DE112008003323T5

DE112008003323T5 - Luftbrennstoffverhältnissensor und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112008003323T5
Application number: DE112008003323T
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: US8131451B2; US20100300418A1; DE112008003323B4; CN101878422B; WO2009069624A1; JP2009128273A; CN101878422A; JP4788707B2

Abstract

Luftbrennstoffverhältnissensor, mit:
einem Sensorelement, das ein das Luftbrennstoffverhältnis eines Erfassungszielgases angebendes Ausgabesignal ausgibt;
einem Elektrodenpaar mit einer Elektrode auf einer Erfassungszielgasseite, auf der das Erfassungszielgas eingeführt wird, sowie einer Elektrode auf einer Atmosphärenseite, welche der Atmosphäre ausgesetzt ist, welches derart angeordnet ist, dass es das Sensorelement sandwichartig umgibt;
einer diffusionssteuernden Schicht, die auf dem Sensorelement derart angeordnet ist, dass sie die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und die das Erfassungszielgas von einem Eingangsabschnitt einführt, durch den das Erfassungszielgas zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite einfließt; und
einer Katalysatorschicht, die auf einem Teil des Eingangsabschnitts bereitgestellt ist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft einen Luftbrennstoffverhältnissensor und ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor.
STAND DER TECHNIK
Ein Luftbrennstoffverhältnissensor, der das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases abtastet, ist beispielsweise in dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors zur Steuerung des Luftbrennstoffverhältnisses des Verbrennungsmotors bereitgestellt. Als Luftbrennstoffverhältnissensor wurde ein Luftbrennstoffverhältnissensor in Strombegrenzungsbauart entwickelt, wie es in der Patentdruckschrift 1 beschrieben ist. Dieser Luftbrennstoffverhältnissensor in Strombegrenzungsbauart umfasst ein Sensorelement aus einem Sauerstoffionen leitenden Festkörperelektrolyt wie etwa Zirkonoxid, ein Paar Platinelektroden, die auf den beiden Seiten des Sensorelementes angeordnet sind, sowie eine poröse diffusionssteuernde Schicht (die manchmal auch als eine „Diffusionswiderstandsschicht” in Bezug genommen ist), die auf dem Element derart bereitgestellt ist, dass sie eine der Elektroden bedeckt. Die diffusionssteuernde Schicht steuert oder begrenzt die Diffusion des Abgases zum Sensorelement.
Bei einem derartigen Luftbrennstoffverhältnissensor in Strombegrenzungsbauart werden Sauerstoffionen zwischen den Elektroden durch das Sensorelement gepumpt, wodurch ein Strom zwischen Elektroden fließt, wenn das durch die diffusionssteuernde Schicht passierende Abgas in Kontakt mit einer Elektrode kommt, während eine vorbestimmte Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird. Da die Diffusion des Abgases zu einer Elektrode durch die diffusionssteuernde Schicht begrenzt wird, gibt es in Verbindung damit einen Bereich, bei dem der Strom trotz eines Anstiegs in der angelegten Spannung auf einen Konstantwert sättigt. Dieser Stromwert (oder der Grenzstromwert) weist eine Charakteristik proportional zu der Sauerstoffkonzentration und dem Luftbrennstoffverhältnis des Abgases auf, und das Luftbrennstoffverhältnis kann daher durch Messen des Grenzstromwertes bestimmt werden.
Der Grund, warum ein Konstantstrom mit dem Grenzstromwert in Korrelation zu dem Luftbrennstoffverhältnis des Abgases zwischen den Elektroden fließt, wenn die vorbestimmte Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist, ist, dass der Strom diffusionsbegrenzt ist, wenn das Abgas durch die diffusionssteuernde Schicht passiert. Da jedoch die Molekularmasse des in dem Abgas enthaltenen Wasserstoffbestandteils (H₂) kleiner als die der anderen Bestandteile wie etwa Sauerstoff (O₂) ist, passiert der Wasserstoffbestandteil durch die diffusionssteuernde Schicht typischerweise bei einer höheren Diffusionsrate. Falls die eine Elektrode erreichende Menge an H₂, das als Reduktionsmittel dient, größer als die von O₂ ist, das als Oxidationsmittel dient, wird in der Folge das reduzierende Mittel in der Umgebung dieser Elektrode überreichlich, wodurch ein Luftbrennstoffverhältnis als Messergebnis erhalten werden kann, das fälschlicherweise fetter als der tatsächliche Wert ist.
Dem wird durch die in der Patentdruckschrift 1 offenbarte Technologie Rechnung getragen, bei der die Oberfläche der diffusionssteuernden Schicht mit einer Katalysatorschicht bedeckt ist, die eine oxidierende Befähigung zum Oxidieren des in dem Abgas enthaltenden H₂ aufweist, bevor das Abgas durch die diffusionssteuernde Schicht passiert, wodurch die Genauigkeit beim Messen des Luftbrennstoffverhältnisses verbessert wird.
Die Patentdruckschrift 2 offenbart außerdem eine Technologie, bei der eine Katalysatorschicht bereitgestellt wird, mit der zumindest eine in dem Abgas ausgesetzte Elektrode bedeckt wird, und eine Maskenschicht, durch die Abgas nicht passieren kann, wird auf einem Abschnitt bereitgestellt, auf dem die Katalysatorschicht nicht bereitgestellt ist.

Patentdruckschrift 1: JP-A-11-237361
Patentdruckschrift 2: JP-A-2003-202316
Patentdruckschrift 3: JP-A-2004-316498
Patentdruckschrift 4: JP-A-2006-337205

ERFINDUNGSOFFENBARUNG
Das durch die Erfindung zu lösende Problem Falls jedoch bei dem Luftbrennstoffverhältnissensor, der wie bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik mit einer Katalysatorschicht versehen ist, die ganze Menge des Abgases, für das eine Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses durchzuführen ist, durch die Katalysatorschicht hindurch passiert, nimmt die Reaktion in der Katalysatorschicht eine lange Zeit in Anspruch, und die Ansprechcharakteristik bei der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses kann verschlechtert sein.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht des vorstehend beschriebenen Stands der Technik, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftbrennstoffverhältnissensor anzugeben, mit dem eine Verbesserung bei der Genauigkeit der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses des Erfassungszielgases sowie eine Verbesserung bei der Ansprechcharakteristik gleichzeitig erzielt werden kann.
Lösung des Problems
Zur Lösung der Aufgabe verwendet der erfindungsgemäße Luftbrennstoffverhältnissensor die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen. Er ist im Einzelnen gekennzeichnet durch ein Sensorelement mit einem Sensorelement, das ein das Luftbrennstoffverhältnis eines Erfassungszielgases angebendes Ausgabesignal ausgibt; einem Elektrodenpaar mit einer Elektrode auf einer Erfassungszielgasseite, auf der das Erfassungszielgas eingeführt wird, sowie einer Elektrode auf einer Atmosphärenseite, welche der Atmosphäre ausgesetzt ist, welches derart angeordnet ist, dass es das Sensorelement sandwichartig umgibt; einer diffusionssteuernden Schicht, die auf dem Sensorelement derart angeordnet ist, dass sie die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und die das Erfassungszielgas von einem Eingangsabschnitt einführt; durch den das Erfassungszielgas zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite einfließt; und einer Katalysatorschicht, die auf einem Teil des Eingangsabschnitts bereitgestellt ist.
Die erfindungsgemäße diffusionssteuernde Schicht weist einen Eingangsabschnitt auf, durch den das Erfassungszielgas (beispielsweise Abgas) einfließt, und das Erfassungszielgas fließt in die diffusionssteuernde Schicht durch den Eingangsabschnitt. Der Eingangsabschnitt ist mit anderen Worten auf zumindest einem Teil der Oberfläche der diffusionssteuernden Schicht bereitgestellt und dem Erfassungszielgas ausgesetzt. Das in die diffusionssteuernde Schicht eingeflossene Erfassungszielgas diffundiert in das Innere der diffusionssteuernden Schicht und wird zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite befördert. Die erfindungsgemäße diffusionssteuernde Schicht weist eine Funktion zum Steuern oder Begrenzen der Diffusion des Erfassungszielgases auf. Die diffusionssteuernde Schicht kann beispielsweise aus einem poromerischen Material zusammengesetzt sein, das porös aber dennoch in einem Maße dicht ist, dass verschiedene Bestandteile in dem Erfassungszielgas bei einer zweckmäßigen Diffusionsrate diffundieren können.
