DE3543759A1

DE3543759A1 - Luft/kraftstoff-verhaeltnisdetektor

Info

Publication number: DE3543759A1
Application number: DE19853543759
Authority: DE
Inventors: Sadao Ichikawa; Tetsusyo Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Niterra Co Ltd
Priority date: 1984-12-11
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1986-07-10
Anticipated expiration: 2005-12-12
Also published as: JPS61138156A; DE3543759C2; JPH0548420B2; US4839018A

Description

die über den zweiten Widerstand geschaltet sind, einen fünften Operationsverstärker mit einer an einen Ausgang des vierten Operationsverstärkers angeschlossenen Eingangsklemme und einen mit dem fünften Operationsverstärker verbundenen Glättungskreis aufweist.

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner Patentanwälte

Dr Dhil G Henke!
Dr rer. nat. L. Fener
Dipl.-Ing. W. Hänzel Dipl.-Ing. D Kottmann

Möhlstraße 37
D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 529802 hnkld Telefax (Gr. 2+3):
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Telegramm: ellipsoid

N28-4O9O8 /

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

Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. einen Detektor zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases von einer Verbrennungsvorrichtung, z.B. einer Brennkraftmaschine, auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration im Abgas.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines einer Verbrennungsvorrichtung, wie einer Brennkraftmaschine, zugeführten Brenngasgemisches auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration im Abgas entwickelt worden. Bei einer, in der JP-OS 178354/1984 beschriebenen Einrichtung sind zwei Elemente, jeweils in Form einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte mit je einer auf jeder Seite ausgebildeten porösen Elektrode, vorgesehen, wobei die beiden Platten einander mit einem kleinen Zwischenraum gegenüberstehen. Das eine Element dient als Sauerstoff-Pumpzelle zum Auspumpen von Sauerstoff aus dem Zwischenraum, während das andere Element als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-betätigte elektrochemisehe Meßfühler- oder Sensorzelle zur Erzeugung einer Spannung in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentrationsdif ferenz zwischen der Außenatmosphäre und der Atmosphäre im Zwischenraum dient. Diese Einrichtung vermag ein genaues, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ange- bendes Signal zumindest im kraftstoffarmen, d.h. Magerbereich zu liefern.

Dieser Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor besitzt jedoch die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie. Er ist hauptsächlich für die Lieferung eines das Luft/Kraftstoff-Verhältnis angebenden (Meß-)Signals im Kraftstoff-Magerbereich, in welchem Restsauerstoff im Abgas enthalten ist, vorgesehen; er vermag jedoch auch in dem mit Kraftstoff angereicherten Bereich, in welchem kein Restsauerstoff vorhanden ist, auf CO, CO₂, H-O usw. im Abgas anzusprechen und ein Signal zu liefern, das dem im Magerbereich erzeugten Signal gleich ist. Dies bedeutet, daß mit der gleichen Größe des Meßsignals zwei (verschiedene) Größen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ausgedrückt werden können. Zur Vermeidung dieser Zweideutigkeit kann diese Einrichtung daher für Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelzwecke nur dann eingesetzt werden, wenn eindeutig bekannt ist, ob die geregelte Verbrennungsvorrichtung im kraftstoffarmen oder im -reichen Bereich arbeitet. In der graphischen Darstellung von Fig. 2 bezeichnet λ das Luftüberschußverhältnis, wobei A = 1 für ein dem theoretischen Wert entsprechendes Luft/Kraftstoff verhältnis steht.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Luft/ Kraftstoff-Verhältnisdetektors, der ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Meßsignal in Form einer einseitig gerichteten, eindeutigen elektrischen Größe unabhängig davon zu liefern vermag, ob die Verbrennungsvorrichtung im kraftstoff armen Bereich, mit dem theoretischen Luft/Kraftstoff -Verhältnis (λ = 1 bzw. stöchiometrisches Mi-

gQ schungsverhältnis) oder im kraftstoffangereicherten Bereich arbeitet. Ein solches Meßsignal kann unmittelbar für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses benutzt werden, und diese Regelung läßt sich dann genau und ziemlich einfach über den gesamten Mischungsbereich hinweg durchführen.

