[发明专利]气体传感器、利用气体传感器的燃料供给系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感器、利用所述气体传感器的燃料供给系统和使用所述气体传感器的方法。具体地，本发明涉及能够获得对应于气体传感器周围的气体(周围气体)中的氧和可燃气体的浓度的电信号的气体传感器、使用所述气体传感器的燃料供给系统和使用所述气体传感器的方法。

背景技术

已经开发了安装在发动机废气通过的环境中的可以检测发动机中燃烧的空气-燃料混合物的空气-燃料比的气体传感器，并且这种气体传感器的最基本的实例之一记载于JP-A-2000-131271中。JP-A-2000-131271的气体传感器具有气体扩散阻挡部、固体电解质和一对电极。固体电解质具有氧离子导电性并具有板状形状。成对的电极形成于固体电解质的表面上。所述电极中的一个位于周围气体以由气体扩散阻挡部限定的速率扩散的区域中。该电极还催化氧和可燃气体之间的反应。另一个电极位于该区域之外，并且暴露于大气。

根据JP-A-2000-131271中描述的气体传感器，废气到达催化电极，其扩散速率由气体扩散阻挡部限定。由于该电极催化到达电极的废气中所含的氧和可燃气体的反应，所以在催化电极附近的废气中的氧含量降低。在该文中，描述了如下情形：在可燃气体和氧之间的反应之后，氧保留在周围气体中，即，周围气体中的氧浓度大于可燃气体的浓度(其称为贫空气-燃料比)。在一对电极设置在氧化锆固体电解质层的表面上并且提供限制周围气体扩散到电极中的气体扩散阻挡部的基本传感器中，其中引入周围气体的电极(检测电极)作为负电极，暴露于大气的电极作为正电极。当在两个电极之间施加预定电压时，周围气体中的氧在检测电极中电离。电离的氧作为氧离子引入氧化锆固体电解质层中。然后，电流在外部电源电路中流动。在该构造的传感器中，由于周围气体中的氧在气体扩散阻挡部的限制下引入电极中，所以在外部电源电路中流动的电流的大小与氧浓度成比例。因此，通过测量电流，可以测定废气中氧的浓度。

当周围气体中可燃气体的浓度大于氧的浓度(其称为“富空气-燃料比”)时，可燃气体保留在检测电极上。在该情况下，氧以氧离子的形式从大气侧面上的电极引入到氧化锆固体电解质层并供给到检测电极侧，并由此与检测电极上的可燃气体反应。因此，电流在电源电路中以相反的方向流动，基于电流的大小可以确定可燃气体的浓度。

利用这种气体传感器，当周围气体是混有可燃气体和氧的燃烧废气时，可以获得对应于贫空气-燃料比和富空气-燃料比的输出电流。因此，可以确定在发动机中燃烧的空气-燃料混合物的空气-燃料比。发动机废气中所含的可燃气体的主要组分是一氧化碳(CO)、氢(H₂)和甲烷(CH₄)，还含有微量的各种其它有机化合物。当这种类型的废气传感器直接暴露于这些组分和氧以化学非平衡状态混合的环境中时，检测空气-燃料比的准确性变差，或者检测准确性因电极劣化而变差。因此，在气体传感器周围设置另外的催化剂层以防止检测准确性变差。

JP-A-Hei 11-237361中记载的气体传感器具有在电极的一个表面上的多孔涂层，并且在该多孔涂层外部提供催化剂层。在该催化剂层中负载促进可燃气体和有机化合物与氧的反应的催化剂。通过提供催化剂层，废气中包含的可燃气体和有机化合物可以在到达催化电极之前在催化剂层中与氧反应。结果，以非平衡状态包含在废气中的可燃气体和氧在到达催化电极之前达到平衡。因此，可以精确地检测废气中所含的平衡的可燃气体和氧的浓度。因此，可以精确地检测空气-燃料比。

使用氧化锆固体电解质的许多气体传感器在被加热到600℃或更高的温度时表现出精确检测气体组分的浓度的能力。这类气体传感器通常设置有加热器以使传感器达到合适的温度。常规加热器以约3～5℃/秒的低速率加热气体传感器。然而，为了在短时间内将待供给到发动机的空气-燃料混合物的空气-燃料比调节到合适的值，需要增加气体传感器的加热速率。近年来的加热器可以以约30℃/秒或更高的速率加热气体传感器。结果，在气体传感器能够精确检测来自发动机的废气中的组分的浓度之前的延迟显著减小。

然而，已发现：该气体传感器在刚开始检测之后测定空气-燃料比为富空气-燃料比，甚至在发动机中燃烧的空气-燃料混合物具有化学计量的空气-燃料比时也是如此。还发现，加热气体传感器的速率越高，上述现象越可能出现，但是在加热完成之后逐渐消失。