DE3715275A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen abhängigen Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoffionen­ leitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine dem Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist.

Meßfühler der vorstehend beschriebenen Art werden bei Kraftfahrzeug­ abgassystemen benutzt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu er­ fassen. Die Meßfühler enthalten als Festelektrolyten z. B. eine Schicht aus ZrO₂, das mit CaO oder Y₂O₃ stabilisiert ist. An der einen Außenseite der Festelektrolytschicht ist eine dünne, mikro­ skopisch poröse Metallschicht als Meßelektrode ausgebildet, die bei Kraftfahrzeugen dem Abgas des Verbrennungsmotors ausgesetzt ist. Auf der anderen Seite der Festelektrolytschicht befindet sich als Bezugselektrode eine dünne, mikroskopisch poröse Metallschicht, die vom Abgas getrennt und der atmosphärischen Luft ausgesetzt ist, die den Bezugssauerstoffpartialdruck vorgibt. Die Meß- und die Bezugs­ elektrode bestehen gewöhnlich aus Platin.

Wenn eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Bezugs­ elektrodenseite und der Meßelektrodenseite des Festelektrolyten auftritt, entsteht ein Potentialunterschied zwischen Meß und Be­ zugselektrode.

Der Potentialverlauf eines handelsüblichen Meßfühlers mit dem vor­ stehend beschriebenen Aufbau ist in Abhängigkeit vom Luft/Brenn­ stoffaktor 2 in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.

Das Signalverhalten einer handelsüblichen Sauerstoffsonde, die für die Überwachung von Verbrennungsgasen eingesetzt wird und deren Referenzpotential vom Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsluft bestimmt wird, zeigt Kurve a in Fig. 1. Die meßbare Spannung variiert zwischen nahezu 0 V ("mageres" Gemisch, λ < 1) und - je nach Art des Brennstoffes - etwa 1,0 bis 1,2 V ("fettes" Gemisch, λ < 1). Bei λ = 1 erfolgt der Übergang zwischen "mager" und "fett", kenntlich an einem steilen Spannungssprung. Eine Leitelektronik zur Gemisch­ steuerung, der das Sondenpotential zugeführt wird, erkennt mit Hilfe eines Bezugspotentials und eines Vergleichers ein zu stark sauer­ stoffhaltiges Brennstoff-Luft-Gemisch an einem "low"-Signal mit niederer Spannung und ein anderes mit zuwenig Sauerstoffgehalt an einem "high"-Signal.

Meßfühler der oben beschriebenen Art sind bei zahlreichen Kraftfahr­ zeugen eingesetzt, die sog. Drei-Wege-Katalysatoren benutzen, mit denen die Reduktion von Stickoxiden als auch die Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen katalytisch unterstützt wird. Besonders günstig arbeitet der Katalysator bei einem bestimmten Luft/Kraftstoffverhältnis, das über die Leit­ elektronik eingestellt wird.

Die oben beschriebenen Meßfühler haben gewisse Nachteile, die ins­ besondere in der notwendigen zufuhr eines Bezugsgases wie Luft, in einer gewissen Größe und in einer unbefriedigenden mechanischen Festigkeit zu sehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiter­ zuentwickeln, daß ohne Verwendung von Luft für den Bezugssauer­ stoffpartialdruck eine Kennlinie erzeugt wird, die derjenigen eines Meßfühlers angeglichen ist, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper, eine der Luft ausgesetzte Bezugselektrode und eine einem Meßgas ausgesetzte Meßelektrode aufweist.

Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem gasdicht gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen, an der Bezugselektrode angeordneten Referenzgasraum ein Sauerstoff­ partialdruck durch ein Gemisch aus Metall und Metalloxid oder aus Metalloxiden eingestellt wird und daß dem Potential an den Elek­ troden eine äußere Offsetspannung hinzugefügt wird, deren Wert zwischen 50 und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials des Meßfühlers liegt, das bei von außen der Meßelektrode zugeführtem Sauerstoff in dem sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie auf­ tritt.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bezugspotentialbildung an der Bezugselektrode ein Referenz­ gasraum vorgesehen ist, der gegenüber der umgebenden Atmosphäre gasdicht abgeschlossen ist und eine Gasmenge einschließt, deren Sauerstoffpartialdruck von einem Metall-Metalloxid-Gemisch oder einem Gemisch mehrerer Metalloxide abhängt, und daß die Meßelektrode und die Bezugselektrode an die Eingänge einer Schaltungsanordnung angeschlossen sind, die das Potential um eine Offsetspannung erhöht, deren Wert zwischen 50 und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials des Meßfühlers liegt, das dem sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie entspricht. Unter sauerstoffreicherem Bereich ist derjenige Bereich zu verstehen, der in der Kennlinie des Meßfühler­ potentials in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis nahe am stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis beginnt und sich über das Gebiet des "mageren" Luft/Kraftstoffverhältnisses erstreckt. Vorzugsweise wird das Potential mit Luft festgestellt. Es wird also statt Luft, die relativ sauerstoffreich ist, ein oxidischer Fest­ körper mit geringem Sauerstoffpartialdruck als "innerer" Standard für die Referenzelektrode verwendet. Es hat sich gezeigt, daß sich bei einem derartigen oxidischen Festkörper die Kennlinie des Meß­ fühlers gegenüber dem oben beschriebenen herkömmlichen Meßfühler bezüglich der Absolutwerte umkehrt. Man erhält bezüglich des Absolutbetrages ein niedriges Spannungssignal im "fetten" und ein hohes im "mageren" Bereich.

In Fig. 1 ist die Kennlinie eines entsprechenden Meßfühlers mit einem Ni/NiO-Gemisch dargestellt und mit b bezeichnet. Diese Kenn­ linie wird der Kennlinie eines Meßfühlers mit von außen zugeführtem Sauerstoff, insbesondere durch Luft, angeglichen, indem aufgrund des im Prinzip formgleichen Signalverhaltens der Sonde mit "innerem Standard" eine Offsetspannung zuaddiert wird, die eine Anhebung der angezeigten Spannung auf das Niveau der Luftsonde bewirkt. Das Potential einer Sauerstoffsonde wird durch die Differenz der Ein­ zelpotentiale der beiden Elektroden, der Meß- und der Referenzelek­ trode, gebildet:

E = E _Meß - E _Ref (1)

Das Referenzpotential E _Ref weist einen von λ unabhängigen Wert auf, der sich konstant verhält, zumindest unter der Bedingung einer konstanten Temperatur. So hängt die Kurvenform nur vom Potential E _Meß der Meßelektrode und damit vom Sauerstoffpartialdruck des Meßgases ab. Die Meßkurven sind also bei beliebigem Standard identisch bis auf eine Verschiebung in y-Richtung durch unterschied­ liche Werte von E _Ref . Durch eine jeweils definierte äußere Offset­ spannung kann diese Verschiebung kompensiert und das Signalverhalten der jeweiligen Sonde mit innerem Standard einer Sonde mit Luft als Referenz angepaßt werden.

Da die Referenzspannung des "inneren" Standards von der Sonden­ temperatur abhängig sein kann, wird diese zweckmäßigerweise über einen Temperaturfühler erfaßt, der an eine mikroelektronische Schaltung angeschlossen ist, die jeweils die richtige äußere Offset­ spannung bestimmt und einregelt. Das kann vorzugsweise durch einen Mikroprozessor erfolgen. Eine Funktionskontrolle der Vorrichtung kann bei einer Messung an normaler Atmosphärenluft durchgeführt werden. Das Meßsignal der Vorrichtung muß bei dieser Prüfung unab­ hängig von der jeweiligen Temperatur den Wert "Null" annehmen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Bezugselektroden­ raum gegen die Umgebung abgeschlossen werden kann. Dadurch werden z. B. Verschmutzungen der Bezugselektrode durch Öle, Fette, Salze oder ähnliches und die daraus resultierenden Potentialveränderungen vermieden. Auch ist das Potential nicht mehr von der momentanen Zusammensetzung der Atmosphäre in der Umgebung der Vorrichtung abhängig. Ein weiterer Vorteil bietet sich mit der Möglichkeit, die bisher in der Praxis verwendeten λ-Sonden, die mit Luft als Referenz arbeiten, zu ersetzen, ohne daß an den Meßwertaufnehmern oder der Signalverarbeitung etwas geändert werden muß, da die abgegebenen Signale der beiden Sensorarten je nach der Genauigkeit der Ein­ stellung der Offsetspannung nahezu oder völlig identisch sind. Im übrigen entfallen die aufwendigen konstruktiven Maßnahmen, die für eine einwandfreie Zufuhr von Luft zu den herkömmlichen λ-Sonden notwendig sind. Es muß nicht mehr dafür gesorgt werden, daß die Lufteintrittsöffnung an einer nicht für Schmutz zugänglichen Stelle in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Ausgangspotentiale eines herkömmlichen Meßfühlers und eines einen "inneren" Standard aufweisenden Meßfühlers in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Verbrennungsgasen abhängigen Steuersignals im Schema.

