DE3715275A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignals - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignalsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen abhängigen
Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoffionen
leitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine dem
Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist.
Meßfühler der vorstehend beschriebenen Art werden bei Kraftfahrzeug
abgassystemen benutzt, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu er
fassen. Die Meßfühler enthalten als Festelektrolyten z. B. eine
Schicht aus ZrO2, das mit CaO oder Y2O3 stabilisiert ist. An der
einen Außenseite der Festelektrolytschicht ist eine dünne, mikro
skopisch poröse Metallschicht als Meßelektrode ausgebildet, die bei
Kraftfahrzeugen dem Abgas des Verbrennungsmotors ausgesetzt ist. Auf
der anderen Seite der Festelektrolytschicht befindet sich als
Bezugselektrode eine dünne, mikroskopisch poröse Metallschicht, die
vom Abgas getrennt und der atmosphärischen Luft ausgesetzt ist, die
den Bezugssauerstoffpartialdruck vorgibt. Die Meß- und die Bezugs
elektrode bestehen gewöhnlich aus Platin.
Wenn eine Differenz im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Bezugs
elektrodenseite und der Meßelektrodenseite des Festelektrolyten
auftritt, entsteht ein Potentialunterschied zwischen Meß und Be
zugselektrode.
Der Potentialverlauf eines handelsüblichen Meßfühlers mit dem vor
stehend beschriebenen Aufbau ist in Abhängigkeit vom Luft/Brenn
stoffaktor 2 in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Das Signalverhalten einer handelsüblichen Sauerstoffsonde, die für
die Überwachung von Verbrennungsgasen eingesetzt wird und deren
Referenzpotential vom Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsluft
bestimmt wird, zeigt Kurve a in Fig. 1. Die meßbare Spannung variiert
zwischen nahezu 0 V ("mageres" Gemisch, λ < 1) und - je nach Art des
Brennstoffes - etwa 1,0 bis 1,2 V ("fettes" Gemisch, λ < 1). Bei
λ = 1 erfolgt der Übergang zwischen "mager" und "fett", kenntlich an
einem steilen Spannungssprung. Eine Leitelektronik zur Gemisch
steuerung, der das Sondenpotential zugeführt wird, erkennt mit Hilfe
eines Bezugspotentials und eines Vergleichers ein zu stark sauer
stoffhaltiges Brennstoff-Luft-Gemisch an einem "low"-Signal mit
niederer Spannung und ein anderes mit zuwenig Sauerstoffgehalt an
einem "high"-Signal.
Meßfühler der oben beschriebenen Art sind bei zahlreichen Kraftfahr
zeugen eingesetzt, die sog. Drei-Wege-Katalysatoren benutzen, mit
denen die Reduktion von Stickoxiden als auch die Oxidation von
Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen katalytisch
unterstützt wird. Besonders günstig arbeitet der Katalysator bei
einem bestimmten Luft/Kraftstoffverhältnis, das über die Leit
elektronik eingestellt wird.
Die oben beschriebenen Meßfühler haben gewisse Nachteile, die ins
besondere in der notwendigen zufuhr eines Bezugsgases wie Luft, in
einer gewissen Größe und in einer unbefriedigenden mechanischen
Festigkeit zu sehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiter
zuentwickeln, daß ohne Verwendung von Luft für den Bezugssauer
stoffpartialdruck eine Kennlinie erzeugt wird, die derjenigen eines
Meßfühlers angeglichen ist, der einen sauerstoffionenleitenden
Festelektrolytkörper, eine der Luft ausgesetzte Bezugselektrode und
eine einem Meßgas ausgesetzte Meßelektrode aufweist.
Die Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß in einem gasdicht gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen, an
der Bezugselektrode angeordneten Referenzgasraum ein Sauerstoff
partialdruck durch ein Gemisch aus Metall und Metalloxid oder aus
Metalloxiden eingestellt wird und daß dem Potential an den Elek
troden eine äußere Offsetspannung hinzugefügt wird, deren Wert
zwischen 50 und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials des
Meßfühlers liegt, das bei von außen der Meßelektrode zugeführtem
Sauerstoff in dem sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie auf
tritt.
