DE19826686A1 - Nach dem Strombegrenzungsprinzip arbeitende Sauerstoffkonzentrationserfassung mit Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Funktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Sauerstoffkonzentration-Er­ fassung unter Verwendung eines nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Sauerstoffkonzentration-Sensors. Die Erfin­ dung kann dazu verwendet werden, das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis eines Luft/Kraftstoff-Gemischs im Abgas einer Brennkraftmaschine zu erfassen.

Eine herkömmliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungs­ vorrichtung verwendet einen Sauerstoffkonzentration-Sen­ sor als einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (vgl. beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffent­ lichung Nr. 55-62349) gemäß Fig. 12. In Fig. 12 umfaßt ein in einer Abgasleitung eines Ottomotors angeordneter Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 80: eine Diffusions- Widerstandsschicht 81, die dem Abgas ausgesetzt ist; eine feste Elektrolytschicht 82, die aus einem bekannten, Sau­ erstoff-Ionen leitenden Oxid hergestellt ist; Elektroden 83a, 83b, die an beiden Seiten der festen Elektrolyt­ schicht 82 angebracht sind; einen Abschnitt 85 zum Bilden einer Atmosphärenkammer 84; und eine Heizeinrichtung 86, die in dem Abschnitt 85 eingebettet ist. In diesem Sensor entspricht die Elektrode 83a einer abgasseitigen Elektro­ de, und entspricht die Elektrode 83b einer atmosphären­ seitigen Elektrode.

Fig. 13A und 13B zeigen das grundlegende Prinzip der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfasssung durch den Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor 80. Im wesentlichen wird ei­ ne Spannung Vp aus einer Leistungsquelle 87 an die Elek­ troden 83a und 83b angelegt und der Wert eines dann flie­ ßenden Stroms erfaßt, wodurch das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis erfaßt wird. D. h., wenn das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis auf der Magerseite bzw. der mageren Seite liegt (weniger Kraftstoff in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch und mehr Sauerstoff in dem Abgas des Motors) wie in Fig. 13A gezeigt, entnimmt der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 80 Sauerstoff aus dem Abgas. In diesem Fall fließen Sau­ erstoff-Ionen (O₂⁻) von der Elektrode 83a in Richtung der Elektrode 83b. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite bzw. fetten Seite liegt (mehr Kraftstoff in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch und weniger Sauerstoff in dem Abgas des Motors), wie in Fig. 13A ge­ zeigt, entnimmt der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 80 unverbrannte Gaskomponenten wie beispielsweise CO aus dem Abgas. In diesem Fall fließen Sauerstoff-Ionen (O₂⁻) von der Elektrode 83b in Richtung der Elektrode 83a. D. h., die Richtung der Sauerstoff-Ionen, die in der festen Elektrolytschicht fließen, wenn das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis auf der Anreicherungsseite liegt, ist entgegenge­ setzt zu der dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt. Ein Grenzstromwert bzw. Strom­ grenzwert Ip ist positiv zur Zeit der Magerseite und ne­ gativ zur Zeit der Anreicherungsseite.

Fig. 14 zeigt eine V-I (Spannungs-Strom-)-Charakteristik bzw. -kennlinie des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 80 mit dem vorstehenden Aufbau. Fig. 14A zeigt eine V-I-Cha­ rakteristik unter einer vorbestimmten Bedingung (mager). Wie in dem Diagramm gezeigt, wird in einer Zone, in der die angelegte Spannung niedrig ist, die Widerstandscha­ rakteristik bzw. -kennlinie der festen Elektrolytschicht 82 erfaßt, und die V-I-Charakteristik zeigt einen propor­ tionalen Zusammenhang. In einem Bereich, in dem die ange­ legte Spannung hoch ist, ist, da die Bewegung von Sauer­ stoff durch die Widerstandsschicht 81 reguliert wird, der Stromwert konstant. Der konstante Stromwert entspricht dem Wert des Grenzstroms. Allgemein wird die Zone, die die Widerstandscharakteristik zeigt, als Widerstand-domi­ nierter Bereich bezeichnet, und wird die Zone, die den Grenzstromwert angibt, als Grenzstromzone bezeichnet.

Fig. 14B und 14C sind Kennliniendiagramme, die die Ände­ rung des Grenzstromwerts Ip entsprechend zu der Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) zeigen. In Über­ einstimmung mit Fig. 14B ändert sich mit einem sich än­ dernden Luft/Kraftstoff-Verhältnis der Grenzstromwert Ip.

Es ist ersichtlich, daß der Wert Ip um so größer wird, je weiter sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf die Mager­ seite verschiebt. Wie durch eine Kennlinie L1 gemäß fig. 14C gezeigt, kann, weil die Beziehung zwischen dem Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis und dem Grenzstromwert Ip eine eins-zu-eins entsprechende bzw. lineare Beziehung ist, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus dem Grenzstromwert Ip erfaßt werden.

Bei der herkömmlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungsvorrichtung tritt jedoch dann, wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, das folgende Problem auf: obwohl Sauerstoff aus der Atmosphä­ renkammer 84 gemäß Fig. 13B entnommen werden muß, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, ist dann, wenn der Anreicherungsgrad hoch ist, ei­ ne große Sauerstoffmenge notwendig. In einem solchen Fall ist die Sauerstoffzufuhr aus der Atmosphäre in die Atmo­ sphärenkammer 84 unzureichend, so daß ein Mangel an Sau­ erstoff in der Atmosphärenkammer 84 entsteht. Wenn ein Sauerstoffmangel in der Atmosphärenkammer 84 vorliegt, strömt kein weiterer Sauerstoff nach, so daß der Grenz­ stromwert Ip nicht genau erfaßt werden kann. Demzufolge verschlechtert sich, wie durch eine Kennlinie L2 in Fig. 14C gezeigt, die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses, wenn das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis auf der Anreicherungsseite liegt. Die Ursache hierfür kann darin bestehen, daß die Leitung zum Ansaugen von Umgebungsluft in die Atmosphärenkammer 84 vorwiegend lang ist und die Atmosphärenkammer 84 nicht über das er­ forderliche Maß hinaus vergrößert werden kann, um eine Temperaturerhöhungscharakteristik des Elements durch die Heizeinrichtung zu gewährleisten.

Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, treten aus ähnlichen Gründen die folgenden Proble­ me auf. D. h., wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, wie in Fig. 13A gezeigt, wird im Gegen­ satz zu dem Fall, in dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff aus dem Ab­ gas in die Atmosphärenkammer 84 geleitet. Demzufolge strömt dann, wenn der Grad der Abmagerung hoch ist, eine große Menge Sauerstoff in die Atmosphärenkammer 84. In einem solchen Fall wird die Abfuhr bzw. Ableitung von Sauerstoff aus der Atmosphärenkammer 84 nach außen unzu­ reichend, so daß ein Sauerstoffüberschuß in der Atmosphä­ renkammer 84 entsteht. Wenn zuviel Sauerstoff in der At­ mosphärenkammer 84 vorhanden ist, wird die Sauerstoffmen­ ge, die durch den festen Elektrolyten in die Atmosphären­ kammer 84 fließt, geregelt, so daß der Grenzstromwert Ip nicht genau erfaßt werden kann. Demzufolge verschlechtert sich, wie durch eine Kennlinie L3 in Fig. 14C gezeigt, die Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhält­ nisses, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Ma­ gerseite liegt.

