DE4033667A1 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor, der mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen seines Sauerstofferfas­ sungsabschnittes versehen ist. Der Sauerstoffsensor wird zum Erfassen von Abgasen wie von Fahrzeug-Brennkraftmaschinen oder verschiedenen Industriefeuerungsanlagen verwendet, um ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff, d. h. ein A/F-Verhältnis eines Gemisches zu ermitteln, mit dem die Fahrzeug- Brennkraftmaschinen oder Industriefeuerungsanlagen betrieben werden. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Sauer­ stoffsensor mit eingebauter Heizeinrichtung, der auch zu Beginn einer Messung eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit aufweist und der auch in einem anfänglich kalten Zustand eine beträchtlich kürzere Zeit zum Aufheizen des Sauerstofferfas­ sungsabschnittes auf eine ausreichende Betriebstemperatur benötigt.

Bekanntermaßen gibt es verschiedene Sensortypen zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsabgasen aus beispielsweise einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, einem Kessel oder Industriefeuerungsanlagen. Zum Beispiel ist ein Sensor bekannt, bei dem Zirkonoxidkeramik oder ein anderer Sauer­ stoffionen leitender Trockenelektrolyt benutzt wird und der zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration nach dem Prinzip eines Sauerstoffkonzentrationselements betrieben wird. Außerdem ist als ein polarographischer Elementtyp bzw. als ein Oxid-Halbleitertyp, der ein Oxid wie Titandioxid oder Niobpentoxid benutzt, ein Sensor bekannt, dessen elektrischer Widerstandswert sich aufgrund von Gasabsorption im Oberflächenabschnitt des Oxid-Halbleiters ändert. Damit beim Betrieb einer Brennkraftmaschine das momentane A/F-Verhältnis mit einem gewünschten Wert übereinstimmt, wird eine genaue Steuerung des A/F-Verhältnisses des zugeführten Gemisches benötigt. Das A/F-Verhältnis wird üblicherweise durch eine Messung der Sauerstoffkonzentration der Abgase ermittelt, da diese eine Funktion des A/F-Verhältnisses des zugeführten Gemisches ist. Das ermittelte A/F-Verhältnis wird zur Festsetzung einer zuzuführenden Brennstoffmenge als entsprechendes Signal der Brennstoffsteueranlage zugeführt, d. h. zum Regeln des momentanen A/F-Verhältnisses durch Rückkopplung derart, daß es mit dem gewünschten Wert übereinstimmt.

Damit der den vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensor benutzende A/F-Verhältnissensor auch bei kaltem Meßgas wirksam betrieben werden kann, muß zumindestens der zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration der Abgase verwendete Erfas­ sungsabschnitt des Sensors aufgeheizt und mittels einer geeigneten, mit einem Heizelement versehenen Heizeinrichtung auf einer hohen vorbestimmten Betriebstemperatur gehalten werden.

Hierzu wurde eine A/F-Verhältnissensoreinrichtung bzw. ein Sauerstoffsensor mit einem integrierten Heizelement vorgeschlagen, welches den Sauerstofferfassungsabschnitt des Sensors beheizt und durch eine externe Energiequelle mit Energie versorgt wird. Beispiele solcher Sauerstoffsensoren finden sich in den japanischen Offenlegungsschriften 55-1 40 145 und 57-1 42 555. Wird mittels der externen Energiequelle eine übermäßig hohe Spannung an das Heizelement angelegt, wird der Sauerstofferfassungsabschnitt des Sensors wahrscheinlich aufgrund von Überhitzung beschädigt. Deshalb wird der externen Energiequelle üblicherweise nur eine bestimmte Spannung, beispielsweise eine Nenn- oder Nominalspannung, entsprechend einer Wärmemenge abverlangt, die ausreicht, den Sauerstoffer­ fassungsabschnitt des Sensors auf einer vorbestimmten optimalen Betriebstemperatur zu halten.

In dieser bekannten Anordnung, in der der bestimmte Wert der dem Heizelement zugeführten Spannung ausreicht, den Sauer­ stofferfassungsabschnitt auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, benötigt das Heizelement viel Zeit, den kalten Sauer­ stofferfassungsabschnitt auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, bei der der Erfassungsabschnitt die Sauer­ stoffkonzentration mit hoher Genauigkeit messen kann. Daher ist es unmittelbar nach dem Anlassen einer herkömmlichen Brennkraftmaschine für eine bestimmte Zeit schwierig, diese mit zufriedenstellend gleichbleibender Genauigkeit zu steuern.