Das in das Innere der diffusionssteuernden Schicht diffundierende Erfassungszielgas enthält reduzierende Mittel wie etwa CO, H₂ und HC und oxidierende Mittel wie etwa O₂ und NOx. Diese Bestandteile reagieren miteinander, während sie zu der Oberfläche der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite wandern, und nachdem sie die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite erreichen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Wenn das Luftbrennstoffverhältnis des Erfassungszielgases gleich dem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis (oder dem stöchiometrischen Luftbrennstoffverhältnis) ist, verschwinden sowohl die oxidierenden Mittel als auch die reduzierenden Mittel. Wenn andererseits das Luftbrennstoffverhältnis fett ist, verbleiben die reduzierenden Mittel, und wenn das Luftbrennstoffverhältnis mager ist, verbleiben die oxidierenden Mittel.
Das Sensorelement gibt ein Ausgangssignal aus, das das Luftbrennstoffverhältnis des Erfassungszielgases angibt. Das Sensorelement kann aus einem Sauerstoffionen leitenden Festkörperelektrolyt ausgebildet sein. Da in diesem Fall Sauerstoffionen gemäß der Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen zwei Elektroden wandern, die derart angeordnet sind, dass sie das Sensorelement oder die Elektrode auf der Erfassungszielseite und die Elektrode auf der Atmosphärenseite sandwichartig umgeben, kann das Ausgabesignal ausgegeben werden, das das Luftbrennstoffverhältnis des Erfassungszielgases angibt, indem ein durch die Bewegung der Sauerstoffionen verursachter Sensorstrom ausgegeben wird.
Nachstehend ist der Sensorstrom näher beschrieben. Wenn oxidierende Mittel in dem Erfassungszielgas verbleiben, die zu der Oberfläche der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite gelangten, wird von der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite zu der Elektrode auf der Atmosphärenseite O₂ gepumpt, wodurch ein Sensorstrom zwischen den Elektroden fließt. Wenn andererseits reduzierende Mittel in dem Erfassungszielgas verbleiben, die zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite gelangten, wird das zum Oxidieren der reduzierenden Mittel benötigte O₂ von der Elektrode auf der Atmosphärenseite zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite gepumpt, wodurch ein Sensorstrom zwischen den Elektroden fließt. Da der Sensorstromwert zu diesem Zeitpunkt eine zu dem Luftbrennstoffverhältnis des Erfassungszielgases proportionale Charakteristik zeigt, kann das Luftbrennstoffverhältnis des Erfassungszielgases durch Abtasten dieses Sensorstromwertes erfasst oder bestimmt werden.
H₂ weist typischerweise eine höhere Diffusionsrate im Vergleich zu den anderen Bestandteilen in dem Erfassungszielgas auf, insbesondere im Vergleich zu O₂. Daher kann sich das Verhältnis von in dem Erfassungszielgas enthaltenem H₂ und O₂ in einigen Fällen ändern, wenn das Gas in das Innere der diffusionssteuernden Schicht diffundiert. Im Einzelnen kann eine größere Menge von H₂, das eine höhere Diffusionsrate im Vergleich zu O₂ aufweist, die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite erreichen. Da H₂ ein reduzierendes Mittel ist, kann der vorstehend beschriebene Sensorstromwert als ein zu fetteren Luftbrennstoffverhältnissen verschobener Wert als der wahre Wert erfasst werden.
Erfindungsgemäß wird die Katalysatorschicht auf einem Teil des Eingangsabschnittes der diffusionssteuernden Schicht bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Katalysatorschicht weist die Funktion zur Förderung der Oxidationsreaktion des H₂-Bestandteils auf. Ein Katalysatorbestandteil wie etwa Platin oder Rhodium kann beispielsweise auf einer porösen Schicht aus Aluminiumoxid oder dergleichen getragen werden, welche als Katalysatorträger dienen. Die Katalysatorschicht kann zur Oxidation von anderen Bestandteilen als H₂ befähigt sein.
Der Teil des Eingangsabschnitts auf der diffusionssteuernden Schicht, auf dem die Katalysatorschicht bereitgestellt ist, ist als der Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht in Bezug genommen, und der Teil, auf dem die Katalysatorschicht nicht bereitgestellt ist, ist als der Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht in Bezug genommen. Da der größte Teil von H₂ in dem in die diffusionssteuernde Schicht durch den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht fließenden H₂ in dem Erfassungszielgas oxidiert wird, während das Gas durch die Katalysatorschicht passiert, kann das Erfassungszielgas in einem Gleichgewichtszustand zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite eingeführt werden. Folglich kann das Erfassungszielgas mit einem Luftbrennstoffverhältnis im Wesentlichen gleich dem Luftbrennstoffverhältnis vor dem Eingang in die diffusionssteuernde Schicht durch den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht an die Oberfläche der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite befördert werden. Dies stellt die Erfassungsgenauigkeit für das Luftbrennstoffverhältnis durch den Luftbrennstoffverhältnissensor sicher.
Bei dem Luftbrennstoffverhältnissensor ist sowohl eine Verbesserung bei der Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung als auch eine Verbesserung bei der Ansprechcharakteristik erwünscht. Zur Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses des Erfassungszielgases auf Echtzeitbasis ist es mit anderen Worten erforderlich, die zur Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses verwendete Zeit so kurz wie möglich zu machen. Eine Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses von dem in die diffusionssteuernde Schicht durch die Katalysatorschicht in dem Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht fließenden Erfassungszielgas kann sich manchmal aufgrund der Reaktionszeit in der Katalysatorschicht verzögern.
Dem wird durch die vorliegende Erfindung Rechnung getragen, gemäß der das Erfassungszielgas dazu gebracht wird, auch durch den Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht (auf dem die Katalysatorschicht nicht bereitgestellt ist) in die diffusionssteuernde Schicht einzufließen, wodurch das Erfassungszielgas rasch zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite befördert werden kann. Dies ermöglicht eine Reduktion in der zum Erfassen des Luftbrennstoffverhältnisses des Erfassungszielgases verwendeten Zeit. Genauer wird erfindungsgemäß das Erfassungszielgas dazu gebracht, in die diffusionssteuernde Schicht durch den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht und in den Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht einzufließen, und die Gase verbinden sich in der Umgebung der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite, wodurch eine Verbesserung bei der Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung sowie eine Verbesserung in der Ansprechcharakteristik gleichzeitig erzielt werden können.
Bei der vorliegenden Erfindung können die Fläche für den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht und die Fläche für den Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht gleich oder voneinander verschieden sein. Mit anderen Worten kann das Verhältnis von der Fläche für den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht zu der Fläche für den Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht angemessen verändert werden. Es wird bevorzugt, dass das Verhältnis der Fläche für den Eingangsabschnitt mit Katalysatorschicht und den Eingangsabschnitt ohne Katalysatorschicht gemäß der Balance zwischen dem Ausmaß der Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung, welches der erfindungsgemäße Luftbrennstoffverhältnissensor bereitstellen soll, und seine Ansprechleistungsfähigkeit verändert wird. Falls im Einzelnen die Erfassungsgenauigkeit des Luftbrennstoffverhältnisses verbessert werden soll, kann die Proportion des Eingangsabschnitts mit Katalysatorschicht größer ausgebildet werden, und falls die Ansprechleistungsfähigkeit verbessert werden soll, kann die Proportion des Eingangsabschnitts ohne Katalysatorschicht größer ausgebildet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Luftbrennstoffverhältnissensor” allgemein eine Einrichtung, die eine physikalische Größe ausgeben kann, welche die Sauerstoffkonzentration in dem Erfassungszielgas für die Erfassung oder Messung des Luftbrennstoffverhältnisses bei einem Verbrennungsmotor angeben kann, und der Luftbrennstoffverhältnissensor kann ein linearer Luftbrennstoffverhältnissensor, ein Sauerstoffsensor oder dergleichen sein. Die für die Sauerstoffkonzentration indikative physikalische Größe kann ein Stromwert oder ein Spannungswert sein.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung für den Fall, bei dem der vorstehend beschriebene Luftbrennstoffverhältnissensor bei der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses in einem Abgas verwendet wird, das aus einem Mehrzylinderverbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Zylindern ausgestoßen wird. Da es individuelle Unterschiede zwischen den Eigenschaften der Brennstoffinjektionsventile gibt, welche den jeweiligen Zylindern Brennstoff zuführen, ist es in einigen Fällen schwierig, die Brennstoffinjektionsmengen unter den Zylindern genau gleich zu halten. Da zudem die Länge und Form des Ansaugrohrs zwischen den Zylindern nicht gleich ist, kann in einigen Fällen die Ansaugluftmenge zwischen den Zylindern variieren. Folglich gibt es eine Variation bei dem Luftbrennstoffverhältnis zwischen den Zylindern, was zu Unterschieden in der Wasserstoffkonzentration im Abgas zwischen den Zylindern führt.
