DE4333229A1 - Vorrichtung zur Erfassung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs verwendeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Sauer­ stoffgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine.

Es ist bekannt, den Sauerstoffgehalt von Abgasen mit Hilfe einer Konzentrationszelle z. B. aus ZrO2-Keramik gegen einen Referenz­ sauerstoffgehalt in einer Referenzatmosphäre zu messen. Die Referenzatmosphäre kann bspw. durch die Umgebungsluft oder auch durch ein Referenzgas in einem gegenüber der Umgebung abge­ schlossenem bzw. nahezu abgeschlossenem Volumen gebildet werden. Eine stabile Sauerstoffatmosphäre wird in diesem Volumen z. B. da­ durch erreicht, daß durch Einprägen eines Stromes Sauerstoff aus dem Abgas in das Volumen gepumpt wird. Eine solche gepumpte Referenz­ atmosphäre besitzt gegenüber der Umgebungsluftreferenz den Vorteil, daß eine Verfälschung der Referenzgasatmosphäre, bspw. durch Spritz­ wasser oder Kraftstoffdämpfe in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung, vergleichsweise gering ist. Da die im allgemeinen sehr klein ge­ wählten Referenzvolumen nicht gasdicht gegenüber der Umgebung sind - z. B. durch Restporosität der ZrO2-Keramik oder durch bewußt eingebaute Gaskanäle, die zu hohe Gasdrücke im Referenz­ volumen vermeiden sollen - kann eine stabile Referenzatmosphäre nur durch einen dauerhaft eingeprägten Strom aufrechterhalten werden.

Dabei besteht jedoch die Gefahr einer Zersetzung des Elektrolyten durch die dafür notwendige angelegte Spannung insbesondere dann, wenn das Abgas aus der Verbrennung eines kraftstoffreichen Gemisches resultiert und einen entsprechend geringen Sauerstoffgehalt auf­ weist.

Wenn die Pumpspannung über die Meßelektroden an den Elektrolyten an­ gelegt wird, tritt außerdem eine temperaturabhängige Veränderung des Meßsignals auf. Das Meßsignal Us, abgegriffen an einer abgasseitigen Meßelektrode und einer referenzgasseitigen Referenzelektrode setzt sich in diesem Fall additiv aus der am Elektrolyten aufgrund der verschiedenen Sauerstoffpartialdrücke resultierenden Nernstspannung Un und einem Spannungshub Ri_*Ip zusammen, wobei Ri den Innenwider­ stand Ri des Elektrolyten und Ip den als Folge der Pumpspannung fließenden Pumpstrom Ip bezeichnet. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Sondeninnenwiderstandes Ri stellt das Produkt Ri_*Ip gewisser­ maßen eine temperaturabhängige Störung des Meßsignals dar.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der An­ gabe einer Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung mit einem nahezu abgeschlossenem Referenzgasvolumen arbeitet, ohne daß die genannten Nachteile wie Zersetzung des Elektrolyten und zu große Störungen des Meßsignals durch die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes des Elektrolyten auftreten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer nach dem Nernst-Prinzip arbeitenden Konzentrationsmeßzelle mit einer Meßelektrode, einem Festelektrolyten und einer Referenzelektrode und einer Reihen­ schaltung aus einer Gleichspannungsquelle (Uv) und einem Vorwider­ stand (Rv), welche die Meßelektrode mit der Referenzelektrode ver­ bindet,
wobei die Meßelektrode mit dem Abgas der Brennkraftmaschine in Ver­ bindung steht und mit der Referenzelektrode, die mit einem Referenz­ gasvolumen in Verbindung steht, über den Festelektrolyten verbunden ist und wobei das Referenzgasvolumen vom Abgas und von der Umge­ bungsluft so getrennt ist, daß ein Teilchenaustausch zwischen dem Referenzgasvolumen und dem Abgas sowie zwischen dem Referenzgas­ volumen und der Umgebungsluft verhindert oder wenigstens erschwert ist und wobei die Ausgangsspannung der Konzentrationsmeßzelle ein Maß für den Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen im Abgas der Brennkraftmaschine und dem Referenzgasvolumen darstellt und wobei die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle und/oder der Wert des Vorwiderstandes so vorbestimmt sind, daß ein im Stromkreis aus Gleichspannungsquelle, Vorwiderstand und Konzentrationsmeßzelle fließender elektrischer Strom Ip unabhängig von der Ausgangsspannung der Konzentrationsmeßzelle stets so gerichtet ist, daß Sauerstoff vom Abgas zum Referenzgasvolumen transportiert wird und wobei im fetten Abgas bzw. hoher Sondenspannung ein sehr kleiner Netto-Strom­ fluß und bei magerem Abgas bzw. kleiner Sondenspannung ein deutlich höherer Netto-Stromfluß resultiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine Schwächung der Tempe­ raturabhängigkeit des Sondensignals US=UN+Ri_*Ip speziell bei fetter Gemischzusammensetzung und verhindert eine mögliche Zersetzung des Elektrolyten, wie sie bei niedrigem Sauerstoffgehalt im Abgas (fette Gemischzusammensetzung) und hohem Pumpstrom droht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei verfälschter Referenz, wie sie bspw. als Folge des Eindringens von Kraftstoffdämpfen in das Referenzgas­ volumen bei stehendem Fahrzeug vorkommen kann, eine automatische Beseitigung der Verfälschung eintritt, da während der Verfälschung stets eine deutlich erniedrigte Sondenspannung resultiert, die einen erhöhten Netto-Stromfluß generiert.

