TWI512289B - 寬頻氧氣感測方法及裝置 - Google Patents

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Description

寬頻氧氣感測方法及裝置
本申請案係關於氧氣感測器、使用氧氣感測器之方法及用於燃燒過程、例如用於內燃機之相關系統。
如熟習此項技術者所知，燃燒過程、尤其內燃機中之空氣：燃料比率通常由λ表示，其中λ定義為實際空氣：燃料比率除以在精確化學計量混合物下之空氣：燃料比率。因此，在數學術語中，λ=空氣：燃料實際 /空氣：燃料化學計量 。小於1.0之值為富燃料(富)，大於1.0之值為貧燃料(貧)。對於許多內燃機，大約在λ=0.86時實現最大功率，且大約在λ=1.45-1.55時實現最大燃料經濟性。如可瞭解，引擎管理系統通常主要集中於控制λ。因而，大多數大型內燃機具有氧氣感測器以感測廢氣氧氣含量，其中來自氧氣感測器的數據由引擎管理系統針對各種引擎管理功能使用。對於較小內燃機，諸如機車、全地形車、休閒海洋應用及無人飛行載具中所使用者，引擎之尺寸限制帶來的困難在於識別適合之氧氣感測器。
幸運的是，已知小型電阻基氧氣感測器，參見例如美國專利申請公開案2011/0186446。該等氧氣感測器在小型內燃機之引擎管理控制中發現特定應用。此外，該等感測器適用於汽車及越野應用中之多汽缸引擎及混合引擎中的個別汽缸控制。
2011/0186446氧氣感測器可被視作具有一些獨特性質之轉換氧氣感測器。該等感測器當跨越空氣：燃料比率λ=1.00之化學計量邊界轉 變時在感測器元件之電阻方面具有急劇變化(多個數量級)。舉例而言，對於2011/0186446感測器之n型半導體型式，在此交越點上方(在λ>1.00之貧區中)，感測器之電阻極高且不會對其所暴露之氣體中之氧氣含量變化作出顯著反應；然而，在此交越點以下(在λ<1.00之富區中)，電阻顯著較低且與氧氣含量具有正關係。相反地，對於2011/0186446感測器之p型半導體型式，富區中之電阻極高，但貧區中之電阻較低且與氧氣含量具有正關係。
雖然2011/0186446感測器適用於多種情形，諸如2011/0186446公開案中所述之情形，但仍需要替代性氧氣感測器配置，以及氧氣感測及基於所感測到之氧氣含量控制燃燒過程之替代性方法，及相關系統。
本發明提供一種測定燃燒過程之空氣：燃料比率之方法，及/或相關器件及/或系統。
根據一或多個實施例之方法包括供應恆定總感測電流至氧氣感測器之氧氣感測部分，其中氧氣感測部分暴露於燃燒過程的廢氣。氧氣感測器具有n型感測電路及p型感測電路，該等電路共享公共電極。感測電流為n型感測電路中之第一電流與p型感測電路中之第二電流的總和。測定n型感測電路中之第一電流。測定p型感測電路中之第二電流。測定表示氧氣感測器之溫度的溫度值。接著，基於n型感測電路中之電流、p型感測電路中之電流及溫度值測定表示燃燒過程之空氣：燃料比率的第一值。
第一值可基於log(第一電流)與log(第二電流)之比率及溫度值來測定。
測定溫度值可包含感測氧氣感測器之加熱器部分的加熱器電阻。感測加熱器電阻可包含感測通過包括加熱器部分之加熱器電路的 電流及對該加熱器電路施加之電壓。
氧氣感測器可包含加熱器部分及不同於加熱器部分之溫度感測器，且測定溫度值可包含基於來自溫度感測器之資訊測定溫度值。
燃燒過程可為引擎之燃燒過程，該引擎可為多汽缸引擎。引擎能夠以如下模式操作：a)富模式，其中空氣及燃料供應至引擎之燃燒腔室，使得存在小於化學計量比率之空氣；及b)貧模式，其中空氣及燃料供應至燃燒腔室，使得存在大於化學計量比率之空氣。測定第一值可包含當引擎以富模式或貧模式中之一種操作時測定第一值。該方法可進一步包含在以富模式或貧模式中之一種操作之後，當引擎以富模式及貧模式中之另一種操作時，基於來自氧氣感測器之資訊測定表示空氣：燃料比率之第二值。
