-
BESCHREIBUNG
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung bzw. zum Nachweis
des tatsächlichen oder aktuellen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/ Brennstoff-Gemisches,
das in einer Verbrennungseinrichtung, wie in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine,
verbrannt wird, auf der Grundlage der Größe des Sauerstoffpartialdrucks in dem aus
der Verbrennungseinrichtung austretenden Verbrennungsgas.
-
Bei neueren Automobilen besteht eine der beliebten Methoden zur ausreichenden
Verminderung der Emission von HC (Kohlenwasserstoffen), CO und NOx (Stickstoffoxiden)
darin, einen Dreiwegekatalysator, der sowohl die Reduktion von NOx als auch die
Oxidation von HC und CO katalysiert, und ein elektronisch gesteuertes Brennstoffeinspritzsystem
zu verwenden, mit dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis genau gesteuert werden kann,
um ein spezifisches Luft/Brennstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, bei dem der Dreiwegekatalysator
den höchsten Umwandlungswirkungsgrad aufweist'wobei es in vielen Fällen erwünscht.
-
ist, ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten,
das bei benzingetriebenen Brennkraftmaschinen etwa 14,5 beträgt. Bei dieser Methode
ist es üblich,das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises
zu steuern, wobei eine Sauerstoffsonde verwendet wird, die in dem Auspuffsystem
angeordnet ist und mit der die Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem Auspuffgas
festgestellt wird, die einen Hinweis auf eine entsprechende Anderung des Luft/Brennstoff-
Verhältnisses
eines Luft/Brennstoff-Gemisches, das momentan der Brennkraftmaschine zugeführt wird,
gibt, da es praktischer ist, eine Sauerstoffsonde in dem Auspuffsystem als in dem
Ansaugsystem der Brennkraftmaschine anzuordnen.
-
Die für diesen Zweck verwendeten Sauerstoff sonden sind Sauerstoffsonden
des Typs einer Konzentrationszelle, die eine Schicht aus einem Sauerstoffionen leitenden,
festen Elektrolyten, wie mit Calciumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid, eine poröse
MeB-elektrodenschicht auf einer Seite der festen Elektrolytschicht und eine Vergleichselektrodenschicht
auf der anderen Seite dieser festen Elektrolytschicht umfassen. Diese Sauerstoffsonde
ist derart ausgelegt, daß die Vergleichselektrodenschicht der Luft ausgesetzt wird,
während die Meßelektrodenschicht mit dem Auspuffgas in Kontakt steht, und erzeugt
eine elektromotorische Kraft, deren Größe von der Differenz zwischen dem Vergleichssauerstoffpartialdruck
in der Luft und dem Sauerstoffpartialdruck in dem Auspuffgas abhängt. Wenn sich
das Luft/Brennstoff-Verhältnis einer der Brennkraftmaschine zugeführten Mischung
über das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis hinweg ändert, ergibt sich
eine starke und deutliche Änderung der von der Sonde erzeugten elektromotorischen
Kraft. Demzufolge ist eine Sauerstoffsonde dieser Art für Brennkraftmaschinen geeignet,
die mit stöchiometrischen oder annähernd stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Gemischen
betrieben werden. Aus technischer Sicht ist diese Art von Sauerstoff sonde jedoch
nachteilig, indem sie nur schwer mit hoher Produktivität hergestellt werden kann
und auch nur schlecht miniaturisiert werden kann, da es konstruktiv erfor-
derlich
ist, Luft in die Vergleichselektrodenschicht einzuführen.
-
Eine vorteilhaftere Sauerstoffsonde des Typs der Konzentrationszelle
wird in der US-Patentanmeldung Serial No. 12,763 vom 16. Februar 1979 vorgeschlagen.
-
Diese Vorrichtung umfaßt eine gasdurchlässige, poröse Schicht aus
einem festen Elektrolyten, eine poröse und filmartige Meßelektrodenschicht auf einer
Seite der festen Elektrolytschicht, eine Vergleichselektrodenschicht auf der anderen
Seite und eine Abschirmschicht, die derart ausgebildet ist, daß sie die Vergleichselektrodenschicht
vollständig bedeckt.
-
Die beiden Elektrodenschichten bestehen im allgemeinen aus Platin,
wobei einem wesentlichen Merkmal dieser Vorrichtung zufolge eine Gleichstromversorgung
mit den beiden Elektrodenschichten verbunden ist, die einen elektrischen Strom durch
die feste Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektrodenschichten fließen läßt,
währenddem die Meßelektrodenschicht mit einem Auspuffgas in Kontakt steht. Der Stromfluß
zwischen den beiden Elektrodenschichten verursacht eine Wanderung von Sauerstoffionen
durch die feste Elektrolytschicht und den Ablauf von elektrolytischen Reaktionen
zwischen Sauerstoffionen und Sauerstoffmolekülen an den Oberflächen der entsprechenden
Elektrodenschichten, so daß als Ergebnis davon an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht
und der festen Elektrolytschicht ein Sauerstoffpartialdruck erzeugt wird. Dabei
zeigt die zwischen der Vergleichselektrode und der Meßelektrode dieser Vorrichtung
gemessene elektromotorische Kraft eine scharfe Änderung ihres Wertes, wenn das Luft/
Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches, aus dem das Auspuffgas erzeugt
wird, sich über das
stöchiometrische Verhältnis hinweg ändert.
(Eine genauere Beschreibung der Funktion dieser Vorrichtung wird weiter unten noch
angegeben werden.) Demzufolge ist diese Vorrichtung für Brennkraftmaschinen geeignet,
die mit einem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Gemisch betrieben werden, und ist
dadurch von Vorteil, daß keine äußere Sauerstoffquelle zur Erzeugung eines Vergleichssauerstoffpartialdrucks
notwendig ist und daß die Vorrichtung ausreichend verkleinert und ohne weiteres
hergestellt werden kann.
-
Unterdessen verläuft jedoch die Entwicklung in Richtung auf die sogenannten
magere Gemische verbrennenden Brennkraftmaschinen, mit dem Ziel, einen maximalen
thermischen Wirkungsgrad zu erreichen. Die sogenannten fetten Gemische verbrennenden
Brennkraftmaschinen haben wegen der Möglichkeit eines sehr hohen mechanischen Wirkungsgrades
Interesse gefunden und wurden in der Praxis auch dann angewandt, wenn eine Auspuffgasrückführung
dazu verwendet wird, die NOx-Emission zu vermindern. Demzufolge besteht ein Bediirfnis
für Sauerstoffsonden, die in Auspuffgasen verwendet werden können und die nicht
nur ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis feststellen, sondern auch Luft/Brennstoff-Verhältnisse
messen können, die entweder oberhalb oder unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses
liegen.
-
Nach der Lehre der US-Patentanmeldung Serial No.
-
28,747 vom 10. April 1979 ist es möglich, unter Anwendung der oben
beschriebenen Vorrichtung der US-Patentanmeldung Serial o. 12,763 die Werte der
Luft/Brennstoff-Verhältnisse von einer Brennkraftmaschine zugeführten entweder mageren
Mischung oder fetten Mischung zu bestimmen, indem man die Stromstärke
des
durch die feste Elektrolytschicht geführten elektrischen Stromes entsprechend steuert.
