置有用于檢測在排氣歧管19內(nèi)流動的排氣(即流入上游側(cè)排氣凈化催化劑20的排氣)的空燃比的上游側(cè)空燃比傳感器40。另外，在排氣管22內(nèi)配置有檢測在排氣管22內(nèi)流動的排氣(即從上游側(cè)排氣凈化催化劑20流出并流入下游側(cè)排氣凈化催化劑24的排氣)的空燃比的下游側(cè)空燃比傳感器41。這些空燃比傳感器40、41的輸出也經(jīng)由對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器38被輸入到輸入端口 36。此外，關(guān)于這些空燃比傳感器40、41的結(jié)構(gòu)將在后面敘述。
[0066]另外，加速踏板42連接有產(chǎn)生與加速踏板42的踩踏量成比例的輸出電壓的負(fù)荷傳感器43，負(fù)荷傳感器43的輸出電壓經(jīng)由對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器38被輸入到輸入端口 36。曲軸轉(zhuǎn)角傳感器44例如在曲軸每旋轉(zhuǎn)15°時(shí)產(chǎn)生輸出脈沖，該輸出脈沖被輸入到輸入端口36?在CPU35中，根據(jù)該曲軸轉(zhuǎn)角傳感器44的輸出脈沖計(jì)算內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速。另一方面，輸出端口 37經(jīng)由對應(yīng)的驅(qū)動電路45與火花塞10、燃料噴射閥11以及節(jié)氣門驅(qū)動致動器17連接。此外，ECU31作為基于各種傳感器等的輸出來控制內(nèi)燃機(jī)的內(nèi)燃機(jī)控制裝置發(fā)揮作用。
[0067]〈空燃比傳感器的結(jié)構(gòu)〉
[0068]接著，參照圖3對本實(shí)施方式中的空燃比傳感器40、41的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖3是空燃比傳感器40、41的概略剖視圖。從圖3可知，本實(shí)施方式中的空燃比傳感器40、41是具有2個(gè)包括固體電解質(zhì)層和一對電極的元件(cell)的2元件型的空燃比傳感器。
[0069]如圖3所示，空燃比傳感器40、41具備被測氣體室51、基準(zhǔn)氣體室52、以及在被測氣體室51的兩側(cè)配置的兩個(gè)固體電解質(zhì)層53、54?；鶞?zhǔn)氣體室52隔著第二固體電解質(zhì)層54設(shè)置在被測氣體室51的相反側(cè)。在第一固體電解質(zhì)層53的被測氣體室51側(cè)的側(cè)面上配置有氣體室側(cè)電極(第三電極)55，在第一固體電解質(zhì)層53的排氣側(cè)的側(cè)面上配置有排氣側(cè)電極(第四電極)56。這些第一固體電解質(zhì)層53、氣體室側(cè)電極55以及排氣側(cè)電極56構(gòu)成泵元件60。
[0070]另一方面，在第二固體電解質(zhì)層54的被測氣體室51側(cè)的側(cè)面上配置有氣體室側(cè)電極(第一電極)57，在第二固體電解質(zhì)層54的基準(zhǔn)氣體室52側(cè)的側(cè)面上配置有基準(zhǔn)側(cè)電極(第二電極)58。這些第二固體電解質(zhì)層54、氣體室側(cè)電極57以及基準(zhǔn)側(cè)電極58構(gòu)成基準(zhǔn)元件61。
[0071]在兩個(gè)固體電解質(zhì)層53、54之間，以包圍泵元件60的氣體室側(cè)電極55和基準(zhǔn)元件61的氣體室側(cè)電極57的方式設(shè)置有擴(kuò)散限速層63。因此，被測氣體室51由第一固體電解質(zhì)層53、第二固體電解質(zhì)層54以及擴(kuò)散限速層63區(qū)劃而成。排氣經(jīng)由擴(kuò)散限速層63流入被測氣體室51。因而，配置在被測氣體室51內(nèi)的電極、即泵元件60的氣體室側(cè)電極55和基準(zhǔn)元件61的氣體室側(cè)電極57經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而暴露于排氣。此外，擴(kuò)散限速層63不一定必須設(shè)置成流入被測氣體室51的排氣通過該擴(kuò)散限速層63。只要到達(dá)基準(zhǔn)元件61的氣體室側(cè)電極57的排氣成為通過了擴(kuò)散限速層的排氣即可，擴(kuò)散限速層可以以任意形態(tài)來配置。
