空燃比傳感器及內燃機的控制裝置的製作方法
2023-08-06 06:36:31 2
專利名稱：空燃比傳感器及內燃機的控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及空燃比傳感器及內燃機的控制裝置。
背景技術：
為了控制內燃機的空燃比，已知在內燃機的排氣系統中配備檢測排氣空燃比的空 燃比傳感器。作為空燃比傳感器的一個例子，如專利文獻1所記載的那樣，開發出了極限電 流式的空燃比傳感器。這種極限電流式空燃比傳感器配備有由氧化鋯等氧離子導電性固 體電解質構成的傳感器元件、設置於傳感器元件的兩面的一對白金制的電極、以覆蓋一個 電極的方式設置在元件上的多孔質狀的受控擴散層(有時也稱之為「擴散阻力層」)。這種 受控擴散層控制排氣向傳感器元件的擴散。在這種極限電流式空燃比傳感器中，在對電極之間施加規定的電壓的狀態下，當 通過受控擴散層的排氣與一個電極接觸時，通過經由傳感器元件將氧離子抽吸到電極之 間，電極之間流過電流。這裡，由於排氣向一個電極的擴散被受控擴散層控制，所以，會產生 即使增大施加電壓電流也會恆定地飽和的區域。該電流值(極限電流值)具有和排氣的氧 濃度、空燃比成比例的特性，通過檢測出極限電流值的大小，可以得知空燃比。這裡，在對電極間施加規定的電壓的情況下，對應於排氣空燃比的恆定的極限電 流值在電極間流過的原因在於，在排氣通過受控擴散層時擴散受到控制。但是，包含在排氣 中的氫(H2)成分與其它成分、例如氧(O2)成分等相比分子量小，所以，具有通過受控擴散層 時的擴散速度快的特性。從而，如果作為還原劑的H2比作為氧化劑的O2更多量地到達一個 電極的話，則存在還原劑在該電極附近變得過多，空燃比的檢測結果被誤檢測為比實際情 況更偏向濃混合比側的情況。與此相對，在專利文獻1揭示的技術中，通過利用具有氧化作用的催化劑層覆蓋 受控擴散層的表面，在排氣通過受控擴散層之前，通過使包含在排氣中的H2氧化，提高空燃 比的檢測精度。另外，在專利文獻2中揭示了一種技術，在該技術中，以至少覆蓋暴露於排氣中的 一個電極的方式形成催化劑層，同時，在未形成該催化劑層的部位形成排氣不能通過的屏蔽層。專利文獻1 特開平11-237361號公報專利文獻2 特開2003-202316號公報專利文獻3 特開2004-316498號公報專利文獻4 特開2006-337205號公報
發明內容
但是，在如上面的現有技術那樣具有催化劑層的空燃比傳感器中，若使作為檢測 空燃比的對象的全部排氣通過催化劑層，則存在著催化劑層中的反應時間變長，檢測空燃 比時的響應性變差的危險。
本發明是鑑於上述現有技術做出的，其目的是提供一種空燃比傳感器，所述空燃 比傳感器能夠兼顧在檢測被檢測氣體的空燃比時的檢測精度的提高和響應性的提高。為了達到上述目的，根據本發明的空燃比傳感器採用以下手段。即，所述空燃比傳 感器的特徵在於，包括傳感器元件，所述傳感器元件輸出與被檢測氣體的空燃比相對應的 輸出信號；一對電極，所述一對電極以夾著前述傳感器元件的方式配置，由導入前述被檢測 氣體的被檢測氣體側電極和暴露於大氣中的大氣側電極構成；受控擴散層，所述受控擴散 層從前述被檢測氣體流入的流入部使該被檢測氣體向前述被檢測氣體側電極導入，同時， 以覆蓋前述被檢測氣體側電極的方式設置於前述傳感器元件上；催化劑層，前述催化劑層 形成於前述流入部的一部分上。在本發明中的受控擴散層中，具有被檢測氣體(例如，排氣)流入的流入部，被檢 測氣體從該流入部流入到受控擴散層內。即，流入部形成在受控擴散層的表面的至少一部 分中，暴露於被檢測氣體中。流入受控擴散層的被檢測氣體在受控擴散層內擴散，並被引導 向被檢測氣體側電極。本發明中的受控擴散層具有控制被檢測氣體的擴散的功能。例如， 受控擴散層可以利用多孔質物質構成，所述多孔質物質被細孔化、緻密化到被檢測氣體中 的各種成分能夠以適當的擴散速度擴散的程度。另外，在擴散於受控擴散層內的被檢測氣體中，含有CO、H2、HC等還原劑和02、N0X 等氧化劑。所述各成分在到達被檢測氣體側電極的表面的過程中，或者在到達被檢測氣體 側電極之後，一直反應到達到平衡狀態為止。並且，在被檢測氣體的空燃比中，在實現理論 空燃比(理論配比)的情況下，氧化劑和還原劑一起消除。