DE60317841T2

DE60317841T2 - Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor

Info

Publication number: DE60317841T2
Application number: DE60317841T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Atsugi-shi Isitani; Futoshi Atsugi-shi Ichiyanagi; Yasuji Atsugi-shi Orimo; Chiharu Atsugi-shi Katsuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2003294695A; EP1348950B1; KR20030078729A; EP1348950A2; EP1348950A3; KR100474223B1; JP3782031B2; US20030188967A1; US7122103B2; DE60317841D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung zum Bestimmen des Luft/Kraftstoffverhältnisses von, z. B. Fahrzeugmotoren, aus der Sauerstoffkonzentration oder dgl. des Abgases.
Im Allgemeinen werden Fahrzeugmotoren und dgl. mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor (Sauerstoffsensor) in der Mitte der Abgasleitung oder dgl. zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration oder dgl. des Abgases vorgesehen.
Der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor gibt das Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungssignal aus. Auf der Basis dieses Signals ist es möglich, eine Regelung der Menge der Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, wodurch das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F = 14.7) oder magere Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F ≥ 15) erreicht wird. Damit ist es möglich, die Motorverbrennungswirkung und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Es gibt einige herkömmliche Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren, die in der Form plättchenförmig sind (siehe die offengelegte Patentveröffentlichung (Kokkai) Showa 61(1986)-10762 und japanische offengelegte Patentveröffentlichung (Kohyo) Reisei 9(1997)-509747 gemäß dem US-Patent 5,686,654 ). Diese plättchenförmigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren umfassen einen Heizbereich und eine feste Elektrolytschicht und eine Diffusionsschicht, die auf dem Heizbereich ausgebildet sind.
Es gibt neue Anforderungen für die Verbesserungen bei der Herstellung von Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren und für die Richtungsfreiheit des Einbaus von Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren. Mit dieser Freiheit wird es möglich, die Genauigkeit zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration und dgl. zu verbessern und dadurch die Menge der Kraftstoffeinspritzung genau zu regeln und die Motorregelung zu stabilisieren. Außerdem gibt es neue Anforderungen zur schnellen Temperaturerhöhung des Heizbereichs der Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren nach dem Motorstart. Mit dieser schnellen Erhöhung wird es möglich, die Zeitdauer, die zum Aktivieren der festen Elektrolytschicht und dgl. erforderlich ist, zu verkürzen, wodurch die erforderliche Zeitdauer zum Aktivieren der Messung der Sauerstoffkonzentration und dgl. verkürzt wird. Dies ermöglicht ein genaues Durchführen einer Regelung der Menge der Kraftstoffeinspritzung auf der Basis des Signals von den Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensoren zu einem frühen Zustand nach dem Motorstart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die Genauigkeit und Stabilität beim Erfassen der Sauerstoffkonzentration des Abgases zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung zu schaffen, die einfach strukturiert und bei der Verarbeitbarkeit während der Herstellung verbessert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung für ein Gas vorgesehen:
mit einem Heizbereich, der eine verlängerte zylindrische Form aufweist und durch Anlegen einer Stromversorgung von Außen heizt;
mit einer festen Elektrolytschicht, die auf einen gesamten umlaufenden Umfang des Heizbereichs ausgebildet ist, wobei die feste Elektrolytschicht durch Heizen vom Heizbereich aktiviert wird, um Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht zu leiten;
mit einer ersten Elektrode, die zwischen dem Heizbereich und der festen Elektrolytschicht positioniert und mit einer Innenfläche der festen Elektrolytschicht in Kontakt ist;
mit zweiten und dritten Elektroden, die mit einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht in Kontakt und voneinander entfernt sind, so dass die feste Elektrolytschicht zwischen den ersten und zweiten Elektroden und zwischen den ersten und dritten Elektroden angeordnet ist;
mit einer ersten Spannungs-Anlegeeinrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden;
mit einer zweiten Spannungs-Anlegeeinrichtung zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen den ersten und dritten Elektroden, wobei die zweite Spannung höher als die erste Spannung ist;
mit einer Diffusionsschicht, die aus einem porösen Werkstoff hergestellt ist, wobei die Diffusionsschicht die zweite Elektrode abdeckt, um das Durchlassen des Gases zur zweiten Elektrode einzustellen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Längsschnitt, der einen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, der mit einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung ausgebildet ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Längsschnitt, der die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung von 1 darstellt;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die Teile eines Heizbereichs der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung darstellt;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die den Heizbereich darstellt, in dem die Teile von 3 zusammengebaut worden sind;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die weitere Teile der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung darstellt;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand darstellt, in dem weitere Teile von 5 zusammengebaut worden sind;
7 ist eine vergrößerte, schematische Teil-Ansicht, die einen inneren Aufbau einer inneren Elektrode der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung darstellt;
8 ist ein charakteristisches Schaubild, das ein Verhältnis zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) und dem erfassten Signal (Im) von der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung darstellt;
9 ist ein schematisches Schaubild, das den Ablauf zum Erfassen des Luft/Kraftstoffverhältnis bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
10 ist ein charakteristisches Schaubild, das die Spannungen der Referenz- und Messzellen bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
11 ist ein schematisches Schaubild, das den Ablauf zum Erfassen des Luft/Kraftstoffverhältnis bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
12 ist ein charakteristisches Schaubild, das die Spannungen der Referenz- und Messzellen bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
13 ist ein schematisches Schaubild, das den Ablauf zum Erfassen des Luft/Kraftstoffverhältnis bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
14 ist ein charakteristisches Schaubild, das die Spannungen der Referenz- und Messzellen bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältniszustand darstellt;
15 ist eine Ansicht ähnlich wie 7, stellt aber einen inneren Aufbau einer Innenelektrode einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
16 ist eine weitere vergrößerte, schematische Ansicht eines Bereichs, der durch "a" in 15 bezeichnet ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie oben erwähnt, weist eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Heizbereich auf, der eine verlängerte zylindrische Form aufweist. Somit ist es möglich, sequentiell eine feste Elektrolytschicht, erste bis dritte Elektroden, eine Diffusionsschicht und dergleichen auf dem Umfang des Heizbereichs unter Verwendung einer Technik, wie zum Beispiel dem gekrümmten Flachdruck, zu bilden. Daher ist es möglich, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung als Ganzes in einer verlängerten zylindrischen Form zu bilden, wie in 1 dargestellt. Diese verlängerte zylindrische Form kann mehrere Freiheitsgrade beim Auswählen der Richtung des Einbaus der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung vorsehen. Dies ermöglicht die Erfassung der Sauerstoffkonzentration und dergleichen des Abgases mit einer beständigen Genauigkeit. Außerdem ist es möglich, einen erweiterten Heizflächenbereich des Heizbereichs zum Aufheizen der festen Elektrolytschicht aufzuweisen. Damit wird es möglich, die Wärme vom Heizbereich zur festen Elektrolytschicht und dergleichen effizient zu übertragen. Dadurch wird es möglich, die Zeitdauer zum Erhöhen der Temperatur des Heizbereichs zu verkürzen, wodurch die feste Elektrolytschicht früher aktiviert wird. Dies ermöglicht frühzeitig ein beständiges und genaues Erfassen oder Bestimmen des Luft/Kraftstoffverhältnisses nach dem Motorstart, wodurch die Regelung sofort durchgeführt wird. Außerdem ist es notwendig, die Luft (als Maßstab) in das Innere der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung einzuleiten. Daher wird die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung in der Anordnung vereinfacht, wodurch die Verarbeitbarkeit zum Herstellen derselben verbessert wird. Außerdem wird der elektrische Energieverbrauch des Heizbereichs reduziert.
Ferner wird die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung durch seine verlängerte zylindrische Form eindeutig hergestellt, um eine kleinere Größenordnung im Vergleich mit herkömmlichen plattenähnlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtungen aufzuweisen. Außerdem ist es möglich, die ersten bis dritten Elektroden so anzuordnen, dass die erste Elektrode den zweiten und dritten Elektroden durch Einfügen einer festen Elektrolytschicht in radialer Richtung gegenüberliegt. Damit wird es möglich, die ersten bis dritten Elektroden mit einer großen Elektrodenfläche und mit einem kurzen Abstand dazwischen vorzusehen, um den elektrischen Widerstand zu reduzieren. Ferner ist es möglich, die Luft/Kraftstoffverhältnis- Erfassungsvorrichtung im Durchmesser kleiner zu machen. Weiterhin ist es möglich, eine Diffusionsschicht auf der Umfangsseite der festen Elektrolytschicht auszubilden. Damit wird es möglich, die Abweichung bei der Porosität der Diffusionsschicht leicht zu korrigieren und den Produktionsertrag zu verbessern.
