DE10242028A1

DE10242028A1 - Apparat zum Detektieren eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses

Info

Publication number: DE10242028A1
Application number: DE10242028A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Isitani; Yasuji Orimo; Chiharu Katsuyama; Futoshi Ichiyanagi
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: US7258771B2; JP4204773B2; DE10242028B4; US20030052004A1; JP2003090817A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat. Dieser Apparat weist auf: (a) einen Heizerbereich, der von langgestreckter zylindrischer Gestalt ist und heizt, indem von außen her Elektrizität auf ihn aufgebracht wird; (b) eine feste Elektrolytschicht, die den Heizerbereich umgibt und die aktiviert wird durch die Hitze zum Durchleiten von Sauerstoffatomen; (c) erste und zweite Elektroden, die in Kontakt sind mit der festen Elektrolytschicht und die voneinander beabstandet sind, der Art, dass durch die ersten und zweiten Elektroden eine pumpende Spannung auf die feste Elektrolytschicht aufgebracht wird; (d) eine Referenzelektrode zum Abgreifen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionssignals, wobei die Referenzelektrode auf der festen Elektrolytschicht und im Abstand von den ersten und zweiten Elektroden geformt ist; und (e) eine aus porösem Material hergestellte Diffusionsschicht, die die Peripherie der feststehenden Elektrolytschicht umgibt, um die ersten und zweiten Elektroden und die Referenzelektrode abzudecken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zur Bestimmung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses von, beispielsweise, Automobil-Motor-Abgasen durch Ermitteln der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen.
Allgemein sind moderne Automobilmotoren und dergleichen mit einem Luft/Brennstoff- Verhältnis-Sensor (Sauerstoffsensor) ausgestattet, der zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen von Abgas in der Mitte der Erstreckung eines Abgasrohres oder dergleichen angeordnet wird.
Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor gibt ein Detektionssignal für das Luft/Brennstoff- Verhältnis ab. Basierend auf diesem Signal ist es möglich, eine Feedback-Steuerung der Brennstoffeinspritzmenge vorzunehmen, um auf diese Weise ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis (A/F = 14,7) oder ein mageres Luft/Brennstoff-Verhältnis zu erhalten (A/F ≥ 15). Dadurch lässt sich die Verbrennungseffizienz des Motors verbessern und kann der Brennstoffverbrauch vermindert werden.
Es gibt konventionelle Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren, die plattenförmige Gestalt haben (JP 61(1986)-10762A, JP 61(1986)-100651A und JP 7(1995)-501152A korrespondierend mit US 5507174A). Diese plattenförmigen Luft/Brennstoff-Verhältnis- Sensoren weisen einen Heizbereich, eine massive Elektrolytschicht und eine Diffusionsschicht auf, die beide an einer Hauptfläche des Heizbereiches geformt sind.
Es gibt zunehmenden Bedarf für die Verbesserung der Produktivität bei der Herstellung von Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren und nach einem höheren Freiheitsgrad für die Ausrichtung bei der Installation von Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren. Bei einem derartigen höheren Freiheitsgrad wird es möglich, die Genauigkeit zur Feststellung der Sauerstoffkonzentration und dergleichen zu erhöhen, und auf diese Weise die Brennstoffeinspritzmenge besser ordnungsgemäß zu steuern und die Motorsteuerung zu stabilisieren. Weiterhin gibt es zunehmenden Bedarf nach einer schnellen Temperatursteigerung des Heizerbereichs von Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensoren nach dem Start des Motors. Bei einer schnellen Temperaturzunahme ist es nämlich möglich, die Zeitdauer zu verkürzen, die gebraucht wird zum Aktivieren der festen Elektrolytschicht und dergleichen, wodurch die Zeitdauer verkürzt werden kann, die notwendig ist, bis die Sauerstoffkonzentration und dergleichen korrekt gemessen werden kann. Dies erlaubt es, eine Feedback-Steuerung der Brennstoffeinspritzmenge besser auszuführen, basierend auf dem Signal eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensors, und auch bereits einer frühen Phase nach dem Starten des Motors steuernd einzugreifen.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Apparat zum Feststellen eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses anzugeben, der es zulässt, die Genauigkeit und Stabilität beim Detektieren der Sauerstoffkonzentration von Abgas zu verbessern, die Zeitdauer zum Steigern der Temperatur des Heizerbereiches zu verkürzen, und eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektion bereits in einer frühen Phase nach dem Motorstart zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ein Apparat zum Detektieren eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses vorgeschlagen, der aufweist:
einen Heizerbereich, der eine langgestreckte zylindrische Form hat und dadurch heizt, dass in den Heizerbereich von außerhalb Elektrizität eingebracht wird;
eine feste Elektrolytschicht, die an der Peripherie des Heizbereiches geformt ist und diese umgibt, wobei die feste Elektrolytschicht aktiviert wird durch die Wärme von dem Heizerbereich, und zwar um Sauerstoffionen durch die festes Elektrolytschicht zu leiten;
erste und zweite Elektroden, die mit der festen Elektrolytschicht in Kontakt und voneinander so beabstandet sind, dass durch die ersten und zweiten Elektroden eine von außen aufgebrachte Pumpspannung auf die feste Elektrolytschicht ausgeübt wird;
eine Referenzelektrode zum Abgreifen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionssignals in Relation zu einer der ersten und zweiten Elektroden, wobei die Referenzelektrode an der festen Elektrolytschicht geformt und von den ersten und zweiten Elektroden beabstandet ist; und
eine aus einem porösen Material hergestellte Diffusionslage, die an der Peripherie der festen Elektrolytschicht geformt ist und deren Peripherie umgibt, um die ersten und zweiten Elektroden und die Referenzelektrode abzudecken.
Andere Gegenstände und Merkmale dieser Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die Bezug nimmt auf die beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensors, der mit einer ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektions-Vorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geformt ist;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt der ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektions-Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht von Teilen eines Heizerbereiches der ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektions-Vorrichtung;
Fig. 4 ist eine Perspektivansicht des Heizerbereichs, an welchem die Teile von Fig. 3 angebaut sind;
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht weiterer Teile der ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektions-Vorrichtung;
Fig. 6 ist eine Perspektivansicht zu einer Kondition, in welcher die weiteren Teile von Fig. 5 angebaut sind;
Fig. 7 ist eine Perspektivansicht der ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektions- Vorrichtung, wie präpariert durch Formen einer zweiten Diffusionsschicht durch thermisches Sprühen auf einer ersten Diffusionsschicht;
Fig. 8 ist ein charakteristisches Diagramm eines Verhältnisses zwischen einer Pumpspannung (Vp) und einem Pumpstrom (Ip) für eine magere Luft/Brennstoff- Verhältnis-Kondition;
Fig. 9 ist ein charakteristisches Diagramm für ein Verhältnis zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ) und einem Pumpstrom (Ip) bei einer mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kondition;
Fig. 10 ist ein charakteristisches Diagramm eines Verhältnisses zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ) und einer elektromotorischen Sensorkraft bei einer mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kondition;
Fig. 11 bis 13 sind charakteristische Diagramme jeweils ähnlich denen der Fig. 8-10, jedoch bei einer fetten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kondition;
