DE2341422A1

DE2341422A1 - Messgeraet

Info

Publication number: DE2341422A1
Application number: DE19732341422
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Horst Dipl Ing Neidhard; Wolf Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-08-16
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2241071A1; FR2241071B3; US3948081A; JPS5051395A; NL7410935A

Description

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R. ι γ, 5 3
10.7.1975 Ka/Ma

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GF-TOH, Stuttgart

Messgerät

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Messung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Sauerstoff-Messfühlers in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und mit einem Anzeigegerät, das mit dem Sauerstoff-Messfühler in Wirkverbindung steht.

Bei V/erkstatt- und Inspektionsarbeiten ist es erforderlich, die Aufbereitungseinrichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine so einzustellen, dass ein möglichst schadstoffarmes Abgas ausgestossen wird. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches

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lässt sich durch die Luftzahl \ ausdrücken, die so definiert ist, dass sie den Zahlenwert 1 annimmt, wenn ein stöbhiometrisches Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Bei Luftüberschuss nimmt die Luftzahl λ -einen Wert über 1,0 an, wobei dieser Wert durch das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff bestimmt wird. Umgekehrt liegt Kraftstoffüberschuss (fettes Gemisch) vor, wenn die Luftzahl λ kleiner 1 ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermittelt werden kann.(X -Messung). Das Gerät soll möglichst einfach in seinem Aufbau sein und insbesondere im rauhen Werkstattbetrieb sicher und zuverlässig arbeiten.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Sauerstoff-Messfühler mit mehreren unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren aufweisenden Verstärkerijfaerbunden ist, die nur in bestimmten, vorgebbaren Teilbereichen das Ausgangssignal des Sauerstoff-Messfühlers verstärken, und dass die Ausgänge der Verstärker über Widerstände miteinander verbunden sind, und dass der Verbindungspunkt der Ausgänge der Verstärker mit dem Anzeigegerät in Wirkverbindung steht.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele und zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:

Pig. I den Aufbau eines Sauerstoff-Messfühlers,

Pig. 2 ein Diagramm, indem das Ausgangssignal des Sauerstoff-Messfühlers übar_ndßr_nLuftzahl>4 aufgetragen ist und * ⁰^⁸ ° * ^{7TJTA T}

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Pig. 5 einen Stromlaufplan des Messgerätes zur Ermittlung und Anzeige der Luftzahl /I .

In Fig. 1 ist in sehematiseher Darstellung der Aufbau eines Sauerstoff-Messfühlers 10 dargestellt. Dieser Sauerstoff-Messfühler IG ist, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet, in der Abgassammelleitung 11 einer Brennkraftmaschine 12 angeordnet. Der Messfühler 10 besteht aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 13, das aus einem Fcstelektrolyten gesintert ist. Der Festelektrolyt y\ ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 14 bedampft. Die beiden Platinschichten 14 sind mit Kontakten versehen, welche zu den elektrischen Anschlussklemmen 15 und l6 geführt sind. Das Festelektrolyt-Röhrchen 1J> wird durch eine Fassung 17 in der W-nd der Abgassammelleitung 11 gehalten. Die Fassung 17 weist eine Bohrung l8 auf, durch welche Aussenluft in den Innenraum des Röhrchens 1J> eindringen kann. Die Aussenflache des Röhrchens 13> wird vom Abgas umströmt.

Der Festelektrolyt ist bei höheren Temperaturen, wie sie im Abgasstrom vorherrschen, sauerstoffionenleitend. Als Festelektrolyt kann z.B. Zirkondioxid verwendet werden. Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstoff partialdruck der Aussenluft abweicht, dann tritt zwischen den beiden Anschlussklemmen 15 und 16 eine Potentialdifferenz auf, deren Verlauf über der Luftzahl^ in Fig. 2 widergegeben wird. Die Potentialdifferenz hängt logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoffpartialdrücke zu beiden Seiten des Festelektrolyten ab. Deshalb ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 in der Umgebung der Luftzahl λ = 1,0 nahezu sprungartig.

