DE3615960A1 - Fuehler zur ermittlung eines luft-kraftstoff-verhaeltnisses - Google Patents
Fuehler zur ermittlung eines luft-kraftstoff-verhaeltnissesInfo
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Γ> f± O : " " : : " Dipl.-lng. H.Tie.dtke
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DE 5833 /
case GF-3010/86-DT-216
Fühler zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühler zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine
od. dgl.
Es ist gegenwärtige Praxis, eine Sauerstoffkonzentration
im von einer Brennkraftmaschine eines Automobils od. dgl. ausgestoßenen Abgas zu ermitteln, so daß die Mengen von
Luft und Kraftstoff, die der Brennkraftmaschine zuzuführen sind, auf der Grundlage des ermittelten Werts geregelt werden
können, um dadurch den Schadstoffgehalt im Abgas herabzusetzen.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler (oder Sauerstoffühler)
der gegenwärtig bei einer Automobil-Brennkraftmaschine
praktisch zur Anwendung kommt, um die Sauerstoffkonzentration zu erfassen, macht von dem Prinzip der "Sauerstoffkonzentrationszelle"
Gebrauch und kann ein stöchiometrisches
Dresdner Bank (München) KtO 3939644 Deutsche Bank (München) Kto. 2861060 Postscheckamt (München) Kto. 670-43-804
3515960
Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z.B. ein L/K-Verhältnis = 14,6)
aus seinen Leistungsdaten ermitteln, er kann das aber nicht in den anderen Bereichen, z.B. in einem Magerbereich, in
dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis höher als der stöchiometrische Wert ist, oder in einem Fettbereich, in dem das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als dieser Wert ist. Andererseits wurde ein Sauerstoffühler der Grenzstrombauart
(Diffusionsgrenzstrombauart) zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration
entwickelt, der von dem folgenden Phänomen Gebrauch macht und der in bezug auf die Ermittlung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
im Magerbereich untersucht worden ist. Gemäß dem erwähnten Phänomen verbreiten sich oder sikkern
Sauerstoff ionen von einer Kathode zu einer Anode von luftdurchlässigen dünnen Elektroden, die an den beiden Seiten
einer für Sauerstoff ionen durchlässigen Feststoffelektrolytzelle angebracht sind, wenn eine Spannung zwischen diese
beiden Elektroden angelegt wird, so daß demzufolge ein Stromfluß zwischen den Elektroden entsteht. Jedoch steigt der
Strom nicht über einen vorgegebenen Wert an, selbst wenn die angelegte Spannung erhöht wird, falls die Durchlaßmenge
an Sauerstoff ionen beschränkt wird. Der Grenzstrom-Sauerstoffühler wird als ein Magerfühler bezeichnet, weil er
lediglieh ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im mageren Bereich
ermitteln kann, so daß er kaum imstande ist, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im fetten Bereich zu erfassen.
Jedoch wird es z.B. im Fall eines Kraftfahrzeugs bevorzugt,
dieses in einem normalen Fahrbetrieb im Magerbereich, in
dem also der Kraftstoff mager ist, zu betreiben. Im Gegensatz hierzu ist es vorzuziehen, bei einer Bergfahrt, wobei
eine höhere Ausgangsleistung gefordert wird, das Fahrzeug im fetten Bereich zu betreiben. Es besteht insofern der
Wunsch, einen Fühler zu schaffen, der ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis vom Mager- zum Fettbereich einschließt.
ORIGINAL INSPECTED
·. ■ · . ■..-.-■ - " >:-:Λ"Λλ:-; : ·3515"960
- 7 - ■
Um diesen Wunsch zu erfüllen, wurde seitens der Anmelderin ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler vorgeschlagen, wie er
in der beigefügten Fig. 13 gezeigt ist, die ein Schnitt durch einen beispielhaften Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
nach dem Stand der Technik ist. Dieser Fühler weist rohrförmige Feststoffelektrolytelemente 1 und 4, die im folgenden
der Einfachheit halber als Festelektrolyte bezeichnet werden, auf, die für Sauerstoffionen durchlässig und an ihren
jeweiligen Außen- sowie Innenseiten mit Elektroden 3a und 3b bzw. 5a und 5b aus Platin od. dgl. ausgestattet sind.
Ferner weist der Festelektrolyt 1 eine geschlossene Stirnseite mit einer darin ausgebildeten Gasdiffusionsöffnung
2 auf. Im übrigen umfaßt der Fühler ein Abdichtglied 6, ein Heizelement 7, einen rohrförmigen Heizkörper 8, Leiter 9,
10 sowie 11 und eine isolierende Röhre 12.
