DE3627227A1 - Sauerstoffkonzentrations-detektoranordnung - Google Patents
Sauerstoffkonzentrations-detektoranordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung, speziell zur
Detektierung der Sauerstoffkonzentration in einem Gas,
wie beispielsweise dem Auspuffgas einer
Verbrennungskraftmaschine.
Für eine Luft-Kraftstoffverhältnis-Reglung einer
Verbrennungkraftmaschine werden generell
Luft/Kraftstoff-Regelsysteme verwendet, um die Reinigung
des Auspuffgases sowie die Verbrennung des
Kraftstoffverbrauchs sicherzustellen. In derartigen
Systemen wird die Sauerstoffkonzentration im Auspuffgas
detektiert und das Luft/Kraftstoffverhältnis der der
Maschine zugeführten Mischung als Funktion des
Ergebnisses der Detektion der Sauerstoffkonzentration
auf ein Ziel-Luft/Kraftstoffverhältnis geregelt.
Als Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnungen zur
Verwendung in einem derartigen
Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelsystem sind Anordnungen
bekannt, welche ein Ausgangssignal zu erzeugen vermögen,
dessen Pegel proportional zur Sauerstoffkonzentration im
in Frage stehenden Gas ist. Beispielsweise beschreibt
die JP-OS 52-72 286 eine
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung, welche
Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelemente mit
jeweils einem Paar von auf ihnen vorgesehenen Elektroden
aufweist. Die Oberfläche einer der Elektroden des
Festelektrolytelementes bildet einen Teil einer
Gasaufnahmekammer, in die zu messendes Gas durch eine
Einführungsöffnung eingeleitet wird.
Bei dieser Art einer
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung arbeiten das
Festelektrolytelement und das Elektrodenpaar zusammen
als Sauerstoffpumpeinheit. Wird zwischen den Elektroden
ein Treiberstrom eingespeist, so daß die auf der Seite
der Gasaufnahmekammer angeordnete Elektrode als negative
Elektrode wirkt, so wird der in dem in die
Gasaufnahmekammer eingeleiteten Gas enthaltene
Sauerstoff ionisiert und wandert zur Oberfläche der als
positive Elektrode wirkenden Elektrode. Die
Sauerstoffionen werden an der Oberfläche der positiven
Elektrode als Sauerstoffgas freigegeben. Der kritische
Wert des Stroms, welcher unter dieser Bedingung zwischen
den Elektroden fließen kann, wird im Hinblick auf die
Änderung der Größe der Speisespannung im wesentlichen
konstant. Andererseits wird er proportional zur
Sauerstoffkonzentration im zu messenden Gas. Durch
Detektierung der Größe des kritischen Stromes kann daher
die Sauerstoffkonzentration im zu messenden Gas
detektiert werden.
Bei einer derartigen Ausbildung einer
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung ist jedoch
das Ausgangssignal, dessen Größe proportional zur
Sauerstoffkonzentration ist, lediglich erhältlich, wenn
das über die Sauerstoffkonzentration im Auspuffgas
detektierte Luft/Kraftstoffverhältnis der Mischung auf
der mageren Seite des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoffverhältnisses liegt. Es ist daher nicht
möglich, für die Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelung
einen Ziel-Luft/Kraftstoffverhältnis-Wert in einem
fetten Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses
einzustellen.
In der JP-OS 59-1 92 955 ist ein weiteres Beispiel einer
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung beschrieben,
die ein Ausgangssignal zu erzeugen vermag, dessen Pegel
proportional zur Sauerstoffkonzentration im Auspuffgas
sowohl in einem fetten Bereich als auch in einem mageren
Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses ist. Eine
derartige Anordnung enthält ein Paar von
Festelektrolytelementen, von denen jedes mit einem
Elektrodenpaar versehen ist. Die Oberfläche einer der
auf jedem Festelektrolytelement vorgesehenen beiden
Elektroden bildet einen Teil der Gasaufnahmekammer,
welche ihrerseits über eine Einleitungsöffnung mit dem
zu messenden Gas in Verbindung steht. Die Oberfläche der
anderen Elektrode einer der Festelektrolytelemente ist
einer Atmosphärenluftkammer zugewandt.
