CN1005365B - 用于汽车的空气燃料比感测器 - Google Patents

Abstract

本发明的空气燃料感测器中，构成检测部分的氧化锆固体电解质（２０）在废气一边的电极（２３）的电位被预先决定为要高于驱动电路的电位（２６），此驱动电路驱动检测部分，而构成检测部分在空气一边的电极（２２）与电极（２３）之间的激励电压受到驱动电路的反馈控制，在电极（２３）外形成扩散阻档体（２４），按照此构成，在浓混合比区、理论混合比区、稀混合比区的空气燃料比能用流过氧化锆固体电解质（２０）的氧的数量连续地检测。

Description

用于汽车的空气燃料比感测器

本发明涉及到一种用于内燃机的空气燃料比控制装置的感测器，更具体地，本发明涉及到一种用于汽车的空气燃料比感测器，它用来在宽范围内、在下面三个条件下很容易地检测空气燃料比;浓混合比区;理论空气燃料比下和稀混合比区。

相应于发动机的工作条件，要求内燃机工作在浓混合比区即过量空气系数λ＜1，理论的空气燃料比即λ＝1，和在稀混合比即λ＞1的条件下，因此，需要用一个感测器在自浓混合比区到稀混合比区的宽范围内检测空气燃料比。

另一方面，图11表明了过量空气系数λ与废气中的残余氧气浓度和一氧化碳浓度之间的关系。在稀混合比区中氧气（O〈`;;2`〉）浓度与空气燃料比成近似线性地改变，而在浓混合比区中一氧化碳（CO）浓度与空气燃料比成近似线性地改变。

图12（A）～（C）表明了现有技术中利用残余氧气浓度和一氧化碳浓度来分别地检测每一个区内的空气燃料比的空气燃料比感测器的基本原理。此空气燃料比感测器由电极1、氧化锆固体电解质2、电极3、保护薄膜4和安培计5构成。

图12（A）中的感测器通过在电极1和电极3之间加有近似为0.5伏的激发电压E来完成对浓混合比区（λ＜1）的检测，由比如是日本专利公开No.66292/1978中可知，电极1和3分别作为阴极和阳极。保护膜4用作为气体扩散阻挡体。和通过保护膜4扩散到电极3的未燃烧气体一起，发生燃烧反应的氧气以氧离子的形式，由与空气接触的电极1通过氧化锆固体电解质2迁移到电极3。因而，由安培计5所测得的激励电流Ip表示由电极1迁移到电极3的氧离子的数量，并且相应于通过保护薄膜4扩散到电极3这部分的未燃烧气体的数量，这样，在浓混合比区内的空气燃料比的模拟检测可用Ip的测量来实现。

如图12（B）所示，当两个电极之间的电动势eλ的检测是以电极3（电极3是通过保护膜接触废气）电位作为参考，因为eλ的数值在理论的空气燃料比下按大约1伏渐增地改变，所以λ＝1的近似的数字检测是通过测量eλ来完成的。这个原理由例如是日本专利公开No.37599/1972知道的。

如图12（C）中所表明的，当大约为0.5伏的激励电压被加到以电极3作为阴极的两个电极之间时，氧离子自电极3到电极1，而激励电流Ip用安培计5测得。由于这个激励电流Ip相应于通过保护膜扩散到电极3这部分的氧的数量，稀混合比区（λ＞1）能够由Ip值来检测。这个原理由例如是日本专利公开No.69690/1977可知道。

在图12（A）～（C）中表明的现有技术感测器的特性的一些例子表明在图13中。稀混合比区的特性由点划线表明，浓混合比区的特性以虚线表示，而理论的空气燃料比下的特性以实线表示。于是，知道了能够检测各个范围的检测方法，但是，以一种方法在宽范围内平滑地检测空气燃料比的方法还未提出过。

注意，由于图12（B）中表明的感测器的原理不是基于扩散控制的速度，在图（B）的感测器的保护膜4的气体扩散阻挡速率小于图（A）和（C）的感测器的速率。通常，在图12（B）中的保护膜4的厚度小于其它情况下的厚度。

例如由日本专利公开No.62349/1980和No.154450/1980也知道，通过在电极之间加有一个确定的电流，从两个电极之间的端电压能够得到空气燃料比的模拟检测，还知道，通过转换两个电极的极性能够检测浓混合比区和稀混合比区的空气燃料比。然而，未表明什么时候和如何转换极性。

由日本专利公开No.48749/1983也知道，通过通断两个电极和电路之间的连接以及改变感测器的测量方式能够检测理论的空气燃料比和在稀混合比区中的空气燃料比。然而，在此方法中，还未考虑对浓混合比区的检测。

本发明的一个目的是提供一个汽车用的空气燃料比感测器，用此感测器能够检测在浓混合比区、理论混合比的、及稀混合比区的空气燃料比，其构成简单而精确度高。

本发明的一个空气燃料感测器包括：一个由氧化锆固体电解质构成的检测部件，在所说的固体电解质的大气一边上形成的一个第一电极在所说的固体电解质的废气一边上形成的一个第二电极、在所说的第二电极上形成的一个扩散阻挡体、以及驱动所说的检测部件的驱动电路，其特征在于所说第二电极的电位被预先确定为要比所说驱动电路的地位高出一个预先确定的电压，而所说的第一和第二电极间的激励电压受到所说驱动电路的反馈控制。按照此构成，在浓混合比区、在理论混合比的、在稀混合比区的空气燃料比能够用流过氧化锆固体电解质的氧的数量连续地检测。

图1表明了本发明的一种感测器的基本构成;

图2是描述本发明原理的电动势特性图;

图3表明了描述本发明的一种空气燃料比感测器的一个实施方案的电路图;

图4表明了本发明的一种空气燃料比感测器的特性的一些例子;

图5表明了Ⅴ-Ⅰ特性的一些例子;

图6表明了本发明的一种空气燃料比感测器的其它实施例;

图7和图8仍然表明本发明的一种空气燃料比感测器的其它实施例;

图9表明了本发明的一种空气燃料比感测器的其它特性的例子;

图10表明了描述本发明的一种空气燃料比感测器的其它实施例的构成图;

图11表明了空气燃料比与废气浓度之间的关系;

图12描述了现有技术的一种空气燃料比感测器的原理;

图13描述了现有技术的一种空气燃料比感测器的特性;而

图14表明了本发明的一种空气燃料比感测器的装配状态。

下面，将参考附图来叙述本发明的一种空气燃料比感测器的一些实施例。

图14表明了本发明的一种空气燃料比感测器的装配状态。在一个带孔11的保护管12中放有一个管状检测部件10，它被固定于一个螺栓14上并且安装在一个流着废气的废气管15中。参考数号16表示电极引线而参考数号17表示加热器引线、通过这些引线把检测部件10连接到一个电路中（未示出）。在构成管状检测部件的氧化锆固体电解质10中安装有一个棒状加热器（比如在一个氧化铝棒中安装有一个钨加热器）。

在叙述本发明的一些实施例之前，将参考图1和图2对本发明的基本原理叙述如下。

在空气一边的一个电极和在废气一边的一个电极之间加有一个预先确定的电压V〈`;;E`〉（例如0.45伏）而与过量空气系数λ无关，如图2中激励电压特性（6）所示（与曲线（a）的特性对照，在理论的空气燃料比（λ＝1）处曲线（a）的特性是递增的变化）。在此施加的电压下，曲线（a）的电动势在浓混合比区（λ＜1）是减小的，而在稀混合比区（λ＞1）是增大的。电压V〈`;;E`〉能够以一个预定的斜率（如特性（c）所示）或递增地（如特性（d）所示）来施加。

图1表明了本发明的基本构成。图1的感测器由一个氧组分检测部件和一个驱动检测部件的驱动电路组成。参考数号20表示一个管状氧化锆固体电解质而大气通入电解质20。参考数号21表示一个棒状加热器，它把氧化锆固体电解质20加热到至少600℃以改善氧离子的传导性能。在氧化锆固体电解质20靠大气一边上构成一个第一电极22，而在氧化锆固体电解质20靠废气一边上构成一个第二电极23。这些电极是由厚度为几十微米的铂构成并且作成多孔的。在第二电极23的表面上形成一个扩散阻挡体24以抑制气体，例如因扩散而自废气环境扩散到电极部件23的氧气或一氧化碳。用等离子喷涂方式以喷头或类似装置构成扩散阻挡体24并作成多孔状。为了使防扩散能力增强，扩散阻挡体24的厚度为几百微米并且其厚度为理论的空气燃料比感测器的薄膜厚度的几倍。

空气燃料比感测器的检测部件的构成如上所述。

参考数号25表示一个差分放大器。第二电极23连接到浮动接地点27，此处电位比真实的接地点26的电位高出一个确定的电压。第一电极22连接到放大器25的（-）边输入端。用于预先确定的激励电压V〈`;;R`〉的电压源28接到放大器25的（+）边输入端和浮动接地27之间。电阻为R的一个固定电阻器29用来把流过氧化锆固体电解质20的氧离子数量变为输出电压E〈`;;0`〉。空气燃料比感测器的驱动电路的构成如上所述。

下面将叙述本发明的空气燃料比传感器的工作。

因为在稀混合比区中第二电极23的电位比第一电极22的电位低V〈`;;R`〉;因激励电压V〈`;;R`〉的作用，氧分子在第二电极23处转变为氧离子（O〈`;--;`〉）。并且借助氧泵的工作而通过氧化锆固体电解质20迁移到第一电极22。随后氧离子在此电极处再一次被中和并释放到大气中。这时，电路中出现一个正向激励电流Ip（与O〈`;--;`〉的流动方向相反）而输出电压E〈`;;0`〉改变。

在Ip＞O的情况下，因为激励电流Ip相应于因扩散自废气环境通过扩散阻挡体24流到第二电极23的氧的数量，以下的方程是有效的：

Ip＝K（λ-1）……（1）

式中，λ是过量空气系数而K是比例常数。

因此，如果作为浮动地的电位为V〈`;;0`〉，则作为空气燃料比感测器的输出电压E〈`;;0`〉是：

E〈`;;0`〉＝V〈`;;R`〉+V〈`;;0`〉+IpR……（2）

由方程（1）和（2），

E〈`;;0`〉＝V〈`;;R`〉+V〈`;;0`〉+K（λ-1）R……（3）

在理论的空气燃料比（λ＝1）下，通过扩散阻挡体流到第二电极23的废气中的残余氧气和残余未燃烧气体例如一氧化碳的比率是化学等量的，并且两者会因为第二电极的催化作用而完全燃烧。因为在第二电极23处消除了氧，即使在第一电极22和第二电极23之间加有电压，也没有氧离子通过氧化锆固体电解质20迁移。因而，在电路中的激励电流变为零（Ip＝O）。

此时，由方程（3），输出电压E〈`;;0`〉为：

E〈`;;0`〉＝V〈`;;R`〉+V〈`;;0`〉……（4）

这是一个仅由电路常数决定的不变值。因为方程（4）与Ip无关，在λ＝1时的输出电压E〈`;;0`〉是一个十分可信的数值。

在浓混合比区中，由于两个电极之间的电动势减小到如图2中所示的激励电压的电平，氧离子通过氧化锆固体电解质20自第一电极22向第二电极23迁移，或者在稀混合比区情况下按照相反的方向迁移。氧离子流增大了在第二电极23处的氧的浓度。氧离子在第二电极23处被再一次中和而转变为氧分子，并且使未燃烧气体例如一氧化碳燃烧，此一氧化碳是通过扩散阻挡体24自废气环境流到第二电极23。

因此，通过氧化锆固体电解质20自第一电极22迁移到第二电极23的氧离子数量相应于借助扩散流到第二电极23的未燃烧气体的数量。此时，电路中的激励电流Ip＜O。

如图11所示，由于在未燃烧气体例如一氧化碳的浓度与过量空气系数λ之间有一个确定的关系、方程（1）～（3）在浓混合比区也是有效的，不同的是，在稀混合比区因λ＞1而Ip＞0，而在浓混合比区，由于λ＜1而Ip＜0。

下面将参考图3对本发明的一种空气燃料比感测器的驱动电路的一个实施例作一叙述、与图1中相同的部件用与图1中相同的参考数号来表示。

第二电极23连接到浮动接地点27（点Y）并且被放大器30控制于固定电位V〈`;;0`〉。第一电极22的电位被放大器25控制于（V〈`;;0`〉+V〈`;;R`〉）。因此，在第一电极22和第二电极23之间的电位差，或者说激励电压V〈`;;E`〉是：

V〈`;;E`〉＝（V〈`;;0`〉+V〈`;;R`〉）-V〈`;;0`〉＝V〈`;;R`〉……（5）

并且，被控制在与过量空气系数λ无关的固定数值下。

在稀混合比区中，激励电流Ip由点X流向真实接地点26，它通过电阻器29、氧化锆固体电解质20、浮动接地点Y，随后是放大器30。

在浓混合比区中，激励电流Ip由浮动接地点Y流向真实接地点26，它通过氧化锆固体电解质20、电阻29、点X、随后是放大器25。

在理论的空气燃料比（λ＝1）之下，根据基本原理，感测器中Ip＝0，输出电压E〈`;;0`〉变为如方程（4）给出的（V〈`;;R`〉+V〈`;;0`〉）。

于是，用本发明的空气燃料比感测器的实施例，在三个条件下，即在λ＜1、λ＝1和λ＝＞1时，能够连续地检测而不需要在两个电极之间转换极性，并且只需要一个单一的电源电路。

图4表明了按图3所表明的本发明实施例的结构而测得的结果的实例。图4表明了当V〈`;;0`〉＝4.55伏和V〈`;;R`〉＝0.45伏时，测得的结果。如图中实线所示，能够在由浓混合比区到稀混合比区的宽范围内连续地检测空气燃料比。根据基本原理，也可以证明，在理论的空气燃料比（λ＝1）下，输出电压E〈`;;0`〉可预计为V〈`;;0`〉+V〈`;;R`〉＝5伏。

以此实施例，能够在整个范围内线性地检测空气燃料比而且精确度高，根据发动机的条件易于做到平滑地反馈控制空气燃料比，而与现有技术的系统相比，能够依据废气的防护措施和燃料使用的经济性而提供一种远为优良的控制系统。特别地，通过在稀混合比区中方便地，控制发动机和在浓混合比区中方便地控制线性反馈，可以指望实现燃烧效率的重大改进。

图5表明了感测器检测部件的一些V-I特性。

如图中表明的，在一定的激励电压下，激励电流Ip表现出一定的饱和数值。通过测定饱和电流值能够检测过量空气系数λ，如果激励电压VE再增大，激励电流Ip含有一个比饱和值更高的数值。这种现象是因为氧化锆固体电解质20中导电机理由离子传导移向电子传导而引起的。过量空气系数越小，发生向电子传导转移的激励电压VE越低。

在λ＞1的范围内，激励电流Ip＞0并且相应于因扩散通过扩散阻挡体24而流到第二电极23的氧的数量。在λ＜1的范围内，激励电流Ip＜0并且相应于因扩散通过扩散阻挡体24而流到第二电极23的未燃烧气体例如一氧化碳的数量。图5表明了当氧化锆固体电解质的温度Tg为700℃时的一些V-I特性。

如果能够检测相应于每一个过量空气系数的饱和电流Ip就能够在自浓混合比区到稀混合比区的宽范围内线性地检测空气燃料比。由图5中表明的V-I特性知道，把特性（b）、（c）或（d）预先确定为对过量空气系数的激励电压特性，就能测定这些饱和电流值。

如果激励电压特性是（b），靠近λ＝0.5和λ＝1.5的饱和电流的测定是困难的。把激励特性转为（c），最好是（d）可以解决这个问题。

由于当温度降低时氧化锆固体电解质的内部电阻增大，V-I特性的范围α变窄。因而，在低温下饱和电流的测量趋于困难。对于特性（b），这个趋向是最可注意的。为了解决这个问题，必须用加热器把氧化锆固体电解质加热到高温。当激励电压特性是（b）、（c）和（d）时，建议用加热器把氧化锆固体电解质分别加热到不低于大约750℃、700℃和670℃。考虑功率消耗和加热器的寿命，特性（c）好于特性（b），而特性（d）好于特性（c）。

图2表明了分别相应于特性（b）、（c）和（d）的激励电压特性（b）、（c）和（d）。

图6表明了得到图2中表明的激励电压特性（c）的本发明的一个实施例，其中，电阻器33和34接在电源28和按图3接线的点X之间。结果，根据激励电流Ip而改变的输出电压E〈`;;0`〉，在电阻器34上产生一个电位差rIp，而第一电极22和第二电极23之间的电位差，或者说两个电极之间的激励电压随此数值而改变。如果预先决定电阻器34的电阻值（r）近于氧化锆固体电解质的内部电阻，空气燃料比感测器的输出电压E〈`;;0`〉就较少受到废气的温度的影响。由于电位差rIp不仅随电阻（r），也随激励电流Ip而改变，它会自动地随过量空气系数λ和两个电极之间的电位差或者说图2中的特性（c）所表明的激励电压V〈`;;E`〉而改变。按这种构成，改善了氧化锆固体电解质中氧离子传导速率的温度依赖性。

图7表明了一个与图6所表明的不同的实施例。放大器280有着与图3的电源28相同的功能。按照这个电路接法，即使氧化锆固体电解质20的温度Tg是650℃，输出特性也是与图4中的实线曲线一致。因而，这个接法作为克服温度影响的措施也是有效的。

图8表明了得到如图2所示的激励电压特性（d）的本发明的一个实施例。其中，主要是在图7中加入了用于加和减的放大器281、一个双输出比较器41和开关42和43。开关42和43受双输出比较器41的输出信号V和V的驱动，此比较器在激励电流Ip＝0时反转，使得一个电压（V）加到放大器281的（+）输入端和（-）输入端、以交替地实现加和减。令V＊作为放大器25的（+）输入端Z的电位，而（i）作为电阻器33上的电流。

……（6）

按照这种电路接法，能够得到如图2的特性（d）所给出的两个电极之间的激励电压特性。因此，由图5中表明的V-I特性很容易地懂得，这个激励电压特性（d）是适合于检测相应于每一个过量空气系数λ的饱和激励电流Ip。

图9表明了自图8电路所得到的测量结果的一个例子。此图表明了在V＝0.15伏时的测量结果。在此情况下，如图所示，输出电压E〈`;;0`〉在理论的空气燃料比（λ＝1）处有2伏的阶跃改变。

在此实施例中，2V的阶跃改变不是一个实质性问题，并且，如果在λ≤1的范围中2V被加到图2所示的特性中，激励电压E〈`;;0`〉的特性在整个范围内会变成线性的。

按照此实施例，能够得到这样的效果，它限制了因电极的劣化（界面电阻增加）而引起的精确度的下降。

应当注意到，虽然在上面的描述中，空气燃料比感测器检测部分的氧化锆固体电解质的形状是管状的，但这并不构成对本发明的范围的限制。换句话说，任何结构，比如说在图10中表明的平板型式（在此结构中，周围大气可被引入第一电极部件）都是可接受的。

图10表明了一种检测部件，其中，氧化锆固体电解质是平板状的，而扩散阻挡体是由例如是一个孔构成的。

在图10中，与图1有着相同数号的部件表示与图1中的部件有着相同的功能。通过通道32，大气压状态下的空气引入到第一电极22。在废气中的残余氧气和未燃烧气体通过一个管状扩散阻挡体24（由于扩散）进入到扩散腔31中的第二电极23。氧化锆固体电解质20被加热和控制于高温下（例如600℃），在此温度下，氧离子传导率高。

按照本发明的空气燃料比感测器能够在三个条件下（浓混合比区、理论的空气燃料比和稀混合比区）的宽范围内以一个简单的构成和高的精确度检测空气燃料比。

Claims (4)

1、一种用于汽车的空气燃料比感测器包括：一个由氧化锆固体电解质构成的检测部件、在所说的固体电解质的大气一边上形成的一个第一电极、在所说的固体电解质的废气一边上形成的一个第二电极、在所说的第二电极上形成的一个扩散阻挡体、以及驱动所说的检测部件的驱动电路，其特征在于所说第二电极的电位被预先确定为要比所说驱动电路的地电位高出一个预先确定的电压，而所说的第一和第二电极间的激励电压受到所说驱动电路的反馈控制。

2、一种如权利要求1的用于汽车的空气燃料比感测器，其中，控制所说的第一电极和所说的第二电极之间的激励电压为常数。

3、一种如权利要求1的用于汽车的空气燃料比感测器，其中，在所说的第一电极和所说的第二电极之间的激励电压的变化受到根据流过所说的固体电解质的氧离子的数量产生的反馈控制。

4、一种如权利要求1的用于汽车的空气燃料比感测器，其中，在所说的第一电极和所说的第二电极之间的激励电压以阶＊形式变化，此变化受到根据通过所说的固体电解质的氧离子流的方向而产生的反馈控制。

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