DE3543759C2 - Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen zur Bestim­ mung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines einer Verbrennungsvorrichtung, wie eine Brennkraftmaschine, zu­ geführten Brenngasgemisches auf der Grundlage der Sau­ erstoffkonzentration im Abgas entwickelt worden. Bei einer, in der JP-OS 178354/1984 beschriebenen Einrich­ tung sind zwei Elemente, jeweils in Form einer Sauer­ stoffionen leitenden Festelektrolytplatte mit je einer auf jeder Seite ausgebildeten porösen Elektrode, vorge­ sehen, wobei die beiden Platten einander mit einem kleinen Zwischenraum gegenüberstehen. Das eine Element dient als Sauerstoff-Pumpzelle zum Auspumpen von Sauer­ stoff aus dem Zwischenraum, während das andere Element als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz -betätigte elek­ trochemische Meßfühler- oder Sensorzelle zur Erzeugung einer Spannung in Abhängigkeit von der Sauerstoffkon­ zentrationsdifferenz zwischen der Außenatmosphäre und der Atmosphäre im Zwischenraum dient. Diese Einrichtung vermag ein genaues, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an­ gebendes Signal zumindest im kraftstoffarmen, d. h. Ma­ gerbereich zu liefern.

Dieser Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor besitzt je­ doch die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie. Er ist hauptsächlich für die Lieferung eines das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis angebenden Signals im Kraftstoff-Ma­ gerbereich, in welchem Restsauerstoff im Abgas enthal­ ten ist, vorgesehen; er vermag jedoch auch in dem mit Kraftstoff angereicherten Bereich, in welchem kein Restsauerstoff vorhanden ist, auf CO, CO₂, H₂O usw. im Abgas anzusprechen und ein Signal zu liefern, das dem im Magerbereich erzeugten Signal gleich ist. Dies be­ deutet, daß mit der gleichen Größe des Meßsignals zwei verschiedene Größen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ausgedrückt werden können. Zur Vermeidung dieser Zwei­ deutigkeit kann diese Einrichtung daher für Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Regelzwecke nur dann eingesetzt wer­ den, wenn eindeutig bekannt ist, ob die geregelte Verbrennungsvorrichtung im kraftstoffarmen oder im -reichen Bereich arbeitet. In der graphischen Darstel­ lung von Fig. 2 bezeichnet λ das Luftüberschußverhält­ nis, wobei λ = 1 für ein dem theoretischen Wert ent­ sprechendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis steht.

In der EP 0 126 590 A3 ist ein Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisdetektor beschrieben, bei dem eine Sauerstoff­ pumpe zusammen mit einem Sauerstoffsensor vorgesehen ist. Die Sauerstoffpumpe und der Sauerstoffsensor wei­ sen jeweils einen Festelektrolyten auf, wobei diese Fe­ stelektrolyten beidseitig mit Platinelektroden belegt sind. Zwischen der Sauerstoffpumpe und dem Sauerstoff­ sensor besteht ein schmaler Spalt mit einer Breite von etwa 0,1 mm. Die Sauerstoffpumpe und der Sauerstoffsen­ sor sind beide an eine elektronische Steuerschaltung 12 angeschlossen, die eine EMK zwischen die Elektroden des Sauerstoffsensors legt und einen Pumpstrom zwischen den Elektroden der Sauerstoffpumpe fließen läßt. Die EMK ist dabei auf einem konstanten Wert gehalten, indem für den Pumpstrom ein geeigneter Wert eingestellt wird.

Weiterhin beschreibt die US 4 450 065 einen ähnlichen Stand der Technik, wenn von der elektronischen Schal­ tung abgesehen wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor zu schaffen, der ein kontinuierliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Meßsignal in Form einer einseitig gerichteten, eindeutigen elek­ trischen Größe unabhängig davon zu liefern vermag, ob Abgas im kraftstoffarmen Bereich oder im kraftstoffan­ gereicherten Bereich arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Luft/-Kraftstoff-Verhältnisdetektor mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor kann das Meßsignal unmittelbar für die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses benutzt werden, und diese Regelung läßt sich genau und einfach über den ge­ samten Mischungsbereich hinweg durchführen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt und teilweise in Schnittbildform gehaltene Darstellung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines von einem bisherigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ detektor gelieferten Meßsignals,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines vom erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhält­ nisdetektor gelieferten Meßsignals,

Fig. 4 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 ein Zeitsteuerdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des Detektors nach Fig. 4.

Der Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt besteht typischerweise aus einer festen Lösung aus Zirkonoxid und Yttriumoxid oder Zirkonoxid und Calciumoxid. Brauchbar sind auch feste Lösungen von Cerdioxid, Thoriumdioxid und Hafniumdioxid, eine feste Lösung eines Oxids des Perovskite-Typs und eine feste Lösung eines dreiwertigen Metalloxids.

Die auf beiden Seiten dieses Festelektrolyten auszubil­ dende poröse Elektrode kann aus Platin, Rhodium oder einem beliebigen anderen Metall, das die oxidative Reaktion zu katalysieren vermag, bestehen. Ein bevor­ zugtes Verfahren zur Herstellung der porösen Elektrode ist folgendes: Ein Pulver eines der oben angegebenen Metalle als Hauptkomponente wird mit einem Pulver eines keramischen Materials vermischt, welches dem des Festelektrolyten entspricht. Das Gemisch wird zu einer Pastenform verarbeitet, und die Paste wird dann nach zweckmäßiger Dickschichttechnik auf die Festelektrolyt­ platte aufgedruckt und anschließend gesintert. Wahl­ weise kann die Elektrodenschicht nach Dünnschichttechnik, z. B. durch Flammsprühen, chemisches Metallisieren oder Aufdampfen, erzeugt werden, worauf eine poröse Schutz­ schicht aus Aluminiumoxid, Spinell, Zirkonoxid, Mullit o. dgl. nach zweckmäßiger Dickschichttechnik auf der Elektrodenschicht ausgebildet wird. Besonders bevorzugt wird die poröse Schicht auf der dem Diffusionsraum zu­ gewandten Elektrode mit einer Dispersion von Platin, Rhodium, o. dgl. imprägniert, um die Fähigkeit zum Katalysieren oxidativer Reaktionen zu verbessern.

Auf die beschriebene Weise werden zwei Elemente hergestellt, von denen das eine als Sauer­ stoffkonzentrationsdifferenz-betätigte elektrochemische Zelle benutzt wird.

Das Arbeitsprinzip dieser Zelle ist folgendes: Wenn sich der Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt unter geeigneten Temperaturbedingungen befindet (mindestens 400°C, wenn er aus Zirkonoxid besteht), wandern Sauer­ stoffionen durch den Festelektrolyten von der Fläche, an welcher hohe Sauerstoffpartialdrücke vorliegen, zu dem Bereich, in welchem der Sauerstoffpartialdruck niedrig ist, wobei die Differenz des Sauerstoffpartial­ drucks über den Festelektrolyten als Spannung (elektro­ motorische Kraft bzw. EMK) zwischen den O₂-durchlässigen Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyten gemessen werden kann.

Beim Detektor ist eine Luftkammer in der Weise ausgebildet, daß die Elektrode an der Seite der elektrochemischen Zelle, welche von der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt ist, mit der Atmosphäre oder Außenluft in Berührung steht, wodurch die Erzeugung einer Spannung ermöglicht wird, welche die Differenz zwischen der Konzentration atmo­ shärischen Sauerstoffs und derjenigen des im Diffusions­ raum vorhandenen Sauerstoffs angibt.

Das andere der beiden Elemente dient als Sauerstoff­ pumpe. Sein Betrieb hängt von der Fähigkeit des Sauer­ stoffionen-leitenden Festelektrolyten, die Wanderung von Sauerstoffionen durch den Elektrolyten bei Anlegung einer Spannung zuzulassen, ab. Wenn eine Spannung zwi­ schen seine beiden Elektroden angelegt wird, "pumpt" dieses Element Sauerstoff aus dem Diffusionsraum in das Abgas. Für das Sauerstoffpumpelement kann auch eine Luftkammer an der Seite, welche von der dem Diffusionsraum zugewandten Seite abgewandt ist, vorge­ sehen sein.

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor vermag somit ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal zur Anzeige der Sauerstoffkonzentration im Abgas nach einem der folgenden Mechanismen zu erzeugen:

• 1. Durch das Pumpelement wird Sauerstoff aus dem Dif­ fusionsraum in einer solchen Menge ausgepumpt, daß die von der elektrochemischen Zelle erzeugte Span­ nung auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird, wobei der durch das Pumpelement fließende Strom (im folgenden zeitweilig auch als "Pumpstrom" bezeichnet) abgegriffen oder gemessen wird.
• 2. Wahlweise kann der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom auf einer konstanten Größe gehalten werden, so daß Sauerstoff in vorbestimmter Menge aus dem Diffusionsraum ausgepumpt wird, wobei die von der elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung gemessen wird.

Der Zweck der Anordnung der Konstantstromversorgung liegt darin, das die zugeordnete Luftkammer aufweisende Element nicht nur als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz be­ tätigte elektrochemische Zelle, sondern auch als Sauer­ stoffpumpe einzusetzen, so daß atmosphärischer Sauer­ stoff in vorbestimmter Menge in den Diffusions­ raum gepumpt werden kann. Aufgrund der Zufuhr von Sauerstoff in vorbestimmter Menge in den Diffusionsraum ergeben sich die beiden folgenden Vorteile:

• 1. Es tritt nicht die in Fig. 2 dargestellte Erscheinung auf (d. h. daß das erzeugte Meßsignal sich bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe der theoretischen stöchiometrischen Größe umkehrt und damit zu einem zweideutigen Meßsignal für kraftstoffangereicherten und -armen Bereich führt)
• 2. Es wird die in Fig. 3 gezeigte Kennlinie erzielt (das Meßsignal für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist ein eindeutiges, fortlaufendes Meßsignal über den gesamten Betriebsbereich hinweg, d. h. sowohl im angereicherten als auch im abgemagerten Bereich)

Genauer gesagt: die an die elektrochemische Zelle ange­ legte Spannung, um durch diese Zelle einen vorbestimmten Strom fließen zu lassen, variiert mit der Spannung, die nach Maßgabe der Sauerstoffkonzentrations-Differenz zwischen Außenluft und Diffusionsraum erzeugt wird; infolgedessen kann ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal, das eindeutig einem bestimmten Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis zugeordnet ist, auf eine der beiden folgenden Arten abgegriffen werden:

• 1. Der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Strom wird so geregelt, daß die angelegte Spannung auf einer konstanten Größe gehalten wird, und die ent­ sprechende Größe des Pumpstroms wird abgegriffen oder gemessen.
• 2. Ein konstanter Strom wird für eine vorbestimmte Zeit­ spanne durch die elektrochemische Zelle geleitet, um damit eine vorbestimmte Menge atmosphärischen Sauer­ stoffs in den Diffusionsraum einzuleiten; anschließend wird die durch die elektrochemische Zelle erzeugte Spannung oder der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom auf oben angegebene Weise gere­ gelt, und die entsprechende Größe eines dieser beiden Parameter wird abgegriffen oder gemessen.

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungsformen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektors gemäß der Er­ findung näher beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch den Detektor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Anord­ nung umfaßt eine Abgas- oder Auspuffleitung 1 von einer Brennkraftmaschine, eine in die Abgasleitung 1 eingebau­ te Meßfühlereinheit 2 und eine Luft/Kraftstoffverhält­ nissignal-Detektorschaltung 3 zum Abgreifen eines die Sauerstoffkonzentration im Abgas angebenden Luft/Kraft­ stoff-Verhältnissignals. Diese Detektorschaltung 3 ent­ spricht dem Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor.