Fig. 14 ist ein charakteristisches Diagramm zur Verdeutlichung, wie die elektromotorisch Kraft des Sensors sich von einer mageren Kondition zu einer fetten Kondition und umgekehrt verändert;
Fig. 15 ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, jedoch einer Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionsvorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 16 bis 20 sind Ansichten jeweils ähnlich denen von Fig. 3-7, zugehörig zu der zweiten Ausführungsform der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung.
Wie oben erwähnt, weist ein erfindungsgemäßer Apparat zum Detektieren eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses einen Heizerbereich auf, der eine langgestreckte zylindrische Form hat. Deshalb ist es möglich, eine feste Elektrolytschicht, eine Diffusionsschicht und dergleichen an der Peripherie des Heizerbereiches unter Verwendung von Technologien wie dem Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche zu formen. Dies gestattet es, den Luftbrennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat insgesamt in einer langgestreckten zylindrischen Form, wie in Fig. 1 gezeigt, auszubilden. Diese langgestreckte zylindrische Form bietet mehr Freiheitsgrade beim Auswählen der Richtung der Installation des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparats. Auf diese Weise wird es möglich, die Sauerstoffkonzentration und dergleichen von Abgas mit stabiler Genauigkeit zu detektieren. Weiterhin wird es möglich, zum Beheizen der festen Elektrolytschicht eine vergrößerte Heizoberfläche des Heizerbereiches zu erzielen, die es zulässt, Wärme von dem Heizerbereich effizienter zu der festen Elektrolytschicht und dergleichen zu übertragen. Dies gestattet es, die Zeitdauer zum Erhöhen der Temperatur des Heizerbereiches zu verkürzen und auf diese Weise die feste Elektrolytschicht früher zu aktivieren. Damit lässt sich bereits in einer frühen Phase nach dem Start des Motors das Luft/Brennstoff-Verhältnis stabil und präzise abtasten, so dass eine Feedback-Steuerung unmittelbar ausführbar wird. Es ist weiterhin nicht erforderlich, die Luft (als einen Standard) in das Innere der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung einzuführen. Dadurch wird der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat in seiner Struktur vereinfacht, was die Bearbeitbarkeit zum Herstellen desselben verbessert. Schließlich lässt sich der elektrische Stromverbrauch für den Heizerbereich reduzieren.
Weiterhin lässt sich der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat dank seiner langgestreckten zylindrischen Form in einer kleineren Größe ausbilden, verglichen mit konventionellen, plattenförmigen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparaten, obwohl dennoch jede der ersten und zweiten Elektroden und auch die Referenzelektrode jeweils mit einer ausreichenden Fläche ausgebildet werden können.
Durch Aufbringen einer Pumpspannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden lässt sich ein Diffusionsbegrenzungsstrom (Pumpstrom) detektieren, der korrespondiert mit der Sauerstoffkonzentration eines Abgases, wenn sich das Abgas in einer mageren Kondition befindet, und lässt sich ein Diffusionsbegrenzstrom abtasten, der mit der Konzentration brennbarer Gaskomponenten eines Abgases korrespondiert, wenn das Abgas in einer fetten Kondition ist.
Bezug nehmend auf die Fig. 1-14 wird ein erster Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat (erster Luft/Brennstoff-Verhältnis- oder Sauerstoffsensor) entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, hat der erste Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor ein Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 umfasst (a) einen zylindrischen Halter 2 mit einem Außengewindeabschnitt 2A, (b) eine zylindrische Kappe 3, die an einem Basisabschnitt des Halters 2 integral festgelegt ist, und (c) ein Führungsrohr 4, das konzentrisch mit der Kappe 3 und zwischen einer nachfolgend erläuterten Abdichtkappe 10 und dem Halter 2 angeordnet ist.
Der Halter 2, die Kappe 3, und das Führungsrohr 4 können aus einem Metallmaterial wie aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Der Außengewindeabschnitt 2A ist in Schraubeingriff mit einem Abgasrohr, der Art, dass die nachfolgende beschriebene Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 in den Innenraum des Abgasrohres hineinragt.
In einem durch den Halter 2 definierten Leerraum ist unter Zwischenschaltung eines metallischen Dichtringes 6 ein isolierender Support 5 angeordnet. Der isolierende Support 5 ist von allgemein zylindrischer Gestalt und besitzt eine zylindrische Öffnung zum Aufnehmen der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21. Der isolierende Support 5 ist aus einem keramischen Material hergestellt (z. B. Aluminiumoxid Al₂O₃). Tatsächlich ist die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 an der inneren zylindrischen Wand des isolierenden Supports 5 durch ein anorganisches Haftmittel oder dergleichen festgelegt. Auf diese Weise ist die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 an einer passenden Position durch den isolierenden Support 5 im Gehäuse 1 positioniert, wobei sie durch den isolierenden Support 5 elektrisch und thermisch isoliert ist.
Im Innenraum des Führungsrohres 4 sind isolierende zylindrische Glieder 7, 8 angeordnet. Jedes dieser zylindrischen Glieder 7, 8 ist aus einem keramischen Material (z. B. Aluminiumoxid) hergestellt und hält nachfolgend erwähnte Kontaktplatten 13, 14 und dergleichen in einer isolierten Kondition an dem Gehäuse 1.
Im Inneren des Gehäuses 1 und sandwichartig zwischen dem isolierenden Support 5 und dem isolierenden zylindrischen Glied 7 ist eine Feder 9 (als ein elastisches Glied) positioniert. Die Feder 9 spannt den isolierenden Support 5 zum Halter 2 vor und verhindert in dieser Position eine direkte Übertragung von Vibrationen, Stößen und dergleichen von außen durch das Gehäuse auf die Luft//Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21.
Ein Basisende der Kappe 3 ist durch die Abdichtkappe 10 verschlossen. Die Abdichtkappe 10 hat eine abgestufte zylindrische Form und ist aus einem wärmeresistenten Harzmaterial (z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE)) hergestellt. Die isolierenden zylindrischen Glieder 7, 8 und dergleichen sind an passenden Stellen im Inneren des Gehäuses 1 mit einer Vorspannkraft der Feder 9 positioniert.
In die Abdichtkappe 10 sind Drähte 11, 11 zum Detektieren des Luft/Brennstoff- Verhältnisses und Drähte 12, 12 (in Fig. 1 ist nur einer davon gezeigt) zum Betreiben des Heizerbereiches eingesetzt. Die Drähte 11, 11 sind mit Kontaktplatten 13, 13 elektrisch verbunden, während die Drähte 12, 12 elektrisch mit Kontaktplatten 14, 14 verbunden sind.
Am Halter 2 des Gehäuses 1 ist ein Protektor 15 geformt. Der Protektor 15 ist unter Verwendung einer wärmeresistenten Metallplatte oder dergleichen in eine zylindrische Gestalt geformt. Der Protektor 15 ist an seinem Basisabschnitt am Halter 2 festgelegt, um einen Endbereich der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 abzudecken. Auf diese Weise steht der Endabschnitt des Protektors 15 in axialer Richtung gegenüber dem Halter 2 vor.
Der Protektor 15 ist an seinem Endabschnitt mit einer Vielzahl an Öffnungen 15A zum Durchleiten des Abgases (das durch das Abgasrohr strömt) zum Endabschnitt der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 geformt.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 ist im Inneren des Halters durch den isolierenden Support 5 fixiert. Der Endabschnitt der Vorrichtung 21 steht in axialer Richtung aus dem Halter 2 vor. Gemäß den Fig. 2 und 7 umfasst die Luft/Brennstoff- Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 einen Heizerbereich 22, die feste Elektrolytschicht 27 und eine Diffusionsschicht 31.
Wie in den Fig. 2-4 zu sehen ist, umfasst der Heizerbereich 22 (der eine langgestreckte zylindrische Form hat) (a) ein Kernrohr 23, das aus einem keramischen Material (z. B. Aluminiumoxid) in eine hohle zylindrische Form geformt ist, (b) ein Heizermuster, und (c) eine isolierende, den Heizer abdeckende Schicht 25.
In Fig. 3 ist das Heizermuster 24 auf der Peripherie des Kernrohres 23 nach einem Verfahren zum Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen geformt. Das Heizermuster 24 umfasst ein Paar Drähte oder Leiter 24A, 24A, die sich in der axialen Richtung des Kernrohres 23 erstrecken. Die Heizerabdeckschicht 25 ist auf der Peripherie des Kernrohres 23 durch ein Dickfilm-Druckverfahren geformt, unter Verwendung eines Keramikmaterials (z. B. Aluminiumoxid) zum Zwecke des Schutzes des Heizermusters 24 mit seinen Leitern 24A.
Das Kernrohr 23 ist durch Spitzgussformen eines keramischen Materials (z. B. Aluminiumoxid) in eine langgestreckte zylindrische Form geformt, beispielsweise, um einen Außendurchmesser von ca. 3-4 mm und eine axiale Länge von ca. 50-60 mm zu haben. Das Kernrohr 23 besitzt eine zylindrische, sich in axialer Richtung erstreckende Innenbohrung 23A. Diese Innenbohrung 23A reduziert das Volumen des Kernrohres 23 und dient auf diese Weise zum Reduzieren der Wärmekapazität des Kernrohres 23.
Das Heizermuster 24 besteht aus einem exothermischen leitfähigen Material (z. B. Platin, das z. B. mit 10 Gew.-% Aluminiumoxid vermischt ist). Jeder Leiter 24A ist im Basisendbereich des Kernrohres 23 mit einer Kontaktplatte 14 (Fig. 1) verbunden. Von einer nachstehenden erwähnten Stromquelle 34 wird über die Drähte 24, die Kontaktplatten 14 und die Leiter 24A Elektrizität in das Heizermuster 24 geleitet, um den Heizerbereich 22 auf eine Temperatur von ca. 650-800°C aufzuheizen.
In Fig. 3 ist ein gestrichelt gezeichneter Stopfen 26 zu sehen. Ähnlich wie das Kernrohr 23, ist der Stopfen 26 aus einem keramischen Material hergestellt, z. B. Aluminiumoxid. Der Stopfen 26 ist in ein Basisende der zylindrischen Innenbohrung 23a eingepasst, um die Innenbohrung 23A zu verschließen. Die Innenbohrung 23A des Kernrohres 23 kann als eine Zentrierbohrung verwendet werden, um die nachfolgend erläuterte feste Elektrolytschicht 27, die erste Diffusionsschicht 32, und dergleichen, durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche anzubringen. Bei der Vorbereitung der ersten Ausführungsform des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensors ist es bevorzugt, folgende sequentielle Schritte durchzuführen: (a) Anbringen einer festen Elektrolytschicht 27 und einer Diffusionsschicht 32 und dergleichen durch Bedrucken einer gekrümmten Fläche; (b) Formen des Stopfens 26 im Basisendabschnitt der zylindrischen Innenbohrung 23A; und (c) Zusammensintern des Stopfens 26 mit dem Kernrohr 23.
In Fig. 2 ist die feste Elektrolytschicht 27 zu sehen, die zum Leiten von Sauerstoffionen dient. Die feste Elektrolytschicht 27 ist auf der Peripherie der Heizerabdeckschicht 25 des Heizerbereiches 22 geformt durch Anwenden einer Technik zum Bedrucken gekrümmter Oberflächen, oder dergleichen. Gemäß Fig. 5 kann die feste Elektrolytschicht 27 in eine zylindrische Gestalt geformt sein durch Dickfilm-Drucken einer Paste auf die Peripherie der Heizerabdeckschicht 25. Diese Paste kann hergestellt sein aus einer Mixtur (einem sog. Yttrium-Oxid-stabilisierten Zirkonoxid) aus 95 mol% eines Zirkonoxidpulvers (ZrO₂) und 5 mol% eines Yttriumoxidpulvers (Y₂O₃).
Die feste Elektrolytschicht 27 hat eine Dicke von beispielsweise ca. 50-100 µm und transportiert Sauerstoffionen zwischen den nachfolgend erwähnten ersten und zweiten Elektroden 28, 29. Auf diese Weise generiert die feste Elektrolytschicht 27 die nachfolgend erwähnte, pumpende elektromotorische Kraft Ep. Ihr interner Widerstand Rp wird in einem später erwähnten Formelausdruck definiert.
An der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 sind voneinander beabstandete, jeweils erste und zweite Elektroden 28, 29 geformt. Tatsächlich können die ersten und zweiten Elektroden 28, 29 auf der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 und der Heizerabdeckschicht 25 durch Durchführen eines Druckverfahrens gekrümmter Oberflächen geformt sein unter Verwendung einer leitfähigen Paste aus Platin oder dergleichen, um das in Fig. 5 gezeigt Druckmuster zu erzielen. Die Leiter 28A, 29A der Elektroden 28, 29 erstrecken sich zum Basisende des Heizerbereiches 22.
Die erstes Elektrode 28 wird eine Kathode, an welcher eine durch die nachfolgende Reaktionsformel (1) oder (3) repräsentierte chemische Reaktion stattfindet. Die zweite Elektrode 29 wird zu einer Anode, an welcher eine durch die nachfolgende Reaktionsformel (2) oder (4) repräsentierte chemische Reaktion auftritt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Leiter 28A, 29A der Elektroden 28, 29 an der Basisendseite der Luft/Brennstoff- Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 mit Kontaktplatten 13 und Drähten 11 verbunden, und wird von der nachfolgend erwähnten Gleichspannungsquelle 35 eine Pumpspannung V_p zwischen den Elektroden 28, 29 aufgebracht.
An der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 ist in Entfernung von den ersten und zweiten Elektroden 28, 29 eine Referenzelektrode 30 geformt (Fig. 2 und 5). Ähnlich mit den ersten und zweiten Elektroden 28, 29, kann auch die Referenzelektrode 30 auf der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 und der Heizerabdeckschicht 25 durch ein Verfahren zum Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche geformt sein, unter Verwendung einer leitfähigen Paste aus Platin oder dergleichen, um das in Fig. 5 gezeigte Druckmuster zu erzielen. Der Leiter 30A der Referenzelektrode 30 erstreckt sich zur Basisendseite des Heizerbereiches 22.
Die Referenzelektrode 30 ist in axialer Richtung der festen Elektrolytschicht 27 von den ersten und zweiten Elektroden 28, 29 beabstandet. Ihr Leiter 30A ist an der Basisendseite der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 mit der Kontaktplatte 13 und dem Draht 11 verbunden, die jedoch verschieden ist von den mit den Leitern 28A, 29A verbundenen Kontaktplatten. Die Referenzelektrode 30 und die erste Elektrode 28 sind mit einem nachfolgend beschriebenen Differentialverstärker 37 (Fig. 2) verbunden.
Eine aus einem porösen Material hergestellte Diffusionsschicht 31 deckt die feste Elektrolytschicht 27 und die Elektroden 28-30 von außen her ab. In den Fig. 2 und 7 umfasst die Diffusionsschicht 31 (a) eine erste an der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 durch Bedrucken einer gekrümmten Fläche oder dergleichen geformte, erste Diffusionsschicht 32, und (b) eine zweite Diffusionsschicht 33.
Die erste Diffusionsschicht 32 kann mit einer zylindrischen Form und einer Dicke von beispielsweise ca. 30-100 µm geformt werden, durch Durchführen eines Dickfilmdruckschrittes, bei welchem eine Paste (die z. B. Aluminiumoxidpulver enthält) auf die Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 aufgebracht wird. Alternativ kann diese Paste auch vorbereitet werden durch Vermischen von Aluminiumoxidpulver mit einer kleinen Menge eines Zirkonoxidpulvers.
Die erste Diffusionsschicht 32, wie auch die zweite Diffusionsschicht 33, hat eine poröse Struktur, und übt deshalb die Funktion aus, dass sie einen Teil des Abgases (das um die zweite Diffusionsschicht 33 strömt) zu den Elektroden 28-30 überträgt. In diesem Fall hat die erste Diffusionsschicht 32 eine höhere Porosität oder gröbere Struktur als die zweite Diffusionsschicht 33.
Die zweite Diffusionsschicht 33 ist an der Außenseite der ersten Diffusionsschicht 32 geformt. Tatsächlich, und wie in Fig. 7 gezeigt, kann die zweite Diffusionsschicht 33 durch Plasmasprühen unter Bedecken der Peripherie der ersten Diffusionsschicht 32 und der Heizerabdeckschicht 25 geformt werden, und zwar unter Benutzen eines porösen Keramikmaterials, z. B. einer Mixtur aus Magnesiumoxid und Aluminiumoxid.
Die zweite Diffusionsschicht 33 (die beispielsweise eine Dicke von 100 µm oder weniger hat) bedeckt die erste Diffusionsschicht 32, und bietet deshalb Raum zum Einstellen des nachfolgend beschriebenen Pumpstroms Ip. Weiterhin bedeckt die zweite Diffusionsschicht 33 die Heizerabdeckschicht 25 des Heizerbereiches 22, so dass sie Leiter 28A, 29A und 30A der Elektroden 28-30 schützt. Die zweite Diffusionsschicht 33 hat eine feinere poröse Struktur als die erste Diffusionsschicht 32.
Außerhalb des Gehäuses 1 ist eine Heizer-Stromquelle 34 vorgesehen. In Fig. 2 ist die Heizerstromquelle 34 mit dem Heizermuster 24 durch einen Leiter 12 oder dergleichen verbunden. Die Heizerstromquelle 34 heizt den Heizerbereich 22 auf eine Temperatur von ca. 650-800°C auf, indem sie Spannung auf das Heizermuster 24 des Heizerbereichs 22 aufbringt.
Außerhalb des Gehäuses 1 ist in Fig. 2 eine Gleichstrom-Stromquelle 35 angeordnet, die mit den ersten und zweiten Elektroden 28, 29 durch den Leiter 11 verbunden ist, und so eine Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode (Kathode) und der zweiten Elektrode (Anode) aufbringt. Die Pumpspannung V_P der Gleichstromquelle 35 kann bei einer konstanten Spannung (z. B. um 0,6 V) gehalten oder bedarfsabhängig variiert werden.
Zwischen der Gleichstrom-Stromquelle 35 und der zweiten Elektrode 29 ist ein Amperemeter 36 angeordnet. Das Amperemeter 26 detektiert den Pumpstrom I_p (Diffusionsbegrenzungsstrom) der zwischen den ersten und zweiten Elektroden 28, 29 fließt.
Der Differentialverstärker 37 ist außerhalb des Gehäuses 1 in Fig. 2 angeordnet und konstituiert einen Teil eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsschaltkreises. In Fig. 2 ist der nicht invertierende Eingangsanschluss des Differentialverstärkers 37 über den Leiter 11 mit der Referenzelektrode 30 verbunden. Hingegen ist der invertierende Eingangsanschluss mit der ersten Elektrode 28 verbunden. In den Fig. 10, 13 und 14 gibt der Differentialverstärker 37 an seinem Ausgangsanschluss 38 ein Signal entsprechend der elektromotorischen Kraft Es des Sensors ab (ein Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionssignal).
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 3 bis 7 das Verfahren zum Herstellen der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 erläutert.
Zum Herstellen des Heizerbereiches 22 wird ein keramisches Material (z. B. Aluminiumoxid) zunächst als Kernrohr 23 durch Spritzgießen in eine hohle zylindrische Stange geformt, gefolgt durch vorläufiges Sintern. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Durchmesser der zylindrischen Innenbohrung 23A so weit wie möglich zu vergrößern, um die Wärmekapazität des Kernrohres 23 zu reduzieren.
Bei einem nachfolgenden Musterdruckschritt wird eine stützende Welle (z. B. ein Spannfutter) mit beiden Enden der zylindrischen Innenbohrung 23A in Eingriff gebracht, um das Kernrohr 23 zu rotieren. Während das Kernrohr 23 rotiert wird ein exothermisches leitfähiges Material (z. B. Platin, vermischt mit 10 Gew.-% Aluminiumoxid) auf die Peripherie des Kernrohres 23 durch ein Druckverfahren für gekrümmte Oberflächen aufgebracht, um das Heizermuster 24 zu formen. Weiterhin wird jeder Leiter 24A des Heizermusters 24 so gedruckt, dass er sich bis zum Basisende des Kernrohres 23 erstreckt, und das Heizermuster eine einstückige Ausbildung erhält.
Danach wird die Heizerabdeckschicht 25 zum Abdecken des Heizermusters 24 geformt, und zwar durch Durchführen eines Bedruckens einer gekrümmten Oberfläche unter Verwendung einer Paste (z. B. Aluminiumoxid) oder durch Aufbringen eines keramischen Rohbogens (z. B. aus Aluminiumoxid), auf die Außenseite des Kernrohres 23. Auf diese Weise wird der Heizerbereich 22 geschaffen, der aus dem Kernrohr 23, dem Heizermuster 24, und der Heizerabdeckschicht 25 geformt ist, wie in Fig. 4 gezeigt.
Danach (Fig. 5) wird die feste Elektrolytschicht 27, die für Sauerstoffionen leitend ist, durch Durchführen eines Druckschrittes an einer gekrümmten Oberfläche mit einer Paste ausgeführt (die beispielsweise eine Mixtur aus Zirkonoxid und Yttriumoxid enthält), und zwar auf der Peripherie der Heizerabdeckschicht 25.
Dann werden die Elektroden 28-30 geformt durch ein Druckverfahren auf einer gekrümmten Oberfläche mit einer leitfähigen Paste (z. B. aus Platin) auf der peripheren Oberfläche der festen Elektrolytschicht 27, der Art, dass die Elektroden 28-30 voneinander in der axialen Richtung der festen Elektrolytschicht 27 beabstandet sind. Weiterhin werden die Leiter 28A, 29A und 30A durch Drucken geformt, der Art, dass sich diese Leiter zum Basisende der Heizerabdeckschicht 25 erstrecken, wobei sie voneinander separiert sind.
Danach wird gemäß Fig. 5 die erste Diffusionsschicht 32 geformt durch Durchführen eines Druckverfahrensschrittes auf der gekrümmten Oberfläche und mit einer Paste (z. B. aus Aluminiumoxid oder aus einem Aluminiumoxid, das Zirkonoxid enthält) auf der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27.
Danach wird die Anordnung aus dem Kernrohr 23, dem Heizermuster 24, der Heizerabdeckschicht 25, der festen Elektrolytschicht 27, der Elektroden 28-30 und der ersten Diffusionsschicht 32 über ca. 2 Stunden bei hoher Temperatur von beispielsweise ca. 1300-1500°C einem Sinterprozess unterworfen. Auf diese Weise wird die gesinterte Anordnung in eine einstückige Ausbildung gebracht. Weiterhin ist es bevorzugt, den Stopfen 26 (in Fig. 3 gezeigt) in der zylindrischen Innenbohrung 23A des Kernrohres 23 vor dem Sintern zu formen, und den Stopfen 26 zusammen mit den anderen erwähnten Gliedern durch Sintern zu fixieren.
Danach wird die zweite Diffusionsschicht 33 durch Plasmasprühen eines keramischen Materials (z. B. eines Aluminiumoxids, das Magnesiumoxid enthält) auf der gesinterten Anordnung geformt, um die erste Diffusionsschicht 32 und die Heizerabdeckschicht 25 vollständig zu bedecken.
Nach dem Plasmasprühen wird die Dicke der zweiten Diffusionsschicht 33 wie erforderlich eingestellt. Damit ist es möglich, innerhalb mehrere Produkte einer Bauserie eine Fluktuation oder Variation des nachfolgend erwähnten Pumpstroms Ip zu verhindern, und auch die Einstellung des Gasdiffusionswiderstandes sogar nach dem Sintern der Baugruppe leicht durchzuführen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird die auf diese Weise hergestellte Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionsvorrichtung 21 auf eine Weise in das Gehäuse 1 eingebracht, bei der die Leiter 24A, 28A, 29A und 30A mit den jeweiligen Kontaktplatten 13, 14 in Kontakt gebracht werden, um auf diese Weise den Luft/Brennstoff-Verhältnissensor zu komplettieren.
Das Arbeiten des Luft/Brennstoff-Detektionssensors wird wie folgt beschrieben. Das Gehäuse 1 wird in einem Abgasrohr eines Fahrzeuges durch Verschrauben festgelegt, und zwar unter Vermittlung des Außengewindeabschnittes 2A, der Art, dass ein Endabschnitt der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 in den Innenraum des Abgasrohres hineinragt.
Nach dem Starten des Motors bestreicht durch das Abgasrohr strömendes Abgas durch den Protektor 15 die Umgebung der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21. Ein Teil dieses Abgases wird durch die zweite Diffusionsschicht 33 und die erste Diffusionsschicht 32 hindurch übertragen und erreicht dann die Oberfläche der Elektroden 28, 29.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21 wird durch den Heizerbereich 22 aufgeheizt, sobald von der Heizerstromquelle 34 Elektrizität an das Heizermuster 24 übertragen wird. Auf diese Weise wird die feste Elektrolytschicht 27 aktiviert, und kann ein Diffusionsbegrenzstrom (Pumpstrom Ip) zwischen der ersten Elektrode (Kathode) 28 und der zweiten Elektrode (Anode) 29 fließen, und zwar unter Berücksichtigung der Sauerstoffkonzentration des Abgases oder der Konzentration brennbarer Gaskomponenten, wie dies durch die nachfolgenden Reaktionsformeln (1)-(6) und Ausdrücke (1), (3) und (4) gezeigt ist.
Bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis größer als ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff- Verhältnis (λ = 1) befindet sich die Luft/Brennstoff-Mischung in einer Magerverbrennungs-Kondition. Dabei verbleibt unverbrannter Sauerstoff im Abgas, das durch die Umgebung der Diffusionsschicht 31 strömt.
Daher tritt an der Elektrode 28 die durch die nachfolgende Reaktionsformel (1) repräsentierte chemische Reaktion auf, vorausgesetzt, dass zwischen den Elektroden 28, 29 die Pumpspannung Vp aufgebracht wird. Auf diese Weise werden Sauerstoffionen generiert, da zu dem in dem Abgas verbliebenen molekularen Sauerstoff Elektronen addiert werden.

O₂ + 4e (Elektronen) → 20^2- (1)
Dann werden als Folge von Sauerstoffdefekten der festen Elektrolytschicht 27 Sauerstoffionen von der Elektrode (Kathode) 28 zur Elektrode (Anode) 29 transportiert. Die Sauerstoffionen werden an der Elektrode 29, wie in der nachfolgenden Reaktionsformel (2) gezeigt, in Sauerstoff und Elektronen zerlegt.

20^2- → O₂ + 4e (Elektronen) (2)
Demzufolge kann ein Pumpstrom Ip (Diffusionsbegrenzungsstrom) zwischen den Elektroden 28, 29 in Übereinstimmung mit dem nachfolgenden Ausdruck (1) fließen:

wobei Do den Sauerstoffgas-Diffusionskoeffizienten der Diffusionsschicht 31 repräsentiert; Px1 den Sauerstoff-Partialdruck des Detektionsgases repräsentiert (z. B. den Sauerstoff-Partialdruck an der Referenzelektrode 30); Px2 den Sauerstoffpartialdruck an der Kathoden(Elektrode 28)-Seite repräsentiert; R eine Gaskonstante (8,3145 J/K.mol) repräsentiert; T die Absoluttemperatur repräsentiert; F die Faraday'sche Konstante (9,64853 × 10⁴ C/mol) repräsentiert; S1 die Fläche der Diffusionsschicht 31 an der Kathodenseite repräsentiert; und h1 die Dicke der Diffusionsschicht 31 an der Kathodenseite repräsentiert.
Wenn der Widerstand (d. h., der Innenwiderstand der festen Elektrolytschicht 27) zwischen den Elektroden 28, 29 mit "Rp" angegeben wird, ist dem folgenden Ausdruck (2) Genüge getan.

Vp = Ep + (Ip × Rp) (2),

wobei Vp die durch die Gleichstrom-Stromquelle 35 zugeführte Pumpspannung ist; Ep die in der festen Elektrolytschicht 27 auftretende, pumpende elektromotorische Kraft ist; und Ip der pumpende Strom ist.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist es möglich, durch graduelles Erhöhen der pumpenden Spannung Vp von der Gleichstrom-Stromquelle 35 von 0 V an bei mageren Verbrennungskonditionen mit Luft/Brennstoff-Verhältnissen von λL1, λL2 und λL3 (1 < λL1 < λL2 < λL3) die Veränderung des pumpenden Stroms mit dem Amperemeter 36 zu überprüfen. Damit und wie in Fig. 8 gezeigt, wurde bestätigt, dass der pumpende Strom Ip das Diffusionslimit bei einem Strom von IPL1 erreicht, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis λL1 ist, dass er das Diffusionslimit bei IPL2 erreicht, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis λL2 ist, und dass er das Diffusionslimit bei IPL3 erreicht, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis λL3 ist.
Auf diese Weise kann das Verhältnis zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis λ und dem pumpenden Strom Ip repräsentiert werden durch eine lineare Kennlinie (in Fig. 9 gezeigt) bei Halten der Spannung Vpo (siehe Fig. 8) auf einem konstanten Niveau (z. B. bei ca. 0,6 V).
Deshalb, und wie in Fig. 9 gezeigt, ist es möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu bestimmen durch Abgreifen des pumpenden Stroms Ip unter Verwendung des Amperemeters 36 in einer Kondition, bei der die pumpende Spannung Vp an einer konstanten Spannung Vpo gehalten wird. Beispielsweise wird herausgefunden, dass das Luft/Brennstoff-Verhältnis λL1 ist, sobald ein pumpender Strom IPL1 festgestellt wird.
Weiterhin ist es möglich, vom Ausgangsanschluss 38 des Differentialverstärkers 37 in Fig. 2 die elektromotorische Kraft (Es) des Sensors (durch eine charakteristische Linie, die in Fig. 10 gezeigt ist, repräsentiert) bei einer Magerverbrennungskondition als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionssignal abzugreifen.
Der Fall einer fetten Verbrennungskondition, bei der das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Motors geringer ist als das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis (λ = 1), wird nachstehend im Detail erläutert. In diesem Fall verbleibt im Abgasrohr kein durch die Umgebung der Diffusionsschicht 31 strömender Sauerstoff. In anderen Worten verbleiben als Folge der unvollständigen Verbrennung brennbare Gaskomponenten (z. B. Kohlenstoff-Monoxid CO und Wasserstoff H₂) im Abgas. Der Fall mit Kohlenstoff- Monoxid wird nachfolgend im Detail geschildert.
Die durch die nachfolgende Reaktionsformel (3) repräsentierte chemische Reaktion tritt bei Aufbringen der pumpenden Spannung Vp zwischen den Elektroden 28, 29 an der. Elektrode (Kathode) 28 auf. Hierbei werden zu dem im Abgas verbliebenen Kohlendioxid Elektronen hinzuaddiert, was Sauerstoffionen und Kohlenmonoxid generiert.

2CO₂ + 4e (Elektronen) → 20^2- + 2CO (3)
Dann werden durch Sauerstoffdefekte der festen Elektrolytschicht 27 von der Elektrode (Kathode) 28 Sauerstoffionen zur Elektrode (Anode) 29 transportiert. Die auf diese Weise transportierten Sauerstoffionen kommen in Reaktion mit dem Kohlenmonoxid an der Elektrode 29, wodurch Kohlendioxid und Elektronen generiert werden, wie dies die folgende Reaktionsformel (4) zeigt.

2CO₂ + 20^2- → + 2CO₂ + 4e (4)
Demzufolge kann zwischen den Elektroden 28, 29 pumpender Strom Ip (Diffusionsbegrenzungsstrom) in Übereinstimmung mit dem nachfolgenden Ausdruck (3) fließen:

wobei Dco den Kohlenmonoxid-Gasdiffusionskoeffizienten der Diffusionsschicht 31 repräsentiert; Px3 den Kohlenmonoxid-Partialdruck des Detektionsgases (z. B. Kohlenmonoxid-Partialdruck an der Referenzelektrode 30) repräsentiert; Px4 den Kohlenmonoxid- Partialdruck an der Anoden(Elektrode 29)-Seite repräsentiert; S2 den Flächenbereich der Diffusionsschicht 31 an der Anodenseite repräsentiert; und h2 die Dicke der Diffusionsschicht 31 an der Anodenseite repräsentiert.
In dem Fall von Wasserstoff (als eine brennbare Gaskomponente in dem Abgas) tritt an der Elektrode (Kathode) 28 die durch die nachfolgende Reaktionsformel (5) repräsentierte chemische Reaktion auf. Bei der Reaktion werden zu einem in dem Abgas verbleibenden Wassermolekül Elektronen hinzuaddiert unter Generieren von Sauerstoffionen und Wasserstoffmolekülen.

2H₂O + 4e (Elektronen) → 20^2- + 2H₂ (5)
Dann werden durch Sauerstoffdefekte der festen Elektrolytschicht 27 von der Elektrode (Kathode) 28 Sauerstoffionen zur Elektrode (Anode) 29 transportiert.
Die auf diese Weise transportierten Sauerstoffionen reagieren an der Elektrode 29 mit dem Wasserstoffmolekül (das im Abgas vorliegt), und generieren Wassermoleküle und Elektronen, wie dies durch die nachfolgende Reaktionsformel (6) gezeigt wird.

2H₂ + 20₂ → +2H₂O + 4e (6)
Dabei fließt pumpender Strom Ip (Diffusionsbegrenzungsstrom) zwischen den Elektroden 28, 29, und zwar in Übereinstimmung mit dem folgenden Ausdruck (4):

wobei D_H den Wasserstoff-Gasdiffusions-Koeffizienten der Diffusionsschicht 31 repräsentiert; Px5 den Wasserstoff-Partialdruck des Detektionsgases (z. B. den Wasserstoff- Partialdruck an der Referenzelektrode 30) repräsentiert; und Px6 den Wasserstoff- Partialdruck an der Anodenseite (Elektrode 29) repräsentiert.
Das Verhältnis des obigen Ausdrucks (2) ist sogar auch dann gegeben, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einer fetten Kondition (λ < 1) ist.
Gemäß Fig. 11 ist es durch graduelles Erhöhen der pumpenden Spannung Vp von der Gleichstrom-Stromquelle 35 von 0 V an bei fetten Konditionen mit Luft/ Brennstoff- Verhältnissen von λR1, λR2 und λR3 (1 < λR1 < λR2 < λR3) möglich, die Änderung des pumpenden Stromes mittels des Amperemeters 36 zu überprüfen. Damit ist, wie in Fig. 11 gezeigt, bestätigt, dass der pumpende Strom Ip ein Diffusionslimit bei einem Strom von IPR1 erreicht, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis λR1 ist, dass der Strom ein Diffusionslimit bei IPR2 erreicht, falls das Luft/Brennstoff-Verhältnis λR2 ist, und dass der Strom ein Diffusionslimit bei IPR3 erreicht, falls das Luft/Brennstoff-Verhältnis λR3 ist.
Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis λ und dem pumpenden Strom Ip durch eine lineare charakteristische Linie (in Fig. 12 gezeigt) repräsentiert werden kann durch Aufrechterhalten einer Spannung Vpo (Fig. 11) auf einem konstanten Niveau (z. B. bei ca. 0,6 V).
Deshalb, und wie in Fig. 12 gezeigt, ist es möglich, das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu bestimmen durch Detektieren des pumpenden Stroms Ip unter Verwendung des Amperemeters 36 bei einer Kondition, gemäß der die pumpende Spannung Vp bei einer konstanten Spannung Vpo gehalten wird. Beispielsweise wird herausgefunden, dass das Luft/Brennstoff-Verhältnis λR1 ist, wenn als pumpender Strom IPR1 detektiert wird.
Weiterhin ist es für eine fette Kondition möglich, als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionssignal die elektromotorische Kraft (Es) (repräsentiert durch eine charakteristische Linie in Fig. 13) am Ausgangsanschluss 38 des Differentialverstärkers 37 von Fig. 2 abzugreifen.
Aus den Fig. 10 und 13 ergibt sich, dass eine charakteristische Linie 39 (in Fig. 14 durch die durchgehende Linie repräsentiert) von der elektromotorischen Kraft Es des Sensors als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionssignal abgreifbar ist, das am Ausgangsanschluss 38 des Differentialverstärkers 37 abgegeben wird. Anhand dieser elektromotorischen Kraft Es des Sensors besteht die Möglichkeit festzustellen, dass bis zu einer Zeit t1 eine magere Verbrennungskondition vorliegt, dass zwischen den Zeitpunkten t1 bis t2 eine fette Verbrennungskondition vorliegt, und dass es nach dem Zeitpunkt t2 erneut eine magere Verbrennungskondition gibt.
Falls sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis von einer mageren Verbrennungskondition zu einer fetten Verbrennungskondition und zurück ändert, kann es ein Überschießen der elektromotorischen Kraft Es des Sensors geben, wie dies anhand der charakteristischen Linien (gestrichelte Linien) 39A und 39B in Fig. 14 gezeigt ist.
Im Hinblick auf solche Überschieß-Probleme ist erfindungsgemäß die Referenzelektrode 30 (die an der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 geformt ist) zusammen mit den ersten und zweiten Elektroden 28, 29 mit der Diffusionsschicht 39 abgedeckt, und ist die zweite Diffusionsschicht 33 durch Plasmasprühen oder dergleichen so geformt, dass die Dicke der zweiten Diffusionsschicht passend eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten des Überschießens der elektromotorischen Kraft Es des Sensors (wie durch die charakteristischen Linien 39A und 39B in Fig. 14 gezeigt) substantiell zu unterdrücken, und sogar eine stabile Es-Abgabe zu erzielen, wie dies durch die charakteristische Linie (durchgezogene Linie) 39 in Fig. 14 gezeigt ist.
Wie vorher erwähnt, wird die Baueinheit aus dem Kernrohr 23, dem Heizermuster 24, der Heizerabdeckschicht 25, der festen Elektrolytschicht 27, den Elektroden 28-30, und der ersten Diffusionsschicht 32 bei der Vorbereitung der Luft/Brennstoff-Detektionsvorrichtung 21 einer Sinterung unterworfen. Die Sinter-Konditionen mehrerer gesinterter Baueinheiten können jedoch streuen. Dann tendiert der Gasdiffusionswiderstand der Elektroden 28, 29 zum Variieren, was den pumpenden Strom Ip (der zwischen den Elektroden 28, 29 fließt) zwischen verschiedenen Produkten (den Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionsapparaten) nicht konstant oder ungleich ausfallen lässt. Im Hinblick auf dieses Problem wird die Dicke der zweiten Diffusionsschicht erfindungsgemäß eingestellt beim Durchführen des Plasmasprühens zum Formen der zweiten Diffusionsschicht. Die auf diese Weise eingestellte Dicke kann 100 µm sein oder weniger.
Tatsächlich ist es möglich, die gesinterte Baueinheit in Bezug auf die Charakteristik des pumpenden Stroms (Ip) zu überprüfen. Basierend auf den Daten dieser Überprüfung ist es möglich, die Dicke der zweiten Diffusionsschicht 33 beim Durchführend des Plasmasprühens mit einem keramischen Material (z. B. einem Aluminiumoxid, das Magnesiumoxid enthält) auf die gesinterte Baueinheit passend einzustellen. Durch diese Einstellung ist es möglich, den Gasdiffusionswiderstand für jede der Elektroden 28-30 für jede gesinterte und produzierte Baueinheit einzustellen, um auf diese Weise eine unerwünschte Variation (Abweichung) des pumpenden Stroms Ip unter den in einer Serie produzierten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparaten zu vermeiden.
Wie bereits erwähnt, ist der Heizerbereich 22 voll mit der festen Elektrolytschicht 27 und der Diffusionsschicht 31 abgedeckt. Dadurch wird der Heizerbereich 22 gegen einen direkten Kontakt mit der Umgebungsluft geschützt. Auf diese Weise lässt sich die Wärme vom Heizerbereich effizient auf die feste Elektrolytschicht und dergleichen übertragen.
Wie beschrieben, sind die ersten und zweiten Elektroden 28, 29 und die Referenzelektrode 30 an der Peripherie der festen Elektrolytschicht 27 so geformt, dass sie in axialer Richtung voneinander entfernt sind. Dies reduziert den Durchmesser der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 21, so dass der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionsapparat in seiner Größe kleiner ausgebildet werden kann.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 15-20 ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat (zweiter Luft/Brennstoff-Verhältnis- oder Sauerstoffsensor) entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Der zweite Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor ist ähnlich dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor, ausgenommen darin, dass die ersten und zweiten Elektroden einander in einer radialen Richtung der festen Elektrolytschicht gegenüberliegen. Erklärungen derjenigen Teile bei dem zweiten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor, die mit denen des ersten Luft/Brennstoff- Verhältnis-Sensors korrespondieren, werden nachstehend nicht wiederholt.
Wie in Fig. 15 zusehen ist, umfasst eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 41 einen Heizerbereich 42, eine feste Elektrolytschicht 47 und eine Diffusionsschicht 51.
Der Heizerbereich 42 (der eine langgestreckte zylindrische Gestalt hat) umfasst (a) ein Kernrohr 43 (als einen Heizerkern) mit einer zylindrischen Innenbohrung 43A, (b) ein Heizermuster 44 mit einem Leiter 44A, (c) eine isolierende Heizerabdeckschicht 45, und (d) einen Stopfen 46 (siehe Fig. 16).
Eine feste Elektrolytschicht 47, die leitfähig ist für Sauerstoffionen, ist an der Peripherie der den Heizer abdeckenden Schicht 45 geformt unter Anwendung einer Drucktechnik für gekrümmte Flächen, oder dergleichen. Wie in den Fig. 15 und 18 gezeigt ist, kann die Elektrolytschicht 47 in eine zylindrische Gestalt geformt sein durch Ausführen eines Dickfilm-Druckverfahrens mit einer Paste auf der Peripherie der Heizerabdeckschicht 45. Diese Paste kann auch hergestellt werden durch Verwenden von Zirkonoxid, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist.
Die feste Elektrolytschicht 47 hat eine zweilagige Struktur aus einer inneren Elektrolytschicht 47A und einer äußeren Elektrolytschicht 47B. Die axiale Länge der festen Elektrolytschicht 47 (Fig. 15) ist substantiell kürzer als diejenige der festen Elektrolytschicht 27 (Fig. 2), und zwar als Folge der vorerwähnten speziellen Konfiguration der ersten und zweiten Elektroden.
Tatsächlich ist die innere Elektrolytschicht 47A an der Peripherie der Heizerabdeckschicht 45 des Heizerbereiches 42 durch ein Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen geformt. Auch die äußere Elektrolytschicht 47B ist auf der inneren Elektrolytschicht 47A durch ein Druckverfahren zum Bedrucken gekrümmter Flächen oder dergleichen geformt, um eine innere Elektrode 48 abzudecken.
Die innere Elektrode (erste Elektrode) 48 und eine äußere Elektrode (zweite Elektrode) 49 sind jeweils auf den Peripherien der inneren und äußeren Elektrolytschichten 47A und 47B geformt, und zwar durch ein Druckverfahren für gekrümmte Oberflächen, oder dergleichen.
Diese inneren und äußeren Elektroden 48, 49 sind ähnlich den ersten und zweiten Elektroden 28, 29, der ersten Ausführungsform, ausgenommen, dass die äußeren und inneren Elektroden 48, 49 so konfiguriert sind, dass sie in der radialen Richtung die äußere Elektrodenschicht 47B sandwichartig zwischen sich einschließen.
Wie aus Fig. 18 zu ersehen ist, haben die Elektroden 48, 49 jeweils Leiter 48A, 49A, die sich zu dem Basisende des Heizerbereiches 42 erstrecken. Die innere Elektrode 48 dient als eine Kathode, bei der die vorerwähnten, durch die Formeln (1) und (3) repräsentierten chemischen Reaktionen auftreten, während die äußere Elektrode 49 als eine Anode dient, bei der die durch die Formeln (2) und (4) repräsentierten chemischen Reaktionen; wie zuvor erwähnt, auftreten.
An der Peripherie der äußeren Elektrolytschicht 47B ist durch Drucken auf eine gekrümmte Oberfläche unter Benutzen einer leitfähigen Paste aus Platin oder dergleichen eine Referenzelektrode 50 geformt, um das in Fig. 18 gezeigte Druckmuster zu haben. Der Leiter 50A der Referenzelektrode 50 erstreckt sich zum Basisende des Heizerbereichs 42.
Die Referenzelektrode 50 ist so angeordnet, dass sie in axialer Richtung der äußeren Elektrolytschicht 47B von der äußeren Elektrode 49 beabstandet ist. Ähnlich wie bei der Referenzelektrode 30, ist auch die Referenzelektrode 50 mit dem in Fig. 15 gezeigten Differential-Verstärker 37 verbunden.
Von außen deckt eine Diffusionsschicht 51, die aus porösem Material hergestellt ist, die feste Elektrolytschicht 47 und die Elektroden 49, 50 ab. Ähnlich wie die Diffusionsschicht 31, kann auch die Diffusionsschicht 51 erste und zweite Diffusionsschichten 52, 53 aufweisen, wie dies aus den Fig. 15 und 20 zu sehen ist.
Nachfolgend wird unter Bezug auf die Fig. 16 bis 20 das Verfahren zum Herstellen der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsvorrichtung 41 erklärt.
Bei der Herstellung des Heizerbereiches 42 wird durch Spritzgießen eines keramischen Materials (z. B. Aluminiumoxid) als Kernrohr 43 ein hohler zylindrischer Stab geformt, gefolgt durch vorläufiges Sintern.
Bei dem Muster-Druckschritt wird eine stützende Welle (z. B. ein Spannfutter) in beide Enden der zylindrischen Innenbohrung 43A eingebracht, um das Kernrohr 43 zu drehen. Während das Kernrohr 43 gedreht wird, wird ein exothermisches leitfähiges Material (z. B. Platin oder Wolfram) auf die Peripherie des Kernrohres 43 nach einem Druckverfahren für gekrümmte Oberflächen aufgebracht, um das Heizermuster 44 zu formen.
Dann wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform die Heizerabdeckschicht 45 geformt durch Anwenden eines Druckverfahrens für gekrümmte Oberflächen unter Verwendung einer Paste (z. B. aus Aluminiumoxid) oder durch Aufbringen eines keramischen Rohbogens auf die Außenseite des Kernrohres 43. Auf diese Weise entsteht ein Heizerbereich 42, der aus dem Kernrohr 43, dem Heizermuster 44, und der Heizerabdeckschicht 45 geformt ist, wie in Fig. 17 gezeigt.
Dann wird gemäß Fig. 18 die innere Elektrolytschicht 47A, die für Sauerstoffionen leitfähig ist, geformt durch Durchführen eines Aufdruckens auf eine gekrümmte Oberfläche mit einer Paste (die, z. B., eine Mischung von Zirkonoxid und Yttriumoxid enthält) auf die Peripherie der Heizerabdeckschicht 45.
Dann wird die innere Elektrode geformt durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste, z. B. aus Platin, auf die periphere Fläche der inneren Elektrolytschicht 47A. Weiterhin wird der Leiter 48A durch das Drucken geformt, der Art, dass er sich zum Basisende der Heizerabdeckschicht 45 erstreckt.
Dann wird durch Durchführen eines Druckverfahrens auf einer gekrümmten Oberfläche mit einer Paste (z. B. aus Zirkonoxid und Yttriumoxid) die für Sauerstoffionen leitende äußere Elektrolytschicht 47B auf der peripheren Fläche der inneren Elektrolytschicht 47A geformt.
Dann werden durch Durchführen eines Druckverfahrens auf einer gekrümmten Oberfläche und mit einer leitenden Paste (z. B. aus Platin) die äußere Elektrode 49 und die Referenzelektrode 50 auf der peripheren Fläche der äußeren Elektrolytschicht 47B geformt, der Art, dass die Elektroden 49, 50 voneinander in axialer Richtung der äußeren Elektrolytschicht 47B beabstandet sind. Weiterhin werden die jeweiligen Leiter 49A, 50A durch das Drucken so geformt, dass sich diese Leiter zum Basisende der Heizerabdeckschicht 45 erstrecken, wobei sie jedoch voneinander separiert sind.
Dann wird gemäß Fig. 18 die erste Diffusionsschicht 52 geformt durch Ausführen eines Druckverfahrens auf einer gekrümmten Oberfläche mit einer Paste (z. B. aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumoxid, das Zirkonoxid enthält) auf der Peripherie der äußeren Elektrolytschicht 47B. Dann wird, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, die Baugruppe aus dem Kernrohr 43, dem Heizermuster 44, der Heizerabdeckschicht 45, der festen Elektrolytschicht 47, der Elektroden 48-50, und der ersten Diffusionsschicht 52 einer Sinterung unterworfen.
Danach wird die zweite Diffusionsschicht 53 durch Plasmasprühen eines porösen keramischen Materials auf der gesinterten Baugruppe auf eine Weise geformt, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, um die erste Diffusionsschicht 52 und die Heizerabdeckschicht 45 voll abzudecken, wie dies in Fig. 20 gezeigt ist.
Wie erwähnt, ist der zweite Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionssensor dadurch gekennzeichnet, dass die feste Elektrolytschicht 47 eine zweilagige Struktur aus inneren und äußeren Elektrolytschichten 47A, 47B hat, und dass ein Teil der äußeren Elektrolytschicht 47B wie ein Sandwich in der radialen Richtung zwischen den inneren und äußeren Elektroden 48, 49 eingeschlossen ist. Auf diese Weise wird es möglich, in der axialen Richtung eine weitere Weite für inneren und äußeren Elektroden 48, 49 zu haben, um auf diese Weise die Nutzoberfläche dieser Elektroden zu vergrößern. Weiterhin kann der Abstand zwischen diesen Elektroden verkürzt werden. Dies kann den Widerstand zwischen den Elektroden 48, 49 vermindern (korrespondierend mit dem Widerstand Rp in dem oben erwähnten Ausdruck (2)). Dadurch lässt sich die Temperatur der festen Elektrolytschicht 47 innerhalb einer nach kürzeren Zeit nach dem Starten des Motors wie erwünscht erhöhen. Ferner kann ein größerer Abstand zwischen der Referenzelektrode und den inneren und äußeren Elektroden 48, 49 gewählt werden, was einen Umkehreffekt der Pumpspannung auf die Referenzelektrode 50 verhindert, welche Pumpspannung zwischen den inneren und äußeren Elektroden 48, 49 aufgebracht wird. Weiterhin können die Haltbarkeit und Lebensdauer der inneren und äußeren Elektroden 48, 49 verbessert werden, da die vorerwähnten chemischen Reaktionen gemäß den Formeln (1)-(6) auf der gesamten Nutzoberfläche jeder Elektrode ablaufen.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, ist es einfach möglich, den Gasdiffusionswiderstand und dergleichen durch Ändern der Dicke der zweiten Diffusionsschicht 53 einzustellen. Weiterhin lässt sich der Gasdiffusionswiderstand und dergleichen einstellen beispielsweise durch Abschleifen einer Endfläche 53A (siehe Fig. 15 und 20) der zweiten Diffusionsschicht 53, z. B. durch Diamantschleifen.
In den ersten und zweiten Ausführungsformen können die Kernrohre 23, 43 anstelle durch Spritzgießen auch durch Extrusion geformt werden. Diese extrudierten Kernrohre können sogar eine durchgehend massive Struktur haben, im Gegensatz zu der mit den Innenbohrungen ausgehöhlten Struktur der beschriebenen Kernrohre.
Die gesamten Inhalte der zugrundeliegenden JP-Patentanmeldung 2001-282185 (eingereicht am 7.9.2001), deren Priorität hiermit beansprucht worden ist, werden durch Rückbeziehung inkorporiert.

Claims

1. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparat, gekennzeichnet durch:
einen Heizerbereich (22), der langgestreckte zylindrische Form hat, und der bei Aufbringen von Elektrizität auf den Heizerbereich von außen her heizt;
eine auf dem Heizerbereich (22) geformte, dessen Peripherie umgebende, feste Elektrolytschicht (27), die durch die dem Heizerbereich abgegebene Wärme zum Durchleiten von Sauerstoffionen aktiviert wird;
erste und zweite, in Kontakt mit der festen Elektrolytschicht stehende Elektroden 28, 29), die voneinander so beabstandet sind, dass bei Aufbringen einer pumpenden Spannung von der Außenseite her die pumpende Spannung durch die ersten und zweiten Elektroden auf die feste Elektrolytschicht aufgebracht wird;
eine Referenzelektrode (30) zum Abgreifen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis- Detektionssignals in Relation zu einer der ersten und zweiten Elektroden, wobei die Referenzelektrode (30) auf der festen Elektrolytschicht (27) im Abstand von den ersten und zweiten Elektroden (28, 29) geformt ist; und
eine aus einem porösen Material hergestellte Diffusionsschicht (31), die auf der festen Elektrolytschicht geformt ist und deren Peripherie umgibt, um die ersten und zweiten Elektroden und die Referenzelektrode abzudecken.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizerbereich (22) aufweist:
einen aus einem keramischen Material hergestellten Heizerkern (23), der eine hohle zylindrische Gestalt hat;
ein auf einer peripheren Oberfläche des Heizerkerns (23) geformtes Heizermuster (24); und
eine zum Abdecken des Heizermusters (24) die Peripherie des Heizerkerns (23) umgebende, isolierende Abdeckschicht (25).

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (31) aufweist:
eine die Peripherie der festen Elektrolytschicht umgebende erste Diffusionsschicht (32), die präpariert ist durch eine Sinterung zusammen mit dem Heizerbereich und der festen Elektrolytschicht; und
eine zweite Diffusionsschicht (33) zum Einstellen eines Gasdiffusionswiderstandes für jede der ersten und zweiten Elektroden relativ zu einem Abgas, wobei die zweite Diffusionsschicht durch ein thermisches Sprühverfahren auf der Peripherie der ersten Diffusionsschicht geformt ist.

4. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diffusionsschicht aus einem Aluminiumoxidmaterial oder einem Aluminiumoxidmaterial, das Zirkonoxid umfasst, hergestellt ist, und
dass die zweite Diffusionsschicht (33) aus einem Aluminiumoxidmaterial hergestellt ist, das Magnesiumoxid enthält.

5. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Diffusionsschicht (33) eine ausgewählte Dicke in Abstimmung mit einer Charakteristik eines pumpenden Stromes zwischen den ersten und zweiten Elektroden einer gesinterten Baugruppe hat, wobei die gesinterte Baugruppe vorbereitet wird durch Zusammensintern des Heizerbereichs (22), der festen Elektrolytschicht (27), der ersten und zweiten Elektroden (28, 29), der Referenzelektrode (30), und der ersten Diffusionsschicht (32).

6. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Elektroden (28, 29) und die Referenzelektrode (30) voneinander in einer axialen Richtung der festen Elektrolytschicht beabstandet sind.

7. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die feste Elektrolytschicht (27) eine innere Lage aufweist, und eine äußere Lage, die die Peripherie der inneren Lage umgibt,
dass die erste Elektrode (28) an der Peripherie der inneren Lage und die zweite Elektrode an der Peripherie der äußeren Lage geformt sind, der Art,
dass ein Bereich der äußeren Lage in einer radialen Richtung der festen Elektrolytschicht zwischen den ersten und zweiten Elektroden sandwichartig eingeschlossen ist; und
dass die Referenzelektrode (30) an der Peripherie der äußeren Lage und im Abstand in einer axialen Richtung der festen Elektrolytschicht im Abstand von der zweiten Elektrode geformt ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparats gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Formen der ersten Elektrolytschicht (27) auf dem Heizerbereich (22);

b) Formen der ersten und zweiten Elektroden (28, 29) und der Referenzelektrode (30) der Art, dass die ersten und zweiten Elektroden und die Referenzelektrode in Kontakt jeweils mit der festen Elektrolytschicht sind;

c) Formen einer ersten Diffusionsschicht (32) auf der festen Elektrolytlage zum Abdecken der ersten und zweiten Elektroden und der Referenzelektrode, um auf diese Weise eine Baugruppe zu bilden, die den Heizerbereich, die feste Elektrolytschicht, die ersten und zweiten Elektroden und die Referenzelektrode sowie die erste Diffusionsschicht umfasst;

d) Sintern der Baugruppe in eine gesinterte Baugruppe; und

e) Formen einer zweiten Diffusionsschicht (33) auf der ersten Diffusionsschicht der gesinterten Baugruppe durch ein thermisches Sprühverfahren mit einem keramischen Material, wobei die ersten und zweiten Diffusionsschichten die Diffusionsschicht des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Detektionsapparates konstituieren.

9. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) bei einer Temperatur von ca. 1300°C zu ca. 1500°C durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt (e) die zweite Diffusionsschicht (33) mit einer derartigen Dicke hergestellt wird, dass ein Gasdiffusionswiderstand jeweils der ersten und zweiten Elektroden relativ zu einem Abgas eingestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt (c) eine Paste aus einem Aluminiumoxid, das optional Zirkonoxid umfasst, auf die feste Elektrolytschicht aufgebracht wird, um die erste Diffusionslage zu formen.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt (e) ein Aluminiumoxid, das Magnesiumoxid aufweist, auf die erste Diffusionsschicht aufgebracht wird, um die zweite Diffusionsschicht zu formen.

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst:

a) Messen einer Charakteristik eines pumpenden Stroms zwischen den ersten und zweiten Elektroden (28, 29) der beim Schritt (d) gesinterten Baugruppe; und

b) Festlegen der Dicke für die zweite Diffusionsschicht (33), die bei dem Schritt

c) zu Formen ist, in Abstimmung auf die Charakteristik des Schrittes (f).