DE3313783C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
in einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere
in dem Abgas einer Brennkraftmaschine, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß, wenn in einer Brennkraftmaschine das
Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff, die zu
der Brennkammer geleitet werden, oder das sogenannte
"Verhältnis von Luft zu Brennstoff" in Übereinstimmung mit
dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist
die Menge von schädlichen gasförmigen Bestandteilen, wie
auch die Menge von Sauerstoffgas in dem Abgas erheblich vermindert
wird. Dementsprechend muß, wenn es gewünscht ist,
die Menge der schädlichen gasförmigen Bestandteile aus dem
Motor zu entfernen, im Idealfall das Verhältnis von Luft zu
Brennstoff mit dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu
Brennstoff über den gesamten Arbeitsbereich des Motors übereinstimmen.
Wenn jedoch eine Brennkraftmaschine mit einem
Verhältnis von Luft zu Brennstoff gleichbleibend in Übereinstimmung
mit dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu
Brennstoff betrieben wird, steigt der Brennstoffverbrauch.
Wenn die Brennkraftmaschine eine Beschleunigung durchführt,
d. h., unter Hochlastbedingungen, ist in der Praxis das
Verhältnis von Luft zu Brennstoff geringer als das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff, mit anderen
Worten, das Brennstoff/Luft-Gemisch ist fett.
Wenn die Brennkraftmaschine umgekehrt mit einer konstanten
Drehgeschwindigkeit betrieben wird, d. h., unter Teillastbedingungen,
wird das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
größer gehalten als das stöchiometrische Verhältnis von
Luft zu Brennstoff, d. h., das Brennstoff/Luft-Gemisch
ist mager.
Wenn die Brennkraftmaschine in dem Betriebszustand Beschleunigung
betrieben wird, erlaubt demnach die Reduzierung
des Brennstoffes es, mit dem Verhältnis von Luft zu
Brennstoff das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu
Brennstoff anzunähern. Dies führt zu einer Verminderung
der Menge der schädlichen Bestandteile und zum Sparen von
Kraftstoff zur gleichen Zeit. Wenn die Brennkraftmaschine
andererseits in einem Betriebszustand mit konstanter Drehgeschwindigkeit
oder unter Teillast betrieben wird, ergibt
das Vermindern von Brennstoff in Übereinstimmung mit der
Konstruktion des Sauerstoffgases, welches in dem Abgas
verbleibt, den Vorteil der Kraftstoffersparnis.
Um somit die Menge des von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung
entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine
einzuspritzenden Brennstoffes einzustellen, ist
es notwendig, zu bestimmen, ob der Motor unter stöchiometrischem
Brennstoffgemisch betrieben wird oder nicht, um
die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu bestimmen. Aus
diesem Grunde wurde ein Sensor oder ein Fühlelement
für ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff
entwickelt, mit welchem das stöchiometrische Verhältnis
von Luft zu Brennstoff ermittelt werden konnte,
wie auch ein Fühlelement oder Sensor für die Sauerstoffkonzentration,
mit welchem die Sauerstoffkonzentration
in dem Abgas erfaßbar war. Das Fühlelement für stöchiometrisches
Verhältnis von Luft zu Brennstoff weist einen
Aufbau auf, der demjenigen eines sogenannten "Konzentrationselementes"
ähnelt, in welchem infolge der unterschiedlichen
Sauerstoffkonzentration zwischen dem atmosphärischen
Gas und dem Abgas eine elektromotorische Kraft zwischen
den Elektroden durch das feste Elektrolytelement erzeugt
wird. D. h., daß in Anbetracht der Tatsache, daß,
wenn die Brennkraftmaschine in dem Betriebszustand mit
stöchiometrischem Verhältnis von Luft zu Brennstoff betrieben
wird, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas etwa
zu 0% wird, diese Fühlvorrichtung für das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff so angeordnet
ist, daß eine festgelegte elektromotorische Kraft nur dann
erzeugt wird, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas
bei einem Pegel von etwa 0% gehalten wird. Während
das Fühlelement für die Sauerstoffgaskonzentration auch
einen ähnlichen Aufbau wie das Fühlelement für das
stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff aufweist,
ist es auf der anderen Seite so angeordnet, daß,
wenn eine konstante Spannung zwischen den Elektroden
angelegt wird, die Diffusion von Sauerstoffionen aus dem
Sauerstoffgas in dem Abgas durch das feste Elektrolytelement
erlaubt und dadurch die Sauerstoffkonzentration in
dem Abgas in Übereinstimmung mit dem Wert des Sättigungsstromes
entsprechend der Konzentration der somit diffundierten
Sauerstoffionen erfaßt.
Die oben erwähnten Fühlelemente für das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff und die Sauerstoffgaskonzentration
weisen ähnlichen Aufbau auf, unterscheiden
sich jedoch voneinander hinsichtlich ihrer grundsätzlichen
Wirkungsweise. Aus diesem Grunde unterscheiden sich die
Ausgangssignale der beiden Fühlvorrichtungen auch um
Größenordnungen voneinander. Hierdurch ist es sehr schwierig,
die Arbeitsweise der Brennstoff-Einspritzvorrichtung
entsprechend den Ausgangssignalen der beiden Sensoren oder
Fühlvorrichtungen einzustellen, welche sich hinsichtlich
der Ausgangs-Dimensionen voneinander unterscheiden. Kurz gesagt
ist es schwierig, eine einfache Ausgangscharakteristik
zu erhalten, die die Ausgangssignale der beiden Fühlvorrichtungen
zur gleichen Zeit anzeigt.
Eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in Verbrennungsgasen, insbesondere für Kraftmaschinen,
ist in der DE-OS 30 19 072 beschrieben. Demgemäß
ist es bekannt, ein Festelektrolyt-Element mit einer ersten
Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar
ist und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche
Sauerstoffionen leitbar sind, bereitzustellen. Diese
gattungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine Erfassungeinrichtung
für ein elektrisches Signal auf, welches auf den
Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem
Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung
erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der
ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements
schichtförmig angebracht sind. Das Elektrolyt-Element ist
für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt,
wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird,
wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas
größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu
Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die
erste und zweite Elektrode entstehen. Schließlich weist die
aus der DE-OS 30 19 072 bekannte Vorrichtung eine Spannungsversorgungsvorrichtung
auf, mit der eine konstante Spannung
an die Elektroden anlegbar ist.
Gemäß der gattungsgemäßen Vorrichtung wird eine potentiometrische
Erfassung durchgeführt, basierend auf einer konzentrationselektromotorischen
Kraft, und die Erfassung erfolgt
durch einen aufgezogenen fließenden elektrischen Strom in
dem Sensor und durch das Herausfinden eines Gleichgewichtes
zwischen dem Pumplevel und der Diffusion von Sauerstoffionen
in die Nachbarschaft einer Elektrode.
Nachteilig bei dem gattungsgemäßen Sensor ist es jedoch, daß
dieser sehr kompliziert aufgebaut ist, da er zwei Zellen
aufweist, was zu einer komplizierten Herstellung mit entsprechend
hohen Kosten führt. Die Doppelzellenstruktur ist
notwendig, da einer der Festkörperelektrolyten als konzentrationselektromotorische
Zelle und der andere Festkörperelektrolyt
als eine Pumpzelle verwendet werden.
Da eine größere Ausgabeveränderung durch den Pumpstromwert
bei dem O²⁻ Pumplevel auftritt, ist eine genaue Konstantstromquelle
erforderlich, was wiederum zu hohen Kosten und
zu einer Verminderung der Genauigkeit führt.
Weiterhin tritt derselbe Ausgangslevel sowohl in mageren als
auch in fetten Bereichen auf, was es schwierig macht, einen
zu untersuchenden Materiallevel bzw. -wert zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Fühlvorrichtung
für die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas
einer Brennstoffmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 bereitzustellen, in welcher die Erfassung sowohl
des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff
als auch der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus einer
einzigen Ausgangscharakteristik bzw. -kenngröße der Vorrichtung
ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Genauer gesagt wird eine Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
in einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere
für eine Brennstoffkraftmaschine, bereitgestellt, mit
einem Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche,
die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist,
und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen
leitbar sind, sowie mit einer Erfassungeinrichtung
für ein elektrisches Signal, welches auf den Unterschied in
der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der
Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste
und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw.
zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig
angebracht sind, wobei das Elektrolyt-Element für die Erzeugung
von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt ist,
wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn
ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer
als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff
ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und
zweite Elektrode entstehen, und mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung,
mit der eine konstante Spannung an die
Elektroden anlegbar ist, wobei die zweite Oberfläche der
atmosphärischen Umgebungsluft aussetzbar ist, und wobei die
erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis
von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als
ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist,
und wobei die Werte der elektromotorischen Kräfte den Unterschieden
in der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem
Abgas und der Atmosphäre je entsprechen, und wobei die konstante
Spannung nicht größer als die erste elektromotorische
Kraft und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist,
wobei sie über die erste und zweite Elektrode in einer Weise
anlegbar ist, daß sie entgegengesetzt zu den elektromotorischen
Kräften gerichtet ist, und daß dadurch die Sauerstoffionen
spontan durch das Festelektrolyt-Element von der
zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren,
wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas
nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu
Brennstoff ist und dadurch die erste elektromotorische Kraft
erzeugt wird und daß dadurch ferner Sauerstoffionen gezwungen
durch das Festelektrolyt-Element von der ersten Oberfläche
zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit
einer Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen
Kraft und der konstanten Spannung diffundieren, wenn die
zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge
der gezwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportional
zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, und wobei
eine Umwandlungsvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein
Strom, welcher durch das Festelektrolyt-Element infolge
Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal
umwandelbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus,
daß die erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine erste und
zweite Elektroden und ein Festelektrolyt-Element mit einer
ersten Oberfläche aufweist, welche einem Abgas aus der
Brennkraftmaschine auszusetzen ist und welcher die erste
Elektrode schichtförmig angebracht ist, und wobei eine
zweite Oberfläche der Atmosphäre auszusetzen ist, auf welcher
die zweite Elektrode schichtförmig angebracht ist, und