Bei einer derartigen
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung arbeitet eines
der Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelemente mit
seinen beiden Elektroden als Sensorzelleneinheit zur
Erfassung der Sauerstoffkonzentration und das andere der
beiden Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelemente
mit seinen beiden Elektroden als Sauerstoffpumpeinheit.
Bei dieser Ausgestaltung wird ein Treiberstrom in der
Weise eingespeist, daß sich die Sauerstoffionen in der
Sauerstoffpumpeinheit zu der auf der Seite der
Gasaufnahmekammer liegenden Elektrode bewegen, wenn eine
an den Elektroden des
Sauerstoffkonzentrationsdetektor-Sensorzellenelementes
größer als eine vorgegebene Referenzspannung ist. Ist
andererseits die Spannung an den Elektroden des
Sensorzellenelementes kleiner als die vorgegebene
Referenzspannung, so wird der Treiberstrom derart
zugeführt, daß die Sauerstoffionen zu der Elektrode
hinbewegt werden, welche sich auf der gegenüberliegenden
Seite der Gasaufnahmekammer befindet. Auf diese Weise
wird die Änderung des Stromwertes proportional zur
Sauerstoffkonzentration sowohl im mageren Bereich als
auch im fetten Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses.
Bei einer derartigen Form einer
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung ist es jedoch
nötig, eine Atmosphärenluftkammer vorzusehen. Auch ist
die Ausgestaltung einer derartigen Anordnung ziemlich
aufwendig, woraus wiederum ein entsprechender
Kostenaufwand resultiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung der in Rede stehenden Art anzugeben, die
sehr genau arbeitet und ein Ausgangssignal zu erzeugen
vermag, dessen Änderung proportional zur
Sauerstoffkonzentration sowohl im mageren Bereich als
auch im fetten Bereich des Luft/Kraftverhältnisses ist.
Diese Aufgabe wird bei einer
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung enthält also ein
Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement und zwei
Paare von auf diesem Festelektrolytelement vorgesehenen
Elektroden. Ein Teil des Festelektrolytelementes, in dem
jeweils eine Elektrode von zwei Elektrodenpaaren
angeordnet ist, bildet einen Teil einer
Gasaufnahmekammer, die mit einem verengten
Gaseintrittsbereich verbunden ist, durch den ein
hinsichtlich seiner Sauerstoffkonzentration zu messendes
Gas eingeleitet wird. Das Sauerstoffionen leitende
Festelektrolytelement sowie die beiden Elektrodenpaare
arbeiten als zwei Sauerstoffpumpeinheiten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
besitzt die Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung
ein Paar von Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolytelementen. Eines dieser
Festelektrolytelemente ist mit einer Heizeinrichtung zur
Erhitzung des anderen Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolytelementes versehen, das zusammen mit den
zwei Paaren von auf ihm vorgesehenen Elektroden zwei
Sauerstoffpumpeinheiten bildet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält die
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung ein
Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement und zwei
Elektrodenpaare auf diesem, welche zusammen ein Paar von
Sauerstoffpumpeinheiten bilden, von denen eine als
Sauerstoffdetektor-Pumpeinheit und die andere als
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit wirkt. Die Anordnung
enthält weiterhin eine Stromquellenschaltung, welche an
den Elektroden der Sauerstoffdetektor-Pumpeinheit einen
Strom einspeist und weiterhin zwischen den Elektroden
der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit einen Treiberstrom
einspeist, so daß eine Spannung an den Elektroden der
Sauerstoffdetektor-Pumpeinheit gleich einer
Referenzspannung gehalten wird. Ein ein Maß für die
Sauerstoffkonzentration im zu messenden Gas
darstellendes Ausgangssignal wird als Summenwert der
Ströme, welche zwischen den Elektroden der
Sauerstoffdetektor-Pumpeinheit bzw. den Elektroden der
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit fließenden Ströme erzeugt.