Durch Anlegen der oben erwähnten ersten und zweiten Spannungen (erste Spannung < zweite Spannung) jeweils zwischen den ersten und zweiten Elektroden und zwischen den ersten und dritten Elektroden ist es möglich, einen eine Diffusion begrenzenden Strom (Pumpstrom) des durch die Diffusionsschicht hindurchgehenden Sauerstoffs zu erfassen, wenn sich das Abgas in einem mageren Zustand befindet, und um einen Grenzstrom als den Sauerstoffstrom zu erfassen, der zum Oxidieren der brennbaren Gaskomponenten nötig ist, die durch die Diffusionsschicht hindurchgehen, wenn sich das Abgas in einem fetten Zustand befindet.
Bezüglich der 1 bis 14 wird nachstehend detailliert eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung (Luft/Kraftstoffverhältnis- oder Sauerstoffsensor) gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, die zum Beispiel für einen umfangreichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor verwendet wird, der am Auspuff eines Automobils angeordnet ist.
Wie aus 1 ersichtlich, wird ein Gehäuse des ersten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors mit Ziffer 1 bezeichnet. Dieses Gehäuse 1 umfasst (a) den zylindrischen Halter 2 mit dem äußeren gewindeten Bereich 2A, (b) zylindrische Abdeckung 3, die an einem Basisbereich des Halters 2 einstückig gesichert ist, und (c) Führungsrohr 4, das mit der Abdeckung 3 konzentrisch anzuordnen und zwischen der nachstehend erwähnten Dichtkappe 10 und Halter 2 positioniert ist.
Jeder von Halter 2, Kappe 3 und Führungsrohr 4 kann aus einem Metallwerkstoff, wie z. B. rostfreiem Stahl, hergestellt werden.
Der äußere gewindete Bereich 2A ist über ein Gewinde mit dem Auspuff so in Eingriff, dass die nachstehend erwähnte Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 in den Innenraum des Auspuffs hervorragt.
Durch Ziffer 5 wird eine isolierte Abstützung bezeichnet, die in einem Hohlraum, der durch den Halter 2 definiert wird, durch Einfügen des Metalldichtrings 6 angeordnet. Die isolierte Abstützung 5 weist eine üblicherweise zylindrische Form und eine zylindrische Öffnung zur Aufnahme der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 auf und ist aus Keramikwerkstoff (zum Beispiel Aluminiumoxyd (Al₂O₃)) hergestellt. Und zwar wird die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 an der inneren zylindrischen Wand der isolierten Abstützung 5 durch eine anorganische Verbindung oder dergleichen gesichert. Somit wird die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 an einer geeigneten Position im Gehäuse 1 durch die isolierende Abstützung 5 positioniert und elektrisch und thermisch durch die isolierende Abstützung 5 isoliert.
Durch die Ziffern 7, 8 werden die isolierenden zylindrischen Elemente bezeichnet, die in dem Raum des Führungsrohrs 4 angeordnet sind. Jedes dieser zylindrischen Elemente 7, 8 wird aus einem Keramikwerkstoff (zum Beispiel Aluminiumoxyd (nachstehend als Aluminium bezeichnet)) hergestellt und behält die nachstehend erwähnten Kontaktplatten 13, 14 und dergleichen im isolierten Zustand gegenüber dem Gehäuse 1 bei.
Durch Ziffer 9 wird eine Feder bezeichnet (als elastisches Element), die im Inneren des Gehäuses 1 positioniert und in Sandwichform zwischen der isolierenden Abstützung 5 und dem isolierenden zylindrischen Element 7 angeordnet ist. Die Feder 9 spannt die isolierende Abstützung 5 in Richtung des Halters 2 vor und dient zum Verhindern einer direkten Übertragung von Vibrationen, Stößen und dergleichen von außen auf die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 durch das Gehäuse 1.
Durch Ziffer 10 wird eine Dichtkappe zum Verschließen eines Basisendes der Kappe 3 bezeichnet. Die Dichtkappe 10 weist eine gestufte zylindrische Form auf und wird aus hitzebeständigem Kunststoff (zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE)) hergestellt. Die isolierenden zylindrischen Elemente 7, 8 und dergleichen sind an geeigneten Positionen im Inneren des Gehäuses 1 mit einer Vorspannkraft der Feder 9 positioniert.
Die Bleidrähte 11, 11 zum Erfassen des Luft/Kraftstoffverhältnisses und die Bleidrähte 12, 12 (nur in 1 dargestellt) zum Einschalten des Heizbereichs sind in der Dichtkappe 10 eingesetzt. Die Bleidrähte 11, 11 sind elektrisch mit den Kontaktplatten 13, 13 und die Bleidrähte 12, 12 elektrisch mit den Kontaktplatten 14, 14 verbunden.
Durch Ziffer 15 wird ein auf dem Halter 2 des Gehäuses 1 ausgebildeter Protektor bezeichnet. Der Protektor 15 wird in einer zylindrischen Form unter Verwendung einer hitzebeständigen Metallplatte oder dergleichen ausgebildet.
Der Protektor 15 wird an seinem Basisbereich am Halter 2 befestigt, um einen Endbereich in der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 abzudecken. Damit ragt der Endbereich des Protektors 15 vom Halter 2 in axialer Richtung hervor.
Der Protektor 15 ist an seinem Endbereich mit einer Mehrzahl von Öffnungen 15A zum Leiten des Abgases (das durch den Auspuff strömt) in Richtung des Endbereichs der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 ausgebildet.
Die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 ist im Inneren des Halters 2 durch die isolierende Abstützung 5 fixiert, und der Endbereich der Vorrichtung 21 ragt vom Halter 2 in axialer Richtung hervor. Wie in 2 und 6 dargestellt, weist die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung den Heizbereich 22, feste Elektrolytschicht 27 und Diffusionsschicht 34 auf.
Wie aus 2 bis 4 ersichtlich, weist der Heizbereich 22 (mit einer verlängerten zylindrischen Form) (a) das Kernrohr 23, das in einer hohlen zylindrischen Form durch einen Keramikwerkstoff (wie zum Beispiel Aluminiumoxyd) ausgebildet ist, (b) das Heizmuster und (c) die dämmende, den Heizbereich-abdeckende Schicht 25 auf.
Wie aus 3 ersichtlich, wird das Heizmuster 24 auf dem Umfang des Kernrohrs 23 durch einen gekrümmten Flächendruck oder dergleichen ausgebildet. Das Heizmuster 24 weist ein Paar von Führungen 24A, 24A auf, die sich in axialer Richtung des Kernrohrs 23 erstrecken. Die Heizbereich-abdeckende Schicht 25 wird auf dem Umfang des Kernrohrs 23 durch einen Dickschichtdruck unter Verwendung eines Keramikwerkstoffs (zum Beispiel Aluminiumoxid) zum Schützen des Heizmusters 24 zusammen mit den Führungen 24a ausgebildet.
Das Kernrohr 23 wird zum Beispiel in einer verlängerten zylindrischen Form durch Spritzgießen eines Keramikwerkstoffs (zum Beispiel Aluminiumoxid) ausgebildet, um einen Außendurchmesser von ungefähr 3 bis 4 mm und eine axiale Länge von ungefähr 50 bis 60 mm aufzuweisen. Das Kernrohr 23 weist eine zylindrische Öffnung 23A auf, die sich in axialer Richtung erstreckt. Diese Öffnung 23A reduziert das Volumen des Kernrohrs 23 und dient dadurch zum Reduzieren der Wärmekapazität des Kernrohrs 23. Das Kernrohr 23 kann durch Extrudieren neben dem oben erwähnten Spritzgießen ausgebildet werden. Außerdem kann das Kernrohr 23 eine massive Anordnung im Gegensatz zur oben erwähnten hohlen Anordnung aufweisen.
Das Heizmuster 24 wird aus einem exothermischen leitfähigen Werkstoff (zum Beispiel Platin gemischt mit 10 Gew.-% von Aluminiumoxyd) hergestellt werden. Jede Führung 24A ist am Basis endbereich des Kernrohrs 23 mit jeder Kontaktplatte 14 verbunden, wie in 1 dargestellt. Der Strom wird dem Heizmuster 24 von der nachstehend erwähnten Stromquelle 34 durch die Führungen 12, Kontaktplatten 14 und Führungen 24A zugeführt, wodurch der Heizbereich 22 bei einer Temperatur von ungefähr 650°C bis 800°C aufgeheizt wird.
Die Heizbereich-abdeckende Schicht 25 wird in einer zylindrischen, porösen, isolierenden Schicht unter Verwendung eines Keramikwerkstoffs (zum Beispiel Aluminiumoxyd) ausgebildet. Die feste Elektrolytschicht 27 und die innere Elektrode 28 werden auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 durch einen gekrümmten Flächendruck oder dergleichen laminiert.
Wie aus 3 ersichtlich, bezeichnet die Ziffer 26 einen Stopfen. Ähnlich dem Kernrohr 23 wird der Stopfen 26 aus einem Keramikwerkstoff (zum Beispiel Aluminiumoxyd) hergestellt. Der Stopfen 26 ist in einem Basisende der zylindrischen Öffnung 23A eingesetzt, um die zylindrische Öffnung 23A zu schließen. Die zylindrische Öffnung 23A des Kernrohrs 23 kann als mittlere Öffnung zum Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks der nachstehend erwähnten festen Elektrolytschicht 27, Protektorschicht 33, Diffusionsschicht 33 und dergleichen verwendet werden. Somit ist es beim Erstellen des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors wünschenswert, die sequentiellen Schritten von (a) Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks der festen Elektrolytschicht 27, Protektorschicht 33, Diffusionsschicht 34 und dergleichen; (b) Ausbilden des Stopfens 26 am Basisendbereich der zylindrischen Öffnung 23A; und (c) Sintern des Stopfens 26 zusammen mit dem Kernrohr 23 auszuführen.
Wie aus 2 ersichtlich, bezeichnet die Ziffer 27 eine leitfähige feste Elektrolytschicht mit Sauerstoffionen. Die feste Elektrolytschicht 27 wird auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 des Heizbereichs 22 unter Verwendung einer gekrümmten Flächendrucktechnik oder dergleichen ausgebildet. Wie in 5 dargestellt, kann die feste Elektrolytschicht 27 in einer zylindrischen Form durch Ausführen eines Dickschichtdrucks von einer Paste auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 ausgebildet werden. Diese Paste kann aus einer Mischung von (einem sog. mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxid (YSZ)) von 95 Vol.-% eines Zirkonoxids (ZrO₂)-Pulvers und 5 Vol.-% eines Zirkonoxidpulvers (Y₂O₃) hergestellt werden.
Die feste Elektrolytschicht 27 weist eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 50 bis 100 μm auf und transportiert dort zwischen den Elektroden 28, 29 und den Elektroden 28, 31 Sauerstoffionen hindurch. Damit erzeugt die feste Elektrolytschicht 27 die nachstehend erwähnten Nernst-Spannungen Vnl, Vnt, Vnr gemäß dem Luft/Kraftstoffverhältnis.
Durch die Ziffer 28 wird eine innere Elektrode (erste Elektrode) bezeichnet, die zwischen der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 des Heizbereichs 22 und der festen Elektrolytschicht 27 positioniert ist und die auf der Innenfläche der festen Elektrolytschicht 27 ausgebildet ist. Wie in 5 dargestellt, kann die innere Elektrode 28 auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 (poröse isolierende Schicht) durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks, vor dem gekrümmten Flächendruck der festen Elektrolytschicht 27, ausgebildet werden.
Wie in 7 dargestellt, kann die innere Elektrode 28 als zylindrische Elektrode ausgebildet werden, um eine vorbestimmte Länge in axialer Richtung in der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 oder der festen Elektrolytschicht 27 durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks aufzuweisen, bei dem eine Paste, die das nachstehend erwähnte Edelmetallmaterial 41 und die keramische Körner 42 enthält, auf den Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 aufgetragen wird.
Wie in 2 dargestellt, ist die innere Elektrode 28 an ihrer einen Seite (Führungsendenseite) in Axialrichtung der nachstehend erwähnten Messelektrode 29 in radialer Richtung der festen Elektrolytschicht 27 entgegengesetzt und an ihrer anderen Seite (Basisendenseite) in axialer Richtung der nachstehend erwähnten Referenzelektrode 31 in radialer Richtung der festen Elektrolytschicht 27 entgegengesetzt.
Die innere Elektrode 28 weist ein Paar von Führungen 28A auf (nur eine ist in 5A dargestellt), die sich zum Basisende des Heizbereichs 22 in axialer Richtung der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 erstrecken. Die feste Elektrolytschicht 27 ist auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 durch den gekrümmten Flächendruck so ausgebildet, um die innere Elektrode 28 von außen mit Ausnahme ihrer Führungen 28A vollständig zu umschließen.
Die Ziffer 29 bezeichnet eine Messelektrode (zweite Elektrode), die auf dem Umfang der festen Elektrolytschicht 27 an einer Position nahe dem Führungsende des Heizbereichs 22 ausgebildet ist. Wie in 2 dargestellt, befindet sich die Messelektrode 29 an einer Position, um die feste Elektrolytschicht 27 zwischen der Messelektrode 29 und der inneren Elektrode 28 einzufügen, und dadurch die Messzelle 30 als erste Pumpenzelle zu bilden.
Durch Ziffer 31 wird eine Referenzelektrode (dritte Elektrode) bezeichnet, die auf dem Umfang der festen Elektrolytschicht 27 an einer Position weg von der Messelektrode 29 in axialer Richtung des Heizbereichs 22 ausgebildet. Wie in 2 dargestellt, befindet sich die Referenzelektrode 31 an einer Position, um die feste Elektrolytschicht 27 zwischen der Referenzelektrode 31 und der inneren Elektrode 28 einzufügen, und bildet dadurch die Referenzzelle 22 als zweite Pumpenzelle.
Die Messelektrode 29 und die Referenzelektrode 31 können auf dem Umfang der festen Elektrolytschicht 27 durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks unter Verwendung einer leitfähigen Paste von Platin oder dergleichen ausgebildet werden, um ein wie in 5 dargestelltes Druckmuster aufzuweisen. Ihre Füh rungen 28A, 31A erstrecken sich in Richtung des Basisendes des Heizbereichs 22.
Jede Führung 28A der inneren Elektrode 28, Führung 29A der Messelektrode 29 und Führung 31A der Referenzelektrode 31 sind an der Basisendenseite der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 mit der entsprechenden Kontaktplatte 13 und Führung 11 verbunden. Wie in 2 dargestellt, wird die Arbeitsspannung Va (erste Spannung) zwischen der inneren Elektrode 28 und der Messelektrode 29 von der nachstehend erwähnten Gleichstromquelle 36 angelegt.
Die Arbeitsspannung Vb (zweite Spannung) wird zwischen der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 von der nachstehend erwähnten Gleichstromquelle 39 angelegt. Auf der Seite der Referenzzelle 32 wird die Referenzelektrode 31 eine Kathode zum Ausführen der Reaktionen, die in den nachstehend erwähnten Reaktionsformeln (1) und (3) dargestellt sind, und die innere Elektrode 28 wird eine Anode. Damit wird der Sauerstoff von der Referenzelektrode 31 in Richtung der inneren Elektrode 28 angezogen, wie nachstehend erwähnt.
Andererseits wird auf der Seite der Messzelle 30 bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältniszustand (λ > 1) die Referenzelektrode 29 die Kathode zum Ausführen der Reaktion, die in der Reaktionsformel (1) dargestellt ist, und die innere Elektrode 28 die Anode, um den Sauerstoff anzuziehen. Im Gegensatz dazu wandelt sich bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältniszustand (λ < 1) die Referenzelektrode 31 in eine Anode, und die innere Elektrode 28 dient als Kathode.
Durch Ziffer 33 wird eine Protektorschicht zum Abdecken eines Teils der festen Elektrolytschicht 27 sowie der Referenzelektrode 31 bezeichnet. Wie in 2 und 5 dargestellt, wird die Protektorschicht 33 als zylindrischer Körper, der eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 30 bis 100 μm durch eine Paste von Aluminiumoxydpulver und Magnesiumoxydpulver (MgO) aufweist, und anschließend durch Aufbringen der Paste auf die Umfänge der festen Elektrolytschicht 27 und der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 unter Verwendung eines gekrümmten Flächendrucks ausgebildet.
Die so ausgebildete Protektorschicht 33 soll eine poröse Anordnung mit einer Porosität aufweisen, die höher als die der nachstehend erwähnten Diffusionsschicht 34 ist. Die Protektorschicht 33 deckt die feste Elektrolytschicht von außen, mit Ausnahme des Führungsendenbereichs mit der darauf befindlichen Messelektrode 29, ab.
Die Protektorschicht 33 fungiert zum Protektor der Heizbereichabdeckenden Schicht 25, festen Elektrolytschicht 27 und Referenzelektrode 31. Einem Teil des um die Protektorschicht 33 herumströmenden Abgases wird ermöglicht, durch die Protektorschicht 33 (mit einer hohen Porosität) in Richtung der Referenzelektrode 31 hindurchzugehen.
Durch die Ziffer 34 wird eine Diffusionsschicht bezeichnet, die aus einem porösen Werkstoff zum Abdecken der festen Elektrolytschicht 27 und der Messelektrode 29 von außen hergestellt wird. Wie in 2 und 5 dargestellt, kann zum Beispiel die Diffusionsschicht 34 als zylindrischer Körper ausgebildet werden, um eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 30 bis 100 μm durch Aufbringen einer Paste von Aluminiumoxydpulver am Umfang des Führungsendenbereichs der festen Elektrolytschicht 27 aufzuweisen. Optional kann einer vorbestimmten Menge von Zirkonoxydpulver die Aluminiumoxydpulverpaste bei der Erstellung der Diffusionsschicht 34 hinzugefügt werden.
Die Diffusionsschicht 34 wird ausgebildet, um eine poröse Anordnung mit feinen Poren im Vergleich mit der der Protektorschicht 33 aufzuweisen und fungiert daher so, dass einem Teil des um die Diffusionsschicht 34 herumströmenden Abgases ermöglicht wird, durch die Diffusionsschicht 34 in Richtung der Messelektrode 29 hindurchzugehen. Das Durchlassen des Abgases (Gasdiffusionswiderstand) kann durch Verändern der Dicke der Diffusionsschicht 34 angepasst werden. Wie in 2 dargestellt, wird die Diffusionsschicht 34 positioniert, um die Führungsendenseite des Heizbereichs 22 abzudecken. Dadurch ist es leicht möglich, die Dicke der Diffusionsschicht 34 von außen im Anschluss an das Entfernen des Protektors 15 anzupassen.
Und zwar ist es möglich, das Durchlassen (Gasdiffusionswiderstand) des Abgases zum Beispiel durch Schleifen des Umfangs der Diffusionsschicht 34 unter Verwendung eines Diamantschleifens geeignet anzupassen. Außerdem kann die Diffusionsschicht 34 durch Plasmaspritzen ausgebildet werden, um den Umfang der Führungsendenseite der festen Elektrolytschicht 27 unter Verwendung eines porösen keramischen Werkstoffs, zum Beispiel von Aluminiumoxyd, abzudecken.
Durch Ziffer 35 wird eine Heizstromquelle bezeichnet, die außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt, ist die Heizstromquelle 35 mit dem Heizmuster 24 durch den Bleidraht 12 und dergleichen verbunden. Die Heizstromquelle 35 heizt den Heizbereich 22 bei einer Temperatur von ungefähr 650°C bis 800°C durch Anlegen der Spannung am Heizmuster 24 des Heizbereichs 22.
Durch Ziffer 36 wird eine Gleichstromquelle (erste Spannungsanlegeeinrichtung) bezeichnet, die außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt, ist die Gleichstromquelle 36 mit der inneren Quelle 28 und der Messelektrode 29 durch den Bleidraht 11 verbunden, wodurch die Arbeitsspannung Va (erste Spannung) zwischen den Elektroden 28, 29 angelegt wird. Die Arbeitsspannung Va der Gleichstromquelle 36 kann bei einer konstanten Spannung (zum Beispiel ungefähr 450 mV) beibehalten oder gemäß dem Bedarf verändert werden.
Durch die Ziffer 37 wird ein Amperemeter bezeichnet, das zwischen und mit der Gleichstromquelle 36 und der Messelektrode 29 angeordnet und verbunden ist. Das Amperemeter 37 umfasst den eine Diffusion begrenzenden Strom Im (der von der Messelektrode 29 ausgegeben wird) gemäß dem Luft/Kraftstoffverhältnis, wie durch die charakteristische Linie 38 von 8 dargestellt.
Durch Ziffer 39 wird eine Gleichstromquelle (zweite Spannungsanlegeeinrichtung) bezeichnet, die außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist. Wie in 2 dargestellt, ist die Gleichstromquelle 39 mit der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 durch den Bleidraht 11 verbunden, wodurch die Arbeitsspannung Vb (zweite Spannung) zwischen den Elektroden 28, 31 angelegt wird. In diesem Fall wird die Arbeitsspannung Vb der Gleichstromquelle 39 bei einer konstanten Spannung (zum Beispiel ungefähr 1,6 V) gehalten. Diese Arbeitsspannung Vb ist höher als die Arbeitsspannung Va der Gleichstromquelle 36, und kann bei Bedarf eingestellt werden.
Die Arbeitsspannung Va der Gleichstromquelle 36 und die Arbeitsspannung Vb der Gleichstromquelle 39 sind im Voraus so eingestellt, dass die Menge des Sauerstoffs, der in die Hohlräume 43 (Sauerstoff-aufnehmende Kammern) der inneren Elektrode 28 absorbiert wird, infolge der nachstehend erwähnten kombinierten Pumpspannung Upb größer als die Menge des Sauerstoffs ist, der aus den Hohlräumen 43 der inneren Elektrode 28 infolge der nachstehend erwähnten Pumpspannung Upa absorbiert wird. Damit werden die Arbeitsspannungen Va und Vb eingestellt, um die Formel (7) zu erfüllen.
Durch Einstellen der Arbeitsspannung Va der Gleichstromquelle 36 und der Arbeitsspannung Vb der Gleichstromquelle 39 wird das Signal, das als den eine Diffusion begrenzenden Strom Im von der Messelektrode 29 ausgegeben wird, durch das Amperemeter 37 als das erfasste Signal erfasst, das sich gemäß des Luft/Kraftstoffverhältnisses ändert, wie durch die charakteristische Linie 38 von 8 dargestellt.
Die Anordnung der inneren Elektrode 28 wird nachstehend bezüglich 7 erläutert. Die innere Elektrode 28 wird aus dem Edelmetallwerkstoff 41 (zum Beispiel Platin), keramischen Körnern 42 und Hohlräumen 43 gebildet. Zum Beispiel können die keramischen Körner 42 durch Mischen eines Zirkonoxydpulvers mit einer Korngröße von ungefähr 0,4 bis 1,0 μm mit einem Aluminiumoxydpulver mit einer Korngröße von ungefähr 0,4 bis 1,0 μm erstellt werden.
Die Hohlräume 43 können unter Verwendung eines Hohlraum-Formbildners, der ein Kohlenstoffpulver mit einer Korngröße von ungefähr 0,4 bis 3,0 μm enthält, gebildet werden. Dieser Hohlraum-Formbildner wird nach dem Aufheizen der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 verdampft, wodurch Hohlräume 43 in der inneren Elektrode 28 gebildet werden, die beständige Blasen sind. Die Hohlräume 43 weisen eine Größe auf, die vergleichbar oder größer als die der keramischen Körner 42 sind. Damit ist es möglich, die in den Hohlräumen aufzunehmende Sauerstoffmenge zu erhöhen, wodurch die Diffusion des Sauerstoffs in der inneren Elektrode 28 problemlos durchgeführt wird.
Die innere Elektrode 28 kann durch Mischen eines Pulvers des Edelmetalls 41 mit zum Beispiel 15 bis 20 Gew.-% von Zirkonoxydpulver, 1 bis 2 Gew.-% von Aluminiumoxydpulver und 1 bis 5 Gew.-% von Kohlenstoffpulver, um eine Paste zu erstellen, und anschließend durch Aufbringen der Paste auf den Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 erstellt werden. In diesem Fall wird das Aluminiumoxydpulver mit 1 bis 2 Gew.-% von Mullitpulver (3Al₂O₃ 2SiO₂) optional ersetzt.
Die innere Elektrode 28 dient zum Transport der darin befindlichen Elektronen, da das Edelmetall eine Elektrodenreaktion erzeugt. Die innere Elektrode 28 wird bei der Adhäsion zur Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 (poröse isolierende Schicht) und festen Elektrolytschicht 27 durch den Inhalt eines Zirkonoxydpulvers und eines Aluminiumoxyd- oder Mullitpulvers in den keramischen Körnern 42 verbessert.
Wie oben erwähnt, dienen die in der inneren Elektrode 28 ausgebildeten Hohlräume 43 (beständige Blasen) als Sauerstoffaufnehmende Kammern in der inneren Elektrode 28. Wie in 5 bis 6 dargestellt, enthalten die Führungen 28A der inneren Elektrode 28 auch Hohlräume 43. Damit sind die Sauerstoff-aufnehmenden Kammern der Hohlräume 43 mit der Atmosphäre im Gehäuse 1 (insbesondere Kappe 3) in Verbindung, wie in 1 dargestellt.
Das Vorhandensein der Hohlräume 43 der inneren Elektrode 28 erhöht die Anzahl der drei Phasen-Interfaces (die als Elektroden-Reaktionspunkte dienen), die zwischen der festen Elektrolytschicht 27, Edelmetall 41 und den Hohlräumen 43 ausgebildet werden. Da die Hohlräume 43 als Sauerstoff-aufnehmende Kammern dienen, dienen sie zum Diffundieren des Sauerstoffs überall in der inneren Elektrode 28 gemäß der Konzentrationsgradienten und Druckgradienten. Wie in 7 dargestellt, können Aussparungen 44 in der Umgebung der Grenze zwischen der festen Elektrolytschicht 27 und der inneren Elektrode 28 existieren, um die drei Phasen-Interfaces zu bilden, die zwischen den Aussparungen 44, fester Elektrolytschicht 27 und Edelmetall 41 ausgebildet werden.
Gemäß der 3 bis 6 wird nachstehend das Verfahren zum Herstellen der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 erläutert.
Zum Herstellung des Heizbereichs 22 wird ein Keramikwerkstoff (zum Beispiel Aluminiumoxyd) als hohle zylindrische Stange als Kernrohr 23 durch Spritzgießen, gefolgt durch vorläufiges Sintern, ausgebildet. In diesem Fall ist es wünschenswert, den Durchmesser der zylindrischen Öffnung 23A so groß wie möglich zu vergrößern, um die Heizkapazität des Kernrohrs 23 zu reduzieren.
Bei der Muster-Druckstufe ist eine Abstützwelle (zum Beispiel Einspannfutter) mit beiden Enden der zylindrischen Öffnung 23 in Eingriff, um das Kernrohr 23 zu drehen. Während das Kernrohr 23 gedreht wird, wird ein exothermischer leitfähiger Werkstoff (zum Beispiel Platin, gemischt mit 10 Gew.-% von Aluminiumoxyd) auf den Umfang des Kernrohrs 23 durch den gekrümmten Flächendruck aufgebracht, um das Heizmuster 24 zu bilden. Außerdem wird jede Führung 24A des Heizmusters 24 gedruckt, um sich zum Basisende des Kernrohrs 23 zu erstrecken, wodurch das Heizmuster eine einteilige Anordnung aufweisen soll.
Danach wird die Heizbereich-abdeckende Schicht 25 zum Abdecken des Heizmusters 24 durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks unter Verwendung einer Paste (zum Beispiel Aluminiumoxyd) oder durch Aufbringen eines Rohkeramikblatts (zum Beispiel aus Aluminiumpulver) auf der Außenseite des Kernrohrs 23 ausgebildet. Damit wird der Heizbereich 22 vorgesehen, der aus dem Kernrohr 23, Heizmuster 24 und Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 gebildet wird, wie in 4 dargestellt.
Wie in 5 dargestellt, wird danach eine innere Elektrode 28 (zylindrische Elektrode) durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks aus einer Paste (die das oben erwähnte Edelmetall 41, keramischen Körner 42 und dergleichen enthält) auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 ausgebildet. Außerdem werden die Führungen 28A der inneren Elektrode 28 durch Drucken so ausgebildet, dass sich diese Führungen zum Basisende der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 erstrecken, während sie voneinander auseinander liegen.
Die leitfähige feste Elektrolytschicht 27 mit Sauerstoffionen wird durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks mit einer Paste (die zum Beispiel eine Mischung aus Zirkonoxyd und Yttriumoxyd enthält) auf dem Umfang der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 so ausgebildet wird, um die innere Elektrode 28 abzudecken.
Danach werden die Messelektrode 29 und Referenzelektrode 31 durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks mit einer leit fähigen Paste (zum Beispiel Platin) auf der Umfangsfläche der festen Elektrolytschicht 27 ausgebildet, so dass diese Elektroden voneinander entlang der axialen Richtung der festen Elektrolytschicht 27 auseinander liegen. Außerdem werden die Führungen 29A und 31A durch Drucken ausgebildet, so dass sich diese Führungen zum Basisende der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 erstrecken, während sie voneinander auseinander liegen.
Wie in 5 dargestellt, wird danach die Protektorschicht 33 durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks mit einer Paste (zum Beispiel aus Aluminiumoxyd und Magnesiumoxyd) auf den Umfängen der festen Elektrolytschicht 27 und des Heizbereichs 22 ausgebildet, um die Referenzelektrode 31 abzudecken.
Die Diffusionsschicht 34 wird durch Ausführen eines gekrümmten Flächendrucks mit einer Paste (zum Beispiel aus Aluminiumoxyd oder aus Aluminiumoxyd mit Zirkonoxyd) auf dem Umfang der Führungsendenseite der festen Elektrolytschicht 27 ausgebildet, um die Messelektrode 29 abzudecken.
Danach wird eine Anordnung von Kernrohr 23, Heizmuster 24, Heizbereich-abdeckende Schicht 25, fester Elektrolytschicht 27, Elektroden 28, 29 und 31, Protektorschicht 33, und Diffusionsschicht 34 einem Sintern von ungefähr zwei Stunden bei einer Hochtemperatur, zum Beispiel von ungefähr 1,300°C bis 1,500°C, unterzogen. Damit soll die gesinterte Anordnung eine einteilige Anordnung aufweisen. Außerdem ist es wünschenswert, einen Stopfen 26 (dargestellt in 3) in der zylindrischen Öffnung 23A des Kernrohrs 23 vor dem Sintern auszubilden, und danach die Sinterung zusammen mit den oben erwähnten Elementen auszuführen.
Wie in 1 dargestellt, wird die so hergestellt Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 in das Gehäuse 1 in einer Weise eingesetzt, um die Führungen 24A, 28A, 29A und 31A mit den entsprechenden Kontaktplatten 13, 14 in Kontakt zu bringen, um somit den Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor zu komplettieren.
Der Betrieb des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors wird nachfolgend beschrieben. Das Gehäuse 1 ist durch ein Gewinde mit einem Kfz-Auspuff durch den äußeren gewindeten Bereich 2A gesichert, so dass ein Führungsendenbereich der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 in den Innenraum des Auspuffs hineinragt.
Danach erreicht das durch den Auspuff strömende Abgas die Umgebung der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 über den Protektor 15 durch Starten des Motors, und ein Teil dieses Abgases wird durch die Protektorschicht 33 und Diffusionsschicht 34 hindurch gelassen und erreicht dann die Oberflächen der Referenzelektrode 31 und Messelektrode 29.
Die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 wird durch den Heizbereich 22 aufgeheizt, wenn der Strom von der Heizstromquelle 35 dem Heizmuster 24 zugeführt wird. Damit wird die feste Elektrolytschicht 27 aktiviert. Dabei wird die Arbeitsspannung Va (zum Beispiel 450 mV) durch die Gleichstromquelle 36 zwischen der Innenelektrode 28 und der Messelektrode 29 angelegt, die einander mit der eingefügten festen Elektrolytschicht 27 gegenüberliegen. Außerdem wird die Arbeitsspannung Vb (zum Beispiel 1,6 V) durch die Gleichstromquelle 39 zwischen der Innenelektrode 28 und der Referenzelektrode 31 angelegt.
Durch die Arbeitsspannungen Va und Vb werden die Nernst-Spannungen Vnl, Vnt und Vnr zwischen der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 der Referenzzelle 32 und zwischen der inneren Elektrode 28 und der Messelektrode 29 der Messzelle 30 gemäß der Sauerstoffkonzentration und der brennbaren Gaskomponentenkonzentration erzeugt. Der sich ergebende eine Diffusion begrenzende Strom Im wird als erfasstes Signal durch das Amperemeter 37 ausgegeben, um das Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) durch das Verhältnis zwischen dem erfassten Signal und dem in 8 dargestellten Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) zu bestimmen. Einzelheiten zum Bestimmen des Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ) werden nachstehend erläutert.
Zuerst wird über den Fall des mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ > 1) diskutiert, bei dem das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motors größer als das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis (λ = 1) ist. In diesem Fall verbleibt unverbrannter Sauerstoff im Abgas, das um die Protektorschicht 33 und Diffusionsschicht 34 nach der Verbrennung eines mageren Kraftstoff-Luftverhältnises in der Verbrennungskammer herumströmt.
Daher wird bei einem Zustand, bei dem die Arbeitsspannung Vb (tatsächlich die nachstehend erwähnte kombinierte Pumpspannung Upb) zwischen der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 der Referenzzelle 32 angelegt wird, eine Reaktion, die durch die folgende Reaktionsformel (1) dargestellt wird, an der Referenzelektrode 31 (Kathode) stattfinden. Tatsächlich werden Elektronen dem molekularen Sauerstoff, der im Abgas verbleibt, hinzugefügt, um Sauerstoffionen zu erzeugen. O₂ + 4e (Elektronen) → 2O² (1)
Die sich ergebenden Sauerstoffionen werden von der Referenzelektrode 31 (Kathode) zur inneren Elektrode 28 (Anode) durch Hindurchgehen durch Sauerstoffdefekte in der festen Elektrolytschicht 27 transportiert. Die Sauerstoffionen werden an der inneren Elektrode 28 (Anode) in Sauerstoffionen und Elektronen zerfallen, wie in der folgenden Reaktionsformel (2) dargestellt. 2O² → O₂ + 4e (Elektronen) (2)
In der inneren Elektrode 28 wird der sich ergebende molekulare Sauerstoff in den Hohlräumen 43 absorbiert, wie in 7 dargestellt, dadurch wird in den Hohlräumen ein Sauerstoff-Teildruck erzeugt, der höher ist als der der Referenzelektrode 31 oder der des äußeren Abgases. Wie in 9 und 10 dargestellt, wird daraufhin die Nernst-Spannung Vnl (zum Beispiel ungefähr 30 mV) gemäß der Sauerstoff-Teildruckdifferenz zwischen den Elektroden 28, 31 bei einem mageren Luft/Kraftstoffverhältniszustand erzeugt.
Die obige Nernst-Spannung Vnl wirkt in einer Richtung entgegengesetzt der Arbeitsspannung Vb (zum Beispiel 1,6 V) der Gleichstromquelle 39. Folglich wird die kombinierte Pumpspannung Upb (zum Beispiel 1570 mV) zwischen den Elektroden 28, 31 der Referenzzelle 32 angelegt, wie in der folgenden Formel (1) dargestellt. Upb = Vb – Vnl = 1600 – 30 = 1570 (1)
Die obige Nernst-Spannung Vnl (zum Beispiel ungefähr 30 mV) wirkt ebenfalls in die entgegengesetzte Richtung zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30. Folglich wird die Pumpspannung Upa (zum Beispiel 420 mV) zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30 angelegt, wie in der folgenden Formel (2) dargestellt. Upa = Va – Vnl = 450 – 30 = 420 (2)
Die oben erwähnte, durch die Reaktionsformel (1) dargestellte elektrochemische Reaktion tritt auch an der Messelektrode 29 (Kathode) der Messzelle 30 auf. Tatsächlich werden Elektronen dem Sauerstoff, der im Abgas verbleibt, hinzugefügt, um Sauerstoffionen zu erzeugen. Die sich ergebenden Sauerstoffionen werden in Sauerstoff und Elektronen an der inneren Elektrode 28 (Anode) zerfallen, wie in der Reaktionsformel (2) dargestellt.
Der sich ergebende Sauerstoff wird in der inneren Elektrode 28 (28) absorbiert, und dadurch wird dem eine Diffusion begrenzenden Strom Im ermöglicht, von der Referenzelektrode 29 zum Amperemeter 37 zu fließen, wie in 9 dargestellt. Das Amperemeter erfasst und gibt diesen eine Diffusion begrenzenden Strom Im als erfasstes Signal aus, um das magere Luft/Kraftstoffverhältnis unter Verwendung der charakteristischen Linie von 8 bestimmen.
Als Nächstes wird der Fall diskutiert, bei dem das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motors ein stöchimetrisches Luft/Kraftstoffverhältnis (λ = 1) ist. Wie in 11 und 12 dargestellt, wird in diesem Fall die Nernst-Spannung Vnt (zum Beispiel ungefähr 450 mV) gemäß der Sauerstoff-Teildruckdifferenz zwischen den Elektroden 28, 31 und zwischen den Elektroden 28, 29 erzeugt.
Die obige Nernst-Spannung Vnt wirkt in einer Richtung entgegengesetzt der Arbeitsspannung Vb (zum Beispiel 1,6 V) der Gleichstromquelle 39. Folglich wird die kombinierte Pumpspannung Upb (zum Beispiel 1150 mV) zwischen den Elektroden 28, 31 der Referenzzelle 32 angelegt, wie in der folgenden Formel (3) dargestellt. Upb = Vb – Vnt = 1600 – 450 = 1150 (3)
Ähnlich dem Fall beim mageren Luft/Kraftstoffverhältnis (λ > 1) werden Sauerstoffionen auch an der Referenzelektrode 31 durch das Hinzufügen von Elektronen zum Sauerstoff erzeugt, der im Abgas im Fall des stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältnisses verbleibt, wie in der Reaktionsformel (1) dargestellt. Die sich ergebenden Sauerstoffionen werden von der Referenzelektrode 31 zur inneren Elektrode 28 durch Hindurchgehen durch die Sauerstoffdefekte der festen Elektrolytschicht 27 transportiert. Danach werden die Sauerstoffionen in Sauerstoff und Elektronen in der inneren Elektrode 28 zerfallen, wie in der Reaktionsformel (2) darge stellt. Der sich ergebende Sauerstoff wird in den Hohlräumen 43 (dargestellt in 7) absorbiert, wodurch ein höherer Sauerstoff-Teildruck in den Hohlräumen 43, der größer als der der Referenzelektrode 31 ist, erzeugt wird. Infolge dieser Sauerstoff-Teildruckdifferenz wird die oben erwähnte Nernst-Spannung Vnt (zum Beispiel ungefähr 450 mV) beim stöchiometrischen Luft/Kraftstoffverhältniszustand ständig zwischen den Elektroden 28, 31 erzeugt.
Die obige Nernst-Spannung Vnt wirkt auch in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30. Folglich wird die Pumpspannung Upa, die zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30 angelegt ist, unter 0 V unterdrückt, wie in der folgenden Formel (4) dargestellt. Upa = Va – Vnt = 450 – 450 = 0 (4)
Somit fließt der eine Diffusion begrenzenden Strom Im nicht von der Referenzelektrode 29 zum Amperemeter 37, wie in 11 dargestellt. Das Amperemeter erfasst und gibt den eine Diffusion begrenzenden Strom Im (0 V) als erfasstes Signal aus. Damit wird das Luft/Kraftstoffverhältnis (λ) als eins (1) eingestellt.
Als Nächstes wird der Fall des fetten Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ < 1) diskutiert, bei dem das Luft/Kraftstoffverhältnis des Motors kleiner als das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis (λ = 1) ist. In diesem Fall verbleibt der Sauerstoff nicht im Abgas, das um die Protektorschicht 33 und Diffusionsschicht 34 nach Verbrennung des fetten Kraftstoff-Luftverhältnises in der Verbrennungskammer herumströmt. Im Gegensatz dazu verbleiben die unverbrannten brennbaren Gaskomponenten (zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂)) im Abgas.
Daher werden bei einem Zustand, bei dem die Arbeitsspannung Vb (tatsächlich die nachstehend erwähnte kombinierte Pumpspannung Upb) der Gleichstromquelle 39 zwischen der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 der Referenzzelle 32 angelegt ist, die Elektroden, zum Beispiel dem im Abgas verbleibenden Kohlendioxid hinzugefügt, wodurch Sauerstoffionen und Kohlenmonoxide erzeugt werden, wie in der folgenden Reaktionsformel (3) dargestellt. 2CO₂ + 4e (Elektronen) → 2O² + 2CO (3)
Ähnlich dem Fall des mageren Luft/Kraftstoffverhältniszustandes werden die sich ergebenden Sauerstoffionen von der Referenzelektrode 31 (Kathode) zur inneren Elektrode 28 (Anode) durch Hindurchgehen durch die Sauerstoffdefekte in der festen Elektrolytschicht 27 transportiert. Die Sauerstoffionen werden an der inneren Elektrode 28 (Anode) in Sauerstoffionen und Elektronen zerfallen, wie in der Reaktionsformel (2) dargestellt.
In der inneren Elektrode 28 wird der sich ergebende molekulare Sauerstoff in den Hohlräumen 43 absorbiert, wie in 7 dargestellt, wodurch in den Hohlräumen ein Sauerstoff-Teildruck erzeugt wird, der höher als der der Referenzelektrode 31 oder der des äußeren Abgases ist. Wie in 13 und 14 dargestellt, wird daraufhin die Nernst-Spannung Vnr (zum Beispiel ungefähr 900 mV) gemäß der Sauerstoff-Teildruckdifferenz zwischen den Elektroden 28, 31 bei einem fetten Luft/Kraftstoffverhältniszustand erzeugt.
