DE10353786A1

DE10353786A1 - Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10353786A1
Application number: DE10353786A
Authority: DE
Inventors: Shoichi Atsugi Sakai; Futoshi Atsugi Ichiyanagi
Original assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: CN1510265A; CN1312390C; US20040099053A1; JP3966805B2; JP2004170135A; US6889536B2; DE10353786B4

Abstract

Eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung umfasst eine kompakte Schicht, die auf der Außenfläche einer festen Elektrolytschicht angeordnet ist, um eine Gasdiffusionsschicht, eine Elektrolytschicht, eine äußere Messelektrode und eine Bezugselektrode von außen zu verdecken, um den Eintritt von Abgas einzudämmen. Ein Gaseinleitungsfenster ist in der kompakten Schicht mit einer vorbestimmten Breite ausgebildet. Das Gaseinleitungsfenster ermöglicht den Eintitt von Abgas in Richtung der Gasdiffusionsschicht und der äußeren Messelektrode im Bereich einer Öffnungsbreite des Gaseinleitungsfensters.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von Verbrennungsmotoren wie z.B. eines Kraftfahrzeugmotors.
Typischerweise umfassen Kraftfahrzeugmotoren einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (einschließlich eines Sauerstoffsensors), der in einem Auspuffrohr oder dergleichen angeordnet ist, und zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen in Abgas.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor umfasst typischerweise eine längliche, plattenartige Heizvorrichtung, eine Sauerstoffionen-leitende feste Elektrolytschicht, die auf der Heizvorrichtung in einer laminierten Weise ausgebildet ist und durch Wärme von dieser aktiviert wird, eine Vielzahl von Elektroden, die auf der Oberfläche der Elektrolytschicht angeordnet sind, und eine Gasdiffusionsschicht, die mit der Elektrolytschicht zusammenarbeitet, um die Elektroden von außen zu bedecken.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst ein Motor-Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Messen des Pumpstroms oder Diffusionsgrenzstroms, der zwischen den Elektroden fließt, wenn von außen die Spannung an den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angelegt wird.
Unter Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungssignals, das vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor stammt, regelt eine elektronische Motorregeleinheit durch Rückführung eine Kraftstoffeinspritzmenge in einer derartigen Weise, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe einen theoretischen Wert (A/F = 14,7), einen mageren Wert (A/F ≥ 15) und dergleichen gebracht wird, wodurch der Verbrennungswirkungsgrad und der Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert werden.
Da jedoch bei dem obigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor die auf der Oberfläche der festen Elektrolytschicht angeordneten Elektroden einfach mit der Gasdiffusionsschicht, die aus einem porösen Material besteht, bedeckt sind, verlaufen eine Vielzahl von Wegen in verschiedene Richtungen, die ermöglichen, dass zu messendes Gas wie z.B. Abgas die Elektroden durch die Gasdiffusionsschicht hindurch erreicht.
Dies steigert das leichte Auftreten von Schwankungen des Gasdiffusionswiderstandes, der erzeugt wird, wenn Abgas die Elektroden durch die Gasdiffusionsschicht erreicht, was die Kennlinie des Diffusionsgrenzstroms instabil macht, was zu einer Verringerung der Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung bereitzustellen, die zur Stabilität der Kennlinie des Diffusionsgrenzstroms und folglich zur Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses beiträgt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7 bzw. 8. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung stellt im Allgemeinen eine Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bereit, die folgendes umfasst: eine Heizvorrichtung, die durch Speisung von außen Wärme erzeugt; eine Gasdiffusionsschicht, die an der Heizvorrichtung vorgesehen ist, wobei die Gasdiffusionsschicht ein zu messendes Gas in diese diffundieren lässt; eine feste Elektrolytschicht, die an der Heizvorrichtung außerhalb der Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, wobei die feste Elektrolytschicht durch Wärme der Heizvorrichtung akti viert wird, wobei die feste Elektrolytschicht Sauerstoffionenleitend ist; eine erste Elektrode, die zwischen der Gasdiffusionsschicht und der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, wobei die erste Elektrode dem durch die Gasdiffusionsschicht hindurchtretenden Gas ausgesetzt ist; eine zweite Elektrode, die auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode der ersten Elektrode über die feste Elektrolytschicht zugewandt ist, wobei die zweite Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass ein Pumpstrom zwischen diesen fließt, wenn von außen eine Spannung an diese angelegt wird; eine dritte Elektrode, die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht von der zweiten Elektrode entfernt angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass eine einer Sauerstoffkonzentration im Gas entsprechende elektromotorische Kraft (Quellenspannung) zwischen diesen erzeugt wird; eine erste kompakte Schicht, die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, wobei die erste kompakte Schicht die Gasdiffusionsschicht, die feste Elektrolytschicht, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode von außen verdeckt, um den Eintritt des Gases einzudämmen; und eine Öffnung, die in der ersten kompakten Schicht ausgebildet ist, wobei die Öffnung eine vorbestimmte Breite aufweist, wobei die Öffnung den Eintritt des Gases in Richtung der Gasdiffusionsschicht und der zweiten Elektrode in einem Bereich der Breite gestattet.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, in denen gilt:
1 ist eine Längsschnittansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement oder einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement in 1 zeigt;
3 ist eine Draufsicht, die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement in 2 zeigt;
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3;
5 ist eine Ansicht ähnlich 4 entlang der Linie V-V in 4;
6 ist eine Ansicht ähnlich 5 entlang der Linie IV-IV in 4;
7 ist ein Diagramm, das eine Schaltung für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement zeigt;
8 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis darstellt;
9 ist ein Kurvenbild ähnlich 8, das die Beziehung zwischen der Pumpspannung und dem Pumpstrom darstellt, die zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dienen; und
10 ist ein Diagramm ähnlich 7, das ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen in den gesamten Ansichten gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen, wird eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, beschrieben. In den erläuternden Ausführungsbeispielen wird die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung auf einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit breitem Bereich angewendet, der an einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugmotors montiert ist.
Mit Bezug auf 1–9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Mit Bezug auf 1 umfasst der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ein Gehäuse 1, das einen abgestuften zylindrischen Halter 2 mit einem Außengewinde oder Montageteil 2A, der am äußeren Umfang eines axialen Endes oder Vorderendes ausgebildet ist, eine mit Boden versehene zylindrische Kappe 3, die einteilig an einem anderen axialen Ende oder Basisende des Halters 2 befestigt ist, und ein Führungsrohr 4, das koaxial in der Kappe 3 angeordnet ist und zwischen dem Halter 2 und einer Dichtungskappe 10 angeordnet ist, wie später beschrieben wird.
Der Halter 2, die Kappe 3 und das Führungsrohr 4, die das Gehäuse 1 bilden, bestehen aus einem Metallmaterial wie z.B. rostfreiem Stahl. Um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement oder eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 vorspringend im Auspuffrohr, das nicht dargestellt ist, anzuordnen, wie später beschrieben wird, weist das Gehäuse 1 ein Außengewinde 2A auf, das mit dem Auspuffrohr in Eingriff steht.
Ein isolierender Träger 5 ist im Halter 2 des Gehäuses 1 durch einen Metalldichtungsring 6 angeordnet. Der isolierende Träger 5 ist zylindrisch aus einem Keramikmaterial wie z.B. Aluminiumoxid oder Tonerde (Al₂O₃) ausgebildet und weist einen inneren Umfang auf, an dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungselement 21 befestigt ist. Der isolierende Träger 5 dient zum Positionieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 im Gehäuse 1 und zum Halten desselben im elektrisch und thermisch isolierten Zustand.
Isolierende Zylinder 7, 8 sind im Führungsrohr 4 des Gehäuses 1 angeordnet. Die isolierenden Zylinder 7, 8 bestehen aus einem Keramikmaterial wie z.B. Aluminiumoxid, um Kontaktplatten 13, 14 und dergleichen isoliert zu halten, wie später mit Bezug auf das Gehäuse 1 beschrieben wird.
Eine Feder oder ein elastisches Element 9 ist im Gehäuse 1 zwischen dem isolierenden Träger 5 und dem isolierenden Zylinder 7 angeordnet. Die Feder 9 dient dazu, den isolierenden Träger 5 immer zum Halter 2 hin vorzuspannen, um zu verhindern, dass eine Schwingung, ein Stoß und dergleichen, die/der von außen auf das Gehäuse 1 einwirken kann, direkt auf das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 übertragen wird.
Eine Dichtungskappe 10 ist angeordnet, um ein Basisende der Kappe 3 zu verschließen. Die Dichtungskappe 10 ist wie ein abgestufter Zylinder aus einem wärmebeständigen Harzmaterial oder dergleichen ausgebildet. Die Dichtungskappe 10 dient zum Positionieren der isolierenden Zylinder 7, 8 und dergleichen im Gehäuse 1 durch die Feder 9.
