DE3816460C2 - Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses, die das Treibstoff- Luft-Verhältnis eines einer Verbrennungseinrichtung zugeführten Treibstoff-Luft-Gemisches aufgrund des Sauerstoffgehalts im Abgas einer solchen, wie z. B. eines Verbrennungsmotors, erfaßt.

Die offengelegte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 59-178354 zum Beispiel offenbart einen typischen Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis-Sensor, der das Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis von Treibstoff-Luft-Gemisch-Gasen, die einer Verbrennungseinrichtung, wie zum Beispiel einem Verbrennungs­ motor, zugeführt werden, durch Erfassen des Sauerstoffgehalts in Abgas bestimmt. In diesem Fall ist auf beiden Seiten eines festen Sauerstoffionenleitungselektrolyten eine poröse Elektrode gebildet, um ein Sensorelement zu bilden. Ein Paar solcher Sensorelemente ist einander gegenüberliegend mit einem Spalt dazwischen angeordnet. Der Spalt bildet eine Gasdiffusions­ regelkammer, in der die Diffusion des Abgases begrenzt ist.

Dieser Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor betreibt ein Sensorelement als ein Sauerstoffkonzentration-Zellenelement, während das andere Sensorelement als ein Sauerstoff-Pumpelement betrieben wird. Der Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor dieser Art wirkt einerseits als eine Meßschaltung, die einen in das Sauerstoff-Pumpelement fließenden Strom steuert, so daß die an den Elektroden des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements er­ zeugte Spannung konstant wird. Das Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnis wird durch einen solchen Stromwert bestimmt. Andererseits wirkt ein anderer Typ des Sauerstoffsensors als eine Meßschaltung, die einen konstanten Strom in das Sauerstoff-Pumpelement in einer solchen Richtung fließen läßt, daß der Sauerstoff in der Gas­ diffusionsregelkammer in ihre Umgebung gepumpt wird. Das Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis wird von einer an den Elektroden des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements erzeugten Spannung bestimmt.

Bei dem Sauerstoffionenleitungselektrolyt, der das Sensor­ element bildet, erhöht sich die Beweglichkeit der Sauerstoffionen mit Ansteigen der Temperatur, und eine für den normalen Betrieb des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements oder des Sauerstoff- Pumpelements hinreichende Beweglichkeit des Sauerstoffs wird bei einer höheren Temperatur als ein bestimmter Wert erreicht. Andererseits ändert sich eine an den Elektroden auf beiden Seiten des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements erzeugte Spannung oder ein in das Sauerstoff-Pumpelement fließender Strom in Abhängigkeit von einer Veränderung der Umgebungstemperatur. Deshalb ist der Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor im allgemeinen mit einem von einem wärmeerzeugenden Widerstand ge­ bildeten Heizelement zum Zwecke des Aktivierens des Sensorelements und zur Temperaturkompensation versehen, und es heizt das Sensorelement durch Anlegen einer Spannung der Meßschaltung an das Heizelement.

Somit ist eine Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnisses, welche den Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnis-Sensor aufweist, geeignet, die Wirkung von Temperatur­ änderungen des Sensorelements, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, durch die Heizelemente zu verringern, und dadurch das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis stabil zu erfassen. Dennoch weist diese Einrichtung ein Problem auf, und zwar dann, wenn die vom Heizelement erzeugte Wärme sich aufgrund einer Schwankung der an das Heizelement angelegten Spannung ver­ ändert, kann das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis wegen der sich ergebenden Veränderung der Temperatur des Sensorelements nicht stabil erfaßt werden. Folglich ist es erforderlich, eine an das Heizelement angelegte Spannung genau zu steuern, woraus sich ergibt, daß eine besondere elek­ trische Schaltung zum Steuern der Heizspannung zusätzlich vor­ zusehen ist.

Aus der DE 37 43 435 A1 ist eine Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses bekannt, bei der ein Sauerstoffkonzentration-Zellenelement und ein Sauerstoff-Pump­ element zum Pumpen von Sauerstoff in ein Meßgas oder aus einem Meßgas heraus vorgesehen sind, wobei das Meßgas in einer Gas­ diffusionsregelkammer vorliegt. Der Betrag des Sauerstoffes in dem Meßgas wird nach dem Verhältnis der Spannung, die zwischen Elektroden erzeugt wird, die auf den Oberflächen des Sauerstoffkonzentration- Zellenelements angeordnet sind, wobei eine der Oberflächen der Gasdiffusionsregelkammer zugewandt ist und die Spannung der Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas entspricht, zu dem Betrag des Stromes, der durch das Sauerstoff-Pumpelement fließt, bestimmt. Indem die Spannung an das Sauerstoffkonzentration- Zellenelement angelegt wird, wird Sauerstoffgas innerhalb der Gasdiffusionsregelkammer in eine Keramikkammer transportiert. Dabei wird die Keramikkammer als Sauerstoffreferenzkammer benutzt. Der in die Keramikkammer transportierte Sauerstoff kann durch eine Öffnung oder Leitung zu der Gasdiffusionsregelkammer zurückkehren.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum Er­ fassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses vorzusehen, mit der ein Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis genau ermittelt werden kann, selbst wenn sich eine an ein Heizelement der Einrichtung angelegte Spannung ändert oder wenn sich der Atmosphärendruck ändert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses, die durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine feste Lösung von Zirkonerde und Yttriumoxyd bzw. Kalzium­ oxyd ist als fester sauerstoffionenleitender Elektrolyt für das Sensorelement typisch. Darüber hinaus kann jede feste Lösung von Selendioxyd, Thoriumdioxyd und Hafniumdioxyd sowie eine feste Lösung eines perowskitartigen Oxyds und eine feste Lösung eines dreiwertigen Metalloxyds verwendet werden.

