DE2834671A1

DE2834671A1 - Verfahren und vorrichtung zum erfassen des o tief 2 -gehalts eines gases

Info

Publication number: DE2834671A1
Application number: DE19782834671
Authority: DE
Inventors: Joseph Vincent Bienkowski; Donald Colen Davis; Donald Joseph Romine
Original assignee: Bendix Autolite Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1978-08-08
Publication date: 1979-04-05
Also published as: AU3840978A; US4147513A; GB2005026A; FR2404219B1; CA1084730A; SE7810047L; GB2005026B; FR2404219A1; AU515585B2; IT1099102B; JPS5458088A; IT7827869A0

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Op-Gehalts eines Gases

Die Erfindung betrifft sin Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Op-Gehalts im Abgas eines Automobilmotors. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen verbesserten Sauerstoffsensor vom Widerstandstyp, der einen Titandioxidwiderstand und einen Zirkondioxidwiderstand aufweist.

Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen von Automobilen, erzeugen Abgase, die Kohlenmonoxid, Stickoxide und nichtoxydierte Kohlenwasserstoffe, d.h. nichtverbrannte oder nur teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe, enthalten. Alle diese Substanzen tragen zur Luftverschmutzung bei. Um den Anteil dieser Substanzen auf einem Minimum zu halten, ist es erforderlich, die Abgase der Verbrennungskraftmaschinen soviel wie möglich zu reinigen, indem man den größtmöglichen Anteil dieser Substanzen aus den Abgasen wirksam entfernt. Das bedeutet, daB Kohlenmonoxid und die nichtverbrannten Kohlenwasserstoffe soviel wie möglich zu ihrer nächsthöheren Oxydationsstufe, nämlich Kohlendioxid und Wasser (für die Kohlenwasserstoffe), oxydiert und die Stickoxidverbindungen in elementaren Stickstoff und Sauerstoff überführt werden sollten.

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Die Umwandlung der schädlichen Bestandteile der Abgase in ungiftige Bestandteile, wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser, kann durchgeführt werden, indem man die Abgase einer Nachverbrennung unterzieht, d.h. sie Temperaturen über etwa 600 C in Gegenwart von Katalysatoren aussetzt. Um jedoch dieses Verfahren erfolgreich durchzuführen, muß die Zusammensetzung der Abgase so gesteuert werden, daß praktisch eine vollständige Umwandlung der Abgase in die ungiftigen Bestandteile möglich ist. Das bedeutet, daß das Luft-Brennstaff-Verhältnis nahe am stöchiometrischen Wert liegt. Als Maß für den stöchiometrischen Wert wurde der Luftbeiwert A eingeführt. Bei einem Wert von A = 1 entspricht das Luft-Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert. Wenn kein überschüssiger Sauerstoff vorhanden ist, der das Gleichgewicht der verschiedenen möglichen Reaktionen übersteigt, ist /»kleiner als 1. Wenn jedoch A größer als 1 ist, ist überschüssiger Sauerstoff im Gemisch vorhanden. Bei einem Wert von /\= 1 geht das Bas von einem reduzierenden in einen oxydierenden Zustand über.

Um einen Wert des Beiwertes /\ von etwa 1 zu erzielen, muß ein Sensor vorgesehen werden, der den Abgasen ausgesetzt ist und der den Sauerstoffgehalt bestimmt. Dieses Sensorelement wird dann an eine Steuervorrichtung angeschlossen, die die Brennstoff- oder Luftzufuhr reguliert und das richtige Luft-Brennstoff-Gemisch für die Verbrennungskraftmaschine vorsieht, so daß die Abgase einen Anteil an schädlichen Bestandteilen aufweisen, der so niedrig wie möglich ist.

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Es sind bereits Sensoren verwendet worden, die von der Konzentration an elementarem Sauerstoff Gebrauch machen und bei denen ionenleitende Zellelektroden Anwendung finden. Die Prinzipien, nach denen ein Trockenelektrolytsensor arbeitet, sind im US-Reissue-Patent Re 28 792 (vormals US-Patent 3 400 054) detailliert erläutert. In dieser Patentschrift ist ein Trockenelektrolyt-Sauerstoffsensor beschrieben, der, wenn eine Seite den Abgasen und die andere Seite der Umgebungsluft ausgesetzt ist, ein elektrisches Signal erzeugt, das eine Funktion der Konzentration an elementarem Sauerstoff darstellt. Beide Seiten des Trockenelektrolyten sind zumindest teilweise zur Bildung von Elektroden mit Platin beschichtet. Der Elektrolyt besteht allgemein aus stabilisiertem Zirkondioxid. Ein anderes Beispiel eines derartigen Sensors ist in der US-PS 3 978 006 beschrieben.

Bei einem anderen Typ eines Sauerstoffsensors ändert sich der elektrische Widerstand des Sensors mit der im Gas vorhandenen Sauerstoffmenge. Ein derartiger Sensor wird allgemein als Sensor vom Widerstandstyp bezeichnet, und die Funktionsprinzipien eines solchen Sensors sind in der US-PS 3 558 280 beschrieben. Darüber hinaus ist die Verwendung eines Titandioxidsensors vom Widerstandstyp im Abgassteuersystem eines Motors in der US-PS 3 915 135 erläutert.

Derartige (Titandioxid) Sauerstoffsensoren vom Widerstandstyp haben bestimmte Nachteile. Beispielsweise muß der Titandioxidsensor über einen Bereich von 300°C bis 900 G arbeiten, wobBi sich jedoch der elektrische Widerstand des Ssneors über den Besamtbersich nicht in einer Weise

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ändert, die eine Abgrenzung zwischen einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch und einem fetten Luft-Brennstaff-Gemisch erlaubt. Insbesondere fällt bei einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch und einem Bereich von 300 C bis 900 C der Gleichstromwiderstand eines Titandioxidsensors

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von 3 χ 10 Ohm auf etwa 2 χ 10 Ohm ab, während der Gleichstromwiderstand bei einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch über den gleichen Bereich von 3 χ 10 Ohm auf etwa 40 Ohm abfällt. Aus diesem Grunde überlappen sich die Widerstandscharakteristika des Sensors für ein fettes und mageres Gemisch. Folglich ist es mit einem nichtausgeglichenen Titandioxidsensor bei Temperaturen, die etwa 250 C übersteigen, nicht möglich,zu bestimmen, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis fett ader mager ist. Naturgemäß ist dies nicht wünschenswert, da es somit nicht möglich ist, das Luft-Brennstoff-Gemisch zu steuern, weil der Titandioxidsensor nicht zwischen einem fetten und einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch bei Temperaturen, die 250 C übersteigen, unterscheiden kann.

Ein Beispiel eines Gassensars aus einem keramischen Material aus Titandioxid, dBr mit einer Schaltung zur Umwandlung eines temperaturabhängigen Eingangssignales in ein temperaturunabhängiges Ausgangssignal versehen ist und zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Kraftfahrzeugmotors dient, ist in der vorstehend erwähnten US-PS 3 915 135 wiedergegeben.

Dia Erfindung sieht ein System zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes vor, bei dem die Auswirkungen der Gastemperatur auf das Sensorelsment im wesentlichen gleich Null sind,

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und sine Vorrichtung zum Messen des Op-Gehalts eines Gases, gemäß dem bzw. der eine Spannung an einem ersten und zweiten elektrischen Widerstand erzeugt wird, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit van der Temperatur ändern und von denen sich der Widerstandswert eines Widerstandes auch in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt ändert, und gemäß dem bzw. der ein elektrisches Signal erzeugt wird, das eine Funktion aus dem Verhältnis zwischen den Spannungen am ersten Widerstand und am zweiten Widerstand darstellt, so daß das elektrische Signal, wenn die Widerstände dem heißen Gas ausgesetzt sind, eine Funktion des Sauerstoffgehalts im Gas darstellt.

