DE69736050T2

DE69736050T2 - Luft-/Kraftstoffverhältnissensor über einen breiten Bereich mit einer elektrochemischen Zelle und Verfahren zur Detektion von zwei Arten von Luft/Kraftstoffverhältnissen unter Verwendung dieses Sensors

Info

Publication number: DE69736050T2
Application number: DE69736050T
Authority: DE
Inventors: Takao Naka-ku Nagoya Kojima; Koichi Kani Takahashi; Mitsunori Kasugai Ooi; Takuya Kounan Saito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1997-11-29
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2017-11-30
Also published as: US6007688A; EP0845669A2; DE69736050D1; JP3694377B2; JPH10160704A; EP0845669B1; EP0845669A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer chemischen Zelle, die ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Abgas erfassen kann, das z.B. aus einem Automobil-Motor ausgestoßen wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der eine für Sauerstoff-Ionen leitfähige Zelle verwendet, die nicht nur. ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1), sondern. auch ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem kraftstoff-mageren Bereich (λ > 1) erfassen kann.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In den letzten Jahren wurden die meisten Automobil-Motoren mit einem Luft/Kraftstoff-Regelungssystem ausgestattet, um die Motoren in einem besten Zustand zu betreiben, wobei schädliche Abgas-Komponenten, wie z.B. CO, NOx und HC verringert werden. Jeweils der eine oder der andere zweier Arten von Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren wird in den Abgasstrom in einem derartigen Regelungssystem gebracht. Die eine Art ist ein stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einer für Sauerstoff-Ionen leitfähigen Feststoffelektrolyt-Zelle, und die andere Art ist ein universeller oder, besser gesagt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor für einen großen Bereich, der zwei für Sauerstoff-Ionen leitfähige Feststoffelektrolyt-Zellen hat.
Der stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Sensor hat eine einzellige Elektrolyt-Zelle, die eine abrupte Spannungsänderung an zwei Elektroden ausgibt, zwischen denen der Zellen-Elektrolyt sandwichartig angeordnet ist, wenn das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Gemisch (λ = 1) in einer Verbrennungskraftmaschine vergast und verbrannt wird. Der stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Sensor wird oft als Lambda-Sensor oder als Lambda-Luft/Kraftstoff-Sensor bezeichnet. Diese Art von Sensor ist z.B. in dem US-Patent 5,518,603 beschrieben.
Einerseits hat der universelle Luft/Kraftstoff-Sensor zwei elektrochemische Zellen, mit dem besonderen Merkmal, dass der Sensor nicht nur das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1), sondern auch ein universelles oder sich über einen großen Bereich erstreckendes Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einem von λ = 1. abweichender Wert (das heißt λ > 1 und λ < 1) erfassen kann. Der Grund, warum eine Luft/Kraftstoff-Steuerung über einen großen Bereich durch diesen zweizelligen Sensor erfolgen kann, besteht darin, dass eine der Zellen als Sauerstoff-Pumpzelle verwendet wird, die den Sauerstoff herauspumpt oder in eine Sauerstoff-Referenzkammer pumpt, die zwischen den beiden Zellen des Sensors angeordnet ist. Wenn die Pumpzelle den Sauerstoff aus der Referenzkammer herauspumpt, bedeutet dies, dass ein Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Motor zu einem kraftstoff-mageren Bereich hin, das heißt λ > 1, verschoben wird. Wenn die Pumpzelle Sauerstoff in die Referenzkammer hineinpumpt, bedeutet dies, dass das zu einem kraftstofffetten Bereich (das heißt λ < 1) hin verschobene Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Motor verbrannt wird.
Ein Verdienst der Verwendung des die beiden Zellen aufweisenden universellen Sensors in einem derartigen Luft/Kraftstoff-Regelungssystem besteht darin, dass eine mit der Luft in den Motor hinein zu vergasende Menge an Kraftstoff mittels eines Stromes linear erfasst werden kann, der durch die Pumpzelle hindurchfließt, an welcher eine konstante Spannung angelegt ist. Dieser zweizellige Sensor ist z.B. in dem US-Patent 5,194,135 offenbart.
Die US 4,502,930 offenbart einen elektrochemischen Sauerstoffsensor, der geeignet ist, um den Sauerstoffgehalt in Gasen von Automobil-Verbrennungskraftmaschinen zu bestimmen. Der Sensor umfasst ein plattenartiges Sensorelement mit einem für Sauerstoff-Ionen leitfähigen Feststoffelektrolyten, der eine erste und eine zweite einander gegenüberliegende Hauptfläche hat, wobei die erste Hauptfläche mit einer Messelektrode ausgestattet ist und die zweite Hauptfläche mit einer Referenzelektrode ausgestattet ist. Die Elektroden bestehen aus porösem Platin-Material. Darüber hinaus ist ein grob-poröses gesintertes Füllmaterial vorgesehen, das die Messelektrode abdeckt und eine Sauerstoffmolekül-Diffusionsbarriere bildet, welche die Diffusion von Sauerstoffmolekülen an die Oberfläche der Elektrode steuert. Die Referenzelektrode ist ebenfalls mit demselben Füllmaterial bedeckt. Darüber hinaus ist ein schichtartiges Heizelement vorgesehen, das auf der Seite der Messelektrode angeordnet ist.
Die US 4,224,113 offenbart ein Sauerstoff-Sensorelement mit einem für Sauerstoff-Ionen leitfähigen Feststoffelektrolyt mit mikroskopisch porösem Material, das mit einer Referenzelektroden-Schicht und einer Messelektroden-Schicht an zwei gegenüberliegenden Seiten der Feststoffelektrolyt-Schicht bedeckt ist. Die Referenzelektroden-Schicht ist zwischen einem Substrat, das als Abschirmschicht dient, und einer Feststoffelektrolyt-Schicht angeordnet, so dass es von der Umgebungsatmosphäre vollständig abgeschirmt ist. Daher kommuniziert die Referenzelektroden-Schicht mit einer Umgebungsgas-Atmosphäre nur durch Poren in der Messelektroden-Schicht und der Feststoffelektrolyt-Schicht. Ein Spannungs-Zufuhrmittel ist ebenfalls offenbart.
Die US 4,419,213 , US 4,416,763 und US 4,882,033 umfassen jeweils ein Sauerstoff-Sensorelement mit einer Feststoffelektrolyt-Schicht, einer porösen Messelektrode und einer porösen Referenzelektrode, die an zwei gegenüberliegenden Hauptflächen der Feststoffelektrolyt-Schicht vorgesehen sind. Die Messelektrode ist mit einer porösen Schutzschicht bedeckt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen Luft/Kraftstoff-Sensor bereitzustellen, der eine elektrochemische Zelle hat, die zwei Arten von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen erfasst, und zwar einschließlich eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (das heißt λ = 1) und auch eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, das größer als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das heißt λ > 1) ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bereitzustellen, der eine einfache Zellenstruktur hat, durch den ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem kraftstoff-mageren Bereich genau erfasst werden.
