DE3227609C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration im 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, 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 Verhältnis von Luft zu Brennstoff erreicht wird; der Betriebszustand entsprechend dem stöchiometrischen 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 750° C gehalten wird.

Wenn 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. Bei der Steuerung des Verhältnisses von Brennstoff zu Luft über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ist es daher 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 der Nachteil, daß derartige Faktoren die Kosten erhöhen.

Aus der gattungsgemäßen DE-OS 28 23 618 ist eine Vorrichtung für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration in Abgas bekannt, in der ein Sauerstoffionen durchlässiges Teil mit einer Oberfläche der Atmosphäre mit konstanter Sauerstoffkonzentration und der anderen Oberfläche einem zu messendem Gas ausgesetzt ist. Bei der aus der DE-OS 28 23 618 bekannten Regeleinrichtung zur Regelung des Luft/Brennstoffgemischverhältnisses für eine Brennkraftmaschine erfolgt die Messung der Sauerstoffkonzentration der Abgase in Normalbetrieb durch einen ersten Meßfühler, dessen Ausgangsspannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird, wobei eine Abweichung der beiden Spannungen ein zu fettes bzw. zu mageres Verhältnis in bezug auf ein vorgegebenes Luft/Brennstoff-Verhältnis anzeigt und die Verringerung bzw. die Vergrößerung der zugeführten Brennstoffmenge durch eine steuerbare Einrichtung erfolgt. Weiterhin weist die Regeleinrichtung einen zweiten Meßfühler zur Feststellung von Beschleunigungsbetriebszuständen und eine Einrichtung zur Änderung der Bezugsspannung derart auf, daß eine Änderung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses zu fetten Werten hin erfolgt.

Somit wird bei der aus der DE-OS 28 23 618 bekannten Regeleinrichtung bei Beschleunigung einer Brennkraftmaschine der an einen Komparator angelegte Referenzwert, der für Magerbetrieb bei Normalbedingungen definiert ist, auf einen solchen Spannungswert umgeschaltet, der dem angereicherten Luft/Brennstoffverhältnis entspricht. Durch die Zuführung eines der anliegenden Referenzspannung entsprechenden Gasgemisches wird verhindert, daß bei Beschleunigung der Brennkraftmaschine das Luft/Brennstoffverhältnis mager ist. Es wird auf diese Weise jedoch nur eine potentiometrische Regelung durchgeführt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mittels derer in einer baulichen Einheit neben Erfassung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einer Brennkraftmaschine in der Vollast-Betriebsart auch im Normal- und Teillastbetrieb das Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft über den gesamten Arbeitsbereich des Motors erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß, wenn der Motor im Normalbetrieb oder unter Teillast läuft, der in Übereinstimmung mit der Temperatur des Sauerstoffionen durchlässigen Teiles zwischen der dritten Elektrode und der vierten Elektrode erzeugte elektrische Strom aufgrund der negativen Widerstand-Temperaturcharakteristik gemessen wird, und, solange bis der elektrische Strom einen Wert entsprechend der gewünschten Temperatur des Teils erreicht, der dem Heizelement zugeführte elektrische Strom vergrößert, verkleinert oder abgeschaltet wird, wird eine polarographische Messung erreicht. Mit dem zwischen der dritten und vierten Elektrode erfaßten Ausgangsstrom, der sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, wird der dem Heizelement zugeführte Strom gesteuert. Auf diese Weise dient das Sauerstoffionen durchlässige Teil als Temperatursensor, und es ist nicht notwendig, einen solchen zusätzlich einzubauen. Da die Temperatur des Teiles selbst gemessen wird, kann die Sauerstoffkonzentration mit großer Genauigkeit auf der Grundlage der polarographischen Meßmethode festgestellt werden.

Zwar ist aus der DE-OS 29 09 452 ein elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen bekannt, bei dem sowohl eine potentiometrische wie auch polarographische Meßmethode durchführbar ist. Dieser weist jedoch einen vollkommen anderen Aufbau auf.

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

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung zum Inhalt.

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 das Sauerstoffionen durchlässige Teil, das in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendet wird; und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Sauerstoffionen durchlässige Teil nach Fig. 1.

Wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist ein Sauerstoffionen durchlässiges Teil 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. Das Sauerstoffionen durchlässige Teil 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 1250° C gebrannt und dann in eine tassenartige Form gepreßt. Daraufhin wird das Gemisch erneut bei einer Temperatur von 1350 bis 1750° C gebrannt und gesintert, um das Teil 1 zu formen. Andere geeignete Materialien sind ZrO₂-Yb₂O₃, ZrO₂-SC₂O₃, ZrO₂-CaO, ZrO₂-Th₂O₃, ZrO₂-MgO, ThO₂-CaO und CeO₂-MgO.

Das Teil weist einen ringförmigen Verdickungsbereich 1 a in der Mitte und auch einen ringförmigen Stützbereich 1 b auf der inneren Umfangsoberfläche 1 d an dem oberen offenen Ende des Teils 1 auf. An der inneren Umfangsoberfläche 1 d des Teils 1 ist eine Mager-Erfassungselektrode 2 befestigt, deren unteres Ende 2 bis 10 mm oberhalb des unteren Endes der inneren Umfangsoberfläche 1 d endet, wie es in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist. An der äußeren Umfangsoberfläche 1 c des Teils 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, die auf dem Teil beispielsweise durch chemisches Beschichten oder Pasten-Rasterdruck bzw. im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Die Fläche und die Dicke der ersten Elektroden 2, 3 beträgt etwa 100 mm² bzw. 0,5 bis 1,0 Mikrometer. Mit den ersten Elektroden 2, 3 ist ein Leitungsdraht 2 a, 3 a verbunden, die aus demselben Material bestehen, wie die ersten Elektroden 2, 3. Der Leitungsdraht 2 a ist mit der inneren Elektrode 2 verbunden und erstreckt sich bis zu der Spitze des ringförmigen Stützbereiches 1 b entlang der inneren Umfangsoberfläche 1 d des Teils 1. Der Leitungsdraht 3 a ist mit der äußeren Elektrode 3 verbunden und erstreckt sich bis zu der oberen Oberfläche des ringförmigen Verdickungsbereiches 1 a entlang der äußeren Umfangsoberfläche 1 c des Teils 1. Der äußere Leitungsdraht 3 a ist mit einer Schutzschicht 4 abgedeckt, die beispielsweise aus Borsilikatglas mit keiner Durchlässigkeit für Gas und einem hohen Schmelzpunkt besteht. Die äußere Elektrode 3 ist mit einer porösen Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas aus Al₂O₃, Al₂O₃ · 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, Porösität, mittlere Porengröße und dgl. erfüllt.

An dem Bereich der inneren Umfangsoberfläche 1 d des Teils 1, der in der Nähe des geschlossenen Endes 1 e 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 des Teils dient. An der äußeren Umfangsoberfläche 1 c des Teils 1 ist gegenüberliegend zu der Elektrode 6 eine weitere Elektrode 7 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 Umfangsoberfläche des Teils beispielsweise mittels chemischer Beschichtung oder im Siebdruckverfahren aufgebracht ist und eine Fläche von 10 bis 100 mm² und eine Dicke von 0,1 bis 1,0 Mikrometer aufweist.

Die zweiten Elektroden 6 und 7 sind mit Leitungsdrähten 6 a bzw. 7 a verbunden, die auch aus Platin oder einem vergleichbaren Material bestehen. Der Leitungsdraht 6 a der inneren zweiten Elektrode 6 wird zum oberen Ende des ringförmigen Stützbereiches 1 b entlang der inneren Umfangsoberfläche 1 d des Teils 1 geführt, während der Leitungsdraht 7 a der äußeren Elektrode 7 zu der oberen Oberfläche des ringförmigen Verdickungsbereiches 1 a entlang der äußeren Umfangsoberfläche 1 c des Teils 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 einem porösen Schutzfilm 10 bedeckt. Der Schutzfilm 10 kann getrennt von der Begrenzungsschicht 5 hergestellt werden, es ist jedoch günstig, den Schutzfilm 10 mit der Begrenzungsschicht 5 einstückig auszubilden.