Diese Aufgabe wird bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor, umfassend eine Meßfühlereinheit mit zwei Elementen, die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten mit je einer auf seinen beiden Flächen (Seiten) ausgebildeten porösen Elektrode aufweisen und die einem Diffusionsraum, in den eine begrenzte Menge an Abgas einströmt, zugewandt sind, und eine Luft/ Kraftstoffverhältnissignal-Abgreifeinrichtung zum Betätigen des einen der beiden Elemente als Sauerstoffkonzentrations-betätigte elektrochemische Zelle und des anderen Elements als Sauerstoff-Pumpzelle, wobei die Abgreifeinrichtung eine Einheit zum Regeln einer vorbestimmten, durch die elektrochemische Zelle erzeugten Spannung oder eines vorbestimmten, durch die Pumpzelle fließenden Stroms zur Lieferung eines eine Sauerstoffkonzentration im Abgas anzeigenden Luft/Kraftstoff -Verhältnis signals aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßfühlereinheit weiterhin Mittel zur Festlegung einer (eines) Luftkammer oder Luftraums aufweist, zumindest die elektrochemische Zelle mit der Atmosphären- oder Außenluft an derjenigen ihrer Elektroden in Berührung steht, welche von der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt ist, und die Luft/ Kraftstoffverhältnissignal-Abgreifeinrichtung eine Konstantstromversorgungseinheit zur Lieferung eines vorbestimmten Stroms zur elektrochemischen Zelle aufweist , so daß mittels der elektrochemischen Zelle Sauerstoff in vorbestimmter Menge (rate) von der Außenluft in den Diffusionsraum gepumpt wird.

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

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt und teilweise in Schaltgg bildform gehaltene schematische Darstellung

* 10

eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß

einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines von einem bisherigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis

detektor gelieferten Meßsignals,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines vom erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor gelieferten Meßsignals,

Fig. 4 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung eines Luft/ Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 ein Zeitsteuerdiagramm zur Verdeutlichung der

Arbeitsweise des Detektors nach Fig. 4.

Der erfindungsgemäß verwendete Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt besteht typischerweise aus einer festen Lösung aus Zirkonoxid und Yttriumoxid oder Zirkonoxid und Calciumoxid (calcia). Brauchbar sind auch feste Lösungen von Cerdioxid, Thoriumdioxid und Hafniumdioxid/ eine feste Lösung eines Oxids des Perovskite-Typs und eine feste Lösung eines dreiwertigen Metalloxids.

Die auf beiden Seiten dieses Festelektrolyten auszubildende poröse Elektrode kann aus Platin, Rhodium oder einem beliebigen anderen Metall, das die oxidative

go Reaktion zu katalysieren vermag, bestehen. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der porösen Elektrode ist folgendes: Ein Pulver eines der oben angegebenen Metalle (als Hauptkomponente) wird mit einem Pulver eines keramischen Materials vermischt, welches dem des

gg Festelektrolyten entspricht. Das Gemisch wird zu einer

Pastenform verarbeitet, und die Paste wird dann nach zweckmäßiger Dickschichttechnik auf die Festelektrolytplatte aufgedruckt und anschließend gesintert. Wahlweise kann die Elektrodenschicht nach Dünnschichttechnik, z.B. durch Flammsprühen, chemisches Metallisieren oder Aufdampfen, erzeugt werden, worauf eine poröse Schutzschicht aus Aluminiumoxid, Spinell, Zirkonoxid, Mullit o.dgl.- nach zweckmäßiger Dichschichttechnik auf der Elektrodenschicht ausgebildet wird. Besonders bevorzugt wird die poröse Schicht auf der dem Diffusionsraum zugewandten Elektrode mit einer Dispersion von Platin, Rhodium, o.dgl. imprägniert, um die Fähigkeit zum Katalysieren oxidativer Reaktionen zu verbessern.

Erfindungsgemäß werden auf die beschriebene Weise zwei Elemente hergestellt, von denen das eine als Sauerstoff konzentrationsdifferenz-betätigte elektrochemische Zelle benutzt wird.