Kurz gesagt, werden diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, wie man im folgenden sieht, im wesentlichen durch einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gelöst, der eine elektrochemische Zelle enthält, die eine für Sauerstoff-Ionen leitfähige Feststoffelektrolyt-Platte sowie zwei auf der Elektrolytplatte gebildete Elektroden aufweist.
Dieser Luft/Kraftstoff-Sensor gemäß der Erfindung enthält außerdem zwei Diffusionsgrenzen-Abdeckungen, die jeweils die entsprechende Elektrode abdecken. Eine der Elektroden ist durch eine stärkere beziehungsweise höhere Diffusionsgrenzen-Abdeckung als die andere Elektrode bedeckt, und die andere Elektrode ist durch eine schwächere beziehungsweise niedrigere Diffusionsgrenzen-Abdeckung als die vorherige bedeckt.
Wenn das Messgas durch diese Diffusionsgrenzen-Abdeckungen eintritt, um die auf der Elektrolytplatte gebildeten Elektroden zu kontaktieren, empfängt die Elektrode, die durch die schwächere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, mehr Gasmoleküle, wie z.B. O₂ und CO₂, aus dem Messgas als die andere Elektrode, die durch die stärkere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist. Dies beruht auf einer Differenz zwischen der Gasdiffusions-Grenzleistung zwischen den Abdeckungen. Diese Differenz bewirkt, dass die elektrochemische Zelle eine Spannung an den Elektroden erzeugt, die auf der für Sauerstoff leitfähigen Feststoffelektrolyt-Platte gebildet sind, die von einer Differenz zwischen Sauerstoff-Konzentrationen der Gase abhängig ist, die jeweils die betreffenden Elektroden durch die jeweilige Diffusionsgrenzen-Abdeckung kontaktieren.
Im kraftstofffetten Bereich (λ ≤ 1) strömt ein kleiner Strom (aufgrund von Sauerstoff-Ionen) durch die Sensorzelle, indem man eine konstante Spannung derart an die Elektroden anlegt, dass die Elektrode, die durch die stärkere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, elektrisch positiv ist (das heißt eine positive Polarität hat), und die Elektrode, die durch die schwächere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, elektrisch negativ ist (das heißt eine negative Polarität hat). Der Grund, warum eine derartige Konstantspannung an den Elektroden im kraftstoffreichen Bereich angelegt wird, ist die Bildung einer Sauerstoff-Referenzelektrode (und/oder einer Sauerstoff-Referenzkammer) an der Elektrode, die durch die stärkere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist. Anders gesagt, wenn das Messgas in dem kraftstofffetten Bereich (λ ≤ 1) sich den beiden Elektroden nähert, ergibt sich eine Sauerstoffkonzentrations-Differenz zwischen den beiden Elektroden, wodurch keine Spannungsverringerung zwischen den Elektroden verursacht wird. Wenn jedoch das Messgas in einem kraftstoffmageren Bereich (das heißt λ ≥ 1: Sauerstoff enthaltendes Gas) die beiden Elektroden kontaktiert, bewegt sich an der Referenzelektrode gebildeter Sauerstoff zu der anderen Elektrode, wodurch die zwischen der beiden Elektroden erfasste Spannung sofort auf einen minimalen Pegel verringert wird. Deshalb gibt dieser Sensor eine abrupte Spannungsänderung bei etwa λ = 1 aus.
Die erfasste abrupte Spannungsänderung zeigt an, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch ist (λ = 1).
Eine Konstantspannung kann auch an den Elektroden derart angelegt werden, dass die Elektrode, die durch die stärkere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, elektrisch negativ wird und die andere Elektrode, die durch die schwächere Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, elektrisch positiv wird, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem kraftstoffmageren Bereich (das heißt λ > 1) bestimmt werden soll. Bei der Spannungsanlegung auf diese Art wird der Strom, der in der elektrochemischen Zelle fließt, proportional zu einer Sauerstoffkonzentration des Mess-Abgases in dem kraftstoffmageren Bereich. Daher werden die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse in dem kraftstoffmageren Be reich somit bestimmt auf der Grundlage des Stromes, der von der O₂-Konzentration des Messgases abhängt.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der Erfindung erzielt einen Dualmodus-Sensormechanismus durch Verwendung nur einer Zelle; und zwar einen stöchiometrischen Lambda-Sensormechanismus und einen Magermodus-Luft/Kraftstoff-Sensormechanismus.
Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor mit einem großen Bereich enthält die stärkere Diffusionsgrenzen-Abdeckung mit einem Gasdiffusions-Begrenzungswiderstand von etwa 10² bis 10⁴ mal höherem Wert oder vorzugsweise 1 × 10² bis 4 × 10³ mal höherem Wert als derjenige der schwachen Diffusionsgrenzen-Abdeckung. Ein Diffusionsgrenzen-Strom, der von der Elektrode fließt, die durch die starke Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, kann vorzugsweise so ausgelegt sein, dass er eine EMF von etwa 0,3 bis 20 μA unter einem Gas mit 5% Sauerstoffkonzentration bei 750°C ausgibt. Diese auf den Elektroden gebildeten Abdeckungen können aus einer porösen Keramikschicht oder Keramikplatte oder aus einer porösen Metallschicht einschließlich eines porösen Elektrodenmetalls bestehen.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der Erfindung enthält eine auf der Zelle gebildete Heizvorrichtung. In diesem Fall ist die Position der Heizvorrichtung in der Zelle wichtig. Die Heizvorrichtung auf der Zelle ist vorzugsweise näher bei der auf der Elektrode gebildeten schwachen Diffusionsgrenzen-Abdeckung als bei der auf der anderen Elektrode gebildeten starken Diffusionsgrenzen-Abdeckung (das heißt der Referenzelektrode) positioniert, weil die Lambda-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung in der kraftstoffreichen Betriebsart sofort notwendig ist, nachdem der Motor in einem kalten Zustand mit der kraftstofffetten Betriebsart (λ ≤ 1) gestartet wird. Des weiteren sind die schwache Diffusionsgrenzen-Abdeckung und eine Messelektrode, die durch die schwache Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist, vorzugsweise näher an einem Ende eines Zellenstabes positioniert, um in dem Messgas thermodynamisch schneller exponiert zu werden als die starke Diffusionsgrenzen-Abdeckung und die Referenzelektrode, die durch die starke Diffusionsgrenzen-Abdeckung bedeckt ist.
Bei einem weiteren Gesichtspunkt des Luft/Kraftstoff-Sensors können die jeweiligen Diffusionsgrenzen-Abdeckungen, die an den beiden Elektroden gebildet sind, gegenseitig belüftend ausgelegt sein, und zwar entweder durch das Messgas oder vorzugsweise durch einen Strömungskanal, der zwischen den Diffusionsgrenzen-Abdeckungen gebildet ist. Die Differenz der Gasdiffusions-Grenzleistung zwischen den Elektroden kann durch Bilden eines solchen Kanals eingestellt werden.
Gemäß der Erfindung enthält der Luft/Kraftstoff-Sensor einen Spannungsschalter zum Umschalten einer Polarität der an die Elektroden der Zelle angelegten Spannung. Dieser Spannungsschalter kann außerdem aufweisen: einen Spannungsdetektor, der eine abrupte Spannungsänderung um den Bereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses herum erfasst, bei dem λ nahe bei 1 ist; einen Stromdetektor, der einen Strom in einer weiten Spanne des kraftstofffetten Luft/Kraftstoff-Bereichs erfasst, bei dem λ größer als 1 ist; und eine elektronische Steuerungseinheit, die dem Spannungsschalter eine Zeitabstimmung für eine Polaritätsänderung der an den Elektroden angelegten Spannung gibt.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, wobei:
1A eine teilweise herausgebrochene Perspektivansicht eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
1B eine Querschnittsansicht entlang der Linie 1B-1B in 1A ist;
2 eine auseinandergezogene Perspektivansicht des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist;
3A eine erklärende Ansicht ist, welche die Anordnung einer Vorrichtung zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zeigt, wobei der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird;
3B ein Diagramm ist, das ein von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ausgegebenes Signal zeigt;
4A eine erklärende Ansicht ist, welche eine andere Anordnung einer Vorrichtung zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zeigt, wobei der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wird;
4B ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung des von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ausgegebenen Signals zeigt;
4C ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen dem Strom des Signals und einer Sauerstoffkonzentration zeigt;
5A eine teilweise herausgebrochene Perspektivansicht eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist;
5B eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5B-5B in 5A ist;
7 eine partielle Querschnittsansicht eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist;
8A eine partielle Querschnittsansicht entlang eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist;
8B eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist;
9 eine erklärende Ansicht ist, die einen weiteren Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der Erfindung zeigt; und
10 ein schematisches Diagramm ist, das ein Konzept bei einem Verfahren zum Erfassen zweier Arten von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen unter Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Sensors mit einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung beschreibt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es werden nun Ausführungsbeispiele eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors und eines nicht zur Erfindung gehörenden Verfahrens zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des ersten Ausführungsbeispiels ist z.B. an einem Abgassystem eines Automobils zum Messen einer Sauerstoffkonzentration oder eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Luft/Kraftstoff-Gemisch angebracht. Durch Umschalten von Messungs-Betriebsarten können ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Umgebung von λ = 1 (theoretischer oder stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Punkt) und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis von weniger als 14,4 : 1 in einem mageren Bereich λ > 1 gemessen werden. In dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des ersten Ausführungsbeispiels wird eine Geschwindigkeit der Sauerstoff-Gasdiffusion an einem Anschlussabschnitt einer Referenzelektrode gesteuert.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels mittels einer laminierten Platte mit einer Dicke von 2,2 mm, einer Breite von 3,5 mm und einer Länge von 35 mm gebildet. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ist allgemein auf einem plattenartigen Erfassungsabschnitt 2 zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und einem plattenartigen Heizabschnitt 3 zum Heizen des Erfassungsabschnitts 2 gebildet. Die Einzelheiten werden im folgenden beschrieben.
Der Erfassungsabschnitt 2 ist mit einem Feststoffelektrolyt-Körper 5 ausgestattet, der aus einer 0,5 mm dicken Platte gebildet ist. An beiden Seiten des Feststoffelektrolyt-Körpers 5 sind poröse Elektroden gebildet. von den porösen Elektroden ist eine innere Elektrode 7 eine Referenzelektrode auf einer Seite, bei der eine Geschwindigkeit der Sauerstoff-Gasdiffusion im wesentlichen gesteuert wird, und eine äußere Elektrode eine Messelektrode auf einer Seite, bei der eine Geschwindigkeit der Sauerstoff-Gasdiffusion im wesentlichen nicht gesteuert wird. Der Feststoffelektrolyt-Körper 5 besteht hauptsächlich aus ZrO₂ mit 5 Mol% hinzugegebenem Y₂O₃ und kann 10 Gew.-% oder weniger an MgO, CaO, SiO₂ oder anderen Verunreinigungen enthalten. Die Elektroden 6 und 7 bestehen hauptsächlich aus Platin und können etwa 20 Gew.-% ZrO₂, Al₂O₃ und dergleichen enthalten.
Die Elektroden 6 und 7 bestehen aus jeweiligen Elektroden-Reaktionsabschnitten 6a und 7a und Anschluss-Abschnitten 6b und 7b. Die Anschlussabschnitt 6b und 7b sind jeweils mit Anschlussdrähten 9 und 10 aus Platin-Rhodium (mit 13 Gew.-% darin enthaltenem Rhodium) verbunden. Der Anschlussabschnitt 7b der Referenzelektrode 7 ist über Durchgangslöcher 5b und 11b angeschlossen, die in einem hinteren Ende (unteres Ende in 1) des Feststoffelektrolyt-Körpers 5 und einem hinteren Ende einer Isolationsschicht 11 eines Verbindungsabschnitts 12 gebildet sind. Der Anschlussdraht 10 ist mit dem Verbindungsabschnitt 12 verbunden. Um den Anschlussabschnitt 7b der Referenzelektrode 7 mit Abgas in Kontakt zu bringen, sind mittlere Abschnitte des Feststoffelektrolyt-Körpers 5 und der Isolationsschicht 11 mit Durchgangslöchern 5a und 11a ausgestattet, um ein Verbindungsloch 13 zu bilden.
Des weiteren ist eine 40 Gew.-% Al₂O₃ enthaltende Schutzschicht 14 aus ZrO₂ vorgesehen, um ein vorderes Ende der Messelektrode 6 (zu einem oberen Teil in 1) zur Umgebung des Durchgangslochs 5a abzudecken. Ein hinteres Ende des Anschlussabschnitts 6b und der Anschlussdrähte 9 und 10 sind mit einer aus ZrO₂ gebildeten Schutzschicht 15 abgedeckt. Die Schutzschicht 14 auf dem vorderen Ende ist eine poröse Schicht mit einer derartigen Porosität, dass die Geschwindigkeit der Sauerstoff-Gasdiffusion im wesentlichen nicht gesteuert wird, und die Schutzschicht 15 auf dem hinteren ist eine dichte Schicht bzw. eine Schicht mit hoher Dichte, die keine Belüftungseigenschaft hat.
Um von einem vorderen Ende der Referenzelektrode 7 zur Umgebung eines proximalen Endes hin abzudecken, ist ein Feststoffelektrolyt-Körper 17 mit derselben Abmessung und demselben Aufbau wie der Feststoffelektrolyt-Körper 5 vorgesehen, wodurch die Referenzelektrode 7 geschützt ist.
Der Anschlussabschnitt 7b der Referenzelektrode 7 ist über das Verbindungsloch 13 mit der stirnseitigen Schutzschicht 14 verbunden, welche die Diffusionsgeschwindigkeit nicht wesentlich steuert, und kann deshalb mit Abgas über das Verbindungsloch 13 in Kontakt stehen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Geschwindigkeit der Sauerstoff-Gasdiffusion im wesentlichen durch den Anschlussabschnitt 7b der Referenzelektrode 7 gesteuert. Um die Belüftungseigenschaft der porösen Platte zu unterdrücken, das heißt deren Luftdichtigkeit zu erhöhen, wird der Partikeldurchmesser des Platins in dem Anschlussabschnitt 7b verringert.
Als weiteres Verfahren zur wesentlichen Steuerung der Diffusionsgeschwindigkeit in dem Anschlussabschnitt 7b, z.B. zum Zeitpunkt des Laminierens, ist die Dicke des Anschlussabschnitts 7b größer als eine Dicke des Elektroden-Reaktionsabschnitts 7a. Durch Steuern des Laminierungsdru- ckes kann die Dichte des Anschlussabschnitts 7b erhöht werden, wodurch die Luftdichtigkeit gesteigert wird. Alternativ kann zum Zeitpunkt des Brennens durch Verwenden von Glas oder einer anderen Hilfe lediglich am Anschlussabschnitt 7b der Grad des Sinterns erhöht werden, wodurch die Luftdichtigkeit gesteigert wird.
In dem Heizabschnitt 3 ist auf dem Feststoffelektrolyt-Körper 18, der dieselbe Abmessung und Zusammensetzung wie der Feststoffelektrolyt-Körper 5 hat, ein Paar Isolationsschichten 19 und 20 vorgesehen, die jeweils eine Dicke von 30 μm haben und hauptsächlich aus Al₂O₃ bestehen, das 5 Gew.-% oder weniger MgO, CaO, SiO₂ und andere Verunreinigungen enthalten kann, wobei der Heizkörper 21 zwischen den Isolationsschichten 19 und 20 angeordnet ist. Der Heizkörper 21 wird von einem Heizabschnitt 21a und einem Paar Heiz-Anschlussabschnitten 21b₁ , 21b₂ gebildet, die mit Anschlussdrähten 22 bzw. 23 verbunden sind.
Des weiteren sind der Erfassungsabschnitt 2 und der Heizabschnitt 3 über einen aus Aluminiumoxid oder. Zirkonoxid bestehenden porösen Körper 16 miteinander einstückig verbunden.
Dem Heizkörper wird Strom mit einer (nicht gezeigten) Steuerungsvorrichtung zugeführt, so dass eine Temperatur in der Umgebung der Elektroden-Reaktionsabschnitte 6a und 7a bei einem vorbestimmten Wert von 350°C oder mehr gehalten wird.
Bei der Herstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1, der den zuvor erwähnten Aufbau hat, werden z.B. Grünfolien der Feststoffelektrolyt-Körper 5, 17, 18 der Isolationsschichten 11, 19, 20, der Schutzschichten 14, 15, der porösen Schichten 16 und dergleichen laminiert. Wenn nötig, werden leitende Muster auf die jeweiligen Grünfolien gedruckt oder anderweitig darauf gebildet, um die Elektroden 6, 8 und den Heizkörper 21 zu bilden. Ein auf diese Weise erhaltener laminierter Körper wird z.B. bei 400°C 10 Stunden lang erhitzt, um von ihm Harz zu entfernen. Anschließend wird der laminierte Körper bei 1.500°C 2 Stunden lang gebrannt, wodurch ein einstückig verbundener monolithischer Aufbau erzeugt wird.
Ein Verfahren zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1, der auf diese Weise gewonnen wird, wird nun unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
Wenn der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet wird, das heißt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Bereich von λ = 1 erfasst wird, wie in 3A gezeigt, ist die Referenzelektrode 7 mit einer Plus-Seite (positiver Pol) verbunden, und die Messelektrode 5 ist mit einer Minus-Seite (negativer Pol) verbunden. Durch Anlegen eines Stroms von 10 μA zwischen den Elektroden 6 und 7 von einer externen Stromquelle 25 mit 5 V über einen Verbindungswiderstand 26 mit 500 kΩ, wird Sauerstoff gepumpt und von der Messelektrode 6 der Referenzelektrode 7 zugeführt.
Eine auf diese Weise zwischen den Elektroden 6 und 7 erzeugte elektromotorische Kraft wird mit einem Voltmeter 27 gemessen, das in einer in 3A gezeigten Stellung angeschlossen ist, und wird als Sensor-Ausgangsleistung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 verwendet.
Wenn z.B., wie in 3B gezeigt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von mager (λ = 1,1) zu fett (λ = 0,9) wechselt, schwankt die Sensor-Ausgangsleistung stark in Übereinstimmung mit der Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses. Ein tatsächlicher Zustand der Veränderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann aus einem Zustand der Schwankung der Sensor-Ausgangsleistung gewonnen werden. Deshalb kann unter Verwendung der Sensor-Ausgangsleistung das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf λ = 1 geregelt werden. Wenn z.B. die Sensor-Ausgangsleistung einen Wert liefert, der anzeigt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, wird die Kraftstoffmenge verringert. Wenn umgekehrt die Sensor-Ausgangsleistung einen wert liefert, der anzeigt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, wird die Kraftstoffmenge erhöht. Auf diese Weise kann in dem Ausführungsbeispiel das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen Zielwert des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von λ = 1 gesteuert werden.
Wenn andererseits der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet wird, das heißt, wie in 4A, in Umkehrung zu dem in 3A gezeigten stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gezeigt, ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 erfasst wird, wird die Referenzelektrode 7 mit einem negativen Pol und die Messelektrode 6 mit einem positiven Pol verbunden. Eine von einer äußeren Stromquelle 32 stammende Spannung Vp von z.B. 0,7 V wird zwischen den Elektroden 6 und 7 angelegt und ein Strom Ip, der zwischen den Elektroden 6 und 7 fließt, wird z.B. mit einem Amperemeter 32 gemessen, das an einer in 4A gezeigten Stelle angeschlossen ist.
Wenn z.B., wie in 4B gezeigt, die Sauerstoffkonzentration des Abgases sich zu 1%, 3% oder 5% hin verändert, verändert sich die Sensor-Ausgangsleistung in der in dieser Figur gezeigten Weise. Insbesondere steigt, falls die spezifische Spannung angelegt ist, der Strom Ip in derselben Weise wie die Sensor-Ausgangsleistung im Grenzstrom-System, wenn die Sauerstoffkonzentration zunimmt. Daher kann, wie in 4C gezeigt, die Sauerstoffkonzentration des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf der Grundlage der Größe des Stroms Ip erfasst werden.
Wenn, wie zuvor erwähnt, der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor betrieben wird, wird die Polarität der Elektroden 6 und 7 umgekehrt, wodurch die Sauerstoffzufuhr-Richtung umgekehrt wird. Insbesondere können durch ledigliches Umkehren der elektrisch leitenden Richtung in demselben Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 unterschiedliche Funktionen vorteilhaft erzielt werden. Durch Verwenden des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 des ersten Ausführungsbeispiels kann ein großer Bereich eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erfasst werden, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Umgebung von λ = 1 kann genau gemessen werden. Des weiteren ist der Aufbau des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors des ersten Ausführungsbeispiels relativ einfach und ist den Bauarten des Stands der Technik in der mechanischen Festigkeit und bei den Kosten überlegen.
Auch wenn der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor betrieben wird, ändert sich rasch die Atmosphäre der stirnseitigen Schutzschicht 14, auf der die Diffusionsgeschwindigkeit nicht gesteuert wird. Daher kann eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt werden.
Wenn der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor betrieben wird, sind die Elektroden 6 und 7 außerdem dem Abgas ausgesetzt. Selbst wenn das momentane Luft/Kraftstoff-Verhältnis zum Zeitpunkt der Beschleunigung des Motors fett wird, wird zwischen den Elektroden 6 und 7 keine elektromotorische Kraft erzeugt und es kann eine genaue Sensor-Ausgangsleistung erzielt werden. Auch selbst dann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Diffusionsbegrenzungs-System momentan fett wird, ist die Sauerstoffmenge der Referenzelektroden 7 im Bereich von Null. Selbst wenn die Messelektrode 7 einem fetten Gas ausgesetzt ist, wird daher nur eine sehr kleine elektromotorische Kraft erzeugt und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann wiederum genau erfasst werden.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Es wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich im Aufbau von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels. Die Funktionsweise ist jedoch fast dieselbe. Deshalb werden in erster Linie nur unterschiedliche Gesichtspunkte beschrieben.
Wie in 5A und 5B gezeigt, ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 des zweiten Ausführungsbeispiels auf einem Erfassungsabschnitt 42 und einem Heizabschnitt 43 gebildet, die über eine Verbindungsschicht 44 miteinander verbunden sind. Speziell auf einer Schutzschicht auf einer Referenzelektrode wird die Diffusionsgeschwindigkeit gesteuert.
In dem Erfassungsabschnitt 42 ist auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine aus Platin oder dergleichen gebildete poröse Messelektrode 47 auf einer Messgas-Seite eines plattenartigen Feststoffelektrolyt-Körpers 45 vorgesehen, der aus ZrO₂ oder dergleichen gebil det ist. Eine Referenzelektrode 46 ist auf einem plattenartigen Feststoffelektrolyt-Körper 48 gebildet, der aus ZrO₂ oder dergleichen gebildet ist. Die Messelektrode 47 ist mit einer porösen Schutzschicht 51 ausgestattet, die einen Elektroden-Reaktionsabschnitt 47a bedeckt. Ein hinteres Ende hinter dem Elektroden-Reaktionsabschnitt 47a ist mit einer porösen Schutzschicht 52 bedeckt.
Speziell in dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 51 an dem vorderen Ende (der obere Teil in 5B) eine poröse Schicht mit einer Belüftungseigenschaft in einem Ausmaß, dass die Diffusionsgeschwindigkeit nicht wesentlich gesteuert wird, und die Schutzschicht 52 an dem hinteren Ende ist eine poröse Schicht, die eine ausreichend geringe Belüftungseigenschaft hat, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit im Wesentlichen gesteuert werden kann.
Es ist auch ein Abstand bzw. Freiraum 55 entlang einer Oberfläche der Referenzelektrode 46 an der Seite des Feststoffelektrolyt-Körpers 45 vorgesehen. Ein Verbindungsloch 56 ist vorgesehen, um den Abstand bzw. Freiraum 55 und die Schutzschicht 52 zu verbinden, das heißt die Referenzelektrode 46 über den Freiraum 55 mit dem Abgas zu verbinden.
In dem Heizabschnitt 43 ist ein Paar plattenartiger Isolationsschichten 57, 58 vorgesehen, die aus ZrO₂, MgO, Al₂O₃ oder anderen Keramiken gebildet sind. Zwischen den Isolationsschichten 57, 58 ist ein Heizkörper 59 vorgesehen, der aus Platin oder dergleichen gebildet ist.
Bei der Herstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 41 mit dem zuvor erwähnten Aufbau wird ein laminierter Körper (nicht gezeigt), der aus laminierten Grünfolien oder dergleichen gebildet ist, zur Bildung des Erfas sungsabschnitts 42 gebrannt. Auf dieselbe Weise wird ein laminierter Körper (nicht gezeigt), der aus laminierten Grünfolien oder dergleichen gebildet ist, zur Bildung des Heizabschnitts 43 gebrannt. Der Erfassungsabschnitt 42 und der Heizabschnitt 43 werden mit einem hitzebeständigen Klebstoff verbunden, der z.B. aus Zement oder einem anderen anorganischen Material besteht.
Wenn der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel betrieben wird, wird Sauerstoff von der Messelektrode 47 zu der Referenzelektrode 46 gepumpt. Unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft, die zwischen den Elektroden 47 und 48 erzeugt wird, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfasst. Wenn jedoch der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 41 als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor betrieben wird, wird Sauerstoff von der Referenzelektrode 46 zu der Messelektrode 47 gepumpt. Unter Verwendung eines Stroms, der zwischen den Elektroden 46 und 47 fließt, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfasst.
Das zweite Ausführungsbeispiel erzeugt dieselben Wirkungen wie das erste Ausführungsbeispiel. Da der Freiraum 55 an der Referenzelektrode 46 über das Verbindungsloch 56 mit der Schutzschicht 52 verbunden ist und die Sauerstoff-Gasdiffusion in der Schutzschicht 52 gesteuert wird, kann außerdem ein Ausmaß der Diffusionssteuerung in dem hergestellten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 51 fein bzw. sorgfältig eingestellt werden.