Durch die Dichtungskappe 10 hindurch sind Zuleitungsdrähte zur Erfassung 11, 11,... und Zuleitungsdrähte für Heizvorrichtungen 12, 12 (von denen in 1 nur einer gezeigt ist) angeordnet. Die Zuleitungsdrähte 11, 12 sind mit Erfassungs-Kontaktplatten 13, 13,... bzw. Heizvorrichtungs-Kontaktplatten 14, 14 elektrisch verbunden.
Eine Schutzvorrichtung 15 ist für den Halter 2 des Gehäuses 1 vorgesehen und ist wie ein mit Deckel versehener Zylinder aus einer Metallplatte mit hoher Wärmebeständigkeit oder dergleichen ausgebildet. Die Schutzvorrichtung 15 weist ein Basisende, das am Halter 2 derart montiert ist, dass es ein Vorderende des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 von außen verdeckt, und ein Vorderende oder einen Deckel, der axial vom Halter 2 hervorragt, auf.
Mit der Schutzvorrichtung 15 sind in ihrem zylindrischen Teil eine Vielzahl von Fenstern 15A, 15A,... ausgebildet, die die Zirkulation von Abgas oder zu messendem Gas ermöglichen. Die Fenster 15A dienen zum Führen von Abgas, das durch das Auspuffrohr strömt, in die Nähe eines Vorderendes des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21, das als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung dient, ist im Halter 2 des Gehäuses 1 durch den isolierenden Träger 5 hindurch angeordnet, so dass das Vorderende axial vom Halter 2 hervorragt. Mit Bezug auf 2–7 umfasst das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 eine Heizvorrichtung 22, eine Gasdiffusionsschicht 26, eine feste Elektrolytschicht 27, eine kompakte Schicht oder eine erste kompakte Schicht 32 und eine Schutzschicht 34, wie später beschrieben wird.
Mit Bezug auf 2–4 ist die Heizvorrichtung oder der Schaft 22 wie ein länglicher Stab geformt und umfasst einen Heizvorrichtungskern 23 mit kleinem Durchmesser, der wie ein fester Stab aus einem Keramikmaterial wie z.B. Aluminiumoxid ausgebildet ist, eine Heizvorrichtungsstruktur 24 und eine Heizvorrichtungs-Isolationsdeckschicht 25.
Wie am besten z.B. in 5 zu sehen ist, besteht die Heizvorrichtungsstruktur 24 aus einem Wärme erzeugenden Leitermaterial wie z.B. Aluminiumoxid enthaltendem Platin, und wird auf der Umfangsfläche des Heizvorrichtungskerns 23 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen angeordnet. Die Heizvorrichtungsstruktur 24 umfasst ein Paar von Zuleitungsteilen 24A, 24A (von denen nur einer in 2 gezeigt ist), die sich von einem Vorderende zu einem Basisende des Heizvorrichtungskerns 23 erstrecken. Wie in 1 gezeigt, sind die Zuleitungsteile 24A mit den Heizvorrichtungsverwendungs-Kontaktplatten 14 am Basisende des Heizvorrichtungskerns 23 verbunden.
Die Heizvorrichtungsstruktur 24 wird mit Leistung von einer externen Heizvorrichtungs-Leistungsquelle, die nicht dargestellt ist, über die Heizvorrichtungsverwendungs-Zuleitungsdrähte 12, die Kontaktplatten 14 und die Zuleitungsteile 24A versorgt, um die Heizvorrichtung 22 auf die Temperatur von z.B. etwa 650–800°C zu erhitzen.
Um die Heizvorrichtungsstruktur 24 zusammen mit den Zuleitungsteilen 24A radial von außen zu schützen, wird die Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 am Umfang des Heizvorrichtungskerns 23 durch Dickschichtdrucken eines Keramikmaterials wie z.B. Aluminiumoxid durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen angeordnet. Die Gasdiffusionsschicht 26 und dergleichen werden am äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 in einer laminierten Weise durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen angeordnet.
Mit Bezug auf 4–7 wird die Gasdiffusionsschicht 26 am äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 der Heizvorrichtung 22 durch Dickschichtdrucken einer Paste, die z.B. Aluminiumoxidpulver (das einen vorbestimmten Gewichtsprozentsatz an zirkonhaltigem Pulver enthalten kann) umfasst, durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen angeordnet.
Die Gasdiffusionsschicht 26 weist die poröse Struktur mit leeren Löchern in Form von kontinuierlichen Blasen auf. Während der Diffusion eines Teils von Abgas, das entlang des Umfangs des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 in die Gasdiffusionsschicht 26 durch ein Gaseinleitungsfenster 33, wie später beschrieben wird, von der Richtung des Pfeils A in 5 oder der axialen Richtung strömt, ermöglicht die Gasdiffusionsschicht 26, dass das Abgas in Richtung einer inneren Elektrode 28 hindurchströmt, wie später beschrieben wird.
Die Sauerstoffionen leitende feste Elektrolytschicht 27 wird am äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen angeordnet. Mit Bezug auf 4–7 wird die feste Elektrolytschicht 27 insbesondere durch Dickschichtdrucken einer Paste, die z.B. mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) enthält, am Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 von der Außenseite der Gasdiffusionsschicht 26 aus ringförmig ausgebildet.
Die feste Elektrolytschicht 27 weist eine Funktion zum Transportieren von Sauerstoffionen und dergleichen zwischen den Elektroden 28, 29 und zwischen den Elektroden 28, 31 auf, wie später beschrieben wird. Die feste Elektrolytschicht 27 weist die kompakte Struktur ungefähr ähnlich zu jener der kompakten Schicht 32 auf, wie später beschrieben wird, um das Eindringen oder den Eintritt von Abgas oder dergleichen zu verhindern.
Wie in 4 gezeigt, ist die feste Elektrolytschicht 27 am äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 und auf der Gasdiffusionsschicht 26 in einer laminierten Weise angeordnet. Die feste Elektrolytschicht 27 ist in der Umfangslänge kleiner als die Gasdiffusionsschicht 26. Folglich ist die Gasdiffusionsschicht 26 nicht von außen vollständig mit der festen Elektrolytschicht 27 verdeckt und folglich stehen deren beide Umfangsseiten in der Umfangsrichtung der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 von dieser vor, wie in 4 gezeigt.
Die inneren Elektroden oder ersten Elektroden 28, 29 sind am inneren Umfang der festen Elektrolytschicht 27 zwischen der Gasdiffusionsschicht 26 und der festen Elektrolytschicht 27 angeordnet. Mit Bezug auf 4–7 bestehen die inneren Elektroden 28, 29 aus einem leitenden Material wie z.B. Platin und werden am äußeren Umfang der Gasdiffusionsschicht 26 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen vor dem Drucken der festen Elektrolytschicht 27 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche ausgebildet.
Mit Bezug auf 5–7 sind die inneren Elektroden 28, 29 in der axialen Richtung der Gasdiffusionsschicht 26 voneinander entfernt und zu den Elektroden 30, 31, wie später beschrieben wird, in der radialen Richtung der Gasdiffusionsschicht 26 über die feste Elektrolytschicht 27 entgegengesetzt angeordnet. Die inneren Elektroden 28, 29 sind über Zuleitungsdrähte oder dergleichen, die nicht dargestellt sind, miteinander verbunden, so dass sie auf demselben Potential wie jenem einer virtuellen Erdung 35 liegen, wie in 7 gezeigt ist und später beschrieben wird.
Wie in 2 zu sehen ist, umfassen die inneren Elektroden 28, 29 einen Zuleitungsteil oder -draht 29A beispielsweise auf der Seite der inneren Elektrode 29, der sich in der axialen Richtung der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 zu einem Basisende der Heizvorrichtung 22 hin erstreckt. Die feste Elektrolytschicht 27 wird auf die äußere Umfangsfläche der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche derart gedruckt, dass sie die inneren Elektroden 28, 29 abgesehen vom Zuleitungsteil 29A vollständig von außen umhüllt.
Eine äußere Messelektrode oder zweite Elektrode 30 ist auf der Umfangsfläche der festen Elektrolytschicht 27 nahe einem Vorderende der Heizvorrichtung 22 angeordnet. Mit Bezug auf 4–7 ist die äußere Messelektrode 30 so angeordnet, dass sie der inneren Elektrode 28 über die feste Elektrolytschicht 27 zugewandt ist. Die innere Elektrode 28 und die äußere Messelektrode 30 bilden eine sogenannte Pumpelektrode.
Die äußere Messelektrode 30 umfasst einen Zuleitungsteil oder -draht, der nicht dargestellt ist, ähnlich einem Zuleitungsteil 31A einer Bezugselektrode 31, wie später beschrieben wird. Der Zuleitungsteil ist vom Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 in der Umfangsrichtung der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 entfernt ausgebildet und erstreckt sich axial zum Basisende der Heizvorrichtung 22 entlang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25.
Die Bezugselektrode oder dritte Elektrode 31 ist auf der äußeren Umfangsfläche der festen Elektrolytschicht 27 von der äußeren Messelektrode 30 in der axialen Richtung der Heizvorrichtung 22 entfernt angeordnet. Mit Bezug auf 5-7 ist die Bezugselektrode 31 so angeordnet, dass sie der inneren Elektrode 29 über die feste Elektrolytschicht 27 zugewandt ist, so dass eine elektromotorische Kraft entsprechend der Konzentration an Sauerstoff im Abgas zwischen den zwei Elektroden 29, 31 erzeugt wird, wie später beschrieben wird.
Die äußere Messelektrode 30 und die Bezugselektrode 31 bestehen aus demselben leitenden Material wie jenem der inneren Elektroden 28, 29 und werden durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche mit einer Paste aus leitendem Material auf der äußeren Umfangsfläche der festen Elektrolytschicht 27 ausgebil det. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Bezugselektrode 31 einen Zuleitungsteil oder -draht 31A, der sich zum Basisende der Heizvorrichtung 22 hin erstreckt.
Der Zuleitungsteil 29A der inneren Elektroden 28, 29, der Zuleitungsteil der äußeren Messelektrode 30 und der Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 sind mit Kontaktplatten 13 und Zuleitungsdrähten 11 auf der Basisendseite des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 verbunden, wie in 1 gezeigt, was eine elektrische Schaltung bereitstellt, wie in 7 gezeigt.
Die kompakte Schicht 32 ist so angeordnet, dass sie die Gasdiffusionsschicht 26, die feste Elektrolytschicht 27, die Elektroden 30, 31 und dergleichen von außen verdeckt. Die kompakte Schicht 32 wird durch Dickschichtdrucken einer Paste, die z.B. Aluminiumoxidpulver mit Siliziumdioxid (SiO₂) umfasst, die auf dem äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 von der Außenseite der Gasdiffusionsschicht 26, der festen Elektrolytschicht 27 und dergleichen hinzugefügt wird, ausgebildet. Wie in 7 gezeigt, erstreckt sich die kompakte Schicht 32 vom Vorderende zum Basisende der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25.
Da das die Paste bildende Pulver einen kleinen mittleren Korndurchmesser (beispielsweise etwa 0,3–0,5 μm) aufweist, ist die kompakte Schicht 32 in der Struktur kompakter als die Gasdiffusionsschicht 26 und dergleichen, was den Eintritt von Abgas verhindert. Folglich ist die Bezugselektrode 31, ausschließlich des Zuleitungsteils 31A, vollständig mit der festen Elektrolytschicht 27 und der kompakten Schicht 32 umgeben und wird folglich vom äußeren Abgas isoliert gehalten.
Ebenso sind die Gasdiffusionsschicht 26 und die äußere Messelektrode 30, ausschließlich einer Position des Gaseinlei tungsfensters 33, mit der kompakten Schicht 32 umgeben, wie in 2 und 3 gezeigt, die den Eintritt von Abgas verhindert. Damit wird die Richtung oder der Weg des Abgases, das in die Gasdiffusionsschicht 26 eintritt, auf die Richtung des Pfeils A in 5 oder die Längsrichtung der Heizvorrichtung 22, der Gasdiffusionsschicht 26 und dergleichen begrenzt.
Das Gaseinleitungsfenster oder die Öffnung 33 ist in der kompakten Schicht 32 angeordnet. Mit Bezug auf 2–5 ist das Gaseinleitungsfenster 33 wie eine rechteckige Öffnung geformt, indem in ein Ende der kompakten Schicht 32 nahe dem Vorderende der Heizvorrichtung 22 eine C-Form geschnitten wird. Wie in 3 gezeigt, ist die Beziehung zwischen einer Öffnungsbreite W des Gaseinleitungsfensters 33 und einem Außendurchmesser D der kompakten Schicht 32 beispielsweise durch die folgende Gleichung (1) gegeben: W = (2/3 bis 1) × D ... (1)
Das Gaseinleitungsfenster 33 ist mit einem Öffnungswinkel θ ausgebildet, wie in 4 gezeigt. Die Beziehung zwischen der Öffnungsbreite W und dem Öffnungswinkel θ in Verbindung mit dem Außendurchmesser D der kompakten Schicht 32 ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben: W = (θ/360) × D × π ... (2)
Wenn der Außendurchmesser D der kompakten Schicht 32 beispielsweise 3 mm beträgt, ist die Öffnungsbreite W des Gaseinleitungsfensters 33 beispielsweise etwa 0–3,0 mm, vorzugsweise etwa 2,5–2,8 mm.
Das Gaseinleitungsfenster 33 erstreckt sich zu einer Position der äußeren Messelektrode 30 in der Längs- oder axialen Rich tung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21, wie in 2 und 3 gezeigt, um die Elektrode 30 zusammen mit der Gasdiffusionsschicht 26 und der festen Elektrolytschicht 27 von der kompakten Schicht 32 teilweise freizulegen. Das Gaseinleitungsfenster 33 ermöglicht, dass äußeres Abgas in die Gasdiffusionsschicht 26 eintritt und mit der äußeren Messelektrode 30 im Bereich des Öffnungsfensters W in Kontakt kommt.
Es wird angemerkt, dass, da der äußere Umfang der Gasdiffusionsschicht 26 radial von außen mit der festen Elektrolytschicht 27 mit einer kompakten Struktur ungefähr ähnlich zu jener der kompakten Schicht 32 verdeckt ist, das äußere Abgas nicht durch die feste Elektrolytschicht 27 hindurchtreten kann, um die Gasdiffusionsschicht 26 zu erreichen.
Folglich kann nur ein Vorderende oder eine Längsrichtungsseite der Gasdiffusionsschicht 26 mit dem Abgas in der Position des Gaseinleitungsfensters 33 in Kontakt kommen. Das Gaseinleitungsfenster 33 dient zum Einleiten von äußerem Abgas in die Gasdiffusionsschicht 26 in der Längsrichtung oder Richtung des Pfeils A in 5 und zum Einschränken des Eintritts von Abgas in diese in anderen Richtungen.
Die Schutzschicht 34 dient zum Verdecken der kompakten Schicht 32 zusammen mit dem Gaseinleitungsfenster 33 von außen. Die Schutzschicht 34 besteht aus einem porösen Material wie z.B. Aluminiumoxid und wird durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche mit einer Paste, die ein Pulver davon umfasst, ausgebildet, wie mit der imaginären Linie in 2 und 3 gezeigt.
Es wird bemerkt, dass, obwohl die Schutzschicht 34 in 2 und 3 mit einer imaginären Linie dargestellt ist, um das Gaseinleitungsfenster 33 deutlich darzustellen, die Schutzschicht 34 tatsächlich, wie mit der durchgezogenen Linie in 4-7 gezeigt, angeordnet ist. Die Schutzschicht 34 weist eine grobe poröse Struktur mit einer höheren Porosität als jener der Gasdiffusionsschicht 26 auf.
Die Schutzschicht 34 weist eine Funktion zum Verdecken der Gasdiffusionsschicht 26, der festen Elektrolytschicht 27, der äußeren Messelektrode 30 und dergleichen, die durch das Gaseinleitungsfenster 33 der Außenseite ausgesetzt sind, von außen auf, wobei sie von äußerem Staub und dergleichen geschützt werden. Ein Teil des entlang des Umfangs der Schutzschicht 34 strömenden Abgases tritt durch die Schutzschicht 34 mit einer höheren Porosität hindurch, um sich von der Position des Gaseinleitungsfensters 33 zur Gasdiffusionsschicht 26, zur äußeren Messelektrode 30 und dergleichen zu bewegen.
Eine virtuelle Erdung 35 ist mit den inneren Elektroden 28, 29 verbunden, wie in 7 gezeigt, und wird auf ein Bezugspotential von z.B. etwa 1,5 V gesetzt.
Eine Gleichspannungsquelle oder ein Spannungsanlegungsmittel 36 ist angeordnet, um eine Gleichspannung anzulegen. Die Gleichspannungsquelle 36 ist mit der Bezugselektrode 31 über einen Einstellwiderstand Ro verbunden, wie in 7 gezeigt. Die Gleichspannungsquelle 36 legt eine vorbestimmte Gleichspannung oder eine Pseudo-Bezugselektroden-Pumpspannung Vo von z.B. etwa 2–3 V an die Bezugselektrode 31 über den Einstellwiderstand Ro an.
