DE3445754A1

DE3445754A1 - Verfahren zur messung des luft/kraftstoffverhaeltnisses in einem abgas und luft/kraftstoffverhaeltnis-detektor dafuer

Info

Publication number: DE3445754A1
Application number: DE19843445754
Authority: DE
Inventors: Shintaro Hirate; Tetsusyo Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-08-01
Also published as: JPH0260142B2; JPS60128350A; DE3445754C2; US4615787A

Description

Henkel, Feiler, Hänze! & Partner

Patentanwälte

NGK SPARK PLUG CO., LTD. und MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Aichi bzw. Tokio, Japan

Te OB;-·? 2C Tele. b2?$Z-2

:■ 5 9.9c'^ 2t ^τθι<?3·£~·" fe es; :j

14. Dezember 1984 N28-36336M/AO

Verfahren zur Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem Abgas und Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor dafür

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor für die Messung oder Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung, z.B. einer Brennkraftmaschine oder eines Gasbrenners, sowie ein Verfahren zur Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem Abgas.

Mit einem Sauerstoffsensor oder -meßfühler aus einem ionenleitenden Festelektrolyten (z.B. stabilisiertem Zirkonoxid), mit porösen Elektrodenschichten (z.B. porösen Pt-Schichten) beschichtet, kann die Sauerstoffkonzentration nahe eines theoretischen (stöchiometrisehen) Luft/KraftstoffVerhältnisses des Abgases einer Brennkraftmaschine gemessen werden, um damit den Verbrennungswirkungsgrad der Maschine zu bestimmen. Diese Bestimmung oder Messung erfolgt durch Erfassen einer Änderung in einer elektromotorischen Kraft (EMK), die durch die Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck des Abgases und dem der Atmosphärenluft erzeugt wird. Ein solcher Sauerstoffsensor wird derzeit auf verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt, z.B. bei Kraftfahrzeugen zur Steuerung ihrer Brennkraftmaschinen für Betrieb mit dem theoretischen (Soll-)Luft/Kraftstoffverhältnis.

Der bisherige Sauer stoffsensor zeigt eine große Änderung in seinem Ausgangssignal, wenn das Betriebs-Luft/-Kraftstoffverhältnis (entsprechend dem Gewichtsverhältnis von Luft zu Kraftstoff) nahe der theoretischen Größe von 14,7 liegt; anderenfalls ist die resultierende Änderung des Ausgangssignals vernachlässigbar klein. Das Ausgangssignal dieses Sensors (oder Meßfühlers) kann daher nicht wirksam für eine Brennkraftmaschine benutzt werden, die mit einem anderen Luft/Kraftstoffverhältnis als dem nahe an der theoretischen Größe liegenden arbeitet.

Die JP-OS 153155/1983 beschreibt einen schnell ansprechenden Sauerstoffkonzentrationsdetektor aus zwei sauerstoffionenleitenden Festelektroltytplatten mit jeweils einer Elektrodenschicht auf beiden Seiten in einem ausgewählten, dicht am einen Ende befindlichen Bereich. Die beiden Platten sind parallel zueinander befestigt und so voneinander beabstandet, daß sie einen Spalt oder Zwischenraum in einem Bereich bilden, weleher dem die Elektrodenschichten aufweisenden, ausgewählten Bereich entspricht. Die eine Elektrolytplatte mit Elektrodenschichten wird als Sauerstoff-Pumpelement verwendet, und die andere, ebenfalls Elektrodenschichten aufweisende Platte dient als elektrochemisches Zellen-Sensorelement, das in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Spalt zwischen den beiden Platten arbeitet. Dieser Detektor besitzt zwar ein schnelles Ansprechen, doch ist dabei, wie erfindungsgemäß durchgeführt Versuche ergeben haben, das Ausgangssignal des Sensors mehrdeutig. Wenn nämlich diese Vorrichtung in einem mit Kraftstoff angereicherten Bereich mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis unterhalb der theoretischen Größe von 14,7 arbeitet, ist die Änderungsrichtung des Ausgangssignals von der theoretischen Größe hinweg dieselbe wie für Betrieb in einem kraftstoffarmen (abgemagerten) Bereich. Aufgrund des Vorliegens zweier möglicher Luft/Kraftstoffverhältnisse für ein einziges Ausgangssignal kann der Sensor (oder Meßfühler) nur dann eingesetzt werden, wenn eindeutig bekannt ist, ob die zu steuernde Verbrennungsvorrichtung im kraftstoffreichen oder im kraftstoffarmen Bereich arbeitet. Es hat sich zudem als schwierig erwiesen, damit ein Luft/Kraftstoffverhältnis bei der oder nahe der theoretischen Größe zu bestimmen oder eine Rückkopplungs-Regelung über die (vollen) Luft/-

