-
-
Verfahren und System zum Messen der Sauerstoff -Konzentration
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Sensor, der einen
Festelektrolyten mit Sauerstofficnenleitung aufweist, zur Erfassung der Sauerstoff-Konzentration
oder des Sauerstoffpartialdruckes in einem Gas und zur Erzeugung eines elektrischen
Signales, das diese Konzentration oder diesen Partialdruck wiedergibt. Ein derartig
ausgebildeter Sensor ist bekannt und kann besipielsweise zur Bestimmung der Sauerstoff-Konzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges verwendet werden.
-
Es ist bekannt, einen derartigen Sensor im Abgassystem des Kraftfahrzeugmotors
zu installieren, wobei die elektrischen Ausgangesignale des Sensors dem Steuersystem
für die Kraftstoffdosierung zugeführt werden, um das Luft-Kraftstoff (L/F)-Verhältnis
der dem Motor zugeführten ugemisctles zu steuern. Dieses Steuersystem für das L/F-Verhältnis
wird normalerweise in Verbindung mit einem sogenannten Dreifachkatalysator im Abgassystem
verwendet, um das vom Motor abgegebene Abgas zu reinigen oder zu entgiften.
-
Ein sogenannter "Konzentrationzellen"-Sauerstoffsensor umfaßt ein
rohrförmiges, Festelektrolyt -FUhlerelement, das Sauerstoffionen leitet. Ein Ende
des Fuhlers ist verschlossen, und an den Innen- und Außenflächen des Elementes sind
jeweils Elektroden vorgesehen. Das Fühlerrohr ist so angeordnet, daß seine Innenseite
und Außenseite
jeweils der atmosphärischen Luft und dem Abgas ausgesetzt
sind. Im Betrieb des Sensors wird zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des
Rohres. eine elektromotorische-Kraft erzeugt, die von dem Unterschied zwischen der
Sauerstoffkonzentration des Abgases und der atmosphärischen Luft abhängig ist. In
Abhängigkeit von dieser elektromotorischen Kraft wird ein elektrisches Signal erzeugt,
das den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration wiedergibt, der dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
der dem Motor zugeführten Gasgemischs entspricht. Die Größe dieser elektromotorischen
Kraft ändert sich Jäh, wenn sich das Luft-Kraftsteff-Verhältnis in der Nähe des
theoretischen Werts (14t6 für Benzin) ändert, so daB das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
durch die Verwendung eines Konzentration3-zellen-Sensors innerhalb eines begrenzten,
engen Bereiches um den theoretischen Wert herum in wirksamer Weise bestimmt werden
kann. Mit Hilfe eines derartigen Sensors kann jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
außerhalb dieses engen Bereiches nicht bestimmt werden.
-
Andererseits wurde ein anderer Sauerstoffsensor entwickelt, der für
ein spezielles Motorsystem geeignet ist, das unter ganz speziellen Bedingungen läuft,
und zwar mit einem Gasgemisch, dessen Luft-Kraftstoff-Verhältnis im mageren Bereich,
d.h. über dem theoretischen Wert, liegt. Diese Art von Sensoren wird in der nachfolgenden
Beschreibung als Sensor ftlr magere Gemische bezeichnet. Ein solcher Sensor umfaßt
eine Platte aus einem Festelektrolyten die Sauerstoffionen leitet, und zwei laminare
Elektroden, die auf gegenüberliegenden Flächen der Platte vorgesehen sind, wobei
mindestens eine der Elektroden mit einer Schicht aus einem anorganischen porösen
Material versehen ist.
