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Gas-Sensor mit in perforierter Haube eingeschlossenem Spürelement
Beschreibung Diese Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Sensor mit einem Spürelement
in der Form eines auf einer plattenförmigen Unterlage angeordneten Laminates von
relativ dünnen Schichten, das in einer im wesentlichen zylindrischen,mit Gaseinlaß-
und Auslaßöffnungen ausgebildeten Haube eingeschlossen ist.
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Gegenwärtig werden verschiedene Arten von Gas-Sensoren auf vielen
Gebieten benutzt. Beispielsweise ist es in der Automobilindustrie üblich, in einem
Steuersystem für das Iiuft-raftstoff-Verhältnis entweder einen Sauerstoff-Sensor
oder einen Kohlendioxid-Sensor zur Erzeugung eines Rückkoppelungssignals zu benutzen,
das zur Anzeige eines effektiven BuSt-Eraftstoff-Verhältnisses eines dem Motor zugelieferten
Gasgemisches dient.
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In den meisten Fällen weist das empfindliche Teil eines solchen Gas-Sensors
eine Schicht entweder eines festen Elektrolyten oder eines Halbleiter-Metalloxides
als wesentlichesElement des Sensors auf, wobei einige andere Schichten wie beispielsweise
Elektroden- und Schutzschichten vorgesehen sind. Es ist eine jungste Entwicklung,
das empfindliche Teil in der Form eines auf einer Unterlage angeordneten Laminates
von relativ dünnen Schichten zu konstruieren und somit die Größe des Sensors zu
reduzieren und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Aus praktischen Gründen wie der Produktions-Vereinfachung
wird üblicherweise eine plattenförmige Unterlage benutzt, sodaß das emfindliche
Teil als Ganzes im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
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In einem in der Praxis verwendeten Ges-Sensor ist das plattenförmige
empfindliche Teil oder Spürelement an einem Ende eines Sensor-Gehäuses befestigt,
und eine hohlzylindrische Haube ist an dem Sensor-Gehäuse so angebracht, daß das
Spürelement darin eingeschlossen ist zum Zwecke des Schutzes gegenüber Erschütterungen
und Anprallens während der Handhabung sowie gegenüber hohen Temperaturen und hoher
Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Gases. Um einen Teil des zu messenden
Gases mit dem Spürelement in Kontakt zu bringen, sind zwei oder mehr oeffnungen
in der Form von Schlitzen oder Bohrungen in der zylindrischen Seitenwandung der
Haube ausgeformt, Im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer hohen Ansprechempfindlichkeit
i des Spürelementes sind diese Öffnungen so angeordnet, daß das in das Innere der
Haube eingeströmte Gas direkt gegen das Spürelement prallt. Mit anderen Worten,
eine die Öffnungen halbierende Schnittebene schneidet das Spürel ement, Im allgemeinen
zeigt die Beistungscharakteristik eines plattenförmigen Gas-Spürelementes gewisse
Anderungen9 wenn sich die Ausrichtung des Elementes bezüglich der Strömungsrichtung
eines zu messenden Gases ändert Dies bedeutet, daß das Element richtungsabhängig
ist.
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Wir haben beispielsweise festgestellt, daß bei Verwendung eines Sauerstoff-Sensors
mit einem plattenförmigen Spürelement in dem vorerwähnten Steuersystem für das I'uft-Kraftstoff-Verhältnis
die Steuerungsgenauigkeit in einem gewis.sen MaBe abhängt von der Ausrichtung des
Sauerstoff-Spurelementes bezüglich der Strömungsrichtung des Auspuffgases an der
Stelle, an der der Sensor angeordnet ist. Von einem praktischen Gesichtspunkt aus
betrachtet, ist es ein großer Nachteil, daß der Sensor immer mit einer bestimmten
Ausrichtung in dem Auspuffsystem installiert werden muß.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Sensor, der ein
Spürelement in der Form eines auf einer plattenförmigen Unterlage angeordneten Laminates
von relativ dünnen Schichten aufweist, das in einer im wesentlichen hohlzylindrischen
Schutzhaube mit Gaseinlaß- und Auslaßöffnungen eingeschlossen ist.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist die Lösung des oben beschriebenen Problemes
der Veränderung der Iieistungs charakteristik des Spürelementes infolge eimer Anderung
der Ausrichtung des Spürelementes bezüglich der Strömungsrichtung eines zu messenden
Gases.