Das Arbeitsprinzip dieser Zelle ist folgendes: Wenn sich der Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt unter geeigneten Temperaturbedingungen befindet (mindestens 40O⁰C, wenn er aus Zirkonoxid besteht), wandern Sauerstoff ionen durch den Festelektrolyten von der Fläche, an welcher hohe Sauerstoffpartialdrücke vorliegen, zu dem Bereich, in welchem der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist, wobei die Differenz des Sauerstoffpartialdrucks über den Festelektrolyten als Spannung (elektromotorische Kraft bzw. EMK) zwischen den O₂-durchlassigen

QO Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyten gemessen werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Detektor ist ein(e) Luftkammer oder -raum in der Weise ausgebildet, daß die Elektrode gg an der Seite der elektrochemischen Zelle, welche von

χα

der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt ist, mit der Atmosphäre oder Außenluft in Berührung steht, wodurch die Erzeugung einer Spannung ermöglicht wird, welche die Differenz zwischen der Konzentration atmo-Sphärischen Sauerstoffs und derjenigen des im Diffusionsraum vorhandenen Sauerstoffs angbit.

Das andere der beiden Elemente dient als Sauerstoffpumpe. Sein Betrieb hängt von der Fähigkeit des Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, die Wanderung von Sauerstoffionen durch den Elektrolyten bei Anlegung einer Spannung zuzulassen, ab. Wenn eine Spannung zwischen seine beiden Elektroden angelegt wird, "pumpt" dieses Element Sauerstoff aus dem Diffusionsraum in das Abgas. Für das Sauerstoffpumpelement kann auch ein(e) Luftkammer oder -raum an der Seite, welche von der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt ist, vorgesehen sein; eine solche Anordnung liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor vermag somit ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal zur Anzeige der Sauerstoffkonzentration im Abgas nach einem der folgenden Mechanismen zu erzeugen:

1. Durch das Pumpelement wird Sauerstoff aus dem Diffusionsraum in einer solchen Menge (rate) ausgepumpt, daß die von der elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird, wobei der durch das Pumpelement fließende Strom (im folgenden

QQ zeitweilig auch als "Pumpstrom" bezeichnet) abgegriffen oder gemessen wird.

2. Wahlweise kann der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom auf einer konstanten Größe gehalten werden, so daß Sauerstoff in vorbestimmter Menge aus dem Diffusionsraum ausgepumpt wird, wobei die von der elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung gemessen wird.

Der Zweck der Anordnung der Konstantstromversorgung liegt darin, das den zugeordneten Luftraum aufweisende Element nicht nur als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-betätigte elektrochemische Zelle, sondern auch als Sauerstoffpumpe einzusetzen, so daß atmosphärischer Sauerstoff in vorbestimmter Menge (rate) in den Diffusionsraum gepumpt werden kann. Aufgrund der Zufuhr von Sauerstoff in vorbestimmter Menge in den Diffusionsraum ergeben sich die beiden folgenden Vorteile:

IQ 1. Es tritt nicht die in Fig. 2 dargestellte Erscheinung auf (d.h. daß das erzeugte Meßsignal sich bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe der theoretischen (stöchiometrischen) Größe umkehrt und damit zu einem zweideutigen Meßsignal für kraftstoffangereicherten und -armen Bereich führt).

2. Es wird die in Fig. 3 gezeigte Kennlinie erzielt (das Meßsignal für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist ein eindeutiges, fortlaufendes Meßsignal über den gesamten Betriebsbereich hinweg, d.h. sowohl im angereicherten als auch im abgemagerten Bereich).

Genauer gesagt: die an die elektrochemische Zelle angelegte Spannung, um durch diese Zelle einen vorbestimmten Strom fließen zu lassen, variiert mit der Spannung, die «κ nach Maßgabe der Sauerstoffkonzentrations-Differenz zwischen Außenluft und Diffusionsraum erzeugt wird; infolgedessen kann ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal, das eindeutig (uniquely) einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist, auf eine der beiden «Ο folgenden Arten abgegriffen werden:

1. Der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Strom wird so geregelt, daß die angelegte Spannung auf einer konstanten Größe gehalten wird, und die entsprechende Größe des Pumpstroms wird abgegriffen gc oder gemessen.

2. Ein konstanter Strom wird für eine vorbestimmte Zeitspanne durch die elektrochemische Zelle geleitet, um damit eine vorbestimmte Menge atmosphärischen Sauerstoffs in den Diffusionsraum einzuleiten; anschließend wird die durch die elektrochemische Zelle erzeugte Spannung oder der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom auf oben angegebene Weise geregelt, und die entsprechende Größe eines dieser beiden Parameter wird abgegriffen oder gemessen.

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungsformen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch den Detektor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung umfaßt eine Abgas- oder Auspuffleitung 1 von einer Brennkraftmaschine, eine in die Abgasleitung 1 eingebaute Meßfühlereinheit 2 und eine Luft/Kraftstoffverhältnissignal-Detektorschaltung 3 zum Abgreifen eines die Sauerstoffkonzentration im Abgas angebenden Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals. Diese Detektorschaltung 3 entspricht dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor.

Die Meßfühlereinheit 2 umfaßt ein Sauerstoff-Pumpelement 7 und eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-betätigte elektrochemische Zelle 11. Das Pumpelement 7 besteht aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytplatte 4 (etwa 0,5 mm dick und bevorzugt bestehend aus stabi-

QQ lisiertem Zirkonoxid), wobei auf den gegenüberliegenden Seiten der Platte 4 jeweils eine poröse Pt-Elektrodenschicht 5 bzw. 6 ausgebildet ist, die ihrerseits jeweils eine Dicke von etwa 20 μΐη besitzen und nach einem Dickschicht-Auftragverfahren ausgebildet sein können.

Die elektrochemische Zelle 11 besteht ebenfalls aus

einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytplatte 8, die, ähnlich wie das Pumpelement 7, auf beiden Seiten mit je einer porösen Pt-Elektrodenschicht 9 bzw. 10 versehen ist. Das Pumpelement 7 und die elektrochemisehe Zelle 11 sind mit einem dazwischen festgelegten Spalt oder Zwischenraum a (entsprechend dem erwähnten Diffusionsraum) zwischen ihnen in die Abgasleitung 1 eingebaut, wobei der Zwischenraum a typischerweise eine Weite von etwa 0,1 mm und bevorzugt von 0,05 0,15 mm besitzt. Die beiden Elemente sind fest miteinander verbunden, indem der Zwischenraum an ihren Basisteilen mit einem wärmebeständigen und isolierenden Abstandstück 12 ausgefüllt ist. Die von der dem Zwischenraum a zugewandten Seite abgewandte Seite der elektrochemischen Zelle 11 ist mit einer Wand 13 aus einem wärmebeständigen und gasundurchlässigen Werkstoff (typischerweise einem Metall oder Keramik) versehen, so daß ein Luftraum bzw. eine Lüftkammer b festgelegt wird, der bzw. die einen Kontakt zwischen der Außenluft (oder Atmosphäre) und der porösen Pt-Elektrodenschicht 10 herstellt. Ein mit einem Außengewinde 14 versehener Halter 15 ist unter Zwischenfügung eines wärmebeständigen und isolierenden Klebmittelelements 16 um den Basisteil der Kombination aus dem Pumpelement 7, der elektrochemischen Zelle 11 und der Wand 13 herum festgelegt. Die Meßfühlereinheit 2 mit dem beschriebenen Aufbau ist durch Einschrauben des Außengewindes 14 in ein in der Abgasleitung 1 ausgebildetes Innengewinde sicher in die Abgasleitung 1 eingebaut.

In der Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal-Detektorschaltung 3 wird der durch die elektrochemische Zelle 11 fließende Strom auf eine konstante Größe eingestellt, so daß atmosphärischer Sauerstoff in vorgegebener Menge aus dem Luftraum b in den Zwischenraum a gepumpt wird.

Außerdem wird der durch das Pumpelement 7 fließende Pump strom so geregelt, daß die an die elektrochemische Zelle 11 angelegte Spannung (die mit der EMK variiert/ die in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Zwischenraum a und dem Luftraum b erzeugt wird) auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird. Die entsprechende Größe des Pumpstroms wird als Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal abgegriffen.

Die an der dem Luftraum b zugewandten Seite der elektrochemischen Zelle 11 ausgebildete poröse Pt-Elektrodenschicht 10 ist mit der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers OP1 verbunden und über einen Widerstand R1 an Masse gelegt. Die andere, dem Zwischenraum a zugewandte poröse Pt-Elektrode 9 ist mit dem Emitter eines Transistors TR1 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand R2 an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 0P1 angeschlossen ist. Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 0P1 und der Kollektor des Transistors TR1 werden mit vorbestimmten Vorspannungen E1 bzw. E2 beschickt. Durch den kombinierten Betrieb der Einheiten 0P1 und TR1 wird die Emitterspannung des Transistors TR1 so geregelt, daß die an der porösen Pt-Elektrodenschicht 10 anliegende Spannung gleich E1 ist und ein konstanter, durch E1/R1 bestimmter Strom 11 durch die elektrochemische Zelle 11 fließt.

Die Ausgangsklemme des Verstärkers OP1 ist über einen gO Widerstand R1 an die invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 0P2 angeschlossen, an dessen nicht-invertierende Eingangsklemme eine vorbestimmte Vorspannung E3 angelegt wird. Die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 0P2 ist über einen Kondeng5 sator C1 mit dessen Ausgangsklemme verbunden. Der Opera-

tionsverstärker 0P2 wird somit als Integratorkreis betrieben. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 0P2 ist weiterhin an die Basis eines NPN-Transistors TR2 angeschlossen, der an seinem Kollektor mit einer vorbestimmten Vorspannung E4 gespeist wird. Der Emitter des Transistors TR2 ist über einen Widerstand R4 mit der porösen Elektrodenschicht 5 (an der von der dem Zwischenraum a zugewandten Seite abgewandten Seite ausgebildet) verbunden, während die dem Zwischenraum a zugewandte poröse Elektrodenschicht 6 unmittelbar an Masse liegt. In dieser Schaltung wird die Spannung an der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 0P1 (oder die an die elektrochemische Zelle 11 angelegte Spannung) durch den Operationsverstärker 0P2 mit der Spannung E3 verglichen, und die bestimmte oder gemessene Differenz wird über den Transistor TR2 als Bezugsgröße oder Referenz für die Einstellung des durch das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließenden Pumpstroms 12 ausgegeben (applied).

Die vorstehenden Ausführungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Ausgangsspannung des Verstärkers 0P1, die an die elektrochemische Zelle 11 angelegt wird, um atmosphärischen Sauerstoff in bestimmter Menge in den Zwischenraum a zu pumpen, variiert mit der Spannung (EMK), die in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Luftraum b und dem Zvrischenraum a erzeugt wird; je größer diese EMK ist, um so kleiner ist die am Ausgang des Verstärkers OPI erzeugte Spannung (und umgekehrt). Der durch das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließende Pumpstrom 12 wird dabei so geregelt, daß diese Ausgangsspannung auf einer konstanten Größe bleibt. Erfindungsgemäß wird die Spannung Vs über den Widerstand R4, durch den der Pumpstrom 12 fließt, abgegriffen oder gemessen, wodurch ein Signal erhalten wird, das gemäß Fig. 3 eindeutig einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird der über das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom 12 so geregelt oder eingestellt, daß an der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OP1 eine konstante Spannung erzeugt wird, die einen konstanten Strom in die elektrochemische Zelle 11 fließen läßt, wobei mit einer am Ausgang des Verstärkers 0P2 vorliegenden konstanten Spannung die Größe des Pumpstroms gemessen oder abgegriffen wird. In diesem Fall kann die von der Zelle

^O 11 infolge einer Änderung des Luft/Krafstoff-Verhältnisses erzeugte Spannung im Vergleich zur Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 0P1 sehr klein sein, so daß die Messung einer Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit erheblichen Schwierigkeiten begleitet sein

^Q kann. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten kann die Spannung zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 9 und 10 an der elektrochemischen Zelle 11 mittels eines Differentialverstärkers erfaßt und der Pumpstrom so geregelt werden, daß die erfaßte oder gemessene Spannung

2Q konstant bleibt. Auf diese Weise kann die entsprechende Größe des Pumpstroms ohne weiteres abgegriffen oder gemessen werden. Durch diese Abwandlung wird eine genaue Erzeugung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals gewährleistet..

Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann unter Verwendung derselben Meßfühlereinheit 2 wie bei der beschriebenen ersten Ausführungsform ausgelegt sein. Bei _on der zweiten Ausführungsform werden weiterhin die folgenden zwei Operationen zyklisch oder periodisch in vorgegebenen Intervallen ausgeführt: 1. Die elektrochemische Zelle 11 wird dazu benutzt, eine vorbestimmte Menge atmosphärischen Sauerstoffs

__ in den Zwischenraum a zu pumpen. ob

2. Die durch die Zelle 11 erzeugte EMK wird abgegriffen, und der durch das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließende Pumpstrom wird so geregelt, daß die abgegriffene EMK auf einer konstanten Größe gehalten wird. Die entsprechende Größe des Pumpstroms wird sodann als Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal benutzt.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Gesamtanordnung des Detektors gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie oben erwähnt, entspricht die Meßfühlereinheit 2 vollständig derjenigen bei der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 4 ist ein Multivibrator 31 vorgesehen, der hauptsächlich einen Operationsverstärker 0P3 enthält. Der Multivibrator erzeugt Impulssignale in vorbestimmten Zeitabständen. Ein Zeitkonstantenkreis 32 ist an die Basis eines Transistors TR3 angeschlossen. Durch diesen Kreis wird der Transistor TR3 gleichzeitig mit dem Anstieg eines vom Multivibrator 31 gelieferten Impulssignals Vi durchgeschaltet, während das Sperren des Transistors TR3 mit einer durch die Größen oder Werte eines Widerstands R5 Und eines Kondensators C2 bestimmten Verzögerung ab dem Abfall des Signals V1 um eine Zeit ti erfolgt (vgl. Fig. 5). Ah die Basis eines Transistors TR4 ist über ein ODER-Glied 0R1 ein Zeitkonstantenkreis 33 angeschlossen, durch den der Transistor TR4 zu einem Zeitpunkt gesperrt wird/ der gegenüber dem Anstieg des Signals V1 um eine Zeit t2 (vgl. Fig. 5) verzögert ist, welche durch die Größen oder Werte eines Widerstands R6 und eines Kondensators C3 bestimmt wird, während das Durchschalten des Transistors TR4 gleichzeitig mit dem Abfall des Signals V1 erfolgt.

Vt ZO

Ein mit einem Transistor TR5 kombinierter Operationsverstärker 0P4 bildet einen Konstantstromkreis, der eine vorbestimmte Menge oder Größe des Stroms 13 durch die elektrochemische Zelle 11 fließen läßt, um Sauerstoff in vorbestimmter Menge von der Außenluft in den Zwischenraum a zu pumpen. Die Basis des Transistors TR5 ist mit dem Kollektor des Transistors TR3 verbunden. Wenn somit der Transistor TR3 sperrt, ist der Transistor TR5 gemäß Fig. 5 durchgeschaltet, so daß der vorbestimmte Strom 13 durch die elektrochemische Zelle 11 fließt.

Ein Operationsverstärker 0P5 bildet einen Verstärkerkreis zum Verstärken der für die elektrochemische Zelle 11 erzeugten Spannung, die für die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen Äußenluft und Zwischenraum a repräsentativ ist. Ein mit einem Transistor TR6 kombinierter Operationsverstärker 0P6 bildet einen Pumpstrom-' regelkreis, der einen über die Sauerstoffpumpe 7 fließenden Strom 14 so regelt, daß das die 0₂~Konzentrationsdifferenz angebende, durch den Verstärker 0P5 verstärkte Spannungssignal stets auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird. Da die Basis des Transistors TR6 mit dem Kollektor des Transistors TR4 verbunden ist, erfolgt die Regelung oder Einstellung des Pumpstroms 14 dann, wenn die elektrochemische Zelle 11 nicht als Pumpelement arbeitet. Mit anderen Worten: der Transistor TR6 schaltet zur Durchführung nur der Pumpstrom-Regelwirkung durch, während der Transistor TR4 im Sperrzustand bleibt (vgl. Fig. 5).

Ein Operationsverstärker 0P7 (Differentialverstärker) dient zum Abgreifen oder Messen des über das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließenden Pumpstroms 14 durch Erfassung des Spannungsabfalls über einen Widerstand R7. Das Spannungssignal vom Verstärker qp7 wird durch die Kombi-

nation aus einem Kondensator C2 und einem Operationsverstärker 0P8 geglättet und als Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal Vs abgegriffen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die elektrochemische Zelle 11 abwechselnd als Sauerstoff-Pumpelement und als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz— bestätigte elektrochemische Zelle benutzt, wobei ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal abgegriffen oder ge-, messen wird, nachdem eine vorbestimmte Sauerstoffmenge in den Zwischenraum a gepumpt worden ist. Dieses Vorgehen bietet sich für die Unterdrückung etwaiger ungünstiger Einflüsse von Impedanzänderungen bzw. -Schwankungen an, die von der elektrochemischen Zelle 11 herrühren. Die Kennlinie des gewonnenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals folgt dem Verlauf gemäß Fig. 3; dieses Signal ist über den vollen Betriebsbereich, d.h. sowohl im angereicherten als auch im abgemagerten Bereich, eindeutig einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet.

Der beschriebene Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor gemäß der Erfindung kennzeichnet sich durch zwei spezielle Merkmale:

1. Einen Luftraum, der eine Berührung zwischen der Atmosphäre bzw. Außenluft und der Elektrode gewährleistet, die an der von der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandten Seite der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-betätigten elektrochemischen Zelle ausgebildet ist; und

QQ 2. eine Konstantstromversorgung, welche die elektrochemische Zelle nicht einfach nur als Vorrichtung zur Erzeugung einer EMK, welche die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Außenluft und dem Diffusionsraum angibt, arbeiten läßt, sondern auch als Pumpelement, das mit einer vorbestimmten Strom-

menge beschickt wird, um atmosphärischen Sauerstoff in vorbestimmter Menge in den Diffusionsraum zu pumpen.

Mittels des erfindungsgemäßen Detektors wird ein Luft/ Kraftstoff-Verhältnissignal in Form einer fortlaufenden und einseitig gerichteten elektrischen Größe über den vollen Betriebsbereich, d.h. sowohl den angereicherten als auch den abgemagerten Bereich, gewonnen, wodurch eine einfache Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des der zugeordneten Brennkraftmaschine oder einer anderen Verbrennungsvorrichtung zugeführten Luft/Kraftstoff gemischs ermöglicht wird. Das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung abgegriffene Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal kann unmittelbar für die Gewährleistung einer einfachen und genauen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über den vollen Betriebsbereich hinweg, einschließlich des kraftstoffarmen Bereichs, des Punkts des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und des kraftstoffangereicherten Bereichs, herangezogen werden.

Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor, umfassend eine Meßfühlereinheit mit zwei Elementen, die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten mit je einer auf seinen beiden Flächen (Seiten) ausgebildeten porösen Elektrode aufweisen und die einem Diffusionsraum, in den eine begrenzte Menge an Abgas einströmt, zugewandt sind, und eine Luft/Kraftstoffverhältnis-εignal-Abgreifeinrichtung zum Betätigen des einen der beiden Elemente als Sauerstoffkonzentrations-betätigte elektrochemische Zelle und des anderen Elements als Sauerstoff-Pumpzelle, wobei die Abgreifeinrichtung eine Einheit zum Regeln einer vorbestimmten, durch β äie elektrochemische Zelle erzeugten Spannung oder -f eines vorbestimmten, durch die Pumpzelle fließenden Stroms zur Lieferung eines eine Sauerstoffkonzentration im Abgas anzeigenden Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals aufweist, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Meßfühlereinheit weiterhin Mittel zur Festlegung einer (eines) Luftkammer oder Luftraums aufweist, zumindest die elektrochemische Zelle mit der Atmosphären- oder Außenluft an derjenigen ihrer Elektroden in Berührung steht, welche von

QQ der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt

ist, und die Luft/Kraftstoffverhältnissignal-Abgreifeinrichtung eine Konstantstromversorgungseinheit zur Lieferung eines vorbestimmten Stroms zur elektrochemischen Zelle aufweist, so daß mittels der elektrochemigg sehen Zelle Sauerstoff in vorbestimmter Menge (rate) von der Außenluft in den Diffusionsraum gepumpt wird.

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2. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regeln eines zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließenden Stroms nach Maßgabe einer über die Elektroden der elektrochemischen Zelle erzeugten Spannung, so daß die über die Elektroden der elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung konstant ist.

3. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die als für eine. Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentatives Ausgangssignal ein für den zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließenden Strom repräsentatives Signal liefert.

4. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung eines vorbestimmten Stroms zur elektrochemischen Zelle eine erste Bezugsspannungsquelle, deren erste Klemme an Masse liegt, einen ersten Operationsverstärker, dessen erste Eingangsklemme mit der einen Elektrode der elektrochemischen Zelle verbunden und dessen zweite Eingangsklenme an eine zweite Klemme der ersten Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, einen zwischen die eine Elektrode der elektrochemischen Zelle und Masse geschalteten ersten Widerstand, eine zweite Bezugsspannungsquelle, deren erste Klemme an Masse liegt, und einen Transistor mit einer an einen Ausgang des ersten Operationsverstärkers ange-

OQ schlossenen Basis, einem mit der zweiten Klemme der zweiten Bezugsspannungsquelle verbundenen Kollektor und einem mit der anderen Elektrode der elektrochemischen Zelle verbundenen Emitter aufweist.

5. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Regeln des zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließenden Stroms eine dritte Bezugsspannungsquelle, deren erste Klemme an Masse liegt, einen zweiten Operationsver-. stärker mit einer mit dem Emitter des ersten Transistors verbundenen ersten Eingangsklemme und einer mit einer zweiten Klemme der dritten Bezugsspannungsquelle verbundenen zweiten Eingangsklemme, eine vierte BezugsSpannungsquelle, deren erste Klemme an Masse liegt, und einen zweiten Transistor, dessen Basis mit einem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Kollektor an eine zweite Klemme der vierten Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Emitter mit der einen Elektrode der Pumpzelle, deren andere Elektrode an Masse liegt, verbunden ist, aufweist.

6.Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ausgangssignal liefernde Einrichtung einen zweiten, zwischen den Emitter des zweiten Transistors und die eine Elektrode der Pumpzelle eingeschalteten Widerstand auf v/eist.

7. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum abwechselnden Betreiben der Konstantstromversorgungseinheit und der Stromregeleinheit in der Weise, daß die Operationen der elektrochemischen Zelle 1» zum Pumpen einer vorbestimmten Sauerstoffmenge

in den Diffusionsraum und
2. Erzeugen eines für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis

repräsentativen Signals abwechselnd erfolgen, vorgesehen ist.

8. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum abwechselnden Betreiben der Konstantstromversorgungseinheit und der Stromregeleinheit in der Weise, daß die Operationen der elektrochemischen Zelle

1. zum Pumpen einer vorbestimmten Sauerstoffmenge in den Diffusionsraum und

2. Erzeugen eines für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis repräsentativen Signals abwechselnd erfolgen,

jQ vorgesehen ist.

9. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum abwechselnden Betreiben einen Multivibrator mit ersten

^g und zweiten, abwechselnd aktivierten Ausgangsklemmen, von denen die erste Ausgangsklemme an die Basis des ersten Transistors und die zweite Ausgangsklemme an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen sind, und einen dritten Operationsverstärker mit ersten und

2Q zweiten Eingangsklemmen, die mit den (betreffenden) Elektroden der elektrochemischen Zelle verbunden sind, und einem an die erste Eingangsklemme des zweiten Operationsverstärkers angeschlossenen Ausgang aufweist.

10. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter direktionaler Zeitkonstantenkreis vorgesehen sind, die in Reihe mit erster bzw. zweiter Ausgangsklemme des Multivibrators geschaltet sind.

11. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung des Ausgangssignals einen vierten Operationsverstärker mit einer ersten und einer zweiten Klemme,