-
Die Platte aus dem Festelektrolyt die als Sensor wirkt, ist im Abgasrohr
montiert und somit dem Abgas ausgesetzt. An die Elektroden wird eine konstante
Spannung
angelegt. Es fließt dann ein Grenzstrom in der Elektrolytplatte zwischen den Elektroden,
dessen Größe in linearer Beziehung zur Sauerstoffkonzentration steht. Der Grenzstrom
wird zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration erfaßt, um auf diese Weise das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des dem Motor des Kraftfahrzeuges zugeführten Gasgemisches zu bestimmen. Diese Art
von Sensoren kann' jedoch nur für Luft-Kraft stoff -Verhältnisse oberhalb des theoretischen
Wertes wirksam eingesetzt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, einen verbesserten Sauerstoff-Sensor
mit einer einzigen rohrförmigen Festelektrolyt-Fühlervorrichtung zu schaffen, der
eine zufriedenstellende Messung der Sauerstoffkonzentration innerhalb eines sehr
breiten Bereiches und somit eine zufriedenstellende Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
des dem Motor zugeführten Gasgemischs innerhalb eines breiten Bereiches ermöglicht,
welcher sich von einem Wert unterhalb des theoretischen Wertes bis weit über den
theoretischen Wert hinaus erstreckt.
-
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Verfahrens zum Messen
der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine unter Verwendung einer
einzigen, rohrförmigen Festelektrolyt-Fühlervorrichtung; mit dem eine zufriedenstellende
Messung der Sauerstoffkonzentration innerhalb eines sehr breiten Bereiches und somit
eine zufriedenstellende Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der dem Motor
zugeführten Gasmischung innerhalb eines breiten Bereiches möglich ist, welcher sich
von einem Wert unterhalb des theoretischen Wertes bis weit über denselben hinaus
erstreckt.
-
Schließlich bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Sauerstoffkonz
entrati onsmeßsy steme s für ein Abgas system
einer Brennkraftmaschine,
bei dem ein elektrisches Signal von einem einzigen Festelektrolyt-Rohr in Abhängigkeit
von der Sauerstoffkonzentration innerhalb eines breiten Bereiches, der sich von
einem Wert unterhalb des theoretischen Wertes bis weit über denselben hinaus erstreckt,
erzeugt werden kann.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
findet eine FWhlervorrichtung für Sauerstoff Verwendung, die ein Festelektrolytdas
das daa an seinem einen Ende geschlossen ist, sowie eine innere und äußereElektrcde
aufweist, die jeweils auf der Innenfläche und der Außenfläche des Rohres vorgesehen
sind. Mindestens die äußere Elektrode der beiden Elektroden ist mit einer Schicht
aus einem anorganischen porösen Material bedeckt. Die Fühlervorrichtung ist so angeordnet,
daß ihre Außenfläche dem Abgas und ihre Innenfläche einem Referenzgas ausgesetzt
istw das einen Referenz-Sauerstoffpartialdruck liefert. Wenn bei dem erfindungsgemäßen
Meßverfahren das Abgas aus einem (asgex sch entst.lclen ist, das ein Luft-Kraftstoff-Verhä'ltnis
um den theoretischen Wert herum aufweist, wird die im Festelektrolyt-Rohr zwischen
der Innenfläche und der Außenfläche erzeugte elektromotorische Kraft erfaßt, und
es wird in Abhängigkeit davon ein elektrisches Signal erzeugt, das die Sauerstoffkonzentration
oder den Sauerstoffpartialdruck im Abgas wiedergibt. Wenn das Abgas aus einem Gasgemisch
mit einem Luft-Kraftstoff-Verh.iltnis über dem theoretischen Wert entstanden ist,
wird eine vorgegebene konstante Spannung an die Elektroden des Rohres angelegt.
und der zwischen den Elektroden fließende elektrische Strom wird zur Bildung des
elektrischen Signales erfaßt.
-
Das erfindungsgemäß ausgebildete Meßsystem umfaßt eine einzige Sauerstoff-Fffhlervorrichtung
mit einem Festelektrolyt-Rohr, von dem ein Ende geschlossen ist,
einer
inneren Elektrode und einer äußeren Elektrode, die jeweils auf der Innenfläche und
der Außenfläche des Rohres vorgesehen sind, und einer Schicht aus einem anorganischen
porösen Material, die die äußere Elektrode bedeckt. Die Fühlrervorrichtung ist so
angeordnet, daß die Innenfläche einem Referenzgas ausgesetzt ist, das einen Referenz-Sauerstoffpartialdruck
liefert, und daß die Außenfläche dem durch das Abgassystem strö menden Abgas ausgesetzt
ist.
