45O⁰C erniedrigt, um einen großen Anstieg des maximalen Pegels einer jeden Ausgangsspannung Vi, V₂ zu bewirken, wie dieses anhand der F i g. 7 und 8 zu erkennen ist. Bei einer Rückkopplungssteuereinrichtung, die die in F i g. 9 gezeigte Signalerzeugungseinrichtung aufweist, braucht keine feste Bezugsspannung benutzt zu werden, die der in F i g. 7 und 8 gezeigten Bezugsspannung V_r entspricht Durch Verwendung der Einrichtung aus F i g. 9 ist es daher möglich, eine Rückkopplungssteuerung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Richtung eines stöchiometrischen Verhältnisses ohne ungünstige

Einflüsse stabil durchzuführen, die durch Änderungen der Temperatur des Elementes 40 oder des Abgases bedingt sind, in dem das Element 40 angeordnet ist

Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung. Ein gegenüber Sauerstoff empfindliches Element 41 bei dieser Signalerzeugungseinrichtung ist im Prinzip gleich dem in F i g. 9 gezeigten Element, unterscheidet sich jedoch in der Anordnung der zwei Sauerstoffkonzentrationszellen. Die Zusammenfassung der ersten Bezugselektrodenschicht 44A der ersten Festelektrolytschicht 46/4 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 445, der zweiten Festelektroiytschicht 465 und der zweiten Meßelektrodenschicht 48.5 in gleicher Weise wie die Zusammenfassung der drei Schichten

44A 46/4 und 4SA 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 Fig. 10 in der gleichen Weise aufgebaut wie die in F i g. 9 gezeigte Einrichtung. Eine erste Gleichspannungsspeisequelle 50/4 ist mit der ersten Zelle des Elementes 41 derart verbunden, daß ein konstanter Gleichstrom I\ durch die erste Festelektrolytschicht 46/4 von der ersten Bezugselektrodenschicht 44Λ zu der ersten Meßelektrodenschicht 48Λ hin gezwungen wird. Die zweite Gleichspannungsspeisequelle 5Ou ist mit der zweiten Zelle so verbunden, daß ein konstanter Strom h durch die zweite Festelektrolytschicht 46ß von der Meßelektrodenschicht 4SB zu der Bezugselektrodenschicht 44ß hin gezwungen wird. Die Ausgangsspannung Vi der ersten Zelle und die Ausgangsspannung V₂ 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 F i g. 9.

F i g. 11 zeigt eine Signalerzeugungseinrichtung, die fast der in F i g. 10 gezeigten Einrichtung identisch ist Als einzige Abwandlung hat das gegenüber Sauerstoff empfindliche Element 43 in dieser Einrichtung eine einzige Festelektrolytschicht 46C, die als die Vereinigung der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 46-A und 465 bei dem Element 41 der Fi g. 10 aufgefaßt werden kann. Das heißt, ein Teil dieser Festelektrolytschicht 46C, die zwischen der ersten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44A und 48Λ liegt, wird zum Bilden der ersten Konzentrationszelle benutzt, während ein anderer Teil, der zwischen der zweiten Bezugs- und Meßelektrodenschicht 44B und 4SB liegt, zur Bildung der zweiten Zelle benutzt wird. Selbstverständlich sind die ersten und zweiten Bezugselektrodenschichten 44/4 und 44ß voneinander beabstandet, und die ersten und zweiten Meßelektrodenschichten 48-4 und 48ßsind voneinander beabstandet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die in F i g. 11 gezeigte Einrichtung identisch mit den in den F i g. 9 und 10 gezeigten Einrichtungen arbeitet

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 44Λ und eine dünne zweite Bezugselektrodenschicht 44B mit einem Abstand zwischen ihnen ausgebildet. Auf der gleichen Seite der Festelektrolytschicht 46 sind eine erste Abschirmungsschicht 42Λ zum vollständigen Bedecken der ersten Bezugselektrodenschicht 44A und eine zweite Abschirmungsschicht 44B zum vollständigen Bedecken der zweiten Bezugselektrodenschicht 44B gebildet An der gegenüberliegenden Seite der Festelektrolytschicht 46 ist eine erste Meßelektrodenschicht 48/4 derart gebildet, daß sie einen begrenzten Bereich einnimmt und der ersten Bezugselektrodenschicht 44.A im wesentlichen gegenüberliegt Auf der gleichen Seite ist eine zweite Meßelektrodenschicht 4SB so ausgebildet daß sie von der ersten Meßelektrodenschicht 48/4 beabstandet ist und der zweiten Bezugselektrodenschicht 44B im wesentlichen gegenüberliegt Auch in diesem Fall kann die Festelektrolytschicht 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 42ß mikroskopisch porös und gasdurchlässig ausgebildet werden müssen. Wenn die Festelektrolytschicht 46 gasundurchlässig ist, jedoch die Abschirmungsschhhten 42A, 42B gasdurchlässig sind, werden auch die Bezugselektrodenschichten 44/4, 44S 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. 12 identisch mit der in Fig.9 gezeigten Einrichtung aufgebaut, so daß sie auch die gleiche Funktion wie die in F i g. 9 gezeigte Einrichtung hat.

F i g. 13 zeigt eine Abwandlung des in F i g. 12 gezeigten Elementes 45. Das gegenüber Sauerstoff empfindliehe Element 47 der F i g. 13 wird durch Vereinigung der ersten und zweiten Abschirmungsschichten 42/4 und 42B in Fig. 12 zu einer einzigen Abschirmungsschicht 42C gebildet, die die ersten und zweiten Bezugselektrodenschichten 44Λ und 445 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 F i g. 9 bis 13 gezeigten, gegenüber Sauerstoff empfindlichen Elemente kann wahlweise eine poröse Schutzschicht vorgesehen werden, die die ersten und zweiten Meßelektrodenschichten 48/4, 48ß bedeckt, falls gewünscht, zusammen mit den Außenflächen der Festelektrolytschicht oder -schichten, oder sogar den gesamten Außenflächen des Elementes.

Das Material für jede Festelektrolytschicht 46, 46/4, 465,46Ckann aus Materialien eines für Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytmaterials ausgewählt werden, das bei herkömmlichen Sauerstoffühlern der Konzentrationszellenbauart benutzt wird. Einige Beispiele sind ZrO₂, stabilisiert mit CaO, Y₂O₃, SrO, MgO, ThO₂, WO₃ oder Ta₂O₅; Bi₂O₃, stabilisiert mit Nb₂O₅, SrO, WO₃, Ta₂O₅ oder Y₂O₃ sowie Y₂O₃, stabilisiert mit ThO₂ oder CaO. Wenn die Festelektrolytschicht 46 als das Substrat des Elements 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 Pulvermaterial 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 Elements benutzt wird, kann jede Festelektrolytschicht 46Λ, 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.

Jede Abschirmungsschicht 42, 42A, 42B, 42C ist gewöhnlich aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, wie Aluminiumoxyd, Mullit, Spinel oder Forsterit hergestellt Wenn sie als das Substrat des Elementes

13

dienen sollen, wird die Abschirmungsschicht 42 z. B. _%p

durch Sintern entweder eines grünen Blattes oder eines |u

in einer Presse geformten Pulvermaterials oder durch $?

Bearbeiten eines Körpers aus einem ausgewählten Ma- H

terial gebildet Wenn die Festelektrolytschicht 46 als das 5 §

Substrat benutzt wird, kann jede Abschirmungsschicht 424,42B, AZC 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 44Λ, 445,48A 485 ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, das aus Elektrodenmaterialien für herkömmliche Festelektrolyt-Sauerstoffühler ausgewählt ist Beispiele sind Metalle aus der Platingruppe, die eine katalytkche Wirkung auf die Oxydationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxyd, und dergL zeigt, wie Pt, Pd, Ru. Rh, Os und Ir, einschließlich von Legierungen dieser Metalle der Platingruppe und Legierungen eines Metalls aus der Platingruppe mit einem Grundmetall, sowie einigen anderen Metallen und Oxydhalbleitern, wie Au, Ag, SiC, TiO₂, CoO und LaCrOi die die zuvor erwähnten Oxydationsreaktionen katalytisch nicht beeinflussen. Jede Elektrodenschicht wird auf einer Abschirmungsschicht 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 z. B. Plattieren, oder durch Drucken einer ein pulverisiertes Elektrodenmaterial enthaltenden Pasten und anschließendes Brennen der mit der Paste versehenen Abschirmupgsschicht und/oder der Festelektrolytschicht

