专利名称：空燃比传感器及内燃机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及空燃比传感器及内燃机的控制装置。
背景技术：
为了控制内燃机的空燃比，已知在内燃机的排气系统中配备检测排气空燃比的空 燃比传感器。作为空燃比传感器的一个例子，如专利文献1所记载的那样，开发出了极限电 流式的空燃比传感器。这种极限电流式空燃比传感器配备有由氧化锆等氧离子导电性固 体电解质构成的传感器元件、设置于传感器元件的两面的一对白金制的电极、以覆盖一个 电极的方式设置在元件上的多孔质状的受控扩散层(有时也称之为“扩散阻力层”)。这种 受控扩散层控制排气向传感器元件的扩散。在这种极限电流式空燃比传感器中，在对电极之间施加规定的电压的状态下，当 通过受控扩散层的排气与一个电极接触时，通过经由传感器元件将氧离子抽吸到电极之 间，电极之间流过电流。这里，由于排气向一个电极的扩散被受控扩散层控制，所以，会产生 即使增大施加电压电流也会恒定地饱和的区域。该电流值(极限电流值)具有和排气的氧 浓度、空燃比成比例的特性，通过检测出极限电流值的大小，可以得知空燃比。这里，在对电极间施加规定的电压的情况下，对应于排气空燃比的恒定的极限电 流值在电极间流过的原因在于，在排气通过受控扩散层时扩散受到控制。但是，包含在排气 中的氢(H2)成分与其它成分、例如氧(O2)成分等相比分子量小，所以，具有通过受控扩散层 时的扩散速度快的特性。从而，如果作为还原剂的H2比作为氧化剂的O2更多量地到达一个 电极的话，则存在还原剂在该电极附近变得过多，空燃比的检测结果被误检测为比实际情 况更偏向浓混合比侧的情况。与此相对，在专利文献1揭示的技术中，通过利用具有氧化作用的催化剂层覆盖 受控扩散层的表面，在排气通过受控扩散层之前，通过使包含在排气中的H2氧化，提高空燃 比的检测精度。另外，在专利文献2中揭示了一种技术，在该技术中，以至少覆盖暴露于排气中的 一个电极的方式形成催化剂层，同时，在未形成该催化剂层的部位形成排气不能通过的屏蔽层。专利文献1 特开平11-237361号公报专利文献2 特开2003-202316号公报专利文献3 特开2004-316498号公报专利文献4 特开2006-337205号公报
发明内容
但是，在如上面的现有技术那样具有催化剂层的空燃比传感器中，若使作为检测 空燃比的对象的全部排气通过催化剂层，则存在着催化剂层中的反应时间变长，检测空燃 比时的响应性变差的危险。
本发明是鉴于上述现有技术做出的，其目的是提供一种空燃比传感器，所述空燃 比传感器能够兼顾在检测被检测气体的空燃比时的检测精度的提高和响应性的提高。为了达到上述目的，根据本发明的空燃比传感器采用以下手段。即，所述空燃比传 感器的特征在于，包括传感器元件，所述传感器元件输出与被检测气体的空燃比相对应的 输出信号；一对电极，所述一对电极以夹着前述传感器元件的方式配置，由导入前述被检测 气体的被检测气体侧电极和暴露于大气中的大气侧电极构成；受控扩散层，所述受控扩散 层从前述被检测气体流入的流入部使该被检测气体向前述被检测气体侧电极导入，同时， 以覆盖前述被检测气体侧电极的方式设置于前述传感器元件上；催化剂层，前述催化剂层 形成于前述流入部的一部分上。在本发明中的受控扩散层中，具有被检测气体(例如，排气)流入的流入部，被检 测气体从该流入部流入到受控扩散层内。即，流入部形成在受控扩散层的表面的至少一部 分中，暴露于被检测气体中。流入受控扩散层的被检测气体在受控扩散层内扩散，并被引导 向被检测气体侧电极。本发明中的受控扩散层具有控制被检测气体的扩散的功能。例如， 受控扩散层可以利用多孔质物质构成，所述多孔质物质被细孔化、致密化到被检测气体中 的各种成分能够以适当的扩散速度扩散的程度。另外，在扩散于受控扩散层内的被检测气体中，含有CO、H2、HC等还原剂和02、N0X 等氧化剂。所述各成分在到达被检测气体侧电极的表面的过程中，或者在到达被检测气体 侧电极之后，一直反应到达到平衡状态为止。并且，在被检测气体的空燃比中，在实现理论 空燃比(理论配比)的情况下，氧化剂和还原剂一起消除。与此相对，在空燃比是浓混合比 的情况下，残存有还原剂，在空燃比是稀混合比的情况下，残存有氧化剂。