DE3633740A1

DE3633740A1 - Luft/kraftstoff-verhaeltnissensor des festelektrolyttyps mit spannungsregelung

Info

Publication number: DE3633740A1
Application number: DE19863633740
Authority: DE
Inventors: Tetsusyo Yamada; Takao Kojima; Hiroyuki Ishiguro; Yoshihide Kami
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1985-10-05
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 1987-04-09
Anticipated expiration: 2006-10-04
Also published as: JPS6281559A; DE3633740C2; US5047137A; US5047137B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor zur Durchführung einer zweckmäßigen Regelung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen und anderen Verbrennungsvorrichtungen mittels der Erfassung der Konzentration von Sauerstoff im Abgas.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Kraftstoffausnutzung und die Verringerung der Emissionen werden verbreitet automatische Verbrennungsregelvorrichtungen eingesetzt, um in Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, optimale Verbrennungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Solche Vorrichtungen müssen mit der nötigen Regelinformation von externen Informationsquellen beschickt werden. Für diesen Zweck sind verschiedene Arten von Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren entwickelt worden, die das Luft/Kraftstoffverhältnis (oder das Luftüberschußverhältnis, λ) eines Luft/Kraftstoffgemisches durch Messen der Konzentration von Sauerstoff oder der brennfähigen Bestandteile im Abgas festzustellen oder zu erfassen vermögen. Das Luftüberschußverhältnis ist auf das Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) mit der Bezeichnung λ = (A/F)/14,7 bezogen.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen den Aufbau eines bisherigen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors des eine elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle verwendenden Typs. Da er für die Verwendung in einer interessierenden oder zu untersuchenden Atmosphäre, z. B. im Abgassystem einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, vorgesehen ist, umfaßt dieser Sensor eine Sauerstoffpumpe A und eine elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle B, die beide eine längliche, plattenartige Form besitzen und über einen kleinen geschlossenen Raum a, der mit einer mit der interessierenden Atmosphäre kommunizierenden Öffnung (oder Bohrung) versehen ist, in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind und die jeweils nahezu die gleiche Ausgestaltung aufweisen. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Platte 1 (oder 4) mit den Abmessungen 4 × 40 × 0,7 mm besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, wie Zirkondioxid (ZrO₂, teilweise mit Y₂O₃ stabilisiert). Gegenüberliegende Seiten der Spitze der Platte 1 sind mit Elektroden- Schichten 2 und 3 (oder 5 und 6), z. B. nach geeigneter Dickschichtauftragtechnik ausgebildeten porösen Platinschichten, beschichtet. Die poröse Platinschicht liegt in der Form einer Platinpaste mit einer Breite von 2 mm, einer Länge von 3 mm und einer Dicke von etwa 20 µm vor und besitzt eine Porosität von etwa 30% und einen Bindemittelgehalt von 20 Gew.-%. Die Elektroden 2 und 3 (oder 5 und 6) sind an Zuleitungen (Leitungsdrähte) 8 bzw. 9 (oder 10 bzw. 11) angeschlossen, wobei die Zuleitungen 8 und 11 über einen Anschluß 14 an Masse liegen, während die Zuleitungen 9 und 10 über Klemmen oder Anschlüsse 14 bzw. 15 getrennt herausgeführt sind.

Die Sauerstoffpumpe A wird mit Gleichstrom von einer Stromquelle 30 über einen variablen oder Regelwiderstand 31, der den zur Sauerstoffpumpe A fließenden Strom zu regeln vermag, gespeist. Die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle B (im folgenden einfach als Konzentrationszelle bezeichnet) ist über die Zuleitung 10 mit einem Voltmeter 32 für Ausgangssignalmessung verbunden. Gemäß Fig. 1 dient ein Metall-Einbaustück 20 für den Einbau des Sensors. Verschiedene Isolatoren 21-24 isolieren die Leiter. Eine Hülle 27 erleichtert den Einbau der Anschlüsse oder Klemmen. Eine Abdeckung 25 schützt die Pumpe A und die Zelle B. An mehreren Stellen des Umfangs der Abdeckung 25 ragen jeweils fingernagelartige Rippen 26 nach innen, die mit der interessierenden Atmosphäre kommunizierende Öffnungen festlegen. Ein plattenförmiges Heizelement 7 wird über eine Verdrahtungs-Klemme 16 von einer Stromquelle 33 her mit Strom gespeist.

Der Sensor gemäß den Fig. 1 und 2 arbeitet wie folgt: Wenn ein nicht dargestellter Schalter geschlossen wird, wird ein konstanter Strom, dessen Größe durch den Regelwiderstand 31 vorherbestimmt ist, von der Konstantspannungs- Gleichstromquelle 30 her an die beiden Elektroden 2 und 3 der Sauerstoffpumpe A angelegt, die ihrerseits sodann den Sauerstoff in der Atmosphäre im kleinen geschlossenen Raum a (Spaltbreite = 0,1 mm) ionisiert. Die negative Elektrode 2 steht mit der Atmosphäre im Raum oder Spalt a in Verbindung und liefert somit Elektronen zum Sauerstoff. Der ionisierte Sauerstoff wird durch die tafelartige Schicht 1 des Festelektrolyten zur positiven Elektrode 3 hin übertragen. Die die Fläche der positiven Elektrode 3 erreichenden Sauerstoffionen werden ihrer Elektronen beraubt und als molekularer Sauerstoff in die interessierende Atmosphäre bzw. Meßatmosphäre entlassen. Dies stellt den durch die Sauerstoffpumpe A bewirkten Auspumpmechanismus dar. Wenn dem Raum a Sauerstoff entzogen wird, fließt der in der Meßatmosphäre enthaltene Sauerstoff über die Verbindungs-Öffnungen 26 in den Raum a, um in letzterem einen Gleichgewichtszustand herbeizuführen. Im Raum a verbleibt Sauerstoff in einer gegebenen Konzentration, die sich durch die Sauerstoffkonzentration in der Meßatmosphäre bestimmt.

In der Konzentrationszelle B ist die eine Elektrodenfläche 6 mit dem Raum a in Verbindung, während die andere Elektrodenfläche 5 mit der Meßatmosphäre oder einer (beliebigen) anderen Atmosphäre, wie Luft, mit einem Sauerstoffpartialdruck in Berührung steht. Dabei wird die erzeugte elektromotorische Kraft oder EMK gemessen, und die Sauerstoffkonzentration in der Meßatmosphäre wird auf diese Weise bestimmt, um als Grundlage für die Berechnung des Luft/Kraftstoffverhältnisses dieser Atmosphäre benutzt zu werden. Durch vorausgehende Betriebsversuche mit der Verbrennungsvorrichtung kann eine optimale Stromgröße für spezifische Betriebsbedingungen des Sensors bestimmt werden.

Wenn ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit dem beschriebenen Aufbau in einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine verwendet wird, kommt es häufig vor, daß sich das Zirkonoxid des Festelektrolyten 1 im Bereich der Elektrode 2 der Sauerstoffpumpe A, die mit dem kleinen geschlossenen Raum a in Kontakt steht bzw. diesem zugewandt ist, schwärzt. Diese, als "Schwärzung" bezeichnete Erscheinung ist insofern irreversibel, als sie nicht mehr verschwindet, wenn sie einmal zu weit fortgeschritten ist. Erfindungsgemäß hat es sich herausgestellt, daß mit zunehmender Schwärzung auch der Innen- oder Eigenwiderstand der Sauerstoffpumpe ansteigt, und daß bei zu stark zunehmender Schwärzung feine Risse im Festelektrolyten 1 entstehen und sich in Größe und Zahl vergrößern, bis die Sauerstoffpumpe schließlich völlig versagt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines schwärzungsfreien Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit einem kleinen geschlossenen Raum, der eine mit einer interessierenden Atmosphäre oder Meßatmosphäre kommunizierende Öffnung oder Bohrung aufweist. Bei einer Sauerstoffpumpe ist dabei eine Schicht aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten zwischen zwei poröse Elektroden eingefügt, so daß sie Sauerstoff aus dem kleinen geschlossenen Raum herauszupumpen vermag. Eine Stromversorgungseinheit liefert elektrischen Strom zur Sauerstoffpumpe. Der Sensor enthält ferner eine Stromversorgungs-Steuerschaltung, welche die Lieferung von Strom zur Sauerstoffpumpe beendet oder begrenzt, wenn die an letztere angelegte Spannung eine vorbestimmte Größe übersteigt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnitt-Seitenansicht eines bisherigen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors nebst einem Schaltbild eines Eingangs/Ausgangskreises dafür,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Einflusses eines Sintermittels auf die Mindestspannung, die zur Herbeiführung von Schwärzung an die Sauerstoffpumpe angelegt werden muß,

