DE3445727C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektor zur Anzeige der Konzentration von Sauerstoff im Abgas einer Verbrennungsvorrichtung, z. B. einer Brennkraftmaschine oder eines Gasbrenners, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem Sauerstoffsensor aus einem ionenleitenden Festelektrolyten (z. B. stabilisiertem Zirkonoxid), mit porösen Elektrodenschichten (z. B. porösen Pt-Schichten) beschichtet, kann die Sauerstoffkonzentration in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgases einer Brennkraftmaschine gemessen werden, um damit den Verbrennungswirkungsgrad der Maschine zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt durch Messung einer Änderung in einer elektromotorischen Kraft (EMK), die durch die Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck des Abgases und dem der Atmosphärenluft erzeugt wird. Ein solcher Sauerstoffsensor wird derzeit auf verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt, z. B. bei Kraftfahrzeugen zur Steuerung ihrer Brennkraftmaschinen für Betrieb mit dem theoretischen Luft/ Kraftstoffverhältnis.

Bisherige Sauerstoffsensoren zeigen eine große Änderung in ihrem Ausgangssignal, wenn das Betriebs-Luft/ Kraftstoffverhältnis (entsprechend dem Gewichtsverhältnis von Luft zu Kraftstoff) nahe der stöchiometrischen Grenze von 14,7 liegt; anderenfalls ist die resultierende Änderung des Ausgangssignals vernachlässigbar klein. Das Ausgangssignal eines solchen Sensors kann daher nicht wirksam für eine Brennkraftmaschine benutzt werden, die mit einem anderen Luft/ Kraftstoffverhältnis als dem nahe an der stöchiometrischen Grenze liegenden arbeitet.

Die JP-OS 1 53 155/1983 (entsprechend der US-PS 44 50 065) beschreibt einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor aus zwei sauerstoffionenleitenden Festelektrolytplatten mit jeweils einer Elektrodenschicht auf beiden Seiten in einem ausgewählten, dicht an einem Ende befindlichen Bereich. Die Platten sind parallel zueinander befestigt und so voneinander beabstandet, daß sie einen Spalt oder Zwischenraum in einem Bereich bilden, welcher dem die Elektrodenschichten aufweisenden, ausgewählten Bereich entspricht. Die eine Elektrolytplatte mit Elektrodenschichten wird als Sauerstoff-Pumpelement verwendet, und die andere, ebenfalls Elektrodenschichten aufweisende Platte dient als elektrochemisches Zellen- Sensorelement, das in Abhängigkeit von der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Spalt zwischen den beiden Platten arbeitet. Dieser Detektor besitzt zwar ein schnelles Ansprechen, doch ist dabei, wie durchgeführte Versuche ergeben haben, das Ausgangssignal des Sensors mehrdeutig. Wenn nämlich diese Vorrichtung in einem mit Kraftstoff angereicherten Bereich mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis unterhalb der theoretischen Größe von 14,7 arbeitet, ist die Änderungsrichtung des Ausgangssignals von der stöchiometrischen Grenze hinweg dieselbe wie für Betrieb in einem kraftstoffarmen Bereich. Aufgrund des Vorliegens zweier möglicher Luft/Kraftstoffverhältnisse für ein einziges Ausgangssignal kann der Sensor nur dann eingesetzt werden, wenn eindeutig bekannt ist, ob die zu steuernde Verbrennungsvorrichtung im kraftstoffreichen oder im kraftstoffarmen Bereich arbeitet. Es hat sich als sehr schwierig erwiesen, diese Meß- oder Bestimmungsvorrichtung für die Bestimmung des Luft/Kraftstoffverhältnisses bei der oder nahe der stöchiometrischen Grenze einzusetzen, wodurch eine genaue Steuerung oder Regelung der Verbrennungsvorrichtung mit schnellem Ansprechen schwierig wird.

Der aus der JP-OS 1 53 155/1983 bekannte Sensor ist somit nur für einen Bereich, insbesondere für den Bereich oberhalb der stöchiometrischen Grenze von 14,7 bzw. von Λ<1, brauchbar. Die Verwendung nur in diesem Bereich ergibt sich auch daraus, daß der benötigte Sauerstoff selbst aus dem zu messenden Gas entnommen wird.

Aus der De-OS 30 20 132 ist eine Vorrichtung zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Luft-Brennstoff- Gemisches bekannt, wobei jedoch lediglich Sensorelemente in Form von Sauerstoff-Konzentrationszellen mit einer Festelektrolytschicht und Elektrodenschichten auf beiden Seiten verwendet werden, wobei die Gesamtanordnung in mehreren Schichten übereinander aufgebaut ist. Die Steuerung der Diffusion erfolgt bei der dortigen Dickfilmtechnik über poröse Elektrodenschichten. Dabei ist es jedoch schwierig, die Anordnung in einer stabilen Reproduzierbarkeit herzustellen. Außerdem besitzt die dort beschriebene Dickschichttechnik nur eine verhältnismäßig geringe Lebensdauer. Außerdem sind auch die dortigen Sensoren jeweils nur für einen Meßbereich brauchbar, also etwa oberhalb oder unterhalb der stöchiometrischen Grenze. Wenn eine Anwendung über einen weiten Meßbereich über die stöchiometrische Grenze hinweg in Erwägung gezogen wird, so kann dies dort nur durch doppelte Anordnung des beschriebenen Sensors geschehen, wobei die beiden Sensoren in unterschiedlicher Weise betrieben werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektor zu schaffen, welcher genau und mit schneller Ansprechzeit das Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis einer Verbrennungsvorrichtung, wie einer Brennkraftmaschine, unabhängig davon zu messen vermag, ob diese im kraftstoffreichen oder im kraftstoffarmen Bereich oder auch bei dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis arbeitet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Aufgrund der beanspruchten Ausgestaltung bietet der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor den Vorteil, daß er nur eine einzige Sensorsonde zur Messung einer genauen Größe des Luft/Kraftstoffverhältnisses für den gesamten Betriebsbereich oder für einen gewünschten Teil desselben, einschließlich des kraftstoffreichen und des kraftstoffarmen Bereiches, benötigt.

Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Detektors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in Schnittdarstellung einen Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und in einem elektrischen Schaltbild eine Betätigungs- oder Steuerschaltung für den Detektor,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 5 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 6,

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 6,

Fig. 9 eine den Fig. 1 und 5 ähnliche Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 9,

Fig. 11 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 10,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 10,

Fig. 13 eine graphische Darstellung einer Kennlinie des Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand eines Metalloxidhalbleiters,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem durch ein Sauerstoff-Pumpelement fließenden Auspumpstrom Ip, während die EMK (elektromotorische Kraft) e eines Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-betätigten elektrochemischen Zellen-Sensorelements konstantgehalten wird,

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der prozentualen Effektivspannung,

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem durch das Pumpelement fließenden Einpumpstrom Ip bei konstanter EKM e des elektrochemischen Zellen-Sensorelements,

Fig. 17 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der EMK des elektrochemischen Zellen-Sensorelements unter Heranziehung des Einpumpstroms Ip als Parameter,

Fig. 18 eine den Fig. 1, 5 und 9 ähnelnde Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 19 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 18 und

Fig. 20 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 19.

Im folgenden ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben.

Der Detektor enthält eine in ein Abgasrohr 1 einer Brennkraftmaschine eingebaute Sonde 2 aus einem Festelektrolyt-Sauerstoff-Pumpelement 6, einem aus einem Festelektrolyten gebildeten, durch eine Sauerstoff-Konzentrationsdifferenz betätigbaren elektrochemischen Zellensensorelement 13 und einem Sauerstoff-Bezugselement 215. Das Pumpelement 6 besteht aus einer ionenleitenden Festelektrolytplatte 3 (etwa 0,5 mm dick und vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt) mit nach Dickschicht-Auftragtechnik auf ihren beiden Seiten ausgebildeten, etwa 20 µm dicken porösen Platin- Elektrodenschichten 4 und 5. Das elektrochemische Zellensensorelement 13 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das Pumpelement 6; es besteht aus einer ionenleitenden Festelektrolytplatte 10 (etwa 0,5 mm dick und vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt) mit nach Dickschicht-Auftragtechnik auf seinen beiden Seiten ausgebildeten, etwa 20 µm dicken porösen Platin-Elektrodenschichten 11 und 12. Das Sauerstoff-Bezugselement 215 besteht aus einer Substrat- oder Trägerplatte 7 aus einem luftdurchlässigen, elektrisch isolierenden Werkstoff, wie Keramik, mit nach Dickschicht-Auftragtechnik auf seiner einen Seite mit einer Dicke von etwa 50 µm ausgebildeter Metalloxidhalbleiter- oder MOS-Schicht, z. B. einem Titandioxid-Element 17. Der Träger 7 ist auf beiden Seiten mit elektrischen Heizelementen 9 und 213 versehen, um das Titandioxidelement 17 auf hoher Temperatur zu halten. Das Titandioxidelement 17 ist im Mittelbereich der einen Seite des Trägers 7 angeordnet, das elektrische Heizelement 213 ist um ersteres herum mit einem vorbestimmten Abstand davon unter Vermeidung einer Berührung mit dem Umfang 17 d angeordnet, und das Heizelement 9 ist an der anderen Seite des Trägers 7 in einem dem Titandioxidelement 17 entsprechenden Bereich vorgesehen. Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 13 sind im Abgasrohr 1 so nebeneinander angeordnet, daß sie einen kleinen Spalt oder Zwischenraum a einer Größe von etwa 0,1 mm oder weniger festlegen. Diese beiden Elemente sind dadurch gegeneinander befestigt, daß der Spalt im Basis- oder Sockelabschnitt mit einem wärmebeständigen und elektrisch isolierenden Abstandstück 14 (z. B. einem Klebmittel-Füllmaterial) ausgefüllt ist. Die die poröse Pt-Elektrodenschicht 5 aufweisende Seite des Pumpelements 6 und die mit dem elektrischen Heizelement 9 versehene Seite des Sauerstoff-Bezugselements 215 bilden eine zur Atmosphäre oder Außenluft hin offene Luftkammer b. Das Pumpelement 6 ist mit dem Bezugselement 215 mittels eines wärmebeständigen Abstandstücks 8 dicht verbunden, das längs dreier Seiten (mit Ausnahme der Unterseite) jedes Elements angeordnet ist. Das Pumpelement 6 ist somit mittels der Abstandstücke 14 und 8 mit dem Sensorelement 13 und dem Bezugselement 215 verbunden. Ein Halter 20 mit einem Außengewinde 19 ist mit Hilfe eines wärmebeständigen und elektrisch isolierenden Klebmittels 21 um den Basisabschnitt der so zusammengesetzten Elemente 6, 13 und 215 herum befestigt. Die Sonde 2 ist im Abgasrohr 1 in der Weise befestigt, daß das Außengewinde 19 in ein im Abgasrohr 1 ausgebildetes Innengewinde 22 eingeschraubt ist.

Die den beschriebenen Aufbau besitzende Sonde 2 des Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors läßt sich bevorzugt wie folgt herstellen: Eine im wesentlichen U-förmige "grüne" bzw. ungebrannte Scheibe aus einem das Abstandstück 8 bildenden Werkstoff (z. B. keramischem Spinell) wird zwischen zwei "grüne" bzw. ungebrannte Scheiben eingefügt, von denen die eine aus einem Zirkonoxid-Festelektrolyten zur Bildung des Pumpelements 6 besteht und auf beiden Seiten nach Dickschicht- Auftragstechnik mit einem Muster aus der Pt- Elektrode und den zugeordneten Zuleitungen versehen ist, während die andere aus z. B. Spinell zur Bildung des Sauerstoff-Bezugselements 215 hergestellt und mit einem vorbestimmten Muster eines als Heizelemente und zugeordnete Leitungen dienenden Pt-Widerstandsmaterials sowie mit einer Pt-Elektrode für einen Metalloxidhalbleiter (z. B. Titandioxid) versehen ist; diese Muster sind ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik aufgebracht worden. Die drei, gegeneinander angesetzten "grünen" Scheiben werden zusammengepreßt und zur Bildung eines röhrenförmigen Elements gesintert. Die erwähnte Dickschicht aus dem Metalloxidhalbleiter wird durch Brennen in einer Sinteratmosphäre nach dem Sintern des röhrenförmigen Elements ausgebildet. Eine andere "grüne" bzw. ungebrannte Scheibe aus Zirkonoxid- Festelektrolyt, die auf beiden Seiten mit einer Pt-Elektrode und zugeordneten Zuleitungen bedruckt worden ist, bildet nach dem Sintern ein planes bzw. flaches elektrochemisches Zellensensorelement 13. Die das Pumpenelement aufweisende Seite des röhrenförmigen Elements und das plane Sensorelement 13 werden unter Zwischenfügung einer Dickenlehre nebeneinander angeordnet, worauf die beiden Elemente durch Ausfüllen des Spalts oder Zwischenraums am Basisabschnitt mit einem Abstandstück (bzw. einem wärmebeständigen keramischen Klebmittel) 14 aneinander befestigt werden.

