CN1312390C - 空/燃比检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空/燃比检测装置，其包括一致密层，其被设置在一固态电解质层的外表面上，用于从外边遮挡着气体扩散层、固态电解质层、外测量电极、以及参考电极，以限制废气的进入。在致密层上制有一个具有预定宽度的通气窗孔。该通气窗孔允许废气在其开口宽度范围内进入、并流向气体扩散层和外测量电极。

Description

空/燃比检测装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测发动机空/燃比的装置，其中的发动机例如是汽车发动机。
背景技术
通常，车用发动机具有一空/燃比传感器(其包括一氧传感器)，其被设置在排气管等部件中，用于检测发动机废气中的氧浓度或类似指标。
空/燃比传感器通常包括：一纵长的板状加热器；一传送氧离子的固态电解质层，其以叠层的方式制在加热器上，并由加热器所产生的热量活化；多个电极，它们被设置在电解质层的表面上；以及一气体扩散层，其与电解质层相配合而在外部覆盖着电极。
当向空/燃比传感器施加外电压时，通过测量电极之间流过的泵电流或扩散极限电流而检测出发动机的空/燃比。
发动机电子控制单元利用空/燃比传感器传来的空/燃比检测信号，按照一定的方式对燃油喷射量执行反馈控制，从而使空/燃比接近理论值(A/F＝14.7)、稀薄空/燃比值(A/F≥15)或其它的数值，从而可改善发动机的燃烧效率和燃油经济性。
然而，对于上述的空/燃比传感器，由于只用多孔材料制成的气体扩散层简单地覆盖着固态电解质层表面上设置的电极，所以在多个方向上存在多条通路，这些通路使得要被测量的气体—例如发动机废气能经过扩散层而到达电极处。
上述的设计易于使废气经气体扩散层到达电极处时所产生的气体扩散阻力发生变化，使扩散极限电流的特性变得不稳定，从而导致对空/燃比的测量精度下降。
发明内容
因而，本发明的一个目的是提供一种空/燃比检测装置，其有助于提高扩散极限电流的特征稳定性，从而可提高对空/燃比的检测精度。
本发明在总体上提供了一种用于检测空/燃比的装置，其包括：一加热器，通过从外界向其施加能量可使其发热；一气体扩散层，其被设置到加热器上，该气体扩散层允许要被测量的气体扩散到其中；一固态电解质层，其被设置到加热器上，并位于气体扩散层的外侧，该固态电解质层可被加热器所产生的热量活化，固态电解质层是可输送氧离子的；一第一电极，其被设置在气体扩散层与固态电解质层之间，第一电极被暴露在流经气体扩散层的气体中；第二电极，其被设置在固态电解质层的外表面上，并隔着固态电解质层与第一电极相对，当向第二电极和第一电极上施加外电压时，两电极允许一泵电流在二者之间流过；一第三电极，其被设置在固态电解质层的外表面上，并远离第二电极，第三电极和第一电极使得二者之间可产生一个与气体中氧浓度对应的电动势；一第一致密层，其被布置在固态电解质层的外表面上，第一致密层从外侧遮挡着气体扩散层、固态电解质层、第二电极以及第三电极，从而限制气体的进入；以及一个开孔，其被制在第一致密层中，该开孔具有预定的宽度，开孔允许气体在该宽度范围内进入、并流向气体扩散层和第二电极。
本发明还提供了一种用于检测空/燃比的装置，其包括：一加热器，通过从外界向其施加能量可使其发热，该加热器的形状为长条杆棒；一气体扩散层，其被设置到加热器的外周面上，该气体扩散层允许要被测量的气体扩散到其中；一固态电解质层，其被设置到气体扩散层的外周面上，该固态电解质层可被加热器所产生的热量活化，固态电解质层是可输送氧离子的；一第一电极，其被设置在固态电解质层的内周面上，第一电极所处位置位于气体扩散层与固态电解质层之间；第二电极，其被设置在固态电解质层的外周面上，当向第二电极和第一电极上施加外电压时，两电极允许一泵电流在二者之间流过；一第三电极，其被设置在固态电解质层的外周面上，并远离第二电极，第三电极和第一电极使得二者之间可产生一个与气体中氧浓度对应的电动势；一第一致密层，其被布置在固态电解质层的外周面上，第一致密层从外侧遮挡着气体扩散层、固态电解质层、第二电极以及第三电极，以限制气体的进入；以及一个开孔，其被制在第一致密层中，该开孔具有预定的宽度，开孔允许气体在该宽度范围内进入、并流向气体扩散层和第二电极。
附图说明
从下文参照附图所作的描述，可更清楚地理解本发明其它的目的和特征，在附图中：
图1是一个纵向剖视图，表示了一空/燃比传感器的第一实施方式，该传感器带有根据本发明的空/燃比检测元件或器件；
图2是图1所示空/燃比检测元件的分解轴测图；
图3中的俯视图表示了图2中的空/燃比检测元件；
图4是沿图3中的IV-IV线所作的剖面图；
图5是与图4类似的视图，其是沿图4中的V-V线所作的剖面图；
图6类似于图5，其是沿图4中的IV-IV线所作的剖面图；
图7中的示意图表示了空/燃比检测元件的电路；
图8中的图线表示了空/燃比检测元件的输出电压与空/燃比之间的关系；
图9中的图线与图8类似，表示了泵电压与泵电流之间的关系，该关系被用来检测空/燃比；以及
图10是与图7类似的示意图，表示了本发明的第二实施方式。
具体实施方式