[0072]另外，在第二固體電解質(zhì)層54的基準(zhǔn)氣體室52側(cè)的側(cè)面上，以包圍基準(zhǔn)氣體室52的方式設(shè)置有加熱器部64。因此，基準(zhǔn)氣體室52由第二固體電解質(zhì)層54和加熱器部64區(qū)劃而成。向該基準(zhǔn)氣體室52內(nèi)導(dǎo)入基準(zhǔn)氣體。在本實(shí)施方式中，基準(zhǔn)氣體室52開放于大氣，因而，向基準(zhǔn)氣體室52內(nèi)導(dǎo)入大氣作為基準(zhǔn)氣體。
[0073]另外，在加熱器部64設(shè)置有多個(gè)加熱器65，能夠通過這些加熱器65來控制空燃比傳感器40、41的溫度、特別是固體電解質(zhì)層53、54的溫度。加熱器65具有足以將固體電解質(zhì)層53、54加熱至活化的發(fā)熱容量。另外，在第一固體電解質(zhì)層53的排氣側(cè)的側(cè)面上設(shè)置有保護(hù)層66。保護(hù)層66由多孔質(zhì)材料形成，以防止排氣中的液體等直接附著于排氣側(cè)電極56，并且使得排氣到達(dá)排氣側(cè)電極56。
[0074]固體電解質(zhì)層53、54由將CaO、MgO、Y2O3.Yb2O3等作為穩(wěn)定劑加入到ZrO 2 (氧化鋯)、Hf02、Th02、Bi203等而得到的氧離子傳導(dǎo)性氧化物的燒結(jié)體形成。另外，擴(kuò)散限速層63由氧化鋁、氧化鎂、硅質(zhì)、尖晶石、莫來石等耐熱性無機(jī)物質(zhì)的多孔質(zhì)燒結(jié)體形成。進(jìn)而，電極55?58由鉬等催化劑活性高的貴金屬形成。
[0075]在基準(zhǔn)元件61的氣體室側(cè)電極57與基準(zhǔn)側(cè)電極58之間，由搭載于E⑶31的基準(zhǔn)元件電壓施加裝置70施加傳感器施加電壓Vr。另外，在ECU31設(shè)置有基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71，該基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測在由基準(zhǔn)元件電壓施加裝置70施加了傳感器施加電壓Vr時(shí)經(jīng)由第二固體電解質(zhì)層54而在這些電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流Ir。
[0076]另外，在泵元件60的氣體室側(cè)電極55與排氣側(cè)電極56之間，由搭載于E⑶31的泵電壓施加裝置72施加泵電壓Vp0由泵電壓施加裝置72施加的泵電壓Vp根據(jù)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到的基準(zhǔn)元件輸出電流Ir來設(shè)定。具體而言，根據(jù)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到的基準(zhǔn)元件輸出電流Ir與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)電流(例如，零)之差來設(shè)定泵電壓Vp。另外，在ECU31設(shè)置有泵電流檢測裝置73，該泵電流檢測裝置73檢測在由泵電壓施加裝置72施加了泵電壓Vp時(shí)經(jīng)由第一固體電解質(zhì)層53而在該電極55、56間流動的泵電流Ip。
[0077]此外，若通過泵電壓施加裝置72使泵電壓Vp變化，則在電極85、86間流動的泵電流Ip變化。換言之，可以說泵電壓施加裝置72控制著泵電流Ip。因此，泵電壓施加裝置72作為控制泵電流Ip的泵電流控制裝置發(fā)揮作用。此外，例如通過與泵電壓施加裝置72串聯(lián)地配置可變電阻并變更該可變電阻，泵電流Ip也會變化。因此，作為泵電流控制裝置，也可以使用可變電阻等泵電壓施加裝置72以外的單元。
[0078]〈空燃比傳感器的動作〉
[0079]接著，參照圖4，對這樣構(gòu)成的空燃比傳感器40、41的動作的基本概念進(jìn)行說明。圖4是概略示出空燃比傳感器40、41的動作的圖。在使用時(shí)，空燃比傳感器40、41被配置成保護(hù)層66和擴(kuò)散限速層63的外周面暴露于排氣。另外，向空燃比傳感器40、41的基準(zhǔn)氣體室52導(dǎo)入大氣。
[0080]如上所述，固體電解質(zhì)層53、54由氧離子傳導(dǎo)性氧化物的燒結(jié)體形成。因而，具有如下性質(zhì)(氧電池特性):當(dāng)在因高溫而活化的狀態(tài)下在固體電解質(zhì)層53、54的兩側(cè)面間產(chǎn)生了氧濃度之差時(shí)，會產(chǎn)生欲使氧離子從濃度高的側(cè)面?zhèn)认驖舛鹊偷膫?cè)面?zhèn)纫苿拥碾妱觿軪。
[0081]相反，固體電解質(zhì)層53、54具有如下特性(氧泵特性):當(dāng)對兩側(cè)面間施加電位差時(shí)，欲引起氧離子的移動，以使得根據(jù)該電位差而在固體電解質(zhì)層的兩側(cè)面間產(chǎn)生氧濃度比。具體而言，在對兩側(cè)面間施加了電位差的情況下，會引起氧離子的移動，以使得賦予了正極性的側(cè)面的氧濃度相對于賦予了負(fù)極性的側(cè)面的氧濃度以與電位差相應(yīng)的比率變高。
[0082]因此，在泵元件60中，當(dāng)由泵電壓施加裝置72在氣體室側(cè)電極55與排氣側(cè)電極56之間施加泵電壓Vp時(shí)，與此相應(yīng)地產(chǎn)生氧離子的移動。伴隨于這樣的氧離子的移動，從排氣中向被測氣體室51內(nèi)泵入氧，或者從被測氣體室51內(nèi)向排氣中泵出氧。
[0083]另一方面，本實(shí)施方式的基準(zhǔn)元件61，根據(jù)后述的機(jī)理，在被測氣體室51內(nèi)的排氣的空燃比為濃判定空燃比(比理論空燃比稍濃的預(yù)先設(shè)定的空燃比，例如14.55)時(shí)，在電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流成為零。另一方面，在被測氣體室51內(nèi)的排氣的空燃比比濃判定空燃比濃時(shí)，在電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流成為負(fù)電流，其大小與排氣的空燃比與濃判定空燃比之差成比例。相反，在被測氣體室內(nèi)的排氣空燃比比濃判定空燃比稀時(shí)，在電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流成為正電流，其大小與排氣的空燃比與濃判定空燃比之差成比例。
[0084]在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比比濃判定空燃比稀時(shí)，如圖4(A)所示，稀空燃比的排氣經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入到被測氣體室51內(nèi)。當(dāng)這樣流入包含大量氧的稀空燃比的排氣時(shí)，根據(jù)后述的機(jī)理，在基準(zhǔn)元件61的電極57、58間與排氣的空燃比與濃判定空燃比之差成比例地流動正的基準(zhǔn)元件輸出電流，該基準(zhǔn)元件輸出電流由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測。
[0085]當(dāng)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到基準(zhǔn)元件輸出電流時(shí)，泵電壓施加裝置72基于該基準(zhǔn)元件輸出電流對泵元件60的電極55、56施加泵電壓。特別是，當(dāng)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到正的基準(zhǔn)元件輸出電流時(shí)，將排氣側(cè)電極56作為正電極、將氣體室側(cè)電極55作為負(fù)電極來施加泵電壓。通過這樣對泵元件60的電極55、56施加泵電壓，在泵元件60的第一固體電解質(zhì)層53中，從負(fù)電極朝向正電極、即從氣體室側(cè)電極55朝向排氣側(cè)電極56產(chǎn)生氧離子的移動。因而，被測氣體室51內(nèi)的氧被泵出到空燃比傳感器40、41周圍的排氣中。
[0086]從被測氣體室51內(nèi)向空燃比傳感器40、41周圍的排氣中泵出的氧的流量與泵電壓成比例，另外，泵電壓與由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到的正的基準(zhǔn)元件輸出電流的大小成比例。因此，被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比的稀程度越大，即被測氣體室51內(nèi)的氧濃度越高，則從被測氣體室51內(nèi)向空燃比傳感器40、41周圍的排氣中泵出的氧的流量越多。其結(jié)果，經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入被測氣體室51的氧流量和由泵元件60泵出的氧流量基本上一致，被測氣體室51內(nèi)基本上大致保持為濃判定空燃比。
[0087]由泵元件60泵出的氧流量與在泵元件60的第一固體電解質(zhì)層53內(nèi)移動的氧離子的流量相等。并且，該氧離子的流量與在泵元件60的電極55、56間流動的電流相等。因而，通過利用泵電流檢測裝置73檢測在電極55、56間流動的泵電流作為空燃比傳感器40、41的輸出電流(以下，稱作“傳感器輸出電流”)，能夠檢測經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入被測氣體室51的氧流量，因此能夠檢測被測氣體室51周圍的排氣的稀空燃比。
[0088]另一方面，在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比比濃判定空燃比濃時(shí)，如圖4(B)所示，濃空燃比的排氣經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入到被測氣體室51內(nèi)。當(dāng)這樣流入包含大量未燃?xì)怏w(HC、CO等)的濃空燃比的排氣時(shí)，根據(jù)后述的機(jī)理，在基準(zhǔn)元件61的電極57、58間與排氣的空燃比與濃判定空燃比之差成比例地流動負(fù)的基準(zhǔn)元件輸出電流，該基準(zhǔn)元件輸出電流由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測。
[0089]當(dāng)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到基準(zhǔn)元件輸出電流時(shí)，泵電壓施加裝置72基于該基準(zhǔn)元件輸出電流對泵元件60的電極55、56間施加泵電壓。特別是，當(dāng)由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到負(fù)的基準(zhǔn)元件輸出電流時(shí)，將氣體室側(cè)電極55作為正電極、將排氣側(cè)電極56作為負(fù)電極來施加泵電壓。通過這樣施加泵電壓，在泵元件60的第一固體電解質(zhì)層53中，從負(fù)電極朝向正電極、即從排氣側(cè)電極56朝向氣體室側(cè)電極55產(chǎn)生氧離子的移動。因而，空燃比傳感器40、41周圍的排氣中的氧被泵入到被測氣體室51內(nèi)。
[0090]從空燃比傳感器40、41周圍的排氣中向被測氣體室51內(nèi)泵入的氧的流量與泵電壓成比例，另外，泵電壓與由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到的負(fù)的基準(zhǔn)元件輸出電流的大小成比例。因此，被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比的濃程度越大，即被測氣體室51內(nèi)的未燃?xì)怏w的濃度越高，則從空燃比傳感器40、41周圍的排氣中向被測氣體室51內(nèi)泵入的氧的流量越多。其結(jié)果，經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入被測氣體室51的未燃?xì)怏w的流量和由泵元件60泵入的氧流量成為化學(xué)當(dāng)量比，由此，被測氣體室51內(nèi)基本上大致保持為濃判定空燃比。
[0091]由泵元件60泵入的氧流量與在泵元件60內(nèi)的第一固體電解質(zhì)層53內(nèi)移動的氧離子的流量相等。并且，該氧離子的流量與在泵元件60的電極55、56間流動的電流相等。因而，通過利用泵電流檢測裝置73檢測在電極55、56間流動的泵電流作為傳感器輸出電流，能夠檢測經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入被測氣體室51的未燃?xì)怏w的流量，因此，能夠檢測被測氣體室51周圍的排氣的濃空燃比。
[0092]另外，在空燃比傳感器40、41周圍的排氣空燃比為濃判定空燃比時(shí)，如圖4(C)所示，濃判定空燃比的排氣經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而流入到被測氣體室51內(nèi)。當(dāng)這樣流入濃判定空燃比的排氣時(shí)，根據(jù)后述的機(jī)理，在基準(zhǔn)元件61的電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流成為零，該基準(zhǔn)元件輸出電流由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測。
[0093]在由基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測到的基準(zhǔn)元件輸出電流為零時(shí)，由泵電壓施加裝置72施加的泵電壓也隨之被設(shè)為零。因而，在泵元件60的第一固體電解質(zhì)層53中不產(chǎn)生氧離子的移動，因而，被測氣體室51內(nèi)基本上大致維持為濃判定空燃比。并且，由于在泵元件60的第一固體電解質(zhì)層53中不產(chǎn)生氧離子的移動，所以由泵電流檢測裝置73檢測的泵電流(即，傳感器輸出電流)也成為零。因此，可知:在由泵電流檢測裝置73檢測的泵電流為零時(shí)，被測氣體室51周圍的排氣的空燃比與濃判定空燃比相等。
[0094]這樣構(gòu)成的空燃比傳感器40、41具有圖5所示的輸出特性。S卩，在空燃比傳感器40,41中，排氣空燃比越大(即，越稀)，則泵電流(傳感器輸出電流)Ip越大。另外，在本實(shí)施方式中，空燃比傳感器40、41構(gòu)成為在排氣空燃比與濃判定空燃比一致時(shí)泵電流(傳感器輸出電流)Ip成為零。
[0095]<基準(zhǔn)元件的動作>
[0096]如上所述，在基準(zhǔn)元件61中，在被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比為濃判定空燃比時(shí)，在電極57、58間流動的基準(zhǔn)元件輸出電流成為零，在被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比成為了與濃判定空燃比不同的空燃比時(shí)，基準(zhǔn)元件輸出電流根據(jù)該排氣空燃比而變化。以下，參照圖6，對基準(zhǔn)元件61的動作的基本概念進(jìn)行說明。圖6是概略示出基準(zhǔn)元件61的動作的圖。在使用時(shí)，如上所述，經(jīng)由擴(kuò)散限速層63而向被測氣體室51導(dǎo)入排氣，向基準(zhǔn)氣體室52導(dǎo)入大氣。另外，如圖3和圖6所示，在空燃比傳感器40、41中，以基準(zhǔn)側(cè)電極58成為正極性、氣體室側(cè)電極57成為負(fù)極性的方式在該電極57、58間施加有一定的傳感器施加電壓Vr。
[0097]在被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比比濃判定空燃比稀時(shí)，第二固體電解質(zhì)層54的兩側(cè)面間的氧濃度之比不是很大。因而，若將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為合適的值，則在第二固體電解質(zhì)層54的兩側(cè)面間，實(shí)際的氧濃度比小于與傳感器施加電壓Vr對應(yīng)的氧濃度比。因而，如圖6(A)所示，從氣體室側(cè)電極57朝向基準(zhǔn)側(cè)電極58引起氧離子的移動，以使得第二固體電解質(zhì)層54的兩側(cè)面間的氧濃度比朝向與傳感器施加電壓Vr對應(yīng)的氧濃度比變大。其結(jié)果，從施加傳感器施加電壓Vr的基準(zhǔn)元件電壓施加裝置70的正極經(jīng)由基準(zhǔn)側(cè)電極58、第二固體電解質(zhì)層54以及氣體室側(cè)電極57而向基準(zhǔn)元件電壓施加裝置70的負(fù)極流動電流。
[0098]若將傳感器施加電壓Vr設(shè)定為合適的值，則此時(shí)流動的電流(基準(zhǔn)元件輸出電流)Ir的大小與因擴(kuò)散而從排氣中通過擴(kuò)散限速層63而流入被測氣體室51的氧流量成比例。因此，通過利用基準(zhǔn)元件輸出電流檢測裝置71檢測該電流Ir的大小，能夠得知被測氣體室51內(nèi)的氧濃度，進(jìn)而能夠得知稀區(qū)域中的空燃比。
[0099]另一方面，在被測氣體室51內(nèi)的排氣空燃比比濃判定空燃比濃時(shí)，由于未燃?xì)怏w從排氣中通過擴(kuò)散限速層63而流入到被測氣體室51內(nèi)，所以即使在氣體室側(cè)電極57上存在氧，該氧也會與未燃?xì)怏w反應(yīng)而被除去。因而，在被測氣體室51內(nèi)，氧濃度變得極低，其結(jié)果