Ein Beispiel für eine elektronische Steuerschaltung zur Verwendung beim beschriebenen Detektor ist in Fig. 1 bei 23 angedeutet. Die zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 11 und 12 des elektrochemischen Zellen-Sensorelements 13 erzeugte elektromotorische Kraft bzw. EMK e wird über einen Widerstand R ₀ der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt, der daraufhin ein der Differenz zwischen der EMK e und einer an seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme anliegenden Bezugsspannung Vr proportionales Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Verstärkers dient zur Ansteuerung eines Transistors Tr zweck Steuerung oder Einstellung des zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements 6 fließenden Pumpstroms Ip in der Weise, daß der Strom Ip ausreicht, um die EMK e auf einer konstanten Größe Vr zu halten. Die Schaltung 23 enthält weiterhin einen Widerstand R 1 zur Versorgung von Ausgangsklemmen 24 mit einem Ausgangssignal entsprechend dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten Pumpstrom Ip. Der Ausgang des Verstärkers A und sein invertierender Eingang sind über einen Kondensator C miteinander verbunden. Die Schaltung 23 weist Ausgangsklemmen 25 auf, an denen ein Signal geliefert wird, das Änderungen des elektrischen Widerstands des Titandioxidelements 17 anzeigt, die in Abhängigkeit von den durch das Sauerstoff-Bezugselement 215 gemessenen Änderungen in der differentiellen Sauerstoffkonzentration innerhalb des Abgasrohrs 1 auftreten. Die elektrischen Heizelemente 213 und 9 zum Erwärmen des im Abgasrohr 1 angeordneten Titandioxidelements 17 sind mit Stromquellen 26 bzw. 27 verbunden.

Bei der in den Fig. 5 bis 8 dargestellten zweiten Ausführungsform des Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors gemäß der Erfindung ist eine Sonde 2 wiederum in eine Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine eingebaut. Die Sonde 2 enthält ein Festelektrolyt- Sauerstoff-Pumpelement 6 aus einer etwa 0,5 mm dicken und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid bestehenden, ionenleitenden Festelektrolyt-Platte 3, auf deren beiden Seiten auf vorher angegebene Weise etwa 20 µm dicke poröse Platin-Elektrodenschichten 4 und 5 im Bereich des Meßendes ausgebildet sind. Das Pumpelement 6 weist an der einen Seite (bei der dargestellten Ausführungsform an der Seite der Pt-Elektrodenschicht 5) eine Luftkammer b auf, die nur am Boden bzw. an der Unterseite offen ist, so daß die Elektrodenschicht 5 von der Umgebungsluft beaufschlagt ist. Die anderen, die Luftkammer bildenden Teile sind Keramik-Wandelemente 7 und 8, die typischerweise aus stabilisiertem Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder Spinell hergestellt sind. Das Element 7 ist der Festelektrolytplatte 3 gegenüberstehend angeordnet und bildet eine der beiden Hauptwände der Luftkammer, während das Element 8 die Platte 3 und das Wandelement 7 gemäß Fig. 8 längs dreier Seiten miteinander verbindet. Die der Luftkammer zugewandte Seite des Wandelements 7 ist mit einem elektrischen Heizelement 9 zum Erwärmen des Meßendes der Festelektrolytplatte 3 des Pumpelements 6 versehen. Diese Sonde 2 enthält weiterhin ein aus einem Festelektrolyten gebildetes, durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares elektrochemisches Zellensensorelement 13, das - ebenso wie das Pumpelement 6 - aus einer etwa 0,5 mm dicken und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellten, ionenleitenden Festelektrolytplatte 10 besteht, auf deren beide Seiten am Meßende nach Dickschicht-Auftragtechnik etwa 20 µm dicke poröse Platin-Elektrodenschichten 11 und 12 aufgebracht worden sind.

Das Pumpelement 6 und das genannte Sensorelement 13 sind in der Abgasleitung 1 nebeneinander unter Festlegung eines kleinen Spalts oder Zwischenraums a einer Weite von etwa 0,1 mm oder weniger montiert und die beiden Elemente sind dadurch gegeneinander befestigt, daß der Zwischenraum am Basisabschnitt mit einem wärmebeständigen und elektrisch isolierenden Abstandstück 14 (z. B. einem Klebmittel-Füllstoff) ausgefüllt ist.

Die Sonde 2 des Detektors gemäß Fig. 5 weist noch einen dritten Bauteil auf, nämlich ein Sauerstoff-Bezugselement 118. Letzteres umfaßt eine Substratplatte 115 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, wie Keramik, und weist auf der einen Seite des Meßendes des Substrats ein mit einer Dicke von etwa 50 µm nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildetes Metalloxidhalbleiter- bzw. MOS- Element 17 (aus z. B. Titandioxid) auf. Das Substrat 115 enthält außerdem in seinem Inneren ein elektrisches Heizelement 18, das dicht neben dem Titandioxidelement 17 angeordnet ist, um dieses auf erhöhter Temperatur zu halten. Das Heizelement und das Titandioxidelement sind einheitlich mit dem Substrat verbunden, so daß sie eine einzige Anordnung, d. h. das genannte Sauerstoff-Bezugselement 118 bilden. Das unter Bildung des kleinen Zwischenraums a mit dem Sensorelement 13 verbundene Sauerstoff- Pumpelement 6 ist mit einem passenden Abstand nahe dem Bezugselement 118 angeordnet, wobei die drei Elemente an ihren äußeren Basisabschnitten mit Hilfe eines wärmebeständigen und elektrisch isolierenden Elements 21 an einem Halter 20 befestigt sind. Der Halter 20 ist mit einem Außengewinde 19 versehen. Das das Bezugselement 118 bildende Substrat 115 ist in einem Bereich dicht neben dem Meßende mit einem Fenster d versehen. Dieses Fenster ermöglicht eine ungehinderte Kontaktierung des zu untersuchenden Gases mit der Elektrodenschicht 12 auf dem Sensorelement 13. Die Sonde 2 ist fest in die Abgasleitung 1 eingebaut, indem das Außengewinde 19 in ein Innengewinde in der Abgasleitung 1 eingeschraubt ist.