該方法可進一步包括基於第一值，諸如藉由調整燃料計量速率來控制燃燒過程。
根據一或多個實施例之寬頻氧氣感測器包括a)n型氧氣感測部分，其包含n型半導體層；及b)p型氧氣感測部分，其包含p型半導體層。n型氧氣感測部分及p型氧氣感測部分經由氧氣感測器之共享之公共電極電性連接至恆定電流源。n型半導體層及p型半導體層以彼此間隔之關係安置且均直接地附接至公共電極上。寬頻氧氣感測器可視情況且有利地進一步包括以與n型氧氣感測部分及p型氧氣感測部分間隔之關係安置的加熱器部分。
根據一或多個實施例之寬頻氧氣感測器包括a)介電基板；b)貼附至基板且具有第一及第二梳之公共電極，各梳具有複數個齒；c)貼附至基板且以間隔關係安置於第一電極之第一側面上的第一感測電極；d)貼附至基板且以間隔關係安置於第一電極之第二側面上的第二感測電極；e)經安置以便使第一梳及第一感測電極互連之n型半導體材料；f)以與n型半導體材料間隔之關係安置且經安置以便使第二梳及 第二感測電極互連之p型半導體材料。寬頻氧氣感測器可視情況且有利地進一步包括以與公共電極間隔之關係貼附至基板且與n型半導體材料及p型半導體材料電性絕緣之加熱器部分。
氧氣感測器可進一步包含覆蓋n型半導體材料之第一多孔介電保護層，及覆蓋p型半導體材料之第二多孔介電保護層。第一及第二多孔介電保護層可由連續層之不同部分形成。
氧氣感測器可使得公共電極包含第一末端；第一感測電極包含第二末端；第二感測電極包含第三末端。若存在加熱器部分，則其可包含第四末端。第一末端與加熱器部分可操作地連接。
介電基板可具有第一及第二相對對向表面。加熱器部分可安置於基板之第一表面上，而與距加熱器部分之距離相比，公共電極以及第一及第二感測電極更接近於基板之第二表面安置。
氧氣感測器可經組態使得公共電極安置於基板上；第一感測電極安置於基板上；第二感測電極安置於基板上；且加熱器部分以與該等電極間隔之關係貼附至基板上。
加熱器電路可包含鎢、鉑、鈀、其他貴金屬、陶瓷(諸如氮化矽Si3N4)或此項技術中已知之其他材料。
氧氣感測器可進一步包含與公共電極、第一感測電極及第二感測電極可操作地連接之控制電路，其中該等控制電路包含：a)恆定電流源；b)串聯連接在第二末端與恆定電流源之間的第一對電阻器；c)串聯連接在第三末端與恆定電流源之間的第二對電阻器。氧氣感測器可包含n型感測電路及p型感測電路。n型感測電路可包含第一感測電極、n型半導體層、公共電極、恆定電流源及第一對電阻器。p型感測電路可包含第二感測電極、p型半導體層、公共電極、恆定電流源及第二對電阻器。
上文所論述之各種態樣可單獨或以任何組合使用。本文所揭示 之各種裝置可根據本文所揭示之各種方法的任何組合操作，且反之亦然。此外，本發明不限於以上特徵及優勢。實際上，熟習此項技術者在閱讀以下實施方式時及在觀看附圖時應瞭解額外特徵及優勢。
10‧‧‧內燃機
12‧‧‧燃燒腔室
14‧‧‧火花點燃器件
16‧‧‧燃料噴射器
18‧‧‧進氣歧管
19‧‧‧排氣歧管/排氣室
22‧‧‧空氣流量感測器
30‧‧‧引擎管理系統
32‧‧‧處理電路/控制器
50‧‧‧氧氣感測器
51‧‧‧溫度感測器件
52‧‧‧介電基板
54‧‧‧加熱器部分
55‧‧‧導線
56‧‧‧n型金屬氧化物半導體層
58‧‧‧p型金屬氧化物半導體層
59‧‧‧多孔介電保護性塗層
59a‧‧‧第一部分
59b‧‧‧第二部分
60‧‧‧氧氣感測部分
61‧‧‧中心區
62‧‧‧公共電極
64‧‧‧齒
66‧‧‧梳
68‧‧‧梳
69‧‧‧導線
70‧‧‧第一感測電極
72‧‧‧齒
74‧‧‧梳
76‧‧‧末端區
79‧‧‧導線
80‧‧‧第二感測電極
82‧‧‧齒
84‧‧‧梳
89‧‧‧導線
90‧‧‧連接電路
92‧‧‧n型感測電路
94‧‧‧p型感測電路
102‧‧‧曲線
104‧‧‧曲線
106‧‧‧曲線
108‧‧‧曲線
圖1展示引擎之圖示，該引擎具有本發明之氧氣感測器及/或其中可實施本發明之一或多個實施例之方法。
圖2展示氧氣感測器之一個實施例的基板及氧氣感測電極之圖示。
圖3展示圖2之裝置，其中添加n型半導體層及p型半導體層以及保護層。
圖4展示圖3之裝置的側視圖。
圖5展示經連接電路連接至控制器之圖3之氧氣感測器的簡化圖。
圖6展示在不同溫度下空氣：燃料比率λ對圖3之裝置之n型感測電路中的電流之自然對數與p型感測電路中的電流之自然對數的比率(Ψ)之圖。
圖7展示用於測定空氣：燃料比率之例示性方法的流程圖。
圖8展示具有用於所有汽缸之共用氧氣感測器的一種多汽缸組態。
圖9展示具有用於各汽缸之個別氧氣感測器的另一多汽缸組態。
在一或多個實施例中，本申請案係關於一種基於來自暴露於燃燒過程之廢氣的氧氣感測器之資訊來測定空氣：燃料比率之方法，及相關系統。恆定電流供應至具有n型感測電路及p型感測電路之氧氣感測器，該等電路共享公共電極。測定n型感測電路中之第一電流，且測定p型感測電路中之第二電流。此外，測定表示氧氣感測器之溫度 的溫度值。接著，基於測定之電流及溫度值測定表示空氣：燃料比率之第一值。接著，可基於表示空氣：燃料比率之第一值控制燃燒過程。空氣：燃料比率可使用同一氧氣感測器在富區及貧區中之多種空氣：燃料值下測定；因而，氧氣感測器可稱作「寬頻」氧氣感測器。
為簡單起見，以下論述可一般在用於小排量汽油動力內燃機之氧氣感測器的內容脈絡中，但應理解，本文所揭示之氧氣感測器可用於其他內燃機應用中，諸如氫動力引擎、其他烴動力引擎、柴油引擎、均質充量壓縮點燃(Homogeneous Charge Compression Ignition；HCCI)引擎及反應性控制壓縮點燃(Reactivity Controlled Compression Ignition；RCCI)引擎。此外，所揭示之方法可用於其他燃燒過程，諸如在熔爐及水加熱器中發現之燃燒過程。
圖1展示內燃機10之示意圖，該內燃機可具有任何類型(例如活塞、旋轉式、旋擺盤等)。該引擎10包括至少一個具有締合之活塞、閥等(未展示)的燃燒腔室12，進氣歧管18，排氣歧管19，及引擎管理系統30。進氣歧管18供應空氣至燃燒腔室12。將有利地具有締合之溫度感測器的空氣流量感測器22安置於進氣歧管18中，使得可監測及/或控制進入之空氣條件。可控燃料計量系統(諸如節氣門體及燃料噴射器16)在引擎管理系統30之控制下供應燃料至燃燒腔室中。對於火花點燃引擎，火花點燃器件14(例如火花塞)在引擎管理系統30之控制下操作以在燃燒腔室12中在用於適當燃燒之週期中的所需時間點燃空氣及燃料混合物。氧氣感測器50安置於排氣室19中以感測廢氣中之氧氣量，使得適當空氣：燃料比率可經適當計量及維持。引擎管理系統30包括一或多個處理電路32(共同地為「控制器」)，其基於來自各種感測器之輸入信號及處理電路32之程式設計來控制燃料供應、點燃時序及其他引擎參數。舉例而言，引擎管理系統30使用如下所述之氧氣感測器50，以幫助控制引擎10，使得引擎10在所需空氣：燃料比率下 操作。除氧氣感測器50的詳情及下文更詳細描述之處理電路32之操作以外，引擎10之組態及操作為熟習此項技術者所熟知，且為清晰起見未在本文中進一步論述。如可瞭解，引擎10能夠以富模式或在其中λ<1.00之區中操作，以貧模式或在其中λ<1.00之區中操作，及在化學計量點S處(其中λ=1.00)操作。
氧氣感測器50宜為電阻基氧氣感測器。參考圖2-4，氧氣感測器50包括氧氣感測部分60及視情況選用之電阻基加熱器部分54。氧氣感測部分60宜包含公共電極62、第一感測電極70及第二感測電極80，該等電極均安置於介電基板52之一側上，該基板可為燒結陶瓷介電基板。公共電極62包括中心區61及兩組齒64，各組包括複數個齒，該兩組齒形成各別梳66、68。梳66、68宜在與中心區61相對之側面方向上延伸。第一感測電極70以間隔關係安置於公共電極62之一個側面上。第一感測電極70包括一組複數個齒72，該等齒形成梳74；及末端區76。第一感測電極70之梳74宜與公共電極62之梳66嚙合，其中各別齒64、72彼此間隔以便在公共電極62及第一感測電極70之間無直接接觸。同樣，第二感測電極80安置於公共電極62上與第一感測電極70相對之側面上，且與公共電極62呈間隔關係。第二感測電極80包括複數個齒82，該等齒形成梳84。第二感測電極80之梳84宜與公共電極62之梳68嚙合，其中各別齒64、82彼此間隔以便在公共電極62及第二感測電極80之間無直接接觸。此外，在第一感測電極70與第二感測電極80之間亦無直接接觸。應注意，第一感測電極70及第二感測電極80可由任何適合之材料，諸如鉑形成。應注意，梳66、68、74、84之齒64、72、82之長度及間隔以及其特定材料(包括半導體及催化材料)可如感測器50對於特定操作條件所需來調整。進一步應注意，公共電極62、第一感測電極70及第二感測電極80之齒64、72、82無需為相同尺寸且第一感測電極70及第二感測電極80無需與公共電極62間隔相同距離。
n型金屬氧化物半導體層56置放於梳66、74上方，使得層56在第 一感測電極70與公共電極62之間形成半導體橋。同樣，p型金屬氧化物半導體層58置於梳68、84上方，使得層58在第二感測電極80與公共電極62之間形成半導體橋。應注意，層56及層58應彼此分離(未接觸)。層56、58宜燒結至其個別電極以確保良好物理及電接觸。與以下論述有關，應理解n型半導體當暴露於在富區中操作之燃燒過程的廢氣時具有顯著較小且與氧氣含量具有正關係的電阻，而在貧區中電阻相對較高且可能與氧氣含量無關。相反地，p型半導體當暴露於在貧區中操作之燃燒過程的廢氣時具有顯著較小且與氧氣含量具有正關係的電阻，而在富區中電阻相對較高且可能與氧氣含量無關。
多孔介電保護性塗層59可置於半導體層56、58及電極相鄰部分之上方。此塗層59可在兩個半導體層56、58上方之連續塗層上，具有各別第一及第二部分，或第一部分59a與第二部分59b可彼此不同。此塗層59可包括催化性貴金屬，諸如鉑及/或鈀及/或銠，以及諸如氧化鈰之氧氣儲存組分或其他可能為實現氧氣感測部分60之所需功能特徵所必需的適合材料。此等催化性材料可為保護層59之組成之初始部分，或經添加以在後續操作中浸漬保護層59。
視情況選用之加熱器部分54宜安置於介電基板52上與氧氣感測部分60相對之側上。參見圖4。在其他實施例中，加熱器部分54可安置於介電基板52上與氧氣感測部分60同一側上，限制條件為兩個部分係電隔離(除經由地線以外)。在其他實施例中，省去加熱器部分54。加熱器部分54可採用任何適合形式且可由任何適合材料，諸如鎢、鉑、鈀、其他貴金屬、陶瓷(諸如氮化矽Si3 N4 )或此項技術中已知之其他材料形成。有利的是，加熱器部分54連接至地線及電壓源，諸如12伏特電壓源VS1。加熱器部分54必要時亦可具有適合之保護及/或電絕緣層。
氧氣感測器50可具有適用於電力及其他信號之連接。舉例而 言，在一些實施例中，氧氣感測器50具有四個接觸墊或導線55、69、79、89，用於進行適合之連接。導線55電性連接至加熱器部分54，且充當加熱器部分54之電力(+)導線。導線69電性連接至公共電極62，且充當接地(-)導線。導線79電性連接至第一感測電極70，且充當第一感測電極70之輸入。導線89電性連接至第二感測電極80，且充當第二感測電極80之輸入。導線69亦可充當加熱器部分54之接地導線，或可存在額外導線(未展示)用於加熱器部分54之獨立接地導線。
將氧氣感測器50連接至控制器32，使得自感測器50感測到之氧氣含量數據供應至控制器32。為了促進此供應，將氧氣感測器50如圖5中所示經連接電路90連接至控制器32。應注意，連接電路90可整合至氧氣感測器總成中、整合至控制器32中、作為氧氣感測器50與控制器32之間的一或多個獨立組件，或以任何適合方式分散。連接電路90包括電壓源VS1 ，為了達成此說明性實施例之目的，將該電壓源假定為12伏特電壓源。電壓源VS1 經由分路電阻器RSH 連接至加熱器部分54之一側。安置於分路電阻器RSH 之兩側上之適合導線允許量測橫跨分路電阻器RSH之電壓降VSH 。應注意，如同本文中之其他電壓降信號，僅為簡單起見而將用於VSH 之線LVSH 說明及論述為單一線。加熱器部分54之相對末端連接至地線。
連接電路90亦包括恆定電流源CC，該恆定電流源應假定為使用標稱5伏特電壓或可獲得之任何其他適合電源供電。恆定電流源CC經由電阻器R1 及R2 連接至第一感測電極70。橫跨電阻器R2 之電壓降V2 係藉由線LV2 量測及提供。n型感測電路92經由第一感測電極70、半導體層56及公共電極62完成接地。恆定電流源CC經由電阻器R3 及R4 連接至第二感測電極80。橫跨電阻器R4 之電壓降V4 係藉由線LV4 量測及提供。p型感測電路94經由第二感測電極80、半導體層58及公共電極62完成接地。應注意在替代實施例中，電阻器R1 及/或電阻器R3 可自其 各別電路省去，或額外電阻器可添加至其各別電路中。
連接電路90經由線LV2 提供電壓降V2 至控制器32，經由線LVHS 提供電壓降VHS 至控制器32，經由線LVS 提供電壓源VS1 之實際電壓VS 至控制器32，且經由線LV4 提供電壓降V4 至控制器32。由此等線提供之資訊允許控制器32測定由氧氣感測部分60感測到之氧氣含量，且因此測定燃燒過程之空氣：燃料比率，如下文進一步解釋。
控制器32可基於流經n型感測電路92之電流In 、流經p型感測電路94之電流Ip 及表示氧氣感測器50之溫度的值來測定空氣：燃料比率。
氧氣感測器50之溫度可基於加熱器部分54之電阻來測定。例如，加熱器部分54中之電流IH 可計算為橫跨分路電阻器RHS 之電壓降VHS 除以分路電阻器RHS 之電阻，或IH =VHS /RHS 。接著，可基於橫跨加熱器部分54之電壓降除以通過加熱器部分54之電流IH 來計算加熱器部分54之電阻RH 。因此，RH 可計算為RH =(VS -VHS )/IH 。接著，使用RH ，可使用適合公式來計算溫度T，例如T=(M×RH )+B，其中斜率M及常數B視加熱器部分54設計而定。如可瞭解，M及B可以校正方法測定，且儲存於引擎管理系統30之記憶體中的相關值由控制器32使用。
本發明考慮到，氧氣感測部分60之電阻反應為溫度依賴性的。例如，n型感測電路92在富區中於給定之固定空氣：燃料比率下的電阻隨溫度增加而降低，甚至當溫度對於良好反應明顯地足夠高時亦如此。同樣，p型感測電路94在貧區中於給定之固定空氣：燃料比率下的電阻隨溫度增加而降低，甚至當溫度對於良好反應明顯地足夠高時亦如此。針對給定電壓之電阻降低導致電流增加。
n型感測電路92中之電流In 可計算為In =V2 /R2 ，其中R2 為控制器32已知之值。p型感測電路94中之電流Ip 可計算為Ip =V4 /R4 ，其中R4 為控制器32已知之值。應注意，來自恆定電流源CC之總電流ICC係定 義為In +Ip 。在知曉In 及Ip 之情況下，控制器32可測定隨In 及Ip 而變之空氣：燃料比率，其中空氣：燃料比率之值視In 及Ip 而變。因此，空氣：燃料值之量值視In 、Ip 及氧氣感測器50之溫度T中之全體而變，如下文進一步描述。
在一些實施例中，空氣：燃料比率隨In 之自然對數與Ip 之自然對數的比率及氧氣感測器50之溫度而變。更特定言之，λ=N×(ln(In )/ln(Ip ))+C，或λ=N×Ψ+C，其中Ψ為電流之自然對數的比率(亦即Ψ=ln(In )/ln(Ip ))。如圖6中所示，N及C對於各溫度及化學計量之每一側為不同的。舉例而言，曲線102展示在500℃下之Ψ，曲線104展示在600℃下之Ψ，曲線106展示在700℃下之Ψ，且曲線108展示在800℃下之Ψ。應注意，在化學計量附近，精確度變得不太可靠；但這通常不為嚴重問題，因為對於大多數應用，最大功率空氣：燃料比率點及最大燃料效率空氣：燃料比率點充分遠離化學計量。亦應注意，在較低溫度下區別較大。針對各種溫度及化學計量之每一側的N及C之值可以校正方法建立，且可能由多個值之表格表示的相關關係儲存於引擎管理系統30之記憶體中以供控制器32使用。因此，控制器32能夠基於流經n型感測電路92之電流In 、流經p型感測電路94之電流Ip 及氧氣感測器50之溫度來測定空氣：燃料比率。
控制器32接收來自氧氣感測器50及其他感測器之輸入，且宜控制燃料計量、點燃時序及其他引擎功能之操作。與本發明論述有關且參考圖5-7，控制器32接收線LV2 上之電壓降V2 、線LVHS 上之電壓降VHS 、線LVS 上之電壓降VS 及線LV4 上之電壓降V4 。如圖7中所示，測定過程通常包括供應恆定電流至氧氣感測部分60(步驟210)。接著，基於源自氧氣感測器50及/或連接電路90之輸入，控制器32測定n型感測電路92中之電流In (步驟220)，如上文所述。控制器32亦測定p型感測電路94中之電流Ip (步驟230)，如上文所述。控制器32亦測定表示氧氣 感測器50之溫度的溫度值T(步驟240)。接著，控制器32基於In 、Ip 及T測定表示空氣：燃料比率之第一值ATF(步驟250)，如上文所述。如可瞭解，第一值ATF通常為λ值。ATF之測定可利用針對特定氧氣感測器50或氧氣感測器50之「類別」(例如特定型號或系列)之電流值、溫度值及對應ATF值(例如λ值)的查找表。或者，AFT可基於公式測定，在該公式中In 、Ip 及T均為公式之獨立變數。一旦測定ATF，控制器32即可接著基於ATF以任何適合方式控制引擎10(步驟260)。舉例而言，控制器32可經發送至節氣門體及燃料噴射器16之適合控制信號使燃料計量速率增加(降低λ)或降低(提昇λ)。如可瞭解，控制器32可重複以上過程以更新ATF。此更新可週期地發生，或可在適當時為經觸發之更新(諸如回應於輸入空氣條件之變化)。
以上論述一般已在自作為氧氣感測器50之一部分的加熱器部分54之電阻推導的氧氣感測器50溫度之內容脈絡中。因此，加熱器部分54滿足兩種作用：加熱氧氣感測器50及感測其溫度。然而，在一些實施例中，或者可採用不同於加熱器部分54之溫度感測器。因此，氧氣感測器50可除氧氣感測部分60及視情況選用之加熱部分54以外亦包括熱電偶或其他適合之溫度感測器件51。該溫度感測器51以虛線展示於圖5中以指示其視情況存在，其與控制器32之連接線為簡單起見未展示。亦應注意，溫度值本身無需為計算出之溫度，而可替代地為指示溫度之任何值，諸如加熱器部分54之電阻RH 本身或溫度感測器件51之電阻/電壓；T及RH (及指示所感測之溫度的其他類似值)均由術語「表示氧氣感測器之溫度的溫度值」涵蓋。
以上論述一般已在控制具有單個汽缸/燃燒腔室之引擎10的內容脈絡中。然而，類似方法可用於具有多個汽缸之引擎，諸如圖8中所示具有汽缸J、K、L及P之引擎。在圖8中，單個共用氧氣感測器50用於多個汽缸。控制器32可基於來自氧氣感測器50之讀數控制引擎參數 (例如燃料計量速率)，或若氧氣感測器50及控制器32具有足夠快的反應時間，則控制器32能夠控制以個別汽缸為基準之引擎參數。另一多汽缸配置展示於圖9中，其中每一個汽缸具有其自身專用氧氣感測器50。使用此配置，控制器32可更容易地基於來自對應氧氣感測器50之讀數控制以個別汽缸為基準之汽缸特異性引擎參數(例如燃料計量速率)。
以上論述一般已在氧氣感測器50之內容脈絡中，該氧氣感測器50以可稱為「寬頻」模式之模式工作，使得該氧氣感測器50能夠幫助測定富區及貧區中之氧氣含量。在一些實施例中，氧氣感測器50亦可藉由例如停用p型感測電路94而暫時地作為n型窄頻感測器來操作，且依賴於來自n型感測電路92之資料以藉由當λ增加時電阻之突然步進式提昇來感測何時λ達到1.00。或替代地，氧氣感測器50亦可藉由例如停用n型感測電路92而暫時地作為p型窄頻感測器來操作，且依賴於來自p型感測電路94之資料以藉由當λ降低時電阻之突然步進式提昇來感測何時λ達到1.00。
以上論述一般已在內燃機之內容脈絡中；然而，本發明不限於應用於內燃機。實際上，上文所述之氧氣感測方法一般可用於控制燃燒過程。因此，例如，本文所述之方法可用於熔爐或水加熱器中之燃燒過程中。如同以上基於引擎之論述，氧氣感測器50經安置以便感測排氣室19中來自燃燒過程之廢氣。
上文論述之方法及引擎控制系統提供增強燃燒及/或引擎控制之機會，使得可達成更大之燃料經濟學及/或降低之排放。
如本文所用，空氣：燃料比率可表示為未校正比率(例如對於汽油為14.7：1)，或表示為經校正比率(例如λ)。
當然，本發明可在不偏離本發明之範疇的情況下以除本文所陳述方式以外之其他特定方式來進行。因此，本發明實施例應視為說明 性而非限制性的。
32‧‧‧處理電路/控制器
50‧‧‧氧氣感測器
51‧‧‧溫度感測器件
54‧‧‧加熱器部分
55‧‧‧導線
60‧‧‧氧氣感測部分
69‧‧‧導線
79‧‧‧導線
89‧‧‧導線
90‧‧‧連接電路
92‧‧‧n型感測電路
94‧‧‧p型感測電路

Claims (15)

  1. 一種測定燃燒過程之空氣：燃料比率之方法，該方法包含：供應恆定總感測電流(210)至氧氣感測器(50)之氧氣感測部分(60)，該氧氣感測部分(60)暴露於該燃燒過程之廢氣，其中該氧氣感測器(50)具有n型感測電路(92)及p型感測電路(94)，該等電路共享公共電極(62)，該感測電流(ICC )為該n型感測電路中之第一電流(In )與該p型感測電路中之第二電流(Ip )的總和；測定(220)該n型感測電路(92)中之該第一電流(In )；測定(230)該p型感測電路(94)中之該第二電流(Ip )；測定(240)表示該氧氣感測器(50)之溫度的溫度值(T)；基於該n型感測電路中之該第一電流(In )、該p型感測電路中之該第二電流(Ip )及該溫度值(T)測定(250)表示該燃燒過程之空氣：燃料比率的第一值(ATF)。
  2. 如請求項1之方法，其中該測定(250)該第一值包含基於以下測定該第一值：log(該第一電流(In ))與log(該第二電流(Ip ))之比率；及該溫度值(T)。
  3. 如請求項1至2中任一項之方法，其中測定(240)該溫度值包含感測該氧氣感測器(50)之加熱器部分(54)的加熱器電阻(RH )。
  4. 如請求項1至2中任一項之方法，其中該氧氣感測器(50)包含加熱器電路及不同於該加熱器電路之溫度感測器(51)；其中該測定(240)該溫度值包含基於來自該溫度感測器(51)之資訊測定該溫度值。
  5. 如請求項1至2中任一項之方法，其中該燃燒過程為引擎(10)之燃 燒過程。
  6. 如請求項5之方法，其中該引擎(10)能夠以如下模式操作：富模式，其中空氣及燃料供應至該引擎之燃燒腔室，使得存在小於化學計量比率之空氣；貧模式，其中空氣及燃料供應至該燃燒腔室，使得存在大於該化學計量比率之空氣；其中該測定(250)該第一值(ATF)包含當該引擎以該富模式或該貧模式中之一種操作時測定該第一值；進一步包含其後，當該引擎以該富模式及該貧模式中之另一種操作時，基於來自該氧氣感測器(50)之資訊測定(250)表示該空氣：燃料比率之第二值。
  7. 如請求項1至2中任一項之方法，其進一步包含基於該第一值控制該燃燒過程(260)。
  8. 一種寬頻氧氣感測器，其包含：n型氧氣感測部分，其包含n型半導體層(56)；p型氧氣感測部分，其包含p型半導體層(58)；其特徵在於：該n型氧氣感測部分及該p型氧氣感測部分電性連接至恆定電流源(CC)且共享該氧氣感測器之公共電極(62)；其中該n型半導體層(56)及該p型半導體層(58)以彼此間隔之關係安置且均直接地附接至該公共電極(62)上。
  9. 如請求項8之寬頻氧氣感測器，其進一步包含介電基板(52)；該公共電極(62)，其貼附至該基板且具有第一及第二梳(66、68)，各梳具有複數個齒(64)； 第一感測電極(70)，其貼附至該基板且以間隔關係安置於該第一電極之第一側面上；第二感測電極(80)，其貼附至該基板且以間隔關係安置於該第一電極之第二側面上；該n型半導體層(56)，其經安置以便使該第一梳(66)與該第一感測電極(70)互連；該p型半導體層(58)，其以與該n型半導體層(56)間隔之關係安置且經安置以便使該第二梳(68)與該第二感測電極(80)互連。
  10. 如請求項8至9中任一項之寬頻氧氣感測器，其進一步包含：第一多孔介電保護層(59a)，其覆蓋該n型半導體層(56)；第二多孔介電保護層(59b)，其覆蓋該p型半導體層(58)。
  11. 如請求項8至9中任一項之寬頻氧氣感測器，其進一步包含加熱器部分(54)，該加熱器部分(54)以與該公共電極(62)間隔之關係貼附至該基板(52)且與該n型半導體層(56)及該p型半導體層(58)電性絕緣。
  12. 如請求項9之寬頻氧氣感測器，其中該公共電極(62)包含第一末端(69)；其中該第一感測電極(70)包含第二末端(79)；其中該第二感測電極(80)包含第三末端(89)；其中該加熱器部分(54)包含第四末端(55)。
  13. 如請求項12之寬頻氧氣感測器，其中該第一末端(69)與該加熱器部分(54)可操作地連接。
  14. 如請求項11之寬頻氧氣感測器，其中該介電基板(52)具有第一及第二相對對向表面；其中該加熱器部分(54)安置於該基板之該第一表面上；其中與距該加熱器部分(54)之距離相比，該公共電極(62)以及 該第一及該第二感測電極(70、80)更接近於該基板之該第二表面安置。
  15. 如請求項8至9中任一項之寬頻氧氣感測器，其進一步包含連接電路(90)，該等連接電路(90)與該公共電極(62)、該第一感測電極(70)及該第二感測電極(80)可操作地連接，該等連接電路(90)包含：恆定電流源(CC)；第一對電阻器(R1 、R2 )，其串聯連接在該第二末端(79)與該恆定電流源(CC)之間；第二對電阻器(R3 、R4 )，其串聯連接在該第三末端(89)與該恆定電流源(CC)之間；其中該氧氣感測器包含n型感測電路(92)及p型感測電路(94)；其中該n型感測電路(92)包含該第一感測電極(70)、該n型半導體層(56)、該公共電極(62)、該恆定電流源(CC)及該第一對電阻器(R1 、R2 )；其中該p型感測電路(94)包含該第二感測電極(80)、該p型半導體層(58)、該公共電極(62)、該恆定電流源(CC)及該第二對電阻器(R3 、R4 )。
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