DE3633740C2 - Messeinrichtung zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ ses die zur Durchführung einer Regelung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen und anderen Verbren­ nungsvorrichtungen mittels der Erfassung der Konzentrati­ on von Sauerstoff im Abgas eingesetzt werden kann.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Kraftstoffausnutzung und die Verringerung der Emissionen werden verbreitet au­ tomatische Verbrennungsregelvorrichtungen eingesetzt, um in Verbrennungsvorrichtungen, insbesondere bei Kraftfahr­ zeugen, optimale Verbrennungsbedingungen aufrechtzuerhal­ ten. Solche Vorrichtungen müssen mit der nötigen Regelin­ formation von externen Informationsquellen beschickt wer­ den. Für diesen Zweck sind verschiedene Arten von Luft/- Kraftstoff-Verhältnissensoren entwickelt worden, die das Luft/Kraftstoffverhältnis (oder das Luftüberschußverhält­ nis, λ) eines Luft/Kraftstoffgemisches durch Messen der Konzentration von Sauerstoff oder der brennfähigen Be­ standteile im Abgas festzustellen oder zu erfassen vermö­ gen. Das Luftüberschußverhältnis ist auf das Luft/Kraft­ stoffverhältnis (A/F) mit der Beziehung λ = (A/F)/14,7 bezogen.

Ein mit einer Pumpzelle ausgestatteter Sauerstoffsensor zur Bestimmung des Luft-Kraftstoffverhältnisses ist bei­ spielsweise in der US 4 450 065 beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen den Aufbau eines bishe­ rigen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors des eine elektro­ chemische Sauerstoffkonzentrationszelle verwendenden Typs, wie er in ähnlicher Form aus der DE 35 22 867 be­ kannt ist. Da er für die Verwendung in einer interessie­ renden oder zu untersuchenden Atmosphäre, z. B. im Abgas­ system einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, vorgesehen ist, umfaßt dieser Sensor eine Sauerstoffpumpe A und eine elektrochemische Sauerstoff­ konzentrationszelle B, die beide eine längliche, plat­ tenartige Form besitzen und über einen kleinen ge­ schlossenen Raum a, der mit einer mit der interessie­ renden 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 darge­ stellte Platte 1 (oder 4) mit den Abmessungen 4 × 40 × 0,7 mm besteht aus einem Sauerstoffionen lei­ tenden Festelektrolyten, wie Zirkondioxid (ZrO₂, teil­ weise mit Y₂O₃ stabilisiert). Gegenüberliegende Sei­ ten der Spitze der Platte 1 sind mit Elektroden- Schichten 2 und 3 (oder 5 und 6), z. B. nach geeigneter Dickschichtauftragtechnik ausgebildeten porösen Pla­ tinschichten, 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 (Leitungs­ drähte) 8 bzw. 9 (oder 10 bzw. 11) angeschlossen, wo­ bei 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 herausge­ führt sind.

Die Sauerstoffpumpe A wird mit Gleichstrom von einer Stromquelle 30 über einen variablen oder Regelwider­ stand 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 Zu­ leitung 10 mit einem Voltmeter 32 für Ausgangssignal­ messung verbunden. Gemäß Fig. 1 dient ein Metall-Ein­ baustück 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 Strom­ quelle 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 Kon­ stantspannungs-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 ioni­ sierte 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 interes­ sierende Atmosphäre bzw. Meßatmosphäre entlassen. Dies stellt den durch die Sauerstoffpumpe A bewirkten Aus­ pumpmechanismus dar. Wenn dem Raum a Sauerstoff ent­ zogen 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 Sauer­ stoffkonzentration in der Meßatmosphäre bestimmt.

In der Konzentrationszelle B ist die eine Elektroden­ fläche 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. Da­ bei wird die erzeugte elektromotorische Kraft oder EMK gemessen, und die Sauerstoffkonzentration in der Meß­ atmosphäre wird auf diese Weise bestimmt, um als Grund­ lage für die Berechnung des Luft/Kraftstoffverhält­ nisses dieser Atmosphäre benutzt zu werden. Durch vorausgehende Betriebsversuche mit der Verbrennungs­ vorrichtung kann eine optimale Stromgröße für spezifi­ sche Betriebsbedingungen des Sensors bestimmt werden.