Bei diesem Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler dient der Festelektrolyt 4 als eine Sauerstoffpumpe, die Sauerstoff von
seinem (zur Atmosphäre belüfteten) Innenraum in einen von den Festelektrolyten 1 und 4 begrenzten Raum pumpt, so daß
die Konzentration des Restsauerstoffs durch den Festelektrolyten
1, der als der Sauerstoffühler der Grenzstrombauart wirkt, nachdem der Restsauerstoff mit dem unverbrannten Anteil
im von der Gas-Diffusionsöffnung 2 her eingesickerten
Abgas reagiert hat, ermittelt werden kann.
Der derart aufgebaute Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler hat
die in Fig. 14 gezeigten Leistungskennwerte, d.h. Strom/ Spannungs- oder I/V-Kurven. Wie aus Fig. 14 klar hervorgeht,
wurden - wie erwartet - die Leistungskennwerte auf der Magerseite (d.h. L/K = 15 - 17) erhalten, jedoch sind die Leistungskennwerte
auf derfetten Seite (d.h. L/K = 12 - 14) ganz erheblich zu den erwarteten Kurven, die gestrichelt
dargestellt sind, unterschiedlich. Dies beruht darauf, daß
ORIGINAL INSPECTED
der von den Festelektrolyten 1 und 4 umschlossene Raum ständig durch die Stauerstoffpumpe (d.h. den Festelektrolyten
4) mit Sauerstoff aus der Atmosphäre gespeist und immer in einem mageren Zustand gehalten wird, so daß der Festelektrolyt 1 als die Konzentrationsquelle wirkt, um eine
elektromotorische Kraft zwischen den beiden Elektroden 3a und 3b zu erzeugen, falls das Abgas fett ist. Das hat zum
Ergebnis, daß auf Grund der Einflüsse dieser elektromotorischen Kraft die I/V-Kennkurven auf der fetten Seite einen
vollkommen unterschiedlichen Verlauf gegenüber den erwarteten Kurvenverläufen annehmen müssen.
Dem oben erwähnten Raum wird in typischer Weise durch die
Sauerstoffpumpe (d.h. den Festelektrolyten 4) Sauerstoff zugeführt. Gemäß dem Stand der Technik besteht die an der
Außenseite des Festelektrolyten 1 angebrachte Elektrode aus Platin oder einem eine katalytische Wirkung aufweisenden
Material, um das Abgas zu reinigen, und sie ist mit dem Abgas in unmittelbarer Berührung, so daß der Festelektrolyt
1 als Konzentrations-zelle zur Erzeugung der elektromotorischen Kraft wirkt. Es ist auch so, daß in dem Fall, da die
Konzentrationen des mit den zwei Elektroden in Berührung befindlichen Sauerstoffs sehr unterschiedlich sind, der
Festelektrolyt als Konzentrations-zelle wirkt, um die elektromotorische Kraft zwischen seinen beiden Elektroden hervorzurufen.
Beispielsweise wird die Sauerstoffkonzentration auf der Seite der inneren Elektrode des Festelektrolyten
1 ständig durch die Sauerstoffpumpwirkung des Festelektrolyten
4 nicht unter 10 Vol.-% gehalten. Wenn der Sauerstoff
im fetten Zustand mit der äußeren Elektrode des Festelektrolyten 1 in Berührung kommt, so fällt dagegen die
Sauerstoffkonzentration durch die katalytische Wirkung der Elektrode auf 10 CKJ - 10 Vol.-% ab, so daß der Festelektrolyt 1 als Konzentrations-zelle wirkt.
!NSPECTED
Die Erfindung zielt darauf ab, das oben herausgestellte
Problem zu lösen, und es ist ihre Aufgabe, einen Fühler zur Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu schaffen,
der einerseits ideale Leistungskenndaten aufweist, während er andererseits die Erzeugung jeglicher elektromotorischen
Kraft zwischen an der inneren sowie äußeren Seite eines Festelektrolyten, der einen Grenzstrom-Sauerstoffühler
bildet, befindlichen Elektroden selbst in einem fetten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der niedriger ist
als das stöchiometrische Verhältnis, verhindert.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
geschaffen, der umfaßt:
- ein erstes rohrförmiges Element, das als ein für Sauerstoffionen
durchlässiger Feststoffelektrolyt ausgebildet ist, dessen eines Ende geschlossen ist und der an seiner
inneren sowie äußeren Seite mit Elektroden versehen ist, die zur Bildung einer Sauerstoffpumpe an eine Gleichstromquelle
angeschlossen sind,
- ein zweites, rohrförmiges Element, das als ein für Sauerstoffionen
durchlässiger Feststoffelektrolyt ausgebildet ist, dessen eines Ende geschlossen sowie mit einer Gas-Diffusionsöffnung
oder -schicht versehen ist und der an seiner inneren sowie äußeren Seite Elektroden trägt, die
mit einer Spannungsquelle verbunden sind, um einen Sauerstoffühler
der Grenzstrom- oder Diffusionsgrenzstrombauart zu bilden, und
- einen rohrförmigen Heizkörper, dem ein Heizelement eingegliedert
ist, wobei
- das erste Element in das zweite Element derart eingesetzt ist, daß ein erster Raum zwischen der Außenseite des
ersten Elements und der Innenseite des zweiten Elements entsteht, und
- .10. -
- das zweite Element in den rohrförmigen Heizkörper derart
eingesetzt ist, daß zwischen der Außenseite des zweiten Elements sowie der Innenseite des rohrförmigen Heizkörpers
ein zweiter Raum vorhanden ist und daß das geschlossene Ende des zweiten Elements sowie das Ende des rohrförmigen
Heizkörpers geschlossen sind, um den zweiten Raum abzuschließen.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
geschaffen, der umfaßt:
- ein erstes, als ein für Sauerstoff ionen durchlässiger Feststoffelektrolyt ausgebildetes Element, an dessen innerer
sowie äußerer Seite Elektroden ausgestaltet sind, die mit einer Gleichstromquelle zur Ausbildung einer Sauerstoffpumpe
verbunden sind, und
- ein zweites, als ein für Sauerstoff ionen durchlässiger
Feststoffelektrolyt ausgebildetes Element, das mit einer Gas-Diffusionsöffnung oder-schicht und an seiner inneren
sowie äußeren Seite mit Elektroden versehen ist, welche zur Bildung eines Sauerstoffühlers der Grenzstrom- oder
Diffusionsgrenzstrombauart mit einer Spannungsquelle verbunden
sind, wobei
- zwischen der Außenseite des ersten Elements sowie der Innenseite
des zweiten Elements ein Raum gebildet ist und
- die an der Außenseite des zweiten Elements vorhandene
Elektrode aus einem Material besteht, das keine katalytische Wirkung zur Reinigung von Abgas hat.
Bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler nach dem ersten
Merkmal gemäß der Erfindung ist darüber hinaus der Raum zwischen dem geschlossenen Ende (der Stirnseite) des zweiten
Elements, d.h. des herkömmlichen Elements oder Festelektrolyten 1, und dem Ende (der Stirnseite) des rohrförmigen
Heizkörpers geschlossen, um zu verhindern, daß die äußere
Elektrode des zweiten Elements unmittelbar mit dem Abgas in Berührung kommt. Um diesen Abschluß zu bewirken, wird'
am geschlossenen Ende des zweiten Elements ein auswärts gerichtetes Randstück (Flansch) oder ein einwärts gerichtetes
Randstück (Flansch) am Ende des rohrförmigen Heizkörpers ausgebildet, wobei das zweite Element und der rohrförmige
Heizkörper miteinander verbunden oder zusammengepaßt werden. In diesem Fall kann zur Vervollständigung des Abschlusses
ein geeignetes Haft-, Klebe- oder Dichtungsmaterial Verwendung finden. Die erwähnten Randstücke oder Flansche können
sowohl am zweiten Element wie auch am rohrförmigen Heizkörper
ausgestaltet werden. Ferner besteht in bezug auf die Größenabmessungen, die Formen oder Gestaltungen und die
Dickenabmessungen der Randstücke keinerlei Beschränkung. Alternativ kann auch eine geeignete Blind- oder Grundplatte
verwendet werden.
Ferner besteht keinerlei Beschränkung in bezug auf die Größenabmessungen
und Formen der zwischen dem ersten Element (oder dem herkömmlichen Festelektrolyten 4) sowie dem zweiten
Element und zwischen dem zweiten Element sowie dem rohrförmigen Heizkörper zu bildenden Räume, sondern deren Größen
und Formen werden in Anbetracht der Größen und Formen der beiden Elemente sowie des Heizkörpers und der Leistungsfähigkeit
sowie den Kennwerten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers gewählt.
Da im Betrieb des Fühlers der im ersten Raum befindliche Sauerstoff durch das zweite Element in den zweiten Raum
durchsickern wird, kann das Ende des zweiten Raumes, das der geschlossenen Stirnseite gegenüberliegt, vorzugsweise
zum Teil zur Atmosphäre entlüftet werden.
Der bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler oder Sauerstoffühler
verwendete, für Sauerstoff ionen durchlässige Feststoffelektrolyt gleicher Art kommt, so wie er ist,
zur Anwendung. In besonderer Weise kann der zu verwendende Feststoffelektrolyt unter Zugabe von Yttrium- oder
Zirkonoxid gefertigt werden.
Die an der Oberfläche des Feststoffelektrolyten auszubildenden
Elektroden werden als dünne, luftdurchlässige Folien aus Platin nach dem üblichen Verfahren gefertigt.
Die Elektroden werden paarweise an der Innen- sowie Außenseite des rohrförmigen Festelektrolyten derart ausgebildet,
daß sie einander entsprechende Flächenbereic-h-e
in übereinstimmenden Lagen oder Stellen haben.