Die Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, von dem Fig. 2 ein elektrisches Ersatzschaltbild wiedergibt.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Abgassonde 2 in einem Abgasrohr, von dem eine Wand 1 dargestellt ist. Diese Wand trennt das Abgas einer Brennkraftmaschine (links) von der Umgebungsluft (rechts). Die Ab­ gassonde weist in ihrem abgasseitigen Teil einen Festelektrolyten 3 zwischen einer dem Abgas ausgesetzten Meßelektrode 4 und einer Referenzelektrode 5 auf. Ein mit der Meßelektrode 5 in Verbindung stehendes Referenzgasvolumen 6 steht weder mit dem Abgas noch mit der Umgebungsluft in direktem Kontakt. Ein sich evtl. aufbauender Überdruck im Referenzgasvolumen wird über eine indirekte Verbindung zur Umgebungsluft, bspw. durch eine porös ausgeführte Meßzuleitung 10, abgebaut. Zwischen dieser Zuleitung 10, die mit der Referenz­ elektrode verbunden ist, und einer Zuleitung 9, die mit der Meß­ elektrode in Verbindung steht, ist eine Gleichspannungsquelle 8 (Uv) und ein Vorwiderstand 7 (Rv) geschaltet. Das Meßspannungssignal US dieser Vorrichtung wird zwischen den Zuleitungen 9 und 10 abge­ nommen.

Die Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vor­ richtung, bei der der Elektrolyt 3 und die Elektroden 4 und 5 als Spannungsquelle Un (10) und Widerstand Ri (9) dargestellt sind.

Die Gleichspannungsquelle bewirkt einen Pumpstrom Ip durch den Elektrolyten, der in Verbindung mit dem Innenwiderstand Ri des Elektrolyten einen Spannungshub Ri_*Ip bewirkt. Die Konzentrations­ zelle, gebildet aus dem Elektrolyten und den Elektroden produziert eine Nernstspannung Un, die bei konstanter Temperatur vom Loga­ rithmus des Quotienten der Partialdrücke im Referenzgasvolumen und im Abgas abhängt. Das Meßspannungssignal Us setzt sich additiv aus beiden Komponenten zusammen Uv-Un=Ip_*(Rv+Ri). Dabei ist der Pump­ strom Ip so gerichtet, daß er Sauerstoff aus dem Abgas zu dem Re­ ferenzgasvolumen transportiert. Einem Absinken des Sauerstoff­ partialdrucks im Referenzgasvolumen wird auf diese Weise entgegenge­ wirkt. Vorteilhafterweise wird der Wert der Gegenspannung Uv so ge­ wählt, daß er knapp oberhalb der höchstmöglichen Nernstspannung UN der Konzentrationszelle liegt.

Die nachstehende Tabelle zeigt, wie sich der Pumpstrom Ip bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Rv-Wert von 51 kOhm und einer Vorspannung von 1 Volt in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung und der Sondentemperatur ändert. Die Nernstspannung Un=0,9 Volt gibt dabei fettes, die von 0,1 Volt mageres Gemisch an. Der Sondeninnenwiderstand Ri=100 Ohm ist für eine heiße und der von 10 000 Ohm für eine kalte Sonde typisch. Die Werte für Us und Ip wurden über die Zusammenhänge Ip=(Uv-Un)/(Rv+Ri) und Us=Un+Ri_*Ip berechnet.

Die eingangs erwähnten Vorteile stellen sich aufgrund der folgenden Zusammenhänge ein.