Kraft stoffverhältnis-Bereiche hinweg vorzunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors, welcher genau und mit schneller Ansprechzeit das Betriebs-Luft/Kraftstoff verhältnis einer Verbrennungseinheit, wie einer Brennkraftmaschine, unabhängig davon, ob diese im kraftstoffreichen (angereicherten) oder im kraftstoffarmen (abgemagerten) Bereich oder mit dem theoretischen (Soll-)Luft/Kraftstoffverhältnis arbeitet, zu messen und zu bestimmen vermag, in welchem Teil dieser Bereiche die Verbrennungseinheit arbeitet.

Dieser Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor soll dabei auch eine genaue und einfache Rückkopplungs-Regelung oder selbsttätige Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in allen Betriebsbereichen erlauben.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen und Merkmale gelöst .

Gegenstand der Erfindung ist ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor mit einem durch Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbaren bzw. aktivierbaren elektrochemischen Zellen-Sensorelement in Form eines Festelektrolyten und mit einem Festelektrolyt-Sauerstoff-Pumpelement, wobei jedes Element in Form eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten mit je einer auf beiden Seiten ausgebildeten porösen Elektrode vorliegt und das Sensorelement dem Pumpelement unter Festlegung eines engen Spalts oder Zwischenraums gegenübersteht. Eine zur Atmosphäre oder Außenluft hin offene Luftkammer ist an der vom kleinen (engen) Spalt abgewandten Seite des Pumpelements vorgesehen. Durch das Pumpelement wird ein elektrischer Strom geleitet,

so daß aus der Luftkammer Sauerstoff in den engen Spalt gepumpt wird. Das resultierende Ausgangssignal des elektrochemischen Zellen-Sensorelements wird zur Bestimmung benutzt, ob das zu bestimmende Gas einem mit Kraftstoff angereicherten oder einem abgemagerten Zustand entspricht, wobei das Luft/Kraftstoffverhältnis sowohl nach dem Ergebnis dieser Bestimmung als auch nach einem Ausgangssignal gemessen wird, das durch die elektromotorische Kraft (EMK) des Sensorelements oder den durch das Pumpelement fließenden Pumpstrom geliefert wird. In bevorzugter Ausführungsform ist das eine Ende des Pumpelements mit einem Schalter mit zwei Stellungen verbunden, der in der einen Stellung eine Verbindung zu einer variierenden oder änderbaren Stromquelle, welche die EMK des elektrochemischen Zellen-Sensorelements auf einer vorbestimmten Größe hält, und in der anderen Stellung eine Verbindung zu einer Konstantstromquelle herstellt, welche den durch das Pumpelement fließenden Pumpstrom auf einer vorbestimmten Größe hält. Das Luft/Kraftstoffverhältnis wird durch ein Ausgangssignal angezeigt, das entweder durch die elektromotorische Kraft des Sensorelements oder den durch das Pumpelement fließenden Pumpstrom geliefert wird.

Aufgrund dieser Anordnung bietet der erfindungsgemäße Detektor den Vorteil, daß er eine genaue, ansprechempfindliche (responsive) Erfassung des Luft/Kraft-Stoffverhältnisses für den gesamten Betriebsbereich oder einen Teil desselben, einschließlich des (mit Kraftstoff) angereicherten und des abgemagerten Bereichs sowie des theoretischen Luft/KraftstoffVerhältnisses, ermöglicht. Außerdem besitzt dieser Detektor eine lange Standzeit, weil er für die Lieferung eines vorgegebenen Ausgangssignals nur einen kleinen Pumpstrom (d.h. eine geringe Stromdichte auf der Elektrodenfläche) benötigt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
5

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt und teilweise in Schaltbildform gehaltene schematische Darstellung eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK e eines durch Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbaren oder aktivierbaren elektrochemischen Zellen-Sensorelements unter Heranziehung des durch ein Sauerstoff-Pumpelement fließenden Einpumpstroms (pump-in

current) I als Parameter (I < 0),

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem durch das Pumpelement fließenden Aus

pumpstrom (pump-out current) I (I > 0) bei Konstanthaltung der EMK des Sensorelements (e > 0),

Fig. 5 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Auspumpstrom Ip bei Konstanthaltung der

EMK des Sensorelements auf einer von der Größe nach Fig. 4 verschiedenen Größe,

•fr

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK e bei Konstanthaltung des Auspump-Stroms I und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Auspumpstrom I bei Konstanthaltung der EMK des Sensorelements (e < 0).

Der in den Fig. und 2 dargestellte Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in eine Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine eingebaut. Eine Sonde 2 des Detektors umfaßt ein Festelektrolyt-Sauerstoff-Pumpelement 6 und ein aus einem Festelektrolyten bestehendes, durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares oder aktivierbares elektrochemisches Zellen-Sensorelement

10. Das Pumpelement 6 besteht aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt-Platte 3 von etwa 0,5 mm Dicke und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid, auf deren einer Seite eine poröse Pt-Elektrodenschicht 4 ausgebildet ist, während auf ihrer anderen Seite eine weitere poröse Pt-Elektrodenschicht 5 vorgesehen ist. Die jeweils eine Dicke von etwa 20 μπι besitzenden Pt-Schichten können nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein. Das Sensorelement 10 besteht ebenfalls aus einer etwa 0,5 mm dicken und vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 7, auf deren beiden Seiten je eine poröse Platin-Elektrodenschicht 8 bzw. 9 ausgebildet ist.

Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 10 sind unter Festlegung eines Spalts oder Zwischenraums a einer Weite von typischerweise etwa 0,1 im oder weniger nebeneinander

- Al-

in die Abgasleitung 1 eingebaut und dadurch gegeneinander befestigt, daß der Spalt oder Zwischenraum an ihren Basisabschnitten mit einer wärmebeständigen, isolierenden Abstandsmasse 11 ausgefüllt ist. Für diesen Zweck kann eine Klebmittel-Füllmasse verwendet werden. Der porösen Pt-Elektrodenschicht 5, die auf der vom Spalt a abgewandten Seite des Pumpelements vorgesehen ist, steht eine Wand 12 aus einem wärmebeständigen und undurchlässigen Werkstoff, wie Metall oder Keramik, gegenüber, welche eine zur Atmosphäre bzw. Außenluft offene Luftkammer b festlegt. Diese Wand 12 ist um die poröse Pt-Elektrodenschicht 5 herum, mit Ausnahme ihres Basisabschnitts, abgedichtet, so daß diese Elektrodenschicht mit der Außenluft kommunizieren kann.

Ein mit einem Außengewinde 13 versehener Halter 14 ist um den Basisabschnitt der Kombination aus dem Pumpelement 6, dem Sensorelement 10 und der Wand 12 mittels einer wärmebeständigen, isolierenden Klebmittelmasse 15 festgelegt. Der Einbau der Sonde 2 in die Abgasleitung 1 erfolgt durch Einschrauben des Außengewindes 13 in ein in der Abgasleitung 1 ausgebildetes Innengewinde 16.

Bei der beschriebenen Detektor- oder Meß-Sonde, bei welcher Pumpelement und Sensorelement unter Festlegung eines Spalts oder Zwischenraums nebeneinander in die Abgasleitung eingesetzt und durch Ausfüllen des Spalts an ihren Basisabschnitten mittels einer Füll- oder Abstandsmasse gegeneinander festgelegt sind, liegen die Umfangsrander oder -kanten von Pumpelement und Sensorelement bevorzugt für die Abgase ausreichend frei, um damit das Ansprechverhalten der Sonde zu verbessern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Konfiguration beschränkt, bei welcher die Kanten des Pumpelements und des Sensorelements, außer an ihren Basis-

abschnitten, treiliegen. Beispielsweise ist es möglich, zwischen den Festelektrolyt-Platten von Pumpelement und Sensorelement Stützelemente vorzusehen,

um damit die Spaltweite einfacher einstellen zu können, sofern diese Stützelemente keine nennenswerte Verringerung der Ansprechempflindlichkeit bewirken. Der Spalt bzw. Zwischenraum zwischen Pumpelement und Sensorelement kann bevorzugt eine Weite im Bereich von 0,01 - 0,15 mm besitzen. Wenn der Spalt zu eng ist, verringert sich die Ansprechempfindlichkeit. Die den engen Spalt festlegende Elektrodenschicht ist bevorzugt eine poröse, dicke Schicht einer mittleren Porosität von etwa 10 - 40 % (bestimmt mittels eines

Porosimeters des Druckquecksilbertyps) im Hinblick auf ihren Diffusionswiderstand für Gasbestandteile, wie Sauerstoff.