Für die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß zur Bezugspotentialbildung an der Bezugselektrode ein Referenz
gasraum vorgesehen ist, der gegenüber der umgebenden Atmosphäre
gasdicht abgeschlossen ist und eine Gasmenge einschließt, deren
Sauerstoffpartialdruck von einem Metall-Metalloxid-Gemisch oder
einem Gemisch mehrerer Metalloxide abhängt, und daß die Meßelektrode
und die Bezugselektrode an die Eingänge einer Schaltungsanordnung
angeschlossen sind, die das Potential um eine Offsetspannung erhöht,
deren Wert zwischen 50 und 150% des Absolutwerts desjenigen
Potentials des Meßfühlers liegt, das dem sauerstoffreicheren Bereich
der Kennlinie entspricht. Unter sauerstoffreicherem Bereich ist
derjenige Bereich zu verstehen, der in der Kennlinie des Meßfühler
potentials in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis nahe am
stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis beginnt und sich über
das Gebiet des "mageren" Luft/Kraftstoffverhältnisses erstreckt.
Vorzugsweise wird das Potential mit Luft festgestellt. Es wird also
statt Luft, die relativ sauerstoffreich ist, ein oxidischer Fest
körper mit geringem Sauerstoffpartialdruck als "innerer" Standard
für die Referenzelektrode verwendet. Es hat sich gezeigt, daß sich
bei einem derartigen oxidischen Festkörper die Kennlinie des Meß
fühlers gegenüber dem oben beschriebenen herkömmlichen Meßfühler
bezüglich der Absolutwerte umkehrt. Man erhält bezüglich des
Absolutbetrages ein niedriges Spannungssignal im "fetten" und ein
hohes im "mageren" Bereich.
In Fig. 1 ist die Kennlinie eines entsprechenden Meßfühlers mit
einem Ni/NiO-Gemisch dargestellt und mit b bezeichnet. Diese Kenn
linie wird der Kennlinie eines Meßfühlers mit von außen zugeführtem
Sauerstoff, insbesondere durch Luft, angeglichen, indem aufgrund
des im Prinzip formgleichen Signalverhaltens der Sonde mit "innerem
Standard" eine Offsetspannung zuaddiert wird, die eine Anhebung der
angezeigten Spannung auf das Niveau der Luftsonde bewirkt. Das
Potential einer Sauerstoffsonde wird durch die Differenz der Ein
zelpotentiale der beiden Elektroden, der Meß- und der Referenzelek
trode, gebildet:
E = E Meß - E Ref (1)
Das Referenzpotential E Ref weist einen von λ unabhängigen Wert auf,
der sich konstant verhält, zumindest unter der Bedingung einer
konstanten Temperatur. So hängt die Kurvenform nur vom Potential
E Meß der Meßelektrode und damit vom Sauerstoffpartialdruck des
Meßgases ab. Die Meßkurven sind also bei beliebigem Standard
identisch bis auf eine Verschiebung in y-Richtung durch unterschied
liche Werte von E Ref . Durch eine jeweils definierte äußere Offset
spannung kann diese Verschiebung kompensiert und das Signalverhalten
der jeweiligen Sonde mit innerem Standard einer Sonde mit Luft als
Referenz angepaßt werden.