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Der Kernpunkt der Erfindung ist die Anordnung der Gaseinlaß- und AuslaBöffnungen
an solchen Stellen der Haube, daß das in das Innere der Haube eingeströmte Gas nicht
direkt gegen das Spürelement prallt.
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Ein Gas-Sensor gemäß der Erfindung umfaßt ein Gehäuse zum Anbringen
des Sensors an eine getrernte Vorrichtung, in der ein zu messendes Gas strömt, und
weiterhin ein Spürelement mit einer plattenförmigen Unterlage und einem Laminat
aus einer Vielzahl von relativ dünnen Schichten einschließlich wenigstens einer
Schicht eines auf einer Hauptfläche der Unterlage ausgeformten gasempfindlichen
Materials. Außerdem umfaßt ein Gas-Sensor gemäß der Erfindung eine im wesentlichen
hollzylindrische Haube, die derart an dem Sensor-Gehäuse befestigt ist, daß das
Spürelement in der Haube eingeschlossen und vollkommen mit Abstand von der Innenseite
der Haube angeordnet ist, wobei die Haube mit wenigstens zwei Öffnungen in ihrer
Zylinderwandung ausgebildet ist, sodaß ein Teil aus in der vorerwähnten Vorrichtung
strömenden Gases in das Innere der Haube einströmen und wieder ausströmen kann.
Dieser Gas-Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß jede d-er vorerwähnten Öffnunl)en
in der Haubenwandung zwischen dem Spürelement und dem freien Ende der Haube in der
Eaubenl-;ngsrichtung derart angeordnet ist, daß keine dem Querschnitt der
Haube
entsprechende und wenigstens eine der Öffnungen schneidende Ebene das Spürelement
schneidet In diesem Gas-Sensor berührt das in das Innere der Haube durch irgendwelche
der Öffnungen in der Zylinderwandung der Haube eingeströmte Gas das Laminat~Teil
des Gas-Spürelementes nach wiederholtem Aufprall gegen und Rückprall von der inneren
Fläche der zylindrischen Haube und befindet sich dadurch in einem Zustand guter
Durchmischung und relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit Aus diesem Grunde zeigt
das Spürelement eine praktisch konstante iieistungscharakteristik ungeachtet seiner
Ausrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Gases außerhalb der Haube.
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Vorzugsweise sind die Öffnungen in der Zylinderwandung der Haube in
Form von entweder in Umfangsrichtung bogen:Eörmigen Schlitzen oder kreisrunden Bohrungen
derart angeordnet, daß die Mittelpunkte aller Schlitze oder Bohrungen in einer Querschnittsebene
der Haube enthalten sind Im folgenden soll die Erfindung anhand der Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden
Es zeigen Fig. 1 eine Übersicht- und Schnittansicht eines Sauerstoff-Spürelementes
zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Sauerstoff-Sensor, Fig. 2 eine teilgeschnittene
Seitenansicht eines Sauerstoff Sensors als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von Fig 2, Fig. 4 eine schematische Darstellung
eines Eraftfahrzeug-Verbrennungsmotors einschließlich eines Steuersystems für das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
das einen erfindungsgemäßen Sauerstoff-Sensor
zur Erzeugung eines Rückkoppelungssignals verwendet, Fig. 5(A) bis 5(D) vier verschiedene
Ausrichtungen.
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eines empfindlichen Teiles eines in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Sauerstoff-Sensors bezüglich der Strömungsrichtung eines Auspuffgases in einem in
Fig. 4 gezeigten Auspuffkrümmer auf einem Abschnitt, auf dem der Sauerstoff-Sensor
angeordnet ist.
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Fig 6 ein Diagramm, das die Änderungen der Leistung eines Steuersystems
für das LuSt-Kraftstoff-.