與此相對，在空燃比是濃混合比 的情況下，殘存有還原劑，在空燃比是稀混合比的情況下，殘存有氧化劑。這裡，傳感器元件輸出與被檢測氣體的空燃比相對應的輸出信號。例如，傳感器元 件可以由氧離子導電性固體電解質構成。在這種情況下，由於與夾著傳感器元件配置的一 對電極、即被檢測氣體側電極及大氣側電極中的氧濃度差相對應地產生氧離子的移動，所 以，通過輸出由這種氧離子的移動引起的傳感器電流，可以輸出與被檢測氣體的空燃比相 對應的輸出信號。下面，更詳細地對上述傳感器電流進行說明，在到達被檢測氣體側電極的表面的 被檢測氣體中殘存有氧化劑的情況下，通過02被從被檢測氣體側電極向大氣側電極抽吸， 傳感器電流在電極間流動。另一方面，在到達被檢測氣體側電極的被檢測氣體中殘存有還 原劑的情況下，為了使該還原劑氧化，從大氣側電極向被檢測氣體側電極的方向抽吸必要 的02，傳感器電流在電極間流過。並且，由於這時的傳感器電流值具有與被檢測氣體的空燃 比成比例的特性，所以，通過檢測該傳感器電流值，可以檢測出被檢測氣體的空燃比。這裡，被檢測氣體中的H2與其它成分、特別是02相比具有擴散速度快的特性。從 而，在擴散於受控擴散層內的期間，包含在被檢測氣體內的h2和02的比例有時會發生變化。 即，與02相比，擴散速度快的h2會更多地到達被檢測氣體側電極。由於H2是還原劑，所以， 上述傳感器電流值會作為比真正的值向濃混合比側偏移的值被檢測出來。在本發明中，在受控擴散層中的流入部的一部分中形成催化劑層。本發明中的催 化劑層具有促進壓成分的氧化反應的功能。例如，可以在由作為催化劑載體的氧化鋁等構 成的多孔質層中載置有白金、銠等催化劑成分。另外，催化劑層也可以使除h2以外的成分 氧化。
在受控擴散層的流入部之中，將形成催化劑層的部分稱為催化劑層形成流入部， 將不形成催化劑層的部分稱為催化劑層非形成流入部。從催化劑層形成流入部流入受控擴 散層的被檢測氣體，由於在通過催化劑層的過程中，大部分的H2被氧化，所以，可以將平衡 狀態的被檢測氣體導入被檢測氣體側電極。結果，可以使與從催化劑層形成流入部流入受 控擴散層之前大致相等的空燃比的被檢測氣體到達被檢測氣體側電極的表面。藉此，可以 確保空燃比傳感器中的空燃比的檢測精度。並且，作為空燃比傳感器所要求的性能，可以列舉出在提高空燃比的檢測精度的 同時提高響應性。即，為了實時地檢測被檢測氣體的空燃比，要求儘可能地縮短檢測空燃比 所要求的時間。這裡，如上所述，存在這樣的情況對於從催化劑層形成流入部通過催化劑 層流入受控擴散層的被檢測氣體，空燃比的檢測時刻以相當於催化劑層中的反應時間的程
度滯後。與此相對，在本發明中，從不形成催化劑層的催化劑層非形成流入部也使被檢測 氣體流入受控擴散層，可以使被檢測氣體快速地到達被檢測氣體側電極。從而，可以縮短被 檢測氣體的空燃比檢測所花費的時間。即，在本發明中，通過使被檢測氣體從催化劑層形 成流入部和催化劑層非形成流入部流入受控擴散部內，使兩者在被檢測氣體側電極附近合 流，可以兼顧檢測空燃比時的檢測精度的提高和響應性的提高。另外，在本發明中，催化劑層形成流入部和催化劑層非形成流入部的面積可以相 等，也可以不相等。即，這意味著，催化劑層形成流入部和催化劑層非形成流入部的比例可 以適當地改變。優選地，根據本發明的空燃比傳感器所要求的空燃比的檢測精度和響應性 的平衡，適當地改變催化劑層形成流入部及催化劑層非形成流入部的比例。即，在希望空燃 比的檢測精度更高的情況下，可以使催化劑層形成流入部所佔的比例更大，在希望響應性 更高的情況下，可以使催化劑層非形成流入部所佔的比例更大。在本發明中，所謂「空燃比傳感器，，是包括為了檢測內燃機中的空燃比、而能夠輸 出對應於被檢測氣體中的氧濃度的物理量的機構的概念，例如，可以是線性空燃比傳感器 或02傳感器等。另外，所謂對應於氧濃度的物理量，例如，可以是電流值或電壓值。這裡，對於在檢測從具有多個氣缸的多氣缸內燃機排出的排氣的空燃比時、應用 上述空燃比傳感器的情況進行說明。這裡，由於向各個氣缸中供應燃料的燃料噴射閥的特 性也存在個體差異，所以，存在難以使燃料噴射量也在氣缸之間完全一致的情況。另外，由 於進氣歧管的長度或形狀在各個氣缸之間不完全相同，所以，存在吸入空氣量對於每個氣 缸會不相同的情況。