-
-
Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-
-
sensor oder -detektor zur Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses
eines einer Verbrennungseinheit (combustor) zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor, der
unter Verwendung eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten das Luft/Kraftstoffverhältnis
eines Luft/Kraftstoffgemisches über den gesamten Betriebsbereich (der Verbrennungseinheit)
hinweg, einschließlich eines Magerbereichs (in welchem ein Luftüberschuß gegenüber
dem stöchiometrischen Wert vorliegt) bis zu einem Anreicherungsbereich (in welchem
ein Kraftstoffüberschuß gegenüber dem stöchiometrischen Wert vorliegt), zu bestimmen
oder zu messen vermag.
-
Zum Zwecke der Verbesserung der Kraftstoffausnutzung und der Verringerung
des Schadstoffausstoßes sind einige bisherige Verbrennungseinheiten, wie Brennkraftmaschinen,
mit der Fähigkeit zu einer selbsttätigen Regelung (Rückkopplungsregelung) ausgestattet,
welche die Messung der Sauerstoffwerte im Abgas und die Regelung oder Ein stellung
des Luft/Kraftstoffgemisches im Brennraum umfaßt, um dieses Gemisch bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis
in der Nähe des stöchiometrischen Werts zu verbrennen. Ein üblicherweise zur Messung
der Sauerstoffkonzentration im Abgas verwendeter Sauerstoffsensor oder -meßfühler
verwendet einen ionenleitenden Festelektrolyten mit aufgetragenen porösen Elektrodenschichten
zur Erfassung der Verbrennung des Kraftstoffs bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis
in der Nähe des stöchiometrischen Werts auf der Grundlage der Änderung der elektromotorischen
Kraft, die durch die Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck des Abgases und
dem der Luft erzeugt wird. Ein solcher Sauerstoff sensor erzeugt im allgemeinen
eine Ausgangsspannung, die sich beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis
des Luft/Kraftstoffgemisches plötzlich ändert.
-
Neben den Verbesserungen bezüglich Kraftstoffausnutzung und Schadstoffausstoßsenkung
wurde bereits versucht, das Leistungsverhalten von Verbrennungseinheiten mittels
einer selbsttätigen Regelung zu Maximieren, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis
zu erzielen, das an einen spezifischen Betriebszustand der Verbrennungseinheit anpaßbar
ist. Dieses Ziel kann jedoch nicht mittels des vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensors
erreicht werden, der lediglich das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis des
Luft/Kraftstoffgemisches zu erfassen oder zu messen vermag.
-
Kürzlich ist ein Sensor oder Analysator (Meßfühler) entwickelt worden,
welcher die erwähnte selbsttätige Luft/Kraftstoffverhältnisregelung durchzuführen
vermag (vgl. JP-OSen 72286/1977 und 66292/1978). Diese Vorrichtung ist mit einer
Kammer bzw. einem Raum versehen, die bzw. der einen geschlossenen Raum bildet, welcher
die Oberfläche einer der beiden auf einem Festelektrolyten ausgebildeten Elektroden
umfaßt, wobei in der Wand dieser Kammer eine kleine Diffusionsöffnung vorgesehen
ist. Über die beiden Elektroden wird eine Spannung angelegt, so daß eine interessierende
oder zu untersuchende Gaskomponente in dem zu untersuchenden Gas durch Diffusion
in die Kammer eintritt. Die Größe des über den Festelektrolyten fließenden Stroms
wird dabei zur Bestimmung der Konzentration der speziellen Gaskomponente gemessen.
-
Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bildet der Bereich um
eine der beiden, auf einem Festelektrolyten ausgebildeten Elektroden einen geschlossenen
Raum, der mit der interessierenden Gasatmosphäre über eine kleine, eine Diffusion
begrenzende Öffnung kommuniziert. Ein Hauptproblem bei dieser Vorrichtung besteht
dabei darin, daß das Diffusionsbegrenzungsmittel schwierig herzustellen ist, weil
die diffusionsbegrenzte Strom-
größe zur Bestimmung der Konzentration
des speziellen, interessierenden Gases gemessen werden muß.