Weitere spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind
in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den
Figuren der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung;
Fig. 2 ein Schaltbild einer Stromquellenschaltung der
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung nach
Fig. 1; und
Fig. 3 ein Diagramm des Ausgangssignalverlaufs der
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung nach
Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung enthält ein
Paar von plattenförmigen Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolytelementen 1 und 2. Zwischen diesen
Festelektrolytelementen 1 und 2 ist ein Abstandshalter 3
vorgesehen, der diese Elemente 1 und 2 parallel
zueinander im Abstand voneinander hält. Durch weitere,
in dieser Figur nicht dargestellte Wandelemente wird
eine Kammer 4 gebildet, welche als Gasaufnahmekammer
arbeitet. Zwischen den Enden der Festelektrolytelemente
1 und 2 wird durch ein Anschlagelement 6 ein verengter
Gaseinlaßbereich 5 gebildet, so daß das zu messende Gas,
d.h., das Auspuffgas, in die Gasaufnahmekammer 4
eingeleitet wird. Der Bereich 5 ist in der
Auspuffgasströmung einer Brennkraftmaschine derart
angeordnet, daß das Auspuffgas leicht in die
Gasaufnahmekammer 4 fließt. Zwei Paare von Elektroden
7 a, 7 b bzw. 8 a, 8 b sind auf dem Sauerstoffionen
leitenden Festelektrolytelement 1 vorgesehen. Die
Elektroden 7 a und 8 a sind auf einer Fläche des
Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelementes 1
vorgesehen, die der Gasaufnahmekammer 4 zugewandt ist.
Die Elektroden 7 b und 8 b sind dagegen auf einer
Oberfläche des Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolytelementes 1 auf der entgegengesetzten
Seite der der Gasaufnahmekammer 4 zugewandten Oberfläche
angebracht. Mit anderen Worten ausgedrückt, befindet
sich das Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelement
1 zwischen jeweils einem Paar von Elektroden 7 a und 7 b
bzw. 8 a und 8 b.
Das Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelement 1
sowie die Elektroden 7 a und 7 b bilden zusammen eine
Treiber-Sauerstoffeinheit 9. Entsprechend bilden das
Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelement 1 sowie
die Elektroden 8 a und 8 b zusammen eine
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10. Auf der Oberfläche
des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelementes 2,
das sich auf der anderen Seite der Gasaufnahmekammer 4
befindet, ist ein Heizelement 11 vorgesehen.
In die Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 und die
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 werden von einer
Stromquellenschaltung 12 Treiberströme (bzw. Pumpströme)
eingespeist.
Fig. 2 zeigt den Aufbau der Stromquellenschaltung 12 für
die Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung nach Fig. 1
wobei zur Erläuterung lediglich das Sauerstoffionen
leitende Festelektrolytelement 1 dargestellt ist.
Gemäß Fig. 2 wird die Stromquellenschaltung 12 durch
einen Operationsverstärker 13, Widerstände 14 bis 18,
einer Zener-Diode 19 und einen Differenzverstärker 20
gebildet. Ein Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers
13 ist über den Widerstand 14 mit den Elektroden 7 a und
8 a und weiterhin an einen invertierenden Anschluß des
Operationsverstärkers 13 angekoppelt. Die Zener-Diode 19
ist an ihrer Kathode geerdet. Dieser Zener-Diode 19 wird
an ihrer Anode über den Widerstand 18 eine Spannung Vcc
zugeführt, so daß an der Anode eine konstante
Referenzspannung gebildet wird. An einem nicht
invertierenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 13 liegt ein Potential Vcc/2, das
durch Teilung des Potentials Vcc durch die Widerstände
15 und 16 gebildet wird. Die Spannung Vcc wird dem
Elektrodenelement 8 über den Widerstand 17 zugeführt.
Einer von zwei Eingangsanschlüssen des
Differenzverstärkers 20 ist an die Elektrode 8 b
angeschlossen, während der andere Eingangsanschluß an
die Verbindungsleitung zwischen dem Widerstand 18 und
der Zener-Diode 19 angeschlossen ist. Ein
Ausgangsanschluß des Differenzverstärkers 20 ist mit der
Elektrode 7 b verbunden. Bei dem vorstehend genannten
Aufbau fließt ein Pumpstrom iD durch die
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 und ein Pumpstrom iS
durch die Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 als Funktion
der Sauerstoffkonzentration in der Gasaufnahmekammer 4,
der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 7 a und 7 b
sowie der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 8 a
und 8 b. Die Wirkungsweise der Stromquellenschaltung 12
wird im folgenden noch genauer beschrieben:
In der so aufgebauten erfindungsgemäßen
Sauerstoffkonzentration-Detektoranordnung wird dem
Heizelement 11 von einer in Fig. 1 dargestellten
Heizstromquelle 20 ein Heizstrom zugeführt. Damit wird
durch das Heizelement 11 Wärme erzeugt und zur
Aufheizung der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 sowie der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 bis auf einen
geeigneten Temperaturpegel verwendet, der höher als die
Temperatur des Auspuffgases ist.
Über eine der Elektroden (bzw. eine erste Elektrode) der
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 und eine der Elektroden
(bzw. eine erste Elektrode) der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 (Elektroden 7 a und 8 a)
wird bei einer Spannung Vcc/2 ein Treiberstrom über den
Operationsverstärker 13 erzeugt. Eine Ausgangsspannung
V aus des Operationsverstärkers 13 ist die Summe der
Spannung Vcc/2 und einer Spannung am Widerstand 14.
Durch den Widerstand 14 fließt ein Strom, welcher die
Summe des zwischen den Elektroden der
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 fließenden Pumpstromes
iD und des zwischen den Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit fließenden Pumpstroms iS
ist. Ist der Widerstandswert des Widerstandes 14 gleich
Rs, so ist die Ausgangsspannung V aus des
Operationsverstärkers 13 gleich Vcc/2+(iD + iS) Rs.
Wird die Spannung an den Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 mit Vs und der
Widerstandswert des Widerstandes 17 mit Rr bezeichnet,
so gilt für den durch die Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 fließenden Strom der
Ausdruck (Vcc/2-Vs)/Rs. Da der Strom iS von einer
zweiten Elektrode (der Elektrode 8 b) zur ersten
Elektrode (der Elektrode 8 a) der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 fließt, wird
Sauerstoff in der Gasaufnahmekammer ionisiert und tritt
über das Sauerstoff-Detektorpumpelement aus. An der
zweiten Elektrode 8 b der Sauerstoff-Detektorpumpeinheit
10 wird Sauerstoff in Form von Sauerstoffgas
freigegeben. Der Sauerstoff in der Gasaufnahmekammer 4
wird auf diese Weise abgepumpt.
Der Differenzverstärker 20 erzeugt eine Spannung
V 1(0≦ωτV 1≦ωτVcc), welche proportional zur Differenz
zwischen der Spannung an den Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 und der Zener-Spannung
Vz der Zener-Diode 19 ist. Durch den Differenzverstärker
20 wird eine Spannung Vcc/2-V 1 zwischen den Elektroden
der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 erzeugt. Auf diese
Weise fließt der Strom iD zwischen den Elektroden der
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9.
Wird dem Motor eine Mischung mit einem
Luft/Kraftstoffverhältnis etwa vom stöchiometrischen
Wert zugeführt, so führt die
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 von außerhalb Sauerstoff
in einer Menge in die Gasaufnahmekammer 4 zu, welche
gleich der Sauerstoffmenge ist, die durch die
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 abgepumpt wird. In
diesem Bereich fließt der Strom iD von der ersten
Elektrode (der Elektrode 7 a) zur zweiten Elektrode
(der Elektrode 7 b) der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9.