結果，產生氣缸間的空燃比的偏差，會因此造成每個氣缸中的排氣的H2 的濃度不同。這裡，將氣缸間的空燃比之差的大小稱為氣缸間的空燃比偏差程度。當氣缸間的 空燃比偏差程度過大時，尾氣排放會惡化，由於在氣缸間產生的轉矩不同，成為轉矩變動的 原因。因此，在本發明中的內燃機的控制裝置，其特徵在於，包括設置在多氣缸內燃機 的排氣通路中的上述空燃比傳感器；排氣空燃比檢測機構，所述排氣空燃比檢測機構基於 前述傳感器元件輸出的輸出信號檢測從前述多氣缸內燃機排出的排氣的空燃比；推定機 構，所述推定機構獲取在規定的取樣時間中的前述空燃比的偏差幅度、根據該偏差幅度的 大小推定氣缸間的空燃比偏差程度。
根據上述結構，基於傳感器元件輸出的輸出信號，檢測從多氣缸內燃機排出的排 氣的空燃比。這裡，由於當氣缸間的空燃比偏差程度變高時，從各個氣缸排出的排氣中的H2 濃度的偏差變大，所以，空燃比的檢測值上下變動。在本發明中，取得在規定的取樣時間中 的空燃比的偏差幅度。該偏差幅度也可以由在規定的取樣時間中檢測出來的空燃比中的最 大值和最小值之差的絕對值來定義。或者，也可以是在規定的取樣時間中的空燃比的檢測 值與目標空燃比之差的絕對值的最大值。另外，所謂規定的取樣時間，意味著在取得上述偏差幅度時監控空燃比的檢測值 的期間，可以預先用實驗求出。並且，根據所取得的空燃比的偏差幅度，推定氣缸間的空燃 比偏差程度。在本發明中，推定為上述偏差幅度越大，則空燃比偏差程度為越高的值。從而， 能夠適當地推定氣缸間的空燃比偏差程度。另外，在本發明中，在推定的氣缸間的空燃比偏差程度超過規定值的情況下，可以 判斷為該空燃比偏差程度屬於規定的偏差過大區域。所謂規定的偏差過大區域，是被判斷 為存在由氣缸間的空燃比偏差程度高引起的尾氣排放變差、或者產生內燃機的轉矩變動的 危險的區域。這裡，若將氣缸間的空燃比偏差程度正好成為上述規定值時的對應的偏差幅度稱 為規定的偏差幅度，則在偏差幅度超過規定的偏差幅度的情況下，判斷為氣缸間的空燃比 偏差程度屬於規定的偏差過大區域。在這種情況下，優選地，利用點亮警告燈等通知機構， 通知駕駛員氣缸間的空燃比偏差程度變高。根據本發明，可以提供能夠兼顧檢測被檢測氣體的空燃比時的檢測精度的提高和 響應性的提高的空燃比傳感器。
圖1是表示應用根據實施例1的空燃比傳感器的內燃機及其進氣、排氣系統的簡 略結構的圖示。圖2是圖1中的空燃比傳感器附近的示意的放大剖視圖。圖3是圖2的A-A，線剖視圖。圖4是空燃比傳感器的受控擴散層及排氣側電極周邊的示意圖。圖5是表示受控擴散層中的催化劑層的形成圖案的變形例的圖示。圖6是存儲了空燃比的偏差幅度AAF與氣缸間的空燃比偏差程度的關係的映象。圖7是表示實施例2中的控制程序的流程圖。符號說明1內燃機2 氣缸3排氣管4三元催化劑5空燃比傳感器6ECU8保護罩9通氣孔
10傳感器本體11傳感器元件12排氣側電極13大氣側電極15加熱器層16大氣室18受控擴散層19屏蔽層20催化劑層
具體實施例方式下面，參照附圖詳細地舉例說明用於實施本發明的最佳形式。另外，本實施方式中 記載的結構部件的尺寸、材質、形狀、其相對配置等，並不特別局限於特定的記載，本發明的 技術範圍並不局限於此。實施例1圖1是表示應用根據本實施例的空燃比傳感器的內燃機及其進氣、排氣系統的簡 略結構的圖示。圖1所示的內燃機1是具有四個氣缸2的汽油發動機。內燃機1連接於進氣管22及排氣管3。在進氣管22的途中，設置輸出對應於在該 進氣管22內流通的進氣量的電信號的氣流計23。氣流計23與後面描述的ECU6電連接，通 過將氣流計23的輸出信號輸入到E⑶6中，檢測吸入空氣量。另外，在排氣管3的途中設置有淨化來自於內燃機1的排氣的三元催化劑4。三元 催化劑4能夠通過氧化從內燃機1排出的一氧化碳(CO)及碳化氫(HC)並還原氮的氧化物 (NOx)來淨化排氣。另外，在比三元催化劑4更靠上遊的排氣管3中，設置有檢測流入三元 催化劑4的排氣的空燃比的空燃比傳感器5。對於空燃比傳感器5的詳細情況，將在後面描 述。並且，排氣管3在三元催化劑4的下遊與圖中未示出的消聲器連接。在內燃機中，附設用於控制內燃機及其排氣系統的電子控制單元(ECU: Electronic Control Unit)6。