Wenn man den Strom von der Meßelektrodenschicht zu der Vergleichselektrodenschicht
der Vorrichtung fließen läßt und die Stromstärke unterhalb eines bestimmten kritischen
Wertes hält, bleibt die Ausgangsspannung der in dem Auspuffgas angeordneten Vorrichtung
vernachlässigbar niedrig, wenn der Brennkraftmaschine eine fette Mischung zugeführt
wird, steigt jedoch abrupt auf einen Maximalwert an, wenn das Luft/ Brennstoff-Verhältnis
das stöchiometrische Verhältnis erreicht, und nimmt nach und nach ab, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
einer der Brennkraftmaschine zugeführten mageren Mischung nach und nach fetter wird.
Demzufolge ist es möglich, das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis und höhere
Luft/Brennstoff-Verhältnisse unter Verwendung der Vorrichtung in dieser Weise zu
messen. Wenn ein Strom einer unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegenden
Stromstärke in umgekehrter Richtung fließt, bleibt die Ausgangs spannung der Vorrichtung
vernachlässigbar niedrig, wenn der Brennkraftmaschine eine magere Mischung zugeführt
wird, steigt jedoch bei Erreichen des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses
auf einen Maximalwert an und zeigt bei Versorgung der Brennkraftmaschine mit einer
fetten Mischung einen allmählich abnehmenden Wert, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
kleiner wird als das stöchiometrische Verhältnis. In diesem Fall können somit mit
Hilfe dieser Vorrichtung das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis und darunterliegende
Luft/Brennstoff-Verhältnisse gemessen werden.
-
Die Methode zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses gemäß
der US-Patentanmeldung Serial No.
-
28,747 ist jedoch nachteilig dadurch, daß der Wert der Ausgangsspannung,
der einem bestimmten Luft/ Brennstoff-Verhältnis einer mageren Mischung (oder einer
fetten Mischung) entspricht,auch dann auftritt, wenn die Ausgangsspannung einer
scharfen Veränderung bei Erreichen des stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Verhältnisses
unterliegt. Demzufolge machen die geschlossenen Regelkreise zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
auf der Grundlage dieser Methode es erforderlich, bestimmte Einrichtungen vorzusehen,
mit denen entweder festgestellt wird, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung
das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis oder ein höheres (oder niedrigeres)
Luft/Brennstoff-Verhältnis anzeigt oder mit denen nur jene Ausgangsspannungswerte
herausgegriffen werden, die in dem geneigten Abschnitt der (Luft/Brennstoff-Verhältnis)
/ (Ausgangsspannung)-Kennlinie liegen. Natürlich führt die Notwendigkeit für solche
Einrichtungen zu einer unerwünschten Komplizierung des Steuersystems.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung
anzugeben, mit der die tatsächlichen Werte des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines
Luft/Brennstoff-Gemisches, das in einer Verbrennungseinrichtung, wie einer Automobil-Brennkraftmaschine,
verbrannt wird, auf der Grundlage der Größe des Sauerstoffpartialdrucks in dem aus
der Verbrennungseinrichtung austretenden Verbrennungsgas gemessen werden können,
welche Vorrichtung einfach aufgebaut sein soll, mit kleinen Abmessungen hergestellt
werden kann und dazu in der Lage ist, genau und definiert entweder Luft/Brennstoff-Verhältnisse
oberhalb eines stöchiometrischen Luft/Brennstoff-
Verhältnisses
oder Luft/Brennstoff-Verhältnisse unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses
anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird nun durch die Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen gemäß Hauptanspruch gelöst.
-
Gegenstand der Erfindung ist daher die Vorrichtung gemäß Hauptanspruch.
Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
umfaßt eine Sauerstoffsonde oder einen Sauerstoffsensor bzw. ein Sauerstoffsensorelement,
die bzw. der bzw. das in einem Verbrennungsgas angeordnet werden kann. Diese Sauerstoffsonde
umfaßt eine Schicht aus einem Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten mit
einer dichten und gasundurchlässigen Struktur bzw. einem dichten und gasundurchlässigen
Gefüge, eine gasdurchlässige, poröse erste Elektrodenschicht, die auf der festen
Elektrolytschicht bzw. der Schicht aus dem festen Elektrolyten ausgebildet ist und
aus einem leitenden und katalytischen Material besteht, das die Oxidationsreaktionen
von in dem Verbrennungsgas enthaltenen brennbaren Substanzen katalysiert, eine poröse
Gasdiffusionsschicht, die auf der ersten Elekrodenschicht. ausgebildet ist, und
eine gasdurchlässige, poröse zweite Elektrodenschicht, die auf der festen Elektrolytschicht
bzw. aus der Schicht aus dem festen Elektrolyten ausgebildet ist und im Abstand
von der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist und aus einem leitenden Material
besteht, das
die obengenannten Oxidationsreaktionen nicht katalysiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
umfaßt ferner eine konstanten Strom abgebende Gleichstromversorgung, die elektrisch
mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht der Sauerstoffsonde
verbunden ist und die einen konstanten Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht
zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht verursacht,
währenddem die Sauerstoffsonde in dem Verbrennungsgas angeordnet ist. Die Stromstärke
und die Flußrichtung des Gleichstroms sind derart eingestellt, daß die zwischen
der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht erzeugte Ausgangs
spannung sich in Abhängigkeit von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/ Brennstoff-Gemisches,
aus dem das Verbrennungsgas erzeugt wird, ändert, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
sich auf einer Seite des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses verändert,
jedoch im wesentlichen konstant bei einem Maximalwert bleibt, wenn sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis
auf der anderen Seite des stöchiometrischen Verhältnisses verändert.
-
Als katalytisches Material zur Ausbildung der ersten Elektrodenschicht
verwendet man vorzugsweise Platin.
-
Zum Nachweis von Luft/Brennstoff-Verhältnissen oberhalb des stöchiometrischen
Verhältnisses läßt man den Gleichstrom von der zweiten Elektrodenschicht zu der
ersten Elektrodenschicht fließen. In diesem Fall bleibt die Ausgangsspannung bei
einem Maximalwert, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis bei oder unter-
halb
des stöchiometrischen Verhältnisses liegt,so daß ein Ausgangsspannungswert, der
unterhalb des Maximalwertes liegt, ausschließlich einen definierten Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses angibt. Zum Nachweis von Luft/Brennstoff-Verhältnissen
unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses läßt man den Gleichstrom von der ersten
Elektrodenschicht zur zweiten Elektrodenschicht fließen. In diesem Fall bleibt die
Ausgangsspannung bei einem Maximalwert dann, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
bei dem oder oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, so daß ein Ausgangsspannungswert
unterhalb des Maximalwertes ausschließlich einen definierten Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses
unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses anzeigt.
-
Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl für magere Gemische
verbrennende Brennkraftmaschinen als auch für fette Gemische verbrennende Brennkraftmaschinen
als ein Element eines Steuersystems für das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit geschlossenem
Regelkreis geeignet, das nicht die komplizierten Zusatzeinrichtungen der herkömmlichen
Vorrichtungen notwendig macht. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung konstruktiv
einfach aufgebaut und kann mit hoher Produktivität und in sehr geringer Größe hergestellt
werden.