下面将参照附图对实施本发明的一种空/燃比检测装置进行描述，在所有附图中，相同的数字标号将指代相同的部件。在这些示例性的实施方式中，空/燃比检测装置被应用到安装在汽车发动机排气管上的宽区间空/燃比传感器中。
参见图1-9，图中表示了本发明的第一实施方式。参见图1，空/燃比传感器包括一外壳1，其包括一阶梯形的圆筒保持器2，该保持器一轴向端或前端的外周面上具有外螺纹或安装部分2A，壳体还包括一带底的圆筒帽3，其被一体地固定到保持器2的另一轴向端或基端上，在筒帽中同轴地设置了一段引导管4，如下文将要介绍的那样，其被设置在保持器2与一密封帽10之间。
组成外壳1的保持器2、筒帽3以及引导管4是用不锈钢等金属材料制成的。为了在排气管中突出地设置一个空/燃比检测元件或器件21(在下文将对其进行描述)，外壳1上制有与排气管相接合的外螺纹2A。
通过一金属密封环6在外壳1的保持器2中设置了一个绝缘支撑件5。绝缘支撑件5是用氧化铝(Al2O3)等陶瓷材料制成的，并被制成圆筒状，在该支撑件5的内周面上固定了空/燃比检测元件21。绝缘支撑件5用于将空/燃比检测元件21定位到外壳1中，并将其保持在绝缘、隔热的状态。
在外壳1的引导管4内设置了绝缘筒7、8。绝缘筒7、8是用氧化铝等陶瓷材料制成的，用于如下文将要介绍的那样、相对于外壳1绝缘地保持着触板13、14等部件。
在外壳1中，在绝缘支撑件5与绝缘筒7之间设置一弹簧或弹性部件9。弹簧9用于将绝缘支撑件5始终偏顶向保持器2，以防止从外界施加到外壳1上的振动、冲击等运动被直接传递给空/燃比检测元件21。
在靠近筒帽3基端的位置处设置了一个密封帽10。密封帽10是用耐热树脂等材料制成的，且其形状被制成类似于阶梯状的圆柱体。密封帽10的作用在于：利用弹簧9在外壳1内对绝缘筒7、8等部件进行定位。
穿过密封帽10设置了用于执行检测的引出导线11，11...、以及为加热器而设置的导线12、12(在图1中只表示出了其中的一条)。导线11、12分别与用于执行检测的触板13，13...和为加热器设置的触板14，14进行电路连接。
在外壳1的保持器2上设置了一个保护罩15，其是用可耐高热的金属板材等材料制成的，其形状类似于有盖的圆筒体。保护罩15的基端按照一定的方式安装到保持器2上，从而在外部遮隐着空/燃比检测元件21的前端，保护罩15还具有一个从保持器2沿轴向伸出的前端或盖罩。
在保护罩15的圆筒部分上制有多个窗孔15A，这些窗孔允许所要测量的尾气或气体能循环流动。窗孔15A用于将在排气管中流动的废气引导到空/燃比检测元件21前端的附近。
空/燃比检测元件21起到空/燃比检测装置的作用，其通过绝缘支撑件5被设置在壳体1的保持器2中，该元件的前端沿轴向从保持器2中突伸出。参见图2-图7，空/燃比检测元件21包括一加热器22、一气体扩散层26、一固态电解质层27、一致密层或第一致密层32、以及一保护层34，其结构将在下文进行描述。
参见图2-4，加热器或杆座22的形状类似于一长棒，其包括一小直径的加热器芯23、一加热器栅图24、以及一绝缘的加热器覆盖层25，其中的加热器芯23是用氧化铝等陶瓷材料制成的，其被制成实心棒的形式。
例如从图5可最为清楚地看出，加热器栅图24是用能发热的导电材料制成的，该材料例如是含氧化铝的铂，利用曲面印刷等方法将该栅图布置到加热器芯23的外周面上。加热器栅图24包括一对引线部分24A(在图2中只表示出了其中的一个引线部分)，引线部分从加热器芯23的前端延伸向其基端。如图1所示，在加热器芯的基端处，引线部分24A与为加热器所设置的触板14连接起来。
利用加热器用引线12、触板14以及引线部分24A，从加热器的外电源(图中未示出)向加热器栅图24供电，从而将加热器加热到某一温度，该温度例如为650℃-800℃。
为了能在径向上从外部保护加热器栅图24以及引线部分24A，在加热器芯23的周面上，利用曲面印刷方法或类似方法对氧化铝等陶瓷材料执行厚膜印刷，从而形成加热器覆盖层25。并利用曲面印刷方法或类似方法、以叠层的方式在加热器覆盖层25的外周面上设置气体扩散层26和类似结构层。
参见图4-7，利用曲面印刷方法或类似方法，通过对一种浆料执行厚膜印刷，就可在加热器22的加热器覆盖层25上设置气体扩散层26，其中的浆料例如为氧化铝粉末(其可包括预定重量百分比的锆粉末)。
气体扩散层26是多孔结构，其具有一些空孔，这些空孔为连续空泡的形式。当沿空/燃比检测元件21的周边流动的部分扩散废气沿图5中箭头A所示的方向或轴向、经一通气窗孔33(下文将对其进行描述)流入到气体扩散层26中时，气体扩散层26使得废气可流向一个内电极28(下文将对此进行介绍)。
利用曲面印刷或类似方法将可传输氧离子的固态电解质层27设置在加热器保护层25上。具体来讲，参见图4-7，通过从气体扩散层的外侧对一种浆料执行厚膜印刷而在加热器保护层25的外周面上形成环面的固态电解质层27，其中的浆料中例如含有三氧化二钇稳定化的氧化锆(YSZ)。
固态电解质层27具有在电极28、29之间、以及电极28、31(将在下文进行描述)之间传送氧离子等的功能。固态电解质层27与致密层32(下文将进行介绍)的结构基本上类似，都是致密的，从而可防止废气等气体从电解质层透过或渗入。
如图4所示，固态电解质层27以叠层的方式设置在加热器覆盖层25的外周面、以及气体扩散层26上。固态电解质层27的周长小于气体扩散层26。结果就是，气体扩散层26的外侧并非被固态电解质层27完全遮盖，因而如图4所示，气体扩散层26的两周向侧边沿圆周方向从加热器覆盖层25中突伸出。
内电极或第一电极28、29被设置在固态电解质层27的内周面上，且位于气体扩散层26与固态电解质层27之间。参见图4-7，内电极28、29是用铂等导电材料制成的，在对固态电解质层27执行曲面印刷之前，用曲面印刷或类似方法在气体扩散层26的外周面上制出这些内电极。
参见图5-7，内电极28、29被布置成在气体扩散层26的轴向上相互离开，并在气体扩散层26的径向上隔着固态电解质层27与电极30、31(下文将要进行介绍)相对。内电极28、29通过引线等部件(图中未示出)相互连接起来，从而与图7中的假地35(下文将进行描述)具有相同的电势。
如图2所示，内电极28、29带有一引线部分或导线29A，其位于内电极29一侧，该引线29A例如在加热器覆盖层25的轴向上向加热器22的基端延伸。按照某种方式将固态电解质层27曲面印刷到加热器覆盖层25的外周面上：使其从外部完全覆盖着内电极28、29，只露出引线部分29A。
在靠近加热器22前端的位置处，固态电解质层27的外周面上设置有外测量电极或第二电极30。参见图4-7，外测量电极30被布置成隔着固态电解质层27与内电极28相对。内电极28和外测量电极30构成了所谓的泵电极。
外测量电极30包括一引线部分或导线(图中未示出)，其与一参考电极31(将在下文进行介绍)的引线部分31A类似。该引线部分被制成在加热器覆盖层25的圆周方向上远离参考电极31的引线部分31A，并在轴向上沿着加热器覆盖层25延伸向加热器22的基端。
参考电极或第三电极31被设置到固态电解质层27的外周面上，且在加热器22的轴向上与外测量电极20离开。参见图5-7，参考电极31被布置成隔着固态电解质层27与内电极29正对，从而如下文将要介绍的那样，可在两个电极29、31之间产生一个电动势，该电动势与废气中的氧浓度相对应。
外测量电极30和参考电极是用与内电极28、29相同的导电材料制成的，且是通过在固态电解质层27的外周面上对一种导电材料浆料执行曲面印刷而制成的。如图2所示，参考电极31具有引线部分或导线31A，其延伸向加热器22的基端。
如图1所示，内电极28和29的引线部分29A、外测量电极30的引线部分、以及参考电极31的引线部分31A与空/燃比检测元件21基端一侧的触板13和引线11相连接，从而可形成图7所示的电路。
致密层32被设置成从外部遮盖着气体扩散层26、固态电解质层27、电极30和31、以及其它的部件。致密层32是通过这些的操作而制成的：从气体扩散层26、固态电解质层27等部件的外侧开始，在加热器覆盖层25的外周面上对一种浆料执行厚膜印刷，该浆料中例如包含氧化铝粉末，并在其中添加有二氧化硅(SiO2)。如图7所示，致密层32从加热器的前端延伸向其基端。
由于构成浆料的粉末的平均颗粒直径很小(例如约为0.3-0.5μm)，所以致密层32在结构上比气体扩散层等部件更为致密，从而可防止废气的渗入。结果就是，参考电极31上除了引线部分31A之外都被固态电解质层27和致密层32完全包围着，因而与外部的废气保持隔绝。
同样，如图2和图3所示，除了通气窗孔33处的部位之外，气体扩散层26和外测量电极30都被致密层32包围着，这样可防止废气的渗入。采用这样的结构，废气进入到气体扩散层26的方向或路径就被局限在图5中箭头A的方向上，或被限定在加热器22、气体扩散层26等部件的长度方向上。
通气窗孔或开孔33被设置在致密层32上。参见图2-5，通气窗孔33的形状类似于矩形的开口，该窗孔是通过在靠近加热器22前端的部位处在致密层32上切出一个C形切口而形成的。如图3所示，通气窗孔33开口宽度W与致密层32外径D之间的关系例如可用下式表达：
W＝(2/3～1)×D    ...(1)
如图4所示，通气窗孔33被制成具有一个开口角θ。开口宽度W和开口角θ相对于致密层32外径D的关系可由下式进行表达：
W＝(θ/360)×D×π    ...(2)
举例来讲，如果致密层32的外径为3mm，通气窗孔33的开口宽度W例如约为0-3.0mm，优选地是2.5-2.8mm。
如图2和图3所示，在空/燃比检测元件21的轴向上，通气窗孔33延伸到外测量电极30的部位处，将部分电极30、以及气体扩散层26和固态电解质层27从致密层32下裸露出来。通气窗孔使得外部的废气能进入到气体扩散层26中，并在开口宽度W的范围内与外测量电极30接触。
需要指出的是：由于气体扩散层26的外周面被固态电解质层27从外面包裹着，而固态电解质层27的结构与致密层32近似相同，都是致密的，所以外侧废气不可能穿过固态电解质层27而到达气体扩散层26处。
结果就是，气体扩散层26只有在其前端或长度方向的一侧在通气窗孔33的位置处能与废气接触到。通气窗孔33的作用在于将外界的废气沿图5中箭头A所示方向引入到气体扩散层26中，并限制废气从其它方向进入。
保护层34具有从外部遮罩着致密层32以及通气窗孔33的作用。保护层34是用氧化铝等多孔材料制成的，如图2和图3中的虚线所示，该保护层是通过对一种含氧化铝粉末的浆料执行曲面印制而形成的。
需要指出的是：尽管在图2和图3中，为了清楚地表示通气窗孔33，将保护层34表示为虚线，但在图4-7中则用实线表示出了实际存在的保护层34。保护层34是粗糙的多孔结构，其比气体扩散层26具有更高的孔隙率。
保护层34具有这样的功能：从外部遮盖着经通气窗孔33敞露向外界的气体扩散层26、固态电解质层27、外测量电极30等部件，以防止外界烟尘等物质落到这些结构上。沿保护层34环周流动的部分废气穿过高孔隙率的保护层34，从通气窗孔33的位置处流动到气体扩散层26、外测量电极30等部位。
如图7所示，假地35与内电极28、29相连接，并被设定为一基准电位，该电位例如约为1.5伏。
设置一直流(DC)电源或电压施加装置36，用于施加DC电压。
如图7所示，DC电源36通过一可变电阻Ro与参考电极31相连接。DC电源36通过可变电阻Ro向参考电极31施加一个预定的DC电压或假参考电极(pseudo-reference-electrodo)泵电压Vo，其例如约为2-3V。
设置了一输出端37，用于输出一个与废气中氧气浓度相对应的信号。参见图8，输出端37可提供一个输出电压Vs，该电压被作为氧浓度检测信号，其在图中由一特性曲线表示，其中，输出电压Vs被表达为如下的公式(3)：
Vs＝E+(Ri×Io)    ...(3)
具体来讲，空/燃比检测元件21的固态电解质层27具有内电阻Ri，且在内电极29与其隔着固态电解质层27相对的参考电极31之间产生一个电动势E，该电动势与废气中的氧浓度相对应。当从DC电源36向电极29、31输送一个作为输入电流的泵电流时，就从输出端37输出一个输出电压Vs，其作为对氧浓度的检测信号。
设置了一个比较电源38，用于设定比较电压VR。比较电源38的作用在于向一差动放大器39(下文将进行介绍)提供一个与理论空/燃比(A/F＝14.7或＝1)相对应的比较电压VR。
如图7所示，差动放大器39被设置成在检测端40、41之间形成一个空/燃比信号。差动放大器39具有一非倒相输入端，其与用于产生比较电压VR的比较电源38相连接，并具有一倒相输入端，其与用于输送输出电压Vs的输出端37相连接，其中的输出端即为空/燃比检测元件21的参考电极31。
另外，差动放大器39具有一个通过检测电阻Rp与外测量电极30相连接的输出端。在分别与检测电阻Rp的两端相连接的两检测端40、41之间设置了一个检测器(图中未示出)，用于检测泵电流或扩散极限电流Ip(其作为空/燃比信号)等指标。
差动放大器39将对应于理论空/燃比的比较电压VR与输出电压Vs进行比较，并向检测端40、41输出一个代表比较结果的信号，其中的对比结果就作为泵电压Vp。然后，在内电极28和外测量电极30之间就流过了作为空/燃比信号的泵电流。参见图9，图中用一特征曲线42表示了泵电压Vp与泵电流Ip之间的关系。
下面将对空/燃比传感器的检测工作进行描述。空/燃比传感器的壳体1通过保持器2上的外螺纹2A与排气管等部件相接合，并固定到排气管上，空/燃比检测元件21的前端突伸到排气管中。
当发动机在工作中排出尾气时，废气从排气管中流过，并经保护罩15到达空/燃比检测元件21的周围，废气的这一部分经保护层34和致密层32上的通气窗孔33到达外测量电极30的表面处，并通过气体扩散层26而到达内电极28、29的表面处。
在此状态下，从加热器电源向加热器栅图24供电，以便于利用加热器22对整个空/燃比检测元件21进行加热，从而可使固态电解质层27活化。从DC电源36向隔着固态电解质层27相互对置的内电极29与参考电极31之间施加一个电压，而在同样隔着固态电解质层27对置的内电极28和外测量电极30之间则由差动放大器39施加了电压。
按照下述反应式(I)-(VI)表达的化学反应，根据废气中氧浓度以及可燃气体组分的浓度，在内电极29与参考电极31之间、以及内电极28与外测量电极30之间产生出与空/燃比相对应的输出电压Vs以及泵电压Vp。然后，在检测端40、41之间产生出作为检测信号的泵电流。
具体来讲，在空/燃比处于稀薄区间内时，实际空/燃比大于理论值，发动机燃烧室内形成的空/燃混合气是稀薄的。由于该空/燃混合气是稀薄的，所以在沿空/燃比检测元件21外周(例如为保护层34)流动的废气中就残留有一定量的氧气。废气中的这些氧气沿图5中箭头A的方向经气体扩散层26流向内电极28、29。
结果就是，通过从DC电源36例如向电极29施加电压，内电极29和参考电极31之间就发生了由以下反应式(I)表达的电化学分解反应。该反应向废气中残存的氧分子添加电子，从而形成氧离子。
O2+4e→2O2-    ...(I)
式中，O2为氧分子，e为电子，且O2-为氧离子。
然后，利用固态电解质层27中氧气的缺乏，氧离子被从内电极29输送到基准电极31。这样，在参考电极31上发生了由如下反应式(II)确定的分解反应，其将氧离子分解为氧气和电子：
2O2-→O2+4e    ...(II)
式中，O2-为氧离子，O2是氧分子，且e为电子。
因而，氧气就被吸收到了参考电极31中，例如被吸收到其空孔(图中未示出)中，从而在参考电极31中形成相对较高的氧气分压。但在空/燃比很稀薄的情况下，氧气通过气体扩散层26连续地输送给内电极29，从而使内电极29也被置于较高的氧气分压下，因而电极29、31之间氧气分压的差值很小。
结果就是，公式(3)所表达的、在固态电解质层27中所产生的电动势E就很小，其被局限在很小的数值上，其中，电动势E是与电极29、31之间氧气分压的差值相关的。因而，如图8中特征曲线所示，与废气中氧气的浓度相对应，参考电极31的电压—即输出端37的输出电压Vs就小于在理论空/燃比(λ＝1)时的电压。
在另一方面，在富燃的空/燃比上，由于燃烧室内空/燃混合气过浓，实际空/燃比小于理论值，从而，在沿空/燃比检测元件21保护层34或其它部分的外周流动的废气中，将不残留有任何的氧气，但却留有未被燃烧的可燃组分—例如一氧化碳和氢。
在此条件下，废气中没有任何氧气通过气体扩散层26输送到内电极28、29，导致内电极29(例如)的氧气分压陡然下降。但即使在这样的情况下，在参考电极31的空孔中仍储积有氧气，从而可在电极29、31之间产生很大的氧气分压。
结果就是，公式(3)中所表达的、固态电解质层27中产生的、且与电极29和31之间氧气分压相关的电动势E会有很大的增加。因而，如图8中的特征曲线所示，与废气中氧气浓度相对应，参考电极31的电压—即输出端37的输出电压Vs就会大于理论空/燃比(λ＝1)时的电压。
如图8中特征曲线所示，由于输出端37的输出电压Vs会随着废气中氧气浓度的变化而发生很大的改变，所以根据输出电压Vs就能判断空/燃比是处于富燃状态还是稀薄状态。
在此情况下，如图7所示，参考电极31与DC电源36相连接，从而受到DC电压Vo的作用，这样就可以将氧离子从内电极29经固态电解质层27输送到参考电极31处。
由于参考电极31被固态电解质层27和致密层32完全包围着，因而与外界的废气保持隔绝，这样，参考电极31就不会受空/燃比变化的影响，将氧气分压稳定地保持在较高的数值上，使得参考电极31具有能假作为氧气浓度基准值电极或基准电极的功能。
在此条件下，如图8所示，输出端37的输出电压Vs-即参考电极31的电压可具有稳定的输出特性，在该特性关系中，电压随着空/燃比是处于富燃状态还是处于稀薄状态而按照两位通断的方式转换。由此可精确地测量废气中的氧气浓度。
另外，如图7所示，参考电极31的电压—即输出端37的输出电压Vs被输送给差动放大器39，用于与理论空/燃比对应的比较电压VR进行比较。如果空/燃比处于富燃状态，则输出电压Vs数值较高，该数值大于理论空/燃比所对应的比较电压VR。
结果就是，在富燃的空/燃比上，差动放大器39从其输出端输出一个泵电压Vp，该泵电压Vp的数值要被内电极28、29一侧假地35的电压(例如为1.5伏)要小(Vp例如为1.0伏)。
在另一方面，如果空/燃比处于稀薄范围，则输出电压Vs就小于理论空/燃比所对应的比较电压VR。因而，差动放大器39从其输出端输出的泵电压Vp就要比内电极28、29一侧假地35的电压(例如为1.5伏)要高(Vp例如为2.0伏)。
按照这样的方式，差动放大器39所输出泵电压Vp的数值就能根据空/燃比是处于富燃状态还是处于稀薄状态而显著地增大或减小。泵电压Vp具有这样的特性：可相对于内电极28、29一侧的假地35在大值与小值之间转换。
结果就是，经固态电解质层27在内电极28与外测量电极30之间流动的泵电流Ip的方向例如就可根据空/燃比是处于富燃状态还是处于稀薄状态而发生转变。如图7所示，该泵电流Ip例如就可被当作从检测端40、41输出的空/燃比信号。
在富燃的空/燃比上，外测量电极30的电势小于内电极28的电势，从而在外测量电极30(阴极)处发生如下反应式(III)表达的电化学分解反应。该反应例如向废气中残留的二氧化碳分子添加电子，从而形成氧离子和一氧化碳。
CO2+2e→O2-+CO    ...(III)
式中，CO2为二氧化碳分子，e为电子，O2-是氧离子，CO是一氧化碳分子。
然后，利用固态电解质层27中的缺氧效果，氧离子被从外测量电极30(阴极)输送到内电极28(阳极)。另外，在内电极28(阳极)处发生由下面反应式(IV)表达的电化学分解反应，从而使经气体扩散层通向内电极28的废气中的一氧化碳分子与氧离子相结合，从而分解出二氧化碳和电子：
CO+O2-→CO2+2e    ...(IV)
式中，CO是一氧化碳分子，O2-是氧离子，CO2为二氧化碳分子，e为电子。
如果废气中的可燃气体组分包括氢气，则在外测量电极30处则发生了由下面反应式(V)表达的电化学分解反应。该化学反应向废气中残留的水分子添加电子，从而形成氧离子和氢气。
H2O+e→O2-+H2    ...(V)
式中H2O是水分子，e是电子，O2-为氧离子，H2是氢气。
然后，利用固态电解质层27中缺氧效果，氧离子被从外测量电极30(阴极)输送到内电极29(阳极)处。另外，在内电极28(阳极)处还发生由如下化学式(VI)表达的电化学分解反应，从而使废气中的氢分子与氧离子结合，这样就分解出水分子和电子：
H2+O2-→H2O+2e    ...(V)
式中H2是氢气，O2-为氧离子，H2O是水分子，e是电子。
按照这样的方式，在空/燃比富燃的情况下，氧离子被从外测量电极30(阴极)输送到内电极28(阳极)处，从而就实现了一项控制，该控制可减小内电极28、29与参考电极31之间氧气分压的差值。也就是说，所执行的控制可将根据参考电极31的电压—即输出电压Vs而得出的空/燃比判断结果将从富燃判断转变为稀薄判断。
在另一方面，在空/燃比处于稀薄范围时，外测量电极30的电势高于内电极28的电势，从而在内电极28(阴极)处发生由反应式(I)主导的电化学分解反应。向废气中的氧分子添加电子将会导致内电极28能通过气体扩散层26而形成氧离子。
然后，利用固态电解质层27中的缺氧效果，氧离子被从内电极28输送到外测量电极30。结果就是，就可在外测量电极30处发生由反应式(II)表达的电化学反应，从而将氧离子分解成氧气和电子。
按照这样的方式，在空/燃比处于稀薄范围时，氧离子被从内电极28(阴极)输送到外测量电极30(阳极)，从而就执行了这样的控制：可将氧气分压在内电极28、29与参考电极31之间的差值减小。也就是说，所执行的控制可将根据参考电极31的电压一即输出电压Vs而得出的空/燃比判断结果将从稀薄判断转变为富燃判断。
结果就是，在内电极28与参考电极31之间流动的泵电流Ip的方向就会根据空/燃比是处于富燃状态、还是处于稀薄状态而发生转换，从而相对于理论空/燃比发生线性的改变。如图7所示，由于在检测端40、41之间设置了检测电阻Rp，所以该泵电流Ip被检测为两检测端之间的一个电压，其被作为空/燃比检测信号。
需要指出的是：如果用于限制废气进入的致密层32遮挡着参考电极31，但却不遮挡外测量电极30、气体扩散层26等，使得几乎整个周面都暴露向外界，则在多个方向上存在多条通路，这些通路使废气能经气体扩散层29到达内电极28、29处。
这就会造成这样的情况：当废气经气体扩散层26到达电极28、29时，所产生的气体扩散阻力是变动的。因而，如图9中的特征曲线43所示，泵电流Ip并不具有平直的特性，而是表现出一定的回滞性，从而难于实现稳定的特性，可能会导致对空/燃比的检测精度降低。
这样，在该实施方式中，在从外部遮裹着气体扩散层26、外测量电极30、以及参考电极31的致密层32上，制有具有预定宽度W的通气窗孔33。通气窗孔33使外侧废气只能在窗孔W的范围内进入、并流向气体扩散层26和外测量电极30。
如图2和图3所示，通气窗孔33的形状类似于矩形的开口，该窗孔是通过在致密层32的一端上切出一个C形切口而形成的，其将气体扩散层26的一端、以及固态电解质层27和外测量电极30局部地敞露向外界。
这样，在空/燃比检测元件21的总体形状近似为圆棒体的情况下，可在致密层32上制出一个开口宽度W例如为2/3D(D为致密层32的外径)的矩形通气窗孔33。在此条件下，外侧废气进入到气体扩散层26的路径或方向就基本上被限定在开口宽度W范围内的一个方向上—例如为图5中箭头A的方向。
结果就是，废气沿图5中箭头A所示方向从气体扩散层26迁移到内电极28、29的扩散距离可基本上保持恒定，从而能有利地抑制气体扩散阻力的变化。
这就能防止在内电极28与外测量电极30之间流动的泵电流Ip的扩散极限值发生变动，因而可防止泵电流Ip如图9中特征曲线43所示那样变得不稳定。由于可抑制回滞现象的发生，所以可使泵电流Ip的扩散极限值具有平直性。
因而，在该实施方式中，可将外侧废气从气体扩散层26迁移到内电极28、29所需的扩散距离设定为粗略地恒定，从而使泵电流或扩散极限电流Ip的特性保持稳定，进而可提高对空/燃比的检测精度。
另外，在该实施方式中，加热器栅图24被设置在小直径杆棒状加热器芯23的外周面上，并按照一定的方式在加热器芯的外周面上布置了绝缘性的加热器覆盖层25，从而从外部包裹着加热器栅图24，使加热器22成为长棒状。
利用曲面印刷等方法在加热器22的外周面上制出气体扩散层26、固态电解质层27、内电极28、外测量电极30、参考电极31、致密层32、保护层34等等。
这样，就制得了圆棒状的空/燃比检测元件21，相比于板状的空/燃比检测元件，其可为环形电极28、29、30、31留出足够的面积，从而可降低内阻，并能有利地减小空/燃比检测元件21的外径、体积等指标。
另外，相比于带有边沿部分的板状空/燃比检测元件，圆棒状的空/燃比检测元件21的外部形状不带有任何边沿部分，从而可减小空/燃比检测元件21的热应力等不利影响，使得固态电解质层27(例如)不易于发生开裂等问题。
更进一步，可通过在加热器芯23的外周面上用曲面印刷方法依次制出加热器栅图24、加热器覆盖层25、气体扩散层26、内电极28和29、固态电解质层27、外测量电极30、参考电极31、致密层32、以及保护层34来制成空/燃比检测元件21，因而提高了空/燃比检测元件21的可加工性。
另外，加热器22的外周面被气体扩散层26、固态电解质层27、致密层等结构遮盖着。这可防止加热器22与外界空气直接接触，从而降低了外界空气温度的影响，并增大了加热器22的加热面积，由此可有效地将加热器22的热量传递给固态电解质层27等结构。
在此条件下，必然能缩短加热器22的温升时间，从而不但使得固态电解质层27的活化时间缩短，而且很早就能对废气中的氧浓度等指标进行检测—甚至在发动机起动时，从而能立即对燃油喷射量执行反馈控制。另外，还可增大安装柔性自由度，使得加热器22的能耗降低。
此外，在空/燃比检测元件21中，无需形成用于通入空气的特定参考空气室等结构，从而能使结构得以简化，并改善了空/燃比检测元件21的可加工性。
更进一步，固态电解质层27被保持在内电极28与外测量电极30之间、以及内电极29与参考电极31之间。也就是说，只用一个固态电解质覆层27，就能构成所谓的泵电池、能斯特电池等结构，使空/燃比检测元件21的总体外径得以减小，进而使检测装置的尺寸缩小。
参见图10，图中表示了本发明的第二实施方式，该实施方式基本上与第一实施方式相同，区别仅在于：在内电极29的引线部分或导线29A与参考电极31的引线部分或导线31A之间设置了致密层或第二致密层52，以抑制所要材料气体的渗入。
参见图10，在第二实施方式中，空/燃比检测装置包括一空/燃比检测元件51，其结构基本上与第一实施方式中所描述的空/燃比检测元件21相同，装置还包括加热器22、气体扩散层26、固态电解质层27、内电极28和29、外测量电极31、致密层32、通气窗孔33、保护层34等。
但是，空/燃比检测元件51与空/燃比检测元件21的区别在于：在内电极29的引线部分29A与参考电极31的引线部分31A之间设置了致密层52(将下下文进行介绍)。
在第二实施方式中，除了致密层32之外，还设置了致密层52，其基本上是用与第一实施方式中所述致密层32相同的材料制成的，用于防止外侧废气的进入。
在气体扩散层26的外周面上曲面印刷出固态电解质层27之后、并在其上曲面印制外测量电极30和参考电极31之前，例如利用曲面印刷等方法在加热器覆盖层25的外周面上制出致密层52。致密层52与加热器覆盖层25相配合，基本上包裹着内电极29引线部分29A的整个长度。
在固态电解质层27的外周面上利用曲面印刷方法制出了致密层52、外测量电极30、以及参考电极31之后，沿着致密层52印制出在空/燃比检测元件51轴向上延伸的各条引线部分。并如第一实施方式中那样，在此部位上制出致密层32。
这样，外测量电极30的引线部分(图中未示出)、以及参考电极31的引线部分31A就被夹置在了致密层52、32之间，利用致密层52、32，可防止外侧废气或经气体扩散层26渗入的废气与参考电极31的引线部分31A相接触。
因而，第二实施方式可产生与第一实施方式基本相同的效果。尤其是，由于在第二实施方式中还另外在内电极29的引线部分29A与参考电极31的引线部分31A之间设置了致密层52，所以将参考电极31的引线部分31A与内电极28和29的引线部分29A隔绝，因而能更可靠地防止引线部分31A与废气相接触。这例如就可以限制储积在参考电极处的氧气泄漏到气体扩散层26中，有利地减小了氧气的泄漏量。
结果就是，参考电极31的氧气分压基本上可保持恒定，从而可作为氧气基准分压，这样就能使传感器的输出实现稳定。且可将DC电源38施加的外电压Vo减小到较低的数值上，由此提高能量效率。
根据本发明，制造致密层上的开孔将外侧气体进入到气体扩散层和第二电极的路径局限在开孔宽度的范围内，使气体基本上只能沿一个方向流经气体扩散层到达第一电极。
结果就是，气体从气体扩散层迁移到第一电极所需的扩散距离可粗略地保持恒定，从而可防止在第一、第二电极之间流动的泵电流的扩散极限值发生变动，因而可防止泵电流变得不稳定。这不但能提高泵电流或扩散极限电流的平直性，限制了回滞现象的发生，而且由于作为空/燃比信号的泵电流的特性被稳定了，所以可提高对空/燃比的检测精度。
另外，根据本发明，如果空/燃比检测装置的总体形状近似为圆棒体，则可在第一致密层上制出一个宽度例如为(2/3～1)×D(D为第一致密层的外径)的矩形开孔。这样就将废气进入到气体扩散层中的路径限定在开孔的宽度范围内，并使其基本上只沿着一个方向一例如为空/燃比检测装置的轴向扩散。该设计还能有利地限制气体经气体扩散层到达第一电极时、气体扩散阻力发生变化。
更进一步，根据本发明，第三电极的引线被与第一电极的引线隔离开，因而能更可靠地防止其与气体发生接触，使得第三电极的氧气分压基本上保持恒定，从而可作为氧气基准分压。这样就能使传感器的输出实现稳定，并能减小向其施加的外部电压Vo，由此提高能量效率。
另外，根据本发明，可按照叠层方式，利用曲面印刷等方法在长棒状加热器的外周面上依次制出气体扩散层、第一电极、固态电解质层、第二和第三电极、以及第一致密层，这样就能制得总体上为圆棒形的空/燃比检测装置。在此条件下，气体中氧浓度等指标就能被稳定地检测出来，而不会受到安装方向、气体流动方向等因素的影响。
另外，第一、第二、以及第三电极可被布置成隔着固态电解质层在径向上相互正对，从而可获得更大的电极面积，并减小电极一电极之间的距离，使得电阻减小。另外，由于无需向空/燃比检测装置中通入参考空气，所以使空/燃比检测装置的结构得以简化，使得空/燃比检测装置的可加工性提高。另外，加热器为杆棒的形式，且将气体扩散层、固态电解质层、第一到第三电极、以及第一致密层制在其外周面上，从而，即使加热器的直径很小，加热器相对于固态电解质层的加热面积也是增大的，这样就使得加热器向固态电解质层等结构的传热效率得到提高。
上文结合示例性的实施方式对本发明进行了描述，但应当指出的是：本发明并不仅限于此，在不悖离本发明保护范围的前提下，可作出多种形式的改动和变型。
举例来讲，在示例性的实施方式中，内电极或第一电极28、29在气体扩散层26的轴向上是相互分离的。可选的设计是：内电极或第一电极28、29可被结合为一体，从而形成一个在轴向上延展更宽的单体环形电极。
另外，两电极28、29中之一(例如内电极29)可被取消，从而仅用内电极28来构成第一电极。在此改型中，内电极28可与假地35相连接。需要指出的是：这种改型所产生的效果与上述实施方式基本上相同。