Zunächst wird das poröse Material durch Plasma-Strahl- Spritzen auf die Bereiche der äußeren Umfangsoberfläche 1 c des Teils 1 aufgebracht, auf welchen die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas und der Schutzfilm 10 auszubilden sind, so daß das poröse Material auf der Begrenzungsschicht 5 dieselbe Dicke von etwa 100 Mikrometern wie das des Schutzfilms 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 zusätzliche Stärke von 100 bis 700 Mikrometern ergibt. Somit sind beide Schichten 5 und 10 einstückig ausgebildet.

Ein stabförmiges keramisches Heizelement 11 weist einen zylindrischen Hauptkörper 11 a aus Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxyd, und eine Spule oder einen spiralförmigen Heizdraht 11 b, beispielsweise Nickelchromdraht, auf, der in dem Hauptkörper 11 a aufgenommen ist.

Das Heizelement 11 wird in einen Raum eingeführt, der durch die innere Umfangsoberfläche 11 d des Teils festgelegt ist, wobei das untere Ende des Heizelements 11 durch einen anorganischen Klebstoff 14 auf der inneren Oberfläche 1 d des Teils 1 an deren offenem Ende befestigt ist. Das zylindrische keramische Heizelement 11 ist koaxial mit einer Ausnehmung 12 versehen, durch welche der Innenraum des Teils 1 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zwischen dem anorganischen Klebstoff 14 und dem Teil 1 sind metallische Leitungsdrähte 15 a und 16 a angeordnet, die beispielsweise aus Platin bestehen. Das untere Ende des Leitungsdrahtes 15 a ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 2 a 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 16 a ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 6 a für die Elektrode 6 oder den Sauerstoffsensor bei Vollast und für die Temperatur des Teils 1 verbunden, und das obere Ende des Leitungsdrahtes 16 a ist auch elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden.

Leitungsdrähte 15 b und 16 b erstrecken sich axial auf der äußeren Umfangsoberfläche des Teils 1.

Das untere Ende des Leitungsdrahtes 15 b ist elektrisch mit dem oberen Ende des Leitungsdrahtes 3 a verbunden und das obere Ende des Leitungsdrahtes 15 b ist elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden. Das untere Ende des Leitungsdrahtes 16 b 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 16 b ist elektrisch mit dem Mikrocomputer verbunden.

Ein zylindrisches Gehäuse 20 aus Metall umgibt das Teil 1 über den Bereich von dem ringförmigen Verdickungsbereich 1 a zu dem offenen Endbereich des Teils 1 und hält das Teil 1. Ein ringförmiger Stützbereich 20 a ist bei dem unteren Endbereich des Gehäuses 20 ausgebildet. Auf der inneren Oberfläche des ringförmigen Stützbereiches 20 a ist die Unterseite des ringförmigen Verdickungsbereiches 1 a des Teils 1 mit einer kegelstumpfförmigen Dichtung 21 versehen, die zwischen den beiden letztgenannten Bereichen angeordnet ist. In einem Abstand 100 zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Gehäuses 20 und der oberen äußeren Umfangsoberfläche des Teils 1, die sich von dem ringförmigen Verdickungsbereich 1 a zu dem offenen Endbereich des Teils 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 dem Teil 1 und dem Gehäuse 20 verwendet.

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

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 25 a eingeführt sind, wobei die Ausnehmungen 25 a in den Halteflansch 25 derart ausgebildet sind, daß das geschlossene Ende des Teils 1 in dem Abgas von dem Motor vorgesehen ist.

Eine Abdeckung 26 ist an dem unteren Ende des Gehäuses 20 für das Abdecken des unteren Endbereiches des Teils 1 befestigt, wobei die Abdeckung 26 mit einer Mehrzahl von Öffnungen 27 versehen ist, die Abgas eintreten lassen.

Die zweiten Elektroden 6 und 7, die je mit diesen verbundenen Leitungsdrähte 6 a und 7 a, und der Bereich des Teils zwischen den zweiten Elektroden 6 und 7 bilden einen Sensor 28 für die Erfassung sowohl von Sauerstoff im Vollastbetrieb und von der Temperatur des Teils 1, während die ersten Elektroden 2 und 3, die mit diesen verbundenen Anschlußdrähte 2 a und 3 a, die Begrenzungsschicht 5 für die Diffusion von Sauerstoffgas und der Bereich des Teils 1 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 Hinsicht wird der Sensor 28 für den Sauerstoff unter Vollast und die Temperatur des Teils 1 verwendet.