-4-5 0 9 8 Π R / Π !W, 1

In Pig. 2 isf in einem Diagramm über der Luftzahl die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 15 und l6 des Sauerstoff-Messfühlers 10 aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass bei kleinen Luftzahlen λ ungefähr 0,8 bis 0,98 (fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch) eine relativ hohe Ausgangsspannung an den Klemmen 15 und l6 anliegt, die zu ^ = 0,98 leicht abnimmt. Im Bereich zwischen X 0,99 und A =1,01 ändert sich die Spannung an den Klemmen 15 und 16 sehr stark und im Bereich A>l,01 liegt eine sehr niedrige Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 15 und l6 des Sauerstoff-Messfühlers 10. Aus dem Diagramm ist weiterhin zu entnehmen, dass die Ausgangsspannung zwischen den Klemmen 15 und 16 stark temperaturabhängig ist. Die mit ausgezogenen Linien dargestellte Kurve l8 gilt dabei für niedrigere Temperaturen, und die mit unterbrochenen Linien dargestellte Kurve gilt für höhere Temperaturen.

Um eine eindeutige Aussage über die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu machen, d.h., den jeweiligen /i -Wert mit Hilfe eines Anzeigegerätes ablesen zu können, muss einerseits darauf geachtet werden, dass die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignales des Sauerstoff-Messfühlers 10 kompensiert wird, und dass andererseits das steile Stück des Kurvenzuges l8, der in diesem steilen Stück mit dem Kurvenzug 19 zusammenfällt, so weit verzerrt, bzw. linearisiert wird, dass eine eindeutige·Zuordnung zu einer LuftzahlX gegeben ist.

Zur Linearisierung, d.h., zur Entzerrung in Abszissenrichtung ist die Schaltanordnung nach Fig. J> vorgesehen. Von der Brennkraftmaschine 12 führen Zweigstutzen 20 zu der AbgassammelLeitung 11, in der der Sauerstoff-Messfühler 10 angeordnet 1st, der ein .die Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches

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entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal liegt, wie schon bei der Beschreibung von Fig. 1 angedeutet, an den Klemmen 15 und 16 an. Die Klemme 15 ist mit einer gemeinsamen Minusleitung 21, im Kraftfahrzeug gewöhnlich mit Masse, verbunden. An die Ausgangsklemme 16 des Sauerstoff-Meßfühlers 10 sind Verstärker 22, 23 und 24 angeschlossen. Der Verstärker 24 ist dabei in allen Einzelheiten dargestellt, der Aufbau der Verstärker 22 und 23 gleicht dem Aufbau des Verstärkers 24. Lediglich die Dimensionierung einzelner Bauelemente ist geändert. Der Verstärker 24 enthält einen Operationsverstärker 25. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand 26 mit einer gemeinsamen Pluszuleitung 27 verbunden. An den invertierenden.Eingang des Operationsverstärkers 25 ist über einen NTC-Widerstand das Ausgangssignal des Sauerstoff-Meßfühlers 1o angelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 25 liegt am Abgriff eines zwischen der Plusleitung 27 und der Minusleitung 21 angeordneten aus den Widerständen 29 und J>o bestehenden Spannungsteilers. Der Ausgang des Operationsverstärkers 25 ist über einen V/iderstand 31 mit der gemeinsamen Pluszuleitung 27 und über eine Diode 32 mit dem invertierenden Eingang sowie über eine Diode 33 mit einem zweiten Spannungsteiler verbunden, der aus Widerständen 34 und 35 besteht. Vom Abgriff dieses Spannungsteilers führt außerdem ein V/iderstand 36 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25. Anstelle der Diode 33 kann auch ein Transistor vorgesehen sein, dessen Basis mit

dem Ausgang des Operationsverstärkers 25, dessen Emitter mit dem Abgriff des Spannungsteilers 34, 35 und dessen Kollektor mit der gemeinsamen Minusleitung 21 verbundden ist.

Die Wirkungsweise derjbeschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende. Solange die Spannung, die sich an dem unbeschalteten, mit der Ausgangsspannung Ug des Sauerstoff-Meßfühlers 1o verbundenen Spannungsteiler R 26 R 28 ergibt, niedriger liegt, als die an dem nichtinvertierenden

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Eingang wirksame, mit Hilfe des Spannungstellers aus den Widerständen 29, JO fest eingestellte Vorspannung, ergibt sich eine.Ausgangsspannung an dem Operationsverstärker 25, die einen positiven Wert hat. Dies führt dazu, dass die Diode 33 sperrt und demzufolge der Ausgangsspannungsteiler mit den Widerständen 34 und 35 nicht beeinflusst werden kann. Der Strom, welcher nötig ist, um den Spannungsteiler aus den Widerständen 26 und 23 auf den gleichen Wert wie die Vorspannung am Spannungsteiler aus den Widerständen 29 und 30 anzuheben und zwischen den beiden Verstärkereingängen die Summenspannung 0 zu erzeugen, wird über die Diode 32 und den Lastwiderstand 3I eingespeist. Beim Ansteigen der-Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 wird dann der Ansprechwert erreicht, bei welchem die Spannung am Spannungsteiler aus den Widerständen 29 und 30 den gleichen Wert an seinem Abgriff auf v/eist, wie der Spannungsteiler aus den V/iderständen 26 und 28 an seinem Abgriff. Dann muss kein zusätzlicher Strom in den Spannungsteiler aus den Widerständen 26 und 28 eingespeist werden und es braucht auch kein Strom abgezogen zu werden, so dass die Dioden 32 und 33 sperren. Bei nur geringfügigem Anwachsen der Ausgangs spannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 würde jetzt der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 25 positiver als der nichtinvertierende Eingang werden. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird negativer, wobei bei sperrender Diode 33 die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers 25 wirksam ist. Ein äusserst geringes Ansteigen der Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 genügt somit bereits, um eine Ausgangsspannungsänderung hervorzurufen, , ' die der Schwellspannung der Diode 33 entqricht. Wenn die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 weiter ansteigt, wird der Ausgang des Operationsverstärkers 25

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noch .stärker negativ. Dabei xvird die Diode 33 stromleitend und das Potential an der Anode der der Diode 33 wird mitgezogen. Über den Gegenkopplungsviiderstand 36, der den Verstärkungsgrad, des Operationsverstärkers 25 bestimmt, wird im Verstärkungsbereich von dem Spannungsteiler aus den Widerständen 26 und 28 immer gerade so viel Strom abgezogen, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 25 gegenüber dem nichtinvertierenden Eingang auf der Spannung 0 bleibt. Von dem durch die Spannungsteilerwiderstände 29 und 30 festgelegten Vorspannungswert ab wird demzufolge die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 linear verstärkt.

Die Ausgänge der an drei Verstärkern 22, 23, 24 liegen parallel zueinander über je einen der einstellbaren Widerstände 37* 38 und 39 am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 40, der als Summierverstärker geschaltet ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers 40 entsteht eine Summenspannung, die durch die Wahl des Verstärkungsgrades in den einzelnen Verstärkern 22, 23 bzw. 24 und durch die Grosse der Widerstände 37» 38 bzw. 39 so entzerrt werden kann, dass eine eindeutige Zuordnung zu einem A -Wert möglich ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 40 ist in an sich bekannter V/eise mit dem Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 4l und. 42 verbunden, die zwischen die gemeinsame Pluszuleitung 27 und die Minusleitung 21 geschaltet sind. Von dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 führt ein Widerstand 43.zu der Pluszuleitung und zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 und seinen Ausgang ist ein Gegenkopplungswiderstand 44 geschaltet. Mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 44 ist weiterhin ein Widerstand

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45 verbunden, der mit der gemeinsamen Pluszuleitung 27 verbunden ist. Weiterhin ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 40 ein Anzeigegerät 46 verbunden, welches mit seinem anderen Anschluss an den Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 47 und 48 angeschlossen ist. Mit Hilfe dieses Anzeigegerätes 46, dessen Skala zweckmässigerweise in/I -Werten geeicht ist, kann die entzerrte Ausgangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers ^O zur Anzeige gebracht v/erden. Eine Zenerdiode 49, die zwischen die gemeinsame Pluszuleitung 27 und die Minusleitung 21 geschaltet ist, dient zur Stabilisierung der Versorgungsspannung für die beschriebene Schaltungsanordnung.

Der Vorteil der beschriebenen Anordnung ist der, dass die für eine direkte Auswertung an sich ungeeignete Ausgangsspannung des Sauerstoff-Messfühlers 10 durch die in verschiedenen Teilbereichen arbeitenden Verstärkern 22, 23 und 24 so entzerrt wird, dass auch in dem mittleren Teil der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie eine eindeutige Zuordnung des Ausgangssignales des Sauerstoff-Messfühlers 10 zu einem J< -Wert möglich ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstandes 28 in dem Eingangsspannungsteiler des Operationsverstärkers 25 temperaturabhängige Schwankungen des Ausgangssignales des Sauerstoff-Messfühlers 10 kompensiert werden können.