Die Meßfühlereinheit 2 umfaßt ein Sauerstoff-Pumpelement 7 und eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigte elektrochemische Zelle 11. Das Pumpelement 7 besteht aus einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplatte 4 (etwa 0,5 mm dick und bevorzugt bestehend aus stabi­ lisiertem Zirkonoxid), wobei auf den gegenüberliegenden Seiten der Platte 4 jeweils eine poröse Pt-Elektroden­ schicht 5 bzw. 6 ausgebildet ist, die ihrerseits je­ weils eine Dicke von etwa 20 µm besitzen und nach einem Dickschicht-Auftragverfahren ausgebildet sein können. Die elektrochemische Zelle 11 besteht ebenfalls aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytplatte 8, die, ähnlich wie das Pumpelement 7, auf beiden Seiten mit je einer porösen Pt-Elektrodenschicht 9 bzw. 10 versehen ist. Das Pumpelement 7 und die elektrochemi­ sche Zelle 11 sind mit einem dazwischen festgelegten Spalt oder Zwischenraum a entsprechend dem erwähnten Diffusionsraum zwischen ihnen in die Abgasleitung eingebaut, wobei der Zwischenraum a typischerweise eine Weite von etwa 0,1 mm und bevorzugt von 0,05-0,15 mm besitzt. Die beiden Elemente sind fest mitein­ ander verbunden, indem der Zwischenraum an ihren Basis­ teilen mit einem wärmebeständigen und isolierenden Ab­ standstück 12 ausgefüllt ist. Die von der dem Zwischen­ raum a zugewandten Seite abgewandte Seite der elektro­ chemischen Zelle 11 ist mit einer Wand 13 aus einem wärmebeständigen und gasundurchlässigen Werkstoff (typischerweise einem Metall oder Keramik) versehen, so daß eine Luftkammer b festgelegt wird, die einen Kontakt zwischen der Außenluft und der porösen Pt-Elektrodenschicht 10 herstellt. Ein mit einem Außengewinde 14 versehener Halter 15 ist unter Zwischenfügung eines wärmebestän­ digen und isolierenden Klebmittelelements 16 um den Basisteil der Kombination aus dem Pumpelement 7, der elektrochemischen Zelle 11 und der Wand 13 herum fest­ gelegt. Die Meßfühlereinheit 2 mit dem beschriebenen Aufbau ist durch Einschrauben des Außengewindes 14 in ein in der Abgasleitung 1 ausgebildetes Innengewinde 17 sicher in die Abgasleitung 1 eingebaut.

In der Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal-Detektorschal­ tung 3 wird der durch die elektrochemische Zelle 11 fließende Strom auf eine konstante Größe eingestellt, so daß atmosphärischer Sauerstoff in vorgegebener Menge aus dem Luftraum b in den Zwischenraum a gepumpt wird.

Außerdem wird der durch das Pumpelement 7 fließende Pump­ strom so geregelt, daß die an die elektrochemische Zelle 11 angelegte Spannung, die mit der EMK variiert, die in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Zwischenraum a und dem Luftraum b erzeugt wird, auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird. Die entsprechende Größe des Pumpstroms wird als Luft/Kraft­ stoff-Verhältnissignal abgegriffen.

Die an der dem Luftraum b zugewandten Seite der elektro­ chemischen Zelle 11 ausgebildete poröse Pt-Elektroden­ schicht 10 ist mit der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers OP1 verbunden und über einen Widerstand R1 an Masse gelegt. Die andere, dem Zwischenraum a zugewandte poröse Pt-Elektrode 9 ist mit dem Emitter eines Transistors TR1 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand R2 an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OP1 angeschlossen ist. Die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsver­ stärkers OP1 und der Kollektor des Transistors TR1 werden mit vorbestimmten Vorspannungen E1 bzw. E2 be­ schickt. Durch den kombinierten Betrieb der Einheiten OP1 und TR1 wird die Emitterspannung des Transistors TR1 so geregelt, daß die an der porösen Pt-Elektrodenschicht 10 anliegende Spannung gleich E1 ist und ein konstanter, durch E1/R1 bestimmter Strom I1 durch die elektrochemi­ sche Zelle 11 fließt.

Die Ausgangsklemme des Verstärkers OP1 ist über einen Widerstand R1 an die invertierende Eingangsklemme eines Operationsverstärkers OP2 angeschlossen, an dessen nicht-invertierende Eingangsklemme eine vorbestimmte Vorspannung E3 angelegt wird. Die invertierende Ein­ gangsklemme des Verstärkers OP2 ist über einen Konden­ sator C1 mit dessen Ausgangsklemme verbunden. Der Opera­ tionsverstärker OP2 wird somit als Integratorkreis be­ trieben. Die Ausgangsklemme des Verstärkers OP2 ist wei­ terhin an die Basis eines NPN-Transistors TR2 angeschlos­ sen, der an seinem Kollektor mit einer vorbestimmten Vorspannung E4 gespeist wird. Der Emitter des Transistors TR2 ist über einen Widerstand R4 mit der porösen Elektro­ denschicht 5 (an der von der dem Zwischenraum a zugewand­ ten Seite abgewandten Seite ausgebildet) verbunden, während die dem Zwischenraum a zugewandte poröse Elektro­ denschicht 6 unmittelbar an Masse liegt. In dieser Schaltung wird die Spannung an der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OP1 oder die an die elektro­ chemische Zelle 11 angelegte Spannung durch den Operationsverstärker OP2 mit der Spannung E3 verglichen, und die bestimmte oder gemessene Differenz wird über den Transistor TR2 als Bezugsgröße oder Referenz für die Einstellung des durch das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließenden Pumpstroms I2 ausgegeben.

Die vorstehenden Ausführungen lassen sich wie folgt zu­ sammenfassen: Die Ausgangsspannung des Verstärkers OP1, die an die elektrochemische Zelle 11 angelegt wird, um atmosphärischen Sauerstoff in bestimmter Menge in den Zwischenraum a zu pumpen, variiert mit der Spannung (EMK), die in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentra­ tionsdifferenz zwischen dem Luftraum b und dem Zwischen­ raum a erzeugt wird; je größer diese EMK ist, um so kleiner ist die am Ausgang des Verstärkers OP1 erzeugte Spannung und umgekehrt. Der durch das Sauerstoff-Pump­ element 7 fließende Pumpstrom I2 wird dabei so geregelt, daß diese Ausgangsspannung auf einer konstanten Größe bleibt. Die Spannung Vs wird über den Widerstand R4, durch den der Pumpstrom I2 fließt, abge­ griffen oder gemessen, wodurch ein Signal erhalten wird, das gemäß Fig. 3 eindeutig einem bestimmten Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis zugeordnet ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird der über das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom I2 so geregelt oder eingestellt, daß an der Ausgangs­ klemme des Operationsverstärkers OP1 eine konstante Spannung erzeugt wird, die einen konstanten Strom in die elektrochemische Zelle 11 fließen läßt, wobei mit einer am Ausgang des Verstärkers OP2 vorliegenden kon­ stanten Spannung die Größe des Pumpstroms gemessen oder abgegriffen wird. In diesem Fall kann die von der Zelle 11 infolge einer Änderung des Luft/Krafstoff-Verhältnis­ ses erzeugte Spannung im Vergleich zur Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP1 sehr klein sein, so daß die Messung einer Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhält­ nisses mit erheblichen Schwierigkeiten begleitet sein kann. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten kann die Spannung zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 9 und 10 an der elektrochemischen Zelle 11 mittels eines Differentialverstärkers erfaßt und der Pumpstrom so ge­ regelt werden, daß die gemessene Spannung konstant bleibt. Auf diese Weise kann die entsprechende Größe des Pumpstroms ohne weiteres abgegriffen oder ge­ messen werden. Durch diese Abwandlung wird eine genaue Erzeugung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals ge­ währleistet.

Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann unter Ver­ wendung derselben Meßfühlereinheit 2 wie bei der be­ schriebenen ersten Ausführungsform ausgelegt sein. Bei der zweiten Ausführungsform werden weiterhin die fol­ genden zwei Operationen zyklisch oder periodisch in vorgegebenen Intervallen ausgeführt:

• 1. Die elektrochemische Zelle 11 wird dazu benutzt, eine vorbestimmte Menge atmosphärischen Sauerstoffs in den Zwischenraum a zu pumpen.
• 2. Die durch die Zelle 11 erzeugte EMK wird abgegriffen, und der durch das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließende Pumpstrom wird so geregelt, daß die abgegriffene EMK auf einer konstanten Größe gehalten wird. Die ent­ sprechende Größe des Pumpstroms wird sodann als Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal benutzt.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch die Gesamtanordnung des Detektors gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie oben erwähnt, entspricht die Meßfühlereinheit 2 voll­ ständig derjenigen bei der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 4 ist ein Multivibrator 31 vorgesehen, der hauptsächlich einen Operationsverstärker OP3 enthält. Der Multivibrator erzeugt Impulssignale in vorbestimm­ ten Zeitabständen. Ein Zeitkonstantenkreis 32 ist an die Basis eines Transistors TR3 angeschlossen. Durch diesen Kreis wird der Transistor TR3 gleichzeitig mit dem Anstieg eines vom Multivibrator 31 gelieferten Impulssignals V1 durchgeschaltet, während das Sperren des Transistors TR3 mit einer durch die Größen oder Werte eines Widerstands R5 und eines Kondensators C2 bestimmten Verzögerung ab dem Abfall des Signals V1 um eine Zeit t1 erfolgt (vgl. Fig. 5). An die Basis eines Transistors TR4 ist über ein ODER-Glied OR1 ein Zeit­ konstantenkreis 33 angeschlossen, durch den der Transistor TR4 zu einem Zeitpunkt gesperrt wird, der gegenüber dem Anstieg des Signals V1 um eine Zeit t2 (vgl. Fig. 5) verzögert ist, welche durch die Größen eines Widerstands R6 und eines Kondensators C3 bestimmt wird, während das Durchschalten des Transistors TR4 gleichzeitig mit dem Abfall des Signals V1 erfolgt.

Ein mit einem Transistor TR5 kombinierter Operationsver­ stärker OP4 bildet einen Konstantstromkreis, der eine vorbestimmte Menge oder Größe des Stroms I3 durch die elektrochemische Zelle 11 fließen läßt, um Sauerstoff in vorbestimmter Menge von der Außenluft in den Zwischen­ raum a zu pumpen. Die Basis des Transistors TR5 ist mit dem Kollektor des Transistors TR3 verbunden. Wenn somit der Transistor TR3 sperrt, ist der Transistor TR5 ge­ mäß Fig. 5 durchgeschaltet, so daß der vorbestimmte Strom I3 durch die elektrochemische Zelle 11 fließt.

Ein Operationsverstärker OP5 bildet einen Verstärker­ kreis zum Verstärken der für die elektrochemische Zelle 11 erzeugten Spannung, die für die Sauerstoffkonzentra­ tionsdifferenz zwischen Außenluft und Zwischenraum a repräsentativ ist. Ein mit einem Transistor TR6 kombi­ nierter Operationsverstärker OP6 bildet einen Pumpstrom­ regelkreis, der einen über die Sauerstoffpumpe 7 fließen­ den Strom I4 so regelt, daß das die O₂-Konzentrations­ differenz angebende, durch den Verstärker OP5 verstärkte Spannungssignal stets auf einer vorbestimmten Größe ge­ halten wird. Da die Basis des Transistors TR6 mit dem Kollektor des Transistors TR4 verbunden ist, erfolgt die Regelung des Pumpstroms I4 dann, wenn die elektrochemische Zelle 11 nicht als Pumpelement arbeitet. Mit anderen Worten: der Transistor TR6 schaltet zur Durchführung nur der Pumpstrom-Regelwirkung durch, während der Transistor TR4 im Sperrzustand bleibt (vgl. Fig. 5).

Ein Operationsverstärker OP7 (Differentialverstärker) dient zum Abgreifen oder Messen des über das Sauerstoff-Pumpelement 7 fließenden Pumpstroms I4 durch Erfassung des Spannungsabfalls über einen Widerstand R7. Das Spannungssignal vom Verstärker OP7 wird durch die Kombi­ nation aus einem Kondensator C2 und einem Operationsver­ stärker OP8 geglättet und als Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ signal Vs abgegriffen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die elektrochemische Zelle 11 abwechselnd als Sauerstoff-Pumpelement und als Sauerstoffkonzentrationsdifferenz­ bestätigte elektrochemische Zelle benutzt, wobei ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal abgegriffen oder ge­ messen wird, nachdem eine vorbestimmte Sauerstoffmenge in den Zwischenraum a gepumpt worden ist. Dieses Vorgehen bietet sich für die Unterdrückung etwaiger ungünstiger Einflüsse von Impedanzänderungen an, die von der elektrochemischen Zelle 11 herrühren. Die Kennlinie des gewonnenen Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals folgt dem Verlauf gemäß Fig. 3; dieses Signal ist über den vollen Betriebsbereich, d. h. sowohl im angereicherten als auch im abgemagerten Bereich, eindeutig einem be­ stimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeordnet.

Der beschriebene Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor ge­ mäß der Erfindung kennzeichnet sich durch zwei spezielle Merkmale:

• 1. Eine Luftkammer, die eine Berührung zwischen der Außenluft und der Elektrode gewähr­ leistet, die an der von der dem Diffusionsraum zuge­ wandten Seite abgewandten Seite der Sauerstoff­ konzentrationsdifferenz-betätigten elektrochemischen Zelle ausgebildet ist; und
• 2. eine Konstantstromversorgung, welche die elektro­ chemische Zelle nicht einfach nur als Vorrichtung zur Erzeugung einer EMK, welche die Sauerstoffkon­ zentrationsdifferenz zwischen der Außenluft und dem Diffusionsraum angibt, arbeiten läßt, sondern auch als Pumpelement, das mit einer vorbestimmten Strom­ menge beschickt wird, um atmosphärischen Sauerstoff in vorbestimmter Menge in den Diffusionsraum zu pumpen.

Mittels des erfindungsgemäßen Detektors wird ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal in Form einer fortlaufenden und einseitig gerichteten elektrischen Größe über den vollen Betriebsbereich, d. h. sowohl den angereicherten als auch den abgemagerten Bereich, gewonnen, wodurch eine einfache Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ ses des der zugeordneten Brennkraftmaschine oder einer anderen Verbrennungsvorrichtung zugeführten Luft/Kraft­ stoffgemischs ermöglicht wird. Das abgegriffene Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnissignal kann unmittelbar für die Gewährleistung einer einfachen und genauen Regelung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses über den vollen Betriebsbereich hin­ weg, einschließlich des kraftstoffarmen Bereichs, des Punkts des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und des kraftstoffangereicherten Bereichs, herangezogen werden.

Claims (12)

1. Luft/Kraftstoff-Verhältnisdetektor, umfassend

• - eine Meßfühlereinheit (2) mit zwei Elementen (7, 11), die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten (4, 8) mit je einer auf seinen beiden Flächen ausgebildeten porösen Elektrode (5, 6; 9, 10) aufweisen und die einem Diffusions­ raum (a), in den eine begrenzte Menge an Abgas einströmt, zugewandt sind, und
• - eine Luft/Kraftstoffverhältnissignal-Abgreifein­ richtung (3) zum Betätigen des einen der beiden Elemente (7, 11) als Sauerstoffkonzentrationsdif­ ferenz-betätigte elektrochemische Zelle (7; 11) und des anderen Elements als Sauerstoff-Pumpzelle (11; 7), wobei die Abgreifeinrichtung (3) eine Einheit zum Regeln einer vorbestimmten, durch ei­ ne elektrochemische Zelle (7; 11) erzeugten Span­ nung oder eines vorbestimmten, durch die Pumpzel­ le (11; 7) fließenden Stroms zur Lieferung eines eine Sauerstoffkonzentration im Abgas anzeigenden Luft/Kraftstoff-Verhältnissignals aufweist,

wobei:

• - zumindest die elektrochemische Zelle (7; 11) mit der Außenluft an derjenigen (5) ihrer Elektrode (5, 6) in Berührung steht, welche von der dem Diffusionsraum (a) zugewandten Seite abgewandt ist, und
• - die Luft/Kraftstoffverhältnissignal-Abgreifein­ richtung (3) eine Konstantstromversorgungseinheit zur Lieferung eines vorbestimmten Stroms zur elektrochemischen Zelle (7; 11) aufweist, so daß mittels der elektrochemischen Zelle (7; 11) Sau­ erstoff in vorbestimmter Menge von der Außenluft in den Diffusionsraum (a) gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Meßfühlereinheit (2) weiterhin eine Luftkam­ mer (b) aufweist, und
• - die zum Diffusionsraum (a) abgewandt liegende Elektrode (10) der Sauerstoff-Pumpzelle (11; 7) direkt dem Abgas ausgesetzt ist, so daß ein kon­ tinuierliches gleichgerichtetes Detektionssignal zur Anzeige des Luft/Kraftstoffverhältnisses im Abgas über dem gesamten kraftstoffreichen und kraftstoffmageren Betriebsbereich erhalten wird.

2. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regeln eines zwischen den Elektro­ den (9, 10) der Pumpzelle (11) fließenden Stroms nach Maßgabe einer über die Elektroden der elektro­ chemischen Zelle (7) erzeugten Spannung, so daß die über die Elektroden (5, 6) der elektrochemischen Zelle (7) erzeugte Spannung konstant ist.

3. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die als für eine Sauerstoffkon­ zentration im Abgas repräsentatives Ausgangssignal ein für den zwischen den Elektroden (9, 10) der Pumpzelle (11) fließenden Strom repräsentatives Si­ gnal liefert.

4. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Lieferung eines vorbestimmten Stroms zur elektrochemischen Zelle (11) eine erste Bezugsspannungsquelle (E1), deren erste Klemme an Masse liegt, einen ersten Operationsverstärker (OP1), dessen erste Eingangsklemme mit der einen Elektrode der elektrochemischen Zelle (11) verbun­ den und der ersten Bezugsspannungsquelle (E1) ange­ schlossen ist, einen zwischen die eine Elektrode der elektrochemischen Zelle (11) und Masse geschal­ teten ersten Widerstand (R1), eine zweite Bezugs­ spannungsquelle (E2), deren erste Klemme an Masse liegt, und einen ersten Transistor (TR1) mit einer an einen Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) angeschlossenen Basis, einem mit der zweiten Klemme der zweiten Bezugsspannungsquelle (E2) ver­ bundenen Kollektor und einem mit der anderen Elek­ trode der elektrochemischen Zelle (11) verbundenen Emitter aufweist.

5. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Regeln des zwischen den Elek­ troden (5, 6) der Pumpzelle (7) fließenden Stroms eine dritte Bezugsspannungsquelle (E3), deren erste Klemme an Masse liegt, einen zweiten Operationsver­ stärker (OP2) mit einer mit dem Emitter des ersten Transistors (TR1) verbundenen ersten Eingangsklemme und einer mit einer zweiten Klemme der dritten Be­ zugsspannungsquelle (E3) verbundenen zweiten Ein­ gangsklemme, eine vierte Bezugsspannungsquelle (E4), deren erste Klemme an Masse liegt, und einen zweiten Transistor (TR2), dessen Basis mit einem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (OP2) verbunden ist, dessen Kollektor an eine zweite Klemme der vierten Bezugsspannungsquelle (E4) ange­ schlossen ist und dessen Emitter mit der einen Elektrode (5) der Pumpzelle (7), deren andere Elek­ trode (6) an Masse liegt, verbunden ist, aufweist.

6. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die das Ausgangssignal liefernde Einrich­ tung einen zweiten, zwischen den Emitter des zwei­ ten Transistors (TR2) und die eine Elektrode (5) der Pumpzelle (7) eingeschalteten Widerstand (R4) aufweist.

7. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Einrichtung zum abwechselnden Betrei­ ben der Konstantstromversorgungseinheit und der Stromregeleinheit in der Weise, daß die Operationen der elektrochemischen Zelle (7; 11)

• 1. zum Pumpen einer vorbestimmten Sauerstoffmenge in den Diffusionsraum und
• 2. Erzeugen eines für das Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis repräsentativen Signals abwechselnd erfol­ gen,

vorgesehen ist.

8. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum abwechselnden Betreiben einen Multivibrator (31) mit ersten und zweiten, abwech­ selnd aktivierten Ausgangsklemmen, von denen die erste Ausgangsklemme an die Basis des ersten Tran­ sistors (TR) und die zweite Ausgangsklemme an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen sind, und einen dritten Operationsverstärker (OP3) mit ersten und zweiten Eingangsklemmen, die mit den be­ treffenden Elektroden der elektrochemischen Zelle verbunden sind, und einem an die erste Eingangs­ klemme des zweiten Operationsverstärkers ange­ schlossenen Ausgang aufweist.

9. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter direktionaler Zeitkon­ stantenkreis (32, 33) vorgesehen sind, die in Reihe mit erster bzw. zweiter Ausgangsklemme des Multivi­ brators geschaltet sind.

10. Schaltung mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnisde­ tektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung des Ausgangssignals einen vierten Operationsverstärker mit einer ersten und einer zweiten Klemme, die über den zweiten Wi­ derstand geschaltet sind, einen fünften Operations­ verstärker mit einer an einen Ausgang des vierten Operationsverstärkers angeschlossenen Eingangsklem­ me und einen mit dem fünften Operationsverstärker verbundenen Glättungskreis aufweist.