Da die Ströme iD und iS bei gegensinnigen
Stromrichtungen auf gleiche Größe eingestellt sind, wird
die Summe der Ströme iD und iS gleich Null
(iD + iS=0). Die Spannung Vs wird daher auf eine
vorgegebene Referenzspannung von beispielsweise 0,5 V
eingeregelt.
Im folgenden wird die Funktionsweise bei einer mageren
Luft/Kraftstoffverhältnis-Mischung diskutiert. Da die
vom Einlaßbereich 5 in die Gasaufnahmekammer 4 fließende
Sauerstoffmenge bei magerem Luft/Kraftstoffverhältnis
zunimmt, wirkt die Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 in
dem Sinne, daß die abgepumpte Sauerstoffmenge zunimmt,
d.h., der Strom iS zwischen den Elektroden der
Sauerstoff-Detektropumpeinheit 10 wird erhöht. Durch
diese Zunahme des Stromes iS nimmt die Spannung Vs ab,
wodurch der Pegel V 1 des Ausgangssignals des
Differenzverstärkers 20 erhöht wird. Durch Erhöhung der
Spannung V 1 nimmt die Spannung Vcc/2-V 1 zwischen
den Elektroden der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 ab,
wodurch die Größe des Stroms iD verringert wird. Die
durch die Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 in die
Gasaufnahmekammer 4 eingeführte Sauerstoffmenge wird
verringert. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis noch
magerer wird, so wird die Stromflußrichtung des Stroms
iD umgekehrt, so daß der Strom von der zweiten Elektrode
der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 zu deren erster
Elektrode fließt. Gleichzeitig pumpt die
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 Luft aus der
Gasaufnahmekammer 4. Die durch die
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 abgepumpte
Sauerstoffmenge wird daher nicht erhöht und auf einem
konstanten Pegel gehalten. Der Innenwiderstand der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 wird daher konstant.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird der Strom iS auf
einem Wert gehalten, der erreicht wird, wenn das
Luft/Kraftstoffverhältnis gleich dem stöchiometrischen
Wert ist. Der Summenwert der Ströme iD und iS wird
daher größer als Null (iS + iS≦λτ0). Auf diese Weise
wird der Summenwert proportional zur
Sauerstoffkonzentration.
Nun wird die Funktionsweise der Anordnung diskutiert,
wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis im fetten Bereich
liegt.
In diesem Fall nimmt die in die Gasaufnahmekammer 4 vom
Bereich 5 einströmende Kohlenmonoxyd-Menge zu. Dabei
tritt eine Reaktion zwischen dem Kohlenstoffmonoxyd und
dem Sauerstoff in der Gasaufnahmekammer 4 auf, wodurch
Kohlenstoffdioxyd erzeugt wird. Der Sauerstoff in der
Gasaufnahmekammer wird auf diese Weise verbraucht. Als
Funktion der verbrauchten Sauerstoffmenge nimmt der
Strom zwischen den Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 ab, um die Spannung Vs
anzuheben. Die Ausgangsspannung V 1 des
Differenzverstärkers 20 nimmt daher ab. Als Funktion der
Abnahme der Spannung V 1 nimmt die Spannung zwischen
den Elektroden der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9
Vcc/2-V 1 zu, um den Strom iD zu erhöhen. Die in die
Gasaufnahmekammer 4 eingeführte Sauerstoffmenge wird
daher größer als der Wert, der erreicht wird, wenn das
Luft/Kraftstoffverhältnis der Mischung einen
stöchiometrischen Wert besitzt. Auf diese Weise wird die
Sauerstoffmenge in der Gasaufnahmekammer 4 gleich der
bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis
erreichten Menge. Dies bedeutet, daß die durch die
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 abgepumpte
Sauerstoffmenge statt abzunehmen auf einem konstanten
Pegel gehalten wird und auf Grund dessen der
Innenwiderstand der Sauerstoff-Detektorpumpeinheit C
einen konstanten Wert erreicht.
Kurz gesagt, wird der Strom iS auf einem bei
stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis erreichten
Wert gehalten und der Wert iD + iS wird kleiner als Null
(iD + iS≦ωτ0) und ändert sichproportional zur
Sauerstoffkonzentration.
Die erfindungsgemäße
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung übt eine
Regelung im Sinne der Erhaltung der
Sauerstoffkonzentration in der Gasaufnahmekammer 4 aus.
in einer derartigen Regelung pumpt die
Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9 Sauerstoff aus der
Gasaufnahmekammer 4 ab oder in diese hinein, so daß die
durch die Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 abgepumpte
Sauerstoffmenge konstant gehalten wird. Die Spannung Vs
und der Strom iS über den Elektroden der
Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 werden daher immer
konstant gehalten. Der Summenwert iD + iS ändert sich
daher proportional zur Sauerstoffkonzentration sowohl im
mageren Bereich als auch im fetten Bereich, wie dies in
Fig. 3 dargestellt ist, in welcher ein Wert 14,7 das
stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis
repräsentiert.
Das Ergebnis dieser Detektierung der
Sauerstoffkonzentration ergibt sich in Form des
Spannungspegels V aus des Ausgangssignals des
Operationsverstärkers 13.
Da das Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelement
generell isotrop ist, kann darüber hinaus ein geringer
Strombetrag zwischen der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit 9
und der Sauerstoff-Detektorpumpeinheit 10 in beiden
Richtungen durch Lecken abfließen. Diese Leckströme sind
jedoch hinsichtlich der Größe gleich und hinsichtlich
ihrer Stromrichtungen entgegengerichtet. Die Leckströme
werden daher ausgelöscht und besitzen praktisch keinen
Einfluß auf den Sauerstoffkonzentrations-Detektorstrom
iD + iS.
Aus den vorstehenden Ausführungen folgt, daß
erfindungsgemäß ein Sauerstoffionen leitendes
Festelektrolytelement mit zwei Elektrodenpaaren
vorgesehen ist und Teile dieses Elementes, an denen die
beiden Elektrodenpaare angebracht sind, einen Teil der
Gasaufnahmekammer bilden, welche mit dem verengten
Gaseinlaßbereich in Verbindung steht. Das
Sauerstoffionen leitende Festelektrolytelement und die
beiden Elektrodenpaare arbeiten zusammen als zwei
Sauerstoffpumpeinheiten. Diese Sauerstoffpumpeinheiten
werden so geregelt, das eine im Sinne der Abpumpung von
Sauerstoff aus der Gasaufnahmekammer oder im Sinne des
Pumpens von Sauerstoff in die Gasaufnahmekammer wirkt,
so daß die andere Sauerstoffpumpeinheit immer eine
konstante Sauerstoffmenge aus der Gasaufnahmekammer
abpumpt. Für Luft/Kraftstoffverhältnisse sowohl im
mageren Bereich als auch im fetten Bereich wird daher
durch Detektion des Summenwertes der zwischen den
Elektroden der Sauerstoffpumpeinheiten fließenden Ströme
ein sehr genaues Ausgangssignal erhalten, dessen Wert
proportional zur Sauerstoffkonzentration im Auspuffgas
ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße
Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung insofern
vorteilhaft, als ihr Aufbau relativ einfach und ihre
Größe reduzierbar ist. Weiterhin sind die Kosten für
eine derartige Anordnung weit geringer als bei bekannten
Detektoranordnungen.
Im Falle der vorstehend beschriebenen bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist eines der beiden
Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelemente mit
einem Heizelement versehen. Daher ist eine sehr genaue
und stabile Arbeitsweise der
Sauerstoffkonzentrationsdetektion durch Aufheizung des
Sauerstoff-Detektorpumpelementes und des
Treiber-Sauerstoffpumpelementes auf einen vorgegebenen
geeigneten Temperaturwert möglich.
Darüber hinaus wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung
die durch die Sauerstoff-Detektorpumpeinheit abgepumpte
Sauerstoffmenge durch die Funktionsweise der
Stromquellenschaltung konstant gehalten, welche Ströme
an den Elektroden der Sauerstoff-Detektorpumpeinheit und
der Treiber-Sauerstoffpumpeinheit einspeist, derart, daß
die an den Elektroden der Sauerstoff-Detektorpumpeinheit
erzeugte Spannung gleich der Referenzspannung ist. Auf
diese Weise ist eine genaue Detektierung der
Sauerstoffkonzentration sowohl im fetten Bereich als
auch im mageren Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses
möglich.
Claims (4)
1. Sauerstoffkonzentrations-Detektoranordnung,
gekennzeichnet durch
ein erstes Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement (1), das mit einer Oberfläche einer Gasaufnahmekammer (4) mit einem verengten Gaseintrittsbereich (5) zugekehrt ist, durch den Gas mit zu messender Sauerstoffkonzentration eintritt,
ein erstes Paar von auf dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelement (1) vorgesehenen Elektroden (7 a, 7 b), die einen ersten Teil dieses Festelektrolytelementes (1) zwischen sich enthalten,
ein zweites Paar von auf dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelement (1) vorgesehenen Elektroden (8 a, 8 b), die einen zweiten, dem ersten Teil benachbarten Teil dieses Festelektrolytelementes (1) zwischen sich enthalten,
und eine Stromquellenschaltung (12) zur Zuführung von Pumpströmen (iD, iS), am ersten und am zweiten Elektrodenpaar (7 a, 7 b bzw. 8 a, 8 b), so daß das erste Elektrodenpaar (7 a, 7 b), und der zwischen ihnen enthaltene Teil des Festelektrolytelementes (1) sowie das zweite Elektrodenpaar (8 a, 8 b) und der zwischen ihnen enthaltene Teil des Festelektrolytelementes (1) als ein Paar von Sauerstoffpumpeinheiten (9, 10) wirken, und die Sauerstoffkonzentration über die Größen der Pumpströme (iD, iS) detektiert werden kann.
ein erstes Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement (1), das mit einer Oberfläche einer Gasaufnahmekammer (4) mit einem verengten Gaseintrittsbereich (5) zugekehrt ist, durch den Gas mit zu messender Sauerstoffkonzentration eintritt,
ein erstes Paar von auf dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelement (1) vorgesehenen Elektroden (7 a, 7 b), die einen ersten Teil dieses Festelektrolytelementes (1) zwischen sich enthalten,
ein zweites Paar von auf dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelement (1) vorgesehenen Elektroden (8 a, 8 b), die einen zweiten, dem ersten Teil benachbarten Teil dieses Festelektrolytelementes (1) zwischen sich enthalten,
und eine Stromquellenschaltung (12) zur Zuführung von Pumpströmen (iD, iS), am ersten und am zweiten Elektrodenpaar (7 a, 7 b bzw. 8 a, 8 b), so daß das erste Elektrodenpaar (7 a, 7 b), und der zwischen ihnen enthaltene Teil des Festelektrolytelementes (1) sowie das zweite Elektrodenpaar (8 a, 8 b) und der zwischen ihnen enthaltene Teil des Festelektrolytelementes (1) als ein Paar von Sauerstoffpumpeinheiten (9, 10) wirken, und die Sauerstoffkonzentration über die Größen der Pumpströme (iD, iS) detektiert werden kann.
2. Detektoranordnung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
ein zweites, dem ersten Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolytelement (1) zugekehrtes und mit diesem
die Gasaufnahmekammer (4) bildendes Sauerstoffionen
leitendes Festelektrolytelement (2) und eine an das
zweite Festelektrolytelement (2) angeschaltete
Heizeinrichtung (21) zu dessen Aufheizung auf einen
vorgegebenen Temperaturpegel.