In zweckmässiger Ausgestaltung der Erfindung kann auf dem temperaturabhängigen NTC-Widerstand 28, welcher zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 25 und die Klemme l6 des Sauerstoff-Messfühlers 10 geschaltet ist, verzichtet werden, wenn der Sauerstoff-

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Messfühler 10 beheizt wird·und seine Temperatur auf einen konstanten Wert (z.B. 800 C) geregelt wird. Damit beschränkt sich die Auswertung des Ausgangesignales des Sauerstoff-Messfühlers 10 auf eine einzige genau definierte Kennlinie, die dann in dem beschriebenen Verfahren ausgewertet und zur Anzeige gebracht werden kann. Eine Entzerrung der Kurve kann auch dadurch bewirkt bzw. unterstützt werden, dass die Skala des Anzeigegerätes eine
nichtlineare Teilung aufweist, so dass die Genauigkeit der Auswertung des steilen Kurvenstückes der Kurvenzüge 18 und 19 gesteigert werden kann.

Die beim beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Pig. J5 durchgeführte Entzerrung des Kurvenverlaufes mit Hilfe der Verstärker 22, 25 und 24 kann auch mit an sich bekannten Widerstands-Di öden -Netzwerken erfolgen.

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Claims

Ansprüche

Messgerät zur Messung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Sauerstoff-Messfühlers in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und mit einem Anzeigegerät, das mit dem Sauerstoff-Messfühler in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Messfühler (1O) mit mehreren unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisenden Verstärkern (22, 23, 24 ) verbunden ist, die nur in bestimmten, vorgebbaren Teilbereichen das Ausgangssignal des Sauerstoff-Messfühlers (10) verstärken, und dass die Ausgänge der Verstärker (22, 23 ^ 24) über Widerstände miteinander verbunden sind, und dass der Verbindungspunkt der Ausgänge der Verstärker mit dem Anzeigegerät in Wirkverbindung steht.

Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Summenwiderständen (37, 38,39) ein Summierglied verbunden ist, an dessen Ausgang das Anzeigegerät (46) angeschlossen ist.

Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Verstärkern (22, 23,24) wenigstens ein temperaturabhängiges Bauelement, insbesondere ein NTC-Widerstand (28) zur Kompensation des Temperatureinflusses auf das Ausgangssignal des Sauerstoff-Messfühlers (10) vorgesehen ist.

4. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturabhängige Bauelement ·( 28 ) in der Nähe des Sauerstoff-Messfühlers (10) angeordnet ist.

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5. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Bauelement (28) in

an sich bekannter Weise an, bzw. in dem Körper des • Sauerstoff-Messfühlers (10) angebracht ist.

6. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der.Sauerstoff-Messfühler (10) mit Hilfe einer Heizeinrichtung auf eine konstante Temperatur aufheizbar ist.

7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1,2 oder 6, dadurch gekennzeichnet,- dass der Abgas-Messfühler (10) von einer Heizwendel umgeben ist.

8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der zu einem Verstärker gehörenderuOperat ions verstärker (25) "mit seinem invertierenden Eingang (Minuseingang) an die Ausgangsspannung (U ) des Abgas-Messfühlers (10) und an seinem nichtinvertierenden Eingang an einen über seiner Betriebsspannung liegenden Spannungsteiler (29>3O)-angeschlossen ist, wobei zwischen seinem Ausgang und einem zweiten Spannungsteiler (3^,35) eine erste Diode (33) bzw. ein Transistor und zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang eine zweite Diode (32)"vorgesehen ist und vom Abgriff des zweiten Spannungsteilers zu dem invertierenden Eingang ein Gegenkopplungswiderstand (36) führt.

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9. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem zweiten,Spannungsteiler (3^j35) abnehmbaren Ausgangsspannungen über je einen einstellbaren Widerstand (37,38,39) dem invertierenden Eingang eines- zu dem Summierglied gehörenden Operationsverstärkers (40) zugeführt sind, an dessen .Ausgang eine aus den Ausgangsspannungen der Verstärker gebildete Summenspannung anliegt.

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