Da die Referenzspannung des "inneren" Standards von der Sonden
temperatur abhängig sein kann, wird diese zweckmäßigerweise über
einen Temperaturfühler erfaßt, der an eine mikroelektronische
Schaltung angeschlossen ist, die jeweils die richtige äußere Offset
spannung bestimmt und einregelt. Das kann vorzugsweise durch einen
Mikroprozessor erfolgen. Eine Funktionskontrolle der Vorrichtung
kann bei einer Messung an normaler Atmosphärenluft durchgeführt
werden. Das Meßsignal der Vorrichtung muß bei dieser Prüfung unab
hängig von der jeweiligen Temperatur den Wert "Null" annehmen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Bezugselektroden
raum gegen die Umgebung abgeschlossen werden kann. Dadurch werden
z. B. Verschmutzungen der Bezugselektrode durch Öle, Fette, Salze
oder ähnliches und die daraus resultierenden Potentialveränderungen
vermieden. Auch ist das Potential nicht mehr von der momentanen
Zusammensetzung der Atmosphäre in der Umgebung der Vorrichtung
abhängig. Ein weiterer Vorteil bietet sich mit der Möglichkeit, die
bisher in der Praxis verwendeten λ-Sonden, die mit Luft als Referenz
arbeiten, zu ersetzen, ohne daß an den Meßwertaufnehmern oder der
Signalverarbeitung etwas geändert werden muß, da die abgegebenen
Signale der beiden Sensorarten je nach der Genauigkeit der Ein
stellung der Offsetspannung nahezu oder völlig identisch sind. Im
übrigen entfallen die aufwendigen konstruktiven Maßnahmen, die für
eine einwandfreie Zufuhr von Luft zu den herkömmlichen λ-Sonden
notwendig sind. Es muß nicht mehr dafür gesorgt werden, daß die
Lufteintrittsöffnung an einer nicht für Schmutz zugänglichen Stelle
in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich
weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm der Ausgangspotentiale eines herkömmlichen
Meßfühlers und eines einen "inneren" Standard aufweisenden
Meßfühlers in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt
in Verbrennungsgasen abhängigen Steuersignals im Schema.
Die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie a wurde oben bereits erläutert.
Ein Meßfühler, der statt Luftsauerstoff einen "inneren" Standard
aufweist, hat die in Fig. 1 mit b bezeichnete Kennlinie, die im
Prinzip der Kennlinie a entspricht, jedoch gegen diese um einen in
etwa gleichbleibenden Wert ins Negative verschoben.
Ein Meßfühler 1 besteht aus einem Festelektrolytplättchen 2 aus
stabilisiertem Zirkondioxid. Das Plättchen 2 trägt auf einer Seite
eine Meßelektrode 3 und auf der anderen Seite eine Bezugselektrode
4. Die Elektroden 3, 4 bestehen z. B. aus Platin. An die Bezugs
elektrode 4 ist ein gasdicht gegenüber der Umgebung abgeschlossener
Referenzgasraum 5 vorgesehen, in dem sich ein Gemisch aus Nickel und
Nickeloxid befindet. Dieses Gemisch erzeugt ein Standardpotential an
der Bezugselektrode 4. Die Meßelektrode 3 ist dem Gas mit dem
unbekannten Sauerstoffgehalt ausgesetzt. Dieses Gas ist vorzugsweise
ein Verbrennungsgas. Die Meß- und Bezugselektrode 3, 4 sind dünn und
mikroskopisch porös ausgebildet. Die Meßelektrode wird meist durch
einen dünnen porösen keramischen Überzug vor Verschmutzung ge
schützt. An der Bezugselektrode 4 steht ein geringerer Sauerstoff
partialdruck als an Luft ausgesetzten Bezugselektroden zur Verfügung.
Wenn sich zwischen der Bezugselektrodenseite und der Meßelektroden
seite des Festelektrolyten 2 eine Differenz im Sauerstoffpartial
druck ausbildet, entsteht ein Potential zwischen der Bezugs- und der
Meßelektrode 4, 3. Bei einem Einsatz als Abgasfühler wird die
Meßelektrode 3 den Abgasen ausgesetzt. Das Potential zeigt in einem
solchen Fall eine ausgeprägte Änderung zwischen einem maximalen und
einem minimalen Pegel in der Umgebung eines Luft/Kraftstoffver
hältnisses, das dem stöchiometrischen Wert entspricht. Bei einem
"inneren" Standard anstelle von Sauerstoff bzw. dem in Luft ent
haltenen Sauerstoff weist das Potential im Bereich, der einem
"mageren" Gemisch entspricht, sogar negative Werte auf. Die beiden
Kennlinien a und b ergeben sich bei 500°C.
