DE3606044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensor oder -detektor zur Messung des Luft/Kraftstoff­ verhältnisses eines einer Verbrennungseinheit (combustor) zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches. Insbesondere be­ trifft die Erfindung einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensor, der unter Verwendung eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten das Luft/Kraftstoffverhält­ nis eines Luft/Kraftstoffgemisches über den gesamten Betriebsbereich (der Verbrennungseinheit) hinweg, ein­ schließlich eines Magerbereichs (in welchem ein Luft­ überschuß gegenüber dem stöchiometrischen Wert vor­ liegt) 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 (Rück­ kopplungsregelung) ausgestattet, welche die Messung der Sauerstoffwerte im Abgas und die Regelung oder Ein­ stellung des Luft/Kraftstoffgemisches im Brennraum um­ faßt, um dieses Gemisch bei einem Luft/Kraftstoffver­ hältnis in der Nähe des stöchiometrischen Werts zu ver­ brennen. Ein üblicherweise zur Messung der Sauerstoff­ konzentration im Abgas verwendeter Sauerstoffsensor oder -meßfühler verwendet einen ionenleitenden Fest­ elektrolyten mit aufgetragenen porösen Elektroden­ schichten 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 Sauerstoffsensor 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 mit­ tels einer selbsttätigen Regelung zu maximieren, um ein gewünschtes Luft/Kraftstoffverhältnis zu erzielen, das an einen spezifischen Betriebszustand der Verbren­ nungseinheit anpaßbar ist. Dieses Ziel kann jedoch nicht mittels des vorstehend beschriebenen Sauerstoff­ sensors erreicht werden, der lediglich das stöchio­ metrische Luft/Kraftstoffverhältnis des Luft/Kraftstoff­ gemisches 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-OS 72 286/1977 und 66 292/1978). Diese Vor­ richtung ist mit einer Kammer bzw. einem Raum versehen, die bzw. der einen geschlossenen Raum bildet, welcher die Oberfläche einer der beiden auf einem Festelek­ trolyten ausgebildeten Elektroden umfaßt, wobei in der Wand dieser Kammer eine kleine Diffusionsöffnung vor­ gesehen ist. Über die beiden Elektroden wird eine Span­ nung 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 Festelek­ trolyten ausgebildeten Elektroden einen geschlossenen Raum, der mit der interessierenden Gasatmosphäre über eine kleine, eine Diffusion begrenzende Öffnung kommuni­ ziert. 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-Verhältnissensors, der ein­ fach herzustellen ist und eine zuverlässige Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Luft/Kraftstoff-Verhält­ nissensor mit einer elektrochemischen Sauerstoffkonzen­ trationszelle und einer Sauerstoffpumpe, die unter Festlegung eines Zwischenraums einander flächig gegen­ überstehen, wobei die von der Sauerstoffpumpe abge­ wandte Seite der elektrochemischen Zelle mit der (Um­ gebungs-)Atmosphäre in Berührung steht und der Zwi­ schenraum einen Gasdiffusionsraum bildet, der mit einem interessierenden oder zu untersuchenden Gas über ein Gasdiffusions-Begrenzungsmittel kommuniziert, erfindungs­ gemäß 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 Festelek­ trolytplatte 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 Fest­ elektrolytplatte ist eine feste Lösung aus Zirkonoxid und Yttriumoxid oder Calciumoxid (calcia). Andere ver­ wendbare Werkstoffe sind feste Lösungen aus Cerdioxid, Thoriumdioxid und Hafniumdioxid, eine feste Lösung eines Oxids des Perovskite-Typs sowie eine feste Lösung eines dreiwertigen Metalloxids.

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 Haupt­ komponente) zu einer Paste verarbeitet, die dann nach Dickschichtauftragtechnik in einem vorbestimmten 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 Flammsprühen, chemisches Plattieren oder Aufdampfen auf den Festelek­ trolyten aufgebracht.