Da der Innenraum des Teils 1 mit der Atmosphäre über die Ausnehmung 12 in dem Heizelement 11 in Verbindung steht, befindet sich atmosphärisches Gas in dem Teil 1. Ferner steht die äußere Oberfläche 1 c des Teils 1 mit dem Abgas über die Poren des Schutzfilms 10 in Verbindung. Da dementsprechend die innere Oberfläche 1 d des Teils 1 dem Sauerstoffgas mit hoher Konzentration in dem Gas der Atmosphäre ausgesetzt ist und die äußere Oberfläche 1 d des Teils dem Sauerstoff in dem Abgas ausgesetzt ist, wird eine elektromotorische Kraft entsprechend dem Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen zwischen der äußeren Umfangsfläche 1 c und der inneren Umfangsfläche 1 d des Teils 1 in dem Teil 1 erzeugt. Diese elektromotorische Kraft, die erfaßte elektromotorische Kraft, wird von den zweiten Elektroden 6 und 7 über die Leitungsdrähte 6 a, 7 a, 16 a und 16 b 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 wie CO, HC und NO _x 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 dem Teil 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 das Heizelement 11 dazu veranlaßt wird, Wärme derart zu erzeugen, daß es möglich wird, daß der Sensor 28 auf einer festen minimalen Betriebstemperatur von beispielsweise 400° C oder mehr gehalten wird.

Es sei nun angenommen, daß der Mager-Sensor 29 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 15 a und der Leitungsdraht 15 b sind zunächst mit der Anode bzw. der Kathode einer Spannungsquelle verbunden, und es wird ermöglicht, daß ein Strom über die Leitungsdrähte 13 a und 13 b des Heizelements 11 fließt, und daß dadurch das Heizelement 11 dazu veranlaßt wird, Wärme zu erzeugen. Eine Spannung wird zwischen den Leitungsdrähten 15 a und 15 b 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 das Teil 1 aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen Elektrolyt besteht, werden die Sauerstoffionen in dem Teil 1 von der Elektrode 3 zu der Elektrode 2 so verteilt zu diffundieren, daß sie die Elektrode 2 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.

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:

I = KP,

wobei K eine Konstante ist und P den Partialdruck des Sauerstoffs in dem Abgas darstellt.

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.

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 20 mm² 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 2 a, 3 a, 15 a und 15 b 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 umgekehrten 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 750° 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 des Teils 1 gemessen. Das bedeutet, daß der Meßfühler oder Sensor 28 verwendet wird, um die Temperatur des Teils zu erfassen, wenn die Brennkraftmaschine unter Teillast läuft.

Wie es oben beschrieben ist, weist das Teil 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 des Teils 1, so daß die Temperatur aus dem Stromwert ermittelbar ist. Dementsprechend wird der von den Elektroden 6 und 7 über die Leitungsdrähte 6 a, 7 a, 16 a und 16 b 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 750° C eingestellt ist, verglichen. Wenn somit die Temperatur unterhalb von 700° C ist, wird es dem Strom ermöglicht, durch das Heizelement 11 zu fließen und deren Erwärmung zu bewirken, während, wenn die Temperatur 750° C beträgt, der Strom zu dem Heizelement 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 des keramischen Heizelements 11 durchgeführt werden; in diesem Fall wird jedoch die Thermistor-Kennlinie des Teils 1 nicht ausgenutzt. In diesem Falle würde das Heizelement 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 Sauerstoffgases bedeckt ist, es verhindert wird, daß die Elektrode 3 von der Wand des Teils 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.