Für die zuvor erwähnte poröse Schutzbeschichtung können hitzebeständige und elektrisch isolierende Materialien, wie Aluminiumoxyd, Spinel, Mullit oder Kalziumzirkonat (CaO-ZrO₂) 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.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

50

55

60

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Claims

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung der Patentansprüche: im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Bei einer solchen, mit der DE-OS 30 20 132 angegebe-

1. Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals nen Einrichtung sind zwei Gleichspannungsspeisequelfür die Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraft- 5 len vorgesehen, die jeweils mit den zugeordneten Meßstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, elektrodenschichten der beiden Sauerstoffkonzentradas einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, mit tionszellen verbunden sind. Jeder Gleichspannungsquelnur einem sauerstoffempfindlichen Element (40, 41, Ie ist jeweils ein Spannungsmesser oder ein entspre-43,45,47), das in einem Abgasstrom von der Brenn- chendes Instrument parallel geschaltet, das die elektrokraftmaschine angeordnet ist und erste und zweite 10 motorische Kraft mißt, die in der jeweiligen Sauerstoff-Sauerstoffkonzentrationszellen aufweist, die jeweils konzentrationszelle erzeugt wird. Bei dieser bekannten durch eine Schicht (46,46Λ, 46B, 46C) eines für Sau- Einrichtung wird das Steuersignal für die Rückkopperstoffionen leitenden Festelektrolyten, eine Meß- lungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch elektrodenschicht (4SA, 48B), die auf einer Seite der Summieren der Ausgangssignale der beiden Sauerstoff-Festelektrolytenschicht gebildet ist, eine Bezugs- 15 konzentrationszellen erzeugt

elektrodenschicht (44Λ, 44SJi die auf der anderen Mit der DE-OS 30 23 429 wird eine Einrichtung zum Seite der Festelektrolytenschicht gebildet ist, und Erzeugen eines Steuersignals für die Rückkopplungseine Abscbirmungsschicht (42,42Λ, 425,42C) gebil- Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einer det. sind, die auf der Bezugselektrodenschichtseite Brennkraftmaschine angegeben, die ebenfalls zwei Sauder Festelektrolytenschicht derart gebildet ist, daß 20 erstoffkonzentrationszellen aufweist Diese beiden Saudie Bezugselektrodenschicht makroskopisch voll- erstoffkonzentrationszellen sind jedoch getrennt vonständig gegenüber einer umgebenden Atmosphäre einander vorgesehen, so daß sie zwei gesonderte sauerdurch die Abschirmungsschicht und die Festelektro- stoffempfindliche Elemente bilden. Auch hier ist eine lytenschicht abgeschirmt ist, wobei mindestens eine Gleichspajinungsquelle vorgesehen, um einen konstanvon beiden, nämlich der Festelektrolytschicht und 25 ten Gleichstrom durch jede der Sauerstoffkonzentrader Abschirmungsschicht, einer jeden Konzentra- tionszellen hindurchzutreiben. Die wahlweise festzuletionszelle einen mikroskopisch porösen und gas- gende Stromrichtung in der ersten Sauerstoffkonzendurchlässigen Aufbau hat, und einer Gleichspan- trationszelle bestimmt dabei, ob ihre sich in Abhängignungsquelle (50/4, 50B) zum Hindurchtreiben eines keit von dem jeweiligen Luft-Kraftstoff-Verhältnis änersten Gleichstroms (Ii) einer bestimmten Amplitu- 30 dernde Ausgangsspannung sich unterhalb oder oberde durch die Festelektrolytenschicht der ersten Zelle halb des stöchiometrischen Verhältnisses ändert Die von der Bezugselektrodenschicht (44A) zu der Meß- zweite Sauerstoffkonzentrationszelle, die in dem Abelektrodenschicht (4SA) hin und eines zweiten gasrohr in der Nähe der ersten Sauerstoffkonzentra-Gleichstromes (h) einer bestimmten Amplitude tionszelle angeordnet ist, liefert eine EIN-AUS-Charakdurch die Festelektrolytenschicht der zweiten Zelle 35 teristik ihrer Ausgangsspannung, um jeweils feststellen von der Meßelektrodenschicht (4SB) zu der Bezugs- zu können, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unterhalb elektrodenschicht (44B) hin, gekennzeichnet oder aber oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses durch eine Signalerzeugungsschaltung (60) mit ei- liegt, wodurch eine Doppeldeutigkeit des jeweiligen ner Vergleichseinrichtung (62) zum Vergleichen ei- Wertes der Ausgangsspannung der erste Sauerstoffkonner ersten Ausgangsspannung (V\), die zwischen der 40 zentrationszelle beseitigt wird, da diese Ausgangsspan-Bezugs- und der Meßelektrodenschicht der ersten nung gleiche Werte jeweils im unmittelbaren Bereich Zelle erzeugt wird, mit einer zweiten Ausgangsspan- des stöchiometrischen Verhältnisses als auch in einem nung (V2), die zwischen der Bezugs- und der Meß- Bereich deutlich unterhalb oder aber oberhalb dieses elektrodenschicht der zweiten Zelle erzeugt wird, stöchiometrischen Verhältnisses hat.