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Verhältnis infolge der in den Fig. 5(A) bis 5(D) gezeigten Veränderungen
der Ausrichtung des Sauerstoff-Sensors von Fig. 2 und 3 darstellt, Fig. 7 eine teilgeschnittene
Seitenansicht eines Sauerstoff-Sensors, der dem in Fig. 2 gezeigten Sensor ähnelt,
jedoch-nicht mit der Erfindung in Übereinstimmung steht, Fig. 8 einen Schnitt entlang
der Linie 8-8 von Fig. 7, Fig. 9(A) bis 9(D) eine mit den Fig. 5(A) bis 5(D) gleiche
Aufgabenstellung, jedoch bezüglich des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sensors, Fig.
10 ein Diagramm, das den gleichen Sachverhalt wie Fig. 6 darstellt, Jedoch bezüglich
der Ausrichtungen des in den Fig. 9(A) bis 9(D) gezeigten Sauerstoff-Sensors, Fig.
11 und 13 in der gleichen Ansicht zwei Abänderungen des in Fig. 2 dargestellten
Sauerstoff-Sensors, Fig. 12 und 14 Schnitte entlang der Linie 12-12 von Fig. 11
bzw. entlang der Linie 14-14 von Fig."3,
Fig. 15 eine teilgeschnittene
Seitenansicht eines Sauerstoff-Sensors als ein weiteres, verschiedenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 16 einen Schnitt entlang der Linie 16-16 von Fig. 15, Fig 17
und 19 in der gleichen Ansicht zwei Abänderungen des in Fig. 15 gezeigten Sauerstoff-Sensors,
Fig. 18 und 20 Schnitte entlang der Linie 18-18 von Fig. 17 bzw. entlang der Linie
20-20 von Fig 19 Fig. 1 zeigt ein bekanntes Sauerstoff-Spürelement 1o, das nach
dem Prinzip der Sauerstoff-Konzentrationskette arbeitet und in einer Auspuffanlage
eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors verwendet werden kann Ein strukturmäßiges
Hauptbestandteil dieses Elementes 1o ist eine aus einem keramischen Material, wie
Aluminiumoxid, bestehende Grundplatte oder Unterlage 12. Ein Konzentrationsketten-Teil
15 des Sauerstoff-Spürelementes 1o hat die Form eines Laminates von relativ dünnen
filmähnlichen Schichten. Genauer gesagt, eine innere, oft als Referenz-Elektrodenschicht
bezeichnete Elektrodenschicht 16 ist auf einer Hauptfläche der Unterlage 12 ausgebildet.
Ebenso ist eine Schicht 18 eines für Sauerstoff-Ionen leitfähigen, festen Elektrolyten
wie Zirkonoxid, das durch eine geringe Menge Yttriumoxid stabilisiert wurde, so
auf der gleichen Seite angeordnet, daß die innere Elektrodenschicht 16 dicht und
vollständig bedeckt ist. Eine äußere Elektrodenschicht 20, die oft als Meßelektrodenschicht
bezeichnet wird, ist auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht 18 aufgelegt.
Platin ist ein typisches Beispiel eines für die äußere Elektrodenschicht 20 geeigneten
Materials Im wesentlichen bilden diese drei Schichten 16, 18,20 den Konzentrationsketten-Teil.
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Beispielsweise beträgt die Dicke der festen Elektrolyt schicht 18
ungefähr fünfzig Mikron oder weniger, und jede der zwei Elektrodenschichten 16 und
20 ist so dünn wie etwa fünf Mikron. Jede dieser drei Schichten 16,18, 20 kann durch
Bedampfen gebildet werden,oder durch Aufbringung einer ein pulverförmiges Elektroden-
oder festes Elektrolytmaterial.enthaltenden Paste auf die Oberfläche der Unterlage
12 oder der darunter liegenden Schicht und anschließendes Sintern des in der aufgebrachten
Paste enthaltenen pulverförmigen Materials.
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Die Unterlage 12 kann beispielsweise ungefähr 6 mm x 1o mm breit und
1-2 mm dick sein.
