DE3609227A1 - Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung - Google Patents
SauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtungInfo
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Description
Sauerstoffkonzentrat!onsdetektorvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
zum Bestimmen der Konzentration des Sauerstoffs in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre innerhalb eines
geschlossenen Volumens, die insbesondere einen elektrochemischen Sauerstoffsensor verwendet, der so ausgebildet ist, daß
er die Konzentration des Sauerstoffs im typischen Fall im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bestimmt.
Es sind verschiedene Gemischregel vorrichtungen bekannt, die dazu dienen, die Abgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
schadstoffärmer zu machen. Derartige Gemischregelvorrichtungen
verwenden im typischen Fall ein elektrisches Signal, das von einem Sauerstoffsensor erzeugt wird, der die
Konzentration des Sauerstoffs im Abgas der Maschine wahrnehmen und bestimmten kann. Das vom Sauerstoff sensor erzeugte
elektrische Signal wird planmäßig so verarbeitet, daß die Abgase der Maschine schadstoffärmer werden, und ermöglicht es
der Regelvorrichtung, das Luft-Kraftstoffverhältnis des verbrennbaren
Gemisches in passender Weise einzustellen, das den
Arbeitszylindern der Maschine geliefert wird.
Unter den verschiedenen Arten von Sauerstoffsensoren für diesen
Zweck der Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen gibt es einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der einen Sauerstoffionen
leitenden festen Elektrolyten als aktives Material verwendet. Ein Beispiel eines derartigen Sensors ist in der
US-PS 4 450 065 und der JP-OS 58-153155 beschrieben. Der in diesen Druckschriften jeweils dargestellte elektrochemische
Sauerstoffsensor arbeitet so, daß er einen Ausgangsstrom oder
eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich proportional zur aufgenommenen
Sauerstoffkonzentration ändert.
Ein derartiger Sauerstoffsensor besteht im wesentlichen aus
einer Kombination von Sauerstoffpump-, und Sensorzellenstapeln,
von denen jede zwei beabstandete Elektrodenplatten und eine aktive Schicht aus einem sauerstoff ionenleitenden ,festen
Elektrolyten umfaßt, der sandwichartig zwischen den Elektrodenplatten angeordnet ist. Die Pump- und Zellenstapel sind
im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnet, so daß zwischen den jeweiligen inneren Elektrodenplatten der Stapel
ein Zwischenraum gebildet ist, der zu einem Durchgang, bei·
spielsweise im Abgaskrümmer, einer Brennkraftmaschine offen ist, wenn der Sensor in Benutzung ist. Im typischen Fall sind
die Elektrodenplatten des Sauerstoffpumpstapels einem derartigen
Strom ausgesetzt, daß die innere Elektrodenplatte bezüglich der äußeren Elektrodenplatte negativ gepolt ist.
Wenn am Sauerstoffpumpstapel des Sensors mit im wesentlichen
diesem Aufbau ein Gleichstrom liegt, werden die Sauerstoffionen dazu gebracht, durch die Sauerstoff ionenleitende
aktive Schicht des Sauerstoffpumpstapel von der negativen inneren Elektrodenplatte zur positiven äußeren Elektrodenplatte
des Stapels zu wandern. Als Folge einer derartigen Bewegung der Sauerstoff ionen durch die aktive Schicht des Sauerstoffpumpstapels werden die Sauerstoffmoleküle, die in den
Abgasen im Zwischenraum zwischen den Pumpen- und Zellenstapeln
vorhanden sind, dazu gebracht, in die aktive Schicht durch die innere Elektrodenplatte zu diffundieren, was dazu führt,
daß die gleiche Anzahl an Sauerstoffmolekülen die aktive Schicht durch die äußere Elektrodenplatte des Sauerstoffpirmgstapels
verläßt. Während die Sauerstoffmoleküle aus dem Zwischenraum zwischen den Pump- und Zellenstapeln in die aktive
Schicht des Sauerstoffpumpstapels gepumpt werden,nimmt
dementsprechend allmählich die Konzentration des Sauerstoffs
-S-
im Zwischenraum ab, so daß eine Differenz zwischen den Konzentrationen
des Sauerstoffs in den Gasen im Zwischenraum und in den Umgebungsgasen auftritt, von denen der Sensor im Abgaskrüm
mer der Maschine umgeben ist. Im stationären Zustand, der dann erreicht wird, entwickelt sich somit ein Sauerstoffpartialdifferenzdruck
zwischen den Gasströmen innerhalb und außerhalb des Zwischenraumes, der auf die sauerstoff ionenleitende aktive
Schicht des Sensorzellenstapels wirkt. Der Sensorzellenstapel
wird dementsprechend dazu gebracht, quer über seine aktive Schicht eine elektromotorische Kraft zu entwickeln, die
sich mit dem Unterschied im Partialdruck zwischen dem gepumpten und nicht gepumpten Sauerstoff ändert. Eine derartige
elektromotorische Kraft und die entsprechende Spannung (Zellenspannung) über dem Sensorzellenstapel ändert sich mit der
Konzentration des Sauerstoffs in den umgebenden Abgasen, wenn der Strom (Pumpstrom) ,der am SauerstoffpumpEtapel liegt,auf
einen konstanten Wert geregelt wird, um die Konzentration des Sauerstoffs im Zwischenraum konstant zu halten. Wenn die Zellenspannung
konstant gehalten wird, ändert sich der Pumpstrom in starkem Maße. Der Pumpstrom, der so gesteuert wird, daß er
sich in dieser Weise ändert, ist im wesentlichen proportional zur Sauerstoffkonzentration in den umgebenden Abgasen, denen
der Sauerstoffsensor ausgesetzt ist, und kann somit als ein
Signalstrom in der oben genannten Gemischregel vorrichtung für eine Brennkraftmaschine verwandt werden.
Wenn dem Sauerstoffpump stapel des Sauerstoffsensors ein zu
hoher Pumpstrom zugeführt wird, werden mehr Sauerstoffmoleküle aus der sauerstoff ionenleitenden aktiven Schicht des Sauerstoffpumpstapel
herausgepumpt, als in diese Schicht eindiffundieren, der folglich ein Sauerstoffmolekülenüberschuß entzogen
wird, so daß darin ein sauerstoffarmer Zustand erzeugt
wird. Diese Erscheinung ist als sogenanntes "Schwarzwerden" des sauerstoff ionenleitenden festen Elektrolyten bekannt, der
als aktives Material im Sauerstoffsensor verwandt wird. Wenn
"5609227
•ΊΟ-
eine Feststoff lösung aus beispielsweise Zirkonerde (Zirkonoxid,
ZrOp) als festes elektrolytisches Material verwandt wird, wird der Zirkonanteil der Lösung mit einem der aktiven
Schicht entzogenen Überschuß von Sauerstoffmolekülen als Folge des Schwarzwerdens des elektrolytischen Materials ausgeschieden.
Dieses Schwarzwerden der aktiven Schicht des Sauerstoff pump'Stapels führt zu einer beschleunigten Verschlechterung
des Pump stapeis und gefährdet die fehlerfreie Arbeit des Sauerstoffsensors.
Um ein derartiges Schwarzwerden der sauerstoffionenleitenden
aktiven Schicht des Sauerstoffpumpstapels zu vermeiden, ist die Gemischregel vorrichtung, die einen Sauerstoff sensor der
beschriebenen Art verwendet, gewöhnlich so ausgelegt, daß sie den Pumpstrom unter einen kritischen Wert begrenzt, der mit
der Sauerstoffkonzentration variiert, die durch den Sensor wahrgenommen wird. Der Pumpstrom oder der Aktivierungsstrom,
der dem Sauerstoffpump stapel zugeführt wird, wird somit so gesteuert, daß er unter einem kritischen Wert bleibt, und
wird mit einem gegebenen ßezugsstrom verglichen, um festzustellen,
ob das Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches, das dem Arbeitszylinder der Maschine zugeführt wird, zur reichen
oder zur armen Seite verschoben werden muß. Eine derartige Steuerung des Luft-Kraftstoff Verhältnisses des Gemisches wird
gewöhnlich dadurch bewirkt, daß Sekundärluft über ein Sekundärlufteinführungssteuerventi1
eingeführt wird. Das Sekundärlufteinführungssteuerventi1
wird betätigt, um das Luft-Kraftstoffverhältnis
des Gemisches zur armen Seite zu verschieben, wenn es geöffnet wird, und das Luft-Kraftstoffverhältnis zur
reichen Seite zu verschieben, wenn es geschlossen wird. Das Ventil wird geöffnet und geschlossen in Abhängigkeit von dem
Steuersignal, das auf der Grundlage des Pumpstromes erzeugt wird, der sich in der oben beschriebenen Weise ändert. Durch
ein abwechselndes öffnen und Schließen dieses Sekundär 1ufteinführungs-
oder -Zirkulationssteuerventils wird das Luft-
Kraftstoff verhältnis des den Arbeitszylindern der Maschine gelieferten
Gemisches auf einen Wert geregelt, der durch den Bezugsstrom wiedergegeben wird, mit dem der Pumpstrom verglichen
wird.