um festzustellen, welche der beiden Ausgangsspan- 45 Diese Einrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß

nungen größer ist, und mit einer Signalgeneratorein- die infolge der starken Temperaturempfindlichkeit der

richtung (64, R₂, R3) zum Erzeugen des Steuersignals Sauerstoffkonzentrationszellen auftretenden Änderun-

nach Maßgabe dieses Vergleichsergebnisses. gen der Ausgangsspannungen die Rückkopplungssteue-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- rung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nachteilig beeinzeichnet, daß die Signalgeneratoreinrichtung einen 50 flüssen können.

Schalttransistor (64) aufweist, dessen Basis elek- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der

trisch mit der Vergleichseinrichtung (62) derart ver- eingangs genannten Art so auszubilden, daß die infolge

bunden ist, daß eine Ausgangsspannung von der von Temperaturänderungen auftretenden Änderungen

Vergleichseinrichtung der Basis des Transistors zu- der Ausgangsspannungen der Sauerstoffkonzentra-

geführt wird, wenn eine bestimmte der ersten und 55 tionszellen die Rückkopplungssteuerung des Luft-

zweiten Ausgangsspannungen (V\, V₂) höher als die Kraftstoff-Verhältnisses nicht beeinflussen,

andere ist. Bei einer Einrichtung der genannten Art ist diese Auf-

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- gäbe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanzeichnet, daß die Signalgeneratoreinrichtung einen Spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Spannungsteiler (R₂, R3) aufweist, dem eine Speise- 60 Die Signalgeneratoreinrichtung dient zum Erzeugen spannung (V_c) zugeführt wird, wenn der Schalttran- eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuersignals, das sich

sisiui (64) iciicüd iäi, w'übci das Steuersignal äüf dcF nach Maßgabe ciUcF Hoch-Niodrig-Bczichüng Z'W'i-

Spannung am Ausgangsanschluß des Spannungstei- sehen den ersten und zweiten Ausgangsspannungen, die

lers beruht. von der Vergleichseinrichtung geprüft wurden, ändert.

65 Der Stromfluß in jeder Zelle bedingt eine Wanderung

von Sauerstoffionen durch die Festelektrolytschicht

zwischen der Bezugs- und Meßelektrodenschicht in einer Richtung entgegengesetzt zur Stromrichtung. Da-