Andererseits wird in Übereinstimmung mit der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 4-73101, um die Pro­ bleme des Sauerstoffmangels zu meistern, eine Leistungs­ versorgungseinheit zum Zuführen von Sauerstoff in eine Atmosphärenkammer (Referenzgasatmosphäre) bereitgestellt. Wenn sich jedoch die in die feste Elektrolytschicht flie­ ßende Sauerstoffmenge aufgrund der Änderung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses oder der Elementtemperatur än­ dert, kann die Sauerstoffmenge in der Atmosphärenkammer nicht auf einem konstanten Betrag gehalten werden. Demge­ mäß kann der Grenzstromwert Ip nicht genau erfaßt werden, so daß sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses verschlechtert.

In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 61-134656 wird ein luftdichter Raum, der mit einer Atmo­ sphärenkammer (einem Spalt) in Verbindung steht, bereit­ gestellt, um Fluktuationen bzw. Schwankungen der Sauer­ stoffkonzentration in der Atmosphärenkammer zu absorbie­ ren. Da die Größe der Atmosphärenkammer begrenzt ist, ist die Sauerstoffzufuhr aus dem luftdichten Raum in die At­ mosphärenkammer unzureichend. Wenn sich das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis oder die Elementtemperatur stark ändern, verschlechtert sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Obwohl ein Teilspannungs­ wert einer Heizeinrichtungsspannung mit einer positiven Temperaturcharakteristik an die Sauerstoffzufuhreinheit angelegt wird, um die Menge der Sauerstoffzufuhr zu der Atmosphärenkammer in Übereinstimmung mit einer Temperatu­ ränderung einzustellen, hängt der anzulegende Wert von sowohl der Temperaturcharakteristik des Widerstands der Heizeinrichtung als auch von einem Elementwiderstand ab. Demzufolge kann die Sauerstoffmenge, die nur von der Tem­ peraturcharakteristik des Elementwiderstands abhängt, nicht auf einen konstanten Wert gesteuert werden.

Demzufolge kann in den herkömmlichen Anordnungen (gemäß der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 4-73101 und der japanischen ungeprüften Patentveröffent­ lichung Nr. 61-134656) die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer nicht korrekt aufrechterhalten werden, so daß sich die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassung verschlechtert, wenn sich das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis oder die Elementtemperatur ändern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sau­ erstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung sowie ein Sau­ erstoff konzentration-Erfassungsverfahren der eingangs ge­ nannten Art bereitzustellen, welche eine Sauerstoffkon­ zentration genau erfassen können.

Darüber hinaus soll die Erfindung eine Sauerstoffkonzen­ tration-Erfassungsvorrichtung sowie ein Sauerstoffkonzen­ tration-Erfassungsverfahren der eingangs genannten Art bereitstellen, welche dazu geeignet ist, ein Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis eines Luft/Kraftstoffgemischs aus der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Motors über einen weiten Bereich einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Zone zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Sauerstoffkonzen­ tration-Sensor, der als Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet wird. Eine solche Sauerstoffkonzentration-Er­ fassungsvorrichtung ist gekennzeichnet durch: eine Sauer­ stoffkonzentration-Erfassungseinheit, umfassend eine er­ ste feste Elektrolytschicht mit einer Diffusionswider­ standsschicht in Kontakt mit der ersten festen Elektro­ lytschicht, und ein Paar von Elektroden, die auf beiden Seiten der ersten festen Elektrolytschicht angeordnet sind, wobei die erste feste Elektrolytschicht dazu dient, einen Grenzstromwert in Übereinstimmung mit der Konzen­ tration von Sauerstoff in einem zu messenden Gas dann, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, zu erzeugen; eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit, umfas­ send eine zweite feste Elektrolytschicht und ein Paar von Elektroden, die auf beiden Seiten der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildet sind, wobei die Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit dazu dient, Sauerstoff nahe der Elektrode auf einer Referenzgasseite einer Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Einheit zuzuführen oder Sauerstoff an die Elektrode auf der Seite eines zu messenden Gases abzugeben, d. h. Sauerstoff nahe der Elektrode nach außen abzuführen; eine Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines Werts eines Grenzstroms, der in der ersten festen Elektrolytschicht fließt; und eine Steuereinrichtung zum Empfangen des er­ faßten Grenzstromwerts und Steuern der Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhreinheit auf der Grundlage des erfaßten Grenzstromwerts.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner ge­ löst durch ein Sauerstoffkonzentration-Erfassungsver­ fahren, umfassend die Schritte: Anlegen einer ersten Spannung an eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungs­ einheit, die eine erste feste Elektrolytschicht mit Elek­ troden, die auf beiden Seiten der ersten festen Elektro­ lytschicht ausgebildet sind derart, daß ein Grenzstrom in der ersten festen Elektrolytschicht fließt in Überein­ stimmung mit einem Sauerstoffkonzentrationsunterschied in einem zu messenden Gas und einem Referenzgas in einer Re­ ferenzgaskammer; Erfassen eines Werts des Grenzstroms, der in der ersten festen Elektrolytschicht fließt; Anle­ gen einer zweiten Spannung an eine Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit, die eine zweite feste Elektrolytschicht und Elektroden, die auf beiden Seiten der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildet sind derart, daß die Zu­ fuhr/Abfuhr-Einheit der Referenzgaskammer Sauerstoffzu­ führt oder aus dieser abführt, umfaßt; und Steuern der zweiten Spannung in Übereinstimmung mit dem erfaßten Grenzstromwert.

Kurz erklärt fließen bei dem nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor dann, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von dem stöchiometri­ schen Verhältnis auf die Magerseite oder die Anreiche­ rungsseite ändert, Sauerstoff-Ionen in der ersten festen Elektrolytschicht in einer vorbestimmten Richtung, und wird der Fluß der Sauerstoff-Ionen als Grenzstrom erfaßt. Im einzelnen fließen dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis des zu messenden Gases auf der Magerseite liegt, Sauerstoff-Ionen in der ersten festen Elektrolytschicht von der Meßgasseite auf die Referenzgasseite. Demgegen­ über fließen dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des zu messenden Gases auf der Anreicherungsseite liegt, in der ersten festen Elektrolytschicht Sauerstoff-Ionen von der Referenzgasseite auf die Meßgasseite.

Da die Sauerstoff-Zufuhrmenge in der Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit auf der Grundlage des erfaßten Grenzstrom­ werts gesteuert wird, beispielsweise wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, wird die Sauerstoffmenge in Übereinstimmung mit dem Anreiche­ rungsgrad nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite zu­ geführt. Demzufolge werden Fluktuationen der Sauerstoff­ konzentration nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite unterdrückt, und kann Sauerstoff auf geeignete Art und Weise nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite zuge­ führt werden. D. h., die Verschlechterung der Erfassungs­ genauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund des Sauerstoffmangels kann behoben werden.

Da die Sauerstoffabfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit auf der Grundlage des erfaßten Grenzstrom­ werts gesteuert werden kann, beispielsweise wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, kann die Sauerstoffmenge in Übereinstimmung mit dem Grad der Abmagerung aus einem Bereich nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite ausgeleitet werden. Infolgedessen können die Fluktuationen der Sauerstoffkonzentration nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite unterdrückt werden und kann der Zustand des Sauerstoffüberschusses nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite vermieden werden. D. h., die Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund des Sauer­ stoffüberschusses kann behoben werden.

Demzufolge kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einer beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Zone genau erfaßt werden. Ferner braucht die Atmosphärenkammer zum Einlei­ ten des Referenzgases nicht mehr als erforderlich vergrö­ ßert zu werden, und verschlechtert sich die Temperaturer­ höhungscharakteristik des Elements (feste Elektrolyt­ schicht) nicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der beigefügten Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich­ nung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zur Erfas­ sung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 2 einen Querschnitt, der einen in dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel verwendeten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sen­ sor zeigt;

Fig. 3A bis 3D Querschnitte des Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Sensors, der eine Heizeinrichtung aufweist;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm, das eine Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungsvorrichtung zeigt;

Fig. 5 ein Blockdiagramm, das eine Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit ei­ nem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm, das die Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Aus­ führungsbeispiel zeigt;

Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit ei­ ner Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit ei­ ner Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 9 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit ei­ ner Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 10 ein Querschnitt, der einen Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Sensor in Übereinstimmung mit einem sechsten Aus­ führungsbeispiel zeigt;

Fig. 11 ein Querschnitt, der einen Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Sensor in Übereinstimmung mit einem siebten Aus­ führungsbeispiel zeigt;

Fig. 12 ein Querschnitt, der einen herkömmlichen Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor zeigt;

Fig. 13A und 13B Diagramme zum Erklären des Funktions­ prinzips des herkömmlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensors; und

Fig. 14A bis 14C Diagramme zum Erklären von Ausgangscha­ rakteristiken des herkömmlichen Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Sensors.

Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten unter Bezug­ nahme auf die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassung für einen Motor beschrieben. Eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungsvorrichtung gemäß den nachstehenden Ausfüh­ rungsbeispielen dient dazu, das Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis eines Luft/Kraftstoffgemischs, das einem Ottomotor, der in einem Fahrzeug eingebaut ist, zugeführt wird, zu erfassen, und weist einen nach dem Grenzstromprinzip ar­ beitenden Sauerstoffkonzentration-Sensor als einen Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor (A/F-Sensor) zum Ausgeben eines Grenzstroms entsprechend dem Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis zu dieser Zeit auf der Grundlage der Sauerstoff­ konzentration in dem von dem Motor abgegebenen Abgas auf. In den Ausführungsbeispielen wird, um einen Sauerstoff­ mangelzustand oder einen Sauerstoffüberschußzustand in einer Referenzgaskammer (Atmosphärenkammer) zu verhin­ dern, Sauerstoff der Referenzgaskammer zugeführt oder aus dieser abgeführt derart, daß Sauerstoff in der Referenz­ gaskammer auf eine benötigte Menge geregelt wird. Gleiche oder vergleichbare Bezugszeichen werden in den verschie­ denen, in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen verwendet, um gleiche oder vergleichbare Teile zu be­ zeichnen.

Erstes Ausführungsbeispiel

Gemäß Fig. 1, die eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungsvorrichtung zeigt, weist ein Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Sensor 10 eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungseinheit 11, die unter Anlegen einer Spannung durch eine Spannungsversorgungseinheit 20 arbeitet, und eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12, die in Übereinstim­ mung mit einer gesteuerten Variablen von einer Steuerein­ heit 30 arbeitet, auf. Ein Erfassungswert, der durch die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 erhalten wird, d. h. ein Grenzstromwert in Übereinstimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wird durch eine Stromerfas­ sungseinheit 40 erfaßt. Der Stromwert, der durch die Stromerfassungseinheit 40 erfaßt wird, wird in Form eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Werts an einen Mikrocomputer für die Motorsteuerung (ECU) und dergleichen über eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Ausgabeeinheit 50 ausgegeben. Eine Stromerfassungseinheit 60 erfaßt den Wert eines in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms. Die Steuereinheit 30 legt eine gesteuerte Varia­ ble für die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 auf der Grundlage des Grenzstrom-Erfassungswerts der Grenzstrom- Erfassungseinheit 40 und dem Strom-Erfassungswert der Strom-Erfassungseinheit 60 fest und steuert eine Sauer­ stoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge in der Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit 12 über die gesteuerte Variable. In dem Ausführungsbeispiel entspricht der Wert des in der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms der ge­ steuerten Variablen aus der Steuereinheit 30.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Sensor 10 selbst in einem Abgas als einem zu messen­ den Gas angeordnet. Die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungseinheit 11 umfaßt: eine Diffusions-Widerstands­ schicht 13, die aus einem wärmeresistenten anorganischen Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Silika, Spinell oder Mullit hergestellt ist; eine feste Elektrolytschicht (erste feste Elektrolytschicht) 14, die aus einem Sauerstoff-Ionen leitenden Oxid-Sinterkörper hergestellt ist, der in einem Material wie beispielsweise ZrO₂, HfO₂, ThO₂ und Bi₂O₃ unter Verwendung eines als Sta­ bilisator verwendeten Materials wie beispielsweise CaO, MgO und Yb₂O₃ fest-gelöst ist; und ein Paar von oberen und unteren Elektroden 15a und 15b, die an der festen Elektrolytschicht 14 befestigt sind.

Die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 umfaßt: eine fe­ ste Elektrolytschicht (zweite feste Elektrolytschicht) 16, die aus demselben Material wie die feste erste Elek­ trolytschicht 14 hergestellt ist; und ein Paar von oberen und unteren Elektroden 15c und 15d, die an der zweiten festen Elektrolytschicht 16 befestigt sind.

Eine isolierende keramische Schicht 17 zum Unterteilen einer Atmosphärenkammer 18 ist zwischen den festen Elek­ trolytschichten 14 und 16 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungseinheit 11 und der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr- Einheit 12 angeordnet. Die isolierende keramische Schicht 17 besteht aus einem wärmeresistenten anorganischen Mate­ rial wie beispielsweise Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Sikila, Spinell oder Mullit. Obwohl das Material dasselbe ist wie dasjenige der Diffusionswiderstandsschicht 13, gelangt durch dieses kein Sauerstoff hindurch, da die Dichte des Materials höher ist als diejenige der Diffusi­ onswiderstandsschicht 13.