Es ist Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zum Messen des CL-ßehalts in einem Gas zu schaffen.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Sauerstoffmeßsystem und -verfahren zur Verfügung zu stellen, das bei Temperaturen von unterhalb 250°C bis oberhalb 850 C ein gutes Betriebsverhalten zeigt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Sauerstoffmeßsystem einfacher Konstruktion unter Verwendung von billigen elektronischen Schaltelementen zu schaffen.

Ziel der Erfindung ist es auch, ein Sauerstoffmeßsystem vorzusehen, das eine Einstellung der elektronischen Schaltung nach Installation oder Wiedereinbau des Sensors überflüssig macht. Beispielsweise ist keine Abstimmung oder Einpassung der elektronischen Schaltung in bezug auf den Sensor erforderlich.

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Schließlich ist es Ziel der Erfindung, das Betriebsverhalten eines Sauerstoffmeßsystems und -Verfahrens, bei dem Sauerstoffsensoren vom Titandioxidtyp Verwendung finden, durch Minimierung der Temperatureinwirkung auf derartige Sensoren zu verbessern.

Bei dem erfindungsgemäßen System findet daher ein Zirkondioxidchip als Kompensationsvorrichtung Verwendung, während andere Systeme, beispielsweise das in der US-PS 3 915 135 beschriebene, einen Platindrahtwiderstand (oder Heizvorrichtung) als Temperaturkompensationsvorrichtung enthalten. Der Zirkondioxidchip in diesem System weist eine Temperaturansprechempfindlichkeit auf, die der eines Titandioxidchips sehr ähnlich

ist, d.h. einen exponentiellen Widerstandsabfall als Funktion der anbesitzt
steigenden Temperaturyi Der Platindrahtwiderstand im vorstehend erwähnten

Patent besitzt eine lineare Ansprechempfindlichkeit, d.h. die Änderung des Widerstandes des Platindrahtes ist der Temperaturänderung direkt proportional. Die Verwendung einer linearen Vorrichtung als Kompensationselement in dsm System des erwähnten Patentes grenzt den Temperaturbereich, über den das System arbeiten kann, stark ein. Hierzu wird auf Spalte 6 der US-PS 3 915 135 verwiesen, wo ausgeführt ist, daß die Temperaturabhängigkeit das Widerstandswertes des Titandioxidsensars ein im wesentlichen lineares Verhalten über den interessierenden Temperaturbereich zeigt. Da demzufolge der Widerstandswert des Titandioxidsensors bei Temperaturänderungen in einem so großen Ausmaß schwankt, führt die Verwendung eines linear ansprechenden Elementes zur Temperaturkompensation zu einem Meßsystem, das über einen sehr kleinen Temperaturbereich arbeitet. Andererseits bewirken die exponentiellen Temperatur-

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eigenschaften des Zirkondioxidelementes dieses Systems eine ausgezeichnete Temperaturkompensatian van unterhalb 250 c bis oberhalb B50°C.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung im Detail beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines erfindungsgemäß aufgebauten Sauerstoffsensors}

Fig. 2 einen anderen Schnitt durch einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Sauerstoffsensors;

Fig. 3 eine Teilfrontansicht des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sauerstoffsensors;

Fig. 4 eine Teilendansicht des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sauerstoffsensors}

Fig. 5 ein schematisches Diagramm der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Op-Gehalts des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine verwendeten elektrischen Schaltung; und

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Fig. 6 ein Diagramm, in dem die Spannung am Titandioxidwiderstand als Funktion der Temperatur dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Sauerstoffsensor 100 im Schnitt dargestellt. Der Sauerstoffsensor 100 umfaßt ein Gehäuse 20, in dem ein Keramikisolator 10 befestigt ist. Der Keramikisolator 10 weist eine Vielzahl von Durchgängen für elektrische Leitungen auf. Beispielsweise erstreckt sich durch den Durchgang 11 eine elektrische Leitung 41 von dem am vorderen Ende montierten Widerstand 101 zu dem am rückwärtigen Ende des Isolators 10 montierten Anschluß 70. Das vordere Ende des Isolators 10 weist einen ausgesparten Bereich 14 auf, in dem der Widerstand 101 montiert ist, der aus einem Material besteht, dessen Widerstand sich mit der Temperatur und dem Sauerstoffgehalt des Gases, dem er ausgesetzt ist, ändert. Ein solches Material ist Titandioxid. Die Leitungen 41 und 61 erstrecken sich vom Widerstand 101 durch den Keramikisolator 10 und enden an den Anschlüssen 70 am rückwärtigen Ends des Isolators. Jeder Anschluß 70 ist bei 40 einzementiert und bei SO mit Epoxidharz am Keramikisolator 10 befestigt, während jede elektrische Leitung mittels Silber bei 60 mit einem Anschluß 70 verlötet ist. Das Gehäuse 20 umfaßt ein Gewinde 21_s wodurch die Sensoren mit ähnlichen Gewinden im Abgassystem sines Automobilmotors verschraubt werden können. Eine Einkerbung 17 ist am rückwärtigen Ende des Isolators als visuelle Anzeige der Lage der elektrischen Leitungen angeordnet.

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In Fig. 2 ist der Isolator 10 das Sauerstoffsensors 100 in einem anderen Schnitt wie in Fig. 1 dargestellt. Unmittelbar vor dem Ende 15 des Isolators 10 ist in der Aussparung 14 ein Widerstand 102 montiert, dessen Widerstandswert sich allein mit der Temperatur des Gases ändert, dem er ausgesetzt ist. Die von dem Widerstand 102 kommenden Leitungen 51 und erstrecken sich durch die Durchgänge 12 und 13 bis zu den Anschlüssen am rückwärtigen Ende des Isolators. Der Widerstand 102 besteht aus einem Material wie Zirkondioxid, das durch Elemente wie Kalzium, Barium, Strontium, Yttrium, Lanthan, Skandium, Ytterbium und Samarium stabilisiert ist. Durch Kalzium stabilisiertes Zirkondioxid und durch Yttrium stabilisiertes Zirkondioxid sind bekannte Materialien und werden erhalten, indem man etwa 0,05 bis 0,3% (Molprozent) Yttriumoxid Y_o0„ oder CaO Zirkondioxid (Zr0„) zusetzt. Andere Materialien, die anstelle des Zirkondioxid verwendet werden können, sind Yttriumoxid (Y₂O-), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Ceroxid (CeO₂), Hafniumoxid (HfO„) und Thoriumoxid (Th„O ).

Fig. 3 zeigt den in Fig. 1 und 2 dargestellten Sensor in Frontansicht und verdeutlicht die Anordnung der beiden Widerstände 101 und 102, die den heißen Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt sind. Das vordere freie Ende 15 dBs Isolators 10 umgibt die Widerstände, um sie gegenüber einem direkten Gasfluß über ihre Oberflächen zu schützen. Die Durchgänge 11, 12 und 13 des Keramikisolators 10 führen die Leitungen 41, 51 und 61 zu den Anschlüssen am anderen Ende des Sensors zurück, wobei die Leitung 61 diejenige Leitung ist, die an die Verbindung zwischen

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dem Titandioxidwiderstand und dem Zirkondioxidwiderstand angeschlossen ist.

Fig. 4 zeigt den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sensor in Endansicht und verdeutlicht die drei Anschlüsse zur Aufnahme und Übertragung der Spannungen an die Leitungen 41, 51 und 61, die wiederum die Spannungen von den Widerständen 101 und 102 aufnehmen und übertragen. Der ausgesparte Abschnitt 17 am Isolator 10 wird zur Identifizierung der Lage der Anschlüsse 41, 51 und 61 verwendete

In Fig. 5 ist eine elektrische Schaltung dargestellt, die die Widerstände 101 und 102 des Sensors 100 enthält und an den Ausgängen A und B eine Anzeige des O_-Gehalts eines Gases, dem die Widerstände 101 und 102 ausgesetzt sind, vorsieht. Die Schaltung besteht allgemein aus einer Batterie (12 Volt Gleichstrom), einem Spannungsreguliernetz 103, 104, einem Spannungsteilernstz 105, 106„ den variablen Widerständen 101, 102 des Sensors 100, einem Trennverstärker 120 und einem Komparator 130, der eine digitale Ausgabe liefern kann. Die Zenerdiode 104 sieht ein maximales Spannungsniveau an den Festwiderständen 105, 106 und dBn variablen Widerständen 101, 102 vor. Die Zenerdiode 104 ist vorgesehen, um die Spannung an den Widerständen 101 und 102 sowie den Widerständen 105 und 106 zu begrenzen. Mit einer Eingangsgleichstromspannung von 12 Volt sieht diese Schaltung am Widerstand 101 ein Signal größer als 1,5 Volt vor, wenn das Abgas mager ist, und eine kleinere Spannung aus 1,5 Volt am

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Widerstand 101, wenn es sich um ein fettes Abgas handelt. In ähnlicher Weise sind die Widerstandswerte für die Widerstände 103, 105 und 106 ausgewählt, so daß die Spannung am Widerstand 106, die dem dem Stift 7 des Kamparators 130 zugeführten Spannungssignal entspricht, etwa 1,5 Volt beträgt. Die Spannung am Widerstand 101 wird über den Trennverstärker 120 dem Eingangsstift 6 des Komparators 130 zugeführt. Wenn die Spannung am Widerstand 101 größer als 1,5 Volt (die Spannung am Widerstand 106) ist, ist das dem Komparator 130 am Stift zugeführte Signal größer als das Signal am Stift 7, so daß die Komparatorausgabe gleich Null ist. Wenn die Spannung am Widerstand 101 auf weniger als 1,5 Volt abfällt, ist das dem Komparator 130 am Stift 7 zugeführte Signal größer als die Spannung am Stift 6, so daß der Komparator ein digitales 12-Volt-Signal abgibt. Um die Phase der Komparatorausgabe umzukehren, müssen nur die Leitungen 7 und 6 umgeschaltet werden.

Nachfolgend sind typische Beispiels für die Höhe des Widerstandswertes bei unterschiedlichen"Temperaturen an den Widerständen 101 und 102 wiedergegeben:

Für ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch beträgt der Widerstandswert am Zirkondioxidwiderstand 102 bei 400 G 3 χ 10 Ohm und bei 750 C 6k Ohm;

für das gleiche Luft-Brennstoff-Gemisch und den gleichen Temperaturbereich beträgt der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 jeweils 140k Ohm und 120 Ohm;

für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch beträgt der Widerstandswert

des Zirkondioxidwiderstandes 102 bei 400°C 3 χ 10 Ohm und bei 750°C 6k Ohm;

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der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 ist für das gleiche Gemisch und die gleichen Temperaturen größer als jeweils 1 χ 10 Ohm und 280k Ohm.

Daraus folgt, daß das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 und der Summe der Widerstandswerte beider Widsr^ stände 101 und 102 bei einer Temperatur von 400 C bis 750 C für ein fettes Gemisch ziemlich klein ist (etwa 0,00467 und 0,019S)„ Bei einem mageren Luft-Brennstoff-Gemisch und einem Temperaturbereich von 400 C bis 750 C steigt jedoch das Verhältnis zwischen dem Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes 101 und dem gesamten Widerstandswert beider Widerstände 101„ 102 im Vergleich zu dem Verhältnis für ein fettes Gemisch beträchtlich an (etwa 0,97 und 0,98). Demzufolge übersteigt die Spannung am Titandioxidwiderstand bei einem mageren Luftgemisch diejenige bei einem fetten Luftgemisch beträchtlich.

Fig. S zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung am Titandioxidwiderstand als Funktion der Temperatur des Widerstandes dargestellt ist. Auf der x-Achse ist die Temperatur des Abgases um den Widerstand herum in Grad Celsius angegeben, während die y-Achse die über den Titandioxidwiderstand gemessene Ausgangsspannung enthält, wenn sich der Widerstand mit der in Fig. 5 gezeigten Schaltung in Betrieb befindet. Dia untere Kurve zeigt die Spannung unterhalb von 0,3 Volt für ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch und für Temperaturen von etwa 300 C bis 800 C am Titandioxidwiderstand an. Die Spannung für ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch

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und für den gleichen Temperaturbereich ist größer als 5 Volt. Wenn sich daher die Spannung über oder unter einem vorgegebenen Wert befindet, kann aus dem Abgas bestimmt werden, ob ein fettes oder mageres Luft-Brennstoff-Gemisch vorliegt. Wenn beispielsweise bei einer Bezugsspannung von 1,5 Volt (Spannung am Widerstand 106) die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 größer als 1,5 Volt ist, ist das Luft-Brennstoff-Gemisch mager, und wenn die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 geringer als 1,5 Volt ist, zeigt das Abgas an, daß der Motor ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch erhält.

Da sich der Widerstandswert des Zirkandioxidwiderstandes 102 in etwa der gleichen Weise mit der Temperatur ändert wie der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes, bleibt die zwischen den beiden Widerständen aufgeteilte Spannung im wesentlichen gleich, es sei denn, es tritt eine Änderung des Widerstandswertes des Titandioxidwiderstandas infolge des 0₂-Gehalts auf. Da sich somit der Widerstandswert des Zirkondioxidwiderstandes nur mit der Temperatur ändert, der er ausgesetzt ist, während sich der Widerstandswert des Titandioxidwiderstandes in ähnlicher Weise mit der Temperatur und dem Op-Gehalt ändert, kann die zwischen den beiden Widerständen 101 und 102 aufgeteilte Spannung als temperaturkompensiert angesehen werden, so daß die Spannung am Titandioxidwiderstand eine Anzeige für den Sauerstoffgehalt des Gases bildet, mit der Wirkung, daß der Einfluß der Temperatur auf ein Minimum gebracht oder vollständig eleminiert worden ist.

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Im Betrieb vergleicht der Komparator 130 das Spannungssignal am Titandioxidwiderstand 101 (eingegeben durch den Eingangsstift 6) mit der Spannung am Widerstand 106 (eingegeben durch den Eingangsstift 7) und erzeugt Ausgangssignale, wenn das Signal am Eingang 7 größer und kleiner ist als das Signal am Eingang 6.

Da die Spannung am Titandioxidwiderstand 101 eine Funktion des Sauerstoffgehalts in einem Gas ist, dem der Widerstand ausgesetzt ist, stellen die Signale an den Ausgängen A und B eine Funktion des 0₂-Gehalts in einem derartigen Gas dar.

Wenn eine Spannung von 12 Volt in die in Fig. 5 dargestellte Schaltung eingegeben wird und dia Widerstände 101 und 102 in das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden,, liefert der Ausgang der Schaltung bei A und B eine Anzeige des Sauerstoffgehalts im Abgas, die für die Bestimmung und Einstellung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses für eine derartige Verbrennungskraftmaschine nutzbringend eingesetzt werden kann.

Wenn die Widerstände 101 und 102 einem Abgas ausgesetzt werden, ändert die Temperatur des Abgases den Widerstandswert der Widerstände 101 und 102. Da jedoch beide Widerstände so ausgewählt worden sind, daß sie Widerstandswerte besitzen, die sich mit der Temperatur um den gleichen Prozentsatz ändern, bleibt die über die beiden Widerstände aufgeteilte Spannung etwa die gleiche. Wenn jedoch der Sauerstoffgehalt des Abgases abfällt, nimmt der Widerstandswart des Titandioxidwiderstandes 101 ab. Folglich ist der

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Op-Gahalt im Abgas bei einem fetten Luft-Brennstoff-Gemisch (s· Fig. 6), das in den Motor eingeführt wird, geringer als wenn ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch in den Motor eingeführt wird.

Umgekehrt dazu steigt die Spannung am Titandioxidwidarstand auf einen Wert größer als 1,5 Volt (s. Fig. 6) an, wenn der Titandioxidwiderstand einem Abgas ausgesetzt wird, das einen größeren Sauerstoffanteil (mageres Luft-Brennstoff-Gemisch] besitzt.

Die Spannung am Titandioxidwiderstand gelangt über den Trennverstärker 120 zum Eingangspol 6 das Kamparators 130. Der Komparator 130 vergleicht dieses Spannungssignal mit dam Spannungssignal am Widerstand 106 (das gleichbleibt). Wenn die Spannung am Eingangsstift 7 größer ist als dia Spannung am Eingangsstift 6, gibt dar Komparator 130 ein 12-Volt-Signal ab, das anzeigt, daß dam in den Motor eingeführten Luft-Brennstoff-Gemisch weniger Brennstoff zugeführt werden soll. Wenn die Spannung am Eingangsstift 7 geringer ist als dia Spannung am Eingangsstift 6, gibt dar Komparator 130 ein Signal (null Volt) ab, das anzeigt, daß dem in den Motor eingeführten Luft-Brannstoff-Qamisch mehr Brennstoff zugeführt warden soll.

Obwohl vorstehend eine bevorzugte AusfUhrungsform dar Erfindung be schrieben worden ist, weiß der Fachmann, daß bei der in den vorstehenden Ansprüchen wiedergegebenen Erfindung Änderungen möglich sind und daß in einigen Fällen bestimmte Merkmale der Erfindung ohne eine entsprechende

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Verwendung von anderen Merkmalen vorteilhaft eingesetzt werden können. Beispielsweise muß die Zenerdiode 104 nicht unbedingt vorhanden sein. Darüber hinaus können auch andere Materialien als das vorgeschlagene Titandioxid und Zirkondioxid für die Widerstände verwendet werden, solange wie die Eigenschaften beider Materialien in bezug auf den elektrischen Widerstand und die Temperatur im wesentlichen gleich sind oder sich im gleichen Verhältnis ändern und solange wie eines der Materialien einen elektrischen Widerstandswert besitzt, der sich auch mit dem CL-Gehalt des Gases ändert, dem das Material ausgesetzt ist.

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Leerseite

Claims

BENDIX AUTOLITE CORPORATION
Executive Office
FOSTORIA₁ Ohio /USA

M-4682 7. August 197a

Patentansprüche

M, Verfahren zum Messen des Sauerstoffgehalts im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: In-Reihe-Schalten eines ersten Widerstandes, dessen Widerstandswert sich sowohl mit der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt ist, und dem Sauerstoffgehalt des Gases ändert, mit einem zweiten Widerstand, dessen Widerstandswert sich allein mit der Temperatur des Gases ändert, dem er ausgesetzt ist, Anlegen eines Potentials an die Reihenschaltung, Aussetzen der Widerstände dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine und Abnahme eines elektrischen Signals von den Widerständen, das eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Spannung am ersten Widerstand und der Spannung am zweiten Widerstand ist.
2. Elektrochemische Sauerstoff meßvorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoff gehalts im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie die nachfolgenden Bestandteile umfaßt! einen ersten Widerstand (1O1], dessen Widerstand sich sowohl mit der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt ist, als auch mit dem Sauerstoffgehalt des Gases ändert, einen zweiten Widerstand (102),

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dessen Widerstandswert sich allein mit der Temperatur des Gases, dem er ausgesetzt, ändert, Mittel, um den ersten Widerstand mit dem zweiten Widerstand elektrisch in Reihe zu schalten, Mittel (103,104), um eine Spannung an den ersten und zweiten Widerstand (101,102) anzulegen und Mittel (12O,13O), um von den Widerständen ein elektrisches Signal abzunehmen, das eine Funktion zwischen dem Verhältnis der Spannung am ersten Widerstand (1O1) und der Spannung am zweiten Widerstand (102) ist, so daß das elektrische Signal, wenn die Widerstände (101,102) dem erhitzten Gas ausgesetzt werden, eine Funktion des Sauerstoffgehalts in diesem Gas ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daB der erste Widerstand (1O1) aus Titandioxid besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (102) aus stabilisiertem Zirkondioxid besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (102) über einen vorgegebenen Temperaturbereich des Gases etwa die gleichen Widerstands-Temperatur-Eigenschaften wie der erste Widerstand (1O1) besitzt.
GV Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zenerdiode (l04) enthält, die an die in Reihe geschalteten Widerstände angeschlossen ist.
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