DE3445755C2 - Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor - Google Patents

Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor

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Abstract

Beschrieben ist ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Messung oder Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von einer Verbrennungsvorrichtung, wobei dieser Detektor mehrere aus einem Festelektrolyten bestehende, sauerstoffionenleitende Elemente (6, 10 und 14) sowie eine elektrische Steuereinheit (21) aufweist. Das in einem weiten Bereich von Luft/Kraftstoffverhältnissen von einem angereicherten bis zu einem abgemagerten Verhältnis unterschiedliche Detektor-Ausgangssignal ermöglicht die Überwachung von Maschinen-Betriebszuständen, ohne daß im voraus bekannt sein muß, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis im angereicherten oder abgemagerten Bereich liegt, und dieses Ausgangssignal kann für die Rückkopplungs-Regelung bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektor zur Überwachung der Konzentration eines bestimmten Gases im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung z. B. einer Brennkraftmaschine oder eines Gasbrenners, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Mit einem Sauerstoffsensor aus einem ionenleitenden Festelektrolyten (z. B. stabilisiertem Zirkonoxid), mit porösen Elektrodenschichten (z. B. porösen Pt-Schichten) beschichtet, kann die Verbrennung nahe einem stöchiometrischen Luft/ Kraftstoffverhältnis durch Messung einer Änderung in einer elektromotorischen Kraft (EMK), die durch die Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck des Abgases und dem der Atmosphärenluft erzeugt wird, gemessen werden. Ein solcher Sauerstoffsensor wird derzeut auf verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt, z. B. bei Kraftfahrzeugen für den Betrieb ihrer Brennkraftmaschinen mit dem stöchiometrischen Luft/ Kraftstoffverhältnis.
  • Der bisherige Sauerstoffsensor zeigt eine große Änderung in seinem Ausgangssignal, wenn das Betriebs-Luft/ Kraftstoffverhältnis (entsprechend dem Gewichtsverhältnis von Luft zu Kraftstoff) nahe der stöchiometrischen Größe von 14,7 liegt; anderenfalls ist die resultierende Änderung des Ausgangssignals vernachlässigbar. Das Ausgangssignal dieses Sensors kann daher nicht wirskam genutzt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einem anderen Luft-Kraftstoffverhältnis als dem entsprechend der stöchiometrischen Größe arbeitet.
  • Die JP-OS 1 53 155/1983 (entsprechend der nachveröffentlichten US-PS 44 50 065), beschreibt einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor aus zwei sauerstoffionenleitenden Festelektrolytplatten 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, welcher dem die Elektrodenschichten aufweisenden, ausgewählten Bereich entspricht. Die eine Elektrolytplatte mit Elektrodenschichten wird als Sauerstoff-Pumpelement verwendet, und die andere Platte dient als elektrochemisches Zellenelement, das in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebungsatmosphäre und der Atmosphäre im Spalt zwischen den beiden Platten arbeitet.
  • Dieser Detektor besitzt zwar ein schnelles Ansprechen, doch ist dabei, wie Versuche ergeben haben, die Richtung des resultierenden Ausgangssignals, wenn die Vorrichtung in einem mit Kraftstoff angereicherten Bereich mit einem Luft/ Kraftstoffverhältnis unterhalb der stöchiometrischen Größe von 14,7 arbeitet, dieselbe wie beim Betrieb in einem kraftstoffarmen Bereich. Da mehr als ein einziges Luft/ Kraftstoffverhältnis durch ein einziges Ausgangssignal bezeichnet werden kann, kann der Sensor nur dann eingesetzt werden, wenn eindeutig bekannt ist, ob die zu steuernde Verbrennungsvorrichtung im kraftstoffreichen oder im kraftstoffarmen Bereich arbeitet.
  • Es hat sich ferner als sehr schwierig erwiesen, diesen Detektor bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis auf oder nahe der stöchiometrischen Größe für eine genaue Regelung der Verbrennungsvorrichtung mit schnellem Ansprechen anzusetzen.
  • Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors, welcher genau und mit schnellem Ansprechen festzustellen vermag, ob das Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis einer Verbrennungsvorrichtung, z. B. einer Brennkraftmaschine, im kraftstoffreichen oder kraftstoffarmen Bereich oder auf der stöchiometrischen Größe von 14,7 liegt.