Ein Ausgangsanschluss 37 ist angeordnet, um ein Signal entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas zu liefern. Mit Bezug auf 8 liefert der Ausgangsanschluss 37 eine Ausgangsspannung V_S als Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignal, wie durch eine Kennlinie dargestellt, wobei die Ausgangsspannung V_S durch die folgende Gleichung (3) gegeben ist: VS = E + (Ri × Io) ... (3)
Insbesondere weist die feste Elektrolytschicht 27 des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 einen inneren Widerstand Ri auf und eine elektromotorische Kraft E entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas wird zwischen der inneren Elektrode 29 und der Bezugselektrode 31 erzeugt, die einander über die feste Elektrolytschicht 27 zugewandt sind. Und wenn die Elektroden 29, 31 mit einem Pumpstrom Io als Eingangsstrom von der Gleichspannungsquelle 36 versorgt werden, wird eine Ausgangsspannung V_S als Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignal vom Ausgangsanschluss 37 geliefert.
Eine Vergleichsspannungsquelle 38 ist angeordnet, um eine Vergleichsspannung V_R festzulegen. Die Vergleichsspannungsquelle 38 dient zum Liefern der Vergleichsspannung V_R entsprechend einem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F = 14,7 oder λ = 1) zu einem Differenzverstärker 39, wie später beschrieben wird.
Der Differenzverstärker 39 ist angeordnet, um ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Signal zwischen den Erfassungsanschlüssen 40, 41 bereitzustellen, wie in 7 gezeigt. Der Differenzverstärker 39 weist einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss, der mit der Vergleichsspannungsquelle 38 verbunden ist, für die Vergleichsspannung V_R und einen invertierenden Eingangsanschluss, der mit dem Ausgangsanschluss 37 verbunden ist, für die Ausgangsspannung Vs, d.h. die Bezugselektrode 31 des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21, auf.
Überdies weist der Differenzverstärker 39 einen Ausgangsanschluss auf, der mit der äußeren Messelektrode 30 über einen Erfassungswiderstand Rp verbunden ist. Zwischen den Erfassungsanschlüssen 40, 41, die mit jeweiligen Enden des Erfas sungswiderstandes Rp verbunden sind, ist ein Detektor, der nicht dargestellt ist, zum Erfassen eines Pumpstroms oder Diffusionsgrenzstroms Ip als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Signal und dergleichen angeordnet.
Der Differenzverstärker 39 vergleicht die Vergleichsspannung V_R entsprechend dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit der Ausgangsspannung V_S und liefert zu den Erfassungsanschlüssen 40, 41 ein Signal, das ein Vergleichsergebnis anzeigt, als Pumpspannung Vp. Dann fließt der Pumpstrom Ip als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Signal zwischen der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30. Mit Bezug auf 9 ist die Beziehung zwischen der Pumpspannung Vp und dem Pumpstrom Ip beispielsweise durch eine Kennlinie 42 gezeigt.
Als nächstes wird der Erfassungsvorgang des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors beschrieben. Das Gehäuse 1 des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors steht mit dem Auspuffrohr oder dergleichen über ein Außengewinde 2A des Halters 2 in Eingriff und ist an diesem befestigt, wobei das Vorderende des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 in das Auspuffrohr ragt.
Wenn der Motorbetrieb Abgas verursacht, das durch das Auspuffrohr strömt, um den Umfang des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 über die Schutzvorrichtung 15 zu erreichen, erreicht ein Teil dieses Abgases sowohl die Oberfläche der äußeren Messelektrode 30 über das Gaseinleitungsfenster 33 der Schutzschicht 34 und die kompakte Schicht 32 als auch die Oberfläche der inneren Elektroden 28, 29 durch die Gasdiffusionsschicht 26.
In diesem Zustand wird die Heizvorrichtungsstruktur 24 mit Leistung von der Heizvorrichtungs-Leistungsquelle versorgt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 in seiner Gesamtheit durch die Heizvorrichtung 22 zu erhitzen, wobei die feste Elektrolytschicht 27 aktiviert wird. Eine Spannung wird von der Gleichspannungsquelle 36 zwischen der inneren Elektrode 29 und der Bezugselektrode 31, die einander über die feste Elektrolytschicht 27 zugewandt sind, angelegt, wohingegen eine Spannung über den Differenzverstärker 39 zwischen der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30 angelegt wird, die auch über die feste Elektrolytschicht 27 einander zugewandt sind.
Damit werden die Ausgangsspannung V_S und die Pumpspannung Vp entsprechend dem jeweiligen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ über der inneren Elektrode 29 und der Bezugselektrode 31 und über der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30 gemäß der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration einer Komponente von brennbarem Gas im Abgas erzeugt, die durch die Reaktionsformeln (I)–(VI) gegeben sind, wie später beschrieben wird. Dann wird der Pumpstrom Ip als Erfassungssignal zwischen den Erfassungsanschlüssen 40, 41 geliefert.
Bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis, bei dem das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis größer ist als das theoretische, wird insbesondere das magere Luft/Kraftstoff-Gemisch in der Motorbrennkammer gebildet. Aufgrund dieses mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches bleibt gewisser Sauerstoff im Abgas, das entlang des Umfangs des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 strömt (beispielsweise Schutzschicht 34). Entlang der Richtung des Pfeils A in 5 wird dieser Sauerstoff im Abgas zu den inneren Elektroden 28, 29 über die Gasdiffusionsschicht 26 geliefert.
Folglich wird die elektrochemische Zersetzungsreaktion, die durch die folgende Reaktionsformel (I) gegeben ist, zwischen der inneren Elektrode 29 und der Bezugselektrode 31, beispielsweise an der Elektrode 29, durch Anlegen der Spannung von der Gleichspannungsquelle 36 erzeugt. Dies fügt Elektronen zu den Sauerstoffmolekülen hinzu, die im Abgas bleiben, was Sauerstoffionen erzeugt. O₂ + 4e → 2O^2– ... (I)wobei O₂ ein Sauerstoffmolekül ist, e ein Elektron ist und O² ^– ein Sauerstoffion ist.
Dann werden die Sauerstoffionen von der inneren Elektrode 29 durch Sauerstoffmangel in der festen Elektrolytschicht 27 zur Bezugselektrode 31 transportiert. Somit wird die durch die folgende Reaktionsformel (II) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der Bezugselektrode 31 erzeugt, um Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen zu zerlegen: 2O² ^– → O₂ + 4e ... (II)wobei O² ^– ein Sauerstoffion ist, O₂ ein Sauerstoffmolekül ist und e ein Elektron ist.
Somit wird Sauerstoff in der Bezugselektrode 31 beispielsweise in ihren leeren Löchern, die nicht dargestellt sind, absorbiert, was einen relativ hohen Sauerstoffpartialdruck in der Bezugselektrode 31 erzeugt. Bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird jedoch Sauerstoff kontinuierlich zur inneren Elektrode 29 über die Gasdiffusionsschicht 26 geliefert, so dass die innere Elektrode 29 auch auf einen hohen Sauerstoffpartialdruck gebracht wird, wobei eine kleine Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den Elektroden 29, 31 besteht.
Folglich wird die elektromotorische Kraft E, die in der Gleichung (3) gezeigt ist und in der festen Elektrolytschicht 27 gemäß einer Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den Elektroden 29, 31 und dergleichen erzeugt wird, auf einen kleinen Wert eingeschränkt. Entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas weist die Spannung der Bezugselektrode 31, d.h. die Ausgangsspannung V_S des Ausgangsanschlusses 37, folglich einen niedrigeren Wert auf als jenen beim theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1), wie durch eine Kennlinie in 8 gezeigt.
Bei dem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis, bei dem das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis kleiner ist als das theoretische, bleibt andererseits aufgrund des übermäßig dichten Luft/Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskammer kein Sauerstoff im Abgas, das entlang des Umfangs der Schutzschicht 34 und dergleichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 strömt, und Komponenten aus brennbarem Gas, wie z.B. Kohlenmonoxid und Wasserstoff, bleiben darin, ohne dass sie verbrannt werden.
Damit existiert im Abgas, das zu den inneren Elektroden 28, 29 durch die Gasdiffusionsschicht 26 geliefert wird, kein Sauerstoff, was zu einem abrupten Abfall des Sauerstoffpartialdrucks beispielsweise in der inneren Elektrode 29 führt. Selbst in diesem Zustand wird jedoch Sauerstoff in den leeren Löchern der Bezugselektrode 31 angereichert, was eine große Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den Elektroden 29, 31 bereitstellt.
Folglich wird die elektromotorische Kraft E, die in der Gleichung (3) gezeigt ist und in der festen Elektrolytschicht 27 gemäß einer Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den Elektroden 29, 31 und dergleichen erzeugt wird, weitgehend erhöht. Entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas weist die Spannung der Bezugselektrode 31, d.h. die Ausgangsspannung V_S des Ausgangsanschlusses 37, folglich einen höheren Wert auf als jenen beim theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1), wie durch Kennlinien in 8 gezeigt.
Da sich die Ausgangsspannung V_S des Ausgangsanschlusses 37 entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Abgas stark verändert, wie durch die Kennlinien in 8 gezeigt, kann gemäß der Ausgangsspannung V_S festgestellt werden, ob sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet.
In diesem Fall ist die Bezugselektrode 31 mit der Gleichspannungsquelle 36 verbunden, wie in 7 gezeigt, wobei sie die Gleichspannung Vo zum Transportieren von Sauerstoffionen von der inneren Elektrode 29 zur Bezugselektrode 31 über die feste Elektrolytschicht 27 empfängt.
Da sie vollständig mit der festen Elektrolytschicht 27 und der kompakten Schicht 32 umgeben ist und folglich vom äußeren Abgas isoliert gehalten wird, kann die Bezugselektrode 31 den Sauerstoffpartialdruck stabil auf einem höheren Wert halten, ohne durch Veränderungen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses beeinflusst zu werden, was es ermöglicht, dass die Bezugselektrode 31 eine Pseudofunktion als Elektrode für die Bezugssauerstoffkonzentration oder eine Bezugselektrode erfüllt.
Damit kann die Ausgangsspannung V_S des Ausgangsanschlusses 37, d.h. die Spannung der Bezugselektrode 31, eine stabile Ausgangskennlinie liefern, wobei sie in einer Ein-Aus-Weise umgeschaltet wird, je nachdem, ob sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet, wie durch die Kennlinien in 8 gezeigt, was zu einer genauen Erfassung der Sauerstoffkonzentration im Abgas führt.
Überdies wird die Spannung der Bezugselektrode 31, d.h. die Ausgangsspannung V_S des Ausgangsanschlusses 37, zum Differenzverstärker 39 geliefert, wie in 7 gezeigt, um sie mit der Vergleichsspannung V_R entsprechend dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu vergleichen. Wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand befindet, weist die Ausgangsspannung V_S einen hohen Wert auf, der größer ist als die Vergleichsspannung V_R, die dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
Bei dem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis liefert der Differenzverstärker 39 folglich von seinem Ausgangsanschluss die Pumpspannung Vp mit einem niedrigeren Wert (beispielsweise 1,0 V) als jenem (beispielsweise 1,5 V) der virtuellen Erdung 35 auf der Seite der inneren Elektroden 28, 29.
Wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis andererseits im mageren Zustand befindet, ist die Ausgangsspannung V_S niedriger als die Vergleichsspannung V_R, die dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Somit liefert der Differenzverstärker 39 von seinem Ausgangsanschluss die Pumpspannung Vp mit einem höheren Wert (beispielsweise 2,0 V) als jenem (beispielsweise 1,5 V) der virtuellen Erdung 35 auf der Seite der inneren Elektroden 28, 29.
In einer solchen Weise kann der Differenzverstärker 39 eine Pumpspannung Vp mit einem Wert liefern, der entsprechend dem, ob sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet, erheblich erhöht oder verringert ist. Die Pumpspannung Vp weist eine Kennlinie auf, die zwischen niedrigen und hohen Werten bezüglich der virtuellen Erdung 35 auf der Seite der inneren Elektroden 28, 29 umgeschaltet wird.
Folglich kann die Richtung des Pumpstroms Ip, der zwischen der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30 beispielsweise durch die feste Elektrolytschicht 27 fließt, entsprechend dem umgeschaltet werden, ob sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet. Dieser Pumpstrom Ip kann als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Signal von den Erfassungsanschlüssen 40, 41, wie beispielsweise in 7 gezeigt, entnommen werden.
Bei dem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis weist die äußere Messelektrode 30 ein niedrigeres Potential auf als die innere Elektrode 28, so dass die durch die folgende Reaktionsformel (III) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der äußeren Messelektrode 30 (Kathode) erzeugt wird. Dies fügt Elektronen zu Kohlendioxidmolekülen hinzu, die im Abgas bleiben, was beispielsweise Sauerstoffionen und Kohlenmonoxid erzeugt. CO₂ + 2e → O^2– + CO ... (III)wobei CO₂ ein Kohlendioxidmolekül ist, e ein Elektron ist, O^2– ein Sauerstoffion ist und CO ein Kohlenmonoxidmolekül ist.
Dann werden die Sauerstoffionen durch den Sauerstoffmangel in der festen Elektrolytschicht 27 von der äußeren Messelektrode 30 (Kathode) zur inneren Elektrode 28 (Anode) transportiert. Überdies wird die durch die folgende Reaktionsformel (IV) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der inneren Elektrode 28 (Anode) erzeugt, so dass Kohlenmonoxidmoleküle im Abgas, die zur inneren Elektrode 28 durch die Gasdiffusionsschicht 26 hindurch geführt werden, an Sauerstoffionen gebunden werden und folglich in Kohlendioxid und Elektronen zerlegt werden: CO + O² ^– → CO₂ + 2e ... (IV)wobei CO ein Kohlenmonoxidmolekül ist, O² ^– ein Sauerstoffion ist, CO₂ ein Kohlendioxidmolekül ist und e ein Elektron ist.
Wenn Komponenten aus brennbarem Gas im Abgas Wasserstoff umfassen, wird die durch die folgende Reaktionsformel (V) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der äußeren Messelektrode 30 erzeugt. Dies fügt Elektronen zu Wassermolekülen hinzu, die im Abgas bleiben, um Sauerstoffionen und Wasserstoff zu erzeugen. H₂O + e → O^2– + H₂ ... (V)wobei H₂O ein Wassermolekül ist, e ein Elektron ist, O^2– ein Sauerstoffion ist und H₂ ein Wasserstoffmolekül ist.
Dann werden die Sauerstoffionen durch den Sauerstoffmangel in der festen Elektrolytschicht 27 von der äußeren Messelektrode 30 (Kathode) zur inneren Elektrode 29 (Anode) transportiert. Überdies wird die durch die folgende Reaktionsformel (VI) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der inneren Elektrode 28 (Anode) erzeugt, so dass Wasserstoffmoleküle im Abgas an Sauerstoffionen gebunden werden und somit in Wassermoleküle und Elektronen zerlegt werden: H₂ + O^2– → H₂O + 2e ... (VI)wobei H₂ ein Wasserstoffmolekül ist, O^2– ein Sauerstoffion ist, H₂O ein Wassermolekül ist und e ein Elektron ist.
In einer solchen Weise werden die Sauerstoffionen bei dem fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von der äußeren Messelektrode 30 (Kathode) zur inneren Elektrode 28 (Anode) transportiert, so dass eine Regelung ausgeführt wird, um eine Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den inneren Elektroden 28, 29 und der Bezugselektrode 31 zu senken. Das heißt, eine Regelung wird ausgeführt, um die Feststellung am Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemäß der Spannung der Bezugselektrode 31, d.h. der Ausgangsspannung V_S, von der fetten Feststellung zur mageren Feststellung umzuschalten.
Bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis weist andererseits die äußere Messelektrode 30 ein höheres Potential auf als die innere Elektrode 28, so dass die durch die Reaktionsformel (I) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der inneren Elektrode 28 (Kathode) erzeugt wird. Dies fügt Elektronen zu Sauerstoffmolekülen im Abgas hinzu, das zur inneren Elektrode 28 durch die Gasdiffusionsschicht 26 hindurch geführt wird, wodurch Sauerstoffionen erzeugt werden.
Dann werden die Sauerstoffionen durch den Sauerstoffmangel in der festen Elektrolytschicht 27 von der inneren Elektrode 28 zur äußeren Messelektrode 30 transportiert. Folglich wird die durch die Reaktionsformel (II) gegebene elektrochemische Zersetzungsreaktion an der äußeren Messelektrode 30 erzeugt, um Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen zu zerlegen.
In einer solchen Weise werden Sauerstoffionen bei dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis von der inneren Elektrode 28 (Kathode) zur äußeren Messelektrode 30 (Anode) transportiert, so dass eine Regelung ausgeführt wird, um eine Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den inneren Elektroden 28, 29 und der Bezugselektrode 31 zu erhöhen. Das heißt, eine Regelung wird ausgeführt, um die Feststellung am Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemäß der Spannung der Bezugselektrode 31, d.h. der Ausgangsspannung V_S, von der mageren Feststellung auf die fette Feststellung umzuschalten.
Folglich wird die Richtung des Pumpstroms Ip, der zwischen der inneren Elektrode 28 und der Bezugselektrode 31 fließt, entsprechend dem umgeschaltet, ob sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem fetten Zustand oder einem mageren Zustand befindet, wobei eine lineare Änderung bezüglich des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bereitgestellt wird. Dieser Pumpstrom Ip wird als Spannung über den Erfassungsanschlüssen 40, 41 mit dem Erfassungswiderstand Rp dazwischen, wie in 7 gezeigt, erfasst, was als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungssignal entnommen werden kann.
Es wird bemerkt, dass, wenn die kompakte Schicht 32 zum Eindämmen des Eintritts von Abgas die Bezugselektrode 31, aber nicht die äußere Messelektrode 30, die Gasdiffusionsschicht 26 und dergleichen verdeckt, ungefähr der gesamte Umfang zur Außenseite freigelegt ist, eine Vielzahl von Wegen in verschiedenen Richtungen verlaufen, die ermöglichen, dass das Abgas die inneren Elektroden 28, 29 durch die Gasdiffusionsschicht 28 hindurch erreicht.
Dies erhöht das leichte Auftreten von Schwankungen des Gasdiffusionswiderstandes, der erzeugt wird, wenn das Abgas die Elektroden 28, 29 durch die Gasdiffusionsschicht 26 hindurch erreicht. Wie durch eine Kennlinie in 9 gezeigt, liefert der Pumpstrom Ip folglich keine flache Kennlinie und weist eine Hysterese auf, die schwierig eine stabile Kennlinie erreicht, was zur möglichen Verringerung der Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt.
Dann wird in diesem Ausführungsbeispiel das Gaseinleitungsfenster 33 mit vorbestimmter Öffnungsbreite W in der kompakten Schicht 32 ausgebildet, die angeordnet ist, um die Gasdiffusionsschicht 26, die äußere Messelektrode 30 und die Bezugselektrode 31 von außen zu verdecken. Das Gaseinleitungsfenster 33 ermöglicht den Eintritt von äußerem Abgas in Richtung der Gasdiffusionsschicht 26 und der äußeren Messelektrode 30 im Bereich des Öffnungsfensters W.
Das Gaseinleitungsfenster 33 wird durch Schneiden einer C-Form in ein Ende der kompakten Schicht 32 wie eine rechteckige Öffnung geformt, um ein Ende der Gasdiffusionsschicht 26 zusammen mit der festen Elektrolytschicht 27 und der äußeren Messelektrode 30 teilweise zur Außenseite freizulegen, wie in 2 und 3 gezeigt.
Mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 mit einer ungefähr kreisförmigen stabartigen Form insgesamt kann folglich das rechteckige Gaseinleitungsfenster 33 mit der Öffnungsbreite W von z.B. 2/3 × D, wobei D der Außendurchmesser der kompakten Schicht 32 ist, in der kompakten Schicht 32 ausgebildet werden. Damit kann die Richtung oder der Weg des äußeren Abgases, das in die Gasdiffusionsschicht 26 eintritt, auf im Wesentlichen eine Richtung innerhalb des Bereichs der Öffnungsbreite W, z.B. die Richtung des Pfeils A in 5, begrenzt werden.
Folglich kann der Gasdiffusionsabstand, den sich das Abgas von der Gasdiffusionsschicht 26 zu den inneren Elektroden 28, 29 entlang der Richtung des Pfeils A in 5 bewegen muss, ungefähr konstant gehalten werden, was zu einer günstigen Eindämmung von Schwankungen des Gasdiffusionswiderstandes führt.
Dies kann Schwankungen eines Diffusionsgrenzwerts des Pumpstroms Ip, der zwischen der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30 fließt, verhindern und somit verhindern, dass der Pumpstrom Ip instabil ist, wie durch die Kennlinie 43 in 9 gezeigt. Und dies kann eine Flachheit (einen flachen Verlauf) für einen Diffusionsgrenzwert des Pumpstroms Ip vorsehen, wobei das Auftreten der Hysterese eingedämmt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel kann der Gasdiffusionsabstand, den sich das äußere Abgas von der Gasdiffusionsschicht 26 zu den inneren Elektroden 28, 29 bewegen muss, folglich ungefähr konstant gesetzt werden, was die Kennlinie des Pumpstroms oder des Diffusionsgrenzstroms Ip stabilisiert, was zu einer verbesserten Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt.
Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel die Heizvorrichtungsstruktur 24 auf der äußeren Umfangsfläche des Heizvorrichtungskerns 23 mit einer festen stabartigen Form mit kleinem Durchmesser angeordnet und die Heizvorrichtungs-Isolationsdeckschicht 25 ist am äußeren Umfang des Heizvorrichtungskerns derart angeordnet, dass sie die Heizvorrichtungsstruktur 24 von außen umhüllt, was die Heizvorrichtung 22 mit länglicher stabartiger Form vorsieht.
Am äußeren Umfang der Heizvorrichtung 22 werden durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen die Gasdiffusionsschicht 26, die feste Elektrolytschicht 27, die inneren Elektroden 28, 29, die äußere Messelektrode 30, die Bezugselektrode 31, die kompakte Schicht 32, die Schutzschicht 34 und dergleichen ausgebildet.
Folglich kann ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 mit insgesamt kreisförmiger stabartiger Form erhalten werden, das ausreichend Fläche für die ringförmigen Elektroden 28, 29, 30, 31 im Vergleich zum plattenartigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement sicherstellt, was zu einer Senkung des inneren Widerstandes und zu einer positiven Verringerung des Außendurchmessers, des Volumens und dergleichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 führt.
Ferner kann die Außenform des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 ein kreisförmiger Stab ohne Kantenteil im Vergleich zu jener des plattenartigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements mit Kantenteilen sein, wodurch eine Verringerung der Wärmebelastung und dergleichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 erzielt wird, was zu einem eingeschränkten Auftreten von Rissbildung oder dergleichen beispielsweise in der festen Elektrolytschicht 27 führt.
Weiterhin kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 durch fortlaufendes Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche der Heizvorrichtungsstruktur 24, der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25, der Gasdiffusionsschicht 26, den inneren Elektroden 28, 29, der festen Elektrolytschicht 27, der äußeren Messelektrode 30, der Bezugselektrode 31, der kompakten Schicht 32 und der Schutzschicht 34 am äußeren Umfang des Heizvorrichtungskerns 23 hergestellt werden, was zu einer erheblichen Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 führt.
Ferner weist die Heizvorrichtung 22 einen äußeren Umfang auf, der mit der Gasdiffusionsschicht 26, der festen Elektrolytschicht 27, der kompakten Schicht 32 und dergleichen verdeckt ist. Dies kann die Heizvorrichtung 22 daran hindern, mit der Außenluft in direkten Kontakt zu kommen, um einen Einfluss der Außenlufttemperatur zu verringern, und kann eine Heizfläche der Heizvorrichtung 22 vergrößern, um wirksam Wärme der Heizvorrichtung 22 auf die feste Elektrolytschicht 27 und dergleichen zu übertragen.
Damit kann eine Temperaturanstiegszeit der Heizvorrichtung 22 sicher verkürzt werden, was nicht nur zu einer verkürzten Aktivierungszeit der festen Elektrolytschicht 27, sondern auch zu einer früheren Erfassung der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen im Abgas selbst beim Motorstart und somit einer unmittelbaren Rückführungsregelung der Kraftstoffeinspritzmenge führt. Überdies kann der Grad der Öffnungsflexibilität vergrößert werden, was zu einer Verringerung des Leistungsverbrauchs der Heizvorrichtung 22 führt.
Ferner besteht kein Bedarf, eine spezielle Bezugsluftkammer oder dergleichen im Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 auszubilden, um Luft in diese einzuleiten, was eine Vereinfachung von dessen Struktur ermöglicht, was zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 führt.
Weiterhin wird die feste Elektrolytschicht 27 zwischen der inneren Elektrode 28 und der äußeren Messelektrode 30 und zwischen der inneren Elektrode 29 und der Bezugselektrode 31 gehalten. Das heißt, die Verwendung von nur einer Schicht der festen Elektrolytschicht 27 ermöglicht die Konstruktion einer sogenannten Pumpzelle, Nernst-Zelle und dergleichen, wobei eine Verringerung des Außendurchmessers des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 21 in seiner Gesamtheit erreicht wird, was zur Verkleinerung der Vorrichtung führt.
Mit Bezug auf 10 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, das im Wesentlichen dasselbe ist wie das erste Ausführungsbeispiel, außer dass eine kompakte Schicht oder eine zweite kompakte Schicht 52 zwischen dem Zuleitungsteil oder -draht 29A der inneren Elektrode 29 und dem Zuleitungsteil oder -draht 31A der Bezugselektrode 31 angeordnet ist, um den Eintritt von zu messendem Gas einzudämmen.
Mit Bezug auf 10 umfasst die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung im zweiten Ausführungsbeispiel ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 51, das im We sentlichen dieselbe Struktur aufweist wie das im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21, und umfasst eine Heizvorrichtung 22, eine Gasdiffusionsschicht 26, eine feste Elektrolytschicht 27, innere Elektroden 28, 29, eine äußere Messelektrode 31, eine kompakte Schicht 32, ein Gaseinleitungsfenster 33, eine Schutzschicht 34 und dergleichen.
Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 51 unterscheidet sich jedoch vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 21 insofern, als die kompakte Schicht 52, wie später beschrieben wird, zwischen dem Zuleitungsteil 29A der inneren Elektrode 29 und dem Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 liegt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die kompakte Schicht 52 abseits von der kompakten Schicht 32 angeordnet und ist aus im Wesentlichen demselben Material wie jenem der kompakten Schicht 32 ausgebildet, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, um den Eintritt von äußerem Abgas zu verhindern.
Nach dem Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche mit der festen Elektrolytschicht 27 am äußeren Umfang der Gasdiffusionsschicht 26 und vor dem Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche mit der äußeren Messelektrode 30 und der Bezugselektrode 31 auf diese wird die kompakte Schicht 52 beispielsweise am äußeren Umfang der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen ausgebildet. Die kompakte Schicht 52 arbeitet mit der Heizvorrichtungs-Deckschicht 25 zusammen, um den Zuleitungsteil 29A der inneren Elektrode 29 ungefähr über seine gesamte Länge zu umhüllen.
Nach dem Drucken der kompakten Schicht 52 werden die äußere Messelektrode 30 und die Bezugselektrode 31 auf den äußeren Umfang der festen Elektrolytschicht 27 durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche gedruckt und weisen jeweilige Zuleitungsteile auf, die durch Drucken so ausgebildet werden, dass sie sich in der axialen Richtung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 51 entlang der kompakten Schicht 52 erstrecken. Und die kompakte Schicht 32 wird darauf ausgebildet, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Somit werden der nicht dargestellte Zuleitungsteil der äußeren Messelektrode 30 und der Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 zwischen den kompakten Schichten 52, 32 gehalten, wodurch äußeres Abgas oder Abgas, das durch die Gasdiffusionsschicht 26 hindurchtritt, daran gehindert wird, mit dem Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 in Kontakt zu kommen.
Daher kann das zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dieselbe Wirkung erzeugen wie jene des ersten Ausführungsbeispiels. Insbesondere da das zweite Ausführungsbeispiel derart ist, dass die zusätzliche kompakte Schicht 52 zwischen dem Zuleitungsteil 29A der inneren Elektrode 29 und dem Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 angeordnet ist, ist der Zuleitungsteil 31A der Bezugselektrode 31 vom Zuleitungsteil 29A der inneren Elektroden 28, 29 isoliert und kann folglich sicherer daran gehindert werden, mit dem Abgas in Kontakt zu kommen. Dies ermöglicht beispielsweise die Eindämmung, dass in der Bezugselektrode 31 angereicherter Sauerstoff zur Gasdiffusionsschicht 26 austritt, was zu einer positiven Verringerung der Austrittsmenge an Sauerstoff führt.
Folglich kann der Sauerstoffpartialdruck der Bezugselektrode 31 als Bezugssauerstoffpartialdruck ungefähr konstant gehalten werden, wobei ein stabiles Sensorausgangssignal erreicht wird. Und die Spannung Vo der Gleichspannungsquelle 38, die von außen an diese angelegt wird, kann auf einen niedrigeren Wert verringert werden, was zu einer Verbesserung der Energieeffizienz führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die in der kompakten Schicht ausgebildete Öffnung Wege von äußerem Gas, das in die Gasdiffusionsschicht und die zweite Elektrode eintritt, im Bereich der Breite der Öffnung einschränken, was ermöglicht, dass das Gas die erste Elektrode durch die Gasdiffusionsschicht entlang ungefähr einer Richtung erreicht.
Folglich kann der Gasdiffusionsabstand, den das Gas von der Gasdiffusionsschicht zur ersten Elektrode zurücklegen muss, ungefähr konstant gehalten werden, was Schwankungen eines Diffusionsgrenzwerts des Pumpstroms, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode fließt, verhindert und somit verhindert, dass der Pumpstrom instabil ist. Dies kann nicht nur die Flachheit des Pumpstroms oder des Diffusionsgrenzstroms verbessern, wobei das Auftreten einer Hysterese eingedämmt wird, sondern auch die Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verbessern, wobei die Kennlinie des Pumpstroms als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Signal stabilisiert wird.
Wenn die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung insgesamt wie ein ungefähr kreisförmiger Stab geformt ist, kann die rechteckige Öffnung mit einer Breite von z.B. (2/3 bis 1) × D, wobei D der Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht ist, gemäß der vorliegenden Erfindung ferner in der ersten kompakten Schicht ausgebildet werden. Dies kann Wege des Gases, das in die Gasdiffusionsschicht eintritt, im Bereich der Breite der Öffnung und entlang ungefähr einer Richtung, z.B. der axialen Richtung der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, einschränken. Dies kann auch vorteilhaft das Auftreten von Schwankungen des Gasdiffusionswiderstandes eindämmen, wenn das Gas die erste Elektrode durch die Gasdiffusionsschicht hindurch erreicht.
Weiterhin ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Zuleitungsdraht der dritten Elektrode vom Zuleitungsdraht der ersten Elektrode isoliert und kann somit sicherer daran gehindert werden, mit dem Gas in Kontakt zu kommen, was ermöglicht, dass der Sauerstoffpartialdruck der dritten Elektrode als Bezugssauerstoffpartialdruck ungefähr konstant gehalten wird. Dies kann ein stabiles Sensorausgangssignal erzielen und die an diese von außen angelegte Spannung auf einen niedrigeren Wert verringern, was zu einer Verbesserung der Energieeffizienz führt.
Ferner können gemäß der vorliegenden Erfindung die Gasdiffusionsschicht, die erste Elektrode, die feste Elektrolytschicht, die zweite und die dritte Elektrode und die erste kompakte Schicht nacheinander am äußeren Umfang der Heizvorrichtung mit länglicher stabartiger Form in einer laminierten Weise durch Bedrucken einer gekrümmten Oberfläche oder dergleichen ausgebildet werden, wobei die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung mit insgesamt kreisförmiger stabartiger Form erreicht wird. Damit kann die Sauerstoffkonzentration oder dergleichen im Gas mit stabiler Genauigkeit erfasst werden, ohne durch die Montagerichtung, die Strömungsrichtung des Gases und dergleichen beeinflusst zu werden.
Überdies können die erste Elektrode und die zweite und die dritte Elektrode so angeordnet sein, dass sie über die feste Elektrolytschicht radial einander zugewandt sind, wobei eine vergrößerte Elektrodenfläche und ein verringerter Abstand von Elektrode zu Elektrode erreicht werden, was zu einer Verringerung des elektrischen Widerstandes führt. Ferner besteht kein Bedarf, Bezugsluft in das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement einzuführen, wobei eine vereinfachte Struktur der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung erreicht wird, was zu einer Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung führt. Über dies liegt die Heizvorrichtung in Form eines Schafts vor und die Gasdiffusionsschicht, die feste Elektrolytschicht, die erste, die zweite und die dritte Elektrode und die erste kompakte Schicht sind an deren äußerem Umfang ausgebildet, was eine Vergrößerung der Heizfläche der Heizvorrichtung bezüglich der festen Elektrolytschicht ermöglicht, selbst wenn die Heizvorrichtung einen kleineren Durchmesser aufweist, was zu einer effizienten Wärmeübertragung von der Heizvorrichtung zur festen Elektrolytschicht und dergleichen führt.
Nachdem die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den erläuternden Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese begrenzt ist und verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Als Beispiel sind in den erläuternden Ausführungsbeispielen die inneren Elektroden oder ersten Elektroden 28, 29 in der axialen Richtung der Gasdiffusionsschicht 26 voneinander getrennt. Wahlweise können die inneren Elektroden oder ersten Elektroden 28, 29 einteilig gekoppelt sein, um eine einzige ringförmige Elektrode zu bilden, die sich weitgehend axial erstreckt.
Ferner kann eine der zwei Elektroden 28, 29, beispielsweise die innere Elektrode 29, weggelassen werden, um die erste Elektrode nur mit der inneren Elektrode 28 zu bilden. In dieser Variation kann die innere Elektrode 28 mit der virtuellen Erdung 35 verbunden sein. Es wird angemerkt, dass diese Variation im Wesentlichen denselben Effekt wie jenen der obigen Ausführungsbeispiele erzeugt.
Die gesamten Lehren der Japanischen Patentanmeldung P2002-333901, eingereicht am 18. November 2002, werden hiermit durch den Hinweis aufgenommen.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, die eine kompakte Schicht, die auf der Außenfläche einer festen Elektrolytschicht angeordnet ist, um eine Gasdiffusionsschicht, eine feste Elektrolytschicht, eine äußere Messelektrode und eine Bezugselektrode von außen zu verdecken, um den Eintritt von Abgas einzudämmen, umfasst. Ein Gaseinleitungsfenster ist in der kompakten Schicht mit einer vorbestimmten Breite ausgebildet. Das Gaseinleitungsfenster ermöglicht den Eintritt von Abgas in Richtung der Gasdiffusionsschicht und der äußeren Messelektrode im Bereich einer Öffnungsbreite des Gaseinleitungsfensters.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit: einer Heizvorrichtung (22), die durch Speisung von außen Wärme erzeugt; einer Gasdiffusionsschicht (26), die an der Heizvorrichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Gasdiffusionsschicht ermöglicht, dass ein zu messendes Gas in diese diffundiert; einer festen Elektrolytschicht (27), die an der Heizvorrichtung (22) außerhalb der Gasdiffusionsschicht (26) vorgesehen ist, wobei die feste Elektrolytschicht durch Wärme der Heizvorrichtung aktiviert wird, wobei die feste Elektrolytschicht Sauerstoffionen-leitend ist; einer ersten Elektrode (28, 29), die zwischen der Gasdiffusionsschicht (26) und der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode dem Gas, das durch die Gasdiffusionsschicht hindurchtritt, ausgesetzt ist; einer zweiten Elektrode (30), die auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode der ersten Elektrode (28) über die feste Elektrolytschicht (27) zugewandt ist, wobei die zweite Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass ein Pumpstrom (Ip) zwischen diesen fließt, wenn von außen eine Spannung an diese angelegt wird; einer dritten Elektrode (31), die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) von der zweiten Elektrode (30) entfernt angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass eine einer Sauerstoffkonzentration im Gas entsprechende elektromotorische Kraft zwischen diesen erzeugt wird; einer ersten kompakten Schicht (32), die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die erste kompakte Schicht die Gasdiffusionsschicht (26), die feste Elektrolytschicht (27), die zweite Elektrode (30) und die dritte Elektrode (31) von außen verdeckt, um den Eintritt des Gases einzudämmen; und einer Öffnung (33), die in der ersten kompakten Schicht (32) ausgebildet ist, wobei die Öffnung eine vorbestimmte Breite aufweist, wobei die Öffnung den Eintritt des Gases in Richtung der Gasdiffusionsschicht (26) und der zweiten Elektrode (30) in einem Bereich der Breite gestattet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Öffnung (33) wie ein Rechteck geformt ist, indem ein Ende der ersten kompakten Schicht (32) geschnitten wird, wobei die Öffnung zum teilweisen Freilegen der Gasdiffusionsschicht (26), der festen Elektrolytschicht (27) und der zweiten Elektrode (30) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Breite der Öffnung (33) und ein Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht (32) in einer Beziehung stehen, die durch W = (2/3 bis 1) × D gegeben ist, wobei W die Breite der Öffnung ist und D der Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Öffnung (33) mit einem vorbestimmten Winkel ausgebildet ist, wobei der Winkel und die Breite in Verbindung mit dem Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht (32) in einer Beziehung stehen, die durch W = (θ/360) × D × π gegeben ist, wobei W die Breite der Öffnung ist, θ der Winkel ist und D der Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner Zuleitungsdrähte umfasst, die für die erste (28, 29), die zweite (30) bzw. die dritte Elektrode (31) vorgesehen sind, wobei sich die Zuleitungsdrähte in einer Längsrichtung der Heizvorrichtung (22) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 5, welche ferner eine zweite kompakte Schicht (52) umfasst, die zwischen dem Zuleitungsdraht der ersten Elektrode und dem Zuleitungsdraht der dritten Elektrode angeordnet ist, um den Eintritt des Gases einzudämmen.
Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit: einer Heizvorrichtung (22), die durch Speisung von außen Wärme erzeugt; einer Gasdiffusionsschicht (26), die an der Heizvorrichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Gasdiffusionsschicht ermöglicht, dass ein zu messendes Gas in diese diffundiert; einer festen Elektrolytschicht (27), die an der Heizvorrichtung (22) außerhalb der Gasdiffusionsschicht (26) vorgesehen ist, wobei die feste Elektrolytschicht durch Wärme der Heizvorrichtung aktiviert wird, wobei die feste Elektrolytschicht Sauerstoffionen-leitend ist; einer ersten Elektrode (28, 29), die zwischen der Gasdiffusionsschicht (26) und der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode dem Gas, das durch die Gasdiffusionsschicht hindurchtritt, ausgesetzt ist; einer zweiten Elektrode (30), die auf einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode der ersten Elektrode über die feste Elektrolytschicht zugewandt ist, wobei die zweite Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass ein Pumpstrom (Ip) zwischen diesen fließt, wenn von außen eine Spannung an diese angelegt wird; einer dritten Elektrode (31), die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) von der zweiten Elektrode (30) entfernt angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass eine einer Sauerstoffkonzentration im Gas entsprechende elektromotorische Kraft zwischen diesen erzeugt wird; einer ersten kompakten Schicht (32), die auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die erste kompakte Schicht die Gasdiffusionsschicht (26), die feste Elektrolytschicht (27), die zweite Elektrode (30) und die dritte Elektrode (31) von außen verdeckt, um den Eintritt des Gases einzudämmen; einer zweiten kompakten Schicht (52), die zwischen dem Zuleitungsdraht der ersten Elektrode und dem Zuleitungsdraht der dritten Elektrode angeordnet ist, um den Eintritt des Gases einzudämmen; und einer Öffnung (33), die in der ersten kompakten Schicht (32) ausgebildet ist, wobei die Öffnung eine vorbestimmte Breite aufweist, wobei die Öffnung den Eintritt des Gases in Richtung der Gasdiffusionsschicht (26) und der zweiten Elektrode (30) in einem Bereich der Breite gestattet.
Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit: einer Heizvorrichtung (22), die durch Speisung von außen Wärme erzeugt, wobei die Heizvorrichtung wie ein länglicher Stab geformt ist; einer Gasdiffusionsschicht (26), die an einem äußeren Umfang der Heizvorrichtung (22) angeordnet ist, wobei die Gasdiffusionsschicht ermöglicht, dass ein zu messendes Gas in diese diffundiert; einer festen Elektrolytschicht (27), die an einem äußeren Umfang der Gasdiffusionsschicht (26) angeordnet ist, wobei die feste Elektrolytschicht durch Wärme der Heizvor richtung aktiviert wird, wobei die feste Elektrolytschicht Sauerstoffionen-leitend ist; einer ersten Elektrode (28, 29), die an einem inneren Umfang der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei sich die erste Elektrode zwischen der Gasdiffusionsschicht (26) und der festen Elektrolytschicht (27) befindet; einer zweiten Elektrode (30), die an einem äußeren Umfang der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass ein Pumpstrom (Ip) zwischen diesen fließt, wenn von außen eine Spannung an diese angelegt wird; einer dritten Elektrode (31), die am äußeren Umfang der festen Elektrolytschicht (27) von der zweiten Elektrode (30) entfernt angeordnet ist, wobei die dritte Elektrode und die erste Elektrode ermöglichen, dass eine einer Sauerstoffkonzentration im Gas entsprechende elektromotorische Kraft zwischen diesen erzeugt wird; einer ersten kompakten Schicht (32), die am äußeren Umfang der festen Elektrolytschicht (27) angeordnet ist, wobei die erste kompakte Schicht die Gasdiffusionsschicht (26), die feste Elektrolytschicht (27), die zweite Elektrode (30) und die dritte Elektrode (31) von außen verdeckt, um den Eintritt des Gases einzudämmen; und einer Öffnung (33), die in der ersten kompakten Schicht (32) ausgebildet ist, wobei die Öffnung eine vorbestimmte Breite aufweist, wobei die Öffnung den Eintritt des Gases in Richtung der Gasdiffusionsschicht (26) und der zweiten Elektrode (30) in einem Bereich der Breite gestattet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Öffnung (33) wie ein Rechteck geformt ist, indem ein Ende der ersten kompakten Schicht (32) geschnitten wird, wobei die Öffnung zum teilweisen Freilegen der Gasdiffusionsschicht (26), der festen Elektrolytschicht (27) und der zweiten Elektrode (30) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Breite der Öffnung (33) und ein Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht (32) in einer Beziehung stehen, die durch W = (2/3 bis 1) × D gegeben ist, wobei W die Breite der Öffnung ist und D der Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Öffnung (33) mit einem vorbestimmten Winkel ausgebildet ist, wobei der Winkel und die Breite in Verbindung mit dem Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht (32) in einer Beziehung stehen, die durch W = (θ/360) × D × π gegeben ist, wobei W die Breite der Öffnung ist, θ der Winkel ist und D der Außendurchmesser der ersten kompakten Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, welche ferner Zuleitungsdrähte umfasst, die für die erste (28, 29), die zweite (30) bzw. die dritte Elektrode (31) vorgesehen sind, wobei sich die Zuleitungsdrähte in einer Längsrichtung der Heizvorrichtung (22) erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 12, welche ferner eine zweite kompakte Schicht (52) umfasst, die zwischen dem Zuleitungsdraht der ersten Elektrode und dem Zuleitungsdraht der dritten Elektrode angeordnet ist, um den Eintritt des Gases einzudämmen .