Wenn ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit dem be­ schriebenen Aufbau in einer Kraftfahrzeug-Brennkraft­ maschine 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 zu­ gewandt ist, schwärzt. Diese, als "Schwärzung" bezeich­ nete Erscheinung ist insofern irreversibel, als sie nicht mehr verschwindet, wenn sie einmal zu weit fort­ geschritten ist. Es hat sich heraus­ gestellt, daß mit zunehmender Schwärzung auch der Innen- oder Eigenwiderstand der Sauerstoffpumpe an­ steigt, 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 einer Messeinrichtung zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, bei der keine Schwärzung auftritt.

Diese Aufgabe wird durch die Meßeinrichtung mit den im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmalen gelöst.

Die Meßeinrichtung umfaßt einen Luft/Kraftstoff-Verhält­ nissensor 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 Sauer­ stoffionen leitenden Festelektrolyten zwischen zwei porö­ sen 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 Steuer­ einrichtung, in der die tatsächlich an die Sauerstoffpum­ pe angelegte Spannung mit einer empirisch bestimmten Min­ destspannung verglichen wird, die zum Hervorrufen von Schwärzung von Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten an die Sauerstoffpumpe angelegt werden muß, wobei die Stromzufuhr zu den Elektroden der Sauerstoffpumpe beendet wird, wenn die tatsächlich angelegte Spannung die Min­ destspannung übersteigt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung 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/Ausgangs­ kreises 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 erfindungs­ gemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors durchgeführten Vorversuchen, wobei Fig. 3 die Wechselbeziehung (den Zusammenhang) zwi­ schen dem Luftüberschußverhältnis (λ) eines Abgases, der an die Sauerstoffpumpe ange­ legten Spannung und dem Auftreten (incidence) der Schwärzung bei dem beim Sensor gemäß Fig. 1 verwendeten, Sauerstoffionen leiten­ den Festelektrolyten und Fig. 5 den Zusammen­ hang zwischen den gleichen Faktoren bei einer in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung verdeut­ lichen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung mit nur teil­ weise dargestellter Sauerstoffpumpe eines experimentellen Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensors mit derselben Konstruktion wie in Fig. 1,

Fig. 7 eine schematische Schnitt-Seitenansicht des Hauptteils einer bei einem Luft/Kraftstoff- Verhältnissensor gemäß der Erfindung vorge­ sehenen Sauerstoffpumpe nebst einem Schalt­ bild einer Schaltung für die Zufuhr von elektrischem Strom zur Sauerstoffpumpe und einer Schaltung für die Regelung der Steue­ rung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe und

Fig. 8 ein Schaltbild einer Stromzufuhr-Steuerschal­ tung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert wor­ den.

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

Es wurde auch festgestellt, daß eine se­ kundäre oder zweite Ursache für das Auftreten von Schwärzung besteht. Wenn die Temperatur der Sauerstoff­ pumpe A zu niedrig ist, ist eine größere Energiemenge für den Fortgang der Sauerstoffionisation an der Ober­ fläche 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 Elek­ trode 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/Kraft­ stoff-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 ver­ schiedener Größen des Luftüberschußverhältnisses λ aus­ gesetzt. 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 = Luft­ überschußverhältnis, 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 zweck­ mäßige Berechnung von R_p wird später noch näher er­ läutert werden.

Wie aus Tabelle I und Fig. 3 hervorgeht, tritt im Be­ reich von λ = 0,9-1,4 (13,0-20,5, ausgedrückt als Luft/Kraftstoffverhältnis) in keinem Fall eine Schwär­ zung auf, auch wenn die an die Sauerstoffpumpe A ange­ legte Spannung V_p auf 6,0 V oder darunter gehalten wird; andererseits tritt in nahezu allen Fällen Schwär­ zung 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, unter­ halb welcher keine Schwärzung auftritt, während ober­ halb dieser Linie Schwärzung auftritt. Bei den be­ schriebenen Versuchen wurde das Abgas auf einer Temperatur von 400°C gehalten und mit einer Strö­ mungsmenge 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 Sauerstoff­ pumpe A angelegt werden müssen, um eine konstante Span­ nung von 40 mV in der Konzentrationszelle B unter den Versuchsbedingungen zu erzeugen, ist durch die Kurven (C) und (D) in Fig. 3 zu Vergleichszwecken darge­ stellt: Die Kurve (C) zeigt die Kennwerte für die An­ legung einer Gleichspannung von 10 V an das Heizele­ ment, während die Kurve (D) die entsprechenden Kenn­ werte bei einer Heizelement-Gleichspannung von 12,5 V angibt:

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

C + 1/2 O₂ = CO (1)

H₂ + 1/2 O₂ = H₂O (2)

CO + 1/2 O₂ = CO₂ (3)

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 Elek­ trodenfläche der Sauerstoffpumpe A vorherrschenden Temperatur in einem Gleichgewichtszustand (Equilibrium) gehalten. Aufgrund der Wirkungsweise der Sauerstoff­ pumpe A schreitet jedoch die im folgenden angegebener an der negativen Elektrode 2 auftretende Elektroden­ reaktion bis zur rechten Seite fort, so daß Sauerstoff aus dem kleinen geschlossenen Raum a ausgepumpt wer­ den kann:

O₂ + 4e^- ⇄ 20^--

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 Verbin­ dungs-Öffnung in den Raum a, mit dem Ergebnis, daß gas­ förmiges 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 hervor­ ruft, auch wenn V_p auf 6 V eingestellt ist. Gemäß den Reaktionsgleichungen (1) bis (3) ist der Sauerstoffge­ halt bei λ = 1 am niedrigsten. Dieser niedrige Sauer­ stoffgehalt verringert die Betriebsleistung der Sauer­ stoffpumpe A, was einen günstigen Zustand für das Auf­ treten 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 erfindungs­ gemäßen 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 Ver­ brennungsversuchen bei λ = 1 bestimmt wird.

Es hat sich auch gezeigt, daß die Größe von V_p nicht nur von der Art des als Hauptkomponente der Sauerstoffpumpe verwendeten Sauerstoffionen lei­ tenden Festelektrolyten, z. B. Zirkonoxid oder Yttrium­ oxid, abhängt, sondern auch von der Menge eines Sin­ termittels (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 Aluminium­ oxid 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 folgen­ des 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 auch herausgestellt, daß sich die Wahrscheinlichkeit für eine Schwärzung eines Sauerstoffionen leitenden Fest­ elektrolyten, z. B. Zirkonoxid, auch dann vergrößert, wenn der Innen- oder Eigenwiderstand R_p (Impedanz) der Sauerstoffpumpe A eine bestimmte Größe übersteigt.

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 ge­ schlossenen Raum, aus dem Sauerstoff ausgepumpt wer­ den soll, umfaßt, läßt sich die Größe von R_p noch ge­ nauer bestimmen, wenn zunächst kV_s (mit k = eine Kon­ stante) 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 elektromo­ torische 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 höch­ sten 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 aufge­ tragen. 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 not­ wendigerweise auf R_p, aber vollständig auf V_p bezogen.

Fig. 5 veranschaulicht in graphischer Darstellung die Beziehung von I_p bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensor der in Fig. 7 (bzw. 6) dargestellten Ausge­ staltung, wobei die elektrochemische Sauerstoffkonzen­ trationszelle B und der kleine geschlossene Raum a weggelassen sind. Dieser Verhältnissensor wurde drei verschiedenen Atmosphären ausgesetzt, nämlich atmo­ sphärischer 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 un­ mittelbar 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 Festelektro­ lytplatte 1 als Folge des Fortschreitens der Schwärzung verursachten, mit "X" bezeichnet sind. Die für die Ab­ leitung der Kurve (E) angewandten Versuchsbedingungen waren für das Fließen des Pumpstroms I_p am vorteil­ haftesten; 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 durchge­ führten Versuches, d. h. die Bedingung, unter welcher der kleinste Punktstrom I_p fließen kann. Bei diesem Versuch wurde die Sauerstoffpumpe weniger stark er­ wärmt (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) durchge­ führten Versuchs. Bei diesem Versuch wurde die Sauer­ stoffpumpe 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 Kon­ struktion angefertigt. Da sich dieser Verhältnissensor vom bisherigen Verhältnissensor gemäß Fig. 1 nur durch die Anordnung einer Schaltung zur Steuerung oder Rege­ lung der Stromzufuhr zur Sauerstoffpumpe A unterschei­ det, veranschaulicht Fig. 7 nur eine Teildarstellung der Sauerstoffpumpe A nebst einem Kreis für die Strom­ zufuhr zu dieser Sauerstoffpumpe und einem Kreis zur Regelung oder Steuerung der Stromzufuhr zur Sauer­ stoffpumpe.

