DE3445755A1

DE3445755A1 - Luft/kraftstoffverhaeltnis-detektor

Info

Publication number: DE3445755A1
Application number: DE19843445755
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Asayama; Shintaro Hirate; Tetsusyo Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Niterra Co Ltd
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-08-01
Also published as: US4594139A; DE3445755C2; JPS60128349A; JPH0414305B2

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner ο 4 4 b / D b Patentanwälte

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA und Κ*-*·.:'.\> : >.■ 3'

NGK SPARK PLUG CO., LTD. L'toMKif»..·

Tokio bzw. Aichi, Japan i_pj,,. ρSopo? hV^"'.-ι Telefax 'G^r 2-3

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Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor für die Messung oder Regelung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung, z.B. einer Brennkraftmaschine oder eines Gasbrenners.

Mit einem Sauerstoffsensor oder -meßfühler aus einem ionenleitenden Festelektrolyten (z.B. stabilisiertem Zirkonoxid), mit porösen Elektrodenschichten (z.B. porösen Pt-Schichten) beschichtet, kann die Verbrennung nahe eines theoretischen (stöchiometrischen) Luft/Kraftstoff Verhältnisses durch Messung einer Änderung in einer elektromotorischen Kraft (EMK), die durch die Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck des Ab-

*° gases und dem der Atmosphärenluft erzeugt wird, gemessen oder erfaßt werden. Ein solcher Sauerstoffsensor wird derzeit auf verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt, z.B. bei Kraftfahrzeugen für den Betrieb ihrer Brennkraftmaschinen mit dem theoretischen Luft/-KraftstoffVerhältnis.

Der bisherige Sauerstoffsensor zeigt eine große Änderung in seinem Ausgangssignal, wenn das Betriebs-Luft/-Kraftstoffverhältnis (entsprechend dem Gewichtsver-

^zo hältnis von Luft zu Kraftstoff) nahe der theoretischen Größe von 14,7 liegt; anderenfalls ist die resultierende Änderung des Ausgangssignals vernachlässigbar. Das Ausgangssignal dieses Sensors (oder Meßfühlers) kann daher nicht wirksam genutzt werden, wenn die Brenn

^ou kraftmaschine mit einem anderen Luft-Kraftstoffverhältnis als dem entsprechend "der theoretischen Größe arbeitet.

Die JP-OS 153155/1983 beschreibt einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor aus zwei sauerstoffionenleitenden Festelektrolytplatten mit jeweils einer Elektrodenschicht auf beiden Seiten in einem ausgewählten, dicht

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am einen Ende befindlichen Bereich. Die beiden Platten sind parallel zueinander befestigt und so voneinander

beabstandet, daß sie einen Spalt oder Zwischenraum 5

in einem Bereich bilden, welcher dem die Elektrodenschichten aufweisenden, ausgewählten Bereich entspricht, Die eine Elektrolytplatte mit Elektrodenschichten wird als Sauerstoff-Pumpelement verwendet, und die andere Platte dient als elektrochemisches Zellenelement, das in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebungsatmosphäre und der Atmosphäre im Spalt zwischen den beiden Platten arbeitet.

Dieser Detektor besitzt zwar ein schnelles Ansprechen, doch ist dabei, wie erfindungsgemäß durchgeführte Versuche ergeben haben, die Richtung des resultierenden Ausgangssignals, wenn die Vorrichtung in einem mit Kraftstoff angereicherten Bereich mit einem Luft/Kraft-Stoffverhältnis unterhalb der theoretischen Größe von 14,7 arbeitet, dieselbe wie beim Betrieb in einem kraftstoff armen Bereich. Da mehr als ein einziges Luft/Kraftstoffverhältnis durch ein einziges Ausgangssignal bezeichnet werden kann, kann der Sensor (oder Meßfühler) _nUr dann eingesetzt werden, wenn eindeutig bekannt ist, ob die zu steuernde Verbrennungsvorrichtung im kraftstoff reichen oder im kraftstoffarmen Bereich arbeitet.