Die Leitelektronik für die Einstellung bzw. Regelung des dem jewei
ligen Verbrennungsmotor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemisches ent
hält eine Kontrollschaltung, die die Ausgangsspannung der Meßfühler
mit einem Bezugspegel vergleicht. Dieser Bezugspegel ist bei Kraft
fahrzeugen, die die oben beschriebenen herkömmlichen Meßfühler ent
halten, auf die Kennlinie a abgestimmt. Der Bezugspegel entspricht
z. B. dem Mittelwert zwischen dem hohen und niedrigen Pegel der
Kennlinie a.
Ein Ersatz der herkömmlichen Meßfühler durch die Meßfühler 1 ist
jeweils ohne Änderung der Leitelektronik mit Hilfe einer Schaltungs
anordnung 6 möglich, die eingangsseitig mit der Meßelektrode 3 und
der Bezugselektrode 4 verbunden ist. Die Schaltung 6 ist an die Pole
7, 8 einer Betriebsgleichspannung angeschlossen. In der Schaltung 6
wird eine äußere Offsetspannung erzeugt, die dem Potential der Meß-
und Bezugselektrode 3, 4 hinzuaddiert wird. Die Offsetspannung
beträgt vorzugsweise 50 bis 150% desjenigen Potentials des Meß
fühlers 1, das bei der Beaufschlagung der Meßelektrode 3 mit Abgas
im sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie auftritt. Vorzugsweise
entspricht die Offsetspannung 50 bis 150% desjenigen Kennlinien
werts des Meßfühlers 1, der bei Beaufschlagung der Meßelektrode 3
mit Luft entsteht. Die Addition der Spannungen kann z. B. dadurch
erfolgen, daß das Potential an der Meßelektrode 3 und der Bezugs
elektrode 4 über einen Impedanzwandler mit sehr hochohmigem Eingang
einer Summierschaltung aus Widerständen zugeführt wird, von denen
einer einstellbar ausgebildet und von der Betriebsgleichspannung
gespeist wird.
Am Meßfühler 1 oder in dessen Nähe ist vorzugsweise ein Temperatur
fühler 9 angebracht, der an eine mikroelektronische Schaltung 10
angeschlossen ist. Die Schaltung 10 kann auf analoger oder digitaler
Basis arbeiten. Bei digitaler Arbeitsweise wird beispielsweise ein
Mikrocomputer verwendet. Die Schaltung 10 erzeugt über einen Ausgang
11 ein Stellsignal, durch das die äußere Offsetspannung in Abhängig
keit von der Temperatur des Meßfühlers 1 auf einen bestimmten Wert
geregelt wird, der z. B. der Kennlinie a entspricht. Die Schaltung 10
kann im Gehäuse des Meßfühlers 1 oder außerhalb angeordnet sein.
Claims (6)
1. Verfahren zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen ab
hängigen Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoff
ionenleitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine
dem Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem gasdicht gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen, an
der Bezugselektrode (4) angeordnetem Referenzgasraum (5) ein Sauer
stoffpartialdruck durch ein Metall-Metalloxid-Gemisch oder durch ein
Gemisch mehrerer Metalloxide eingestellt wird und daß dem Potential
an den Elektroden eine äußere Offsetspannung hinzugefügt wird, deren
Wert zwischen 50% und 150% des Absolutwerts desjenigen Potentials
des Meßfühlers (1) liegt, das bei von außen der Meßelektrode (3)
zugeführtem Sauerstoff in dem sauerstoffreicheren Bereich der Kenn
linie des Meßfühlers (1) auftritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Potential bei Zufuhr von Luft zu der Meßelektrode (3)
gemessen wird und daß die äußere Offsetspannung auf den Wert des
Absolutwertes des Potentials des Sauerstoffsensors bei Messung an
normaler Atmosphärenluft eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Festkörpergemisch des abgeschlossenen Referenzgasraumes (5)
der metallische Bestandteil durch einen halb- oder nichtmetallischen
ersetzt ist und bzw. oder daß ein oder mehrere metalloxidische
Bestandteile durch halb- oder nichtmetalloxidische ersetzt sind.
4. Vorrichtung zur Erzeugung eines vom Sauerstoffgehalt in Gasen ab
hängigen Steuersignals mit einem Meßfühler, der einen sauerstoff
ionenleitenden Festelektrolytkörper, eine Bezugselektrode und eine
dem Gas ausgesetzte Meßelektrode aufweist, zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bezugspotentialbildung an der Bezugselektrode (4) ein
Referenzgasraum (5) vorgesehen ist, der gegenüber der umgebenden
Atmosphäre gasdicht abgeschlossen ist und eine Gasmenge einschließt,
deren Sauerstoffpartialdruck von einem Metall-Metalloxid-Gemisch
oder einem Gemisch mehrerer Metalloxide abhängt und daß die Meß
elektrode (3) und die Bezugselektrode (4) an die Eingänge einer
Schaltungsanordnung (6) angeschlossen sind, die das Potential um
eine äußere Offsetspannung erhöht, deren Wert zwischen 50 und 150%
des Absolutwerts desjenigen Potentials des Meßfühlers (1) liegt, das
dem sauerstoffreicheren Bereich der Kennlinie des Meßfühlers (1)
entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsanordnung (6) mit dem Meßfühler (1) in einem
Gehäuse angeordnet ist und daß der Schaltungsanordnung (6) von außen
die Offsetspannung oder eine Betriebsspannung zuführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Meßfühler (1) oder in dessen Nähe ein Temperaturfühler (9)
angebracht ist, dessen Ausgangssignal einer mikroelektronischen
Schaltung (10) zugeführt wird, die die äußere Offsetspannung in
Abhängigkeit von der Sondentemperatur auf einen bestimmten Wert
einregelt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873715275 DE3715275A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873715275 DE3715275A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3715275A1 true DE3715275A1 (de) | 1988-11-17 |
DE3715275C2 DE3715275C2 (de) | 1992-04-16 |
Family
ID=6327048
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873715275 Granted DE3715275A1 (de) | 1987-05-08 | 1987-05-08 | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines vom sauerstoffgehalt in gasen abhaengigen steuersignals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3715275A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3632456A1 (de) * | 1985-09-27 | 1987-04-02 | Ngk Spark Plug Co | Luft/kraftstoff-verhaeltnissensor |
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DE2842136A1 (de) * | 1978-04-06 | 1979-10-11 | Electro Nite | Verbesserung der messvorrichtung fuer die bestimmung des aktivsauerstoffgehaltes von metallschmelzen |
DE2934244A1 (de) * | 1979-08-24 | 1981-03-12 | Ferrotron Elektronik Gmbh | Messzelle. |
DE3131927A1 (de) * | 1980-08-12 | 1982-05-27 | Nissan Motor | "verfahren zur herstellung eines festkoerperelektrolytsauerstofffuehlerelementes mit lamellenstruktur, dessen aeussere elektrode aus der dampfphase niedergeschlagen ist." |
DE3442295A1 (de) * | 1984-11-20 | 1986-05-22 | Dungs Karl Gmbh & Co | Verfahren zur bestimmung des sauerstoffgehaltes gasfoermiger oder fluessiger medien und messsonde zur durchfuehrung des verfahrens |
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1987
- 1987-05-08 DE DE19873715275 patent/DE3715275A1/de active Granted
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3715275C2 (de) | 1992-04-16 |
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