Die Gas-Diffusionsöffnung kann nach einem üblichen Verfahren
ausgebildet werden, z.B. durch Durchbohren eines geformten rohrförmigen Festelektrolyten mit einem Laserstrahl
oder durch Einbetten eines brennbaren Teils, z.B. eines Fadens, während des Formvorgangs in den Festelektrolyten,
um den Faden beim Sintern zur Bildung der öffnung auszubrennen. Die Gas-Diffusionsschicht wird dadurch gebildet,
daß man ein keramisches Filter mit dem offenen Ende des rohrförmigen Elements verbindet oder daß man eine
poröse keramische Deckschicht auf ein grobporiges keramisches Bauteil mittels eines Plasmasprühverfahrens aufbringt.
Die Gas-Diffusionsöffnung oder -schicht wird zum gleichen Zweck wie bei dem Magerfühler ausgebildet.
Die zu fertigende Gas-Diffusionsöffnung kann aus einem
Loch oder mehreren Löchern bestehen. Eine Mehrzahl von Leistungsregelöffnungen zur Regelung der Leistung des
Magerfühlers kann rund um die Haupt-Diffusionsöffnung
ORIGINAL INSPECTED
ausgebildet werden, wobei einige von diesen mit einer keramischen Paste oder mit Fasern entsprechend einer
Verschiebung von einer Standardleistung weg verstopft werden, um eine Leistungsstreuung des einzelnen Magerfühlers
auszuschalten.
Wenn in die Gas-Diffusionsschicht ein katalytisches Metall,
wie Platin, Palladium oder Rhodium, zum Reinigen der Abgase eingebracht wird, so kann darüber hinaus ein
Verstopfen der Poren durch Kohlenstoff u.dgl. unterbunden werden. Wenn es gewünscht wird, kann eine die Aktivität
des katalytischen Metalls steigernde Komponente, wie Lanthan, Cer, Eisen oder Nickel, zusätzlich eingebracht
werden. Das Verstopfen wird besser verhindert, wenn die Diffusionsschicht in zwei oder mehr Teil- oder Hilfsschichten
derart unterteilt wird, daß eine grobporige Schicht an der Einlaßseite des Abgases angeordnet wird.
Zum Aufheizen des ersten sowie zweiten Elements auf vorbestimmte Temperaturen wird ein Heizkörper vorgesehen,
dessen Gestalt nicht besonders beschränkt ist, der aber zur leichteren Verwendung beispielsweise als rohrförmiger
Heizkörper, in dem das Element aufgenommen ist, ausgebildet sein kann. Das Material für diesen Heizkörper
unterliegt keiner besonderen Beschränkung, ist aber vorzugsweise ein anorganisches Material, wie hitzebeständige
Keramik. Das zur Verwendung kommende Heizelement kann ein übliches sein, z.B. ein lineares Heizelement aus
einem Chromnickeldraht, oder ein ebenes Heizelement, das wie eine gedruckte Schaltung gefertigt wird.
Um wie bei dem Fall des Luft-Sauerstoff-Verhältnisfühlers gemäß dem zweiten Merkmal der Erfindung zu verhindern,
daß das zweite Element als Konzentrationszelle
"3615SBÜ
wirkt, kann die an der Außenseite des zweiten Elements auszubildende Elektrode aus einem Material gefertigt
werden, das eine elektrische Leitfähigkeit, jedoch keine katalytische Wirkung zum Reinigen des Abgases aufweist,
also z.B. Gold, Silber oder Siliziumkarbid. Diese Materialien können allein oder in Verbindung miteinander
verwendet werden, wobei für ihre Dicke und Ausgestaltung keine besonderen Beschränkugnen bestehen.
Für den Feststoffelektrolyten bestehen in bezug auf seine Größe und Gestalt ebenfalls keine besonderen Einschränkungen,
er kann beispielsweise eine Platten- oder Zylinderform haben. Ferner kann ein Heizkörper zum Erhitzen
des ersten sowie zweiten Elements auf vorbestimmte Temperaturen vorgesehen sein.
Die verbleibenden baulichen Einzelheiten oder Teile des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers gemäß dem zweiten Merkmal
der Erfindung sind zu denen des Fühlers nach dem ersten Merkmal gleichartig.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Luft-Sauerstoff-Verhältnisfühler
in einer ersten Ausführungsform nach dem ersten Merkmal gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Kurvenbild zur beispielhaften Darstellung der Leistungskennwerte des gemäß dem ersten Merkmal
nach der Erfindung ausgebildeten Fühlers;
Fig. 3 bis 5 Längsschnitte durch andere Ausführungsformen
eines Fühlers gemäß dem ersten Merkmal der Erfindung;
ORIGINAL INSPECTED
3615980
Fig. 6 und 7 Schnitte durch Frontabschnitte von Feststoffelektrolyten bei weiteren Ausführungsformen
von Fühlern gemäß dem ersten Merkmal nach der Erfindung;
Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
gemäß dem zweiten Merkmal nach der Erfindung;
Fig. 9 bis 11 Schnitte durch Frontabschnitte von Feststoffelektrolyten
bei weiteren Ausführungsformen von Fühlern gemäß dem zweiten Merkmal nach der
Erfindung;
Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen Fühler in einer weiteren Ausführungsform gemäß dem zweiten Merkmal
nach der Erfindung;
Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
nach dem Stand der Technik;
Fig. 14 ein Kurvenbild zur beispielhaften Darstellung der Leistungskennwerte des Fühlers nach dem Stand
der Technik.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Zusammenhang mit Ausführungsformen,
auf die sie jedoch nicht begrenzt ist, beschrieben.