Falls die Elektrodenschicht nach zweckmäßiger Dünnschicht-Auftragtechnik ausgebildet wird, wird auf ihr bevorzugt eine poröse Schicht aus einem Werkstoff, wie Keramik, vorgesehen, dem ein katalytisches Mittel zur Gewährleistung einer katalytischen Wirkung zugesetzt

sein kann.
25

Ein Beispiel für eine elektronische Steuereinheit oder -schaltung für den erfindungsgemäßen Detektor ist in Fig. 1 mit 17 bezeichnet. Die zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 8 und 9 des Sensorelements 10

3'-' erzeugte elektromotorische Kraft bzw. EMK e wird über einen Widerstand Rl der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz zwischen der EMK e und einer an seine nicht-invertierende Eingangsklemme angelegten Bezugsspannung Vr proportional ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers dient zur Ansteuerung eines Transistors Tr zur Steuerung des zwischen

-45-

den Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements 6 fließenden Pumpstroms Ip in der Weise, daß der Pumpstrom Ip ausreicht, um die EMK e auf einer konstanten Größe Vr zu halten. Die Steuereinheit 17 enthält außerdem einen Widerstand Ro zur Beschickung von Ausgangsklemmen 18 mit einem dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten Pumpstrom Ip entsprechenden Ausgangssignal. Der Ausgang des Verstärkers A und sein invertierender Eingang sind über einen Kondensator C zusammengeschaltet. Das Pumpelement 6 weist an seinem einen Ende einen Schalter 19 auf, der eine Wahl zwischen vier Stellungen Vl - V4 ermöglicht. Um das Pumpelement 6 Sauerstoff aus der Luftkammer b in den kleinen bzw.

^^-" engen Spalt a pumpen zu lassen, sind die Klemmen Vl, V2 und V3 mit drei Konstantstromquellen El (50 mA), E2 (30 mA) bzw. E3 (15 mA) verbunden. Die vierte Position bzw. Klemme V4 ist mit dem einen Ende des Widerstands Ro verbunden, um damit ein dem Pumpstrom

^O Ip entsprechendes Ausgangssignal zu erhalten. Die Steuereinheit 17 weist außerdem eine Ausgangsklemme 20 zum Abgreifen der über das Sensorelement 10 erzeugten EMK auf.

° Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen zwei Kennlinien für die Detektor-Sonde 2 gemäß Fig. 1 und 2. Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung des Luft/KraftstoffVerhältnisses zur EMK (e<0) für den Fall, daß durch das Pumpelement 6 Sauerstoff aus der Luftkammer b in den engen Spalt a gepumpt wird. Der Parameter Ip ist dabei durch Verbindung des Pumpelements 6 mit den Konstantstromquellen El, E2 bzw. E3 zwischen 50 mA, 30 mA bzw. 15 mA variierbar. Wenn der Pumpstrom Ip auf 50 mA oder höher gehalten wird, kann auf die in Fig. 3 bei A angedeutete Weise eine konstante EMK e erzeugt werden, und zwar auch in dem mit Kraftstoff angereicherten Bereich, in welchem das Luft/Kraftstoffverhältnis er-

heblich kleiner ist als die theoretische Größe von 14,7. Bei etwa der theoretischen Größe von 14,7 fällt die EMK e plötzlich oder schlagartig ab, und sie ist im Kraftstoff-Abmagerungsbereich (Luft/Kraftstoffverhältnis > 14,7) vernachlässigbar klein. Wenn der Pumpstrom Ip auf 30 mA gehalten wird, entsteht eine konstante EMK bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis zwischen 11 und 12, während bei der theoretischen Größe von 14,7 ein plötzlicher Abfall der EMK auftritt. Im Abmagerungsbereich (Luft/Kraftstoffverhältnis <14,7) ist die EMK e vernachlässigbar. Wenn der Pumpstrom Ip auf 15 mA eingestellt ist, entsteht eine konstante EMK plötzlich bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis zwischen 13 und 14, während bei etwa der theoretischen Größe von 14,7 ein schneller oder schlagartiger Abfall der EMK auftritt. Im Abmagerungsbereich (Luft/Kraftstoffverhältnis > 14,7) ist die EMK vernachlässigbar. Aus Fig. 3 geht, kurz gesagt, hervor, daß die Luft/Kraftstoffverhältnis-Kennlinie für den Kraftstoff-Anreicherungsbereich einen Knickpunkt aufweist, an welchem sich die EMK e des Sensorelements 10 plötzlich ändert, und daß sich dieser Knickpunkt mit dem durch das Pumpelement 6 fließenden Einpumpstrom ändert. Diese Charakteristik kann zur Durchführung einer Rückkopplungs-Regelung zur Erzielung einer gewünschten Größe des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Anreicherungsbereich genutzt werden.