-
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische
Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 2A bis 2E schematische Darstellungen, die
die Herstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verdeutlichen; Fig. 3A bis 3C schematische
Darstellungen, die eine modifizierte Methode der Herstellung gemäß den Fig. 2A bis
2E wiedergeben; Fig. 4 und 5 graphische Darstellungen, die zwei unterschiedliche
Arten von Ausgangskennlinien wiedergeben, die die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung
in dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine zeigen kann; Fig. 6 eine schematische
Schnittdarstellung des grundlegenden Aufbaus einer herkömmlichen Vorrichtung zur
Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 7 eine graphische Darstellung
zur Verdeutlichung der Ausgangskennlinie der in dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine
angeordneten Vorrichtung, wie sie in der Fig. 6 dargestellt ist; Fig. 8 eine schematische
Schnittdarstellung der Sauerstoff sonde einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses; Fig. 9A bis 9F schematische
Darstellungen,die die Methode der Herstellung der in der Fig. 8 dargestellten Vorrichtung
verdeutlichen; Fig. 10 eine schematische Schnittdarstellung der Sauerstoffsonde
einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, die eine Modifizierung der in
der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform darstellt; und Fig. 11 eine Draufsicht
auf die in der Fig. 10 dargestellte Vorrichtung.
-
In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses dargestellt. Im wesentlichen umfaßt
diese Vorrichtung eine Kombination aus einer Sauerstoffsonde 10 und einer Gleichstromversorgung
24 des Typs, der einen konstanten Strom abgibt. Die Sauerstoffsonde 10 bzw. das
Sauerstoffsensorelement 10 umfaßt eine Schicht 12 aus einem Sauerstoffionen leitenden,
festen Elektrolyten in Form einer starren Platte, die ausreichend dick ist, um als
tragendes Element der Sone 10 zu dienen.
-
Diese feste Elektrolytschicht 12 besitzt eine dichte und gasdichte
Struktur, so daß Sauerstoffmoleküle nicht durch sie hindurchzudringen vermögen,wenngleich
Sauerstoffionen durch diese Schicht 12 wandern können. Auf einer Seite der Platte
12 aus dem festen Elektrolyten ist eine dünne, filmartige Vergleichselektrodenschicht
14 aus Platin ausgebildet, während auf der anderen Seite der Platte 12 eine dünne,
filmartige Meßelektrodenschicht 16 aus einem nicht-katalytischen Material vorliegt.
Diese beiden Elektrodenschichten 14 und 16 besitzen jeweils eine mikroskopisch poröse
und gasdurchlässige Struktur.
-
Die Vergleichselektrodenschicht 14 ist im wesentlichen vollständig
mit einer porösen und ausreichend dicken Gasdiffusionsschicht 18 aus einem wärmebeständigen
Material bedeckt, während die Meßelektro-
denschicht 16 im wesentlichen
vollständig mit einer porösen Schutzschicht 20 aus einem wärmebeständIgen Material
bedeckt ist. Die Bezugsziffern 22 und 23 stehen für Leitungsanschlüsse bzw. Leitungsanschlußklemmen,
die mit der Vergleichselektrodenschicht 14 bzw. der Meßelektrodenschicht 16 verbunden
sind.
-
Die Gleichstromversorgung 24 ist eine Stromversorgung des Typs, die
einen konstanten Strom abgibt und ist mit den Leitungen 22 und 23 der Sauerstoff
sonde 10 verbunden, um während der Benutzung der Vorrichtung einen Gleichstrom vorbestimmter
Stromstärke in einer vorbestimmten Richtung (im dargestellten Fall von der Meßelektrodenschicht
16 zu der Vergleichselektrodenschicht 14) durch die feste Elektrolytschicht 12 zwischen
den beiden Elektrodenschichten 14 und 16 fließen zu lassen. In der Praxis umfaßt
die in der Fig. 1 dargestellte Stromversorguiigsschaltung einen in der Zeichnung
nicht dargestellten Schalter.
-
Wenn die Sauerstoffsonde 10 dieser Vorrichtung in einem Verbrennungsgas,
beispielsweise dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine, angeordnet wird, repräsentiert
die zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol der Gleichstromversorgung 24
gemessene Ausgangsspannung VO die elektromotorische Kraft, die durch die Sauerstoffkonzentrationszelle
der Sonde 10 erzeugt wird und die von dem Wert der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck
an der Vergleichselektrodenschicht 14 und dem anderen Sauerstoffpartialdruck an
der Meßelektrodenschicht 16 abhängt.
-
Das Material, aus dem die feste Elektrolytschicht 12 besteht, ist
aus den Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolytmaterialien ausgewählt, die als
für herkömmliche Sauerstoffsonden des Konzentrationszellen-
typs
geeignet bekannt sind. Einige Beispiele hierfür sind mit Y203, CaO oder MgO stabilisiertes
ZrO2; mit Y203 oder Nb205 stabilisiertes Bi2O3; das ThO2 -Y2O3-System und das CaO-Y203-System.
Die Schicht 12 aus dem festen Elektrolyten kann beispielsweise durch Sintern eines
durch Pressen geformten Pulvermaterials oder durch Sintern eines sogenannten ungebrannten
Blattes, das man durch Formen oder Strangpressen einer feuchten Masse, die als Hauptbestandteil
den pulverförmigen festen Elektrolyten enthält, gebildet hat, erhalten werden.
-
Als Material zur Ausbildung der Vergleichselektrodenschicht 14, das
eine katalytische Wirkung auf die Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid ausüben muß, verwendet man vorzugsweise Platin, wenngleich man auch
andere Metalle der Platingruppe und verschiedene Legierungen auf der Grundlage von
Metallen der Platingruppe verwenden kann.
-
Das Material zur Ausbildung der Meßelektrodenschicht 16 muß keine
katalytische Aktivität im Hinblick auf die Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen,
Kohlenmonoxid etc. besitzen. Beispielse für hierfür geeignete leitende Materialien
sind bestimmte Metalle, wie Gold und Silber; Siliciumcarbid (SiC); Elektronen leitende
Metalloxide, wie SnO2, V205 und PbO, die mit Al203 oder dergleichen vermischt sein
können; und Oxid-Halbleiter mit Perovskit-Struktur, wie LaCrO3, LaNiO3 bzw. SmCoO3,
die mit Ca, Zr, Mg und/oder Sr versetzt sind.
-
Die Elektrodenschichten 14 und 16 können auf der festen Elektrolytschicht
12 ausgebildet werden, indem man sie entweder mit Hilfe einer physikalischen
Abscheidungsmethode,
wie durch Aufspritzen oder durch Aufdampfen im Vakuum, aufbringt oder indem man
eine leitende Paste (die ein in einem organischen Medium dispergiertes pulverförmiges
Elektrodenmaterial enthält) aufdruckt und anschließend die auf die feste Elektrolytschicht
12 aufgetragene Paste einbrennt.
-
Zur Erzeugung der porösen Gasdiffusionsschicht 18 und der porösen
Schutzschicht 20 kann man ein wärmebeständiges und elektrisch nichtleitendes Material
verwenden, wie Aluminiumoxid, Spinell, Magnesiumoxid oder Calciumzirkonat (ZrO2-CaO).