Gewünschtenfalls können zwei Festelektrolytplatten vor­ gesehen werden, wobei auf gegenüberliegenden Seiten der einen Festelektrolytplatte eine elektrochemische Sauerstoffkonzentrationszelle und eine Sauerstoffpumpe ausgebildet werden, während auf der anderen Festelek­ trolytplatte eine weitere Sauerstoffpumpe erzeugt wird. Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als die Sauer­ stoffpumpe dabei eine verbesserte Fähigkeit besitzt, gasförmigen Sauerstoff in den noch näher zu beschrei­ benden Diffusionsraum eintreten und aus ihm austreten zu lassen, so daß eine einfachere Regelung oder Ein­ stellung des Sauerstoffpartialdrucks im Bereich der Elektroden (an) der elektrochemischen Sauerstoffkon­ zentrationszelle 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 außer­ dem 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 Sauerstoffkonzentrations­ zelle sollte nach einem an sich bekannten Verfahren ein Atmosphären-Verbindungsdurchgang vorgesehen wer­ den. Dieser Durchgang kann durch Verbinden eines Pro­ filformstücks (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 Ver­ bindung zwischen dem Diffusionsraum und der Atmosphäre des interessierenden oder zu untersuchenden Gases her­ stellen. Diese Öffnungen können mit einem porösen Material gefüllt sein, um einer Gasdiffusion einen er­ höhten Widerstand entgegenzusetzen.

Der Diffusionsraum wird gebildet durch Verbindung einer Festelektrolytplatte für die elektrochemische Sauer­ stoffkonzentrationszelle mit einer anderen Festelek­ trolytplatte für die Sauerstoffpumpe, wobei zwischen die beiden Festelektrolytplatten ein Abstandstück ein­ gesetzt 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 Difus­ sionsraums besitzen, in diesen Raum eingesetzt werden; dies geschieht bevorzugt zum Zwecke der Verhinderung einer Verformung des Diffusionsraums beim Sinter- oder Brenn­ vorgang.

Die Dicke bzw. Weite des Diffusionsraums bzw. der Ab­ stand 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) erheb­ liche Schwierigkeiten bezüglich der Gewährleistung der gewünschten elektrischen Isolierung aufwirft. Wenn da­ gegen die Weite des Diffusionsraums größer ist als 0,2 mm, variiert die Druckdifferenz bzw. der Wirkdruck des interessierenden Gases innerhalb des Diffusions­ raums beträchtlich, wobei sich insbesondere der zwi­ schen den gegenüberstehenden Elektroden der elektro­ chemischen Sauerstoffkonzentrationszelle und der Sauer­ stoffpumpe 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 wei­ ten Diffusionsraums wirft, wie sich gezeigt hat, ein Problem auch dann auf, wenn die elektrochemische Sauer­ stoffkonzentrationszelle zur Lieferung einer Ausgangs­ spannung 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 Diffu­ sionsraum 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 Diffusions­ raums aufgrund der die Sauerstoffdiffusion begrenzenden Wirkung des Diffusionsbegrenzungsteils. Diese Sauer­ stoffkonzentrationsdifferenz bewirkt, daß die elektro­ chemische Sauerstoffkonzentrationszelle eine elektro­ motorische 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 interessieren­ den oder zu untersuchenden Gases erzielt, so daß damit der Sauerstoffgehalt dieses Gases bestimmt werden kann.

Wenn das Luft/Kraftstoffgemisch im Anreicherungsbe­ reich liegt, erzeugt die elektrochemische Sauerstoff­ konzentrationszelle (im folgenden einfach als "Sauer­ stoffkonzentrationszelle" bezeichnet) des in den Ab­ gasstrom eingesetzten Sauerstoffsensors eine elektro­ motorische 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 un­ verbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas verbraucht, und die zwischen der dem Diffusions­ raum zugewandten Seite und der mit der Atmosphäre in Berührung stehenden Seite der Zelle vorliegende Sauer­ stoffpartialdruckdifferenz vergrößert sich derart, daß die resultierende EMK eine vorbestimmte Größe über­ steigt. Um die EMK auf der vorbestimmten Größe zu hal­ ten, muß infolgedessen durch Betätigung der Sauerstoff­ pumpe Sauerstoff in den Diffusionsraum "gepumpt" wer­ den. Zu diesem Zweck wird der Pumpstrom so gesteuert, daß er in einer Richtung entgegengesetzt zur Fließrich­ tung in dem Fall, in welchem sich das Luft/Kraftstoff­ gemisch 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/Kraft­ stoffverhältnis des Luft/Kraftstoffgemisches proportional.

Die obigen Ausführungen lassen sich wie folgt zusammen­ fassen: Wenn der beim erfindungsgemäßen Luft/Kraft­ stoff-Verhältnissensor durch oder über die Sauerstoff­ pumpe 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/Kraft­ stoffverhältnis des gemessenen Luft/Kraftstoffgemisches proportional. (Diese lineare Beziehung ist beispiels­ weise 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 voraus­ gesetzt ist.

Wenn der Pumpstrom Ip gleich Null ist, erfährt die EMK eine plötzliche Änderung bei einem Luft/Kraftstoffver­ hältnis, das im wesentlichen dem stöchiometrischen Wert (Luft/Kraftstoff=14,6) entspricht. Wenn der Pump­ strom Ip negativ ist (d. h. wenn Sauerstoff in den Diffusionsraum gefördert wird), erfährt die elektro­ motorische 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 Magerbe­ reich, wenn der Pumpstrom Ip von einer negativen Größe auf eine positive Größe ansteigt.

Es ist bekannt, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensor 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-Ver­ hältnissensors dadurch begünstigt, daß eine gleich­ förmige Verteilung bezüglich des Partialdrucks des interessierenden Gases im Diffusionsraum gewährleistet wird (d. h. die Partialdruckverteilung zwischen den gegenüberstehenden Elektroden von Sauerstoffkonzen­ trationszelle und Sauerstoffpumpe).

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

Fig. 1 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ sensors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung des Sensors nach Fig. 1 und

Fig. 3 und 4 Betriebskennlinien für den Sensor ge­ mäß Fig. 1 und 2.

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor ist so ausgebildet, daß ein Diffusionsraum 1 zwischen einer elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle 2 und einer Sauerstoffpumpe 3, die einander flächig gegenüberstehend angeordnet sind, festgelegt ist.

Die (elektrochemische) Sauerstoffkonzentrationszelle 2 besteht aus einer Festelektrolytplatte 4 (Größe 7×45×0,6 mm) aus einer festen Y₂O₃-ZrO₂-Lösung, wobei auf gegenüberliegenden Seiten der Platte nach Dickschichttechnik Elektroden 5 und 6 aus Platin mit 5 Gew.-% einer festen Y₂O₃-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 7×45 mm; Innenabmessungen 5×43 mm) aus einem gesinterten Gemisch von Al₂O₃ und ZrO₂ und einem Al₂O₃-Träger (Größe 7×45×0,8 mm) besteht. Die Atmosphäre zur Kontaktierung der Elektrode 5 auf der Sauerstoffkonzentrationszelle 2 wird durch einen durch das Profilformstück 9 festgelegten Profil­ durchgang 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 Spannungs­ entlastungsschicht 15 und einem Träger 16. Die Atmo­ sphäre zur Kontaktierung der Elektrode 13 auf der Sauer­ stoffpumpe 3 wird über einen Profildurchgang 18 ein­ geführt, der durch das Profilformstück 17 festgelegt ist. Am Träger 16 ist ein Heizelement 19 angeformt oder angebracht.

Der Diffusionsraum 1 ist durch Einfügen eines Diffu­ sionsraum/Diffusionsbegrenzungsteil-Formstücks 20 zwi­ schen die Festelektrolytplatte 4 der Sauerstoffkon­ zentrationszelle 2 und die Festelektrolytplatte 12 der Sauerstoffpumpe 3 gebildet. Das Formstück 20 besteht aus einem Sintergemisch aus Al₂O₃ und ZrO₂ und besitzt eine im wesentlichen U-förmige Gestalt (Dicke 0,1 mm; Außenabmessungen 7×45 mm; Innenabmessungen 3×9 mm), und es ist an drei Seiten mit (je) einem Diffusions­ begrenzungsteil 30 (Querschnitt 0,1×0,1 mm) ver­ sehen. Jede Öffnung, als Diffusionsbegrenzungsteil, kann mit einem porösen Material gefüllt sein (typischer­ weise aus gebundenen Aluminiumoxidteilchen einer maxi­ malen Porosität von 3 µm oder weniger und durchschnitt­ lich 1,2 µm), um einen größeren Diffusionswiderstand zu erzeugen. Das zusätzlich zur Einführung eines ver­ größerten Widerstands gegenüber Gasdiffusion verwendete poröse Material kann (auch) eine vergleichsweise große Porosität besitzen. Ein solches hochporöses Material ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber einer Ver­ stopfung durch Staubteilchen, so daß dadurch eine Lei­ stungsbeeinträchtigung oder -verschlechterung des Ver­ hältnissensors weitgehend vermieden wird. Außerdem läßt sich ein hochporöses Material ziemlich leicht her­ stellen.

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 zwi­ schen den gegenüberstehenden Elektroden von elektro­ chemischer Sauerstoffkonzentrationszelle und Sauer­ stoffpumpe zu verringern, wodurch gute Ansprecheigen­ schaften und eine Minimierung des erforderlichen Pump­ stroms gewährleistet werden.

Die bei den Profilformstücken 9 und 17 verwendeten Spannungsentlastungsschichten 7 bzw. 15, die jeweils aus einem gesinterten Gemisch aus Al₂O₃ und ZrO₂ be­ stehen, 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 Verhält­ nissensors, das im Betrieb auftreten könnte, im we­ sentlichen dadurch vermieden wird, daß der Verhältnis­ sensor 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 Betriebseigen­ schaften oder -kennlinien des erfindungsgemäßen Luft/ Kraftstoff-Verhältnissensors. Wie eingangs bereits er­ wähnt, veranschaulicht Fig. 3 die Beziehung von Pump­ strom zu Luft/Kraftstoffverhältnis für eine von der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrationszelle 2 er­ zeugte konstante Ausgangsspannung, während Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der bei Anlegung eines konstanten Pumpstroms von der Sauerstoffkonzentrationszelle 2 erzeugten Ausgangs­ spannung zeigt.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Luftein­ trittskanal oder -durchgang vorgesehen, so daß die Elektrode auf der vom Gasdiffusionsraum abgewandten Seite der Sauerstoffpumpe der Außenatmosphäre ausge­ setzt ist. Gewünschtenfalls kann diese Seite lediglich dem Abgas ausgesetzt sein, so daß Sauerstoff unmittel­ bar 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-Be­ grenzungsteil an drei Stellen seines Umfangs auf. Die­ se Ausbildung ermöglicht die Verwendung großer Elek­ troden für die Sauerstoffpumpe im Vergleich zur Kapa­ zität (Fassungsvermögen) des Diffusionsraums. Eine etwaige Änderung im Partialdruck des interessierenden Gases in der im Diffusionsraum vorliegenden Atmosphäre kann schnell unterdrückt werden, so daß eine gleich­ mäßige Partialdruckverteilung zwischen den gegenüber­ stehenden Elektroden gewährleistet und damit die Her­ stellung eines Verhältnissensors mit gutem Ansprech­ verhalten und hohem Gasdiffusions-Begrenzungswirkungs­ grad ermöglicht wird. Besonders gute Ergebnisse werden dann erzielt, wenn die im Umfang des Diffusionsraums ausgebildeten Öffnungen mit einem porösen Material aus­ gefüllt sind.

Die bei jedem Profilformstück verwendete Spannungsent­ lastungsschicht verhindert in vorteilhafter Weise ein Verziehen des Verhältnissensors im Betrieb und ein Versagen bzw. einen Bruch aufgrund einer Fehl­ anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten.

Da sowohl die Sauerstoffkonzentrationszelle als auch die Sauerstoffpumpe jeweils auf einer einzigen Fest­ elektrolytplatte 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 entsprechen­ den Dicke eingebracht werden; auf diese Weise wird eine Verformung des Diffusionsraums während der Fertigungs­ vorgänge, insbesondere im Sinter- oder Brennvorgang, vermieden und damit eine sichere Massenfertigung brauch­ barer Verhältnissensoren sichergestellt.

Claims (5)

1. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit einer elektro­ chemischen Sauerstoffkonzentrationszelle (2) und einer Sauerstoffpumpe (3), die unter Festlegung eines Zwischenraums einander flächig gegenüber­ stehen, wobei die von der Sauerstoffpumpe (3) abge­ wandte Seite der elektrochemischen Zelle (2) mit der (Umgebungs-)Atmosphäre in Berührung steht und der Zwischenraum einen Gasdiffusionsraum (9) bildet, der mit einem interessierenden oder zu untersuchen­ den Gas über ein Gasdiffusions-Begrenzungsmittel (30) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen elektrochemischer Sauer­ stoffkonzentrationszelle (2) und Sauerstoffpumpe (3) eine Weite von nicht mehr als 0,2 mm und nicht weniger als 0,01 mm besitzt.

2. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasdiffusions- Begrenzungsmittel aus mindestens einer im Umfang des Gasdiffusionsraums ausgebildeten Öffnung besteht.

3. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung sich vom Gasdiffusionsraum zum Vorderende des Verhältnis­ sensors erstreckt.

4. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasdiffusions-Be­ grenzungsmittel den Gasdiffusionsraum selbst, mindestens eine in dessen Umfang ausgebildete Öff­ nung und ein diese Öffnung ausfüllendes poröses Material umfaßt.

5. Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwi­ schen der elektrochemischen Sauerstoffkonzentrations­ zelle und der Sauerstoffpumpe eine Weite im Bereich von bis zu 0,1 mm aufweist.