1. Ausführungsform
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
in der Ausführungsform gemäß dem ersten Merkmal nach der Erfindung ist ein Element 14 ein für Sauerstoffionen
durchlässiger Festelektrolyt (z.B. aus Zirkonoxid) dessen eines Ende (Stirnseite) geschlossen ist und ein
Randstück 13 sowie eine Gas-Diffusionsöffnung 2 aufweist.
Eine äußere und eine innere Elektrode 3a bzw. 3b aus Platin od. dgl. Material sind an der äußeren bzw. inneren
Fläche des Festelektrolyten 14 ausgebildet. Des
ο. ς 1 c Q ς η
weiteren ist ein Element (Festelektrolyt) 15 an seiner Außen- sowie Innenseite mit einer äußeren bzw. inneren
Elektrode 5a bzw. 5b aus Platin od. dgl. Material versehen. In diesem Fall ist wenigstens die innere Elektrode
3b katalytisch aktiviert. Dann wird das Element 15 in das Element 14 eingesetzt. Das hat zur Folge, daß die
innere Elektrode 3b des Elements 14 und die äußere Elektrode 5a des Elements 15 elektrisch miteinander verbunden
sind. Ein Leiter 91 wird am Element 14 fest angebracht,
um an der Elektrode 3a erzeugte Ladungen nach außen zu führen. Das Element 14 wird in einen in seinem Inneren
ein Heizelement 7 enthaltenden rohrförmigen Heizkörper 8' eingesetzt. Das Randstück 13 und die Stirnseite des
Heizkörpers 81 werden aneinander mit Hilfe eines als Haftmittel dienenden Abdichtmaterials oder -glieds 6
befestigt. Am Element 15 werden ein Leiter 10', der die an den Elektroden 3b und 5a erzeugten Ladungen nach außen
führt, und ein Leiter 11', der die an der Elektrode 5b erzeugten Ladungen nach außen führt, fest angebracht.
Die Leiter 10' und 11' werden mit einer Gleichstrom-Konstant-Stromquelle,
die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, verbunden, um dem Element 15 einen konstanten Strom
zuzuführen, so daß es als Sauerstoffpumpe arbeitet, wodurch Sauerstoff ständig mit konstantem Durchsatz vom
Innenraum des Elements 15 in den Spalt oder Raum zwischen den Elementen 15 und 14 geführt wird. Dieser Sauerstoff
wird dann dazu gebracht, mit einem unverbrannten Anteil (z.B. Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxide) in
einem zu untersuchenden, in den Spalt zwischen den Elemen· ten 15 und 14 durch die im Element 14 ausgebildete Diffusionsöffnung
2 gesickerten Gas zu reagieren. Hierauf wird die Restsauerstoffkonzentration in Form
eines Ausgangsstroms durch den Grenzstrom-Sauerstoffüh-
INSPECTEÖ
_ 17 _ ■ ■ 3 G ι 5"s;g-o
ler, der durch Verbinden der Leiter 9' sowie 10' mit
einer (nicht gezeigten) Gleichstrom-Konstant-Spannungsquelle und durch Anlegen einer konstanten Spannung an
das Element 14 gebildet ist, ermittelt.
Da der Ausgangsstrom der Restsauerstoffkonzentration
proportional ist, die ihrerseits in linearer Beziehung zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zu untersuchenden Gases
steht, kann aus dem Ausgangsstrom das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gases bestimmt werden.
Die Fig. 2 zeigt die Leistungskennwerte des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers
gemäß der Erfindung. Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der Fühler gemäß dem Stand der
Technik im fetten Bereich mit dem L/K-Verhältnis von
12 - 14 die gestrichelt dargestellten Kennwerte liefert,
während der erfindungsgemäße Fühler die mit ausgezogenen Linien dargestellten Leistungskennwerte, selbst wenn das
Abgas in einem fetten Zustand ist, liefert, weil die Elektrode 3a von einer Berührung mit dem Abgas getrennt
gehalten wird. Damit werden ideale Leistungskennwerte vom fetten bis zum mageren Bereich erhalten.
2. Ausführungsform
Das frontseitige Ende eines Fühlers in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt.