Außerdem kann die poröse Elektrode, die an beiden Oberflächen des festen Elektrolyten vorgesehen ist, durch verschiedene Ver­ fahren gebildet werden, wie zum Beispiel aufgesprühte Metallbe­ schichtung durch Formen, chemisches Beschichten, Vakuumver­ dampfung eines Metalls, das eine ausgezeichnete Wärmefestigkeit hat wie zum Beispiel Pt, Ru, Pd, Rh, Ir, Ag und Au, oder Sintern durch Aufdrucken der Paste der obigen Metalle.

Die wie oben erläutert gebildeten beiden Sensorelemente sind jeweils so aufgebaut, daß eine poröse Elektrode von jedem der Sensorelemente der Gasdiffusionsregelkammer gegenüberliegt. Die Gasdiffusionsregelkammer leitet das umströmende Meßgas unter Regulierung der Diffusion ein. Die Gasdiffusionsregelkammer kann gebildet werden, indem zwei Sensorelemente mit einem ent­ sprechenden Spalt einander gegenüberliegend angeordnet werden, wie in der Beschreibungseinleitung für den Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Sensor erklärt ist.

Weiterhin kann die Gasdiffusionsregelkammer dadurch gebildet werden, daß zwischen die beiden Sensorelemente ein hohler Abstandshalter aus Aluminiumoxyd, Spinell, Forsterit, Steatit und Zirkoniumoxyd gebracht wird und Löcher, die die Außenseite mit der Gasdiffusionsregelkammer verbinden, in einem Teil dieses Abstandhalters als Gasdiffusionsregelabschnitt vorgesehen sind.

Nun heizt das Heizelement die beiden Sensorelemente, um sie zur Benutzung als Sauerstoffkonzentration- Zellenelement oder Sauerstoff-Pumpelement geeignet zu machen. Das Heizelement hat zum Beispiel einen Aufbau, bei dem ein wärmeerzeugender Körper durch das Druckverfahren auf einer Oberfläche einer anorganischen Isolationsplatte wie ein Band gebildet ist. Während die anorganische Isolationsplatte zum Beispiel aus Aluminiumoxyd, Spinell, Forsterit, Steatit oder Zirkoniumoxyd usw. gebildet werden kann, kann der wärmeerzeugende Körper zum Beispiel aus einem wärmebeständigen Metall wie etwa Platin, Gold usw. gebildet werden.

Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft-Mischungsverhält­ nisses betreibt die Einrichtung zur Abgabe eines Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis-Signals das eine der beiden Sensorele­ mente als das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement und das an­ dere Sensorelement als das Sauerstoff-Pumpelement, und sie gibt ein Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signal entsprechend des Sauerstoffgehalts im Abgas ab.

Das als Sauerstoffkonzentration-Zellenelement verwendete Element wird unter Benutzung der unten beschriebenen Eigenschaft betrieben. Da die Sauerstoffionen im festen Elektrolyten vom Teil der Oberfläche des festen Elektrolyten mit hohem Partial­ druck des Sauerstoffgases zum Teil mit niedrigem Partialdruck über­ gehen, falls der sauerstoffionenleitende feste Elektrolyt in geeignetem Temperaturzustand (z. B. 400°C oder höher, wenn der feste Elektrolyt aus Zirkoniumoxyd gebildet ist) ist, kann ein Verhältnis der Partialdrücke des Sauerstoffgases zwischen den Elektroden als eine Spannung erfaßt werden. Eine Spannung wird zwischen den Elektroden an beiden Oberflächen des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements entsprechend dem Verhältnis der Partialdrücke des Sauerstoffgases in der Umgebung (und zwar im Abgas) zum Teildruck des Sauerstoffgases in der Gas­ diffusionsregelkammer erzeugt, und diese Spannung wird von der Einrichtung zum Abgeben eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnis-Signals abgegeben.

Das als Sauerstoff-Pumpelement benutzte Sensorelement wird unter Verwendung der nachstehend beschriebenen Eigenschaft betrieben. Da die Sauerstoffionen im festen Elektrolyten sich bei Anlegen einer Spannung an den sauerstoffionenleitenden festen Elektro­ lyten bewegen, kann solch eine Bewegung als ein elektrischer Strom erfaßt werden. Wird zum Beispiel eine Spannung an die Elektrode an einer Seite der Gasdiffusionsregelkammer als eine negative Elektrode mittels der Einrichtung zum Abgeben des Treib­ stoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signals angelegt, wird das Sauer­ stoffgas innerhalb der Gasdiffusionsregelkammer an die Umgebung abgepumpt, und wenn eine Spannung an die Elektrode an dieser Seite als die positiven Elektrode angelegt wird, wird das Sauer­ stoffgas in der Umgebung in die Gasdiffusionsregelkammer hinein­ gepumpt.

Dementsprechend kann die Einrichtung zum Abgeben eines Treib­ stoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signals wie in der Beschreibungseinleitung erläutert aufgebaut sein, so daß ein in das Sauerstoff-Pumpele­ ment fließender Strom gesteuert wird, um die an den Elektroden der beiden Seiten des Sauerstoffkonzentration-Zellenelementes erzeugte Spannung konstant zu halten. Das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis kann aus solchen gesteuerten elektrischen Strömen erfaßt werden. Andererseits kann die Einrichtung zur Abgabe des Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Signals so aufgebaut sein, daß ein konstanter Strom zum Sauerstoff-Pumpelement in der Richtung geliefert wird, in der der Sauerstoff in der Gasdiffusionsregelkammer zur Umgebung gepumpt wird. In diesem Fall kann das Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis von einer von den beiden Elektroden an bei­ den Seiten des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements erzeugten Spannung erfaßt werden.

Die Erfindung kann auch auf einen nachstehend erläuterten Treib­ stoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor angewendet werden. Es handelt sich dabei um einen vor kurzem gebauten Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis-Sensor, der mit einer Atmosphären­ lufteinführkammer versehen ist, um das Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis im gesamten Bereich von fett bis mager zu erfassen. Die Atmosphärenlufteinführkammer ist an einer Seite der porösen Elektrode, die nicht der Gasdiffusionsregelkammer gegenüber­ liegt, gebildet, und die Atmosphärenluft wird in die Atmos­ phärenlufteinführkammer eingeleitet. In diesem Fall kann die Einrichtung zum Abgeben eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnis-Signals so ausgelegt werden, daß ein in das Sauerstoff- Pumpelement fließender Strom in beiden Richtungen gesteuert wird und daß ein solcher Stromwert als das Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis-Signal abgegeben wird, so daß eine an den Elektroden erzeugte Spannung konstant ist und insbesondere ein Partialdruck des Sauerstoffgases in der Gasdiffusionsregelkammer konstant wird.

Eine Stromversorgungseinheit liefert an das als Sauerstoff­ konzentration-Zellenelement betriebene Sensorelement einen Strom in einer solchen Richtung, daß das umgebende Sauerstoffgas in die Gasdiffusionsregelkammer gepumpt wird, um das Sensor­ element nicht nur als ein Sauerstoffkonzentration-Zellenelement, sondern auch als ein Sauerstoff-Pumpelement zu betreiben. Dieser Aufbau wird gewählt, um sicherzustellen, daß, wie weiter unten erläutert wird, das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis von einer am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugten Spannung und einem in das Sauerstoff-Pumpelement fließenden Strom ständig erfaßt wird, selbst wenn eine an das Heizelement angelegte Spannung sich ändert.

Der Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor wird zum Beispiel, wie in Fig. 5 gezeigt ist, dadurch gebildet, daß zwei Sensorelemente S1 und S2, die beide plattenförmig gebildet sind, mit einem Zwischenraum als Spalt K als der Gasdiffusionsregelkammer einander gegenüber angeordnet werden und daß dann an beiden Außenseiten solcher Sensorelemente S1 und S2 die Heizelemente H1 und H2 vorgesehen sind, um sie zu heizen. Im Fall, daß eine an die Heizelemente H1 und H2 angelegte Spannung (nachfolgend als Heizspannung bezeichnet) Vh sich in Vh1, Vh2, Vh3 ändert (wobei Vh1<Vh2<Vh3), wird die Beziehung zwischen der Spannung Vs, die vom Sensorelement S1 als dem Sauerstoffkonzen­ tration-Zellenelement erzeugt wird, und dem in das Sensorelement S2 als dem Sauerstoff-Pumpelement fließenden Strom (nachfolgend als Pumpstrom bezeichnet) Ip, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Und zwar wird Vs=0, wenn Ip gleich 0 ist, und wenn der Pumpstrom Ip zunimmt, nimmt die Spannung Vs so deutlich zu, wie die Heizspannung Vh abnimmt.

Wenn die Heizspannung Vh niedrig und der von den Heizelementen H1 und H2 erzeugte Wärmebetrag klein wird, wird die Temperatur der Gasdiffusionsregelkammer niedrig und die Übertragung von Sauerstoff an die Gasdiffusionsregelkammer reduziert. Der Betrag des zu transferierenden Sauerstoffs stark reduziert, wenn die Temperatur in der Gasdiffusionsregelkammer, in welcher die Gasdiffusion durch Gasphasendiffusion reguliert wird, niedriger wird. Damit wird selbst dann, wenn der Pumpstrom Ip des Sensor­ elements S2 konstant ist und ein konstanter Betrag an Sauerstoff im Zwischenraum K nach außen gebracht wird, eine geringere Menge an Sauerstoff in den Zwischenraum K diffundiert. Dies reduziert den Partialdruck des Sauerstoffs im Zwischenraum K, und dadurch wird eine elektromotorische Kraft Vs erzeugt, da das Sensorele­ ment S1 auf Hochpegel geht.

Wie in Fig. 5 durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist, wird eine Spannung Vd über einen Widerstand R an das als Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelement dienende Sensorelement S1 ange­ legt, um einen konstanten Stromfluß Io in das Sensorelement S1 hinein in solch einer Richtung zu ermöglichen, daß der Umge­ bungssauerstoff in den Zwischenraum K fließt. In diesem Fall wird das Verhältnis zwischen der Spannung Vs und dem Pumpstrom Ip folgendes. Wenn der Pumpstrom Ip gleich 0 ist, wird der Absolutwert der Spannung Vs größer, da die Heizspannung Vh kleiner ist, als in Fig. 7 angegeben. Die Zunahme der Spannung Vs wird um so deutlicher, als die Heizspannung Vh kleiner ist, als in Fig. 6 angezeigt. Wird der Pumpstrom Ip erhöht, dann kommt die Spannung Vs für jede Heizspannung Vh (Vh1, Vh2, Vh3) näher an einen speziellen Spannungswert Vso und konvergiert zu ihm mit einem konstanten Strom Ipo, wie in Fig. 7 gezeigt ist.

Da der innere Widerstand r des Elements S1 um so größer ist, je niedriger die Temperatur des Sensorelements S1 ist, ändert sich die Spannung Vs bei Ip=0 in Abhängigkeit von der Heiz­ spannung Vh (Vs=Io·r). Daher wird ein spezieller Punkt P er­ halten, an den die Spannung Vs durch den Pumpstromwert Ip und unabhängig von der Heizspannung Vh aufgrund des Unterschiedes im Temperaturverhalten (das heißt des Temperaturgradienten) der in Fig. 6 gezeigten Kennlinie Vs-Ip fest bestimmt werden kann.

Fließt nun ein Strom in eine solche Richtung, daß der Umgebungs­ sauerstoff in die Gasdiffusionsregelkammer gepumpt wird durch Anlegen einer festgelegten Spannung an das Spannungskonzentration- Zellenelement durch die Stromversorgungseinrichtung, kann die stabile Spannung Vs selbst dann erhalten werden, wenn die Heizspannung Vh sich ändert. Damit kann das Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis dann mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, wenn die Heizspannung Vh durch das Vorsehen einer Einrich­ tung zur Abgabe eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signals in der folgenden Weise erfolgt. Der in das Sauerstoff-Pump­ element fließende Pumpstrom Ip wird so gesteuert, daß eine im Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugte Spannung zu Vso wird. In diesem Fall wird das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis durch einen solchen Stromwert Ip erfaßt. Alternativ wird bewirkt, daß der Pumpstrom Ipo in das Sauerstoff-Pumpelement fließt, und in diesem Fall wird das Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis durch die am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugte Spannung Vs erfaßt.

Die Stromversorgung des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements kann durch Verwendung einer Konstantstromquelle oder durch Fest­ setzen einer Spannung Vd als einer konstanten Spannung und Fest­ setzen eines Widerstandswertes des Widerstands R als einen so großen Wert, daß der Strom nicht durch den inneren Widerstand des Zellenelements beeinflußt wird, ausgeführt werden. Somit kann theoretisch der Punkt erhalten werden, an dem Vs und Ip am besten stabilisiert sind. In diesem Falle ist es jedoch wün­ schenswert, da sich Vs und Ip nicht immer in einem Punkt kreuzen, und da ein Widerstandswert einer Elektrode usw. wegen eines Temperaturwechsels aufgrund einer Änderung der Heizspannung Vh sich verändert, daß eine Stromstärke oder eine von der Stromquelle angelegte Spannung in Abhängigkeit von der Heizspannung Vh geändert wird. Da jedoch ein solcher Aufbau eine Konstantstromschal­ tung, eine Konstantspannungsschaltung oder eine Steuerschaltung, die einen Strom oder eine Spannung in Abhängigkeit von der Heiz­ spannung Vh steuert, erfordert, kann die Schaltung für den prak­ tischen Gebrauch dadurch vereinfacht werden, daß die Heiz­ spannung Vh über den Widerstand R direkt an das Sauerstoffkon­ zentration-Zellenelement angelegt wird.

In einer solchen Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnisses verändert sich das erfaßte Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Veränderung des Umgebungsdrucks. Aber eine solche Veränderung kann durch Anwendung des oben beschriebenen Aufbaus unterdrückt werden, da eine Veränderung der Erfassung als Reaktion auf eine Veränderung des Atmosphärendrucks von der Tatsache abhängt, daß die Menge des an die Gas­ diffusionsregelkammer übertragenen Sauerstoffs aufgrund des Wechsels des Atmosphärendrucks sich verändert (wenn der Atmosphärendruck niedriger wird, wird die Menge des an die Gasdiffusionsregelkammer übertragenen Sauerstoffs kleiner, und der innere Widerstand r des Elements S1 wird größer, da die Menge des das Element S1 umgebenden Sauerstoffs kleiner wird).

Wie weiter oben beschrieben ist, wird bei der Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft-Mischungsverhält­ nisses das als Sauerstoffkonzentration-Zellenelement betriebene Sensorelement auch als Sauerstoff-Pumpelement betrieben. Wenn der in das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom Ip=0 ist, kann die im Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugte Spannung Vs entsprechend der an das Sauerstoffkonzentration- Zellenelement angelegten Spannung Vd verändert werden. Somit können ein konstanter Pumpstrom Ipo und eine besondere Spannung Vso unabhängig von der Heizspannung Vh erhalten werden. Somit kann das stabilisierte Treibstoff-Luft-Mischverhältnis- Signal immer erhalten werden, selbst wenn die Heizspannung Vh sich verändert hat, indem die Einrichtung zum Abgeben des Treib­ stoff-Luft-Mischverhältnis-Signals so ausgebildet ist, daß der in das Sauerstoff-Pumpelement fließende Pumpstrom so gesteuert wird, daß eine am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugte Spannung zu Vso wird und daß das Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis von einem solchen Stromwert abgeleitet wird oder daß, falls ein konstanter Pumpstrom Ipo zum Fließen in das Sauer­ stoff-Pumpelement gebracht wird, das Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis von einer im Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugten Spannung erfaßt wird. Darüber hinaus kann in diesem Fall eine Veränderung des Umgebungsdrucks kompensiert werden.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung des Gesamtaufbaus einer Treibstoff- Luft-Gemisch-Sensoreinrichtung in einer Ausführungsform,

Fig. 2 bis 4 den Aufbau eines Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis- Sensors 1, wobei Fig. 2 eine Draufsicht, Fig. 3 eine Explosionszeichnung und Fig. 4 eine Seitenansicht sind,

Fig. 5 bis 7 die Wirkung der Einrichtung, wobei Fig. 5 eine Schaltung zeigt, die eine zur Erläuterung der Wirkung verwendete Versuchsschaltung darstellt, Fig. 6 eine Kennlinien­ schar darstellt, die das Verhältnis der im Sauerstoff­ konzentration-Zellenelement erzeugten Spannung Vs zum Pumpstrom Ip darstellt, wenn kein Strom an das Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelement angelegt wird, und Fig. 7 ein Kennlinienfeld darstellt, das das Verhältnis der im Sauerstoffkonzentration-Zellenelement erzeugten Spannung Vs zum Pumpstrom Ip angibt, wenn an das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement ein Strom angelegt wird.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, wird der Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Sensor 1 von einem (nachfolgend als Sauer­ stoff-Pumpelement bezeichneten) Sensorelement 10, das von einer Erfassungsschaltung betrieben wird und das wie eine Platte mit dem festen sauerstoffionenleitenden Elektrolyten gebildet ist, einem (im weiteren als Sauerstoffkonzentration-Zellenelement bezeichneten) Sensorelement 20, das von der Erfassungsschaltung betrieben wird und wie eine Platte mit dem festen sauerstoffionenleitenden Elektrolyten gebildet ist, und zwei plattenförmig ausgebildeten Heizelementen 30 und 40 gebildet. Das Sauerstoff-Pumpelement 10 und das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 sind mit einem Spalt 50 einander gegenüberliegend angeordnet. Im Fall dieser Ausführungsform wird die Gasdiffusionsregelkammer von diesem Spalt 50 gebildet. Die beiden Heizelemente 30 und 40 sind mit den jeweiligen Spalten 52 bzw. 54 an den den einander zugewandten Seiten des Sauerstoff-Pumpelements 10 und des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements 20 abgewandten Seiten angeordnet.