在2002年11月18日提交的第P2002-333901号日本专利申请所公开的全部内容都被结合到本文中作为参考资料。

Claims (13)

1.一种用于检测空/燃比的装置，其包括：
一加热器，通过从外界向其施加能量可使其发热；
一气体扩散层，其被设置到加热器上，该气体扩散层允许要被测量的气体扩散到其中；
一固态电解质层，其被设置到加热器上，并位于气体扩散层的外侧，该固态电解质层可被加热器所产生的热量活化，固态电解质层是可输送氧离子的；
一第一电极，其被设置在气体扩散层与固态电解质层之间，第一电极被暴露在流经气体扩散层的气体中；
第二电极，其被设置在固态电解质层的外表面上，并隔着固态电解质层与第一电极相对，当向第二电极和第一电极上施加外电压时，两电极允许一泵电流在二者之间流过；
一第三电极，其被设置在固态电解质层的外表面上，并远离第二电极，第三电极和第一电极使得二者之间可产生一个与气体中氧浓度对应的电动势；
一第一致密层，其被布置在固态电解质层的外表面上，第一致密层从外侧遮挡着气体扩散层、固态电解质层、第二电极以及第三电极，以限制气体的进入；以及
一个开孔，其被制在第一致密层中，该开孔具有预定的宽度，开孔允许气体在该宽度范围内进入、并流向气体扩散层和第二电极。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开孔是通过对第一致密层的一端进行切割而形成的，其形状为矩形，开孔用于部分地敞露出气体扩散层、固态电解质层、以及第二电极。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：开孔宽度与第一致密层外径满足关系式W＝(2/3～1)×D，其中W为开孔的宽度，D为第一致密层的外径。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：开孔被制为预定的张角，该角度和宽度相对于第一致密层外径满足关系式W＝(θ/360)×D×π，其中W为开孔的宽度，θ为角度，D为第一致密层的外径。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括：分别为第一、第二、第三电极设置的引线，这些引线在加热器的长度方向上延伸。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于还包括：一第二致密层，其被设置在第一电极的引线与第三电极的引线之间，用于限制气体的进入。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：一第二致密层，其被设置在第一电极的引线与第三电极的引线之间，用于限制气体的进入。
8.一种用于检测空/燃比的装置，其包括：
一加热器，通过从外界向其施加能量可使其发热，该加热器的形状为长条杆棒；
一气体扩散层，其被设置到加热器的外周面上，该气体扩散层允许要被测量的气体扩散到其中；
一固态电解质层，其被设置到气体扩散层的外周面上，该固态电解质层可被加热器所产生的热量活化，固态电解质层是可输送氧离子的；
一第一电极，其被设置在固态电解质层的内周面上，第一电极所处位置位于气体扩散层与固态电解质层之间；
第二电极，其被设置在固态电解质层的外周面上，当向第二电极和第一电极上施加外电压时，两电极允许一泵电流在二者之间流过；
一第三电极，其被设置在固态电解质层的外周面上，并远离第二电极，第三电极和第一电极使得二者之间可产生一个与气体中氧浓度对应的电动势；
一第一致密层，其被布置在固态电解质层的外周面上，第一致密层从外侧遮挡着气体扩散层、固态电解质层、第二电极以及第三电极，以限制气体的进入；以及
一个开孔，其被制在第一致密层中，该开孔具有预定的宽度，开孔允许气体在该宽度范围内进入、并流向气体扩散层和第二电极。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述开孔是通过对第一致密层的一端进行切割而形成的，其形状为矩形，开孔用于部分地敞露出气体扩散层、固态电解质层、以及第二电极。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：开孔宽度与第一致密层外径满足关系式W＝(2/3～1)×D，其中W为开孔的宽度，D为第一致密层的外径。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：开孔被制为预定的张角，该角度和宽度相对于第一致密层外径满足关系式W＝(θ/360)×D×π，其中W为开孔的宽度，θ为角度，D为第一致密层的外径。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于还包括：分别为第一、第二、第三电极设置的引线，这些引线在加热器的长度方向上延伸。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于还包括：一第二致密层，其被设置在第一电极的引线与第三电极的引线之间，用于限制气体的进入。
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