-
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Luft/Kraftstoff-VerhäItnissensor-
der einfach herzustellen ist und eine zuverlässige Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses
gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit
einer elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle und einer Sauerstoffpumpe,
die unter Festlegung eines Zwischenraums einander flächig gegenüberstehen, wobei
die von der Sauerstoffpumpe abgewandte Seite der elektrochemischen Zelle mit der
(Umgebungs-)Atmosphäre in Berührung steht und der Zwischenraum einen Gasdiffusionsraum
bildet, der mit einem interessierenden oder zu untersuchenden Gas über ein Gasdiffusions-Begrenzungsmittel
kommuniziert, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zwischenraum zwischen elektrochemischer
Sauerstoffkonzentrationszelle und Sauerstoffpumpe eine Weite von nicht mehr als
0,2 mm und nicht weniger als 0,01 mm besitzt.
-
Die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle und die Sauerstoffpumpe
sind jeweils auf einer Festelektrolytplatte ausgebildet, beispielsweise in Form
einer festen Lösung von Y2O3 -ZrO2 , wobei diese Platte auf beiden Seiten mit je
einer porösen Elektrode versehen ist.
-
Ein typisches Beispiel für den Werkstoff der Festelektrolytplatte
ist eine feste Lösung aus Zirkonoxid und Yttriumoxid oder Calciumoxid (calcia).
Andere verwendbare Werkstoffe sind feste Lösungen aus Cerdioxid, Thoriumdioxid und
Hafniumdioxid, eine feste Lösung eines Oxids des Perovskite-Typs sowie eine feste
Lösung eines dreiwertigen Metalloxids. v
Die poröse Elektrode kann
nach verschiedenen Verfahren aus Platin oder Gold hergestellt werden. Bei einem
zweckmäßigen Verfahren wird ein Pulver eines geeigneten Werkstoffs aus den angegebenen
Metallen (als Hauptkomponente) zu einer Paste verarbeitet, die dann nach Dickschichtauftragtechnik
in einemorbestimmten Muster auf den Festelektrolyten aufgedruckt wird, worauf der
aufgedruckte Überzug gesintert wird. Bei einem anderen Verfahren wird das Pulver
des Ausgangsmaterials nach zweckmäßiger Dünnschichttechnik, wie Flammstrühen, chemisches
Plattieren oder Aufdampfen auf den Festelektrolyten aufgebracht.
-
Gewünschtenfalls können zwei Festelektrolytplatten vorgesehen werden,
wobei auf gegenüberliegenden Seiten der einen Festelektrolytplatte eine elektrochemische
Sauerstoffkonzentrationszelle und eine Sauerstoffpumpe ausgebildet werden, während
auf der anderen Festelektrolytplatte eine weitere Sauerstoffpumpe erzeugt wird.
-
Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als die Sauerstoffpumpe
dabei eine verbesserte Fähigkeit besitzt, gasförmigen Sauerstoff in den noch näher
zu beschreibenden Diffusionsraum eintreten und aus ihm austreten zu lassen, so daß
eine einfachere Regelung oder Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Bereich
der Elektroden (an) der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle möglich
ist. Für die Erfindungszwecke ist jedoch wesentlich, daß der größere Teil der einen
Hauptfläche des Diffusionsraums von einer Elektrode auf der Sauerstoffpumpe eingenommen
wird. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, daß die Fläche der Elektroden (auf) der
Sauerstoffpumpe normalerweise nicht kleiner sein darf.als 5 mm2.
-
Zumindest in der dem Diffusionsraum nicht zugewandten Fläche der elektrochemischen
Sauerstoffkonzentrationszelle sollte nach einem an sich bekannten Verfahren
ein
Atmosphären-Verbindungsdurchgang vorgesehen werden. Dieser Durchgang kann durch
Verbinden eines Profilformstücks (channel former) aus einer U-förmigen Spannungsentlastungsschicht
und einem plattenförmigen Träger mit der dem Diffusionsraum nicht zugewandten Fläche
eines Festelektrolyten ausgebildet werden.
-
Das Gasdiffusions-Begrenzungsmittel kann durch eine oder mehrere Öffnungen
gebildet sein, die eine Verbindung zwischen dem Diffusionsraum und der Atmosphäre
des interessierenden oder zu untersuchenden Gases herstellen. Diese Öffnungen können
mit einem porösen Material gefüllt sein, um einer Gasdiffusion einen erhöhten Widerstand
entgegenzusetzen.
-
Der Diffusionsraum wird gebildet durch Verbindung einer Festelektrolytplatte
für die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle mit einer anderen Festelektrolytplatte
für die Sauerstoffpumpe, wobei zwischen die beiden Festelektrolytplatten ein Abstandstück
eingesetzt ist, das eine einen Teil des Diffusionsraums bildende Ausnehmung aufweist.
Vor dem Sintern kann eine Einzelschicht aus körnigen Teilchen, die mittels eines
Sprühtrockners hergestellt worden sind und einen Durchmesser etwa entsprechend der
Fläche (Querschnitt) des Difussionsraums besitzen, in diesen Raum eingesetzt werden;
dies geschieht bevorzugt zum Zwecke der Verhinderung einer Verformung des Diffusionsraums
beim Sinter- oder Brennvorgang.
-
Die Dicke bzw. Weite des Diffusionsraums bzw. der Abstand zwischen
den gegenüberstehenden Elektroden der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle
und der Sauerstoffpumpe liegt zweckmäßig im Bereich von 0,01 - 0,2 mm und vorzugsweise
bis zur Obergrenze von 0,1 mm. Wenn die Weite des Diffusionsraums kleiner ist als
0,01 mm, begrenzt dieser Raum die Diffusion des
gasförmigen Sauerstoffs
so stark, daß das Ansprechen des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors beeinträchtigt
wird. Außerdem lassen sich Sensoren gleichmäßiger Güte nicht herstellen, weil sich
der enge Diffusionsraum bei der Fertigung leicht verformt und (damit) erhebliche
Schwierigkeiten bezüglich der Gewährleistung der gewünschten elektrischen Isolierung
aufwirft. Wenn dagegen die Weite des Diffusionsraums größer ist als 0,2 mm, variiert
die Druckdifferenz bzw. der Wirkdruck des interessierenden Gases innerhalb des Diffusionsraums
beträchtlich, wobei sich insbesondere der zwischen den gegenüberstehenden Elektroden
der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle und der Sauerstoffpumpe vorliegende
Wirkdruck so erhöht, daß sich nicht nur eine unzulässig große Erhöhung des Pumpstroms,
sondern auch ein verschlechtertes Ansprechverhalten des Sensors ergibt. Die Vergrößerung
der Druckdifferenz des interessierenden Gases im Fall eines übermäßig weiten Diffusionsraums
wirft, wie sich gezeigt hat, ein Problem auch dann auf, wenn die elektrochemische
Sauerstoffkonzentrationszelle zur Lieferung einer Ausgangsspannung von etwa 500
mV, typischerweise von 450 - 500 mV, im Betrieb des Sensors für Meßzwecke ausgelegt
ist.
-
Die Arbeits- oder Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors
läßt sich wie folgt umreißen: Wenn das Luft/Kraftstoffgemisch im Magerbereich liegt,
wird bei dem in den Abgasstrom eingeführten Sensor die Elektrode an der Seite der
Sauerstoffpumpe, welche der Atmosphäre oder Außenluft zugewandt ist, mit einer positiven
Spannung beschickt, während an die dem Diffusionsraum zugewandte Elektrode eine
negative Spannung angelegt wird. Infolgedessen wandern Sauerstoffionen durch den
Festelektrolyten der Sauerstoffpumpe zu der
vom Diffusionsraum
abgewandten Seite, wodurch der im Diffusionsraum befindliche gasförmige Sauerstoff
aus diesem Raum ausgepumpt wird.
-
Beim Auspumpen des gasförmigen Sauerstoffs aus dem Diffusionsraum
auf die beschriebene Weise entsteht eine Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration
an der der Atmosphäre oder Außenluft zugewandten Seite der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle
und der Sauerstoffkonzentration innerhalb des Diffusionsraums aufgrund der die Sauerstoffdiffusion
begrenzenden Wirkung des Diffusionsbegrenzungsteils. Diese Sauerstoffkonzentrationsdifferenz
bewirkt, daß die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle eine elektromotorische
Kraft oder EMK erzeugt. Wenn die Größe des durch die Sauerstoffpumpe fließenden
Stroms (Pumpstrom) so eingestellt ist oder wird, daß die elektromotorische Kraft
E auf einer vorbestimmten Größe gehalten wird, wird eine praktisch lineare Beziehung
zwischen dem Pumpstrom und dem Sauerstoffgehalt des interessierenden oder zu untersuchenden
Gases erzielt, so daß damit der Sauerstoffgehalt dieses Gases bestimmt werden kann.
-
Wenn das Luft/Kraftstoffgemisch im Anreicherungsbereich liegt, erzeugt
die elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle (im folgenden einfach als "Sauerstoffkonzentrationszelle"
bezeichnet) des in den Abgasstrom eingesetzten Sauerstoffsensors eine elektromotorische
Kraft auch dann, wenn die Sauerstoffpumpe nicht zur Erzeugung einer Sauerstoffpartialdruckdifferenz
zwischen den gegenüberstehenden Elektroden betätigt ist. Um somit die von der Sauerstoffkonzentrationszelle
gelieferte elektromotorische Kraft oder EMK auf einer konstanten Größe zu halten,
muß die Richtung des durch die Sauerstoffpumpe fließenden Pumpstroms umgekehrt werden.
Genauer gesagt: der Sauerstoff an der Elektrode an der dem Diffusionsraum zugewandten
Seite der Sauer-
stoffkonzentrationszelle wird durch Reaktion mit
unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas verbraucht, und die
zwischen der dem Diffusionsraum zugewandten Seite und der mit der Atmosphäre in
Berührung stehenden Seite der Zelle vorliegende Sauerstoffpartialdruckdifferenz
vergrößert sich derart, daß die resultierende EMK eine vorbestimmte Größe übersteigt.
Um die EMK auf der vorbestimmten Größe zu halten, muß infolgedessen durch Betätigung
der Sauerstoffpumpe Sauerstoff in den Diffusionsraum "gepumpt" werden. Zu diesem
Zweck wird der Pumpstrom so gesteuert, daß er in einer Richtung entgegengesetzt
zur Fließrichtung in dem Fall, in welchem sich das Luft/Kraftstoffgemisch im Magerbereich
befindet, fließt. Dabei ist die Größe des erforderlichen Pumpstroms den Mengen an
unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas proportional. Der im
Anreicherungsbereich fließende Pumpstrom ist somit ebenfalls dem Luft/Kraftstoffverhältnis
des tuft/Kraftstoffgemisches proportional Die obigen Ausführungen lassen sich wie
folgt zusammenfassen: Wenn der beim erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor
durch oder über die Sauerstoffpumpe zum Fließen gebrachte Pumpstrom so eingestellt
wird, daß die von der Sauerstoffkonzentrationszelle erzeugte EMK auf einer vorbestimmten
Größe gehalten wird, ist der resultierende Pumpstrom dem Luft/Kraftstoffverhältnis
des gemessenen Luft/Kraftstoffgemisches proportional. (Diese lineare Beziehung ist
beispielsweise in Fig. 3 veranschaulicht.) Das Luft/Kraftstoffverhältnis kann auch
anhand der EMK bestimmt werden, die dann geliefert wird, wenn der Pumpstrom auf
einer konstanten Größe gehalten wird.
-
Diese Beziehung geht am besten aus Fig. 4 hervor, in welcher die Richtung
des Pumpstroms beim Auspumpen von
Sauerstoff aus dem Diffusionsraum als positiv vorausgesetzt ist.
-
Wenn der Pumpstrom Ip gleich Null ist, erfährt die EMK eine plötzliche
Änderung bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis, das im wesentlichen dem stöchiometrischen
Wert (Luft/Kraftstoff = 14,6) entspricht. Wenn der Pumpstrom Ip negativ ist (d.h.
wenn Sauerstoff in den Diffusionsraum gefördert wird), erfährt die elektromotorische
Kraft bzw. EMK eine plötzliche Änderung im Anreicherungsbereich. Wenn der Pumpstrom
Ip positiv ist, ist das Gefälle der Änderung der EMK weniger steil als im Fall von
Ip = 0 oder Ip < 0, während die EMK dennoch eine plötzliche oder schlagartige
Änderung im Magerbereich zeigt. Mit anderen Worten: die Stelle, an welcher die EMK
eine plötzliche Änderung erfährt, verschiebt sich vom Anreicherungsbereich zum Magerbereich,
wenn der Pumpstrom Ip von einer negativen Größe auf eine positive Größe ansteigt.
-
Es ist bekannt, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor bessere Ansprecheigenschaften
zeigt, wenn der Sauerstoffpartialdruck im Diffusionsraum am unteren Ende (des Bereichs)
liegt. Erfindungsgemäß ist der Diffusionsraum in flacher Form ausgebildet, so daß
er eine noch bessere Leistung des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors dadurch begünstigt,
daß eine gleichförmige Verteilung bezüglich des Partialdrucks des interessierenden
Gases im Diffusionsraum gewährleistet wird (d.h. die Partialdruckverteilung zwischen
den gegenüberstehenden Elektroden von Sauerstoffkonzentrationszelle und Sauerstoffpumpe).