Man kann diese porösen Schichten 18 und 20 beispielsweise durch Plasmabespritzen
oder durch Aufdrucken einer Paste und anschließendes Brennen erzeugen.
-
Im folgenden sei das Verfahren zur Herstellung der in der Fig. 1 dargestellten
Sauerstoffsonde 10 unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2E erläutert. Zunächst wird
eine Paste, die feine Teilchen aus Gold und Siliciumcarbid (SiC) enthält, auf einer
Seite einer grünen oder ungebrannten Platte 12A aus ZrO2, das Y203 als Stabilisierungskomponente
enthält, mit Hilfe einer Siebdrucktechnik aufgetragen, unter Bildung einer dünnen
Schicht 16A aus der leitenden Paste, wie es in der Fig. 2A dargestellt ist. Nach
dem Trocknen der Schicht 16A aus der aufgedruckten Paste während etwa 1 Stunde bei
1500C trägt man mit Hilfe der Siebdrucktechnik auf die gleiche Seite der Zirkondioxidplatte
eine Paste, die 30 bis 40 ßm-Al203-Teilchen enthält, derart auf, daß sie die Schicht
16A aus der leitenden Paste praktisch vollständig bedeckt,wie es die in der Fig.
2B dargestellte Schicht 20A erkennen läßt, die lediglich einen Randbereich zur Befestigung
eines Leitungsanschlusses freiläßt. Die aufgetragene
Schicht 20A
aus der Aluminiumoxid enthaltenden Paste wird dann während etwa 1 Stunde bei etwa
1500C getrocknet. Anschließend wird auf der anderen Seite der Platte 12A durch Siebdruck
eine dünne Pastenschicht 14A aufgetragen, wie es in der Fig. 2C dargestellt ist,
die dann während etwa 1 Stunde bei etwa 1500C getrocknet wird. Dann wird, wie es
in der Fig. 2D dargestellt ist, auf der gleichen Seite der Platte 12A eine Schicht
18A aus einer etwa 0,5 ßm-Teilchen aus Al203 (oder ZrO2-CaO) enthaltenden Paste
derart aufgedruckt, daß sie die Schicht 14A aus der Platinpaste praktisch vollständig
bedeckt, und nur einen Randbereich zur Befestigung eines Leitungsanschlusses freiläßt.
Damit die gebildete Aluminiumoxidschicht 18A eine Dicke von etwa 20 ßm aufweist,
wird die Aluminiumoxidpaste mehrfach durch Siebdruck aufgebracht, wobei man jeweils
das Material während etwa 1 Stunde bei etwa 1500C trocknet. Anschließend wird die
mit den Pasten beschichtete Platte 12A in dem Zustand, wie sie in der Fig. 2D dargestellt
ist, an der Luft bei einer Temperatur von 14500C gebrannt, um ein Sintern der Platte
12A und der vier darauf auf getragenen Schichten 14A, 16A, 18A und 20A zu bewirken.
-
Hierdurch erhält man, wie es in der Fig. 2E dargestellt ist, aus der
ungebrannten Platte 12A eine starre Platte 12 aus ZrO2 -Y2O3 mit einer dichten gasundurchlässigen
Struktur, während die beiden inneren Schichten 16A bzw. 14A in die gasdurchlässige
poröse Meßelektrodenschicht 16 bzw. Vergleichselektrodenschicht 14 und die äußeren
Schichten 18A bzw. 20A in die ausreichend poröse Gasdiffusionsschicht 18 bzw. Schutzschicht
20 umgewandelt werden. Schließlich werden Platindrähte 22 und 23, die als Anschlußleitungen
dienen, durch Parallelfugenschweißen (oder
durch Widerstandsschweißen)
an den Meßelektrodenschichten 14 bzw. 16 befestigt. Alternativ kann man die Platindrähte
22 und 23 provisorisch unter Verwendung einer Platinpaste als Klebstoff an den ungebrannten
leitenden Schichten 14A bzw. 16A in dem in der Fig. 2D dargestellten Zustand befestigen
und eine feste Bindung durch Sintern dieses Klebstoffs während des oben angesprochenen
Brennvorgangs der in der Fig. 2D dargestellten Sonde erzeugen.
-
Die Fig. 3A bis 3C verdeutlichen eine Modifizierung des oben beschriebenen
Herstellungsverfahrens. In diesem Fall beginnt das Verfahren mit der Verwendung
einer bereits gesinterten Platte 12 aus einem festen Elektrolyten. Wie in der Fig.
3A dargestellt ist, werden die poröse Vergleichselektrodenschicht 14 aus Platin
und die poröse Meßelektrodenschicht 16 aus einem nicht-katalytischen Elektrodenmaterial
auf der Vorderseite bzw. der Rückseite der festen Elektrolytplatte 12 entweder durch
Aufspritzen oder durch Vakuumaufdampfen aufgebracht. Alternativ kann man diese Elektrodenschichten
14 und 16 jeweils durch Aufdrucken einer geeigneten leitenden Paste auf die Platte
12, Trocknen der aufgedruckten Pastenschicht und Einbrennen des beschichteten Substrats
12 bei 900 bis 10000C erzeugen. Dann werden die Leitungsanschlüsse 22 und 23 an
die beiden Elektrodenschichten 14 und 16 angeschweißt, wie es in der Fig. 3B dargestellt
ist. Anschließend bildet man die Gasdiffusionsschicht 18 auf der Vergleichselektrodenschicht
14 und die Schutzschicht 20 auf der Meßelektrodenschicht 16 durch Plasmaspritzen,
wie es in der Fig. 3C dargestellt ist.
-
Die Ausgangskennlinie der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,
deren Sauerstoffsonde 10 in dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,
und genauer die Beziehung zwischen der oben angesprochenen Ausgangs spannung V und
dem Luft/Brennstoff-Verhältnis 0 eines Luft/Brennstoff-Gemisches, aus dem das Auspuffgas
erzeugt worden ist, wird im folgenden zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert.
-
Die Ausgangskennlinie dieser Vorrichtung wird überwiegend durch die
Richtung des elektrischen Stroms, der zwischen der Vergleichselektrodenschicht 14
und der Meßelektrodenschicht 16 fließt, bestimmt. Zunächst sei die Situation erläutert,
bei der der Strom von der Meßelektrodenschicht 16 durch die feste Elektrolytschicht
12 zu der Vergleichselektrodenschicht 14 fließt.
-
In dem Auspuffgas liegt der Sauerstoffpartialdruck in einem Bereich
von 10 2 bis 10 3 atm, unabhängig davon, ob die Brennkraftmaschine nun mit einer
fetten (brennstoffreichen) Mischung oder einer mageren Mischung betrieben wird.
Das Auspuffgas enthält bestimmte Mengen von brennbaren gasförmigen Substanzen, wie
Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), wobei die Gesamtmenge dieser Substanzen
einen plötzlichen und beträchtlichen Abfall erleidet, wenn das Luft/ Brennstoff-Verhältnis
der der Brennkraftmaschine zugeführten Mischung sich über das stöchiometrische Luft/
Brennstoff-Verhältnis (das bei mit Benzin betriebenen Brennkraftmaschinen etwa 14,5
beträgt) hinweg zunimmt, das heißt wenn der Luftüberschußfaktor k einen Wert von
mehr als 1,0 annimmt, zeigt jedoch eine schnelle und beträchtliche Zunahme,wenn
das Luft/Brennstoff-
Verhältnis über das stöchiometrische Verhältnis
hinweg absinkt.