  • Außerdem soll dieser Luft/ Kraftstoffverhältnis-Detektor in dem jeweiligen Bereiche genaue Meßwerte entsprechend dem jeweiligen Mischungsverhältnis liefern und somit auch eine genaue und einfache Rückkopplungs- Regelung oder eine selbsttätige Regelung in den angegebenen Verhältnisbereichen ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Detektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch Hinzufügen der kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst. Besondere Ausgestaltungen des Detektors sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Aufgrund der beschriebenen Anordnung bietet der erfindungsgemäße Detektor den Vorteil, daß er nur eine Sensor-Sonde für die genaue Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses über den vollen Betriebsbereich oder einen Teil des Betriebsbereichs einer gegebenen Verbrennungsvorrichtung, einschließlich der (mit Kraftstoff) angereicherten und der abgemagerten Bereiche, benötigt.
  • Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
  • Fig. 1 eine teilweise im Schnitt und teilweise in Schaltbildform gehaltene schematische Darstellung eines Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektors gemäß 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 elektromotorischen Kraft oder EMK e 2,
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem bei einer konstanten Größe der EMK e&sub1; über das Pumpelement fließenden Auspumpstrom I p eines durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigten oder aktivierten elektrochemischen Zellenelements,
  • Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem bei einer konstanten Größe der EMK e 1über das Pumpelement fließenden Einpumpstrom I p des elektrochemischen Zellenelements und
  • Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK e 1 des Zellenelements unter Heranziehung des Einpumpstroms I p als Parameter.
  • Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor ist gemäß Fig. 1 in eine Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine eingebaut. Die Sonde 2 des Detektors umfaßt dabei ein aus einem Festelektrolyten bestehendes Sauerstoff-Pumpelement 6, ein aus einem Festelektrolyten bestehendes, durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares oder aktivierbares elektrochemisches Zellenelement 10 und ein Festelektrolyt- Sauerstoff-Sensorelement 14.
  • Das Pumpelement 6 besteht aus einer etwa 0,5 mm dicken und vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 3, bei welcher auf der einen Seite eine poröse Platin-Elektrodenschicht 4 und auf der anderen Seite eine weitere poröse Platin-Elektrodenschicht 5 ausgebildet sind. Die etwa 20 µm dicken Pt-Schichten 4, 5 können nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein. Das elektrochemische Zellenelement 10 besteht ebenfalls aus einer etwa 0,5 mm dicken und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 7, die auf jeder Seite eine poröse Platin-Elektrodenschicht 8 bzw. 9 aufweist. Diese beiden Pt-Schichten 8 und 9 einer Dicke von etwa 20 µm können ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein. Das Sensorelement 14 besteht gleichfalls aus einer ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 11 mit einer porösen Pt-Elektrodenschicht 12 auf der einen oder einer weiteren porösen Pt-Elektrodenschicht 13 auf der anderen Seite. Dicke und Werkstoff der Platte 11 entsprechen vorzugsweise denen von Zellenelement 10 und Pumpelement 6, wobei die Pt-Schichten 12 und 13 ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein können.
  • Das Pumpelement 6 und das Zellenelement 10 sind unter Festlegung eines kleinen Spalts oder Zwischenraums a (vgl. Fig. 2) von etwa 0,1 mm Weite oder weniger zwischen sich nebeneinander in die Abgasleitung 1 eingesetzt, wobei sie dadurch gegeneinander gehaltert sind, daß der Spalt im Basisabschnitt des Detektors mit einer wärmebeständigen, isolierenden Abstandsmasse 15, z. B. in Form eines Klebmittel-Füllstoffs, ausgefüllt ist. Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 14 sind so angeordnet, daß die porösen Pt-Elektrodenschichten 5 und 12 einander zugewandt sind und eine zur Atmosphäre bzw. Außenluft hin offene Luftkammer b (vgl. Fig. 2) festgelegt wird, wobei die beiden Elemente durch ein wärmebeständiges Abstandstück 16, das, mit Ausnahme des Basisabschnitts, um den Gesamtbereich ihres Zwischenraums herum angeordnet ist, luftdicht miteinander verbunden sind.
