DE19826686B4

DE19826686B4 - Nach dem Strombegrenzungsprinzip arbeitende Sauerstoffkonzentrationserfassung mit Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Funktion

Info

Publication number: DE19826686B4
Application number: DE19826686A
Authority: DE
Inventors: Tomomichi Kariya Mizoguchi; Masayuki Kariya Takami; Syuichi Kariya Nakano
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JPH1172473A; US6096187A; JP3674292B2; DE19826686A1

Abstract

Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung, mit
einer Sauerstoffkonzentration-Erfassungseinheit (11), die eine erste feste Elektrolytschicht (14) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite und einer Fläche auf einer Meßgasseite, eine Diffusionswiderstandsschicht (13) in Kontakt mit der ersten festen Elektrolytschicht und ein Paar von den auf beiden Flächen der ersten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15a, 15b, 15e) beinhaltet,
wobei die erste feste Elektrolytschicht dazu dient, einen Stromgrenzwert gemäß der Konzentration von Sauerstoff in einem gemessenen Gas zu erzeugen, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird;
einer Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit (12), die eine zweite feste Elektrolytschicht (16) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite und einer Fläche auf einer Meßgasseite und ein Paar von auf den beiden Flächen der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15c, 15d, 15e) beinhaltet,
wobei die Zufuhr/Abfuhr-Einheit zwischen der Zufuhr von Sauerstoff an die Elektrode auf seiner Referenzgasseite und dem Ausstoß von Sauerstoff an der Elektrode auf seiner Meßgasseite auswählt;...

Description

Die Erfindung betrifft die Sauerstoffkonzentration-Erfassung unter Verwendung eines nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Sauerstoffkonzentration-Sensors. Die Erfindung kann dazu verwendet werden, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Luft/Kraftstoff-Gemischs im Abgas einer Brennkraftmaschine zu erfassen.
Eine herkömmliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung verwendet einen Sauerstoffkonzentration-Sensor als einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (vgl. beispielsweise die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 55-62349 bzw. ihr Patentfamilienmitglied US-4224113) gemäß 12. In 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, Sauerstoff-Ionen leitenden Oxid hergestellt ist; Elektroden 83a, 83b, die an beiden Seiten der festen Elektrolytschicht 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 Elektrode, und entspricht die Elektrode 83b einer atmosphärenseitigen Elektrode.
13A und 13B zeigen das grundlegende Prinzip der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfasssung durch den Luft/ Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 80. Im wesentlichen wird eine Spannung Vp aus einer Leistungsquelle 87 an die Elektroden 83a und 83b angelegt und der Wert eines dann fließenden Stroms erfaßt, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfaßt wird. D.h., wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 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 13A gezeigt, entnimmt der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 80 Sauerstoff aus dem Abgas. In diesem Fall fließen Sauerstoff-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 13A gezeigt, 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-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, ist entgegengesetzt zu der dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt. Ein Grenzstromwert bzw. Stromgrenzwert Ip ist positiv zur Zeit der Magerseite und negativ zur Zeit der Anreicherungsseite.
14 zeigt eine V-I (Spannungs-Strom-)-Charakteristik bzw. -kennlinie des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 80 mit dem vorstehenden Aufbau. 14A zeigt eine V-I-Charakteristik unter einer vorbestimmten Bedingung (mager). Wie in dem Diagramm gezeigt, wird in einer Zone, in der die angelegte Spannung niedrig ist, die Widerstandscharakteristik bzw. -kennlinie der festen Elektrolytschicht 82 erfaßt, und die V-I-Charakteristik zeigt einen proportionalen Zusammenhang. In einem Bereich, in dem die angelegte Spannung hoch ist, ist, da die Bewegung von Sauerstoff 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 Widerstanddominierter Bereich bezeichnet, und wird die Zone, die den Grenzstromwert angibt, als Grenzstromzone bezeichnet.
14B und 14C sind Kennliniendiagramme, die die Änderung des Grenzstromwerts Ip entsprechend zu der Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) zeigen. In Übereinstimmung mit 14B ändert sich mit einem sich ändernden 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 Magerseite verschiebt. Wie durch eine Kennlinie L1 gemäß 14C gezeigt, kann, weil die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-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-Erfassungsvorrichtung tritt jedoch dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, das folgende Problem auf: obwohl Sauerstoff aus der Atmosphärenkammer 84 gemäß 13B entnommen werden muß, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, ist dann, wenn der Anreicherungsgrad hoch ist, eine große Sauerstoffmenge notwendig. In einem solchen Fall ist die Sauerstoffzufuhr aus der Atmosphäre in die Atmosphärenkammer 84 unzureichend, so daß ein Mangel an Sauerstoff in der Atmosphärenkammer 84 entsteht. Wenn ein Sauerstoffmangel in der Atmosphärenkammer 84 vorliegt, strömt kein weiterer Sauerstoff nach, so daß der Grenzstromwert Ip nicht genau erfaßt werden kann. Demzufolge verschlechtert sich, wie durch eine Kennlinie L2 in 14C gezeigt, die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 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 erforderliche 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 Probleme auf. D.h., wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, wie in 13A gezeigt, wird im Gegensatz zu dem Fall, in dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff aus dem Abgas 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 unzureichend, so daß ein Sauerstoffüberschuß in der Atmosphärenkammer 84 entsteht. Wenn zuviel Sauerstoff in der Atmosphärenkammer 84 vorhanden ist, wird die Sauerstoffmenge, die durch den festen Elektrolyten in die Atmosphärenkammer 84 fließt, geregelt, so daß der Grenzstromwert Ip nicht genau erfaßt werden kann. Demzufolge verschlechtert sich, wie durch eine Kennlinie L3 in 14C gezeigt, die Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt.
Andererseits wird in Übereinstimmung mit der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 4-73101 bzw. ihrem Patentfamilienmitglied US-4882033, um die Probleme des Sauerstoffmangels zu meistern, eine Leistungsversorgungseinheit zum Zuführen von Sauerstoff in eine Atmosphärenkammer (Referenzgasatmosphäre) bereitgestellt. Wenn sich jedoch die in die feste Elektrolytschicht fließende Sauerstoffmenge aufgrund der Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses oder der Elementtemperatur ändert, kann die Sauerstoffmenge in der Atmosphärenkammer nicht auf einem konstanten Betrag gehalten werden. Demgemäß kann der Grenzstromwert Ip nicht genau erfaßt werden, so daß sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verschlechtert.
In der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 61-134656 bzw. bei deren Patentfamilienmitglied US-4784743 wird ein luftdichter Raum, der mit einer Atmosphärenkammer (einem Spalt) in Verbindung steht, bereitgestellt, um Fluktuationen bzw. Schwankungen der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer zu absorbieren. Da die Größe der Atmosphärenkammer begrenzt ist, ist die Sauerstoffzufuhr aus dem luftdichten Raum in die Atmosphärenkammer unzureichend. Wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder die Elementtemperatur stark ändern, verschlechtert sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Obwohl ein Teilspannungswert einer Heizeinrichtungsspannung mit einer positiven Temperaturcharakteristik an die Sauerstoffzufuhreinheit angelegt wird, um die Menge der Sauerstoffzufuhr zu der Atmosphärenkammer in Übereinstimmung mit einer Temperaturänderung 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 Temperaturcharakteristik 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 Patentveröffentlichung Nr. 61-134656 bzw. gemäß deren Äquivalente US-4882033 und US-4784743) die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer nicht korrekt aufrechterhalten werden, so daß sich die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassung verschlechtert, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis oder die Elementtemperatur ändern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung sowie ein Sauerstoffkonzentration-Erfassungsverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine Sauerstoffkonzentration genau erfassen können.
Darüber hinaus soll die Erfindung eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung sowie ein Sauerstoffkonzentration-Erfassungsverfahren der eingangs genannten Art bereitstellen, welche dazu geeignet ist, ein Luft/Kraftstoff-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, wie es in den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen angegeben ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Kurz erklärt fließen bei dem nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor dann, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis auf die Magerseite oder die Anreicherungsseite 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-Verhältnis des zu messenden Gases auf der Magerseite liegt, Sauerstoff-Ionen in der ersten festen Elektrolytschicht von der Meßgasseite auf die Referenzgasseite. Demgegenüber 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/Abfuhr-Einheit auf der Grundlage des erfaßten Grenzstromwerts gesteuert wird, beispielsweise wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, wird die Sauerstoffmenge in Übereinstimmung mit dem Anreicherungsgrad nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite zugeführt. Demzufolge werden Fluktuationen der Sauerstoffkonzentration nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite unterdrückt, und kann Sauerstoff auf geeignete Art und Weise nahe der Elektrode auf der Referenzgasseite zugeführt werden. D.h., die Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund des Sauerstoffmangels kann behoben werden.
Da die Sauerstoffabfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit auf der Grundlage des erfaßten Grenzstromwerts 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 Sauerstoffüberschusses kann behoben werden.
Demzufolge kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einer beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Zone genau erfaßt werden. Ferner braucht die Atmosphärenkammer zum Einleiten des Referenzgases nicht mehr als erforderlich vergrößert zu werden, und verschlechtert sich die Temperaturerhöhungscharakteristik des Elements (feste Elektrolytschicht) nicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zur Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
2 einen Querschnitt, der einen in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zeigt;
3A bis 3D Querschnitte des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, der eine Heizeinrichtung aufweist;
4 ein Schaltungsdiagramm, das eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung zeigt;
5 ein Blockdiagramm, das eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
6 ein Schaltungsdiagramm, das die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
7 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
8 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;
9 ein Schaltungsdiagramm, das eine Steuereinheit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt;
10 ein Querschnitt, der einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in Übereinstimmung mit einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt;
11 ein Querschnitt, der einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in Übereinstimmung mit einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt;
12 ein Querschnitt, der einen herkömmlichen Luft/-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zeigt;
13A und 13B Diagramme zum Erklären des Funktionsprinzips des herkömmlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors; und
14A bis 14C Diagramme zum Erklären von Ausgangscharakteristiken des herkömmlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors.
Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassung für einen Motor beschrieben. Eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß den nachstehenden Ausführungsbeispielen dient dazu, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Luft/Kraftstoffgemischs, das einem Ottomotor, der in einem Fahrzeug eingebaut ist, zugeführt wird, zu erfassen, und weist einen nach dem Grenzstromprinzip arbeitenden Sauerstoffkonzentration-Sensor als einen Luft/-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (A/F-Sensor) zum Ausgeben eines Grenzstroms entsprechend dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem von dem Motor abgegebenen Abgas auf. In den Ausführungsbeispielen wird, um einen Sauerstoffmangelzustand oder einen Sauerstoffüberschußzustand in einer Referenzgaskammer (Atmosphärenkammer) zu verhindern, Sauerstoff der Referenzgaskammer zugeführt oder aus dieser abgeführt derart, daß Sauerstoff in der Referenzgaskammer auf eine benötigte Menge geregelt wird. Gleiche oder vergleichbare Bezugszeichen werden in den verschiedenen, in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen verwendet, um gleiche oder vergleichbare Teile zu bezeichnen.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Gemäß 1, die eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung zeigt, weist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11, die unter Anlegen einer Spannung durch eine Spannungsversorgungseinheit 20 arbeitet, und eine Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12, die in Übereinstimmung mit einer gesteuerten Variablen von einer Steuereinheit 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 Stromerfassungseinheit 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 Variable für die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 auf der Grundlage des Grenzstrom-Erfassungswerts der Grenzstrom-Erfassungs-einheit 40 und dem Strom-Erfassungswert der Strom-Erfas-sungseinheit 60 fest und steuert eine Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 über die gesteuerte Variable. In dem Ausführungsbeispiel entspricht der Wert des in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms der gesteuerten Variablen aus der Steuereinheit 30.
Wie in 2 gezeigt, ist der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 selbst in einem Abgas als einem zu messenden Gas angeordnet. Die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 umfaßt: eine Diffusions-Widerstandsschicht 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 Stabilisator 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 feste Elektrolytschicht (zweite feste Elektrolytschicht) 16, die aus demselben Material wie die feste erste Elektrolytschicht 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 Elektrolytschichten 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 Material 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 Diffusionswiderstandsschicht 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 Atmosphärenseite (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 Edelmetall mit hoher katalytischer Aktivität wie beispielsweise Platin hergestellt und sind als poröse chemische Plattierung 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 Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel ist, wie in 3A gezeigt, eine Heizeinrichtung 19 in die feste Elektrolytschicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 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 Weise durchgeführt.
Alternativ zu 3A kann die Heizeinrichtung 19 auch wie in 3B, 3C oder 3D gezeigt angeordnet werden. Gemäß 3B ist die Heizeinrichtung 19 in der Diffusionswiderstandsschicht 13 eingebettet. Gemäß 3C ist die Heizeinrichtung 19 in eine isolierende Platte P zwischen den beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 eingebettet. Ein durchgehendes Loch P1 ist in der isolierenden Platte P ausgebildet, und die oberen und unteren Atmosphärenkammern 18 stehen über das durchgehende Loch P1 miteinander in Verbindung. Gemäß 3D ist die Heizeinrichtung 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 untere Seite der festen Elektrolytschicht 16 wird über das durchgehende Loch Q1 dem Abgas ausgesetzt. Um die Temperaturerhöhungscharakteristik der Heizeinrichtung 19 zu gewährleisten und eine schnelle Aktivierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 10 zu realisieren, ist es wünschenswert, die Heizeinrichtung 19 nahe der festen Elektrolytschicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 anzuordnen.
4 ist ein Schaltungsdiagramm der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel. Die Spannungsversorgungseinheit 20 legt eine vorbestimmte Spannung an die Elektroden 15a und 15b an, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 oder den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 zu erfassen ist. Im einzelnen wird in der Spannungsversorgungseinheit 20 eine konstante Leistungsversorgungsspannung Vcc durch Widerstände 21 und 22 geteilt, und wird die resultierende geteilte Spannung V0 einem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 23 zugeführt. Die konstante Leistungsversorgungsspannung Vcc wird ferner durch Widerstände 24 und 25 geteilt, und die resultierende geteilte Spannung Vp1 wird einem nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 26 zugeführt. Die Spannungen V0 und Vp1 werden über die Operationsverstärker 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 aufgrund des Flusses von Sauerstoff-Ionen in Übereinstimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit und wird durch einen Stromerfassungswiderstand 41 der Stromerfassungseinheit 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 ausgegeben. Der Widerstandswert des Stromerfassungswiderstands 41 ist r.
Andererseits steuert die Steuereinheit 30 die Sauerstoffmenge in der Atmosphärenkammer 18 bei jedem beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Im einzelnen weist die Steuereinheit 30 eine Schaltung zum Steuern des zwischen den Elektroden 15c und 15d fließenden Stroms auf. Die Steuereinheit 30 ist unter Verwendung von Operationsverstärkern 31 und 32 als Spannung-Strom-Umwandlungseinheit aufgebaut. Beide Enden des Stromerfassungswiderstands 41 sind mit zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 31 über eine mittels Operationsverstärkern 33 und 34 aufgebaute Spannungsfolgerschaltung verbunden. Der Widerstandswert 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 Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließende Strom wird durch einen Stromerfassungswiderstand 61 in der Stromerfassungseinheit 60 erfaßt. Der Widerstandswert des Stromerfassungswiderstands 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/Abfuhr-Einheit 12 fließt, gemäß dem folgenden Ausdruck gesteuert: Ip2 = (Ip1·r)/r'
Wenn der Widerstandswert (r) des Stromerfassungswiderstands 41 und der Widerstandswert (r') des Stromerfassungswiderstands 61 gleich sind, ist die folgende Beziehung erfüllt: Ip2 = Ip1
Die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß 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-Erfassungseinheit 11 angelegt, und der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 gibt den Grenzstrom Ip in Übereinstimmung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu dieser Zeit aus. Der Grenzstromwert Ip wird als Spannung an dem Stromerfassungswiderstand 41 in der Stromerfassungseinheit 40 erfaßt, und der erfaßte Werte wird über den A/D-Umsetzer 50 an den Mikrocomputer 51 ausgegeben.
Der erfaßte Grenzstromwert Ip wird durch die Steuereinheit 30 angelegt. In diesem Fall wird der Wert Ip2 des in der festen Elektrolytschicht 16 auf der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 fließenden Stroms so gesteuert, daß er gleich dem Wert Ip1 des in der festen Elektrolytschicht 14 der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 wird. Demzufolge werden die Sauerstoffmengen, die durch die beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 hindurchgelangen, gleich. Auch dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf entweder die Magerseite oder die Anreicherungsseite verschoben wird, wird der Sauerstofteildruck 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-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 in die Atmosphärenkammer 18 gesaugt wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, Sauerstoff aus der Atmosphärenkammer 18 durch die feste Elektrolytschicht 16 in der Sauerstoff-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/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 verbraucht wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, wird Sauerstoff durch die feste Elektrolytschicht 16 in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 zwangsweise dem Abgas entnommen und in die Atmo sphärenkammer 18 geleitet. Demzufolge kann der Sauerstoffteildruck in der Atmosphärenkammer 18 immer konstant gehalten werden.
In der Steuereinheit 30 wird dann, wenn eine Rückkopplungsschleife durch eine Anlegespannung Vp2 und den Stromwert Ip2 gebildet wird, ein gegenkoppelndes System derart, daß dann, wenn der Stromwert Ip2 zunimmt, die Anlegespannung Vp2 reduziert wird, um den Wert Ip2 auf Konstanz zu steuern, aufgebaut. In Übereinstimmung mit diesem Aufbau ändert sich dann, wenn sich der Innenwiderstand Ri der festen Elektrolytschicht 16 ändert, der Stromwert Ip2 entsprechend. Wenn beispielsweise die Temperatur des Abgases zu einem Zeitpunkt eines Überlastbetriebs 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 Anlegespannung Vp2, ab. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 32 und auch dasjenige des Operationsverstärkers 31 verringern sich entsprechend. Infolgedessen wird die Zunahme 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 beschriebenen Ausführungsbeispiel können die folgenden Wirkungen erhalten werden.

(A) Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird der Grenzstromwert Ip1, der in der festen Elektrolytschicht 14 fließt, erfaßt und wird die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 auf der Grundlage des Grenzstromwerts Ip1 gesteuert. In Übereinstimmung 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-Verhältnisses aufgrund des Sauerstoffmangels wie durch die Kennlinie L2 in 14C gezeigt oder die Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund eines Sauerstoffüberschusses wie durch die Kennlinie L3 in 14C gezeigt behoben und beseitigt wird. Demzufolge kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 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 verschlechtert.
(B) Insbesondere wird in dem Ausführungsbeispiel die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zufuhr/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 Grenzstroms, der in der festen Elektrolytschicht 14 fließt, als Steuersollwert des Stroms verwendet. In Übereinstimmung 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 Genauigkeit 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 beispielsweise 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 Ausführungsbeispiel die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 durch ein negativ koppelndes bzw. gegenkoppelndes System aufgebaut. Im Unterschied zu einer bekannten, existierenden Anordnung mit einem positiv koppelnden bzw. mitkoppelnden System (beispielsweise ein nach dem Zweizellenprinzip 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 5 und 6 beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Stromerfassungseinheit 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 Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 anhand des Grenzstromwerts, 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.
6 ist ein Schaltungsdiagramm der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel. Nur die Steuereinheit 30 in dem Diagramm unterscheidet 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 Differenzverstärkerschaltung 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 zugeführt. 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 erhält die Differenzverstärkerschaltung 301 einen Offset durch eine Referenzspannung Vp1, die an die Luft/Kraftstoff-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 Variable 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-Erfassungseinheit 11 fließenden Grenzstroms: Ip2 = (Ip1·r·R2)/(Ri·R1)
In einem solchen Fall werden dann, wenn der Verstärkungsfaktor (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 angeglichen. 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 Elektrolytschicht 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, gesteuert, 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-Verhältnisses aufgrund eines Sauerstoffmangels oder eines Sauerstoffüberschusses in der Atmosphärenkammer 18 (Referenzgasseite) ändert, beseitigt.
In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auch dann mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 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 angenommen wird, daß sich die Elementtemperatur (die Temperatur 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 bevorzugen, 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 Elektrolytschicht 16 die Änderung der Elementtemperatur begleitend ändert.
Da das zweite Ausführungsbeispiel einen Aufbau dahingehend aufweist, daß die angelegte Spannung Vp2 der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 im Gegensatz zu der bekannten, existierenden Anordnung mit einem positiven Rückkopplungssystem (beispielsweise ein nach dem Zweizellenprinzip 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 7 gezeigt, ein Widerstand 62 und eine Diode 63 parallel zu dem Stromerfassungswiderstand 61 in der Stromerfassungseinheit 60 geschaltet.
In Übereinstimmung mit diesem Aufbau strömen dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff-Ionen durch die in 4 gezeigte feste Elektrolytschicht 16 und bewegen sich in die Atmosphärenkammer 18, wodurch ein Strom zu beiden Widerständen 61 und 62 hin fließt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, werden Sauerstoff-Ionen in der entgegengesetzten Richtung bewegt, so daß demzufolge 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 Widerstandswert (r) des Widerstands 41 gemäß 4: r'·r/(r + r') < r < r'erfüllt ist, wenn Sauerstoff-Ionen durch die erste feste Elektrolytschicht 14 gemäß 4 hindurchtreten und sich in die Atmosphärenkammer 18 bewegen (wenn das Luft/Kraftstoff-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 Atmosphärenkammer 18 zu der ersten festen Elektrolytschicht 14 hin bewegen (wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt), Ip2 > Ip1erhalten.
D.h., wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, wird die durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 abgeführte Sauerstoffmenge auf eine verhältnismäßig kleine Menge reguliert. Wenn das Luft/Kraftstoff-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 Atmosphärenkammer 18 im Überschuß vorhanden ist, ein Sauerstoffmangel nicht ausgelöst. In diesem Fall kann, da die Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses selbst auch in einem Zustand überschüssigen Sauerstoffs fortgesetzt werden kann, die denkbar schlechteste Situation derart, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufgrund des Sauerstoffmangelzustands 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/Kraftstoff-Verhältnisses) in ausreichender Art und Weise eingelesen 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 Atmosphärenkammer 18 vorliegt, die Änderung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses nicht eingelesen werden, da sich der Grenzstrom auch dann nicht ändert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf die Anreicherungsseite verschoben wird. Demzufolge kann die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nicht durchgeführt werden, so daß befürchtet werden muß, daß ein Nachteil dahingehend, daß die Fahreigenschaften 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 Atmosphärenkammer 18 vorliegt, kann der Einfluß auf die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses minimiert werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
In dem vierten Ausführungsbeispiel ist, wie in 8 gezeigt, 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 8 wird dann, wenn Sauerstoff aus der Atmosphärenkammer 18 auf die Außenseite der ersten festen Elektrolytschicht 16 geleitet wird, d.h. nur dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt, Sauerstoff durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 der Atmosphärenkammer 18 zugeführt. D.h., der Sauerstoffmangelzustand der Atmosphärenkammer 18 wird auf die Zeit begrenzt, für die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Anreicherungsseite liegt. Durch Zulassen, daß der Sauerstoffzuführvorgang nur in einem solchen Fall durchgeführt wird, kann eine nachteilige Wirkung auf die Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unterdrückt werden.
Im Fall der 8 werden durch Angleichen des Werts r' des Widerstands des Stromerfassungswiderstands 61 an den Wert r des Widerstands des Stromerfassungswiderstands 41 gemäß 4 (r' = r) die Sauerstoffmengen, die in den beiden festen Elektrolytschichten 14 und 16 strömen, gleich, so daß die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer 18 konstant gehalten werden kann. Falls (r' < r) kann auf eine Art und Weise ähnlich der gemäß 7 die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphärenkammer 18 immer auf einem Überschußniveau gehalten werden.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in 9 gezeigt, eine Diode 66 in Vorwärts- bzw. Durchlaßrichtung des Ausgangs des Operationsverstärkers 31 vorgesehen.
In Übereinstimmung mit 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-Einheit 12 aus der Atmosphärenkammer 18 abgeführt. D.h., der Sauerstoffüberschußzustand der Atmosphärenkammer 18 wird auf die Zeit begrenzt, für die das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Magerseite liegt, so daß der Sauerstoffabfuhrvorgang nur in einem solchen Fall zugelassen wird. Beispielsweise kann dann, wenn der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einen Sensor wie beispielsweise einen Magersensor, bei dem die Erfassungsgenauigkeit auf der Anreicherungsseite nicht benötigt wird, angewandt wird, durch vollkommenes 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 10 gezeigt, die feste Elektrolytschicht 14 in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und die feste Elektrolytschicht 16 in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 als eine gemeinsame feste Elektrolytschicht 71 verwendet. 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 Elektrolytschicht 71 vorgesehen, und ist die Atmosphärenkammer 18 durch Trennwände 73 unterteilt zwischen der festen Elektrolytschicht 71 und der isolierenden Platte 72 vorgesehen.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 gemäß 112 ist keine Atmosphärenkammer 18 zwischen der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 vorgesehen. Die Elektroden 15b und 15c auf der Atmosphärenseite der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und der Sauerstoff-Zuuhr/Abfuhr-Einheit 12 werden gemeinsam als eine Elektrode 15e (Elektrode auf der Referenzgasseite) verwendet.
In jedem der Ausführungsbeispiele gemäß 10 oder 11 werden Vorteile ähnlich denen des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß 2 erhalten. D.h., daß in Übereinstimmung mit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, die den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 10 gemäß 10 oder 11 verwendet, der Nachteil dahingehend, daß sich die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufgrund eines Sauerstoffmangels oder eines Sauerstoffüberschusses auf der Referenzgasseite verschlechtert, beseitigt werden kann. Eine hervorragende Wirkung derart, daß das Luft/Kraftstoff- Verhältnis in einer beliebigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungszone genau erfaßt werden kann, kann erzielt werden. Insbesondere kann in Übereinstimmung mit 11 die Größe des Sensors verringert werden, da die Atmosphärenkammer 18 nicht benötigt wird.
Obwohl die Steuereinheit 30 zum Steuern der Sauerstoffmenge in der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 in den vorangehenden Ausführungsbeispielen als analoge Schaltung ausgestaltet ist, kann diese auch als Software durch einen Mikrocomputer oder dergleichen ausgestaltet werden. In diesem Fall empfängt der Mikrocomputer den Grenzstromwert Ip in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 und steuert die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge durch die Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit 12 in Übereinstimmung mit dem Wert Ip.
Obwohl die Spannung, die an die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinheit 11 angelegt wird (beispielsweise V0 und Vp1 gemäß 4) in den vorangehenden Ausführungsbeispielen konstant festgelegt wird, kann die Anlegespannung 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 Innenwiderstand 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 Erfassungseinheit 11 eines als Luft/Kraftstoff-Sensor 10 arbeitenden Sauerstoffsensors eine feste Elektrolytschicht 14 und eine Diffusions-Widerstands-schicht 13 auf und erzeugt einen Stromwert in Übereinstimmung mit der Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas durch Anlegen einer Spannung 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-Erfas-sungseinheit zu oder führt Sauerstoff nahe der Elektrode ab. Eine Steuereinrichtung 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 Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit gesteuert wird.

Claims

Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung, mit einer Sauerstoffkonzentration-Erfassungseinheit (11), die eine erste feste Elektrolytschicht (14) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite und einer Fläche auf einer Meßgasseite, eine Diffusionswiderstandsschicht (13) in Kontakt mit der ersten festen Elektrolytschicht und ein Paar von den auf beiden Flächen der ersten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15a, 15b, 15e) beinhaltet, wobei die erste feste Elektrolytschicht dazu dient, einen Stromgrenzwert gemäß der Konzentration von Sauerstoff in einem gemessenen Gas zu erzeugen, wenn eine Spannung an die Elektroden angelegt wird; einer Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit (12), die eine zweite feste Elektrolytschicht (16) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite und einer Fläche auf einer Meßgasseite und ein Paar von auf den beiden Flächen der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15c, 15d, 15e) beinhaltet, wobei die Zufuhr/Abfuhr-Einheit zwischen der Zufuhr von Sauerstoff an die Elektrode auf seiner Referenzgasseite und dem Ausstoß von Sauerstoff an der Elektrode auf seiner Meßgasseite auswählt; einer Stromerfassungseinrichtung (40) zum Erfassen eines Werts eines in der ersten festen Elektrolytschicht fließenden Grenzstroms; und einer Steuereinrichtung (30) zum Steuern der Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit gemäß dem erfaßten Stromgrenzwert, wobei die Steuereinrichtung (30) einen Steuersollwert eines in der zweiten festen Elektrolytschicht fließenden Stroms variabel festlegt, und dadurch die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert, wobei die Steuereinrichtung (30) eine Stromerfassungseinrichtung (60) zum Erfassen des Werts eines in der zweiten festen Elektrolytschicht fließenden Stroms aufweist; und wobei die Steuereinrichtung eine Steuerstrom-Überwachungseinrichtung (31, 32) zum Überwachen des Stromwerts, der durch die Stromerfassungseinrichtung der Steuereinrichtung erfaßt wird, und zum Aufrechterhalten des überwachten Stromwerts auf einem Sollwert aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (30) die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit derart steuert, daß die Sauerstoffmenge, die sich in der ersten festen Elektrolytschicht bewegt, und die Sauerstoffmenge, die sich in der zweiten festen Elektrolytschicht bewegt, gleich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn sich Sauerstoff von der Meßgasseite zu der Referenzgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht bewegt, die Steuereinrichtung (30) die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert, indem die Bewegung von Sauerstoff in einer Menge, die kleiner ist als eine bewegte Sauerstoffmenge in der ersten festen Elektrolytschicht, von der Referenzgasseite zu der Meßgasseite in der zweiten festen Elektrolytschicht zugelassen wird, und wenn sich Sauerstoff von der Referenzgasseite zu der Meßgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht bewegt, die Steuereinrichtung (30) die Sauerstoff-Zufuhr- oder -Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert, indem die Bewegung von Sauerstoff in einer Menge, die größer ist als eine bewegte Sauerstoffmenge in der ersten festen Elektrolytschicht, von der Meßgasseite zu der Referenzgasseite in der zweiten festen Elektrolytschicht zugelassen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinrichtung (30) einen Steuersollwert einer an das Paar von auf der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden angelegten Spannung variabel steuert, und dadurch die Sauerstoff-Zufuhr- oder Abfuhrmenge der Sauerstoff-Zufuhr/Abfuhr-Einheit steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (30) nur dann betrieben wird, wenn sich Sauerstoff von der Referenzgasseite zu der Meßgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht bewegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinrichtung (30) nur dann betrieben wird, wenn sich Sauerstoff von der Meßgasseite zu der Referenzgasseite in der ersten festen Elektrolytschicht bewegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste feste Elektrolytschicht (14) und die zweite feste Elektrolytschicht (16) zueinander benachbart sind und dadurch eine einzelne feste Elektrolytschicht (71) ausbilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste feste Elektrolytschicht (14) und die zweite feste Elektrolytschicht (16) mit einem einzelnen Elektrodenelement dazwischen miteinander in Kontakt gehalten werden, wobei das Elektrodenelement (15e) die Elektrode auf der Referenzgasseite jedes Elektrodenpaares definiert.
Sauerstoffkonzentration-Erfassungsverfahren mit den Schritten Anlegen einer ersten Spannung (V0, Vp1) an eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungseinheit (11), die eine erste feste Elektrolytschicht (14) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite, die einer Referenzgaskammer zugewandt ist, und einer Fläche auf einer Meßgasseite und ein Paar auf den beiden Flächen der ersten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15a, 15b, 15e) beinhaltet, so daß ein Grenzstrom in der ersten festen Elektrolytschicht gemäß einem Sauerstoffkonzentrationsunterschied bei einem Meßgas und einem Referenzgas in der Referenzgaskammer fließt; 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) mit einer Fläche auf einer Referenzgasseite und einer Fläche auf einer Meßgasseite und ein Paar auf beiden Seiten der zweiten festen Elektrolytschicht ausgebildeten Elektroden (15c, 15d, 15e) beinhaltet, so daß die Zufuhr/Abfuhr-Einheit der Referenzgaskammer selektiv Sauerstoff zuführt oder aus dieser abführt; und Steuern der zweiten Spannung gemäß dem erfaßten Grenzstromwert, wobei der Steuerungsschritt die zweite Spannung so steuert, daß die sich in der ersten Elektrolytschicht bewegende Menge an Sauerstoff und die sich in der zweiten Elektrolytschicht bewegende Menge an Sauerstoff in Abhängigkeit davon, ob sich Sauerstoff aus der oder in die Referenzgaskammer durch die erste feste Elektrolytschicht bewegt, im wesentlichen gleich gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt: Erfassen eines Werts eines Stroms (Ip2), der in der zweiten festen Elektrolytschicht fließt, wobei der Steuerungsschritt die zweite Spannung derart steuert, daß die beiden erfaßten Werte (Ip1, Ip2) der in der ersten festen Elektrolytschicht bzw. in der zweiten festen Elektrolytschicht fließenden Ströme gleich gehalten werden.