Bei einem Sauerstoffsensor eines aus der japanischen Offenlegungsschrift No. 59-1 90 652 bekannten Typs beinhaltet ein Sauerstofferfassungsabschnitt, (a) eine Diffusionswider­ standseinrichtung zum Begrenzen eines Gasdiffusionsraumes, in den die Abgase gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeleitet werden, (b) eine Sauerstoffsensoreinrichtung zum Erzeugen eines der Sauerstoffkonzentration der Abgase in dem Gasdiffusionsraum entsprechenden Ausgangssignals und (c) eine auf das Ausgangssignal der Sauerstoffsensoreinrichtung ansprechende Sauerstoffpumpeinrichtung, durch die die Sauer­ stoffkonzentration der Abgase in dem Gasdiffusionsraum durch Pumpen von Sauerstoff auf einen vorbestimmten Wert geregelt werden kann. Der Sauerstoffsensor dieser Art wird zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen verwendet, indem aus dem durch die Sauerstoffpumpeinrichtung fließenden Pumpstrom, durch den eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration in dem Gasdiffusionsraum erhalten wird, das A/F-Verhältnis des die Abgase erzeugenden Gemisches bestimmt wird. Weil der so konstruierte Sauerstoffsensor wegen seiner Diffusionswider­ standseinrichtung und seiner Sauerstoffpumpeinrichtung im allgemeinen relativ groß ist, wird viel mehr Zeit benötigt, den relativ großen Sauerstofferfassungsabschnitt auf seine Be­ triebstemperatur aufzuheizen, besonders wenn der Sauerstoffer­ fassungsabschnitt anfänglich kalt ist. Zudem ist die Einspeisung des Pumpstromes in die Sauerstoffpumpeinrichtung bei kaltem Sauerstoffsensor unbefriedigend, wodurch sich instabile Ausgangssignale des Sensors während der Anfangsphase der Messung ergeben.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Sauerstoffsensor mit eingebauter Heizeinrichtung zu schaffen, in dem die Heizeinrichtung den Sauerstofferfassungsabschnitt innerhalb kurzer Zeit ohne Überhitzung auf eine geeignete Betriebstempe­ ratur aufheizen kann.

Dieses wird erfindungsgemäß mit einem Sauerstoffsensor erreicht, der ein Sensorelement aufweist, das einen Sauer­ stofferfassungsabschnitt zum Erfassen der Sauer­ stoffkonzentration des Meßgases, ein Heizelement zum Aufheizen des Sauerstofferfassungsabschnittes auf eine vorbestimmte Be­ triebstemperatur und eine Energiezuführeinrichtung umfaßt, die das Heizelement wahlweise mit einer ersten oder einer zweiten Spannung speist. Die erste Spannung ist gleich einer Nennspannung, die dazu erforderlich ist, den Sauerstofferfas­ sungsabschnitt auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten. Die zweite Spannung ist größer als die erste Spannung. Die Energiezuführeinrichtung speist das Heizelement für ein vorbestimmtes Zeitintervall mit der zweiten Spannung, um die Temperatur des Sauerstofferfassungsabschnittes schnell auf eine der vorbestimmten Betriebstemperatur im wesentlich gleiche Temperatur zu erhöhen, bevor das Heizelement mittels der ersten Spannung mit Energie versorgt wird.

In einem so konstruierten Sauerstoffsensor wird der Sauer­ stofferfassungsabschnitt während einer Anfangsphase der Messung dadurch aufgeheizt, daß das Heizelement für ein vorbestimmtes Zeitintervall mit einer Aufheizspannung versorgt wird. Die Aufheizspannung ist höher als die der vorbestimmten Betriebstemperatur entsprechenden Nennspannung. Die zum Aufheizen des Erfassungsabschnittes auf seine Betriebstempera­ tur erforderliche Zeit kann dadurch wesentlich verkürzt werden, wobei gleichzeitig ein Überhitzen des Erfassungsabschnittes vermieden wird. Beim Speisen des Heizelements mit der Nennspannung bleibt der Sauerstoffsensor auf der vorstehend erwähnten Betriebstemperatur und kann gleichbleibende, der Sauerstoffkonzentration entsprechende Ausgangssignale liefern. Daher zeichnet sich der vorliegende Sauerstoffsensor durch ein verbessertes Ansprechverhalten und hervorragend gleichbleibende Ausgangssignale auch während einer Anfangsphase seiner Messung aus.