wobei der Festelektrolyt für Sauerstoffionen durchlässig
ist. Besonders vorteilhaft läßt sich hier der Effekt dieser
Fühlvorrichtung ausnutzen, die eine erste elektromotorische
Spannung erzeugt, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches
Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, und eine zweite
elektromotorische Kraft erzeugt, wenn das Verhältnis von
Luft zu Brennstoff in dem Abgas kleiner als ein stöchiometrisches
Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die
elektromotorische Kraft zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode erzeugt wird und wobei die Werte der Spannungen
den Unterschieden zwischen der Sauerstoffgaskonzentration
zwischen dem Abgas bzw. der Atmosphäre entsprechen. Ein
weiterer besonderer Vorteil ergibt sich daraus, daß eine
Vorrichtung vorgesehen ist, mit welcher eine konstante
Spannung, die nicht größer als die erste elektromotorische
Kraft ist und größer als die zweite elektromotorische Kraft
ist, über die ersten und zweiten Elektroden derart angelegt
wird, daß die konstante Spannung in ihrer Richtung den
elektromotorischen Kräften entgegengesetzt ist, wodurch
Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element
von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren,
wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem
Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis
von Luft zu Brennstoff ist, um so die erste elektromotorische
Kraft zu erzeugen, und Sauerstoffionen erzwungen
durch das Festelektrolyt-Element von der ersten Oberfläche
zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit der Differenz
zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und
der Konstantspannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische
Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der erzwungenen
diffundierten Sauerstoffionen proportional zu der
Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist. Ferner ist erfindungsgemäß
besonders vorteilhaft eine Umwandlungsvorrichtung
vorgesehen, mit welcher ein Strom, der durch das
Festelektrolyt-Element infolge der Diffusion der Sauerstoffionen
fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigen
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Fühlelement gemäß
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 bis 4 Ausgangskennlinien des erfindungsgemäßen Fühlelementes
gemäß Fig. 1;
Fig. 5 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm einer
Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 6 und 7 Ausgangskennlinien der Fühlvorrichtung für die
Sauerstoffkonzentration gemäß Fig. 5; und
Fig. 8 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm einer Fühlvorrichtung
für die Sauerstoffkonzentration gemäß
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein Fühlelement 1 dargestellt, welches in
Verbindung mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
angewendet wird. Dieses Fühlelement 1 weist ein einem
Reagenzglas ähnliches Festelektrolyt-Element 2 auf, das
im folgenden einfach als "Element" bezeichnet wird, und
welches an einem Ende geschlossen und an einem Ende offen
ist. Dieses Element 2 besteht beispielsweise aus gesintertem
Material eines Metalloxides, welches in der Lage ist,
Sauerstoffionen hindurchzuleiten, beispielsweise ein gesintertes
Material, das durch Mischen von 92 Mol-%
ZrO₂ und 8 Mol-% Yb₂O₃ in einer flüssigen Lösung bereitet
wurde. Die innere Oberfläche des Elementes 2 kann einem
Referenzgas mit im wesentlichen konstanter Sauerstoffkonzentration,
beispielsweise der Atmosphäre, ausgesetzt
werden, während die äußere Oberfläche des Elementes 2
durch eine Diffusionswiderstandsschicht 3, die für Sauerstoffgas
diffundierbar ist, einem Abgas einer Brennkraftmaschine
ausgesetzt werden kann. Die Diffusionswiderstandsschicht
3 ist in einer reagenzglasähnlichen Form auf dem
Element 2 in der Weise ausgebildet, daß sie an der äußeren
Oberfläche dieses Elementes 2 anhaftet. Die Diffusionswiderstandsschicht
3 wird weiter unten im einzelnen beschrieben.
Ein Paar von Elektroden 4 und 5 sind auf der inneren bzw.
der äußeren Oberfläche des Elementes 2 in Schichtform aufgebracht.
Dementsprechend ist die Elektrode 4 der Atmosphäre
ausgesetzt, während die Elektrode 5 dem Abgas ausgesetzt
ist.
Wo das Fühlelement 1 verwendet wird, um das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff einer Brennkraftmaschine
zu bestimmen oder die Sauerstoffkonzentration
in dem Abgas derselben zu erfassen, weisen ihre Elektroden
4 und 5 Oberflächen auf, die aus einem wertvollen Metallmaterial
mit einer hohen katalytischen Aktivität, beispielsweise
Platin bestehen und eine ausreichend poröse Struktur
aufweisen. Beispielsweise werden die Oberflächen der Elektroden
4 und 5 dadurch geformt, daß sie durch chemisches
Plattieren, durch Aufsprühen oder durch Pasten-Siebdruck
des wertvollen Metallmateriales aufgebracht
werden. In der Elektrode 5, die dem Abgas ausgesetzt ist,
wird die Oberfläche so festgelegt, daß sie im Bereich zwischen
10 bis 100 mm² liegt und die Dicke wird auf den Bereich
zwischen 0,5 bis 2,0 µm festgelegt. Andererseits wird
die Oberfläche der Elektrode 4, die der Atmosphäre ausgesetzt
ist, so gewählt, daß sie in dem Bereich von 10 mm²
oder mehr und die Stärke wird so gewählt, daß sie in dem
Bereich von 0,5 µ bis 2,0 µ liegt. Die Diffusionswiderstandsschicht
3 wird durch Plasma-Spritzbeschichten der
äußeren Oberfläche des Elementes 2 mit beispielsweise Al₂O₃,
Al₂O₃ · MgO, ZrO₂ gebildet. In dieser Diffusionswiderstandsschicht
3 wird die Dicke so gewählt, daß sie in einem Bereich
zwischen 100 bis 700 µ liegt und die Porösität wird
so gewählt, daß sie in einem Bereich zwischen 7 und 15%
liegt, wobei die durchschnittliche Porengröße zwischen
600 und 1200 Å beträgt. Die Oberflächen der Elektroden 4
und 5 und die Stärke, Porösität und durchschnittliche Porengröße
der Diffusionswiderstandsschicht 3 müssen mit hoher
Genauigkeit festgelegt sein, damit ein Sättigungsstromwert,
wie weiter unten beschrieben, genau ermittelt werden
kann.
Anschlußdrähte 6 und 7 sind mit einem Ende mit den Elektroden
4 bzw. 5 verbunden und erstrecken sich mit dem anderen
Ende nach außerhalb des Fühlelementes 1. Das Element
2 des Fühlelementes 1 enthält eine Heizvorrichtung 8, mit
welcher das Element 1 erwärmbar ist. Stromversorgungsdrähte,
die mit der Heizvorrichtung 8 verbunden sind, sind
mit dem Bezugszeichen 9 in Fig. 1 bezeichnet.
Das Fühlelement 1 weist zwei Funktionen auf, wobei eine
Funktion die Funktion als Fühlelement für ein stöchiometrisches
Verhältnis von Luft zu Brennstoff und die andere
diejenige als Fühlelement für die Sauerstoffgaskonzentration
ist. Im folgenden wird das Wirkungsprinzip des Fühlelementes
1 in dem Fall beschrieben, wenn das Fühlelement
1 in doppelter Funktion eingesetzt wird.
Zunächst wird das Fühlelement 1 an einem nicht dargestellten
Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine befestigt. In
diesem Falle ist die innere Oberfläche des Elementes 2
des Fühlelementes 1 der Atmosphäre ausgesetzt, während
die äußere Oberfläche durch die Diffusionswiderstandsschicht
3 dem Abgas ausgesetzt ist, welches von dem Auspuffrohr
abgegeben wird. Dieses Abgas enthält Gasbestandteile,
wie beispielsweise O₂, CO, Kohlenwasserstoffe usw.
Es ist bekannt, daß die Konzentration dieser Gasbestandteile
in Übereinstimmung mit dem oben erwähnten Verhältnis
von Luft zu Brennstoff schwankt.
In dem Fall der Verwendung des Fühlelementes 1 als stöchiometrisches
Fühlelement für das Verhältnis zwischen Luft
zu Brennstoff, kann dieses Verhältnis durch die Ausnutzung
einer elektromotorischen Kraft bestimmt werden, die zwischen
den Elektroden 4 und 5 erzeugt wird. Das bedeutet,
zwischen den beiden Oberflächen des Elementes 2 wird gemäß
dem Prinzip eines sogenannten Konzentrationselementes eine
elektromotorische Kraft erzeugt, die der Differenz zwischen
der Konzentration des Sauerstoffgases in dem Abgas
und der in der Atmosphäre entspricht. Da die Elektrode 5,
die dem Abgas ausgesetzt ist, in diesem Falle aus Pt (Platin)
ausgebildet ist, bewirkt das Platin auf und um die äußere
Oberfläche des Elementes 2 herum, auf welcher die Elektrode
5 schichtförmig aufgebracht ist, eine Katalyse, in welcher
O₂ (Sauerstoffmoleküle) in dem Auspuffgas für die Oxydation
von CO, HC (Kohlenwasserstoffe), usw. verwendet werden. Wenn
das Verhältnis von Luft zu Brennstoff niedriger als das
stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wird
konsequenterweise die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich
des Abgases in der Nähe der äußeren Oberfläche des
Elementes 2 geringer. Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft
zu Brennstoff ist, wird andererseits die Sauerstoffkonzentration
in dem Bereich des Abgases in der Nähe der äußeren
Oberfläche des Elementes 2 hoch. Dementsprechend wird eine
scharfe elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden 4
und 5 des Elementes 2 erzeugt, wenn eine Zeit verstreicht,
die der Zeit entspricht, wenn die Brennkraftmaschine das
stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff
erreicht, bei welchem die Sauerstoffgaskonzentration in dem
Abgas theoretisch zu Null wird. D. h., das Element 2 erzeugt
die erste elektromotorische Kraft von 0,9 V, wenn das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als
das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist,
und die zweite elektromotorische Kraft von 0,1 V, wenn das
Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer
als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff
ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dementsprechend kann
das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff dadurch
bestimmt werden, daß die elektromotorische Kraft erfaßt
wird.
Im Falle der Verwendung des Fühlelementes 1 als des Sauerstoffkonzentrations-Fühlelementes
wird eine konstante Spannung
an die Elektrode 4 als Anode und die Elektrode 5 als
Kathode angelegt. In diesem Falle werden Sauerstoffmoleküle
in dem Abgas, die durch die Diffusionswiderstandsschicht
3 durchtreten und die Elektrode 5 erreichen, dadurch Sauerstoffionen,
daß ihnen Elektronen von der Elektrode 5 angelagert
werden. Da das Element 2 die Eigenschaft aufweist,
Sauerstoffionen zu leiten, werden diese Sauerstoffionen
gezwungen zu der Elektrode 4 dadurch diffundiert, daß sie
durch das Innere des Elementes 2 durchdiffundiert werden
und durch Abgabe der Elektronen an die Elektrode 4 erneut
zu Sauerstoffmolekülen werden. Der Betrag der gezwungen
diffundierten Sauerstoffionen ist proportional mit der
Sauerstoffkonzentration in dem Abgas. Dementsprechend
werden Elektronen von der Elektrode 5 zu der Elektrode 4
fließen. Damit wird sozusagen Strom von der Elektrode 4
zur Elektrode 5 fließengelassen. Die Sauerstoffmoleküle
in der Nachbarschaft der Elektrode 4 werden in die Atmosphäre
freigegeben.
Bei der oben erwähnten chemischen Reaktion bestehen die folgenden
kennzeichnenden Umstände hinsichtlich des Stromes,
der zwischen den Elektroden 4 und 5 fließengelassen werden
kann. D. h., wo die Dicke der Diffusionswiderstandsschicht
3 sich auf einem Wert befindet, der größer als der festgelegte
ist, beispielsweise 600 µ, und die Oberfläche der
Elektrode 5 klein hergestellt wird, beispielsweise etwa
60 mm², entsteht ein Bereich, in welchem sogenannter "Sättigungsstrom"
auftritt, d. h., auch wenn eine an die Elektroden
4 und 5 angelegte Spannung erhöht wird, zeigt der Strom
zwischen den Elektroden 4 und 5 keine Veränderungen infolge
der Wirkung der Diffusionswiderstandsschicht 3. Es ist bekannt,
daß der Wert dieses Wechselstromes I durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden kann:
wobei F die Faradaysche Konstante darstellt, R die Gaskonstante,
D die Diffusität der Sauerstoffmoleküle, T die
absolute Temperatur (°K), S die Fläche der Elektrode (mm²),
l die wirksame Diffusionslänge (mm) der Diffusionswiderstandsschicht
3 und P den Partialdruck des Sauerstoffgases
darstellt.
Wie es aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, schwankt
der Stromwert I mit der Gaskonzentration (Partialdruck
des Sauerstoffgases) in dem Abgas. Daher weist der
Sättigungsstromwert I Kennlinien auf, wie sie in Fig. 3
dargestellt sind. In Fig. 3 entspricht die mit A bezeichnete
Kurve dem Falle, bei welchem die Sauerstoffgaskonzentration
in dem Abgas 10% ist, die Kurve B entspricht
dem Fall, wenn die Sauerstoffkonzentration 5% ist, und
die mit C bezeichnete Kurve entspricht dem Fall, wenn die
Sauerstoffkonzentration 2% ist. Wie es aus Fig. 3 ersichtlich
ist, kann, wenn eine Spannung, die größer ist als die
festgelegte Spannung, die die Erzeugung des Sättigungsstromes
bewirkt, beispielsweise eine Spannung 0,5 V,
zwischen die Elektroden 4 und 5 angelegt wird, der Partialdruck
des Sauerstoffgases oder die Sauerstoffgaskonzentration
in dem Abgas durch die Erfassung des Sättigungsstromwertes
I gemessen werden, welcher zwischen den Elektroden
4 und 5 fließt. Die Beziehung zwischen diesem Sättigungsstromwert
I und der Sauerstoffkonzentration ist in Fig. 4
dargestellt. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist, wenn
der erfaßte Sättigungsstromwert I groß ist, die Sauerstoffkonzentration
in dem Abgas groß, d. h., das Verhältnis von
Luft zu Brennstoff ist hoch. Wenn der Sättigungsstromwert
I klein ist, ist die Sauerstoffgaskonzentration ebenfalls
klein oder niedrig. Das bedeutet, daß das Verhältnis von
Luft zu Brennstoff ebenfalls niedrig ist.
Es ist festzuhalten, daß, wie aus der oben erwähnten Gleichung
ersichtlich ist, der Sättigungsstromwert I mit der
Temperatur schwankt und eine Kompensation dafür dadurch
erreicht wird, daß das Element 2 durch die Verwendung der
Heizvorrichtung 8 auf einer im wesentlichen festen Temperatur
gehalten wird.
Wie es oben erwähnt wurde, weist das Fühlelement 1 zwei
unterschiedliche Fühl- bzw. Erfassungsfunktionen auf.
Die Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, welche
das oben erwähnte Fühlelement 1 verwendet, ist in Fig. 5
dargestellt. Die dortige Erfassungsvorrichtung für die
Sauerstoffkonzentration weist einen Spannungsquellenschaltkreis
10 auf, mit welchem eine festgelegte Spannung zwischen
den Elektroden 4 und 5 anlegbar ist. Dieser Spannungsquellenschaltkreis
10 weist einen Ausgangsanschluß 11 auf,
der über den Anschlußdraht 6 des Fühlelements 1 mit der Elektrode
4 verbunden ist und weist ferner einen Differenzverstärker
12 und einen Transistor 13 auf. Der nicht-invertierende
Eingangsanschluß dieses Differenzverstärkers 12 ist mit
einer Referenzspannungsquelle 14 verbunden und der Ausgangsanschluß
desselben ist über einen Widerstand 15 mit der
Basis des Transistors 13 verbunden. Der Kollektor des
Transistors 13 ist mit einem Plus-Anschluß 16 einer nicht
dargestellten Batterie einer Brennkraftmaschine verbunden.
Andererseits ist der Emitter des Transistors 13 nicht nur mit
dem Ausgangsanschluß 11, sondern auch über einen Widerstand
18 mit Masse verbunden. Ein Knotenpunkt 17 zwischen dem
Emitter des Transistors 13 und dem Widerstand 18 ist über
einen Widerstand 19 mit dem invertierenden Eingangsanschluß
des Differenzverstärkers 12 verbunden. Andererseits ist
die Elektrode 5 des Fühlelementes 1 über einen Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand
21 mit Masse verbunden, welcher
einen ausreichend kleinen Widerstandswert im Vergleich mit
dem Innenwiderstand des Fühlelementes 1 aufweist. Ein Verstärkerschaltkreis
22 weist einen Differenzverstärker 23 auf, dessen
nicht-invertierender Eingangsanschluß über einen Widerstand
24 an dem Verbindungspunkt zwischen dem Fühlelement
1 und dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 verbunden ist, sowie einen invertierenden
Eingangsanschluß, der über einen Widerstand 26
mit Masse verbunden ist. Der Differenzverstärker 23 ist
über einen Ausgangsanschluß 25 mit einem nicht dargestellten,
jedoch bereits bekannten Einstellschaltkreis für die
Einstellung der eingespritzten Brennstoffmenge verbunden,
welcher in der Stufe hinter dem Verstärkerschaltkreis 22
angeordnet ist. Ferner ist der Ausgangsanschluß 25 des
Differenzverstärkers 23 über einen Widerstand 27 mit dem
invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 23
verbunden.
Die Funktion des Spannungsquellenschaltkreises 10 wird
im folgenden beschrieben. In dem Spannungsquellenschaltkreis
10 wird das Potential an dem Knotenpunkt 17 als ein
Rückkopplungs-Potentialsignal über den Widerstand 19 an
den invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers
12 angelegt. Der Differenzverstärker 12 erzeugt an
seinem Ausgangsanschluß ein Ausgangssignal, das der Differenz
zwischen dem Potentialsignal und dem Referenzpotential
V ref entspricht, welches an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß
angelegt wird, und legt dieses Ausgangssignal
über den Widerstand 15 an die Basis des Transistors 13 an.
Daher wird die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem
Emitter des Transistors 13 in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal
geändert. Das bedeutet, daß, wenn das Plus-Potential
Vb der Batteriespannungsquelle geändert wird,
das Potential des Knotens 17 auch zur Änderung neigt. Jedoch
wird die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter
des Transistors 13 relativ zu dieser Veränderung in
dem Knotenpunktpotential geändert. Als Ergebnis wird das
Potential des Knotenpunktes 17, nämlich das Potential des
Ausgangsanschlusses 11, auf einem im wesentlichen konstanten
Pegel gehalten. Da das Potential des Knotenpunktes 17
so aufrechterhalten wird, wird die an eine serielle Anordnung,
die aus einem Fühlelement 1 und einem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 für
die Strom/Spannungs-Wandlung besteht, angelegte Spannung
auf einem im wesentlichen festen Pegel gehalten. Da der
Widerstandswert des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 hinreichend klein im
Verhältnis zu dem Innenwiderstand des Fühlelementes 1 ist,
ist die Potentialänderung an dem Knotenpunkt zwischen dem
Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 und dem Fühlelement 1 gering, mit dem Ergebnis,
daß die an das Fühlelement 1 angelegte Spannung auf einem
im wesentlichen festen Pegel gehalten wird.
Diese an das Fühlelement 1 angelegte Spannung wird so gewählt,
daß sie es erlaubt, eine Spannung anzulegen, die
nicht höher als der Pegel der ersten elektromotorischen
Kraft (0,9 V, wie aus Fig. 2 ersichtlich) des Fühlelementes
1 ist, welche zwischen den Elektroden 4 und 5 desselben
auftritt, und welche nicht kleiner als die festgelegte
Spannung ist, welche in der Lage ist, den Sättigungsstrom
I zu erzeugen. Wenn beispielsweise, wie es aus Fig. 2 und
3 ersichtlich ist, es gewünscht ist, die Sauerstoffgaskonzentration
in dem Abgas bis zu einem Maximalwert von
10% zu messen, wird eine konstante Spannung zwischen die
Elektroden 4 und 5 mit einem Spannungswert zwischen 0,4
und 0,8 V angelegt. Diese Ausführungsform ist die konstante
Spannung auf einen Wert von 0,6 V festgelegt. Es ist
festzuhalten, daß die konstante Spannung in ihrer Richtung
gegenüber der elektromotorischen Kraft entgegengesetzt gerichtet
ist. Ferner wird der Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand
21 so gewählt, daß er einen Widerstandswert,
beispielsweise 10 Ohm, aufweist, der klein genug ist, um
die Auswirkung auf den Sättigungsstromwert I vernachlässigbar
zu machen.
Im folgenden wird die Wirkungsweise des Bestimmens und
Messens der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas durch die
Verwendung der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung für die
Sauerstoffkonzentration näher erläutert. Wie oben erwähnt,
ist das Fühlelement 1 an einem Abgasrohr der Brennkraftmaschine
befestigt, und die konstante Spannung von 0,6 V
wird an die Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegt.
Zunächst besteht eine Sauerstoffgaskonzentration von
einem bestimmten Wert in dem Abgas, wobei das Brennstoff/Luft-Gemisch,
welches zu einer Brennkammer der Brennkraftmaschine
geleitet wird, ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff
aufweist, das größer als das stöchiometrische Verhältnis
von Luft zu Brennstoff ist. Wenn angenommen wird, daß
diese Sauerstoffgaskonzentration beispielsweise 2% beträgt,
wird, wie es aus der Kennlinie C gemäß Fig. 3 ersichtlich
ist, der Strom i₁ von 2 mA zwischen den Elektroden 4 und 5
des Fühlelementes 1 erzeugt, wie es bei Fig. 5 angedeutet
ist. Mit anderen Worten fließt dadurch der Strom i₁ von
2 mA in den Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21. Dementsprechend
ergibt sich zwischen den Enden des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes
21 eine positive Ausgangsspannung von 20 mV, was durch
Multiplikation des Widerstandswertes von 10 Ohm dieses
Widerstandes 21 mit dem Stromwert von 2 mA erhalten wird.
Nachdem diese Ausgangsspannung durch den Verstärkerschaltkreis 22 verstärkt
ist, wird sie von dem Ausgangsanschluß 25 des Verstärkers
22 angegeben. Somit wird, wenn das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff auf einem Wert gehalten wird, der
größer als der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff ist, der Strom i₁ oder der Sättigungsstrom,
welcher der Sauerstoffgaskonzentration in dem
Abgas entspricht, in dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließengelassen,
und somit ist es möglich, die Sauerstoffgaskonzentration
in dem Abgas aus dem Ausgangsspannungswert zu erfassen,
welcher durch Umwandlung des Wertes jenes Stromes erhalten
wurde. Der Strom i₁, der in dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließt, ist
in Fig. 6 durch die Kennlinie I₁ dargestellt, während die
positive Ausgangsspannung, die auf dem Strom i₁ beruht,
in Fig. 7 durch die Kennlinie E₁ dargestellt ist.
Es ist auf das Folgende hinzuweisen. Wenn das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff auf einem Wert gehalten wird, der
größer als der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses
von Luft zu Brennstoff ist, tritt tatsächlich zwischen den
Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 eine
Spannung zwischen 0,1 V gegen die konstante Spannung von
0,6 V auf, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das bedeutet,
daß letztlich eine Spannung von 0,5 V zwischen die Elektroden
4 und 5 angelegt wird. Jedoch ermöglicht auch diese
Spannung von 0,5 V die Erzeugung des Sättigungsstromes
in einem hinreichenden Ausmaß, wie es aus Fig. 3 ersichtlich
ist. Auf diese Art ist, wenn es gewünscht ist, die
konstante Spannung einzustellen, die zweite elektromotorische
Kraft von 0,1 V, die das Fühlelement 1 aufweist, wenn das
Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, in Betracht
zu ziehen.
Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff unterdessen
auf einem Wert gehalten wird, der kleiner als der Wert
des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff
ist, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird die erste
elektromotorische Kraft von 0,9 V, die höher als die Konstantspannung
von 0,6 V ist, zwischen den Elektroden 4 und
5 des Fühlelementes 1 angelegt. Aus diesem Grund diffundieren
die Sauerstoffionen spontan durch das Element 2 von
der Elektrode 5 zu der Elektrode 4. Das bedeutet, daß der
Strom i₂, der auf dem Unterschied von 0,3 V zwischen dieser
elektromotorischen Kraft von 0,9 V und der konstanten Spannung
von 0,6 V beruht, durch den Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 in einer
Richtung fließengelassen wird, die zu derjenigen entgegengesetzt
ist, in welcher der oben erwähnte Strom i₁ fließengelassen
wird. Als Ergebnis tritt zwischen den Enden des
Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 eine negative Ausgangsspannung auf, die
auf dem Wert des Stromes I₂ beruht; diese Ausgangsspannung
wird durch den Verstärkerschaltkreis 22 verstärkt und von dem Ausgangsanschluß
25 des Verstärkerschaltkreises 22 abgegeben. Dementsprechend
ist es durch Erfassung der negativen Ausgangsspannung
möglich, zu bestimmen, ob das Verhältnis von
Luft zu Brennstoff geringer als das stöchiometrische Verhältnis
von Luft zu Brennstoff ist. In Fig. 6 ist die
Kennlinie des Stromes i₂ durch die Bezeichnung I₂ dargestellt,
während die Kennlinie der negativen Ausgangsspannung
durch die Bezeichnung E₂ dargestellt ist.
Wie es weiter oben festgehalten ist, ist es mit der erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
möglich, wie es aus Fig. 7 ersichtlich ist,
durch ein einziges Fühlelement 1 eine kontinuierliche Ausgangsspannungskennlinie
aus dem Ausgangsanschluß 25 der
Erfassungsvorrichtung zu erhalten. Dementsprechend wird,
wo die Ausgangsspannung am dem Ausgangsanschluß 25 negativ
ist, d. h., wo das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
niedriger als das stöchiometrische Verhältnis von Luft
zu Brennstoff ist, beispielswiese während der Beschleunigung
der Brennkraftmaschine, die Arbeitsweise der Brennstoffeinspritzvorrichtung
in Übereinstimmung mit der negativen
Ausgangsspannung so gesteuert, daß die einzuspritzende
Brennstoffmenge abnimmt und sich so das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff an das stöchiometrische Verhältnis
von Luft zu Brennstoff annähert. Ob das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff gleich dem stöchiometrischen Verhältnis
von Luft zu Brennstoff ist oder nicht, kann dadurch
entschieden werden, daß bestimmt wird, ob die Ausgangsspannung
an dem Ausgangsanschluß 25 Null Volt beträgt
oder nicht. Somit es ist möglich, sowohl den Betrag
des verbrauchten Brennstoffes als auch die Menge der erzeugten
schädlichen Gasbestandteile zu reduzieren.
Andererseits wird, wo die Ausgangsspannung aus dem Ausgangsanschluß
25 positiv ist, d. h., wo das Verhältnis
von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische
Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, beispielsweise
während der konstanten Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine,
die Arbeitsweise der Brennstoffeinspritzvorrichtung
in Übereinstimmung mit der positiven Ausgangsspannung
so gesteuert, daß die von dieser Einspritzvorrichtung
einzuspritzende Brennstoffmenge zunimmt oder abnimmt.
Somit ist es möglich, die Menge schädlicher Gasbestandteile
in dem Abgas wie auch die Menge des verbrauchten Brennstoffes
zu reduzieren.
Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene erste
Ausführungsbeispiel beschränkt. In Fig. 8 ist eine zweite
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung
für die Sauerstoffkonzentration dargestellt. In dieser
zweiten Ausführungsform werden Bereiche oder Teile
mit den gleichen Funktionen wie bei dem vorhergehenden
ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet und
deren Beschreibung wird weggelassen. In diesem zweiten
Ausführungsbeispiel ist ein Offset-Widerstand 30 parallel
mit dem Fühlelement 1 verbunden. Ferner ist
in dem Spannungsquellenschaltkreis 10 der nicht-invertierende
Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12
mit der Referenzspannungsquelle 14 über einen Widerstand
31 verbunden. Der Bereich zwischen dem Widerstand 31 und
dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers
12 ist mit dem Knotenpunkt 17 über einen
Widerstand 32 verbunden. Ferner ist der invertierende Eingangsanschluß
des Differenzverstärkers 12 über einen Widerstand
33 mit dem Ausgangsanschluß 11 verbunden. Der Bereich
zwischen diesem Widerstand 33 und dem invertierenden
Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 ist über
einen Widerstand 34 mit Masse verbunden. Es ist hier festzuhalten,
daß die betreffenden Widerstandswerte der Widerstände
31, 32, 33 und 34 so bestimmt werden, daß auch,
wenn die zwischen den Enden des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes
21 erzeugte Spannung Änderungen aufweist, die
zwischen die Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegte
konstante Spannung zu allen Zeiten konstant bleibt.
Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung
für die Sauerstoffkonzentration in diesem
zweiten Ausführungsbeispiel nicht lediglich eine Funktion
auf, die zu der in dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich
ist, sondern die Erfassungsvorrichtung in dem zweiten
Ausführungsbeispiel ermöglicht, wenn der Strom, der in
dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließengelassen
wird, groß ist, eine Erhöhung des Widerstandswertes
des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 infolge der Verbindung des
Offset-Widerstandes 30 parallel mit dem Fühlelement 1
und bewirkt dadurch eine Erhöhung des Signal/Rausch-Abstandes
der Ausgangsvorrichtung. Ferner ist es, wenn ein
Wechselstrom-Offsetsignal zu der Referenzspannungsquelle
14 hinzugefügt wird, möglich, eine festgelegte Spannung
entsprechend diesem Wechselstrom-Offsetsignal zwischen
den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 anzulegen. Da
in diesem Falle das Fühlelement 1 eine kapazitive Komponente
aufweist, ist ein nicht dargestellter Stromtreiber
erforderlich, um den Strom von dem Ausgangsanschluß 11
des Spannungsquellenschaltkreises 10 nach Masse zu leiten.
Ferner muß ein Tiefpaßfilter 40 für die Durchschnittsbildung
der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschluß
25 der Meßvorrichtung 20 und den Verstärkerschaltkreis 22 geschalten
werden. Diese Anordnungsart ist wirksam, wenn die komplexe
Impedanz des Fühlelementes 1 überwacht werden
soll.
Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf eines der
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt
Abänderungen, beispielsweise die im folgenden erwähnten.
Der Pegel der konstanten Spannung, die zwischen den Elektroden
4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegt wird, kann der
elektromotorischen Kraft von 0,9 V gleich sein. In diesem
Falle wird, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff
größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu
Brennstoff ist, die Ausgangsspannung zu Null Volt.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wurde die
Funktionsweise der Brennstoff-Einspritzvorrichtung in Übereinstimmung
mit der analogen Ausgangsspannung gesteuert,
die von der Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration
abgegeben wurde. Jedoch kann eine derartige
Ausgangsspannung auch in Form eines digitalen Signales
zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung geleitet werden.
Claims (8)
1. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in
einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine,
mit einem Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist, und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen leitbar sind,
mit einer Erfassungseinrichtung für ein elektrisches Signal, welches auf den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig angebracht sind, wobei das Elektrolyt-Element für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt ist, wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und zweite Elektrode entstehen, und
mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung, mit der eine konstante Spannung an die Elektroden anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Oberfläche der atmosphärischen Umgebungsluft aussetzbar ist,
daß die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist,
daß die Werte der elektromotorischen Kräfte den Unterschieden in der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre je entsprechen,
daß die konstante Spannung nicht größer als die erste elektromotorische Kraft und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist, wobei sie über die erste und zweite Elektrode (5, 4) in einer Weise anlegbar ist, daß sie entgegengesetzt zu den elektromotorischen Kräften gerichtet ist, und daß dadurch die Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element (2) von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist und dadurch die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, und daß dadurch ferner Sauerstoffionen gezwungen durch das Festelektrolyt-Element (2) von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und der konstanten Spannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der gezwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportinal zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, und
daß eine Umwandlungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, mit welcher ein Strom, welcher durch das Festelektrolyt-Element (2) infolge Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.
mit einem Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist, und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen leitbar sind,
mit einer Erfassungseinrichtung für ein elektrisches Signal, welches auf den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig angebracht sind, wobei das Elektrolyt-Element für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt ist, wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und zweite Elektrode entstehen, und
mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung, mit der eine konstante Spannung an die Elektroden anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Oberfläche der atmosphärischen Umgebungsluft aussetzbar ist,
daß die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist,
daß die Werte der elektromotorischen Kräfte den Unterschieden in der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre je entsprechen,
daß die konstante Spannung nicht größer als die erste elektromotorische Kraft und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist, wobei sie über die erste und zweite Elektrode (5, 4) in einer Weise anlegbar ist, daß sie entgegengesetzt zu den elektromotorischen Kräften gerichtet ist, und daß dadurch die Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element (2) von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist und dadurch die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, und daß dadurch ferner Sauerstoffionen gezwungen durch das Festelektrolyt-Element (2) von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und der konstanten Spannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der gezwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportinal zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, und
daß eine Umwandlungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, mit welcher ein Strom, welcher durch das Festelektrolyt-Element (2) infolge Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.
2. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen
der ersten und zweiten Elektroden (5, 4) aus einer porösen
Schicht, insbesondere aus Platin, bestehen.
3. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Elektrode (5) durch eine Diffusionswiderstandsschicht
(3) bedeckt ist, durch welche Sauerstoff
hindurchdiffundieren kann.
4. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste elektromotorische Kraft 0,9 V beträgt und die
konstante Spannung in einem Bereich zwischen 0,4 und
0,8 V liegt.
5. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der
konstanten Spannung 0,6 V beträgt.
6. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Elektroden (5, 4) je mit
Anschlußteilen (7, 6) verbunden sind, welche die konstante
Spannung zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode (5, 4) weiterleiten.
7. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umwandlungsvorrichtung (20) einen Wandlungs-Widerstand
(21) aufweist, welcher Strom in Spannung
umwandelt und in Reihe mit einer der ersten und zweiten
Elektrode (5, 4) geschaltet ist.
8. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach
einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandlungsvorrichtung (20) einen Offset-Widerstand
(30) aufweist, welcher zwischen die erste und die
zweite Elektrode (5, 4) geschaltet ist.
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DE3313783A1 DE3313783A1 (de) | 1983-10-27 |
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1983
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