Das Sauerstoff-Pumpelement 10 und das Sauerstoffkonzentration- Zellenelement 20 sind aus gesinterten Platten eines festen sauerstoffionenleitenden Elektrolyten 11, 21 mit einer Dicke 0,7mm, einer Breite 4 mm und einer Länge 35 mm gebildet. An den Endabschnitten der Sensorelemente 10 und 20 sind quadra­ tische, aus einer wärmefesten Metallschicht bestehende Elektroden 10b, 10c bzw. 20b, 20c an den jeweiligen Vorder- bzw. Rückoberflächen der Sensorelemente und von drei Kantenab­ schnitten etwas nach innen hinein angeordnet. Aus der wärmefesten Metallschicht bestehenden Leitungen 10d, 20d sind wie Gurtbänder sich gerade erstreckend an der Seite eines Fußabschnittes der Platten 10a, 20a von einem der beiden Winkelabschnitte in Richtung auf den Fußabschnitt der einen der quadratischen Elektroden 10b, 20b angeordnet. In gleicher Weise sind Leitungen 10e, 20e wie Gurtbänder sich gerade erstreckend an der Seite des Fußabschnitts der Platten 10a, 20a von dem den Elektroden 10c, 20c entgegengesetzten Winkelabschnitt von zwei Winkelabschnitten in Richtung auf den Fußabschnitt der anderen quadratischen Elektroden 10c, 20c angeordnet. Die Leitungen 10e und 20e sind elektrisch mit Endabschnitten 10g, 20g an der entgegengesetzten Oberfläche durch Durchführungen 10f, 20f, die durch die Vorder- und Rückoberfläche der Platten 10a, 20a an den Fußabschnitten vorgesehen sind, verbunden. Die Leitungen 10d und 20d bilden an den Fußabschnitten Endabschnitte 10h bzw. 20h. Als Ergebnis sind die Endabschnitte 10g und 10h, 20g und 20h der beiden Elektroden 10b und 10c, 20b und 20c auf der gleichen Oberfläche angeordnet.

Nachstehend werden die Heizelemente 30 und 40 erläutert. Die Heizelemente 30 und 40 sind im wesentlichen aus elektrisch isolierten gesinterten Platten 30a, 40a mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Breite von 4 mm und einer Länge von 30 mm gebildet. An den Endabschnitten der einen Oberfläche der Heizelemente 30 und 40 sind aus einer wärmefesten Metallschicht bestehende wärmeerzeugende Widerstände 30b, 40b serpentinenförmig an­ geordnet. Ferner sind aus einer wärmefesten Metallschicht bestehende Leitungen 30c und 30d, 40c und 40d wie Gurtbänder, die sich von den beiden Endabschnitten der wärmeerzeugenden Widerstände 30b und 40b gerade zu den Fußabschnitten der Platten 30a, 40a erstrecken, ausgebildet. Die Leitungen 30c und 30d, 40c und 40d sind jeweils elektrisch mit den Endabschnitten 30g und 30h, 40g und 40h an den entgegengesetzten Oberflächen durch Durchführungen 30e und 30f, 40e und 40f, die an der Vorder- und an der Rückoberfläche der Platten 30a und 40a an deren Fuß­ abschnitten vorgesehen sind, verbunden.

Der wärmeerzeugende Widerstand 30b ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, aus einem ersten Heizabschnitt 30b1 und zwei zweiten Heiz­ abschnitten 30b2, 30b3 gebildet.

Der erste Heizabschnitt 30b1 hat eine Breite von 0,30 mm, während die zweiten Heizabschnitte 30b2 und 30b3 eine Breite von 0,35 mm haben, und die Leitungen 32c, 30d haben eine Breite von 1,20 mm. Der Widerstand je Längeneinheit ist größer, wenn die Breite des Musters kleiner ist, und es wird mehr Wärme erzeugt, wenn der Widerstand je Längeneinheit größer ist. Daraus folgt, daß, wenn elektrische Leistung an den wärmeerzeugenden Widerstand 30b an­ gelegt wird, die Temperatur der Elektrode 10b (die entsprechende Position A ist in Fig. 2 durch eine unterbrochene Linie ange­ zeigt) des durch den schmalsten ersten Heizabschnitt 30b1 be­ heizten Sauerstoff-Pumpelements höher und die Temperatur in der Umgebung des durch die zweiten Heizabschnitte 30b2, 30b3, welche breiter sind als der erste Heizabschnitt, beheizten Spalts 50 vergleichsweise niedrig wird.

Obwohl dies in der Figur nicht dargestellt ist, ist der wärme­ erzeugende Widerstand 40b genauso aufgebaut wie der wärmeerzeu­ gende Widerstand 30b.

Die Endabschnitte 10g, 10h, 20g, 20h, 30g, 30h, 40g, 40h des Sauerstoff-Pumpelements 10, des Sauerstoffkonzentration-Zellen­ elements 20 und der Heizelemente 30 und 40 sind mit Platin­ leitungen 60a bis 60h als Zuführungsdrähte verbunden. Die End­ abschnittsseiten der Platinleitungen 60a bis 60h sind mit Isolatoren 62a bis 62d mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Länge von 4 mm und einer Breite von 4 mm bedeckt. Der Spalt 50 zwischen dem Sauerstoff- Pumpelement 10 und dem Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 wird durch einen Abstandhalter 64 mit einer Dicke von 100 µm gebildet, und die Spalte 52, 54 zwischen dem Sauerstoff- Pumpelement 10 und dem Heizelement 30 bzw. zwischen dem Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelement 20 und dem Heizelement 40 werden durch Abstandhalter 66, 68 mit einer Dicke von 80 µm gebildet.

Der Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird wie nachstehend erläutert hergestellt. Zuerst werden das Sauerstoff-Pumpelement 10 und das Sauerstoffkonzentra­ tion-Zellenelement 20 in den Prozeßschritten (1)-1 bis (1)-10 wie unten beschrieben hergestellt, und der Spalt 50 als die Gas­ diffusionsregelkammer wird durch Verbinden dieser Elemente 10, 20 durch einen wärmefesten Zement gebildet.

(1)-1 ZrO₂ (94 mol%) und Y₂O₃ (6 mol%) werden gemischt und 40 Stunden lang im Naßverarbeitungssystem gemahlen.
(1)-2 Die gemahlene Mischung wird getrocknet und vor­ übergehend 2 Stunden lang bei 1300°C gebacken.
(1)-3 Dieses gebackene Material wird erneut 40 Stunden lang im Naßverarbeitungssystem gemahlen, und es wird dadurch das Rohmaterialpulver des festen Elektrolyten erhalten.
(1)-4 Ein organisches Bindemittel, Methyl-Äthyl-Keton, Toluol, usw. wird dem Rohmaterialpulver des festen Elektrolyten beigefügt, um einen flüssigen Brei zu erhalten.
(1)-5 Aus diesem flüssigen Brei wird nach dem Abstreich­ messerverfahren ein 0,9 mm dickes Blattmaterial erhalten.
(1)-6 Die Paste für den Elektrolyten wird erhalten durch Hinzufügen von 10 Gewichtsprozenten des in Schritt (1)-3 erhal­ tenen Rohmaterialpulvers des festen Elektrolyten, sowie Lösungs­ mittel und Bindemittel zu der Mischung, wobei Platinschwarz und Platinschwamm im Verhältnis 2 : 1 gemischt werden.
(1)-7 Die Muster der Elektrode, der Leitung und des End­ abschnitts werden wie in Fig. 2 gezeigt auf dem in Schritt (1)-5 erhaltenen Blattmaterial in einer Dicke von 40 µm durch Siebdruck der in Schritt (1)-6 erhaltenen Paste für die Elek­ trode gebildet.
(1)-8 Nachdem das Blattmaterial, auf das die Paste für die Elektrode gedruckt ist, in die Form jedes Elements ge­ schnitten ist, wird ein Platindrahtendabschnitt mit 0,3 mm Durchmesser auf das Muster des auf dem Blattmaterial jedes Ele­ ments gebildeten Endabschnitts gebracht, und außerdem wird ein einzelnes Blatt des in Schritt (1)-5 erhaltenen Blattmaterials daraufgelegt, und diese werden durch die Presse geschichtet.
(1)-9 Nachdem das Blattmaterial jedes Elements 6 Stunden lang bei 300°C behandelt worden ist, um das enthaltene Harz zu eli­ minieren, wird es unter Atmosphärendruck 4 Stunden lang bei 1500°C gebacken. Somit sind das Sauerstoff-Pumpelement 10 und das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 gebildet.
(1)-10 Die Elemente 10 und 20 werden mit wärmefestem Zement befestigt, so daß der Spalt zwischen den wie oben be­ schrieben gefertigten und zu den Elementen 10, 20 entgegengesetzt angeordneten Elektroden 10c und 20c gleich 100 µm wird. Der zum Befestigen benutzte wärmefeste Zement dient als Abstand­ halter 64. Der Spalt 50, der durch diesen wärmefesten Zement gebildet wird, wird eine Gasdiffusionsregelkammer.

Dann werden die Heizelemente 30 bzw. 40 in den anschließend erläuterten Schritten (2)-1 bis (2)-4 hergestellt und an den im Schritt (1)-10 zusammengefügten Aufbau angefügt.

(2)-1 Ein 0,9 mm dickes Blattmaterial wird in der gleichen Weise wie in den Schritten (1)-4 und (1)-5 aus einem aus Al₂O₃ mit 92 Gewichtsprozenten, MgO mit 3 Gewichtsprozenten, SiO₂ mit 3 Gewichtsprozenten, CaO usw. bestehenden Rohmaterial­ pulver gebildet.
(2)-2 Wie im Schritt (1)-7 werden die Muster des wärme­ erzeugenden Widerstands, der Leitung und des Endabschnittes wie in Fig. 2 gezeigt auf dem in Schritt (2)-1 gebildeten Blatt­ material mit einer Dicke von 25 µm und einer wie oben erläu­ terten Breite durch Siebdruck unter Verwendung der in Schritt (1)-6 gebildeten Paste für Elektroden gebildet.
(2)-3 Wie in den Schritten (1)-8 und (1)-9 wird, nach­ dem das mit der Paste für Elektroden wie oben beschrieben be­ druckte Blattmaterial in die Form des Heizelements geschnitten ist, der Endabschnitt der Platinleitung mit 0,3 mm Durchmesser auf das Muster des Endabschnitts auf das Blattmaterial des Heiz­ elements gebracht, und ein einzelnes Blatt des in Schritt (1)-5 erhaltenen Blattmaterials wird daraufgelegt, und diese werden durch die Presse geschichtet. Nachdem das Blattmaterial des Heizelements zum Eliminieren des Harzes 6 Stunden lang bei 300°C behandelt wird, wird es unter Atmosphärendruck 2 Stunden lang bei 1520°C gebacken, um die Heizelemente 30 und 40 mit dem wärmeerzeugenden Widerstand von 2,5 Ohm zu erhalten.
(2)-4 Die im Schritt (2)-3 erhaltenen Heizelemente 30 und 40 werden unter Verwendung des wärmefesten Zements an den in Schritt (1)-10 erhaltenen Aufbau so angefügt, daß der Abstand zum Aufbau 80 µm wird. Der zum Anfügen verwendete wärmefeste Zement wird zu den oben erläuterten Abstandhaltern 66, 68.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der wie oben beschrieben ge­ bildete Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor mit einer Erfassungs­ schaltung 70, welche ein Heizspannungsversorgungssystem 72 als zum Anlegen einer Spannung aufweist, welches eine Batterie­ spannung Vb an die Heizelemente 30 und 40 liefert, um das Sauer­ stoff-Pumpelement 10 bzw. das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 zu erwärmen, mit einem Stromversorgungssystem 74 als der Stromversorgungseinrichtung, welche die Batteriespannung Vb über den Widerstand R1 (=10 Kiloohm) und Widerstand R2 (=30 Kiloohm) in einer solchen Richtung an das Sauerstoffkon­ zentration-Zellenelement 20 anlegt, daß das umströmende Sauer­ stoffgas in den Spalt 50 als die Gasdiffusionsregelkammer ge­ pumpt wird, und mit einer Treibstoff-Luft-Gemisch-Signalausgangs­ schaltung 76 als der Einrichtung zum Abgeben eines Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis-Signals, welches das Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Signal entsprechend der Sauerstoffkon­ zentration unter Atmosphärenbedingungen auf der Grundlage der am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 erzeugten Spannung Vs und einem in das Sauerstoff-Pumpelement 10 fließenden Pump­ stroms Ip abgibt, verbunden.

Die Treibstoff-Luft-Gemisch-Signalausgangsschaltung 76 ist so aufgebaut, daß sie den in das Sauerstoff-Pumpelement 10 fließenden Pumpstrom Ip so steuert, daß die am Sauerstoffkonzentration- Zellenelement 20 erzeugte Spannung zum vorgegebenen Ziel­ wert Vo (in dieser Ausführungsform: 15 mV) wird, und erfaßt das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis aus einem solchen Stromwert Ip.

Die Treibstoff-Luft-Gemisch-Signalausgangsschaltung 76 weist eine von einem Operationsverstärker OP1 gebildete Spannungs­ erfassungsschaltung 76a, welche die an den Elektroden an beiden Seiten des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements 20 erzeugte Spannung erfaßt, eine von einem Operationsverstärker OP2 ge­ bildete Vergleichs-/Integral-Schaltung 76b, die eine von der Spannungserfassungsschaltung 76a abgegebene Erfassungsspannung Vs mit einem vorgegebenen Zielwert Vo vergleicht und eine Steuerspannung abgibt, die mit der Rate einer festgelegten In­ tegralkonstante stufenweise gesenkt wird, wenn die erfaßte Spannung Vs größer ist als der Zielwert in Vo, oder die mit der Rate der festgelegten Integralkonstante stufenweise erhöht wird, wenn Vs kleiner ist als Vo, eine von einem Transistor Tr1 gebildete Pumpstromsteuerschaltung 76c, die den in das Sauerstoff- Pumpelement 10 fließenden Pumpstrom Ip entsprechend der von der Vergleichs-/Integral-Schaltung 76b abgegebenen Steuerspannung steuert, und eine Pumpstromerfassungsschaltung 76d, die den von der Pumpstromsteuerschaltung 76c gesteuerten Pumpstrom Ip als dem Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signal erfaßt, auf.

Der Zielwert Vo ist ein Wert der Spannung Vso am Schnittpunkt P des in Fig. 7 gezeigten Ergebnisses, der durch Anlegen der Batteriespannung Vb an das Sauerstoffkonzentration- Zellenelement 20 über die Widerstände R1 und R2, wie oben be­ schrieben, Ändern der Batteriespannung Vb und Erhalten, durch Experiment, des Verhältnisses zwischen dem bei jeder Spannung in das Sauerstoff-Pumpelement 10 fließenden Pumpstrom Ip und der am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 erzeugten Spannung Vs erhalten wird.

Nun wird eine Temperaturänderung im Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnis-Signal erläutert.

Eine Änderung des Pumpstroms Ip, wenn sich die an das Heizelement angelegte Spannung Vb von 10 V auf 9,5 V und auf 9 V ändert, nämlich eine Temperaturänderung im Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Signal aufgrund der Änderung der an das Heizelement angelegten Spannung Vb (nämlich einer Batteriespannung) wird durch Experiment erhalten. Zum Vergleich wird der Widerstandswert des Widerstands R2 in Fig. 1 auf einen unendlichen Wert gesetzt, und die Einrichtung zum Erfassen des Treib­ stoff-Luft-Mischungsverhältnisses, in der nicht das Stromversor­ gungssystem 74 für das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 vorgesehen ist, wird gebildet, und dadurch ist ein Temperatur­ wechsel im Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signal experi­ mentell erhalten worden. Die Versuchsergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt.

Tabelle 1

Tabelle 2

In den obigen Tabellen 1 und 2 ist Vs ein an dem Sauerstoff­ konzentration-Zellenelement 20 erzeugter Spannungswert, wenn der Pumpstrom Ip=0 ist und wenn Ip ein Pumpstromwert ist, der erhalten wird, wenn die am Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 erzeugte Spannung Vs so gesteuert ist, daß sie den in den Klammern angegebenen Wert annimmt.

Die in Tabelle 1 gezeigten Versuchsergebnisse deuten an, daß, wenn das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 auch als das Sauerstoff-Pumpelement betrieben wird, indem ermöglicht wird, daß ein Strom in einer solchen Richtung fließt, daß das umströmende Gas durch Anlegen einer Batteriespannung Vb an das Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelement 20 wie im Fall der vorliegenden Ausführungsform in die Gasdiffusionsregelkammer 50 gepumpt wird, eine Änderung des Pumpstroms Ip (nämlich des Treibstoff-Luft- Mischungsverhältnis-Erfassungssignals) aufgrund einer Änderung der an das Heizelement angelegten Spannung (Batteriespannung Vb) wirksamer unterdrückt werden kann und daß das Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis mit höherer Genauigkeit erfaßt werden kann als im Vergleich dazu (Tabelle 2) im Fall, daß das Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelement 20 nur in der bisher geübten Weise betrieben wird.

Die Tabelle 3 zeigt nun Versuchsergebnisse, die bei einem Wechsel des Pumpstroms Ip, nämlich bei einem Druckwechsel des Treib­ stoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signals in einem Fall erhalten worden sind, in dem der Atmosphärendruck bei Verwendung einer Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses in der vorliegenden Ausführungsform und der unten erläuterten zum Vergleich verwendeten Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses verändert worden ist, wobei die an das Heizelement angelegte Spannung auf einen kon­ stanten Wert von 9,5 V festgelegt ist.

Tabelle 3

Aus den obigen experimentellen Ergebnissen der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß eine Änderung des Pumpstroms Ip unter Atmo­ sphärenbedingung unterdrückt werden kann und daß die Genauigkeit der Erfassung des Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses verbessert werden kann, falls ermöglicht wird, daß ein Strom in das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement 20 fließt, da, wie bereits erläutert wurde, eine Änderung der Erfassung des Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnisses durch eine Druck­ änderung von einer Änderung des von der Gasdiffusionsregelkammer eingeleiteten Sauerstoffbetrags aufgrund des Druckwechsels wie des Wechsels der an das Heizelement angelegten Spannung her­ rührt. Wenn nämlich der Umgebungsdruck niedrig wird, wird das Abgas nicht einfach in die Gasdiffusionsregelkammer eingelei­ tet. Als Ergebnis wird ein Partialdruck des Sauerstoffs in der Gas­ diffusionsregelkammer gesenkt, und der Betrag des Sauerstoffs wird ebenfalls gesenkt, und dadurch wird ein innerer Widerstand des Sauerstoffkonzentration-Zellenelements etwas größer. Ist die Einrichtung zum Erfassen des Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses jedoch entsprechend der vorliegenden Ausführungsform gebildet, wird eine Änderung des Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnis-Signals aufgrund einer Änderung des Betrags des an die Gasdiffusionsregelkammer geleiteten Sauerstoffs durch den kom­ pensierten Wert (Ior) unterdrückt, der aus dem inneren Wider­ stand des Elements erhalten wird, und dadurch kann auch eine Änderung des Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Signals bei Druckänderung unterdrückt werden.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungs­ verhältnisses mit:

• (a) einem Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis-Sensor (1) zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas mit
  • (a1) zwei Sensorelementen (10, 20), von denen jedes durch Aufbringen eines Paares poröser Elektroden (10b, 10c, 20b, 20c) auf beiden Oberflächen einer festen, sauer­ stoffionenleitenden Elektrolytplatte (11, 21) gebildet ist,
  • (a2) einer Gasdiffusionsregelkammer (50), die jeweils einer Oberfläche jeweils einer der porösen Elektroden (10b, 10c, 20b, 20c) zugewandt ist und die Diffusion des Abgases beschränkt, und
  • (a3) einem Heizelement (30, 40), das die beiden Sensor­ elemente (10, 20) heizt;
• (b) einer Spannungseinrichtung (72) zum Anlegen einer Spannung (Vb) an das Heizelement (30, 40) zum Heizen der beiden Sensor­ elemente (10, 20),
  • (c1) eine Einrichtung (76) zum Abgeben eines Treibstoff- Luft-Mischungsverhältnis-Signals in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgas durch Betreiben des einen der beiden Sensorelemente (10, 20) als ein Sauerstoffkonzentration-Zellenelement (20) und Betreiben des anderen (10, 20) als ein Sauerstoff-Pumpelement (10),
  • (c2) einer Einrichtung (70) zum Erfassen eines Pumpstromes (Ip), die durch einen Ausgang des Sauerstoffkonzentration- Zellenelementes (20) gesteuert ist,
  • (c3) wobei das Treibstoff-Luft-Mischungsverhältnis aus einem Betrag eines elektrischen Stromes erfaßt wird, der an das Sauerstoff-Pumpelement (10) angelegt ist zum Steuern einer Spannung (Vs), die sich zwischen den porösen Elektroden (10b, 10c, 20b, 20c) des Sauer­ stoffkonzentration-Zellenelementes (20) zu einem Zielwert (Vo) entwickelt, der so bestimmt ist, daß er invariabel bezüglich der Änderungen in der an das Heizelement (30, 40) angelegten Spannung (Vb) ist;
• (d) einem Widerstand (R1, R2) mit einem höheren Widerstandswert als der des Sauerstoffkonzentration-Zellenelementes (20); und
• (e) einer Stromversorgungseinrichtung (74) zum Liefern eines elektrischen Stromes an das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement (20) durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung (Vb) durch den Widerstand an das Sauerstoffkonzentration-Zellenelement (20), wobei der elektrische Strom so gerichtet ist, daß Sauerstoffgas von dem umströmenden Abgas zu der Gasdiffusions­ regelkammer (50) transportiert wird.

2. Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Elektrolaytplatte (11, 21) aus einer festen Lösung von Zirkonerde und Yttriumoxyd gebildet ist.

3. Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsregelkammer (50) durch Laminieren der beiden Sensorelemente (10, 20) mit einem dazwischenliegenden wärmefesten Zement gebildet ist.

4. Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Elektrode durch Sintern einer auf die feste Elektrolytplatte (11, 21) gedruckten wärme­ festen Metallpaste gebildet ist.

5. Einrichtung zum Erfassen eines Treibstoff-Luft-Mischungsver­ hältnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (30, 40) ein band­ förmiges Heizelement (30b, 40b) ist, das auf einen isolierenden anorganischen Körper (30a, 40a) gedruckt ist, der jedem der beiden Sensorelemente (10, 20) gegenüberliegt, und einen schmalen ersten Heizabschnitt (30b, 40b), der einem Abschnitt des Sensorelements mit der porösen Elektrode gegenüberliegt, und einen breiten zweiten Heizabschnitt (30b2, 30b3, 40b2, 40b3), der einem die poröse Elektrode umgebenden Abschnitt des Sensorelements (10, 20) gegenüberliegt, aufweist.