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Üblicherweise sind die Außenflächen des Konzentrationsketten-Teiles
15 dieses Elementes ?o mit einer Schutzschicht 22 bedeckt, die aus einem keramischen
Material besteht und eine poröse Struktur zum I)urchlaß eines zu messenden Gases
aufweist.
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Ein elektrisches Heizelement 14 ist in der Unterlage 12 eingebettet,
da die Beitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen in der festen Elektrolytschicht 18 stark
abnimmt, wenn die Temperatur des Elementes 1o eine bestimmte Grenze unterschreitet.
In der Praxis kann die Unterlage 12 durch Blächen-zu-Blächen-Verbindung zwei er
Aluminiumoxid-Bleche 12a und 12b hergestellt werden, deren eines im vorhergehenden
mit dem Reiz element 14 versehen wurde.
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Dieses Heizelement 14 kann beispielsweise die Form eines Platindrahtes
oder einer dünnen Platinschicht aufweisen, die durch Aufdrucken einer Platinpaste
und Sintern des in der aufgedruckten Paste enthaltenen Platinpulvers hergestellt
wurde.
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Der Konzentrationsketten-Teil 15 dieses Sauerstoff-Spürelementes 1o
erzeugt eine elektromotorische.EraIt, wenn ein Unterschied im Sauerstoff-Teildruck
zwischen der äußeren und der inneren Elektrodenseite der festen
Elektrolytschicht
18 besteht. Zur Messung der Sauerstoff-Eonzentration in einem Gas, dem die äußere
Elektrodenschicht 20. durch Poren in der Schutzschicht 22 ausgesetzt ist, besteht
die Notwendigkeit, einen Referenz-Sauerstoffteildruck an der Grenzfläche zwischen
der festen Elektrolytschicht 18 und der inneren Elektrodenschicht 16 zu erzeugen
Gemaß den U.S. Patenten 4 2o7 159 und 4 224 113 wird der Heferenz-Sauerstoffteildruck
dadurch erzeugt, daß die feste Elektrolytschicht 18 mikroskopisch porös ausgebildet
ist und ein Gleichstrom ausreichender Stärke dem Konzentrationsketten-Teil 15 von
außen so zugeführt wird, daß ein Stromfluß durch die feste Elektrolytschicht 18
zwischen den zwei Elektrodenschichten 16 und 20 stattfindet Ein Sauerstoffteildruck
ausreichender Größenordnung kann an der Grenzfläche zwischen der inneren Elektrode
16 und dem festen Elektrolyten 18 aufrechterhalten werden durch die gemeinsame Wirlmno
der Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht 18 infolge des
vorher erwähnten Stromflusses und Diffusion von Sauerstoffmolekülen durch die Poren
in der festen Elektralytschicht 18 Für diesen Fall ist Platin oder seine Begierungen
ein geeignetes Material für die innere Elektrodenschicht 16 Eine andere Methode
zur Herstellung eines Referenz-Sauerstoffteildruckes in dem Konzentrationsketten-Teil
15 besteht in der Verwendung eines elektronenleitenden Gemisches eines bestimmten
Metalles und seiner Oxide, wie Ni-NiO beispielsweise, als Material für die innere
Elektrodenschicht 16 In diesem Falle besitzt die feste Elektrolytschicht 18 eine
dichte und praktisch gasundurchlässige Struktur Das Sauerstoff-Spürelement lo der
Fig 1 ist mit drei Zuführungsdrähten 24, 26 und 28 ausgestattet. Der Zuführungsdraht
24 ist mit der inneren Elektroden -
schicht 16 und der Zuführungsdraht
26 mit der äußeren Elektrodenschicht 20 verbunden, um den vorher erwähnten Gleichstrom
dem Konzentrationsketten-Teil 15 zuzuführen und eine von dem Konz-entrationsketten-Teil
15 erzeugte elektromotorische Kraft abzuleiten. Der Zufübrungsdraht 28 ist zur Zufuhr
von Heizstrom mit dem Heizelement 14 verbunden. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt,
ist der Zuführungsdraht 26 ebenfalls mit dem Heizelement 14 verbunden, um als gemeinsamer
Massedraht für die Konzentrationskette 15 und das Heizelement 14 zu dienen. Natürlich
ist es freigestellt, einen hier nicht gezeigten separaten Massedraht für das Heizelement
14 statt der Verbindung des Zuführungsdrahtes 26 mit dem Heizelement 14 zu verwenden.
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Für praktische Anwendungen muß das Sauerstoff-Spürele ment der Fig.
1 mit Trag- und Gehäuseteilen zusammengebaut werden, um eine Sauerstoffsensor-Einheit
zu schaffen,die beispielsweise im Ausuffkrümmer eines Kraftfahrz eugmotors befestigt
werden kann.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Sauerstoff-Sensor 30, der die vorliegende
Erfindung verwirklicht und das Sauerstoff-Spürelement 1o der Fig. 1 enthält. Das
Sauerstoff-Spürelement 1o ist fest an die Stirnfläche eines zylindrischen Stabes
32 montiert, der aus einem keramischen Material wie Aluminiumoxid besteht und mit
drei axialen, hier nicht gezeigten Bohrungen versehen ist, durch die jeweils die
Zuführungsdrähte 24,26 und 28 des Elementes 1o hindurchgeführt sind. Der keramische
Stab 32 ist mit Paßsitz in eine röhrenförmige Halterung 34 eingesetzt, die aus Metall,wie
beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht.
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Ein im wesentlichen röhrenförmiges, mit Gewinde und Überwurfmutter
versehenes Metallgehäuse 38 ist an der Außenseite der Halterung 34 befestigt. Eine
hohlzylindrische Haube 36 aus rostfreiem Stahl ist im
wesentlichen
koaxial an dem vorderen Ende der röhrenförmigen Halterung 34 so befestigt, daß das
Sauerstoffelement lo darin eingeschlossen is. Zur festen Unterstützung der Haube
36 ist ein Spannring 40 an die Außenfläche eines vorderen Endteiles der Halterung
34 und an die Außenfläche eines Endteiles der Haube 36 angeschweißt. Die gesamte
Innenseite der Haube 36 ist mit Abstand von den Außenflächen des Sauerstoff-Spürelementes
1o angeordnet.
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Wie in Fig 3 gezeigt, ist das Sauerstoff-Spürelement 1o in dem Sensor
30 derart angeordnet, daß die Hauptflächen der plattenförmigen Unterlage 12 und
dementsprechend das flache Laminat des Konzentrationsketten-Ueiles 15 sich senkrecht
zu den Querschnitten der zylindrischen Haube 36 erstrecken. Die Haube 36 hat eine
solche Länge, daß genügend Abstand zwischen dem nicht unterstützten Ende loa des
Sauerstoff-Spürelementes lo und dem vorderen, in diesem Beispiel offenen Ende 39
der Haube 36 verbleibtO.ßuf einem Mittel abschnitt zwischen dem vprderen Ende 39
und dem vorderen Ende loa des Elementes 1o ist die Haube 36 mit zwei sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Schlitzen 37 ausgebildet, die symmetrisch bezüglich einer die Längsachse
der Haube 96 enthaltenden Ebene und senkrecht zu den Hauptflächen der Unterlage
12 des Elementes 1o angeordnet sind.
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Dieser Sauerstoff-Sensor 30 ist derart konstruiert, daß ein Hauptteil
der Haube 36, d.h. das Teil links von der Linie P-P in Fig. 2, in das Innere eines
Auspuffkrümmers oder eines Auspuffrohres eindringt, wobei die Längsachse der Haube
36 sich in etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Auspuffgases an der Stelle erstreckt
9 an der der Sensor 30 installiert ist Fig. 4 erläutert die Anwendung des Sauerstoff-Sensors
30 von Fig 2 in einem System für eine automatische
Steuerung des
Buft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor 42. Der Motor
42 weist einen üblichen Ansaugkrümmer 44 mit Luftzufuhr durch einen Luftfilter 48,
elektronisch steuerbare Eraftstoffeinspritzventile 46 und einen üblichen Auspuffkrummer
50 auf.
