DE3627227A1 - Sauerstoffkonzentrations-detektoranordnung - Google Patents

Sauerstoffkonzentrations-detektoranordnung

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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.
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.
DE19863627227 1985-08-10 1986-08-11 Sauerstoffkonzentrations-detektoranordnung Granted DE3627227A1 (de)

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Publications (2)

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US (1) US4769124A (de)
DE (1) DE3627227A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3917710A1 (de) * 1988-06-02 1990-01-04 Ngk Insulators Ltd Sauerstoffsensor mit eingebautem heizelement
EP0351960A2 (de) * 1988-07-22 1990-01-24 Ford Motor Company Limited Messung und Kontrolle des Abgaskreislaufs mit einer Sauerstoffpumpvorrichtung
EP0361692A2 (de) * 1988-09-30 1990-04-04 Ford Motor Company Limited Sensor zur Bestimmung der relativen Quantität von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Gasmischung

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0635954B2 (ja) * 1987-05-12 1994-05-11 日本特殊陶業株式会社 空燃比検出装置
US5049254A (en) * 1987-05-29 1991-09-17 Ford Motor Company Exhaust gas recirculation sensor
US5089113A (en) * 1988-07-22 1992-02-18 Ford Motor Company Measurement and control of exhaust gas recirculation with an oxygen pumping device
US5010762A (en) * 1988-07-22 1991-04-30 Ford Motor Company Measurement and control of exhaust gas recirculation with an oxygen pumping device
US5145566A (en) * 1988-09-30 1992-09-08 Ford Motor Company Method for determining relative amount of oxygen containing gas in a gas mixture
US5221445A (en) * 1989-04-17 1993-06-22 Gte Laboratories Incorporated Method for determining identification and concentration of an atmospheric component
US5034107A (en) * 1989-12-12 1991-07-23 Gte Laboratories Incorporated Method for sensing nitrous oxide
US5250169A (en) * 1991-06-07 1993-10-05 Ford Motor Company Apparatus for sensing hydrocarbons and carbon monoxide
US5217588A (en) * 1992-02-27 1993-06-08 Gte Laboratories Incorporated Method and apparatus for sensing NOx
DE4340875A1 (de) * 1993-12-01 1995-06-08 Bosch Gmbh Robert Sauerstoffmeßfühler
DE4341278B4 (de) * 1993-12-03 2004-05-06 Robert Bosch Gmbh Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen
US5879526A (en) * 1994-11-08 1999-03-09 Robert Bosch Gmbh Electrochemical measuring sensor for determining nitrogen oxides in gas mixtures
KR960024356A (ko) * 1994-12-26 1996-07-20 이형도 광역공연비 센서 및 이의 구동방법
US6254750B1 (en) 1997-07-29 2001-07-03 Ecm Engine Control And Monitoring Exhaust emission sensors
US6746584B1 (en) * 1999-12-15 2004-06-08 Delphi Technologies, Inc. Oxygen sensing device
JP2004037100A (ja) * 2002-06-28 2004-02-05 Denso Corp ガスセンサ素子
DE10232355B4 (de) * 2002-07-17 2005-12-15 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer Messfühler zur Messung der Konzentration von Stickoxiden
DE102006011480A1 (de) * 2006-03-13 2007-09-20 Robert Bosch Gmbh Gassensor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59192955A (ja) * 1984-03-06 1984-11-01 Mitsubishi Electric Corp 空燃比センサ
JPH05272286A (ja) * 1992-03-23 1993-10-19 Kobe Steel Ltd 軸貫入装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2909452C2 (de) * 1979-03-10 1986-12-18 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen
NL7906833A (nl) * 1979-09-13 1981-03-17 Philips Nv Gasanalyseapparaat.
JPS57200850A (en) * 1981-06-04 1982-12-09 Ngk Insulators Ltd Detector for oxygen concentration
DE3315654A1 (de) * 1983-04-29 1984-10-31 Bosch Gmbh Robert Polarographischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoff-gehaltes in gasen
JPS59208452A (ja) * 1983-05-11 1984-11-26 Mitsubishi Electric Corp 機関の空燃比センサ
JPS6024445A (ja) * 1983-07-20 1985-02-07 Toyota Motor Corp 空燃比検出器
JPS60219547A (ja) * 1984-04-16 1985-11-02 Nissan Motor Co Ltd 酸素濃度検出装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59192955A (ja) * 1984-03-06 1984-11-01 Mitsubishi Electric Corp 空燃比センサ
JPH05272286A (ja) * 1992-03-23 1993-10-19 Kobe Steel Ltd 軸貫入装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP Abstract 60-78340 A *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3917710A1 (de) * 1988-06-02 1990-01-04 Ngk Insulators Ltd Sauerstoffsensor mit eingebautem heizelement
EP0351960A2 (de) * 1988-07-22 1990-01-24 Ford Motor Company Limited Messung und Kontrolle des Abgaskreislaufs mit einer Sauerstoffpumpvorrichtung
EP0351960A3 (de) * 1988-07-22 1991-04-10 Ford Motor Company Limited Messung und Kontrolle des Abgaskreislaufs mit einer Sauerstoffpumpvorrichtung
EP0361692A2 (de) * 1988-09-30 1990-04-04 Ford Motor Company Limited Sensor zur Bestimmung der relativen Quantität von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Gasmischung
EP0361692A3 (de) * 1988-09-30 1991-04-10 Ford Motor Company Limited Sensor zur Bestimmung der relativen Quantität von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Gasmischung

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US4769124A (en) 1988-09-06
DE3627227C2 (de) 1989-01-19

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