Fig.1 der zugehörigen Zeichnung zeigt den kritischen Wert des
Pumpstromes I , bei dessen Überschreitung die sauerstoff ionenleitende aktive Schicht des Sauerstoffpump stapeis schwarz
werden kann, wenn der Sauerstoffsensor in einer Atmosphäre angeordnet ist, die Sauerstoff in einer gegebenen Konzentration
enthält. Aus der in Fig.1 dargestellten Kennkurve ist ersichtlich,
daß der kritische Wert des Pumpstromes I kleiner wird, und der Pumpstrom I diesem Wert näherkommt, wenn die
wahrgenommene Sauerstoffkonzentration mit reicher werdendem
den Arbeitszylindern der Maschine zugeführtem Gemisch kleiner wird. Wenn das den Arbeitszylindern der Maschine zugeführte
Gemisch plötzlich aus irgendeinem Grunde, beispielsweise durch
ein plötzliches Schließen des Drosselventils des Ansaugsystems
der Maschine bei einer Verzögerung, angereichert wird, wird das Sekundärluftzirkulationssteuerventi1 unmittelbar auf
die Anreicherung des Gemisches geöffnet, um zusätzliche Luft in das Gemisch einzuleiten. Der dem Sauerstoff sensor nach einer
derartigen Verarmung anschließend an eine plötzliche Anreicherung gelieferte Pumpstrom I nimmt jedoch über den kritischen
Wert für die Sauerstoffkonzentration als Folge des verarmten Gemisches zu, was dazu führt, daß die aktive Schicht
des Sauerstoffpump.stapeis schwarz wird. Der Pumpenstrom I
bleibt unverändert und zeigt für eine gewisse Zeit nach der Verarmung des Gemisches anschließend an eine plötzliche Anreicherung
eine Sauerstoffkonzentration an, die aus dem angereicherten Gemisch resultiert. Der Grund dafür besteht darin,
daß unvermeidlich eine gewisse Zeitverzögerung vorliegt, bevor der Sauerstoff sensor im Abgaskrümmer nach einer Verarmung
des Gemisches im Ansaugsystem der Maschine auf das Ergebnis der Verbrennung des mit Zusatzluft verdünnten Gemisches anspricht.
'SB09227
Durch die Erfindung soll eine Sauerstoffkonzentrationsdetektor-Vorrichtung
geschaffen werden, die einen elektrochemischen Sauerstoffsensor verwendet und mit einer Einrichtung versehen
ist, die zuverlässig den Sauerstoffpumpstapels vor einem Schwarzwerden schützt, was sonst durch einen zu hohen Pumpstrom
bewirkt würde, der am Sauerstoffpumpstapel liegt.
Durch die Erfindung soll insbesondere eine Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
geschaffen werden, bei der dann, wenn sie im Abgassystem einer Brennkraftmaschine verwandt
wird, der Sauerstoffsensor, der einen Teil dieser Vorrichtung
bildet, zuverlässig davor geschützt ist, daß der darin vorhandene Sauerstoffpumpstapel schwarz wird.
Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
1) einen Sauerstoffsensor, der für Sauerstoff in Sauerstoff enthaltenden Umgebungsgasen empfindlich
ist, 2) eine Aktivierungsstromversorgungseinrichtung, die so
arbeitet, daß sie dem Sauerstoff sensor einen Aktivierungsstrom
liefert, wobei 3) der Sauerstoffsensor auf den Aktivierungsstrom anspricht und so arbeitet, daß er eine Sensorsignalspannung
erzeugt, die sich mit der Sauerstoffkonzentration in den Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert, 4) eine Bezugssignalgeneratoreinrichtung,
die so arbeitet, daß sie ein vorbestimmtes Bezugssignal erzeugt, wobei 5) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung
auf das Bezugssignal ansprechend den Aktivierungsstrom erzeugt, und 6) eine Strombegrenzungseinrichtung,
die die Sauerstoffkonzentration unter einen vorbestimmten Wert begrenzt, der sich mit dem Aktivierungsstrom oder der Sensorsignalspannung
ändert.
Eine weitere erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
umfaßt 1) einen Sauerstoffsensor, der für Sauerstoff
in Sauerstoff enthaltenden Umgebungsgasen empfindlich ist, 2) eine Aktivierungsstromversorgungseinrichtung, die so
'Zuarbeitet, daß sie dem Sauerstoff sensor einen Aktivierungsstrom
liefert, wobei 3) der Sauerstoff sensor auf den Aktivierungsstrom anspricht und so arbeitet, daß er eine Sensorsignal spannung
erzeugt, die sich mit der Sauerstoffkonzentration in den
Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert, 4) eine Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung,
die so arbeitet, daß sie eine vorbestimmte Bezugsspannung erzeugt, bei der die Sensorsignal spannung
konstant bleibt, wobei 5) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung
auf die Bezugsspannung anspricht und weiterhin so arbeitet, daß sie den Aktivierungsstrom so steuert, daß
sich dieser in der Weise ändert, daß die Sensorsignalspannung im wesentlichen gleich der Bezugsspannung gehalten wird, so
daß sich der Aktivierungsstrom mit der Sauerstoffkonzentration
in den Sauerstoff enthaltenden Umgebungsgasen ändert, 6) eine Einrichtung, die einen ersten vorbestimmten Stromwert erzeugt,
und 7) eine Strombegrenzungseinrichtung, die den Aktivierungsstrom mit dem ersten vorbestimmten Stromwert vergleicht und zuläßt,
daß die Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung die Bezugsspannung beibehält, wenn der Aktivierungsstrom unter dem
ersten vorbestimmten Stromwert liegt, oder bewirkt, daß die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung die Aktivierungsstromversorgung
für den Sauerstoffsensor unterbricht, wenn der Aktivierungsstrom
nicht unter dem ersten vorbestimmten Stromwert 1 iegt.
Eine weitere erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
umfaßt 1) einen Sauerstoffsensor, der für Sauerstoff
in Sauerstoff enthaltenden Umgebungsgasen empfindlich ist, 2) eine Aktivierungsstromversorgungseinrichtung, die so
arbeitet, daß sie dem Sauerstoff sensor einen Aktivierungsstrom
liefert, wobei 3) der Sauerstoff sensor auf den Aktivierungsstrom anspricht und so arbeitet, daß er eine Sensorsignalspannung
erzeugt, die sich mit der Sauerstoffkonzentration in den
Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert, 4) eine Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung,
die so arbeitet, daß sie eine vorbestimmte Bezugsspannung erzeugt, bei der der Aktivierungsstrom
Ά-
konstant zu halten ist, 5) eine Sensorsignalspannungsgeneratoreinrichtung,
die eine Sensorsignalspannung erzeugt, die sich mit dem Aktivierungsstrom ändert, wobei 6) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung
auf die Bezugsspannung anspricht und weiterhin so arbeitet, daß sie den Aktivierungsstrom so steuert, daß dieser konstant bleibt, so daß sich die
Sensorsignalspannung mit der Sauerstoffkonzentration in den Sauerstoff enthaltenden Umgebungsgasen ändert, 7) eine Einrichtung,
die einen ersten vorbestimmten Spannungswert erzeugt, und 8) eine Strombegrenzungseinrichtung, die die Sensorsignalspannung
mit dem ersten vorbestimmten Spannungswert vergleicht und es zuläßt, daß die Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung
den Aktivierungsstrom beibehält, wenn die Sensorsignalspannung
unter dem ersten vorbestimmten Spannungswert liegt/oder bewirkt, daß die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung
die Aktivierungsstromversorgung für den Sauerstoffsensor beendet, wenn die Sensorsignalspannung nicht unter dem
ersten vorbestimmten Spannungswert liegt, wobei 9) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung
weiterhin auf die Differenzspannung anspricht und beim Vorliegen einer Differenzspannung
weiterhin so arbeitet, daß sie den Aktivierungsstrom derart steuert, daß die Summe aus der Sensorsignalspannung
und der Differenzspannung im wesentlichen gleich der Bezugsspannung ist.
jf\ Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig.1 in einer graphischen Darstellung einige
Beispiele der Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration, der ein Sauerstoffsensor
ausgesetzt ist, und dem Pumpstrom Ip, der dem Sensor auf die Sauerstoffkonzentration ansprechend
bei verschiedenen konstanten Zellspannungen V<- geliefert wird, die über
dem Sensorzellenstapel des Sauerstoffsensors erzeugt wird, sowie dem Bereich
des Pumpstromes Ip oberhalb dem die sauerstoff ionenleitende aktive
Schicht des Pumpstapels schwarz werden kann,
Fig.2 in einem Blockschaltbild den allgemei
nen Schaltungsaufbau eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei der Sauerstoffsensor in einer Schnittansicht dargestellt ist,
Fig.3 in einem Flußdiagramm den Arbeitszyklus,
der von einem Mikroprozessor auszuführen ist, der die Steuerschaltung in der
Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bildet,
Fig.4 in einer Fig.2 ähnlichen Ansicht den
allgemeinen Schaltungsaufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wobei gleichfalls der Sauerstoff sensor in einer Schnittansicht dargestellt ist,
Fig.5 in einem Blockschaltbild die in Fig.4
dargestellte Vorrichtung mehr im einzelnen, und
Fig.6 in einer graphischen Darstellung
Beispiele für die Beziehung zwischen
*6
•A
der Sauerstoffkonzentration, der der Sauerstoffsensor
ausgesetzt ist, und dem Pumpstrom Ip, der auf die Sauerstoffkonzentration
während der Arbeit der in Fig.4 und 5 dargestellten Vorrichtungen erzeugt wird,
und weiterhin den kritischen Wert des Pumpstromes Ip, der auch in Fig.1 dargestellt
ist.
Das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßeη
Sauerstoffkonzentrat ionsdetektor vorriehtu ng umfaßt
einen elektrochemischen Sauerstoffsensor 10. Der Sauerstoffsensor 10 dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung hat
einen mehrschichtigen Aufbau, der im wesentlichen aus einem Sauerstoffpumpstapel 12 und einem Sensorzellenstapel 14 besteht.
Der Sauerstoffpumpstapel 12 umfaßt eine innere und eine äußere Elektrodenplatte 16 und 18, die im Abstand voneinander
und parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine aktive Schicht 20, die dicht und sandwichartig zwischen den
Elektrodenplatten 16 und 18 angeordnet ist. In ähnlicher Weise umfaßt der Sensorzellenstapel 14 eine innere und eine
äußere Elektrodenplatte 22 und 24, die im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine aktive
Schicht 26, die dicht und sandwichartig zwischen den Elektrodenplatten
22 und 24 angeordnet ist. Der Pumpen- und der Zellenstapel 12 und 14 sind im Abstand voneinander und parallel
zueinander angeordnet, so daß zwischen den jeweiligen inneren Elektrodenplatten 16 und 22 der Stapel 12 und 14 ein
Zwischenraum gebildet ist, und sind miteinander über eine Abstandsschicht 28 gekoppelt, die sandwichartig zwischen den
jeweiligen aktiven Schichten 20 und 26 des Pump- und Zellenstapels
12 und 14 angeordnet ist. Jede aktive Schicht 20 und 26 besteht aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten.
Beispiele derartiger elektrolytischer Stoffe schließen eine feste Lösung von Zirkonerde (Zirkonoxid, ZrO9)
gemischt mit Yttria (Yttriumoxid, YpO3) oder Calcia
(Calciumoxid, CaO) als gelöstem Stoff ein, obwohl auch andere
feste Lösungen, wie beispielsweise Ceriumdioxid (CeOg),
Thoriumdioxid (ThOp) oder Hafniumdioxid (HfOp) verwandt werden
können. Jede Elektrodenplatte 16,18,22 und 24 besteht vorzugsweise
aus Platin, Ruthenium oder Palladium und kann unter Verwendung dieser Stoffe durch Aufsprühen auf einen Rahmen,
durch chemisches Piatieren oder durch Vakuumbedampfen ausgebildet sein. Die Abstandsschicht 28, die zwischen dem Pump-
und Zellenstapel 12 und 14 ausgebildet ist, kann aus irgendeinem wärmebeständigen, elektrisch nicht leitenden, anorganischen
Klebemittel oder Kitt, wie beispielsweise einem keramischen K itt bestehen. Die Elektrodenplatten 16 und
des Sauerstoffpumpstapels 12 gehen in langgestreckte, streifenförmige
Abschnitte 16a und 18a über, während in ähnlicher Weise die Elektrodenplatten 22 und 24 des Sensorzellenstapels
14 in langgestreckte streifenförmige Abschnitte 22a und
24a übergehen. Die streifenförmigen Abschnitte, die in dieser
Weise an der aktiven Schicht des Pump- und Zellenstapels
12 und 14 ausgebildet sind, liefern die Zuleitungen für den Stapel.
Obwohl es in Fig.2 nicht dargestellt ist, kann der Sauerstoffsensor
10 weiterhin Isolierschichten umfassen, die mit den Außenflächen der äußeren Elektrodenplatten 18 und 24 des
Pump- und Zellenstapels 12 und 14 jeweils verbunden oder in
anderer Weise daran angebracht sind. Jede Isolierschicht besteht
aus einem elektrisch isolierenden anorganischen Material und ist mit einer Öffnung versehen, damit die darunterliegende
Elektrodenplatte teilweise durch diese Öffnung hindurch freiliegt. Die in dieser Weise in den beiden Isolierschichten
ausgebildeten Öffnungen sind quer über die vier Elektrodenplatten und die beiden aktiven Schichten des
Sensors 10 zueinander ausgerichtet angeordnet. In jede Isolierschicht ist ein wärmeerzeugendes Element eingebettet oder
aufgenommen, das im typischen Fall in Form eines elektrisch
und thermisch beständigen Drahtes aus einem Metall, wie beispielsweise Platin oder Gold, vorliegt. Die Isolatoren,
die in dieser Weise mit derartigen wärmeerzeugenden Elementen gebildet sind, bilden einen Teil der Temperatureinstel1 einrichtung,
um die Temperatur der aktiven Schicht des Pump- und Zellenstapels 12 und 14 über die Arbeit des Sauerstoffsensors
10 konstant zu halten, der beispielsweise im Abgaskrümmer einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Von dem in Fig.2 dargestellten Sauerstoff sensor 10 sei angenommen,
daß er im Abgassystem einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Sauerstoff sensor 10
befindet sich somit wenigstens teilweise in einem Durchgang im Abgaskrümmer und bildet einen Teil einer Gemischregelvorrichtung
zum Regeln des Luft-Kraftstoffverhältnisses des den
Arbeitszylindern der Maschine gelieferten verbrennbaren Gemisches
zum Zweck der Reduzierung der Schadstoffe im Abgas der Maschine.
Der in dieser Weise aufgebaute Sauerstoff sensor 10 ist elektrisch
mit einer Schaltung verbunden, die eine Steuerschaltung 30 enthält. Die Steuerschaltung 30 liegt im typischen
Fall in Form eines Mikroprozessors vor und weist eine Bezugs signalausgangsklemme SR, eine Pumpsignaleingangsklemme Spund
eine Venti1 steuerklemme S0 auf. Von der Bezugssignal ausgangsklemme
Sj, der Steuerschaltung 30 kommt ein digitales Signal,
das normalerweise einen festen Wert wiedergibt, auf dem die Zellenspannung V<-, die vom Sensorzellenstapel 14 des Sauerstoffsensors
10 erzeugt wird, gehalten werden soll, damit das gewünschte Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches in
der Maschine erzeugt wird, wie es später beschrieben wird. Die Ausgangsklemme SR kann somit in Form einer Vielzahl von
Anschlüssen zum Liefern binärer Signale in paralleler Form ausgebildet sein. An der Pumpsignaleingangsklemme Sp der
■A
Steuerschaltung 30 tritt die Pumpspannung Vp auf, die in der
Vorrichtung erzeugt wird, wie es im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Die an dieser Eingangsklemme Sp liegende
Pumpspannung Vp wird in einem nicht dargestellten Speicher
mit direktem Zugriff RAM gespeichert, der im Mikroprozessor enthalten ist, der die Steuerschaltung 30 bildet. Das von
der Bezugssignalausgangsklemme SR abzugebende digitale Signal
liegt beispielsweise in Form eines digitalen Vier-Bit-Signals
vor und gibt einen Wert wieder, der durch die Steuerschaltung 30 auf der Grundlage bestimmter Parameter einschließlich
der Pumpspannung Vp an der Pumpsignaleingangsklemme
Sp gewählt oder berechnet ist.
Die Ventilsteuerklemme SQ der Steuerschaltung 30 ist andererseits
über eine geeignete nicht dargestellte Schnittstelle mit einem Solnoid-betätigten Sekundärluftzirkulationssteuerventil
32 verbunden, das einen Teil der Sekundärluftversorgungseinrichtung
der Maschine bildet, in der der Sauerstoff sensor 10 vorgesehen ist. Wie es allgemein bekannt
ist, enthält eine derartige Sekundärluftversorgungseinrichtung
einen Sekundärluftzirkulationskanal, der zum Ansaugsystem der Maschine über das Ventil 32 führt. Der Sekundärluftzirkulationskanal
ist zum Ansaugsystem der Maschine im typischen Fall stromabwärts vom Drosselventil des Ansaugsystems
offen, obwohl das nicht in der Zeichnung dargestellt ist, wobei das Ventil 32 geöffnet wird, um das Luft-Kraftstoffverhältnis
des Gemisches auf die arme Seite zu verschieben, und geschlossen wird, um das Luft-Kraftstoff verhältnis
auf die reiche Seite zu verschieben, was von einem Steuersignal abhängt, das auf der Grundlage der Pumpspannung Vp
erzeugt wird, die an der Eingangsklemme Sp der Steuerschaltung
30 liegt. Durch das Öffnen und Schließen eines derartigen
SekundärluftzirkulationssteuerventiIs 32 wird das Luft-Kraftstoff
verhältni s des den Arbeitszylindern der Maschine gelieferten Gemisches so gesteuert, daß es sich auf einen
Wert ändert, der der Sauerstoffkonzentration entspricht, die
von dem digitalen Signal wiedergegeben wird, das von der Bezugssignalausgangsklemme
SR der Steuerschaltung 30 kommt.
Das digitale Signal von der Bezugssignalausgangsklemme SR der
Steuerschaltung 30 liegt somit an einer programmierbaren Bezugsspannungsgeneratorschaltung
34, die im wesentlichen aus einem Digital/Analogwandler 36 und einer Spannungsfolgerschaltung
38 besteht. Der Digital/Analogwandler 36 empfängt das digitale Signal von der Ausgangsklemme SR der Steuerschaltung
30 und erzeugt ein analoges Ausgangssignal, das sich mit dem von der Steuerschaltung 30 empfangenen digitalen
Signal ändert. Die Spannungsfolgerschaltung 38 besteht aus einem Operationsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1,
der als Pufferverstärker wirkt, um die Wechselwirkung
zwischen dem Digital/Analogwandler 36 und der der Bezugsspannungsgeneratorschaltung
34 nachgeschalteten Schaltung auszuschließen. Die Bezugsspannungsgeneratorschaltung 34 arbeitet
somit derart, daß sie an der Ausgangsklemme der Spannungsfolgerschaltung
38 eine feste Bezugsspannung VR erzeugt, die einen bestimmten Wert der Zellenspannung Vs wiedergibt,
der durch die Steuerschaltung 30 gewählt oder berechnet ist.
Hinter der Bezugsspannungsgeneratorschaltung 34 ist eine Pumpsignalversorgungsschaltung 40 vorgesehen, die den Pumpstrom
Ip erzeugt, die dem Sauerstoffpumpstapel 12 des Sauerstoffsensors
10 zu liefern ist. Die Pumpsignalversorgungsschaltung
40 umfaßt einen Operationsverstärker 42 mit einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang,
der über einen Widerstand 44 mit dem Ausgang der Bezugsspannungsgeneratorschaltung
34 verbunden ist. Der Operationsverstärker 42 empfängt somit die Bezugsspannung VR an seinem
nicht invertierenden Eingang und ist mit seinem Ausgang über einen Widerstand 46 mit der Basis eines n-p-n-Bipolartransistors
48 verbunden. Der n-p-n-Transistor 48 liegt mit seinem
Kollektor an dem leitenden streifenförmigen Abschnitt 16a der
inneren Elektrodenplatte 16 des Sauerstoffpumpstapels 12 des
Sauerstoffsensors 10, wie es in Fig.2 dargestellt ist, und
liegt mit seinem Emitter einerseits an der Pumpsignaleingangsklemme
Sp der Steuerschaltung 30 und andererseits über einen Widerstand 50 an Masse. Am leitenden streifenförmigen
Abschnitt 18a der äußeren Elektrodenplatte 18 des Sauerstoffpumpstapels
12 des Sauerstoff sensors 10 liegt eine' vorbestimmte Vorspannung V„ mit positiver Polarität, so daß die
innere Elektrodenplatte 16 des Sauerstoffpumpstapels 12 negativ
bezüglich der äußeren Elektrodenplatte 18 des Stapels 12 vorgespannt ist. Wenn der Transistor 48 durchgeschaltet
ist, wird der Kollektorstrom des Transistors 48 als Pumpstrom Ip dem Sauerstoffpumpstapel 12 des Sauerstoff sensors
10 geliefert, so daß über den Widerstand 50 eine Pumpgleichspannung Vp erzeugt wird, die sich mit dem Pumpstrom Ip ändert.
Diese Pumpspannung Vp liegt an der Pumpsignaleingangsklemme
Sp der Steuerschaltung 30 und wird im Speicher RAM gespeichert, der in der Steuerschaltung 30 enthalten ist, wie
es oben beschrieben wurde.
Der leitende streifenförmige Abschnitt 22a der inneren Elektrodenplatte
22 des Sensorzellenstapels 14 des Sauerstoffsensors 10 liegt andererseits an Masse, während der leitende
streifenförmige Abschnitt 24a der äußeren Elektrodenplatte
24 über ein Rauschfilter 52 mit einer Pufferverstärkerschaltung 54 verbunden ist. Das Rauschfilter 52 ist dazu vorgesehen, den Rauschanteil in dem Spannungssignal zu beseitigen,
das aus der elektromotorischen Kraft resultiert, die über der aktiven Schicht 26 des Sensorzellenstapels 14 erzeugt
wird, und besteht aus einer Kombination aus einem Widerstand 56 und einem Kondensator 58, wie es in Fig.2 dargestellt
ist. Die Pufferverstärkerschaltung 54 umfaßt einen Operationsverstärker 60, dessen nicht invertierender Eingang
über das Rauschfilter 52 mit der äußeren Elektroden-
platte 24 des Sensorzellenstapels 14 des Sauerstoff sensors
10 verbunden ist, während sein invertierender Eingang über
einen Rückkopplungswiderstand 62 am Ausgang des Verstärkers 60 und über einen Widerstand 64 an Masse liegt. Der Operationsverstärker
60 dient somit als nicht invertierender verstärkender Pufferverstärker, der eine verstärkte Zellenspannung
V5 1 an seinem Ausgang erzeugt. Der Ausgang des Operationsverstärkers
60 ist nicht nur über den Rückkopplungswiderstand 62 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers
60, sondern gleichfalls über einen Widerstand 66 mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 42 der Pumpsignal
Versorgungsschaltung 40 verbunden. Der Operationsverstärker 42 der Signal Versorgungsschaltung 40 arbeitet somit
als Komparator, der eine Ausgangspannung mit hohem Pegel dann erzeugt, wenn die Bezugsspannung VR, die an seinem nicht invertierenden
Eingang liegt, höher als die verstärkte Zellenspannung V5' ist, die an seinem invertierenden Eingang liegt,
und eine Ausgangsspannung mit niedrigem Pegel erzeugt, wenn die Bezugsspannung VR unter der verstärkten Zellenspannung
V5 1 liegt.
Wenn die Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung mit dem
oben beschriebenen Aufbau eine Temperatureinstelleinrichtung
einschließlich der Isolierschichten verwendet, die mit wärmeerzeugenden
Elementen versehen sind, wie es oben beschrieben wurde, umfaßt die Temperatureinstelleinrichtung weiterhin
eine Temperatursteuerschaltung mit einem Temperatursensor, beispielsweise einem Thermoelement, das in Verbindung
mit dem Sensor 10 so angeordnet ist, daß es die Temperatur des Sensors 10 aufnimmt. Eine derartige Temperatursteuerschaltung
kann auch über den Widerstand 50 geschaltet sein, um einen Temperaturkompensationsstrom auf der Grundlage der
Pumpspannung Vp in der Schaltung 40 und der vom Temperatursensor
wahrgenommenen Temperatur zu erzeugen.
Während der Arbeit der Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
mit dem oben beschriebenen Aufbau und der oben beschriebenen Anordnung erzeugt die Steuerschaltung 30 ein digitales
Signal, das den Wert wiedergibt, auf dem die Zellenspannung Vs zu halten ist. Das digitale Signal liegt von der
Bezugssignalausgangsklemme SD der Steuerschaltung 30 an der
Bezugsspannungsgeneratorschaltung 34 und wird durch den Digital/Analogwandler
36 in eine feste Bezugsspannung VR umgewandelt. Die Bezugsspannung VD geht über den Spannungsfolger
38 und den Wiederstand 44 zum nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 in der Pumpsignalversorgungsschaltung
40. Wenn angenommen wird, daß zu irgendeinem Zeitpunkt die verstärkte Zellenspannung Vc-1, die am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 42 auftritt, kleiner
als die Bezugsspannung VR ist, dann arbeitet der Operationsverstärker
42 als Komparator, der eine Ausgangsspannung mit hohem Pegel erzeugt. Die hohe Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
42 liegt an der Basis des Transistors 48, der damit durchschaltet und einen Stromweg über seinen Kollektor
und Emitter bildet.
Wenn der Sauerstoffsensor 10 im Abgaskrümmer der Maschine
angeordnet ist, können die Abgase, die von den Zylindern in den Abgaskrümmer der Maschine abgegeben werden, teilweise in
den Zwischenraum zwischen dem Pump- und Zellstapel 12 und 14 des Sensors 10 eintreten. Wenn der Kollektorstrom des
Transistors 48 nun durch den Sauerstoffpumpstapel 12 des
Sauerstoffsensors 10 fließt, werden die Sauerstoff ionen dazu gebracht, durch die sauerstoff ionenleitende aktive
Schicht 20 des Sauerstoffpumpstapels 12 von der negativen
inneren Elektrodenplatte 16 zur positiven äußeren Elektrodenplatte 18 des Stapels 12 zu wandern. Als Folge einer
derartigen Bewegung der Sauerstoff ionen durch die aktive Schicht 20 des Sauerstoffpumpstapels 12 werden die Sauerstoffmoleküle
in den Abgasen im Zwischenraum zwischen dem
Pump- und Zellenstapel 12 und 14 dazu gebracht, in die aktive Schicht 20 durch die innere Elektrodenplatte 16 hindurchzudiffundieren,
wodurch die Sauerstoffmoleküle in der aktiven Schicht 20 gezwungen werden, die Schicht 20 über die äußere
Elektrodenplatte 18 des Sauerstoffpumpstapels 12 zu verlassen.
Wenn die Sauerstoffmoleküle in dieser Weise aus dem Zwischenraum zwischen dem Pump- und dem Zellenstapel 12 und 14 herausgepumpt
werden, wird eine allmähliche Abnahme in der Sauerstoffkonzentration
in den Gasen bewirkt, die im Zwischenraum bleiben, so daß eine Differenz zwischen den Sauerstoffkonzentrationen
in den Gasen im Zwischenraum und in den Umgebungsgasen
entsteht, die den Sensor 10 im Abgaskrümmer der Maschine umgeben. Nach Ablauf einer gegebenen Anfangsübergangszeit wird
ein stabiler Zustand erreicht, in dem die Anzahl der aus dem Zwischenraum zwischen den Stapeln 12 und 14 herausgepumpten
Sauerstoffmoleküle gleich der Anzahl der Sauerstoffmoleküle ist, die in den Zwischenraum eintreten können. Unter derartigen
stabilen Verhältnissen nimmt der Partialdruck des gepumpten Sauerstoffs im Zwischenraum zwischen den Stapeln 12 und
14 einen Wert an, von dem angenommen ist, daß er über den gesamten
Zwischenraum gleich ist,und der kleiner als der Partialdruck des nicht gepumpten Sauerstoffs in den umgebenden Abgasen
ist, die den Sauerstoffsensor 10 umgeben. Der Differenzsauerstoff partialdruck , der in dieser Weise zwischen den Gasen im
Inneren des Zwischenraumes und den Gasen außerhalb des Zwischenraumes entwickelt wird, wirkt auf die sauerstoff ionenleitende
aktive Schicht 26 des Sensorzellenstapels 14. Der Sensorzellenstapel
14 wird dementsprechend dazu gebracht, über der aktiven Schicht 26 eine elektromotorische Kraft zu induzieren, die
sich mit der Differenz zwischen dem Partialdruck des gepumpten und nicht gepumpten Sauerstoffs ändert, wodurch die Zellenspannung
Vg zwischen der inneren und der äußeren Elektrodenplatte 22 und 24 des Sensorzellenstapels 14 erzeugt wird. Es
versteht sich, daß die in dieser Weise durch den Sensorzellenstapel
14 des Sauerstoff sensors 10 erzeugte Zellenspannung
»β φ t* a
·' * *"■"·■■ ' ■"* 3809227
-ZS-
V5 sich mit der Differenz zwischen dem Partialdruck des gepumpten
und nicht gepumpten Sauerstoffs im Sauerstoff sensor 10 ändert.
Die Zellenspannung V5 liegt über das Rauschfilter 52 am nicht
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 in der
Pufferverstärkerschaltung 54. Der Operationsverstärker 60 erzeugt an seinem Ausgang die verstärkte Zellenspannung V5 1,
die sich fortlaufend mit der Zellenspannung V5 ändert, die
vom Sauerstoff sensor 10 empfangen wird. Diese verstärkte Zellenspannung V5 1 liegt am invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 42 in der Pumpsignal versorgungsschaltung 40 und wird mit der Bezugsspannung VR verglichen, die
am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42
liegt. Wenn die Zellenspannung V5 vom Sauerstoff sensor 10
zu einem gegebenen Zeitpunkt ansteigt und dementsprechend die verstärkte Zellenspannung V5 1, die am Operationsverstärker
42 der Pumpsignal Versorgungsschaltung 40 liegt, die Bezugsspannung VR übersteigt, erzeugt der Operationsverstärker
42 eine Ausgangsspannung mit niedrigem Pegel, so daß der Transistor 48 im gesperrten Zustand gehalten wird. Wenn
in dieser Weise der Transistor 48 gesperrt gehalten wird, fließt im wesentlichen kein Strom durch den Kollektor des
Transistors 48, so daß die Zellenspannung V5 über dem Sensorzellenstapel
14 des Sauerstoffsensors 10 und somit die verstärkte Zellenspannung V5 1 vom invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 42 der Signal Versorgungsschaltung 40 abfallen.
-Si.
Wenn danach die verstärkte Zellenspannung V5 1 am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 42 unter die Bezugsspannung VR am nicht invertierenden Eingang des Verstärkers
42 fällt, wird der Transistor 48 durchgeschaltet, so daß ein Anstieg des Kollektorstromes die Folge ist. Der Transistor
48 wiederholt diese Schaltvorgänge mit hoher Frequenz, so daß die Zellenspannung V<~, die über dem Sensorzellenstapel
14 des Sauerstoffsensors 10 entwickelt wird, auf einem festen
Pegel gehalten wird, während sich der Kollektorstrom des
Transistors 48 proportional zur prozentualen Konzentration des Sauerstoffs in den Gasen ändert, die den Sauerstoffsensor
10 umgeben, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Kollektorstrom liegt als Pumpstrom Ip am Sauerstoffpumpstapel
12 des Sauerstoffsensors 10 und fließt über den Emitter des Transistors 48 durch den Widerstand 50. In Fig. 1 zeigen die
Kurven a,b und c Beispiele einer solchen linearen Änderung des Pumpstromes Ip mit der wahrgenommenen Sauerstoffkonzentration,
wenn die Bezugsspannung VR durch die Steuerschaltung 30 so gewählt oder berechnet ist, daß Spannungen
von 20, 40 und 80 Millivolt jeweils als Zellenspannungen V5
über den Sensorzellenstapel 14 des Sauerstoffsensors 10
erzeugt werden. Der schraffierte Bereich mit einer Grenze über der Kurve d gibt den Bereich wieder, in dem der Pumpstrom
Ip bei einer gegebenen Sauerstoffkonzentration dazu
führen würde, daß die aktive Schicht 20 des Sauerstoffpumpstapels 12 des Sauerstoffsensors 10 schwarz wird.
Um einen Pumpstom Ip zu erzielen, der sich richtig proportional
zu der wahrgenommenen Sauerstoffkonzentration ändert, ist es wichtig, daß die Temperatur des Sauerstoffsensors
10 auf einem festen Wert gehalten wird. Zu diesem Zweck wird der den wärmeerzeugenden Elementen der vorher
erwähnten Temperatureinstelleinrichtung gelieferte Strom in
Abhängigkeit von der Pumpspannung Vp oder dem Pumpstrom Ip
und dem Ausgangssignal des Temperatursensors gesteuert, um
für eine genaue Temperaturkompensation für den Pumpstrom Ip
zu sorgen. Die an dem Pump- und Zellenstapel 12 und 14liegende Wärme bewirkt nicht nur eine derartige Temperaturkompensation,
sondern fördert auch die elektrochemische Aktivität des Sauerstoff ionen leitenden festen Elektrolyten, der die
aktive Schicht jedes Stapels bildet,und insbesondere die Sauerstoffpumpaktivität des Sauerstoffpumpstapels 12 bei
niedrigen Temperaturen der Abgase, denen der Sauerstoffsensor 10 ausgesetzt ist. Wenn die Temperaturkompensation
des Pumpstromes nicht ernsthaft benötigt wird, kann daher die Temperatureinstelleinrichtung fehlen, obwohl das die
elektrochemische Aktivität des Pump- und Zellenstapels 12
und 14 beeinträchtigen würde.
Die Steuerschaltung 30, die als Mikroprozessor ausgebildet ist, wird bezüglich der Drehzahl der Maschine getaktet und
wiederholt den Arbeitszyklus, der in Form eines Flußdiagrammes in Fig. 3 dargestellt ist. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist,
beginnt der Arbeitszyklus der Steuerschaltung 30 mit einem Arbeitsschritt 70, um die Pumpspannung Vp zu lesen, die im
Speicher RAM gespeichert ist, der einen Teil der Steuerschaltung 30 bildet. Die Steuerschaltung 30 geht dann auf
einen Arbeitsschritt 72 über, in dem eine Funktion berechnet wird, die einen vorbestimmten oberen Grenzwert Ip, des
Pumpstromes Ip entsprechend der Bezugsspannung VR wiedergibt,
die gerade am Ausgang der Bezugsspannungsgeneratorschaltung 34 vorliegt. Die Funktion, die in dieser Weise
den oberen Grenzwert Ip. des Pumpstromes Ip wiedergibt,
wird beispielsweise durch Berechnen,durch Wählen oder durch Zuordnen in der Steuerschaltung 30 so bestimmt, daß sie
etwas kleiner als der kritische Wert des Pumstromes Ip ist,
der durch die Grenze wiedergegeben wird, die durch die Kurve d in Fig. 1 angegeben ist und mit abfallender wahrgenommener
Sauerstoffkonzentration kleiner wird. Auf den Arbeitsschritt
72 folgt ein Entscheidungsschritt 74, in dem bestimmt wird,
* IV
ob der Pumpstrom Ipj der der Pumpspannung Vp entspricht,
die gerade im RAM in der Steuerschaltung 30 gespeichert ist, kleiner als der Grenzwert Ip, des Pumpstromes Ip ist oder
nicht, der im vorhergehenden Schritt 72 berechnet wurde.
Wenn der Pumpstrom Ip kleiner als der Grenzwert Ip. ist,
dann wird in einem folgenden Arbeitsschritt 76 das digitale Signal am Ausgang SR der Steuerschaltung 30 und somit die
Bezugsspannugn VD konstant gehalten, aus der der betreffende
Pumpstrom Ip resultierte. In diesem Fall wird weiterhin in
einem Entscheidungsschritt 78 festgestellt, ob der fragliche
Pumpstrom Ip kleiner als Stromwert IR ist oder nicht, der
das Ziel-Luft-Kraftstoff verhältnis des der Maschine zum vorliegenden
Zeitpunkt zu liefernden Gemisches angibt. Dieser Stromwert IR wird aus der Bezugsspannung VR berechnet, die
aus dem digitalen Signal resultiert, das am Ausgang Sn der
Steuerschaltung 30 auftritt. Wenn sich herausstellt, daß der
Pumpstrom Ip kleiner als der in dieser Weise berechnete
Stromwert ID ist, wird in einem Arbeitsschritt 80 festgestellt,
κ
daß das gerade der Maschien zugeführte Gemisch zu reich ist und daß das Sekundärluftzirkulationsventil 32 in Fig. 2
geöffnet werden sollte. Das Sekundärluftzirkulationsventil
32 wird somit betätigt, so daß es öffnet, wenn.es geschlossen war; oder offengehalten, wenn es bereits offen war. Wenn
im Gegensatz dazu der Pumpstrom Ip nicht kleiner als der
Stromwert IR im Entscheidungsschritt 78 ist, wird in einem
folgenden Arbeitsschritt 82 bestimmt, daß das der Maschine gelieferte Gemisch zu arm ist, und daß das Sekundärluftzirkulationsventil
32 geschlossen werden sollte. Das Sekundärluftzirkulationsventil 32 wird daher so betätigt,
daß es schließt, wenn es offen war,oder geschlossen gehalten, wenn es bereits geschlossen war.
Wenn andererseits der Pumpstrom Ip, der der Pumpspannung
Vp entspricht, die vom RAM gelesen wurde, nicht kleiner als
der Grenzwert Ip. im Entscheidungsschritt 74 ist, dann wird
in einem Arbeitsschritt 84 bestimmt, daß das digitale Signal am Ausgang SR der Steuerschaltung 30 in eine neues Signal
geändert werden soll, das zu einer Bezugsspannung VR von
0 Volt führt. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung liegt die in dieser Weise durch den Bezugssignalgenerator 34 erzeugte
Bezugsspannung VR von 0 Volt über den Widerstand 44 am nicht invertierenden Eingang des Opeationsverstärkers 42
in der Pumpsignalversorgungsschaltung 40. Der Operationsverstärker 42 erzeugt dann eine Ausgangsspannung mit niedrigem
Pegel, so daß der Transistor 48 sperrt und dadurch die Kollektorstromversorgung zum Sauerstoffpumpstapel 12 des
Sauerstoffsensors 10 unterbrochen wird. In diesem Fall geht
der Arbeitsschritt 84 auf den Arbeitsschritt 82 über, um die Stromversorgung zum Sekundärluftzirkulationsventil 32 zu
unterbrechen und dadurch das Ventil zu schließen.
Ein einziger Arbeitszyklus des Mikroprozessors, der die
Steuerschaltung 30 bildet, wird somit mit dem Arbeitsschritt 80 oder 82 abgeschlossen, um das Luft-Kraftstoffverhältnis
des Gemisches entweder zur armen oder zur reichen Seite in Abhängigkeit vom Pumpstrom Ip zu verschieben, der in der
Pumpsignalversorgungsschaltung 40 erzeugt wird. Das neue digitale Signal, das im Arbeitsschritt 84 zu erzeugen ist,
um die Bezugsspannung VR auf 0 Volt zu verschieben, wie es
oben beschrieben wurde, kann ein Vier-Bit-Signal, beispielsweise ein Signal "0000" sein. Die Einrichtung, die ein
derartiges neues digitales Signal erzeugt, um die Bezugsspannung VR zu ändern, kann auch durch eine Einrichtung
ersetzt sein, die so arbeitet, daß sie zwangsweise den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 an
Masse legt oder in anderer Weise ein Potential von 0 Volt am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
42 aufbaut.
Im folgenden wird anhand von Fig. 4 ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung
beschrieben. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist dem ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme des Aufbaus und der Anordnung
der Pumpsignalgeneratorschaltung und einer zusätzlich vorgesehenen
Pumpstrombegrenzerschaltung 86 ähnlich. Die Steuerschaltung 30 ist bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich zur Bezugssignalausgangsklemme SR und
der Ventilsteuerklemme Sq mit einer ZeIlensignaleingangsklemme
S5 statt der Pumpensignaleingangsklemme Sp bei der
Steuerschaltung 30 des Ausführugnsbeispiels von Fig. 2 versehen.
Das digitale Signal von der Bezugssignalausgangsklemme SD gibt einen Wert wieder, der durch die Steuerschaltung
30 gewählt oder berechnet wird und dazu dient, eine erste Bezugsspannugn VD beim zweiten Ausführungsbei-
spiel der Erfindung zu erzeugen. An der ZeIlensignaleingangsklemme
SR erscheint eine Spannung, die sich mit der Zellenspannung V5 ändert, die vom Sensorzellenstapel 14
des Sauerstoffsensors 10 erzeugt wird, wie es im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Die an dieser Eingangsklemme
S5 liegende Spannung wird im nicht dargestellten Speicher
mit direktem Zugriff RAM im Mikroprozessor gespeichert, der die Steuerschaltung 30 bildet,und mit einer zweiten
Bezugsspannung VR' verglichen, die ein Ziel-Luft-Kraftstoffverhältnis
wiedergibt, in dem das der Maschine gelieferte Gemisch zu proportionieren ist. Das von der Bezugssignalausgangsklemme
SR gelieferte digitale Signal wird durch die Steuerschaltung 30 gewählt oder berechnet.
Im Gegensatz zu der Pumpsignalversorgungsschaltung 40 bei
dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die
Pumpsignalversorgungsschaltung 401 bei dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen Pumpstrom Ip mit fester
Höhe auf die erste Bezugsspannung VR ansprechend erzeugen,
so daß sich die Zellenspannung V^ mit der Sauerstoff-
konzentration der umgebenden Abgase ändert. Zu diesem Zweck
liegt der Operationsverstärker 42 der Pumpsignalversorgungsschaltung
40' mit seinem invertierenden Eingang über einen Rückkopplungswiderstand 88 am Emitter des Transistors 48.
Es liegt somit eine Spannung, die proportional zur Pumpspannung Vp ist, die über dem Widerstand 50 auftritt, am
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 statt der verstärkten Zellenspannung V^' , die von der Pufferverstärkerschaltung
54 bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
kommt. Eine Diode 90 ist mit ihrer Anode mit dem Emitter des Transistors 48 und mit ihrer Kathode mit
Ausgang des Operationsverstärkers 42 verbunden. Weiterhin ist der Operationsverstärker 60 der Pufferverstärkerschaltung
54 mit seinem Ausgang über den Widerstand 66 mit der Zellensignaleingangsklemme S5 der Steuerschaltung 30 verbunden.
Andererseits ist die Pumpstrombegrenzerschaltung 86 bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich vorgesehen und
mit einem Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 60 in der Pufferverstärkerschaltung 54 und zwar über den
Widerstand 66 und mit dem anderen Eingang mit einer Quelle einer festen positiven Gleichspannung Vp verbunden. Die
Pumpstrombegrenzerschaltung 86 ist weiterhin mit ihrem Ausgang mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
42 in der Pumpsignalversorgungsschaltung 40' und dementsprechend über den Widerstand 88 mit der Anode der Diode
90 verbunden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Pumpstrombegrenzerschaltung 86 ist somit zwischen der Signalversorgungsschaltung
40 und der Pufferverstärkerschaltung 54 angeordnet und arbeitet so, daß sie die verstärkte
Zellenspannung V5 1 von der Pufferverstärkerschaltung 54
um einen gewählten Wert herabsetzt. Die Pumpstrombegrenzerschaltung 86 hat vorzugsweise den in Fig. 5 dargestellten
Aufbau.
Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt die Pumpstrombe-
grenzerschaltung 86 eine einstellbare Spannungsteilerschaltung 92, die in der dargestellten Weise aus einer Reihe
von Widerständen 94, 96 und 98 besteht, die zwischen Masse
und die oben erwähnte Quelle einer festen Gleichspannung Vg geschaltet sind. Der Widerstand 96 liegt zwischen den
beiden übrigen Widerständen 94 und 98 und bildet einen veränderbaren Widerstand, der eine ßruchtei lspannung V, erzeugt.
Die Bruchteilspannung V, , die über die einstellbare Teilerschaltung
92 zu.erzeugen ist, ist so gewählt, daß sie etwas über der zweiten Bezugsspannugn V ' liegt, die in der
Steuerschaltung 30 festgelegt wird. Die Pumpstrombegrenzerschaltung
86 umfaßt weiterhin einen Differential verstärker
100, der mit seinem nicht invertierenden Eingang über den Widerstand 66 am Ausgang des Operationsverstärkers 60 in
der Pufferverstärkerschaltung 54 und mit seinem invertierenden Eingang am veränderlichen Widerstand 96 und über einen
Rückkopplungswiderstand 102 am Ausgang des Verstärkers liegt. Der Differential verstärker 100 arbeitet somit als
Subtrahierer, der eine verringerte Zellenspannung V,-11
liefert, die um die Bruchteilspannung VL kleiner als die
verstärkte Zellenspannung vs' ist, die vom Operationsverstärker
60 der Pufferverstärkerschaltung 54 kommt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 100 liegt nicht nur über
den Rückkopplungswiderstand 102 an seinem invertierenden Eingang, sondern gleichfalls über einen
Widerstand 104 und eine Diode 106 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 42 in der Pumpsignalversorgungsschaltung
40' und weiterhin über den Widerstand 88 an der Anode der Diode 90, wie es in der Zeichnung dargestellt
ist.
Das oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung
arbeitet in der folgenden Weise:
Die Bezugsspannung VR wird durch die Bezugsspannungs-
generatorschaltung 34 aus dem digitalen Signal erzeugt,
das von der Bezugssignalausgangsklemme SR der Steuerschaltung
30 kommt, wie es bei dem Ausführungsbeispiel der Fall ist,
das anhand von Fig. 2 beschrieben wurde. Die Bezugsspannung
VD liegt über den Widerstand 44 am nicht invertierenden
κ
Eingang des Operationsverstärkers 42 in der Pumpsignalversorgungsschaltung
40'. Wenn die über den Widerstand 50 und damit am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
42 auftretende Pumpspannung Vp unterdie Bezugsspannugn Vr
zu irgendeinem Zeitpunkt fällt, erzeugt der Operationsverstärker 42 eine Ausgangsspannung mit hohem Pegel, so daß
der Transistor 48 durchschaltet. Wenn andererseits die Pumpspannung Vp die Bezugsspannung V überschreitet, erzeugt
der Operationsverstärker 42 eine Ausgangsspannung mit niedrigem Pegel, so daß der Transistor 48 sperrt. Durch eine
Wiederholung eines derartigen Durchschaltens und Sperrens mit hoher Frequenz kann die Pumpspannung Vp, die über den
Widerstand 50 auftritt, auf einem konstanten Wert gehalten werden, der durch die erste Bezugsspannung VR vorgeschrieben
ist. Auf den in dieser Weise von der Pumpsignalversorgungsschaltung 40' gelieferten konstanten Pumpstrom Ip ansprechend
erzeugt der Sauerstoffsensor 10 eine Zellenspannung
V^, die sich mit der Sauerstoffkonzentration in den umgebenden
Abgasen ändert, in denen der Sensor 10 angeordnet ist.
Die in dieser Weise durch den Sensorzellenstapel 14 des
Sauerstoff sensors 10 erzeugte Zellenspannung V<. liegt über
das Rauschfilter 52 am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 in der Pufferverstärkerschaltung
54. Der Operationsverstärker 60 erzeugt somit an seinem Ausgang die verstärkte Zellenspannung V^1, die über den
Widerstand 66 an der ZeIlensignaleingangsklemme Ss der
Steuerschaltung 30 und am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 in der Pumpstrombegrenzerschaltung
86 liegt. Die verstärkte Zellenspannung V5 1 >
die an der ZeI lens ignaleingangsklemme S<- der Steuerschaltung 30 liegt,
wird im darin enthaltenen Speicher RAM gespeichert und mit der zweiten Bezugsspannung V ' verglichen, die die Sauerstoffkonzentration
im Abgas bei einem Ziel-Luft-Kraftstoff
verhältnis wiedergibt, auf das das Gemisch zu proportionieren ist. Wenn die verstärkte Zellenspannung
Vς kleiner als die zweite Bezugsspannung V ' ist, dann
bestimmt die Steuerschaltung 30, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des der Maschine gelieferten Gemisches auf der armen Seite liegt und das Sekundärluftzirkulationsventi 1 32
geschlossen werden sollte. Es wird somit das Sekundärluftzirkulationsventi1
32 betätigt, um dieses zu schließen, wenn es offen war oder dieses geschlossen zu halten, wenn es bereits
geschlossen war. Wenn andererseits die verstärkte Zellenspannung V^1 über der zweiten Bezugsspannugn V ' liegt,
bestimmt die Steuerschaltung 30, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis
des der Maschine gelieferten Gemisches auf der reichen Seite liegt und das Sekundärluftzirkulationsventi1
32 geöffnet werden sollte. Das Sekundärluftzirkulationsventil 32 wird somit geöffnet, wenn es geschlossen war, oder
offen gehalten, wenn es bereits offen war.
Es sei im folgenden angenommen, daß das den Arbeitszylindern
der Maschine gelieferte Gemisch plötzlich angereichert wird, wobei das Drosselventil des Ansaugsystems der Maschine
geschlossen wird, um den Luftstrom durch das Ansaugsystem zu begrenzen. Auf die plötzliche Anreicherung des Gemisches
folgt eine entsprechende Zunahme in der Zellenspannung V55 die vom Sensorzellenstapel 14 des Sauerstoffsensors
10 erzeugt wird,und folglich in der verstärkten Zellenspannung V5 1, die am Ausgang des Operationsverstärkers
60 in der Pufferverstärkerschaltung 54 auftritt. Die verstärkte
Zellenspannung V5 1, die in dieser Weise zugenommen
hat, liegt am nicht invertierenden Eingang des Operations-
Verstärkers 100 in der Pumpstrombegrenzerschaltung 86, wobei
dann, wenn die Spannung V5 1 die Bruchtei Ispannugn VL überschreitet,
die am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 liegt, am Ausgang des Verstärkers 100 eine
positive Spannung auftritt, die proportional zum Unterschied zwischen den Spannungen V5 1 und V, ist. Die
Differenzspannugn V5 1- V, ist höher als die Pumpspannung
Vp5 die gerade über dem Widerstand 50 auftritt, so daß ein
Strom vom Ausgang des Operationsverstärkers 100 über den Widerstand 104, die Diode 106 und die Widerstände 88 und
50 zur Masse fließt. Dieser Strom führt zu einer Zunahme in der Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
42 in der Signal Versorgungsschaltung 40' mit einer sich daraus ergebenden Abnahme in der Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 42. Die am Ausgang des Operationsverstärkers 42 auftretende verringerte Spannung
führt dazu, daß der Transistor 48 sperrt und der Pumpstrom P verschwindet. Je ärmer das in der Maschine erzeugte
Gemisch ist und dementsprechend je höher die vom Sauerstoffsensor 10 erzeugte Zellenspannung V5 ist, um so höher wird
Ausgangsspannung vom Operationsverstärker 100 sein. Wenn die Spannung v^, die durch die einstellbare Spannungsteilerschaltung
92 erzeugt wird, so gewählt ist, daß sie etwas größer als die zweite Bezugsspannung V ' ist, die in der
Steuerschaltung 30 festgelegt ist, wie es im obigen beschrieben wurde, sagt eine über der Bruchteilspannung V,
liegende verstärkte Zellenspannung V5 1 vorher, daß der
Pumpstrom Ip einen Wert erreicht, der dazu führen kann, daß
die aktive Schicht 20 des Sauerstoffpumpstapels 12 des
Sauerstoffsensors 10 schwarz wird. Eine Verringerung des
Pumpstromes Ip auf eine plötzliche Zunahme in der Zellenspannung
V5, wie sie bewirkt wird, wie es oben beschrieben wurde, trägt somit wirksam dazu bei, ein Schwarzwerden der
aktiven Schicht 20 des Sauerstoffpumpstapels 12 zu verhindern.
Wenn die verstärkte Zellenspannung V5 1 unter der variablen
Bruchtei1 spannung V, liegt, dann tritt am Ausgang des Verstärkers
100 eine negative Spannung auf, die proportional zum Unterschied zwischen den Spannungen Vc-1 und V, ist. Die
negative Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 100 wird daran gehindert über die Diode 106 zu fließen, so daß
der Operationsverstärker 42 der Signal Versorgungsschaltung 40' nur auf die erste Bezugsspannung V und die Pumpspannung
Vp anspricht, die über dem Widerstand 50 auftritt. Der Transistor 48 wird somit durchgeschaltet, wenn die
Pumpspannung Vp unter der ersten Bezugsspannung V liegt,
und gesperrt, wenn die Pumpspannung Vp über der ersten Bezugsspannung
V liegt.
Der somit erzeugte Pumpstrom Ip bei einer auf einen gegebenen
Wert festgelegten zweiten Bezugsspannung V ' kann bei dem
obigen Ausführungsbeispiel somit so gesteuert werden, daß er sich mit der Sauerstoffkonzentration der umgebenden Abgase
ändert, wie es durch die Kurve A in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall nimmt der Pumpstrom Ip, der dem Sauerstoffsensor
10 zu liefern ist, einen Wert Ip an, wenn die Sauerstoffkonzentration einen Wert D, annimmt, der dem
Ziel-Luft-Kraftstoffverhältnis entspricht, das durch die Bezugsspannung V ' wiedergegeben ist. Der in dieser Weise
gesteuerte Pumpstrom Ipkann einen oberen Grenzwert haben,
der sich mit der Sauerstoffkonzentration in den umgebenden Abgasen ändert, wie es durch die Kurve B in Fig. 6 dargestellt
ist, wenn die Bruchtei1 spannung V, in der Pumpstrombegrenzerschaltung
86 erzeugt wird. Wenn das der Maschine gelieferte Gemisch plötzlich angereichert wird, so daß das
Luft-Kraftstoffverhältnis des Gemisches bezeichnend absinkt,
kann die Sauerstoffkonzentration, die durch die Zellenspannung V5 wiedergegeben wird, in der Größenordnung
eines Wertes liegen, der mit D, auf der Kurve B in Fig. 6 angegeben ist. Wenn der Pumpstrom Ip unverändert auf dem
Wert In, unter diesen Umständen gehalten wird, hätte der
r α
Pumpstrom Ip einen Wert, der ein Schwarzwerden des Sauerstoffionen
leitenden festen Elektrolyten bewirken könnte , der als aktives Material im Sauerstoffsensor 10 verwandt
wird. Dadurch, daß der Pumpstrom Ip auf einem Wert unter dem
Pegel der Kurve B mittels der Pumpstrombegrenzerschaltung 86 gehalten wird, kann der Pumpstrom den bei Ip auf der
Kurve B angegebenen Wert nicht überschreiten, so daß aus diesem Grunde ein Schwarzwerden im Sauerstoffsensor 10 ausgeschlossen
werden kann.
Claims (9)
1.) einen Sauerstoffsensor, der für den Sauerstoff in den
ihn umgebenden Sauerstoff enthaltenden Gasen empfindlich
ist,
2.) eine Aktivierungsstromversorgungeinrichtung, die so
arbeitet, daß sie dem Sauerstoffsensor einen Aktivierungsstrom liefert, wobei
3.) der Sauerstoffsensor auf den Aktivierungsstrom anspricht
und so arbeitet, daß er eine Sensorsignalspannung erzeugt, die sich mit der Sauerstoffkonzentration
in den Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert,
4.) eine BezugssignaIgeneratoreinrichtung, die so arbeitet,
daß sie ein vorbestimmtes Bezugssignal erzeugt, wobei
5.) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung auf das
j!
Bezugssignal anspricht, um den Aktivierungsstrom zu erzeugen und
6.) eine Strombegrenzungseinrichtung, die den Aktivierungs·
strom unter einen vorbestimmten Wert begrenzt, der sich mit dem Aktivierungsstrom oder der Sensorsignalspannung
ändert.
2. Sauerstoff konzerrtrationsdetektorvorrichtung,
gekennzeichnet durch,
1.) einen Sauerstoffsensor, der für den Sauerstoff in
den ihn umgebenden Sauerstoff enthaltenden Gasen empfindlich ist,
2.) eine Aktivierungsstromversorgungseinrichtung, die so
arbeitet, daß sie dem Sauerstoffsensor einen Aktivierungsstrom liefert, wobei
3.) der Sauerstoffsensor auf den Aktivierungsstrom an-,
spricht und so arbeitet, daß er eine Sensorsignal-
A spannung liefert, die sich mit der Sauerstoffkon
zentration in den Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert,
4.) eine Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung, die so
arbeitet, daß sie eine vorbestimmte Bezugsspannung liefert, auf der die Sensorsignalspannung konstant
zu halten ist, wobei
5.) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung auf die
Bezugsspannung anspricht und so arbeitet, daß sie den Aktivierungsstrom so steuert, daß dieser sich
derart ändert, daß die Sensorsignalspannung im
wesentlichen gleich der Bezugsspannung gehalten wird, so daß der Aktivierungsstrom sich mit der Sauerstoffkonzentration
in den umgebenden Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert,
6.) eine Einrichtung zum Erzeugen eines ersten vorbestimmten Stromwertes und
7.) eine Strombegrenzungseinrichtung, die den '» Aktivierungsstrom mit dem ersten vorbestimmten Strom-
wert vergleicht und zuläßt, daß die Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung
die Bezugsspannung beibehält, wenn der Aktivierungsstrom unter dem ersten vorbestimmten
Stromwert liegt, oder bewirkt, daß die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung die
Aktivierungsstromversorgung zum Sauerstoffsensor beendet,
wenn der Aktivierungsstrom nicht unter dem ersten vorbestimmten Stromwert liegt.
3. Sauerstoffkonzentrationsdetektorvorrichtung,
gekennzeichnet durch
1.) einen Sauerstoffsensor, der für den Sauerstoff in den
ihn umgebenden Sauerstoff enthaltenen Gasen empfindlich ist,
2.) eine Aktivierungsstromversorgungseinrichtung, die so
arbeitet, daß sie dem Sauerstoffsensor einen ^
Aktivierungsstrom liefert, wobei J-
3.) der Sauerstoffsensor auf den Aktivierungsstrom an- *
spricht und so arbeitet, daß er eine Sensorsignalspannung erzeugt, die sich mit der Sauerstoffkonzentration
in den Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert,
4.) eine Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung, die so
arbeitet, daß sie eine vorbestimmte Bezugsspannung erzeugt, auf der der Aktivierungsstrom konstant zu
halten ist,
5.) eine Sensorsignalspannungsgeneratoreinrichtung, die
eine Sensorsignalspannung liefert, die sich mit dem Aktivierungsstrom ändert, wobei
6.) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung auf die
Bezugsspannung anspricht und so arbeitet, daß sie den Aktivierungsstrom in der Weise ändert, daß der
Aktivierungsstrom konstant gehalten wird, so daß die
Sensorsignal spannung sich mit der Sauerstoffkonzentration
in den umgebenden Sauerstoff enthaltenden Gasen ändert,
7.) eine Einrichtung, die einen ersten vorbestimmten Spannungswert erzeugt,und
8.) eine Strombegrenzungseinrichtung, die die Sensorsignalspannung
mit einem ersten vorbestimmten Spannungswert vergleicht und es zuläßt, daß die Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung
den Aktivierungsstrom beibehält, wenn die Sensorsignalspannung unter dem ersten vorbestimmten Spannungswert liegt, oder
bewirkt, daß die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung die Aktivierungsstromversorgung zum Sauerstoffsensor
beendet, wenn die Sensorsignalspannung nicht unter dem ersten vorbestimmten Spannungswert
liegt, wobei
9.) die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung weiterhin
auf die genannte Differenzspannung anspricht und beim
Vorliegen der Differenzspannung so arbeitet, daß sie
den Aktivierungsstrom derart steuert, daß die Summe
aus der Sensorsignalspannung und der Differenzspannung im wesentlichen gleich der Bezugsspannung
wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
der vorbestimmte Wert so festgelegt wird, daß er abnimmt, wenn die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration oder die
Sensorsignalspannung zunimmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
der vorbestimmte Stromwert so festgelegt wird, daß er abnimmt, wenn die wahrgenommene Sauerstoffkonzentration
abfällt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste vorbestimmte Spannungswert so festgelegt wird, daß er abnimmt, wenn der Aktivierungsstrom zunimmt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aktivierungsstromversorgungseinrichtung einen Operationsverstärker, der mit einem ersten Eingang mit
der Bezugsspannungsgeneratoreinrichtung und einem zweiten Eingang mit der Strombegrenzungseinrichtung verbunden
ist, und ein Schaltelement umfaßt, das mit einem ersten Anschluß mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden
ist, mit einem zweiten Anschluß mit dem Sauerstoffsensor verbunden ist und mit einem dritten Anschluß
am zweiten Eingang des Operationsverstärkers und an der Sensorsignalspannungsgeneratoreinrichtung liegt, wobei
das Schaltelement so arbeitet, daß es beim Vorliegen einer Spannung mit einem ersten Pegel an seinem ersten }j
Anschluß einen Schaltungszustand einnimmt, der einen Leitungsweg zwischen seinem zweiten und seinem dritten
Anschluß liefert, um den Aktivierungsstrom am zweiten Anschluß zu erzeugen, und beim Vorliegen einer
Spannung mit einem zweiten Pegel an seinem ersten Anschluß einen Schaltungszustand einnimmt, in dem der
Leitungsweg unterbrochen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strombegrenzungseinrichtung einen veränderlichen Widerstand zum Erzeugen des vorbestimmten Spannungswertes und eine Subtrahiereinrichtung umfaßt, die mit
einem ersten Eingang mit dem veränderlichen Widerstand verbunden ist und am zweiten Eingang auf die Sensorsignalspannung
anspricht, wobei die Subtrahiereinrichtung mit ihrem Ausgang mit dem zweiten Eingang des
Operationsverstärkers und mit der Sensorsignalspannungs-
generatoreinrichtung verbunden ist und so arbeitet, daß sie die Differenzspannung erzeugt, die im wesentlichen
gleich dem Unterschied zwischen der Sensorsignalspannung und dem vorbestimmten Spannungswert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sauerstoffsensor (a) zwei aktive Schichten jeweils
aus einem Sauerstoff ionen leitenden festen Elektrolyten, wobei jede aktive Schichte parallele Außen- und Innenflächen
aufweist,und (b) Elektrodenschichten umfaßt,
die jeweils auf den gegenüberliegenden Außenflächen jeder der aktiven Schichten ausgebildet sind, wobei eine
der aktiven Schichten ein Pumpzellenelement bildet, das auf den Aktivierungsstrom anspricht, und die andere
Aktivierungsschicht ein Sensorzellenelement liefert, das
so arbeitet, daß es die Sensorsignal spannung erzeugt, und das Pumpzellenelement und das Sensorzellenelement
wenigstens teilweise im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß dazwischen ein Zwischenraum gebildet ist,
in den die umgebenden Sauerstoff enthaltenden Gase eintreten können.
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