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 leiten­ der 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/Aus­ gangsklemme für den Verhältnissensor dient. Andere Bau­ teile 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 Sauer­ stoffpumpe 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 Ampere­ meter A und das Voltmeter V getrennt dargestellt, wäh­ rend 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 ge­ schickte Strom wird gewöhnlich durch ein an einen Schalter 50 angelegte Stromregelsignal geregelt. Letzteres kann jedoch durch einen rücksetzbaren Strom­ begrenzungskreis 51, der seinerseits durch einen Span­ nungskomparatorkreis 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 Sauer­ stoffpumpe A zu niedrig wird (d. h. die angelegte Span­ nung zu hoch ist), schaltet ein Komparator 55 herab, wodurch ein Transistor 56 durchgeschaltet wird. Bei durchgeschaltetem Transistor 56 wird das Stromregel­ signal zu Masse kurzgeschlossen, und der Reihen-Schal­ ter 50 öffnet, um damit die Stromzufuhr zur Sauerstoff­ pumpe A zu unterbrechen.

Die Steuer­ schaltung 42 kann auch in verschiedenen anderen Ausgestal­ tungen 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 Sauer­ stoffionen leitenden Festelektrolyten an die Sauer­ stoffpumpe angelegt werden muß, mit einer tatsächlich angelegten, mittels eines Voltmeters gemessenen Span­ nung verglichen wird, wobei die Stromzufuhr zur Sauer­ stoffpumpe A beendet wird, wenn der Spannungsmeßwert die vorbestimmte Mindestgröße übersteigt. Die Span­ nungsmessung 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/Kraft­ stoff-Verhältnissensors gemäß der Erfindung beschrie­ ben ist, ist darauf hinzuweisen, daß der Grundgedanke der Erfindung nicht nur auf den Verhältnissensor gemäß Fig. 8, sondern auch auf einen Luft/Kraftstoff-Verhält­ nissensor für einen weiten Bereich anwendbar ist, bei welchem die nicht mit dem geschlossenen Raum verbundene Elektrode auf einer elektrochemischen Sauerstoffkonzen­ trationszelle 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 Sauer­ stoffkonzentrationszelle vorhanden), wobei die Luft/- Kraftstoffverhältnismessung auf der Grundlage der Be­ ziehung zwischen Pumpstrom und Pumpspannung erfolgt.

Claims (4)

1. Meßeinrichtung zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, umfassend:

• 1. eine Einrichtung (A, B) zur Festlegung eines ge­ schlossenen Raums (a),
• 2. ein Trennmittel (25) mit mindestens einer Öffnung (vgl. 26), um den geschlossenen Raum (a), außer an der Öffnung, von einer zu messenden Atmosphäre zu trennen,
• 3. eine im Trennmittel (25) neben dem geschlossenen Raum (a) angeordnete Sauerstoffpumpe (A) mit zwei porösen Elektroden (2, 3) und einer dazwischen ein­ geschlossenen Schicht (1) eines Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolyten,
• 4. eine Meßeinrichtung (8) zum Messen eines Sauer­ stoffgehalts im geschlossenen Raum (a),
• 5. eine Stromversorgungseinheit (40, 41) für die Zu­ fuhr von elektrischem Strom zu den Elektroden (2, 3) der Sauerstoffpumpe (A) und
• 6. eine Einrichtung zum Messen einer durch die Strom­ versorgungseinheit (40, 41) an die Sauerstoffpumpe (A) angelegten Spannung,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (42) vorgesehen ist, in der die tatsächlich an die Sauerstoffpumpe angelegte Spannung mit einer empirisch bestimmten Mindestspan­ nung, die zum Hervorrufen von Schwärzung am Sauer­ stoffionen leitenden Festelektrolyten an die Sauer­ stoffpumpe (A) angelegt werden muß, verglichen wird, wobei die Stromzufuhr zu den Elektroden (2, 3) der Sauerstoffpumpe (A) beendet wird, wenn die tatsäch­ lich angelegte Spannung die Mindestspannung über­ steigt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mindestspannung etwa 5 V oder weniger beträgt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mindestspannung etwa 6 V beträgt.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Festelektrolyt aus Zirkondioxid als Hauptkomponente besteht.