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Ein Auspuffrohr 51 verbindet den Auspuffkrümmer To'mit einem katalytischen
Konverter 52, der beispielsweise einen konventionellen Drei-Weg-Katalysator enthält.
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Der Sauerstoff-Sensor 30 ist als Bestandteii des Steuersystems des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem stromabwärtigen Abschnitt des Auspuffkrümmers
50 so befestigt, daß die Haube 36 dem Auspuffgas in der oben beschriebenen Weise
ausgesetzt ist. Die Ausgangsspannung dieses Sensors 30 repräsentiert den Sauerstoffanteil
in dem Auspuffgas und dementsprechend ein effektives luft-Kraftstoff-Verhltnis eines
in dem Motor 42 verbrannten Gasgemisches.
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Um den Motor 42 im normalen Betrieb mit einem optimalen luft-Kraft
stoff-Gemisch, in diesem Falle mit einem stochiometrischen Gemisch, zu versorgen,
wobei der Drei-Weg-Katalysator in dem Konverter 52 mit bestem Wirkungsgrad arbeiten
kann, empfängt eine elektronische Steuereinheit 54 das Ausgangssignal des Sauerstoff-Sensors
3o und übermittelt ein Steuersignal zu den kraftstpffeinspritzventilen 46. Dieses
Steuersignal basiert auf der Richtung und der Größenordnung einer Abweichung des
effektiven, von dem Ausgangssignal des Sensors 30 angezeigten luft-Kraftstoff-Verhältnisses
von dem gewünschten luft-Kraftstoff-Verhältnis.
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Die Steuereinheit 54 hat auch die Auf gabe, einen Heizstrom an das
Heizelem-ent in dem Sauerstoff-Sensor zu liefern und, wenn notwendig, den Konzentrationsketten-Teil
15 des Sensors 3o mit einem zweiten Gleichstrom zur Errichtung eines Referenz-Sauerstoffteildruckes
zu versorgen.
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Wie in den Fig 2 und 3 dargestellt, tritt ein Teil des in dem Auspuffkrümmer
strömenden Auspuffgases in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Haube 36 bezüglich
der Strömungsrichtung des Auspuffgases durch einen oder beide Schlitze 37 in das
Innere der Haube 36 des Sauerstoff-Sensors 30 en¢Jedoch prallt das in das Innere
der Haube 36 eingeströmte Auspuffgas nicht direkt auf das Sauerstoff-Spürelement
1o auf, das in Längsrichtung der Haube 36 etwas entfernt von den Schlitzen 37 angeordnet
ist Das Auspuffgas kommt mit der größeren Außenfläche des Konzentrationsketten-Teiles
15 nach wiederholtem Aufprall auf und Rückprall von der Innenfläche der Haube 76
und/oder der Unterlage 12 des Elementes lo in Berührung.
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Als Ergebnis solchen Aufprallens und Rückprallens ist das Auspuffgas
gut gemischt und hat eine bedeutende Verringerung seiner Strömungsgeschwindigkeit
erfahren Info:Lgedessen ist die Sauerstoff-MeRflmktion des plattenförmigen Elementes
Ao nahezu unabhängig von seiner Ausrichtung in bezug auf die Winkelstellungen der
Schlitze 37 und der Strömungsrichtung des Auspuffgases außerhalb der Haube 36 Dies
bedeutet, daß die Richtungsabhängigkeit des plattenförmigen Sauerstoff-Spürelementes
1o durch Anordnung der Gaseinlaßöffnungen 77 der Haube 36 im ausreichenden Abstand
von dem Element lo ausgeglichen wird Die Fig 5(A)-bis 5(D) und Fig 6 erläutern das
Ergebnis eines Experimentes mit dem in den Fig 2 und 3 gezeigten Sauerstoff-Sensors
30, der in dem in Fig 4 dargestellten Steuersystem für das luft-Kraftstoff-Verhältnis
benutzt wird. Der Sensor 3o war an dem Auspuffkrümmer 50 in einem bestimmten Abschnitt
desselben in vier verschiedenen Anordnungen derart angebracht, daß die Ausrichtung
des Eonzentrationsketten-Teiles 15 des Sauerstoff-Spürelementes 10 bezüglich der
durch den Pfeil G dargestellten Strömungsrichtung des
Auspuffgases
so eingestellt war, wie es die Fig. 5(A) bis 5(D) jeweils zeigen. In jedem dieser
Fälle wurde der Motor 42 und das Steuersystem für das Buft-Eraftstoff-Verhältnis
für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit dem Ziel in Gang gesetzt, ein stochiometrisches
Buft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 bezogen auf das Gewicht aufrechtzuerhalten.
