DE3707874C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Sensor ist aus der JP-OS 60-2 36 056 bekannt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Ein solcher Sensor ist aus der EP-OS 01 42 993 bekannt.

Sensoren der vorgenannten Art werden bei Brennkraftmaschinen oder anderen Verbrennungsmaschinen dazu verwendet, Steuersignale zur Beeinflussung des Luft/Kraftstoffverhältnisses des in der Brennkraftmaschine zu verbrennenden Brenngasgemischs benutzt.

Die JP-OS 60-2 36 056 beschreibt ein übliches Beispiel solcher Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren. Wie Fig. 7 der Zeichnung zeigt, hat eine Sauerstoffsensorzelle dieses Beispiels ein Primärelement aus Metalloxid, wie beispielsweise einem Übergangsmetalloxid, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Sauerstoffkonzentration ändert. Die Sauerstoffpumpzelle hat ein sauerstoffionenleitendes Feststoffelektrolytelement.

Die JP-OS 61-30 758 beschreibt ein weiteres bekanntes Beispiel, das in Fig. 20A der Zeichnungen dargestellt ist. Die Sauerstoffsensorzelle dieses Beispiels besteht aus einem Substrat aus einem sauerstoffionenleitenden Feststoffelektrolyten, das zwischen einer Bezugselektrode, die in direkter Berührung mit einem Bezugsgas, wie beispielsweise Luft, ist, und einer Meßelektrode, die in direkter Berührung mit einem zu messenden Gas ist, sandwichartig eingeschlossen ist.

Im Gegensatz zu dem Sensor nach der JP-OS 60-2 36 056 wird bei dem aus der EP-OS 01 42 993 bekannten Sensor die Gasdiffusionsrate nicht durch das Loch, sondern durch den Steuerraum bestimmt. Dabei wird die Sauerstoffkonzentration nicht im mittleren Bereich des Steuerraums gerade unter dem Loch gesteuert. Der Steuerraum ist ringförmig, und es findet deshalb ein ringförmiges Sensorelement Anwendung.

Um die Problematik, die der Erfindung zugrundeliegt, zu erläutern, wird zunächst auf den bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach der JP-OS 60-2 36 056 und die Fig. 7 und 8 Bezug genommen.

Ein Primärmeßelement 103 eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors 101, der in Fig. 7 dargestellt ist, besteht aus einem Metalloxid, beispielsweise einem Oxid eines Übergangsmetalls, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Sauerstoffkonzentration eines zu messenden Gases ändert. Das Metalloxidprimärelement 103 ist in Form einer Schicht auf einer Oberseite eines flachen Substrats 102 aus isolierendem Material ausgebildet. Erste und zweite Elektroden 104 und 105 sind auf dem Metalloxidprimärelement 103 befestigt, um den elektrischen Widerstand des Primärelements 103 erfassen zu können. Eine Sauerstoffsensorzelle 106, die aus dem Primärelement 103 und den ersten und zweiten Elektroden 104 und 105 besteht, ist von einem Deckel 107 aus einem sauerstoffionenleitenden Feststoffelektrolyten umschlossen, wobei ein Gasdiffusionssteuerraum 108 zwischen dem Deckel 107 und der Sauerstoffsensorzelle 106 ausgebildet wird. Der Feststoffelektrolytdeckel 107 ist mit einem kleinen Gasdiffusionsloch 109 versehen. Ringförmige dritte und vierte Elektroden 110 und 111 sind an der Innenseite bzw. der Außenseite des Feststoffelektrolytdeckels 107 um das Loch 109 angeordnet, um eine Sauerstoffpumpzelle 112 auszubilden.

In einer in Fig. 8 dargestellten Schaltung ist der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 101 nach Fig. 7 mit einem Widerstandsmeßgerät 113 und einer Stromversorgungsquelle 114 für die Pumpzelle 112 verbunden. Das Widerstandsmeßgerät 113 ist an die ersten und zweiten Elektroden 104 und 105 der Sauerstoffsensorzelle 106 über Leitungen 104a und 105a angeschaltet. Die Stromversorgungsquelle 114 ist über Leitungen 110a und 111a mit den dritten und vierten Elektroden 110 und 111 verbunden.

Wenn von der Stromquelle 114 kein Pumpenstrom zugeführt wird, dann variiert der Widerstand des Metalloxidelements 103, der von dem Widerstandsmeßgerät 113 gemessen wird, in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des Gases, das in den Steuerraum 108 durch das Loch 109 einströmt, und zwar entsprechend einer Charakteristik A, die in Fig. 9 gezeigt ist, die eine starke und plötzliche Änderung des Widerstands an oder nahe dem Luft/Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (Überschußluftfaktor) λ=1 zeigt.

Wenn ein Pumpenstrom in einer Richtung i₁, wie in Fig. 8 eingezeichnet, von der Stromquelle 114 zugeführt wird, dann fließen Sauerstoffionen durch den Feststoffelektrolytdeckel 107 von der dritten inneren Elektrode 110 zur vierten äußeren Elektrode 111, so daß Sauerstoff nahe der dritten inneren Elektrode 110 aufgenommen wird. Im Falle, daß die Bewegung des Gases in den Gasdiffusionssteuerraum 108 und/oder im Gasdiffusionsloch 109 ein die Rate bestimmender Schritt ist, wird die Sauerstoffkonzentration nahe dem Metalloxidelement 103 speziell in einem Bereich fern von dem Gasdiffusionsloch 109 niedrig, selbst wenn das Umgebungsgas einen hohen Sauerstoffanteil aufweist (d. h., das Umgebungsgas ist mager). Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 101 zeigt daher eine Charakteristik B in Fig. 9, so daß die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung auf der mageren Seite möglich wird.

Wenn der Pumpenstrom in einer Richtung i₂ gemäß Fig. 8 von der Stromquelle 114 zugeführt wird, dann fließen Sauerstoffionen im Feststoffelektrolytdeckel 107 von der vierten äußeren Elektrode 111 zur dritten inneren Elektrode 110, so daß Sauerstoff in den Steuerraum 108 nahe der dritten Elektrode 110 zugeführt wird. Selbst wenn das Umgebungsgas nur einen niedrigen Anteil Sauerstoff enthält (d. h. wenn das Gas fett ist), dann wird daher die Sauerstoffkonzentration nahe dem Metalloxidelement 103 speziell im Bereich fern von dem Gasdiffusionsloch 109 hoch. In diesem Falle erhält man eine Charakteristik C nach Fig. 9, und der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 101 erlaubt die Luft/Kraftstoffverhältnisregelung auf der fetten Seite.

Eine äquivalente Schaltung, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, ist ein Beispiel, das in gegenwärtigen Systemen zur Messung des Überschußluftfaktors von Abgasen verwendet wird. In der Schaltung nach Fig. 10 sind die Sauerstoffsensorzelle 106 und ein Widerstand 120 miteinander in Serie geschaltet, um eine Serienschaltung zu bilden, an die eine konstante Spannung V₁ angelegt wird. Der Widerstand des Metalloxidelements 103 der Sauerstoffsensorzelle 106 wird aus einer Ausgangsspannung V₂ bestimmt, die man an der Verbindung zwischen der Sensorzelle 106 und dem Widerstand 120 abgreift. Die Stromquelle 114 ist dazu eingerichtet, den Pumpenstrom ip zuzuführen, um die Ausgangsspannung V₂ auf einem vorbestimmten Wert Va zu halten. Der Pumpenstrom ip variiert daher in Abhängigkeit vom Überschußluftfaktor λ des Gases, wie die Kurve in Fig. 11 zeigt.

Der bekannte Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 101 ist jedoch hinsichtlich der folgenden Punkte noch immer unbefriedigend. Fig. 12A zeigt schematisch das Metalloxidelement 103 im Falle, daß das zu messende Gas mager ist. Wie durch den schraffierten, gepunkteten Bereich in Fig. 12A dargestellt ist, wird das Metalloxidelement 103 in einem Zustand niedrigen Widerstands in einem Bereich A₁ fern von der Projektion 109a des Gasdiffusionslochs 109 gehalten. Wenn das Gas fett ist, dann wird das Metalloxidelement 103 im Zustand niedrigen Widerstands nur in einem Bereich A₃ gehalten, der der Projektion 109a dichtest benachbart ist, während der übrige Bereich A₄ des Elements 103 auf relativ hohem Widerstandszustand gehalten wird. Um die Ausgangsspannung V₂ auf dem vorbestimmten Wert Va zu halten, ist es daher notwendig, die Sauerstoffkonzentration im größten Teil des Gasdiffusionssteuerraums 108 ausreichend hoch zu halten, indem zusätzlicher Pumpenstrom mehr zur fetten Seite im Vergleich zur mageren Seite zugeführt wird. Dies begünstigt eine Verschlechterung der Arbeitsweise der Sauerstoffpumpzelle. Darüber hinaus besteht Neigung zum Auftreten von Überschwingungen aufgrund des Ansprechverhaltens bei Übergangszuständen des Pumpenstroms ip, die aus den Änderungen des Gases von fett zu mager und von mager zu fett auftreten, wie Fig. 13 zeigt, weil zu viel Pumpenstrom erforderlich ist, um einen Sauerstoffüberschuß im Diffusionssteuerraum 108 speziell auf der fetten Seite zu beseitigen.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen der zu großen Belastung der Sauerstoffpumpzelle und der Neigung zu Überschwingungen beim Übergang liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der eine hohe Lebensdauer der Pumpzelle und ein verbessertes Übergangsverhalten zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A einen Schnitt längs einer Linie IA-IA von Fig. 1B, der schematisch einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 1B eine Draufsicht auf den Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Fig. 1A, dessen Deckel entfernt ist, um den inneren Aufbau zu zeigen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schaltung, die den Luft/Kraftstoffsensor nach Fig. 1A einschließt und dazu eingerichtet ist, das Luft/Kraftstoffverhältnis zu ermitteln;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Pumpenstrom ip und einem Überschußluftfaktor λ des zu messenden Gases;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Ausgangscharakteristik des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors nach Fig. 1A;

Fig. 5 eine Draufsicht ähnlich Fig. 1B, die einen Widerstandsbereich A₅ niedrigen Widerstands eines Metalloxidelements des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors nach Fig. 1A in fetter Umgebungsatmosphäre zeigt;

Fig. 6A eine Draufsicht durch einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit abgenommenem Deckel;

Fig. 6B einen Schnitt längs der Linie VIB-VIB von Fig. 6A;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor vom Typ, wie er von den ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung dargestellt wird;

Fig. 8 eine Schaltung zur Ermittlung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses unter Verwendung des Sensors nach Fig. 7;

Fig. 9 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Widerstands in Abhängigkeit von Überschußluftfaktoren bei dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Fig. 7;

Fig. 10 eine Darstellung einer äquivalenten Schaltung, die dazu eingerichtet ist, den Überschußluftfaktor (Luft/Kraftstoffäquivalenzverhältnis) unter Verwendung des Sensors nach Fig. 7 zu messen;

Fig. 11 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Pumpenstrom und dem Überschußluftfaktor der Äquivalenzschaltung nach Fig. 10;

Fig. 12A eine Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 7 zur Darstellung eines Bereiches (A₁) niedrigen Widerstandes des Metalloxidelements in magerer Umgebungsatmosphäre;

Fig. 12B eine Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 7 zur Darstellung eines Bereiches (A₃) niedrigen Widerstandes des Metalloxidelements in fetter Umgebungsatmosphäre;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik des Sensors nach Fig. 7;

Fig. 14A einen Vertikalschnitt, der schematisch einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 14B eine Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 14A mit abgenommenem Deckel;

Fig. 15 eine Schaltung zur Ermittlung des Luft/Kraftstoffverhältnisses unter Verwendung des Sensors nach Fig. 14A;

Fig. 16 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Pumpenstrom und einem Überschußluftfaktor bei dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Fig. 14A;

Fig. 17 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors nach Fig. 14A;

Fig. 18A und 18B Draufsichten ähnlich Fig. 14B zur Darstellung von Bereichen hohen Potentials und niedrigen Potentials;

Fig. 19 einen Vertikalschnitt durch einen bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor des gleichen Typs, wie er bei den Sensoren der dritten und vierten Ausführungsformen der Erfindung Anwendung findet;

Fig. 20 eine Draufsicht auf den bekannten Sensor nach Fig. 19 bei abgenommenem Deckel;

Fig. 21 eine Schaltung unter Verwendung des bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors nach Fig. 19;

Fig. 22 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der EMK der Sauerstoffsensorzelle und Überschußluftfaktoren bei dem bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Fig. 19;

Fig. 23 eine Darstellung einer äquivalenten Schaltung, die zur Messung des Überschußluftfaktors unter Verwendung des Sensors nach Fig. 19 eingerichtet ist;

Fig. 24 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Pumpenstrom und dem Überschußluftfaktor bei der Schaltung nach Fig. 23;

Fig. 25A und 25B schematische Draufsichten auf den bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach Fig. 19, Bereiche hohen und niedrigen Potentials in magerer bzw. fetter Umgebungsatmosphäre zeigend, und

Fig. 26 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik des Sensors nach Fig. 19.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1A und 1B gezeigt. Ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 nach den Fig. 1A und 1B hat ein isolierendes Substrat 3 in Form einer flachen Platte. Das isolierende Substrat 3 aus einem isolierenden Material weist ein darin eingebettetes Heizelement 2 auf. Eine erste Elektrode 4 und eine zweite Elektrode 5 sind auf einer Oberseite des Substrats 3 angebracht. Die Oberseite des Substrats 3 dieser Ausführungsform ist im wesentlichen flach. Die beiden ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 sind bei dieser Ausführungsform als Streifen ausgeführt und verlaufen parallel zueinander auf der Oberseite des Substrats 3. Ein sauerstoffmittelndes Primärelement 6 ist auf den ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 angeordnet. Das Primärelement 6 besteht aus einem Metalloxid, wie beispielsweise einem Oxid eines Übergangsmetalls (oder einem Oxid eines Nicht-Übergangsmetalls, wie beispielsweise Sn oder Zn). Das Primärelement 6 ist dünn und im wesentlichen flach und hat eine kreisförmige Öffnung 6a, die in einem Mittenabschnitt des Elements 6 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Primärelement 6 im wesentlichen quadratisch, und die Mitte der Öffnung 6a fällt mit der Mitte des quadratischen Elements 6 zusammen. Eine Sauerstoffsensorzelle 7 besteht aus den ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 und dem Primärelement 6. Die ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 sind an dem Primärelement 6 befestigt, um Änderungen des elektrischen Widerstand desselben zu messen.

Ein Deckel 8 befindet sich auf dem Substrat 3 derart, daß ein Gasdiffusionssteuerraum 9 zwischen dem Substrat 3 und dem Deckel 8 ausgebildet wird, in dem die Sauerstoffsensorzelle 7 eingeschlossen ist. Der Deckel 8 besteht aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten. Der Deckel 8 ist mit einem Gasdiffusionsloch 11 versehen. Ein Gas aus der Umgebungsatmosphäre kann in den Gasdiffusionssteuerraum 9 durch das Gasdiffusionsloch 11 einströmen und daraus ausströmen. Der Deckel 8 hat eine flache obere Wand und eine Seitenwand, die sich vom Umfang der Oberwand zum Substrat 3 erstreckt. Die flache obere Wand des Deckels 8 ist bei dieser Ausführungsform quadratisch und verläuft parallel zu dem Substrat 3. Das Gasdiffusionsloch 11 befindet sich in der Mitte der oberen Wand des Deckels 8. Das Loch 11 ist bei dieser Ausführungsform kreisförmig und erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Substrats 3. Die Projektion 11a des Lochs 11 auf die Oberseite des Substrats 3 in der Richtung, in der sich das Loch 11 durch die obere Wand des Deckels 3 erstreckt, ist konzentrisch zu der kreisförmigen Öffnung 6a des Metalloxidelements 6. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnung 6a ist größer als der der Projektion 11a. Das Sauerstoffsensorelement 6 liegt somit außerhalb der Projektion 11a.

Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 hat weiterhin eine dritte, innere Elektrode 12 und eine vierte, äußere Elektrode 13, die zusammen mit dem festen Elektrolyt des Deckels 8 eine Sauerstoffpumpzelle 14 bilden. Die dritten und vierten Elektroden 12 und 13 sind jeweils in Form eines Rings ausgeführt und sind um das Gasdiffusionsloch 11 angeordnet. Die dritte Elektrode 12 ist an der Innenseite des Deckels 8 innerhalb des Gasdiffusionssteuerraums 9 angeordnet, während die vierte Elektrode 13 an der Außenseite des Deckels 8 außerhalb des Steuerraums 9 befestigt ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerschaltung, die den Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 dieser Ausführungsform verwendet. Die Schaltung nach Fig. 2 ist dazu eingerichtet, das Luft/Kraftstoffverhältnis aus dem Sauerstoffpumpstrom des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 zu ermitteln.

Die Schaltung nach Fig. 2 enthält einen Differenzverstärker 15. Ein erster Eingang (invertierender Eingang) des Differenzverstärkers 15 wird auf einer Bezugsspannung Vc gehalten. Ein Widerstand R₁ und das Primärelement 6 sind in Serie geschaltet, um einen Spannungsteiler zu bilden, dem eine konstante Spannung V₁ zugeführt wird. An dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R₁ und dem Element 6 wird eine Ausgangsspannung V₂ abgegriffen, die einem zweiten Eingangsanschluß (nicht-invertierender Anschluß) des Differenzverstärkers 15 zugeführt wird. Der Differenzverstärker 15 liefert den Pumpstrom ip an die Sauerstoffpumpzelle 14, um die Ausgangsspannung V₂ gleich der Bezugsspannung Vc zu machen.

Dieser Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 hat eine Charakteristik zwischen dem Pumpstrom ip und dem Überschußluftfaktor λ des zu messenden Gases, die mit durchgezogener Linie in Fig. 3 eingezeichnet ist. Die gestrichelte Linie in Fig. 3 zeigt die Charakteristik eines konventionellen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors 101 nach Fig. 7. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Wert des Pumpstroms des Sensors 1 kleiner als der des bekannten Sensors 101 speziell auf der fetten Seite. Die Gestaltung des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 nach der vorliegenden Erfindung kann daher die Belastung der Sauerstoffpumpzelle 14 vermindern und damit eine unerwünschte Alterung der Ausgangscharakteristik auf einen niedrigen Wert beschränken.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 nach der vorliegenden Erfindung. Die Charakteristik nach Fig. 4 ist eine Charakteristik über das Ansprechverhalten, das aus einer Änderung der Gaszusammensetzung von mager nach fett und umgekehrt resultiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Metalloxidprimärelement 6 so gestaltet und angeordnet, daß kein Metalloxid innerhalb der Projektion 11a des Lochs 11 liegt. Speziell in fetter Umgebungsatmosphäre wird das Metalloxidelement nach der vorliegenden Erfindung 6 in einem Zustand niedrigen Widerstands in einem Bereich A₅ gehalten, der nicht genau unter dem Gasdiffusionsloch 11 liegt, wie Fig. 5 zeigt. Die Sauerstoffkonzentration wird daher außergewöhnlich hoch nur in einem kleinen Teil des Gasdiffusionsraums 9, so daß das Gas in dem Diffusionsraum 9 mit kleinem Pumpenstrom während eines Übergangs zwischen fett und mager erneuert werden kann. Als Folge davon zeigt der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 nach der vorliegenden Erfindung ein zufriedenstellendes Übergangsverhalten ohne Überschwingung, wie Fig. 4 zeigt.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 6A und 6B dargestellt. Bei dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 nach den Fig. 6A und 6B ist der sauerstoffionenleitende feste Elektrolytdeckel 8 so gestaltet, daß die Rate der Gasdiffusion vorherrschend im Gasdiffusionssteuerraum 9 anstelle im Gasdiffusionsloch 11 bestimmt ist. Beispielsweise ist der Durchmesser des Gasdiffusionslochs 11 gleich 0,6 mm, und die Höhe des Gasdiffusionssteuerraums 9 (das ist eine Distanz zwischen der Innenseite der Oberwand des Deckels 8 und der Oberseite des Substrats 3) gleich 20 µm. Bei dieser Ausführungsform sind die Oberflächen der ersten und zweiten Elektroden 4 und 5 bündig mit der Oberfläche des Substrats 3, und das aus Metalloxid bestehende Primärelement 6 ist in zwei Stücke 6a und 6b unterteilt, wie in den Fig. 6A und 6B dargestellt ist. Jedes Stück des Primärelements 6 ist wie ein Stab gestaltet und ist so angeordnet, daß beide Enden in Berührung mit den ersten und zweiten Elektroden 4 bzw. 5 sind. Jedes Stück des Primärelements 6 hat von der Projektion 11a des Loches 11 einen derartigen Abstand, daß die Rate der Gasdiffusion in einem Verlauf zwischen der Stelle unmittelbar unter dem Gasdiffusionsloch 11 und der Stelle eines jeden Stückes 6a oder 6b des Primärelements 6 bestimmt ist.

Bei dem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das Volumen des Gasdiffusionssteuerraums 9 weiter vermindert. Das heißt, die Gasmenge, die während eines Wechsels zwischen fett und mager ersetzt werden muß, ist vermindert. Die Tendenz eines Überschwingens ist daher weiter vermindert, und die Ansprechgeschwindigkeit des Pumpstroms ip ist bemerkenswert gesteigert (beispielsweise ist die Ansprechgeschwindigkeit mehr als fünfmal so hoch wie bei dem bekannten Sensor).

Um das Verständnis der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird auf einen bekannten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor Bezug genommen, der in Fig. 19 dargestellt ist (ein ähnlicher Sensor ist in der JP-OS 61-30 758 beschrieben).

Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 200 nach Fig. 19 besteht aus einem Substrat 201 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, der sandwichartig zwischen ersten und zweiten Elektroden 202 und 203 eingeschlossen ist, um eine Sauerstoffsensorzelle 204 zu bilden. Die erste Elektrode 202 ist von einem unteren Deckel 205 innerhalb eines Bezugsraumes 206 umschlossen, der zwischen dem unteren Deckel 205 und dem Substrat 201 ausgebildet ist. Ein Bezugsgas, wie beispielsweise Luft, wird in den Bezugsraum 206 eingeführt. Die erste Elektrode 202 im Bezugsraum 206 dient als eine Bezugselektrode. Die zweite Elektrode 203 ist von einem oberen Deckel 207 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten umschlossen, wobei ein Gasdiffusionssteuerraum 208 zwischen dem oberen Deckel 207 aus festem Elektrolyt und dem festen Elektrolytsubstrat 201 ausgebildet wird. Der obere Deckel 207 ist mit einem kleinen Gasdiffusionsloch 209 versehen, durch das ein zu messendes Gas in den Steuerraum 208 eingeführt wird. Ringförmige dritte und vierte Elektroden 210 und 211 sind an den Innen- und Außenseiten des oberen Deckels 207 um das Loch 209 angeordnet, um eine Sauerstoffpumpzelle 212 zu bilden.

Wie Fig. 21 zeigt, ist ein Potentialmesser 213 an die ersten und zweiten Elektroden 202 und 203 der Sensorzelle 204 über Leitungen 202a und 203a angeschlossen, und eine Stromquelle 214 ist an die dritten und vierten Elektroden 210 und 211 der Pumpzelle 212 über Leitungen 210a und 211a angeschlossen.

Wenn kein Pumpstrom von der Stromquelle 214 fließt, dann variiert die elektrische Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden 202 und 203 der Sauerstoffsensorzelle 204, die von dem Potentialmesser 213 gemessen wird, in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des in den Raum 208 eingeführten Gases entsprechend einer Charakteristik A, die in Fig. 22 gezeigt ist. In diesem Falle ändert sich die Potentialdifferenz, d. h. eine EMK der Sauerstoffsensorzelle, an oder nahe dem Luft/Kraftstoff-Äquivalenzverhältnis (Überschußluftfaktor) von λ=1 sehr scharf. Wie der Sensor 101 nach Fig. 7 liefert der Sensor 200 eine EMK in Abhängigkeit vom Überschußluftfaktor entsprechend der Kurve B in Fig. 22, wenn Pumpstrom in Richtung i₁ gemäß Fig. 21 zugeführt wird, und entsprechend Kurve C in Fig. 22, wenn Pumpstrom in umgekehrter Richtung i₂ zugeführt wird.

Eine äquivalente Schaltung nach Fig. 23 ist ein Beispiel, das in gegenwärtigen Systemen zum Messen des Überschußluftfaktors von Abgasen verwendet wird. In der Schaltung nach Fig. 23 sind der Potentialmesser 213 und die Stromquelle 214 so angeschlossen, daß Pumpstrom ip so zugeführt wird, daß die EMK Vs der Sauerstoffsensorzelle 104 auf einem vorbestimmten Wert Va konstant gehalten wird. Fig. 24 zeigt eine Charakteristik des Pumpstroms ip in Abhängigkeit vom Überschußluftfaktor, die man mit der Anordnung nach Fig. 23 erhält.

Die Fig. 25A und 25B zeigen die zweite Elektrode 203 des Sensors 200. Wenn das zu messende Gas mager ist, dann wird die zweite Elektrode 203 auf einem Zustand hohen Potentials gegenüber der Bezugselektrode in einem Bereich A₁ gehalten, der außerhalb des strichpunktierten Kreises L₁ und fern von der Projektion 209a des Loches 209 liegt, wie Fig. 25A zeigt. Ein Bereich A₂ innerhalb des Kreises L₁ wird auf einem Zustand niedrigen Potentials gehalten. Daher muß ein großer Teil des Gasdiffusionssteuerraums 208 im Zustand niedriger Sauerstoffkonzentration gehalten werden, was eine übermäßige Belastung an der Sauerstoffpumpzelle 212 erforderlich macht. Wenn andererseits das Gas fett ist, dann wird die zweite Elektrode 203 im Zustand hohen Potentials in bezug auf die Bezugselektrode in einem Bereich A₃ gehalten, der nahe der Projektion 209a des Lochs 209 innerhalb eines strichpunktierten Kreises L₂ um die Projektion 209a in Fig. 25B liegt, und muß im Zustand niedrigen Potentials in dem verbleibenden Bereich A₄ außerhalb des Kreises L₂ gehalten werden. Ein großer Teil des Gasdiffusionssteuerraums 208 muß daher auf hoher Sauerstoffkonzentration gehalten werden, was eine übermäßige Belastung der Sauerstoffpumpzelle 212 erforderlich macht. Wegen dieser übermäßigen Belastung verschlechtert sich die Sauerstoffpumpzelle 212 des bekannten Sensors 200 im Gebrauch.

Weiterhin erfordern Änderungen in der Gaszusammensetzung zwischen fett und mager beim konventionellen Sensor 200, daß ein großer Pumpstrom ip einen Sauerstoffüberschuß aufgrund eines fetten Betriebs aus dem Diffusionssteuerraum 208 entfernt und fehlenden Sauerstoff bei magerem Betrieb zuführt. Es besteht daher die Neigung zu Überschwingungen beim Übergang, wie aus Fig. 26 deutlich hervorgeht.

Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 14A bis 18B dargestellt.

Ein Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 21 nach Fig. 14A weist ein sauerstoffionenleitendes festes Elektrolytsubstrat 22 von plattenförmiger Gestalt auf, das zwischen ersten und zweiten Elektroden 23 und 24 sandwichartig eingeschlossen ist, um eine Sauerstoffsensorzelle 25 zu bilden. Die erste Elektrode 23 ist von einem unteren Deckel 26 in einem Bezugsraum 27 eingeschlossen, der zwischen dem unteren Deckel 26 und dem Substrat 22 ausgebildet ist. Ein Bezugsgas, wie beispielsweise Luft, wird in den Raum 27 eingeführt, und die erste Elektrode 23 wird als eine Bezugselektrode verwendet. Der untere Deckel 26 weist ein Heizelement 29 auf, das von einem Isolator 28 elektrisch isoliert und in den Deckel 26 eingebettet ist.

Die zweite Elektrode 24 ist ein Primärmeßelement, das sich in direkter Berührung mit dem zu messenden Gas befindet, und dient als eine Meßelektrode der Sensorzelle 25. Die zweite Elektrode 24 ist mit einer kreisförmigen Öffnung 24a in ihrer Mitte versehen. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Elektrode 24 im wesentlichen quadratisch, und die Mitte der Öffnung 24a fällt mit der Mitte der zweiten Elektrode 24 zusammen, wie Fig. 14B zeigt. Die zweite Elektrode 24 ist von einem oberen Deckel 31 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten innerhalb eines Gasdiffusionssteuerraums 32 eingeschlossen, der zwischen dem oberen Deckel 31 und dem Substrat 22 ausgebildet ist. Ein kreisförmiges Gasdiffusionsloch 33 ist im Mittenabschnitt des oberen Deckels 31 ausgebildet. Der obere Deckel 31 hat bei dieser Ausführungsform eine flache obere Wand, die im wesentlichen parallel zum Substrat 22 verläuft. Das Loch 33 liegt bei dieser Ausführungsform in der Mitte der oberen Wand des oberen Deckels 31 und erstreckt sich durch die obere Wand des Deckels 31 in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Oberseite des Substrats 22. Der strichpunktierte kleine Kreis 33a in Fig. 14B ist die Projektion, die das Loch 33 auf der Oberseite des Substrats 22 in der Richtung erzeugt, in der sich das Loch 33 durch den oberen Deckel 31 erstreckt. Die kreisförmige Öffnung 24a der zweiten Elektrode 24 hat eine solche Größe und ist derart angeordnet, daß sie im wesentlichen konzentrisch zu dem Kreis 33a verläuft, und ihr Durchmesser ist größer als der des Kreises 33a. Die zweite Elektrode 24 ist derart gestaltet und angeordnet, daß der Bereich innerhalb des Kreises 33a ausgespart ist.

Ringförmige dritte und vierte Elektroden 34 und 35 sind um das Loch 33 an den Innen- und Außenseiten der oberen Wand des oberen Deckels 31 befestigt, um eine Sauerstoffpumpzelle 36 zu bilden.

In einer Schaltung nach Fig. 15 wird eine EMK Vs der Sauerstoffsensorzelle 25 des Sensors 21 einem ersten Eingangsanschluß (invertierender Eingang) eines Differenzverstärkers 41 zugeführt, dessen zweiter Eingangsanschluß (nicht-invertierender Anschluß) auf einem Bezugspotential Vc gehalten wird. Der Differenzverstärker 41 führt der Sauerstoffpumpzelle 36 einen Pumpstrom ip derartiger Größe zu, daß die EMK Vs der Sensorzelle 25 auf der Größe der Bezugsspannung Vc konstantgehalten wird.

Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 21 der dritten Ausführungsform zeigt eine Abhängigkeit des Pumpstroms vom Überschußluftfaktor, die mit durchgezogener Linie in Fig. 16 dargestellt ist. Die gestrichelte Linie in Fig. 16 zeigt die Charakteristik des konventionellen Sensors 200 nach Fig. 20A zum Vergleich. Bei dem Sensor nach der dritten Ausführungsform ist der Absolutwert des Pumpstroms sowohl auf der fetten als auch auf der mageren Seite im Vergleich zum bekannten Sensor 200 vermindert. Die Belastung der Pumpzelle 36 ist daher herabgesetzt, so daß ein unerwünschtes vorzeitiges Altern der Sensorausgangscharakteristik begrenzt ist.

Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor 21 zeigt ein befriedigendes Übergangsverhalten ohne Überschwingungen, wie in Fig. 17 dargestellt. Die zweite Elektrode 24 wird in einem Zustand hohen Potentials in einem Bereich A₅ im Falle magerer Atmosphäre gehalten, siehe Fig. 18A, und im Zustand niedrigen Potentials in einem Bereich A₆ gemäß Fig. 18B im Falle fetter Atmosphäre. Jeder der Bereiche A₅ von Fig. 18A und A₆ von Fig. 18B liegt im Abstand zur Stelle genau unterhalb des Gasdiffusionslochs 33a, so daß die Sauerstoffkonzentration auf einem übermäßig hohen oder übermäßig niedrigen Wert nur in einem kleinen Volumenbereich des Gasdiffusionsraums 33 gehalten wird. Das Gas im Steuerraum 32 kann daher mit kleinem Pumpstrom leicht erneuert werden, wobei ein Überschwingen verhindert ist, wie Fig. 17 zeigt.

Im Stand der Technik sind die verschiedensten sauerstoffleitenden festen Elektrolyten bekannt, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sowie die verschiedensten Metalloxide, die als Metalloxidelement 6 bei den ersten und zweiten Ausführungsformen Einsatz finden können, sowie die verschiedensten Materialien, die als Elektroden der Sensorzelle und der Pumpzelle Einsatz finden können. Die Erfindung ist daher auf die Verwendung der in der Beschreibung angegebenen Materialien nicht beschränkt.