Die Energiezuführeinrichtung kann eine erste Spannungsquelle zum Einspeisen der ersten Spannung, eine zweite Spannungsquelle zum Einspeisen der zweiten Spannung und eine Schalteinrichtung enthalten, die das Heizelement entweder mit der ersten oder mit der zweiten Spannungsquelle verbindet.

Die Energiezuführeinrichtung kann zudem eine Steuereinrichtung zum Steuern der Schalteinrichtung in der Art umfassen, daß die zweite Spannungsquelle das Heizelement das vorbestimmte Zeitintervall lang mit der zweiten Spannung speist, bevor die erste Spannungsquelle das Heizelement mit der ersten Spannung speist.

Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel enthält der Sauerstofferfassungsabschnitt des Sensorelements

• a) eine Diffusionswiderstandseinrichtung zum Begrenzen eines mit dem Außenraum in Verbindung stehenden Gasdiffusionsraumes, der einen vorbestimmten Widerstand gegenüber dem hindurchdiffundierenden Meßgas aufweist,
• b) eine Sauerstoffsensoreinrichtung zum Erzeugen eines der Sauer­ stoffkonzentration einer Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum entsprechenden Ausgangssignals, in den das Meßgas aus dem Außenraum gegen den vorbestimmten Widerstand diffundiert, und
• c) eine auf das Ausgangssignal der Sauer­ stoffsensoreinrichtung ansprechende Sauerstoffpumpeinrichtung, durch die die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum durch Pumpen von Sauerstoff gesteuert wird.

Das Erfindungsprinzip kann bevorzugt bei einem Sauer­ stoffsensor vom Doppelelementtyp angewendet werden, der wie vorstehend beschrieben konstruiert ist. Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt nämlich die Verbesserung bzw. Beseitigung der durch einen konventionellen Sauerstoffsensor vom Doppelelementtyp während der Anfangsphase einer Messung hervorgerufenen Probleme wie die unmäßig lange Zeit, die zum Aufheizen eines großdimensionierten Sensors auf seine optimale Betriebstemperatur benötigt wird, und die nicht gleichbleibenden Ausgangssignale des Sensors, die durch einen unzureichenden Pumpstromfluß über eine Sauer­ stoffpumpeinrichtung verursacht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisierten Aufriß des Querschnitts eines Sensorelements eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors mit eingebauter Heizeinrichtung als A/F-Verhältnissensoreinrichtung, und

Fig. 2 eine Temperaturänderungskurve eines Erfas­ sungsabschnittes des Sensorelements gemäß Fig. 1 zu Beginn einer A/F-Verhältnismessung eines Gemisches, das einem Fahrzeug-Benzinmotor zugeführt wird.

In Fig. 1 ist ein Sensorelement eines Sauerstoffsensors als eine A/F-Verhältnissensoreinrichtung dargestellt, die als ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel konstruiert wurde.

Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Sauerstofferfas­ sungsabschnitt 10 des Sauerstoffsensors, der schematisch im Querschnitt in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Erfas­ sungsabschnitt 10 hat einen im allgemeinen gestreckten, ebenen Trockenelektrolytkörper 12 aus einer Vielzahl von laminierten Schichten eines Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolyts, wie Zirkonoxidkeramik mit Ytterit, die zu dem Trockenelektrolytkörper 12 zusammengebrannt werden.

Innerhalb dieses Trockenelektrolytkörpers 12 ist ein Gas­ diffusionsraum als dünner, runder Flachraum 14 ausgeformt, der sich parallel zu einer durch den Trockenelektrolytkörper 12 gebildeten Ebene erstreckt, oder anders ausgedrückt, der eine Ausdehnung oder Tiefe senkrecht zu den gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Trockenelektrolytkörpers 12 hat. Der Mittelabschnitt des Flachraums 14 steht mit einem äußeren Meßgasraum 18 über eine in dem Trockenelektrolytkörper geformte Gaseinströmungsöffnung 16 in Verbindung. In dem äußeren Meßgasraum 18 befinden sich als Meßgas Abgase einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine. In diesem Ausführungsbeispiel dient der Flachraum 14 als ein Gasdiffusionsraum, in den das Meßgas nur gegen einen vorbestimmten Widerstand diffundieren kann. Während des Betriebes wird das Meßgas aus dem äußeren Meßgasraum 18 über die Gaseinströmungsöffnung 16 gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand in den Flachraum 14 eingeleitet.

An einer Innenfläche des im wesentlichen in dem Flachraum 14 der Atmosphäre ausgesetzten Trockenelektrolytkörpers 12 ist eine ringförmige innere Pumpelektrode 22 derart angeordnet, daß diese Elektrode 22 radial außerhalb an der Gaseinströmungsöffnung 16 angebracht ist. Auf einer Außenfläche des Trockenelektrolytkörpers 12, die in dem äußeren Meßgasraum 18 direkt dem Meßgas ausgesetzt ist, ist eine ringförmige äußere Pumpelektrode 24 derart angeordnet, daß die Pumpelektroden 22, 24 in Dickenrichtung des Flachraums 14 gesehen zueinander ausgerichtet und in dieser Richtung durch einen Abschnitt des Trockenelektrolytkörpers 12 getrennt sind. Auf diese Weise bilden die Pumpelektroden 22, 24 zusammen mit dem Trockenelektrolytkörper 12 eine Sauerstoffpumpeinrichtung in Form eines elektrochemischen Sauerstoffpumpelements 6.

Der Trockenelektrolytkörper 12 weist zudem einen Luftdurchlaß 20 in einem Abschnitt auf, der von dem Flachraum 14 in dessen Dickenrichtung in einer vorbestimmten Entfernung angeordnet ist. Dieser Luftdurchlaß 20 erstreckt sich in seiner Längsrichtung parallel zu der durch den Trockenelektrolytkörper 12 gebildeten Ebene, wobei Umgebungsluft mit einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration als Bezugsgas in den Luftdurchlaß 20 eingeleitet wird.

Auf einer anderen Innenfläche des Trockenelektrolytkörpers 12, die im wesentlichen der Atmosphäre in dem Flachraum 14 ausgesetzt ist, ist eine Meßelektrode 26 gegenüber der ringförmigen Pumpelektrode 22 angeordnet. Zu der Meßelektrode 26 ausgerichtet und durch einen Abschnitt des Trockenelektrolytkörpers 12 getrennt ist in dem Luftdurchlaß 20, in den der Trockenelektrolytkörper 12 der Umgebungsluft als Bezugsgas ausgesetzt ist, auf einer Innenfläche eine Bezugselektrode 28 angebracht. Auf diese Weise bilden die Meßelektrode 26, die Bezugselektrode 28 und der Trockenelektrolytkörper 12 zusammen eine Sauer­ stoffsensoreinrichtung in Form eines elektrochemischen Sauer­ stoffsensorelements 8.

In dem so konstruierten Erfassungsabschnitt 10 des Sensorelements des Sauerstoffsensors wird zwischen den Meß- und Bezugselektroden 26 und 28 des Sensorelementes 8 eine Spannung induziert und an einen Differenzverstärker 36 angelegt, der diese von dem Sensorelement 8 erzeugte Spannung mit einer Bezugsspannung 37 vergleicht und eine zu der Spannungsdifferenz proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung wird in einen Spannungs-Strom-Wandler 38 (nachfolgend als U/I-Wandler bezeichnet) eingespeist und dadurch derart in einen entsprechenden positiven oder negativen Pumpstrom I_p gewandelt, daß die Sauer­ stoffkonzentration der Atmosphäre in dem Flachraum 14 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der dem stöchiometrischen Wert (14.6) des A/F-Verhältnisses des Gemisches entspricht.

Der durch den U/I-Wandler 38 erzeugte positive oder negative Pumpstrom I_p fließt über die Pumpelektroden 22, 24 des Sauer­ stoffpumpelements 6. Dadurch pumpt das Sauerstoffpumpelement 6 ansprechend auf dem Ausgangssignal des U/I-Wandlers 38 Sauer­ stoff in der Weise, daß sich Sauerstoffionen von der inneren Pumpelektrode 22 zur äußeren Pumpelektrode 24 oder umgekehrt bewegen, wodurch die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in dem Flachraum 14 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Dieser Sauerstoffsensor ist zur Ermittlung des Pumpstroms I_p ausgelegt, der zwischen den Pumpelektroden 22 und 24 des Sau­ erstoffpumpelementes 6 fließt. Da der Pumpstrom I_p bekanntermaßen in einer vorbestimmten Beziehung zu einem A/F-Verhältnis eines Gemisches steht, kann der Sauerstoffsensor durch die vorstehend beschriebene Ermittlung des Pumpstromes I_p das A/F-Verhältnis des Gemisches bestimmen, das durch seine Verbrennung die Abgase im äußeren Meßgasraum 18 ergibt.

An der von der äußeren Pumpelektrode 24 abliegenden Seite des Trockenelektrolytkörpers 12 ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, die aus einer mit dem Trockenelektrolytkörper 12 zu einer Einheit geformten, elektrisch isolierenden Keramikschicht 30 und einem darin eingebetteten Heizelement 32 besteht.

Das Heizelement 32 wird zur Wärmeerzeugung durch eine externe Energiequelle 34 über Verbindungsleitungen derart mit Energie versorgt, daß der Erfassungsabschnitt 10 des Sensorelements aufgeheizt und auf einer passenden Betriebstemperatur gehalten wird.

Die externe Energiequelle 34 umfaßt eine Nennspannungsquelle 44, um das Heizelement mit einer Nennspannung (8 V bei diesem Ausführungsbeispiel) zu speisen, und eine Aufheizspannungsquelle 46, um das Heizelement mit einer Spannung (12 V) zu speisen, die um einen bestimmten Wert höher als die Nennspannung ist. Die vorstehend erwähnte Nennspannung ist eine Spannung, bei der die von dem Heizelement 32 abgegebene Wärmemenge ausreicht, den Erfas­ sungsabschnitt 10 auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten, bei der der Erfassungsabschnitt 10 die Sauer­ stoffkonzentration des Meßgases genau erfassen kann. Eine Schalteinrichtung 48 ist zwischen der äußeren Energiequelle 34 und dem Heizelement 32 vorgesehen, wodurch wahlweise entweder die Nennspannungsquelle 44 oder die Aufheizspannungsquelle 46 mit dem Heizelement 32 verbunden wird.

Der Schaltvorgang der Schalteinrichtung 48 wird durch eine Steuereinrichtung 50 mit einem Zeitgeber oder einer anderen Zeitmeßschaltung gesteuert. Die Steuereinrichtung 50 wird dazu verwendet, eine zeitgesteuerte Funktion bzw. eine Zeitschaltung durchzuführen. Genauer wird wie vorstehend beschrieben zur Messung des A/F-Verhältnisses bzw. der Sauer­ stoffkonzentration des Meßgases durch den Erfas­ sungsabschnitt 10 bei Beginn der Messung zuerst die Aufheizspannungsquelle 46 mit dem Heizelement 32 verbunden, um die Temperatur des Erfassungsabschnittes 10 schnell auf die vorstehend erwähnte vorbestimmte Betriebstemperatur zu erhöhen, bei der der Erfassungsabschnitt 10 die Sauer­ stoffkonzentration des Meßgases genau erfassen kann. Nach einem bestimmten Zeitintervall seit Beginn der Messung schaltet die Schalteinrichtung 48 um, so daß die Nennspannungsquelle 44 statt der Aufheizspannungsquelle 46 mit dem Heizelement 32 verbunden wird.

Die Zeitdauer vom Beginn der Energieversorgung des Heizelements 32 bis zum Umschalten von der Aufheizspannungsquelle 46 auf die Nennspannungsquelle 44 wird abhängig von verschiedenen Faktoren gewählt, wie beispielsweise Betriebsumgebung, Anfangstemperatur zu Beginn der Messung, Aufbau und/oder Größe des A/F-Verhältnissensors. Bei dem A/F-Verhältnissensor dieses Ausführungsbeispiels wird diese Zeitdauer üblicherweise aus einem Bereich von 5 bis 60 Sekunden gewählt, wobei die Temperatur des Sensors zu Beginn der Messung gleich der Raum- bzw. Umgebungstemperatur ist. Dabei handelt es sich bei dem A/F-Verhältnissensor dieses Ausführungsbeispiels um einen Standard-Doppelelement-Typ, der zur Erfassung des A/F-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges zugeführten Gemisches verwendet wird. Wenn das Heizelement 32 mit der Aufheizspannungsquelle übermäßig bzw. unnötig lange verbunden bleibt, wird der A/F-Verhältnissensor durch Überhitzung des Erfassungsabschnittes 10 beschädigt. Andererseits kann die Anfangsgenauigkeit der Messung durch den A/F-Verhältnissensor nicht ausreichend hoch sein, wenn das Erfindungsprinzip nicht voll genutzt und das Heizelement 32 zu kurz mit der Aufheizspannungsquelle 46 verbunden wird.

Der so konstruierte A/F-Verhältnissensor wurde hinsichtlich der Temperaturerhöhung des durch das Heizelement 32 beheizten Erfassungsabschnittes 10 getestet, wobei der Sensor in einen Automotor mit 2000 ccm Hubraum eingebaut wurde. Nach Motorstart bei Raumtemperatur wurde bei diesem Test das Heizelement 32 mit der Aufheizspannungsquelle für 10 Sekunden und dann mit der Nennspannungsquelle 44 verbunden. Die Temperatur des Erfassungsabschnittes 10 wurde an einem in der Fig. 1 mit "a" bezeichneten, zwischen der innen und der äußeren Pumpelektrode 22, 24 angebrachten Abschnitt des Trockenelektrolytkörpers 12 gemessen. Das Ergebnis des Tests wird durch die Kurvendarstellung in Fig. 2 deutlich. Zur gleichen Zeit wurden Vergleichstests hinsichtlich des Temperaturanstiegs des Erfassungsabschnittes 10 durchgeführt, bei denen das Heizelement 32 seit dem Start des Motors einmal nur mit der Nennspannungsquelle 44 und einmal nur mit der Aufheizspannungsquelle 46 verbunden wurde. Die Ergebnisse dieser Vergleichstests werden ebenfalls in der Kurvendarstellung der Fig. 2 verdeutlicht, wobei die gestrichelte Linie die Verbindung mit der Nennspannungsquelle 44 und die Strichpunktlinie die Verbindung mit der Aufheizspannungsquelle 46 repräsentiert.

In dem vorliegenden A/F-Verhältnissensor wird zeitweilig die Nennspannungsquelle 44 bzw. wahlweise die Aufheizspannungsquelle 46 als externe Energiequelle 34 genutzt, um das Heizelement 32 mit einer geeigneten Spannung zu versorgen. Aus den Ergebnissen der vorstehend beschriebenen Tests geht hervor, daß der vorliegende A/F-Verhältnissensor im Vergleich mit einem bekannten A/F-Verhältnissensor, bei dem das Heizelement (32) lediglich mit einer Nennspannung gespeist wird, eine tatsächlich verringerte Zeitspanne zum Aufheizen des Erfassungsabschnittes 10 des Sensorelements auf eine gewünschte Betriebstemperatur benötigt, bei der der Erfas­ sungsabschnitt 10 die Sauerstoffkonzentration des Meßgases genau erfassen kann, ohne durch Überhitzung des Erfas­ sungsabschnittes 10 beschädigt zu werden. Dementsprechend kann der vorliegende A/F-Verhältnissensor (z. B. Sauerstoffsensor) sogar wenn er relativ kalt ist, also zu Beginn der Messung der Sauerstoffkonzentration, die das A/F-Verhältnis des in den Motor eingespeisten Gemisches bestimmt, sogleich gleichbleibende Ausgangssignale liefern, die diese Sauer­ stoffkonzentration des Meßgases (Abgase) repräsentieren. Die so erhaltenen Ausgangssignale des Sensors werden vorteilhaft von einem Verbrennungssteuerungssystem zum Steuern von Brennkraftmaschinen und Industriefeuerungsanlagen benutzt.

Der vorliegende, wie vorstehend beschriebene A/F-Verhältnissensor wird bevorzugt derart angewendet, daß mit der Bestimmung des A/F-Verhältnisses erst begonnen wird, wenn mittels der Schalteinrichtung 48 das Heizelement 32 mit der Nennspannungsquelle 44 verbunden wurde. Diese Anordnung verhindert schwankende Ausgangssignale des A/F-Verhältnissensors während der Anfangsphase der Messung.

A/F-Verhältnissensoreinrichtungen vom Doppelelement-Typ, wie der vorliegende A/F-Verhältnissensor, haben einen Sauerstoff­ erfassungsabschnitt, der sowohl ein elektrochemisches Pumpelement als Sauerstoffpumpvorrichtung als auch ein elektrochemisches Sensorelement als Sauerstoffsensor beinhaltet. Daher ist ein herkömmlicher Sensor dieses Typs relativ groß und ein Heizelement benötigt deshalb zu viel Zeit, seinen Erfassungsabschnitt auf optimale Betriebstempera­ tur aufzuheizen. Außerdem sollte die Temperatur des Trockenelektrolytkörpers höher als ein vorbestimmter Minimalwert (üblicherweise 600°C) bleiben, damit der Pumpstrom leicht durch das Pumpelement 6 fließen kann. Zu Beginn der Messung wird ein bekannter Sensor aufgrund der niedrigen Temperatur des Erfassungsabschnittes wahrscheinlich nicht stabile Ausgangssignale aufweisen. Diese bei herkömmlichen Sensoren auftretenden Probleme können durch den vorliegenden A/F-Verhältnissensor wirksam verbessert bzw. beseitigt werden, indem wahlweise eine von zwei Spannungsquellen 44, 46 einer externen Energiequelle 34 dazu benutzt wird, abhängig von der Temperatur des Erfassungsabschnittes die an dem Heizelement 32 anliegende Spannung in zwei Schritten passend zu ändern.

Das Erfindungsprinzip kann vorteilhaft ebenso bei einem Sauer­ stoffsensor mit eingebauter Heizeinrichtung angewandt werden, der nicht wie vorstehend beschrieben mit einem elektrochemischen Sauerstoffpumpelement wie dem Pumpelement 6 ausgestattet ist.

Der in dem Sauerstofferfassungsabschnitt enthaltene Sauer­ stoffsensor ist nicht auf einen im wesentlichen vorstehend erläuterten Konzentrationselementtyp beschränkt, sondern kann ein Oxid-Halbleitertyp, ein polarographischer Elementtyp, oder ein anderer bekannter Typ sein.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem der A/F-Verhältnissensor für die Brennkraftmaschine eines Automobils verwendet wird, wird eine üblicherweise in dem Auto vorhandene 12-V-Batterie als Aufheizspannungsquelle 46 benutzt. Allerdings ist der durch die Aufheizspannungsquelle gelieferte Spannungspegel nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt.

Die Spannung der Aufheizspannungsquelle 46 und die Zeitdauer, in der das Heizelement 32 mit Energie von der Aufheizspannungsquelle 46 versorgt wird, kann in Abhängigkeit von geforderten Eigenschaften des A/F-Verhältnissensors passend bestimmt werden. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 50 die Schalteinrichtung 48 derart steuern, daß die Nennspannungsquelle 44 mit dem Heizelement 32 schon verbunden wird, bevor die Temperatur des Sauerstoffer­ fassungsabschnittes 10 des Sensors die vorbestimmte Betriebs­ temperatur erreicht.

Wird der Sensor mit einer Vorrichtung versehen, die zur direkten oder indirekten Temperaturerfassung des Sauerstoffer­ fassungsabschnittes 10 bzw. der Temperatur der mit dem Sauer­ stofferfassungsabschnitt 10 in Berührung kommenden Atmosphäre geeignet ist, kann damit die Zeit, in der das Heizelement 32 mit einer höheren Spannung als der Nennspannung gespeist wird, bestimmt bzw. gemessen werden. Beispielsweise kann diese Zeit basierend auf einem elektrischen Widerstand des Heizelements 32 des A/F-Verhältnissensors mit eingebauter Heizeinrichtung, einer Wasser- oder Öltemperatur des Motors, einer Motordrehzahl, einer Batteriespannung, einer Ansauglufttemperatur des Motors oder anderen Parametern bestimmt werden. Hat der Erfassungsabschnitt 10 des Sensors bereits zu Beginn der Messung eine hohe Temperatur, erfolgt die Energieversorgung des Heizelements 32 nur mit der Nennspannung, damit ein Überhitzen des Erfassungsabschnittes 10 verhindert wird.

Obwohl das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel bei einer A/F-Verhältnissensoreinrichtung verwendet wird, die zum Steuern der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs benutzt wird, kann das Erfindungsprinzip auch bei einer A/F-Verhältnissensoreinrichtung angewendet werden, die zum Bestimmen des A/F-Verhältnisses eines verschiedenen Industriefeuerungsanlagen zugeführten Gemisches die Sauer­ stoffkonzentration in Abgasen erfaßt, die von diesen Feuerungsanlagen abgegeben werden.

Ein Sauerstoffsensor mit eingebauter Heizeinrichtung zum Erfassen eines in einem Außenraum befindlichen Meßgases weist ein Sensorelement auf, das einen Sauerstofferfassungsabschnitt zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration des Meßgases, ein Heizelement zum Aufheizen des Sauerstofferfassungsabschnittes auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur und eine Energiezuführeinrichtung zum wahlweisen Speisen des Heizelements mit einer ersten oder einer zweiten Spannung umfaßt. Die erste Spannung ist gleich einer Nennspannung, die zum Halten des Sauerstofferfassungsabschnittes auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur erforderlich ist, und die zweite Spannung ist höher als die erste Spannung. Die Energiezuführeinrichtung speist das Heizelement mit der zweiten Spannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall, um die Temperatur des Sauerstofferfassungsabschnittes schnell auf eine Temperatur zu erhöhen, die der vorbestimmten Betriebstem­ peratur im wesentlichen gleicht, bevor das Heizelement mittels der ersten Spannung mit Energie versorgt wird.

Claims (14)

1. Sauerstoffsensor für Messungen an einem Meßgas in einem Außenraum mit einem Sensorelement, das einen Sauerstofferfas­ sungsabschnitt zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration eines Meßgases, ein Heizelement zum Aufheizen des Sauer­ stofferfassungsabschnittes auf eine vorbestimmte Betriebstem­ peratur und eine Energiezuführeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezuführeinrichtung (34, 44, 46, 48, 50) das Heizelement wahlweise mit einer ersten oder einer zweiten Spannung speist, wobei die erste Spannung gleich einer Nennspannung ist, die erforderlich ist, den Sauerstofferfas­ sungsabschnitt auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten, wobei die zweite Spannung höher als die erste Spannung ist, und wobei die Energiezuführeinrichtung das Heizelement mit der zweiten Spannung für ein vorbestimmtes Zeitintervall speist, um die Temperatur des Sauerstofferfassungsabschnittes auf eine Temperatur zu erhöhen, die der vorbestimmten Be­ triebstemperatur im wesentlichen gleicht, bevor das Heizelement mittels der ersten Spannung mit Energie versorgt wird.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezuführeinrichtung eine erste Spannungsquelle (44) zum Einspeisen der ersten Spannung, eine zweite Spannungsquelle (46) zum Einspeisen der zweiten Spannung und eine Schalteinrichtung (48) aufweist, die das Heizelement entweder mit der ersten oder mit der zweiten Spannungsquelle verbindet.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezuführeinrichtung eine Steuereinrichtung (50) aufweist, die die Schalteinrichtung (48) derart steuert, daß die zweite Spannungsquelle (46) das Heizelement (32) das vorbestimmte Zeitintervall lang mit der zweiten Spannung speist, bevor die erste Spannungsquelle (44) das Heizelement mit der ersten Spannung speist.

4. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Zeitintervall in einem Bereich von 5 bis 60 Sekunden liegt.

5. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement weiterhin eine elektrisch isolierende Keramikschicht (30) aufweist, die gegenüber dem Sauerstoffer­ fassungsabschnitt (10) angebracht ist und in die das Heizelement (32) eingebettet ist.

6. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstofferfassungsabschnitt des Sensorelements,
eine Diffusionswiderstandseinrichtung (16), die einen mit dem Außenraum (18) in Verbindung stehenden Gasdiffusionsraum (14) begrenzt und die einen vorbestimmten Widerstand gegenüber dem hindurch diffundierenden Meßgas aufweist,
eine Sauerstoffsensoreinrichtung (6; 12, 26, 28) zum Erzeugen eines der Sauerstoffkonzentration einer Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum entsprechenden Ausgangssignals, in den das Meßgas aus dem Außenraum gegen den vorbestimmten Wider­ stand eindiffundiert, und
eine auf das Ausgangssignal der Sauer­ stoffsensoreinrichtung ansprechende Sauerstoffpumpeinrichtung (8; 12, 22, 24) aufweist, die die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum durch Pumpen von Sauer­ stoff steuert.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdiffusionsraum ein dünner Flachraum (14) ist, der mit dem Außenraum in Verbindung steht.

8. Sauerstoffsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Flachraum (14) mit dem Außenraum über eine Gaseinströmungsöffnung (16) in Verbindung steht.

9. Sauerstoffsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Flachraum (14) ein runder Flachraum ist, der eine bezüglich der Hauptfläche des Sensorelements senkrechte Dicke und einen Mittelabschnitt hat, der mit der Gaseinströmungsöffnung (16) in Verbindung steht.

10. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffsensoreinrichtung und die Sauer­ stoffpumpeinrichtung jeweils aus einem elektrochemischen Element (6, 8) bestehen, das einen Trockenelektrolytkörper (12) und ein paar Elektroden aufweist (22, 24, 26, 28).

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockenelektrolytkörper (12) aus einem für Sauerstoffionen leitfähigen Zirkonoxidkeramikmaterial besteht.

12. Sauerstoffsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß von dem paar Elektroden der Sauerstoffsensoreinrichtung (8) eine Elektrode (26) der Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum (14) und die andere Elektrode (28) einer Bezugsatmosphäre außerhalb des Gasdiffusionsraumes ausgesetzt ist.

13. Sauerstoffsensor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen in dem Sauerstofferfassungsabschnitt geformten Luftdurchlaß (20) zum Einlaß einer Umgebungsatmosphäre als Bezugsatmosphäre.

14. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Paar Elektroden der Sauerstoffpumpeinrichtung (6) eine Elektrode (22) der Atmosphäre in dem Gasdiffusionsraum (14) und die andere Elektrode (24) dem Meßgas außerhalb des Gas­ diffusionsraumes ausgesetzt ist.