Fig. 3 und 5 graphische Darstellungen der Ergebnisse von im Zuge der Entwicklung des erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors durchgeführten Vorversuchen, wobei Fig. 3 die Wechselbeziehung (den Zusammenhang) zwischen dem Luftüberschußverhältnis (λ) eines Abgases, der an die Sauerstoffpumpe angelegten Spannung und dem Auftreten (incidence) der Schwärzung bei dem beim Sensor gemäß Fig. 1 verwendeten, Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten und Fig. 5 den Zusammenhang zwischen den gleichen Faktoren bei einer in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung verdeutlichen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung mit nur teilweise dargestellter Sauerstoffpumpe eines experimentellen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors mit derselben Konstruktion wie in Fig. 1,

Fig. 7 eine schematische Schnitt-Seitenansicht des Hauptteils einer bei einem Luft/Kraftstoff- Verhältnissensor gemäß der Erfindung vorgesehenen Sauerstoffpumpe nebst einem Schaltbild einer Schaltung für die Zufuhr von elektrischem Strom zur Sauerstoffpumpe und einer Schaltung für die Regelung der Steuerung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe und

Fig. 8 ein Schaltbild einer Stromzufuhr-Steuerschaltung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Ein Mechanismus des Auftretens und Fortschreitens von Schwärzung läßt sich wie folgt erklären: Wenn die Brennkraftmaschine auf ein hohes Luft/Kraftstoffverhältnis eingestellt ist, muß die Kapazität der Pumpe durch Vergrößerung des Stroms (power) vergrößert werden, so daß damit der der Pumpe zugeführte Strom vergrößert wird. Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Luft/Kraftstoffgemisches beim Umschalten des Stroms auf einen höheren Wert (zufällig) dicht an der stöchiometrischen Größe von 14,7 (λ = 1) liegt, treibt die Sauerstoffpumpe, die nunmehr eine größere Kapazität oder Leistung für das Auspumpen von Sauerstoff besitzt, den größten Teil des im kleinen geschlossenen Raum a vorhandenen Sauerstoffs aus. Gleichzeitig reduziert sie das Festelektrolyt-Zirkondioxid 1 durch Auspumpen des in diesem gebundenen Sauerstoffs. Das wiederholte Auftreten dieser Reduktionswirkung ist für das Fortschreiten der Schwärzung verantwortlich.

Erfindungsgemäß wurde auch festgestellt, daß eine sekundäre oder zweite Ursache für das Auftreten von Schwärzung besteht. Wenn die Temperatur der Sauerstoffpumpe A zu niedrig ist, ist eine größere Energiemenge für den Fortgang der Sauerstoffionisation an der Oberfläche der Elektrode 2 erforderlich. Auch wenn die Einführung von zusätzlichem Sauerstoff in den Raum a ziemlich gleichmäßig erfolgt, erhöht sich dabei der Innen- oder Eigenwiderstand (die Impedanz) der Elektrode 2 an der Sauerstoffpumpe A auf eine ausreichend hohe Größe, um die Möglichkeit für das Auftreten von Schwärzung zu vergrößern.

Die Erfindung wurde nun auf der Grundlage verschiedener Versuche entwickelt, die zur Nachahmung der Umstände, unter denen Schwärzung beim bisherigen Luft/Kraftstoff- Verhältnissensor auftritt, durchgeführt wurden. Für die Simulation oder Nachahmung dieser Umstände wurden erfindungsgemäß die im folgenden beschriebenen Vorversuche durchgeführt.