-
Das erfindungsgemäß ausgebildete Meßsystem umfaßt des weiteren eine
Spannungsmeßschaltung die in der Lage ist, eine angelegte Spannung zu bestimmen,
eine SparulunSsliefer- und Strcmmeßsct-i'1 tunp, diP eine Konstantspannungsquelle
und eine Strommeßschaltung aufweist, welche in Reihe geschaltet sind, und Einrichtungen
zum Einschalten der Spannungsmeßschaltung zwischen die innere und äußere Elektrode,
wenn das Abgas aus einem Gasgemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis um den
theoretischen Wert herum stammt, und zum Einschalten der Spannungsl iefer- bnd StrommeIsct1al
tung zwischen die innere und die magere Elektrode, wenn das Abgas aus einem Gasgemisch
mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis über dem theoretischen Wert stammt.
-
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines AusfUhrungsbeispiels in Verbindung
mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Sämtliche Teile können von erfindungswesentlicher
Bedeutung sein. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbei spiel
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoff-Sensors;
Figur 2
einen Querschnitt durch den Sensor der Figur 1 entlang der Linie II-II in Richtung
der Pfeile in Figur 1; die Figuren 3A und 3B schematische elektrische Schaltpläne,
die das Meßprinzip des erfindungsgemäßen Systems verdeutlichen; Figur 4 ein Diagramm,
das die elektrischen Eigenschaften der in den Figuren 3A und 3B gezeigten Schaltungen
verdeutlicht; und Figur 5 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Meßsystems.
-
Die Figuren 1 und 2 zeigen einLängsschnitt durch ein Ausführungsbei
spiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoff-Sensors. Der Sensor umfaßt
eine F<»ilervorrichtung A, die ein Festelektrolyt-Rohr 1, das im Längsschnitt
etwa. U-förmig ausgebildet ist, zwei Laminarelektroden 2 und 3, die jeweils auf
der Innen-und Außenfläche des Rohres 1 vorgesehen sind, und poröse keramische Schichten
4 und 5 aufweist, die jeweils die Elektroden 2 und 3 bedecken (in Figur 2 ist nur
die innere keramische Schicht 4 dargestellt).
-
Bei dem Elektrolyt-Rohr 1 handelt es sich um ein feines Sinterprodukt,
das gegenüber Sauerstoff-Ionen leitend ist und aus einem aus der Gruppe Zr02, Hf02,
Th02, CeO2 und Bi203 sowie Y205, CaO, NgO und Yb203 ausgewählten Material bestehen
kann. Das Rohr 1 ist an seinem oberen Abschnitt mit einem abgeschrägten Innenflächenabschnitt
1a versehen, der in Richtung auf das geschlossene Ende des Rohres 1 konvergiert,
und mit einem äußeren ringförmigen Vorsprung 1b. Die innere
Elektrode
2 erstreckt sich zum offenen Ende des Rohres 1 während sich die äußere Elektrode
3 mindestens so weit wie die obere Ringfläche des ringförmigen Vorsprunges 1b erstreckt.
Jede Elektrode 2, 3 kann eine solche Form aufweisen, daß sie die entsprechenden
Flächen des Elektrolyt-Rohres 1 entweder teilweise oder ganz bedeckt Die die innere
Elektrode 2 bedeckende innere poröse keramische Schicht 4 ist relativ dünn und schützt
die innere Elektrode 2, während die die äußere Elektrode 3 bedeckende äußere poröse
keramische Schicht 5 die Menge an Sauerstoff beschränken soll, die mit der äußeren
Elektrode 3 in Kontakt tritt. Folglich ist diese Schicht relativ dick.
-
Es ist ein zylindrisches Gehäuse 6 vorgesehen, das über einen Flansch
6a, der am Außenumfang des Gehäuses 6 angeordnet ist, mit einem Abgasrohr (nicht
gezeigt) in Verbindung steht. Das Gehäuse 6 ist an seinem unteren Abschnitt mit
einem inneren schräg verlaufenden Abschnitt 6b versehen, dessen Form der unteren
Fläche des ringförmigen Vorsprunges 1b des Elektrolyt-Rohres 1 entspricht und der
gegen diese untere Fläche gelagert ist. Das Gehäuse 6 ist an seinem unteren Endabschnitt
mit einer Schutzkappe 7 versehen, die eine Reihe von Öffnungen 7a aufweist, durch
die das zu analysierende Gas strömt.