Die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie a wurde oben bereits erläutert. Ein Meßfühler, der statt Luftsauerstoff einen "inneren" Standard aufweist, hat die in Fig. 1 mit b bezeichnete Kennlinie, die im Prinzip der Kennlinie a entspricht, jedoch gegen diese um einen in etwa gleichbleibenden Wert ins Negative verschoben.

Ein Meßfühler 1 besteht aus einem Festelektrolytplättchen 2 aus stabilisiertem Zirkondioxid. Das Plättchen 2 trägt auf einer Seite eine Meßelektrode 3 und auf der anderen Seite eine Bezugselektrode 4. Die Elektroden 3, 4 bestehen z. B. aus Platin. An die Bezugs­ elektrode 4 ist ein gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossener Referenzgasraum 5 vorgesehen, in dem sich ein Gemisch aus Nickel und Nickeloxid befindet. Dieses Gemisch erzeugt ein Standardpotential an der Bezugselektrode 4. Die Meßelektrode 3 ist dem Gas mit dem unbekannten Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Dieses Gas ist vorzugsweise ein Verbrennungsgas. Die Meß- und Bezugselektrode 3, 4 sind dünn und mikroskopisch porös ausgebildet. Die Meßelektrode wird meist durch einen dünnen porösen keramischen Überzug vor Verschmutzung ge­ schützt. An der Bezugselektrode 4 steht ein geringerer Sauerstoff­ partialdruck als an Luft ausgesetzten Bezugselektroden zur Verfügung.

Wenn sich zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meßelektroden­ seite des Festelektrolyten 2 eine Differenz im Sauerstoffpartial­ druck ausbildet, entsteht ein Potential zwischen der Bezugs- und der Meßelektrode 4, 3. Bei einem Einsatz als Abgasfühler wird die Meßelektrode 3 den Abgasen ausgesetzt. Das Potential zeigt in einem solchen Fall eine ausgeprägte Änderung zwischen einem maximalen und einem minimalen Pegel in der Umgebung eines Luft/Kraftstoffver­ hältnisses, das dem stöchiometrischen Wert entspricht. Bei einem "inneren" Standard anstelle von Sauerstoff bzw. dem in Luft ent­ haltenen Sauerstoff weist das Potential im Bereich, der einem "mageren" Gemisch entspricht, sogar negative Werte auf. Die beiden Kennlinien a und b ergeben sich bei 500°C.

Die Leitelektronik für die Einstellung bzw. Regelung des dem jewei­ ligen Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches ent­ hält eine Kontrollschaltung, die die Ausgangsspannung der Meßfühler mit einem Bezugspegel vergleicht. Dieser Bezugspegel ist bei Kraft­ fahrzeugen, die die oben beschriebenen herkömmlichen Meßfühler ent­ halten, auf die Kennlinie a abgestimmt. Der Bezugspegel entspricht z. B. dem Mittelwert zwischen dem hohen und niedrigen Pegel der Kennlinie a.