In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 sind die Elektroden 15b und 15c in der Atmosphärenkammer 18 ange­ ordnet und entsprechen den Elektroden auf der Atmosphä­ renseite (den Elektroden auf der Referenzgasseite). Die Elektroden 15a und 15d entsprechen den Elektroden auf der Abgasseite (den Elektroden auf der Seite des zu messenden Gases). Die Elektroden 15a bis 15d sind aus einem Edelme­ tall mit hoher katalytischer Aktivität wie beispielsweise Platin hergestellt und sind als poröse chemische Plattie­ rung auf beiden Seiten jeder der Elektrolytschichten 14 und 16 ausgebildet. Die Dicke jeder der Elektroden 15a bis 15d beträgt etwa 0,5 bis 2,0 µm.

Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 benötigt eine Heizeinheit zum Aktivieren des Sensors 10. In Überein­ stimmung mit dem Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 3A gezeigt, eine Heizeinrichtung 19 in die feste Elektrolyt­ schicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsein­ heit 11 eingebettet, und wird eine Spannung von einer (nicht gezeigten) Leistungsquelle der Heizeinrichtung 19 zugeführt. Eine Steuerung der elektrischen Leistung und eine Rückkopplungssteuerung für die Heizeinrichtung 19 werden in Übereinstimmung mit dem Widerstand in einem Element (der Elementtemperatur) auf bekannte Art und Wei­ se durchgeführt.

Alternativ zu Fig. 3A kann die Heizeinrichtung 19 auch wie in Fig. 3B, 3C oder 3D gezeigt angeordnet werden. Ge­ mäß Fig. 3B ist die Heizeinrichtung 19 in der Diffusions­ widerstandsschicht 13 eingebettet. Gemäß Fig. 3C ist die Heizeinrichtung 19 in eine isolierende Platte P zwischen den beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 eingebet­ tet. Ein durchgehendes Loch P1 ist in der isolierenden Platte P ausgebildet, und die oberen und unteren Atmo­ sphärenkammern 18 stehen über das durchgehende Loch P1 miteinander in Verbindung. Gemäß Fig. 3D ist die Heizein­ richtung 19 in einer Trennwand Q auf der Außenseite der festen Elektrolytschicht 16 angeordnet. Ein durchgehendes Loch Q1 ist in der Trennwand Q ausgebildet, und die unte­ re Seite der festen Elektrolytschicht 16 wird über das durchgehende Loch Q1 dem Abgas ausgesetzt. Um die Tempe­ raturerhöhungscharakteristik der Heizeinrichtung 19 zu gewährleisten und eine schnelle Aktivierung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensors 10 zu realisieren, ist es wünschenswert, die Heizeinrichtung 19 nahe der festen Elektrolytschicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungseinheit 11 anzuordnen.

Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm der Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem Ausführungs­ beispiel. Die Spannungsversorgungseinheit 20 legt eine vorbestimmte Spannung an die Elektroden 15a und 15b an, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch die Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 oder den Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor 10 zu erfassen ist. Im ein­ zelnen wird in der Spannungsversorgungseinheit 20 eine konstante Leistungsversorgungsspannung Vcc durch Wider­ stände 21 und 22 geteilt, und wird die resultierende ge­ teilte Spannung V0 einem nicht invertierenden Eingangsan­ schluß eines Operationsverstärkers 23 zugeführt. Die kon­ stante Leistungsversorgungsspannung Vcc wird ferner durch Widerstände 24 und 25 geteilt, und die resultierende ge­ teilte Spannung Vp1 wird einem nicht invertierenden Ein­ gangsanschluß eines Operationsverstärkers 26 zugeführt. Die Spannungen V0 und Vp1 werden über die Operationsver­ stärker 23 bzw. 26 an die Elektroden 15a und 15b des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 angelegt. In der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 fließt der Grenzstrom in der festen Elektrolytschicht 14 auf­ grund des Flusses von Sauerstoff-Ionen in Übereinstimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit und wird durch einen Stromerfassungswiderstand 41 der Strom­ erfassungseinheit 40 als ein Grenzstromwert Ip1 erfaßt. Der Grenzstromwert IP1 wird über einen Analog/Digital (A/D)-Umsetzer 50, der als Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Ausgabeelement dient, an einen Mikrocomputer (MC) 51 aus­ gegeben. Der Widerstandswert des Stromerfassungswider­ stands 41 ist r.

Andererseits steuert die Steuereinheit 30 die Sauerstoff­ menge in der Atmosphärenkammer 18 bei jedem beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Im einzelnen weist die Steu­ ereinheit 30 eine Schaltung zum Steuern des zwischen den Elektroden 15c und 15d fließenden Stroms auf. Die Steuer­ einheit 30 ist unter Verwendung von Operationsverstärkern 31 und 32 als Spannung-Strom-Umwandlungseinheit aufge­ baut. Beide Enden des Stromerfassungswiderstands 41 sind mit zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 31 über eine mittels Operationsverstärkern 33 und 34 aufge­ baute Spannungsfolgerschaltung verbunden. Der Wider­ standswert jedes der Widerstände 35 und 36 ist R1, und der Widerstandswert jedes der Widerstände 37 und 38 ist R2. Der in der festen Elektrolytschicht 16 in der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließende Strom wird durch einen Stromerfassungswiderstand 61 in der Stromerfas­ sungseinheit 60 erfaßt. Der Widerstandswert des Stromer­ fassungswiderstands 61 ist r'.

In diesem Fall wird dann, wenn die Widerstandswerte der Widerstände 35 und 36 R1 sind und die Widerstandswert der Widerstände 37 und 38 R2 sind, der Stromwert Ip2, der in der festen Elektrolytschicht 16 der Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit 12 fließt, gemäß dem folgenden Ausdruck ge­ steuert:

Ip2 = (Ip1.r)/r'

Wenn der Widerstandswert (r) des Stromerfassungswider­ stands 41 und der Widerstandswert (r') des Stromerfas­ sungswiderstands 61 gleich sind, ist die folgende Bezie­ hung erfüllt:

Ip2 = Ip1

Die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung ge­ mäß diesem Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt.

In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 wird eine vorbestimmte Anlegespannung Vp1-V0 an das Paar von Elektroden 15a und 15b in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungseinheit 11 angelegt, und der Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Sensor 10 gibt den Grenzstrom Ip in Überein­ stimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit aus. Der Grenzstromwert Ip wird als Spannung an dem Stromerfassungswiderstand 41 in der Stromerfassungsein­ heit 40 erfaßt, und der erfaßte Werte wird über den A/D-Um­ setzer 50 an den Mikrocomputer 51 ausgegeben.

Der erfaßte Grenzstromwert Ip wird durch die Steuerein­ heit 30 angelegt. In diesem Fall wird der Wert Ip2 des in der festen Elektrolytschicht 16 auf der Sauerstoff-Zu­ fuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms so gesteuert, daß er gleich dem Wert Ip1 des in der festen Elektrolyt­ schicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsein­ heit 11 wird. Demzufolge werden die Sauerstoffmengen, die durch die beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 hindurchgelangen, gleich. Auch dann, wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf entweder die Magerseite oder die An­ reicherungsseite verschoben wird, wird der Sauerstoffteil­ druck in der Atmosphärenkammer 18 auf Konstanz gesteuert.

D. h., daß in dem Fall, in dem Sauerstoff im Abgas durch die feste Elektrolytschicht 14 in der Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungseinheit 11 in die Atmosphärenkammer 18 gesaugt wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, Sauerstoff aus der Atmosphärenkam­ mer 18 durch die feste Elektrolytschicht 16 in der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 nach außen abgeführt wird. In dem Fall, in dem Sauerstoff in der Atmosphärenkammer 18 durch die feste Elektrolytschicht 14 in der Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 verbraucht wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anrei­ cherungsseite liegt, wird Sauerstoff durch die feste Elektrolytschicht 16 in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Ein­ heit 12 zwangsweise dem Abgas entnommen und in die Atmo­ sphärenkammer 18 geleitet. Demzufolge kann der Sauer­ stoffteildruck in der Atmosphärenkammer 18 immer konstant gehalten werden.

In der Steuereinheit 30 wird dann, wenn eine Rückkopp­ lungsschleife durch eine Anlegespannung Vp2 und den Stromwert Ip2 gebildet wird, ein gegenkoppelndes System derart, daß dann, wenn der Stromwert Ip2 zunimmt, die An­ legespannung Vp2 reduziert wird, um den Wert Ip2 auf Kon­ stanz zu steuern, aufgebaut. In Übereinstimmung mit die­ sem Aufbau ändert sich dann, wenn sich der Innenwider­ stand Ri der festen Elektrolytschicht 16 ändert, der Stromwert Ip2 entsprechend. Wenn beispielsweise die Tem­ peratur des Abgases zu einem Zeitpunkt eines Überlastbe­ triebs des Motors schwankt, nimmt der Innenwiderstand Ri der festen Elektrolytschicht 16 ab, nimmt der Wert Ip2 zu und nimmt das Potential an einem Punkt A an einem Ende des Stromerfassungswiderstands 61, d. h. die Anlegespan­ nung Vp2, ab. Das Ausgangssignal des Operationsverstär­ kers 32 und auch dasjenige des Operationsverstärkers 31 verringern sich entsprechend. Infolgedessen wird die Zu­ nahme des Werts Ip2 unterdrückt und wird der Wert Ip2 auf einem vorbestimmten Wert gehalten. Somit überwachen die Operationsverstärker 31 und 32 in der Steuereinheit 30 den Steuerstrom.

In Übereinstimmung mit dem vorstehend im einzelnen be­ schriebenen Ausführungsbeispiel können die folgenden Wir­ kungen erhalten werden.

• (A) Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der Grenzstromwert Ip1, der in der festen Elektrolytschicht 14 fließt, er­ faßt und wird die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 auf der Grundlage des Grenzstromwerts Ip1 gesteuert. In Überein­ stimmung mit diesem Betriebsablauf wird die Fluktuation der Konzentration von Sauerstoff in der Atmosphärenkammer 18 unterdrückt, und führt die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr- Einheit 12 Sauerstoff in korrekter, geeigneter Weise zu oder ab. D.h. beispielsweise, daß die Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisses aufgrund des Sauerstoffmangels wie durch die Kennlinie L2 in Fig. 14C gezeigt oder die Verschlechte­ rung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses aufgrund eines Sauerstoffüberschusses wie durch die Kennlinie L3 in Fig. 14C gezeigt behoben und beseitigt wird. Demzufolge kann das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis in einer beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungszone erfaßt werden. Die Atmosphärenkammer 18 braucht nicht mehr als erforderlich vergrößert zu werden, und die Temperaturerhöhungscharakteristik des Elements (der festen Elektrolytschicht 14) wird nicht verschlech­ tert.
• (B) Insbesondere wird in dem Ausführungsbeispiel die Sau­ erstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zu­ fuhr/Abfuhr-Einheit 12 durch variables Festlegen eines Steuersollwerts des in der festen Elektrolytschicht 16 in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms gesteuert. Im einzelnen wird der Wert Ip1 des Grenz­ stroms, der in der festen Elektrolytschicht 14 fließt, als Steuersollwert des Stroms verwendet. In Übereinstim­ mung mit dieser Steuerung werden die Sauerstoffmengen, die in den festen Elektrolytschichten 14 und 16 strömen, immer gleich gehalten, wird die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer 18 stabilisiert und kann die Ge­ nauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verbessert werden, wie vorstehend erwähnt.
• (C) Der Stromwert Ip2 der festen Elektrolytschicht 16 wird erfaßt und auch überwacht, und der Wert wird immer auf dem Sollwert gehalten. In diesem Fall kann beispiels­ weise auch dann, wenn sich die Elementtemperatur (die Temperatur der festen Elektrolytschicht 16) zu einem Zeitpunkt, in dem der Motor mit hoher Last betrieben wird, oder aufgrund einer Kraftstoffabschaltung schnell ändert, die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhr durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 stabilisiert werden.
• (D) Darüber hinaus ist in Übereinstimmung mit dem Ausfüh­ rungsbeispiel die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 durch ein negativ koppelndes bzw. gegenkoppelndes System aufgebaut. Im Unterschied zu einer bekannten, existieren­ den Anordnung mit einem positiv koppelnden bzw. mitkop­ pelnden System (beispielsweise ein nach dem Zweizellen­ prinzip arbeitender Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor) kann ein Nachteil dahingehend, daß ein Stromwert oder ein Spannungswert oszilliert, beseitigt werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird ein zweites Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 beschrieben.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Stromerfassungsein­ heit 60 zum Erfassen des in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr- Einheit 12 in dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 fließenden Stroms weggelassen. In diesem Fall ermittelt die Steuereinheit 30 die gesteuerte Variable für die Sau­ erstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 anhand des Grenzstrom­ werts, der durch die Stromerfassungseinheit 40 erfaßt wird. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Wert der an die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 angelegten Spannung der gesteuerten Variablen der Steuereinheit 30.

Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm der Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem Ausführungs­ beispiel. Nur die Steuereinheit 30 in dem Diagramm unter­ scheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Steuereinheit 30 multipliziert den Grenzstromwert Ip (den Unterschied zwischen den Spannungen an beiden Enden des Widerstands 41), der durch den Stromerfassungswiderstand 41 erfaßt wird, mit einer Konstanten in einer Differenz­ verstärkerschaltung 301 durch einen Operationsverstärker.

Eine Anlegespannung Vp2, die durch die Multiplikation mit einer Konstanten in der Differenzverstärkerschaltung 301 erhalten wurde, wird als gesteuerte Variable verwendet und wird der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 zuge­ führt. Der Widerstandswert jedes von Widerständen 302 und 303 in dem Diagramm ist R1, und der Widerstandswert jedes von Widerständen 304 und 305 ist R2. In diesem Fall er­ hält die Differenzverstärkerschaltung 301 einen Offset durch eine Referenzspannung Vp1, die an die Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 angelegt wird.

Mit diesem Schaltungsaufbau wird dann, wenn der Wert des Innenwiderstands der festen Elektrolytschicht 16 auf Ri gesetzt wird, die Anlegespannung Vp2 als gesteuerte Va­ riable der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 wie folgt erhalten:

Vp2 = Ip2.Ri + Vp1

Der Wert Ip2 des in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms hat die nachstehende Beziehung zu dem Wert Ip1 des in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungseinheit 11 fließenden Grenzstroms:

Ip2 = (Ip1.r.R2)/(Ri.R1)

In einem solchen Fall werden dann, wenn der Verstärkungs­ faktor (R2/R1) der Differenzverstärkerschaltung 301 so festgelegt wird, daß er gleich dem Verhältnis (Ri/r) des Innenwiderstands Ri der festen Elektrolytschicht 16 und des Widerstandswerts (r) der Stromerfassungseinheit 41 ist, der Wert Ip1 und der Wert Ip2 aneinander angegli­ chen. Wenn diese gleich sind, sind die Sauerstoffmengen, die in den festen Elektrolytschichten 14 und 16 strömen, gleich. Demzufolge kann auch dann, wenn sich das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis ändert, der Sauerstoffteildruck in der Atmosphärenkammer 18 konstant gehalten werden.

Die Anlegespannung Vp2 der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr- Einheit 12 wird wie folgt erhalten:

Vp2 = Ip1.r.(R2/R1) + Vp1 = Ip1.r.(Ri/r) + Vp1

Der Wert des Innenwiderstands Ri der festen Elektrolyt­ schicht 16 ist ein bekannter Wert. Es ist ausreichend, daß der Wert dann, wenn der Sensor aktiv ist, etwa 30 Ω beträgt.

In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die angelegte Spannung Vp2 an dem Paar von Elektroden 15c und 15d, die auf der festen Elektrolytschicht 16 ausgebildet sind, ge­ steuert, wodurch die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 gesteuert wird. Demzufolge wird ein Nachteil dahingehend, daß sich die Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ ses aufgrund eines Sauerstoffmangels oder eines Sauer­ stoffüberschusses in der Atmosphärenkammer 18 (Referenz­ gasseite) ändert, beseitigt.

In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auch dann mit hoher Genauig­ keit erfaßt werden, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis ändert, so lange die Beziehung (R2/R1) = (Ri/r) in dem aktiven Zustand des Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensors 10 aufrecht erhalten werden kann. Wenn jedoch an­ genommen wird, daß sich die Elementtemperatur (die Tempe­ ratur der festen Elektrolytschicht 16) schnell ändert und (R2/R1) ≠ (Ri/r) wird, kann der Wert Vp2 nicht auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden.

In einem praktischen Betriebsablauf ist deshalb zu bevor­ zugen, den Wert von (R2/R1) variabel zu steuern, um die Beziehung (R2/R1) = (Ri/r) auch dann aufrechtzuerhalten, wenn sich der Innenwiderstand Ri der festen Elektrolyt­ schicht 16 die Änderung der Elementtemperatur begleitend ändert.

Da das zweite Ausführungsbeispiel einen Aufbau dahinge­ hend aufweist, daß die angelegte Spannung Vp2 der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 im Gegensatz zu der be­ kannten, existierenden Anordnung mit einem positiven Rückkopplungssystem (beispielsweise ein nach dem Zweizel­ lenprinzip arbeitender Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor) offen gesteuert wird, kann das Auftreten der Oszillation des Strom- oder Spannungswerts beseitigt werden.

Drittes Ausführungsbeispiel

In diesem Ausführungsbeispiel sind, wie in Fig. 7 ge­ zeigt, ein Widerstand 62 und eine Diode 63 parallel zu dem Stromerfassungswiderstand 61 in der Stromerfassungs­ einheit 60 geschaltet.

In Übereinstimmung mit diesem Aufbau strömen dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff-Ionen durch die in Fig. 4 gezeigte fe­ ste Elektrolytschicht 16 und bewegen sich in die Atmo­ sphärenkammer 18, wodurch ein Strom zu beiden Widerstän­ den 61 und 62 hin fließt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis auf der Magerseite liegt, werden Sauerstoff-Ionen in der entgegengesetzten Richtung bewegt, so daß demzu­ folge ein Strom nur in den Widerstand 61 fließt. Falls die nachstehende Beziehung zwischen den Widerstandswerten r und r' der Widerstände 61 und 62 und dem Widerstands­ wert (r) des Widerstands 41 gemäß Fig. 4:

r'.r/(r + r') < r < r'

erfüllt ist, wenn Sauerstoff-Ionen durch die erste feste Elektrolytschicht 14 gemäß Fig. 4 hindurchtreten und sich in die Atmosphärenkammer 18 bewegen (wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt), wird

Ip2 < Ip1

aus der Beziehungsgleichung der Werte Ip1 und Ip2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Demgegenüber wird dann, wenn sich Sauerstoff-Ionen aus der Atmosphä­ renkammer 18 zu der ersten festen Elektrolytschicht 14 hin bewegen (wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt),

Ip2 < Ip1

erhalten.

D. h., wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Mager­ seite liegt, wird die durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr- Einheit 12 abgeführte Sauerstoffmenge auf eine verhält­ nismäßig kleine Menge reguliert. Wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, wird die Zufuhr einer verhältnismäßig großen Sauerstoffmenge zugelassen. Demzufolge wird auch dann, wenn eine Tendenz dahingehend besteht, daß Sauerstoff in der Atmosphären­ kammer 18 im Überschuß vorhanden ist, ein Sauerstoffman­ gel nicht ausgelöst. In diesem Fall kann, da die Erfas­ sung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses selbst auch in ei­ nem Zustand überschüssigen Sauerstoffs fortgesetzt werden kann, die denkbar schlechteste Situation derart, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufgrund des Sauerstoffmangel­ zustands nicht erfaßt werden kann, vermieden werden. Wenn r = r angenommen wird, kann auch ein Aufbau dahingehend vorgesehen sein, daß Ip2 = Ip1, wenn das Luft/Kraftstoff- Verhältnis auf der Magerseite liegt.

Kurz erklärt kann, obwohl der Grenzstromwert abweicht, wenn in der Atmosphärenkammer 18 ein Sauerstoffüberschuß vorliegt, eine Änderung des Stromwerts (des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses) in ausreichender Art und Weise ein­ gelesen werden, so daß die Steuerung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses in der elektronischen Steuereinheit ECU kontinuierlich durchgeführt werden kann. Demgegenüber kann dann, wenn ein Sauerstoffmangel in der Atmosphären­ kammer 18 vorliegt, die Änderung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses nicht eingelesen werden, da sich der Grenz­ strom auch dann nicht ändert, wenn das Luft/Kraftstoff- Verhältnis auf die Anreicherungsseite verschoben wird. Demzufolge kann die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisses nicht durchgeführt werden, so daß befürchtet werden muß, daß ein Nachteil dahingehend, daß die Fahrei­ genschaften oder der Kraftstoffverbrauch verschlechtert werden, bewirkt wird. Aus den vorstehenden Gründen ist es wünschenswert, daß Sauerstoff in der Atmosphärenkammer 18 eher in einem Überschußzustand als in einem Mangelzustand vorliegt. Falls ein Sauerstoffüberschußzustand in der At­ mosphärenkammer 18 vorliegt, kann der Einfluß auf die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses minimiert werden.