該ECU6根據內燃機1的運轉條件、駕駛員的要求，控制內燃 機1的運轉狀態等。例如，從空燃比傳感器5的輸出信號檢測排氣的空燃比，以與目標空燃 比(例如，理論空燃比)相一致的方式，對來自於燃料噴射閥(圖中省略)的燃料噴射量進 行反饋控制。在本實施例中，排氣相當於被檢測氣體。其次，參照圖2及圖3說明空燃比傳感器5的詳細結構。圖2是圖1中的空燃比 傳感器5附近的示意的放大剖視圖。另外，圖3是圖2中的A-A』線剖視圖。在圖2中，對 於與圖1重複的部位，賦予相同的標號並省略其說明。在圖2中，空燃比傳感器5包括後面描述的傳感器本體10、和作為覆蓋該傳感器 本體10的耐熱性的外殼構件且其一部分在排氣管3的內部露出的保護罩8。傳感器本體 10通過被保護罩8覆蓋來保證其機械強度。如圖3所示，在保護罩8的表面形成有多個通氣孔9，使保護罩8內外相互連通。 即，空燃比傳感器5以在排氣管3內流通的排氣通過保護罩8的通氣孔9到達傳感器本體 10的方式構成。
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其次，對於傳感器本體10的概略結構進行說明。傳感器本體10是將後面描述的 結構部件疊層而成的疊層型的傳感器。傳感器本體10包括由氧離子導電性固體電解質構 成的傳感器元件11。傳感器元件11例如由氧化鋯構成，具有圖中所示那樣的板狀形狀。在 傳感器元件11的兩面的一部分上形成由白金等催化劑活性高的金屬材料構成的排氣側電 極12及大氣側電極13。通過在傳感器元件11的一個面上形成排氣側電極12，在傳感器元 件11的另一個面上形成大氣側電極13，傳感器元件11被一對電極夾著。在本實施例中，排 氣側電極12及大氣側電極13相當於本發明中的被檢測氣體側電極及大氣側電極。在傳感器元件11的另一個面側，形成有被間隔構件14和加熱器層15包圍的大氣 室16。大氣室16經由圖中未示出的大氣孔與大氣連通，即使在空燃比傳感器5配置在排氣 管3內的狀態下，大氣側電極13保持暴露在大氣中的狀態。另外，在加熱器層15中埋設有加熱器17。空燃比傳感器5通過達到規定的活性溫 度，實現檢測排氣的空燃比的傳感器功能。加熱器17通過從外部的電路(圖中省略)接受 電力供應，可以將傳感器本體10加熱到所希望的活性溫度(例如700°C)。另外，該電路與 E⑶6電連接，供應給加熱器17的電力由E⑶6控制。在傳感器元件11的一個面上，以包含排氣側電極12並且覆蓋傳感器元件11的一 個面的整個範圍的方式，疊層有受控擴散層18。受控擴散層18是用陶瓷等多孔質物質構成 的構件，具有控制排氣的擴散的功能。即，受控擴散層18被細孔化、緻密化到排氣中的各種 成分能夠以適當的擴散速度擴散的程度。另外，受控擴散層18以孔徑、密度等特性大致均 勻的方式形成，其外形除厚度方向之外，與傳感器元件11大致一樣。這裡，在形成受控擴散層18的面中，將覆蓋傳感器元件11的一個面的面稱為被覆 面18a，將與該被覆面18a對向的面稱為被覆對向面18b。受控擴散層18的被覆對向面18b 被屏蔽層19覆蓋。該屏蔽層19是由緻密的氧化鋁等構成的構件，排氣不能透過屏蔽層19。 即，限制排氣從形成有屏蔽層19的部分向受控擴散層18內侵入。在形成受控擴散層18的六個面當中的除去被覆面18a及被覆對向面18b後的剩 下的四個面中，在對向的一對側面(在圖中用18c、18d表示)的一個面(18c)上形成催化 劑層20，另一個面(18d)露出(即，在18d上不形成催化劑層20)。催化劑層20，在由作為 催化劑載體的氧化鋁等構成的多孔質層上，載置有白金、銠等催化劑成分，具有促進氫(H2) 成分的氧化反應的功能。這裡，將形成了催化劑層20的面18c稱為催化劑層形成面，將不形成催化劑層20 的18d稱為催化劑層非形成面。進而，在受控擴散層18的側面當中與催化劑層形成面18c 及催化劑層非形成面18d正交的一對對向側面上，形成有已經描述過的屏蔽層19。根據上 述結構的傳感器本體10，排氣從形成屏蔽層19的面向受控擴散層18內的流入及擴散受到 限制。因此，排氣從催化劑層形成面18c及催化劑層非形成面18d向受控擴散層18流入， 在該受控擴散層18內擴散。在本實施例中，催化劑層形成面18c及催化劑層非形成面18d 相當於本發明中的流入部。這裡，對利用空燃比傳感器5檢測排氣的空燃比的原理進行說明。從通氣孔9導 入到保護罩8內部的排氣，從催化劑層形成面18c及催化劑層非形成面18d流入受控擴散 層18，在其內部向排氣側電極12—邊擴散一邊行進。在排氣中包含有CO、H2、HC等還原劑 和02、NOx等氧化劑。所述各個成分在到達排氣側電極12的表面的過程中、或者在到達排