Ein Element (Festelektrolyt) 16 ist mit einer Gas-Diffusionsschicht 17 aus einer keramischen Deckschicht versehen,
die an die Stelle der Gas-Diffusionsöffnung tritt. In diesem Fall kann die Temperaturabhängigkeit des Ausgangs
dadurch ausgeschaltet werden, daß man den mittleren Porendurchmesser der Gas-Diffusionsschicht einregelt.
. · .' ·'· · ■ 3615Ό60
3.. Ausführungsform
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist ein Element (Festelektrolyt) 18 in einen rohrförmigen Heizkörper
19 eingesetzt, welcher ein einwärts gerichtetes Randstück 13' an einer Stirnseite hat, so daß die stirnseitige öffnung einen kleineren Durchmesser aufweist als
das stirnseitige Ende des Elements 18, das durch ein Pressen in (in Fig. 4) abwärtiger Richtung befestigt
wird.'
4. Ausführungsform
Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist für das
Element (Festelektrolyt) 20 wie im Fall der zweiten Ausführungsform
(Fig. 3) eine Gas-Diffusionsschicht 17 aus einer keramischen Deckschicht anstelle einer Gas-Diffusionsöffnung
vorgesehen.
5. Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform, die in Fig. 6 gezeigt ist,
sind rund um die Gas-Diffusionsöffnung 2 Leistungsregelöffnungen
21 ausgebildet, die mit einer keramischen Paste od. dgl. verstopft werden, und zwar vorzugsweise symmetrisch
mit Bezug zur Gas-Diffusionsöffnung 2 in Übereinstimmung
mit einer Verschiebung des Ausgangs des Fühlers vom Standardausgang, so daß ein Streuen der Leistungen
des Fühlers unterdrückt werden kann.
6. Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform ist, wie Fig. 7 zeigt, die
Diffusionsschicht in zwei Teilschichten geteilt. Von diesen ist die an der Eintrittsseite des zu untersuchenden
Gases befindliche Teilschicht als ein keramisches Filter 22 mit größeren Poren ausgebildet, während die andere
Teilschicht ein Keramikfilter 23 mit kleineren Poren
/3 ρ ι ς G ς η
umfaßt. An diesen keramischen Filtern kann ein katalytisches Metall zum Reinigen des Abgases angelagert sein.
7. Ausführungsfortn
Die Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers,
nach dem zweiten erfindungsgemäßen Merkmal. Ein Element 1' ist ein für Sauerstoffionen
durchlässiger Festelektrolyt (z.B. aus Zirkonoxid), der ein geschlossenes stirnseitiges Ende hat. Dieses Element
1' weist an seiner Außenfläche eine äußere Elektrode 31 aus einem Material auf, das keine katalytische
Wirkung zur Reinigung des Abgases entfaltet, z.B. Gold, Silber oder Siliziumkarbid. An der Innenfläche des Elements
(Festelektrolyt) 1' befindet sich eine innere Elektrode
3b aus Platin od. dgl. Material. Gleicherweise ist ein Element (Festelektrolyt) 41 an seiner Innen- sowie
Außenfläche mit einer inneren bzw. äußeren Elektrode 5b bzw. 5a aus Platin od dgl. Material versehen. In diesem
Fall kann wenigstens die Elektrode 3b der Platinelektroden vorzugsweise katalytisch aktiviert sein. Das Element
4' wird in das Element 1' eingesetzt, der dazwischenliegende
Spalt wird mit einem Dichtungsmaterial 6, z.B. Glas, abgeschlossen, wobei die innere Elektrode 3b des
Elements 11 und die äußere Elektrode 5a des Elements 41
elektrisch verbunden werden. Dann wird ein Leiter 9' am Element 11 befestigt, um an der Elektrode 31 erzeugte
Ladungen nach außen zu führen. Das Element 11 wird in einen rohrförmigen Heizkörper 8', der ein innenliegendes
Heizelement 71 aufweist, eingesetzt. Ferner werden ein Leiter 10', um an den Elektroden 3b und 5a erzeugte
Ladungen nach außen zu führen, ein Leiter 11' zum Herausführen der an der Elektrode 5b erzeugten Ladungen und
eine isolierende Röhre 12 in den rohrförmigen Heizkörper 8l eingebracht, um die Elemente 1' sowie 4' festzulegen
.
ORIGINAL INSPECTED
Die Leiter 10' und 11' werden mit einer (nicht gezeigten)
Gleichstrom-Konstant-Stromquelle verbunden, um dem-Element
4' einen konstanten Strom zuzuführen, so daß eine Sauerstoffpumpe geibldet wird, durch die ständig Sauerstoff
mit konstantem Durchsatz vom Innenraum des Elements 4' zu dem Raum oder Spalt zwischen den Elementen
1' und 4' gefördert wird. Dieser Sauerstoff wird mit
einem unverbrannten Bestandteil (z.B. Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxide) im zu untesuchenden Gas, das in
den Spalt zwischen den Elementen 1' und 4' durch die im
Element 1' ausgebildete Diffusionsöffnung 2 eingesickert
ist, zur Reaktion gebracht. Hierauf wird die Konzentration des Restsauerstoffs in Form eines Ausgangsstroms
mit Hilfe des Grenzstrom-Sauerstoffühlers, der durch
Verbinden der Leiter 9' sowie 10' mit einer (nicht gezeigten)
Gleichstrom-Konstant-SpannungsquelIe und durch Anlegen einer konstanten Spannung an das Element 1' gebildet
wird, ermittelt.
