DE3313783C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere in dem Abgas einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß, wenn in einer Brennkraftmaschine das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff, die zu der Brennkammer geleitet werden, oder das sogenannte "Verhältnis von Luft zu Brennstoff" in Übereinstimmung mit dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist die Menge von schädlichen gasförmigen Bestandteilen, wie auch die Menge von Sauerstoffgas in dem Abgas erheblich vermindert wird. Dementsprechend muß, wenn es gewünscht ist, die Menge der schädlichen gasförmigen Bestandteile aus dem Motor zu entfernen, im Idealfall das Verhältnis von Luft zu Brennstoff mit dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff über den gesamten Arbeitsbereich des Motors übereinstimmen. Wenn jedoch eine Brennkraftmaschine mit einem Verhältnis von Luft zu Brennstoff gleichbleibend in Übereinstimmung mit dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff betrieben wird, steigt der Brennstoffverbrauch. Wenn die Brennkraftmaschine eine Beschleunigung durchführt, d. h., unter Hochlastbedingungen, ist in der Praxis das Verhältnis von Luft zu Brennstoff geringer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff, mit anderen Worten, das Brennstoff/Luft-Gemisch ist fett. Wenn die Brennkraftmaschine umgekehrt mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit betrieben wird, d. h., unter Teillastbedingungen, wird das Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer gehalten als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff, d. h., das Brennstoff/Luft-Gemisch ist mager.

Wenn die Brennkraftmaschine in dem Betriebszustand Beschleunigung betrieben wird, erlaubt demnach die Reduzierung des Brennstoffes es, mit dem Verhältnis von Luft zu Brennstoff das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff anzunähern. Dies führt zu einer Verminderung der Menge der schädlichen Bestandteile und zum Sparen von Kraftstoff zur gleichen Zeit. Wenn die Brennkraftmaschine andererseits in einem Betriebszustand mit konstanter Drehgeschwindigkeit oder unter Teillast betrieben wird, ergibt das Vermindern von Brennstoff in Übereinstimmung mit der Konstruktion des Sauerstoffgases, welches in dem Abgas verbleibt, den Vorteil der Kraftstoffersparnis.

Um somit die Menge des von einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine einzuspritzenden Brennstoffes einzustellen, ist es notwendig, zu bestimmen, ob der Motor unter stöchiometrischem Brennstoffgemisch betrieben wird oder nicht, um die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu bestimmen. Aus diesem Grunde wurde ein Sensor oder ein Fühlelement für ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff entwickelt, mit welchem das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ermittelt werden konnte, wie auch ein Fühlelement oder Sensor für die Sauerstoffkonzentration, mit welchem die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erfaßbar war. Das Fühlelement für stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff weist einen Aufbau auf, der demjenigen eines sogenannten "Konzentrationselementes" ähnelt, in welchem infolge der unterschiedlichen Sauerstoffkonzentration zwischen dem atmosphärischen Gas und dem Abgas eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden durch das feste Elektrolytelement erzeugt wird. D. h., daß in Anbetracht der Tatsache, daß, wenn die Brennkraftmaschine in dem Betriebszustand mit stöchiometrischem Verhältnis von Luft zu Brennstoff betrieben wird, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas etwa zu 0% wird, diese Fühlvorrichtung für das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff so angeordnet ist, daß eine festgelegte elektromotorische Kraft nur dann erzeugt wird, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas bei einem Pegel von etwa 0% gehalten wird. Während das Fühlelement für die Sauerstoffgaskonzentration auch einen ähnlichen Aufbau wie das Fühlelement für das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff aufweist, ist es auf der anderen Seite so angeordnet, daß, wenn eine konstante Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, die Diffusion von Sauerstoffionen aus dem Sauerstoffgas in dem Abgas durch das feste Elektrolytelement erlaubt und dadurch die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in Übereinstimmung mit dem Wert des Sättigungsstromes entsprechend der Konzentration der somit diffundierten Sauerstoffionen erfaßt.

Die oben erwähnten Fühlelemente für das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff und die Sauerstoffgaskonzentration weisen ähnlichen Aufbau auf, unterscheiden sich jedoch voneinander hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Wirkungsweise. Aus diesem Grunde unterscheiden sich die Ausgangssignale der beiden Fühlvorrichtungen auch um Größenordnungen voneinander. Hierdurch ist es sehr schwierig, die Arbeitsweise der Brennstoff-Einspritzvorrichtung entsprechend den Ausgangssignalen der beiden Sensoren oder Fühlvorrichtungen einzustellen, welche sich hinsichtlich der Ausgangs-Dimensionen voneinander unterscheiden. Kurz gesagt ist es schwierig, eine einfache Ausgangscharakteristik zu erhalten, die die Ausgangssignale der beiden Fühlvorrichtungen zur gleichen Zeit anzeigt.

Eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsgasen, insbesondere für Kraftmaschinen, ist in der DE-OS 30 19 072 beschrieben. Demgemäß ist es bekannt, ein Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen leitbar sind, bereitzustellen. Diese gattungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine Erfassungeinrichtung für ein elektrisches Signal auf, welches auf den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig angebracht sind. Das Elektrolyt-Element ist für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt, wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und zweite Elektrode entstehen. Schließlich weist die aus der DE-OS 30 19 072 bekannte Vorrichtung eine Spannungsversorgungsvorrichtung auf, mit der eine konstante Spannung an die Elektroden anlegbar ist.

Gemäß der gattungsgemäßen Vorrichtung wird eine potentiometrische Erfassung durchgeführt, basierend auf einer konzentrationselektromotorischen Kraft, und die Erfassung erfolgt durch einen aufgezogenen fließenden elektrischen Strom in dem Sensor und durch das Herausfinden eines Gleichgewichtes zwischen dem Pumplevel und der Diffusion von Sauerstoffionen in die Nachbarschaft einer Elektrode.

Nachteilig bei dem gattungsgemäßen Sensor ist es jedoch, daß dieser sehr kompliziert aufgebaut ist, da er zwei Zellen aufweist, was zu einer komplizierten Herstellung mit entsprechend hohen Kosten führt. Die Doppelzellenstruktur ist notwendig, da einer der Festkörperelektrolyten als konzentrationselektromotorische Zelle und der andere Festkörperelektrolyt als eine Pumpzelle verwendet werden.

Da eine größere Ausgabeveränderung durch den Pumpstromwert bei dem O²⁻ Pumplevel auftritt, ist eine genaue Konstantstromquelle erforderlich, was wiederum zu hohen Kosten und zu einer Verminderung der Genauigkeit führt.

Weiterhin tritt derselbe Ausgangslevel sowohl in mageren als auch in fetten Bereichen auf, was es schwierig macht, einen zu untersuchenden Materiallevel bzw. -wert zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einer Brennstoffmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, in welcher die Erfassung sowohl des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff als auch der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus einer einzigen Ausgangscharakteristik bzw. -kenngröße der Vorrichtung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Genauer gesagt wird eine Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere für eine Brennstoffkraftmaschine, bereitgestellt, mit einem Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist, und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen leitbar sind, sowie mit einer Erfassungeinrichtung für ein elektrisches Signal, welches auf den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig angebracht sind, wobei das Elektrolyt-Element für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt ist, wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und zweite Elektrode entstehen, und mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung, mit der eine konstante Spannung an die Elektroden anlegbar ist, wobei die zweite Oberfläche der atmosphärischen Umgebungsluft aussetzbar ist, und wobei die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, und wobei die Werte der elektromotorischen Kräfte den Unterschieden in der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre je entsprechen, und wobei die konstante Spannung nicht größer als die erste elektromotorische Kraft und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist, wobei sie über die erste und zweite Elektrode in einer Weise anlegbar ist, daß sie entgegengesetzt zu den elektromotorischen Kräften gerichtet ist, und daß dadurch die Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist und dadurch die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird und daß dadurch ferner Sauerstoffionen gezwungen durch das Festelektrolyt-Element von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und der konstanten Spannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der gezwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportional zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, und wobei eine Umwandlungsvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Strom, welcher durch das Festelektrolyt-Element infolge Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, daß die erfindungsgemäße Sauerstoffkonzentrations-Erfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine erste und zweite Elektroden und ein Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche aufweist, welche einem Abgas aus der Brennkraftmaschine auszusetzen ist und welcher die erste Elektrode schichtförmig angebracht ist, und wobei eine zweite Oberfläche der Atmosphäre auszusetzen ist, auf welcher die zweite Elektrode schichtförmig angebracht ist, und wobei der Festelektrolyt für Sauerstoffionen durchlässig ist. Besonders vorteilhaft läßt sich hier der Effekt dieser Fühlvorrichtung ausnutzen, die eine erste elektromotorische Spannung erzeugt, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, und eine zweite elektromotorische Kraft erzeugt, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas kleiner als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorische Kraft zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird und wobei die Werte der Spannungen den Unterschieden zwischen der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem Abgas bzw. der Atmosphäre entsprechen. Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich daraus, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit welcher eine konstante Spannung, die nicht größer als die erste elektromotorische Kraft ist und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist, über die ersten und zweiten Elektroden derart angelegt wird, daß die konstante Spannung in ihrer Richtung den elektromotorischen Kräften entgegengesetzt ist, wodurch Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, um so die erste elektromotorische Kraft zu erzeugen, und Sauerstoffionen erzwungen durch das Festelektrolyt-Element von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und der Konstantspannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der erzwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportional zu der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist. Ferner ist erfindungsgemäß besonders vorteilhaft eine Umwandlungsvorrichtung vorgesehen, mit welcher ein Strom, der durch das Festelektrolyt-Element infolge der Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Fühlelement gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 2 bis 4 Ausgangskennlinien des erfindungsgemäßen Fühlelementes gemäß Fig. 1;

Fig. 5 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm einer Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 6 und 7 Ausgangskennlinien der Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration gemäß Fig. 5; und