  • Ein Träger oder Halter 18 mit einem Außengewinde 17 ist mittels einer wärmebeständigen, isolierenden Klebmittelmasse 19 um den Basisabschnitt der Anordnung aus dem Pumpelement 6, dem Zellenelement 10 und dem Sensorelement 14 herum festgelegt. Die Montage der Sonde 2 in der Abgasleitung 1 erfolgt durch Einschrauben des Außengewindes 17 in ein in der Abgasleitung 1 vorgesehenes Innengewinde 20.
  • Der beschriebene Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor kann vorzugsweise nach folgenden Verfahren hergestellt werden: Eine "grüne", d. h. ungebrannte Scheibe des Abstandstücks 16, vorzugsweise aus Keramik, wird zwischen zwei "grüne" Scheiben für das Pumpelement 6 und das Sensorelement 14, auf die jeweils eine Paste eines Elektrodenmaterials aufgetragen worden ist, eingefügt. Nach dem Zusammenpressen der "grünen" Scheiben wird die erhaltene Anordnung zur Bildung eines röhrenförmigen Elements mit dem Pumpelement 6 und dem Sensorelement 14 gesintert. Dieses röhrenförmige Element wird sodann mit Hilfe eines wärmebeständigen Keramik-Klebmittels (Zements) mit einem gesinterten Zellenelement 10 verbunden.
  • Ein Beispiel für eine elektronische Steuereinheit für den erfindungsgemäßen Detektor ist in Fig. 1 mit 21 bezeichnet. Die zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 8 und 9 am elektrochemischen Zellenelement 10 erzeugte elektromotorische Kraft oder EMK e 1 wird über einen Widerstand R 1 der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt, der daraufhin ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz zwischen der EMK e 1 und einer an seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme anliegenden Bezugsspannung V r proportional ist.
  • Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers dient zur Ansteuerung eines Transistors Tr zur Steuerung des zwischen den Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements 6 fließenden Pumpstrom I p in der Weise, daß der Strom I p groß genug ist, um die EMK e 1 auf einer konstanten Größe V r zu halten. Die Steuereinheit 21 enthält auch einen Widerstand Ro zur Beschickung einer Ausgangsklemme 22 mit einem Ausgangssignal entsprechend dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten Pumpstrom I p . Ausgang und invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers A sind über einen Kondensator C zusammengeschaltet.
  • Die Steuereinheit 21 enthält außerdem eine Ausgangsklemme 23 zum Ausgeben der elektromotorischen Kraft bzw. EMK e 2, die durch das Sensorelement 14 in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der Abgasleitung 1 und der Umgebungsatmosphäre erzeugt wird.
  • Zwei Kennlinien für den in Fig. 1 und 2 dargestellten Detektor sind in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig. 3 veranschaulicht dabei die Beziehung der EMK e 2 zum Luft/Kraftstoffverhältnis. Im kraftstoffreichen bzw. angereicherten Bereich, in welchem das Betriebs-Luft/ Kraftstoffverhältnis unter der stöchiometrischen Größe von 14,7 liegt, liefert der Detektor eine konstante Größe der EMK e 2. Diese Größe fällt bei einem Luft/ Kraftstoffverhältnis von etwa 14,7 schlagartig ab, und die erzeugte EMK bleibt im kraftstoffarmen Bereich, in welchem das Betriebs- Luft/Kraftstoffverhältnis über der stöchiometrischen Größe liegt, nahezu konstant. Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zum Pumpstrom I p für eine Bezugsspannung V r von z. B. 60 mV. Wenn die elektromotorische Kraft e 1 = 60 mV beträgt, verringert sich der Pumpstrom I p mit ansteigendem Luft/Kraftstoffverhältnis im angereicherten Bereich und vergrößert sich mit zunehmendem Luft/ Kraftstoffverhältnis im verarmten Bereich.
  • Die Ausgangsklemme 23 zum Abgreifen der EMK e 2 ist so ausgelegt, daß der Detektor sowohl eine Kraftstoffanreicherung als auch eine Kraftstoffabmagerung erfaßt, indem er die EMK e 2 mit P, d. h. einem vorgewählten Bezugspunkt zwischen dem Höchst- und dem Niedrigstpegel der EMK, vergleicht.
  • Wenn die Maschine in dem mit Kraftstoff angereicherten Bereich arbeitet, muß die EMK e 2 des Sensorelements 14 größer sein als P, und es können diese Information sowie ein Ausgangssignal entsprechend dem resultierenden, durch bzw. über das Pumpelement 6 fließenden Pumpstrom I p zur Messung des Betriebs-Luft/ Kraftstoffverhältnisses für den kraftstoffreichen Bereich abgegriffen werden. Wenn die Maschine dagegen im Abmagerungsbereich (kraftstoffarmen Bereich) arbeitet, muß die EMK e 2 des Sensorelements 14 kleiner sein als P, wobei diese Information und ein Ausgangssignal entsprechend dem resultierenden Pumpstrom I p zur Bestimmung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses für den Verarbeitungsbereich abgegriffen werden können.
  • Der erfindungsgemäße Detektor mit dem beschriebenen Aufbau ermöglicht bei schnellem Ansprechen eine genaue Messung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses einer Brennkraftmaschine über einen weiten, sowohl den Anreicherungs- als auch den Abmagerungsbereich umfassenden Bereich hinweg. Dieser Detektor kann somit für die Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses eingesetzt werden, wobei ein Signal, das der durch die in die Abgasleitung 1 eingebaute Sonde 2 gemessenen Ist-Größe des Luft/ Kraftstoffverhältnisses entspricht, zur Ermöglichung einer Aufrechterhaltung des gewünschten Luft/ Kraftstoffverhältnisses durch eine Rückkopplungs- oder Regelschleife geleitet wird.
  • Die proportionale Änderung des Pumpstroms I p mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis im Abmagerungsbereich ist bereits bekannt und beispielsweise in der JP-OS 1 53 155/1983 beschrieben. Der Sauerstoff-Partialdruck des in den Spalt a eintretenden Abgases wird durch die Wirkung des Pumpelements 6 zu einer Größe modifiziert, die sich von dem Sauerstoff-Partialdruck in dem die Abgasleitung 1 durchströmenden Abgas unterscheidet. Der zum Pumpelement 6 gelieferte Pumpstrom I p wird so gesteuert oder eingestellt, daß die in Abhängigkeit von dem differentiellen Sauerstoff-Partialdruck erzeugte EMK e&sub1; des Zellenelements 10 auf einer konstanten Größe gehalten wird. Versuche haben gezeigt, daß sich der Pumpstrom I p ,weil die EMK e 1 konstant ist, proportional zur Konzentration des Sauerstoffs im Abgas ändert. Die Ansprechempfindlichkeit des Detektors auf das Vorhandensein von CO-Gas im Abgas, wenn das Luft/Kraftstoffverhältis im angereicherten Bereich liegt, könnte der Hauptgrund für diese Sauerstoff-Auspumpwirkung sein.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Pumpstrom I p durch das Pumpelement 6 in einer solchen Richtung geleitet, daß Sauerstoff aus dem Spalt a in die Abgasleitung 1 ausgepumpt wird (I p > 0). Gewünschtenfalls kann der Strom I p in die entgegengesetzte Richtung geleitet werden (I p < 0), so daß Sauerstoff aus der Luftkammer b in den Spalt a gepumpt wird. Fig. 5 veranschaulicht die Beziehung des Luft/ Kraftstoffverhätlnisses zum Pumpstrom I p für diese Abwandlung, wenn das Ausgangssignal des elektrochemischen Zellenelements 10 konstant bleibt. Die Kennlinie gemäß Fig. 5, die eine gewisse Korrelation bzw. Beziehung zwischen dem Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpestrom I p wiederspiegelt, kann ebenfalls für die Messung oder Bestimmung mittels des erfindungsgemäßen Detektors benutzt werden.
  • Wenn der durch das Pumpelement 6 fließende Pumpstrom I p (unabhängig davon, ob Sauerstoff in den Spalt agepumpt oder aus ihm herausgepumpt wird) konstant gehalten wird, variiert die durch das Zellenelement 10 erzeugte EMK e 1 auch bzw. ebenfalls mit dem Luft/ Kraftstoffverhältnis. Diese Beziehung ist ebenfalls für die erfindungsgemäß vorgesehenen Meßzwecke nutzbar.
  • Fig. 6 veranschaulicht die Beziehung des Luft/ Kraftstoffverhältnisses zur EMK (e 1 < 0) des elektrochemischen Zellenelements 10 unter Heranziehung des Sauerstoff- Einpumpstroms I p als Paramter. Wie dargestellt, treten im Kraftstoff-Anreicherungsbereich und beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis schlagartige Änderungen im Ausgangssignal auf. Eine Änderung des Einpumpstroms I p beeinflußt das Anreicherungs-Luft/Kraftstoffverhältnis, bei dem einige der plötzlichen Änderungen in der EMK e 1 auftreten. Diese Kennlinie veranschaulicht, daß der Detektor für eine genaue und mit schnellem Ansprechen erfolgende Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Kraftstoff-Anreicherungsbereich benutzt werden kann.
  • Wenn insbesondere eine Brennkraftmaschine unter Bedingungen arbeitet, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis eine Kraftstoffanreicherung zeigen soll, sollte die in Fig. 6 gezeigte, einem konstanten Einpumpstrom (I p < 0) entsprechende Charakteristik gewählt werden. Wenn die Betriebsbedingungen ein Luft/ Kraftstoffverhältnis entsprechend einer Krafstoffabmagerung verlangen, sollte die in Fig. 5 gezeigte, einer konstanten EMK (e 1 < 0) des Zellenelements 10 entsprechende Charakteristik gewählt werden. Durch Umschalten zwischen diesen beiden Betriebsarten je nach Bedarf kann die gewünschte kontinuierliche Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses über den vollen Betriebsbereich einer Verbrennungsvorrichtung (z. B. Brennkraftmaschine) hinweg erreicht werden.
  • Wenn es sich als nötig erweist, das Luft/ Kraftstoffverhältnis auf der stöchiometrischen Größe von 14,7 zu halten, kann die EMK e 2 des Sensorelements 14 unmittelbar als Rückkopplungs-Regelsignal benutzt werden.
  • Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die einzelnen Elemente nicht mittels eines Heizelements erwärmt oder erhitzt werden, kann jeweils ein solches Heizelement für jedes Detektorelement vorgesehen sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Detektor sind das Pumpelement und das Zellenelement in der Abgasleitung mit einem kleinen gegenseitigen Abstand nebeneinander angeordnet. Bevorzugt werden diese Elemente durch Ausfüllen des Spalts an ihren Basisabschnitten mit einem Abstandsstück bzw. einer Abstandsmasse gegeneinander befestigt. Der zwischen dem Pumpelement und dem Zellenelement festgelegte Spalt dient somit vorzugsweise dazu, zur Verbesserung des Ansprechverhaltens die Umfangsränder oder -kanten dieser Elemente in ausreichendem Maß für das Abgas freizulegen bzw. zugänglich zu machen. Mit Ausnahme der Basisabschnitte ist die Erfindung jedoch nicht auf die Konfiguration der offenen bzw. freigelegten Ränder beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, einige Stützelemente zwischen den Festelektrolytplatten von Pumpelement und Zellenelement vorzusehen, um die Maße des Spalts einfacher einstellen zu können, sofern ein solches Stützelement keine nennenswerte Verringerung der Ansprechempfindlichkeit bewirkt. Die Weite des Spalts zwischen Pumpelement und Zellenelement liegt bevorzugt in der Größenordnung von 0,01-0,15 mm. Wenn der Spalt zu eng ist, verschlechtert sich das Ansprechverhalten.
  • Von den Elektroden des betreffenden Elements ist eine Elektrodenschicht zur Festlegung eines kleinen oder feinen Spalts vorzugsweise eine poröse, dicke Schicht einer mittleren Porosität von etwa 10-40%, gemessen mittels eines Porosimetes des Druckquecksilbertyps, im Hinblick auf ihren Diffusionswiderstand für die betreffenden Bestandteilgase, wie gasförmigen Sauerstoff.
  • Falls die Elektrodenschicht nach geeigneter Dünnschicht- Auftragtechnik ausgebildet wird, wird auf ihr vorzugsweise eine poröse Schicht aus z. B. einem keramischen Material vorgesehen, das mit einem katalytischen Mittel zur Erzielung einer katalytischen Wirkung versetzt sein kann.
  • Auf die beschriebene Weise läßt sich somit einfach eine Detektor- oder Meßsonde eines ausgezeichneten Ansprechverhaltens herstellen.

Claims (4)

1. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Überwachung der Konzentration eines bestimmten Gases im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung, mit
einem ersten Festelektrolyt-Element (6) mit Elektroden (4, 5) an beiden Seiten,
einem zweiten Festelektrolyt-Element (10) mit Elektroden (8, 9) an beiden Seiten, welches auf einer Seite des ersten Elementes (6) unter Festlegung eines ersten Spaltes (a) zwischen dem ersten und dem zweiten Element angeordnet ist, und
einer Einrichtung (21) zur Beaufschlagung des ersten Elementes (6) mit einem elektrischen Strom (I p ), wobei das erste Element (6) den Konzentrationspegel des betimmten Gases in dem ersten Spalt (a) entsprechend dem Strom (I p ) durch das erste Element (6) verändert und wobei das zweite Element eine erste elektromotorische Kraft (e 1) zwischen seinen Elektroden nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Konzentrationspegel des bestimmten Gases in dem Abgas und dem Konzentrationspegel des bestimmten Gases in dem ersten Spalt erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein drittes Festelektrolyt-Element (14) mit Elektroden (12, 13) an beiden Seiten vorgesehen ist, wobei ein zweiter Spalt (b) zwischen dem dritten und dem ersten Element zur Aufnahme eines Bezugsgases gebildet wird,
daß das dritte Element (14) eine zweite elektromotorische Kraft (e 2) zwischen seinen Elektroden (12, 13) nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Konzentrationspegel des bestimmten Gases in dem Abgas und dem Konzentrationspegel des bestimmten Gases in dem Bezugsgas erzeugt
daß die zweite elektromotorische Kraft (e 2) ein erstes Ausgangssignal (23 ) erzeugt, welches anzeigt, ob die Konzentration des bestimmten Gases in dem Abgas oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt,
daß entweder der Strom durch das erste Element (6), wenn er so geregelt wird, daß die erste elektromotorische Kraft (e 1) konstant wird, oder die erste elektromotorische Kraft, wenn sie über einen konstanten Strom (I p ) durch das erste Element (6) erzeugt wird, ein zweites Ausgangssignal (22) erzeugt, welches mindestens einen bestimmten Wert der Konzentration oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen Wertes anzeigt, wodurch ein Luft/ Kraftstoff-Verhältnis über einen Bereich um den vorgegebenen Wert herum ermittelt werden kann.
2. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Gas Sauerstoff und das Bezugsgas atmosphärische Luft sind und daß der vorgegebene Wert so gewählt wird, daß er anzeigt, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis des zu messenden Gases oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses liegt.
3. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß entweder ein Strom von einer solchen Richtung, daß der Konzentrationspegel von Sauerstoff in dem ersten Luftspalt (a) ansteigt, wenn durch entsprechende Steuerung die erste elektromotorische Kraft konstant gehalten wird, oder die erste elektromotorische Kraft, welche erzeugt wird, wenn ein konstanter Strom durch das erste Element in einer solchen Richtung geführt wird, daß der Konzentrationspegel von Sauerstoff in dem ersten Spalt (a) ansteigt, das zweite Ausgangssignal (22) bildet, welches einen bestimmten Wert unterhalb des vorgegebenen Wertes anzeigt.
4. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Anzeige der Konzentration eines bestimmten Gases in dem Abgas einer Abgasleitung einer Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Befestigung des Detektors in der Abgasleitung (1) vorgesehen sind, daß das zweite Element (10) mittels eines wärmebeständigen Isoliermaterials (15) am ersten Element ( 6) befestigt ist, daß das dritte Element (14) mittels eines wärmebeständigen Materials (16) luftdicht am ersten Element (6) angebracht ist, daß der zweite Spalt (b) nur an einem der beiden Enden des Detektors offen ist und daß das offene Ende weiter von dem Abgasstrom entfernt und von diesem hinweg zur atmosphärischen Luft hin gerichtet ist.
DE3445755A 1983-12-15 1984-12-14 Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor Expired DE3445755C2 (de)

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