Es hat sich ferner als sehr schwierig erwiesen, diesen Detektor bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis auf oder nahe der theoretischen Größe für eine genaue Steuerung oder Regelung der Verbrennungsvorrichtung mit schnellem Ansprechen anzusetzen.

Aufgabe der. Erfindung ist damit die Schaffung eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors, welcher genau und mit schnellem Ansprechen festzustellen vermag, ob das

Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis einer Verbrennungsvorrichtung, z.B. einer Brennkraftmaschine, im kraftstoffreichen (angereicherten) oder kraftstoffarmen 5

(abgemagerten) Bereich oder auf der theoretischen Größe (d.h. 14,7) liegt.

Dieser Luft/Kraftstoffverhä]tnis-Detektor soll dabei auch eine genaue und einfache Rückkopplungs-Regelung *^ oder selbsttätige Regelung in den angegebenen Verhältnisbereichen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst. 15

Gegenstand der Erfindung ist ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor mit einem durch eine Differenz in der Sauerstoffkonzentration betätigbaren oder aktivierbaren elektrochemischen Zellenelement, einem Sauer-

^O stoff-Pumpelement und einem Sauerstoff-Meßfühler- oder -Sensorelement, wobei jedes Element die Form eine^s Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten mit (je) einer auf beiden Seiten ausgebildeten porösen Elektrode besitzt, das Zellenelement der einen Seite des Pumpelements mit einem kleinen Abstand zugewandt ist, das Sensorelement der anderen Seite des Pumpelements zugewandt ist und mit diesem eine zur Atmosphäre oder Außenluft hin offene Luftkammer festlegt, und der Detektor ein Ausgangssignal, dessen Größe eine Funktion des Luft/Kraftstoffverhältnisses ist, entsprechend entweder der elektromotorischen Kraft (EMK) des elektrochemischen Zellenelements oder einem durch das Pumpelement fließenden Pumpstroms (pump current) in bezug £uf die durch das Scnsorelement erzeugte elektromotorisehe Kraft !liefert.

Aufgrund der beschriebenen Anordnung bietet der erfindungsgemäße Detektor den Vorteil, daß er nur eine Meßfühler- oder Sensor-Sonde für die genaue Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses über den vollen Betriebsbereich oder einen Teil des Betriebsbereichs einer gegebenen Verbrennungsvorrichtung, einschließlich der (mit Kraftstoff) angereicherten und der abgemagerten Verhältnisse bzw. Bereiche, benötigt. 10

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt und teilweise in Schaltbildform gehaltene schematische Darstellung eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors gemäß der Erfindung,

^O Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und

der elektromotorischen Kraft oder EMK e~, 25

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem bei einer konstanten Größe der EMK e. über das Pumpelement fließenden Auspumpstrom (pumpout current) I eines durch eine Sauerstoff

konzentrationsdifferenz betätigten oder aktivierten elektrochemischen Zellenelements,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und

dem bei einer konstanten Größe der EMK e.

über das Pumpelement fließenden Einpumpstrom (pump-in current) I_p des elektrochemischen Zellenelements und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK e, des Zellenelements unter Heranziehung des Einpumpstroms I_p als Parameter. 10

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor ist gemäß Fig. 1 in eine Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine eingebaut. Die Sonde 2 des Detektors umfaßt dabei ein aus einem Festelektrolyten bestehen- ° des Sauerstoff-Pumpelement 6, ein aus einem Festelektro lyten bestehendes, durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares oder aktivierbares elektrochemisches Zellenelement 10 und ein Festelektrolyt-Sauerstoff -Sensorelement 14.
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Das Pumpelement 6 besteht aus einer etwa 0,5 mm dicken und vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 3, bei welcher auf der einen Seite eine poröse Platin-Elektrodenschicht 4 und auf der anderen Seite eine weitere poröse Platin-Elektrodenschicht 5 ausgebildet sind. Die etwa 20 μπι dicken Pt-Schichten 4, 5 können nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein. Das elektrochemische Zellenelement 10 besteht ebenfalls aus einer etwa 0,5 mm dicken und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 7, die auf jeder Seite eine poröse Platin-Elektrodenschicht 8 bzw. 9 aufweist. Diese beiden Pt-Schichten 8 und 9 einer Dicke von etwa 20 um können ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein. Das Sensorelement 14 besteht gleichfalls aus einer ionenleitenden Festelektrolyt-Platte

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11 mit einer porösen Pt-Elektrodenschicht 12 auf der einen und einer weiteren porösen Pt-Elektrodenschicht

13 auf der anderen Seite. Dicke und Werkstoff der 5

Platte 11 entsprechen vorzugsweise denen von Zellenelement 10 und Pumpelement 6, wobei die Pt-Schichten

12 und 13 ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet sein können.