这里，传感器元件输出与被检测气体的空燃比相对应的输出信号。例如，传感器元 件可以由氧离子导电性固体电解质构成。在这种情况下，由于与夹着传感器元件配置的一 对电极、即被检测气体侧电极及大气侧电极中的氧浓度差相对应地产生氧离子的移动，所 以，通过输出由这种氧离子的移动引起的传感器电流，可以输出与被检测气体的空燃比相 对应的输出信号。下面，更详细地对上述传感器电流进行说明，在到达被检测气体侧电极的表面的 被检测气体中残存有氧化剂的情况下，通过02被从被检测气体侧电极向大气侧电极抽吸， 传感器电流在电极间流动。另一方面，在到达被检测气体侧电极的被检测气体中残存有还 原剂的情况下，为了使该还原剂氧化，从大气侧电极向被检测气体侧电极的方向抽吸必要 的02，传感器电流在电极间流过。并且，由于这时的传感器电流值具有与被检测气体的空燃 比成比例的特性，所以，通过检测该传感器电流值，可以检测出被检测气体的空燃比。这里，被检测气体中的H2与其它成分、特别是02相比具有扩散速度快的特性。从 而，在扩散于受控扩散层内的期间，包含在被检测气体内的h2和02的比例有时会发生变化。 即，与02相比，扩散速度快的h2会更多地到达被检测气体侧电极。由于H2是还原剂，所以， 上述传感器电流值会作为比真正的值向浓混合比侧偏移的值被检测出来。在本发明中，在受控扩散层中的流入部的一部分中形成催化剂层。本发明中的催 化剂层具有促进压成分的氧化反应的功能。例如，可以在由作为催化剂载体的氧化铝等构 成的多孔质层中载置有白金、铑等催化剂成分。另外，催化剂层也可以使除h2以外的成分 氧化。
在受控扩散层的流入部之中，将形成催化剂层的部分称为催化剂层形成流入部， 将不形成催化剂层的部分称为催化剂层非形成流入部。从催化剂层形成流入部流入受控扩 散层的被检测气体，由于在通过催化剂层的过程中，大部分的H2被氧化，所以，可以将平衡 状态的被检测气体导入被检测气体侧电极。结果，可以使与从催化剂层形成流入部流入受 控扩散层之前大致相等的空燃比的被检测气体到达被检测气体侧电极的表面。借此，可以 确保空燃比传感器中的空燃比的检测精度。并且，作为空燃比传感器所要求的性能，可以列举出在提高空燃比的检测精度的 同时提高响应性。即，为了实时地检测被检测气体的空燃比，要求尽可能地缩短检测空燃比 所要求的时间。这里，如上所述，存在这样的情况对于从催化剂层形成流入部通过催化剂 层流入受控扩散层的被检测气体，空燃比的检测时刻以相当于催化剂层中的反应时间的程
度滞后。与此相对，在本发明中，从不形成催化剂层的催化剂层非形成流入部也使被检测 气体流入受控扩散层，可以使被检测气体快速地到达被检测气体侧电极。从而，可以缩短被 检测气体的空燃比检测所花费的时间。即，在本发明中，通过使被检测气体从催化剂层形 成流入部和催化剂层非形成流入部流入受控扩散部内，使两者在被检测气体侧电极附近合 流，可以兼顾检测空燃比时的检测精度的提高和响应性的提高。另外，在本发明中，催化剂层形成流入部和催化剂层非形成流入部的面积可以相 等，也可以不相等。即，这意味着，催化剂层形成流入部和催化剂层非形成流入部的比例可 以适当地改变。优选地，根据本发明的空燃比传感器所要求的空燃比的检测精度和响应性 的平衡，适当地改变催化剂层形成流入部及催化剂层非形成流入部的比例。即，在希望空燃 比的检测精度更高的情况下，可以使催化剂层形成流入部所占的比例更大，在希望响应性 更高的情况下，可以使催化剂层非形成流入部所占的比例更大。在本发明中，所谓“空燃比传感器，，是包括为了检测内燃机中的空燃比、而能够输 出对应于被检测气体中的氧浓度的物理量的机构的概念，例如，可以是线性空燃比传感器 或02传感器等。另外，所谓对应于氧浓度的物理量，例如，可以是电流值或电压值。这里，对于在检测从具有多个气缸的多气缸内燃机排出的排气的空燃比时、应用 上述空燃比传感器的情况进行说明。这里，由于向各个气缸中供应燃料的燃料喷射阀的特 性也存在个体差异，所以，存在难以使燃料喷射量也在气缸之间完全一致的情况。另外，由 于进气歧管的长度或形状在各个气缸之间不完全相同，所以，存在吸入空气量对于每个气 缸会不相同的情况。结果，产生气缸间的空燃比的偏差，会因此造成每个气缸中的排气的H2 的浓度不同。这里，将气缸间的空燃比之差的大小称为气缸间的空燃比偏差程度。当气缸间的 空燃比偏差程度过大时，尾气排放会恶化，由于在气缸间产生的转矩不同，成为转矩变动的 原因。因此，在本发明中的内燃机的控制装置，其特征在于，包括设置在多气缸内燃机 的排气通路中的上述空燃比传感器；排气空燃比检测机构，所述排气空燃比检测机构基于 前述传感器元件输出的输出信号检测从前述多气缸内燃机排出的排气的空燃比；推定机 构，所述推定机构获取在规定的取样时间中的前述空燃比的偏差幅度、根据该偏差幅度的 大小推定气缸间的空燃比偏差程度。
根据上述结构，基于传感器元件输出的输出信号，检测从多气缸内燃机排出的排 气的空燃比。这里，由于当气缸间的空燃比偏差程度变高时，从各个气缸排出的排气中的H2 浓度的偏差变大，所以，空燃比的检测值上下变动。在本发明中，取得在规定的取样时间中 的空燃比的偏差幅度。该偏差幅度也可以由在规定的取样时间中检测出来的空燃比中的最 大值和最小值之差的绝对值来定义。或者，也可以是在规定的取样时间中的空燃比的检测 值与目标空燃比之差的绝对值的最大值。另外，所谓规定的取样时间，意味着在取得上述偏差幅度时监控空燃比的检测值 的期间，可以预先用实验求出。并且，根据所取得的空燃比的偏差幅度，推定气缸间的空燃 比偏差程度。在本发明中，推定为上述偏差幅度越大，则空燃比偏差程度为越高的值。从而， 能够适当地推定气缸间的空燃比偏差程度。另外，在本发明中，在推定的气缸间的空燃比偏差程度超过规定值的情况下，可以 判断为该空燃比偏差程度属于规定的偏差过大区域。所谓规定的偏差过大区域，是被判断 为存在由气缸间的空燃比偏差程度高引起的尾气排放变差、或者产生内燃机的转矩变动的 危险的区域。这里，若将气缸间的空燃比偏差程度正好成为上述规定值时的对应的偏差幅度称 为规定的偏差幅度，则在偏差幅度超过规定的偏差幅度的情况下，判断为气缸间的空燃比 偏差程度属于规定的偏差过大区域。在这种情况下，优选地，利用点亮警告灯等通知机构， 通知驾驶员气缸间的空燃比偏差程度变高。根据本发明，可以提供能够兼顾检测被检测气体的空燃比时的检测精度的提高和 响应性的提高的空燃比传感器。
图1是表示应用根据实施例1的空燃比传感器的内燃机及其进气、排气系统的简 略结构的图示。图2是图1中的空燃比传感器附近的示意的放大剖视图。图3是图2的A-A，线剖视图。图4是空燃比传感器的受控扩散层及排气侧电极周边的示意图。图5是表示受控扩散层中的催化剂层的形成图案的变形例的图示。图6是存储了空燃比的偏差幅度AAF与气缸间的空燃比偏差程度的关系的映象。图7是表示实施例2中的控制程序的流程图。符号说明1内燃机2 气缸3排气管4三元催化剂5空燃比传感器6ECU8保护罩9通气孔
10传感器本体11传感器元件12排气侧电极13大气侧电极15加热器层16大气室18受控扩散层19屏蔽层20催化剂层
具体实施例方式下面，参照附图详细地举例说明用于实施本发明的最佳形式。另外，本实施方式中 记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，并不特别局限于特定的记载，本发明的 技术范围并不局限于此。实施例1图1是表示应用根据本实施例的空燃比传感器的内燃机及其进气、排气系统的简 略结构的图示。图1所示的内燃机1是具有四个气缸2的汽油发动机。内燃机1连接于进气管22及排气管3。在进气管22的途中，设置输出对应于在该 进气管22内流通的进气量的电信号的气流计23。气流计23与后面描述的ECU6电连接，通 过将气流计23的输出信号输入到E⑶6中，检测吸入空气量。另外，在排气管3的途中设置有净化来自于内燃机1的排气的三元催化剂4。三元 催化剂4能够通过氧化从内燃机1排出的一氧化碳(CO)及碳化氢(HC)并还原氮的氧化物 (NOx)来净化排气。另外，在比三元催化剂4更靠上游的排气管3中，设置有检测流入三元 催化剂4的排气的空燃比的空燃比传感器5。对于空燃比传感器5的详细情况，将在后面描 述。并且，排气管3在三元催化剂4的下游与图中未示出的消声器连接。在内燃机中，附设用于控制内燃机及其排气系统的电子控制单元(ECU: Electronic Control Unit)6。该ECU6根据内燃机1的运转条件、驾驶员的要求，控制内燃 机1的运转状态等。例如，从空燃比传感器5的输出信号检测排气的空燃比，以与目标空燃 比(例如，理论空燃比)相一致的方式，对来自于燃料喷射阀(图中省略)的燃料喷射量进 行反馈控制。在本实施例中，排气相当于被检测气体。其次，参照图2及图3说明空燃比传感器5的详细结构。图2是图1中的空燃比 传感器5附近的示意的放大剖视图。另外，图3是图2中的A-A’线剖视图。在图2中，对 于与图1重复的部位，赋予相同的标号并省略其说明。在图2中，空燃比传感器5包括后面描述的传感器本体10、和作为覆盖该传感器 本体10的耐热性的外壳构件且其一部分在排气管3的内部露出的保护罩8。传感器本体 10通过被保护罩8覆盖来保证其机械强度。如图3所示，在保护罩8的表面形成有多个通气孔9，使保护罩8内外相互连通。 即，空燃比传感器5以在排气管3内流通的排气通过保护罩8的通气孔9到达传感器本体 10的方式构成。
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其次，对于传感器本体10的概略结构进行说明。传感器本体10是将后面描述的 结构部件叠层而成的叠层型的传感器。传感器本体10包括由氧离子导电性固体电解质构 成的传感器元件11。传感器元件11例如由氧化锆构成，具有图中所示那样的板状形状。在 传感器元件11的两面的一部分上形成由白金等催化剂活性高的金属材料构成的排气侧电 极12及大气侧电极13。通过在传感器元件11的一个面上形成排气侧电极12，在传感器元 件11的另一个面上形成大气侧电极13，传感器元件11被一对电极夹着。在本实施例中，排 气侧电极12及大气侧电极13相当于本发明中的被检测气体侧电极及大气侧电极。在传感器元件11的另一个面侧，形成有被间隔构件14和加热器层15包围的大气 室16。大气室16经由图中未示出的大气孔与大气连通，即使在空燃比传感器5配置在排气 管3内的状态下，大气侧电极13保持暴露在大气中的状态。另外，在加热器层15中埋设有加热器17。空燃比传感器5通过达到规定的活性温 度，实现检测排气的空燃比的传感器功能。加热器17通过从外部的电路(图中省略)接受 电力供应，可以将传感器本体10加热到所希望的活性温度(例如700°C)。另外，该电路与 E⑶6电连接，供应给加热器17的电力由E⑶6控制。在传感器元件11的一个面上，以包含排气侧电极12并且覆盖传感器元件11的一 个面的整个范围的方式，叠层有受控扩散层18。受控扩散层18是用陶瓷等多孔质物质构成 的构件，具有控制排气的扩散的功能。即，受控扩散层18被细孔化、致密化到排气中的各种 成分能够以适当的扩散速度扩散的程度。另外，受控扩散层18以孔径、密度等特性大致均 勻的方式形成，其外形除厚度方向之外，与传感器元件11大致一样。这里，在形成受控扩散层18的面中，将覆盖传感器元件11的一个面的面称为被覆 面18a，将与该被覆面18a对向的面称为被覆对向面18b。受控扩散层18的被覆对向面18b 被屏蔽层19覆盖。该屏蔽层19是由致密的氧化铝等构成的构件，排气不能透过屏蔽层19。 即，限制排气从形成有屏蔽层19的部分向受控扩散层18内侵入。在形成受控扩散层18的六个面当中的除去被覆面18a及被覆对向面18b后的剩 下的四个面中，在对向的一对侧面(在图中用18c、18d表示)的一个面(18c)上形成催化 剂层20，另一个面(18d)露出(即，在18d上不形成催化剂层20)。催化剂层20，在由作为 催化剂载体的氧化铝等构成的多孔质层上，载置有白金、铑等催化剂成分，具有促进氢(H2) 成分的氧化反应的功能。这里，将形成了催化剂层20的面18c称为催化剂层形成面，将不形成催化剂层20 的18d称为催化剂层非形成面。进而，在受控扩散层18的侧面当中与催化剂层形成面18c 及催化剂层非形成面18d正交的一对对向侧面上，形成有已经描述过的屏蔽层19。根据上 述结构的传感器本体10，排气从形成屏蔽层19的面向受控扩散层18内的流入及扩散受到 限制。因此，排气从催化剂层形成面18c及催化剂层非形成面18d向受控扩散层18流入， 在该受控扩散层18内扩散。在本实施例中，催化剂层形成面18c及催化剂层非形成面18d 相当于本发明中的流入部。这里，对利用空燃比传感器5检测排气的空燃比的原理进行说明。从通气孔9导 入到保护罩8内部的排气，从催化剂层形成面18c及催化剂层非形成面18d流入受控扩散 层18，在其内部向排气侧电极12—边扩散一边行进。在排气中包含有CO、H2、HC等还原剂 和02、NOx等氧化剂。所述各个成分在到达排气侧电极12的表面的过程中、或者在到达排
8气侧电极12之后，相互反应至达到平衡状态为止。并且，在对于排气的空燃比实现理论空 燃比(理论配比)的情况下，氧化剂和还原剂一起消除。与此相对，在空燃比是浓混合比的 情况下，还原剂残留下来，在空燃比是稀混合比的情况下，氧化剂残留下来。这里，将由排气侧电极12、大气侧电极13和被它们夹着的传感器元件11构成的区 域称为“单元25”。在本实施例中，在排气侧电极12及大气侧电极13之间，经由图中未示 出的电源供应线施加规定的施加电压。在电极间被施加了施加电压的状态下，在到达排气 侧电极12的表面的排气中残留有氧化剂的情况下，通过从排气侧电极12向大气侧电极13 侧抽吸02，传感器电流在单元25中流动。另一方面，在排气侧电极12侧残留有还原剂的情 况下，为了烧掉该还原剂，将必要的02从大气侧电极13侧向排气侧电极12侧抽吸，传感器 电流在单元25中流动。当由受控扩散层18控制排气的扩散速度时，即使增加施加电压，也会产生传感器 电流值恒定地饱和的区域，这时的传感器电流值具有与排气的空燃比成比例的特性。在有 的情况下，该传感器电流值一般被称为极限电流值。通过检测该传感器电流值，可以检测出 排气侧电极12的表面中的氧化剂和还原剂的比例，即，排气的空燃比。具体地说，在空燃比传感器5中，具有产生对应于传感器电流值的输出的传感器 电流值检测电路(图中省略)。并且，来自于该传感器电流值检测电路的输出被输入到ECU6 内的AD变换器(图中省略)，通过对该输入值进行AD变换，利用ECU6检测出排气的空燃 比。另外，E⑶6通过进行平滑化处理(钝化处理)，可以将来自于空燃比传感器5中的传感 器电流值检测电路的输出值平滑化。这里，在从内燃机1排出的排气中含有H2。吐具有扩散速度比气体中的其它成分、 特别是02的扩散速度快的特性。因此，在受控扩散层18内扩散的排气中含有H2的情况下， 与02相比，有更多的扩散速度快的H2到达排气侧电极12。即，排气中的吐和02的比例，在排气侵入了受控扩散层18时和到达了排气侧电极 12时，在后者的情况下变大。这里，由于H2是还原剂，所以，在单元25中产生的传感器电流 值，作为相对于围绕空燃比传感器5的排气的空燃比而言向浓混合比侧偏移的值被检测出 来。并且，具有在排气中的H2浓度越高，这种向浓混合比侧的偏移量越增大的倾向。其次，对于本实施例的空燃比传感器5的空燃比检测精度及响应性进行详细说 明。图4是空燃比传感器5的受控扩散层18及排气侧电极12周边的示意图。从排气管3 流入保护罩8内的排气，从形成有催化剂层20的催化剂层形成面18c及不形成催化剂层20 的催化剂层非形成面18d流入受控扩散层18内，向排气侧电极12扩散。用箭头a表示从催化剂层形成面18c向受控扩散层18内流入的排气的扩散方向， 将该气体称为“催化剂层侧流入气体”。另外，利用箭头b表示从催化剂层非形成面18d向 受控扩散层18内扩散的排气的扩散方向，将该气体称为“非催化剂层侧流入气体”。另外， 在从通气孔9流入保护罩8内的排气中，将到达催化剂层非形成面18d及催化剂层20的表 面之前的排气称为“未到达传感器的气体”。由于未到达传感器的气体从催化剂层形成面18c流入受控扩散层18内，所以，必 然通过催化剂层20。从而，在通过催化剂层20的过程中，包含在该排气中的大部分吐被氧 化。因此，催化剂层侧流入气体在平衡气体的状态下向图中箭头a的方向扩散。这里，排气 的空燃比在催化剂层20中，在H2被提供给平衡反应的前后，不发生变化，另外，由于催化剂层侧流入气体在扩散于受控扩散层18内的过程中已经不存在吐成分，所以，氧化剂和还原 剂的平衡几乎不发生变化。结果，空燃比与到达催化剂层20之前的未到达传感器的气体的 空燃比几乎相同的气体，到达排气侧电极12的表面。从而，确保空燃比传感器5中的空燃 比的检测精度。这里，作为对空燃比传感器5所要求的性能，可以列举出在提高空燃比的检测精 度的同时，提高响应性。这里，由于催化剂层流入气体在被供给到催化剂层20中的催化剂 反应之后，在受控扩散层18内扩散，所以，到达排气侧电极12的时刻会延迟(尽管只是稍 稍延迟)。与此相对，根据本实施例中的空燃比传感器5，可以不使非催化剂层侧流入气体 从催化剂层非形成面18d通过催化剂层20，而将其导入到排气侧电极12。在本实施例中，通 过使空燃比检测精度良好的催化剂层侧流入气体和响应速度快的非催化剂层侧流入气体 在排气侧电极12处合流，可以既提高这种空燃比检测的检测精度，又良好地保持响应性。这里，在本实施例中的非催化剂层侧流入气体中含有H2。从而，与在催化剂层形成 面18c之外还对催化剂层非形成面18d也形成催化剂层20的空燃比传感器相比，即，与使 流入受控扩散层18的排气全部都通过催化剂层20的空燃比传感器相比，若只着重于空燃 比的检测精度，则会认为该检测精度变差。但是，在这种情况下，会产生与空燃比检测相关 的响应性变差的矛盾。本实施例的空燃比传感器5，通过兼顾空燃比检测精度的提高和响应 性的提高，可以提高空燃比传感器的总的性能。另外，由于在催化剂层非形成面18d上不形 成催化剂层20，所以可以实现空燃比传感器5的制造成本的降低。另外，对于形成在受控扩散层18的侧面的催化剂层20的分布范围，在不超出本发 明的主旨的范围内，可以进行各种改变。即，只要是能够使通过催化剂层的排气和不通过催 化剂层的排气在受控扩散层18内扩散的形式就可以。这里，图5是表示在受控扩散层18中的催化剂层20的形成图案的变形例的图示。 图5表示从在受控扩散层18中覆盖上述被覆对向面18b的屏蔽层19侧观察传感器本体11 的状态。如图所示，对于受控扩散层18的侧面18c及18d，可以设置形成催化剂层20的催 化剂层形成部及催化剂层非形成部。另外，催化剂层形成部及催化剂层非形成部的面积可 以相等，也可以不相等。即，可以适当地改变催化剂层形成部及催化剂层非形成部的面积的 比例(下面，也称之为“催化剂层形成比例”)。另外，优选地，根据对空燃比传感器5所要 求的空燃比的检测精度和响应性的平衡，改变催化剂层形成比例。即，在希望空燃比的检测 精度更高的情况下，可以增大催化剂层形成比例，在希望响应性更高的情况下，可以减小催 化剂层形成比例。另外，形成在催化剂层形成面18c上的催化剂层20，通过被排气的热量或加热器 17加热而变成高温。结果，存在当在催化剂层20中发生烧结或热变质等时、空燃比的检测 精度变差的情况。在本实施例中，通过充分确保催化剂层形成面18c中的每单位面积的催 化剂携载量(例如，可以是每单位面积的涂布量，下面称之为“单位携载量”)，可以抑制由 于催化剂层20的变质引起的空燃比的检测精度的变差。这里，虽然认为越使催化剂层20的单位携载量增加，排气中的H2的反应时间就变 得越长，但是，在根据本实施例的空燃比传感器5中，由于不通过催化剂层20而在受控扩散 层18内扩散的非催化剂层侧流入气体的存在，能够恰当地确保空燃比检测的响应性。另 外，由于可以将成本降低相当于在催化剂层非形成面18d上不形成催化剂层20的程度，所以，即使增加催化剂层形成面18c上的催化剂层20的单位携载量，与使流入受控扩散层18 内的排气全部通过催化剂层20的类型的空燃比传感器相比，总成本也不会增加。另外，本实施例的空燃比传感器5是为了检测内燃机1中的空燃比、而包括能够输 出对应于被检测气体中的氧浓度的物理量的机构的概念，例如，可以是线性空燃比传感器 或02传感器等。另外，所谓对应于氧浓度的物理量，例如，可以是电流值或电压值。另外， 作为本实施例的被检测气体，以内燃机1的排气作为对象，但是，并不局限于此，例如，也可 以将内燃机1的进气作为被检测气体。实施例2下面，作为用于实施本发明的实施形式，对于和实施例1不同的例子进行说明。本 实施例中的空燃比传感器5及应用该空燃比传感器5的内燃机1的简略结构与实施例1的 结构一样，省略其说明。在本实施例的内燃机1中，根据利用空气流量计23检测出来的吸入空气量，可以 计算出用于实现目标空燃比的燃料喷射量。进而，通过基于利用空燃比传感器5检测出来 的空燃比对燃料喷射量进行调整，可以对空燃比进行反馈控制。通过这样的控制，可以正确地控制作为内燃机1总体的空燃比(下面称之为“总体 空燃比”)。在控制总体空燃比的情况下，通常，为了使三元催化剂4发挥良好的排气净化 作用，以总体空燃比成为理论空燃比(理论配比)的方式进行控制。在下面的说明中，E⑶6 以总体空燃比成为理论空燃比的方式进行控制。但是，在具有四个气缸2(1号气缸#1 4号气缸#4)的内燃机1中，一般地，由于 连接到进气管22上的图中未示出的进气歧管的长度、形状在各个气缸之间不完全相同，所 以，难以使吸入空气量在气缸之间完全一致。另外，向各个气缸2供应燃料的燃料喷射阀 (图中省略)的特性也存在个体差异，所以，燃料喷射量在气缸间也难以完全一致。结果，产 生气缸间的空燃比的偏差，由此使得每个气缸的排气的H2浓度也不同。因此，即使是在将 总体空燃比控制成理论空燃比的情况下，在由空燃比传感器5得到的空燃比检测值中，也 普遍存在偏差。这里，若将气缸间的空燃比之差的大小称为“气缸间的空燃比偏差程度”，则当气 缸间的空燃比偏差程度过大时，尾气排放会恶化，或者，由于在气缸间产生的转矩不同，而 成为转矩变动的原因。因此，在本实施例中，ECU6推定气缸间的空燃比偏差程度，在判定该 推定值属于偏差过大区域的情况下，通过点亮警告灯(图中未示出)来通知驾驶员。所谓偏 差过大区域，是判断为存在气缸间的空燃比偏差程度变高、尾气排放恶化或者产生内燃机1 的转矩变动的危险的区域。如上所述，当气缸间的空燃比偏差程度变高时，由于在从各个气缸2排出的排气 中的H2浓度中偏差也变大，所以，即使总体空燃比相同，从空燃比传感器5输入到ECU6中的 未经处理的输出值(未进行平滑处理(钝化处理)的输出值)的变动量也会增大。因此， 在本实施例中，在整个基准取样期间A tbs，监控空燃比的未经处理的输出值，取得表示该 未经处理的输出值的偏差幅度的空燃比偏差幅度AAF。本实施例的空燃比偏差幅度A AF，由在基准取样期间A tbs检测出来的空燃比的 未经处理的输出值中的最大值与最小值之差的绝对值定义。另外，空燃比偏差幅度AAF，也 可以由在基准取样期间A tbs检测出来的空燃比的未经处理的输出值与目标空燃比之差的绝对值中的最大值来定义。在本实施例中，空燃比偏差幅度AAF相当于本发明中的空燃 比的偏差幅度。在本实施例中，通过将空燃比偏差幅度AAF代入到图6所示的存储有空燃比偏差 幅度AAF和气缸间的空燃比偏差程度的关系的设定表中，推定气缸间的空燃比偏差程度。 如图所示，空燃比偏差幅度AAF越大，则越推定为气缸间的空燃比偏差程度高的值。并且， 在气缸间的空燃比偏差程度超过规定值LM的情况下，判断为该空燃比偏差程度属于偏差 过大区域。这里，将气缸间的空燃比偏差程度恰好变成规定值LM时所对应的空燃比偏差幅 度AAF称为规定的偏差幅度AAFp。在这种情况下，在空燃比偏差幅度AAF超过规定的偏 差幅度AAFp的情况下，判断为气缸间的空燃比偏差程度属于偏差过大区域。S卩，这里的规 定的偏差幅度AAFp,具有为了抑制尾气排放的恶化及内燃机1的转矩变动而允许的空燃 比偏差幅度AAF的上限值的意思。另外，在图6中，空燃比偏差幅度AAF与气缸间的空燃比偏差程度的关系用直线 表示，但是，不言而喻，例如，也可以具有曲线的相关关系。下面，参照图7的流程图，说明利用ECU6进行的控制。图7是表示本实施例中的 控制程序的流程图。本程序是存储在ECU6内的ROM中的程序，在内燃机1的运转过程中， 在每个规定的期间执行该程序。在本实施例中，执行本程序的ECTO相当于本发明中的排气 空燃比检测机构及推定机构。在执行本程序时，首先，在步骤SlOl中，由ECU6读取内燃机1起动之后经过的时 间At，判定该经过的时间At是否在基准时间Atb以上。所谓基准时间Atb，作为内燃 机1预热需要的时间，或者用空燃比传感器5的加热器17将传感器本体10加热到活性温 度所需要的时间(即，空燃比传感器5预热所需要的时间)，可以预先通过实验求出。在本步骤中，在经过的时间At在基准时间Atb以上的情况下，进入步骤S102。 另一方面，在经过的时间At不到基准时间Atb的情况下，判断为不应该进行气缸间的空 燃比偏差程度的推定，暂时结束本程序。在步骤S102中，取得在基准取样期间Atbs中的空燃比偏差幅度AAF。具体地 说，在整个基准取样期间Atbs，监控空燃比传感器5的未经处理的输出值。这里的所谓未 经处理的输出值，如上所述，是指利用ECU6内的AD转换器对来自于空燃比传感器5的传感 器电流值检测电路的输出值进行AD变换得到的值，未进行过平滑化处理(钝化处理)。另 外，基准取样期间Atbs是监控在取得气缸间的空燃比偏差幅度AAF时的未经处理的输出 值的期间，可以预先通过实验求出。在本实施例中，基准取样期间Atbs相当于本发明中的 规定的取样时间。在步骤S103中，判定空燃比偏差幅度AAF是否超过规定的偏差幅度AAFp。并 且，在得到肯定的判定(AAF > AAFp)的情况下，判断为气缸间的空燃比偏差程度属于偏 差过大区域，进入步骤S104。另一方面，在得到否定的判定(AAF彡AAFp)的情况下，判断 为气缸间的空燃比偏差程度不属于偏差过大区域，暂时结束本程序。在步骤S104中，通过 点亮警告灯，通知驾驶员气缸间的空燃比偏差程度变高。并且，在结束本步骤的处理时，暂 时结束本程序。如上所述，根据本控制，由于可以基于基准取样期间Atbs的空燃比偏差幅度AAF的大小，推定气缸间的空燃比偏差程度，判定该空燃比偏差程度是否属于偏差过大区 域，所以，空燃比传感器5的搭载(配置)位置不受制约。从而，能够配置在排气管3的下 游侧。这样，特别地，能够适当地抑制由于在内燃机1的冷起动时发生的冷凝水、飞散水而 使空燃比传感器5着水。另外，在实施本控制时，也不受要将内燃机1保持在特定的运转状 态等制约，在所有的运转状态下，都可以推定气缸间的空燃比偏差程度。
权利要求
一种空燃比传感器，其特征在于，包括传感器元件，所述传感器元件输出与被检测气体的空燃比相对应的输出信号；一对电极，所述一对电极以夹着所述传感器元件的方式配置，由导入所述被检测气体的被检测气体侧电极和暴露在大气中的大气侧电极构成；受控扩散层，所述受控扩散层从所述被检测气体流入的流入部使该被检测气体向所述被检测气体侧电极导入，同时，以覆盖所述被检测气体侧电极的方式设置在所述传感器元件上；催化剂层，所述催化剂层形成于所述流入部的一部分上。
2.如权利要求1所述的空燃比传感器，其特征在于，在形成所述受控扩散层的六个面当中的除去覆盖所述被检测气体侧电极的被覆面及 与该被覆面对向的被覆对向面后的剩下的四个面中，在对向的一对面上形成所述流入部，所述催化剂层形成在形成所述流入部的一对对向面中的一个面上，而在另外一个面上 不形成所述催化剂层。
3.如权利要求1所述的空燃比传感器，其特征在于，在形成所述受控扩散层的六个面当中的除去覆盖所述被检测气体侧电极的被覆面及 与该被覆面对向的被覆对向面后的剩下的四个面中，在对向的一对面上形成所述流入部，在形成所述流入部的一对对向面的每一个上，设置形成催化剂层的催化剂层形成部和 不形成催化剂层的催化剂层非形成部。
4.一种内燃机的控制装置，其特征在于，包括设置在多气缸内燃机的排气通路中的如权利要求1至3中任何一项所述的空燃比传感器，排气空燃比检测机构，所述排气空燃比检测机构基于所述传感器元件输出的输出信 号，检测从所述多气缸内燃机排出的排气的空燃比，推定机构，所述推定机构获取在规定的取样时间中的所述空燃比的偏差幅度，基于该 偏差幅度的大小，推定气缸间的空燃比偏差程度。
全文摘要
本发明提供一种能够兼顾检测被检测气体的空燃比时的检测精度的提高和响应性的提高的空燃比传感器。所述空燃比传感器包括传感器元件，所述传感器元件输出与被检测气体的空燃比相对应的输出信号；一对电极，所述一对电极以夹着传感器元件的方式配置，由导入前述被检测气体的被检测气体侧电极和暴露在大气中的大气侧电极构成；受控扩散层，所述受控扩散层从前述被检测气体流入的流入部使该被检测气体向被检测气体侧电极导入，同时，以覆盖被检测气体侧电极的方式设置在前述传感器元件中；催化剂层，所述催化剂层形成在前述流入部的一部分中。
文档编号G01N27/26GK101878422SQ20088011806
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月27日
发明者青木圭一郎 申请人:丰田自动车株式会社