Viertes Ausführungsbeispiel

In dem vierten Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, eine entgegengesetzt gerichtete Diode 65 an dem Ausgang des Operationsverstärkers 31 hinzugefügt, so daß die Richtung des in der zweiten festen Elektrolytschicht 16 fließenden Stroms spezifiziert ist.

In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 wird dann, wenn Sauerstoff aus der Atmosphärenkam­ mer 18 auf die Außenseite der ersten festen Elektrolyt­ schicht 16 geleitet wird, d. h. nur dann, wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 der Atmosphärenkammer 18 zugeführt. D. h., der Sauerstoff­ mangelzustand der Atmosphärenkammer 18 wird auf die Zeit begrenzt, für die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt. Durch Zulassen, daß der Sauer­ stoffzuführvorgang nur in einem solchen Fall durchgeführt wird, kann eine nachteilige Wirkung auf die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unterdrückt werden.

Im Fall der Fig. 8 werden durch Angleichen des Werts r' des Widerstands des Stromerfassungswiderstands 61 an den Wert r des Widerstands des Stromerfassungswiderstands 41 gemäß Fig. 4 (r' = r) die Sauerstoffmengen, die in den beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 strömen, gleich, so daß die Sauerstoffkonzentration in der Atmo­ sphärenkammer 18 konstant gehalten werden kann. Falls (r' < r) kann auf eine Art und Weise ähnlich der gemäß Fig. 7 die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkam­ mer 18 immer auf einem Überschußniveau gehalten werden.

Fünftes Ausführungsbeispiel

In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 9 gezeigt, eine Diode 66 in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung des Aus­ gangs des Operationsverstärkers 31 vorgesehen.

In Übereinstimmung mit Fig. 9 wird dann, wenn Sauerstoff von der Außenseite der ersten festen Elektrolytschicht 14 in die Atmosphärenkammer 18 geführt wird, d. h. nur dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, Sauerstoff durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Ein­ heit 12 aus der Atmosphärenkammer 18 abgeführt. D.h., der Sauerstoffüberschußzustand der Atmosphärenkammer 18 wird auf die Zeit begrenzt, für die das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis auf der Magerseite liegt, so daß der Sauerstoff­ abfuhrvorgang nur in einem solchen Fall zugelassen wird. Beispielsweise kann dann, wenn der Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Sensor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einen Sensor wie beispielsweise einen Magersensor, bei dem die Erfassungsgenauigkeit auf der Anreicherungs­ seite nicht benötigt wird, angewandt wird, durch vollkom­ menes Vermeiden des Sauerstoffüberschußzustands in der Atmosphärenkammer 18 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (die Sauerstoffkonzentration) zur Zeit der Erfassung auf der Magerseite mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

In diesem Ausführungsbeispiel werden, wie in Fig. 10 ge­ zeigt, die feste Elektrolytschicht 14 in der Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und die feste Elek­ trolytschicht 16 in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 als eine gemeinsame feste Elektrolytschicht 71 verwen­ det. In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 ist eine isolierende Platte 72 mit nahezu derselben Größe wie die der festen Elektrolytschicht 71 unter der festen Elektro­ lytschicht 71 vorgesehen, und ist die Atmosphärenkammer 18 durch Trennwände 73 unterteilt zwischen der festen Elektrolytschicht 71 und der isolierenden Platte 72 vor­ gesehen.

Siebtes Ausführungsbeispiel

In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 gemäß Fig. 112 ist keine Atmosphärenkammer 18 zwischen der Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 vorgesehen. Die Elektroden 15b und 15c auf der Atmosphärenseite der Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und der Sauerstoff-Zu­ fuhr/Abfuhr-Einheit 12 werden gemeinsam als eine Elektrode 15e (Elektrode auf der Referenzgasseite) verwendet.

In jedem der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 10 oder 11 werden Vorteile ähnlich denen des Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Sensors gemäß Fig. 2 erhalten. D. h., daß in Über­ einstimmung mit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfas­ sungsvorrichtung, die den Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Sensor 10 gemäß Fig. 10 oder 11 verwendet, der Nachteil dahingehend, daß sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund eines Sauerstoff­ mangels oder eines Sauerstoffüberschusses auf der Refe­ renzgasseite verschlechtert, beseitigt werden kann. Eine hervorragende Wirkung derart, daß das Luft/Kraftstoff- Verhältnis in einer beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungszone genau erfaßt werden kann, kann erzielt werden. Insbesondere kann in Übereinstimmung mit Fig. 11 die Größe des Sensors verringert werden, da die Atmosphä­ renkammer 18 nicht benötigt wird.

Obwohl die Steuereinheit 30 zum Steuern der Sauerstoff­ menge in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 in den vorangehenden Ausführungsbeispielen als analoge Schaltung ausgestaltet ist, kann diese auch als Software durch ei­ nen Mikrocomputer oder dergleichen ausgestaltet werden. In diesem Fall empfängt der Mikrocomputer den Grenzstrom­ wert Ip in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsein­ heit 11 und steuert die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhr­ menge durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 in Übereinstimmung mit dem Wert Ip.

Obwohl die Spannung, die an die Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungseinheit 11 angelegt wird (beispielsweise V0 und Vp1 gemäß Fig. 4) in den vorangehenden Ausführungs­ beispielen konstant festgelegt wird, kann die Anlegespan­ nung auch variabel gesteuert werden. Beispielsweise kann dann, wenn die Anlegespannung derart gesteuert wird, daß sie der Grenzstromzone, die sich aufgrund der Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses oder der Änderung der Elementtemperatur ändert, nachfolgt, und dann, wenn die Anlegespannung alternierend geändert wird, um den Innen­ widerstand der festen Elektrolytschicht 14 zu erfassen, ein Aufbau, bei dem die Anlegespannung variabel gesteuert wird, auch verwendet werden. Mit einem derartigen Aufbau kann gleichfalls die Aufgabe der Erfindung auf eine zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen vergleichbare Art und Weise gelöst werden.

Wie vorstehend beschrieben wurde, weist eine Erfassungs­ einheit 11 eines als Luft/Kraftstoff-Sensor 10 arbeiten­ den Sauerstoffsensors eine feste Elektrolytschicht 14 und eine Diffusions-Widerstandsschicht 13 auf und erzeugt einen Stromwert in Übereinstimmung mit der Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas durch Anlegen einer Span­ nung über Elektroden 15a, 15b auf einer Abgasseite und einer Atmosphärenseite der festen Elektrolytschicht. Eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 weist eine feste Elektrolytschicht 16 und ein Paar von Elektroden 15c, 15d, die auf beiden Seiten der festen Elektrolytschicht ausgebildet sind, auf, und führt Sauerstoff nahe der Elektrode (Atmosphärenkammer) auf der Atmosphärenseite der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit zu oder führt Sauerstoff nahe der Elektrode ab. Eine Steuerein­ richtung 30 steuert, in Antwort auf einen Grenzstromwert Ip, der durch eine Stromerfassungseinheit 20 erfaßt wird, die Menge der Zufuhr oder Abfuhr von Sauerstoff durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit auf der Grundlage des erfaßten Stromwerts. Ein Steuersollwert eines Stroms, der in der festen Elektrolytschicht fließt, wird variabel festgelegt derart, daß die Menge von Sauerstoff, die sich in die festen Elektrolytschichten bewegt, gleich sind, wodurch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Menge der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit gesteuert wird.