Die Anordnung aus dem Pumpelement 6 und dem Sensorelement 13 als dem einen Bauteil der Detektor-Sonde 2 kann bevorzugt wie folgt hergestellt werden: Eine die Seitenwand 8 der Luftkammer bildende, U-förmige "grüne" bzw. ungebrannte Scheibe aus keramischem Spinell wird zwischen eine "grüne" Scheibe A aus Zirkonoxid-Festelektrolyt zur Bildung des Pumpelements 6 und eine andere, ebensolche Scheibe B, typischerweise aus keramischem Spinell, zur Bildung der Hauptwand der Luftkammer eingefügt. Die Scheibe A ist auf beiden Seiten nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einem vorbestimmten Muster einer Platin- Elektrodenschicht und zugeordneten Zuleitungen bedruckt worden, während die Scheibe B auf dieselbe Weise an der einen Seite mit Platin-Widerstandsmaterial in vorbestimmtem Muster (zur Bildung des Heizelements 9) und zugeordneten Zuleitungen versehen worden ist. Die U-förmige "grüne" Scheibe wird durch Warmpressen mit den Scheiben A und B verbunden und zur Ausbildung einer einzigen röhrenförmigen Einheit gebrannt. Eine "grüne" bzw. ungebrannte Scheibe aus Zirkonoxid-Festelektrolyt, die auf beiden Seiten nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einem vorbestimmten Muster einer Platin-Elektrodenschicht und zugeordneten Leitungen versehen worden ist, wird zur Bildung eines planen elektrochemischen Zellen-Sensorelements 13 gebrannt. Die erwähnte röhrenförmige Einheit und das Sensorelement 13 werden unter Zwischenfügung einer Dickenlehre nebeneinander angeordnet und dann gegeneinander befestigt, indem der Basisabschnitt mit einem Abstandstück (oder einem wärmebeständigen keramischen Klebmittel) 14 ausgefüllt wird.

Das Sauerstoff-Bezugselement 118 kann bevorzugt wie folgt hergestellt werden: Eine erste, typischerweise aus Aluminiumoxid bestehende "grüne" Scheibe wird nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einem vorbestimmten Muster aus einem Platin-Widerstandsmaterial (zur Bildung des Heizelements 18) und zugeordneter Zuleitungen beschichtet. Sodann wird eine zweite "grüne" Scheibe auf die erste Scheibe so aufgelegt, daß die Anschlußenden der Zuleitungen noch freiliegen. Die Oberfläche der zweiten "grünen" Scheibe ist auf die angegebene Weise mit einem vorbestimmten Muster aus Platinelektroden (für die Verbindung mit Metalloxid, z. B. Titandioxid) und zugeordneten Zuleitungen versehen worden. Sodann wird eine dritte "grüne" Scheibe auf die zweite Scheibe so aufgelegt, daß die Platinelektrode und die Anschlußenden der Zuleitungen unbedeckt bleiben. Die drei "grünen" bzw. ungebrannten Scheiben werden durch Warmpressen miteinander verbunden und zur Bildung des Keramik-Substrats 115 gebrannt. Bevorzugt wird in der Sinteratmosphäre nach dem Sintern des Substrats eine Metalloxid-Dickschicht zwischen den freiliegenden Elektroden auf dem Substrat ausgebildet und eingebrannt.

Fig. 5 veranschaulicht auch eine elektronische Steuerschaltung oder -einheit 23 für den Detektor gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 11 und 12 des elektrochemischen Zellensensorelements 13 erzeugte elektromotorische Kraft bzw. EMK e wird über einen Widerstand R₀ der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt, der daraufhin ein Ausgangssignal liefert, das der Differenz zwischen der EMK e und einer an seiner nicht-invertierenden Eingangsklemme angelegten Bezugsspannung Vr proportional ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers steuert einen Transistor Tr an, um den zwischen den Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements fließenden Pumpstrom Ip derart zu steuern, daß der Strom Ip ausreicht, um die EMK e auf der konstanten Größe Vr zu halten. Die Steuereinheit 23 enthält weiterhin einen Widerstand R 1, um an Ausgangsklemmen 24 ein Ausgangssignal zu liefern, das dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten Pumpstrom Ip entspricht. Der Ausgang des Verstärkers A und sein invertierender Eingang sind über einen Kondensator C miteinander verbunden. An Ausgangsklemmen 25 der Einheit 23 wird ein Signal geliefert, das Änderungen im elektrischen Widerstand des Titandioxidelements 17 angibt, die in Abhängigkeit von durch das Sauerstoff- Bezugselement 118 gemessenen Änderungen in der differentiellen Sauerstoffkonzentration in der Abgasleitung 1 erzeugt werden. Ein elektrisches Heizelement 18 zum Erhitzen des Titandioxidelementes 17 in der Abgasleitung 1 ist mit einer Stromquelle 26 verbunden, während das Heizelement 9 des Sauerstoff-Pumpelements 6 an eine Stromquelle 27 angeschlossen ist.

Der in den Fig. 9 bis 12 dargestellte Luft/Kraftstoffverhältnis Detektor gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung weist wiederum eine in eine Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine eingebaute Sonde 2 auf, die ihrerseits ein Festelektrolyt-Sauerstoff-Pumpelement 6 aus einer ionenleitenden Platte 3 (etwa 0,5 mm dick und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt) aufweist, auf deren beiden Seiten am Meßende nach Dickschicht-Auftragtechnik etwa 20 µm dicke poröse Platin-Elektrodenschichten 4 und 5 ausgebildet sind. Das Pumpelement 6 weist auf der einen Seite (bei der dargestellten Ausführungsform an der Seite der Pt-Elektrodenschicht 5) eine Luftkammer b auf, die nur an der Unterseite offen ist, so daß die Pt-Elektrodenschicht 5 der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Die anderen, die Luftkammer bildenden Elemente sind Keramik- Wandelemente 7 und 8, typischerweise aus stabilisiertem Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder Spinell. Das Wandelement 7 ist der Festelektrolytplatte 3 zugewandt und bildet eine der beiden Hauptwände der Luftkammer, während das Wandelement 8 die Festelektrolytplatte 3 und das Wandelement 7 gemäß Fig. 12 längs dreier Seiten miteinander verbindet. Die der Luftkammer zugewandte Seite des Wandelements 7 ist mit einem elektrischen Heizelement 9 zum Erwärmen bzw. Erhitzen des Meßendes der Festelektrolytplatte 3 des Pumpelements 6 versehen.