Am Ende des vorerwähnten Zeitabschnittes wurde mittels Analyse von Proben des luft-Kraft
stoff- Gemisches das tatsächliche luft-Kraftstoff-Verhältnis untersucht.
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Das Erebni der Analysen ist in Fig. 6 dargestellt, wobei A, 3, C und
D auf der Abzisse die in den Fig. 5(A), 5(B), 5(C) und 5 (D) jeweils gezeigten Ausrichtungen
des Sauerstoff-Spürelementes 1o repräsentieren. Unter Berücksichtigung der bereits
bekannten Gesamt-Genauigkeit des Steuersystems wurde das Ergebnis jeder dieser in
Fig. 6 gezeigten Fälle als zufriedenstellend beurteilt. Vermutlich ist der geringe
Unterschied zwischen den Ergebnissen der Fälle (C) und (D) einer Abweichung der
Position der Schlitze 37 des Sauerstoff-Sensors 30 von dem Zentrum des As~puffgasstromes
in dem Auspuffkriimmer 50 zuzuschreiben.
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Zum Zwecke des Vergleiches zeigen die Fig. 7 und 8 einen Sauerstoff-Sensor
60, der nahezu identisch mit dem In den Fig. 2 und 3 dargestellten Sensor 30 ist,
jedoch in dem folgenden einen Punkt von der vorliegenden Erfindung abweicht. Eine
der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Haube 36 entsprechende hohl zylindrische Haube
56 dieses Sensors 60 ist mit sechs kreisrunden, peripher gleichmäßig verteilten
Öffnungen 57 so ausgebildet, daß ein in das Innere der Haube 56 durch irgendeine
dieser Öffnungen 57 eingeströmte Gas direkt auf das Sauerstoff-Spürelement 1o aufprallt.
Mit anderen Worten, eine durch die Mittelpunkte dieser Öffnungen 57 gehende Querschnittsebene
schneidet das Sauerstoff-Spürelement lo.
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Bis jetzt wurde diese Anordnung der Gaseinlaß- und Auslaßöffnungen
57 in der Haube 56, ungeachtet ihrer Ausbildung als kreisrunde Bohrungen oder längliche
Schlitze, mit dem Ziel verwendet, ein schnelles Ansprechen des Sauerstoff-Spürelementes
10 auf eine Änderung der Gaszusammensetzung zu erreichen. Dabei wurde jedoch die
Richtungsabhängigkeit des Elementes 1o ungenügend berücksichtigt Der in den Fig.
7 und 8 dargestellte Sauerstoff-Sensor 60 wurde dem oben beschriebenen Experiment
durch Anderung der Ausrichtung des Sauerstoff-Spürelementes 10 in der in den Fig.
9(A) bis 9(D) gezeigten Art unterworfen. Das Ergebnis der Analyse von Proben des
luft-Kraftstoff-Gemisches ist in der Fig 1o dargestellt, wobei A, 3, C und D auf
der Abzisse die in den Fig. 9(A), 9(B), 9(C) und 9(1>) jeweils gezeigten Ausrichtungen
des Sauerstoff-Spürelementes lo repräsensieren. Dieses Versuchsergebnis demonstriert,
daß bei Verwendung des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sensors 60 die Leistung des
Steuersystems für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wesentlich von der Winkel stellung
zwischen dem Sauerstoff-Spürelement 10 in dem Sensor 60 und der Strömungsrichtung
des Auspuffgases abhängt Der beachtliche Effekt der vorliegenden Erfindung wird
durch Vergleich der in Fig. 6 und 10 dargestellten Diagramme deutlich.