-
Wenn die Brennkraftmaschine mit einer fetten Mischung betrieben wird,
diffundieren relativ große Mengen der in dem Auspuffgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe
(HC) und von Kohlenmonoxid (CO) durch die mikroskopischen Löcher in der porösen
Gasdiffusionsschicht 18 der Sauerstoffsonde 10, erreichen die Vergleichselektrodenschicht
14 und unterliegen unter dem Einfluß der katalytischen Aktivitäten dieser Elektrodenschicht
14 Oxidationsreaktionen. Hierdurch wird ein erheblicher Anteil des in dem Auspuffgas
an der Oberfläche der Vergleichselektrodenschicht 14 vorhandenen Sauerstoffs verbraucht.
Demzufolge nimmt der Sauerstoffpartialdruck Po(I) an der Grenzfläche zwischen der
Vergleichselektrodenschicht 14 und der festen Elektrolytschicht 12 einen sehr niedrigen
Wert von beispielsweise 10-15 bis 10-30 atm an.
-
Das Auspuffgas erreicht die Meßelektrodenschicht 16 ebenfalls über
die poröse Schutzschicht 20. Da die Meßelektrodenschicht 16 die Oxidation von Kohlenwasserstoffen
(HC) und von Kohlenmonoxid (CO) nicht katalysiert, unterscheidet sich der Sauerstoffpartialdruck
Po(II) an der Grenzfläche zwischen dieser Elektrodenschicht 16 und der festen Elektrolytschicht
12 nicht von dem Sauerstoffpartialdruck in dem umgebenden Auspuffgas, das heißt
daß der Sauerstoffpartialdruck Po(II) einen Wert von 10-2 bis 10-3 atm aufweist.
Somit ergibt sich ein großer Unterschied zwischen den Sauerstoffpartialdrücken Po(I)
und Po(II). Der Wert dieser Differenz wird noch größer wegen der Wanderung von Sauerstoffionen
durch die
feste Elektrolytschicht 12 von der Vergleichselektrodenschicht
14 zu der Meßelektrodenschicht 16, das heißt umgekehrt zu der Fließrichtung des
Stroms in der festen Elektrolytschicht 12, so daß sich eine weitere Abnahme der
Sauerstoffpartialdrucks an der Vergleichselektrodenschicht 14 und ein weiterer Anstieg
des Sauerstoffpartialdrucks an der Meßelektrodenschicht 16 ergibt. Demzufolge bleibt,
wenn die Brennkraftmaschine mit einer fetten Mischung betrieben wird, die Ausgangsspannung
V in der in der Fig.1 0 dargestellten Vorrichtung bei einem konstanten und maximal
hohen Wert, der unabhängig von dem Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der fetten
Mischung durch die folgende Gleichung gegeben ist: V = RT ln Po(II) 0 4F Po(II)
in der R für die Gaskonstante, F für die Faraday-Konstante und T für die absolute
Temperatur stehen.
-
In der Praxis entspricht dieser konstante Wert von VO etwa 1 Volt.
-
Wenn die Brennkraftmaschine mit einer mageren Mischung betrieben wird,
enthält das Auspuffgas sehr stark verminderte Mengen an brennbaren Substanzen, wie
Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO). Selbst unter solchen Bedingungen
bleibt der Wert des Sauerstoffpartialdrucks Po(II) an der nicht-katalytischen Meßelektrodenschicht
16 in einem Bereich von 10 2 bis 10 atm. Jedoch nimmt der Sauerstoffpartialdruck
Po(II) an der Vergleichselektrodenschicht 14 mit ansteigendem Luft/Brennstoff-Verhältnis
der mageren Mischung aus folgenden Gründen allmählich zu und nähert sich nach und
nach dem Wert von Polig. Wegen
des schnellen und starken Abfalls
des Gehalts an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in dem Auspuffgas,
wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis das stöchiometrische Verhältnis überschreitet,
erlangt der Verbrauch von Sauerstoff durch Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen
(HC) und Kohlenmonoxid (CO) an der Oberfläche der Vergleichselektrodenschicht 14
geringe Bedeutung, so daß der Sauerstoffverbrauch an dieser Elektrodenschicht 14
durch die Bildung von Sauerstoffionen, die durch die feste Elektrolytschicht 14
zu der Meßelektrodenschicht 16 wandern, merklich wird. Die mikroskopischen Löcher
in der porösen Gasdiffusionsschicht 18 sind in ihrem Durchmesser und ihrer effektiven
Länge nicht gleichmäßig. Mit anderen Worten sind Gruppen von Löchern, die relativ
große Durchmesser aufweisen und Sauerstoffgas leicht hindurchdif fundieren lassen
und andere Gruppen von Löchern mit relativ niedrigem Durchmesser, durch die der
gasförmige Sauerstoff nur schwer diffundieren kann, ziemlich statistisch verteilt.
Da der Verbrauch des Sauerstoffs durch Bildung von Sauerstoffionen an der Vergleichselektrodenschicht
14 konstant ist, führt die Diffusion von gasförmigem Sauerstoff durch diese beiden
Gruppen von mikroskopischen Löchern in der Gasdiffusionsschicht 18 mit beträchtlich
unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten dazu, daß relativ hohe Sauerstoffpartialdrücke
in gewissen Bereichen der Vergleichselektrodenschicht 14 und relativ niedrige Sauerstoffpartialdrücke
in den restlichen Bereichen dieser Elektrodenschicht 14 verursacht werden. Demzufolge
entspricht der Durchschnittswert dieser verschiedenen Sauerstoffpartialdrücke makroskopisch
betrachtet den Wert des Sauerstoffpartialdrucks Po(I) an der
Vergleichselektrodenschicht
14, wenngleich man davon ausgehen kann, daß die Sauerstoffsond 10 unter diesen Bedingungen
eine Anordnung von einer immens großen Anzahl von mikroskopischen Konzentrationszellen
darstellt, die jeweils einem mikroskopischen Loch in der Gasdiffusionsschicht 18
entsprechen. Die Ausgangsspannung V der Vorrichtung kann als Mittelwert 0 der elektromotorischen
Kräfte betrachtet werden, die durch die mikroskopischen Konzentrationszellen erzeugt
werden. Das Verhältnis der Bereiche der Vergleichselektrodenschicht 14 mit relativ
niedrigem Sauerstoffpartialdruck zu den Bereichen mit relativ hohem Sauerstoffpartialdruck,
das heißt das Verhältnis der mikroskopischen Zellen, die relativ hohe elektromotorische
Kräfte erzeugen, zu den mikroskopischen Zellen, die relativ niedrige elektromotorische
Kräfte erzeugen, nimmt in dem Maße ab, in dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis der
mageren Mischung ansteigt. Demzufolge sinkt die Ausgangsspannung Vg der Vorrichtung
mit zunehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis nach und nach ab. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
einen bestimmten Wert übersteigt, nimmt der Sauerstoffpartialdruck Po(I) an der
Vergleichselektrodenschicht 14 den gleichen Wert an wie der Sauerstoffpartialdruck
Po(II) an der Meßelektrodenschicht 16, so daß die Sauerstoff sonde 10 keine merkliche
elektromotorische Kraft erzeugt.
-
Somit zeigt die Ausgangs spannung VO dieser Vorrichtung eine lineare
Änderung in Abhängigkeit von Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der mageren
Mischung innerhalb eines für die Praxis geeigneten Bereiches, während sie in Auspuffgasen,
die aus einer fetten Mischung erzeugt worden sind, konstant
bei
einem Sättigungswert bleibt. Demzufolge zeigt ein Ausgangsspannungswert V01 unterhalb
des Sättigungswertes lediglich einen definierten Wert 1 des Luft/ Brennstoff-Verhältnisses
an.
-
Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, sollte die Stromstärke
des konstanten Stroms, der zwischen den beiden Elektrodenschichten 14 und 16 fließt,
entsprechend eingestellt werden. Wenn die Stromstärke zu gering ist, ist die Anwendung
des Stromes wirkungslos.
-
Wenn die Stromstärke zu hoch ist, ergibt sich ein zu hoher Verbrauch
des Sauerstoffs an der Vergleichselektrodenschicht 14 in Form von Sauerstoffionen
im Vergleich zu der Menge des gasförmigen Sauerstoffs, der durch die Gasdiffusionsschicht
18 diffundiert, was zur Folge hat,daß der Sauerstoffpartialdruck Po(I) an der Vergleichselektrodenschicht
14 einen geringen Anstieg zeigt, was bedeutet, daß die Ausgangsspannung V annähernd
konstant bleibt, selbst wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis der mageren Mischung
ansteigt. Es besteht eine kritische Stromstärke, oberhalb der der Wert der Ausgangs
spannung V der Vorrichtung im wesent-0 lichen konstant wird unabhängig von Änderungen
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der mageren Mischung,so daß es demzufolge erforderlich
ist, die Gleichstromversorgung 24 derart einzustellen, daß sie einen konstanten
Strom mit einer Stromstärke unterhalb des kritischen Stromstärke erzeugt. Im allgemeinen
liegt die kritische Stromstärke im Bereich von etwa 3 iia bis etwa 20 Fa. Der Anstieg
der Ausgangskennlinienkurve der Fig. 4 kann durch die Auswahl der Stromstärke des
zwischen den beiden Elektroden 14 und 16 fließenden Stromes variiert werden.
-
Wenn man die Polarität der Verbindung der Gleichstromversorgung 24
mit der Vergleichselektrodenschicht 14 und der Meßelektrodenschicht 16 umkehrt,
um einen konstanten Strom von der Vergleichselektrodenschicht 14 zu der Meßelektrodenschicht
16 fließen zu lassen, zeigt die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung die Ausgangskennlinie,
wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Fall bleibt die Ausgangsspannung
V 0 konstant bei einem Maximalwert,wenn die Brennkraftmaschine mit einer mageren
Mischung betrieben wird; wenn jedoch eine fette Mischung verwendet wird, sinkt die
Ausgangs spannung VO nach und nach mit abnehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis ab.
Der Grund hierfür ergibt sich aus der oben angegebenen Erläuterung im Hinblick auf
die Fig. 4. Demzufolge zeigt ein Wert der Ausgangs spannung V02 unterhalb des Maximalwertes
lediglich einen definierten Wert S2 für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis unterhalb
des stöchiometrischen Wertes an.
-
Somit kann die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung sowohl für mit
mageren Gemischen betriebene Brennkraftmaschinen als auch für mit fetten Gemischen
betriebene Brennkraftmaschinen verwendet werden, indem lediglich die Polarität der
Verbindung der Gleichstromversorgung 24 mit der Sauerstoffsonde 10 entsprechend
ausgewählt wird. In beiden Fällen ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine Vereinfachung des geschlossenen Regelkreis systems zur Steuerung
des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, da der Wert der Ausgangs spannung dieser Vorrichtung
lediglich einem definierten Wert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses entspricht.
-
Zu Vergleichszwecken sei im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig.
6 und 7 die Funktion einer Luft/ Brennstoff-Meßvorrichtung erläutert, die in den
oben angegebenen beiden US-Patentanmeldungen beschrieben sind.
-
Die Sauerstoff sonde 30 dieser Vorrichtung besteht aus einer mikroskopisch
porösen und gasdurchlässigen Schicht 32 aus einem Sauerstoffionen leitenden festen
Elektrolyten, einer Abschirmschicht 38, einer dünnen Vergleichselektrodenschicht
34 zwischen der festen Elektrolytschicht 32 und der Abschirmschicht 38 und einer
gasdurchlässigen porösen Meßelektrodenschicht 36, die auf der äußeren Seite der
festen Elektrolytschicht 32 ausgebildet ist. Eine Gleichstromversorgung 24 ist mit
den beiden Elektrodenschichten 34 und 36 der Sonde 30 verbunden, um einen konstanten
Strom durch die feste Elektrolytschicht 32 zwischen den beiden Elektrodenschichten
34 und 36 fließen zu lassen. Die folgende Erläuterung basiert auf der Annahme, daß
der Strom von der Meßelektrodenschicht 36 zu der Vergleichselektrodenschicht 34
fließt, wie es durch den Pfeil I dargestellt ist. Im allgemeinen bestehen sowohl
die Vergleichselektrodenschicht 34 als auch die Meßelektrodenschicht 36 aus Platin,
welches die Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid
(CO) katalysiert.
-
Nach der Lehre der US-Patentanmeldung Serial No.
-
12,763 fließt ein relativ starker Strom zwischen den beiden Elektrodenschichten
34 und 36. Wenn die Sonde 30 in dem Auspuffgas einer Brennkraftmaschine angeordnet
wird, diffundiert das Auspuffgas durch die porösen Schichten 36 und 32 zu der Vergleichselektroden-
schicht
34. Wegen des Stromflusses von der Meßelektrode 36 zu der Vergleichselektrode 34
wird ein Teil des Sauerstoffs, der in dem Auspuffgas enthalten ist, das bis zu der
Vergleichselektrodenschicht 34 diffundiert ist, zur Bildung von Sauerstoffionen
verbraucht, die durch die feste Elektrolytschicht 32 zu der Meßelektrodenschicht
36 wandern. Demzufolge erniedrigt sich der Sauerstoffpartialdruck an der Oberfläche
dieser Elektrodenschicht 34 etwas im Vergleich zu dem Sauerstoffpartialdruck an
der Meßelektrodenschicht 36, das heißt dem Sauerstoffpartialdruck von 10 bis 10
3 atm in dem Ausplffgas. Weiterhin unterliegen Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid
(CO), die in dem Auspuffgas enthalten und zu der Vergleichselektrodenschicht 34
diffundiert sind, als Folge der katalytischen Wirkung dieser Platinelektrodenschicht
34 Oxidationsreaktionen, wodurch ein weiterer Verbrauch von Sauerstoff an dieser
Elektrodenschicht 34 auftritt.
-
Wenn die Brennkraftmaschine mit einer fetten Mischung betrieben wird,
ist der Verbrauch des Sauerstoffs durch die Oxidationsreaktionen wegen der Anwesenheit
von großen Mengen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in dem Abgas
signifikant, so daß der Sauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenschicht
34 auf einen Wert von 10-15 bis 10-30 atm absinkt. Wenn die Brennkraftmaschine mit
einer mageren Mischung betrieben wird, nimmt der Sauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenschicht
34 wegen der wesentlich verminderten Mengen an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid
(CO) in dem Auspuffgas wegen des wesentlich geringeren Verbrauchs des Sauerstoffs
für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu und nähert sich dem
Sauerstoffpartialdruck in dem umgebenden Auspuffgas. Somit wird die Differenz
zwischen
dem Sauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenschicht 34 und dem Sauerstoffpartialdruck
an der Meßelektrodenschicht 36 im Fall der Verwendung einer fetten Mischung groß
und im Fall der Verwendung einer mageren Mischung sehr klein. Der Wert der elektromotorischen
Kraft,die die Sonde 30 erzeugt, hängt nun von dem Wert der Differenz zwischen den
Sauerstoffpartialdrücken an den beiden Elektrodenschichten 34 und 36 ab, so daß
sich eine abrupte Änderung von einem maximal großen Wert zu einem vernachlässigbar
kleinen Wert oder umgekehrt ergibt, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis sich über
das stöchiometrische Verhältnis hinweg ändert. Eine solche Änderung des Wertes der
elektromotorischen Kraft kann als Änderung der Ausgangs spannung V der Gleichstrom-0
versorgung 24 gemessen werden, die der festen Elektrolytschicht 32 zwischen den
beiden Elektrodenschichten 34 und 36 einen konstanten Storm zuführt. Die Ausgangsspannung
V der Gleichstromversorgungsquelle 24 0 wird derart verändert, daß die Stromstärke
I unabhängig vcn Änderungen der elektromotorischen Kraft E konstant bleibt, so daß
die folgenden Gleichungen gelten: I = (V - E)/R = konstant, somit gilt: VO = E +
IR o e o e worin R für den Widerstand der festen Elektrolyte schicht 32 zwischen
dsn beiden Elektrodenschichten 34 und 36 steht. Somit besteht eine lineare Beziehung
zwischen der Ausgangsspannung V0, die ohne weiteres gemessen werden kann, und der
von der Sonde 30 erzeugten elektromotorischen Kraft E.
-
Nach der Lehre der US-Patentanmeldung Serial No.
-
28,747 wird die Stromstärke des konstanten Stroms I unterhalb einer
bestimmten kritischen Stromstärke gehalten. Demzufolge ist die Ionisierung des Sauerstoffs
an der Vergleichselektrodenschicht 34 wesentlich weniger deutlich. Wenn die Brennkraftmaschine
mit einer fetten Mischung betrieben wird, besitzen der Sauerstoffpartialdruck an
der Vergleichselektrodenschicht 34 und der Sauerstoffpartialdruck an der Meßelektrodenschicht
36 konstante Werte von lediglich 10 10 bis 10 30 atm, da der Sauerstoff durch katalytische
Oxidationsreaktionen großer Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid verbraucht
wird, so daß der Unterschied zwischen diesen beiden Sauerstoffpartialdrücken zu
gering ist, als daß die Sonde 30 einen merklichen Wert der elektromotorischen Kraft
erzeugen könnte. Wenn die Brennkraftmaschine mit einer mageren Mischung versorgt
wird, nimmt der Wert des Sauerstoffpartialdrucks an der Meßelektrodenschicht 36
bald den Wert des Sauerstoffpartialdrucks in dem Auspuffgas an, was was einem Anstieg
auf einen Wert von 10 bis 10 3 atm entspricht, da die Mengen an Kohlenwasserstoffen
und Kohlenmonoxid,die einer katalytischen Oxidationsreaktion unterliegen, stark
abnehmen.
-
Die Situation an der Vergleichselektrodenschicht 34 ist jedoch ganz
anders. Der Sauerstoffpartialdruck an dieser Elektrodenschicht 34 hängt von der
Diffusionsgeschwindigkeit der Sauerstoffmoleküle durch die mikroskopischen Löcher
in der festen Elektrolytschicht 32 ab, wobei die Diffusionsgeschwindigkeit abgesehen
von dem Wert des Sauerstoffpartialdrucks in dem Auspuffgas von dem Durchmesser und
der effektiven Länge der einzelnen Löcher be-
stimmt wird. Da der
Durchmesser und die effektive Länge'der Löcher in der festen Elektrolytschicht 32
nicht gleichmäßig sind, werden, mikroskopisch betrachtet, in bestimmten Bereichen
der Vergleichselektrodenschicht 34 relativ hohe Sauerstoffpartialdrücke und in anderen
Bereichen relativ niedrige Sauerstoffpartialdrücke erzeugt. Demzufolge ist der Sauerstoffpartialdruck
an der Vergleichselektrodenschicht 34, als Mittelwert der lokal unterschiedlichen
Werte, erheblich höher als der Sauerstoffpartialdruck an der Meßelektrodenschicht
36, wenn sich die magere Mischung nicht stark von einer stöchiometrischen Mischung
unterscheidet. Da der Anteil der Bereiche mit relativ hohem Sauerstoffpartialdruck
in der Vergleichselektrodenschicht 34 mit zunehmendem Luft/Brennstoff-Verhältnis
der mageren Mischung ansteigt, wird die Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck
an der Vergleichselektrodenschicht 34 und dem Sauerstoffpartialdruck an der Meßelektrodenschicht
36 nach und nach kleiner, was zu einer entsprechenden Verminderung des Wertes der
elektromotorischen Kraft führt, die durch die Sonde 30 erzeugt wird.
-
Demzufolge ergibt sich die in der Fig. 7 mit der ausgezogenen Linie
dargestellte Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der Ausgangsspannung
VO (wenn die Richtung des Stromes I dem in der Fig. 6 dargestellten Pfeil folgt).
Im Fall einer mageren Mischung ist die Ausgangs spannung VO dem Luft/Brennstoff-Verhältnis
proportional, wobei jedoch die Ausgangs spannung VO abrupt auf einen vernachlässigbar
niedrigen Wert absinkt, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis sich dem stöchiometrischen
Verhältnis nähert. Demzufolge tritt ein Zwischen-
wert Vo3 der
Ausgangsspannung V nicht nur dann auf, 93 0 wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis
einen Wert S3 annimmt, der erheblich oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses
liegt (an dem Punkt A der Ausgangsspannungskennlinie), sondern auch dann, wenn das
Luft/Brennstoff-Verhältnis sich über das stöchiometrische Verhältnis hinweg verändert
(an dem Punkt B der Ausgangsspannungskennlinie). Wie bereits erwähnt, ist diese
Unbestimmtheit des angezeigten Wertes für ein in der Praxis zu verwendendes System
zur Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses nachteilig. Die in der Fig. 7 mit
einer un.rbrochenen Linie dargestellte Kure gibt die Kennlinie der Fig 6 für den
Fall wieder, daß ein entsprechend niedriger Strom von der Vergleichselektrodenschicht
34 zu der Meßelektrodenschicht 36 fließt.
-
Die Fig. 8 zeigt eine Sauerstoffsonde 40 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (wobei die mit dieser Sonde 40 zu verbindende Gleichstromversorgung
in der Zeichnung nicht dargestellt ist), während die Fig. 9A bis 9F das Verfahren
zur Herstellung der Sonde 40 wiedergeben. Diese Sonde 40 umfaßt eine feste Elektrolytschicht
42 bzw. eine Schicht 42 aus einem festen Elektrolyten, die für Gase undurchlässig
ist und auf einer Abschirmschicht 52 aus einem wärmebeständigen und elektrisch nichtleitenden
Material abgeschieden ist. Auf der äußeren Seite der festen Elektrolytschicht 42
sind eine Vergleichselektrodenschicht 44 aus einem katalytischen Material und eine
Meßelektrodenschicht 46 aus einem nicht-katalytischen Material derart ausgebildet,
daß sie im Abstand voneinander angeordnet sind. Eine poröse und relativ dicke Gasdiffusionsschicht
48 bedeckt die Vergleichselektrodenschicht 44, läßt jedoch
die
Meßlektrodenschicht 46 frei, während eine poröse und relativ dünne Schutzschicht
50 nicht nur die Meßelektrodenschicht 46, sondern auch die Gasdiffusionsschicht
48 bedeckt. In die Abschirmschicht 52 ist ein elektrisches Widerstandsheizelement
54 eingebettet.
-
Wie in der Fig. 9A dargestellt ist, bereitet man die Abschirmschicht
52 durch Verbinden von zwei Aluminiumoxidblättern 52a und 52b über ihre Oberflächen.
Zuvor hat man eine Paste, die ein pulverisiertes leitendes Material, wie Platin,
in einem organischen Medium dispergiert enthält, in Form eines geeigneten Musters
54A mit Hilfe einer Siebdrucktechnik auf eines der beiden Aluminiumoxidblätter aufgetragen
und getrocknet, so daß das noch ungebrannte Heizelement 54A zwischen den beiden
Aluminiumoxidblättern 52a und 52b zu liegen kommt. Dann wird ein ungebranntes Blatt
42A aus einem festen Elektrolytmaterial, wie es in der Fig. 9B dargestellt ist,
durch Verpressen mit den beiden Aluminiumowidblättern 52a und 52b vereinigt. Anschliessend
wird, wie es in der Fig. 9C dargestellt ist,eine Platinpaste mit Hilfe einer Siebdrucktechnik
auf die äußere Oberfläche des ungebrannten Blattes 42A aus dem festen Elektrolyten
aufgetragen, um die Vorstufe 44A der Vergleichselektrodenschicht 44 mit einem kammartigen
Muster aufzubringen, und es wird eine Paste aus einem nicht-katalytischen leitenden
Material auf die gleiche Oberfläche des Blattes 42A aus dem festen Elektrolyten
auf geduckt, um die Vorstufe 46A der Meßelektrodenschicht 46 mit einem kammartigen
Muster aufzubringen. Nach dem Trocknen der aufgedruckten Pasten 44A und 46A wird
durch Siebdruck eine Aluminiumoxidpaste auf das Blatt 42A aus dem festen Elektroly-
ten
aufgetragen, wie es in der Fig. 9D mit der Bezugsziffer 48A angegeben ist, um die
Vorstufe 44A der Vergleichselektrodenschicht, jedoch nicht die Vorstufe 46A der
Meßelektrodenschicht, zu bedecken, worauf das Material getrocknet wird. Die gebildete
Aluminiumoxidschicht 48A ist die Vorstufe der Gasdiffusionsschicht 48. Dann wird
das halbfertige Element in dem in der Fig. 9D dargestellten Zustand gebrannt, um
ein Sintern der entsprechenden Blätter und aufgedruckten Schichten zu bewirken.
Anschließend wird, wie es in der Fig. 9E dargestellt ist,die poröse Schutzschicht
50 durch Plasmabespritzen derart ausgebildet, daß sie die gesinterte Meßelektrodenschicht
46 und die Gasdiffusionsschicht 48 bedeckt.
-
Schließlich werden Leitungsanschlüsse 22 und 23 an die unbedeckten
Randbereiche der Vergleichselektrodenschicht 44 bzw. der Meßelektrodenschicht 46
angeschweißt. Es ist ersichtlich,daß diese Sauerstoffsonde 40 die gleiche Ausgangskennlinie
aufweist wie die in der Fig. 1 dargestellte Sonde 10, wenn sie in ein Verbrennungsgas
eingebracht und mit einem konstanten Gleichstrom geeigneter Stromstärke versorgt
wird. Durch Zuführung eines gesteuerten Heizstroms zu dem Heizelement 54 kann man
die Temperatur der Sonde 40 auf einer konstanten und erwünscht hohen Temperatur
halten, selbst wenn das Verbrennungsgas Temperaturänderungen unterliegt. Da der
innere Widerstand der festen Elektrolytschicht 42 und die Gasduffusionskonstante
der Gasdiffusionsschicht 48 von der Temperatur abhängen, ergibt sich durch Betreiben
der Sonde 40 bei konstanter Temperatur eine stabile Ausgangsspannung, die genau
der Differenz zwischen den Sauerstoffpartialdrücken der beiden Elektrodenschichten
44 und 46 entspricht.
-
Die Fig. 10 und 11 verdeutlichen eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sauerstoffsonde 10A dieser Vorrichtung entspricht
im wesentlichen der in der Fig. 1 dargestellten Sonde 1Q.
-
Der einzige Unterschied ist darin zu sehen, daß diese Sonde 10A ein
temperaturempfindliches Widerstandselement 60 aufweist, das mit einem Endabschnitt
der Vergleichselektrodenschicht 14 verbunden ist, welches Widerstandselement 60
eine Elektrode 62 und eine Leitung 64 aufweist. Das temperaturempfindliche Widerstandselement
60 ist ein Element des Typs, dessen Widerstand sich mit sinkender Temperatur erniedrigt.
-
In diesem Fall ist die einen konstanten Strom abgebende Gleichstromversorgung
24 mit der Leitung 64 und der Leitung 23 verbunden, die ihrerseits mit der Meßelektrodenschicht
16 verbunden ist, so daß das Widerstandselement 60, die beiden Elektrodenschichten
14 und 16 und die feste Elektrolytschicht 12 in Reihe geschaltet sind Die Ausgangs
spannung Vc wird zwischen den Leitungen 22 und 23 gemessen, die mit der Vergleichselektrodenschicht
14 bzw. der Meßelektrodenschicht 16 verbunden sind.
-
Während der Verwendung Eer in der Fig. 11 dargestellten Vorrichtung
unterliegt das temperaturempfindliche Element 60 einer Änderung seines Widerstands
bei Änderung der Temperatur der Sauerstoff sonde 10A, so daß die Stromstärke des
durch die feste Elektrolytschicht 12 fließenden Stromes automatisch gesteuert wird,
so daß Änderungen der Ausgangsspannung VO die durch Änderungen des inneren Widerstands
der festen Elektrolytschicht 12 und durch Änderungen der Gasdiffusionskonstante
in der Gasdiffusionsschicht 18 verursacht werden, kompensiert werden. Demzufolge
wird durch das temperaturempfindliche Element 60 die genaue Ausgangs-
spannung
der Sauerstoffsonde 10A stabilisiert.