Experimentelle Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wurden Abgasen verschiedener Größen des Luftüberschußverhältnisses λ ausgesetzt. An die Sauerstoffpumpe A jedes Sensors wurden unterschiedliche Größen des Stroms I _p jeweils für 10 Minuten angelegt, um die λ:I _p-Kurve zu bestimmen, bei der eine feststellbare Schwärzung auftritt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I angegeben und in Fig. 3 graphisch dargestellt.

Tabelle I

In obiger Tabelle I und in Fig. 3 bedeuten: λ = Luftüberschußverhältnis, I _p = durch die Sauerstoffpumpe A fließender Strom, V _p = der Sauerstoffpumpe aufgeprägte Spannung und V _s = die durch die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle B erzeugte EMK. Die in Fig. 3 in Klammern stehenden Ziffern stehen für den Strom I _p in mA und einen ungefähren Widerstand R _p (in Ohm) der Sauerstoffpumpe A. In der graphischen Darstellung von Fig. 3 gilt R _p = V _p/ I _p. Die zweckmäßige Berechnung von R _p wird später noch näher erläutert werden.

Wie aus Tabelle I und Fig. 3 hervorgeht, tritt im Bereich von λ = 0,9 - 1,4 (13,0 - 20,5, ausgedrückt als Luft/Kraftstoffverhältnis) in keinem Fall eine Schwärzung auf, auch wenn die an die Sauerstoffpumpe A angelegte Spannung V _p auf 6,0 V oder darunter gehalten wird; andererseits tritt in nahezu allen Fällen Schwärzung auf, wenn V _p = 6,5 V oder mehr beträgt. Daraus kann sicher geschlossen werden, daß die gestrichelte Linie (B) in Fig. 3 eine Grenzlinie darstellt, unterhalb welcher keine Schwärzung auftritt, während oberhalb dieser Linie Schwärzung auftritt. Bei den beschriebenen Versuchen wurde das Abgas auf einer Temperatur von 400°C gehalten und mit einer Strömungsmenge von 100 l/min geleitet; an das Heizelement 7 wurde eine Gleichspannung von 10 V angelegt, und die Sauerstoffpumpe A wurde auf einer Temperatur von 650°C gehalten.

Das auf die beschriebene Weise erzielte Profil (d. h. die Kennlinien) der Spannungen, die an die Sauerstoffpumpe A angelegt werden müssen, um eine konstante Spannung von 40 mV in der Konzentrationszelle B unter den Versuchsbedingungen zu erzeugen, ist durch die Kurven (C) und (D) in Fig. 3 zu Vergleichszwecken dargestellt. Die Kurve (C) zeigt die Kennwerte für die Anlegung einer Gleichspannung von 10 V an das Heizelement, während die Kurve (D) die entsprechenden Kennwerte bei einer Heizelement-Gleichspannung von 12,5 V angibt.

Als nächstes sei die Beziehung zwischen dem Luftüberschußverhältnis (λ) im Abgas und der für die Einleitung einer Schwärzung an die Sauerstoffpumpe anzulegenden Mindestspannung betrachtet. Wenn das Luft/Kraftstoffgemisch mit Kraftstoff angereichert ist und das Abgas eine vernachlässigbare Sauerstoffmenge enthält, finden die drei im folgenden angegebenen Reaktionen statt:

Die Gleichgewichtskonstanten K(1) bis K(3) für diese Reaktionen lassen sich wie folgt definieren:

K(1) = PCO/PO₂ ^1/2
K(2) = PH₂O/PH₂·PO₂ ^1/2
K(3) = PCO₂/PCO·PO₂ ^1/2

In obigen Gleichungen bedeutet P = Partialdruck des folgenden oder jeweiligen einzelnen Gases.

Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck wird jede dieser Konstanten bei der im Bereich der Elektrodenfläche der Sauerstoffpumpe A vorherrschenden Temperatur in einem Gleichgewichtzustand (Equilibrium) gehalten. Aufgrund der Wirkungsweise der Sauerstoffpumpe A schreitet jedoch die im folgenden angegebene, an der negativen Elektrode 2 auftretende Elektrodenreaktion bis zur rechten Seite fort, so daß Sauerstoff aus dem kleinen geschlossenen Raum a ausgepumpt werden kann:

O₂ + 4e^- ⇄ 2O^--

Das Auspumpen oder Austreiben von Sauerstoff bewirkt eine Verkleinerung von PO₂ (d. h. Sauerstoffpartialdruck). Zur Aufrechterhaltung der Gleichgewichtskonstanten setzt daher eine zur linken Seite der obigen Gleichung fortschreitende Dissoziationsreaktion ein, die eine relative Vergrößerung in den Mengen der angereicherten Gase (rich gases) im Bereich der Elektrode hervorruft. Tatsächlich strömt jedoch das Abgas über die Verbindungs- Öffnung in den Raum a, mit dem Ergebnis, daß gasförmiges O₂ weiter zugeführt wird und keine Änderung in den Partialdrucken der anderen Gasbestandteile im Reaktionssystem eintritt. Versuchsergebnisse zeigten, daß ein Abgas mit λ = 0,9 keinerlei Schwärzung hervorruft, auch wenn V _p auf 6 V eingestellt ist. Gemäß den Reaktionsgleichungen (1) bis (3) ist der Sauerstoffgehalt bei λ = 1 am niedrigsten. Dieser niedrige Sauerstoffgehalt verringert die Betriebsleistung der Sauerstoffpumpe A, was einen günstigen Zustand für das Auftreten von Schwärzung als Ergebnis der Vergrößerung von V _p darstellen würde. Mit anderen Worten: bei λ = 1 ist die Größe von V _p, die für die Herbeiführung von Schwärzung erforderlich ist, kleiner als bei anderen Werten für λ. Der Schlüssel zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe kann demzufolge dann gefunden werden, wenn die obere Grenze für die Spannung, die ohne die Herbeiführung einer Schwärzung an die Sauerstoffpumpe A angelegt werden kann, anhand einer Reihe von Verbrennungsversuchen bei λ = 1 bestimmt wird.

Erfindungsgemäß hat es sich auch gezeigt, daß die Größe von V _p nicht nur von der Art des als Hauptkomponente der Sauerstoffpumpe verwendeten Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, z. B. Zirkonoxid oder Yttriumoxid, abhängt, sondern auch von der Menge eines Sintermittels (z. B. Aluminiumoxid), wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der verwendete Ausdruck "Sintermittel" ist ein Gattungsbegriff. Das in diesem gattungsgemäßen oder grundsätzlichen Sintermittel enthaltene Aluminiumoxid kann durch andere Sintermittel, wie Silizium, Magnesiumoxid, Kalziumoxid usw., in einer Menge von bis zu etwa 30 Mol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Sintermittels, ersetzt werden. Aus Fig. 4 geht folgendes hervor: Wenn der Gehalt an Sintermittel klein ist, tritt eine Schwärzung auch bei großen Werten von V _p nicht auf, während eine Größe von V _p = 3 V nicht klein genug ist, um bei einem hohen Sintermittelgehalt eine Schwärzung zu verhindern.

Wie vorher erwähnt, hat es sich erfindungsgemäß auch herausgestellt, daß sich die Wahrscheinlichkeit für eine Schwärzung eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, z. B. Zirkonoxid, auch dann vergrößert, wenn der Innen- oder Eigenwiderstand (Impedanz) der Sauerstoffpumpe A eine bestimmte Größe übersteigt. Eine andere Möglichkeit zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht mithin darin, die Impedanz R _p der Sauerstoffpumpe A zu erfassen oder zu messen und sie als Information zu benutzen, anhand derer das Auftreten von Schwärzung vorausgesagt werden kann.

Eine ungefähre Größe von R _p läßt sich anhand der der Sauerstoffpumpe aufgeprägten Spannung V _p und des durch die Sauerstoffpumpe fließenden Stroms I _p abschätzen. Wenn der betreffende Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor den Aufbau gemäß Fig. 1 aufweist und eine Kombination aus einer Sauerstoffpumpe, einer elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle und einem kleinen geschlossenen Raum, aus dem Sauerstoff ausgepumpt werden soll, umfaßt, läßt sich die Größe von R _p noch genauer bestimmen, wenn zunächst kV _s (mit k = eine Konstante) von V _p subtrahiert und dann die Differenz durch I _p dividiert wird. Die Spannung kV _s ist die anhand der Ausgangsspannung V _s der elektrochemischen Zelle nach der Nernstschen Gleichung bestimmte elektromotorische Kraft bzw. EMK. Diese Prozesse lassen sich durch die folgende mathematische Formel ausdrücken:

R _p = (V _p - kV _s)/I _p

Die Berechnungen anhand der Größen von V _p und I _p, die bei einer Abgasatmosphäre mit λ = 1, welche den höchsten Innen- oder Eigenwiderstand der Sauerstoffpumpe A hervorrufen würde, gemessen wurden, lieferten einen ausreichenden Beweis für den Schluß, daß der obere Grenzwert von R _p für den Betrieb des Luft/Kraftstoff- Verhältnissensors ohne das Auftreten einer Schwärzung des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten sicher auf 1500 Ω·mm², bezogen auf die Elektrodenoberfläche, eingestellt werden kann (für eine Elektrodenoberfläche von 6 mm² reduziert sich diese Größe zu 1500/6 = 250 Ω).

An dieser Stelle ist jedoch hervorzuheben, daß bei von λ = 1 abweichenden λ-Werten der Parameter R _p kein absolut zuverlässiger Indikator für eine Schwärzung ist. In Fig. 3 ist V _p auf 11 Punkten gegen λ aufgetragen. Die Ergebnisse der einfachen Berechnung von R _p anhand von V _p/I _p für die einzelnen Punkte stehen in Klammern neben den jeweiligen Punkten [I _p(mA)/R (Ω)]. Die Werte von R _p würden wesentlich kleiner werden, wenn die Formel oder Beziehung (V _p - kV _s)/ I _p angewandt werden würde. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, beträgt R _p in der "Schwärzungszone" etwa 254 Ω bei λ = 1,0, während bei anderen Größen von λ (1,2 und 1,4) R _p zu 149, 156 und 120 wird. Die Schwärzung ist somit nicht notwendigerweise auf R _p, aber vollständig auf V _p bezogen.

Fig. 5 veranschaulicht in graphischer Darstellung die Beziehung von I _p bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor der in Fig. 7 (bzw. 6) dargestellten Ausgestaltung, wobei die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle B und der kleine geschlossene Raum a weggelassen sind. Dieser Verhältnissensor wurde drei verschiedenen Atmosphären ausgesetzt, nämlich atmosphärischer Luft, Abgas mit λ = 0,9 und Abgas mit λ = 1,0. Für den Versuch mit Atmosphärenluft, dessen Ergebnisse durch die Kurve (E) in Fig. 5 angegeben sind, wurde eine Gleichspannung von 12,5 V an das Heizelement 7 angelegt. Die Kombinationen von V _p und I _p, die unmittelbar nach 10 Minuten langer Spannungsanlegung an das Heizelement 7 eine Schwärzung hervorriefen, sind mit einem schwarzen Dreieck bezeichnet, während die Kombinationen, die eine Rißbildung in der Festelektrolytplatte 1 als Folge des Fortschreitens der Schwärzung verursachten, mit "X" bezeichnet sind. Die für die Ableitung der Kurve (E) angewandten Versuchsbedingungen waren für das Fließen des Pumpstroms I _p am vorteilhaftesten; es stellte sich jedoch heraus, daß unabhängig von einer ausreichenden Erwärmung der Sauerstoffpumpe eine Schwärzung aufzutreten begann, wenn V _p auf 6 V oder mehr anstieg, und außerdem eine Rißbildung bei 7 V oder mehr einsetzte. Die Kurve (F) veranschaulicht die Ergebnisse eines mit Abgas von λ = 1,0 durchgeführten Versuches, d. h. die Bedingung, unter welcher der kleinste Punktstrom I _p fließen kann. Bei diesem Versuch wurde die Sauerstoffpumpe weniger stark erwärmt (10 V für 10 min an das Heizelement angelegt). Wie Kurve (F) zeigt, setzte eine meßbare Schwärzung ein, wenn V _p eine Größe von 6 V überstieg. Kurve (G) veranschaulicht die Ergebnisse eines mit Abgas von λ = 0,88 (Luft/Kraftstoffverhältnis = 13) durchgeführten Versuchs. Bei diesem Versuch wurde die Sauerstoffpumpe ebenfalls weniger stark erwärmt (10 V für 10 min an das Heizelement angelegt). Die Kurve (G) zeigt zumindest, daß bei V _p von 6 V oder weniger keine meßbare oder feststellbare Schwärzung auftritt. Aus den obigen Versuchsergebnissen kann mithin geschlossen werden, daß in dem durch die einfache Schraffur (I) bzw. (A) in Fig. 5 angegebenen Betriebsbereich der Sauerstoffpumpe Schwärzung auftritt, während in dem durch die doppelte Schraffur (II) bzw. (B) angegebenen Betriebsbereich zusätzlich auch Rißbildung auftritt.

Auf der Grundlage der Untersuchungen oder Auswertungen bezüglich der Schwärzung des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten und der Ergebnisse der zur Bestätigung der Gültigkeit dieser Untersuchungen durchgeführten Vorversuche wurde erfindungsgemäß ein Luft/Kraftstoff- Verhältnissensor mit der in Fig. 7 dargestellten Konstruktion angefertigt. Da sich dieser Verhältnissensor vom bisherigen Verhältnissensor gemäß Fig. 1 nur durch die Anordnung einer Schaltung zur Steuerung oder Regelung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe A unterscheidet, veranschaulicht Fig. 7 nur eine Teildarstellung der Sauerstoffpumpe A nebst einem Kreis für die Stromzufuhr zu dieser Sauerstoffpumpe und einem Kreis zur Regelung oder Steuerung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe.

Die Sauerstoffpumpe A besitzt insofern eine an sich bekannte Konstruktion, als der größte Teil des Endes, mit Ausnahme der äußersten Spitze einer länglichen Platte 1 aus Zirkondioxid (als Sauerstoffionen leitender Festelektrolyt) auf beiden Seiten nach zweckmäßiger Dickschicht-Auftragtechnik mit porösen Platinfilmen oder -schichten als Elektroden 2 und 3 beschichtet ist. Die Elektroden 2 und 3 sind dabei mit Zuleitungen bzw. Leitungsdrähten 8 bzw. 9 verbunden. Letztere sind an einen Anschluß 15 angeschlossen, der auch als Ein/Ausgangsklemme für den Verhältnissensor dient. Andere Bauteile sind in Fig. 2 bzw. 8 dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß einige der Einzelheiten gemäß Fig. 8 auch für die elektrochemische Konzentrationszelle B gelten. Eine Gleichstromquelle 40 steuert die Sauerstoffpumpe A an. Ein Regelwiderstand 41 dient zur Regelung oder Einstellung des der Pumpe A zugeführten Stroms. Eine Steuerschaltung 42 dient zur Steuerung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe A. Ein Amperemeter 43 und ein Voltmeter 44 dienen zur Messung von I _p bzw. V _p. In Fig. 7 sind die Steuerschaltung 42, das Amperemeter A und das Voltmeter V getrennt dargestellt, während sie bei einer tatsächlich gebauten Vorrichtung in einer einzigen Schaltkreiseinheit integriert sind. Eine Ausführungsform der Stromzufuhr-Steuerschaltung 42 ist in Fig. 8 dargestellt.

Die Schaltung nach Fig. 8 unterscheidet sich darin von Fig. 7, daß als Bezugspotential für die Pumpe A eine Spannung von 12 V verwendet wird. Der zur Pumpe A geschickte Strom wird gewöhnlich durch ein an einen Schalter 50 angelegte Stromregelsignal geregelt. Letzteres kann jedoch durch einen rücksetzbaren Strombegrenzungskreis 51, der seinerseits durch einen Spannungskomparatorkreis 52 gesteuert wird, kurzgeschlossen (shorted) werden. Im Spannungskomparatorkreis 52 wird durch Widerstände 53 und 54 eine vorbestimmte Spannung eingestellt. Wenn die variable Spannung von der Sauerstoffpumpe A zu niedrig wird (d. h. die angelegte Spannung zu hoch ist), schaltet ein Komparator 55 herab, wodurch ein Transistor 56 durchgeschaltet wird. Bei durchgeschaltetem Transistor 56 wird das Stromregelsignal zu Masse kurzgeschlossen, und der Reihen-Schalter 50 öffnet, um damit die Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe A zu unterbrechen.

Für die Lösung der Erfindungsaufgabe kann die Steuerschaltung 42 auch in verschiedenen anderen Ausgestaltungen vorliegen. Nachstehend sind zwei grundsätzliche Ausgestaltungen angegeben.

Bei einer ersten Ausgestaltung, die in der Schaltung gemäß Fig. 8 realisiert ist, ist ein Kreis vorgesehen, in welchem die empirisch bestimmte Mindestspannung, die zum Hervorrufen von Schwärzung im bzw. am Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten an die Sauerstoffpumpe angelegt werden muß, mit einer tatsächlich angelegten, mittels eines Voltmeters gemessenen Spannung verglichen wird, wobei die Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe A beendet wird, wenn der Spannungsmeßwert die vorbestimmte Mindestgröße übersteigt. Die Spannungsmessung kann im Betrieb der Sauerstoffpumpe A fortlaufend erfolgen; wahlweise können Messung und Vergleich in vorbestimmten Zeitabständen vorgenommen werden.

Die zweite Ausgestaltung besteht in der Verwendung zweier Kreise, nämlich eines Kreises zum Einstellen oder Vorgeben von V _pc (Mindest-Pumpenspannung, bei der Schwärzung herbeigeführt wird) als Funktion des Pumpstroms I _p und eines Kreises zum Vergleichen des Sollwerts von V _pc mit einem gemessenen Ist-Wert.

Obgleich vorstehend die Konstruktion des Luft/Kraftstoff- Verhältnissensors gemäß der Erfindung beschrieben ist, ist darauf hinzuweisen, daß der Grundgedanke der Erfindung nicht nur auf den Verhältnissensor gemäß Fig. 8, sondern auch auf einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor für einen weiten Bereich anwendbar ist, bei welchem die nicht mit dem geschlossenen Raum verbundene Elektrode auf einer elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle der Atmosphärenluft oder einer anderen, letztere äquivalenten Atmosphäre ausgesetzt ist. Bei einer anderen Abwandlung der Erfindung stellt eine einem geschlossenen Raum zugewandte Sauerstoffpumpe den einzigen Bauteil dar (d. h. es ist keine Sauerstoffkonzentrationszelle vorhanden), wobei die Luft/ Kraftstoffverhältnismessung auf der Grundlage der Beziehung zwischen Pumpstrom und Pumpspannung erfolgt.

Claims

1. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Festlegung eines geschlossenen Raums, ein Trennmittel mit mindestens einer Öffnung, um den geschlossenen Raum, außer an der Öffnung, von einer zu messenden (oder zu untersuchenden) Atmosphäre zu trennen, eine im Trennmittel neben den geschlossenen Raum angeordnete Sauerstoffpumpe mit zwei porösen Elektroden und einer dazwischen eingeschlossenen Schicht eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, eine Einrichtung zum Messen eines Sauerstoffgehalts im geschlossenen Raum, eine Stromversorgungseinheit für die Zufuhr von elektrischem Strom zu den Elektroden der Sauerstoffpumpe, eine Einrichtung zum Messen einer durch die Stromversorgungseinheit an die Sauerstoffpumpe angelegten Spannung und eine Einrichtung zum Steuern oder Regeln der Stromversorgungseinheit in Abhängigkeit vom Übersteigen einer vorbestimmten Spannung(sgröße) durch die angelegte Spannung.

2. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte (Spannungs-) Größe etwa 6 V oder weniger beträgt.

3. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte (Spannungs-) Größe etwa 6 V beträgt.

4. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt aus Zirkondioxid besteht.

5. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- oder Regeleinrichtung die angelegte Spannung auf die vorbestimmte Spannung(sgröße) einstellt.

6. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- oder Regeleinrichtung die angelegte Spannung zu unterbrechen vermag.

7. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffpumpe und die Meßeinrichtung zusammen die den geschlossenen Raum festlegende Einrichtung bilden und der geschlossene Raum zwischen Sauerstoffpumpe und Meßeinrichtung angeordnet ist.