3. Detektoranordnung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Stromquellenschaltung (12) einen
Referenzspannungs-Generatorkreis (18, 19) zur
Erzeugung einer Referenzspannung mit vorgegebenem
konstantem Pegel enthält, und daß die
Stromquellenschaltung (12) die Größe des zwischen dem
ersten Elektrodenpaar (7 a, 7 b) eingespeisten
Pumpstroms (iD) so steuert, daß eine
Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten
Elektrodenpaar (8 a, 8 b) auf einem dem vorgegebenen
Pegel der Refernzspannung entsprechenden Pegel
gehalten wird, wodurch die Sauerstoffkonzentration in
der Gasaufnahmekammer (4) über einen Summenwert, der
zwischen dem ersten Elektrodenpaar (7 a, 7 b) und dem
zweiten Elektrodenpaar (8 a, 8 b) fließenden
Pumpströmen (iD, iS) detektiert wird.
4. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Stromquellenschaltung (12) folgende Komponenten
aufweist:
eine Konstant-Spannungs/Stromquellenschaltung (13, 15, 16), die über einen Widerstand (14) an eine Elektrode (7 a) des ersten Elektrodenpaars (7 a, 7 b) und eine Elektrode (8 a) des zweiten Elektrodenpaars (8 a, 8 b), die auf der der Gasaufnahmekammer (4) zugewandten Oberfläche des ersten Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelementes (1) angeordnet sind, angeschlossen ist und Spannungswerte an diesen Elektroden (7 a, 8 a) auf einem vorgegebenen Spannungspegel hält,
und einen an den Referenzspannungs-Generatorkreis (18, 19) angeschalteten und zwischen der anderen Elektrode (7 b) des ersten Elektrodenpaars (7 a, 7 b) und der anderen Elektrode (8 b) des zweiten Elektrodenpaars (8 a, 8 b) liegenden Differenzverstärker (20) zur Steuerung der Größe des zwischen dem ersten Elektrodenpaar (7 a, 7 b) fließenden Pumpstroms (iD) derart, daß die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Elektrodenpaar (8 a, 8 b) auf einem dem vorgegebenen Pegel der Referenzspannung entsprechenden Pegel gehalten wird, wodurch am Verbindungspunkt zwischen der Konstant-Spannungs/Stromquellenschaltung (13, 15, 16) und dem Widerstand (14) ein ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der Gasaufnahmekammer (4) darstellendes Spannungssignal mit sich proportional zum Summenwert der Pumpströme (iD, iS) änderndem Pegel erhalten wird.
eine Konstant-Spannungs/Stromquellenschaltung (13, 15, 16), die über einen Widerstand (14) an eine Elektrode (7 a) des ersten Elektrodenpaars (7 a, 7 b) und eine Elektrode (8 a) des zweiten Elektrodenpaars (8 a, 8 b), die auf der der Gasaufnahmekammer (4) zugewandten Oberfläche des ersten Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelementes (1) angeordnet sind, angeschlossen ist und Spannungswerte an diesen Elektroden (7 a, 8 a) auf einem vorgegebenen Spannungspegel hält,
und einen an den Referenzspannungs-Generatorkreis (18, 19) angeschalteten und zwischen der anderen Elektrode (7 b) des ersten Elektrodenpaars (7 a, 7 b) und der anderen Elektrode (8 b) des zweiten Elektrodenpaars (8 a, 8 b) liegenden Differenzverstärker (20) zur Steuerung der Größe des zwischen dem ersten Elektrodenpaar (7 a, 7 b) fließenden Pumpstroms (iD) derart, daß die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Elektrodenpaar (8 a, 8 b) auf einem dem vorgegebenen Pegel der Referenzspannung entsprechenden Pegel gehalten wird, wodurch am Verbindungspunkt zwischen der Konstant-Spannungs/Stromquellenschaltung (13, 15, 16) und dem Widerstand (14) ein ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der Gasaufnahmekammer (4) darstellendes Spannungssignal mit sich proportional zum Summenwert der Pumpströme (iD, iS) änderndem Pegel erhalten wird.
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