Hierbei wird die Größenordnung der Variation im Luftbrennstoffverhältnis unter den Zylindern als das „Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern” in Bezug genommen. Falls das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern übermäßig groß wird, führt dies zu einer Verschlechterung der Abgasemissionen oder zu Fluktuationen im Drehmoment aufgrund der Differenzen unter den Zylindern im erzeugten Drehmoment.
In Anbetracht dessen kann das erfindungsgemäße Steuergerät für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet sein, dass es ein in einer Abgaspassage eines Mehrzylinderverbrennungsmotors bereitgestellten Luftbrennstoffverhältnissensor, eine Abgasluftbrennstoffverhältniserfassungseinrichtung zur Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses des von dem Mehrzylinderverbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases basierend auf dem durch das Sensorelement ausgegebenen Ausgabesignal sowie eine Abschätzeinrichtung für den Erhalt der Variationsbreite des Luftbrennstoffverhältnisses während einer spezifischen Abtastzeit und zum Abschätzen des Ausmaßes der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern basierend auf der Variationsbreite umfasst.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird das Luftbrennstoffverhältnis des von dem Mehrzylinderverbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases basierend auf dem durch das Sensorelement ausgegebenen Ausgabesignal erfasst. Falls das Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern groß ist, wird die Variation in der Wasserstoffkonzentration in den von den jeweiligen Zylindern ausgestoßenen Abgasen groß, und folglich wird der Wert des erfassten Luftbrennstoffverhältnisses fluktuieren. Erfindungsgemäß wird die Variationsbreite im Luftbrennstoffverhältnis während der spezifischen Abtastzeit erhalten. Die Variationsbreite kann als der Absolutwert der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des während der spezifischen Abtastzeit erfassten Luftbrennstoffverhältnisses definiert werden. Alternativ kann die Variationsbreite als der maximale Absolutwert der Differenz zwischen dem erfassten Wert des Luftbrennstoffverhältnisses und einem Zielluftbrennstoffverhältnis während der spezifischen Abtastzeit definiert werden.
Die spezifische Abtastzeit bezieht sich auf eine Periode, während der der erfasste Wert des Luftbrennstoffverhältnisses überwacht wird, um die vorstehend beschriebene Variationsbreite zu erhalten, und die spezifische Abtastzeit kann im Voraus durch Experimente bestimmt werden. Das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern wird basierend auf der somit erhaltenen Variationsbreite im Luftbrennstoffverhältnis abgeschätzt. Erfindungsgemäß ist der geschätzte Wert des Ausmaßes der Luftbrennstoffverhältnisvariation umso höher, je größer die vorstehend beschriebene Variationsbreite ist. Somit kann das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern ausgezeichnet abgeschätzt werden.
Falls erfindungsgemäß der geschätzte Wert der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern einen spezifischen Wert überschreitet, kann geschlossen werden, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation in einen spezifischen exzessiv großen Variationsbereich fällt. Der spezifische exzessiv große Variationsbereich ist ein Bereich, in dem das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern als so hoch betrachtet wird, dass eine Verschlechterung der Abgasemissionen und/oder Fluktuationen in dem Drehmoment des Verbrennungsmotors verursacht werden kann/können.
Dabei sei die dem Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern entsprechende Variationsbreite, die genau gleich dem vorstehend beschriebenen spezifischen Wert ist, als die spezifische Variationsbreite in Bezug genommen. Falls dann die Variationsbreite die spezifische Variationsbreite überschreitet, wird gefolgert, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern in den spezifischen exzessiv großen Variationsbereich fällt. Falls dies auftritt, wird bevorzugt, dass der Fahrer von der Tatsache benachrichtigt wird, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern hoch ist, indem eine Warneinrichtung betätigt wird, wie etwa das Anschalten einer Warnlampe.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Die Erfindung kann einen Luftbrennstoffverhältnissensor bereitstellen, mit dem eine Verbesserung bei der Genauigkeit in der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses von einem Erfassungszielgas sowie eine Verbesserung in der Ansprechcharakteristik gleichzeitig erzielt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaubild der allgemeinen Konfiguration eines Verbrennungsmotors, auf den der Luftbrennstoffverhältnissensor gemäß Ausführungsbeispiel 1 angewendet wird, sowie sein Lufteinlass- und Abgassystem.
2 zeigt eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts um den in 1 gezeigten Luftbrennstoffverhältnissensor.
3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' aus 2.
4 zeigt ein schematisches Schaubild von einem Abschnitt um eine diffusionssteuernde Schicht sowie eine Elektrode auf der Abgasseite des Luftbrennstoffverhältnissensors.
5 zeigt ein Schaubild einer Abwandlung des Musters einer auf der diffusionssteuernden Schicht bereitgestellten Katalysatarschicht.
6 zeigt ein Kennfeld, bei dem der Zusammenhang zwischen der Variationsbreite im Luftbrennstoffverhältnis ΔAF und dem Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern gespeichert ist.
7 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerroutine gemäß Ausführungsbeispiel 2.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Abgasrohr
4: Dreiwegekatalysator
5: Luftbrennstoffverhältnissensor
6: Motorsteuergerät (ECU)
8: Schutzabdeckung
9: Belüftungsloch
10: Sensorhaupteinheit
11: Sensorelement
12: Elektrode der Abgasseite
13: Elektrode der Atmosphärenseite
14: Heizelementschicht
16: Atmosphärenkammer
18: diffusionssteuernde Schicht
19: Maskenschicht
20: Katalysatorschicht

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben. Die Dimensionen, Materialien, Formen und relative Anordnungen der Bestandteile, die in Verbindung mit den nachstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben sind, sind nicht zur Beschränkung des technischen Bereichs der Erfindung auf diese gedacht, soweit es nicht ausdrücklich angegeben ist.
(Ausführungsbeispiel 1)
1 zeigt ein Schaubild der allgemeinen Konfiguration eines Verbrennungsmotors, auf den ein Luftbrennstoffverhältnissensor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angewendet wird, sowie dessen Lufteinlass- und Abgassystem. Der in 1 gezeigte Verbrennungsmotor 1 ist ein Benzinmotor mit vier Zylindern 2.
Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Einlassrohr 22 und einem Abgasrohr 3 verbunden. Ein Luftmengenmesser 23, der ein elektrisches Signal ausgibt, das die Menge der in dem Einlassrohr 22 fließenden Ansaugluft angibt, ist in der Mitte des Ansaugrohrs 22 bereitgestellt. Der Luftmengenmesser 23 ist mit einem (nachstehend beschriebenen) Motorsteuergerät (ECU) 6 elektrisch verbunden, und ein Ausgabesignal des Luftmengenmessers 23 wird in das Motorsteuergerät (ECU) 6 eingegeben, wodurch die Ansaugluftmenge erfasst wird.