Claims (10)

1. Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, enthaltend eine Sensoreinrichtung aus einem Substrat und einem Primärmeßelement, das auf einer ersten Fläche des Substrats angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung mit einem ersten Deckel, der auf dem Substrat angeordnet ist, um das Primärelement innerhalb eines Steuerraums, der zwischen dem Substrat und dem ersten Deckel ausgebildet ist, einzuschließen, wobei der erste Deckel mit einem Loch zum Durchgang von Gas in den und aus dem Steuerraum versehen ist und wenigstens ein Teil des ersten Deckels aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten besteht, weiterhin mit inneren und äußeren Elektroden, die eine Sauerstoffpumpzelle mit dem genannten festen Elektrolyten bilden, wobei die innere Elektrode an der Innenwand des ersten Deckels innerhalb des Steuerraums und die äußere Elektrode an der Außenseite des ersten Deckels außerhalb des Steuerraums befestigt ist und der Steuerraum und das Loch so dimensioniert sind, daß eine Gasdiffusionsrate im wesentlichen in dem Loch und nicht in dem Steuerraum definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement (6, 24) der Sensoreinrichtung außerhalb des von der senkrechten Projektion (11a, 33a) des Lochs (11, 33) auf das Substrat (3, 22) umrissenen Flächenbereichs desselben liegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement (6, 24) so gestaltet und angeordnet ist, daß es nicht innerhalb eines Kreises liegt, dessen Zentrum genau unter dem Loch (11, 33) liegt und einen größeren Durchmesser hat, als das Loch (11, 33).

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement (6) eine kreisförmige Öffnung (6a) aufweist, die zentrisch unter dem Loch (11) liegt.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement (6) aus einem Metalloxid besteht, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration eines damit in Berührung befindlichen Gases variabel ist, und daß die Sensoreinrichtung weiterhin erste und zweite Elektroden (4, 5) umfaßt, die an dem Primärmeßelement (6) befestigt sind, um dessen elektrischen Widerstand zu erfassen.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Schaltung (15, usw.) mit den ersten und zweiten inneren und äußeren Elektroden verbunden ist, um der Sauerstoffpumpzelle einen elektrischen Strom solcher Größe zuzuführen, daß ein elektrischer Ausgang der Sensoreinrichtung auf einem konstanten Wert gehalten wird.

6. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (22) wenigstens teilweise aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten besteht und die Sensoreinrichtung eine Bezugselektrode (23) enthält, die an dem Substrat (22) befestigt ist, um zusammen mit dem Primärmeßelement, das als Meßelektrode (24) dient, und dem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten des Substrats eine Sauerstoffsensorzelle zu bilden.

7. Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, enthaltend eine Sensoreinrichtung aus einem Substrat und einem Primärmeßelement, das auf einer ersten Fläche des Substrats angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung mit einem ersten Deckel, der auf dem Substrat angeordnet ist, um das Primärelement innerhalb eines Steuerraums, der zwischen dem Substrat und dem ersten Deckel ausgebildet ist, einzuschließen, wobei der erste Deckel mit einem Loch zum Durchgang von Gas in den und aus dem Steuerraum versehen ist und wenigstens ein Teil des ersten Deckels aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten besteht, weiterhin mit inneren und äußeren Elektroden, die eine Sauerstoffpumpzelle mit dem genannten festen Elektrolyten bilden, wobei die innere Elektrode an der Innenwand des ersten Deckels innerhalb des Steuerraums und die äußere Elektrode an der Außenseite des ersten Deckels außerhalb des Steuerraums befestigt sind und der Steuerraum und das Loch so dimensioniert sind, daß eine Gasdiffusionsrate im wesentlichen in dem Steuerraum und nicht in dem Loch definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement (6) der Sensoreinrichtung aus einem Metalloxid besteht, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration eines damit in Berührung befindlichen Gases variabel ist und außerhalb des von der senkrechten Projektion (11a) des Lochs (11) auf das Substrat (3) umrissenen Flächenbereichs desselben liegt.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement aus ersten und zweiten Stücken (6a, 6b) besteht, die auf der ersten Seite des Substrats entfernt von einer Stelle genau unterhalb des Lochs liegen.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum (9) und das Loch (11) derart dimensioniert sind, daß eine Gasdiffusionsrate in dem Steuerraum und nicht in dem Loch bestimmt ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Primärmeßelement entfernter von der Projektion liegt, als die ersten und zweiten Elektroden (4, 5) der Sensoreinrichtung, die an dem Primärmeßelement befestigt sind, um den elektrischen Widerstand desselben zu messen.