Da dieser Ausgangsstrom der Restsauerstoffkonzentration
proportional ist, die ihrerseits in linearer Beziehung zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des zu untersuchenden Gases
steht, kann das Luft-Sauerstoff-Verhältnis des zu untersuchenden Gases aus diesem Ausgangsstrom bestimmt
werden.
Die Leistungskennwerte des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers nach dem zweiten erfindungsgemäßen Merkmal sind
denjenigen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers gemäß
dem ersten Merkmal nach der Erfindung gleichartig, wie Fig. 2 zeigt, und ideal vom fetten bis zum mageren Bereich.
8. Ausführungsform
Die Fig. 9 zeigt den stirnseitigen Endabschnitt eines Elements 1', an dem eine Gas-Diffusionsschicht 17 aus
einer keramischen Deckschicht anstelle einer Gas-Diffusionsöffnung ausgebildet ist. In diesem Fall kann die
Temperaturabhängigkeit des Ausgangs durch Einregeln des mittleren Porendurchmessers der Gas-Diffusionsschicht
ausgeschaltet werden. Im übrigen ist es nicht zwingend, die keramische Deckschicht auf das stirnseitige Ende
des Elements zu beschränken, sondern sie kann sich über die Elektrode 31 erstrecken, wie die Fig.9 zeigt.
9. Ausführungsform
Die Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung,
wobei die Diffusionsschicht in zwei Teilschichten unterteilt ist, von denen diejenige an der Eintrittsseite
des zu untersuchenden Gases mit einem keramischen Filter 22 mit größerem Porendurchmesser und die andere Teilschicht
mit einem Keramikfilter 23 mit geringerem Porendurchmesser ausgestaltet ist. An diesen Keramikfiltern
kann ein katalytisches Metall zur Reinigung des Abgases angelagert sein.
10. Ausführungsform
Hierbei sind, wie Fig. 11 zeigt, in dem der Diffusionsöffnung 2 nahegelegenen Bereich des Elements 1' Leistungsregelöffnungen
21 rund um die Diffusionsöffnung 2 ausgebildet,
die durch eine keramische Paste od. dgl. symmetrisch mit Bezug zur öffnung 2 in Übereinstimmung mit
einer Verschiebung im Ausgang des Fühlers vom Standardausgang verstopft werden, so daß ein Streuen in der Leistung
des Fühlers unterdrückt werden kann.
11. Ausführungsform
Bei der Ausführungsform von Fig. 12 kommen plattenförmige
Elemente (Festelektrolyte) 24 und 25 zur Anwendung. Die Fig. 12 zeigt des weiteren eine Konstant-StromquelIe
26, eine Konstant-SpannungsquelIe 27, Leiter 28 sowie
29 und ein Amperemeter 30. Die weiteren Bauteile entsprechen gleich bezeichneten Bauteilen bei den vorherigen
Ausführungsformen. Der in Fig. 12 gezeigte Pfeil gibt die Richtung der Wanderung des Sauerstoffs (O2) an.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler
gemäß der Erfindung so aufgebaut, daß der Spalt zwischen der geschlossenen Stirnseite des den
Grenzstrom-Sauerstoffühler bildenden Elements und dem Ende des rohrförmigen Heizkörpers geschlossen ist oder
daß von den an dem den Grenzstrom-Sauerstoffühler bildenden Element auszugestaltenden Elektroden diejenige
an der Berührungsseite mit dem Abgas aus einem Material gefertigt ist, das keine katalytische Wirkung zur Reinigung
des Abgases zeigt. Im Unterschied zum Stand der Technik bildet das den Grenzstrom-Sauerstoffühler darstellende
Element keinerlei Konzentrationszelle, so daß keine Diskrepanz in den Kurven der Leistungskennwerte
gegenüber den erwarteten Leistungskennwerten im (fetten) Bereich, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kleiner als der stöchiometrische Wert ist, hervorgerufen wird.
Das hat zum Ergebnis, daß die Leistungskennwerte vom fetten zum mageren Bereich ideal sind, so daß in hohem
Maß die Zuverlässigkeit und Regelbarkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühlers
gesteigert und verbessert werden können.
- Leerseite
Claims (20)
- PatentansprücheLuft-Kraftstoff-Verhältnisfühler mit einem ersten, rohrförmigen Element, das als ein für Sauerstoff ionen durchlässiger Feststoffelektrolyt ausgebildet ist, dessen eines Ende geschlossen ist und dessen Innen- sowie Außenseite mit an eine Gleichstromquelle zur Bildung einer Sauerstoffpumpe angeschlossenen Elektroden versehen sind, mit einem zweiten, rohrförmigen Element, das als ein für Sauerstoff ionen durchlässiger Feststoffelektrolyt ausgebidlet ist, dessen eines Ende geschlossen sowie mit einer Gas-Diffusionsschicht oder -öffnung ausgestattet ist und dessen Innen- sowie Außenseite mit an eine Spannungsquelle zur Bildung eines Grenzstrom-Sauerstoffühlers angeschlossenen Elektroden versehen sind, und mit einem ein inneres Heizelement aufweisenden rohrförmigen Heizkörper, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (15) in das zweite Element (14, 16, 18, 20) unter Bildung eines ersten Raumes zwischen der Außenseite des ersten Elementssowie der Innenseite des zweiten Elements eingesetzt ist, daß das zweite Element in den rohrförmigen Heizkörper (8) unter Bildung eines zweiten Raumes zwischen der Außenseite des zweiten Elements sowie der Innenseite des rohrförmigen Heizkörpers eingesetzt ist und daß das geschlossene Ende des zweiten Elements und das Ende des rohrförmigen Heizkörpers zum Abschluß des zweiten Raumes geschlossen sind.
- 2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffelektrolyt (14, 15, 16, 1-8, 20) aus Zirkonoxid gefertigt ist.
- 3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3a, 3b, 5a, 5b) aus Platin bestehen
- 4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gas-Diffusionsöffnungen (2, 21) eins oder mehr beträgt.
- 5. Fühler nach einem der Ansprüche^], bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht (17) aus einem porösen Keramikmaterial oder einer porösen Keramikdeckschicht oder aus einer Kombination von beiden besteht.
- 6. Fühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht (17) ein katalytisches Metall zur Abgasreinigung trägt.
- 7. Fühler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht aus wenigstens zwei Teilschichten (22, 23) mit unterschiedlichen Porendurchmessern besteht.ORIGINAL INSPECTED"3 5 1 5960"
- 8. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Heizkörper (8) aus einem Keramikmaterial besteht.
- 9. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (7) linear ausgebildet ist.
- 10. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement eben ausgebildet ist.
- 11. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein am geschlossenen Ende des zweiten Elements (14-, 16) ausgebildetes, auswärts gerichtetes Randstück (13), das zur abgeschlossenen Ausbildung des zweiten Raumes gegen die Stirnseite des rohrförmigen Heizkörpers(8) anstößt.
- 12. Luft-Kraftstoff-Verhältnisfühler, gekennzeichnet durch ein aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen Feststoffelektrolyten g~ebi ldetes^ erstes Element (41), an dessen Innen- sowie Außenseite Elektroden (5b, 5a) vorhanden sind, die zur Bildung einer Sauerstoffpumpe mit einer Gleichstromquelle verbunden sind, durch ein aus einem für Sauerstoff ionen durchlässigen Feststoffelektrolyten gebildetes zweites Element (1')> das eine Gas-Diffusionsschicht (17) oder -Öffnung (2) hat und an dessen Innensowie Außenseite Elektroden (3b, 31) vorhanden sind, die zur Bildung eines Grenzstrom-Sauerstoffühlers mit einer Spannungsquelle verbunden sind, durch einen Raum zwischen der Außenseite des ersten Elements (41) sowie der Innenseite des zweiten Elements (1') und durch Ausbildung der an der Außenseite des zweiten Elements befindlichen Elektrode (31) aus einem Material, das keine katalytische Wirkung zur Reinigung von Abgas zeigt.IHSPECTED
- 13. Fühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffelektrolyt (11, 41) aus Zirkonoxid gefertigt ist.
- 14. Fühler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ausnahme der an der Außenseite des zweiten Elements (11) befindlichen Elektrode (31) die Elektroden (3b, 5a, 5b) aus Platin bestehen.
- 15. Fühler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Gas-Diffusionsöffnungen (2, 21) eins oder mehr beträgt.
- 16. Fühler nach einem de.r Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht (17) aus einem porösen Keramikmaterial oder einer porösen Keramikdeckschicht oder aus einer Kombination von beiden besteht.
- 17. Fühler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht (17) ein katalytisches Metall zur Abgasreinigung trägt.
- 18. Fühler nach. Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Diffusionsschicht aus zwei oder mehr Teilschichten (22, 23) mit unterschiedlichen Porendurchmessern besteht.
- 19. Fühler nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet, durch einen das erste sowie zweite Element (4, 41) aufheizenden Heizkörper (8).
- 20. Fühler nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das keine katalytische Wirkung zur Reinigung von Abgas zeigende Material wenigstens eines ist, das aus einer aus Gold, Silber und Siliziumkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.ORIGINAL INSPECTED
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |