CN85106165B - 探测空-燃比的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种空燃比探测器，包括可传导氧离子的固体电解质，装在固体电解质两侧的第一和第二电极，覆盖第一电极的有孔扩散电阻和一个为在第一和第二电极间供给电流的电路装置。为了能探测宽范围的空燃比。控制两电极间的供给电流以便从第二电极通过固体电解质供氧给第一电极，然后又通过固体电解质将氧从第一电极抽至第二电极，在抽氧时，测得氧的移动率以定空燃比。

Description

探测空-燃比的装置和方法

本发明涉及一种空-燃比探测器和作为探测空燃比的一种方法，更具体地说，涉及用于探测供给内燃机的一种空气燃料混合物的空燃比的探测装置和方法。

现已提出的空气-燃料比的探测器或叫氧浓度传感器，其中，在例如氧化锆制成的一个筒形固体电解质的底部两侧设有电极，大气被引入筒形固体电解质的内部，同时，筒形固体电解质的外侧暴露在待测气体中。

就上述类型的空-燃比探测器而言，产生这样一个输出;其电动势是在一个理论上的典型值（或最佳空-燃比，例如14，7）上跃增变化。因此上述类型的探测器通常广泛应用于机动车的内燃机控制中，以确定供给内燃机的空气燃料混合物相对于理论上的典型值或最佳空燃比是贫还是富。

近来，又产生了一种用于探测贫油空-燃比的空-燃比探测器，以便燃烧贫油混合物而节省燃料。例如，在对应于日本公开专利公报NO55-125548的第4，282，080号美国专利的图4和5中，提出了一种为探测贫空燃比的探测器，它包括一种固体电解质和一个多孔扩散电阻，通过测量阈值电流来检测贫空燃比。

此外，如美国专利4，158，166（对应日本已公开专利申请53-66292）的图1A中所提出的又一种探测器，其中包括一种固体电解质和一个单孔扩散电阻器，在这种探测器中，氧气是通过固体电解质泵抽入一个标准室，并与通过单孔流入标准室的CO反应，由此测出一个富空-燃比。

再有，在美国专利4，304，652中（对应日本已公开专利申请55-166039）所提出的一种探测器，它包括一种固体电解质和一个多孔扩散电阻器，该探测器可利用通过固体电解质的电流方向有选择地反转而确定空-燃比是贫还是富。

例如，在美国专利4，272，331中所提出的一种探测器包括一个带有传感器的泵，用于向一个腔内加入或从中抽出氧气，传感器用来测量一个由泵抽吸作用引起的电动势（EMF），一个外部回路使腔内气体被排出，从而减少其中的氧气，直到电动势EMF达到一个参考电压。然后，泵反向抽吸，直到EMF达到另一个参考电压。重复这种抽送方式，从而产生一个比例于氧气分压的振荡周期。

然而，上述每种探测器只能在特定的范围内起作用，没有一个能提供覆盖空燃比从“富”到“贫”的一个宽广范围运行中的完整探测。

因此，本发明的根本目的主要在于提供一种能在从富到贫宽广的空燃比范围进行探测的空-燃比探测器。

根据本发明的特征，提供一种空-燃比探测器，它包括：一种可传导氧离子的固体电解质，分别置于电解质两侧的第一和第二电极，一个扩散电阻置于第一电极上并暴露于被测气体之中，以及一个为在第一和第二电极之间提供电流的装置，以便在一预定时间内，通过固体电解质，将氧从第二电极加至第一电极，然后氧从第一电极又通过固体电解质回到第二电极。此外还备有测量装置，用于测量氧从第一电极通过固体电解质被抽到第二电极的迁移率。检测氧的迁移率是基于一个抽氧电流的变化率，一个抽氧电流的平均值，或一个周期，该周期从抽氧的开始时间起到第一电极附近氧含量实际上变为零时止。

按照本发明，氧起初是由第二电极传至第一电极而且第一电极附近的氧气分压达到一个值，该值在贫油空-燃比与被测气体中的氧气分压成正比，而在富油空-燃比情况下与被测气体中的一氧化碳的分压成反比，因而使测量范围从富到贫的空-燃比，成为可能。

按照本发明的特征，氧的移动率，或者说氧离子的迁移率是在开始抽氧时根据第二电极和第一电极间的电流变化率来测定的。

根据本发明，基于在抽氧期间流过两电极之间的电流的平均值，也有可能检测氧离子的移动率或说迁移率。

根据本发明的其它特点，氧的移动率，即氧离子的迁移率可按这样一个周期去探测，该周期是从开始抽氧的时间到第一电极附近的氧含量达到基本等于零的一个预定值的时间。

当第一电极附近的氧含量已达到预定值时，可根据第一电极和第二电极之间产生的电动势的变化而探测到。

第二电极可暴露在大气中或暴露在待测气体中。

还是根据本发明的其它特点，装在第一电极上并暴露在待测气体中的一个扩散电＊是多孔扩散式电阻，而多孔扩散电阻可用一层具有更大孔隙率的有孔的保护层覆盖。

根据本发明的附带特点，该扩散电阻包括至少一个用以限定一个腔并包括一个小孔的盖，而且固态电解质可以是多孔的同时也可用作该扩散电阻。

根据本发明的方法，在第一和第二电极间供给电流，以使氧从第二电极送到第一电极并使氧能从第一电极通过固体电解质被抽吸至第二电极，同时对由第一电极通过固体电解质而被抽至第二电极的氧离子的迁移率进行测量，以便确定空燃比。

根据本发明的方法，测量步骤可包括：在开始抽氧时，探测通过第二和第一电极间的电流的变化率。

根据本发明，也可以在抽氧期间去探测通过第二和第一电极间的电流平均值。

根据本发明方法的其它特征，测量步骤还可包括检测一个时间周期，该周期是从抽氧的开始时间到第一电极附近的氧含量已达到一个基本为零的预定值的时间，至于检测该时间周期的方法，例如可通过第一和第二电极之间的电动势的变化来测得。

因此，本发明的一个目的即为提供一种空燃比探测器和探测空燃比的一种方法，该方法借助于简单的设备，避免了先有技术中所遇到的短处和缺点。

本发明的另一目的在于提供结构简单因而造价相当低廉的空-燃比探测器。

本发明的另一目的在于提供一种空燃比探测器，该种探测器能在由富到贫的宽广的空燃比范围内，提供完整的探测。

本发明的以上这些和其它目的特征和优点，将会从下面结合附图的说明中，更清楚地了解到，这些附图仅仅为了举例说明起见而表示了根据本发明的几个实施例。

现将本发明的附图简要说明如下：

图1是根据本发明构成的空燃比探测器的一个纵向截面图;

图2是对图1中探测器的一部分按比例放大后的部分截面图;

图3是表明供氧时，氧的分压的变化图;

图4是表明供氧时，氧的分压对时间的变化图;

图5是表明抽氧时，氧的分压变化图;

图6是抽氧时，电流对时间的变化的图示;

图7是在氧的不同分压下，表明电流相对于时间的关系图;

图8A和图8B是用图表示分压和电动势之间的关系;

图9是当产生电动势时，时间和空-燃比之间的关系图;

图10是描绘在富（油）空燃比情况下，氧的分压的变化图;

图11是根据本发明构成的一个空燃比探测器的一种控制/测量装置的线路图;

图12是表示图11的电路操作流程图;

图13是表明确定燃料注入量的一个流程图;

图14和图15是表明抽氧电流的平均值和空-燃比之间的关系;

图16是表明根据本发明构成的流量探测器的另一实施例的操作流程图;

图17和图18表明抽氧电流的变化率和空燃比之间的关系曲线;

图19是表明根据本发明构成的空燃比探测器又一实施例的操作流程图;

图20是表明空燃比探测器的输出信号变化与时间之间的依赖关系的曲线;

图21是表明根据现有技术构成的空燃比探测器的空燃比和输出之间的关系曲线;

图22是表明根据本发明构成的一个实施例，在预定时间间隔内，空燃比探测器的一种效果;

图23是表明随时间变化的一种校正方法的流程图;

图24-28是又一种根据本发明构成的空燃比探测器的部分截面图;

图29A是根据本发明构成的一种控制测量电路的线路图;

图29B是表明图29A电路的操作时间图;

图30是根据本发明的又一实施例构成的一种空燃比探测器的控制测量电路的线路图;

图31是根据本发明另一实施例构成的一种空燃比探测器的控制测量电路的一种线路图;

图32是为解释图31中的电路的操作时间图。

现对附图作详细说明，参照附图，其中贯穿不同视图的相同的标号用来指定相同的部分，更具体地说，对图1来说，按照此图，一种可传导氧离子的固体电解质10是筒形的，它由一种固体材料制成，该材料基本上由（例如重量的91%）的ZrO₂和重量的9%的Y₂O₃组成，固体电解质的厚度约为2mm，并具有一定的电阻，例如温度在800℃时，此电阻为33Ω。固体电解质10的外侧是基本上由多孔白金组成的涂层，作为第一电极12，其内侧是基本上由多孔白金组成的涂层，作为第二电极14、电极12，14是以这样一种方式制成的;将白金的糊状物涂敷到电解质10的表面上并经焙干后大约为20至200μm的厚度，白金糊状物由一种大约包括15%，粒径为0.1μm的白金的有机溶剂构成。

一个多孔扩散电阻16涂敷在电极12的外侧，它是由例如MgO-Al₂O₃尖晶石形成的，它的厚度约为10-30μm，不过，必要时可更厚些。该多孔扩散电阻16孔隙率小于0.2cc/g，从而当氧移向电极12时增加了对氧的阻力。保护层18是涂敷在多孔扩散电阻16的外侧，该保护层例如由Al₂O₃的粉末形成并有50-100μm厚。该保护层18的孔隙率比多孔扩散电阻16的孔隙率要大，例如大于0.2cc/g。

在电解质10的部分表面，有一个加热器20，该加热器（例如）由铂膜构成并在其外侧涂敷了一层致密的玻璃陶瓷保护层22。一个金属配件或叫连接件24连到电解质10的端部，以便将电解质10同一个金属圈26固定在一起。铅膜28作为电极14的延伸沿着电解质10的内侧直至其内侧端部，由此与金属护圈30相连接。导线32一端连到金属护圈30，另一端连到一个接线端34，一个外壳36被固定在金属连接件24，以便保护电解质10。外壳36的一部分加工了多个进气口38，在进气口38附近备有一个导流片40，以避免废气直接冲击电解质10。

电极12通过铅膜42被连至金属连接件24，又通过24被连至接线端44，由于在金属连接件30和接线端34的金属连接件48上分别加工了开口46和50，从而能引入大气。隔离部件52使接线端34、44彼此绝缘，金属连接件24被固定到（例如）内燃机的一根废气管54。接线端34、44均被连到控制测量电路100，后者适于控制加在电极12、14之间的电压或电流并测量废气的空-燃比。加热器20的接线端（图中未表示）采用与电极12、14的接线端类似方式。

图1所示的空-燃比探测器，其操作方式如下：

首先从第二电极14这边向第一电极12那边馈送氧，然后将氧从第一电极12一侧抽到第二电极14一侧，借助这两步而测得空燃比。

图2是图1的固体电解质10的一个末端放大了的视图，如图2所示，其左边对应筒形电解质10的内侧一大气由此引入。大气中的氧气分压假设为P〈`;;At`〉，其右边对应电解质10的外侧一此处电解质暴露在废气中。假设废气中的氧气分压为Pe，同时，图2还表示在电极12、14间未加电压或电流的情况下，各部分中氧气的分压。更具体地讲，多孔电极14的内部具有和大气相同的氧气分压P_At，同时，在电极12，扩散电阻16和保护层18内的氧气分压等于废气中的氧气分压，即等于Pe。

电极12、14之间通过例如30mA的电流，以致在大气中的氧气被还原成在电极14和电解质10之间的内表面上的氧离子，随着氧离子通过电解质10传输和在与电极12的界面上被氧化成氧分子，从而使氧从电极14一侧供给电极12一侧。在供氧开始时，即图2中显示的一种平衡状态，电极12中的氧气分压是逐渐增加的，因此在扩散电阻16上的氧气分压发生变化。

更具体地说，如图3所示，在时间t₀时的一根实线表示供氧过程开始以前的状态，那时电极12、扩散电阻16和保护层18都具有相同的氧气分压Pe。此后，如图3中的实线t₁、t₂t₃所示，在扩散电阻16内的氧气分压增高;然而保护层18内的氧气分压却总是维持在废气的氧气分压Pe，这是因为保护层18有较大的孔隙的缘故。在给定时间周期Ti截止时，在扩散电阻16和电极12间的界面处，氧气分压出现一种平衡状态并具有Pe+Pc的值，此值比废气中的氧气分压Pe大一个给定量Pc。此后，即使又提供了任何数量的氧，这些氧通过扩散电阻16和保护层18会全部排入废气。

图4中表明了扩散电阻和电极12间的界面处，氧分压相对于时间的变化。更具体地说，图4中，给定量Pc是由在电流I₀通过电极12、14间的过程中，扩散电阻16的阻值K来决定的。换言之，给定量Pc是通过关系式K·I₀来表达的。假设扩散电阻厚度为100μm而且孔隙率为0.1cc/g，同时又假设穿过它的电流I₀为30mA，则预定的或说给定量Pc对应于氧的增加是3%左右。要求达到平衡状态的时间t₁为2ms左右，时间t₁随在时间T₀时扩散电阻16和电极12之间的界面处的氧分压不同而变化。更明确地说，假设时间t₀时，该界面上的氧分压是零，废气的氧分压Pe是3%，在经过一段间隔如4ms后，界面氧分压达到平衡状态，氧分压增加到6%。

当扩散电阻16和电极12之间的界面处氧分压，相对于废气的氧分压Pe增加给定量Pc，由此达到如上所述的平衡状态之后，电极14一侧的氧被从电极12一侧抽回。为此，在电极12、14之间加上一个给定电压，其极性与在供氧过程中为提供电流而加电压的极性相反，从而使扩散电阻16上的氧分压逐渐下降。

图5更清楚地描绘出上述过程中氧分压的变化。更具体地说，在图5中，在时间T₀的一条实线表示抽氧过程开始前的状态，此处，界面氧分压平衡于一个比废气的氧分压Pe高出一个给定量Pc的值。因此，正如图中实线T₁、T₂和T₃所示，扩散电阻16上的氧分压下降并经过给定时间Tj之后，在扩散电阻16和电极12之间的界面上的氧分压变为零。此后在界面上的氧分压维持在零，换句话说，通过扩散电阻16扩散的废气中的氧，全部由电极12一侧通过电解质10被抽吸到电极14这边。图6中更清楚地表明，在抽氧过程中，通过电极12、14间的电流I是从时间T₀至T₁而逐渐减小，并在时间T₁之后，电极间通过一个恒定电流Ie，该电流Ie即代表一个阈值电流。

电流I的大小，取决于废气的氧分压或更具体地说，如图7所示，起始电流是如实线曲线I₁、I₂或I₃所示，分别按照氧气分压Pe₁，Pe₂或Pe₃而变。阈值电流也发生变化，即阈值是不同的，如分别由Ie₁、Ie₂或Ie₃所示。同样，阈值电流产生的时间也不同，如分别由时间周期Te₁、Te₂或Te₃所示。

在电极和扩散电阻16之间的界面处的氧气分压，在抽氧过程中逐渐降低如图8A所示，在时间周期T₁时，下降至零。在那段时间周期内，测得的两电极（12、14）间的电势表明：在时间T₁处，电动势很快从0V变到1V，正如图8B中更清楚地表示一样。因此，有可能根据电动势E的变化去确定时间T₁。作为对废气的氧气分压（即空-燃比A/F）和时间T₁之间的关系的研究成果之一已经断定，在A/F和T之间存在一种线性关系正如图9已清楚表明，其中A/F是指从富油混合物（此时A/F小于理论上的空-燃比14.7）到贫油混合物（此时A/F大于该理论值）的整个范围。因此，空燃比可通过确定时间T来测得。

在富油混合物中，废气包括一氧化碳而不是氧，而且当空-燃比减小时，一氧化碳的分压直线上升。因此，通过确定一氧化碳的分压可测得一个富油空-燃比。当氧气被送到电极12这边时，在废气中所产生的一氧化碳的分压是Pe（CO），在电极12和扩散电阻16之间的界面上的氧气分压达到一个平衡状态，假设该平衡值是Pe（CO）+Pc（O₂），如图10中所示。例如假设Pe（CO）是2%和Pc（O₂）是3%，则由于氧气同一氧化碳按照下列关系式起化学反应，在界面上的氧气分压变为2%;

CO+1/2O₂＝CO₂

抽氧时，在扩散电阻16上的氧气分压，以图10中由实线T₀，T₁和T₂所表示的方式变化，因此，在界面上氧气分压为零的时间周期，表示一氧化碳分压，因而也就表示了空-燃比。就富油混合物而言，每单位的空-燃比的一氧化碳分压的变化是贫油混合物的每单位空燃比的氧气分压变化的两倍，因此，如图9所示，时间T和空燃比A/F之间也存在着一种线性关系。

如图11中最清楚地表明了，为测量时间T配备了一个控制测量电路100。空-燃比探测器或称传感器包括类似于图1结构的一个扩散电阻16和固体电解质10，该探测器被安装在气体通道54内，而通道54连到内燃机等类的燃烧室56的出口处，该传感器部分的接线端34、44连到控制测量电路100，电路100的主要部分包括一个微处理器102，该处理器根据贮存在机内的某个程序，控制该装置，而某个程序，例如：可以是与附图12所示的流程图相对应的程序。微处理器102以与时钟104的信号相同步的方式执行某个程序，并利用送到微处理器102的一个端子106的信号，通过一个继电器108去闭合其上部开关或去闭合其下部开关。

当继电器108的下部开关处在闭合状态或闭合位置时，电解质10的两侧的两个电极间流过一定的电流I₀以供给氧气。微处理器102的端子112上，晶体管110工作电压为V₄。当晶体管110导通时，来自电源114的供电电流，通过探测电阻116，产生电压V₂，该电压V₂通过接线端118，加到处理器102。

当继电器108的上部开关闭合时，则加一个抽氧电压是可能的，晶体管120则是利用处理器102的端子122上的电压V₃工作的，当晶体管120导通时，施加来自供电电源124的电压，通过探测电阻126，探测在抽氧过程中流过的电流I，并以电压V₁的形式从端子128输入处理器102，同时电压V₁也用作探测两电极间的电动势，还如图11所示，燃烧室56配备一个燃料调节阀58，该阀58可在微处理器102的控制下打开或闭合。

上述装置的操作过程如下：

如图12所示，在步骤S₁₀，微处理器102输出V₄＝V₀和V₃＝0，因此，晶体管120截止，同时晶体管110导通，在步骤S₁₂，测量信号V₂或接收V₂，在S₁₄步，校正V₄以使信号V₂变为常数，即使（例如30mA的）电流恒定，S₁₆步决定结果：如果时间t小于预定时间（例如10ms），则重复步骤S₁₀-S₁₄，或换句话说，在10ms内流过一定电流I₀，以便将氧送入扩散电阻。如果时间超过25ms，则在步骤S₁₈中，一个计数器内计入的时间被清除至零，然后在S₂₀步，微处理器102设定V₄＝0和V₃＝Vc。即，晶示管110截止同时晶体管120导通，S₂₂步，测量V₁并在S₂₄步校正V₃，以致信号V₁变成恒定，也就是说，电流I变成恒定，在S₂₆步，通过计算V₁-rI（其中r表示固体电解质的内阻，即是一个已知值），来确定两电极间的电动势E。在S₂₈步确定该电势E是否已超过0.5V，如果电势E没超过0.5V，则继续重复S₂₀-S₂₆，若电势E超过0.5V，则在S₃₀步存贮该时间值t，在清除时间t至零后，微处理器102返回到S₁₀步。

图13提供了微处理器102的一个内部程序流程图。更具体地说，在S40，根据吸入的空气量Qa和旋转速度n来确定基本燃料注入量T_p，而Qa通过空气流量传感器（图中未表示）测得，n是靠一个曲轴转角传感器（图中未表示）测得，n是靠一个曲轴转角传感器（图中未表示）测得。在S₄₂步，由工作状态（诸如旋转速度n，入口空气量Qa和入口空气温度）所确定的实际空气过剩率λ₀是由一个空气过剩率λ₀即（空-燃比）（A/F）图读出，这些值事先存贮在微处理机102的RAM中。在步骤S₄₄，则是根据暂时存贮在S₃₀步的时间t，确定实际的空气过剩率（空-燃比）（A/F）。在S₄₆步，被测空气过剩率（空-燃比）（A/F）与一个目标空气过剩率λ₀（空-燃比）（A/F）相比较，以确定一个偏差Δs。在S₄₈步，采用偏差Δs校正空气燃料注入量T_p，同时在S₄₈步，θ表示一个比例常数。

借助本发明的上述已知特征，是可以测量范围由富到贫油混合物的空-燃比值的。

图14-16表示本发明的另一个实施例，在此例中，先给扩散电阻送氧，使扩散电阻16和电极之间的界面上的氧分压达到一个平衡状态，此平衡值比废气的氧分压高出一个预定值或给定值，然后，在抽氧过程中，在测量电路内通过的电流以图7或14中所示的方式变化。在开始抽氧后，在预定的时间（t₁）例如5ms内，测量平均电流I，已确定;平均电流值I和空燃比A/F之间，存在一种线性关系，示于图15中。在这方面，所谓平均值I意指电流I在时间段T₀到T₁内的积分值，它表示在图14中的划影线区，或者说，它是从t₀到t₁实际的平均值。

在图14-16的实施例中，控制测量电路100具有和图11中所示的相同结构的部件。从图16可见，在S₅₀步与图12中的S₁₀-S₁₈步相类似，微处理器102执行供氧的步骤，在完成供氧之后，微处理器102在S₅₂步，设置V₄＝0和₃＝v_c，其中V_c是一常量，例如，设置在0.5V，下一步即S₅₄步，测得V₁，与此同时，由于电动势E＝0，随着S₅₆步对电流I值积分，抽氧电流I可以根据V₁被测得。在S₅₈步，决定t是否小于t₁，如果t小于预定时间t₁（例如t₁为5ms）则重复S₅₂-S₅₆，如果时间t大于5ms，直到那时的电流I的积分值，在S₆₀步作为一个平均值I被贮存，该平均值I用于计算图13中步骤S₄₄所示的实际的空气过剩率。

图17为本发明的另一实施例，在该图示的实施例中，考虑了抽氧期间的电流变化率。更具体地说，抽氧期间的电流I是变化的，如图17所示，而图18更清楚地表明电流变化率相对于空-燃比A/F，存在着一种线性关系。此关系是通过在抽氧刚开始时测量电流I对时间的微分dI/dt即电流变化率与空-燃比A/F而确定的。

通过参照图19的流程，我们可更好地了解图17所示实施例的操作，而且同前述实施例一样，控制测量电路100具有如图11中所示的相应部分同样的结构或组成。更具体地说，在步骤S₇₀微处理器102执行类似于图12中的S₁₀S〈`;;＊`〉的供氧步骤，在完成供氧之后，在步骤S72微处理器102设置V₄＝0和V₃＝V_c，由此开始去抽氧，此处V_c是常数，例如为0.5V。下一步S₇₄，在抽氧开始时间T₀测得流过的电流I（t₀），并在步骤S₇₆监视该电流I（t₀）直到时间t超过一预定时间t₁（例如t₁为1ms）。在预定时间t₁过去后，进入S₇₅步，测量时间t₁时流过的电流I（t₁），下一步S₈₀，根据下列关系计算dl/dt值：

〔I（t₀）-I（t₁）〕/（t₁-t₀）

在S₈₂步，贮存由上述关系得出的dI/dt值，然后，继续抽氧直到时间t超过一预定时间t₂（如5ms）。在时间周期t₂过去后，微处理器102回到第一步S₇₈。

现说明供氧时间和抽氧时间分别与图9中时间周期T的测量、图15中平均电流I的测量、图18中电流变化率dl/dt的测量有关。

例如在图5中，抽氧时间最大值是T₁，在测量图9中的时间T的情况下，测得此最大值T₁。假设在控制内燃机的过程中，最大受控空燃比是20，在此情况下，废气的含氧量大约为6%。更具体地说，Pe是6%，而且pc为3%，若在这些情况下抽氧，所需时间约为6ms。此值是基于pc值，即，基于电阻16的孔隙率和厚度所决定的扩散电阻值K、供氧电流I₀和抽氧电流I。换句话说，时间T₁约为10ms，而且，当用这种方式测量时间周期T₁时，测量结果可能受到粘附到固体电解质16的灰尘影响。这样，由于扩散电阻16在靠近电极12这边，因此继续测量直到时间T₄而不是测量到图5中的时间T₁是更可取的。就此而论，平均电流的测量能在大约一半时间内完成，即，例如约5ms。dI/dt的测量能在短得多的时间内完成，但最好在此情况下，还是经历大约5ms的抽氧，这是由于考虑了废气中的氧分压降低的结果。

至于说到供氧时间的考虑，假设在测量时间T₁期间，界面处的氧气分压等于零，Pe等于6%，则要达到一个平衡状态，要求的氧气分压为9%，为提供这样一个氧气分压的所需时间是6ms。假设在测量电流I的情况下的抽氧时间是5ms，则所需供氧时间可进一步缩短，因为界面处氧分压大于零。

换句话说，对供氧和抽氧的时间周期均为10ms是足够了，使一台内燃机能够受到控制的总时间周期20ms，则是够短的。

同以前提出的作为测量阈值电流的方法相比较，本发明是不易受灰尘影响的，而且，根据本发明，当阈值电流最大值是几mA时，在抽氧过程中的起始电流达到几十mA，从而提高了电流I和dI/dt值的测量精度。

图20提供了时间与一个空燃比探测器的输出信号的变化关系，更具体地说，根据这个图，输出信号A是利用传统探测器获得的（例如，用美国专利4，282，080中所公开的探测器），而输出信号B是由根据本发明所构成的探测器获得。

以前提出的探测器结构是这样的，具有一种固体电解质，以抽废气中的氧，氧气通过扩散电阻扩散，根据抽氧期间流过的阈值电流测量废气的氧含量。这样，阈值电流值随着扩散电阻的阻值而变，而且如果废气中的灰尘粘附到和废气接触的扩散电阻的表面，则这个粘附灰尘部分的阻值就要增大。而扩散电阻内部的阻值仍维持不变并小于粘附灰尘部分的电阻值。结果，极限电流值是由粘附灰尘部分的阻值来确定，例如，扩散电阻表面若粘附了灰尘，其阻值增大一倍，则极限电流值减小1/2。

再则，在传统探测器中，输出信号，是随着时间的消逝而逐渐减小的，因而当该种探测器用作内燃机控制装置时，会出现发动机点不着火的问题，更具体地说，假设一个传统探测器具有一个如图21中实线所示的输出特性，同时，又假设该特征是随着时间的消逝而逐渐变小的，如图21中虚线所示，则当该控制单元被调整在（例如）要维持空燃比为18时，探测器的输出从原始电平O₁降到电平O₂，在这种情况下控制单元在那时确定的空燃比是17，由此减少了以使空燃比保持在18的燃料供应量。因此，该空气燃料混合物变得太贫而不能点着火，使内燃机停机。

根据本发明的结构，正如图20中输出信号B所示，粘附到扩散电阻16表面的灰尘的影响比前面提到的传统探测器要小，此外，由于灰尘的影响，提高了输出信号电平，故当内燃机采用这种探测器时，决不会再出现点不着火的问题。更具体地说，图22用图说明了粘附灰尘效应相对于一个预定时间周期的影响，在图22中，实线对应图3中时间t₁时，氧气分压达到一种平衡状态的情况，也就是说，扩散电阻在整个预定时间内不发生变化的情况。相反，虚线表示当包括随时间而变的变化量时，氧分压的一种平衡状态。换句话说，扩散电阻16-1这部分具有一个不变的阻值，而扩散电阻16-2这部分则由于粘附了灰尘具有增大了的阻值。假设由于粘附了灰尘致使阻值增大了一倍，如从图22明显看到的角Q₂是角Q₁的两倍。前面已指示在没有粘附灰尘的情况下处于平衡状态中的给定量Pc由K·I₀表示，其中K是阻值，I₀是电流值。这期间，当存在粘附灰尘时，假设扩散电阻16在16-2区的阻值已由于粘附灰尘而变成了2K，16-2占整个扩散电阻16的比例是X处于平衡状态的Pc量，由下式表达

Pc′＝K·（1-X）·I₀+2K·X·I₀

＝K·（1+x）·I₀

若扩散电阻16的厚度假定为100μm，由于粘附灰尘而阻值受变化的部分的厚度为1μm到5μm。当该厚度是1μm时，到X部分的厚度为0.01;因此Pc′相对于Pc增加了大约1%。即使该厚度是5μm，则Pc′相对于Pc仅增大5%。在以前提出的传统探测器中，如果扩散电阻阻值增大一倍，则其输出信号电平减小一半。根据本发明，输出信号电平仅仅增加1%～5%，因此，本发明提供了优于以前推荐的探测器的效果。再者，与传统的探测器截然不同，根据本发明，输出信号是随着时间而增大的，从而确保了当探测器加到内燃机时，避免了点不着火的问题。

上述随时间产生的变化可用如下方法加以校正。更具体地说，图11中的燃烧室56的燃料调节阀58在其操作中是暂时地关闭的，以便气体通道54中仅仅包含空气。那时，氧气分压是恒定的，例如为21%，以便于在这样一种情况下测量输出信号I_c，并将测得的值用于校正与时间有关的变化。输出信号I，由下列方程表达，其中K是一个变量

I＝I₀+Pe/K

若时间Pe时信号I的值为0.21，并将该信号设定为Ic，则K由下列关系式表达：

K＝0.21/（Ic-I₀）

因此，K值可由测量Ic来决定。随时间而变的校正可根据图23所示的流程图实现。

更具体地说，在S₉₀步，微处理器102关闭燃料调节阀58而且等待一个预定时间周期过去，以使电解质10的周围空间充满空气。在这种情况下，S₉₄步，测量信号I，而信号I的测量是根据图16所示的流程图来实现的。然后，设定该测量结果I为Ic。在S₉₆步采用前述方程，计算变化后的扩散电阻阻值K，此后在S₉₈步，校正λ＝φ（I）关系即校正空-燃比A/F（空气过剩率λ）和信号I之间的关系。

还要指出的是：随时间而变的变化，除了采用信号I之外，还可采用信号t或dI/dt，以同样的方式进行校正。

从上述说明可清楚看到，即使没考虑保护层18的作用，随变化的影响已是轻微的，然而，通过使用保护层18去阻挡灰尘，可进一步综合有利效果，因此最好提供保护层18。

再没比这更容易理解的是本发明所采用的传感器部分不限于图1所示的传感器结构，可取其它可能的结构，例如象图24-26中所示结构，其各部分的安排是为了使两个电极均暴露在废气中，而不是其中一个电极暴露于大气中。图27和28所示的实施例被安排成采用一个单孔扩散电阻来代替多孔扩散电阻。

现参照图24，一种铂糊状物加到厚度为400μm的氧化锆基片200的两侧（基片200的重量百分比为ZrO₂∶92%，Y₂O₃∶8%），然后烘干以形成电极202，204。扩散电阻206被涂敷在电极202上，扩散电阻206由MgO～Al₂O₃尖晶石形成并具有大约200μm的厚度，孔隙率大约是0.1cc/g。

扩散电阻206本身也涂敷了一层保护层208，而且电极204也涂敷一层保护层210，保护层208、210的每个孔隙率均大于0.2cc/g。电极204的孔隙率可与保护层208、210的孔隙率相比。

图24的实施例，其工作步骤如下：首先从电极204供氧给电极202侧，然后又从电极202侧抽氧至电极204侧。因此，这样一种传感器没有采用任何诸如大气等参考氧源，而是完全暴露在废气之中，然而废气包含少量氧，氧存在于甚至小于理论的空燃比的区域里，因此可采用氧作为一个氧源。

在图24的实施例中，在抽氧期间，氧存在于电极204和保护层210。废气中的氧含量越少，存在于那里的氧气越少，因此，在下一周期中，要送入电极202侧的氧气量也减少，于是二氧化锆基片200进入了导电状态;为此，有必要更容易地输送废气中的氧，这可通过选择电极204、保护层210等的扩散阻抗来实现，以便它们的阻抗小于扩散电阻206的阻抗。

在图25的实施例中，电极218是在氧化铝基片212上用厚度为1mm的糊状铂制成。厚度为100μm-300μm的电解质216是利用等离子体射流在电极218上制成。该电解质主要由ZrO₂和Y₂O₃组成，而它们的重量百分比范围分别为90-94%和6%-10%。在电解质216上装备有电极214，而电极214由糊状铂制成并在其外侧上涂敷有一保护层220。电解质216是多孔的同时用作扩散电阻。此外，加热器222装于氧化铝基片212内，图25的传感器装置以与图24的装置同样的方式工作。

在图26中，各具有0.4mm直径的一对铂电极226、228，以相距2mm的间隔平行折入一个片状多孔电解质224，该电解质的直径约为3mm，厚度约为1.9mm。电解质224是由稳定的ZrO₂和Y₂O₃构成并具有22%的孔隙率。在图26的实施例中，首先氧从电极228送往电极226，以致电极226周围的氧的含量达到平衡状态，该平衡值高于废气的氧的含量，而电流的方向与抽氧时的电流方向相反，就此而论，在电极228的外表面上，有一层金的敷层230，以避免氧同一氧化碳反应，从而才能避免电极228附近的氧含量的减小，即使在空燃比小于理论值的富油混合物也如此。换句话说，即使在空燃比小于理论上的理论值的富油混合物中，对电极226的周围空间，可提供以足够数量的氧。

在图27中，装有7片未加工薄板232-244叠层，其每一片由特定的ZrO₂和Y₂O₃制成，未加工薄层234各有一个槽246，该槽用作换（空）气孔。槽246可用这样的方法来形成，将一种有机粘合剂填充后来将变成槽的部分，然后在烧结未加工薄片234时，烧尽它。在未加工薄片236的两边分别通过印刷提供电极248、250，同时未加工薄片238用以提供第一空腔252。未加工薄片240配备了第一孔254，该薄片240用作扩散电阻，未加工薄片242用来形成第二空腔256。未加工薄片244上有一个第二孔258，该薄片244用作一个扩散电阻。第一空腔252，第二空腔256的体积分别为3mm³和6mm³。两孔254、258的直径均为0.3mm，这些未加工薄片的厚度为100μm-400μm。

在图27的实施例中，两个空腔252和256均供以氧，以使腔256里的氧分压达到一个平衡状态，此处的氧分压比废气的氧分压Pe高K₁·I₀值，而空腔252里的氧分压达到平衡状态时，那里的氧分压比空腔256里的氧分压高出K₂·I₀，上述K₁、K₂分别代表孔258、254的扩散阻抗。通过从空腔252抽氧而测得那时废气的氧分压。

图28的实施例是由三层未加工薄片260-264构成，而其每一个均由稳定的ZrO₂和Y₂O₃组成。用一个类似于图27结构中形成槽246的方法，形成槽266，同时电极268、270分别位于未加工薄片260的两侧。电极270涂敷了一保护层272。槽266的高度为200μm，宽度为1mm，长20mm，其对着废气有一个开口端274而且槽266本身起一个扩散电阻的作用。

如图29A和29B中所示，可以这样来安排控制测量电路100：当端子e₁没有输入时，从运算放大器OP的输出端引出一个按照阻值R₂对阻值R₃F比的正反馈信号加到它的同极性输入端，而该放大器的输出电压ei，由于二极管D₁、D₂的箝位作用而维持在一个正电位。如图29B所示，当一个脉冲信号加到处于这样一个平衡状态下的e₁端时，则输出电压ei的极性翻转至负电位。这样，一个方波或正弦波脉冲可作为信号加到输入端e₁，而且当一个脉冲加到输入端e₁时，则处于负电位的输出电压ei翻回到原始正电位。换句话说，传感器部分的供、抽氧步骤可利用来自微处理器102的一个触发信号来控制。抽氧期间的电流i是通过一探测电阻R₄，测得并输入微处理器102，一旦出现这一步，则t，dI/dt，I等值也就被确定了。

在图30的控制测量电路100中，当一个脉冲信号加到输入端e₁时，运算放大器OP的饱和电压±V_E是作为一个输出信号ei输出的。当ei电压输入传感器部分时，电流I₀以电压e₀的形式被测出，电压e₀的平均值e〈`;;＊`〉是通过积分电路300得出，并输入微处理器102，平均值e₂是根据下列关系式确定的：

e〈`;;＊`〉＝1/C₂R₄ei·dt

该e〈`;;＊`〉值与空气过剩率（空燃比A/F）成比例。

如图31所示，电路302采用晶体管Q₁、Q₂和Q₃作为用于产生正负脉冲的一种电路。更具体地说，正的和负的输出脉冲e₁、e₂由一正直流电源+V〈`;;88`〉产生。晶体管Q₁产生一正脉冲e₁，而晶体管Q₂和Q₃产生反相的负脉冲e₂。当负脉冲e₂被加到延迟电路并将e₂延迟到时间t时，产生输出e₃。

从图32所示的各部分波形明显看到，信号e₁和e₃两者通过加法器304得到一个组合输出ei。在ei的波形中，周期T₁用于供氧，周期T₂用于抽氧。在时间周期T₃期间，所加电压变成零并通过测量两电极间所产生的电动势来确定当时的空燃比较之理论上的理想空燃比是较贫还是较富，若该空燃比是贫油空燃比，则电压e_c被加至晶体管Q₄以便阻止电压e₃输入到加法器304。若空燃比是富油空燃比，允许电压e₃输入加法器304用于供氧，从而避免传感器部分进入电子导电区。

因此，根据本发明的上述有利特征，使测量其范围由富到贫的空燃比成为可能。

由于我们已图示和说明了几个根据本发明的实施例，可领会到：本发明并不限于此，而是还可作如同该领域的普通技术人员所知的很多变更，因此我们不想在此以详细的图示和说明作限定，而是企图通过所附权利要求的所围绕的范围去包括所有这类变更。

Claims (19)

1、一种空燃比探测器包括：可传导氧离子的固体电解质;装在上述固体电解质两侧的第一和第二电极;装在上述第一电极上并暴露于被测气体中的一种扩散电阻;其特征为，在所述第一和第二电极间的电流供应装置，该装置为的是在一预定时间周期内，从所述第二电极通过固体电解质供氧给所述第一电极，然后从所述第一电极通过固体电解质抽氧到第二电极;以及用于测量从所述第一电极通过固体电解质抽到所述第二电极的氧的迁移率的装置，以便确定空燃比。

2、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述用于测量氧迁移率的装置包括用于探测电流变化率的装置，该电流是在抽氧开始时通过所述第二和第一电极之间的电流。

3、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述用于测量氧迁移率的装置包括为探测在抽氧期间流过所述第二和第一电极之间电流的平均值的装置。

4、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述用于测量氧迁移率的装置包括为探测一个时间周期的装置，该周期指从抽氧开始时间到第一电极附近的氧的含量已达到一个基本上等于零的预定值的时间。

5、根据权利要求4的一种空燃比探测器，其中当接近第一电极的氧含量已变为一预定值时的时间周期是根据所述第一和第二电极间所产生的电动势变化而测得的。

6、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述第二电极是暴露在大气中。

7、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述第二电极是暴露在待测气体中。

8、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述扩散电阻包括一个有孔扩散电阻。

9、根据权利要求8的一种空燃比探测器，其中所述有孔扩散电阻包括一层有孔保护层，而且该保护层的孔隙率大于所述有孔扩散电阻的孔隙率。

10、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述扩散电阻包括至少一个用以限定一个腔并包含一个孔的覆盖物。

11、根据权利要求1的一种空燃比探测器，其中所述固体电解质是有孔的并适于充当所述扩散电阻。

12、用一种空燃比探测器探测空燃比的一种方法，该探测器包括一个可传导氧离子的固体电解质，分别装在该固体电解质的两侧的第一和第二电极，以及一个装在第一电极上并暴露于待测气体中的扩散电阻，其特征为该方法包括如下步骤：

首先：不管待测气体的空燃比如何，在第一个预定的时间内从第一电极向第二电极提供一个电流，以便从第二电极通过固体电解质向第一电极供给预定数量的氧;

其次，不管待测气体的空燃比如何，在第二个预定的时间内从第二电极向第一电极提供一个电流，以便从第一电极通过固体电解质抽氧给第二电极;

测量从第一电极通过所述固体电解质到第二电极所抽取氧离子的迁移率，以便确定空燃比。

13、根据权利要求12的方法，其中测量步骤包括探测在抽氧开始时流过第二和第一电极间的电流的变化率。

14、根据权利要求12的方法，其中的测量步骤包括探测在抽氧期间流过第二和第一电极间的电流的平均值。

15、根据权利要求12的方法，其中的测量步骤包括探测一个时间周期，该周期从抽氧开始时间到第一电极附近的氧含量已达到基本上等于零的一个预定值时的时间。

16、根据权利要求15的方法，其中探测时间周期的步骤，从开始时间起就包括确定第一和第二电极间所提供的电动势上的变化。

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