8氣側電極12之後，相互反應至達到平衡狀態為止。並且，在對於排氣的空燃比實現理論空 燃比(理論配比)的情況下，氧化劑和還原劑一起消除。與此相對，在空燃比是濃混合比的 情況下，還原劑殘留下來，在空燃比是稀混合比的情況下，氧化劑殘留下來。這裡，將由排氣側電極12、大氣側電極13和被它們夾著的傳感器元件11構成的區 域稱為「單元25」。在本實施例中，在排氣側電極12及大氣側電極13之間，經由圖中未示 出的電源供應線施加規定的施加電壓。在電極間被施加了施加電壓的狀態下，在到達排氣 側電極12的表面的排氣中殘留有氧化劑的情況下，通過從排氣側電極12向大氣側電極13 側抽吸02，傳感器電流在單元25中流動。另一方面，在排氣側電極12側殘留有還原劑的情 況下，為了燒掉該還原劑，將必要的02從大氣側電極13側向排氣側電極12側抽吸，傳感器 電流在單元25中流動。當由受控擴散層18控制排氣的擴散速度時，即使增加施加電壓，也會產生傳感器 電流值恆定地飽和的區域，這時的傳感器電流值具有與排氣的空燃比成比例的特性。在有 的情況下，該傳感器電流值一般被稱為極限電流值。通過檢測該傳感器電流值，可以檢測出 排氣側電極12的表面中的氧化劑和還原劑的比例，即，排氣的空燃比。具體地說，在空燃比傳感器5中，具有產生對應於傳感器電流值的輸出的傳感器 電流值檢測電路(圖中省略)。並且，來自於該傳感器電流值檢測電路的輸出被輸入到ECU6 內的AD變換器(圖中省略)，通過對該輸入值進行AD變換，利用ECU6檢測出排氣的空燃 比。另外，E⑶6通過進行平滑化處理(鈍化處理)，可以將來自於空燃比傳感器5中的傳感 器電流值檢測電路的輸出值平滑化。這裡，在從內燃機1排出的排氣中含有H2。吐具有擴散速度比氣體中的其它成分、 特別是02的擴散速度快的特性。因此，在受控擴散層18內擴散的排氣中含有H2的情況下， 與02相比，有更多的擴散速度快的H2到達排氣側電極12。即，排氣中的吐和02的比例，在排氣侵入了受控擴散層18時和到達了排氣側電極 12時，在後者的情況下變大。這裡，由於H2是還原劑，所以，在單元25中產生的傳感器電流 值，作為相對於圍繞空燃比傳感器5的排氣的空燃比而言向濃混合比側偏移的值被檢測出 來。並且，具有在排氣中的H2濃度越高，這種向濃混合比側的偏移量越增大的傾向。其次，對於本實施例的空燃比傳感器5的空燃比檢測精度及響應性進行詳細說 明。圖4是空燃比傳感器5的受控擴散層18及排氣側電極12周邊的示意圖。從排氣管3 流入保護罩8內的排氣，從形成有催化劑層20的催化劑層形成面18c及不形成催化劑層20 的催化劑層非形成面18d流入受控擴散層18內，向排氣側電極12擴散。用箭頭a表示從催化劑層形成面18c向受控擴散層18內流入的排氣的擴散方向， 將該氣體稱為「催化劑層側流入氣體」。另外，利用箭頭b表示從催化劑層非形成面18d向 受控擴散層18內擴散的排氣的擴散方向，將該氣體稱為「非催化劑層側流入氣體」。另外， 在從通氣孔9流入保護罩8內的排氣中，將到達催化劑層非形成面18d及催化劑層20的表 面之前的排氣稱為「未到達傳感器的氣體」。由於未到達傳感器的氣體從催化劑層形成面18c流入受控擴散層18內，所以，必 然通過催化劑層20。從而，在通過催化劑層20的過程中，包含在該排氣中的大部分吐被氧 化。因此，催化劑層側流入氣體在平衡氣體的狀態下向圖中箭頭a的方向擴散。這裡，排氣 的空燃比在催化劑層20中，在H2被提供給平衡反應的前後，不發生變化，另外，由於催化劑層側流入氣體在擴散於受控擴散層18內的過程中已經不存在吐成分，所以，氧化劑和還原 劑的平衡幾乎不發生變化。結果，空燃比與到達催化劑層20之前的未到達傳感器的氣體的 空燃比幾乎相同的氣體，到達排氣側電極12的表面。從而，確保空燃比傳感器5中的空燃 比的檢測精度。這裡，作為對空燃比傳感器5所要求的性能，可以列舉出在提高空燃比的檢測精 度的同時，提高響應性。這裡，由於催化劑層流入氣體在被供給到催化劑層20中的催化劑 反應之後，在受控擴散層18內擴散，所以，到達排氣側電極12的時刻會延遲(儘管只是稍 稍延遲)。與此相對，根據本實施例中的空燃比傳感器5，可以不使非催化劑層側流入氣體 從催化劑層非形成面18d通過催化劑層20，而將其導入到排氣側電極12。在本實施例中，通 過使空燃比檢測精度良好的催化劑層側流入氣體和響應速度快的非催化劑層側流入氣體 在排氣側電極12處合流，可以既提高這種空燃比檢測的檢測精度，又良好地保持響應性。這裡，在本實施例中的非催化劑層側流入氣體中含有H2。從而，與在催化劑層形成 面18c之外還對催化劑層非形成面18d也形成催化劑層20的空燃比傳感器相比，即，與使 流入受控擴散層18的排氣全部都通過催化劑層20的空燃比傳感器相比，若只著重於空燃 比的檢測精度，則會認為該檢測精度變差。但是，在這種情況下，會產生與空燃比檢測相關 的響應性變差的矛盾。本實施例的空燃比傳感器5，通過兼顧空燃比檢測精度的提高和響應 性的提高，可以提高空燃比傳感器的總的性能。另外，由於在催化劑層非形成面18d上不形 成催化劑層20，所以可以實現空燃比傳感器5的製造成本的降低。另外，對於形成在受控擴散層18的側面的催化劑層20的分布範圍，在不超出本發 明的主旨的範圍內，可以進行各種改變。即，只要是能夠使通過催化劑層的排氣和不通過催 化劑層的排氣在受控擴散層18內擴散的形式就可以。這裡，圖5是表示在受控擴散層18中的催化劑層20的形成圖案的變形例的圖示。 圖5表示從在受控擴散層18中覆蓋上述被覆對向面18b的屏蔽層19側觀察傳感器本體11 的狀態。如圖所示，對於受控擴散層18的側面18c及18d，可以設置形成催化劑層20的催 化劑層形成部及催化劑層非形成部。另外，催化劑層形成部及催化劑層非形成部的面積可 以相等，也可以不相等。即，可以適當地改變催化劑層形成部及催化劑層非形成部的面積的 比例(下面，也稱之為「催化劑層形成比例」)。另外，優選地，根據對空燃比傳感器5所要 求的空燃比的檢測精度和響應性的平衡，改變催化劑層形成比例。即，在希望空燃比的檢測 精度更高的情況下，可以增大催化劑層形成比例，在希望響應性更高的情況下，可以減小催 化劑層形成比例。另外，形成在催化劑層形成面18c上的催化劑層20，通過被排氣的熱量或加熱器 17加熱而變成高溫。結果，存在當在催化劑層20中發生燒結或熱變質等時、空燃比的檢測 精度變差的情況。在本實施例中，通過充分確保催化劑層形成面18c中的每單位面積的催 化劑攜載量(例如，可以是每單位面積的塗布量，下面稱之為「單位攜載量」)，可以抑制由 於催化劑層20的變質引起的空燃比的檢測精度的變差。這裡，雖然認為越使催化劑層20的單位攜載量增加，排氣中的H2的反應時間就變 得越長，但是，在根據本實施例的空燃比傳感器5中，由於不通過催化劑層20而在受控擴散 層18內擴散的非催化劑層側流入氣體的存在，能夠恰當地確保空燃比檢測的響應性。另 外，由於可以將成本降低相當於在催化劑層非形成面18d上不形成催化劑層20的程度，所以，即使增加催化劑層形成面18c上的催化劑層20的單位攜載量，與使流入受控擴散層18 內的排氣全部通過催化劑層20的類型的空燃比傳感器相比，總成本也不會增加。另外，本實施例的空燃比傳感器5是為了檢測內燃機1中的空燃比、而包括能夠輸 出對應於被檢測氣體中的氧濃度的物理量的機構的概念，例如，可以是線性空燃比傳感器 或02傳感器等。另外，所謂對應於氧濃度的物理量，例如，可以是電流值或電壓值。另外， 作為本實施例的被檢測氣體，以內燃機1的排氣作為對象，但是，並不局限於此，例如，也可 以將內燃機1的進氣作為被檢測氣體。實施例2下面，作為用於實施本發明的實施形式，對於和實施例1不同的例子進行說明。本 實施例中的空燃比傳感器5及應用該空燃比傳感器5的內燃機1的簡略結構與實施例1的 結構一樣，省略其說明。在本實施例的內燃機1中，根據利用空氣流量計23檢測出來的吸入空氣量，可以 計算出用於實現目標空燃比的燃料噴射量。進而，通過基於利用空燃比傳感器5檢測出來 的空燃比對燃料噴射量進行調整，可以對空燃比進行反饋控制。