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Die Fig. 11 und 12 zeigen eine geringfügige Abänderung der in den
Fig. 2 und 3 dargestellten Haube 3G Die in den Fig. 11 und 12 gezeigten Schlitze
37 sind mit ihren in den Fig.2 und 3 dargestellten Gegenstücken identisch. Das vordere
Ende der Haube 36 von Fig. 11 ist nicht wie in Fig. 2 voll geöffnet, sondern weist
die Form einer ringförmigen Wand 62 auf, sodaß eine relativ kleine kreisförmige
Öffnung 63 im Zentrum verbleibt.
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Diese Abänderung bewirkt keinen bedeutenden Unterschied in den Wirkungen
der Haube 36. Jedoch kann gesagt werden, daß ein physikalischer Schutz des Sauerstoff-Spürelementes
lo durch die Haube 36 etwas verbessert wird.
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Bezugnehm-end auf die Fig. 13 und ist es auch möglich, die ringförmige
Wand 62- an dem vorderen Ende der Haube 36 von Fig. 11 zu einer in Fig. 13 gezeigten
geschlossenen Abschlußwand 64 abzuändern, sodaß das Auspuffgas lediglich durch die
in Umfangsrichtung angeordneten Schlitze 37 in das Innere der Haube 36 ein- und
wieder au.stlömen kann.
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Diese Abänderung trägt zu einer weiteren Verbesserung der physikalischen
Schutzwirkung der Haube 36 und damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Sauerstoff-Spürelementes
1o bei.
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Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere Abänderung der in den Fig.
2 und 3 dargestellten Haube 36. In diesem Falle ist jeder der zwei in den Fig. 2
und 3 gezeigten kreisbogenförmigen Schlitze 37 durch eine Vielzahl von kreisrunden,
mit gleichmäßigen Abständen auf dem Umfang der Haube 36 an&eordneten Öffnungen
65 ersetzt, wobei es sich in diesem Beispiel um fünf Öffnungen handelt.
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Diese Öffnungen 65 sind in der Langsrichbung des Sauerstoff-Sensors
3o vor dem nicht unterstützten Ende loa des Sauerstoff-Spürelementes 10 angeordnet.
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Dies bedeutet, daß eine horizontale, die Senbren der Öffnungen 65
enthaltende Ebene von dem Ende 1oa des Elementes 1o entfernt ist. Verglichen mit
dem einzelnen langlichen Schlitz 37 ist die Kombination der fünf Öffnungen 65 wirksamer
bezüglich einer guten Durchmischung des Auspuffgases vor seiner Beruhrung mit dem
empfindlichen Teil 15 des Elementes 10. Dies wird durch eine erhöhte Neigung zur
Turbulenz des in das Innere der Haube 36 durch die Vielzahl der relativ kleinen
Öffnungen 65 eingeströmtea Auspuffgases bewirkt.
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Die Gesamtanzahl der oben beschriebenen Öffnungen 65 und die Abstände
zwischen denselben können beliebig unter Berücksichtigung der beabsichtigten Verwendung
des Sauerstoff-Sensors 3o oder der physikalischen Eigenschaften des Spürelementes
1o bestimmt werden In den Fig. 17 und 18 ist die Haube 36 mit sechs kreisrunden
Öffnungen 65 ausgebildet, die in Umfangsrichtung gleichmäßige Abstände aufweisen.
Falls gewünscht, kanu eine Vielzahl von Öffnungen, die durch die Öffnungen 65 in
den Fig. 15-18 repräsentiert sind, in verschiedenen Abständen von dem vorderen Ende
der Haube 36 angeordnet werden.
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Als eine zusätzliche Abänderung weist diese Haube 36 eine ringförmige
Wand 62 an ihrem vorderen Ende dergestalt auf, daß ähnlich der Haube 36 von Fig
11 eine kreisrunde Öffnung 63 in einem Zentrumsbereich verbleibt Wie in den Fig.
19 und So gezeigt, kann die ringförmige Wand 62 von Fig. 17 zu einer geschlossenen
Abschlußwand 64 abgeändert werden, so wie es bereits unter Bezugnahme auf Fig. 13
beschrieben wurde.