Die obige Nernst-Spannung Vnr wirkt in einer Richtung entgegengesetzt der Arbeitsspannung Vb (zum Beispiel 1,6 V) der Gleichstromquelle 39. Folglich wird die kombinierte Pumpspannung Upb (zum Beispiel 700 mV) zwischen den Elektroden 28, 31 der Referenzzelle 32 angelegt, wie in der folgenden Formel (5) dargestellt. Upb = Vb – Vnr = 1600 – 900 = 700 (5)
Die obige Nernst-Spannung Vnr (zum Beispiel ungefähr 900 mV) wirkt auch in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30. Folglich wird die Pumpspannung Upa (zum Beispiel 450 mV) zwischen den Elektroden 28, 29 der Messzelle 30 angelegt, wie in der folgenden Formel (6) dargestellt. Upa = Va – Vnr = 450 – 900 = 450 (6)
Im Fall des fetten Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ < 1) wandeln sich die innere Elektrode 28 und die Messelektrode 29 jeweils in die Kathode und Anode um. An der inneren Elektrode 28 (Kathode) werden Elektronen dem Sauerstoff in den Hohlräumen 43 hinzugefügt, um Sauerstoffionen zu erzeugen, wie in der Reaktionsformel (1) dargestellt. An der Messelektrode 29 (Anode) werden die Sauerstoffionen von der inneren Elektrode 28, zum Beispiel mit dem Kohlenmonoxid, eine Reaktion eingehen, wie in der folgenden Reaktionsformel (4) dargestellt. 2CO + 2O² → 2CO₂ + 4e (Elektronen) (4)
Bei dem Fall, dass die brennbare Gaskomponente im Abgas Wasserstoff (H₂) ist, werden Elektronen dem im Abgas verbleibenden Wassermolekül hinzugefügt, wodurch Sauerstoffionen und Wasserstoff erzeugt wird, wie in der folgenden Reaktionsformel (5) dargestellt. 2H₂O + 4e (Elektronen) → O² + 2H₂ (5)
Die sich ergebenden Sauerstoffionen werden von der Referenzelektrode 31 (Kathode) zur inneren Elektrode 28 (Anode) durch Hindurchgehen durch die Sauerstoffdefekte in der festen Elektrolytschicht 27 transportiert. Die Sauerstoffionen werden an der inneren Elektrode 28 (Anode) in Sauerstoffionen und Elektronen zerfallen, wie in der Reaktionsformel (2) dargestellt.
Wie oben erwähnt, werden die innere Elektrode 28 und die Messelektrode 29 durch die Nernst-Spannung jeweils zur Kathode und Anode im Fall des fetten Luft/Kraftstoffverhältnisses (λ < 1) umgeschaltet. An der inneren Elektrode 28 (Kathode) werden Elektronen dem Sauerstoff in den Hohlräumen 43 hinzugefügt, um Sauerstoffionen zu erzeugen, wie in der Reaktionsformel (1) dargestellt.
An der Messelektrode 29 (Anode) werden die Sauerstoffionen von der inneren Elektrode 28 mit dem Wasserstoff eine Reaktion eingehen, um Wassermoleküle und Elektronen zu erzeugen, wie in der folgenden Reaktionsformel (6) dargestellt. 2H₂ + 2O² → 2H₂O + 4e (Elektronen) (6)
Daher wird dem eine Diffusion begrenzenden Strom Im ermöglicht, von der Messelektrode 29 zur inneren Elektrode 28 zu fließen, wie durch den Pfeil von 13 dargestellt. Das Amperemeter erfasst und gibt den eine Diffusion begrenzenden Strom Im als erfasstes Signal aus, um das magere Luft/Kraftstoffverhältnis unter Verwendung der charakteristischen Linie von 8 zu bestimmen.
In diesem Fall wird die Nernst-Spannung Vnr (zum Beispiel ungefähr 900 mV) beim fetten Luft/Kraftstoffverhältniszustand bezüglich der Arbeitsspannung Va (zum 450 mV) der Gleichstromquelle 36 und der Arbeitsspannung (zum Beispiel 1,6 V) der Gleichstromquelle 39 so festgelegt, um die folgende Gleichung (7) zu erfüllen. 2 × Vnr < (Va + Vb) (7)
Wie oben erwähnt, ist auch die kombinierte Pumpspannung Upb der Referenzzelle 32 größer als die Pumpspannung Upa der Messzelle 30 im Falle des fetten Luft/Kraftstoffverhältnisses. Daher wird die Menge des Sauerstoffs, die durch die kombinierte Pumpspannung Upb in den Hohlräumen 43 (Sauerstoff aufnehmende Kammern) der inneren Elektrode 28 absorbiert wird, größer als die Menge des Sauerstoffs festgelegt, die durch die Pumpspannung Upa aus den Hohlräumen 43 der inneren Elektrode 28 absorbiert wird.
Somit wird der Sauerstoff-Teildruck der Hohlräume 43 der inneren Elektrode 28 immer höher als das äußere Abgas beibehalten. Wie in den 5 bis 6 dargestellt, enthält die Führung 28A der inneren Elektrode 28 ebenfalls Hohlräume 43. Wie in 1 dargestellt, werden damit die den Sauerstoff aufnehmenden Kammern der Hohlräume 43 mit der Atmosphäre im Gehäuse 1 verbunden, wodurch eine so genannte umgekehrte Diffusion des externen Abgases in Richtung der Hohlräume 43 verhindert wird.
Gemäß der oben erwähnten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den eine Diffusion begrenzenden Strom Im (als erfasstes Signal) auszugeben, der sich gemäß des Luft/Kraftstoffverhältnisses ändert, wie durch die charakteristische Linie von 8 dargestellt. Insbesondere ist es möglich, ein erfasstes Signal von einem Null-Stromwert, wenn das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis (λ = 1) ist, von einem positiven Stromwert, wenn ein Luft/Kraftstoffverhältnis (λ > 1) ist, und von einem negativen Stromwert ist, wenn ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis (λ < 1) ist, auszugeben.
Wie oben erwähnt, ist es möglich, die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 aus einer zylindrischen Form in ihrer Gesamtheit herzustellen. Daher ist es möglich, die Elektroden 28, 29, 31 mit ausreichenden Elektrodenbereichen vorzusehen und den Innenwiderstand und die Größe der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 im Vergleich mit herkömmlichen Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtungen mit flacher Form zu reduzieren.
Außerdem weisen herkömmliche Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtungen Kantenbereiche infolge ihrer flachen Form auf. Im Gegensatz dazu weist die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 der vorlie genden Erfindung diese Kantenbereiche infolge ihrer zylindrischen Form nicht auf. Daher ist es durch die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 möglich, die thermische Belastung und dergleichen um ungefähr die Hälfte zu reduzieren. Dies ermöglicht es, zum Beispiel Risse der festen Elektrolytschicht 27 zu verhindern.
Wie oben erwähnt, wird der Heizbereich 22 vollständig mit der festen Elektrolytschicht 27, Diffusionsschicht 34 und dergleichen abgedeckt. Damit wird der Heizbereich 22 von einem Direktkontakt mit der Außenluft geschützt. Daher ist es möglich, die Wärme vom Heizbereich zur festen Elektrolytschicht 27 und dergleichen effizient durchzulassen.
Die Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 weist eine Anordnung auf, bei der die feste Elektrolytschicht 27 zwischen der inneren Elektrode 28 und der Messelektrode 29 und zwischen der inneren Elektrode 28 und der Referenzelektrode 31 angeordnet wird. Damit ist es möglich, die Messzelle 30 und Referenzzelle 32 (erste und zweite Pumpenzellen) nur unter Verwendung einer einzigen Schicht der festen Elektrolytschicht 27 zu bilden.
Es ist möglich, die innere Elektrode 28 mit der Heizbereich-abdeckenden Schicht 25 und der festen Elektrolytschicht 27 nach dem Sintern unter Verwendung des selben Werkstoffes für die keramischen Körner 42, Heizbereich-abdeckende Schicht 25 und feste Elektrolytschicht 27 fest zu verbinden. Außerdem ist es möglich, viele der oben erwähnten drei Phasen-Interfaces (Elektrodenreaktionspunkte) gleichmäßig zu verteilen. Daher ist es möglich, die Elektrodenreaktion an der Gesamtheit eines ersten Interfaces (zwischen der festen Elektrolytschicht 27 und der inneren Elektrode 28), die der Messelektrode 29 gegenüberliegt, und an der Gesamtheit eines zweiten Interfaces (zwischen der festen Elektrolytschicht 27 und der inneren Elektrode 28), die der Referenzelektrode 31 gegenüberliegt, gleichförmig zu erzeugen.
Es ist möglich, den Sauerstoff in die Hohlräume 43 zu diffundieren. Daher ist es möglich, die Konzentration und die Druckdifferenzen des Sauerstoffs, die durch die Elektrodenreaktion und die Temperaturänderung hervorgerufen werden, zu reduzieren, wodurch die Anreicherung und der Mangel von Sauerstoff an den drei Phasen-Interfaces verhindert wird. Damit ist es möglich, den Innenwiderstand des Sensors zu mindern und die Aktivierung der Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung 21 bei niedriger Temperatur zu beschleunigen.
Bezüglich 15 bis 16 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der keramische Werkstoff der inneren Elektrode aus einem Oxid mit einer Perowskit-Anordnung (gemischter leitfähiger Werkstoff) hergestellt ist. Im Folgenden werden dieselben Teile wie diejenigen der ersten Ausführungsform durch dieselben Ziffern bezeichnet und ihre Erläuterungen weggelassen.
Durch Ziffer 50 wird eine innere Elektrode (erste Elektrode) bezeichnet, die in der zweiten Ausführungsform verwendet wird. Ähnlich der ersten Ausführungsform wird die innere Elektrode 50 aus Edelmetall 51 (zum Beispiel Platin), keramischen Körnern 52 und Hohlräumen 53 ausgebildet.
Ähnlich den Aussparungen 44 der ersten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Aussparungen 54 auf der Grenze der inneren Elektrode 50 und der festen Elektrolytschicht 27 vorgesehen.
Z. B. kann Perowskitoxid, das die keramischen Körner 52 (gemischter leitfähiger Werkstoff) bildet, eine Anordnung von La_1-xSr_xCoO₃ oder La_1-xSr_xMnO₃ aufweisen.
Wie in 16 dargestellt, dienen keramische Körner 52 dazu, die Sauerstoffionen (O²) am Interface zwischen den keramischen Körnern 52 und der festen Elektrolytschicht 27 zu führen und die Elektrodenreaktionen der Reaktionsformeln (1) und (2) am Interface zwischen den keramischen Körnern 52 und den Hohlräumen 53 zu erzeugen.
Wie in 16 dargestellt tritt außerdem die Elektrodenreaktion an den drei Phasen-Interfaces F1, F2, die zwischen der festen Elektrolytschicht 27, Edelmetall 51 und Hohlräumen 53 ausgebildet werden, und an den drei Phasen-Interfaces F3, F4 auf, die zwischen der festen Elektrolytschicht 27, Edelmetall 51 und Aussparungen 54 ausgebildet werden. Die Hohlräume 53 dienen als Sauerstoff aufnehmende Kammern, wodurch der Sauerstoff in der inneren Elektrode 50 gemäß seiner Konzentration- und Druckgradienten diffundiert.
Tatsächlich ist die Sauerstoffkonzentration auf der linken Seite (Führungsendenseite der Vorrichtung 21) der inneren Elektrode 50 in 16 niedriger als die auf der rechten Seite (Basisendenseite der Vorrichtung 21). Daher werden die Sauerstoffmoleküle und -ionen in Richtung des Pfeils „b" von 16 gemäß ihrem Konzentrationsgradienten transportiert.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafte Wirkungen ähnlich denen der ersten Ausführungsform hervorbringen. Weil insbesondere die keramischen Körner 52 der inneren Elektrode 50 aus einem Oxid der Perowskit-Anordnung in der zweiten Ausführungsform hergestellt werden, ist es möglich, viele der oben erwähnten drei Phasen-Interfaces (Elektrodenreaktionspunkte) gleichförmig zu verteilen, wodurch die Elektrodenreaktion an der Gesamtheit der Elektrodenoberfläche der inneren Elektrode 50 effizient erzeugt wird.
Wie oben erwähnt, gibt es einen ersten Sauerstoffgastransport, bei dem das Sauerstoffgas gemäß dem Konzentrationsgradienten in der inneren Elektrode 50 transportiert wird. Außerdem gibt es einen zweiten Sauerstoffgastransport in der zweiten Ausführungsform, wie im Folgenden erläutert.
Wie in 16 dargestellt, werden die Hohlräume 53 und die keramischen Körner 52 in der inneren Elektrode 50 verteilt. Mit dieser Verteilung tragen die Hohlräume 53 zum Sauerstofftransport (in der Form von Sauerstoffmolekülen) durch Diffusion bei, und im Gegensatz dazu tragen die keramischen Körner 52 (gemischter leitfähiger Werkstoff) zum Sauerstofftransport (in Form von Sauerstoffionen) durch ionische Leitfähigkeit bei.
Wie schematisch in 16 dargestellt, können mit anderen Worten die Sauerstoffionen (O²) von der festen Elektrolytschicht 27 in Form von Sauerstoffionen durch die angrenzenden keramischen Körner 52 hindurchgehen. Danach können sich an der Grenze zwischen diesen keramischen Körnern 52 und dem angrenzenden Hohlraum 53 die Sauerstoffionen in Sauerstoffmoleküle durch die Reaktion von 2O² → O₂ + 4e umwandeln. Die sich ergebenden Sauerstoffmoleküle können durch diese Hohlräume 53 durch die Gasdiffusion hindurchgehen. Danach können sich an der Grenze zwischen diesem Hohlraum 53 und dem nächsten keramischen Korn 52 die Sauerstoffmoleküle in Sauerstoffionen durch die Reaktion von O₂ + 4e → 2O² umwandeln. In dieser Weise kann Sauerstoff durch die keramischen Körner 52 und Hohlräume 53 im zweiten Sauerstoffgastransport transportiert werden. Daher ist es möglich, die Transportgeschwindigkeit des Sauerstoffgases in Richtung des Pfeils von „b" in 16 durch die oben erwähnten ersten und zweiten Sauerstoffgastransporte zu beschleunigen.
Folglich ist es möglich, den Innenwiderstand der Vorrichtung zu mindern, um die niedrige Temperaturaktivität und dergleichen zu verbessern. Außerdem ist es zum Beispiel möglich, die Aufblätterung der festen Elektrolytschicht 27 und der inneren Elektrode 50 voneinander langfristig zu unterdrücken, wodurch die Zuverlässigkeit des Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensors verbessert wird.

Claims

Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungsvorrichtung für ein Gas: mit einem Heizbereich (22), der eine verlängerte zylindrische Form aufweist und durch Anlegen einer Stromversorgung von Außen heizt; mit einer festen Elektrolytschicht (27), die auf einen gesamten umlaufenden Umfang des Heizbereichs (22) ausgebildet ist, wobei die feste Elektrolytschicht (27) durch Heizen vom Heizbereich (22) aktiviert wird, um Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht (27) zu leiten; mit einer ersten Elektrode (28), die zwischen dem Heizbereich (22) und der festen Elektrolytschicht (27) positioniert und mit einer Innenfläche der festen Elektrolytschicht (27) in Kontakt ist; mit zweiten und dritten Elektroden (29, 31), die mit einer Außenfläche der festen Elektrolytschicht (27) in Kontakt und voneinander entfernt sind, so dass die feste Elektrolytschicht (27) zwischen den ersten und zweiten Elektroden (28, 29) und zwischen den ersten und dritten Elektroden (28, 31) angeordnet ist; mit einer ersten Spannungs-Anlegeeinrichtung (36) zum Anlegen einer ersten Spannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden (28, 29); mit einer zweiten Spannungs-Anlegeeinrichtung (39) zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen den ersten und drit ten Elektroden (28, 31), wobei die zweite Spannung höher als die erste Spannung ist; mit einer Diffusionsschicht (34), die aus einem porösen Werkstoff hergestellt ist, wobei die Diffusionsschicht (34) die zweite Elektrode (29) abdeckt, um das Durchlassen des Gases zur zweiten Elektrode (29) einzustellen; und mit einem Ampermeter (37), dass zwischen der ersten Spannungs-Anlegeeinrichtung (36) und der zweiten Elektrode (29) zum Ausgeben eines Ausgangssignals als ein elektrischer Strom vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Spannungs-Anlegeeinrichtungen (36, 39) die ersten und zweiten Spannungen (Va, Vb) einstellen, so dass die zweite Elektrode (29) eine Kathode wird und das Ausgangssignal ein positiver Stromwert ist, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gases größer als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis ist, so dass das Ausgangssignal gleich Null ist, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gases das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist, und so dass die zweite Elektrode (29) die eine Anode wird und das Ausgangssignal ein negativer Stromwert ist, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gases kleiner als das stöchiometrische Luft/Kraftstoffverhältnis ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (29) näher an der Vorderkante des Heizbereichs (22) als die dritte Elektrode (31) positioniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweiten und dritten Elektroden (29, 31) positioniert sind, um von einander in axialer Richtung der festen Elektrolytschicht (27) entfernt zu sein, und wobei sich die erste Elektrode (28) erstreckt, dass sie eine Länge in axialer Richtung der festen Elektrolytschicht (27) aufweist, so dass die erste Elektrode (28) den zweiten und dritten und Elektroden (29, 31) in radialer Richtung der festen Elektrolytschicht (27) gegenüberliegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Elektrode (28) ein Edelmetall (41), keramische Körner (42) und Hohlräume (43), die Sauerstoff aufnehmen, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Hohlräume (43) eine Größenordnung aufweisen, die größer als die der keramischen Körner (42) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die keramischen Körner (42) einen keramischen Rohstoff aufweisen, der mit einem Rohstoff der festen Elektrolytschicht (27) identisch ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die keramischen Körner (42) einen keramischen Rohstoff aufweisen, der ein Oxid mit einer Perowskit-Anordnung ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Heizbereich (22) folgendes aufweist: einen Heizkern, der aus keramischem Werkstoff hergestellt ist und eine hohle zylindrische Form aufweist; ein Heizmuster, das auf einer Umfangsfläche des Heizkerns ausgebildet ist; und eine isolierende Deckschicht, die den Umfang des Heizkerns umgibt, um das Heizmuster (24) abzudecken.