Die beschriebene Sonde 2 umfaßt auch ein aus einem Festelektrolyten gebildetes, durch eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares elektrochemisches Zellen- Sensorelement 13, das - ähnlich wie das Pumpelement 6 - aus einer ionenleitenden, etwa 0,5 mm dicken und bevorzugt aus stabilisiertem Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytplatte 10 besteht, auf deren beiden Seiten am Meßende nach Dickschicht-Auftragtechnik etwa 20 µm dicke poröse Platin-Elektrodenschichten 11 und 12 ausgebildet worden sind. Dieses Sensorelement 13 umfaßt weiterhin ein stark wärmeleitendes elektrisch isolierendes Substrat 15, das an der einen Seite der Festelektrolytplatte 10, z. B. an der Seite der porösen Pt-Schicht 12, angeordnet ist und ein der Kontur der Pt-Schicht 12 angepaßtes Fenster c aufweist, so daß diese Schicht 12 durch das Fenster c hindurch freigelegt bzw. zugänglich ist. Das Substrat 15 besitzt eine plane Form mit einer Dicke von etwa 0,25 mm und besteht aus einem stark wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Werkstoff, wie Aluminiumoxid oder Spinell. An der der Seite, die mit der Festelektrolytplatte 10 in Kontakt steht, gegenüberliegenden Seite des Substrats 15 ist um das Fenster d herum ein elektrisches Heizelement 18 ausgebildet, das sowohl vom Umfang des Fensters c als auch von der Außenkante des Substrats 15 beabstandet ist. Ein planes, gut wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Substrat 16 trennt das Heizelement 18 von der Außenseite und schließt es im Inneren an der Seite des Substrats 15 ein, an welcher das Heizelement 18 angeordnet ist. Das Substrat 16 ist mit einem Fenster d versehen, das - wie das Fenster c - der Kontur der Pt-Schicht 12 angepaßt ist, so daß letztere durch das Fenster d hindurch freiliegt. Ein Titandioxidelement 17 als Metalloxidhalbleiter-Schicht ist nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einer Dicke von etwa 50 µm über dem Fenster d im Inneren (der Anordnung) auf der vom Heizelement 18 abgewandten Seite des Substrats 16 ausgebildet. Zuleitungen 4′, 5′, 9′, 11′, 12′, 17′ und 18′, durch welche die betreffenden Bauteile 4, 5, 9, 11, 12, 17 bzw. 18 des Pumpelements 6 und des Sensorelemenets elektrisch mit einer externen, noch zu beschreibenden Steuerschaltung verbunden sind, sind ebenfalls nach Dickschicht-Auftragtechnik ausgebildet. Weiterhin ist auf dem Substrat 16 ein planes, gut wärmeleitendes und elektrisch isolierendes Substrat 28 ausgebildet, welches die auf dem Substrat 16 vorgesehenen Zuleitungen 17′ zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Halbleiterschicht 17 und der externen Steuereinheit oder -schaltung isoliert und schützt.

Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 13 sind in der Abgasleitung 1 so nebeneinander angeordnet, daß die Pt-Elektrodenschicht 4 und die Pt-Schicht 11 zwischen sich einen Spalt oder Zwischenraum a von 0,1 mm Weite oder weniger festlegen. Diese beiden Elemente sind wiederum dadurch gegeneinander befestigt, daß der Spalt oder Zwischenraum am Basisabschnitt mit einer wärmebeständigen, isolierenden Abstandsmasse 14 ausgefüllt ist. Zu diesem Zweck kann ein Klebefüllmittel verwendet werden. Ein mit Außengewinde 19 versehener Halter 20 ist mit Hilfe eines wärmebeständigen und isolierenden Klebmittelelements 21 um den Basisabschnitt des Pumpelements 6 und des Sensorelements 13, die auf diese Weise zusammengesetzt sind, herum befestigt. Der Einbau der Sonde 2 in die Abgasleitung 1 erfolgt durch Einschrauben des Außengewindes 19 in ein Innengewinde 22 in der Abgasleitung 1.

Die Detektor-Sonde 2 mit dem beschriebenen Aufbau kann wie folgt hergestellt werden: Eine U-förmige "grüne" bzw. ungebrannte Scheibe aus keramischem Spinell, welche die Seitenwand 8 der Luftkammer bilden soll, wird zwischen eine "grüne" Scheibe A aus Zirkonoxid-Festelektrolyt zur Bildung des Pumpelements 6 und eine andere "grüne" Scheibe B eingefügt, die typischerweise aus Spinell besteht und die Hauptwand 7 der Luftkammer bildet. Die Scheibe A ist auf beiden Seiten nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einer Platin-Elektrodenschicht in einem vorbestimmten Muster sowie zugeordneten Zuleitungen bedruckt, während die Scheibe B auf dieselbe Weise auf der einen Seite in einem vorbestimmten Muster mit einem Platin-Widerstandsmaterial (zur Bildung des Heizelements 9) und zugeordneten Zuleitungen bedruckt ist. Die U-förmige "grüne" Scheibe wird durch Warmpressen mit den Scheiben A und B verbunden und zur Bildung einer einstückigen röhrenförmigen Einheit gebrannt. Anschließend wird eine "grüne" Scheibe aus Zirkonoxid-Festelektrolyt vorgesehen, die auf beiden Seiten nach Dickschicht-Auftragtechnik mit einer Platin-Elektrodenschicht eines vorbestimmten Musters sowie zugeordneten Zuleitungen bedruckt ist. Ein elektrisches Heizelement aus einem Platin-Widerstandsmaterial mit zugeordneten Leitungen ist zwischen zwei gut wärmeleitende und elektrisch isolierende Substrate, z. B. zwei tafelförmige "grüne" Spinellscheiben mit jeweils einem Fenster eingefügt, wobei diese Scheiben gegen die eine Seite der vorbereiteten Zirkonoxidscheibe angepreßt werden. Sodann wird nach Dickschicht-Auftragtechnik ein vorbestimmtes Muster von Zuleitungen oder Leitungsdrähten für eine Metalloxidhalbleiter-Schicht auf der Fläche des wärmeleitenden, isolierenden Substrats ausgebildet, die von dem mit der Zirkonoxid-Elektrolytscheibe in unmittelbarer Berührung stehenden Substrat (bzw. seiner Fläche) abgewandt ist. Als nächstes wird eine "grüne" Spinellscheibe zur Isolierung der Zuleitungen auf das Substrat aufgebracht, und die Gesamtanordnung wird anschließend unter Wärmeeinwirkung zusammengepreßt und gesintert, um ein durch die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz betätigbares oder aktivierbares elektrochemisches Zellen-Sensorelement 13 zu bilden. Bevorzugt wird nach dem Sintern des Elements eine Dickschicht des Metalloxids zwischen den Zuleitungen ausgebildet und in einer Sinteratmosphäre eingebrannt. Das Pumpelement 6 und das Sensorelement 11 werden unter Zwischenfügung einer Dickenlehre nebeneinander montiert und dadurch miteinander verbunden, daß der Spalt oder Zwischenraum an ihren Basisabschnitt mit einer Abstandsmasse (oder einem wärmebeständigen keramischen Klebmittel) 14 ausgefüllt wird.

Die dem Detektor gemäß Fig. 9 zugeordnete elektronische Steuereinheit oder -schaltung 23 arbeitet wie folgt: Die zwischen den porösen Pt-Elektrodenschichten 11 und 12 des Sensorelements 13 erzeugte elektromotorische Kraft bzw. EMK e wird über einen Widerstand R ₀ der invertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers A aufgeprägt. Der Verstärker A liefert ein Ausgangssignal, das der Differenz zwischen der EMK e und einer an seine nicht-invertierende Eingangsklemme angelegten Bezugsspannung Vr proportional ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers dient zur Ansteuerung eines Transistors Tr zur Steuerung des zwischen den Pt-Elektrodenschichten 4 und 5 des Pumpelements 6 fließenden Pumpstroms Ip in der Weise, daß der Strom Ip groß genug ist, um die EMK e auf der konstanten Größe Vr zu halten. Die Steuereinheit 23 enthält außerdem einen Widerstand R 1 zur Beschickung von Ausgangsklemmen 24 mit einem Ausgangssignal, das dem von einer Gleichstromquelle B gelieferten Pumpstrom Ip proportional ist. Der Ausgang des Verstärkers A und seine invertierende Eingangsklemme sind über einen Kondensator C miteinander verbunden. Die Steuereinheit 23 weist außerdem Ausgangsklemmen 25 auf, an denen ein Signal erzeugt wird, das Änderungen im elektrischen Widerstand des Titandioxidelements 17 angibt, die in Abhängigkeit von Änderungen in der differentiellen Sauerstoffkonzentration in der Abgasleitung 1 auftreten. Ein elektrisches Heizelement 18 zum Erwärmen oder Erhitzen des Titandioxidelements 17 in der Abgasleitung 1 ist über Leitungen 18′ mit einer Stromquelle 26 verbunden. Das Heizelement 9 des Sauerstoff- Pumpelements 6 ist über Leitungen 9′ mit einer Stromquelle 27 verbunden.

Zwei Kennlinien für die in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Luft/ Kraftstoffverhältnis-Detektoren sind in den Fig. 13 und 14 veranschaulicht. Fig. 13 veranschaulicht die Abhängigkeit des Luft/Kraftstoffverhältnisses vom elektrischen Widerstand des Titandioxidelements 17, an der Ausgangsklemme 25 gemessen. Der Widerstand ist im kraftstoffreichen Bereich, in welchem das Luft/ Kraftstoffverhältnis kleiner ist als die stöchiometrische Grenze von 14,7, gering. Bei etwa der Größe von 14,7 tritt ein plötzlicher Anstieg des Widerstands auf, und im kraftstoffarmen Bereich (Luft/Kraftstoffverhältnis ≦ωτ 14,7) besitzt der Widerstand eine hohe Größe. Fig. 14 veranschaulicht die Beziehung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zum Auspumpstrom Ip für eine Bezugsspannung Vr von z. B. 20 mV. Wenn die EMK e bei 20 mV liegt, verringert sich der in Auspumprichtung fließende Strom Ip mit zunehmendem Luft/ Kraftstoffverhältnis im kraftstoffreichen Bereich (Luft/Kraftstoffverhältnis ≦λτ 14, 7), während er sich im kraftstoffarmen Bereich (Luft/Kraftstoffverhältnis ≦ωτ 14,7) proportional zum Luft/Kraftstoffverhälnis erhöht.

Die in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Detektoren nutzen die in den Fig. 13 und 14 veranschaulichten Charakteristika. Der Detektor mißt sowohl den kraftstoffreichen Bereich (R ≦λτ P) als auch den kraftstoffarmen Bereich (R ≦ωτP), wobei P einen zwischen Höchst- und Mindest-Widerstandswerten liegenden Bezugspunkt bedeutet, und er liefert demzufolge ein zweckmäßiges Signal an den Ausgangsklemmen 25. Wenn die Brennkraftmaschine im kraftstoffreichen Bereich arbeitet, muß der Widerstand des Titandioxidelements 17 unter dem Bezugspunkt P liegen, wobei diese Information und ein Ausgangssignal, das dem durch das Pumpelement 6 fließenden, resultierenden Pumpstrom Ip entspricht, abgegriffen werden können, um eine Feinmessung oder -regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses für den kraftstoffreichen Bereich zu erreichen. Wenn die Maschine im kraftstoffarmen Bereich arbeitet, muß der Widerstand des Titandioxidelements 17 über dem Bezugspunkt P liegen, wobei diese Information und ein Ausgangssignal entsprechend dem resultierenden Pumpstrom Ip abgegeriffen werden können, um eine Feinmessung oder -regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses für den kraftstoffarmen Bereich vorzunehmen. Wenn die Maschine mit dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis von 14,7 betrieben werden soll, kann der Widerstand des Titandioxidelements 17, der plötzlich abfällt, wenn sich das abnehmende Luft/Kraftstoffverhältnis an den Wert von 14,7 annähert, an der Ausgangsklemme 25 abgegriffen und als unmittelbares Rückkopplungs-Regelungssignal benutzt werden.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus ermöglicht der erfindungsgemäße Detektor eine genaue Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses einer Brennkraftmaschine über einen weiten Betriebsbereich hinweg, einschließlich des kraftstoffreichen und des kraftstoffarmen Bereiches. Ein Anwendungsgebiet des Detektors liegt in einer Rückkopplungs- oder Regelschleife zur Aufrechterhaltung eines Sollwerts des Luft/Kraftstoffverhältnisses.

Die proportionale Änderung von Ip mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis im kraftstoffarmen Bereich ist bekannt und beispielsweise in JP-OS 1 53 155/1983 beschrieben. Der Partialdruck des in dem in den Spalt a eintretenden Abgas enthaltenen Sauerstoffs wird durch die Wirkung des Pumpelements 6 zu einer Größe modifiziert, die sich vom Sauerstoff-Partialdruck in dem die Abgasleitung 1 durchströmenden Abgas unterscheidet. Der Auspumpstrom Ip, der dem Pumpelement 6 geliefert wird, wird so geregelt, daß die in Abhängigkeit vom differentiellen Sauerstoff-Partialdruck erzeugte EMK e des Sensorelements 13 konstantgehalten wird. Als Folge dieser Regelung ändert sich der Pumpstrom Ip im Verhältnis zur Konzentration des Sauerstoffs im Abgas. Die Ansprechempfindlichkeit für CO-Gas ist der Hauptgrund für diesen im kraftstoffarmen Bereich auftretenden Sauerstoff-Auspumpmechanismus.

Bei den drei beschriebenen Ausführungsformen wird der elektrische Widerstand des Titandioxidelements 17 als Kriterium oder Parameter zur Bestimmung, ob die Maschine im kraftstoffreichen oder -armen Bereich arbeitet, herangezogen. Wahlweise kann die Änderung in der prozentualen Effektiv- oder Wirkspannung oder der Anteil der angelegten Spannung, die durch das mit einem Reihenwiderstand kombinierte Titandioxidelement 17 fließt, als Kriterium benutzt werden. Die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der prozentualen Effektivspannung ist in Fig. 15 veranschaulicht.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen besitzt der durch das Pumpelement 6 fließende Pumpstrom Ip eine solche Polarität, daß Sauerstoff aus dem kleinen Spalt a (Ip ≦λτ 0) ausgepumpt wird. Gewünschtenfalls kann man den Strom Ip in entgegengesetzter Richtung (Ip ≦ωτ 0) fließen lassen, so daß Sauerstoff aus der Luftkammer b in den Spalt a gepumpt wird. Fig. 16 veranschaulicht die Kennlinie der Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Strom Ip bei dieser Abwandlung, wenn das Ausgangssignal des elektrochemischen Zellen-Sensorelements 13 konstantgehalten wird. Die in Fig. 16 dargestellte Charakteristik kann ebenfalls für die Zwecke der Erfindung benutzt werden, weil sie eine bestimmte Beziehung zwischen dem Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Pumpstrom Ip reflektiert.

Wenn durch das Pumpelement 6 fließender Pumpstrom Ip (unabhängig davon, ob Sauerstoff in den oder aus dem kleinen Spalt a gepumpt wird) konstantgehalten wird, variiert die vom Sensorelement 13 erzeugte EMK e auch mit dem Luft/Kraftstoffverhältnis, und diese Beziehung kann ebenfalls für die Erfindungszwecke ausgenutzt werden.

Fig. 17 veranschaulicht die Art und Weise der Änderung der EMK (e ↔ 0) des Zellen-Sensorelements 13 in Abhängigkeit vom Luft/Kraftstoffverhältnis, wenn der Sauerstoff-Einpumpstrom Ip als Parameter herangezogen wird. Wie dargestellt, ändert sich die EMK im kraftstoffreichen Bereich plötzlich oder schlagartig, und das diese plötzliche Änderung hervorrufende Luft/Kraftstoffverhältnis hängt von der spezifischen Einstellung des Stroms Ip ab. Diese Charakteristik kann ausgenutzt werden, um eine genaue Rückkopplungs- Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses im kraftstoffreichen Bereich vorzunehmen. Da die Luftkammer b eine ausreichende Sauerstoffmenge in den Spalt a liefert, läßt sich der dynamische Meßbereich bis zu einem außerordentlich stark mit Kraftstoff angereicherten Bereich ausdehnen.

In den Fig. 18 bis 20 ist eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektors dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend derjenigen nach den Fig. 9 bis 12, so daß entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und nicht mehr im einzelnen erläutert sind. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 bis 12 ist das Titandioxidelement 17 als Metalloxidhalbleiter- Schicht am Meßende des elektrochemischen Zellen Sensorelements 13 angeordnet, das von der Abgasleitung weiter entfernt ist. Bei der vierten Ausführungsform ist das in Verbindung mit dem Pumpelement 6 die Luftkammer b festlegende Wandelment 8 so angeordnet, daß es über das Meßende der Festelektrolyplatte 3 hinausragt, wobei dieser vorstehende Teil 8′ mit einer Metalloxid- oder MOS-Schicht 17 zur Messung, ob das Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnis über oder unter der stöchiometrischen Größe liegt, beschichtet ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 18 ist die MOS- Schicht an der Seite des vorstehenden Teils 8′ vorgesehen, welche dem Wandelement 7 zugewandt ist, und zwar im Hinblick auf eine Isolierung und einen Schutz des Hauptteils der zugeordneten Zuleitungen 17′ durch dieses Wandelement 7. Das Sauerstoff-Pumpelement 6 gemäß der vierten Ausführungsform kann auf dieselbe Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 9 bis 12 hergestellt werden.

Die dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 9 bis 12 läßt sich in verschiedenartiger Weise abwandeln. Beispielsweise können die stark wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Substrate 16 und 28 in Scheibenform als Bauteile des beschriebenen Sensorelements 13 durch Schichten ersetzt werden, die durch Sintern einer aufgetragenen Rohkeramikpaste gebildet worden sind. Wahlweise kann das Meßende der Festelektrolytplatte 10 des Sensorelements 13 so angeordnet sein, daß es über das Meßende der Festelektrolytplatte 3 des Pumpelements 6 hinausragt, wobei die Oberfläche des vorstehenden Bereichs mit einem stark wärmeleitenden, thermisch isolierenden Substrat beschichtet ist, das keine Scheibenform besitzt, sondern eine Schicht oder Lage bildet, die durch Sintern einer aufgetragenen Rohkeramikpaste ausgebildet worden ist.

Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnis- Detektor kennzeichnet sich durch folgende Merkmale:
1) Er ermöglicht eine genaue und einfache Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses über einen weiten Bereich, der Werte von kleiner als 11 und größer als 25 einschließt;
2) er gewährleistet eine genaue und einfache Rückkopplungs-Regelung des Betriebs-Luft/Kraftstoffverhältnisses einer Brennkraftmaschine;
3) er ermöglicht den Einbau einer kleineren, kompakter gebauten Sensor-Sonde in die Abgasleitung;
4) nach der Stromanlegung erwärmt sich jeder funktionelle Bauteil des Detektors so schnell, daß dieser in sehr kurzer Zeit aktivierbar ist.