Claims (14)

1. Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungseinheit (11), umfassend eine erste feste Elektrolytschicht (14) mit ei­ ner Diffusionswiderstandsschicht (13) in Kontakt mit der ersten festen Elektrolytschicht, und Elektroden (15a, 15b, 15e), die auf beiden Seiten der ersten festen Elek­ trolytschicht ausgebildet sind, wobei die erste feste Elektrolytschicht dazu dient, einen Stromgrenzwert in Übereinstimmung mit der Konzentration von Sauerstoff in einem zu messenden Gas dann, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird, zu erzeugen;
eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit (12), umfas­ send eine zweite feste Elektrolytschicht (16) und ein Paar von Elektroden (15c, 15d, 15e), die auf beiden Sei­ ten der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildet sind, wobei die Zufuhr/Abfuhr-Einheit dazu dient, Sauer­ stoff nahe der Elektrode auf einer Referenzgasseite einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Einheit zuzuführen oder Sauer­ stoff an die Elektrode auf der Seite eines zu messenden Gases abzugeben;
eine Stromerfassungseinrichtung (40) zum Erfassen eines Werts eines in der ersten festen Elektrolytschicht fließenden Grenzstroms; und
eine Steuereinrichtung (30) zum Steuern der Sauer­ stoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Ab­ fuhr-Einheit in Übereinstimmung mit dem erfaßten Strom­ grenzwert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (30) die Sauerstoff-Zu­ fuhr- oder Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Ein­ heit derart steuert, daß die Sauerstoffmenge, die in der ersten festen Elektrolytschicht strömt, und die Sauer­ stoffmenge, die in der zweiten festen Elektrolytschicht strömt, gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (30) die Sauerstoff-Zu­ fuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Ein­ heit durch Zulassen von Sauerstoff in einer Menge, die kleiner ist als die strömende Sauerstoffmenge, die von der Referenzgasseite auf die Seite des zu messenden Gases in der zweiten festen Elektrolytschicht zu bewegen ist, wenn Sauerstoff von der Seite des zu messenden Gases auf die Referenzgasseite in der ersten festen Elektrolyt­ schicht strömt, und durch Zulassen von Sauerstoff in ei­ ner Menge, die größer ist als die bewegte Menge an Sauer­ stoff, die von der Seite des zu messenden Gases in der zweiten festen Elektrolytschicht auf die Referenzgasseite zu bewegen ist, wenn Sauerstoff von der Referenzgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht auf die Seite des zu messenden Gases strömt, steuert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) ei­ nen Steuersollwert eines in der zweiten festen Elektro­ lytschicht fließenden Stroms variabel festlegt und da­ durch die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuereinrichtung (30) eine Stromerfassungs­ einrichtung (60) zum Erfassen des Werts eines in der zweiten festen Elektrolytschicht fließenden Stroms; und eine Steuerstrom-Überwachungseinrichtung (31, 32) zum Überwachen des Stromwerts, der durch die Stromerfassungs­ einrichtung der Steuereinrichtung erfaßt wird, und zum Aufrechterhalten des überwachten Stromwerts auf einem Sollwert, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) einen Steuersollwert einer an das Paar von Elektro­ den, die auf der zweiten festen Elektrolytschicht ausge­ bildet sind, angelegten Spannung variabel steuert und da­ durch die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge der Sauer­ stoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) nur dann betrieben wird, wenn Sauerstoff von der Referenz­ gasseite auf die Seite des zu messenden Gases in der er­ sten festen Elektrolytschicht strömt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) nur dann betrieben wird, wenn Sauerstoff von der Seite des zu messenden Gases auf die Referenzgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht strömt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste feste Elektrolyt­ schicht (14) und die zweite feste Elektrolytschicht (16) aus einer einzelnen festen Elektrolytschicht (71) herge­ stellt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrolytschicht (14) und die zweite Elektrolytschicht (16) als Elektroden auf der Referenzgasseite durch eine zwischenliegende ein­ zelne Elektrode (15e) in gegenseitigem Kontakt gehalten werden.

11. Sauerstoffkonzentration-Erfassungsverfahren, um­ fassend die Schritte:
Anlegen einer ersten Spannung (V0, Vp1) an eine Sau­ erstoffkonzentration-Erfassungseinheit (11), die eine er­ ste feste Elektrolytschicht (14) mit Elektroden (15a, 15b, 15e), die auf beiden Seiten der ersten festen Elek­ trolytschicht ausgebildet sind derart, daß ein Grenzstrom in der ersten festen Elektrolytschicht fließt in Überein­ stimmung mit einem Sauerstoffkonzentrationsunterschied in einem zu messenden Gas und einem Referenzgas in einer Re­ ferenzgaskammer;
Erfassen eines Werts des Grenzstroms (Ip1), der in der ersten festen Elektrolytschicht fließt;
Anlegen einer zweiten Spannung (Vp1, Vp2) an eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit (12), die eine zweite feste Elektrolytschicht (16) und Elektroden (15c, 15d, 15e), die auf beiden Seiten der zweiten festen Elektro­ lytschicht ausgebildet sind derart, daß die Zu­ fuhr/Abfuhr-Einheit der Referenzgaskammer Sauerstoff zu­ führt oder aus dieser abführt, umfaßt; und
Steuern der zweiten Spannung in Übereinstimmung mit dem erfaßten Grenzstromwert.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Steuerungsschritt die zweite Spannung so steuert, daß die Menge des Sauerstoffs, die in die erste feste Elektrolytschicht strömt, und die Menge des Sauer­ stoffs, die in die zweite feste Elektrolytschicht strömt, gleich gehalten werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Steuerungsschritt die zweite Spannung derart steuert, daß die Menge des Sauerstoffs, die in die erste feste Elektrolytschicht strömt, und die Menge des Sauer­ stoffs, die in die zweite feste Elektrolytschicht strömt, in Abhängigkeit davon, ob sich Sauerstoff durch die erste feste Elektrolytschicht in die oder aus der Referenzgas­ kammer bewegt, ungleich gehalten werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt:
Erfassen eines Werts eines Stroms (Ip2), der in der zweiten festen Elektrolytschicht fließt,
wobei der Steuerungsschritt die zweite Spannung der­ art steuert, daß die beiden erfaßten Werte der in der er­ sten festen Elektrolytschicht und in der zweiten Elektro­ lytschicht fließenden Ströme gleich gehalten werden.