-
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise
weggebrochene perspektivische Darstellung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors
gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung
des Sensors nach Fig. 1 und Fig. 3 und 4 Betriebskennlinien für den Sensor gemäß
Fig. 1 und 2.
-
Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor ist so ausgebildet,
daß ein Diffusionsraum 1 zwischen einer elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszel
le 2 und einer Sauerstoffpumpe 3, die einander flächig gegenüberstehend angeordnet
sind, festgelegt ist.
-
Die (elektrochemische) Sauerstoffkonzentrationszelle 2 besteht aus
einer Festelektrolytplatte 4 (Größe 7 x 45 x 0,6 mm) aus einer festen Y203-ZrO2
-Lösung, wobei auf gegenüberliegenden Seiten der Platte nach Dickschichttechnik
Elektroden 5 und 6 aus Platin mit 9 Gew.- einer festen Y 203 -ZrO2-Lösung ausgebildet
sind. Die vom Diffusionsraum 1 abgewandte Seite der Festelektrolytplatte 4 ist mit
einem Profilformstück 9 versehen, das seinerseits aus einer Kombination aus einer
U-förmigen Spannungsentlastungsschicht 7 (Dicke 1,0 mm; Außenabmessungen 7 x 45
mm; Innenabmessungen 5 x 43 mm) aus einem gesinterten Gemisch von A1203 und ZrO2
und einem A1203-Träger (Größe 7 x 45 x 0,8 mm) besteht. Die Atmosphäre zur Kontaktierung
der Elektrode 5 auf der Sauerstoffkonzentrationszelle 2 wird durch einen durch das
Profilformstück 9 festgelegten Profildurchgang 10 eingeführt. An der dem Profildurchgang
10 zugewandten Seite des Trägers 8 ist ein Heizelement 11 ausgebildet oder vorgesehen.
-
Die Sauerstoffpumpe 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Sauerstoffkonzentrationszelle
2, d.h. sie besteht aus einer Festelektrolytplatte 12, Elektroden 13 und 14 sowie
einem Profilformstück 17 aus einer Spannungsentlastungsschicht 15 und einem Träger
16. Die Atmosphäre zur Kontaktierung der Elektrode 13 auf der Sauerstoffpumpe 3
wird über einen Profildurchgang 18 eingeführt, der durch das Profilformstück 17
festgelegt ist. Am Träger 16 ist ein Heizelement 19 angeformt oder angebracht.
-
Der Diffusionsraum 1 ist durch Einfügen eines Diffusionsraum/Diffusionsbegrenzungsteil-Formstücks
20 zwischen die Festelektrolytplatte 4 der Sauerstoffkonzentrationszelle 2 und die
Festelektrolytplatte 12 der Sauerstoffpumpe 3 gebildet. Das Formstück 20 besteht
aus einem Sintergemisch aus Al 203 und ZrO2 und besitzt eine im wesentlichen U-förmige
Gestalt (Dicke 0,1 mm; Außenabmessungen 7 x 45 mm; Innenabmessungen 3 x 9 mm), und
es ist an drei Seiten mit (je) einem Diffusionsbegrenzungsteil 30 (Querschnitt 0,1
x 0,1 mm) versehen. Jede Öffnung, als Diffusionsbegrenzungsteil, kann mit einem
porösen Material gefüllt sein (typischerweise aus gebundenen Aluminiumoxidteilchen
einer maximalen Porosität von 3 pm oder weniger und durchschnittlich 1,2 m), um
einen größeren Diffusionswiderstand zu erzeugen. Das zusätzlich zur Einführung eines
vergrößerten Widerstands gegenüber Gasdiffusion verwendete poröse Material kann
(auch) eine vergleichsweise große Porosität besitzen. Ein solches hochporöses Material
ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber einer Verstopfung durch Staubteilchen,
so daß dadurch eine Leistungsbeeinträchtigung oder -verschlechterung des Verhältnissensors
weitgehend vermieden wird. Außerdem läßt sich ein hochporöses Material ziemlich
leicht herstellen.
-
Der Diffusionsraum 1 im dargestellten Verhältnissensor besitzt eine
flache Form, wobei die Oberfläche der Elektroden auf der Sauerstoffpumpe 3 ausreichend
größer ist als die Kapazität des Diffusionsraums 1, um eine schnelle Diffusionsbegrenzung
zu ermöglichen und die Partialdruckdifferenz des interessierenden Gases zwischen
den gegenüberstehenden Elektroden von elektrochemischer Sauerstoffkonzentrationszelle
und Sauerstoffpumpe zu verringern, wodurch gute Ansprecheigenschaften und eine Minimierung
des erforderlichen Pumpstroms gewährleistet werden.
-
Die bei den Profilformstücken 9 und 17 verwendeten Spannungsentlastungsschichten
7 bzw. 15, die jeweils aus einem gesinterten Gemisch aus Al 203 und ZrO2 bestehen,
vermögen sicher ein-Verwerfen oder Verziehen des Verhältnissensors oder ein Versagen
bzw. einen Bruch desselben aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten
im Betrieb zu verhindern. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Verziehen des Verhältnissensors,
das im Betrieb auftreten könnte, im wesentlichen dadurch vermieden wird, daß der
Verhältnissensor eine praktisch symmetrische Konfiguration in bezug auf die Ebene
des Diffusionsraums 1 besitzt.
-
Die Heizelemente 11 und 19 ermöglichen in vorteilhafter Weise eine
einfache Temperaturkompensation.
-
Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Betriebseigenschaften oder -kennlinien
des erfindungsgemäßen Luft/-Kraftstoff-Verhältnissensors. Wie eingangs bereits erwähnt,
veranschaulicht Fig. 3 die Beziehung von Pumpstrom zu Luft/Kraftstoffverhältnis
für eine von der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle 2 erzeugte konstante
Ausgangsspannung, während Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis
und der bei Anlegung eines konstanten Pumpstroms von der
Sauerstoffkonzentrationszelle
2 erzeugten Ausgangsspannung zeigt.
-
Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Lufteintrittskanal oder
-durchgang vorgesehen, so daß die Elektrode auf der vom Gasdiffusionsraum abgewandten
Seite der Sauerstoffpumpe der Außenatmosphäre ausgesetzt ist. Gewünschtenfalls kann
diese Seite lediglich dem Abgas ausgesetzt sein, so daß Sauerstoff unmittelbar vom
Abgas oder indirekt von den sauerstoffhaltigen Bestandteilen im Abgas abgenommen
wird.
-
Der erfindungsgemäß verwendete Diffusionsraum besitzt eine flache
Form und weist je einen Gasdiffusions-Begrenzungsteil an drei Stellen seines Umfangs
auf. Diese Ausbildung ermöglicht die Verwendung großer Elektroden für die Sauerstoffpumpe
im Vergleich zur Kapazität (Fassungsvermögen) des Diffusionsraums. Eine etwaige
Änderung im Partialdruck des interessierenden Gases in der im Diffusionsraum vorliegenden
Atmosphäre kann schnell unterdrückt werden, so daß eine gleichmäßige Partialdruckverteilung
zwischen den gegenüberstehenden Elektroden gewährleistet und damit die Herstellung
eines Verhältnissensors mit gutem Ansprechverhalten und hohem Gasdiffusions-BegrenzungswirRungsgrad
ermöglicht wird. Besonders gute Ergebnisse werden dann erzielt, wenn die im Umfang
des Diffusionsraums ausgebildeten Öffnungen mit einem porösen Material ausgefüllt
sind.
-
Die bei jedem Profilformstück verwendete Spannungsentlastungsschicht
verhindert in vorteilhafter Weise ein Verziehen des Verhältnissensors im Betrieb
und ein Versagen bzw. einen Bruch aufgrund einer Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
-
Da sowohl die Sauerstoffkonzentrationszelle als auch die Sauerstoffpumpe
jeweils auf einer einzigen Festelektrolytplatte ausgebildet sind, verringert sich
die benötigte Menge an Festelektrolyt, was einen Beitrag zur Schonung der Rohstoffreserven
darstellt.
-
Durch Verwendung einer zweiten Sauerstoffpumpe können der Betriebsbereich
des Verhältnissensors erweitert und sein Ansprechverhalten verbessert werden.
-
In bevorzugter Ausführungsform kann eine Teilchenschicht in den Diffusionsraum
mit einer letzterem entsprechenden Dicke eingebracht werden; auf diese Weise wird
eine Verformung des Diffusionsraums während der Fertigungsvorgänge, insbesondere
im Sinter- oder Brennvorgang, vermieden und damit eine sichere Massenfertigung brauchbarer
Verhältnissensoren sichergestellt.