-
Der Zusammenbau des Elektrolyt-Rohres 1 und des Gehäuses 6 wird so
ausgeführt, daß zuerst ein hitzbeständiger Dichtungsring 10, beispielsweise aus
Graphit, auf den abgeschrägten Abschnitt 6b des Gehäuses 6 gelegt wird, wonach das
Rohr 1 mit seinem geschlossenen Ende vorneweg in das Gehäuse 6 eingesetzt wird,
so daß die untere Fläche des Vorsprunges Ib auf dem Dichtungsring am schräg verlaufenden
nbschnittob des Gehäuses 6 liegt.
-
Im Elektrolyt-Rohr 1 ist eine Heizeinheit 8 montiert, die ein längliches
zylindrisches Keramikelement und eine Metallschicht (nicht gezeigt) umfaßt und sur
Erzeugung von Hitze mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Heizeinheit 8 ist
über ein rohrförmiges Befestigungselement 9, das aus einem geeigneten Metall besteht
und auf den Umfang des oberen Abschnittes der Heizeinheit 8 aufgesetzt ist, an der
Innenwand des Rohres 1 befestigt.
-
Das Befestigungselement 9 ist so geformt und weist eine solche Größe
auf, daß seine Innenseite der Außenseite der Heizeinheit 8 und seine Außenseite
der Innenseite des oberen Endabschnittes des Rohres 1 entspricht.
-
Die Heizeinheit 8 ist im Element 9 befestigt, beispielsweise durch
Preßpassung. Das Befestigungselement 9 wiederum ist innerhalb des oberen Abschnittes
des Elektrolyt-Rohres 1 befestigt, wobei der schräg verlaufende Schulterabschnitt
9a gegen den inneren schräg verlaufenden Abschnitt 1a des Rohres 1 gelagert ist.
-
Das untere Ende der Heizeinheit 8 liegt in der Nähe des Bodens des
Rohres 1. Das Innere des Elektrolyt-Rohres 1 steht über eine Axialbohrung 8a der
Heizeinheit 8 mit atmosphärischer Luft in Verbindung.
-
Ein erstes Metallrohr 11 ist an der äußeren Umfangsfläche des Rohres
1 über dem ringförmigen Vorsprung 1b des Rohres befestigt. Das erste Metallrohr
11 besitzt an seinem unteren Ende einen auswärts verlaufenden Flanschabschnitt 11a
der auf einem ringförmigen hitzebeständigen Dämpfungsring 30 aufliegt, der wiederum
auf der oberen ringförmigen Fläche des ringförmigen Vorsprunges 1b liegt. Die Innenfläche
des unteren Abschnittes des ersten Rohres 11 befindet sich mit der äußeren Elektrode
3 auf der Außenfläche des Elektrolyt-Rohres 1 in Kontakt.
-
Ein äußeres elektrisch nicht leitendes Rohr 12 ist um die Außenfläche
des ersten Metallrohres 11 herum befestigt. Das elektrisch nicht leitende Rohr 12
ist so geformt, daß der Außendurchmesser seines unteren Endabschnittes größer ist
als der des anderen Abschnittes. Die ringförmige untere Endfläche des Rohres 12
liegt auf der oberen Fläche des Flansches 11a des Metallrohres 11. Ein Füllmaterial
13, beispielsweise ein hitzebeständiges anorganisches Material, wie Talk, ist in
dem Spalt zwischen der Innenfläche des Gehäuses 6 und der Außenfläche des nicht
leitenden Rohres vorgesehen. Auf der Oberfläche des FüLlmateriales 13 befindet sich
ein Druckring 14.
-
Ein rohrförmiges Halteelement 15 ist mit dem oberen Abschnitt des
Gehäuses 6 verbunden. Ein Flansch 15a, der sich vom unteren Ende des Halteelementes
15 nach außen erstreckt, liegt auf der oberen Fläche des Druckringes 14. Das Halteelement
15 ist dadurch am Gehäuse 6 befestigt, daß dessen oberer Endabschnitt, wie in Figur
1 gezeigt, verstemmt ist.
-
Im Halteelement 15 ist ein Metallrohr 16 vorgesehen, um die elektrische
Spannung der inneren Elektrode 2 abzuführen. Das Rohr 16 weist an seinem unteren
Ende einen auswärts verlaufenden Planschabschnitt 16a auf, der auf der oberen Endfläche
des elektrisch leitenden Befestigungselementes 9 liegt. Das Rohr 16 ist über das
Befestigungselement 9 elektrisch an die innere Elektrode 2 angeschlossen und liegt
folglich an der gleichen Spannung an wie die innere Elektrode 2.
-
Im elektrisch leitenden Rohr 16 ist ein elektrisch nicht leitendes
zylindrisches Element 18 befestigt.
-
Das zylindrische Element 18 ist zu der Heizeinheit 8 ausgerichtet,
und die untere Endfläche dieses Elementes
18 steht mit der oberen
Endfläche der Heizeinheit 8 in Kontakt. Das zylindrische Element 18 weist eine Axialbohrung
oder Axialbohrungen zum Hindurchleiten von zwei Leitungsdrähten 19 (von denen nur
einer gezeigt ist) auf. Eine weitere Axialbohrunz (nicht elementgezeigt) ist in
dem zylindrischen/16 ausgebildet, die mit der Axialbohrung 8a der Heizeinheit 8
in Verbindung steht, um die atmosphärische Luft mit dem Inneren des Elektrolyt-Rohres
1 in Verbindung zu setzen.
-
Die Leitungsdrähte 19 sind an die Heizeinheit 8 angeschlossen, und
die Heizeinheit wird durch-diese mit elektrischem Strom versorgt.
-
Ein Isolationsrohr 20, dessen beide Enden geöffnet sind, ist um die
Außenfläche des elektrisch leitenden Rohres 16 herum befestigt. Die Wand des Isolationsrohres
20 besitzt an ihrem unteren Endabschnitt eine größere Dicke als an ihrem oberen
Abschnitt. Die untere Endfläche des Isolationsrohres 20 ist gegen die obere Fläche
des Flansches 16a des leitenden Rohres 16 gelagert. Die Rohre 16 und 20 weisen solche
Längen auf, daß das innere leitende Rohr 16 vom oberen Ende des Isolationsrohres
20 vorsteht.
-
Ein anderes elektrisch leitendes Rohr 21 zur Ableitung der elektrischen
Spannung der äußeren Elektrode 3 am Elektrolyt-Rohr 1 umgibt den oberen Abschnitt
des inneren Isolationsrohres 20. Das elektrisch leitende Hohr 21 ist an seinem unteren
Ende mit einem auswärts verlaufenden Flanschabschnitt 21a versehen. Eine Schraubenfeder
22, die das innere Isolationsrohr 20 umgibt, ist am oberen Ende gegen die untere
Fläche des Flansches 21a gelagert. Innerhalb des Raumes zwischen der unteren Außenfläche
des Rohres 21 und der Innenfläche des rohrförmigen Halteelementes 15 ist ein Füllelement
29 angeordnet.
-
Ein ringförmiges Dämpfungselement 23 ist an der oberen Ringfläche
des vergrößerten unteren Endes des Isolationsrohres 20 angeordnet, und eine Druckringplatte
24 befindet sich auf der Oberfläche des Dämpfungselementes 23. Die Feder 22 erstreckt
sich zwischen der Druckringplatte 24 und dem Flanschabschnitt 21a des zweiten elektrisch
leitenden Rohres 21 und ist zwischen diesen gelagert. Die Feder 22 weist einen geeigneten
Elastizitätmodul auf und übt auf den vergrößerten unteren Endabschnitt des Isolationsrohres
20 über das Dämpfungselement 23 und die Ringplatte 24 eine abwärts gerichtete Kraft
aus, so daß der untere Flanschabschnitt 16a des elektrisch leitenden Rohres 16 gegen
das Befestigungselement 9 gedrückt wird. Das Element 9 wird gegen das Elektrolyt-Rohr
1 gedrückt, und das Rohr 1 wird gegen das Gehäuse 6 gepreßt. Die Elemente 20, 16,
9 und 1 werden somit durch die elastische Kraft der Feder 22 innerhalb des von den
Elementen 6 und 15 gebildeten Gehäuses fixiert. Das untere Ende der Feder 22 befindet
sich mit der Innenfläche des ersten Metallrohres 11 in Kontakt, so daß folglich
das zweite elektrisch leitende Rohr 21, das sich mit der Feder 22 in Kontakt befindet,
die gleiche elektrische Spannung besitzt wie das erste Metallrohr 11.
-
Ein zweites rohrförmiges Halteelement 25, dessen beide Enden geöffnet
sind, nimmt den oberen Endabschnitt des ersten Halteelementes 15 auf. Das erste
und zweite Halteelement 15, 25 sind durch Verstemmen der sich überlappenden Wandabschnitte
der Halteelemente aneinander befestigt, wie in Figur 1 gezeigt ist.
-
Mit 26 und 27 sind Leitungsdrähte bezeichnet, die an das elektrisch
leitende Rohr 16 und das zweite elektrisch leitende Rohr 21 angeschlossen sind.
Jeder Leitungsdraht 26 und 27 ist mit einer Schutzhülle aus Isolationsmaterial
versehen
und erstreckt sich aus dem rohrförmigen Halteelement 25 heraus. Die Abschnitte der
Leitungsdrähte 19 außerhalb des elektrisch nicht leitenden zylindrischen Elementes
18 sind ebenfalls mit Isolationshüllen versehen und erstrecken sich aus dem rohrförmigen
Halteelement 25 heraus.
-
Mit 28 ist eine Isolationsschicht bezeichnet, die um die Innenseite
des zweiten rohrförmigen Halteelementes 25 herum vorgesehen ist. Diese Isolationsschicht
28 stellt die elektrische Isolation des Halteelementes 25 gegenüber dem zweiten
elektrisch leitenden Rohr 21 und gegenüber den Leitungsdrähten 26 und 27 sicher.
-
Bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoff-Sensor ist die innere
Elektrode 2 auf dem Festelektrolyt-Rohr 1 über das elektrisch leitende Befestigungselement
9 und das innere elektrisch leitende Rohr 16 an den Leitungsdraht 26 angeschlossen.
Die äußere Elektrode 3 auf dem Festelektrolyt-Rohr 1 ist über das Metallrohr 11
die Feder 22 und das andere elektrisch leitende Hohr 21 an den anderen Leitungsdraht
27 angeschlossen.
-
Falls die äußere Elektrode 3 auf der Außenfläche des Festelektrolyt-Rohres
1 aus verschiedenen Gründen nicht mit dem. Gehäuse 6 in Kontakt stehen sollte, wird
der äußere ringförmige Vorsprung oder die Schulter ib des Festelektrolyt-Rohres
1 mit Axialnuten versehen, die in den Figuren 3A und 3B gestrichelt dargestellt
sind. In diesem Fall umfaßt die äußere Elektrode zwei ilauptabsohnitte auf den gegenüberliegenden
Seiten des riörmigen Vorsprunges 1b und kleinere Abschnitte, die sich durch die
Nuten auf dem Vorsprung ib erstrecken, ohne in Kontakt mit dem Gehäuse 6 zu stehen,
und die die beiden Hauptabschnitte miteinander verbinden.
-
Das Innere des Festelektrolyt Rohres 1 steht über die Axialbohrung
8a der zylindrischen Heizeinheit 8 und die Axialbohrung des zylindrischen Isolationselementes
18 mit atmosphärischer Luft in Verbdindung.
-
Im Betrieb wird die in Figur 1 dargestellte Fühlervorrichtung derart
am Abgassystem eines Motors befestigt, daß die Außenfläche der Fühlervorrichtung
dem Abgas und die Innenfläche der Vorrichtung atmosph rischer Luft ausgesetzt ist,
wie vorstehend beschrieben.
-
Die Heizeinheit 8 wird über die Leitungsdrähte 19 von einer äußeren
Stromquelle (nicht gezeigt) mit einem elektrischen Strom versorgt und erzeugt Wärme.
Das Elektrolyt-Rohr 1 wird daher auf eine geeignete Betriebstemperatur erhitzt.
-
Die elektrischen Schaltungen zur Bestimmung der Ausgangssignale der
Fühlervorrichtung der Figuren 1 und 2 sind in den Figuren 3A und 3B schematisch
dargestellt.
-
Wenn die Fühlervorrichtung der Figuren 1 und 2 in der vorstehend beschriebenen
Weise als Ronzentrationszellen-Sensor eingesetzt wird, wird eine Spannungsbestimmungsschaltung
31 an die Fühlervorrichtung angeschlossen, wie in Figur gezeigt ist. Im Betriebszustand
wird in dem Festelektrolyt-Rohr 1 zwischen der inneren und äußeren Elektrode 2,
3 eine elektromotorische Kraft oder Spannung erzeugt, die von dem Verhältnis zwischen
dem Partialdruck des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs und dem Partialdruck des in
der atmosphärischen Luft enthaltenen Sauerstoff abhängig ist. Diese elektromtorische
Kraft wird durch die Spannungsbestimmungsschaltung 31 ermittelt. Die Größe dieser
elektromotorischen Kraft ändert sich jäh, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
der der Brennkammer des Motors
zugeführten Gasmischung um das theoretische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis herum andert, wie durch die Kurve I in Figur 4 angedeutet
ist. Somit kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung der in Figur 3A
gezeigten Anordnung innerhalb dieses kleinen Bereiches, der sich um das theoretische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis (14,6 für Benzin) herum erstreckt, in dem die Kurve I
eine große Steigung aufweist, mit zufriedenstellender Genauigkeit bestimmt werden.
-
Wenn die Fühlervorrichtung der Figuren 1 und 2 als Sensor für magere
Gemische oder'als "Grenzstrom-Sensor" verwendet wird, wird eine mit einer Strombestimmungs-Schaltung
33 elektrisch in Reihe geschaltete Konstantspannungsquelle 32 zwischen die Elektroden
2 und 3 auf dem Festelektrolyt-Rohr 1 geschaltet. Die Anode der Spannungsquelle
32 wird an die innere Elektrode 2 angeschlossen, während die Kathode der Spannungsquelle
32 über die Strombestimmungsschaltung 33 an die. äußere Elektrode 3 angeschlossen
wird, so daß zwischen die Elektroden 2 und 3 eine Spannung eines vorgegebenen konstantF
Wertes angelegt wird. Wie vorstehend erwähnt, ist die äußere Elektrode 3 mit einer
porösen keramischen Schicht 5 bedeckt, so daß im Elektrolyt-Rohr 1 zwischen den
Elektroden 2 und 3 ein Grenzstrom fließt. Dieser Grenzstrom wird durch die Strombestimmungsschaltung
33 ermittelt. Da die GröBe des Grenzstromes propertional zum Buft-Kraftstoff-Verhältnis
im mageren Bereich (L/F > 14,6 t ist, wie durch die gestrichelte Linie II in
Figur 4 gezeigt, kann das Luft-Kraftstoff -Verhältnis innerhalb dieses mageren Bereiches
durch Verwendung der Anordnung der Figur 3B mit zufriedenstellender Genauigkeit
ermittelt werden.