Das Pumpelement 6 und das Zellenelement 10 sind unter Festlegung eines kleinen Spalts oder Zwischenraums a

oder weniger

(vgl. Fig. 2) von etwa 0,1 mm Weite/ zwischen sich nebeneinander in die Abgasleitung 1 eingesetzt, wobei sie dadurch gegeneinander gehaltert sind, daß der Spalt im Basisabschnitt des Detektors mit einer wärmebeständigen, isolierenden Abstandsmasse 15, z.B. in Form eines Klebmittel-Füllstoffs, ausgefüllt ist. Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 14 sind so angeordnet, daß die porösen Pt-Elektrodenschichten 5 und 12 ein-

^zu ander zugewandt sind und eine zur Atmosphäre bzw. Außenluft hin offene Luftkammer b (vgl. Fig. 2) festgelegt wird, wobei die beiden Elemente durch ein wärmebeständiges Abstandstück 16, das, mit Ausnahme des Basisabschnitts, um den Gesamtbereich ihres Zwischenraums herum angeordnet ist, luftdicht miteinander verbunden sind.

Ein Träger oder Halter 18 mit einem Außengewinde 17 ist mittels einer wärmebeständigen, isolierenden Klebmittelmasse 19 um den Basisabschnitt der Anordnung aus dem Pumpelement 6, dem Zellenelement 10 und dem Sensorelement 14 herum festgelegt. Die Montage der Sonde 2 in der Abgasleitung 1 erfolgt durch Einschrauben des Außengewindes 17 in ein in der Abgasleitung ι vorgesehenes Innengewinde 20.

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Der beschriebene Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor kann vorzugsweise nach folgenden Verfahren hergestellt werden: Eine "grüne", d.h. ungebrannte Scheibe des Abstand Stücks 16, vorzugsweise aus Keramik, wird zwischen zwei "grüne" Scheiben für das Pumpelement 6 und das Sensorelement 14, auf die jeweils eine Paste eines Elektrodenmaterials aufgetragen worden ist, eingefügt. Nach dem Zusammenpressen der "grünen" Scheiben wird

*0 die erhaltene Anordnung zur Bildung eines röhrenförmigen Elements mit dem Pumpelement 6 und dem Sensorelement 14 gesintert. Dieses röhrenförmige Element wird sodann mit Hilfe eines wärmebeständigen Keramik-Klebmittels (Zements) mit einem gesinterten Zellenelement 10 ver-

¹^ bunden.

Ein Beispiel für eine elektronische Steuereinheit für den erfindungsgemäßen Detektor ist in Fig. 1 mit 21 bezeichnet. Die zwischen den porösen Pt-Elektroden-

schichten 8 und 9 am elektrochemischen Zellenelement 10 erzeugte elektromotorische Kraft oder EMK e, wird über einen Widerstand Rl der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt, der daraufhin ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz

zwischen der EMK e, und einer an seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme anliegenden Bezugsspannung V proportional ist.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers dient zur Ansteuerung eines Transistors Tr zur Steuerung des zwischen den Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements 6 fließenden Pumpstroms I in der Weise, daß der Strom I groß genug ist, um die EMK e, auf einer konstanten Größe V zu halten. Die Steuereinheit 21 enthält auch einen Widerstand Ro zur Beschickung einer Ausgangsklemme 22 mit einem Ausgangssignal entsprechend dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten

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Pumpstrom I . Ausgang und invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers A sind über einen Kondensator C zusammengeschaltet.
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Die Steuereinheit 21 enthält außerdem eine Ausgangsklemme 23 zum Ausgeben der elektromotorischen Kraft bzw. EMK e_ , die durch das Sensorelement 14 in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der Abgasleitung 1 und der Umgebungsatmosphäre erzeugt wird.

Zwei Kennlinien für den in Fig. 1 und 2 dargestellten Detektor sind in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig.

veranschaulicht dabei die Beziehung der EMK e_ zum Luft/Kraftstoffverhältnis. Im kraftstoffreichen bzw. angereicherten Bereich, in welchem das Betriebs-Luft/-Kraftstoffverhältnis unter der theoretischen Große von 14,7 liegt, liefert der Detektor eine konstante Größe eier EMK e~. Diese Größe fällt bei einem Luft/Kraftstoff verhältnis von etwa 14,7 plötzlich bzw. schlagartig ab, und die erzeugte EMK bleibt im kraftstoffarmen bzw. verarmten Bereich, in welchem das Betriebs-Luf t/Kraftstoff verhältnis über der theoretischen Größe liegt, nahezu konstant. Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zum Pumpstrom I für eine Bezugsspannung V von z.B. 60 mV. Wenn die elektromotorische Kraft e, 60 mV beträgt, verringert sich der Pumpstrom I mit ansteigendem Luft/Kraftstoffverhältnis im angereicherten Bereich und vergrößert sich mit zunehmendem Luft/Kraftstoffverhältnis im verarmten Bereich.

Die Ausgangsklemme 23 zum Abgreifen der EMK e„ ist so ausgelegt, daß der Detektor sowohl eine Kraftstoffanreicherung als auch eine Kraftstoffabmagerung erfaßt, indem er die EMK e_ mit P, d.h. einem vorgewählten Bezugspunkt zwischen dem Höchst- und dem

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Niedrigstpegel der EMK, vergleicht.

Wenn die Maschine in dem mit Kraftstoff angereicherten Bereich arbeitet, muß die EMK e~ des Sensorelements 14 größer sein als P, und es können diese Information sowie ein Ausgangssignal entsprechend dem resultierenden, durch bzw. über das Pumpelement 6 fließenden Pumpstrom I zur Messung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses für den kraftstoffreichen Bereich abgegriffen werden. Wenn die Maschine dagegen im Abmagerungsbereich (kraftstoffarmen Bereich) arbeitet, muß die EMK e_ des Sensorelements 14 kleiner sein als P, wobei diese Information und ein Ausgangssignal entsprechend ° dem resultierenden Pumpstrom I zur Bestimmung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses für den Verarmungsbereich abgegriffen werden können.

Der erfindungsgemäße Detektor mit dem beschriebenen ^O Aufbau ermöglicht bei schnellem Ansprechen eine genaue Messung des Betriebs-Luft/KraftstoffVerhältnisses einer Brennkraftmaschine über einen weiten, sowohl den Anreicherungs- als auch den Abmagerungsbereich umfassenden Bereich hinweg. Dieser Detektor kann somit für die ²^ Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses eingesetzt werden, wobei ein Signal, das der durch die in die Abgasleitung 1 eingebauten Sonde 2 gemessenen augenblicklichen Größe bzw. Ist-Größe des Luft/Kraftstoffverhältnisses entspricht, zur Ermöglichung einer Aufrechterhaltung des gewünschten Luft/Kraftstoffverhältnisses durch eine Rückkopplungs- oder Regelschleife geleitet wird.

Die proportionale Änderung des Pumpstroms I_p mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis im Abmagerungsbereich ist bereits bekannt und beispielsweise in der JP-OS 153155/1983 beschrieben. Der Sauerstoff-Partialdruck

des in den Spalt a eintretenden Abgases wird durch die Wirkung des Pumpelements 6 zu einer Größe modifiziert, die sich von dem Sauerstoff-Partialdruck in dem die Abgasleitung 1 durchströmenden Abgas unterscheidet. Der zum Pumpelement 6 gelieferte Pumpstrom I wird so gesteuert oder eingestellt, daß die in Abhängigkeit von dem differentiellen Sauerstoff-Partialdruck erzeugte EMK e, des Zellenelements 10 auf einer konstanten Größe gehalten wird. Versuche haben gezeigt, daß sich der Pumpstrom I , weil die EMK e, konstant ist, proportional zur Konzentration des Sauerstoffs im Abgas ändert. Die Ansprechempfindlichkeit des Detektors auf das Vorhandensein von CO-Gas im Abgas, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis im angereicherten Bereich liegt, könnte der Hauptgrund für diese Sauerstoff-Auspumpwirkung sein.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Pumpstrom I durch das Pumpelement 6 in einer solchen Richtung geleitet, daß Sauerstoff aus dem Spalt a in die Abgasleitung 1 ausgepumpt wird (I > 0). Gewünschtenfalls kann der Strom I in die entgegengesetzte Richtung geleitet werden (I < 0), so daß Sauer-

P stoff aus der Luftkammer b in den Spalt a gepumpt wird.

Fig. 5 veranschaulicht die Beziehung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zum Pumpstrom I für diese Abwandlung, wenn das Ausgangssignal des elektrochemischen Zellenelements 10 konstant bleibt. Die Kennlinie gemäß Fig. 5, die eine gewisse Korrelation bzw. Beziehung zwischen dem Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpstrom I wiederspiegelt, kann ebenfalls für die Messung oder Bestimmung mittels des erfindungsgemäßen Detektors benutzt werden.

Wenn der durch das Pumpelement 6 fließende Pumpstrom I (unabhängig davon, ob Sauerstoff in den Spalt a

gepumpt oder aus ihm herausgepumpt wird) konstant gehalten wird, variiert die durch das Zellenelement 10 erzeugte EMK e. auch bzw. ebenfalls mit dem Luft/Kraft-Stoffverhältnis. Diese Beziehung ist ebenfalls für die erfindungsgemäß vorgesehenen Meßzwecke nutzbar.

Fig. 6 veranschaulicht die Beziehung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zur EMK (e,<0) des elektrochemischen Zellenelements 10 unter Heranziehung des Sauerstoff-Einpumpstroms I als Parameter. Wie dargestellt, treten im Kraftstoff-Anreicherungsbereich und beim theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis plötzliche bzw. schlagartige Änderungen im Ausgangssignal auf. Eine Änderung des Einpumpstroms I beeinflußt das Anreicherungs-Luft/Kraftstoff verhältnis, bei dem einige der plötzlichen Änderungen in der EMK e., auftreten. Diese Kennlinie veranschaulicht, daß der Detektor für eine genaue und mit schnellem Ansprechen erfolgende Rückkopplungs-Regelung des Luft/KraftstoffVerhältnisses im Kraftstoff-Anreicherungsbereich benutzt werden kann.

Wenn insbesondere eine Brennkraftmaschine unter Bedingungen arbeitet, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis eine Kraftstoffanreicherung zeigen soll, sollte die in Fig. 6 gezeigte, einem konstanten Einpumpstrom (I <0) entsprechende Charakteristik gewählt werden. Wenn die Betriebsbedingungen ein Luft/Kraftstoffverhältnis entsprechend einer Kraftstoffabmagerung verlangen, sollte die in Fig. 5 gezeigte, einer konstanten EMK (e,< 0) des Zellenelements 10 entsprechende Charakteristik gewählt werden. Durch Umschalten zwischen diesen beiden Betriebsarten je nach Bedarf kann die gewünschte kontinuierliche Rückkopplungs-Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses über den vollen Betriebsbereich einer Verbrennungsvorrichtung (z.B. Brennkraftmaschine) hinweg erreicht werden.

Wenn es sich als nötig erweist, das Luft/Kraftstoffverhältnis auf der theoretischen Größe von 14,7 zu halten, kann die EMK e_o des Sensorelements 14 unraittel-

bar als Rückkopplungs-Regelsignal benutzt werden.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform die einzelnen Elemente nicht mittels eines Heizelements erwärmt oder erhitzt werden, kann erfindungsgemäß jeweils ein solches Heizelement für jedes Detektorelement vorgesehen sein.