Fig. 8 ein elektrisches Schaltkreisdiagramm einer Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Fühlelement 1 dargestellt, welches in Verbindung mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration angewendet wird. Dieses Fühlelement 1 weist ein einem Reagenzglas ähnliches Festelektrolyt-Element 2 auf, das im folgenden einfach als "Element" bezeichnet wird, und welches an einem Ende geschlossen und an einem Ende offen ist. Dieses Element 2 besteht beispielsweise aus gesintertem Material eines Metalloxides, welches in der Lage ist, Sauerstoffionen hindurchzuleiten, beispielsweise ein gesintertes Material, das durch Mischen von 92 Mol-% ZrO₂ und 8 Mol-% Yb₂O₃ in einer flüssigen Lösung bereitet wurde. Die innere Oberfläche des Elementes 2 kann einem Referenzgas mit im wesentlichen konstanter Sauerstoffkonzentration, beispielsweise der Atmosphäre, ausgesetzt werden, während die äußere Oberfläche des Elementes 2 durch eine Diffusionswiderstandsschicht 3, die für Sauerstoffgas diffundierbar ist, einem Abgas einer Brennkraftmaschine ausgesetzt werden kann. Die Diffusionswiderstandsschicht 3 ist in einer reagenzglasähnlichen Form auf dem Element 2 in der Weise ausgebildet, daß sie an der äußeren Oberfläche dieses Elementes 2 anhaftet. Die Diffusionswiderstandsschicht 3 wird weiter unten im einzelnen beschrieben.

Ein Paar von Elektroden 4 und 5 sind auf der inneren bzw. der äußeren Oberfläche des Elementes 2 in Schichtform aufgebracht. Dementsprechend ist die Elektrode 4 der Atmosphäre ausgesetzt, während die Elektrode 5 dem Abgas ausgesetzt ist.

Wo das Fühlelement 1 verwendet wird, um das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff einer Brennkraftmaschine zu bestimmen oder die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas derselben zu erfassen, weisen ihre Elektroden 4 und 5 Oberflächen auf, die aus einem wertvollen Metallmaterial mit einer hohen katalytischen Aktivität, beispielsweise Platin bestehen und eine ausreichend poröse Struktur aufweisen. Beispielsweise werden die Oberflächen der Elektroden 4 und 5 dadurch geformt, daß sie durch chemisches Plattieren, durch Aufsprühen oder durch Pasten-Siebdruck des wertvollen Metallmateriales aufgebracht werden. In der Elektrode 5, die dem Abgas ausgesetzt ist, wird die Oberfläche so festgelegt, daß sie im Bereich zwischen 10 bis 100 mm² liegt und die Dicke wird auf den Bereich zwischen 0,5 bis 2,0 µm festgelegt. Andererseits wird die Oberfläche der Elektrode 4, die der Atmosphäre ausgesetzt ist, so gewählt, daß sie in dem Bereich von 10 mm² oder mehr und die Stärke wird so gewählt, daß sie in dem Bereich von 0,5 µ bis 2,0 µ liegt. Die Diffusionswiderstandsschicht 3 wird durch Plasma-Spritzbeschichten der äußeren Oberfläche des Elementes 2 mit beispielsweise Al₂O₃, Al₂O₃ · MgO, ZrO₂ gebildet. In dieser Diffusionswiderstandsschicht 3 wird die Dicke so gewählt, daß sie in einem Bereich zwischen 100 bis 700 µ liegt und die Porösität wird so gewählt, daß sie in einem Bereich zwischen 7 und 15% liegt, wobei die durchschnittliche Porengröße zwischen 600 und 1200 Å beträgt. Die Oberflächen der Elektroden 4 und 5 und die Stärke, Porösität und durchschnittliche Porengröße der Diffusionswiderstandsschicht 3 müssen mit hoher Genauigkeit festgelegt sein, damit ein Sättigungsstromwert, wie weiter unten beschrieben, genau ermittelt werden kann.

Anschlußdrähte 6 und 7 sind mit einem Ende mit den Elektroden 4 bzw. 5 verbunden und erstrecken sich mit dem anderen Ende nach außerhalb des Fühlelementes 1. Das Element 2 des Fühlelementes 1 enthält eine Heizvorrichtung 8, mit welcher das Element 1 erwärmbar ist. Stromversorgungsdrähte, die mit der Heizvorrichtung 8 verbunden sind, sind mit dem Bezugszeichen 9 in Fig. 1 bezeichnet.

Das Fühlelement 1 weist zwei Funktionen auf, wobei eine Funktion die Funktion als Fühlelement für ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff und die andere diejenige als Fühlelement für die Sauerstoffgaskonzentration ist. Im folgenden wird das Wirkungsprinzip des Fühlelementes 1 in dem Fall beschrieben, wenn das Fühlelement 1 in doppelter Funktion eingesetzt wird.

Zunächst wird das Fühlelement 1 an einem nicht dargestellten Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine befestigt. In diesem Falle ist die innere Oberfläche des Elementes 2 des Fühlelementes 1 der Atmosphäre ausgesetzt, während die äußere Oberfläche durch die Diffusionswiderstandsschicht 3 dem Abgas ausgesetzt ist, welches von dem Auspuffrohr abgegeben wird. Dieses Abgas enthält Gasbestandteile, wie beispielsweise O₂, CO, Kohlenwasserstoffe usw. Es ist bekannt, daß die Konzentration dieser Gasbestandteile in Übereinstimmung mit dem oben erwähnten Verhältnis von Luft zu Brennstoff schwankt.

In dem Fall der Verwendung des Fühlelementes 1 als stöchiometrisches Fühlelement für das Verhältnis zwischen Luft zu Brennstoff, kann dieses Verhältnis durch die Ausnutzung einer elektromotorischen Kraft bestimmt werden, die zwischen den Elektroden 4 und 5 erzeugt wird. Das bedeutet, zwischen den beiden Oberflächen des Elementes 2 wird gemäß dem Prinzip eines sogenannten Konzentrationselementes eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Differenz zwischen der Konzentration des Sauerstoffgases in dem Abgas und der in der Atmosphäre entspricht. Da die Elektrode 5, die dem Abgas ausgesetzt ist, in diesem Falle aus Pt (Platin) ausgebildet ist, bewirkt das Platin auf und um die äußere Oberfläche des Elementes 2 herum, auf welcher die Elektrode 5 schichtförmig aufgebracht ist, eine Katalyse, in welcher O₂ (Sauerstoffmoleküle) in dem Auspuffgas für die Oxydation von CO, HC (Kohlenwasserstoffe), usw. verwendet werden. Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff niedriger als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wird konsequenterweise die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich des Abgases in der Nähe der äußeren Oberfläche des Elementes 2 geringer. Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wird andererseits die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich des Abgases in der Nähe der äußeren Oberfläche des Elementes 2 hoch. Dementsprechend wird eine scharfe elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden 4 und 5 des Elementes 2 erzeugt, wenn eine Zeit verstreicht, die der Zeit entspricht, wenn die Brennkraftmaschine das stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Brennstoff erreicht, bei welchem die Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas theoretisch zu Null wird. D. h., das Element 2 erzeugt die erste elektromotorische Kraft von 0,9 V, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, und die zweite elektromotorische Kraft von 0,1 V, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Dementsprechend kann das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff dadurch bestimmt werden, daß die elektromotorische Kraft erfaßt wird.

Im Falle der Verwendung des Fühlelementes 1 als des Sauerstoffkonzentrations-Fühlelementes wird eine konstante Spannung an die Elektrode 4 als Anode und die Elektrode 5 als Kathode angelegt. In diesem Falle werden Sauerstoffmoleküle in dem Abgas, die durch die Diffusionswiderstandsschicht 3 durchtreten und die Elektrode 5 erreichen, dadurch Sauerstoffionen, daß ihnen Elektronen von der Elektrode 5 angelagert werden. Da das Element 2 die Eigenschaft aufweist, Sauerstoffionen zu leiten, werden diese Sauerstoffionen gezwungen zu der Elektrode 4 dadurch diffundiert, daß sie durch das Innere des Elementes 2 durchdiffundiert werden und durch Abgabe der Elektronen an die Elektrode 4 erneut zu Sauerstoffmolekülen werden. Der Betrag der gezwungen diffundierten Sauerstoffionen ist proportional mit der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas. Dementsprechend werden Elektronen von der Elektrode 5 zu der Elektrode 4 fließen. Damit wird sozusagen Strom von der Elektrode 4 zur Elektrode 5 fließengelassen. Die Sauerstoffmoleküle in der Nachbarschaft der Elektrode 4 werden in die Atmosphäre freigegeben.

Bei der oben erwähnten chemischen Reaktion bestehen die folgenden kennzeichnenden Umstände hinsichtlich des Stromes, der zwischen den Elektroden 4 und 5 fließengelassen werden kann. D. h., wo die Dicke der Diffusionswiderstandsschicht 3 sich auf einem Wert befindet, der größer als der festgelegte ist, beispielsweise 600 µ, und die Oberfläche der Elektrode 5 klein hergestellt wird, beispielsweise etwa 60 mm², entsteht ein Bereich, in welchem sogenannter "Sättigungsstrom" auftritt, d. h., auch wenn eine an die Elektroden 4 und 5 angelegte Spannung erhöht wird, zeigt der Strom zwischen den Elektroden 4 und 5 keine Veränderungen infolge der Wirkung der Diffusionswiderstandsschicht 3. Es ist bekannt, daß der Wert dieses Wechselstromes I durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

wobei F die Faradaysche Konstante darstellt, R die Gaskonstante, D die Diffusität der Sauerstoffmoleküle, T die absolute Temperatur (°K), S die Fläche der Elektrode (mm²), l die wirksame Diffusionslänge (mm) der Diffusionswiderstandsschicht 3 und P den Partialdruck des Sauerstoffgases darstellt.

Wie es aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, schwankt der Stromwert I mit der Gaskonzentration (Partialdruck des Sauerstoffgases) in dem Abgas. Daher weist der Sättigungsstromwert I Kennlinien auf, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. In Fig. 3 entspricht die mit A bezeichnete Kurve dem Falle, bei welchem die Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas 10% ist, die Kurve B entspricht dem Fall, wenn die Sauerstoffkonzentration 5% ist, und die mit C bezeichnete Kurve entspricht dem Fall, wenn die Sauerstoffkonzentration 2% ist. Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, kann, wenn eine Spannung, die größer ist als die festgelegte Spannung, die die Erzeugung des Sättigungsstromes bewirkt, beispielsweise eine Spannung 0,5 V, zwischen die Elektroden 4 und 5 angelegt wird, der Partialdruck des Sauerstoffgases oder die Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas durch die Erfassung des Sättigungsstromwertes I gemessen werden, welcher zwischen den Elektroden 4 und 5 fließt. Die Beziehung zwischen diesem Sättigungsstromwert I und der Sauerstoffkonzentration ist in Fig. 4 dargestellt. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist, wenn der erfaßte Sättigungsstromwert I groß ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas groß, d. h., das Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist hoch. Wenn der Sättigungsstromwert I klein ist, ist die Sauerstoffgaskonzentration ebenfalls klein oder niedrig. Das bedeutet, daß das Verhältnis von Luft zu Brennstoff ebenfalls niedrig ist.

Es ist festzuhalten, daß, wie aus der oben erwähnten Gleichung ersichtlich ist, der Sättigungsstromwert I mit der Temperatur schwankt und eine Kompensation dafür dadurch erreicht wird, daß das Element 2 durch die Verwendung der Heizvorrichtung 8 auf einer im wesentlichen festen Temperatur gehalten wird.

Wie es oben erwähnt wurde, weist das Fühlelement 1 zwei unterschiedliche Fühl- bzw. Erfassungsfunktionen auf.

Die Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, welche das oben erwähnte Fühlelement 1 verwendet, ist in Fig. 5 dargestellt. Die dortige Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration weist einen Spannungsquellenschaltkreis 10 auf, mit welchem eine festgelegte Spannung zwischen den Elektroden 4 und 5 anlegbar ist. Dieser Spannungsquellenschaltkreis 10 weist einen Ausgangsanschluß 11 auf, der über den Anschlußdraht 6 des Fühlelements 1 mit der Elektrode 4 verbunden ist und weist ferner einen Differenzverstärker 12 und einen Transistor 13 auf. Der nicht-invertierende Eingangsanschluß dieses Differenzverstärkers 12 ist mit einer Referenzspannungsquelle 14 verbunden und der Ausgangsanschluß desselben ist über einen Widerstand 15 mit der Basis des Transistors 13 verbunden. Der Kollektor des Transistors 13 ist mit einem Plus-Anschluß 16 einer nicht dargestellten Batterie einer Brennkraftmaschine verbunden. Andererseits ist der Emitter des Transistors 13 nicht nur mit dem Ausgangsanschluß 11, sondern auch über einen Widerstand 18 mit Masse verbunden. Ein Knotenpunkt 17 zwischen dem Emitter des Transistors 13 und dem Widerstand 18 ist über einen Widerstand 19 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 verbunden. Andererseits ist die Elektrode 5 des Fühlelementes 1 über einen Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 mit Masse verbunden, welcher einen ausreichend kleinen Widerstandswert im Vergleich mit dem Innenwiderstand des Fühlelementes 1 aufweist. Ein Verstärkerschaltkreis 22 weist einen Differenzverstärker 23 auf, dessen nicht-invertierender Eingangsanschluß über einen Widerstand 24 an dem Verbindungspunkt zwischen dem Fühlelement 1 und dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 verbunden ist, sowie einen invertierenden Eingangsanschluß, der über einen Widerstand 26 mit Masse verbunden ist. Der Differenzverstärker 23 ist über einen Ausgangsanschluß 25 mit einem nicht dargestellten, jedoch bereits bekannten Einstellschaltkreis für die Einstellung der eingespritzten Brennstoffmenge verbunden, welcher in der Stufe hinter dem Verstärkerschaltkreis 22 angeordnet ist. Ferner ist der Ausgangsanschluß 25 des Differenzverstärkers 23 über einen Widerstand 27 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 23 verbunden.

Die Funktion des Spannungsquellenschaltkreises 10 wird im folgenden beschrieben. In dem Spannungsquellenschaltkreis 10 wird das Potential an dem Knotenpunkt 17 als ein Rückkopplungs-Potentialsignal über den Widerstand 19 an den invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 angelegt. Der Differenzverstärker 12 erzeugt an seinem Ausgangsanschluß ein Ausgangssignal, das der Differenz zwischen dem Potentialsignal und dem Referenzpotential V _ref entspricht, welches an den nicht-invertierenden Eingangsanschluß angelegt wird, und legt dieses Ausgangssignal über den Widerstand 15 an die Basis des Transistors 13 an. Daher wird die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 13 in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal geändert. Das bedeutet, daß, wenn das Plus-Potential Vb der Batteriespannungsquelle geändert wird, das Potential des Knotens 17 auch zur Änderung neigt. Jedoch wird die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 13 relativ zu dieser Veränderung in dem Knotenpunktpotential geändert. Als Ergebnis wird das Potential des Knotenpunktes 17, nämlich das Potential des Ausgangsanschlusses 11, auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten. Da das Potential des Knotenpunktes 17 so aufrechterhalten wird, wird die an eine serielle Anordnung, die aus einem Fühlelement 1 und einem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 für die Strom/Spannungs-Wandlung besteht, angelegte Spannung auf einem im wesentlichen festen Pegel gehalten. Da der Widerstandswert des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 hinreichend klein im Verhältnis zu dem Innenwiderstand des Fühlelementes 1 ist, ist die Potentialänderung an dem Knotenpunkt zwischen dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 und dem Fühlelement 1 gering, mit dem Ergebnis, daß die an das Fühlelement 1 angelegte Spannung auf einem im wesentlichen festen Pegel gehalten wird.

Diese an das Fühlelement 1 angelegte Spannung wird so gewählt, daß sie es erlaubt, eine Spannung anzulegen, die nicht höher als der Pegel der ersten elektromotorischen Kraft (0,9 V, wie aus Fig. 2 ersichtlich) des Fühlelementes 1 ist, welche zwischen den Elektroden 4 und 5 desselben auftritt, und welche nicht kleiner als die festgelegte Spannung ist, welche in der Lage ist, den Sättigungsstrom I zu erzeugen. Wenn beispielsweise, wie es aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, es gewünscht ist, die Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas bis zu einem Maximalwert von 10% zu messen, wird eine konstante Spannung zwischen die Elektroden 4 und 5 mit einem Spannungswert zwischen 0,4 und 0,8 V angelegt. Diese Ausführungsform ist die konstante Spannung auf einen Wert von 0,6 V festgelegt. Es ist festzuhalten, daß die konstante Spannung in ihrer Richtung gegenüber der elektromotorischen Kraft entgegengesetzt gerichtet ist. Ferner wird der Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 so gewählt, daß er einen Widerstandswert, beispielsweise 10 Ohm, aufweist, der klein genug ist, um die Auswirkung auf den Sättigungsstromwert I vernachlässigbar zu machen.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Bestimmens und Messens der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration näher erläutert. Wie oben erwähnt, ist das Fühlelement 1 an einem Abgasrohr der Brennkraftmaschine befestigt, und die konstante Spannung von 0,6 V wird an die Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegt. Zunächst besteht eine Sauerstoffgaskonzentration von einem bestimmten Wert in dem Abgas, wobei das Brennstoff/Luft-Gemisch, welches zu einer Brennkammer der Brennkraftmaschine geleitet wird, ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff aufweist, das größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist. Wenn angenommen wird, daß diese Sauerstoffgaskonzentration beispielsweise 2% beträgt, wird, wie es aus der Kennlinie C gemäß Fig. 3 ersichtlich ist, der Strom i₁ von 2 mA zwischen den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 erzeugt, wie es bei Fig. 5 angedeutet ist. Mit anderen Worten fließt dadurch der Strom i₁ von 2 mA in den Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21. Dementsprechend ergibt sich zwischen den Enden des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 eine positive Ausgangsspannung von 20 mV, was durch Multiplikation des Widerstandswertes von 10 Ohm dieses Widerstandes 21 mit dem Stromwert von 2 mA erhalten wird. Nachdem diese Ausgangsspannung durch den Verstärkerschaltkreis 22 verstärkt ist, wird sie von dem Ausgangsanschluß 25 des Verstärkers 22 angegeben. Somit wird, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff auf einem Wert gehalten wird, der größer als der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff ist, der Strom i₁ oder der Sättigungsstrom, welcher der Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas entspricht, in dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließengelassen, und somit ist es möglich, die Sauerstoffgaskonzentration in dem Abgas aus dem Ausgangsspannungswert zu erfassen, welcher durch Umwandlung des Wertes jenes Stromes erhalten wurde. Der Strom i₁, der in dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließt, ist in Fig. 6 durch die Kennlinie I₁ dargestellt, während die positive Ausgangsspannung, die auf dem Strom i₁ beruht, in Fig. 7 durch die Kennlinie E₁ dargestellt ist.

Es ist auf das Folgende hinzuweisen. Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff auf einem Wert gehalten wird, der größer als der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff ist, tritt tatsächlich zwischen den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 eine Spannung zwischen 0,1 V gegen die konstante Spannung von 0,6 V auf, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Das bedeutet, daß letztlich eine Spannung von 0,5 V zwischen die Elektroden 4 und 5 angelegt wird. Jedoch ermöglicht auch diese Spannung von 0,5 V die Erzeugung des Sättigungsstromes in einem hinreichenden Ausmaß, wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist. Auf diese Art ist, wenn es gewünscht ist, die konstante Spannung einzustellen, die zweite elektromotorische Kraft von 0,1 V, die das Fühlelement 1 aufweist, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, in Betracht zu ziehen.

Wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff unterdessen auf einem Wert gehalten wird, der kleiner als der Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu Brennstoff ist, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird die erste elektromotorische Kraft von 0,9 V, die höher als die Konstantspannung von 0,6 V ist, zwischen den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegt. Aus diesem Grund diffundieren die Sauerstoffionen spontan durch das Element 2 von der Elektrode 5 zu der Elektrode 4. Das bedeutet, daß der Strom i₂, der auf dem Unterschied von 0,3 V zwischen dieser elektromotorischen Kraft von 0,9 V und der konstanten Spannung von 0,6 V beruht, durch den Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 in einer Richtung fließengelassen wird, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, in welcher der oben erwähnte Strom i₁ fließengelassen wird. Als Ergebnis tritt zwischen den Enden des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 eine negative Ausgangsspannung auf, die auf dem Wert des Stromes I₂ beruht; diese Ausgangsspannung wird durch den Verstärkerschaltkreis 22 verstärkt und von dem Ausgangsanschluß 25 des Verstärkerschaltkreises 22 abgegeben. Dementsprechend ist es durch Erfassung der negativen Ausgangsspannung möglich, zu bestimmen, ob das Verhältnis von Luft zu Brennstoff geringer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist. In Fig. 6 ist die Kennlinie des Stromes i₂ durch die Bezeichnung I₂ dargestellt, während die Kennlinie der negativen Ausgangsspannung durch die Bezeichnung E₂ dargestellt ist.

Wie es weiter oben festgehalten ist, ist es mit der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration möglich, wie es aus Fig. 7 ersichtlich ist, durch ein einziges Fühlelement 1 eine kontinuierliche Ausgangsspannungskennlinie aus dem Ausgangsanschluß 25 der Erfassungsvorrichtung zu erhalten. Dementsprechend wird, wo die Ausgangsspannung am dem Ausgangsanschluß 25 negativ ist, d. h., wo das Verhältnis von Luft zu Brennstoff niedriger als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, beispielswiese während der Beschleunigung der Brennkraftmaschine, die Arbeitsweise der Brennstoffeinspritzvorrichtung in Übereinstimmung mit der negativen Ausgangsspannung so gesteuert, daß die einzuspritzende Brennstoffmenge abnimmt und sich so das Verhältnis von Luft zu Brennstoff an das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff annähert. Ob das Verhältnis von Luft zu Brennstoff gleich dem stöchiometrischen Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist oder nicht, kann dadurch entschieden werden, daß bestimmt wird, ob die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluß 25 Null Volt beträgt oder nicht. Somit es ist möglich, sowohl den Betrag des verbrauchten Brennstoffes als auch die Menge der erzeugten schädlichen Gasbestandteile zu reduzieren.

Andererseits wird, wo die Ausgangsspannung aus dem Ausgangsanschluß 25 positiv ist, d. h., wo das Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, beispielsweise während der konstanten Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine, die Arbeitsweise der Brennstoffeinspritzvorrichtung in Übereinstimmung mit der positiven Ausgangsspannung so gesteuert, daß die von dieser Einspritzvorrichtung einzuspritzende Brennstoffmenge zunimmt oder abnimmt. Somit ist es möglich, die Menge schädlicher Gasbestandteile in dem Abgas wie auch die Menge des verbrauchten Brennstoffes zu reduzieren.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene erste Ausführungsbeispiel beschränkt. In Fig. 8 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration dargestellt. In dieser zweiten Ausführungsform werden Bereiche oder Teile mit den gleichen Funktionen wie bei dem vorhergehenden ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet und deren Beschreibung wird weggelassen. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Offset-Widerstand 30 parallel mit dem Fühlelement 1 verbunden. Ferner ist in dem Spannungsquellenschaltkreis 10 der nicht-invertierende Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 mit der Referenzspannungsquelle 14 über einen Widerstand 31 verbunden. Der Bereich zwischen dem Widerstand 31 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 ist mit dem Knotenpunkt 17 über einen Widerstand 32 verbunden. Ferner ist der invertierende Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 über einen Widerstand 33 mit dem Ausgangsanschluß 11 verbunden. Der Bereich zwischen diesem Widerstand 33 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 12 ist über einen Widerstand 34 mit Masse verbunden. Es ist hier festzuhalten, daß die betreffenden Widerstandswerte der Widerstände 31, 32, 33 und 34 so bestimmt werden, daß auch, wenn die zwischen den Enden des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 erzeugte Spannung Änderungen aufweist, die zwischen die Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegte konstante Spannung zu allen Zeiten konstant bleibt.

Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in diesem zweiten Ausführungsbeispiel nicht lediglich eine Funktion auf, die zu der in dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, sondern die Erfassungsvorrichtung in dem zweiten Ausführungsbeispiel ermöglicht, wenn der Strom, der in dem Strom/Spannungs-Wandlungswiderstand 21 fließengelassen wird, groß ist, eine Erhöhung des Widerstandswertes des Strom/Spannungs-Wandlungswiderstandes 21 infolge der Verbindung des Offset-Widerstandes 30 parallel mit dem Fühlelement 1 und bewirkt dadurch eine Erhöhung des Signal/Rausch-Abstandes der Ausgangsvorrichtung. Ferner ist es, wenn ein Wechselstrom-Offsetsignal zu der Referenzspannungsquelle 14 hinzugefügt wird, möglich, eine festgelegte Spannung entsprechend diesem Wechselstrom-Offsetsignal zwischen den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 anzulegen. Da in diesem Falle das Fühlelement 1 eine kapazitive Komponente aufweist, ist ein nicht dargestellter Stromtreiber erforderlich, um den Strom von dem Ausgangsanschluß 11 des Spannungsquellenschaltkreises 10 nach Masse zu leiten. Ferner muß ein Tiefpaßfilter 40 für die Durchschnittsbildung der Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschluß 25 der Meßvorrichtung 20 und den Verstärkerschaltkreis 22 geschalten werden. Diese Anordnungsart ist wirksam, wenn die komplexe Impedanz des Fühlelementes 1 überwacht werden soll.

Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf eines der dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erlaubt Abänderungen, beispielsweise die im folgenden erwähnten.

Der Pegel der konstanten Spannung, die zwischen den Elektroden 4 und 5 des Fühlelementes 1 angelegt wird, kann der elektromotorischen Kraft von 0,9 V gleich sein. In diesem Falle wird, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, die Ausgangsspannung zu Null Volt.

In der ersten und der zweiten Ausführungsform wurde die Funktionsweise der Brennstoff-Einspritzvorrichtung in Übereinstimmung mit der analogen Ausgangsspannung gesteuert, die von der Erfassungsvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration abgegeben wurde. Jedoch kann eine derartige Ausgangsspannung auch in Form eines digitalen Signales zu der Brennstoff-Einspritzvorrichtung geleitet werden.

Claims (8)

1. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration in einer gasförmigen Atmosphäre, insbesondere für eine Brennkraftmaschine,
mit einem Festelektrolyt-Element mit einer ersten Oberfläche, die einem Abgas aus der Brennkraftmaschine aussetzbar ist, und mit einer zweiten Oberfläche, durch welche Sauerstoffionen leitbar sind,
mit einer Erfassungseinrichtung für ein elektrisches Signal, welches auf den Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre anspricht, wobei die Erfassungseinrichtung erste und zweite Elektroden aufweist, die auf der ersten bzw. zweiten Oberfläche des Elektrolyt-Elements schichtförmig angebracht sind, wobei das Elektrolyt-Element für die Erzeugung von zwei elektromotorischen Kräften ausgelegt ist, wobei die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist, wobei die elektromotorischen Kräfte über die erste und zweite Elektrode entstehen, und
mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung, mit der eine konstante Spannung an die Elektroden anlegbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Oberfläche der atmosphärischen Umgebungsluft aussetzbar ist,
daß die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, wenn ein Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist,
daß die Werte der elektromotorischen Kräfte den Unterschieden in der Sauerstoffgaskonzentration zwischen dem Abgas und der Atmosphäre je entsprechen,
daß die konstante Spannung nicht größer als die erste elektromotorische Kraft und größer als die zweite elektromotorische Kraft ist, wobei sie über die erste und zweite Elektrode (5, 4) in einer Weise anlegbar ist, daß sie entgegengesetzt zu den elektromotorischen Kräften gerichtet ist, und daß dadurch die Sauerstoffionen spontan durch das Festelektrolyt-Element (2) von der zweiten Oberfläche zu der ersten Oberfläche diffundieren, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff in dem Abgas nicht größer als das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Brennstoff ist und dadurch die erste elektromotorische Kraft erzeugt wird, und daß dadurch ferner Sauerstoffionen gezwungen durch das Festelektrolyt-Element (2) von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche in Übereinstimmung mit einer Differenz zwischen der zweiten elektromotorischen Kraft und der konstanten Spannung diffundieren, wenn die zweite elektromotorische Kraft erzeugt wird, wobei die Menge der gezwungenen diffundierten Sauerstoffionen proportinal zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, und
daß eine Umwandlungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, mit welcher ein Strom, welcher durch das Festelektrolyt-Element (2) infolge Diffusion der Sauerstoffionen fließt, in ein Ausgangssignal umwandelbar ist.

2. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der ersten und zweiten Elektroden (5, 4) aus einer porösen Schicht, insbesondere aus Platin, bestehen.

3. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (5) durch eine Diffusionswiderstandsschicht (3) bedeckt ist, durch welche Sauerstoff hindurchdiffundieren kann.

4. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektromotorische Kraft 0,9 V beträgt und die konstante Spannung in einem Bereich zwischen 0,4 und 0,8 V liegt.

5. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der konstanten Spannung 0,6 V beträgt.

6. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden (5, 4) je mit Anschlußteilen (7, 6) verbunden sind, welche die konstante Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (5, 4) weiterleiten.

7. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsvorrichtung (20) einen Wandlungs-Widerstand (21) aufweist, welcher Strom in Spannung umwandelt und in Reihe mit einer der ersten und zweiten Elektrode (5, 4) geschaltet ist.

8. Fühlvorrichtung für die Sauerstoffkonzentration nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlungsvorrichtung (20) einen Offset-Widerstand (30) aufweist, welcher zwischen die erste und die zweite Elektrode (5, 4) geschaltet ist.