Die vorher angegebenen, durch die erfindungsgemäße Detektor-Sonde 2 gewährleisteten Charakteristika können entweder einzeln oder gemeinsam für eine kontinuierliche Rückkopplungs-Regelung des Betriebs- Luft/Kraftstoffverhältnisses über den gesamten Betriebsbereich mit häufigen Betriebsartwechseln benutzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Meßsonde (λ-Sonde) sind das Pumpelement und das Sensorlement unter Festlegung eines Spalts oder Zwischenraums zwischen ihnen in nebeneinander befindlicher Lage in die Abgasleitung eingesetzt und durch Ausfüllen des Zwischenraums an den Basisabschnitten mittels eines Abstandstücks oder einer Abstandsmasse gegeneinander befestigt. Bevorzugt werden die Umfangsränder von Pumpelement und Sensorelement gegenüber den Abgasen in ausreichendem Maße freigelegt, um damit das Ansprechverhalten der Sonde zu verbessern. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Konfiguration der offenen oder freigelegten Ränder von Pumpelement und Sensorelement, abgesehen von ihren Basisabschnitten, beschränkt. Beispielsweise können Tragelemente zwischen den Festelektrolytplatten von Pumpelement und Sensorelement zur einfacheren Einstellung der Spaltmaße vorgesehen werden (sofern diese Tragelemente keine nennenswerte Verringerung der Ansprechempfindlichkeit bewirken). Der Spalt oder Zwischenraum zwischen Pumpelement und Sensorelement besitzt bevorzugt eine Weite im Bereich von 0,01-0,15 mm. Wenn der Spalt zu eng ist, verschlechtert sich das Ansprechverhalten. Die den kleinen Spalt definierende Elektrodenschicht ist vorzugsweise eine poröse, dicke Schicht mit einer mittleren Porosität von etwa 10- 40% (bestimmt mittels eines Porosimeters des Druckquecksilbertyps), unter Berücksichtigung ihres Diffusionswiderstands gegen Bestandteilgase, wie Sauerstoff.

Falls weiterhin die Elektrodenschicht nach einer geeigneten Dünnschicht-Auftragtechnik ausgebildet wird, wird vorzugsweise auf ihr eine poröse Schicht, z. B. aus einem keramischen Werkstoff, vorgesehen, welchem ein katalytisches Mittel zur Erzielung einer katalytischen Wirkung zugesetzt sein kann.

Claims (5)

1. Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor zur Anzeige der Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas einer Verbrennungsvorrichtung
mit einem aus einem Festelektrolyten gebildeten, durch eine Sauerstoff-Konzentrationsdifferenz betätigbaren elektrochemischen Zellensensorelement (13), welches beiderseits eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten je eine poröse Elektrode aufweist,
mit einem Festelektrolyt-Sauerstoff-Pumpelement (6), welches ebenfalls auf beiden Seiten eines Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten je eine poröse Elektrode aufweist und so angeordnet ist, daß es dem elektrochemischen Zellensensorelement (13) unter Bildung eines kleinen zwischenliegenden Spalts (a) gegenübersteht, und
mit einer Einrichtung (23) zur Erzeugung eines elektrischen Stroms (Ip) durch das Sauerstoff-Pumpelement (6) zur Veränderung des Sauerstoffkonzentrationspegels in dem kleinen Spalt (a),
wobei das elektrochemische Zellensensorelement (13) eine elektromotorische Kraft nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Sauerstoffkonzentrationspegel in dem Abgas und dem Sauerstoffkonzentrationspegel in dem kleinen Spalt (a) erzeugt,
wobei außerdem zumindest entweder der durch das Sauerstoff- Pumpelement (6) fließende Strom (Ip), wenn er so eingestellt wird, daß er die elektromotorische Kraft konstant hält, oder die elektromotorische Kraft, wenn sie mit einem durch das Sauerstoff-Pumpelement (6) fließenden konstanten Strom erzeugt wird, ein erstes Ausgangssignal (24) erzeugt, welches einen Wert anzeigt, der zwei möglichen, bestimmten Sauerstoffkonzentrationswerten in dem Abgas oberhalb und unterhalb des vorgegebenen, dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis zugeordneten Wertes entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sauerstoff-Pumpelement (6) auf seiner dem kleinen Spalt (a) gegenüberliegenden Seite eine zur Atmosphäre offene Luftkammer (b) aufweist, welche zwischen dem Sauerstoff-Pumpelement (6) und einer dem Sauerstoff-Pumpelement unter Bildung der Luftkammer (b) gegenüberstehenden Wand gebildet ist und die Atmosphärenluft als Bezugsgas aufnimmt,
daß ein Sauerstoff-Bezugselement (215; 115) mit einer Metalloxid-Halbleiterschicht (17) in dem Detektor vorgesehen ist, welches ein zweites Ausgangssignal ( 25) durch Änderung in den elektrischen Eigenschaften des Metalloxid-Halbleiters (17) liefert, wobei dieses zweite Ausgangssignal angibt, ob die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas oberhalb oder unterhalb des vorgegebenen, dem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnis entsprechenden Wertes liegt, und
daß das Luft/Kraftstoffverhältnis definitiv durch das erste und das zweite Ausgangssignal bestimmt wird.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Sauerstoff-Pumpelement (6) unter Bildung der Luftkammer (b) gegenüberstehende Wand (7) eine Trägerplatte aus luftundurchlässigem, elektrisch isolierendem Substrat bildet, auf deren dem Abgas zugewandten Seite die Metalloxid-Halbleiterschicht (17) zur Bildung des Sauerstoff-Bezugselementes (215) vorgesehen ist.

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Sauerstoff-Pumpelement (6) und dem Zellensensorelement (13) ein getrenntes Sauerstoff-Bezugselement (118) angeordnet ist, welches durch ein elektrisch isolierendes Substrat (115) mit einer aufgebrachten Metalloxid-Halbleiterschicht (17) gebildet ist.

4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt des Sauerstoff- Pumpelementes (6) oder des Sensorelementes (13) an seinem Meßende eine Metalloxid-Halbleiterschicht (17) aufweist, welche unter Zwischenfügung einer elektrisch isolierenden Schicht (15, 8) auf dem betreffenden Element angeordnet ist.

5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche bzw. im Inneren eines der Metalloxid-Halbleiterschicht am nächsten gelegenen Teil der elektrisch isolierenden Schicht ein elektrisches Heizelement ( 9) vorgesehen ist, mit welchem die Metalloxid-Halbleiterschicht auf einer hohen Temperatur gehalten wird.