Beim Bilden der Referenzelektrode 46 des zweiten Ausführungsbeispiels muss sich der Elektroden-Reaktionsabschnitt 46a im Aufbau oder in der Luftdichtigkeit von dem Anschlussabschnitt 46b nicht unterscheiden. Daher kann die Referenzelektrode 46 leicht gebildet werden.
Des weiteren werden der Erfassungsabschnitt 42 und der Heizabschnitt 43 gesondert gebrannt und später miteinander verbunden. Selbst wenn der Erfassungsabschnitt 42 oder der Heizabschnitt 43 fehlerhaft wird, können daher lediglich funktionelle Abschnitte für den Gebrauch laminiert werden, und die Ausbeute wird erhöht, wodurch die Herstellungskosten verringert werden.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Es wird nun ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des vierten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich im Aufbau von den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren des ersten und zweitens Ausführungsbeispiels, doch ist die Funktionsweise fast dieselbe. Daher werden in erster Linie nur unterschiedliche Gesichtspunkte beschrieben.
Wie in 7 gezeigt, sind in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 81 eines vierten Ausführungsbeispiels ein Erfassungsabschnitt 82 und ein Heizabschnitt 83 nahe beieinander angeordnet, mit einen Freiraum 84 dazwischen, der mit. einem Abstandshalter (nicht gezeigt) versehen ist.
In dem Erfassungsabschnitt 82 ist auf einer Fläche eines plattenartigen Feststoffelektrolyt-Körpers 86, der z.B. aus ZrO₂ oder dergleichen gebildet ist, eine aus Platin oder dergleichen gebildete poröse Messelektrode 87 angeordnet, und auf der anderen Fläche des Feststoffelektrolyt-Körpers 86 ist eine ebenfalls aus Platin oder dergleichen gebildete Referenzelektrode 88 angeordnet.
Eine Oberfläche eines Elektroden-Reaktionsabschnitts 87a der Messelektrode 87 ist mit einer porösen Schutzschicht 91 bedeckt, die z.B. aus Al₂O₃ gebildet ist, die eine derartige Belüftungseigenschaft hat, dass die Diffusionsgeschwindigkeit nicht wesentlich gesteuert wird, und ein Anschlussabschnitt (nicht gezeigt) der Messelektrode 87 ist mit einer Schutzschicht 92 bedeckt, die keine Belüftungseigenschaft hat und z.B. aus Al₂O₃ gebildet ist. Die Oberfläche der Referenzelektrode 88 auf der Seite des Freiraums 84 ist auch mit einem plattenartigen Feststoffelektrolyt-Körper 93 bedeckt, der z.B. aus ZrO₂ gebildet ist.
In dem vierten Ausführungsbeispiel ist ein Verbindungsloch 94 in einem oberen Ende (ein oberer Teil in der Figur) der Referenzelektrode 88 gebildet, um eine Verbindung zu dem Abgas herzustellen. Eine diffusionsgesteuerte Schicht 95, die innerhalb des Verbindungslochs 94 vorgesehen ist, hat eine ausreichend geringe Belüftungseigenschaft, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit im wesentlichen gesteuert wird.
Zwischen den plattenartigen Isolationsschichten 96 und 97, die beide aus Al₂O₃ oder dergleichen gebildet sind, ist ein aus Platin oder dergleichen gebildeter Heizkörper 98 vorgesehen.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 81 des vierten Ausführungsbeispiels erzeugt dieselbe Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel. Da der Erfassungsabschnitt 82 und der Heizabschnitt 83 mit dem Freiraum 84 dazwischen angeordnet sind, wird außerdem durch einen dem Heizkörper 95 zugeführten Strom die Sensor-Ausgangsleistung nicht beeinflusst, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kann wirkungsvoll und genau erfasst werden. Da der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 81 unter Verwendung gesonderter Elemente hergestellt wird, wird außerdem die Ausbeute vorteilhaft erhöht. Selbst wenn Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, treten außerdem keine Verformungen oder Risse auf.
FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Es wird nun ein fünftes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des fünften Ausführungsbeispiels unterscheidet sich im Aufbau von den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels, doch ist die Funktionsweise fast dieselbe. Es werden daher in erster Linie nur unterschiedliche Gesichtspunkte beschrieben.
Wie in 8A gezeigt, sind in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 101 des fünften Ausführungsbeispiels ein Erfassungsabschnitt 102 und ein Heizabschnitt 103 nahe beieinander angeordnet, mit einem Freiraum 104 dazwischen, der mit einem Abstandshalter (nicht gezeigt) versehen ist.
In dem Erfassungsabschnitt 102 ist auf einer Fläche eines z.B. aus ZrO₂ oder dergleichen gebildeten plattenartigen Feststoffelektrolyt-Körpers 106 eine aus Platin oder dergleichen gebildete poröse Messelektrode 107 angeordnet, und auf der anderen Fläche des Feststoffelektrolyt-Körpers 106 ist eine ebenfalls aus Platin oder dergleichen gebildete Referenzelektrode 108 angeordnet.
Eine Oberfläche eines Elektroden-Reaktionsabschnitts 107a der Messelektrode 107 ist mit einer porösen Schutzschicht 111 bedeckt, die z.B. aus Al₂O₃ gebildet ist und eine Belüftungseigenschaft hat, die ausreicht, dass die Diffusionsgeschwindigkeit nicht wesentlich gesteuert wird, und ein Anschlussabschnitt (nicht gezeigt) der Messelektrode 107 ist mit einer Isolationsschicht 112 bedeckt, die keine Belüftungseigenschaft hat und z.B. aus Al₂O₃ gebildet ist. Eine Oberfläche der Referenzelektrode 108 auf der Seite des Freiraums 104 ist auch mit einem Feststoffelektrolyt-Körper 113 bedeckt, der z.B. aus ZrO₂ besteht.
In dem fünften Ausführungsbeispiel verbindet ein Verbindungsloch 114 einen Anschlussabschnitt 108b der Referenzelektrode 108 mit dem Abgas. Eine poröse diffusionsgesteuerte Schicht 115, die innerhalb des Verbindungslochs 114 vorgesehen ist, wie in 8B gezeigt, hat eine ausreichend geringe Belüftungseigenschaft, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit im wesentlichen gesteuert ist, und besteht z.B. aus Al₂O₃.
In dem Heizabschnitt 103 ist auch zwischen plattenartigen Isolationsschichten 116 und 117, die beide aus Al₂O₃ oder dergleichen gebildet sind, ein aus Platin oder dergleichen gebildeter Heizkörper 118 vorgesehen.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 101 des fünften Ausführungsbeispiels erzeugt dieselbe Wirkung wie das vierte Ausführungsbeispiel.
Diese Erfindung ist nicht auf die zuvor erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiele begrenzt. Abwandlungen und Änderungen im Rahmen der beigefügten Ansprüche sind ebenfalls beinhaltet.
In dem fünften Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsloch 114 zum wesentlichen Steuern der Diffusionsgeschwindigkeit im Wesentlichen in der Mitte des Anschlussabschnitts 108b der Referenzelektrode 108 vorgesehen. Wie in 9 gezeigt, kann alternativ ein Verbindungsloch 121 in einem hinteren Ende (unteres Ende in der Figur) des An schlussabschnitts 122b der Referenzelektrode 122 und in der Umgebung eines zylindrischen Metall-Anschlussteils 124 vorgesehen sein, um einen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 123 an einem Abgasrohr (nicht gezeigt) anzubringen.
Da das Verbindungsloch 121 in der zuvor erwähnten Stelle vorgesehen ist, wird der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 123 weniger stark durch Temperaturen beeinflusst als bei dem fünften Ausführungsbeispiel. Selbst wenn die Temperatur des Abgases sich ändert, schwankt das Ausmaß der Diffusionsgeschwindigkeit kaum. Deshalb kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis genau erfasst werden.
Wie zuvor erwähnt, sind bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der Erfindung beide Elektroden über die Belüftungsabschnitte dem Messgas ausgesetzt, und beide Belüftungsabschnitte haben unterschiedliche Belüftungseigenschaften. Einer der Belüftungsabschnitte hat die Funktion, im wesentlichen die Sauerstoff-Diffusionsgeschwindigkeit zu steuern. Durch Verwenden des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors kann ein großer Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erfasst werden. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor stellt vorteilhaft einen einfachen Aufbau bereit, hat eine bessere mechanische Festigkeit und Beständigkeit und geringe Herstellungskosten.
Bei einem Verfahren zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wird der zuvor erwähnte Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet. Durch Einstellen einer Sauerstoff-Pumprichtung und Messen einer erzeugten elektromotorischen Kraft kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Bereich λ = 1 durch den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst werden.
Bei einem Verfahren zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden und Messen des wertes eines fließenden Stroms kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Bereich von λ > 1 durch den zuvor genannten Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst werden.
Bei einem Verfahren zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses durch Ändern des Zustands des Stroms oder der Spannung, die dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in Übereinstimmung mit dem zu erfassenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis zugeführt werden, kann der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor oder als Magerbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet werden. Daher kann mit einem einfachen Aufbau ein großer Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erfasst werden.
10 zeigt ein schematisches Diagramm zum Beschreiben eines Konzeptes bei einem verfahren zum Erfassen zweier Arten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Sensors mit einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 10 wird im folgenden ein Verfahren zum Erfassen zweier Arten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Luft/Kraftstoff-Sensors mit einer elektrochemischen Zelle gemäß der Erfindung beschrieben.
Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, bei dem es sich um eines der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung handelt, ist als Element mit der Bezugsziffer 200 gezeigt. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 200 umfasst eine elektrochemische Zelle bestehend aus einer für Sauerstoff-Ionen leitenden Feststoffelektrolyt-Platte 205 und zwei Elektrodenschichten 204, 206, die auf der Platte 205 gebildet sind. Die Elektrodenschichten 204 und 206 bestehen aus porösem Edelmetall. Eine der Elektrodenschichten 204, 206 ist als Sauerstoff-Referenzelektrode 204 definiert, und die andere ist als Messelektrode 206 definiert.
Der Sensor 200 umfasst außerdem eine Abdeckung 207 mit einer hohen oder ziemlich starken Diffusionsbegrenzung, die auf der Elektrode 204 gebildet ist. Eine Sauerstoff-Referenzkammer kann an einer Grenzfläche zwischen der starken Diffusionsbegrenzungs-Abdeckung 207 und der Sauerstoff-Referenzelektrode gebildet sein, wie dies durch die Bezugsziffer 55 in dem Luft/Kraftstoff-Sensor in 5B gekennzeichnet ist. Eine derartige Sauerstoff-Referenzkammer stabilisiert eine ausreichende Sauerstoffbildung an der. Referenzelektrode 204, wenn die Sauerstoff-Ionen durch die Elektrolyt-Platte 205 herein- oder herausgepumpt werden.
Eine Abdeckung 208 mit einer schwachen beziehungsweise niedrigen Diffusionsbegrenzung ist an der Messelektrode 206 gebildet. Die Abdeckung 207 mit der starken Diffusionsbegrenzung benötigt einen um 100 bis 10.000-mal höheren Gasdiffusions-Widerstand als die Abdeckung 208 mit schwacher Diffusionsbegrenzung, um die Aufgaben der Erfindung zu lösen. Die Abdeckung 207 kann vorzugsweise eine etwa 1.000 bis 4.000-mal höhere Gasdiffusions-Begrenzungsleistung als die Abdeckung 208 haben. Eine derartige Differenz des Gasdiffusions-Widerstands zwischen den beiden Abdeckungen 207, 208 kann hergestellt werden, indem man eine Keramikabdeckung mit niedriger Porosität und eine Keramikabdeckung hoher Porosität für die Abdeckung 207 mit starker Diffusionsbegrenzung bzw. die Abdeckung 208 schwacher Diffusionsbegrenzung verwendet.
Eine Heizvorrichtung 203 kann an der Abdeckung 208 mit schwacher Diffusionsbegrenzung angebracht sein und nahe an der Abdeckung 208, jedoch von der Abdeckung 207 mit starker Diffusionsbegrenzung entfernt angeordnet sein.
Um zu bewirken, dass dieser einzellige Sensor 205 einen Doppel-Erfassungsmechanismus ausführt, der eine λ-Modus-Erfassung (das heißt Erfassen eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Bereich von λ = 1) und eine Magerbetriebsart-Erfassung (das heißt Erfassen eines kraftstoffmageren Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in dem kraftstoffmageren Bereich von λ > 1) hat, wird eine Gleichspannung konstant an die Elektroden 204, 206 angelegt, wobei die Polarität der Gleichspannung gewechselt bzw. umgekehrt wird. Wenn insbesondere bei dem in 10 gezeigten Beispiel eine Gleichspannungs-Stromquelle 209 der Sauerstoff-Referenzelektrode 207 eine positive Spannung zuführt und der Messelektrode 206 eine negative Spannung zuführt, um ein konstantes elektrisches Feld durch die für Sauerstoffionen leitende Feststoffelektrolyt-Platte 205 zu erzeugen, sammelt die poröse Referenzelektrode 204 Sauerstoff-Ionen durch die Elektrolytplatte 205 von der Messelektrode 206 und bildet ein Gas mit konstanter Sauerstoffkonzentration in den Poren der Referenzelektrode 204.
Wenn bei diesem Zustand der Spannungspolarität ein Messgas den Sensor 200 kontaktiert, kann die Messelektrode 206 aufgrund der Gasdiffusionsdifferenz zwischen den beiden Abdeckungen 207, 208 mit dem Messgas-Sauerstoff schneller als die Referenzelektrode 204 reagierten. Wenn das Mess-Abgas in einem kraftstofffetten Zustand ist (das heißt einen sehr geringen Sauerstoffgehalt hat), erzeugt die Zelle zu diesem Zeitpunkt die EMF nicht, die einen abrupten oder scharfen Abfall der Spannung verursacht, die an einem Spannungsmesser V erscheint, der, wie in 10 gezeigt, zwischen die Elektroden 204, 206 eingefügt ist.
Wenn das Gas in dem kraftstoffmageren Zustand (das heißt einen gewissen Sauerstoffgehalt aufweisend) den Sensor 200 kontaktiert, bewirkt die in der Zelle erzeugte EMF sofort eine scharfe Abnahme des Zellen-Widerstands, was zu einem abrupten Abfall der Spannung führt, die an dem Spannungsmesser V zwischen den Elektroden 204, 206 erscheint.
Wenn der durch den Spannungsmesser erfasste Spannungswert der Steuerungseinheit (ECU) 201 zugeführt wird, die eine Kraftstoffeinspritzung 211 steuert, wie in 10 gezeigt, kann die ECU einen Luft/Kraftstoff-Zustand in dem Motor nahe an einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Wert steuern (das heißt λ = 1). Dies bedeutet, dass dieser Sensor als stöchiometrischer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, das heißt als Lambda-Sauerstoff-Sensor verwendet werden kann, jedoch nicht als Großbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der den Sauerstoffkonzentrations-Zustand des Gases, das heißt den Wert Lambda bei λ > 1 erfassen kann.
Um in 10 einen derartigen Wert von Lambda bei λ > 1 mit dem Sensor 200 zu erfassen, wird die zuvor angelegte Spannung umgekehrt. Es wird z.B. die durch die Gleichspannungs-Stromquelle 209 gegebene Spannungspolarität durch einen Schalter 202 in eine Spannungsversorgung 210 mit umgekehrter Polarität umgewandelt.
Unter der umgekehrten Polarität geht der Sauerstoff in den Poren der Referenzelektrode auf Null. Wenn das kraftstoffmagere Gas, das heißt Sauerstoff enthaltendes Gas, den Sensor 200 kontaktiert, wird daher die Messelektrode 206 mehr Sauerstoffmolekülen im Gas ausgesetzt als die Referenzelektrode 204. In diesem Zustand wird die EMF in der Zelle durch die Sauerstoffkonzentrations-Differenz zwischen den Elektroden 204, 206 erzeugt, und es fließt ein Strom in dem Strommesser A, der zwischen der Messelektrode 208 und der Spannungszufuhr 210 mit umgekehrter Polarität geschaltet ist. Dieser Strom ist proportional zur Sauerstoffkonzentration des Messgases. Daher wird die Sauerstoffkonzentration des Gases in einem großen Bereich bestimmt, solange das Gas in der kraftstoffmageren Betriebsart ist. Wenn der Strom sehr klein und unter einem vorbestimmten Pegel ist, wird die Polarität zwischen den Elektroden 204, 206 auf den vorhergehenden Zustand der angelegten Lambda-Betriebsart-Spannung umgeschaltet.
Wie oben beschrieben wurde, lässt sich so durch Verwenden des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors mit einer Zelle und den auf den Zellenelektroden gebildeten Diffusionsbegrenzungs-Abdeckungen sowohl das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis als auch Luft/Kraftstoff-Verhältnisse in einem großen Bereich des kraftstoffmageren Bereichs erfassen.

Claims

Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (1; 41; 81; 101; 200) mit einer elektrochemischen Zelle, die ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das größer als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, erfasst, wobei der Sensor einen plattenartigen Heizabschnitt (3; 43; 83; 103; 203) hat, der neben einem plattenartigen Erfassungsabschnitt (2; 42; 82; 102) gebildet ist, mit: einem Feststoffplatten-Elektrolytkörper (5; 45; 86; 106; 205), der eine erste und zweite einander gegenüberliegende Hauptflächen sowie eine Umfangskante davon hat; einer ersten porösen Elektrode mit einem Elektroden-Reaktionsabschnitt (6a; 47a; 87a; 107a), der an der ersten Hauptfläche angeordnet ist, wobei die erste poröse Elektrode als Messelektrode (6; 47; 87; 107; 206) der elektrochemischen Zelle wirkt; einer zweiten porösen Elektrode mit einem Elektroden-Reaktionsabschnitt (7a; 46a), der an der zweiten Hauptfläche angeordnet ist, wobei die zweite poröse Elektrode als Referenzelektrode (7; 46; 88; 108; 204) der elektrochemischen Zelle wirkt; einer Abdeckung (7b; 52; 95; 115; 207) mit einer hohen Gasdiffusions-Grenze zum Abdecken der Referenzelektrode (7; 46; 88; 108; 204) und Steuern der Gasdiffusion zu der Referenzelektrode (7; 46; 88; 108; 122; 204); einer Abdeckung (14; 51; 91; 111; 208) mit einer tiefen Gasdiffusions-Grenze zum Abdecken der Messelektrode (6; 47; 87; 107; 206) und Steuern der Gasdiffusion zu der Messelektrode (6; 47; 87; 107; 206); wobei die Abdeckung mit der hohen Gasdiffusions-Grenze einen Gasdiffusions-Begrenzungswiderstand hat, der etwa 10²- bis 10⁴-mal höher ist als bei der Abdeckung mit dieser Gasdiffusions-Grenze; wobei ein Spannungs-Zufuhrmittel vorgesehen ist, um der Messelektrode (206) und der Referenzelektrode (204) eine vorbestimmte Spannung zuzuführen; und wobei ein Spannungs-Schaltermittel vorgesehen ist, um eine Polarität der Spannung umzuschalten, die an den Mess- und Referenzelektroden (206; 204) anliegt.
Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein plattenartiger Heizabschnitt (3; 203) näher an der Abdeckung mit tiefer Gasdiffusions-Grenze als an der Abdeckung mit hoher Gasdiffusions-Grenze angeordnet ist.
Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung mit hoher Sauerstoff-Diffusionsgrenze eine etwa 1.000- bis 4.000-mal höhere Gasdiffusions-Begrenzungsleistung als die Abdeckung mit tiefer Sauerstoff-Diffusionsgrenze hat.