Fig. 4 veranschaulicht die Abhängigkeit des Luft/Kraft-Stoffverhältnisses vom Pumpstrom Ip für eine Bezugsspannung Vr von z.B. 100 mV. Wenn die elektromotorische Kraft bzw. EMK e bei 100 mV liegt, verringert sich der Pumpstrom Ip im Anreicherungsbereich (Luft/Kraftstoffverhältnis < 14,7) plötzlich bzw. schlagartig, während der Pumpstrom Ip im Abmagerungsbereich (Luft/Kraftstoff verhältnis > 14,7) mit zunehmendem Luft/Kraftstoffverhältnis allmählich ansteigt.

.47·

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Detektor nutzt die in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Charakteristika.

Wenn die Stellung Vl des Schalters 19 gewählt ist, wird 5

an der EMK-Meßausgangsklemme 20 die durch die Linie A in Fig. 3 dargestellte Kennlinie erhalten. Unter Heranziehung dieser Charakteristik wird ein Bezugspunkt P zwischen größter und kleinster EMK gesetzt oder vorgegeben, so daß der Detektor sowohl den Kraftstoff-Anreicherungsbereich (V_ > P) als auch den Kraftstoff-Abmagerungsbereich (V_n^P) zu messen vermag. Wenn die Brennkraftmaschine im Kraftstoff-Anreicherungsbereich betrieben wird oder betrieben werden soll, wird die Stellung Vl gewählt, um zu bestätigen, daß die EMK e

*° über dem Bezugspunkt P liegt oder über diesen angestiegen ist. Auf der Grundlage dieser Information erfolgt ein Umschalten von der Stellung Vl auf die Stellung V2 oder V3 zum Zwecke der Einstellung oder Regelung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses der

^O Brennkraftmaschine im Anreicherungsbereich. Die Konstantstromquellen E2 und E3, mit denen die Klemmen V2 bzw. V3 verbunden sind, können verschiedene Ausgänge aufweisen, die wählbar sind, um eine gewünschte Luft/-Kraftstoffverhältnis-Messung oder -Regelung über einen

^° weiten Bereich des Kraftstoff-Anreicherungsbereichs hinweg durchzuführen. Wenn die Maschine beispielsweise im Kraftstoff-Abmagerungsbereich betrieben werden soll, kann die Stellung Vl gewählt werden. Nach der Bestätigung, daß die EMK e unter den Bezugspunkt P ab-

^ gefallen ist, erfolgt ein Umschalten von der Stellung Vl auf die Stellung V4. Sodann kann durch Abgreifen eines Ausgangssignals, welches die Kennlinie der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpstrom Ip gemäß Fig. 4 angibt, eine gewünschte Messung oder Regelung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses in allen Kraftstoff(anreicherungs)bereichen durchgeführt werden. Wenn die Maschine mit dem

3U5754

theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis (14,7) betrieben werden soll, wird die Stellung Vl gewählt, und die vorgesehene Regelung kann durch Hervorrufen einer bzw. mittels der plötzlichen Änderung der EMK e des Sensorelements 10 erreicht werden. Wie vorstehend angegeben, kann durch entsprechende Wahl der Stellung des Schalters 19 das Luft/Kraftstoffverhältnis der Maschine genau bestimmt werden, unabhängig davon, ob sie im Anreicherungsbereich, im Abmagerungsbereich oder mit der theoretischen Größe von 14,7 arbeitet .

Wenn die Maschine nur im kraftstoffarmen Bereich bzw. Kraftstoff-Abmagerungsbereich und mit dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis betrieben werden soll, kann ein Detektor mit der Anordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden. Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß der Schalter 19 mit nur einer Konstant stromquelle E verbunden ist und nur zwei Stellungen Vl und V4 aufweist. Der abgewandelte Detektor gemäß Fig. 5 besitzt dabei ersichtlicherweise dieselbe Kennlinie, wie sie in Fig. durch die Linie A angegeben ist. Fig. 6 veranschaulicht eine Kennlinie für das Luft/Kraft stoffverhältnis in Abhängigkeit vom Pumpstrom Ip für den Fall, daß die Bezugsspannung Vr auf 20 mV eingestellt ist. Wie in Fig. 4 vergrößert sich der Pumpstrom Ip im Kraftstoff-Abmagerungsbereich (Luft-Kraftstoffverhältnis > 14,7) allmählich proportional zum Luft/Kraftstoffverhältnis. Diese Linearität zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpstrom Ip kann zur Messung oder Regelung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses im Abmagerungsbereich genutzt werden, indem durch Wahl der Schalterstellung V4 ein Ausgangssignal abgegriffen wird, das eine bestimmte Größe des über das Pumpelement 6 fließenden Pumpstroms Ip angibt. Wenn die

Maschine mit dem theoretischen Luft/Kraft stoffverhältnis (14,7) betrieben werden soll, wird die Stellung Vl gewählt, um den Strom der Konstant stromquelle El durch das Pumpelement zu leiten. Die vorgesehene Messung und Regelung kann dabei entsprechend realisiert werden .

Die proportionale Änderung des Pumpstroms Ip mit dem Luft/Kraft stoffverhältnis im Kraftstoff-Abmagerungsbereich ist bereits bekannt und beispielsweise in JP-OS 153155/1983 beschrieben. Der Sauerstoff-Partialdruck des in den Spalt a eintretenden Abgases wird durch die Wirkung des Pumpelements 6 zu einer Größe modifiziert, die sich vom Sauerstoff-Partialdruck des durch die Abgasleitung 1 strömenden Abgases unterscheidet. Der dem Pumpelement 6 gelieferte Pumpstrom Ip wird so eingestellt, daß die in Abhängigkeit vom differentiellen Sauerstoff-Partialdruck erzeugte EMK e des Sensorelements 10 konstantgehalten wird. Als Folge dieser Einstellung oder Regelung ändert sich der Pumpstrom Ip proportional zur Konzentration des Sauerstoffs im Abgas.

Der Mechanismus, nach welchem sich die EMK e des Sensorelements 10 bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis entsprechend einer bestimmten Menge an Sauerstoff, die durch das Pumpelement 6 aus der Luftkammer b in den engen Spalt a gepumpt worden ist, plötzlich ändert, ist folgender: Die Sauerstoffkonzentration im engen Spalt a bestimmt sich durch das Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffmenge, die bei Anlegung eines konstanten Stroms an das Pumpelement 6 aus der Luftkammer b in den engen Spalt a gepumpt wird, und der Sauerstoffmenge, die über den Spalt a vom Abgas verbraucht wird oder in diöses eindiffundiert (die letztgenannte Sauerstoffmenge variiert mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis

des Abgases). Die Differenz (das Verhältnis) zwischen der so bestimmten Sauerstoffkonzentration im Spalt a und der Sauerstoffkonzentration des durch die Abgasleitung 1 strömenden Abgases entsteht plötzlich in einem engen Bereich von Luft/Kraftstoffverhältnissen im Kraftstoff-Anreicherungsbereich, welcher der in den engen Spalt a gepumpten Sauerstoffmenge entspricht, und diese Differenz ruft eine plötzliche oder schlagartige Änderung der EMK e des Sensorelements 10 hervor. Durch Modifizierung der Größe des Pumpstroms Ip, der dem Pumpelement 6 zum Einpumpen von Sauerstoff aus der Luftkammer b in den engen Spalt a zugeführt wird, kann die Lage des Knickpunktes der Luft/Kraftstoffverhältnis-Kurve, an welchem sich die EMK plötzlich ändert, variiert werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die als Signal zur Regelung des Luft/KraftstoffVerhältnisses im Anreicherungsbereich benutzte EMK e dadurch erhalten, daß der Pumpstrom Ip in einer solchen Richtung geleitet wird, daß aus der Luftkammer b Sauerstoff in den engen Spalt a gepumpt wird (Ip <0). Gewünschtenfalls kann der Pumpstrom Ip in der entgegengesetzten Richtung geleitet werden (Ip > 0), so daß Sauerstoff aus dem Spalt a in die Luftkammer b gepumpt wird. Fig. 7 veranschaulicht die Kennlinie für die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK e für diesen abgewandelten Fall.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen fließt außerdem der als Regelsignal für Betrieb im Kraftstoff-Abmagerungsbereich benutzte Pumpstrom Ip in einer solchen Richtung, daß Sauerstoff aus dem Spalt a in die Luftkammer gepumpt wird (Ip >0). Gewünschtenfalls kann der Pumpstrom Ip in der entgegengesetzten Richtung geleitet werden (Ip< 0), so daß Sauerstoff aus der Luft-

kammer b in den Spalt a gepumpt wird. Fig. 8 veranschaulicht die Kennlinie für den Pumpstrom 1$ bei dieser Abwandlung für den Fall, daß das Ausgangssignal des Sensorelements (e <0) konstantgehalten wird. Die Kennlinie gemäß Fig. 8 kann ebenfalls für die Erfindungszwecke benutzt werden, weil sie die Korrelation bzw. Beziehung zwischen dem Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpstrom Ip wiedergibt.

Die vorstehend angegebenen, durch den erfindungsgemäßen Detektor gelieferten Charakteristika können entweder einzeln oder in Kombination miteinander zum Zwecke der Durchführung einer Rückkopplungs-Regelung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses über den gesamten Betriebsbereich durch Änderung der Stellung des Schalters 19 benutzt werden, um eine große Strommenge zum Pumpelement 6 zu leiten, damit dieses während einer kurzen Zeit Sauerstoff aus der Luftkammer b in den Spalt a pumpt, und durch Bestimmung, ob das Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis im Anreicherungsoder im Abmagerungsbereich liegt, anhand der resultierenden plötzlichen Änderung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 nahe dem₍ theoretischen Luft/-Kraftstoffverhältnis.

Claims

3Λ4575Α χ Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung des Luft/KraftstoffVerhältnisses in einem Abgas mittels eines Detektors aus einem elektrochemischen Zellen-Sensorelement und einem Sauerstoff-Pumpelement, die jeweils in Form eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten mit je einer porösen Elektrode auf beiden Seiten vorliegen, wobei das Sensorelement dem Pumpelement mit einem kleinen oder engen Spalt oder Zwischenraum dazwischen gegenüberstehend angeordnet ist und eine zur Atmosphäre oder Außenluft hin offene ° Luftkammer an der vom engen Spalt abgewandten Seite des Pumpelements vorgesehen ist, wobei ein elektrischer Strom so durch das Sauerstoff-Pumpelement geleitet wird, daß Sauerstoff aus der Luftkammer in den engen Spalt oder in umgekehrter Richtung gepumpt und damit im Sensorelement eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, die zusammen mit dem durch das Pumpelement fließenden Strom als Grundlage für die Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Abgas benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichend große Strornmenge, um Sauerstoff aus der Luftkammer in den engen Spalt zu pumpen, über das Sauerstoff-Pumpelement geleitet wird, um damit eine plötzliche oder schlagartige Änderung der elektromagnetischen Kraft des Sensorelements bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis hervorzurufen, und daß die elektromotorische Kraft des Sensorelements für die Bestimmung benutzt wird, ob ein vorliegendes Luft/Kraftstoffverhältnis im kraftstoffreichen oder kraftstoffarmen (Anreicherungs- bzw. Abmagerungs-)Bereich liegt» und damit das Luft/Kraftstoffverhältnis im Abgas auch in einem kleinen, das stöchiometrische Verhältnis einschließenden Übergangsbereich gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichend große Strornmenge, um Sauerstoff aus der Luftkammer in den engen Spalt zu pumpen, über das Sauerstoff-Pumpelement geleitet wird, um damit eine plötzliche Änderung der elektromotorischen Kraft des Sensorelements beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis hervorzurufen, und daß die Änderungen der elektromotorischen Kraft zur Messung des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses und zu seiner Aufrechterhaltung herangezogen (applied) werden.

3. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor mit einem elektrochemischen Zellen-Sensorelement und einem Pumpelement jeweils in Form eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten mit je einer porösen Elektrode auf beiden Seiten, wobei das Sensorelement dem Pumpelement unter Festlegung eines engen Spalts oder kleinen Zwischenraums gegenüberstehend angeordnet ist, und mit einer an der vom engen Spalt abgewandten Seite des Pumpelements vorgesehenen, zur Atmosphäre oder Außenluft hin offenen Luftkammer, wobei eine Stromquelle oder ein Stromregler für Luft/Kraftstoffverhältnis-Messung an das Pumpelement angeschlossen ist, um einen Stromfluß zu erzeugen, durch den Sauerstoff aus dem engen Spalt in die Luftkammer oder in der entgegengesetzten Richtung gepumpt wird, und damit im Sensorelement eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, die zusammen mit dem durch das Pumpelement fließenden Strom als Grundlage für die Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Abgas benutzt wird, gekennzeichnet durch eine Konstantstromquelle zur Lieferung eines ausreichend großen, konstanten Stroms durch das Pumpelement in einer solchen Richtung, daß Sauerstoff aus der Luftkammer in den engen Spalt gepumpt

wird, und eine Schalteinrichtung zur selektiven Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Pumpelement und der Stromquelle für Luft/Kraftstoffverhältnis-Messung und zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Pumpelement· und der Konstantstromquelle, wobei eine plötzliche oder schlagartige Änderung der elektromotorischen Kraft des Sensorelements beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis durch Betätigung der ,Schalteinrichtung zur Verbindung des Pumpelements mit der Konstantstromquelle hervorbringbar ist und diese Änderung der elektromotorischen Kraft zur Bestimmung, ob das augenblickliche Luft/Kraftstpffverhältnis über oder unter der stöchiometrischen Größe liegt, benutzt wird, um damit das Luft/Kraftstoffverhältnis in einem Abgas auch innerhalb eines engen Übergangsbereichs vom kraftstoffreichen z'nrn kraftstoff armen (Anreicherungs- bzw. Abmagerungs-)Bereich zu messen.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle für Luft/Kraftstoffverhältnis-Messung eine regelbare Stromquelle umfaßt, welche die elektromotorische Kraft des Sauerstoff-Pumpelements als Steuer- oder Regeleingang(ssignal) abnimmt und die zur Aufrechterhaltung der elektromotorischen Kraft auf einer vorbestimmten Größe durch automatische Regelung des durch das Pumpelement fließenden Stroms geschaltet ist, und daß der Detektor ein dem durch das Pumpelement fließenden Strom entsprechendes Luft/Kraftstoffverhältnis-Signal liefert,

5. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des von der Konstantstromquelle gelieferten Stroms etwa 50 mA beträgt.

6. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Spalt eine Weite von etwa 0,01 - 0,15

mm besitzt.
5

7. Verfahren zur Messung des Luft/KraftstoffVerhältnisses in einem Abgas mittels eines Detektors aus einem elektrochemischen Zellen-Sensorelement und einem Sauerstoff-Pumpelement, die jeweils in Form eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten mit je einer porösen Elektrode auf beiden Seiten vorliegen, wobei das Sensorelement dem Pumpelement mit einem kleinen oder engen Spalt oder Zwischenraum dazwischen gegenüberstehend angeordnet ist und eine zur Atmosphäre oder Außenluft hin offene Luftkammer an der vom engen Spalt abgewandten Seite des Pumpelements vorgesehen ist, wobei ein elektrischer Strom so durch das Sauerstoff-Pumpelement geleitet wird, daß Sauerstoff in die Luftkammer aus dem

^O engen Spalt oder in umgekehrter Richtung gepumpt und damit im Sensorelement eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, die zusammen mit dem durch das Pumpelement fließenden Strom als Grundlage für die Messung des Luft/KraftstoffVerhältnisses im Abgas benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichend große Strommenge, um Sauerstoff aus der Luftkammer in den engen Spalt zu pumpen, über das Sauerstoff-Pumpelement geleitet wird, um damit eine plötzliche oder schlagartige Änderung der elektromotorischen Kraft des Sensorelements bei dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis hervorzurufen, und daß die Änderung der elektromotorischen Kraft zur Messung oder Bestimmung des stöchiometrischen Luft/KraftstoffVerhältnisses und zu seiner Aufrechterhaltung herangezogen wird.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung oder Bestimmung von Luft/Kraftstoffverhältnissen ein Signal entsprechend der Größe eines das Pumpelement in einer solchen Richtung, daß Sauerstoff aus dem engen Spalt in die Luftkammer (hinein) gepumpt wird, fließenden Stroms, um damit die elektromotorische Kraft des Sensorelements auf einer konstanten Größe zu halten, benutzt wird.