Ein Dreiwegekatalysator 4, der das von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßene Abgas reinigt, ist in der Mitte des Abgasrohres 3 bereitgestellt. Der Dreiwegekatalysator 4 ist zur Reinigung des Abgases durch die Oxidierung von Kohlenstoffmonoxiden (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) eingerichtet, die von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßen werden, sowie zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) befähigt. Ein Luftbrennstoffverhältnissensor 5, der das Luftbrennstoffverhältnis des in den Dreiwegekatalysator 4 fließenden Abgases erfasst, ist in dem Abgasrohr 3 stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 4 bereitgestellt. Die Einzelheiten des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 sind nachstehend beschrieben. Das Abgasrohr 3 ist mit einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Auspuffdämpfer an einer Position stromabwärts des Dreiwegekatalysators 4 verbunden.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) bzw. ein Motorsteuergerät 6, das den Verbrennungsmotor und sein Abgassystem steuert, ist an den Verbrennungsmotor angehängt. Das Motorsteuergerät (ECU) 6 steuert den Betriebszustand des Motors 1 gemäß den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 1 und den durch den Fahrer erfolgten Anforderungen. Das Motorsteuergerät (ECU) 6 bestimmt beispielsweise das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases basierend auf dem Ausgabesignal des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 und steuert die durch das (nicht gezeigte) Brennstoffinjektionsventil injizierte Brennstoffmenge durch Rückkopplung, um das Luftbrennstoffverhältnis gleich einem Zielluftbrennstoffverhältnis (beispielsweise dem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis) auszubilden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht das Abgas dem Erfassungszielgas.
Nachstehend ist der detaillierte Aufbau des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Schnittansicht des Abschnitts um den in 1 gezeigten Luftbrennstoffverhältnissensor 5. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' aus 2. In 2 sind die zu 1 gleichen Abschnitte durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
In 2 umfasst der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 eine Sensorhaupteinheit 10, die nachstehend beschrieben ist, sowie eine Schutzabdeckung 8 oder ein wärmebeständiges Gehäuseelement, das die Sensorhaupteinheit 10 einhäust, wobei ein Abschnitt der Schutzabdeckung 8 dem Inneren des Abgasrohres 3 ausgesetzt ist. Die mechanische Festigkeit der Sensorhaupteinheit 10 ist durch die Schutzabdeckung 8 sichergestellt, in die sie eingehäust ist.
Gemäß 3 umfasst die Schutzabdeckung 8 eine auf ihrer Oberfläche bereitgestellte Vielzahl von Belüftungslöchern 9, welche eine Kommunikation zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Schutzabdeckung 8 erlauben. Somit ist der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 derart aufgebaut, dass das in dem Abgasrohr 3 fließende Abgas die Sensorhaupteinheit 10 durch die Belüftungslöcher 9 der Schutzabdeckung 8 erreichen kann.
Nachstehend ist die allgemeine Konfiguration der Sensorhaupteinheit 10 beschrieben. Die Sensorhaupteinheit 10 ist ein laminierter Sensor, bei dem nachstehend näher beschriebene Bestandteile zusammen laminiert sind. Die Sensorhaupteinheit 10 umfasst ein Sensorelement 11 aus einem Sauerstoffionen leitenden Festkörperelektrolyt. Das Sensorelement 11 ist beispielsweise aus Zirkonoxid (Zirkonia) ausgebildet, und weist eine plattenartige Form auf, wie es dargestellt ist. Auf Abschnitten von zwei Oberflächen des Sensorelementes 11 sind eine Elektrode 12 auf der Abgasseite und eine Elektrode 13 auf der Atmosphärenseite bereitgestellt, die aus einem Metallmaterial mit einer hohen Katalyseaktivität wie etwa Platin ausgebildet sind. Da die Elektrode 12 auf der Abgasseite auf einer Oberfläche des Sensorelementes 11 bereitgestellt ist, und die Elektrode 13 auf der Atmosphärenseite auf der anderen Oberfläche des Sensorelementes 11 bereitgestellt ist, ist das Sensorelement 11 zwischen den beiden Elektroden sandwichartig angeordnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechen die Elektrode 12 der Abgasseite und die Elektrode 13 der Atmosphärenseite der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bzw. der Elektrode auf der Atmosphärenseite.
Eine durch ein Abstandselement 14 und eine Heizelementschicht 15 umschlossene Ätmosphärenkammer 16 ist auf der äußeren Oberfläche des Sensorelementes 11 ausgebildet. Die Atmosphärenkammer 16 steht in Kommunikation mit der Atmosphäre über ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Atmosphärenloch, so dass die Elektrode 13 auf der Atmosphärenseite der Atmosphäre ausgesetzt bleibt, wenngleich der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 in dem Abgasrohr 3 angeordnet ist.
Die Heizelemente 17 sind in der Heizelementschicht 15 eingebettet. Der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 stellt die Sensorfunktion zum Abtasten oder Erfassen des Luftbrennstoffverhältnisses des Abgases bereit, wenn er eine bestimmte Aktivierungstemperatur erreicht. Die Heizelemente 17 können die Sensorhaupteinheit 10 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur (beispielsweise 700°C) durch die Zufuhr von elektrischer Leistung von einer (nicht gezeigten) externen elektrischen Schaltung erwärmen. Die elektrische Schaltung ist mit dem Motorsteuergerät (ECU) 6 elektrisch verbunden, und die an die Heizelemente 17 zugeführte Leistung wird durch das Motorsteuergerät (ECU) 6 gesteuert.
Eine diffusionssteuernde Schicht 18 ist auf der einen Oberfläche des Sensorelementes 11 zum Bedecken der gesamten Fläche der einen Oberfläche des Sensorelementes 11 und der Elektrode 12 auf der Abgasseite laminiert. Die diffusionssteuernde Schicht 18 ist ein Element aus einem porösen Material wie etwa eine Keramik und weist die Funktion zum Steuern oder Begrenzen der Diffusion des Abgases auf. Im Einzelnen ist die diffusionssteuernde Schicht 11 porös, aber in dem Ausmaße dicht, dass verschiedene Bestandteile in dem Abgas bei einer geeigneten Diffusionsrate diffundieren können. Die diffusionssteuernde Schicht 18 wird derart erzeugt, dass sie im Wesentlichen homogene Eigenschaften bezüglich des Porendurchmessers und -dichte aufweist. Die äußere Form der diffusionssteuernden Schicht 18 ist im Wesentlichen dieselbe wie die des Sensorelementes 11, außer der Form bezüglich der Dickenrichtung.
Dabei sei unter den Oberflächen der diffusionssteuernden Schicht 18 die Oberfläche, mit der die eine Oberfläche des Sensorelementes 11 bedeckt ist, als die „bedeckende Oberfläche” 18a in Bezug genommen, und die Oberfläche gegenüber der bedeckenden Oberfläche 18a sei als die „Oberfläche gegenüber der bedeckenden Oberfläche” 18b in Bezug genommen. Die Oberfläche gegenüber der bedeckenden Oberfläche 18b der diffusionssteuernden Schicht 18 ist mit einer Maskenschicht 19 bedeckt. Die Maskenschicht 19 ist ein dichtes Element aus Aluminiumoxid oder dergleichen, und das Abgas kann nicht durch die Maskenschicht 19 passieren. Folglich wird die Infiltration des Abgases in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch den Abschnitt beschränkt, auf dem die Maskenschicht 19 bereitgestellt ist.
Die Katalysatorschicht 20 ist auf einer Oberfläche (18c) von einem Paar gegenüberliegender Seitenoberflächen (die in der Zeichnung mit den Bezugszeichen 18c und 18d bezeichnet sind) unter den vier Flächen abgesehen von der bedeckenden Oberfläche 18a und der Oberfläche gegenüber der bedeckenden Oberfläche 18b unter den sechs Oberflächen der diffusionssteuernden Schicht 18 bereitgestellt, während die andere Oberfläche (18d) freigelegt ist (weil nämlich keine Katalysatorschicht 20 auf der anderen Oberfläche 18d bereitgestellt ist). Die Katalysatorschicht 20 ist aus einer porösen Schicht aus Aluminiumoxid oder dergleichen zusammengesetzt, die als Katalysatorträger dient, auf der ein Katalysatorbestandteil wie etwa Platin oder Rhodium getragen wird, und weist die Funktion zur Förderung der Oxidation des Wasserstoffbestandteils (H₂) auf.
Dabei sei die Oberfläche 18c, auf der die Katalysatorschicht 20 bereitgestellt ist, als die „Oberfläche mit der Katalysatorschicht” in Bezug genommen, und die Oberfläche 18d, auf der keine Katalysatorschicht 20 bereitgestellt ist, sei als die „Oberfläche ohne Katalysatorschicht” in Bezug genommen. Zudem wird eine Maskenschicht 19 gemäß vorstehender Beschreibung auf dem Paar gegenüberliegender Seitenoberflächen auf der diffusionssteuernden Schicht 18 senkrecht zu der Oberfläche mit der Katalysatorschicht 18c und der Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d bereitgestellt. Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Sensorhaupteinheit 10 wird eine Infiltration und Diffusion des Abgases in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberflächen, auf denen die Maskenschichten 19 bereitgestellt sind, beschränkt. Daher fließt das Abgas in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberfläche mit der Katalysatorschicht 18c und die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d und diffundiert in die diffusionssteuernde Schicht 18. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c und die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d dem erfindungsgemäßen Eingangsabschnitt.
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Prinzips zur Erfassung oder Bestimmung des Luftbrennstoffverhältnisses des Abgases durch den Luftbrennstoffverhältnissensor 5. Das in das Innere der Schutzabdeckung 8 durch Belüftungslöcher 9 eingeführte Abgas fließt in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberfläche mit der Katalysatorschicht 18c und die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d und wandert zu der Elektrode 12 auf der Abgasseite, während es in das Innere der diffusionssteuernden Schicht diffundiert. Das Abgas enthält reduzierende Mittel wie etwa CO, H₂, und HC und oxidierende Mittel wie etwa O₂ und NOx. Diese Bestandteile reagieren miteinander, während sie zu der Oberfläche der Elektrode 12 auf der Abgasseite wandern, und nachdem die Elektrode 12 auf der Abgasseite erreicht ist, bis ein Gleichgewicht erreicht wird. Bei dem Fall, bei dem das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases gleich einem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis (oder einem stöchiometrischen Luftbrennstoffverhältnis) ist, verschwinden sowohl die oxidierenden Mittel als auch die reduzierenden Mittel. Wenn andererseits das Luftbrennstoffverhältnis fett ist, verbleiben die reduzierenden Mittel, und wenn das Luftbrennstoffverhältnis mager ist, verbleiben die oxidierenden Mittel.
Dabei sei der aus der Elektrode 12 der Abgasseite, der Elektrode 13 der Atmosphärenseite und dem zwischen diesen sandwichartig angeordneten Sensorelement 11 zusammengesetzte Abschnitt als die „Zelle 25” in Bezug genommen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine bestimmte Spannung zwischen der Elektrode 12 der Abgasseite und der Elektrode 13 der Atmosphärenseite durch eine (in der Zeichnung nicht gezeigten) Energiezufuhrleitung angelegt. In dem Zustand, bei dem die Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist, wird für den Fall, bei dem oxidierende Mittel in dem Abgas verbleiben, das zu der Oberfläche der Elektrode 12 auf der Abgasseite gelangte O₂ von der Elektrode 12 der Abgasseite zu der Elektrode 13 der Atmosphärenseite gepumpt, wodurch in der Zelle 25 ein Sensorstrom fließt. Bei dem Fall, bei dem reduzierende Mittel um die Elektrode 12 der Abgasseite verbleiben, wird andererseits O₂, das zum Verschwinden der reduzierenden Mittel benötigt wird, von der Elektrode 13 der Atmosphärenseite zu der Elektrode 12 der Abgasseite gepumpt, wodurch in der Zelle 25 ein Sensorstrom fließt.
Da die Diffusionsrate des Abgases durch die diffusionssteuernde Schicht 18 beschränkt ist, gibt es einen Bereich, bei dem der Sensorstromwert trotz eines Anstiegs in der angelegten Spannung auf einen Konstantwert in die Sättigung gerät, und der Sensorstromwert zeigt zu diesem Zeitpunkt eine Charakteristik proportional zu dem Luftbrennstoffverhältnis des Abgases. Dieser Sensorstromwert wird manchmal allgemein als der der „Grenzstromwert” in Bezug genommen. Durch Abtasten dieses Sensorstromwertes kann das Verhältnis der oxidierenden Mittel und der reduzierenden Mittel auf der Oberfläche der Elektrode 12 auf der Abgasseite bestimmt werden, nämlich das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases.
Der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 ist im Einzelnen mit einer Sensorstromwerterfassungsschaltung (nicht gezeigt) versehen, die eine Ausgabe erzeugt, welche den Sensorstromwert angibt. Die Ausgabe von der Sensorstromwerterfassungsschaltung wird in einen (nicht gezeigten) A/D-Wandler in dem Motorsteuergerät (ECU) 6 eingegeben, und das Motorsteuergerät (ECU) 6 bestimmt das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases durch A/D-wandeln des Eingangswertes. Das Motorsteuergerät (ECU) 6 kann den Ausgabewert von der Sensorstromwerterfassungsschaltung in dem Luftbrennstoffverhältnissensor 5 durch Durchführung eines Glättungsvorgangs glätten.
Das von dem Verbrennungsmotor 1 ausgestoßene Abgas enthält H₂. H₂ weist charakteristischerweise eine höhere Diffusionsrate im Vergleich zu den anderen Bestandteilen im Gas, insbesondere O₂, auf. Wenn H₂ in dem in die diffusionssteuernde Schicht 18 diffundierenden Abgas enthalten ist, erreicht daher eine größere Menge des H₂, das eine höhere Diffusionsrate aufweist, die Elektrode 12 der Abgasseite im Vergleich zu O₂.
Das Verhältnis von H₂ und O₂ in dem Abgas ist mit anderen Worten zu dem Zeitpunkt höher, wenn das Abgas die Elektrode 12 auf der Abgasseite erreicht, als zu dem Zeitpunkt, wenn das Abgas in die diffusionssteuernde Schicht 18 eindringt. Da H₂ ein reduzierendes Mittel ist, kann der in der Zelle 25 erzeugte Sensorstromwert als ein zu fetteren Luftbrennstoffverhältnissen verschobener Wert im Vergleich zu dem Luftbrennstoffverhältnis des Abgases um den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 erfasst werden. Das Ausmaß der Verschiebung zu fetteren Luftbrennstoffverhältnissen neigt dazu, mit einem Anstieg der H₂-Konzentration in dem Abgas ebenfalls anzusteigen.
Nachstehend ist die Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung durch den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und dessen Ansprechcharakteristik näher beschrieben. 4 zeigt ein schematisches Diagramm der diffusionssteuernden Schicht 18, der Elektrode 12 auf der Abgasseite und relevante Abschnitte des Luftbrennstoffverhältnissensors 5. Das in das Innere der Schutzabdeckung 8 von dem Abgasrohr 3 fließende Abgas dringt in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberfläche mit der Katalysatorschicht 18c, auf der die Katalysatorschicht 20 bereitgestellt ist, und die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d ein, auf der keine Katalysatorschicht 20 bereitgestellt ist, und diffundiert zu der Elektrode 12 auf der Abgasseite.
Die Diffusionsrichtung des in die diffusionssteuernde Schicht 18 fließenden Abgases durch die Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c ist durch einen Pfeil a dargestellt, und dieses Gas sei als das „in die Katalysatorschicht einfließende Gas bezeichnet. Andererseits ist die Diffusionsrichtung des in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d fließende Abgas durch den Pfeil b dargestellt, und dieses Gas sei als das „nicht in die Katalysatorschicht einfließende Gas” bezeichnet. Das in das Innere der Schutzabdeckung 8 durch die Belüftungslöcher 9 einfließende Gas, das noch nicht die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d oder die Oberfläche der Katalysatorschicht 20 erreicht hat, sei als das „Gas, das den Sensor noch nicht erreichte,” bezeichnet.
Damit das Gas, das den Sensor noch nicht erreichte, in die diffusionssteuernde Schicht 18 durch die Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c einfließt, muss es notwendigerweise die Katalysatorschicht 20 passieren. Folglich wird das in diesem Abgas enthaltene H₂ größtenteils oxidiert, wenn das Abgas durch die Katalysatorschicht 20 passiert. Daher diffundiert das in die Katalysatorschicht einfließende Gas in die Richtung von Pfeil a der Zeichnung in einen Gleichgewichtsgaszustand. In diesem Zusammenhang ändert sich die Balance der oxidierenden Mittel und der reduzierenden Mittel kaum, da das Luftbrennstoffverhältnis des Abgases sich nicht durch die Gleichgewichtsreaktion von H₂ in der Katalysatorschicht 20 ändert, und der H₂-Bestandteil bei dem Diffusionsvorgang des in die Katalysatorschicht einfließenden Gases in die diffusionssteuernde Schicht 18 nicht mehr existiert. Folglich weist das die Oberfläche der Elektrode 20 auf der Abgasseite erreichende Gas ein Luftbrennstoffverhältnis im Wesentlichen gleich zu dem Luftbrennstoffverhältnis des den Sensor noch nicht erreichenden Gases auf, das die Katalysatorschicht 20 noch nicht erreicht hat. Folglich ist die Genauigkeit der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses durch den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 sichergestellt.
Eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 bezüglich der Ansprechcharakteristik sowie der Erfassungsgenauigkeit des Luftbrennstoffverhältnisses ist erwünscht. Da das in die Katalysatorschicht einfließende Gas in die diffusionssteuernde Schicht 18 eindiffundiert, nachdem es bei der Katalysereaktion der Katalysatorschicht 20 verwendet worden ist, verzögert sich die Ankunftszeit des in die Katalysatorschicht einfließenden Gases an der Elektrode 12 auf der Abgasseite ein bisschen. Andererseits kann bei dem Luftbrennstoffverhältnissensor 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das nicht in die Katalysatorschicht einfließende Gas zu der Elektrode 12 auf der Abgasseite durch die Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d ohne ein Passieren durch die Katalysatorschicht 20 befördert werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vermischen sich das in die Katalysatorschicht einfließende Gas, das eine hohe Genauigkeit bei der Luftbrennstoffverhältniserfassung ermöglicht, und das nicht in die Katalysatorschicht einfließende Gas, das eine hohe Ansprechgeschwindigkeit ermöglicht, bei der Elektrode 12 auf der Abgasseite, wodurch die Erfassungsgenauigkeit des Luftbrennstoffverhältnisses verbessert werden kann, und zudem eine gute Ansprechcharakteristik bewahrt werden kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält das nicht in die Katalysatorschicht einfließende Gas H₂. Falls daher die Aufmerksamkeit nur auf die Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung fokussiert wird, kann dieser Sensor bei der Erfassungsgenauigkeit den Luftbrennstoffverhältnissensoren als unterlegen betrachtet werden, bei denen die Katalysatorschicht 20 auch auf der Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d zusätzlich zu der Oberfläche mit der Katalysatorschicht 18c ausgebildet ist, oder den Luftbrennstoffverhältnissensoren, bei denen das gesamte in die diffusionssteuernde Schicht 18 fließende Abgas dazu gebracht wird, durch die Katalysatorschicht 20 zu passieren. Derartige Sensoren leiden jedoch unter einer Verschlechterung bei der Ansprechcharakteristik in der Luftbrennstoffverhältniserfassung. Bei dem Luftbrennstoffverhältnissensor 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird sowohl eine Verbesserung bei der Genauigkeit der Luftbrennstoffverhältniserfassung als auch eine Verbesserung bei der Ansprechcharakteristik erzielt, wodurch die Gesamtleistungsfähigkeit als Luftbrennstoffverhältnissensor verbessert werden kann. Zudem kann eine Reduktion bei den Herstellungskosten für den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 erzielt werden, weil keine Katalysatorschicht 20 auf der Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d bereitgestellt ist.
Verschiedene Änderungen können an dem Bereich erfolgen, über dem sich die auf der Seitenoberfläche der diffusionssteuernden Schicht 18 bereitgestellte Katalysatorschicht 20 erstreckt, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen. Im Einzelnen ist jeglicher Modus akzeptabel, bei dem Abgas, das durch die Katalysatorschicht passierte, und Abgas, das nicht durch die Katalysatorschicht passierte, in die diffusionssteuernde Schicht 18 diffundieren können.
5 zeigt ein Schaubild von einer Abwandlung der Struktur der auf der diffusionssteuernden Schicht 18 bereitgestellten Katalysatorschicht 20. 5 zeigt die Sensorhaupteinheit 11 von der Seite der Maskenschicht 19 aus, mit der die Oberfläche gegenüber der Abdeckungsoberfläche 18b der diffusionssteuernden Schicht 18 bedeckt ist. Gemäß der Zeichnung können die Oberflächen 18c und 18d der diffusionssteuernden Schicht 18 einen Abschnitt mit Katalysatorschicht, auf dem die Katalysatorschicht 20 bereitgestellt ist, sowie einen Abschnitt ohne Katalysatorschicht beinhalten. Die Fläche des Abschnitts mit Katalysatorschicht und die Fläche des Abschnitts ohne Katalysatorschicht können gleich oder voneinander verschieden sein. Das Verhältnis der Fläche des Abschnitts mit Katalysatorschicht zu der Fläche des Abschnitts ohne Katalysatorschicht (das nachstehend als das „Katalysatorschichtverhältnis” in Bezug genommen ist) kann mit anderen Worten passend geändert werden. Es wird bevorzugt, dass das Katalysatorschichtverhältnis gemäß der Balance zwischen dem Genauigkeitsgrad der Luftbrennstoffverhältniserfassung, welches der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 bereitstellen soll, und dessen Ansprechleistungsfähigkeit geändert wird. Falls die Genauigkeit der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses verbessert werden soll, kann das Katalysatorschichtverhältnis erhöht werden, und falls die Ansprechleistungsfähigkeit verbessert werden soll, kann das Katalysatorschichtverhältnis verringert werden.
Die Temperatur der auf der Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c bereitgestellten Katalysatorschicht 20 kann aufgrund der Wärme des Abgases und der Zufuhr von Wärme durch das Heizelement 17 hoch sein. Falls demzufolge ein Sintervorgang oder eine Wärmeverschlechterung in der Katalysatorschicht 20 auftritt, kann in einigen Fällen die Erfassungsgenauigkeit für das Luftbrennstoffverhältnis verschlechtert sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit des Luftbrennstoffverhältnisses durch eine Verschlechterung der Katalysatorschicht 20 reduziert werden, indem die auf einer Einheitsfläche der Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c getragene Katalysatormenge (was die auf einer Einheitsfläche aufgebrachte Katalysatormenge sein kann, und was nachstehend als „getragene Einheitsmenge” in Bezug genommen ist) ausreichend groß ausgebildet wird.
Es wird angenommen, dass die für die Reaktion von H₂ in dem Abgas benötigte Zeit umso länger ist, umso größer die getragene Einheitsmenge der Katalysatorschicht 20 ist. Im Falle des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine gute Ansprechcharakteristik bei der Erfassung des Luftbrennstoffverhältnissensors durch die Gegenwart des nicht in die Katalysatorschicht einfließenden Gases sichergestellt werden, das in die diffusionssteuernde Schicht 18 diffundiert, ohne durch die Katalysatorschicht 20 zu passieren. Da zudem die Kosten reduziert werden können, weil die Katalysatorschicht 20 nicht auf der Oberfläche ohne Katalysatorschicht 18d bereitgestellt ist, führt ein Anstieg in der getragenen Einheitsmenge der Katalysatorschicht 20 auf der Oberfläche mit Katalysatorschicht 18c nicht zu einem Anstieg in den Gesamtkosten im Vergleich zu Luftbrennstoffverhältnissensoren in der Bauart, bei dem das gesamte in die diffusionssteuernde Schicht 18 fließende Abgas dazu gebracht wird, durch die Katalysatorschicht 20 zu passieren.