Zunächst schwächt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Temperatur­ abhängigkeit des Sondensignals Us=Un+Ri_*Ip dadurch, daß die tempe­ raturabhangige Variation des Sondeninnenwiderstandes Ri als Teil des Pumpstromkreises zu einer gegenläufigen Veränderung des Pumpstroms Ip führt, so daß sich die Auswirkung der Sondeninnenwiderstands­ änderung auf den Spannungshub Ri_*Ip verringert.

Einer möglichen Zersetzung des Elektrolyten bei niedrigem Sauer­ stoffgehalt im Abgas (fette Gemischzusammensetzung) wird dadurch begegnet, daß der Pumpstrom Ip bei der erfindungsgemäßen Schaltung proportional zur Differenz der Vorspannung Uv und der Nernstspannung Un der Konzentrationszelle ist. Der Wert dieser Differenz wird bei fettem Gemisch klein, weil der niedrige Sauerstoffgehalt im Abgas zu einer großen Nernstspannung führt. Auf diese Weise stellt sich der Pumpstrom gewissermaßen als Funktion der Gemischzusammensetzung so ein, daß im kritischen Fall eines fetten Gemisch ein vergleichsweise kleiner Strom fließt und im unkritischen Fall des mageren Gemisches ein höherer Strom fließt. Letzteres bewirkt einen erhöhten Sauer­ stofftransport zum Referenzgasvolumen und verhindert, daß der Sauer­ stoffpartialdruck im Referenzgasvolumen auf Dauer zu stark absinkt.

Bei verfälschter Referenz kann der O2-Partialdruck im Referenzgas­ volumen unter den Wert des O2-Partialdrucks im Abgas absinken. Z.B. können u. U. bei stehendem Fahrzeug Kraftstoffdämpfe in das Referenz­ gasvolumen eindringen und den Sauerstoff zu einem großen Teil binden. Sinkt der Partialdruck des Sauerstoffs im Referenzgasvolumen unter den Wert des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas ab, ändert die Nernstspannung Un ihr Vorzeichen. Bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung legt dann nicht mehr die Differenz, sondern die Summe der Beträge der Vorspannung Uv und der Nernstspannung Un die Stärke des Pumpstroms Ip fest. Dadurch erhöht sich der Pumpstrom und damit ver­ bunden die Menge des vom Abgas zum Referenzgasvolumen trans­ portierten Sauerstoffs. Letztlich bewirkt dies gewissermaßen eine Spülung des Referenzgasvolumens mit Sauerstoff, was zur Beseitigung der Verfälschung der Referenz führt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Sauerstoffgehalts im Abgas einer für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges verwendeten Brennkraft­ maschine, wobei die Vorrichtung wenigstens

• - eine nach dem Nernst-Prinzip arbeitende Konzentrationsmeßzelle mit einer Meßelektrode, einem Festelektrolyten und einer Re­ ferenzelektrode und eine
• - Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle (Uv) und einem Vorwiderstand (Rv) aufweist, welche die Meßelektrode mit der Referenzelektrode verbindet,

wobei die Meßelektrode mit dem Abgas der Brennkraftmaschine in Ver­ bindung steht und mit der Referenzelektrode, die mit einem Referenz­ gasvolumen in Verbindung steht, über den Festelektrolyten verbunden ist und
wobei das Referenzgasvolumen vom Abgas und von der Umgebungsluft so getrennt ist, daß ein Teilchenaustausch zwischen dem Referenzgas­ volumen und dem Abgas sowie zwischen dem Referenzgasvolumen und der Umgebungsluft wenigstens erschwert ist und wobei die Ausgangs­ spannung der Konzentrationsmeßzelle ein Maß für den Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen im Abgas der Brennkraftmaschine und dem Referenzgasvolumen darstellt und wobei

• - die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle und/oder der Wert des Vorwiderstandes so vorbestimmt sind, daß ein im Strom­ kreis aus Gleichspannungsquelle, Vorwiderstand und Konzen­ trationsmeßzelle fließender elektrischer Strom Ip unabhängig von der Ausgangsspannung der Konzentrationsmeßzelle stets so ge­ richtet ist, daß Sauerstoff vom Abgas zum Referenzgasvolumen transportiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ trag der Gleichspannung Uv kleiner als das 1,5fache der höchsten Ausgangsspannung der Konzentrationsmeßzelle, gemessen ohne Gleich­ spannung und Vorwiderstand, ist.

3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsmeßzelle in Verbindung mit weiteren Zellen verwendet wird.