-
In der Praxis umfaßt das erfindungsgemäß ausgebildete Sensorsystem
Schalteinrichtungen um wahlweise entweder die Spannungsbestimmungsschaltung 31 der
Figur 3A oder
die mit der Strombestimmungsschaltung 33 in Reihe
geschaltete Konstantspannungsquelle 32 der Figur 3B an die Filhlorsrorrichttlng
der Figuren 1 und 2 in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis anschließen
zu können. Bei der in Figur 5 gezeigten AusfUhrungsform besitzen die Schalteinrichtungen
die Form eines manuell betätigten mechanischen Schalters 35. Der Schalter 35 weist
zwei stationäre Kontakte B und C auf, die jeweils an ein Ende der Spannungsbestimmungsschaltung
31 und an ein Ende der aus der Spannungsquelle 32 und der Strombestimmungsschaltung
33 bestehenden Schaltung angeschlossen sind. Wenn der Motor unter bestimmten Bedingungen
mit einem Gasgemisch laufen soll, das ein Luft -Kraftstoff-Verhältnis innerhalb
des theoretischen Bereiches (L/F = 14 bis 15) aufweist, wird der Schalter 35 manuell
so betätigt, daß die Spannungsbestimmungsschaltung 31 zwischen die Elektroden 2
und 3 geschaltet wird, wie in Figur 3A gezeigt, so daß die in dem Festelektrolyt-Rohr
1 entstehende elektromotorische Kraft bestimmt wird. Wenn andererseits der Motor
unter bestimmten Bedingungen mit einem Gasgemisch laufen soll, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
im mageren Bereich (L/F 15) aufweist, wird der Schalter 35 manuell so betätigt,
daß die aus den Elementen 32 und 33 bestehende Schaltung anstelle der Spannungsbestimmungsschaltung
31 zwischen die Elektroden 2 und 3 geschaltet wird, wie in Figur 3B gezeigt, so
daß zwischen den Elektroden eine Konstant spannung anliegt und der dazwischen fließende
Grenzstrom ermittelt wird.
-
Bei der Schaltungsanordnung der Figur 5 werden die Schalteinrichtungen
35 durch einen manuell betätigten mechanischen Schalter gebildet. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform, bei der die Schalteinrichtungen automatisch in Abhängigkeit von
den jeweiligen Laufbedingungen des Motors, wie beispielsweise der Drosselöffnung,
der Kühltemperatur, dem Ansaugkrümmervakuum
oder der Drehzahl des
Motors, betätigt werden sollen, können diese jedoch aus einem elektronischen oder
elektrischen Schaltkreis bestehen, der entweder die Spannungsbestimmungsschaltung
31 oder die Spannungsanlege- und Strombestimmungssehaltung 32, 33 in Abhängigkeit
von einem elektrischen Signal, das den entsprechenden Laufzustand des Motors wiedergibt,
zwischen die Elektroden 2 und 3 schaltet. Ein derartiger elektronischer oder elektrischer
Schaltkreis, der auf ein elektrisches Signal anspricht, ist als solcher bekannt,
so daß daher in dieser Beschreibung auf keine Ausführungsform eingegangen wird.
-
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist bei dem erfindungsgemäß
ausgebildeten Meßsystem für die Sauerstoffkonzentration nur ein einziges Festelektrolyt-Fiihlerrohr
vorgesehen, und das System ist in der Lage, wahlweise als "Konzentrationszellen-Sensor"
oder als "Grenzstrom-Sensor' zu arbeiten. Mit anderen Worten, mit dem erfindungsgemäß
ausgebildeten System, das nur eine einzige Festelektrolyt-Sauerstoff-Fühlvorrichtung
umfaßt, ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sowohl im theoretischen Bereich
(L/F = 14 bis 15) als auch im mageren Bereich (L/F >15) mit einer zufriedenstellenden
Genauigkeit zu bestimmen.
-
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren und ein System zum essen
des Sauerstoffpartialdruckes im Abgas einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt,
bei dem ein Festelektrolyt-Fühlerrohr Verwendung findet, um ein elektrisches Signal
vorzusehen, das den Sauerstoffpartialdruck wiedergibt. Die Innen- und Außenfläche
des Fühlerrohres sind jeweils der atmosphärischen Luft und dem Abgas ausgesetzt.
Wenn das Abgas aus einem Gasgemisch stammt, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
der Nähe des theoretischen Wertes aufweist, wird die im Fühlerrohr erzeugte elektromotorische
Kraft zur
Erzeugung des Signales benutzt, und wenn das Gasgemisch
ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis über dem theoretischen Wert aufweist, wird eine Konstant
spannung zwischen der Innen- und Außenfläche des Fühlerrohres angelegt, und der
im Rohr fließende Grenzstrom wird zur Erzeugung des Signales erfaßt, so daß innerhalb
eines breiten Bereiches eine zufriedenstellende Messung durchgeführt werden kann.