Claims (10)

1. Vorrichtung für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration im Abgas, in der ein sauerstoffionendurchlässiges Teil (1) mit einer negativen Widerstands- Temperaturcharakteristik und gefertigt aus einem festen elektrolytischen Material, mit einer Oberfläche der Atmosphäre mit konstanter Sauerstoffkonzentration und der anderen Oberfläche einem zu messenden Gas ausgesetzt ist;
wobei die eine Oberfläche des Teiles (1) eine erste Elektrode (2) und die andere Oberfläche des Teiles (1) eine zweite Elektrode (3) gegenüber der ersten Elektrode (2) aufweist; wobei die eine Oberfläche des Teiles (1) weiterhin eine dritte Elektrode (6) aufweist, die getrennt von der ersten Elektrode (2) angeordnet ist, und die andere Oberfläche des Teiles (1) weiterhin eine vierte Elektrode (7) aufweist, die getrennt von der zweiten Elektrode (3) angeordnet ist und gegenüber der dritten Elektrode (6) liegt;
wobei die zweite Elektrode (3) mit einer porösen Begrenzungsschicht (5) für die Diffusion von Sauerstoffgas von solcher Dicke beschichtet ist, daß die Diffusionsrate des strömenden Sauerstoffes einen vorbestimmten Wert einnimmt und wobei die vierte Elektrode (7) mit einem porösen Schutzfilm (10) beschichtet ist;
wobei ein Heizelement (11) zum Erwärmen des Teiles (1) auf diesem Teil (1) angeordnet ist;
wobei, wenn ein Motor unter schwerer Last betrieben oder beschleunigt wird, die Abgase des Motors zu der vierten Elektrode (7) geführt werden, und die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas durch eine zwischen der dritten und vierten Elektrode erzeugte elektromotorische Kraft gemessen wird, in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der Sauerstoffgaskonzentration der Abgase und der der Atmosphäre, die eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweist;
und wobei, wenn der Motor unter Normalbetrieb oder Teillast läuft, eine konstante Spannung zwischen die erste und zweite Elektrode angelegt wird, und der Sauerstoff im Abgas, der durch die poröse Begrenzungsschicht für die Diffusion von Sauerstoffgas (5) hindurchgetreten ist, zu der zweiten Elektrode (3) geführt wird, und ein elektrischer Strom, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode durch den Fluß der Sauerstoffionen erzeugt wird, zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der Motor im Normalbetrieb oder unter Teillast läuft, der in Übereinstimmung mit der Temperatur des Teiles (1) zwischen der dritten Elektrode (6) und der vierten Elektrode (7) erzeugte elektrische Strom aufgrund der negativen Widerstands-Temperaturcharakteristik gemessen wird, und, solange bis der elektrische Strom einen Wert entsprechend der gewünschten Temperatur des Teiles (1) erreicht, der dem Heizelement (11) zugeführte elektrische Strom vergrößert, verkleinert oder abgeschaltet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffionendurchlässige Teil (1) zylindrische Gestalt hat, bei der das eine Ende offen und das andere Ende geschlossen ist; daß die eine Oberfläche des Teiles (1) die innere periphere Oberfläche des Teiles (1) darstellt, und die andere Oberfläche des Teiles (1) die äußere periphere Oberfläche des Teiles (1) darstellt, und das Heizelement (11) an der inneren peripheren Oberfläche des Teiles (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Schutzfilm (10) aus einer der Verbindungen Al₂O₃, Al₂O₃ · MgO oder ZrO₂ besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (11) einen keramischen zylindrischen Hauptkörper (11 a) mit einer koaxial in dem Hauptkörper (11 a) ausgebildeten Ausnehmung (12), und einen Heizdraht (11 b) aufweist, der in dem Hauptkörper (11 a) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Sauerstoffionen durchlässige Teil (1) haltendes Gehäuse (20) mit Öffnungen (27) vorgesehen ist, durch welche Abgas einleitbar ist und die mit der zweiten Elektrode (3) und der vierten Elektrode (7) in Verbindung stehen, welche auf der äußeren Umfangsoberfläche (1 c) des Teils (1) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (1) einen ringförmigen Verdickungsbereich (1 a) 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 (20 a) aufweist, auf welchen der ringförmige Verdickungsbereich (1 a) des Teils (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 dem Teil (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 das Sauerstoffionen durchlässige Teil (1) aus einer der Verbindungen ZrO₂-Y₂O₃, ZrO₂-Yb₂O₃, ZrO₂-SC₂O₃, ZrO₂-CaO, ZrO₂-Ch₂O₃, ZrO₂-MgO, ThO₂-CaO oder CeO₂-MgO besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsschicht (6) für die Diffusion von Sauerstoffgas aus einer der Verbindungen Al₂O₃, Al₂O₃ · MgO oder ZrO₂ besteht.