Der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete Begriff „Luftbrennstoffverhältnissensor 5” bezeichnet allgemein eine Einrichtung, die eine für die Sauerstoffkonzentration in dem Erfassungszielgas indikative physikalische Größe ausgeben kann, um das Luftbrennstoffverhältnis in dem Verbrennungsmotor 1 zu erfassen oder zu messen, und der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 kann beispielsweise ein linearer Luftbrennstoffverhältnissensor, ein O₂-Sensor oder dergleichen sein. Die für die Sauerstoffkonzentration indikative physikalische Größe kann ein Stromwert oder ein Spannungswert sein. Obwohl das Erfassungszielgas bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Abgas des Verbrennungsmotors 1 ist, ist das Erfassungszielgas nicht darauf beschränkt. Das Erfassungszielgas kann beispielsweise die Ansaugluft des Verbrennungsmotors 1 sein.
(Ausführungsbeispiel 2)
Nachstehend ist eine von Ausführungsbeispiel 1 verschiedene Ausführung der Erfindung als erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel beschrieben. Die allgemeine Konfiguration des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und des Verbrennungsmotors 1, auf denen der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 angewendet wird, ist dieselbe wie bei Ausführungsbeispiel 1, und deren Beschreibung ist weggelassen.
Bei dem Verbrennungsmotor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Brennstoffinjektionsmenge, mit der ein Zielluftbrennstoffverhältnis erzielt wird, basierend auf der durch den Luftmengenmesser 23 gemessenen Ansaugluftmenge berechnet werden. Zudem kann das Luftbrennstoffverhältnis durch Einstellen der Brennstoffinjektionsmenge basierend auf dem durch den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 erfassten Luftbrennstoffverhältnis rückkopplungsgesteuert werden.
Durch diese Steuerung kann das Luftbrennstoffverhältnis des gesamten Verbrennungsmotors 1 (was nachstehend als „Gesamtluftbrennstoffverhältnis” in Bezug genommen ist) präzise gesteuert werden. Wenn das Gesamtluftbrennstoffverhältnis zu steuern ist, wird es allgemein derart gesteuert, dass es gleich dem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis (stöchiometrischen Luftbrennstoffverhältnis) wird, so dass die Abgas reinigende Wirkung des Dreiwegekatalysators 4 ausgezeichnet arbeitet. Bei der nachstehenden Beschreibung wird angenommen, dass das Motorsteuergerät (ECU) 6 den Verbrennungsmotor so steuert, dass das Gesamtluftbrennstoffverhältnis gleich dem theoretischen Luftbrennstoffverhältnis wird.
Bei dem Verbrennungsmotor 1 mit vier Zylindern 2 (das heißt, von einem ersten Zylinder #1 bis zu einem vierten Zylinder #4) ist jedoch im Allgemeinen die Länge und Form des mit dem Ansaugrohr 22 verbundenen (nicht gezeigten) Ansaugkrümmers zwischen den Zylindern nicht gleich, und es ist folglich schwierig, die Ansaugluftmengen unter den Zylindern völlig gleich zueinander auszubilden. Da es ferner individuelle Unterschiede unter den Eigenschaften der (nicht gezeigten) Brennstoffinjektionsventile gibt, welche den jeweiligen Zylindern 2 Brennstoff zuführen, ist es außerdem schwierig, die Brennstoffinjektionsmengen unter den Zylindern völlig gleich zueinander auszubilden. Folglich gibt es eine Variation in dem Luftbrennstoffverhältnis unter den Zylindern, was zu Unterschieden bei der H₂-Konzentration im Abgas zwischen den Zylindern führt. Selbst falls das Gesamtluftbrennstoffverhältnis auf das theoretische Luftbrennstoffverhältnis reguliert wird, gibt es aus diesem Grund üblicherweise eine Variation bei dem durch den Luftbrennstoffverhältnissensor 5 erfassten Wert des Luftbrennstoffverhältnisses.
Dabei sei die Größenordnung der Variation des Luftbrennstoffverhältnisses unter den Zylindern als „Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern” in Bezug genommen. Falls das Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern übermäßig groß wird, ergibt sich eine Verschlechterung der Abgasemissionen, oder es werden Fluktuationen im Drehmoment aufgrund der Differenzen bei dem von den Zylindern erzeugten Drehmoment verursacht. In Anbetracht dessen schätzt das Motorsteuergerät (ECU) 6 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern, und falls bestimmt wird, dass der geschätzte Wert in einen exzessiv großen Variationsbereich fällt, wird eine (nicht gezeigte) Warnlampe angeschaltet, um den Fahrer zu warnen. Der exzessiv große Variationsbereich ist ein Bereich, bei dem das Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern als so groß betrachtet wird, dass eine Verschlechterung der Abgasemissionen und/oder Fluktuationen im Drehmoment des Verbrennungsmotors verursacht werden können.
Wenn nach vorstehender Beschreibung das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern groß ist, wird auch die Variation in der H₂-Konzentration in dem von den Zylindern 2 ausgestoßenen Abgas ebenfalls größer. Folglich wird die Fluktuation in dem Ausgaberohwert (das heißt in dem Ausgabewert, auf den noch kein Glättungsvorgang angewandt wurde), der von dem Luftbrennstoffverhältnissensor 5 an das Motorsteuergerät (ECU) 6 eingegeben wird, selbst dann größer, falls das Gesamtluftbrennstoffverhältnis dasselbe ist. In Anbetracht dessen wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Ausgaberohwert des Luftbrennstoffverhältnisses über eine Standardabtastperiode Δtbs überwacht, und die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF, welche die Breite oder Größenordnung der Variation im Ausgaberohwert repräsentiert, wird erhalten.
Die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF im Kontext des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist als ein Absolutwert der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert unter den während der Standardabtastperiode Δtbs erfassten Ausgaberohwerten des Luftbrennstoffverhältnisses definiert. Alternativ kann die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF als der Maximalabsolutwert der Differenz zwischen dem Ausgaberohwert des während der Standardabtastperiode Δtbs erfassten Ausgaberohwerts des Luftbrennstoffverhältnisses und dem Zielluftbrennstoffverhältnis definiert sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF der Variationsbreite im Luftbrennstoffverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern durch Substituieren der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF in eine Kennlinie abgeschätzt, bei der der Zusammenhang zwischen der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF und das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern gemäß 6 gespeichert ist. Gemäß 6 ist der abgeschätzte Wert des Ausmaßes an der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern umso höher, je größer die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF ist. Falls das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern einen spezifischen Wert LM überschreitet, wird geschlussfolgert, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation in den exzessiv großen Variationsbereich fällt.
Dabei sei der Wert der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF entsprechend dem Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern, der genau gleich dem spezifischen Wert LM ist, als die spezifische Variationsbreite ΔAFp bezeichnet. Falls dann die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF die spezifische Variationsbreite ΔAFp überschreitet, wird geschlussfolgert, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern in den exzessiv großen Variationsbereich fällt. Somit dient die spezifische Variationsbreite ΔAFp als die obere Grenze der erlaubbaren Werte der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF bei der Unterdrückung der Verschlechterung von Abgasemissionen und Fluktuationen des Drehmoments des Verbrennungsmotors 1.
Obwohl der Zusammenhang zwischen der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF und dem Ausmaß der Variation im Luftbrennstoffverhältnis unter den Zylindern gemäß 6 linear ist, kann er selbstverständlich eine durch eine Kurve repräsentierte Korrelation aufweisen.
Nachstehend ist eine durch das Motorsteuergerät (ECU) 6 ausgeführte Steuerung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm nach 7 beschrieben. 7 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerroutine bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Diese Routine zeigt ein in einem ROM in dem Motorsteuergerät (ECU) 6 gespeichertes Programm, das in vorbestimmten Intervallen während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 ausgeführt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht das Motorsteuergerät (ECU) 6, das diese Routine ausführt, der Abgasluftbrennstoffverhältniserfassungseinrichtung und der Abschätzungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wenn diese Routine ausgeführt wird, wird zunächst bei Schritt S101 die Zeit Δt, die seit dem Starten des Verbrennungsmotors 1 vergangen ist, durch das Motorsteuergerät (ECU) 6 gelesen, und es erfolgt eine Bestimmung, ob die abgelaufene Zeit Δt gleich oder länger als eine Referenzzeit Δtb ist oder nicht. Die Referenzzeit Δtb kann eine zum Aufwärmen des Verbrennungsmotors 1 erforderliche Zeit oder eine zum Aufwärmen der Sensorhaupteinheit 10 auf eine Aktivierungstemperatur durch das Heizelement 17 des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 erforderliche Zeit sein (das heißt, die zum Aufwärmen des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 erforderliche Zeit), die im Voraus durch Experimente bestimmt sein kann.
Falls bei diesem Schritt die abgelaufene Zeit Δt gleich oder länger als die Referenzzeit Δtb ist, schreitet der Ablauf fort zu Schritt S102. Falls andererseits die abgelaufene Zeit Δt kürzer als die Referenzzeit Δtb ist, wird beschlossen, dass eine Abschätzung des Ausmaßes der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern nicht durchgeführt werden sollte, und der Ablauf wird sofort beendet.
Bei Schritt S102 wird die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF während der Standardabtastperiode Δtbs erhalten. Im Einzelnen wird der Ausgaberohwert des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 über die Referenzabtastperiode Δtbs überwacht. Dabei bezieht sich der Ausgaberohwert nach vorstehender Beschreibung auf den durch A/D-wandeln des Ausgabewertes der Sensorstromerfassungsschaltung des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 durch den in dem Motorsteuergerät (ECU) 6 bereitgestellten A/D-Wandler erhaltenen Wert, auf den noch kein Glättungsvorgang angewandt wurde. Die Standardabtastperiode Δtbs ist eine Periode, über der der Ausgaberohwert für den Erhalt der Breite ΔAF der Variation im Luftbrennstoffverhältnis unter den Zylindern überwacht wird, und kann im Voraus durch Experimente bestimmt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht die Standardabtastperiode Δtbs der erfindungsgemäßen spezifischen Abtastzeit.
Bei Schritt S103 erfolgt eine Bestimmung, ob die Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF größer als die spezifische Variationsbreite ΔAFp ist oder nicht. Falls eine positive Bestätigung erfolgt (nämlich ΔAF > ΔAFp), wird beschlossen, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern in den exzessiv großen Variationsbereich fällt, und der Ablauf schreitet fort zu Schritt S104. Falls andererseits eine negative Bestimmung erfolgt (nämlich, dass ΔAF ≤ ΔAFp ist), wird beschlossen, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern nicht in den exzessiv großen Variationsbereich fällt, und der Ablauf wird sofort beendet. Bei Schritt S104 wird die Warnlampe angeschaltet, um den Fahrer zu benachrichtigen, dass das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern hoch ist. Nach Abschluss des Ablaufs in diesem Schritt wird der Ablauf sofort beendet.
Nach vorstehender Beschreibung wird gemäß dieser Steuerung der Position zum Anbringen des Luftbrennstoffverhältnissensors 5 keine Beschränkung auferlegt, da das Ausmaß der Luftbrennstoffvariation unter den Zylindern basierend auf der Luftbrennstoffverhältnisvariationsbreite ΔAF während der Standardabtastperiode Δtbs abgeschätzt wird, und eine Bestimmung darüber erfolgen kann, ob das Ausmaß der Luftbrennstoffverhältnisvariation in den exzessiv großen Variationsbereich fällt oder nicht. Daher kann der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 an einem weiter stromabwärts gelegenen Ort in dem Abgasrohr 3 angeordnet sein. Dann kann der Luftbrennstoffverhältnissensor 5 vorzugsweise vor einer Benetzung mit kondensiertem Wasser oder Spritzwasser bewahrt werden, das insbesondere während eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors 1 erzeugt werden kann. Wenn diese Steuerung durchgeführt wird, kann das Ausmaß einer Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern in einen beliebigen Betriebszustand ohne eine Vorbedingung abgeschätzt werden, wie etwa dass der Verbrennungsmotor 1 in einem spezifischen Betriebszustand gehalten werden sollte.
Zusammenfassung
Es wird ein Luftbrennstoffverhältnissensor angegeben, mit dem eine Verbesserung bei der Genauigkeit zur Erfassung des Luftbrennstoffverhältnisses eines Erfassungszielgases sowie eine Verbesserung in der Ansprechcharakteristik gleichzeitig erzielt werden kann. Der Sensor beinhaltet ein Sensorelement, das ein das Luftbrennstoffverhältnis eines Erfassungszielgases angebendes Ausgabesignal ausgibt, ein Elektrodenpaar mit einer Elektrode auf einer Erfassungszielgasseite, wo das Erfassungszielgas eingeführt wird, und einer der Atmosphäre ausgesetzten Elektrode auf der Atmosphärenseite, das derart angeordnet ist, dass es das Sensorelement sandwichartig umgibt, einer diffusionssteuernden Schicht, die auf dem Sensorelement derart angeordnet ist, dass sie die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und das Erfassungszielgas von einem Eingangsabschnitt einführt, durch den das Erfassungszielgas zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite einfließt, sowie einer Katalysatorschicht, die auf einem Teil des Eingangsabschnitts bereitgestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-237361 A [0006]
JP 2003-202316 A [0006]
JP 2004-316498 A [0006]
JP 2006-337205 A [0006]

Claims

Luftbrennstoffverhältnissensor, mit: einem Sensorelement, das ein das Luftbrennstoffverhältnis eines Erfassungszielgases angebendes Ausgabesignal ausgibt; einem Elektrodenpaar mit einer Elektrode auf einer Erfassungszielgasseite, auf der das Erfassungszielgas eingeführt wird, sowie einer Elektrode auf einer Atmosphärenseite, welche der Atmosphäre ausgesetzt ist, welches derart angeordnet ist, dass es das Sensorelement sandwichartig umgibt; einer diffusionssteuernden Schicht, die auf dem Sensorelement derart angeordnet ist, dass sie die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und die das Erfassungszielgas von einem Eingangsabschnitt einführt, durch den das Erfassungszielgas zu der Elektrode auf der Erfassungszielgasseite einfließt; und einer Katalysatorschicht, die auf einem Teil des Eingangsabschnitts bereitgestellt ist.
Luftbrennstoffverhältnissensor nach Anspruch 1, wobei: der Eingangsabschnitt auf einem Paar gegenüberliegender Seitenoberflächen von vier Oberflächen bereitgestellt ist, welche von den sechs Oberflächen, die die diffusionssteuernde Schicht definieren, andere Oberflächen als eine Bedeckungsoberfläche, welche die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und als eine Oberfläche gegenüber der Bedeckungsoberfläche sind, und die Katalysatorschicht auf einer Oberfläche des Paars gegenüberliegender Oberflächen bereitgestellt ist, auf der der Eingangsabschnitt bereitgestellt ist, der aber nicht auf der anderen Oberfläche bereitgestellt ist.
Luftbrennstoffverhältnissensor nach Anspruch 1, wobei: der Eingangsabschnitt auf einem Paar gegenüberliegender Seitenoberflächen von vier Oberflächen bereitgestellt ist, welche von den sechs Oberflächen, die die diffusionssteuernde Schicht definieren, andere Oberflächen als eine Bedeckungsoberfläche, welche die Elektrode auf der Erfassungszielgasseite bedeckt, und als eine Oberfläche gegenüber der Bedeckungsoberfläche sind, und ein Abschnitt mit Katalysatorschicht, auf dem die Katalysatorschicht bereitgestellt ist, und ein Abschnitt ohne Katalysatorschicht, auf dem die Katalysatorschicht nicht bereitgestellt ist, auf jeder Oberfläche des Paars gegenüberliegender Oberflächen bereitgestellt ist, auf dem der Eingangsabschnitt bereitgestellt ist.
Steuergerät für einen Verbrennungsmotor, mit: einem Luftbrennstoffverhältnissensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der in einer Abgaspassage eines Mehrzylinderverbrennungsmotors bereitgestellt ist; einer Abgasluftbrennstoffverhältniserfassungseinrichtung zum Erfassen des Luftbrennstoffverhältnisses von einem von dem Mehr zylinderverbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas basierend auf dem durch das Sensorelement ausgegebenen Ausgabesignal; und einer Abschätzeinrichtung für den Erhalt der Variationsbreite bei dem Luftbrennstoffverhältnis während einer spezifischen Abtastzeit und zum Abschätzen des Ausmaßes der Luftbrennstoffverhältnisvariation unter den Zylindern basierend auf der Variationsbreite.