Ein Ersatz der herkömmlichen Meßfühler durch die Meßfühler 1 ist jeweils ohne Änderung der Leitelektronik mit Hilfe einer Schaltungs­ anordnung 6 möglich, die eingangsseitig mit der Meßelektrode 3 und der Bezugselektrode 4 verbunden ist. Die Schaltung 6 ist an die Pole 7, 8 einer Betriebsgleichspannung angeschlossen. In der Schaltung 6 wird eine äußere Offsetspannung erzeugt, die dem Potential der Meß- und Bezugselektrode 3, 4 hinzuaddiert wird. Die Offsetspannung beträgt vorzugsweise 50 bis 150% desjenigen Potentials des Meß­ fühlers 1, das bei der Beaufschlagung der Meßelektrode 3 mit Abgas im sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie auftritt. Vorzugsweise entspricht die Offsetspannung 50 bis 150% desjenigen Kennlinien­ werts des Meßfühlers 1, der bei Beaufschlagung der Meßelektrode 3 mit Luft entsteht. Die Addition der Spannungen kann z. B. dadurch erfolgen, daß das Potential an der Meßelektrode 3 und der Bezugs­ elektrode 4 über einen Impedanzwandler mit sehr hochohmigem Eingang einer Summierschaltung aus Widerständen zugeführt wird, von denen einer einstellbar ausgebildet und von der Betriebsgleichspannung gespeist wird.

Am Meßfühler 1 oder in dessen Nähe ist vorzugsweise ein Temperatur­ fühler 9 angebracht, der an eine mikroelektronische Schaltung 10 angeschlossen ist. Die Schaltung 10 kann auf analoger oder digitaler Basis arbeiten. Bei digitaler Arbeitsweise wird beispielsweise ein Mikrocomputer verwendet. Die Schaltung 10 erzeugt über einen Ausgang 11 ein Stellsignal, durch das die äußere Offsetspannung in Abhängig­ keit von der Temperatur des Meßfühlers 1 auf einen bestimmten Wert geregelt wird, der z. B. der Kennlinie a entspricht. Die Schaltung 10 kann im Gehäuse des Meßfühlers 1 oder außerhalb angeordnet sein.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen ab­ hängigen Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoff­ ionenleitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine dem Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gasdicht gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen, an der Bezugselektrode (4) angeordnetem Referenzgasraum (5) ein Sauer­ stoffpartialdruck durch ein Metall-Metalloxid-Gemisch oder durch ein Gemisch mehrerer Metalloxide eingestellt wird und daß dem Potential an den Elektroden eine äußere Offsetspannung hinzugefügt wird, deren Wert zwischen 50% und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials des Meßfühlers (1) liegt, das bei von außen der Meßelektrode (3) zugeführtem Sauerstoff in dem sauerstoffreicheren Bereich der Kenn­ linie des Meßfühlers (1) auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential bei Zufuhr von Luft zu der Meßelektrode (3) gemessen wird und daß die äußere Offsetspannung auf den Wert des Absolutwertes des Potentials des Sauerstoffsensors bei Messung an normaler Atmosphärenluft eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Festkörpergemisch des abgeschlossenen Referenzgasraumes (5) der metallische Bestandteil durch einen halb- oder nichtmetallischen ersetzt ist und bzw. oder daß ein oder mehrere metalloxidische Bestandteile durch halb- oder nichtmetalloxidische ersetzt sind.

4. Vorrichtung zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen ab­ hängigen Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoff­ ionenleitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine dem Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bezugspotentialbildung an der Bezugselektrode (4) ein Referenzgasraum (5) vorgesehen ist, der gegenüber der umgebenden Atmosphäre gasdicht abgeschlossen ist und eine Gasmenge einschließt, deren Sauerstoffpartialdruck von einem Metall-Metalloxid-Gemisch oder einem Gemisch mehrerer Metalloxide abhängt und daß die Meß­ elektrode (3) und die Bezugselektrode (4) an die Eingänge einer Schaltungsanordnung (6) angeschlossen sind, die das Potential um eine äußere Offsetspannung erhöht, deren Wert zwischen 50 und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials des Meßfühlers (1) liegt, das dem sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie des Meßfühlers (1) entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (6) mit dem Meßfühler (1) in einem Gehäuse angeordnet ist und daß der Schaltungsanordnung (6) von außen die Offsetspannung oder eine Betriebsspannung zuführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßfühler (1) oder in dessen Nähe ein Temperaturfühler (9) angebracht ist, dessen Ausgangssignal einer mikroelektronischen Schaltung (10) zugeführt wird, die die äußere Offsetspannung in Abhängigkeit von der Sondentemperatur auf einen bestimmten Wert einregelt.