Bei der erfindungsgemäßen Detektor- oder Meßsonde sind das Pumpelement und das Zellenelement in der Abgasleitung mit einem kleinen gegenseitigen Abstand nebeneinander angeordnet. Bevorzugt werden diese Elemente durch Ausfüllen des Spalts an ihren Basisabschnitten mit einem Abstand stück bzw. einer Abstandsmasse gegeneinander befestigt. Der zwischen dem Pumpelement und dem Zellenelement festgelegte Spalt dient somit vorzugsweise dazu, zur Verbesserung des Ansprechverhaltens die Umfangsränder oder -kanten (dieser Elemente) in ausreichendem Maß für das Abgas freizulegen bzw. zugänglich zu machen. Mit Ausnahme der Basisabschnitte ist die Erfindung jedoch nicht auf die Konfiguration der offenen bzw. freigelegten Ränder beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, einige Stützelemente zwischen den Festelektrolytplatten von Pumpelement und Zeilenelement vorzusehen, um die Maße des Spalts einfächer einstellen zu können, sofern ein solches Stützelement keine nennenswerte Verringerung der Ansprechempfindlichkeit bewirkt. Die Weite des Spalts zwischen Pumpelement und Zellenelement liegt bevorzugt in der Größenordnung von 0,01 - 0,15 mm.

Wenn der Spalt zu eng ist, verschlechtert sich das Ansprechverhalten.

Von den Elektroden des betreffenden Elements ist eine Elektrodenschicht zur Festlegung eines kleinen oder feinen Spalts vorzugsweise eine poröse, dicke Schicht einer mittleren Porosität von etwa 10 - 40 %, gemessen mittels eines Porosimeters des Druckquecksilbertyps, im Hinblick auf ihren Diffusionswiderstand für die betreffenden Bestandteilgase, wie gasförmigen Sauerstoff.

Falls die Elektrodenschicht nach geeigneter Dünnschicht-Auftragtechnik ausgebildet wird, wird auf ihr vorzugsweise eine poröse Schicht aus z.B. einem keramischen Material vorgesehen, das mit einem katalytischen Mittel zur Erzielung einer katalytischen Wirkung versetzt sein kann.

Auf die beschriebene Weise läßt sich somit einfach eine Detektor- oder Meßsonde eines ausgezeichneten Ansprechverhaltens herstellen.
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— L e e r s e i t e -

Claims

3U5755 Patentansprüche

1. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Überwachung der Konzentration eines bestimmten Gases im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung, gekennzeichnet durch

a) eine erste Festelektrolyt-Meßeinheit zur Liefe-

rung eines ersten Ausgangssignals zur Anzeige,

ob die Konzentration des bestimmten Gases im Abgas über oder unter einer vorbestimmten Größe liegt, und

b) eine zweite Festelektrolyt-Meßeinheit zur Liefe-

rung eines zweiten Ausgangssignals, das mindestens eine spezifische Größe der Konzentration über oder unter der vorbestimmten Größe anzeigt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Festelektrolyt-Meßemheit

1) ein erstes Festelektrolyt-Element mit auf seinen beiden Seiten vorgesehenen Elektroden,

2) ein zweites, auf beiden Seiten mit Elektroden

versehenes Festelektrolyt-Element, das an der

einen Seite des ersten Elements unter Festlegung eines ersten Spalts oder Zwischenraums mit ihm angeordnet ist, und

3) eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms durch das erste Element umfaßt

und daß das erste Element die Größe der Konzentration im ersten Spalt nach Maßgabe des Stroms ändert, um eine konstante erste elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden des zweiten Elements zu er-

zeugen.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element die Giröße der Konzentration im ersten Spalt durch Einpumpen einer Menge des bestimmten Gases in den ersten Spalt erhöht.

4. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element die Größe der Konzentration im ersten Spalt durch Auspumpen einer Menge des bestimmten Gases aus dem ersten Spalt verkleinert.

5. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Festelektrolyt-Meßeinheit

1) ein erstes Festelektrolyt-Element mit an seinen *° beiden Seiten vorgesehenen Elektroden,

2) ein an beiden Seiten mit Elektroden versehenes zweites Festelektrolyt-Element, das an der einen Seite des ersten Elements unter Festlegung eines ersten Spalts oder Zwischenraums mit ihm angeordnet ist und das eine Ausgangsspannung nach Maßgabe der Differenz in der Konzentration des bestimmten Gases an jeder seiner Elektroden erzeugt, und

3) eine Einrichtung zur Erzeugung eines praktisch konstanten elektrischen Stroms über das erste Element zwecks Änderung der Größe der Konzentration im ersten Spalt entsprechend dem Strom umfaßt, wobei sich das zweite Ausgangssignal nach Maßgabe der Ausgangsspannung des zweiten Elements ändert.

6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ausgangssignal einer plötzlichen oder schlagartigen Pegeländerung bei einer ersten, von der vorbestimmten Größe verschiedenen Größe unterliegt, wobei die mindestens eine spezifische Größe einen Bereich von Größen zwischen der ersten Größe und der vorbestimmten Größe umfaßt.

7. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element die Größe der Konzentration

im ersten Spalt durch Einpumpen einer Menge des be-5

stimmten Gases in den ersten Spalt erhöht.

8. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element die Größe der Konzentration im ersten Spalt durch Auspumpen einer Menge des bestimmten Gases aus dem ersten Spalt verkleinert.

9. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Festelektrolyt-Meßeinheit

ein an seinen beiden Seiten mit Elektroden ver-¹^ sehenes drittes Festelektrolyt-Element aufweist, das auf der anderen Seite des ersten Elements angeordnet ist und mit diesem einen zweiten Spalt oder Zwischenraum zur Aufnahme eines Bezugsgases festlegt, wobei

zwischen den Elektroden des dritten Elements eine zweite elektromotorische Kraft nach Maßgabe der Differenz zwischen der Konzentrationsgröße des bestimmten Gases im Abgas und der Konzentrationsgröße des bestimmten Gases im Bezugsgas erzeugbar ist.

10. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Festelektrolyt-Meßeinheit ein an seinen beiden Seiten mit Elektroden ver-

^O sehenes drittes Festelektrolyt-Element aufweist, das auf der anderen Seite des ersten Elements angeordnet ist und mit diesem einen zweiten Spalt oder Zwischenraum zur Aufnahme eines Bezugsgases festlegt, wobei

zwischen den Elektroden des dritten Elements eine zweite elektromotorische Kraft nach Maßgabe der Differenz zwischen der Konzentrationsgröße des be-

bestimmten Gases im Abgas und der Konzentrationsgröße des bestimmten Gases im Bezugsgas erzeugbar ist.

11. Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsgas atmosphärische Luft ist.

12. Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß das bestimmte Gas Sauerstoff ist.

13. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Überwachung der Konzentration eines bestimmten Gases im Abgas innerhalb einer Abgasleitung einer Verbrennungsvor-

richtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Befestigung des Detektors in der Abgasleitung vorgesehen sind, daß das zweite Element mittels eines wärmebeständigen Isoliermaterials am ersten Element befestigt ist, daß das dritte

Element mittels eines wärmebeständigen Materials luftdicht am ersten Element angebracht ist, daß der zweite Spalt nur am einen der beiden Enden des Detektors offen ist und daß das offene Ende weiter vom Abgasstrom entfernt und von diesem hinweg zur

atmosphärischen Luft hin gerichtet ist.

14. Detektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsgas atmosphärische Luft ist.

15. Detektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Gas Sauerstoff ist.

16. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Überwachung der Konzentration eines bestimmten Gases im Abgas innerhalb einer Abgasleitung einer Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Befestigung des Detektors in der

Abgasleitung vorgesehen sind, daß das zweite Element mittels eines wärmebeständigen Isolierniaterials am ersten Element befestigt ist, daß das dritte Element mittels eines wärmebeständigen Materials luftdicht am ersten Element angebracht ist, daß der zweite Spalt nur am einen der beiden Enden des Detektors offen ist und daß das offene Ende weiter vom Abgasstrom entfernt und von diesem hinweg zur atmosphärischen Luft hin gerichtet ist.