DE3227609A1

DE3227609A1 - Vorrichtung fuer die erfassung der sauerstoffkonzentration in abgas

Info

Publication number: DE3227609A1
Application number: DE19823227609
Authority: DE
Inventors: Hiromi Sano; Masatoshi Suzuki
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1981-07-27
Filing date: 1982-07-23
Publication date: 1983-02-10
Also published as: US4383906A; JPH0312255B2; JPS5819553A; DE3227609C2

Description

Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in Abgas

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in Abgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wenn eine Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Brennstoff zu Luft betrieben wird, nimmt im allgemeinen der Betrag schädlicher Bestandteile in dem Abgas extrem ab. Um Luftverschmutzung zu vermeiden, ist es daher wünschenswert, daß die Brennkraftmaschine in jedem Betriebszustand bzw. jeder Betriebsart mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff betrieben wird. Dieses würde jedoch den Brennstoffverbrauch erhöhen. Während der Beschleunigung oder des Hochlastbetriebes wird das Brennstoff-Luft-Gemisch angereichert, während während des Normalbetriebes oder Teillastbetriebes das Gemisch abgemagert wird. Wenn daher der Betrag des der Brennkraftmaschine zugeführten Brennstoffes so eingestellt oder gesteuert wird, daß der Motor während des Hochlastbetriebes mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff betrieben werden kann, und daß während des Teillastbetriebes ein magerer Zustand des Gemisches verwendet wird,

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dann kann der Betrag des zugeleiteten Brennstoffes auf einen Idealbetrag entsprechend der Konzentration des im Abgas befindlichen Sauerstoffes eingestellt werden. Somit wird eine Gegenmaßnahme gegen das Abgas und die Einsparung von Brennstoff zusammen verwirklicht.

Es ist eine Steuervorrichtung bekannt geworden, die beim Laufen des Motors unter Vollast und unter Teillast den Sauerstoffbetrag in dem Abgas erfaßt und den Brennstoffbetrag steuert, der von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung entsprechend dem so gemessenen Betrag von Sauerstoffgas eingespritzt wird. Als Bauteile dieser Steuervorrichtung sind zwei Arten von Sensoren entwickelt worden, von denen einer ein Sensor für ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff ist, der so ausgelegt, daß er in einer Vollast-Betriebsart messen kann, ob die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas der Sauerstoffkonzentration eines Brennstoff-Luft-Gemisches bei einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff entspricht oder nicht, und von denen der andere ein Sensor zur Erfassung eines mageren Gemisches ist, der hier Mager-Sensor genannt wird und so ausgelegt ist, daß er die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in der Teillast-Betriebsart oder in einer Betriebsart mit magerem Gemisch messen kann.

Der Sensor oder Meßfühler für ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft, der hier Stöchiometrie-Sensor genannt wird, weist ein die Sauerstoffkonzentration erfassendes Bauteil aus einem Metalloxid auf, das für Sauerstoffionen durchlässig ist und eine elektromotorische Kraft entsprechend der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erzeugt, wobei die elektromotorische Kraft von zwei Elektroden abgegeben wird, die beispielsweise aus Platin sein können und auf dem Erfassungselement vorgesehen sind. Die elektromotorische Kraft ändert sich plötzlich ,nur wenn ein stöchiometrisches

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Verhältnis von Luft zu Brennstoff erreicht wird; der Betriebszustand entsprechend dem stochiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff wird durch Erhöhung oder Verminderung des Betrages von Brennstoff erreicht, der dem Motor zugeführt wird, bis die elektromotorische Kraft eine plötzliche Änderung anzeigt.

Der Mager-Sensor oder der Mager-Meßfühler weist ein Feststoff-Elektrolyt-Bauteil aus einem Metalloxid auf, das für Sauerstoffionen durchlässig ist. Das Bauteil weist ein Paar poröser Elektroden auf beiden Oberflächen auf. Sauerstoff in dem Abgas wird durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden so ionisiert, daß die sich ergebenden Ionen von einer Elektrode zu der anderen diffundieren.

Wenn die zwischen den beiden Elektroden angelegte Spannung verändert wird, verändert sich im allgemeinen auch der Betrag des zwischen beiden Elektroden fließenden Stromes. Beim Vorliegen eines optimalen Gemisches zwischen Luft und Brennstoff in einer mageren Betriebsart ändert sich jedoch der Betrag des Stromes nicht, wenn das Feststoff-Elektrolyt-Bauteil sich auf einer konstanten Temperatur befindet, auch wenn die angelegte Spannung geändert wird. Der gleichbleibende Strom wird hier als "Sättigungsstrom" bezeichnet. In einer mageren Betriebsart wird daher ein optimales Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft dadurch erreicht, daß der Betrag des Brennstoffes erhöht oder vermindert wird, der dem Motor zugeführt wird, bis der Sättigungsstrom zwischen den Elektroden fließt.

Da der Wert des erwähnten Sättigungsstromes sich mit der Temperatur ändert, ist es notwendig, die Temperatur auf einem festen Wert zu halten. In dieser Beziehung wird zur Überprüfung ein Temperatursensor verwendet, um eine Heizvorrichtung so zu steuern, daß das Feststoffelektrolyt-Bauteil auf einer konstanten Temperatur

in dem Bereich von beispielsweise 700 bis 750⁰G- gehalten wird.

Wenn es unter solchen Umständen versucht wird, die Brennstoffversorgung für die Brennkraftmaschine über den ganzen Betriebsbereich einschließlich beliebiger Betriebsarten zu steuern, wird es nötig, den Stöchiometrie-Sensor, den Mager-Sensor, die Heizvorrichtung für den Mager-Sensor und den Temperatur-Sensor für die Heizvorrichtung zu verwenden. Diese Sensoren sind beim Stand der Technik getrennt vorgesehen, oder nur der Mager- und der Temperatur-Sensor sind zusammen angeordnet. Beim Stand der Technik ist es daher bei der Steuerung des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine notwendig·,! eine Vielzahl von derartigen unabhängigen Sensoren beispielsweise mit der Abgasleitung des Motors zu verbinden. Daraus ergibt sich eine Erhöhung in der Anzahl der Teile wie auch in der Anzahl der Montageschritte. Somit entsteht beim Stand der Technik der Nach teil, daß derartige Faktoren die Kosten erhöhen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die so ausgelegt ist, daß sie mittels einer baulichen Einheit sowohl die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von einer Brennkraftmaschine in der Vollast-Betriebsart und in der Teillast-Betriebsart als auch die Temperatur einer zylindrischen, für Sauerstoffionen durchlässigen Vorrichtung in der Teillast-Betriebsart erfassen kann und somit das Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft über den gesamten Arbeitsbereich des Motors erfassen kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen·

Ein besonderer Vorteil ergibt sich daraus, daß "erfindungsgemäß eine Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in Abgas vorgesehen ist, die eine tassenartige, für Sauerstoffionen durchlässige, geschlossene Zylindervorrichtung aus Feststoffelektrolyt, wie beispielsweise für Sauerstoffionen durchlässigem Metalloxid aufweist, die eine in Verbindung mit der Atmosphäre stehende innere Umfangsoberflache und eine in Verbindung mit dem Abgas stehende äußere Umfangsoberfläche aufweist und eine elektromotorische Kraft entsprechend der Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen der inneren Umfangsoberflache und der äußeren umfangsoberflache erzeugt und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.

Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich daraus, daß dabei ein Paar von ersten Elektroden als Mager-Sensor dient und je eine dünne Schicht auf porösem metallischem Material aufweist, wobei die Schichten auf der inneren bzw. der äußeren Umfangsoberflache der Zylindervorrichtung einander gegenüberliegend vorgesehen sind, und daß eine Beschränkungsschicht für die Diffusion von Sauerstoffgas vorgesehen ist, die die erste Elektrode auf der äußeren Umfangsoberflache der Zylindervorrichtung bedeckt.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß ein Paar von zweiten Elektoden für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration des Abgases in der Vollast-Betriebsart und für die Erfassung der Temperatur der Zylindervorrichtung vorgesehen ist, wobei jede Elektrode eine dünne Schicht aus einem porösen metallischen Material aufweist und die zweiten Elektroden auf den Bereichen der inneren bzw. äußeren Umfangsoberfläche der Zylindervorrichtung vorgesehen sind, die sich von den Bereichen unterscheiden, auf welchen die ersten Elektroden in einander gegenüberliegender Anordnung vorgesehen sind, und daß eine Heizvorrichtung

in der Zylindervorrichtung für das Heizen der Z-ylindervorrichtung vorgesehen ist.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß erfindungsgemäß das Erfassen des mageren Betriebszustandes, der Sauerstoffkonzentration und der Temperatur mittels einer einzigen Baueinheit durchgeführt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnitt-Ansicht einer Vorrichtung für

die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in Abgas in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 2 eine Ansicht von vorne auf die Sauerstoffionen leitende Zylindervorrichtung, die in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendet wird; und

Fig· 3 einen Querschnitt durch die Zylindervorrichtung nach Fig. 1.

Wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist eine für Sauerstoffionen durchlässige tassenartige Zylindervorrichtung 1 eine Öffnung an einem Ende auf, ist an dem anderen Ende geschlossen und weist einen Innendurchmesser von etwa 5 mm und eine Wandstärke von etwa 0,6 bis 1 mm auf. Die Zylindervorrichtung 1 ist aus Feststoff-Elektrolyt hergestellt, das aus für Sauerstoffionen durchlässigem Metalloxid besteht und eine elektromotorische Kraft entsprechend der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas erzeugt und einen negativen Verlauf der Widerstandskennlinie über der Temperatur, also einen negativen

Temperaturkoeffizienten, aufweist. Ein typisches Metalloxid mit diesen drei Eigenschaften ist ein Gemisch aus 96 bis 90 Molprozent Zirkonoxid und 4 bis 10 Molprozent Yttriumoxid. Nach dem Mahlen wird das Gemisch bei einer Temperatur von etwa 12 5O°C gebrannt und dann in eine tassenartige Form gepreßt. Daraufhin wird das Gemisch erneut bei einer Temperatur von 1350 bis 175O°C gebrannt und gesintert, um die Zylindervorrichtung 1 zu formen. Andere geeignete Materialien sind ZrO₂ - Yb₃O,, ZrO - SC₂O₃, ZrO₂ - CaO, ZrO₃ - Th₃O₃, ZrO₃ - MgO, ThO₂ - CaO und CeO„ - MgO.

Die Zylindervorrichtung weist einen ringförmigen Verdickungsbereich la in der Mitte und auch einen ringförmigen Stützbereich Ib auf der inneren Umfangsoberfläche Id an dem oberen offenen Ende der Zylindervorrichtung 1 auf. An der inneren ümfangsoberflache Id der Zylindervorrichtung 1 ist eine Mager-Erfassungselektrode 2 befestigt, deren unteres Ende 2 bis 10 mm oberhalb des unteren Endes der inneren Ümfangsoberflache Id endet, wie es in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. An der äußeren Ümfangsoberflache Ic der Zylindervorrichtung 1 ist eine weitere Mager-Erfassungselektrode 3 befestigt, die zu der Elektrode 2 gegenüberliegend angeordnet ist, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Jede dieser

Elektroden 2 und 3, die nachfolgend als "erste Elektroden" bezeichnet werden, weist eine Schicht aus porösem Material auf, beispielsweise eine Platinschicht, der auf der Zylindervorrichtung beispielsweise durch chemi^w sches Beschichten oder Pasten-Rasterdruck bzw. im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Die Fläche und die Dicke

2 der ersten Elektroden 2, 3 beträgt etwa 100 mm bzw. 0,5 bis 1,0 Mikrometer. Mit den ersten Elektroden 2, 3 ist-ein Leitungsdraht 2a, 3a verbunden, die aus demselben Material bestehen, wie die ersten Elektroden 2, 3. Der Leitungsdraht 2a ist mit der inneren Elektrode 2 verbunden und erstreckt sich bis zu der Spitze des ringförmigen Stützbereiches Ib entlang der inneren Umfangs-

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Oberfläche ld der Zylindervorrichtung 1. Der Leitungsdraht 3a ist mit der äußeren Elektrode 3 verbunden und erstreckt sich bis zu der oberen Oberfläche des ringförmigen Verdickungsbereiches la entlang der äußeren Umfangsoberflache lc der Zylindervorrichtung 1. Der äußere Leitungsdraht 3a ist mit einer Schutzschicht abgedeckt, die beispielsweise aus Borsilikatglas mit keiner Durchlässigkeit für Gas und einem hohem Schmelzpunkt besteht. Die äußere Elektrode 3 ist mit einer porösen Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas aus Al₃O , Al₂O-MgO oder ZrO₂ mittels Plasma-Strahl-Spritzen beschichtet. Um die Sauerstoffgas-Diffusionsfunktion, wie sie weiter unten beschrieben ist, zufriedenstellend durchzuführen, ist die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion des Sauerstoffgases so ausgelegt, daß sie strenge Anforderungen bezüglich Dicke, Porosität, mittlere Porengröße und dgl. erfüllt.

An dem Bereich der inneren Umfangsoberflache ld der Zylindervorrichtung 1, der in der Nähe des geschlossenen Endes Ie ist, sich jedoch von dem Bereich unterscheidet, an welchem die Elektrode 2 vorgesehen ist, ist eine Elektrode 6 befestigt, die sowohl als Erfassungsvorrichtung für das Messen der Sauerstoffkonzentration unter Vollast als auch als Erfassungsvorrichtung für die Temperatur der Zylindervorrichtung dient. An der äußeren Umfangsoberflache lc der Zylindervorrichtung 1 ist gegenüberliegend zu der Elektrode 6 eine weitere Elektrode angeordnet, die demselben Zweck wie Elektrode 6 dient und in Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Jede der Elektroden 6 und 7, die im folgenden als "zweite Elektroden" bezeichnet werden, weist eine Materialschicht auf, die in der Lage ist, als Katalysator zu wirken, beispielsweise eine Platinschicht, die auf der entsprechenden

Umfangsoberflache der Zylindervorrichtung beispielsweise mittels chemischer Beschichtung oder im Siebdruckverfahren aufgebracht ist und eine Fläche von 10 bis 100

2
mm und eine Dicke von 0,1 bis 1,0 Mikrometer aufweist.

Die zweiten Elektroden 6 und 7 sind mit Leitungsdrähten 6a bzw. 7a verbunden, die auch aus Platin oder einem vergleichbaren Material bestehen. Der Leitungsdraht 6a der inneren zweiten Elektode 6 wird zum oberen Ende des ringförmigen Stützbereiches Ib entlang der inneren Umfangsoberflache ld der Zylindervorrichtung 1 geführt, während der Leitungsdraht 7a der äußeren Elektrode 7 zu der oberen Oberfläche des ringförmigen Verdickungsbereiches la entlang der äußeren Umfangsoberflache lc der Zylindervorrichtung 1 geführt wird. Die äußere Oberfläche.ist mit einer dichten Schutzschicht 9 bedeckt, die aus Glas mit einem hohen Schmelzpunkt besteht, wie beispielsweise aus einem Borsilikatglas. Ferner ist die äußere zweite Elektrode 7 mit einer porösen Schutzschicht 10 bedeckt. Die Schutzschicht 10 kann getrennt von der Begrenzungsschicht 5 hergestellt werden, es ist jedoch günstig, die Schutzschicht 10 mit der Begrenzungsschicht einstückig auszubilden.

Zunächst wird das poröse Material durch Plasma-Strahl-Spritzen auf die Bereiche der äußeren Umfangsoberflache lc der Zylindervorrichtung 1 aufgebracht, auf welchen die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas und die Schutzschicht 10 auszubilden sind, so daß das poröse Material auf der Begrenzungsschicht 5 dieselbe Dicke von etwa 100 Mikrometern wie das der Schutzschicht 10 aufweist. Dann wird das poröse Material ferner mittels Plasma-Strahl-Spritzen auf nur den Bereich aufgebracht, auf welchem die Begrenzungsschicht 5 auszubilden ist, bis sich eine zusatzliche Stärke von 100 bis 700 Mikrometern ergibt. Somit sind beide Schichten 5 und 10 einstückig ausgebildet.

Eine stabförmige keramische Heizvorrichtung 11 weist einen zylindrischen Hauptkörper 11a aus Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxyd, und eine Spule oder einen spiralförmigen Heizdraht lib, beispielsweise Nickelchromdraht, auf, der in dem Hauptkörper 11a aufgenommen ist.

Die Heizvorrichtung 11 wird in einen Raum eingeführt, der durch die innere Umfangsoberflache lld der Zylindervorrichtung festgelegt ist, wobei das untere Ende der Heizvorrichtung 11 durch einen anorganischen Klebstoff 14 auf der inneren Oberfläche Id der Zylindervorrichtung 1 an deren offenem Ende befestigt ist. Die zylindrische keramische Heizvorrichtung 11 ist koaxial mit einer Ausnehmung 12 versehen, durch welche der Innenraum der Zylindervorrichtung 1 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zwischen dem anorganischen Klebstoff 14 und der Zylindervorrichtung 1 sind metallische Leitungsdrähte 15a und 16a angeordnet, die beispielsweise aus Platin bestehen. Das untere Ende des Leitungsdrahtes 15a ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 2a für den Mager-Sensor verbunden und dessen oberes Ende ist elektrisch mit einem Mikrocomputer verbunden, der außerhalb der Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration angeordnet ist. Das untere Ende des anderen Leitungsdrahtes 16a ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 6a für die Elektrode 6 oder den Sauerstoffsensor bei Vollast und für die Temperatur der Zylindervorrichtung verbunden, und das obere Ende des Leitungsdrahtes 16a ist auch elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden.

Leitungsdrähte 15b und 16b erstrecken sich axial auf der äußeren Umfangsoberflache der Zylindervorrichtung

Das untere Ende des Leitungsdrahtes 15b ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 3a verbunden und das obere Ende des Leitungsdrahtes 15b ist elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden. Das untere Ende des Leitungsdrahtes 16b ist mit dem oberen Ende der Elektrode 7 verbunden, wobei beide als Stöchiometrie-Sensor oder Sauerstoff-Sensor für den Teillastbetrieb und als Temperatursensor dienen. Das andere Ende des Leitungsdrahtes 16b ist elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden.

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Ein zylindrisches Gehäuse 20 aus Metall umgibt die Zylindervorrichtung 1 über den Bereich von dem ringförmigen Verdickungsbereich la zu dem offenen Endbereich der Zylindervorrichtung 1 und hält die Zylindervorrichtung Ein ringförmiger Stützbereich 20a ist bei dem unteren Endbereich des Gehäuses 20 ausgebildet. Auf der inneren Oberfläche des ringförmigen Stützbereiches 20a ist die Unterseite des ringförmigen Verdickungsbereiches la der Zylindervorrichtung 1 mit einer kegelstumpfförmigen Dichtung 21 versehen, die zwischen den beiden letztgenannten Bereichen angeordnet ist. In einem Abstand 100 zwischen der inneren Umfangsoberflache des Gehäuses 20 und der oberen äußeren Umfangsoberflache der Zylindervorrichtung 1, die sich von dem ringförmigen Verdickungsbereich la zu dem offenen Endbereich der Zylindervorrichtung 1 erstreckt, ist eine Talkumvorrichtung 22 in Form eines Ringes zunächst eingebracht und daraufhin ein Asbestring 23 auf der Talkumeinrichtung 22 vorgesehen. Sowohl die Talkumeinrichtung 22 als auch der Ring 23 werden zur elektrischen Isolation und zum Abdichten zwischen der Zylindervorrichtung 1 und dem Gehäuse 20 verwendet.

Das Gehäuse 20 bildet einen ringförmigen abgedichteten Bereich 20b an dem oberen Ende und hält den Asbestring 23 mittels des abgedichteten Bereiches 20b mit einem O-Ring 24, der zwischen dem Ring 23 und dem Bereich 20b derart angeordnet ist, daß verhindert wird, daß die Zylindervorrichtung 1 aus dem Gehäuse 20 herausgleitet. 30

Ein Halteflansch 25 ist beispielsweise mit dem Gehäuse 20 verschweißt. Der Halteflansch 25 ist an dem Auspuffrohr der Brennkraftmaschine mittels Bolzen befestigt, die in Ausnehmungen 25a eingeführt sind, wobei die Ausnehmungen 25a in den Halteflansch 25 derart ausgebildet sind, daß das geschlossene Ende der Zylindervorrichtung in dem Abgas von dem Motor vorgesehen ist.

Eine Abdeckung 26 ist an dem unteren Ende des Gehäuses für das Abdecken des unteren Endbereiches der Zylindervorrichtung 1 befestigt, wobei die Abdeckung 26 mit einer Mehrzahl von Öffnungen 27 versehen ist, die Abgas

c eintreten lassen.

Die zweiten Elektroden 6 und 7, die je mit diesen verbundenen Leitungsdrähte 6a und 7a, und der Bereich der Zylindervorrichtung zwischen den zweiten Elektroden 6

^q und 7 bilden einen Sensor 28 für die Erfassung sowohl von Sauerstoff im Vollastbetrieb und von der Temperatur der Zylindervorrichtung 1, während die ersten Elektroden 2 und 3, die mit diesen verbundenen Anschlußdrähte 2a und 3a, die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas und der Bereich der Zylindervorrichtung zwischen den ersten Elektroden 2 und 3 einen Mager-Sensor 29 bilden.

Beim Betrieb tritt, wenn die Brennkraftmaschine läuft, Abgas von dem Motor über die Öffnungen 27 in die Abdeckung 26 ein. Die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ändert sich mit dem Verhältnis von Brennstoff zu Luft und ist im allgemeinen niedrig bei Vollast und hoch bei Teillast.

Es sei nun angenommen, daß das Brennstoff-Luft-Verhältnis im wesentlichen gleich dem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft in der Vollast-Betriebsart der Brennkraftmaschine ist. In dieser Hinsieht wird der Sensor 28 für den Sauerstoff unter Volllast und die Temperatur der Zylindervorrichtung 1 verwendet.

Da der Innenraum der Zylindervorrichtung 1 mit der Atmosphäre über die Ausnehmung 12 in der Heizvorrichtung 11 in Verbindung steht, befindet sich atmosphärisches Gas in der Zylindervorrichtung 1. Ferner steht die äußere Oberfläche Ic der Zylindervorrichtung 1 mit dem

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Abgas über die Poren der Schutzschicht 10 in Verbindung. Da dementsprechend die innere Oberfläche Id der Zylindervorrichtung 1 dem Sauerstoffgas mit hoher Konzentration in dem Gas der Atmosphäre ausgesetzt ist und die äußere Oberfläche Id der Zylindervorrichtung dem Sauerstoff in dem Abgas ausgesetzt ist, wird eine elektromotorische Kraft entsprechend dem unterschied der SauerstoffKonzentrationen zwischen der äußeren Umfangsfläche Ic und der inneren Umfangsflache Id der IQ Zylindervorrichtung 1 in der Zylindervorrichtung 1 erzeugt. Diese elektromotorische Kraft, die erfaßte elektromotorische Kraft, wird von den zweiten Elektroden 6 und 7 über die Leitungsdrähte 6a, 7a, 16a und 16b zu dem Mikrocomputer übertragen.

Die elektromotorische Kraft entsprechend dem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft für die Beschleunigungs- oder Vollast-Betriebsart wird vorher in dem Mikrocomputer eingestellt. In dem Mikrocomputer wird die gemessene elektromotorische Kraft mit der vorher eingestellten elektromotorischen Kraft verglichen. Wenn die gemessene elektromotorische Kraft größer als die eingestellte elektromotorische Kraft ist, kann festgestellt werden, daß das damit gemessene Luft-Brennstoff-Verhältnis geringer oder kleiner als das stöchiometrische Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft ist. Wenn umgekehrt die gemessene elektromotorische Kraft kleiner als die eingestellte elektromotorische Kraft ist, kann festgestellt werden, daß das gemessene Brennstoff-Luft-Gemisch magerer ist als das Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft. Wenn eine derartige Differenz auftritt, wird ein Befehl von dem Mikrocomputer zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung ausgesendet, um das Einspritzen des Brennstoffes zu steigern oder zu vermindern, und um somit das aktuelle Brennstoff-Luft-Verhältnis an das stöchiometrische Brennstoff-Luft-Verhältnis anzugleichen. Schädliche Gase wir CO, HC und NO

werden bei einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft minimal. Somit wird die Luftverschmutzung durch das Abgas stark vermindert.

Wenn unterdessen das Abgas von der Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft oder mit einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis in die Schutz-Abdeckung 26 eingeführt wird, ändert sich die elektromotorische Kraft in der Zylindervorrichtung 1 sprungartig. Durch Eingabe dieser Änderung in den Mikrocomputer ist es auch möglich, einfach und zuverlässig das stöchiometrische Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft einzustellen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Heizvorrichtung 11 dazu veranlaßt wird, Wärme derart zu erzeugen, daß es möglich wird, daß der Sensor 28 auf einer festen minimalen Betriebstemperatur von beispielsweise 4oo°C oder mehr gehalten wird.

Es sei nun angenommen, daß der Mager-Sensor 2 9 verwendet wird, um zu ermöglichen, daß die Brennkraftmaschine in einem mageren Betriebszustand oder mit einem Verhältnis von viel Luft zu dem verwendeten Brennstoff läuft.

Der Leitungsdraht 15a uhd der Leitungsdraht 15b sind zunächst mit der Anode bzw. der Kathode einer Spannungsquelle verbunden, und es wird ermöglicht, daß ein Strom über die Leitungsdrähte 13a und 13b der Heizvorrichtung 11 fließt, und daß dadurch die Heizvorrichtung 11 dazu veranlaßt wird, Wärme zu erzeugen. Eine Spannung wird zwischen den Leitungsdrähten 15a und 15b so angelegt, daß die Elektrode 2 eine positive Polarität aufweist, während die Elektrode 3 eine negative Polarität aufweist. Die Sauerstoffmoleküle in dem Abgas durchtreten die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion des Sauerstoffgases und erreichen die Elektrode 3; den Sauerstoffmolekülen werden dort Elektronen gegeben, so daß sie sich in Sauerstoffionen verwandeln. Da die Zylindervorrichtung 1 aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen

* Elektrolyt besteht, werden die Sauerstoffionen 'in der

Zylindervorrichtung 1 von der Elektrode 3 zu der Elektrode 2 so verteilt zu diffundieren, daß sie die Elektrode erreichen. Beim Erreichen der Elektrode 2 geben die Sauerstoffionen ihre Elektronen ab und bewirken so, daß ein Strom, der Meßstrom, von der Elektrode 2 zu der Elektrode 3 fließt und verwandeln sich in Moleküle, die wiederum über die Ausnehmung 12 in die freie Luft gelangen.
10

Wird die Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3 nach und nach in der mageren Betriebsart erhöht, ändert sich der Strom zwischen den Elektroden 2 und 3 möglicherweise nicht mehr in einem bestimmten Bereich. Dieser Strom wird hier "Sättigungsstrom" genannt,und, wenn die Fläche der Elektrode 3, die Dicke der Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion des Sauerstoffgases und die absolute Temperatur auf fest eingestellte Werte gesetzt werden,

stimmt die folgende Gleichung:
20

I= KP,

wobei K eine Konstante ist und P den Partialdruck des

Sauerstoffs in dem Abgas darstellt. 25

Die Spannung entsprechend dem Sättigungsstrom I wird nun zwischen den Elektroden 2 und 3 angelegt. Der Strom zwischen den Elektroden 2 und 3 mit dieser zwischen denen

angelegten Spannung wird hier "Meßstrom" genannt. 30

Damit die Sauerstoffdiffusion zuverlässig eine festgelegte Diffusionsgeschwindigkeit aufrechterhält und damit der Strom zwischen den Elektroden 2 und 3 genau gemessen werden kann, ist die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion des Sauerstoffgases so ausgelegt, daß sie eine festgelegte Dicke hat und die Elektrode 3 eine kleine Fläche aufweist. Beispielsweise wird die Dicke der Begrenzungsschicht 5 auf 200 bis 800 Mikrometer

eingestellt, und die Fläche der Elektroden 3 wird auf

2
20 mm eingestellt.

Die eingestellten Ströme oder die Sättigungsströme, die einem optimalen Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft für den Betrieb des Motors mit einem mageren Gemisch entsprechen, sind vorher in dem Mikrocomputer eingestellt worden. Der Wert des Meßstromes wird von den Elektroden 2 und 3 über die Leitungsdrähte 2a, 3a, 15a und 15b an den Mikrocomputer angelegt. Somit wird in den Mikrocomputer der Meßstrom entsprechend dem augenblicklichen Betriebszustand des Motors mit dem vorher in den Mikrocomputer eingestellten Stromwert verglichen. Wenn der Wert des Meßstromes größer als der Wert des voreingestellten Stromes ist, kann in dem Mikrocomputer festgestellt werden, daß das augenblickliche Luft-Brennstoff-Verhältnis größer als das optimale Luft-Brennstoff-Verhältnis ist, oder, im ungekehrten Falle, daß das Erstere geringer als das Letztere ist. Entsprechend einer solchen Feststellung wird ein Befehl für die Verminderung oder für die Steigerung der Brennstoffzugabe zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung geleitet und somit das aktuelle Brennstoff-Luft-Verhältnis dem optimalen Brennstoff-Luft-Verhältnis angeglichen. Somit kann Brennstoff gespart werden und schädliche Gasbestandteile in dem Abgas können auch vermindert werden. Wenn es keinen Unterschied zwischen dem voreingestellten Strom und dem Meßstrom gibt, kann im allgemeinen davon ausgegangen werden, daß ein optimales Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft erreicht ist. Die Spannung zwischen den Elektroden 2 und 3 wird jedoch unter diesen Umständen weiter geändert, und es wird durch den Mikrocomputer erfaßt, daß keine Änderung bei dem Meßstrom auftritt. Somit wird das optimale Verhältnis zwischen Brennstoff

^° und Luft zuverlässig ermittelt.

Unterdessen ist es erforderlich, daß der Mager-Sensor 29 auf einer festeingestellten Temperatur von 700 bis 7 5O°C

gehalten wird. Der Mager-Sensor 29 wird durch die keramische Heizvorrichtung 21 erwärmt und die Temperatur des Mager-Sensors 29 wird durch den Sensor 28 für Sauerstoff bei Vollast und die Temperatur der Zylindervorrichtung 1 gemessen. Das bedeutet, daß der Meßfühler oder Sensor 28 verwendet wird, um die Temperatur der Zylindervorrichtung zu erfassen, wenn die Brennkraftmaschine unter Teillast läuft.

IQ Wie es oben beschrieben ist, weist die Zylindervorrichtung 1 einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, und, wenn eine feste Spannung zwischen den zweiten Elektroden 6 und 7 angelegt wird, erhöht sich der Strom zwischen den Elektroden 6 und 7 proportional einer Steigerung der Temperatur der Zylindervorrichtung 1, so daß die Temperatur aus dem Stromwert ermittelbar ist. Dementsprechend wird der von den Elektroden 6 und 7 über die Leitungsdrähte 6a, 7a, 16a und 16b zu dem Mikrocomputer übertragene Wert für den Meßstrom in dem Mikrocomputer ^mit dem voreingestellten Stromwert entsprechend der festen Temperatur, die auf einen Wert zwischen 700 und 75Q°C eingestellt ist, verglichen. Wenn somit die Temperatur unterhalb von 700°C ist, wird es dem Strom ermöglicht, durch die Heizvorrichtung 11 zu fließen und deren Erwärmung zu bewirken, während, wenn die Temperatur 75O°C beträgt, der Strom zu der Heizvorrichtung 11 gestoppt wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis von 14,5 bis 25 eingestellt werden. Ferner kann die Steuerung der Temperatur durch Erfassung der Änderung des Widerstandes der keramischen Heizvorrichtung 11 durchgeführt werden; in diesem Fall wird jedoch die Thermistor-Kennlinie der Zylindervorrichtung 1 nicht ausgenutzt. In diesem Falle würde die Heizvorrichtung 11 sowohl die Heizfunktion als auch die Temperaturerfassungsfunktion durchführen.

Es muß festgehalten werden, daß, da die äußere Oberfläche der äußeren Elektrode 3 des Mager-Sensors mit

der Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion des Sauerstoffgaseb oedeckt ist, es verhindert wird, daß die Elektrode 3 von der Wand der Zylindervorrichtung 1 infolge der zyklischen Wiederholung des Abkühlens und Erwärmens abblättert, und daß es auch verhindert wird, daß die Elektrode 3 infolge der Wirkung von Blei, Phosphor, Ölen und dgl. in dem Abgas beschädigt oder verschlechtert wird.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

f lötvorrichtung für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration —-^ in Abgas, gekennzeichnet durch:

a) eine tassenartige, für Sauerstoffionen durchlässige Zylindervorrichtung (1) aus Feststoffelektrolyt, welches aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxid besteht, mit einer inneren Umfangsoberflache (Id), die mit der Außenluft in Verbindung steht, und mit einer äußeren Umfangsoberflache (Ic), die mit dem Abgas in Verbindung steht, mit welcher eine elektromotorische Kraft entsprechend einer Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen auf der inneren Umfangsoberf lache (Id) und der äußeren tJmf angsoberfläche (Ic) erzeugbar ist, die eine negative Widerstands/Temperatur-Kennlinie aufweist,

b) ein Paar von ersten Elektroden (3, 4), welches als Magergemisch-Sensor dient, wobei jede Elektrode eine dünne Schicht aus porösem metallischem Material aufweist und die ersten Elektroden (3, 4) auf der inneren Umfangsoberf lache (Id) bzw. der äußeren Umfangsoberflache (Ic) der Zylindervorrichtung (1) einander gegenüberliegend angeordnet sind;

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c) eine Begrenzungsschicht (5) für die Diffusi-on von Sauerstoffgas, welche die mageres Gemisch erfassende Elektrode (3) auf der äußeren Umfangsoberflache (Ic) der Zylindervorrichtung (1) bedeckt;

d) ein Paar von zweiten Elektroden (6,7), mit welchem

die Sauerstoffkonzentration in einer Vollast-Betriebsart und die Temperatur der Zylindervorrichtung (1) erfaßbar ist, wobei jede Elektrode eine dün-

IQ ne Schicht aus einem porösen metallischen Material aufweist und die zweiten Elektroden je auf den Bereichen der inneren bzw. äußeren Umfangsoberflache (Id; Ic) der Zylindervorrichtung (1) vorgesehen sind, die von den Bereichen verschieden sind auf welchen die ersten .Elektroden (3, 4) einander gegenüberliegend vorgesehen sind; und

e) eine in der Zylindervorrichtung (1) angeordnete

Heizvorrichtung (11), mit welcher die Zylindervorrichtung (1) heizbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine poröse Elektroden-Schutzschicht (10) vorgesehen ist, die die zweite Elektrode (7) abdeckt, die auf der äußeren Umfangsoberflache (Ic) der Zylindervorrichtung (1) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Elektroden-Schutzschicht (10) aus einer der Verbindungen Al₂Oo, Al₂O-. «MgO oder ZrO„ besteht.
4. Vorrichtung-nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (11) einen keramischen zylindrischen Hauptkörper (lla) mit einer koaxial in dem Hauptkörper (Ha) ausgebildeten Ausnehmung (12), und einen Heizdraht (Hb) aufweist, der in dem Hauptkörper (Ha) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Zylindervorrichtung (1) haltendes Gehäuse (20) mit Öffnungen (27) vorgesehen ist, durch welche Abgas einleitbar ist und die mit der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (7) in Verbindung stehen, welche auf der äußeren Umfangsoberflache (lc) der Zylindervorrichtung (1) vorgesehen sind.
6· Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindervorrichtung (1) einen ringförmigen Verdickungsbereich (la) an einer Stelle aufweist, die sich von derjenigen Stelle unterscheidet, an welcher die Elektroden (2, 3, 6, 7) vorgesehen sind, und daß das Gehäuse (20) innen einen ringförmigen Stützbereich (20a) aufweist, auf welchen der ringförmige Verdickungsbereich (la) der Zylindervorrichtung (1) aufnehmbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Talkumeinrichtung (22) vorgesehen ist, die in einem Zwischenraum (100) aufnehmbar ist, welcher zwischen der Zylindervorrichtung (1) und dem Gehäuse (20) festgelegt ist, und daß ein Asbestring (23) vorgesehen ist, der die Talkumeinrichtung (22) in dem Zwischenraum (100) abdeckt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3, 6, 7) aus Platin bestehen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindervorrichtung (1) aus einer der Verbindungen ZrO„ - ^₂ ⁰V ^Zr02 ~ Yk„Q_, ZrO_ - SC₃O₃, ZrO - CaO, ZrO„ - Ch„O , ZrO„ - MgO, ThO„ - CaO oder CeO₃ - MgO besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Begrenzungsschicht (5) für die Diffusion von Sauerstoffgas aus einer der Verbindungen Al₃O₃, Al O, MgO oder ZrO_? besteht.