專利名稱:用于汽車的空氣燃料比感測器的制作方法
本發(fā)明涉及到一種用于內燃機的空氣燃料比控制裝置的感測器，更具體地，本發(fā)明涉及到一種用于汽車的空氣燃料比感測器，它用來在寬范圍內、在下面三個條件下很容易地檢測空氣燃料比濃混合比區(qū);理論空氣燃料比下和稀混合比區(qū)。
相應于發(fā)動機的工作條件，要求內燃機工作在濃混合比區(qū)即過量空氣系數(shù)λ＜1，理論的空氣燃料比即λ＝1，和在稀混合比即λ＞1的條件下，因此，需要用一個感測器在自濃混合比區(qū)到稀混合比區(qū)的寬范圍內檢測空氣燃料比。
另一方面，圖11表明了過量空氣系數(shù)λ與廢氣中的殘余氧氣濃度和一氧化碳濃度之間的關系。在稀混合比區(qū)中氧氣(O2)濃度與空氣燃料比成近似線性地改變，而在濃混合比區(qū)中一氧化碳(CO)濃度與空氣燃料比成近似線性地改變。
圖12(A)～(C)表明了現(xiàn)有技術中利用殘余氧氣濃度和一氧化碳濃度來分別地檢測每一個區(qū)內的空氣燃料比的空氣燃料比感測器的基本原理。此空氣燃料比感測器由電極1、氧化鋯固體電解質2、電極3、保護薄膜4和安培計5構成。
圖12(A)中的感測器通過在電極1和電極3之間加有近似為0.5V的激發(fā)電壓E來完成對濃混合比區(qū)(λ＜1)的檢測，由比如是日本專利公開No.66292/1978中可知，電極1和3分別作為陰極和陽極。保護膜4用作為氣體擴散阻擋體。和通過保護膜4擴散到電極3的未燃燒氣體一起，發(fā)生燃燒反應的氧氣以氧離子的形式，由與空氣接觸的電極1通過氧化鋯固體電解質2遷移到電極3。因而，由安培計5所測得的激勵電流Ip表示由電極1遷移到電極3的氧離子的數(shù)量，并且相應于通過保護薄膜4擴散到電極3這部分的未燃燒氣體的數(shù)量，這樣，在濃混合比區(qū)內的空氣燃料比的模擬檢測可用Ip的測量來實現(xiàn)。
如圖12(B)所示，當兩個電極之間的電動勢eλ的檢測是以電極3(電極3是通過保護膜接觸廢氣)電位作為參考，因為eλ的數(shù)值在理論的空氣燃料比下按大約1V漸增地改變，所以λ＝1的近似的數(shù)字檢測是通過測量eλ來完成的。這個原理由例如是日本專利公開No.37599/1972知道的。
如圖12(C)中所表明的，當大約為0.5伏的激勵電壓被加到以電極3作為陰極的兩個電極之間時，氧離子自電極3到電極1，而激勵電流Ip用安培計5測得。由于這個激勵電流Ip相應于通過保護膜擴散到電極3這部分的氧的數(shù)量，稀混合比區(qū)(λ＞1)能夠由Ip值來檢測。這個原理由例如是日本專利公開No.69690/1977可知道。
在圖12(A)～(C)中表明的現(xiàn)有技術感測器的特性的一些例子表明在圖13中。稀混合比區(qū)的特性由點劃線表明，濃混合比區(qū)的特性以虛線表示，而理論的空氣燃料比下的特性以實線表示。于是，知道了能夠檢測各個范圍的檢測方法，但是，以一種方法在寬范圍內平滑地檢測空氣燃料比的方法還未提出過。
注意，由于圖12(B)中表明的感測器的原理不是基于擴散控制的速度，在圖(B)的感測器的保護膜4的氣體擴散阻擋速率小于圖(A)和(C)的感測器的速率。通常，在圖12(B)中的保護膜4的厚度小于其它情況下的厚度。
例如由日本專利公開No.62349/1980和No.154450/1980也知道，通過在電極之間加有一個確定的電流，從兩個電極之間的端電壓能夠得到空氣燃料比的模擬檢測，還知道，通過轉換兩個電極的極性能夠檢測濃混合比區(qū)和稀混合比區(qū)的空氣燃料比。然而，未表明什么時候和如何轉換極性。
由日本專利公開No.48749/1983也知道，通過通斷兩個電極和電路之間的連接以及改變感測器的測量方式能夠檢測理論的空氣燃料比和在稀混合比區(qū)中的空氣燃料比。然而，在此方法中，還未考慮對濃混合比區(qū)的檢測。
本發(fā)明的一個目的是提供一個汽車用的空氣燃料比感測器，用此感測器能夠檢測在濃混合比區(qū)、理論混合比的、及稀混合比區(qū)的空氣燃料比，其構成簡單而精確度高。
在本發(fā)明的一個空氣燃料感測器中，構成檢測部分的氧化鋯固體電解質在廢氣一邊所設置的一個電極的電位被預先決定為要高于驅動電路的電位，此驅動電路驅動檢測部分，而構成檢測部分的在空氣一邊的電極與在廢氣一邊的電極之間的激勵電壓受到驅動電路的反饋控制。按照此構成，在濃混合比區(qū)、在理論混合比的、在稀混合比區(qū)的空氣燃料比能夠用流過氧化鋯固體電解質的氧的數(shù)量連續(xù)地檢測。
圖1表明了本發(fā)明的一種感測器的基本構成;
圖2是描述本發(fā)明原理的電動勢特性圖;
圖3表明了描述本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的一個實施方案的電路圖;
圖4表明了本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的特性的一些例子;
圖5表明了Ⅴ-Ⅰ特性的一些例子;
圖6表明了本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的其它實施例;
圖7和圖8仍然表明本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的其它實施例;
圖9表明了本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的其它特性的例子;
圖10表明了描述本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的其它實施例的構成圖;
圖11表明了空氣燃料比與廢氣濃度之間的關系;
圖12描述了現(xiàn)有技術的一種空氣燃料比感測器的原理;
圖13描述了現(xiàn)有技術的一種空氣燃料比感測器的特性;而
圖14表明了本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的裝配狀態(tài)。
下面，將參考附圖來敘述本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的一些實施例。
圖14表明了本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的裝配狀態(tài)。在一個帶孔11的保護管12中放有一個管狀檢測部件10，它被固定于一個螺栓14上并且安裝在一個流著廢氣的廢氣管15中。參考數(shù)號16表示電極引線而參考數(shù)號17表示加熱器引線、通過這些引線把檢測部件10連接到一個電路中(未示出)。在構成管狀檢測部件的氧化鋯固體電解質10中安裝有一個棒狀加熱器(比如在一個氧化鋁棒中安裝有一個鎢加熱器)。
在敘述本發(fā)明的一些實施例之前，將參考圖1和圖2對本發(fā)明的基本原理敘述如下。
在空氣一邊的一個電極和在廢氣一邊的一個電極之間加有一個預先確定的電壓VE(例如0.45V)而與過量空氣系數(shù)λ無關，如圖2中激勵電壓特性(6)所示(與曲線(a)的特性對照，在理論的空氣燃料比(λ＝1)處曲線(a)的特性是遞增的變化)。在此施加的電壓下，曲線(a)的電動勢在濃混合比區(qū)(λ＜1)是減小的，而在稀混合比區(qū)(λ＞1)是增大的。電壓VE能夠以一個預定的斜率(如特性(c)所示)或遞增地(如特性(d)所示)來施加。
圖1表明了本發(fā)明的基本構成。圖1的感測器由一個氧組分檢測部件和一個驅動檢測部件的驅動電路組成。參考數(shù)號20表示一個管狀氧化鋯固體電解質而大氣通入電解質20。參考數(shù)號21表示一個棒狀加熱器，它把氧化鋯固體電解質20加熱到至少600℃以改善氧離子的傳導性能。在氧化鋯固體電解質20靠大氣一邊上構成一個第一電極22，而在氧化鋯固體電解質20靠廢氣一邊上構成一個第二電極23。這些電極是由厚度為幾十微米的鉑構成并且作成多孔的。在第二電極23的表面上形成一個擴散阻擋體24以抑制氣體，例如因擴散而自廢氣環(huán)境擴散到電極部件23的氧氣或一氧化碳。用等離子噴涂方式以噴頭或類似裝置構成擴散阻擋體24并作成多孔狀。為了使防擴散能力增強，擴散阻擋體24的厚度為幾百微米并且其厚度為理論的空氣燃料比感測器的薄膜厚度的幾倍。
空氣燃料比感測器的檢測部件的構成如上所述。
參考數(shù)號25表示一個差分放大器。第二電極23連接到浮動接地點27，此處電位比真實的接地點26的電位高出一個確定的電壓。第一電極22連接到放大器25的(-)邊輸入端。用于預先確定的激勵電壓VR的電壓源28接到放大器25的(+)邊輸入端和浮動接地27之間。電阻為R的一個固定電阻器29用來把流過氧化鋯固體電解質20的氧離子數(shù)量變?yōu)檩敵鲭妷篍O?？諝馊剂媳雀袦y器的驅動電路的構成如上所述。
下面將敘述本發(fā)明的空氣燃料比傳感器的工作。
因為在稀混合比區(qū)中第二電極23的電位比第一電極22的電位低VR;因激勵電壓VR的作用，氧分子在第二電極23處轉變?yōu)檠蹼x子(O--)。并且借助氧泵的工作而通過氧化鋯固體電解質20遷移到第一電極22。隨后氧離子在此電極處再一次被中和并釋放到大氣中。這時，電路中出現(xiàn)一個正向激勵電流Ip(與O--的流動方向相反)而輸出電壓E0改變。
在Ip＞0的情況下，因為激勵電流Ip相應于因擴散自廢氣環(huán)境通過擴散阻擋體24流到第二電極23的氧的數(shù)量，以下的方程是有效的
Ip＝K(λ-1)……(1)
式中，λ是過量空氣系數(shù)而K是比例常數(shù)。
因此，如果作為浮動地的電位為V0，則作為空氣燃料比感測器的輸出電壓E0是
E0＝VR+V0+IpR……(2)
由方程(1)和(2)，
E0＝VR+V0+K(λ-1)R……(3)
在理論的空氣燃料比(λ＝1)下，通過擴散阻擋體流到第二電極23的廢氣中的殘余氧氣和殘余未燃燒氣體例如一氧化碳的比率是化學等量的，并且兩者會因為第二電極的催化作用而完全燃燒。因為在第二電極23處消除了氧，即使在第一電極22和第二電極23之間加有電壓，也沒有氧離子通過氧化鋯固體電解質20遷移。因而，在電路中的激勵電流變?yōu)榱?Ip＝0)。
此時，由方程(3)，輸出電壓E0為
E0＝VR+V0……(4)
這是一個僅由電路常數(shù)決定的不變值。因為方程(4)與Ip無關，在λ＝1時的輸出電壓E0是一個十分可信的數(shù)值。
在濃混合比區(qū)中，由于兩個電極之間的電動勢減小到如圖2中所示的激勵電壓的電平，氧離子通過氧化鋯固體電解質20自第一電極22向第二電極23遷移，或者在稀混合比區(qū)情況下按照相反的方向遷移。氧離子流增大了在第二電極23處的氧的濃度。氧離子在第二電極23處被再一次中和而轉變?yōu)檠醴肿?，并且使未燃燒氣體例如一氧化碳燃燒，此一氧化碳是通過擴散阻擋體24自廢氣環(huán)境流到第二電極23。
因此，通過氧化鋯固體電解質20自第一電極22遷移到第二電極23的氧離子數(shù)量相應于借助擴散流到第二電極23的未燃燒氣體的數(shù)量。此時，電路中的激勵電流Ip＜0。
如圖11所示，由于在未燃燒氣體例如一氧化碳的濃度與過量空氣系數(shù)λ之間有一個確定的關系、方程(1)～(3)在濃混合比區(qū)也是有效的，不同的是，在稀混合比區(qū)因λ＞1而Ip＞0，而在濃混合比區(qū)，由于λ＜1而Ip＜0。
下面將參考圖3對本發(fā)明的一種空氣燃料比感測器的驅動電路的一個實施例作一敘述、與圖1中相同的部件用與圖1中相同的參考數(shù)號來表示。
第二電極23連接到浮動接地點27(點Y)并且被放大器30控制于固定電位V0。第一電極22的電位被放大器25控制于(V0+VR)。因此，在第一電極22和第二電極23之間的電位差，或者說激勵電壓VE是
VE＝(V0+VR)-V0＝VR……(5)
并且，被控制在與過量空氣系數(shù)λ無關的固定數(shù)值下。
在稀混合比區(qū)中，激勵電流Ip由點X流向真實接地點26，它通過電阻器29、氧化鋯固體電解質20、浮動接地點Y，隨后是放大器30。
在濃混合比區(qū)中，激勵電流Ip由浮動接地點Y流向真實接地點26，它通過氧化鋯固體電解質20、電阻29、點X、隨后是放大器25。
在理論的空氣燃料比(λ＝1)之下，根據(jù)基本原理，感測器中Ip＝0，輸出電壓E0變?yōu)槿绶匠?4)給出的(VR+V0)。
于是，用本發(fā)明的空氣燃料比感測器的實施例，在三個條件下，即在λ＜1、λ＝1和λ＝＞1時，能夠連續(xù)地檢測而不需要在兩個電極之間轉換極性，并且只需要一個單一的電源電路。
圖4表明了按圖3所表明的本發(fā)明實施例的結構而測得的結果的實例。圖4表明了當V0＝4.55V和VR＝0.45V時，測得的結果。如圖中實線所示，能夠在由濃混合比區(qū)到稀混合比區(qū)的寬范圍內連續(xù)地檢測空氣燃料比。根據(jù)基本原理，也可以證明，在理論的空氣燃料比(λ＝1)下，輸出電壓E0可預計為V0+VR＝5V。
以此實施例，能夠在整個范圍內線性地檢測空氣燃料比而且精確度高，根據(jù)發(fā)動機的條件易于做到平滑地反饋控制空氣燃料比，而與現(xiàn)有技術的系統(tǒng)相比，能夠依據(jù)廢氣的防護措施和燃料使用的經(jīng)濟性而提供一種遠為優(yōu)良的控制系統(tǒng)。特別地，通過在稀混合比區(qū)中方便地，控制發(fā)動機和在濃混合比區(qū)中方便地控制線性反饋，可以指望實現(xiàn)燃燒效率的重大改進。
圖5表明了感測器檢測部件的一些Ⅴ-Ⅰ特性。
如圖中表明的，在一定的激勵電壓下，激勵電流Ip表現(xiàn)出一定的飽和數(shù)值。通過測定飽和電流值能夠檢測過量空氣系數(shù)λ，如果激勵電壓VE再增大，激勵電流Ip含有一個比飽和值更高的數(shù)值。這種現(xiàn)象是因為氧化鋯固體電解質20中導電機理由離子傳導移向電子傳導而引起的。過量空氣系數(shù)越小，發(fā)生向電子傳導轉移的激勵電壓VE越低。
在λ＞1的范圍內，激勵電流Ip＞0并且相應于因擴散通過擴散阻擋體24而流到第二電極23的氧的數(shù)量。在λ＜1的范圍內，激勵電流Ip＜0并且相應于因擴散通過擴散阻擋體24而流到第二電極23的未燃燒氣體例如一氧化碳的數(shù)量。圖5表明了當氧化鋯固體電解質的溫度Tg為700℃時的一些Ⅴ-Ⅰ特性。
如果能夠檢測相應于每一個過量空氣系數(shù)的飽和電流Ip就能夠在自濃混合比區(qū)到稀混合比區(qū)的寬范圍內線性地檢測空氣燃料比。由圖5中表明的Ⅴ-Ⅰ特性知道，把特性(b)、(c)或(d)預先確定為對過量空氣系數(shù)的激勵電壓特性，就能測定這些飽和電流值。
如果激勵電壓特性是(b)，靠近λ＝0.5和λ＝1.5的飽和電流的測定是困難的。把激勵特性轉為(c)，最好是(d)可以解決這個問題。
由于當溫度降低時氧化鋯固體電解質的內部電阻增大，Ⅴ-Ⅰ特性的范圍α變窄。因而，在低溫下飽和電流的測量趨于困難。對于特性(b)，這個趨向是最可注意的。為了解決這個問題，必須用加熱器把氧化鋯固體電解質加熱到高溫。當激勵電壓特性是(b)、(c)和(d)時，建議用加熱器把氧化鋯固體電解質分別加熱到不低于大約750℃、700℃和670℃?？紤]功率消耗和加熱器的壽命，特性(c)好于特性(b)，而特性(d)好于特性(c)。
圖2表明了分別相應于特性(b)、(c)和(d)的激勵電壓特性(b)、(c)和(d)。
圖6表明了得到圖2中表明的激勵電壓特性(c)的本發(fā)明的一個實施例，其中，電阻器33和34接在電源28和按圖3接線的點X之間。結果，根據(jù)激勵電流Ip而改變的輸出電壓E0，在電阻器34上產生一個電位差rIp，而第一電極22和第二電極23之間的電位差，或者說兩個電極之間的激勵電壓隨此數(shù)值而改變。如果預先決定電阻器34的電阻值(r)近于氧化鋯固體電解質的內部電阻，空氣燃料比感測器的輸出電壓E0就較少受到廢氣的溫度的影響。由于電位差rIp不僅隨電阻(r)，也隨激勵電流Ip而改變，它會自動地隨過量空氣系數(shù)λ和兩個電極之間的電位差或者說圖2中的特性(c)所表明的激勵電壓VE而改變。按這種構成，改善了氧化鋯固體電解質中氧離子傳導速率的溫度依賴性。
圖7表明了一個與圖6所表明的不同的實施例。放大器280有著與圖3的電源28相同的功能。按照這個電路接法，即使氧化鋯固體電解質20的溫度Tg是650℃，輸出特性也是與圖4中的實線曲線一致。因而，這個接法作為克服溫度影響的措施也是有效的。
圖8表明了得到如圖2所示的激勵電壓特性(d)的本發(fā)明的一個實施例。其中，主要是在圖7中加入了用于加和減的放大器281、一個雙輸出比較器41和開關42和43。開關42和43受雙輸出比較器41的輸出信號V和V的驅動，此比較器在激勵電流Ip＝0時反轉，使得一個電壓(V)加到放大器281的(+)輸入端和(-)輸入端、以交替地實現(xiàn)加和減。令V＊作為放大器25的(+)輸入端Z的電位，而(i)作為電阻器33上的電流。

按照這種電路接法，能夠得到如圖2的特性(d)所給出的兩個電極之間的激勵電壓特性。因此，由圖5中表明的Ⅴ-Ⅰ特性很容易地懂得，這個激勵電壓特性(d)是適合于檢測相應于每一個過量空氣系數(shù)λ的飽和激勵電流Ip。
圖9表明了自圖8電路所得到的測量結果的一個例子。此圖表明了在V＝0.15V時的測量結果。在此情況下，如圖所示，輸出電壓E0自理論的空氣燃料比(λ＝1)處，按每一步改變2V而改變。
在此實施例中，2V的步進改變不是一個實質性問題，并且，如果在λ≤1的范圍中2V被加到圖2所示的特性中，激勵電壓E0的特性在整個范圍內會變成線性的。
按照此實施例，能夠得到這樣的效果，它限制了因電極的劣化(界面電阻增加)而引起的精確度的下降。
應當注意到，雖然在上面的描述中，空氣燃料比感測器檢測部分的氧化鋯固體電解質的形狀是管狀的，但這并不構成對本發(fā)明的范圍的限制。換句話說，任何結構，比如說在圖10中表明的平板型式(在此結構中，周圍大氣可被引入第一電極部件)都是可接受的。
圖10表明了一種檢測部件，其中，氧化鋯固體電解質是平板狀的，而擴散阻擋體是由例如是一個孔構成的。
在圖10中，與圖1有著相同數(shù)號的部件表示與圖1中的部件有著相同的功能。通過通道32，大氣壓狀態(tài)下的空氣引入到第一電極22。在廢氣中的殘余氧氣和未燃燒氣體通過一個管狀擴散阻擋體24(由于擴散)進入到擴散腔31中的第二電極23。氧化鋯固體電解質20被加熱和控制于高溫下(例如600℃)，在此溫度下，氧離子傳導率高。
按照本發(fā)明的空氣燃料比感測器能夠在三個條件下(濃混合比區(qū)、理論的空氣燃料比和稀混合比區(qū))的寬范圍內以一個簡單的構成和高的精確度檢測空氣燃料比。
權利要求
1、一種用于汽車的空氣燃料比感測器包括一個由氧化鋯固體電解質構成的檢測部件、在所說的固體電解質的大氣一邊上形成的一個第一電極、在所說的固體電解質的廢氣一邊上形成的一個第二電極、在所說的第二電極上形成的一個擴散阻擋體、以及驅動所說的檢測部件的驅動電路，其中，所說的第二電極的電位被預先確定要高于所說驅動電路的地電位，而激勵電壓受到所說的驅動電路的反饋控制。
2、一種如權利要求
1的用于汽車的空氣燃料比感測器，其中，控制所說的第一電極和所說的第二電極之間的激勵電壓為常數(shù)。
3、一種如權利要求
1的用于汽車的空氣燃料比感測器、其中，在所說的第一電極和所說的第二電極之間的激勵電壓的變化受到根據(jù)流過所說的固體電解質的氧離子的數(shù)量產生的反饋控制。
4、一種如權利要求
1的用于汽車的空氣燃料比感測器，其中，在所說的第一電極和所說的第二電極之間的激勵電壓以步進形式變化，此變化受到根據(jù)通過所說的固體電解質的氧離子流的方向而產生的反饋控制。
專利摘要
本發(fā)明的空氣燃料感測器中，構成檢測部分的氧化鋯固體電解質(20)在廢氣一邊的電極(23)的電位被預先決定為要高于驅動電路的電位(26)。此驅動電路驅動檢測部分，而構成檢測部分在空氣一邊的電極(22)與電極(23)之間的激勵電壓受到驅動電路的反饋控制，在電極(23)外形成擴散阻擋體(24)。按照此構成，在濃混合比區(qū)、理論混合比區(qū)、稀混合比區(qū)的空氣燃料比能用流過氧化鋯固體電解質(20)的氧的數(shù)量連續(xù)地檢測。
文檔編號G01N27/416GK86101269SQ86101269
公開日1986年11月12日 申請日期1986年2月5日
發(fā)明者鈴木清光, 笹山隆生, 三木政之 申請人:株式會社日立制作所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan