DE4424539A1 - Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das zur Ver­ wendung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zur Er­ fassung eines Mischverhältnisses von Kraftstoff für den Mo­ tor eines Kraftfahrzeugs und von Luft als Luft-Kraftstoff- Verhältnis geeignet ist.

Im allgemeinen ist ein Motor für ein Kraftfahrzeug mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder einem O₂-Sensor an einer beliebigen Stelle in einer Abgasröhre zum Erfassen der Konzentration von im Abgas enthaltenen Sauerstoff versehen, um dadurch ein Verhältnis der Mischung von Kraftstoff und Luft als Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F zu bestimmen. Ein Verhältnis einer Menge von eingespritztem Kraftstoff zu einer Menge von Ansaugluft wird z. B. gesteuert, so daß sich das bestimmte Luft-Kraftstoff-Verhältnis einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F = 14,7) annähert, um dadurch den Kraftstoff in einer Kraftstoffverbrennungskammer eines Motors vollständig zu verbrennen und folglich den Kraft­ stoffverbrauch zu verbessern. Bisher wurde ein Motor für ein Kraftfahrzeug gesteuert, um eine sog. "Magerverbrennungs"- Steuerung unter Verwendung einer mageren Mischung auszu­ führen, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, wenn der Motor in einem vollständig aufgewärmten Zustand ist, und das Kraftfahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit unter ge­ ringer Last fährt. Bei einer solchen Steuerung ist eine Menge der Kraftstoffeinspritzung gesteuert, so daß ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Bereich von 18-25 liegt.

Ein herkömmlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, wie er oben beschrieben wurde, verwendete bisher ein plattenförmi­ ges Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses, wie es z. B. in den ungeprüften japanischen Patent­ veröffentlichungen Nr. 62-214347 und 55-125448 offenbart ist. Das in diesen Offenbarungen offenbarte Element ist der­ art aufgebaut, daß eine feste Elektrolytschicht und eine Schutzschicht auf einem länglichen, plattenförmigen Heizer laminiert sind.

Der oben erwähnte herkömmliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensor ist mit einem plattenförmigen Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungselement an einer Spitze dessen Gehäuses versehen, und ist durch einen Abschnitt mit äußerem Gewinde, der auf einer äußeren Oberfläche des Gehäuses an dessen un­ terem Ende gebildet ist, an einer Abgasröhre festgeschraubt, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement mit dem Abgasfluß in der Abgasröhre in Kontakt ist.

Nachdem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der ein plattenförmiges Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement aufweist, durch eine Schraube an einer Abgasröhre befestigt ist, kann die Richtung, entlang der das Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungselement an einer Abgasröhre befestigt ist, für jede der Abgasröhren gestreut sein. Das plattenförmige Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement ist z . B. parallel oder senkrecht zum Abgas, das in einer Abgasröhre fließt, angeordnet.

In dem Fall, in dem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor an einer Abgasröhre an einem Punkt befestigt ist, an dem sich eine Mehrzahl von Zweigröhren eines Abgaskrümmers treffen, fließen die Abgase, die durch die Zweigröhren von den Zy­ lindern zugeführt werden, in unterschiedlichen Richtungen für jede der Zweigröhren an dem Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis-Sensor vorbei. Dies kann ebenfalls eine Diskrepanz zwischen der Richtung, entlang der das Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Erfassungselement an einer Abgasröhre befestigt ist, und der Richtung des Abgasflusses hervorrufen.

Folglich weist der oben erwähnte Stand der Technik ein Pro­ blem auf, das darin besteht, daß sich eine Abgasmenge und/oder eine Konzentration von Sauerstoff, die durch eine Schutzschicht durchtreten, in Abhängigkeit von der Richtung des Abgasflusses und/oder der Richtung, entlang der das Element an der Abgasröhre befestigt ist, unterscheiden, wo­ durch die Erfassungsgenauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses instabil wird. Wenn eine Kraftstoffeinspritzmenge auf der Grundlage von Erfassungssignalen, die durch einen Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor übermittelt werden, gesteuert werden soll, ist es dementsprechend wahrscheinlich, daß die Kraftstoffeinspritzmenge zu groß oder zu klein ist, was zu einem Problem bezüglich einer Schwierigkeit der geeigneten Steuerung für eine Maschine führt.

Zusätzlich weist die Struktur eines herkömmlichen Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, bei dem eine feste Elektro­ lytschicht und eine Schutzschicht auf einer Seite eines Hei­ zerabschnitts laminiert sind und die andere Seite des Heizerabschnitts nach außen freiliegt, viele Probleme auf. Eine Wärmeübertragungsfläche des Heizerabschnitts zum Über­ tragen der Wärme an die feste Elektrolytschicht kann z. B. nicht großflächig gebildet werden. Zusätzlich ist es wahr­ scheinlich, daß der Heizerabschnitt durch die äußere Luft­ temperatur beeinflußt wird, während ein Motor nicht in Be­ trieb ist, und daher ist es schwierig, die Temperatur des Heizerabschnitts schnell zu erhöhen, sogar dann, wenn eine elektrische Leistung an den Heizer angelegt wird, wenn der Motor seinen Betrieb beginnt. Folglich erfordert es zusätz­ liche Zeit, um die feste Elektrolytschicht mittels der Wärme, die von dem Heizerabschnitt übertragen wird, zu aktivieren, um es dadurch zu ermöglichen, ein Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis zu erfassen. Dies bedeutet, daß eine Rück­ kopplungssteuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht bald nachdem der Motor beginnt zu arbeiten durchgeführt werden kann.

Ein Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses, das aus einer Zirkondioxidröhre besteht, ist in Fachkreisen ebenfalls gut bekannt. Bei einem solchen Element ist es erforderlich, daß ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Erfassungselement ausgebildet ist, um einen U-förmigen Querschnitt zu haben, es ist jedoch schwierig, ein solches Element genau zu bilden. Weiterhin verursacht die geringe Wanddicke des Elements oft, daß das Element bricht- mit dem Ergebnis, daß die Schwierigkeit beim Bilden des Elements mit einem kleinen Durchmesser erhöht wird. Wenn ein Heizer in dem Element enthalten sein soll, ist es notwendig, einen getrennt hergestellten Heizer in eine Zirkondioxidröhre einzufügen, was dazu führt, daß eine Anzahl von Teilen zum Zusammenbau des Elements erhöht wird, wodurch es unmöglich gemacht wird, die Zusammenbaueffizienz zu verbessern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu schaffen, das fähig ist, eine Dispersion der Erfassungsgenauigkeit, die durch die Ungleichmäßigkeit der Richtung, entlang der das Element an einer Abgasröhre befestigt ist, effektiv zu vermeiden und weiterhin eine stabile Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisses eines Motors oder ähnlichem zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses geschaffen wird, das fähig ist, eine Zeitdauer, während der das Element mit einem Heizer aufgeheizt werden muß, sicher reduziert wird, und das ebenfalls fähig ist, ein Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis zu erfassen, sobald ein Motor beginnt zu arbeiten.

Wie es in Fachkreisen bekannt ist, gibt es zwei Arten von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselementen: eine ist bekannt als ein A/F-Sensor vom Großbereichstyp, und der andere ist bekannt als A/F-Sensor vom stöchiometrischen Typ. Der A/F-Sensor vom Großbereichstyp hat eine Eigenschaft, bei der eine Ausgangsspannung, die durch den Sensor übermittelt wird, in Übereinstimmung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis, das sich in einem großen Bereich zwischen fett und mager verändert, verändert wird, und macht es folglich mög­ lich, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem großen Bereich zu erfassen. Der A/F-Sensor vom stöchiometrischen Typ hat eine Eigenschaft, bei der eine Ausgangsspannung, die durch den Sensor übertragen wird, abhängig davon, ob ein Luft- Kraftstoff-Verhältnis oberhalb oder unterhalb des theore­ tischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F = 14,7) liegt, abrupt geändert wird. Die vorliegende Erfindung kann sowohl auf den A/F-Sensor vom Großbereichstyp als auch auf den vom stöchiometrischen Typ angewendet werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, schafft diese ein Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses, als Element zur Verwendung mit einem A/F-Sensor vom Großbereichstyp, das einen länglichen, stangenförmigen Dorn aus einem isolierenden Material, eine feste Elektrolyt­ schicht, die eine Leitfähigkeit bezüglich Sauerstoffionen aufweist und integriert auf der äußeren Oberfläche des Dorns gebildet ist, eine innere und eine äußere Elektrode, die auf einer inneren bzw. einer äußeren Oberfläche der festen Elek­ trolytschicht gebildet sind, um beim Anlegen einer Spannung von außen an diese Sauerstoffionen zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche der festen Elektrolytschicht zu über­ tragen, eine Schutzschicht, die integriert mit der festen Elektrolytschicht gebildet ist, so daß die Schutzschicht die äußere Elektrode äußerlich bedeckt, um die feste Elektrolyt­ schicht und die äußere Elektrode zu schützen, und Gasdurch­ führungsdurchgänge einschließt, die in der Schutzschicht gebildet sind, wobei Abgas von der Peripherie der Schutz­ schicht in Richtung der äußeren Elektrode durch diese hin­ durch diffundiert.

Bei dem oben erwähnten Element zur Erfassung eines Luft- Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der Erfindung können die feste Elektrolytschicht und die Schutzschicht integriert auf der äußeren Oberfläche des länglichen, stangenförmigen Dorns gebildet sein, und folglich kann das Element als ganzes in einer kreisförmigen Stangenform gebildet sein. Folglich ist es möglich, eine Variation der Gasmenge, die die feste Elek­ trolytschicht (eine Menge des diffundierten Gases) erreicht, zu vermeiden, die durch die Ungleichmäßigkeit der Richtung, entlang der das Element an der Abgasröhre befestigt ist, verursacht wird.

Bevorzugterweise ist der Dorn als Heizerabschnitt aufgebaut.

Bei einem solchen Aufbau kann der Heizerabschnitt mit der festen Elektrolytschicht und der Schutzschicht über dessen gesamte Peripherie bedeckt sein, und es ist dementsprechend möglich zu vermeiden, daß der Heizerabschnitt durch die äußere Lufttemperatur beeinflußt wird. Weiterhin kann eine Wärmeübertragungsfläche des Heizerabschnitts zum Übertragen der Wärme an die feste Elektrolytschicht von dem Heizerab­ schnitt angeordnet werden, um großflächiger zu sein, und folglich kann die Wärme von dem Heizerabschnitt effektiv zu der festen Elektrolytschicht oder ähnlichem übertragen werden.

Genauer gesagt kann der Aufbau derart sein, daß der Heizer­ abschnitt einen Heizerkern aus einem keramischen Material und eine Form einer Stange mit kleinem Durchmesser hat, wobei eine Heizerstruktur auf einer äußeren Oberfläche des Heizerkerns gebildet ist, und eine isolierende Heizerab­ deckschicht, kann auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns gebildet sein, um die Heizerstruktur nach außen hin zu be­ decken.

Überdies kann der Aufbau bevorzugterweise eine ringförmige Atmosphärenkammer umfassen, die zwischen der äußeren Ober­ fläche des Dorns und der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht angeordnet ist, und mit der Atmosphäre durch einen Atmosphäreneinführungsdurchgang, der sich axial von dem Dorn erstreckt, in Verbindung stehen.

Bei einem solchen Aufbau stellt die Bildung der Atmosphären­ kammer, das Einführen einer Atmosphäre in die Atmosphären­ kammer und das Anlegen einer Spannung zwischen die innere und äußere Elektrode sicher, daß erwünschte elektrochemische Reaktionen zum Übertragen von Wasserstoffionen zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche der festen Elektrolyt­ schicht auftreten.

Weiterhin kann der Aufbau derart sein, daß der Atmosphären­ einführungsdurchgang als ein Loch gebildet ist, daß sich in dem Dorn entlang dessen Mittelachse erstreckt und eine Öff­ nung an dem nahen Ende des Dorns hat.

Dieser Aufbau ist besonders in dem Fall vorteilhaft, in dem der Dorn als Heizerabschnitt gebildet ist. Das Loch, das in dem Heizerkern vorhanden ist, kann nämlich die thermische Kapazität des gesamten Heizers erniedrigen, und es ist daher möglich, eine Zeitdauer, während der der Heizerabschnitt geheizt wird, zu reduzieren.

Wiederum bei einem weiteren bevorzugten Aufbau ist ein ring­ förmiger Zwischenraum zum Verteilen des Gases darin, um die äußere Elektrode zwischen der festen Elektrolytschicht und der Schutzschicht gebildet. Abgas wird durch die Gasdurch­ führungsdurchgänge, die in der Schutzschicht gebildet sind, in diesen Zwischenraum eingeführt.

Bei einem weiteren bevorzugten Aufbau ist die Schutzschicht als eine Gasdiffusionsschicht durch das Plasma-Sprühen von keramischem Material um die feste Elektrolytschicht von außerhalb der äußeren Elektrode gebildet. Die Gasdiffusions­ schicht kann mit den Gasdurchführungsdurchgängen, gebildet werden, die darin eine Mehrzahl von Öffnungen haben. Die Öffnungen können durch Bilden einer porösen Gasdiffusions­ schicht leicht gebildet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfin­ dung ein Element zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisses als ein Element zur Verwendung mit einem A/F- Sensor vom stöchiometrischen Typ, der folgende Merkmale aufweist: einen länglichen, stangenförmigen Dorn aus einem isolierenden Material, eine feste Elektrolytschicht mit einer Leitfähigkeit bezüglich Sauerstoffionen, die auf einer äußeren Oberfläche des Dorns gebildet ist, einer ringförmi­ gen Atmosphärenkammer, die zwischen der äußeren Oberfläche des Dorns und der inneren Oberfläche der festen Elektro­ lytschicht gebildet ist, wobei die Atmosphärenkammer durch einen Atmosphäreneinführungsdurchgang, der sich extern von dem Dorn erstreckt, mit der Atmosphäre in Verbindung steht, einer inneren Elektrode, die integriert auf der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht gebildet ist, so daß die innere Elektrode der Atmosphärenkammer gegenüberliegt, eine äußere Elektrode, die integriert auf der äußeren Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht gebildet ist, so daß die äußere und die innere Elektrode die feste Elektrolytschicht zwischen sich einschließen, und einer Schutzschicht, die integriert auf der äußeren Oberfläche der festen Elektrolyt­ schicht gebildet ist, so daß die Schutzschicht die äußere Elektrode extern abdeckt, um die feste Elektrolytschicht und die äußere Elektrode zu schützen, wobei die feste Elektro­ lytschicht eine elektromotorische Kraft zwischen der inneren und äußeren Elektrode entsprechend einem Unterschied der Sauerstoffkonzentration zwischen einer Peripherie der Schutzschicht und der Atmosphärenkammer erzeugt.

Bei dem oben erwähnten Element zur Erfassung eines Luft- Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der Erfindung können die feste Elektrolytschicht und die Schutzschicht integriert auf der äußeren Oberfläche des länglichen, stangenförmigen Dorns gebildet sein, und folglich kann das Element vollständig in einer kreisförmigen Stangenform gebildet sein. Folglich ist es möglich, eine Variation der Gasmenge, die die feste Elek­ trolytschicht erreicht (eine Konzentration von Sauerstoff) zu vermeiden, die durch die Ungleichmäßigkeit der Richtung, entlang der das Element an der Abgasröhre befestigt ist, hervorgerufen wird.

Bei einem bevorzugten Aufbau ist der Dorn als ein Heizerab­ schnitt gebildet.

Genauer gesagt kann der Aufbau derart sein, daß der Heizer­ abschnitt einer Heizerkern aus einem keramischen Material hergestellt ist und eine Form einer Stange mit kleinem Durchmesser hat, wobei eine Heizerstruktur auf einer äußeren Oberfläche des Heizerkerns gebildet ist, und eine isolieren­ de Heizerabdeckschicht auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns zur äußeren Abdeckung der Heizerstruktur ge­ bildet ist.

Bei einem solchen Aufbau kann der Heizerabschnitt über seine gesamte Peripherie mit der festen Elektrolytschicht und der Schutzschicht bedeckt sein, und es ist dementsprechend mög­ lich, zu vermeiden, daß der Heizerabschnitt durch die äußere Lufttemperatur beeinflußt wird. Weiterhin kann eine Wärme­ übertragungsfläche des Heizerabschnitts zum Übertragen von Wärme von dem Heizerabschnitt an die feste Elektrolytschicht angeordnet sein, um flächenmäßig größer zu sein, und folg­ lich kann die Wärme von dem Heizerabschnitt an die feste Elektrolytschicht oder ähnliches effektiv übertragen werden.

Bei wiederum einem weiteren bevorzugten Aufbau ist eine erste Isolationsschicht auf der äußeren Oberfläche des Dorns an einem vorderen Ende dessen zwischen der äußeren Ober­ fläche des Dorns und der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht integriert gebildet, und eine zweite Isolationsschicht ist auf der äußeren Oberfläche des Dorns integriert gebildet, so daß die zweite Isolationsschicht axial von der ersten Isolationsschicht beabstandet ist, und sich in Richtung des nahen Endes des Dorns erstreckt, um so eine Atmosphärenkammer zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht zu bilden.

Bei wiederum einem weiteren bevorzugten Aufbau ist der Durchgang als ein Loch gebildet, daß sich in dem Dorn ent­ lang dessen Mittelachse erstreckt und eine Öffnung am nahen Ende des Dorns aufweist.

Wiederum bei einem weiteren bevorzugten Aufbau ist der Durchgang angeordnet, um zwischen dem Dorn und der zweiten Isolationsschicht angeordnet zu sein, und um eine Öffnung am nahen Ende des Dorns zu haben. Daher kann der Dorn oder der Heizerabschnitt leicht gebildet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsquerschnittdarstellung eines Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensors, mit dem ein Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung verwendet wird;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung ent­ lang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung ent­ lang der Linie III-III in Fig. 2, die eine schematische Darstellung einer Erfassungsschaltung einschließt;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung eines Heizerabschnitts darstellt;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung einer Isolationsschicht darstellt;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung einer festen Elektrolytschicht dar­ stellt;

Fig. 7 eine vergrößerte perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung einer Schutzschicht darstellt;

Fig. 8 ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis und einer Ausgangsspannung darstellt;

Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung ähnlich Fig. 3, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung darstellt;

Fig. 10 eine Längsquerschnittsdarstellung eines Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensors, mit dem ein Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung verwendet wird;

Fig. 11 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung entlang der Linie XI-XI in Fig. 10;

Fig. 12 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung entlang der Linie XII-XII in Fig. 11, einschließlich einer schematischen Darstellung einer Erfassungs­ schaltung;

Fig. 13 eine vergrößerte perspektivische Darstellung, die einen Schritt zur Herstellung einer Schutzschicht darstellt;

Fig. 14 ein Graph, der die Beziehung zwischen einem Luft- Kraftstoff-Verhältnis und einer Ausgangsspannung darstellt;

Fig. 15 eine Querschnittsdarstellung ähnlich der in Fig. 11, die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungs­ element gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 16 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung entlang der Linie XVI-XVI in Fig. 15, einschließlich einer schematischen Darstellung einer Erfassungs­ schaltung;

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung eines Heizerabschnitts darstellen;

Fig. 18 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung einer Isolationsschicht darstellen; und

Fig. 19 eine perspektivische Darstellung, die die Schritte zur Herstellung einer festen Elektrolytschicht dar­ stellen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden im folgenden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Bei den Ausführungsbeispielen wird das Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisses gemäß der Erfindung auf einen Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Sensor angewendet.

Das erste Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 bis 8 darge­ stellt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Element gemäß der Erfindung mit einem A/F-Sensor vom Großbereichstyp verwendet.

Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor hat ein Gehäuse 1, das einen gestuften zylindrischen Halter 2 mit einem Abschnitt 2A mit äußerem Gewinde auf der äußeren Oberfläche dessen vorderen Endes zur Befestigung hat, eine zylindrische Ab­ deckung 3, die einen Boden hat und integriert an dem Halter 2 an dem nahen Ende des Halters 2 befestigt ist, und das eine Führungsbuchse, die koaxial in der Abdeckung 3 an­ geordnet ist, und zwischen einer Abdichtungsabdeckung 10 (die später beschrieben wird) und dem Halter 2 angeordnet ist, umfaßt. Der Halter 2, die Abdeckung 3 und die Führungs­ buchse 4 sind alle aus einem Metall, wie z. B. Edelstahl, hergestellt. Das Gehäuse 1 wird in eine Abgasröhre (nicht dargestellt) durch den Abschnitt 2A mit äußerem Gewinde des Halters 2 eingeschraubt, so daß ein Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungselement 16 (das später beschrieben wird), in die Abgasröhre eines Motors eines Kraftfahrzeugs hinein­ ragt.

In dem Halter 2 des Gehäuses 1 ist ein Isolationstrageteil 5 durch einen Metallabdichtungsring 6 angeordnet. Das Iso­ lationstrageteil 5 besteht aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), und ist in einer zylindrischen Form gebildet. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungs­ element 16 ist an einer inneren Oberfläche des Isolations­ trageteils 5 durch eine geeignete Einrichtung, wie z. B. einem anorganischen Klebemittel, befestigt. Das Isolations­ bauteil 5 positioniert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselement 16 in dem Gehäuse 1 an der richtigen Stelle, während es gleichzeitig das Element 16 elektrisch und thermisch isoliert.

In der Führungsbuchse 4 sind Isolatoren 7 und 8 angeordnet. Die Isolatoren 7 und 8 bestehen aus einem keramischen Material, wie z. B. Aluminiumoxid, und sind in einer zylin­ drischen Form gebildet. Die Isolatoren 7 und 8 isolieren Kontaktplatten 13 und 14 (die später beschrieben werden) von dem Gehäuse 1. Zwischen dem Isolationstrageglied 5 und dem Isolator 7 in dem Gehäuse 1 ist eine Feder 9 angeordnet, die das Isolationstrageglied 5 in Richtung des Halters 2 zwingt, um dadurch zu vermeiden, daß das Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungselement 16 Direktschwingungen und Einflüsse, die extern auf das Gehäuse 1 wirken, empfängt.

Das nahe Ende der Abdeckung 3 ist nahe bei der Abdichtungs­ kappe 10, die aus einem Harzmaterial mit einer Wärmewider­ standseigenschaft, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), hergestellt. Die Abdichtungskappe 10 hat einen stufen­ förmigen zylindrischen Querschnitt und wirkt mit der Feder zusammen, um die Isolatoren 7 und 8 im Gehäuse 1 an Ort und Stelle zu halten. In die Abdichtungskappe 10 sind Anschluß­ leitungsdrähte 11 zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnisses und Anschlußleitungsdrähte 12 (von denen ledig­ lich einer dargestellt ist) für einen Heizer eingeführt. Die Anschlußleitungsdrähte 11 und 12 sind mit den Kontaktplatten 13 für die Erfassung bzw. mit den Kontaktplatten 14 für den Heizer im Isolator 8 verbunden.

Ein zylindrisches Schutzglied 15 mit einer Abdeckoberfläche ist an dem Halter 2 zum Schützen eines Frontabschnitts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 16, das über den Halter 2 hervorsteht, befestigt. Das Schutzglied 15 ist mit einer Mehrzahl von Fenstern 15A gebildet, durch die ein Abgas, das durch eine Abgasröhre fließt, um das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 eingeführt wird.

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 ist in dem Halter 2 durch das Isolationsbauglied 5 angeordnet. Das vordere Ende des Elements 16 steht nach außen über den Hal­ ter 2 hervor. Wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, umfaßt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 einen Heizerabschnitt 17, eine feste Elektrolytschicht 25 und eine Schutzschicht 28 (wie es im folgenden beschrieben wird).

Der Heizerabschnitt 17 ist in einer länglichen Stangenform gebildet und bildet einen Dorn, der ein Teil des Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselements 16 ist. Wie es in Fig. 2 bis 4 dargestellt ist, umfaßt der Heizerabschnitt 17 einen Heizerkern 18 aus einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid, der als Stange mit kleinem Durchmesser ge­ bildet ist, eine Heizerstruktur 19, die durch Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf der äußeren Oberfläche des Hei­ zerkerns 18 von einem fernen Ende in Richtung des nahen Endes des Heizerkerns 18 gebildet ist, und ein Paar Anschlußleitungsdrähte 19A (siehe Fig. 4) hat, die sich in Richtung des nahen Endes des Heizerkerns 18 erstrecken, und eine Heizerabdeckschicht 20, die z. B. durch dickes Auf­ drucken von Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid, auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns 18 zum Schutz der Heizer­ struktur 19 gebildet ist.

Der Heizerkern 18 ist durch Spritzgießen eines Keramik­ materials, wie z. B. Aluminiumoxid, als zylindrische Stange mit einem äußeren Durchmesser von z. B. 3 bis 4 mm und einer Länge im Bereich von 50-60 mm gebildet. Der Heizerkern 18 ist mit einem horizontalen Loch 18A gebildet, das sich axial in dem Heizerkern 18 erstreckt, und an dessen naher Endober­ fläche eine Öffnung hat, und ist ebenfalls mit einem verti­ kalen Durchgangsloch 18B gebildet, das sich radial in dem Heizerkern 18 von einem oberen Ende des Lochs 18A erstreckt. Die Löcher 18A und 18B haben einen Durchmesser von z. B. 0,5 bis 1,0 mm und wirken mit den Durchgangslöchern 20A der Heizerabdeckschicht 20 zusammen, um einen Durchgang 21 zu definieren, durch den eine Atmosphäre eingeführt wird. Das Loch 18A vermindert das Volumen des Heizerkerns 18, um da­ durch vorteilhafterweise die thermische Kapazität des Heizerkerns 18 zu erniedrigen.

Die Heizerstruktur 19 besteht aus einem wärmeleitfähigen Material, wie z. B. Wolfram (W) und Platin (Pt). Jeder der Anschlußleitungsdrähte 19A ist an dem nahen Ende des Heizer­ kerns 18 mit jeder der Kontaktplatten 14 verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Heizerstruktur 19 wird durch die Anschlußleitungsdrähte 12, die Kontaktplatten 14 und die An­ schlußleitungsdrähte 19A mit elektrischer Leistung versorgt, um dadurch den Heizerabschnitt 17 z. B. auf etwa 750°C aufzu­ heizen. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, hat der Heizer­ abschnitt 17 einen äußeren Durchmesser D im Bereich von z. B. 4-6 mm und heizt intern die feste Elektrolytschicht 25, um dadurch die Temperatur des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselements 16 auf eine Temperatur von z. B. mehr als 600°C aufzuheizen, und um dadurch das Element 16 zu aktivie­ ren.

Auf der äußeren Oberfläche der Heizerabdeckschicht 20 sind eine erste Isolationsschicht 22 und eine zweite Isolations­ schicht 23, die beide durch Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet sind, angeordnet. Die Isolationsschichten 22 und 23 sind durch dickes Aufdrucken eines Keramikmaterials, wie z. B. Aluminiumoxid, gebildet. Die erste Isolations­ schicht 22 ist näher an dem vorderen Ende der Heizerabdeck­ schicht 20 angeordnet als das Durchgangsloch 20A, wohingegen die zweite Isolationsschicht 23 axial von der ersten Iso­ lationsschicht 22 um eine vorbestimmte Entfernung beabstan­ det ist und ebenfalls näher zu dem hinteren Ende der Heizer­ abdeckschicht 20 angeordnet ist als das Durchgangsloch 20A. Die erste und die zweite Isolationsschicht 22 und 23 wirken zusammen, um eine ringförmige Atmosphärenkammer 24 zwischen der äußeren Oberfläche der Heizerabdeckschicht 20 und einer inneren Elektrode 26 (die später beschrieben wird) zu de­ finieren. Die Atmosphärenkammer 24 ist durch der Durchgang 21 des Heizerabschnitts 17 mit einer Atmosphäre in Verbin­ dung. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, haben die erste und die zweite Isolationsschicht 22 und 23 die Dicke T1 im Bereich von mindestens 8,28 Mikrometer, bevorzugterweise etwa 10 Mikrometer, um es dadurch zu ermöglichen, die O₂-Konzentra­ tion in der Atmosphärenkammer 24 auf einer Referenzkonzen­ tration zu halten.

Auf der äußeren Oberfläche der Isolationsschichten 22 und 23 ist eine feste Elektrolytschicht 25 durch Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet. Die feste Elektrolytschicht 25 ist bezüglich Sauerstoffionen leitfähig, d. h. die Sauer­ stoffionen können durch die feste Elektrolytschicht 25 hindurchtreten. Die feste Elektrolytschicht 25 kann in einer zylindrischen Form durch einen Prozeß gebildet sein, der die Schritte des Mischens von Zirkondioxidpuder (ZrO₂-Puder) mit einem vorbestimmten Gewichtsprozentsatz von Yttriumoxid-Pu­ der (Y₂O₉-Puder), um dadurch ein Pastenmaterial vorzube­ reiten, und das dicke Aufdrucken des Pastenmaterials auf die äußere Oberfläche der Isolationsschichten 22 und 23 ein­ schließt. Die feste Elektrolytschicht 25 hat die Dicke T2, die z. B. im Bereich von 50-100 Mikrometer liegt, und die Sauerstoffionen durch diese Dicke überträgt.

Auf der inneren und der äußeren Oberfläche der festen Elek­ trolytschicht 25 ist eine innere und eine äußere Elektrode 26 bzw. 27 gebildet. Die innere und die äußere Elektrode 26 und 27 können durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste aus einem leitfähigen Metall, wie z. B. Platin, auf die innere und die äußere Oberfläche der festen Elektrolytschicht 25 gebildet werden, so daß die Elektroden 26 und 27 eine Länge von beispielsweise etwa 4 mm haben. Wie es in Fig. 6 darge­ stellt ist, erstrecken sich die Anschlußleitungsdrähte 26A, 27A der Elektroden 26, 27 in Richtung des nahen Endes des Heizerabschnitts 17. Die Anschlußleitungsdrähte 26A, 27A sind am nahen Ende des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselements 16 mit den Kontaktplatten 13 verbunden, und geben folglich ein Signal aus, das von dem Element 16 über die Anschlußleitungsdrähte 11 nach Außen abgegeben wird.

Eine Schutzschicht 28 ist auf den äußeren Oberflächen der ersten und der zweiten Isolationsschicht 22 und 23 angeord­ net, um die feste Elektrolytschicht 25 und die äußere Elektrode 27 zu bedecken. Die Schutzschicht 28 kann z. B. durch Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet werden. Die Schutzschicht 28 kann in einer zylindrischen Form durch einen Prozeß gebildet werden, der die Schritte des Mischens von Aluminiumoxid-Puder (Al₂O₃-Puder) mit einem vorbestimm­ ten Gewichtsprozentsatz von Zirkondioxid-Puder, um dadurch ein Pastenmaterial vorzubereiten, und des dicken Aufdruckens des Pastenmaterials auf eine äußere Oberfläche der Isola­ tionsschichten 22 und 23 einschließt. Die Schutzschicht 28 hat eine Dicke von z. B. etwa 60 Mikrometer. Die Schutz­ schicht 28 wirkt mit der festen Elektrolytschicht 25 zu­ sammen, um einen Gasdiffusionszwischenraum 29 dazwischen, um die äußere Elektrode 27 zu definieren. Der Zwischenraum 29 hat radial eine Breite S im Bereich von z. B. 20-60 Mikro­ meter und hat eine Länge im Bereich von 2-6 mm. Die Schutzschicht 28 ist mit Gasdurchführungsöffnungen 28A, 28B gebildet, durch die Abgas, das in der Abgasröhre fließt, in den Gasdiffusionszwischenraum 29 eintritt. Die Öffnungen 28A, 28B diffundieren das Abgas von der Außenseite der Schutzschicht 28 in Richtung der äußeren Elektrode 27.

Außerhalb des Gehäuses 1 ist eine elektrische Leistungsver­ sorgung 30 angeordnet, die mit der Heizerstruktur 19 über die Anschlußleitungsdrähte 12 verbunden ist. Die elektrische Leistungsversorgung 30 legt eine Spannung an die Heizer­ struktur 19 des Heizerabschnitts 17 an, um dadurch den Heizerabschnitt 17 auf z. B. etwa 750°C aufzuheizen.

Eine Direktstromversorgung 31 ist außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet. Die Direktstromversorgung 31 hat eine Vor­ spannungsspannung Vp. Die Direktstromversorgung 31 hat einen positiven Anschluß, der mit der äußeren Elektrode 27 über die Anschlußleitungsdrähte 11 und ebenfalls mit einem nega­ tiven Anschluß einer Referenzleistungsversorgung 32 ver­ bunden ist, und hat einen negativen Anschluß, der elektrisch geerdet ist. Die Referenzleistungsversorgung 32 hat eine Referenzspannung VE. Ein Differentialverstärker 34 hat einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß, an den ein positiver Anschluß der Referenzleistungsversorgung 32 über einen Widerstand 33 mit einem Widerstandswert r, angeschlossen ist, und hat einen invertierenden Eingangsanschluß, an den die innere Elektrode 26 über den Anschlußleitungsdraht 11 angeschlossen ist. Die Widerstände 36A, 36B, die einen Widerstandswert von R haben, sind seriell zwischen einem Ausgangsanschluß 35, dem nicht-invertierenden Eingangsan­ schluß bzw. dem invertierenden Eingangsanschluß angeordnet.

Der Differentialverstärker 34 wirkt mit den Widerständen 36A, 36B zusammen, um eine Schaltung zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu bilden.

Zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26, 27 wird eine elektromotorische Kraft erzeugt, die auf einem Unter­ schied der O₂-Konzentration zwischen der Atmosphärenkammer 24 und dem Gasdiffusionszwischenraum 29 in Übereinstimmung mit den später beschriebenen Gleichungen (C) und (D) ba­ siert. Nachdem ein Diffusionsbegrenzungsstrom IP fließt, so daß die elektromotorische Kraft konstant gehalten wird, wird eine Ausgangsspannung Vs, die durch die Gleichung (A) defi­ niert ist, am Ausgangsanschluß 35 des Differentialverstär­ kers 34 in Übereinstimmung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis (A/F) wie es in Fig. 8 dargestellt ist, erzeugt.

Vs = Vp + VE + (R + r)×Ip (A)

Zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung E, die durch die Gleichung (B) definiert ist, zwischen der inneren und äußeren Elektrode 26 und 27 angelegt.

E = VE + r×Ip (B)

Im folgenden wird anhand der Fig. 4 bis 7 ein Verfahren zur Herstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungs­ elements 16 mit der oben beschriebenen Struktur erläutert.

Fig. 4 stellt ein Verfahren zur Herstellung des Heizerab­ schnitts 17 dar. Zuerst wird bei einem Schritt zum Bilden eines Kerns der Heizerkern 18 durch einen Spritzguß aus Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid, z. B. als zylindri­ sche Stange gebildet, die einen äußeren Durchmesser von 3,8 mm und eine Länge von 57 mm hat. Während des Spritzgießens wird integriert das horizontale Loch 18A gebildet, das sich axial in dem Heizerkern 18 erstreckt und eine Öffnung an der nahen Endoberfläche des Heizerkerns 18 hat, und das Durch­ gangsloch 18B erstreckt sich radial in dem Heizerkern 18. Es wird für das Loch 18A bevorzugt, daß dieses einen Durch­ messer von etwa 1 mm hat, um die thermische Kapazität des Heizerkerns 18 zu erniedrigen, und für das Loch 18B wird bevorzugt, einen Durchmesser von etwa 0,5 mm zu haben. Die Verwendung des Spritzgußprozesses macht es leichter, die Löcher 18A und 18B integriert im Heizerkern 18 zu bilden.

Als nächstes nehmen bei einem Schritt zum Drucken einer Struktur Tragewellen, wie z. B. ein Spannfutter, über das Loch 18A mit den gegenüberliegenden Enden des Heizerkerns 18 Eingriff und dann wird dieser gedreht. Während sich der Heizerkern 18 dreht, wird die Heizerstruktur 19, die aus einem thermisch leitfähigen Material, wie z. B. Wolfram oder Platin, hergestellt ist, durch ein Drucken auf einer gekrüm­ mten Fläche auf die äußere Oberfläche des Heizerkerns 18 aufgedruckt. Die Heizerstruktur 19 wird auf den Heizerkern 18 mit einer gleichmäßigen Dicke aufgedruckt, so daß sich die Heizerstruktur 19 axial von dem Heizerkern 18 von der Nähe des Durchgangslochs 18B aus erstreckt. Dann werden die Anschlußleitungsdrähte 19A gebildet, um sich in Richtung des nahen Endes des Heizerkerns 18 zu erstrecken.

Bei einem Schritt zum Drucken einer Heizerabdeckschicht wird auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns 18 eine kerami­ sche grünen Platte, die z. B. aus Aluminiumoxid besteht, laminiert, so daß die Heizerstruktur 19 extern bedeckt ist, um dadurch die Heizerabdeckschicht 20 mit einer Dicke im Be­ reich von z. B. 0,2 bis 0,5 mm zu bilden. Bei der Laminierung zum Bilden der Wärmeabdeckschicht 20 wird ein Stanzprozeß bezüglich des keramischen Grünblattes durch einen Bohrer oder eine Stanze durchgeführt, um die Durchgangslöcher 20A zu bilden, die mit den Löchern 18B des Heizerkerns 18 in Verbindung sein müssen, dann werden vorher organische Schichten, die aus einem organischen Material, wie z. B. Kohlenstoff, Polyamid, Polyethersulfon und Phenolharz, mittels eines Preßsitzes in den gestanzten Abschnitt oder in die Durchgangslöcher 18B eingepaßt.

Bei einem Schritt, der in Fig. 5 dargestellt ist, zum Bilden einer Isolationsschicht wird eine organische Schicht 38, die aus einem organischen Material, wie z. B. Kohlenstoff, Poly­ amid, Polyethersulfon und Phenolharz, besteht, durch Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf die äußere Oberfläche der Heizerabdeckschicht 20 in der Nähe deren vorderen Endes aufgedruckt. Dann werden die Isolationsschichten 22 und 23 benachbart zu den gegenüberliegenden Seiten der organischen Schicht 38 durch Aufdrucken eines Keramikmaterials, wie z. B. Aluminiumoxid, durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet. Die Isolationsschichten 22, 23 und die organische Schicht 38 sind gebildet, so daß die Dicke dieser gleich der Dicke T1 der atmosphärischen Kammer 24 ist. Die organische Schicht 38 wird wärmebehandelt, um sich bei einem nächsten Wärmebehandlungsschritt zu zer­ streuen, um dadurch die Atmosphärenkammer 24 zwischen den Isolationsschichten 22 und 23 zu bilden.

Bei einem Schritt, der in Fig. 6 dargestellt ist, zum Bilden einer festen Elektrolytschicht, wird eine elektrisch leit­ fähige Paste, die aus Platin hergestellt ist, durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf der äußeren Oberfläche der organischen Schicht 38 aufgedruckt, um so die Isolationsschichten 22, 23 benachbart zu der organischen Schicht 28 teilweise zu überbrücken, um dadurch die innere Elektrode 26 zu bilden. Die Anschlußleitung 26A der inneren Elektrode wird gebildet, um sich zu dem nahen Ende der Heizerabdeckschicht 20 zu erstrecken. Dann werden auf der äußeren Oberfläche der inneren Elektrode 26 und auf Teilen der äußeren Oberflächen der Isolationsschichten 22 und 23 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche Pastenmaterial, das z. B. aus Zirkondioxid und Yttriumoxid hergestellt ist, aufgedruckt, um dadurch die feste Elektrolytschicht 25 mit einer Leitfähigkeit bezüglich Sauerstoffionen zu bilden. Dann wird die äußere Elektrode 27 durch Aufdrucken einer elektrisch leitfähigen Paste, die aus Platin besteht, auf der äußeren Oberfläche der festen Elek­ trolytschicht 25 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche aufgedruckt. Der Anschlußleitungsdraht 27A der äußeren Elektrode 27 ist gebildet, so daß er sich zu dem nahen Ende der Heizerabdeckschicht 20 erstreckt und der An­ schlußleitung 26a der inneren Elektrode 26 radial bezüglich der Isolationsschicht 23 und der Heizerabdeckschicht 20 ge­ genüberliegt.

Bei einem Schritt zum Bilden einer Schutzschicht, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wird durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf der äußeren Oberfläche der festen Elektrolytschicht 25 eine organische Schicht 39 ähnlich der organischen Schicht 38 gebildet, so daß die Schicht 39 die äußere Elektrode 27 vollständig bedeckt. Dann wird auf einer äußeren Oberfläche der organischen Schicht 39 und auf einem Teil der äußeren Oberfläche der Isolations­ schicht 23 durch Aufdrucken eines Pastenmaterials, das z. B. aus Aluminiumoxid hergestellt ist, mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche die Schutzschicht 28 gebildet. Am vorderen Ende der organischen Schicht 39 sind integriert eine Mehrzahl von Vorsprüngen 39a gebildet, die entlang des Umfangs voneinander durch eine vorbestimmte Entfernung beabstandet sind und jeweils eine rechteckige Form haben. Die Zwischenräume 39b, die zwischen den benach­ barten Vorsprüngen 39a angeordnet sind, werden mit der Schutzschicht 28 gefüllt. Dann wird die organische Schicht 39 wärmebehandelt, um sich in einem später beschriebenen Wärmebehandlungsschritt zu zersetzen, um dadurch den Gas­ diffusionszwischenraum zwischen der festen Elektrodenschicht 25 und der Schutzschicht 28 zu bilden, und um ebenfalls die Gasdurchführungsdurchgänge 28A durch Aufheizen der Vor­ sprünge 39A bis zu deren Zerstreuung, axial zu bilden. Zu­ sätzlich wird die Schutzschicht 28 radial mit den Gasdurch­ führungsdurchgängen 28B gebildet. Die Durchgänge 28A und 28B ermöglichen es, daß der Gasdiffusionszwischenraum 29 mit dem Äußeren der Schutzschicht 28 in Verbindung ist.

Bei einem nächsten Wärmebehandlungsschritt werden der Hei­ zerkern 18, die Heizerstruktur 19, die Heizerabdeckschicht 20, die Isolationsschichten 22 und 23, die feste Elektrolyt­ schicht 25, die innere und äußere Elektrode 26 und 27 und die Schutzschicht 28 für etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von z. B. im Bereich von 1400 bis 1500°C wärmebehandelt, um diese dadurch zusammenzusintern. Während des Heizens werden die organischen Schichten 37, 38 und 39 zerstreut, wodurch sich die Durchgangslöcher 20A der Heizerabdeckschicht 20, der Atmosphärenkammer 24 und des Gasdiffusionszwischenraumes 29 bilden.

Nachdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 durch die oben beschriebenen Schritte hergestellt wurde, wird das Element 16 in dem Gehäuse 1 aufgenommen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, werden die Anschlußleitungsdrähte 90A, 26A und 27A ausgebildet, um in zurückstoßender Weise die Kontaktplatten 13 und 14 zu kontaktieren und um diese dadurch elektrisch zu kontaktieren. Folglich ist der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor fertiggestellt.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor arbeitet wie folgt.

Zuerst wird das Gehäuse 1 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors durch den Abschnitt 2A mit äußerem Gewinde des Halters 2 an eine Abgasröhre eines Kraftfahrzeugs ange­ schraubt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 wird an Ort und Stelle befestigt, wobei sich das vordere Ende des Elements 16 in die Abgasröhre erstreckt. Wenn der Motor mit seinem Betrieb beginnt, wird ein Abgas, das in der Abgasröhre fließt, durch das Schutzglied 15 um das Element 16 herum eingeführt, und dann wird ein Teil des Abgases weiter in den Gasdiffusionszwischenraum 29 durch die Durch­ gänge 28A und 28B eingeführt.

Unter diesen Umständen stellt die Leistungsversorgung 30 der Heizerstruktur 19 eine elektrische Leistung bereit, so daß der Heizerabschnitt 17 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselement 16 vollständig aufheizt. Gleichzeitig legen die Gleichstrom-Stromversorgung 31 und die elektrische Re­ ferenzleistungsversorgung 32 die Spannung E, die durch die oben beschriebene Gleichung (B) definiert ist, zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 an, um dadurch den Diffusionsbegrenzungsstrom Ip auf der Grundlage der später beschriebenen Gleichungen (C) und (D) in Abhängigkeit von einer Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Atmos­ phärenkammer 24 und dem Gasdiffusionszwischenraum 29 zwischen diesen zu erzeugen.

Besonders wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eher fett als mager ist, stellt die innere Elektrode 26 Elektronen durch den Sauerstoff, der in der Atmosphärenkammer 24 vorhanden ist, bereit, um dadurch Sauerstoffionen zu erzeugen. Genauer gesagt wird in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (C) eine elektrochemische Kontakt- und Zersetzungsreaktion durchgeführt.

O₂ + 4e ⇔ 20^2-(C)

wobei O₂ ein Sauerstoffmolekül bezeichnet, e ein Elektron bezeichnet, und O²- ein Sauerstoffion bezeichnet.

Auf der anderen Seite werden auf der äußeren Elektrode 27 Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen zersetzt, wo­ durch eine elektrochemische Kontakt- und Zersetzungsreak­ tion, die durch die Gleichung (D) definiert ist, durchge­ geführt wird.

20^2-⇔O₂ + 4e (D)

Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eher mager als fett ist, stellt die äußere Elektrode 27 Elektronen durch den Sauer­ stoff, der in dem Gasdiffusionszwischenraum 29 vorhanden ist, bereit, um dadurch Sauerstoffionen gemäß Gleichung (C) zu erzeugen, wohingegen Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen an der inneren Elektrode 26 gemäß Gleichung (D) zersetzt werden.

Zu diesem Zeitpunkt werden Sauerstoffionen zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 über Sauer­ stoff-Fehlstellen in der festen Elektrolytschicht 25 über­ tragen, um dadurch eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, die zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 in Abhängigkeit von einer Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Atmosphärenkammer 24 und dem Gasdiffusions­ zwischenraum 29 erzeugt wird. Der Differentialverstärker 34 stellt die Spannung E, die durch die oben erwähnte Gleichung (B) definiert ist, ein, so daß die elektromotorische Kraft konstant gehalten wird. Der Ausgangsanschluß 35 des Diffe­ rentialverstärkers 34 überträgt die Ausgangsspannung Vs, die durch die oben erwähnte Gleichung (A) definiert ist, auf der Grundlage des Diffusionsbegrenzungsstromes Ip zu diesem Zeitpunkt als ein Erfassungssignal, das dem Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis (A/F) entspricht, wie es in Fig. 8 gezeigt ist.

Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) größer ist als 14,7, was bedeutet, daß das Abgas zuviel Luft enthält und die Mischung daher mager ist, ist der Strom Ip positiv, nachdem die O₂-Konzentration im Abgas relativ hoch ist, und daher eine Differenz der O₂-Konzentration zwischen dem Gas­ diffusionszwischenraum 29 und der Atmosphärenkammer 24 klein ist. Folglich ist, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, die Ausgangsspannung Vs größer als die Summe (Vp + VE) der Vor­ spannungsspannung Vp und der Referenzspannung VE. Ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) andererseits kleiner als 14,7, was bedeutet, daß das Abgas zuviel Kraftstoff enthält und die Mischung daher fett ist, dann ist der Strom Ip negativ, nachdem die O₂-Konzentration im Abgas relativ niedrig ist, und daher eine Differenz der O₂-Konzentration zwischen dem Gasdiffusionszwischenraum 29 und der Atmosphä­ renkammer 24 groß ist. Folglich ist die Ausgangsspannung Vs kleiner als die Summenspannung (Vp + VE).

Wie es im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel oben be­ schrieben wurde, ist auf der äußeren Oberfläche des Heizer­ kerns 18, der die Löcher 18A und 18B aufweist, und als Stange mit kleinem Durchmesser gebildet ist, die Heizer­ struktur 19 gebildet, und die isolierende Heizerabdeck­ schicht 20 ist auf dem Heizerkern 18 gebildet, um die Heizerstruktur 19 zu bedecken. Dies ermöglicht, daß der Heizerabschnitt 17 eine längliche Stangenform hat. Zusätz­ lich sind die feste Elektrolytschicht 25 und die Schutz­ schicht 28 integriert auf dem Heizerabschnitt 17 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet. Folglich ist es möglich, das Element 16 mit einer Gesamtform einer kreisförmigen Stange zu erzeugen. Wenn der Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor an der Abgasröhre des Motors befes­ tigt wird, ist es folglich möglich, zu vermeiden, daß eine Gasmenge, die in dem Gasdiffusionszwischenraum 29 durch die Durchgänge 28A, 28B eingeführt werden soll, sich aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Richtung, entlang der der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor an der Abgasröhre befestigt ist, verändert, und um dadurch die Richtungsabhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors zu vernachlässigen.

Durch die gesamte Bedeckung des Heizabschnitts 17 mit der festen Elektrolytschicht 25 und der Schutzschicht 28 ist es weiterhin möglich, zu verhindern, daß der Heizerabschnitt 70 direkt mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt, wodurch sich der Einfluß auf den Sensor aufgrund der Umgebungslufttempe­ ratur reduziert, und es ist ebenfalls möglich, eine Wärme­ übertragungsfläche des Heizerabschnitts 17 zu erhöhen, wo­ durch die Wärme schnell von dem Heizerabschnitt 17 an die feste Elektrolytschicht 27 übertragen wird. Zusätzlich er­ möglicht es das Loch 18A des Heizerkerns 18, daß die thermische Kapazität des Heizerabschnitts 17 kleiner ist, wodurch eine Zeitdauer, während der der Heizerabschnitt 17 auf eine erwünschte Temperatur aufgeheizt wird, reduziert wird. Die Atmosphärenkammer 24, die zwischen der äußeren Oberfläche der Heizerabdeckschicht 20 und der inneren Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht 25 angeordnet ist, ermöglicht es, daß eine Atmosphäre in diese durch den Durch­ gang 21 des Heizerabschnitts 17 eingeführt wird. Zusätzlich kann durch Anlegen der Spannung E zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 eine erwünschte elektro­ chemische Reaktion ausgeführt werden, durch die Sauerstoff­ ionen zwischen der inneren und äußeren Oberfläche der festen Elektrolytschicht 25 gemäß den oben beschriebenen Gleichun­ gen (E) und (F) übertragen werden.

Folglich kann gemäß dem Ausführungsbeispiel das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 schnell aktiviert wer­ den, wodurch es möglich wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kurz nachdem der Motor gestartet wurde, zu erfassen. Weiter­ hin kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sogar dann ordnungsgemäß arbeiten, wenn das Element 16 unter einem kleinen Winkel zum Abgasfluß in der Abgasröhre befestigt wäre. Weiterhin kann eine elektrische Leistung, die durch den Heizerabschnitt 17 verbraucht wird, reduziert werden. Nachdem auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns 18 die Heizerstruktur 19, die Isolationsschichten 22 und 23, die feste Elektrolytschicht 25 und die Schutzschicht 28 nach­ folgend durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche aufgedruckt sein können, kann der Wirkungsgrad beim Zusammenbau vorteilhafterweise stark verbessert werden.

Fig. 9 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem das Luft-Kraftstoff-Erfassungselement auf einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom Großbereichstyp ange­ wendet wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsschicht als eine Schutzschicht durch Plasma-Aufsprühen von Keramikmaterial um die feste Elek­ trolytschicht außerhalb der äußeren Elektrode gebildet wird, und mit einer Mehrzahl von Gasdurchführungslöchern gebildet wird, als ob die Gasdiffusionsschicht aus einem porösen Material hergestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß Teile, die denen des ersten Ausführungsbeispiels ent­ sprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wurden und nicht im Detail beschrieben werden.

Eine Gasdiffusionsschicht 41 umgibt als Schutzschicht die feste Elektrolytschicht 25 außerhalb der äußeren Elektrode 27. Die Gasdiffusionsschicht 41 ist etwa auf die gleiche Art aufgebaut wie die Schutzschicht 28 des ersten Ausführungs­ beispiels, aufgebaut, außer daß die Schicht 41 durch Plasma-Aufprühen eines Spinell-Materials (keramisches Material), das aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht, auf der festen Elektrolytschicht 25 und auf einem Teil der Isolationsschicht 23 gebildet ist, so daß die Schicht 41 eine Dicke T3 von z. B. etwa 100 Mikrometern hat. Die Gas­ diffusionsschicht 41 hat eine poröse Struktur und ist mit feinen Gasdurchführungslöchern (nicht dargestellt) gebildet, durch die das Abgas zwischen der Innenseite und der Außen­ seite der Schicht 41 hindurchtreten kann. Die feinen Gas­ durchgangslöcher haben einen durchschnittlichen Durchmesser von z. B. mehr als 400.

Das derart aufgebaute Ausführungsbeispiel hat fast die gleichen vorteilhaften Auswirkungen wie die, die durch das oben erwähnte erste Ausführungsbeispiel erhalten werden. Nachdem die Gasdiffusionsschicht 41 um die feste Elektro­ lytschicht 25 und daher um die Isolationsschicht 23 durch Plasma-Aufsprühen von Keramikmaterial, das aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht, gebildet ist, können insbesondere bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die feinen Gasdurch­ gangslöcher während der Bildung der Schicht 41 leicht ge­ bildet werden, wodurch sichergestellt wird, daß das Abgas von der Gasdiffusionsschicht 41 in Richtung der äußeren Elektroden 27 diffundiert. Wenn die feinen Gasdurchgangs­ löcher einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als 400 hätten, wäre es möglich, die Abhängigkeit des Abgases vom Druck zu minimieren. Ein größerer durchschnittlicher Durch­ messer würde jedoch den Strom Ip, bei dem die Gasdiffusion nicht auftreten kann, erhöhen. Folglich wird es bevorzugt, die Dicke T3 der Schicht 41 zu erhöhen, um dadurch eine Entfernung für das zu diffundierende Abgas zu verlängern.

Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist der Heizerkern 18 durch Spritzgießen gebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der Heizerkern 18 durch Strangpres­ sen gebildet werden kann. Wenn das Loch 18A einen Durch­ messer von größer als 1 mm haben würde, könnte die thermi­ sche Kapazität des Heizerkerns 18 weiter erniedrigt werden, wodurch eine Zeitdauer, während der das Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungselement 16 auf eine erwünschte Temperatur durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Heizerstruk­ tur 19 aufgeheizt wird, wirksam reduziert werden kann.

Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird die Heizerabdeckschicht 20 durch Verwendung einer keramischen grünen Platte während eines Heizerabdeckschichtaufdruck­ schrittes gebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Heizerabdeckschicht 20 alternativ durch dickes Auf­ drucken eines Keramikmaterials, wie z. B. Aluminiumoxid, um den Heizerkern 18 gebildet werden könnte, so daß die Schicht 20 eine Dicke von z. B. etwa 100 Mikrometern hat. Zum Bilden der Durchgangslöcher 20A, die mit den Durchgangslöchern 18B des Heizerkerns 18 in Verbindung sein müssen, können die organischen Schichten 37, die aus einem organischen Material, wie z. B. Kohlenstoff, Polyamid, Polyethersulfon und Phenolharz hergestellt sein können, im voraus in die Durchgangslöcher 18B des Heizerkerns 18 mittels Preßsitz eingepaßt sein. Es wird bevorzugt, die Heizerabdeckschicht 20 durch zumindest zweimaliges Aufdrucken eines Keramik­ materials, wie z. B. Aluminiumoxid, auf der äußeren Ober­ fläche des Heizerkerns 18 mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche zu bilden, während der Heizerkern 18 gedreht wird.

Fig. 10 bis 14 stellen ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar, bei dem das Luft-Kraftstoff-Er­ fassungselement mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom stöchiometrischen Typ verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, daß Teile, die denen des ersten Ausführungs­ beispiels entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wurden und nicht detailliert beschrieben werden.

Eine Schutzschicht 42 wird durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche um die Isolationsschichten 22 und 23 gebildet, so daß die Schutzschicht 42 die feste Elektrolytschicht 25 und die äußere Elektrode 27 äußerlich bedeckt. Die Schutzschicht 42 kann durch dickes Aufdrucken des Pastenmaterials um die Isolationsschichten 22 und 23 gebildet werden. Das Pastenmaterial wird durch Mischen von Aluminiumoxid-Puder (Al₂O₃-Puder) mit einem vorbestimmten Gewichtsprozent von Zirkondioxid-Puder vorbereitet. Die Schutzschicht 42 wird zylindrisch und mit einer Dicke von T3, von z. B. im Bereich von 30 bis 60 Mikrometern gebildet. Die Schutzschicht 42 hat eine poröse Struktur und ermög­ licht, daß ein Teil des Abgases, der um die Schutzschicht 42 herumfließt, durch diese zu der äußeren Elektrode 27 hin­ durchtritt.

Außerhalb des Gehäuses 1 ist eine elektrische Leistungsver­ sorgung 43 angeordnet, die mit der Heizerstruktur 19 über die Anschlußleitungsdrähte 12 verbunden ist. Die elektrische Leistungsversorgung 43 legt eine Spannung an die Heizer­ struktur 19 des Heizabschnitts 17 an, um den Heizabschnitt 17 dadurch auf z. B. etwa 500 bis 750°C aufzuheizen.

Ein Differentialverstärker 44, der eine Erfassungsschaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufbaut, ist außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet. Ein nicht-invertierender Eingangs­ anschluß des Differentialverstärkers 44 ist geerdet, wohin­ gegen ein invertierender Eingangsanschluß mit der inneren Elektrode 26 über die Anschlußleitungsdrähte 11 verbunden ist. Die äußere Elektrode 27 des Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungselements 16 ist über die Anschlußleitungs­ drähte 11 geerdet. Der Differentialverstärker 44 gibt an dessen Ausgangsanschluß 45 Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungssignale, die die Ausgangsspannung Vs anzeigen, aus, wie es in Fig. 14 dargestellt ist.

Die feste Elektrolytschicht 27 in dem Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungselement 16 erzeugt zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 gemäß den später be­ schriebenen Gleichungen (G) und (H) eine elektromotorische Kraft E, die durch die folgende Gleichung (E) definiert ist, wenn sich eine Differenz der Konzentration zwischen der Kon­ zentration ΔPex von Sauerstoff, der in dem Abgas vorhanden ist, das um die Schutzschicht 42 fließt, und der Konzentra­ tion ΔPa von Sauerstoff, der in der Atmosphärenkammer 24 vorhanden ist, einstellt.

E = -(R×T/4×F)×1n(ΔPex/ΔPa) (E)

wobei
R die Gaskonstante anzeigt (8,3145 J/K-mol);
T die absolute Temperatur anzeigt; und
F die Faradaysche Konstante (9,64853×10⁴ C/mol) anzeigt.

Es sei angenommen, daß ein innerer Widerstand der festen Elektrolytschicht 25 durch Rs bezeichnet ist, und daß ein elektrischer Strom, der zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 fließt, mit Is bezeichnet wird, und daß die Ausgangsspannung Vs, die durch die Gleichung (F) definiert ist, durch den Ausgangsanschluß 45 des Diffe­ rentialverstärkers 44 ausgegeben wird. Die Ausgangsspannung Vs verändert sich in Übereinstimmung mit den Eigenschaften, die in Fig. 14 durch eine durchgezogene Linie dargestellt sind, in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F).

Vs = E-(Rs×Is) (F)

Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselements 16 beschrieben, das mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit der oben be­ schriebenen Struktur verwendet wird.

Dieses Verfahren hat dieselben Schritte, wie diejenigen des Verfahrens zur Herstellung des Elements 16 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben wurde, wobei der Schritt zur Herstellung des Heizerabschnitts anhand von Fig. 4 beschrieben wurde, der Schritt zur Herstellung der Isolationsschicht anhand von Fig. 5 beschrieben wurde, und der Schritt zur Herstellung der festen Elektrolytschicht anhand von Fig. 6 beschrieben wurde. Das Verfahren umfaßt einen Schritt zur Herstellung einer Schutzschicht, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, an­ stelle des Schritts zur Herstellung der Schutzschicht, wie es anhand von Fig. 7 beschrieben wurde.

Bei einem Schritt zur Bildung einer Schutzschicht, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, wird die Schutzschicht 42 durch Aufdrucken eines Pastenmaterials, das z. B. aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht, mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf der oberen Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht 27 und auf jedem Teil der äußeren Oberflächen der Isolationsschichten 22 und 23 gebildet.

Bei einem nächsten Wärmebehandlungsschritt werden der Hei­ zerkern 18, die Heizerstruktur 19, die Heizerabdeckschicht 20, die Isolationsschichten 22 und 23, die feste Elektrolyt­ schicht 25, die innere und äußere Elektrode 26 und 27 und die Schutzschicht 42 für eine Zeitdauer von zwei Stunden bei einer Temperatur von z. B. im Bereich von 1400 bis 1500°C wärmebehandelt, um diese dadurch zusammenzusintern. Während der Wärmebehandlung werden die organischen Schichten 37 und 38 zersetzt, wodurch sich die Durchgangslöcher 20A der Hei­ zerabdeckschicht 20 und der Atmosphärenkammer 24 bilden.

Nach der Herstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselements 16 gemäß den oben beschriebenen Schritten, wird das Element 16 von dem Gehäuse 1 aufgenommen, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, werden die Anschlußleitungsdrähte 19A, 26A und 27A ausgebildet, um in zurückstoßender Weise die Kontaktplatten 13 und 14 zu kontaktieren und um diese dadurch elektrisch zu kontaktieren. Folglich ist der Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor fertiggestellt.

Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor arbeitet wie folgt.

Zuerst wird das Gehäuse 1 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis- Sensors durch den Abschnitt 2A mit äußerem Gewinde des Halters 2 an der Abgasröhre des Kraftfahrzeugs befestigt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 wird an Ort und Stelle befestigt, wobei sich ein vorderes Ende des Elements 16 in die Abgasröhre hineinerstreckt. Wenn der Motor gestartet wird, fließt Abgas in der Abgasröhre. Das Abgas wird durch das Schutzglied 15 um das Element 16 herum eingeführt, und dann wird ein Teil des Abgases weiter durch die Schutzschicht 42 der äußeren Elektrode 27 zugeführt.

Unter diesen Umständen stellt die Leistungsversorgung 43 der Heizerstruktur 19 eine elektrische Leistung bereit, so daß der Heizerabschnitt 17 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselement 16 vollständig aufheizt, wodurch die feste Elektrolytschicht 25 aktiviert wird. Gleichzeitig wird eine elektromotorische Kraft E, die durch die oben beschriebene Gleichung (E) definiert ist, zwischen der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 auf der Grundlage der später beschriebenen Gleichungen (G) und (H) in Abhängigkeit von einer Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Atmosphärenkammer 24 und der Schutzschicht 28 erzeugt.

Die Konzentration _Pex von O₂, der in dem Abgas, das um die Schutzschicht 42 fließt, vorhanden ist, ist kleiner als die Referenzkonzentration _Pa von O₂, der in der Atmosphären­ kammer 24 vorhanden ist. Dementsprechend stellt die innere Elektrode 26 Elektronen mit Sauerstoff, der in der Atmos­ phärenkammer 24 vorhanden ist, bereit, um dadurch Sauer­ stoffionen zu erzeugen. Genauer gesagt wird eine elektro­ chemische Kontakt- und Zersetzungsreaktion gemäß der fol­ genden Gleichung (G) ausgeführt.

O₂ + 4e ⇔ 2O^2- (G)

wobei O₂ ein Sauerstoffmolekül bezeichnet, e ein Elektron bezeichnet, und O^2- ein Sauerstoffion bezeichnet.

Wenn andererseits auf der äußeren Elektrode 27 Sauerstoff­ ionen in Sauerstoff und Elektronen zersetzt werden, wird dadurch eine elektrochemische Kontakt- und Zersetzungs­ reaktion ausgeführt, die durch die Gleichung (H) definiert ist.

2O^2- ⇔ O₂ + 4e (H)

Zu diesem Zeitpunkt werden Sauerstoffionen von der inneren Elektrode 26 an die äußere Elektrode 27 über Sauerstoff- Fehlstellen in der festen Elektrolytschicht 25 übertragen, um dadurch die elektromotorische Kraft E, die durch die oben beschriebene Gleichung (E) definiert ist, zu erzeugen, die zwischen der inneren und äußeren Elektrode 26 und 27 in Ab­ hängigkeit von einer Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Atmosphärenkammer 24 und dem äußeren der Schutzschicht 28 erzeugt werden soll. Der Ausgangsanschluß 45 des Differentialverstärkers 44 überträgt die Ausgangsspannung Vs, die durch die oben beschriebene Gleichung (F) definiert ist, als ein Erfassungssignal, das dem Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis (A/F) entspricht, wie es in Fig. 14 durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist.

Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) größer ist als 14,7, was bedeutet, daß das Abgas zuviel Luft enthält und die Mischung daher mager ist, ist die Spannung Vs als Er­ fassungssignal kleiner als z. B. 0,5 Volt, wie es durch die Eigenschaft, die in Fig. 14 durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, gezeigt ist, nachdem die O₂-Konzentration im Abgas relativ hoch ist, und daher eine Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Außenseite der Schutzschicht 42 und der Atmosphären, 24 klein ist. Wenn das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis (A/F) andererseits kleiner ist als 14,7, was bedeutet, daß das Abgas zuviel Kraftstoff enthält und die Mischung daher fett ist, ist die Spannung Vs als Er­ fassungssignal größer als z. B. 0,8 Volt, nachdem die O₂-Kon­ zentration im Abgas relativ niedrig ist und daher eine Differenz der O₂-Konzentration zwischen dem äußeren der Schutzschicht 42 und der Atmosphärenkammer 24 groß ist.

Wie es bei dem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wird auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns 18, der die Löcher 18A und 18B aufweist und als Stange mit kleinem Durchmesser gebildet ist, die Heizerstruktur 19 gebildet, und die isolierende Heizerabdeckschicht 20 wird auf dem Heizerkern 18 gebildet, um die Heizerstruktur 19 zu be­ decken. Dies macht es möglich, daß der Heizerabschnitt 17 eine Form einer länglichen Stange aufweist. Zusätzlich sind die feste Elektrolytschicht 25 und die Schutzschicht 42 integriert auf dem Heizerabschnitt 17 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet. Folglich ist es möglich, das Element 16 mit der Form einer kreisförmigen Stange zu erzeugen. Wenn der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sen­ sor an der Abgasröhre des Motors befestigt wird, ist es folglich möglich, zu vermeiden, daß eine Abgasmenge, die von außerhalb der Schutzschicht 42 zu der Oberfläche der äußeren Elektrode 27 geführt werden soll, sich viel aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Richtung, entlang der das Abgas fließt, gegenüber der Richtung, entlang der der Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensor an der Abgasröhre befestigt ist, verändert, wodurch die Richtungsabhängigkeit des Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Sensors vernachlässigbar wird.

Weiterhin ist es durch das gesamte Bedecken des Heizerab­ schnitts 17 mit der festen Elektrolytschicht 25 und der Schutzschicht 42 möglich, zu verhindern, daß der Heizer­ abschnitt 17 direkt mit der äußeren Luft in Kontakt kommt, wodurch der Einfluß aufgrund der äußeren Lufttemperatur auf den Sensor reduziert wird, und es ist ebenfalls möglich, eine Wärmeübertragungsfläche des Heizerabschnitts 17 zu erhöhen, um dadurch Wärme schnell von dem Heizerabschnitt 17 an die feste Elektrolytschicht 25 zu übertragen. Zusätzlich ermöglicht das Loch 18A des Heizerkerns 18, daß die thermi­ sche Kapazität des Heizerabschnitts 17 kleiner ist, wodurch eine Zeitdauer, während der der Heizerabschnitt 17 auf eine erwünschte Temperatur aufgeheizt wird, reduziert wird.

Folglich kann gemäß dem Ausführungsbeispiel das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 schnell aktiviert werden, wodurch es möglich wird, die Konzentration von O₂, die im Abgas vorhanden ist, kurz nach dem Start des Motors zu erfassen, um dadurch eine Rückkopplungssteuerung einer Kraftstoffeinspritzmenge auszuführen. Weiterhin kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor sogar dann ordnungsgemäß betrieben werden, wenn das Element 16 unter einem kleinen Winkel gegenüber dem Abgasfluß an der Abgasröhre befestigt wäre. Weiterhin kann eine elektrische Leistung, die durch den Heizerabschnitt 17 verbraucht wird, reduziert werden. Nachdem auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns 18 die Heizerstruktur 19, die Heizerabdeckschicht, die Isolations­ schichten 22 und 23, die feste Elektrolytschicht 25 und die Schutzschicht 42 nacheinander durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche aufgedruckt werden können, kann der Wirkungsgrad beim Zusammenbau vorteilhafterweises erheb­ lich verbessert werden.

Fig. 15 bis 19 stellen ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dar, bei dem das Luft-Kraftstoff-Er­ fassungselement mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor vom stöchiometrischen Typ verwendet wird.

Das vierte Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Isolationsschicht integriert auf der äußeren Oberfläche des Dorns gebildet sind, um die Atmosphärenkammer zwischen dem Dorn und der festen Elektro­ lytschicht anzuordnen, und daß der Atmosphärendurchführ­ ungsdurchgang zwischen der zweiten Isolationsschicht, die sich in Richtung des nahen Endes des Dorns erstreckt, und dem Dorn angeordnet ist. Der Atmosphärendurchführungsdurch­ gang hat ein nahes Ende, das mit der Atmosphäre in Verbin­ dung steht, und ein fernes Ende, das mit der Atmosphären­ kammer in Verbindung steht. Es wird darauf hingewiesen, daß Teile, die denjenigen des dritten Ausführungsbeispiels ent­ sprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wurden, und nicht im Detail beschrieben werden.

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel hat einen Heizerabschnitt 52, die feste Elektrolytschicht 25 und die Schutzschicht 42, die alle später beschrieben werden, wie es in Fig. 15 und 16 dargestellt ist.

Der Heizerabschnitt 52 hat eine längliche Stangenform und ist der Dorn, der einen Teil des Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungselements 16 bildet. Der Heizerabschnitt 52 besteht aus einem Heizerkern 53, einer Heizerstruktur 54 und einer Heizerabdeckschicht 55, ähnlich dem Heizerabschnitt 17, der bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Der Heizerkern 53 ist durch Spritzgießen von Keramik­ material, wie z. B. Aluminiumoxid, gebildet, um einen äußeren Durchmesser von z. B. im Bereich von 2 bis 4 mm und eine Länge von z. B. im Bereich 50 bis 60 mm zu haben.

Eine erste und eine zweite Isolationsschicht 56 und 57 sind durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf der äußeren Oberfläche der Heizerabdeckschicht 55 ge­ bildet. Die erste und die zweite Isolationsschicht 55 und 57 haben fast die gleichen Strukturen wie die Isolations­ schichten 22 und 23, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, und definieren eine ringförmige Atmo­ sphärenkammer 58 zwischen sich und der Heizerabdeckschicht 55 und der inneren Elektrode 26. Ein Paar von Atmosphären­ durchführungsdurchgängen 59 sind zwischen der zweiten Iso­ lationsschicht 57 und der äußeren Oberfläche der Heizer­ abdeckschicht 55 gebildet, wie es in Fig. 15 dargestellt ist. Jeder der Durchgänge 59 steht mit der Atmosphäre an dem nahen Ende der zweiten Isolationsschicht 57 in Verbindung und ebenfalls mit einer Atmosphärenkammer 58 am fernen Ende der zweiten Isolationsschicht 57 in Verbindung. Die Durch­ gänge 59 haben einen Durchmesser von mehr als einem Mikro­ meter.

Die Atmosphärendurchführungsdurchgänge 59 führen, wenn ein Pumpstrom Ip an diese angelegt ist, ebenfalls Sauerstoff ein, der von Sauerstoffionen, die von der äußeren Elektrode 27 zu der inneren Elektrode 26 übertragen wird, abgeleitet wird, durch die Atmosphärenkammer 58 an die Umgebung. Die Isolationsschichten 56 und 57 haben eine Dicke T4, von z. B. mehr als 8 Mikrometer, bevorzugterweise von etwa 10 Mikro­ metern, und stellen sicher, daß die Atmosphärenkammer 58 auf einer vorbestimmten O₂-Konzentration, die als eine Referenz­ konzentration verwendet wird, beibehalten wird.

Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel sind auf der äußeren Oberfläche der Isolationsschicht 56 und 57 die feste Elek­ trolytschicht 25, die innere und die äußere Elektrode 26 und 27 und die Schutzschicht 42 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet. Die Schutzschicht 42 ermöglicht es, daß ein Teil des Abgases, der um sie herum­ fließt, durch sie in Richtung der äußeren Elektrode 27 hindurchtritt.

Eine direkte Stromversorgung 60 mit einer Pumpspannung Vp ist außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet. Wie in Fig. 16 dargestellt ist, hat die direkte Stromversorgung 60 einen positiven Anschluß, der mit einem Referenzwiderstand 61 mit einem Widerstand RO in Verbindung steht, und einen negativen Anschluß, der auf Masse liegt. Der Referenzwiderstand 61 ist mit der inneren Elektrode 26 des Luft-Kraftstoff-Verhält­ nis-Erfassungselements 16 über den Anschlußleitungsdraht 11 verbunden, und ist ebenfalls mit einem invertierenden Ein­ gangsanschluß eines später beschriebenen Differentialver­ stärkers 62 verbunden. Die äußere Elektrode 27 des Elements ist durch den anderen Anschlußleitungsdraht 11 geerdet.

Außerhalb des Gehäuses 1 ist ein Differentialverstärker 62 zur Zusammenarbeit mit der Direktstromversorgung 60 ange­ ordnet, um eine Erfassungsschaltung für das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis zu bilden. Der Differentialverstärker 62 hat einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß, der auf Masse liegt, und einen invertierenden Eingangsanschluß, der über den Anschlußleitungsdraht 11 mit einem Punkt verbunden ist, der mittig zwischen der inneren Elektrode 26 und dem Referenzwiderstand 61 angeordnet ist. Der Differentialver­ stärker 62 gibt über einen Ausgangsanschluß 63 Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungssignale aus, die die Ausgangs­ spannung Vs anzeigen, die durch die später beschriebene Gleichung (I) definiert sind.

Wenn die Direktstromversorgung 60 den Pumpstrom Ip auf der Grundlage der Pumpspannung Vp über die innere und äußere Elektrode 26 und 27 bereitstellt, bildet die feste Elektro­ lytschicht 27 des Elements 16 zusammen mit der inneren und der äußeren Elektrode 26 und 27 eine Sauerstoffpumpe. Die äußere Elektrode 27 absorbiert Sauerstoffaus dem Abgas, das um die Schutzschicht 42 herumfließt, um stellt dem ab­ sorbierten Sauerstoff gemäß einer Kontakt- und Zersetzungs­ reaktion, die in der oben beschriebenen Gleichung (G) be­ schrieben ist, Elektronen bereit, wodurch Sauerstoffionen erzeugt werden. Gleichzeitig führt die innere Elektrode 26 eine Reaktion auf der Grundlage der oben beschriebenen Gleichung (H) aus, durch die Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen zersetzt werden. Folglich wird der Sauer­ stoff, der an der inneren Elektrode 26 erzeugt wird, von der Atmosphärenkammer 58 durch den Atmosphärendurchführungs­ durchgang 59 der Umgebung des Elements 16 zugeführt.

Zu diesem Zeitpunkt werden Sauerstoffionen von der äußeren Elektrode 27 an die innere Elektrode 26 über Sauerstof­ fehlstellen in der festen Elektrolytschicht 25 übertragen, wodurch die elektromotorische Kraft E, wie sie durch die oben beschriebene Gleichung (E) definiert ist, die zwischen der inneren und äußeren Elektrode 26 und 27 in Abhängigkeit von einer Differenz der O₂-Konzentration zwischen der Atmos­ phärenkammer 58 und der Umgebung der Schutzschicht 42 er­ zeugt werden soll, erzeugt. Der Ausgangsanschluß 63 des Differentialverstärkers 62 überträgt die Ausgangsspannung Vs, der die automotorische Kraft E zugrundeliegt, und die durch die später beschriebene Gleichung (I) definiert ist, als Erfassungssignal, das dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) entspricht.

Es sei angenommen, daß ein innerer Widerstand der festen Elektrolytschicht 25 mit Rs bezeichnet ist, und daß ein Pumpstrom, der zwischen der inneren und äußeren Elektrode 26 und 27 fließen soll, durch Ip bezeichnet ist, und daß die Ausgangsspannung Vs, die durch die Gleichung (I) definiert ist, durch den Ausgangsanschluß 63 des Differentialver­ stärkers 62 ausgegeben wird. Die Ausgangsspannung Vs verän­ dert sich in Übereinstimmung mit der Eigenschaft, die in Fig. 14 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F).

Vs = E + (Rs×Ip) (I)

Die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung Vs und der Pump­ spannung Vp wird durch die folgende Gleichung (J) definiert.

Vp = Vs + (RO×Ip) (J)

Außerhalb des Gehäuses 1 ist eine elektrische Leistungsver­ sorgung 64 zur Verwendung mit einem Heizer angeordnet, die mit der Heizerstruktur 54 über die Anschlußleitungsdrähte 12 verbunden ist. Die elektrische Leistungsversorgung 64 hat fast die gleiche Struktur wie die elektrische Leistungsver­ sorgung 43, die beim dritten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Die elektrische Leistungsversorgung 64 legt an die Heizerstruktur 54 des Heizerabschnitts 52 eine Spannung an, wodurch der Heizerabschnitt 42 z. B. auf etwa 750°C aufge­ heizt wird. Dann heizt der Heizerabschnitt 52 seinerseits die feste Elektrolytschicht 25 auf, wodurch das Luft-Kraft­ stoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 z. B. auf etwa 600°C aufgeheizt wird. Folglich ist das Element 16 aktiviert.

Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 17 bis 19 ein Ver­ fahren zur Herstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Er­ fassungselements 16 mit der oben beschriebenen Struktur be­ schrieben.

Fig. 17 stellt einen Prozeß zur Herstellung des Heizerab­ schnitts 53 dar. Zuerst wird bei einem Schritt der Bildung eines Kerns der Heizerkern 53 durch Spritzgießen eines Keramikmaterials, wie z. B. Aluminiumoxid, als zylindrische, feste Stange gebildet, mit einem äußeren Durchmesser von z. B. 3,0 mm und einer Länge von etwa 57 mm.

Als nächstes wird bei einem Schritt zum Aufdrucken einer Struktur der Heizerkern 53 an seinen gegenüberliegenden Enden mittels einer Tragewelle, wie z. B. einem Spannfutter, getragen, und dann gedreht. Während sich der Heizerkern 53 dreht, wird die Heizerstruktur 54, die aus einem thermisch leitfähigen Material, wie z. B. Wolfram oder Platin, herge­ stellt ist, durch ein Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf die äußere Oberfläche des Heizerkerns 53 aufgedruckt. Die Heizerstruktur 54 wird mit gleichmäßiger Dicke auf den Heizerkern 53 aufgedruckt, und die Anschlußleitungsdrähte 54A der Heizerstruktur 54 integriert gebildet, um sich in Richtung des nahen Endes des Heizerkerns 53 zu erstrecken.

Bei einem Schritt zum Aufdrucken einer Heizerabdeckschicht wird der Heizerkern 53 dick mit einem Keramikmaterial, wie z. B. Aluminiumoxid, bedruckt, so daß die Heizerstruktur 54 äußerlich bedeckt ist, wodurch die Heizerabdeckschicht 55 mit einer Dicke von z. B. 100 Mikrometern gebildet wird. Bei der Bildung der Heizerabdeckschicht 55 wird es bevorzugt, das keramische Material, wie z. B. Aluminiumoxid, zumindest zweimal durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf die äußere Oberfläche des Heizerkerns 53 aufzu­ drucken, während sich der Heizerkern 53 dreht. Es wird darauf hingewiesen, daß die Heizerabdeckschicht 55 durch die Laminierung von keramischen grünen Platten gebildet werden kann, auf ähnliche Weise wie die Heizerabdeckschicht 20, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Bei einem Schritt, der in Fig. 18 dargestellt ist, zum Bilden einer Isolationsschicht, wird eine organisch. Schicht 65, die aus einem organischen Material, wie z. B. Kohlen­ stoff, Polyamid, Polyethersulfon und Phenolharz, durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf die äußere Oberfläche der Heizerabdeckschicht 55 aufgedruckt. Die organische Schicht 65 ist integriert mit einem Paar Verlängerungen 65A gebildet, die sich in Richtung des nahen Endes der Heizerabdeckschicht 55 erstrecken und in der radialen Richtung der Schicht 55 einander gegenüberliegen. Dann werden die erste und die zweite Isolationsschicht 56 und 57 benachbart zu den gegenüberliegenden Seiten der organischen Schicht 65 durch Aufdrucken eines Keramik­ materials, wie z. B. Aluminiumoxid, mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche aufgedruckt. Bei diesem Aufdruckschritt wird eine zweite Isolationsschicht 57 benötigt, die gebildet ist, um die äußere Oberfläche der Heizerabdeckschicht 55 zusammen mit den Verlängerungen 65A zu bedecken. Die organische Schicht 65 und die Verlänger­ ungen 65A werden zusammen bei einem Wärmebehandlungsschritt wärmebehandelt, um sich zu zersetzen, wodurch die Atmosphärenkammer 58 zwischen den Isolationsschichten 56 und 57 gebildet wird, und um ebenfalls die Atmosphärendurch­ führungsdurchgänge 59 an den Orten zu bilden, an denen die Verlängerungen 65A vorher existierten.

Bei einem Schritt, der in Fig. 19 dargestellt ist, zum Bilden einer festen Elektrolytschicht, wird eine elektrisch leitfähige Paste, die aus Platin besteht, durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche auf die äußere Ober­ fläche der organischen Schicht 65 und ebenfalls auf jeden Teil der äußeren Oberflächen der Isolationsschich 05982 00070 552 001000280000000200012000285910587100040 0002004424539 00004 05863ten 56, 57, die der Schicht 65 benachbart sind, aufgedruckt, wodurch die innere Elektrode 26 ähnlich wie bei dem ersten Ausführungs­ beispiel gebildet wird. Die Anschlußleitung 26A wird gebil­ det, um sich zu dem nahen Ende der Heizerabdeckschicht 55 zu erstrecken. Dann wird auf der inneren Elektrode 26 und auf jedem Teil der Isolationsschichten 56, 57 durch einen Prozeß zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche ein Pastenmaterial, das z. B. aus Zirkondioxid und Yttriumdioxid besteht, aufge­ druckt, wodurch die feste Elektrolytschicht 25 mit einer Leitfähigkeit gegenüber Sauerstoffionen gebildet wird, ähn­ lich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Dann wird die äußere Elektrode 27 durch Aufdrucken einer elektrisch leit­ fähigen Paste, die aus Platin besteht, auf der äußeren Oberfläche der festen Elektrolytschicht 25 mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche gebildet.

Bei einem Schritt zur Bildung einer Schutzschicht, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, wird ähnlich dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel die Schutzschicht 42 durch Aufdrucken von Pastenmaterial, das z. B. aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid hergestellt ist, mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläcdruckprozesses auf der äußeren Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht 25 und auf jedem Teil der äußeren Oberflächen der Isolationsschichten 56 und 57 gebildet. Bei einem Wärmebehandlungsschritt werden der Heizerkern 53, die Heizerstruktur 54, die Heizerabdeck­ schicht 55, die Isolationsschichten 56 und 57, die feste Elektrolytschicht 25, die innere und äußere Elektrode 26 und 27 und die Schutzschicht 42 für etwa zwei Stunden bei einer Temperatur von z. B. im Bereich von 1400 bis 1500°C wärmebe­ handelt, um diese dadurch zusammenzusintern. Während der Wärmebehandlung zersetzt sich die organische Schicht 65, wodurch die Atmosphärenkammer 58 und die Atmosphärendurch­ führungsdurchgänge 59 gebildet werden.

Das vierte Ausführungsbeispiel, das auf die oben beschrie­ bene Art aufgebaut ist, kann fast die gleichen vorteilhaften Auswirkungen bereitstellen, wie die des dritten Ausführungs­ beispiels. Genauer gesagt sind bei dem vierten Ausführungs­ beispiel ein Paar von Atmosphärendurchführungsdurchgängen 59 gebildet, die mit der Atmosphärenkammer 58 zwischen der Hei­ zerabdeckschicht 55 und der zweiten Isolationsschicht 57 in Verbindung stehen. Diese Struktur ermöglicht einen Durchgang zur Einführung einer Atmosphäre dadurch, die nicht in dem Heizerabschnitt 52 gebildet sein muß, und vereinfacht daher das Gießen des Heizerkerns 53.

Bei dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 52 durch Aufdrucken eines Keramikmaterials, wie z. B. Aluminiumoxid, mittels eines Prozesses zum Drucken auf einer gekrümmten Fläche um die feste Elektrolytschicht 25 und die Isolationsschichten 22, 23 oder 56, 57 gebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Schutzschicht 52 alternativ durch Plasma-Aufsprühen von Keramikmaterial, das z. B. aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht, um die feste Elektrolytschicht 25 und die Isolationsschichten 22, 23 oder 56, 57 gebildet werden kann.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel arbeiten die Direkt­ stromversorgung 60 und der Differentialverstärker 62, die beide außerhalb des Kurses 1 angeordnet sind, miteinander zusammen, um eine Erfassungsschaltung des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses zu bilden. Eine solche Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis-Erfassungsschaltung kann durch den Differentialver­ stärker 54, wie er bei dem dritten Ausführungsbeispiel be­ schrieben wurde, gebildet sein, oder kann durch den Differentialverstärker 44, der bei dem dritten Ausführungs­ beispiel beschrieben wurde, ersetzt sein.

Zusätzlich wird bei dem ersten bis vierten Ausführungsbei­ spiel ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet, der einen Heizer einschließt. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf einen solchen Heizer beschränkt. Um die vorliegen­ de Erfindung auf einen O₂-Sensor anzuwenden, der keinen Heizer einschließt, kann der Dorn z. B. nur aus dem Kern 18 oder 53 bestehen und daher keine Wärmestruktur 19 oder 54 und keine Heizerabdeckschicht 20 oder 55 einschließen. Bei einem solchen Fall müssen die Isolationsschichten 22, 23 oder 56, 57 integriert auf der äußeren Oberfläche des Kerns 18 oder 53 gebildet sein, und folglich ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungselement 16 durch äußeres Heizen mit der Hitze des Abgases zu aktivieren.

Es ist aus dem oben beschriebenen, gemäß der vorliegenden Erfindung, offensichtlich, daß es möglich ist, eine Disper­ sion der Erfassungsgenauigkeit, die durch die Ungleich­ mäßigkeit der Richtung, entlang der das Element an der Abgasröhre befestigt ist, wirksam zu vermeiden, und eben­ falls ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Motors oder ähnlichem stabil zu erfassen. Weiterhin ist es möglich, eine Zeitdauer, in der das Element mit einem Heizer aufgeheizt wird, sicher zu reduzieren, und ein Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis kurz nach dem Start des Motors zu erfassen.

Claims (13)

1. Element (16) zum Erfassen eines Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses, das eine feste Elektrolytschicht (25) mit einer Leitfähigkeit gegenüber Sauerstoffionen einschließt, ge­ kennzeichnet durch:
einen länglichen stangenförmigen Dorn (17), der aus einem isolierenden Material hergestellt ist, wobei die feste Elektrolytschicht (25) auf dem Dorn (17) gebildet ist;
eine innere und eine äußere Elektrode (26, 27), die integriert auf der inneren bzw. äußeren Oberfläche der festen Elektrolytschicht (25) zum Übertragen von Sauer­ stoffionen zwischen der inneren und der äußeren Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht (25) beim Anlegen einer Spannung von außen an diese gebildet sind;
eine Schutzschicht (28) zum Schützen der festen Elektro­ lytschicht (25) und der äußeren Elektrode (27), wobei die Schutzschicht (28) integriert auf der festen Elek­ trolytschicht (25) gebildet ist, so daß die Schutz­ schicht (28) die äußere Elektrode (27) äußerlich be­ deckt; und
Gasdurchführungsdurchgänge (28A, 28B) zum Einführen von Abgas durch diese aus der Peripherie der Schutzschicht (28) in Richtung der äußeren Elektrode (27).

2. Element (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (17) als ein Heizerabschnitt ausgebildet ist.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizerabschnitt (17) einen Heizerkern (18) aus einem Keramikmaterial und mit einer Form einer Stange mit kleinem Durchmesser, eine Heizerstruktur (19), die auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns (18) gebildet ist, und eine isolierende Heizerabdeckschicht (20), die auf dem Äußeren des Heizerkerns (18) zur äußeren Ab­ deckung der Heizerstruktur (19) gebildet ist, umfaßt.

4. Element nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine ringförmige Atmosphärenkammer (24), die zwischen der äußeren Oberfläche des Dorns (17) und der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht (25) angeordnet ist, wobei die Atmosphärenkammer (24) über einen Atmos­ phäreneinführungsdurchgang (21), der sich axial entlang des Dorns (17) erstreckt, mit der Atmosphäre in Verbin­ dung steht.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphärendurchführungsdurchgang (21) als ein Loch (18A) gebildet ist, das sich in dem Dorn (17) ent­ lang dessen Mittelachse erstreckt, und das eine Öffnung an dem nahen Ende des Dorns (17) aufweist.

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Gasdiffusionszwischenraum (29) um die äußere Elektrode (27) zwischen der festen Elektro­ lytschicht (25) und der Schutzschicht (28) gebildet ist, wobei Abgas durch die Gasdurchführungsdurchgänge (28A, 28B) in den Zwischenraum (29) eingeführt wird.

7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (28) als eine Gasdiffusionsschicht (41) durch Plasma-Aufsprühen eines Keramikmaterials um die feste Elektrolytschicht (25) von der Außenseite der äußeren Elektrode (27) gebildet ist, wobei die Gas­ diffusionsschicht (41) mit den Gasdurchführungsdurch­ gängen, die eine Mehrzahl von Öffnungen darin haben, gebildet ist.

8. Element zur Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhält­ nisses, das eine feste Elektrolytschicht (25) mit einer Leitfähigkeit gegenüber Sauerstoffionen einschließt, gekennzeichnet durch:
einen länglichen stangenförmigen Dorn (17, 52), der aus einem isolierenden Material hergestellt ist, wobei die Elektrolytschicht (25) integriert auf dem Dorn (17, 52) gebildet ist;
eine ringförmige Atmosphärenkammer (24, 58), die zwischen der äußeren Oberfläche des Dorns (17, 52) und der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht (25) gebildet ist, wobei die Atmosphärenkammer (24, 58) mit einer Atmosphäre durch einen Atmosphärendurchführungs­ durchgang (21, 59), der sich axial entlang des Dorns (17, 52) erstreckt, in Verbindung steht;
eine innere Elektrode (26), die integriert auf der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht (25) gebildet ist, so daß die innere Elektrode (26) der Atmosphärenkammer (24, 58) gegenüberliegt;
eine äußere Elektrode (27), die auf der äußeren Ober­ fläche der festen Elektrolytschicht (25) integriert gebildet ist, so daß die äußere und innere Elektrode (26, 27) die feste Elektrolytschicht (25) zwischen sich aufnehmen; und
eine Schutzschicht (42) zum Schützen der festen Elektro­ lytschicht (25) und der äußeren Elektrode (27), wobei die Schutzschicht (42) auf der festen Elektrolytschicht (25) integriert gebildet ist, so daß die Schutzschicht (52) die äußere Elektrode äußerlich bedeckt,
wobei die feste Elektrolytschicht (25) eine elektromo­ storische Kraft zwischen der inneren und äußeren Elek­ trode (26, 27) gemäß einer Differenz der Sauerstoffkon­ zentration zwischen einer Peripherie der Schutzschicht (42) und der Atmosphärenkammer (24, 58) erzeugt.

9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (17, 52) als Heizerabschnitt ausgebildet ist.

10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizerabschnitt (17, 52) einen Heizerkern (18, 53) aus einem keramischen Material und mit einer Form einer Stange mit kleinem Durchmesser, eine Heizer­ struktur (19, 54), die auf der äußeren Oberfläche des Heizerkerns (18, 53) gebildet ist, und eine isolierende Heizerabdeckschicht (20, 55), die auf der Außenseite des Heizerkerns (18, 53) zum äußeren Abdecken der Heizer­ struktur (19, 54) gebildet ist, umfaßt.

11. Element nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch
eine erste Isolationsschicht (22, 56), die auf dem Dorn (17, 52) an dessen vorderen Ende zwischen der äußeren Oberfläche des Dorns (17, 52) und der inneren Oberfläche der festen Elektrolytschicht (25) integriert gebildet ist, und
eine zweite Isolationsschicht (23, 57), die auf dem Dorn (17, 52) integriert gebildet ist, so daß die zweite Isolationsschicht (23, 57) axial von der ersten Isola­ tionsschicht (22, 56) beabstandet ist, und sich in Richtung des nahen Endes des Dorns (17, 52) erstreckt.

12. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphärendurchführungsdurchgang (21) als ein Loch (18A) gebildet ist, daß sich in dem Dorn (17) ent­ lang dessen Mittelachse erstreckt und eine Öffnung an dem nahen Ende des Dorns (17) hat.

13. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphärendurchführungsdurchgang (59) angeord­ net ist, um zwischen dem Dorn (52) und der zweiten Iso­ lationsschicht (57) angeordnet zu sein, und eine Öffnung an dem nahen Ende des Dorns (52) zu haben.