通過這樣的控制，可以正確地控制作為內燃機1總體的空燃比(下面稱之為「總體 空燃比」)。在控制總體空燃比的情況下，通常，為了使三元催化劑4發揮良好的排氣淨化 作用，以總體空燃比成為理論空燃比(理論配比)的方式進行控制。在下面的說明中，E⑶6 以總體空燃比成為理論空燃比的方式進行控制。但是，在具有四個氣缸2(1號氣缸#1 4號氣缸#4)的內燃機1中，一般地，由於 連接到進氣管22上的圖中未示出的進氣歧管的長度、形狀在各個氣缸之間不完全相同，所 以，難以使吸入空氣量在氣缸之間完全一致。另外，向各個氣缸2供應燃料的燃料噴射閥 (圖中省略)的特性也存在個體差異，所以，燃料噴射量在氣缸間也難以完全一致。結果，產 生氣缸間的空燃比的偏差，由此使得每個氣缸的排氣的H2濃度也不同。因此，即使是在將 總體空燃比控制成理論空燃比的情況下，在由空燃比傳感器5得到的空燃比檢測值中，也 普遍存在偏差。這裡，若將氣缸間的空燃比之差的大小稱為「氣缸間的空燃比偏差程度」，則當氣 缸間的空燃比偏差程度過大時，尾氣排放會惡化，或者，由於在氣缸間產生的轉矩不同，而 成為轉矩變動的原因。因此，在本實施例中，ECU6推定氣缸間的空燃比偏差程度，在判定該 推定值屬於偏差過大區域的情況下，通過點亮警告燈(圖中未示出)來通知駕駛員。所謂偏 差過大區域，是判斷為存在氣缸間的空燃比偏差程度變高、尾氣排放惡化或者產生內燃機1 的轉矩變動的危險的區域。如上所述，當氣缸間的空燃比偏差程度變高時，由於在從各個氣缸2排出的排氣 中的H2濃度中偏差也變大，所以，即使總體空燃比相同，從空燃比傳感器5輸入到ECU6中的 未經處理的輸出值(未進行平滑處理(鈍化處理)的輸出值)的變動量也會增大。因此， 在本實施例中，在整個基準取樣期間A tbs，監控空燃比的未經處理的輸出值，取得表示該 未經處理的輸出值的偏差幅度的空燃比偏差幅度AAF。本實施例的空燃比偏差幅度A AF，由在基準取樣期間A tbs檢測出來的空燃比的 未經處理的輸出值中的最大值與最小值之差的絕對值定義。另外，空燃比偏差幅度AAF，也 可以由在基準取樣期間A tbs檢測出來的空燃比的未經處理的輸出值與目標空燃比之差的絕對值中的最大值來定義。在本實施例中，空燃比偏差幅度AAF相當於本發明中的空燃 比的偏差幅度。在本實施例中，通過將空燃比偏差幅度AAF代入到圖6所示的存儲有空燃比偏差 幅度AAF和氣缸間的空燃比偏差程度的關係的設定表中，推定氣缸間的空燃比偏差程度。 如圖所示，空燃比偏差幅度AAF越大，則越推定為氣缸間的空燃比偏差程度高的值。並且， 在氣缸間的空燃比偏差程度超過規定值LM的情況下，判斷為該空燃比偏差程度屬於偏差 過大區域。這裡，將氣缸間的空燃比偏差程度恰好變成規定值LM時所對應的空燃比偏差幅 度AAF稱為規定的偏差幅度AAFp。在這種情況下，在空燃比偏差幅度AAF超過規定的偏 差幅度AAFp的情況下，判斷為氣缸間的空燃比偏差程度屬於偏差過大區域。S卩，這裡的規 定的偏差幅度AAFp,具有為了抑制尾氣排放的惡化及內燃機1的轉矩變動而允許的空燃 比偏差幅度AAF的上限值的意思。另外，在圖6中，空燃比偏差幅度AAF與氣缸間的空燃比偏差程度的關係用直線 表示，但是，不言而喻，例如，也可以具有曲線的相關關係。下面，參照圖7的流程圖，說明利用ECU6進行的控制。圖7是表示本實施例中的 控制程序的流程圖。本程序是存儲在ECU6內的ROM中的程序，在內燃機1的運轉過程中， 在每個規定的期間執行該程序。在本實施例中，執行本程序的ECTO相當於本發明中的排氣 空燃比檢測機構及推定機構。在執行本程序時，首先，在步驟SlOl中，由ECU6讀取內燃機1起動之後經過的時 間At，判定該經過的時間At是否在基準時間Atb以上。所謂基準時間Atb，作為內燃 機1預熱需要的時間，或者用空燃比傳感器5的加熱器17將傳感器本體10加熱到活性溫 度所需要的時間(即，空燃比傳感器5預熱所需要的時間)，可以預先通過實驗求出。在本步驟中，在經過的時間At在基準時間Atb以上的情況下，進入步驟S102。 另一方面，在經過的時間At不到基準時間Atb的情況下，判斷為不應該進行氣缸間的空 燃比偏差程度的推定，暫時結束本程序。在步驟S102中，取得在基準取樣期間Atbs中的空燃比偏差幅度AAF。具體地 說，在整個基準取樣期間Atbs，監控空燃比傳感器5的未經處理的輸出值。這裡的所謂未 經處理的輸出值，如上所述，是指利用ECU6內的AD轉換器對來自於空燃比傳感器5的傳感 器電流值檢測電路的輸出值進行AD變換得到的值，未進行過平滑化處理(鈍化處理)。另 外，基準取樣期間Atbs是監控在取得氣缸間的空燃比偏差幅度AAF時的未經處理的輸出 值的期間，可以預先通過實驗求出。在本實施例中，基準取樣期間Atbs相當於本發明中的 規定的取樣時間。在步驟S103中，判定空燃比偏差幅度AAF是否超過規定的偏差幅度AAFp。並 且，在得到肯定的判定(AAF > AAFp)的情況下，判斷為氣缸間的空燃比偏差程度屬於偏 差過大區域，進入步驟S104。另一方面，在得到否定的判定(AAF彡AAFp)的情況下，判斷 為氣缸間的空燃比偏差程度不屬於偏差過大區域，暫時結束本程序。在步驟S104中，通過 點亮警告燈，通知駕駛員氣缸間的空燃比偏差程度變高。並且，在結束本步驟的處理時，暫 時結束本程序。如上所述，根據本控制，由於可以基於基準取樣期間Atbs的空燃比偏差幅度AAF的大小，推定氣缸間的空燃比偏差程度，判定該空燃比偏差程度是否屬於偏差過大區 域，所以，空燃比傳感器5的搭載(配置)位置不受制約。從而，能夠配置在排氣管3的下 遊側。這樣，特別地，能夠適當地抑制由於在內燃機1的冷起動時發生的冷凝水、飛散水而 使空燃比傳感器5著水。另外，在實施本控制時，也不受要將內燃機1保持在特定的運轉狀 態等制約，在所有的運轉狀態下，都可以推定氣缸間的空燃比偏差程度。
權利要求
一種空燃比傳感器，其特徵在於，包括傳感器元件，所述傳感器元件輸出與被檢測氣體的空燃比相對應的輸出信號；一對電極，所述一對電極以夾著所述傳感器元件的方式配置，由導入所述被檢測氣體的被檢測氣體側電極和暴露在大氣中的大氣側電極構成；受控擴散層，所述受控擴散層從所述被檢測氣體流入的流入部使該被檢測氣體向所述被檢測氣體側電極導入，同時，以覆蓋所述被檢測氣體側電極的方式設置在所述傳感器元件上；催化劑層，所述催化劑層形成於所述流入部的一部分上。
2.如權利要求1所述的空燃比傳感器，其特徵在於，在形成所述受控擴散層的六個面當中的除去覆蓋所述被檢測氣體側電極的被覆面及 與該被覆面對向的被覆對向面後的剩下的四個面中，在對向的一對面上形成所述流入部，所述催化劑層形成在形成所述流入部的一對對向面中的一個面上，而在另外一個面上 不形成所述催化劑層。
3.如權利要求1所述的空燃比傳感器，其特徵在於，在形成所述受控擴散層的六個面當中的除去覆蓋所述被檢測氣體側電極的被覆面及 與該被覆面對向的被覆對向面後的剩下的四個面中，在對向的一對面上形成所述流入部，在形成所述流入部的一對對向面的每一個上，設置形成催化劑層的催化劑層形成部和 不形成催化劑層的催化劑層非形成部。
4.一種內燃機的控制裝置，其特徵在於，包括設置在多氣缸內燃機的排氣通路中的如權利要求1至3中任何一項所述的空燃比傳感器，排氣空燃比檢測機構，所述排氣空燃比檢測機構基於所述傳感器元件輸出的輸出信 號，檢測從所述多氣缸內燃機排出的排氣的空燃比，推定機構，所述推定機構獲取在規定的取樣時間中的所述空燃比的偏差幅度，基於該 偏差幅度的大小，推定氣缸間的空燃比偏差程度。
全文摘要
本發明提供一種能夠兼顧檢測被檢測氣體的空燃比時的檢測精度的提高和響應性的提高的空燃比傳感器。所述空燃比傳感器包括傳感器元件，所述傳感器元件輸出與被檢測氣體的空燃比相對應的輸出信號；一對電極，所述一對電極以夾著傳感器元件的方式配置，由導入前述被檢測氣體的被檢測氣體側電極和暴露在大氣中的大氣側電極構成；受控擴散層，所述受控擴散層從前述被檢測氣體流入的流入部使該被檢測氣體向被檢測氣體側電極導入，同時，以覆蓋被檢測氣體側電極的方式設置在前述傳感器元件中；催化劑層，所述催化劑層形成在前述流入部的一部分中。
文檔編號G01N27/26GK101878422SQ20088011806
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月26日 優先權日2007年11月27日
發明者青木圭一郎 申請人:豐田自動車株式會社