DE10029236A1 - Gaskonzentrationsabtastvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung besitzt einen Innenraum, in den ein NOx enthaltendes Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird. Ein Sauerstoffpumpabschnitt umfasst ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist und ein Paar von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind. Eine der Elektroden ist in bezug auf die Zersetzung von NOx inaktiv und liegt im Innenraum frei und die Sauerstoffkonzentration im Innenraum wird gesteuert, indem ein Strom dem Paar der Elektroden zugeführt wird. Ein Gaskonzentrationsabtastabschnitt umfasst ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist und ein Paar von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind. Eine der Elektroden ist aktiv in bezug auf die Zersetzung von NOx und liegt im Innenraum frei. Die NOx-Konzentration wird aus einer Sauerstoffmenge detektiert, die durch Zersetzung des NOx erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird. Die vorstehend erwähnte eine Elektrode im Gaskonzentrationsabtastabschnitt enthält Platin und Rhodium als Hauptmetalle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors, der die Konzentration einer speziellen Komponente eines Meßgases, beispielsweise eines vom Motor eines Kraftfahr­ zeuges abgegebenen Abgases, detektiert.

Normalerweise ist ein NOx-Konzentrationssensor erforder­ lich, um die Prozesssteuerung eines Kraftfahrzeugmotors zur Reduzierung von dessen NOx-Emission durchzuführen. Ein NOx-Konzentrationssensor, der an einem Punkt in einem Abgaskanal des Motors abstromseitig eines Katalysators zur NOx-Behandlung angeordnet ist, kann in einem System zur Ermittlung, ob sich der Katalysator in signifikanter Weise verschlechtert hat oder nicht, eingesetzt werden.

Fig. 1 zeigt einen Gaskonzentrationssensor des Standes der Technik, der zum Detektieren der NOx-Konzentration dient. Der Gaskonzentrationssensor des Standes der Technik der Fig. 1 besitzt Festelektrolytschichten 101 und 102, zwischen denen sich ein Innenraum 103 erstreckt. Ein Messgas (ein zu messendes Gas) wird über ein feines Loch 104 in den Innenraum 103 eingeführt. Bei dem Messgas handelt es sich um ein von Brennkammern eines Motors abgegebenes Abgas.

Bei dem Gaskonzentrationssensor der Fig. 1 ist eine Elektrode 101a auf der Oberseite der Festelektrolyt­ schicht 101 ausgebildet. Eine Elektrode 101b ist auf der Unterseite der Festelektrolytschicht 101 ausgebildet. Die Festelektrolytschicht 101 und die Elektroden 101a und 101b bilden eine Sauerstoffpumpzelle. Wenn eine Spannung zwischen die Elektroden 101a und 101b gelegt wird, wie in Fig. 1 gezeigt, wird nur Sauerstoff vom Innenraum 103 über die Festelektrolytschicht 101 zur Außenseite ge­ pumpt. Dieser Pumpvorgang dient dazu, die Sauerstoffkon­ zentration im Innenraum 103 auf einen vorgegebenen Wert (Referenzwert) zu steuern. Um zu verhindern, dass die Sauerstoffpumpzelle NOx zersetzt, besteht die Elektrode 101b, die dem Innenraum 103 gegenüberliegt, aus Pt-Au, das gegenüber NOx inaktiv ist.

Bei dem Gaskonzentrationssensor des Standes der Technik der Fig. 1 ist eine Elektrode 102a auf der Oberseite der Festelektrolytschicht 102 ausgebildet. Eine Elektrode 102b ist auf der Unterseite der Festelektrolytschicht 102 ausgebildet. Die Festelektrolytschicht 102 und die Elektroden 102a und 102b bilden eine Sensorzelle. Die Elektrode 102a, die dem Innenraum 103 gegenüberliegt, be­ steht aus Pt, das gegenüber NOx aktiv ist und dieses zersetzt. Daher wird in einem Bereich auf der Elektrode 102a NOx mit Stickstoff und Sauerstoff zersetzt, so dass Sau­ erstoff neu erzeugt wird. Da die Pumpzelle die Sauer­ stoffkonzentration im Innenraum 103 auf den vorgegebenen Wert steuert, kann die NOx-Konzentration im Abgas (Mess­ gas) detektiert werden, indem der Pegel eines in der Sen­ sorzelle fließenden Stromes unter Bedingungen gemessen wird, bei denen eine vorgegebene Steuerspannung zwischen die Elektroden 102a und 102b gelegt wird.

Während der Herstellung des Gaskonzentrationssensors des Standes der Technik gemäß Fig. 1 werden Elektrodenmuster aus Elektrodenmaterialien über Druckprozesse auf frischen Lagen für die Festelektrolytschichten 101 und 102 ausge­ bildet. Die frischen Lagen mit den Elektrodenmustern wer­ den vor dem Brennen zu einem Laminat kombiniert. Während des Brennens verflüchtet sich Au aus dem Elektrodenmuster für die Pt-Au-Elektrode 101b und haftet dann am Elektro­ denmuster für die Pt-Elektrode 102a. Somit befindet sich bei dem Gaskonzentrationssensor des Standes der Technik der Fig. 1 Au auf der Oberfläche der Pt-Elektrode 102a. Dieses Au reduziert das Zersetzungsverhalten der Elektrode 102a in bezug auf NOx.

Bei einem weiter entwickelten Gaskonzentrationssensor, der gegenüber dem Gaskonzentrationsssensor des Standes der Technik der Fig. 1 verbessert ist, wird eine Elektrode 102a, die einem Innenraum 103 gegenüberliegt, aus Rh oder Bt-Rh hergestellt, die eine höhere Zerset­ zungsaktivität in bezug auf NOx besitzen als Pt. Bei und unmittelbar nach Betriebsbeginn des verbesserten Gaskonzentrationssensors variiert der Sensorzellenstrom in der in Fig. 2 gezeigten Weise. Wenn eine vorgegebene Span­ nung (0,5 V) an eine Sensorzelle gelegt worden ist, dau­ ert es zwei oder drei Minuten, um den Sensorzellenstrom zu stabilisieren. Eine derart lange Zeit wird offensicht­ lich durch die nachfolgende Tatsache verursacht. Die Rh- oder Pt-Rh-Elektrode 102a neigt zum Adsorbieren von O₂. Bei Betriebsbeginn des verbesserten Gaskonzentrationssen­ sors zersetzt sind von der Rh- oder Pt-Rh-Elektrode 102a adsorbiertes O₂, so dass ein Strom entsteht. Dieser Strom auf der Basis der O2-Zersetzung erhöht den Sensorzellen­ strom und bewirkt somit, daß der Sensorzellenstrom unsta­ bil wird.

Als Stabilisierungszeit wird die Zeit definiert, die zum Stabilisieren des Sensorzellenstromes nach Betriebsbeginn des verbesserten Gaskonzentrationssensors benötigt wird. Wie man Fig. 3 entnehmen kann, steigt die Stabilisie­ rungszeit an, wenn der Rh-Anteil (Gew.-%) des Materiales für die Elektrode 102a ansteigt.

Fig. 4 zeigt einen weiteren Gaskonzentrationssensor 1100 des Standes der Technik eines Verbundtyps, der so ausge­ bildet ist, dass er sowohl die NOx-Konzentration als auch die O₂-Konzentration detektiert. Dieser Gaskonzentra­ tionssensor 1100 des Standes der Technik der Fig. 1 hat zwei Zellen, d. h. eine Pumpzelle zum Abtasten der O₂-Kon­ zentration und eine Sensorzelle zum Abtasten der NOx-Kon­ zentration.

Wie man Fig. 4 entnehmen kann, hat der Gaskonzentra­ tionssensor 1100 des Standes der Technik eine laminierte Struktur einschließlich einer Pumpzelle 1110, einer porö­ sen Diffusionsschicht 1101, einer Sensorzelle 1120, eines Atmosphärenkanales 1102 und einer Heizeinrichtung 1103. Der Sensor 1100 ist an ein Motorabgasrohr angeschlossen, so dass eine Oberseite, eine Unterseite und eine linke Seite derselben einem Abgas ausgesetzt sind, das von den Verbrennungskammern des Motors abgegeben wird.

Die Pumpzelle 1110 erstreckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und einem mit dem Abgas gefüllten externen Raum. Die Abgasseite oder die Oberseite der Pumpzelle 1110 hat eine erste Elektrode 1111. Die Diffu­ sionsschichtseite oder Unterseite der Pumpzelle 1110 be­ sitzt eine zweite Elektrode 1112. Die Sensorzelle 1120 erstreckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und dem Atmosphärenkanal 1102. Die Diffusionssicht­ seite oder Oberseite der Sensorzelle 1120 hat eine erste Elektrode 1121. Die Atmosphärenkanalseite oder Unterseite der Sensorzelle 1120 hat eine zweite Elektrode 1122. Das Abgas strömt durch die poröse Diffusionsschicht 1101 in Fig. 4 in einer Richtung nach rechts.

Sowohl die Pumpzelle 1110 als auch die Sensorzelle 1120 besitzen eine Festelektrolytschicht aus einem Sau­ erstoffionen-leitenden gebrannten Oxid (Keramik). Das Sauerstoffionen-leitende, gebrannte Oxid enthält ZrO₂, HfO₂, ThO₂ oder Bi₂O₃, in die CaO, MgO, Y₂O₃ oder Yb₂O₃ durch Lösungsbehandlung als Stabilisator eingeführt wurde. Die poröse Diffusionsschicht 1101 besteht aus einem hitzefesten anorganischen Material, wie Aluminium­ oxid, Magnesiumoxid, Quarzit, Spinel oder Mullit.

Die erste Elektrode 1111 der Pumpzelle 1110 und die erste und zweite Elektrode 1121 und 1122 der Sensorzelle 1120 bestehen aus Edelmetallen, wie Pt, das eine hohe kata­ lytische Aktivität besitzt. Die zweite Elektrode 1112 der Pumpzelle 1110 besteht aus einem Edelmetall oder einer Edelmetallegierung, wie Au-Pt, die inaktiv gegenüber NOx ist, d. h. NOx nicht zersetzt.

Die Heizeinrichtung 1103 ist in eine Isolationsschicht 1104 eingebettet. Der Atmosphärenkanal 1102 ist zwischen der Isolationsschicht 1104 und der Sensorzelle 1120 aus­ gebildet. Von außen wird eine Atmosphäre in den Atmosphä­ renkanal 1102 eingeführt. Die Atmosphäre im Atmosphären­ kanal 1102 findet als Referenzgas Verwendung, um einen Referenzpartialdruck für Sauerstoff (O₂) oder eine Refe­ renz betreffend eine Sauerstoff (O₂)-Konzentration zur Verfügung zu stellen. Die Isolationsschicht 1104 besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid. Die Heizeinrichtung 1103 besteht aus einem Platin-Aluminiumoxid-Cermet oder einem anderen Cermet. Die Heizeinrichtung 1103 erzeugt Wärme, wenn sie von außen mit elektrischem Strom versorgt wird. Die von der Heizeinrichtung 1103 erzeugte Hitze macht den gesamten Sensor aktiv, einschließlich der Pump­ zelle 1110 und der Sensorzelle 1120.

Der Gaskonzentrationssensor 1100 des Standes der Technik der Fig. 4 funktioniert wie folgt. Wie man Fig. 5 ent­ nehmen kann, dringt ein Abgas in die poröse Diffusionsschicht 1101 über die linke Endfläche derselben ein. All­ gemein gesagt enthält das Abgas Komponenten, wie Sauer­ stoff (O₂), Stickoxide (NOx), Kohlendioxid (CO₂) und Was­ ser (H₂O). Das Abgas strömt in der porösen Diffusions­ schicht 1101 nach rechts. Eine Spannung wird an die Pump­ zelle 1110 gelegt. Eine spezielle Komponente des Abgases wird durch das Anlegen der Spannung an die Pumpzelle 1110 herausgepumpt.

Wie vorher erwähnt, ist die zweite Elektrode 1112 der Pumpzelle 1110 in bezug auf NOx inaktiv. Wie daher in Fig. 6 gezeigt, wird nur Sauerstoff (O₂) von der Pumpzelle 1110 in Sauerstoffionen zersetzt. Diese Sauerstoffionen werden von der porösen Diffusionsschicht 1101 in die Pumpzelle 1110 gezogen und durch die Pumpzelle 1110 über­ führt, bevor sie über die erste Pumpelektrode 1111 in das Abgas im externen Raum, d. h. das den Körper des Sensors 1100 umgebende Abgas, abgegeben werden. Auf diese Weise wird nur Sauerstoff (O₂) vom Abgas in die poröse Diffu­ sionsschicht 1101 in der Nähe der Pumpzelle 1110 gepumpt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein elektrischer Strom, der durch die Pumpzelle 1110 fließt, als Anzeige für die Sau­ erstoff (O₂)-Konzentration im Abgas detektiert.

Die Pumpzelle 1110 trennt nur einen Teil der Sauerstoff­ komponente (O₂) vom Abgas in der porösen Diffusions­ schicht 1101. Daher strömt das Abgas, das einen verblei­ benden Teil der Sauerstoffkomponente (O₂) enthält, von dem Bereich in der Nähe der Pumpzelle 1110 zu einem Be­ reich in der porösen Diffusionsschicht 1101 in der Nähe der Sensorzelle 1120. Eine Spannung wird an die Sensorzelle 1120 gelegt. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird das Abgas in dem Bereich in der Nähe der Sensorzelle 1120 von der Sensorzelle 1120 zersetzt. Speziell wird NOx im Abgas durch eine Reaktion "NOx → (1/2)N₂ + (x/2)O₂" zersetzt. Somit erzeugt die Zersetzung des NOx neuen Sauerstoff (O₂). Der verbleibende Sauerstoff (O₂) und der neue Sau­ erstoff (O₂) werden von der Sensorzelle 1120 in Sau­ erstoffionen zersetzt. Die Sauerstoffionen werden von der porösen Diffusionsschicht 1101 in die Sensorzelle 1120 gezogen und durch die Sensorzelle 1120 geführt, bevor sie über die zweite Sensorelektrode 1122 im Atmosphärenkanal 1102 in die Atmosphäre abgegeben werden. Auf diese Weise werden der verbleibende Sauerstoff (O₂) und der neue Sau­ erstoff (O₂) vom Abgas in der porösen Diffusionsschicht 1101 in der Nähe der Sensorzelle 1120 abgepumpt. Zu die­ ser Zeit wird ein durch die Sensorzelle 1120 fließender elektrischer Strom als Anzeige der NOx-Konzentration im Abgas detektiert. Der verbleibende Sauerstoff (O₂) er­ zeugt einen auf der Zersetzung basierenden Strom, bei dem es sich um einen Offset-Strom handelt, der dem durch die Sensorzelle 1120 fließenden, die NOx-Konzentration anzei­ genden elektrischen Strom überlagert ist.

Die Pumpzelle 1110 hat die folgenden Eigenschaften. Ein Pumpzellenstrom, der von der ersten Pumpelektrode 1110 zur zweiten Pumpelektrode 1112 fließt, wird als positiv definiert. Fig. 8 zeigt V-I (Spannungs-Strom)-Eigen­ schaften der Pumpzelle 1110. In Fig. 8 ist auf der Ab­ szisse die an die Pumpzelle gelegte Spannung (die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung) angegeben, während die Ordinate den Pumpzellenstrom (den durch die Pumpzelle 1110 fließenden Strom) wiedergibt. Wie in Fig. 8 ge­ zeigt, ist ein Pumpzellenstrom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration begrenzt. Der Strombegrenzungsbe­ reich entspricht einem geraden Abschnitt einer jeden cha­ rakteristischen Kurve, die parallel zur Abszisse ver­ läuft, d. h. der V-Achse (Spannungsachse). Der Strombe­ grenzungsbereich verschiebt sich zur Seite der positiven Spannung, wenn die Sauerstoffkonzentration ansteigt. Die Steuerung wird so durchgeführt, dass die Pumpzelle 1110 mit einer Spannung beaufschlagt wird, die dem Winkel ei­ ner Gleichstromwiderstandskomponente der Pumpzelle 1110 (dem Winkel einer Steigung, der ansteigt, wenn die ange­ legte Spannung ansteigt) entspricht, d. h. einer durch die Linie LX1 in Fig. 8 wiedergegebenen Spannung. Diese Steuerung ermöglicht es, einen gewünschten Sensorstrom (begrenzten Strom) für jeden Wert der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas vorzusehen.

Da die zweite Elektrode 1112 der Pumpzelle 1110 in bezug auf NOx inaktiv ist, zersetzt die Pumpzelle 1110 kaum NOx im Abgas, wenn die an die Pumpzelle gelegte Spannung niedriger ist als ein vorgegebener Pegel. Wenn die an die Pumpzelle gelegte Spannung den vorgegebenen Pegel über­ steigt, zersetzt die Pumpzelle 1110 NOx im Abgas in we­ sentlicher Weise. Wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 8 angedeutet, fließt in diesem Fall ein von der NOx- Konzentration abhängiger Pumpzellenstrom zusätzlich zu einem die Sauerstoffkonzentration wiedergebenden Pumpzel­ lenstrom. Somit wird die durch die Linie LX1 in Fig. 8 wiedergegebene angelegte Steuerspannung so ausgewählt, dass die Pumpzelle 110 das NOx im Abgas nicht wesentlich zersetzt.

Die Sensorzelle 1120 hat die folgenden Eigenschaften. Ein von der zweiten Sensorelektrode 1122 zur ersten Sensor­ elektrode 1121 fließender Sensorzellenstrom wird als po­ sitiv definiert. Fig. 9 zeigt die V-I (Spannungs-Strom)- Eigenschaften der Sensorzelle 1120. In Fig. 9 gibt die Abszisse die angelegte Spannung der Sensorzelle (die an die Sensorzelle 1120 gelegte Spannung) wieder, während die Ordinate den Sensorzellenstrom (den durch die Sensor­ zelle 1120 fließenden Strom) wiedergibt. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist der Sensorzellenstrom in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration begrenzt. Der Strombegrenzungsbe­ reich entspricht einem geraden Abschnitt einer jeder cha­ rakteristischen Kurve, die parallel zur Abszisse, d. h. der V-Achse (Spannungsachse), verläuft. In Fig. 9 ist mit "A1" ein durch die Zersetzung des verbleibenden Sau­ erstoffs (O₂), der die Sensorzelle 1120 über die poröse Diffusionsschicht 1101 erreicht, erzeugter Offset-Strom wiedergegeben. Bei "A2" handelt es sich um einen Strom auf Basis der NOx-Zersetzung, der bei einer NOx-Kon­ zentration von 1.000 ppm auftritt. Des weiteren ist mit "A3" ein Strom auf Basis der H₂O-Zersetzung bezeichnet, der bei einer NOx-Konzentration von 1.000 ppm auftritt, wenn die an die Sensorzelle gelegte Spannung relativ hoch ist. Der Strom auf Basis der H₂O-Zersetzung wird zur Summe aus dem Offset-Strom "A1" und dem Strom "A2" auf NOx-Zersetzungsbasis addiert. Der Strombegrenzungsbe­ reich, der einem geraden Abschnitt einer jeden charakte­ ristischen Kurve entspricht, gibt genau den Strom "A2" auf NOx-Zersetzungsbasis, dem der Offset-Strom "A1" über­ lagert ist, wieder. Die an die Sensorzelle gelegte Span­ nung wird so gesteuert, dass ein gewünschter Sensorstrom (ein begrenzter Strom) für jeden Wert der NOx-Konzentra­ tion im Abgas vorgesehen werden kann. Der begrenzte Strom, der die NOx-Konzentration im Abgas wiedergibt, wird als Summe aus dem Offset-Strom "A1" und dem Strom "A2" auf NOx-Zersetzungsbasis detektiert.

In dem Fall, in dem das Abgas von einem Luft-Kraftstoff- Gemisch erzeugt wird, das fetter ist als der stöchio­ metrische Wert und somit eine Menge an verbrennbaren Kom­ ponenten, wie H₂ und HC, enthält, neigt ein Teil der brennbaren Komponenten dazu, von der ersten Elektrode 1121 der Sensorzelle 1120 adsorbiert zu werden. Wenn das durch das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugte Abgas durch den Abgas ersetzt wird, das von einem mageren Luft- Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird, verhindern die von der ersten Elektrode 1121 adsorbierten brennbaren Komponenten die Zersetzung von NOx. Es ist daher schwierig, die NOx- Konzentration über einige 10 Sekunden genau zu detektie­ ren. Daher werden die Ansprecheigenschaften des Gaskon­ zentrationssensors 1100 des Standes der Technik der Fig. 4 schlecht, wenn das von dem fetten Luft-Kraftstoff-Ge­ misch erzeugte Abgas durch ein von einem magereren Luft- Kraftstoff-Gemisch ersetzt wird.

Eine erste Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zu schaffen, die da­ durch genau gemacht wird, dass verhindert wird, dass das NOx-Zersetzungsverhalten einer Elektrode durch darauf be­ findliches Au reduziert wird.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zu schaffen, bei der eine NOx-Zersetzungselektrode aus Rh oder Pt-Rh herge­ stellt wird und ein Sensorzellenstrom in einer kurzen Zeit nach dem Betriebsbeginn der Vorrichtung stabilisiert werden kann.

Eine dritte Aufgabe der Erfindung betrifft die Schaffung einer Gaskonzentrationsabtastvorrichtung, die rasche An­ sprecheigenschaften besitzt, selbst dann, wenn ein von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugtes Messgas durch ein von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch er­ zeugtes Messgas ersetzt wird.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung gestellt, die die folgenden Bestandteile umfasst: einen Innenraum, in den ein NOx enthaltendes Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird, einen Sauerstoff­ pumpabschnitt, der ein Festelektrolytelement, das in be­ zug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden enthält, die auf Oberflächen des Festelektro­ lytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung von NOx inaktiv ist und im Innenraum freiliegt und die Sauerstoffkonzentration im Innenraum gesteuert wird, indem ein Strom dem Paar der Elektroden zugeführt wird, und einen Gaskonzentrationsab­ tastabschnitt, der ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden aufweist, die auf Oberflächen des Festelektro­ lytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung von NOx aktiv ist und im In­ nenraum freiliegt und die NOx-Konzentration aus einer Sauerstoffmenge detektiert wird, die durch Zersetzung von NOx erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird, dadurch gekennzeich­ net, dass eine der Elektroden im Gaskonzentrationsabtast­ abschnitt Platin und Rhodium als Hauptbestandteilsmetalle enthält.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung basiert auf dem ersten Aspekt und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine der Elektroden im Sauerstoffpumpabschnitt aus einem Mate­ rial besteht, das Platin und Gold als Hauptbestandteils­ metalle enthält.

Ein dritter Aspekt der Erfindung basiert auf dem ersten Aspekt oder zweiten Aspekt und stellt eine Gaskonzentra­ tionsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekenn­ zeichnet ist, dass eine der Elektroden im Gaskonzentra­ tionsabtastabschnitt aus einem Material besteht, das Pla­ tin und Rhodium als Hauptbestandteilsmetalle enthält, wo­ bei der Rhodiumanteil des Materiales in einem Bereich von 1 Gew.-% bis 50 Gew.-% liegt.

Ein vierter Aspekt der Erfindung basiert auf dem dritten Aspekt und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine der Elektroden im Gaskonzentrationsabtastabschnitt aus einer Platin-Rhodium-Legierung besteht.

Ein fünfter Aspekt dieser Erfindung basiert auf einem As­ pekt des ersten bis vierten Aspektes und stellt eine Gas­ konzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die da­ durch gekennzeichnet ist, dass der Innenraum einen ersten Unterraum und einen zweiten Unterraum aufweist, wobei der erste Unterraum über eine erste, einen Diffusionswider­ stand vorsehende Einrichtung mit einem externen Raum in Verbindung steht, der mit dem Messgas gefüllt ist, und wobei der zweite Unterraum mit dem ersten Unterraum über eine zweite, einen Diffusionswiderstand vorsehende Ein­ richtung in Verbindung steht, dass eine der Elektroden im Sauerstoffpumpabschnitt im ersten Unterraum freiliegt und ein Strom zwischen dem Paar der Elektroden im Sauerstoff­ pumpabschnitt fließen gelassen wird, um Sauerstoff vom ersten Unterraum zu pumpen und die Sauerstoffkonzentra­ tion im ersten Unterraum auf einen vorgegebenen niedrigen Pegel zu steuern, und dass eine der Elektroden im Gaskon­ zentrationsabtastabschnitt im zweiten Unterraum freiliegt und die NOx-Konzentration im Messgas aus einem Wert eines auf Sauerstoffionen basierenden Stromes detektiert wird, der zwischen den Elektroden auf der Basis des durch die Zersetzung des NOx erzeugten Sauerstoffs fließt, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektro­ den gelegt wird.

Ein sechster Aspekt der Erfindung basiert auf dem fünften Aspekt und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die durch einen Sauerstoffkonzentrationsabtastabschnitt gekennzeichnet ist, der ein Festelektro­ lytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden aufweist, die auf Oberflächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden im ersten Unterraum freiliegt und die an­ dere Elektrode in einem Raum, der mit einem Gas mit einer Referenzsauerstoffkonzentration gefüllt ist, freiliegt, wobei die Sauerstoffkonzentration im ersten Unterraum von einer elektromotorischen Kraft detektiert wird, die zwischen dem Paar der Elektroden erzeugt wird, und wobei ein dem Sauerstoffpumpabschnitt zugeführter Strom in Ab­ hängigkeit von der Sauerstoffkonzentration, die vom Sau­ erstoffkonzentrationsabtastabschnitt detektiert wird, ge­ steuert wird.

Ein siebter Aspekt der Erfindung basiert auf einem Aspekt des ersten bis sechsten Aspektes und stellt eine Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die eine der Elektroden im Gas­ konzentrationsabtastabschnitt durch Brennen einer einen Metallbestandteil enthaltenden Paste hergestellt ist, wo­ bei der mittlere Korndurchmesser des Metallbestandteils, der vor dem Brennen vorhanden ist, in einem Bereich von 0,1 µm bis 3,0 µm liegt.

Ein achter Aspekt der Erfindung basiert auf dem siebten Aspekt und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Harzanteil der Paste 15 Gew.-% entspricht oder geringer ist.

Ein neunter Aspekt der Erfindung stellt eine Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung zum Detektieren der Konzen­ tration einer speziellen Gaskomponente eines Sauerstoff enthaltenden Messgases zur Verfügung, wobei die spezielle Komponente Sauerstoff enthält. Die Vorrichtung umfasst die folgenden Bestandteile: einen Innenraum, in den das Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird, einen Sauerstoffpumpabschnitt, der ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden aufweist, die auf Oberflächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zerset­ zung der speziellen Gaskomponente inaktiv ist und im In­ nenraum freiliegt und die Sauerstoffkonzentration im In­ nenraum gesteuert wird, indem ein Strom dem Paar der Elektroden zugeführt wird, und einen Gaskonzentrationsab­ tastabschnitt, der ein Festelektrolytelement, das in be­ zug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden aufweist, die auf Oberflächen des Festelektro­ lytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung der speziellen Gaskomponente aktiv ist und im Innenraum freiliegt und die Konzentra­ tion der speziellen Gaskomponente aus einer Sauerstoff­ menge detektiert wird, die durch Zersetzung der speziel­ len Gaskomponente erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Steuerspannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Entfernen von Sauerstoff, der durch die eine der Elektroden im Gas­ konzentrationsabtastabschnitt beim Starten der Vorrich­ tung adsorbiert wurde.

Ein zehnter Aspekt der Erfindung basiert auf dem neunten Aspekt und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtungen zum Entfernen von Sauerstoff Steuereinrich­ tungen zum Steuern einer zwischen das Paar der Elektroden im Gaskonzentrationsabtastabschnitt gelegten Spannung derart, dass die zwischen das Paar der Elektroden gelegte Spannung beim Starten der Vorrichtung höher ist als die vorgegebene Steuerspannung, aufweist.

Ein elfter Aspekt der Erfindung basiert auf dem neunten Aspekt derselben und stellt eine Gaskonzentrationsabtast­ vorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sauerstoffentfernungseinrichtungen Einrich­ tungen zum Einführen eines brennbaren Gases in das Mess­ gas, wenn die Vorrichtung gestartet wird, umfassen.

Ein zwölfter Aspekt der Erfindung basiert auf einem As­ pekt des neunten Aspektes bis elften Aspektes derselben und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine der Elektroden im Gaskonzentrationsabtastabschnitt aus einem Material besteht, das Rhodium als Hauptbestandteilsmetall enthält, oder aus einem Material, das Platin und Rhodium als Hauptbestandteilsmetalle enthält.

Ein dreizehnter Aspekt der Erfindung basiert auf dem zwölften Aspekt derselben und stellt eine Gaskonzentra­ tionsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekenn­ zeichnet ist, dass eine der Elektroden im Sauerstoffpumpabschnitt aus einem Material besteht, das Platin und Gold als Hauptbestandteilsmetalle enthält.

Ein vierzehnter Aspekt der Erfindung basiert auf einem Aspekt des neunten Aspektes bis dreizehnten Aspektes der­ selben und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Innenraum einen ersten Unterraum und einen zweiten Unter­ raum aufweist, wobei der erste Unterraum mit einem exter­ nen Raum über eine erste, einen Diffusionswiderstand vor­ sehende Einrichtung in Verbindung steht, der externe Raum mit dem Messgas gefüllt ist und der zweite Unterraum mit dem ersten Unterraum über eine zweite, einen Diffusions­ widerstand vorsehende Einrichtung in Verbindung steht, daß eine der Elektroden im Sauerstoffpumpabschnitt im ersten Unterraum freiliegt und ein Strom zwischen dem Paar der Elektroden im Sauerstoffpumpabschnitt fließen gelassen wird, um Sauerstoff vom ersten Unterraum zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration im ersten Unterraum auf einen vorgegebenen niedrigen Pegel zu pumpen, und dass eine der Elektroden im Gaskonzentrationsabtastab­ schnitt im zweiten Unterraum freiliegt und die Konzen­ tration der speziellen Gaskomponente im Messgas von einem Wert eines auf Sauerstoffionen basierenden Stromes de­ tektiert wird, der zwischen den Elektroden auf der Basis des durch Zersetzung der speziellen Gaskomponente erzeugten Sauerstoffs fließt, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird.

Ein fünfzehnter Aspekt der Erfindung basiert auf dem vierzehnten Aspekt derselben und stellt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zur Verfügung, die durch ei­ nen Sauerstoffkonzentrationsabtastabschnitt gekennzeich­ net ist, der ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden umfasst, die auf Oberflächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden im ersten Un­ terraum freiliegt, die andere Elektrode in einem Raum freiliegt, der mit einem Gas gefüllt ist, das eine Refe­ renzsauerstoffkonzentration aufweist, die Sauerstoffkon­ zentration im ersten Unterraum aus einer elektromoto­ rischen Kraft detektiert wird, die zwischen dem Paar der Elektroden erzeugt wird, und ein dem Sauerstoffpumpab­ schnitt zugeführter Strom in Abhängigkeit von der vom Sauerstoffkonzentrationsabtastabschnitt detektierten Sau­ erstoffkonzentration gesteuert wird.

Ein sechzehnter Aspekt der Erfindung basiert auf dem elf­ ten Aspekt derselben und stellt eine Gaskonzentrationsab­ tastvorrichtung zur Verfügung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Messgas ein von einer Brennkraftmaschine emittiertes Abgas ist und die Einführeinrichtungen für das brennbare Gas einen Kanal aufweisen, der mit einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, um das brennbare Gas in das Abgas einzuführen, oder Einrich­ tungen zum Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkraftma­ schine, um das Abgas im brennbaren Gas fett zu machen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Gaskonzentrationssensors des Standes der Technik;

Fig. 2 ein Zeit-Bereichs-Diagramm der an eine Sensorzelle gelegten Spannung und des Sensorzellenstromes in einem weiter entwickelten Gaskonzentra­ tionssensor bei Betriebsbeginn des Sensors und unmittelbar danach;

Fig. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensorstabilisierungszeit und dem Rh-Anteil (Gew.-%) des Materiales für eine Elektrode im weiter entwickelten Gaskonzentrationssensor;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines weiteren Gaskonzentrationssensors des Standes der Technik; die

Fig. 5, 6 und 7 Schnittansichten eines Abschnittes des Gaskonzentrationssensors des Standes der Technik der Fig. 4;

Fig. 8 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer Pumpzelle des Gaskonzentrationssensors des Standes der Technik der Fig. 4;

Fig. 9 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer Sensorzelle im Gaskonzentrationssensor des Standes der Technik der Fig. 4;

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Gaskonzentrationsabtastvorrichtung (einer NOx-Konzentrationsabtastvor­ richtung) gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 11 eine Schnittansicht eines Gasabtastabschnittes der Vorrichtung der Fig. 10;

Fig. 12 eine auseinandergezogene perspekti­ vische Ansicht des Gasabtastabschnit­ tes der Fig. 11;

Fig. 13 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer Sauerstoffpump­ zelle im Gasabtastabschnitt der Fig. 11;

Fig. 14 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer NOx-Konzentra­ tionssensorzelle im Gasabtastab­ schnitt der Fig. 11;

Fig. 15 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer NOx-Konzentra­ tionssensorzelle in einem Vergleichs­ gasabtastabschnitt;

Fig. 16 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften der NOx-Konzentrations­ sensorzelle, bei der eine erste Sen­ sorelektrode aus Pt-Rh-Material be­ steht;

Fig. 17 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensormeßgenauigkeit und dem Rh- Anteil einer Pt-Rh-Sensorelektrode;

Fig. 18 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensoransprechzeit und dem Rh-An­ teil einer Pt-Rh-Sensorelektrode;

Fig. 19 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer NOx-Konzentra­ tionssensorzelle in jeder der Sensor­ proben;

Fig. 20 ein Diagramm der Beziehungen zwischen der Sensortemperaturabhängigkeit, dem mittleren Korndurchmesser des Metall­ pulvers in einer Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh und der Impedanz der NOx- Konzentrationssensorzelle in Sensor­ proben;

Fig. 21 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensorausbeute und dem Kontrak­ tionskoeffizienten einer Pt-Paste mit zugesetztem Rh;

Fig. 22 ein Diagramm der Beziehungen zwischen dem Kontraktionskoeffizienten einer Pt-Paste mit zugesetztem Rh, dem Harzanteil der Pt-Paste mit zugesetz­ tem Rh, dem Pt/Rh-Gewichtsverhältnis der Pt-Paste mit zugesetztem Rh und der Impedanz einer NOx-Konzentra­ tionssensorzelle in Sensorproben;

Fig. 23 eine Schnittansicht eines Gasabtastabschnittes einer Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung (einer NOx-Konzentrationsabtastvorrichtung) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 24 ein Zeit-Bereichs-Diagramm der an eine Sensorzelle gelegten Spannung und des Sensorzellenstromes in einer NOx-Konzentrationssensorzelle eines Systems gemäß einer dritten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 25 ein Diagramm des Systems der dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 26 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensorstabilisierungszeit und der Dauer des Anlegens einer zweiten Steuerspannung V₂ an eine NOx-Kon­ zentrationssensorzelle;

Fig. 27 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensorstabilisierungszeit und dem Pegel einer zweiten Steuerspannung V₂, die an eine NOx-Konzentrations­ sensorzelle gelegt wurde;

Fig. 28 ein Zeit-Bereichs-Diagramm eines ersten Musters einer Variation einer an eine NOx-Konzentrationssensorzelle gelegten Spannung;

Fig. 29 ein Zeit-Bereichs-Diagramm eines zweiten Musters einer Variation einer an eine NOx-Konzentrationssensorzelle gelegten Spannung;

Fig. 30 ein Zeit-Bereichs-Diagramm eines dritten Musters einer Variation einer an eine NOx-Konzentrationssensorzelle gelegten Spannung;

Fig. 31 ein Zeit-Bereichs-Diagramm eines vierten Musters einer Variation einer an eine NOx-Konzentrationssensorzelle gelegten Spannung;

Fig. 32 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensorstabilisierungszeit und dem Zeitintervall (der fetten Zeit), während dem ein Messgas (ein Abgas) in den brennbaren Komponenten fett gemacht ist;

Fig. 33 ein Diagramm eines Systems gemäß ei­ ner vierten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 34 ein Diagramm einer Gaskonzentrationsabastvorrichtung ge­ mäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 35 ein Diagramm einer Pumpspannungsbe­ fehlsschaltung von Fig. 34;

Fig. 36 ein Ablaufdiagramm eines Unterpro­ gramms eines Steuerprogramms für die Pumpspannungsbefehlsschaltung der Fig. 34 und 35;

Fig. 37 ein Zeit-Bereichs-Diagramm von ver­ schiedenen Bedingungen in bezug auf die Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung der Fig. 34;

Fig. 38 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Sensoransprechverzögerung (Sen­ soransprechverzögerungszeit) und der an die Pumpzelle gelegten Spannung;

Fig. 39 ein Diagramm einer Gaskonzentrationsabtastvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 40 ein Diagramm der Spannungs-Strom- Eigenschaften einer Pumpzelle in der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung der Fig. 39; und

Fig. 41 ein Diagramm eines Unterprogramms ei­ nes Steuerprogramms für eine Pump­ spannungssteuerschaltung der Fig. 39.

Erste Ausführungsform

Fig. 10 zeigt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung (NOx-Konzentrationsabtastvorrichtung) gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung der Fig. 10 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse H, in dem ein Teil eines Gasabtastabschnittes 1 fest angeordnet ist. Die Außenumfangsfläche des Gasabtastabschnittes 1 werden durch Isolationselemente gehalten. Der Gasabtastabschnitt 1 hat die Form einer länglichen flachen Platte.

Ein vorderes Ende des Gasabtastabschnittes 1 ist ein un­ teres Ende desselben, wie in Fig. 10 gezeigt. Wie man Fig. 10 entnehmen kann, steht das untere Ende des Gasab­ tastabschnittes 1 vom Gehäuse H nach unten vor und ist in einer becherförmigen Abdeckung (einer Abgasabdeckung) H1 enthalten, die am unteren Ende des Gehäuses H fixiert ist. Die Abgasabdeckung H1 hat eine doppelte Struktur, nämlich eine innere Abdeckung H11 und eine äußere Ab­ deckung H12. Die innere Abdeckung H11 und die äußere Ab­ deckung H12 bestehen beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Die Seiten- und Bodenwände der inneren Abdeckung H11 ha­ ben Öffnungen (Abgasöffnungen) H13. Die Seiten- und Bo­ denwände der äußeren Abdeckung H12 haben Öffnungen (Ab­ gasöffnungen) H14. Ein Abgas, das ein Messgas (ein zu messendes Gas) darstellt, kann durch die Öffnungen H13 und H14 in die Abgasabdeckung H1 eingeführt werden. Das Abgas wird aus Brennkammern eines Motors (nicht gezeigt), beispielsweise einer Brennkraftmaschine, emittiert. Der Außenabschnitt des Gehäuses H weist eine Schraube auf, mit der das Gehäuse H an einem Abgasrohr des Motors be­ festigt ist. Die Abgasabdeckung H1 ist im Abgasrohr ange­ ordnet. Das untere Ende des Gasabtastabschnittes 1 ist dem Abgas in der Abgasabdeckung H1 ausgesetzt.

Ein hinteres Ende des Gehäuses H ist ein oberes Ende des­ selben, wie in Fig. 10 gezeigt. Wie man Fig. 10 entneh­ men kann, ist eine Abdeckung (eine Atmosphärenabdeckung) H2 am oberen Ende des Gehäuses H fixiert. Die Atmosphä­ renabdeckung H2 hat eine zylindrische Hauptabdeckung H21 und eine Nebenabdeckung H22. Ein oberer Abschnitt der Hauptabdeckung H21 ist mit der Nebenabdeckung H22 be­ deckt. Ein oberes Ende des Gasabtastabschnittes 1 steht vom Gehäuse H nach oben vor und wird von der Atmosphären­ abdeckung H2 geschützt. Leitungen H3 sind an das obere Ende des Gasabtastabschnittes 1 angeschlossen. Die Lei­ tungen H3 werden von der Atmosphärenabdeckung H2 ge­ schützt. Die Seitenwände der Hauptabdeckung H21 haben Öffnungen (Atmosphärenöffnungen) H23. Die Seitenwände der Nebenabdeckung H22 haben Öffnungen (Atmosphärenöffnungen) H24, die zu den Öffnungen H23 in radialen Richtungen aus­ gerichtet sind. Eine Atmosphäre kann durch die Öffnungen H23 und H24 in die Atmosphärenabdeckung H2 eingeführt werden. Die Atmosphäre wird als Referenzgas benutzt, um eine Referenzsauerstoffkonzentration (O₂) vorzusehen. Ein Wasserabstoßfilter oder Wasserabstoßfilter H25 sind zwischen Abschnitten der Hauptabdeckung H21 und Nebenab­ deckung H22 vorgesehen, in denen die Öffnungen H23 und H24 ausgebildet sind. Die Leitungen H3 erstrecken sich vom oberen Ende des Gasabtastabschnittes 1 bis zur Außen­ seite der Atmosphärenabdeckung H2 über eine Öffnung im oberen Ende der Atmosphärenabdeckung H2.

Die Fig. 11 und 12 zeigen den Gasabtastabschnitt 1. Wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, umfasst der Gasab­ tastabschnitt 1 ein Laminat aus einem Festelektrolytele­ ment "A", einem Abstandshalter 3, einem Festelektrolyt­ element "B", einem Abstandshalter 4 und einer Heizein­ richtung 7, die in dieser Reihenfolge in Abwärtsrichtung angeordnet sind. Elektroden 21 und 22 sind auf der Ober­ seite und der Unterseite des Festelektrolytelementes "A" ausgebildet. Die Elektroden 21 und 22 sind in Vertikalrichtung zueinander ausgerichtet, wie in Fig. 11 ge­ zeigt. Das Festelektrolytelement "A" und die Elektroden 21 und 22 bilden eine Sauerstoffpumpzelle 2, bei der es sich um einen Sauerstoffpumpabschnitt handelt. Der Ab­ standshalter 3 ist so ausgebildet, dass er einen ersten Innenraum 31 und einen zweiten Innenraum 32 bildet. Der erste Innenraum 31 erstreckt sich unter der Sauerstoff­ pumpzelle 2. Elektroden 61 und 62 sind auf der Oberseite und der Unterseite des Festelektrolytelementes "B" ausge­ bildet. Die Elektroden 61 und 62 sind vertikal zueinander ausgerichtet, wie in Fig. 11 gezeigt. Das Festelektro­ lytelement "B" und die Elektroden 61 und 62 bilden eine NOx-Konzentrationssensorzelle 6, die sich unterhalb des Innenraumes 32 erstreckt. Der Abstandshalter 4 ist so ausgebildet, dass er einen Atmosphärenkanal 41 bildet, der unterhalb der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 ange­ ordnet ist. Die Heizeinrichtung 7 erhitzt die Sauerstoff­ pumpzelle 2 und die NOx-Konzentrationssensorzelle 6.

Die Sauerstoffpumpzelle 2 steuert die Sauerstoffkon­ zentration im ersten Innenraum 31. Das Festelektrolytele­ ment "A" hat die Form einer Lage. Es besteht aus einem Sauerstoffionen-leitenden Material, wie Zirkondioxid. Die Elektroden 21 und 22 sind auf gegenüberliegenden Be­ reichen der Oberseite und Unterseite des Festelektrolyt­ elementes "A" ausgebildet, beispielsweise über einen Siebdruckprozeß. Wie vorstehend erwähnt, besteht die Sau­ erstoffpumpzelle 2 aus dem Festelektrolytelement "A" und den Elektroden 21 und 22.

Die obere Elektrode (die erste Pumpelektrode) 21 in der Sauerstoffpumpzelle 2 liegt frei in einem externen Raum, der mit dem Messgas gefüllt ist, d. h. einem Innenraum mit der Abgasabdeckung H1 (siehe Fig. 10). Vorzugsweise be­ steht die obere Elektrode 21 aus einem porösen Cermet, das ein Edelmetall, wie beispielsweise Platin (Pt), ent­ hält.

Die untere Elektrode (die zweite Pumpelektrode) 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2 liegt im ersten Innenraum 31 frei (siehe Fig. 11). Der erste Innenraum 31 wird durch eine Öffnung 3a (siehe Fig. 12) gebildet, die durch den Ab­ standshalter 3 vorgesehen ist, welcher sich auf der Un­ terseite des Festelektrolytelementes "A" erstreckt. Der Abstandshalter 3 besteht beispielsweise aus Aluminium­ oxid. Die untere Elektrode 22 besteht aus einem Material, das gegenüber Sauerstoff (O₂) aktiv, jedoch gegenüber NOx inaktiv ist. Vorzugsweise besteht die untere Elektrode 22 aus einem Metall, das Platin (Pt) und Gold (Au) als Hauptbestandteile enthält. Noch bevorzugter besteht die untere Elektrode 22 aus einer Pt-Au-Legierung oder einem porösen Cermet, das wie folgt hergestellt wird. Zuerst wird eine Paste aus Pt-Au-Legierungspulver und kera­ mischem Material, wie Zirkondioxid und Aluminium, herge­ stellt. Dann wird die Paste zu einem porösen Cermet ge­ brannt. Vorzugsweise liegt der Au-Gehalt des Metalls für die untere Elektrode 22 in einem Bereich von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%.

Ein feines Loch 51 erstreckt sich durch das Festelektro­ lytelement "A" und die Elektroden 21 und 22 in der Sauerstoffpumpzelle 2. Der erste Innenraum 31 steht über das feine Loch 51 mit der Außenseite des Gasabtastabschnittes 1, d. h. dem Innenraum mit der Abgasabdeckung H1 (siehe Fig. 10), in Verbindung. Die Größe oder der wirksame Querschnittsbereich des feinen Lochs 51 ist so ausge­ wählt, daß das Abgas mit einer vorgegebenen Rate in den ersten Innenraum 31 diffundiert. Somit sieht das feine Loch 51 einen geeigneten Diffusionswiderstand in bezug auf die Strömung des Abgases in den ersten Innenraum 31 vor. Die erste Pumpelektrode 21 und das obere Ende des feinen Lochs 51 sind mit einer porösen Schutzschicht 53, beispielsweise aus porösem Aluminiumoxid, bedeckt. Die poröse Schutzschicht 53 verhindert, dass die erste Pump­ elektrode 21 vergiftet wird. Zusätzlich verhindert die poröse Schutzschicht 53, daß das feine Loch 51 durch Ruß im Abgas blockiert wird.

Wie in Fig. 12 gezeigt, sind Leitungen 21a und 22a auf der Oberseite und Unterseite des Festelektrolytelementes "A" ausgebildet. Die Leitungen 21a und 22a stehen mit den Elektroden 21 und 22 der Sauerstoffpumpe 12 in Verbin­ dung. Sie übertragen ein elektrisches Signal von den Elektroden 21 und 22. Vorzugsweise sind Isolationsschich­ ten, beispielsweise aus Aluminiumxoxid, zwischen dem Festelektrolytelement "A" und den Leitungen 21a und 22a vorgesehen.

Die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 detektiert die NOx- Konzentration im Messgas auf der Basis der durch die Zer­ setzung von NOx erzeugten Sauerstoffmenge. Das Fest­ elektrolytelement "B" hat die Form einer Lage. Es besteht aus einem Sauerstoffionen-leitenden Material, wie Zirkon­ dioxid. Die Elektroden 61 und 62 sind auf gegenüberlie­ genden Bereichen der Oberseite und Unterseite des Fest­ elektrolytelementes "B" ausgebildet, beispielsweise über einen Siebdruckprozeß. Wie vorstehend erwähnt, besteht die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 aus dem Festelektro­ lytelement "B" und den Elektroden 61 und 62.

Die obere Elektrode (die erste Sensorelektrode) 61 in der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 liegt im zweiten Innen­ raum 32 frei. Der zweite Innenraum 32 steht mit dem ersten Innenraum 31 über ein Verbindungsloch 52 in Ver­ bindung. Die Größe oder der wirksame Querschnittsbereich des Verbindungsloches 52 ist so gewählt, dass das Messgas vom ersten Innenraum 31 mit einer vorgegebenen Rate in den zweiten Innenraum 32 diffundiert. Somit sieht das Verbindungsloch 52 einen geeigneten Diffusionswiderstand in bezug auf die Strömung des Messgases vom ersten Innen­ raum 31 in den zweiten Innenraum 32 vor. Das Verbindungs­ loch 52 und der zweite Innenraum 32 sind durch Öffnungen 3b und 3c (siehe Fig. 12) gebildet, die durch den Ab­ standshalter 3 vorgesehen sind.

Die obere Elektrode (die erste Elektrode) 61 in der NOx- Konzentrationssensorzelle 6 besteht aus einem Material, das in bezug auf NOx aktiv ist und dieses zersetzt. Somit kann die obere Elektrode 61 NOx spalten. Vorzugsweise be­ steht die obere Elektrode 61 aus einem Metall, das Platin (Pt) und Rhodium (Rh) als Hauptbestandteil enthält. Die aus diesem Metall hergestellte obere Elektrode 61 hat eine geringe Temperaturabhängigkeit und stellt eine hohe Messgenauigkeit zur Verfügung. Noch bevorzugter besteht die obere Elektrode 61 aus einer Pt-Rh-Legierung oder ei­ nem porösen Cermet, das wie folgt hergestellt wird. Zu­ erst wird eine Paste aus Pt-Rh-Legierungspulver und kera­ mischem Material, wie Zirkondioxid und Aluminium, herge­ stellt. Dann wird die Paste zu einem porösen Cermet ge­ brannt. Vorzugsweise liegt der Rh-Anteil des Metalls für die obere Elektrode 61 in einem Bereich von 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%. In dem Fall, in dem der Rh-Anteil des Metalls für die obere Elektrode 61 geringer ist als 1 Gew.-%, hat die obere Elektrode 61 eine schlechte Fähigkeit NOx zu zersetzen. Wenn andererseits der Rh-Anteil des Metalls für die obere Elektrode 61 50 Gew.-% übersteigt, adsor­ biert die obere Elektrode 61 Sauerstoff und NOx übermäßig stark, so dass die Ansprechzeiteigenschaften der NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 schlecht sind. Besonders bevor­ zugt liegt der Rh-Anteil des Metalls für die obere Elektrode 61 in einem Bereich von 20 Gew.-% bis 40 Gew.-%.

In dem Fall, in dem eine Paste während der Herstellung des Metalls für die obere Elektrode 61 verwendet wird, liegt der mittlere Durchmesser der Körner der Metallbe­ standteile in der Paste vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 µm bis 3,0 µm. Wenn der mittlere Korndurchmesser ge­ ringer ist als 0,1 µm, hat die obere Elektrode 61 eine unzureichende Gasleitfähigkeit und eine starke Tempera­ turabhängigkeit. Wenn der mittlere Korndurchmesser 3,0 µm übersteigt, hat die obere Elektrode 61 einen großen elektrischen Widerstand. Der Kontraktionswiderstand während des Brennens kann in Abhängigkeit von der Menge des der Paste zugesetzten Harzbestandteiles eingestellt werden. Wenn die Menge des Harzbestandteiles ansteigt, steigt der elektrische Widerstand der oberen Elektrode 61 an. Daher liegt die zugesetzte Harzmenge vorzugsweise in einem Bereich, der 15 Gew.-% entspricht oder kleiner ist. Besonders bevorzugt liegt die zugesetzte Harzmenge in ei­ nem Bereich von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%.

Die untere Elektrode (die zweite Sensorelektrode) 62 in der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 liegt im Atmosphären­ kanal 41, der mit der Atmosphäre gefüllt ist, frei. Die­ ser Atmosphärenkanal 41 ist durch Nuten oder Öffnungen 4a und 4b (siehe Fig. 12) gebildet, die im Abstandshalter 4 vorgesehen sind. Der Abstandshalter 4 besteht beispiels­ weise aus Aluminiumoxid. Das rechte Ende des Atmosphären­ kanales 41 führt zum Innenraum innerhalb der Atmosphären­ abdeckung H2 (siehe Fig. 10). Die untere Elektrode 62 besteht aus einem porösen Cermet, das ein Edelmetall, wie Platin (Pt), enthält.

Wie in Fig. 12 gezeigt, sind Leitungen 61a und 62a auf der Oberseite und Unterseite des Festelektrolytelementes "B" ausgebildet. Die Leitungen 61a und 62a stehen mit den Elektroden 61 und 62 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 in Verbindung. Sie dienen dazu, einen vorgegebenen Strom zwischen den Elektroden 61 und 62 fließen zu lassen. Vor­ zugsweise sind Isolationsschichten, die beispielsweise aus Aluminiumxoid bestehen, zwischen dem Festelektrolyt­ element "B" und den Leitungen 61a und 62a vorgesehen.

Die Heizeinrichtung 7 umfaßt eine Heizelektrode 71 und Isolationsschichten 72 und 73. Jede Isolationsschicht 72 und 73 besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid. Jede Isolationsschicht 72 und 73 hat die Form einer Lage. Die Heizelektrode 71 ist zwischen die Isolationsschichten 72 und 73 eingebettet. Sie besteht beispielsweise aus einem Cermet aus Platin (Pt) und keramischem Material, wie Alu­ miniumoxid. Wie in Fig. 12 gezeigt, stehen die Leitungen 71a mit der Heizelektrode 71 in Verbindung. Sie dienen dazu, einen Strom durch die Heizelektrode 71 fließen zu lassen, um auf diese Weise die Heizelektrode 71 aufzuhei­ zen. Die Heizeinrichtung 7 wird somit durch den durch die Heizelektrode 71 fließenden Strom aktiviert. Sie erhitzt die Sauerstoffpumpzelle 2 und die NOx-Konzentrationssen­ sorzelle 6 auf Temperaturen, bei denen die Zellen 2 und 6 aktiv sind.

Ein Verfahren zur Herstellung des Gasabtastabschnittes 1 wird nachfolgend beschrieben. Frische Zirkondioxidlagen für die Festelektrolytelemente "A" und "B" wurden wie folgt hergestellt. Es wurde ein Gemisch auf Keramikbasis erzeugt. Dieses Gemisch bestand aus 100 Teilen von mit Yttriumoxid teilweise stabilisiertem Zirkondioxid, einem Teil von α-Aluminiumoxid, 5 Teilen von PVB (Polyvinylbu­ tyral), 10 Teilen von DBP (Dibutylphthalat), 10 Teilen Ethanol und 10 Teilen Toluol. Hier bedeuten "Teil" und "Teile" "Gewichtsteil" und "Gewichtsteile". Das mit Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkondioxid enthielt 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkondioxid und hatte ei­ nen mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm. Das α-Alumi­ niumoxid hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,3 µm.

Die Komponenten des Gemisches auf Keramikbasis wurden in einer Kugelmühle vermischt, so dass das Gemisch zu einem Schlamm geformt wurde. Der Schlamm wurde über ein Rakel­ verfahren getrocknet und zu einer Lage auf Keramikbasis mit einer Dicke von 0,3 mm geformt. Es wurden zwei Kera­ miklagen hergestellt, die dieser Lage auf Keramikbasis entsprachen.

Als erstes wurde eine der Keramiklagen zu einer recht­ eckigen Lage mit einer Größe von 5 nm × 70 nm zurechtge­ schnitten. Es wurde eine Paste aus Pd mit zugesetztem Zirkondioxid hergestellt. Diese Paste enthielt 10 Gew.-% Zirkondioxid. Eine Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetz­ tem Zirkondioxid für die erste Pumpelektrode 21 der Sau­ erstoffpumpzelle 2 wurde über ein Siebdruckverfahren auf der rechteckigen Lage ausgebildet. Es wurde eine Pt-Paste mit zugesetztem Au hergestellt. Diese Paste enthielt 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% Gold und 10 Gew.-% Zirkondioxid. Eine Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetztem Au für die zweite Pumpelektrode 22 der Sauerstoffpumpzelle 2 wurde auf der rechteckigen Lage über ein Siebdruckverfahren ausgebildet. Danach wurde ein feines Loch 51 durch die rechteckige Lage und zentrale Bereiche der Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetztem Zirkondioxid und der Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetztem Au hergestellt. Das feine Loch 51 hat einen Durchmesser von 0,5 mm. Die ent­ standene rechteckige Lage diente als Rohprodukt für das Festelektrolytelement "A".

Die zweite Lage auf Keramikbasis wurde zu einer recht­ eckigen Lage mit einer Größe von 5 mm × 70 mm zurechtgeschnitten. Es wurde eine Pd-Paste mit zugesetztem Rh her­ gestellt. Diese Paste enthielt 1 Gew.-% bis 50 Gew.-% Rho­ dium und 10 Gew.-% Zirkondioxid. Eine Schicht der Pt-Paste mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 wurde über ein Siebdruck­ verfahren auf der rechteckigen Lage ausgebildet. Es wurde eine Pt-Paste mit zugesetztem Zirkondioxid hergestellt. Diese Paste enthielt 10 Gew.-% Zirkondioxid. Eine Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetztem Zirkondioxid für die zweite Sensorelektrode 62 der NOx-Konzentrationssensor­ zelle wurde über ein Siebdruckverfahren auf der recht­ eckigen Lage ausgebildet. Die entstandene rechteckige Lage diente als Rohprodukt für das Festelektrolytelement "B".

Frische Aluminiumdioxidlagen für die Abstandshalter 3 und 4 und die Isolationsschichten 72 und 73 der Heizeinrich­ tung wurden wie folgt hergestellt. Es wurde ein Gemisch auf Keramikbasis erzeugt. Dieses Gemisch bestand aus 98 Teilen von α-Aluminiumoxid, 3 Teilen von mit Yttriumoxid teilweise stabilisiertem Zirkondioxid, 10 Teilen von PVB (Polyvinylbutyral), 10 Teilen von DBP (Dibutylphthalat), 30 Teilen Ethanol und 10 Teilen Toluol. Hier bedeuten "Teile" "Gewichtsteile". Das α-Aluminiumoxid hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,3 µm. Das mit Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkondioxid hatte einen mittle­ ren Korndurchmesser von 0,5 µm. Beispielsweise enthielt das mit Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkondioxid 6 Mol.% Yttriumoxid und 94 Mol.% Zirkondioxid.

Die Komponenten des Gemisches auf Keramikbasis wurden in einer Kugelmühle vermischt, um aus dem Gemisch einen Schlamm zu formen. Der Schlamm wurde über ein Rakelver­ fahren getrocknet und zu einer Lage auf Keramikbasis in einer Dicke von 0,3 mm geformt. Es wurden vier Lagen auf Keramikbasis hergestellt, die der vorstehend erwähnten Lage auf Keramikbasis entsprachen.

Zuerst wurde eine der Lagen auf Keramikbasis zu einer rechteckigen Lage mit einer Größe von 5 mm × 70 mm zu­ rechtgeschnitten. Öffnungen 3a, 3b und 3c für den ersten Innenraum 31, das Kommunikationsloch 52 und den zweiten Innenraum 32 wurden durch die Rechtecklage geformt. Die entstandene Rechtecklage diente als Rohprodukt für den Abstandshalter 2.

Eine zweite Lage der Lagen auf Keramikbasis wurde zu ei­ ner rechteckigen Lage mit einer Größe von 5 mm × 70 mm zurechtgeschnitten. Nuten 4a und 4b für den Atmosphären­ kanal 41 wurden durch die rechteckige Lage geformt. Die entstandene rechteckige Lage diente als Rohprodukt für den Abstandshalter 4.

Eine dritte Lage der Lagen auf Keramikbasis wurde zu ei­ ner rechteckigen Lage mit einer Größe von 5 mm × 70 mm zurechtgeschnitten. Die entstandene rechteckige Lage diente als Rohprodukt für die Isolationsschicht 72.

Eine vierte Lage aus den Lagen auf Keramikbasis wurde zu einer rechteckigen Lage mit einer Größe von 5 m × 70 mm zurechtgeschnitten. Es wurde eine Pt-Paste hergestellt.

Eine Schicht aus der Pt-Paste für die Heizelektrode 71 und die Leitungen 71a wurde über ein Siebdruckverfahren auf der rechteckigen Lage ausgebildet. Die entstandene Rechtecklage diente als Rohprodukt für die Isolations­ schicht 73.

Die Pt-Paste mit zugesetztem Au wurde hergestellt, indem 70 Gew.-% Pt-Au-Legierungspulver, 5 Gew.-% Harz (Ethylcel­ lulose), 10 Gew. mit Yttriumoxid teilweise stabilisiertes Zirkondioxidpulver und 15 Gew.-% Lösungsmittel (Terpineol) vermischt wurden. Das Vermischen wurde unter Verwendung einer 3-Stück-Rolle durchgeführt. Das Pt-Au-Legierungs­ pulver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 1,0 µm. Das mit Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkondioxid­ pulver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm.

Die Pt-Paste mit zugesetztem Rh wurde hergestellt, indem 70 Gew.-% Pt-Rh-Legierungspulver, 5 Gew.-% Harz (Ethylcel­ lulose), 10 Gew.-% mit Yttriumoxid teilweise stabilisier­ tes Zirkondioxidpulver und 15 Gew.-% Lösungsmittel (Terpi­ neol) vermischt wurden. Das Vermischen wurde unter Ver­ wendung einer 3-Stück-Rolle durchgeführt. Das Pt-Rh-Le­ gierungspulver hatte einen mittleren Korndurchmesser in einem Bereich von 0,1 µm bis 3,0 µm. Das mit Yttriumoxid teilweise stabilisierte Zirkondioxidpulver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm.

Die Pt-Paste mit zugesetztem Zirkondioxid für die erste Pumpelektrode 21 und die zweite Sensorelektrode 62 wurde hergestellt, indem 70 Gew.-% Pt-Pulver, 5 Gew.-% Harz (Ethylcellulose), 10 Gew.-% mit Yttrium teilweise stabilisiertes Zirkondioxidpulver und 15 Gew. Lösungsmittel (Terpineol) vermischt wurden. Das Vermischen wurde unter Verwendung einer 3-Stück-Rolle durchgeführt. Das Pt-Pul­ ver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 1,0 µm. Das mit Yttriumoxd teilweise stabilisierte Zirkondioxidpulver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm.

Die Pt-Paste für die Heizeinrichtung 7 (die Heizelektrode 71 und die Leitungen 71a) wurde hergestellt, indem 70 Gew.-% Pt-Pulver, 5 Gew.-% Harz (Ethylcellulose), 10 Gew.-% α -Aluminiumoxidpulver und 15 Gew.-% Lösungsmittel (Terpi­ neol) vermischt wurden. Das Vermischen wurde mit Hilfe einer 3-Stück-Rolle durchgeführt. Das Pt-Pulver hatte ei­ nen mittleren Korndurchmesser von 1,0 µm. Das α-Alumini­ umoxidpulver hatte einen mittleren Korndurchmesser von 0,5 µm.

Die vorstehend erwähnten Lagen wurden zu einem Laminat kombiniert. Das Laminat wurde einem Thermokompressions­ bindungsverfahren bei einer Temperatur von 80°C unterzo­ gen. Danach wurde das Laminat auf einer Temperatur von 1.000°C oder mehr über eine Stunde gebrannt. Auf diese Weise wurde aus dem Laminat der Gasabtastabschnitt 1 her­ gestellt.

Der Gasabtastabschnitt 1 funktioniert wie folgt. Gemäß Fig. 11 wird ein als Messgas dienendes Abgas über die poröse Schutzschicht 53 und das feine Loch 51 in den ersten Innenraum 31 eingeführt. Das Abgas wird von einem Motor, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, abgege­ ben. Normalerweise enthält das Abgas Gaskomponenten, wie Sauerstoff (O₂), Stickoxide (NOx), Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Die Einführungsrate des Abgases in den ersten Innenraum 31 wird durch den Diffusionswiderstand des feinen Loches 51 festgelegt. Eine Spannung wird zwischen die Elektroden 21 und 22 der Sauerstoffpumpzelle 2 gelegt. Insbesondere wird an die obere Pumpelektrode (erste Pumpelektrode) 21 ein positives Potential gelegt, während die untere Pumpelektrode (zweite Pumpelektrode) 22 ein negatives Potential erhält. Eine spezielle Kompo­ nente des Abgases wird durch das Anlegen der Spannung an die Sauerstoffpumpzelle 2 herausgepumpt.

Wie vorstehend erwähnt, ist die zweite Pumpelektrode 22, die zum ersten Innenraum 31 weist, inaktiv gegenüber NOx. Daher wird in einem Bereich innerhalb des ersten Innen­ raumes 31, der sich benachbart auf der zweiten Pumpelekt­ rode 22 erstreckt, nur Sauerstoff (O₂) in Sauerstoffionen zersetzt. Diese Sauerstoffionen werden vom ersten Innen­ raum 31 in die Sauerstoffpumpzelle 2 gezogen und durch die Sauerstoffpumpzelle 2 geführt, bevor sie über die erste Pumpelektrode 21 und die poröse Schutzschicht 53 in den externen Raum abgeführt werden. Auf diese Weise wird nur Sauerstoff (O₂) vom Abgas im ersten Innenraum 31 in der Nähe der Sauerstoffpumpzelle 2 abgepumpt. Durch das Abpumpen von Sauerstoff (O₂) vom ersten Innenraum 31 wird die Sauerstoff(O₂)konzentration im ersten Innenraum 31 auf ein Niveau reduziert, das die Detektion der NOx-Kon­ zentration nicht nachteilig beeinflusst.

Die Sauerstoffpumpzelle 2 hat die folgenden Eigenschaf­ ten. Ein Pumpzellenstrom, der von der ersten Pumpelektrode 21 zur zweiten Pumpelektrode 22 fließt, wird als positiv definiert. Fig. 13 zeigt die V-I (Spannungs- Strom)-Eigenschaften der Sauerstoffpumpzelle 2. In Fig. 13 ist auf der Abszisse die an die Pumpzelle angelegte Spannung (die an die Sauerstoffpumpzelle 2 gelegte Span­ nung) Vp aufgeführt, während auf der Ordinate der Pump­ zellenstrom (der durch die Sauerstoffpumpzelle 2 fließende Strom) Ip angegeben ist. Wie in Fig. 13 ge­ zeigt, ist der Pumpzellenstrom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration (O₂) begrenzt. Der Strombegren­ zungsbereich entspricht einem geraden Abschnitt einer je­ den charakteristischen Kurve, die parallel zur Abszisse, d. h. der V-Achse (Spannungsachse), verläuft. Der Strombe­ grenzungsbereich wird in Richtung auf die positive Span­ nung verschoben, wenn die Sauerstoffkonzentration an­ steigt. Vorzugsweise wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung Vp in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentra­ tion gemäß der in Fig. 13 dargestellten Beziehung zwischen der an die Pumpzelle gelegten Spannung Vp und dem Pumpzellenstrom Ip so gesteuert, dass der Pumpzellen­ strom Ip in einem begrenzten Bereich liegt. In diesem Fall wird die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 31 auf einen vorgegebenen niedrigen Wert gebracht.

Wie vorstehend erwähnt, wird es bevorzugt, die an die Sauerstoffpumpzelle 2 gelegte Spannung in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration gemäß den begrenzten Ei­ genschaften des Pumpzellenstromes zu steuern. Dann kann die Sauerstoffpumpzelle 2 genau arbeiten.

Die Sauerstoffpumpzelle 2 trennt nur einen Teil der Sau­ erstoffkomponente vom Abgas im ersten Innenraum 31 ab. Daher strömt das Abgas, das einen restlichen Teil der Sauerstoffkomponente enthält, vom ersten Innenraum 31 über das Verbindungsloch 52 in den zweiten Innenraum 32. Der Durchsatz des Abgases vom ersten Innenraum 31 in den zweiten Innenraum 32 wird durch den vom Verbindungsloch 52 bestimmten Diffusionswiderstand festgelegt. Eine Span­ nung wird zwischen die Elektroden 61 und 62 der NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 gelegt. Insbesondere wird die erste Sensorelektrode (die obere Sensorelektrode) 61 mit einem negativen Potential beaufschlagt, während die zweite Sensorelektrode (die untere Sensorelektrode) 62 ein positives Potential erhält. Die erste Sensorelektrode 61, die zum zweiten Innenraum 32 weist, ist gegenüber NOx aktiv. Daher wird das NOx im Abgas innerhalb des zweiten Innenraumes 32 in der Nähe der ersten Sensorelektrode 61 über eine Reaktion wie beispielsweise "NOx → (1/2)N₂ + (x/2)O₂" zersetzt. Durch die Zersetzung von NOx wird somit neuer Sauerstoff (O₂) erzeugt. Der verblei­ bende Sauerstoff (O₂) und der neue Sauerstoff (O₂) werden von der ersten Sensorelektrode 61 in Sauerstoffionen zer­ setzt. Die Sauerstoffionen werden von zweiten Innenraum 32 in die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gezogen und durch die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 geführt, bevor sie über die zweite Sensorelektrode 62 in die Atmosphäre im Atmosphärenkanal 42 abgegeben werden. Auf diese Weise werden der verbleibende Sauerstoff (O₂) und der neue Sau­ erstoff (O₂) vom Abgas in den zweiten Innenraum 32 in der Nähe der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gepumpt. Zu die­ sem Zeitpunkt wird ein elektrischer Strom, der zwischen den Elektroden 61 und 62 der NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 fließt, als Anzeige für die NOx-Konzentration im Abgas detektiert. Vorzugsweise wird die an die NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 gelegte Spannung auf einen Pegel (beispielsweise etwa 0,5 V) eingestellt, bei dem sich H₂O nicht zersetzt.

Die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 hat die folgenden Ei­ genschaften. Ein von der zweiten Sensorelektrode 62 zur ersten Sensorelektrode 61 fließender Sensorzellenstrom wird als positiv definiert. Fig. 14 zeigt die V-I (Span­ nungs-Strom)-Eigenschaften der NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6. In Fig. 14 ist auf der Abszisse die an die Sen­ sorzelle gelegte Spannung (die an die NOx-Konzentrations­ sensorzelle 6 gelegte Spannung) Vs angegeben, während auf der Ordinate der Sensorzellenstrom (der durch die NOx- Konzentrationssensorzelle 6 fließende Strom) Is angegeben ist. Wie in Fig. 14 gezeigt, ist der Sensorzellenstrom in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration begrenzt. Der Strombegrenzungsbereich entspricht einem geraden Ab­ schnitt einer jeden charakteristischen Kurve, die paral­ lel zur Abszisse, d. h. der V-Achse (Spannungsachse), ver­ läuft. In dem Fall, in dem eine vorgegebene konstante Spannung in den Strombegrenzungsbereichen an die NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 gelegt wird, fließt ein Strom in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration durch die NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6. Daher kann in diesem Fall die NOx-Konzentration vom Pegel des durch die NOx-Konzentra­ tionssensorzelle 6 fließenden Stromes detektiert werden.

Wie vorstehend erwähnt, hatte während der Herstellung des Gasabtastabschnittes 1 die Brenntemperatur einen Wert von 1.000°C oder mehr. Es besteht somit die Möglichkeit, dass sich Au von der Schicht des Pt-Materiales mit zugesetztem Au für die zweite Pumpelektrode 22 der Sauerstoffpump­ zelle 2 verflüchtigt und dann an der Schicht des Pt-Mate­ riales mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 haftet. Dieses Au auf der ersten Sensorelektrode 61 kann das NOx-Zer­ setzungsverhalten derselben verringern.

Es wurde ein Vergleichsgasabtastabschnitt hergestellt, in dem eine erste Sensorelektrode einer NOx-Konzentrations­ sensorzelle aus Platin (Pt) wie beim Stand der Technik gefertigt wurde. Fig. 15 zeigt die V-I (Spannungs-Strom- Eigenschaften der NOx-Konzentrationssensorzelle im Ver­ gleichsgasabtastabschnitt. In Fig. 15 gibt die Abszisse die an die Sensorzelle gelegte Spannung (die an die NOx- Konzentrationssensorzelle gelegte Spannung wieder, während die Ordinate den Sensorzellenstrom (den durch die NOx-Konzentrationssensorzelle fließenden Strom) wieder­ gibt. Wie in Fig. 15 gezeigt, besitzt der Sensorzellen­ strom keinerlei begrenzte Charakteristik bei einer an die Sensorzelle gelegten Spannung von 0,5 V. Es wird davon ausgegangen, daß das NOx-Zersetzungsverhalten der ersten Sensorelektrode durch darauf befindliches Au reduziert wurde, wobei diese Reduktion des NOx-Zersetzungsverhal­ tens das Fehlen der begrenzten Stromcharakteristik verur­ sacht.

Fig. 16 zeigt die V-I (Spannungs-Strom)-Charakteristik der NOx-Konzentrationssensorzelle 6, bei der die erste Sensorelektrode 61 aus dem Pt-Rh-Material besteht. In Fig. 16 ist auf der Abszisse die an die Sensorzelle ge­ legte Spannung (die an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegte Spannung) wiedergegeben, während auf der Ordi­ nate der Sensorzellenstrom (der durch die NOx-Konzentra­ tionssensorzelle 6 fließende Strom) wiedergegeben ist. Wie in Fig. 16 gezeigt, besitzt der Sensorzellenstrom bei einer an die Sensorzelle gelegten Spannung von 0,5 V eine begrenzte Charakteristik. Wie aus einem Vergleich der Fig. 15 und 16 und aus der Tatsache hervorgeht, daß Rh ein stärkeres NOx-Zersetzungsverhalten hat als Pt, wird das NOx-Zersetzungsverhalten der Pt-Rh-Sensor­ elektrode 61 im Vergleich zur Pt-Sensorelektrode des Standes der Technik durch darauf abgelagertes Au weniger beeinträchtigt. Daher hat die NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 (die NOx-Konzentrationsabtastvorrichtung oder der Gasabtastabschnitt 1) eine verbesserte Messgenauigkeit.

Es wurde eine Vielzahl von Proben des Gasabtastabschnit­ tes 1 hergestellt. Der Rh-Gehalt der Pt-Rh-Sensor­ elektrode 61 wurde von Probe zu Probe verändert. Die Messgenauigkeit einer jeden Probe wurde beoachtet, um die Beziehung zwischen der Messgenauigkeit und dem Rh-Gehalt zu ermitteln. Fig. 17 zeigt die gefundene Beziehung zwischen der Messgenauigkeit und dem Rh-Gehalt (Gewichts­ prozent). Fig. 17 zeigt, dass eine verbesserte Messge­ nauigkeit erreichbar ist, wenn der Rh-Gehalt 1 Gew.-% be­ trägt oder größer ist. Die Abtastansprechzeit einer jeden Probe wurde beobachtet, um die Beziehung zwischen der Abtastansprechzeit und dem Rh-Gehalt zu ermitteln. Fig. 18 zeigt die gefundene Beziehung zwischen der Abtastan­ sprechzeit und dem Rh-Gehalt (Gew.-%). Fig. 18 zeigt fer­ ner, dass die Abtastansprechzeit ansteigt, wenn der Rh- Gehalt zunimmt. Der Anstieg der Abtastansprechzeit wird durch die Tatsache verursacht, dass die Pt-Rh-Sensor­ elektrode 61 mehr NOx adsorbiert, wenn der Rh-Anteil an­ steigt. Wie in Fig. 18 gezeigt, entspricht die Abtastan­ sprechzeit 0,2 sec, wenn der Rh-Gehalt 0 Gew.-% beträgt. Die Abtastansprechzeit, die bei einem Rh-Gehalt über 50 Gew.-% zur Verfügung steht, ist wesentlich länger als die Abtastansprechzeit, die bei einem Rh-Gehalt von 0 Gew.-% zur Verfügung steht. In dem Fall, in dem eine Abtastan­ sprechzeit von 1 sec oder weniger gewünscht wird, wird bevorzugt, den Rh-Gehalt auf 50 Gew.-% oder weniger einzu­ stellen. Im Hinblick sowohl auf die Messgenauigkeit als auch auf die Abtastansprechzeit liegt der Rh-Gehalt vor­ zugsweise in einem Bereich von 1 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Noch bevorzugter liegt der Rh-Gehalt in einem Bereich von 20 Gew.-% bis 40 Gew.-%.

Es wurden eine erste und eine zweite Probe des Gasabtast­ abschnittes 1 hergestellt. Während der Herstellung der ersten Probe betrug der mittlere Korndurchmesser des Me­ tallpulvers der Pt-Paste mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 0,05 µm. Während der Herstellung der zweiten Probe betrug der mittlere Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt- Paste mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 1,0 µm. Fig. 19 zeigt die Spannungs-Strom-Charakteristik der NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 der ersten und zweiten Probe.

Es wurde eine Vielzahl von Proben des Gasabtastabschnit­ tes 1 hergestellt. Der mittlere Korndurchmesser des Me­ tallpulvers der Pt-Paste mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 wurde von Probe zu Probe verändert. Was die Proben anbe­ traf, so betrug der mittlere Korndurchmesser des Metall­ pulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh 0,03 µm, 0,1 µm, 0,2 µm, 0,3 µm, 0,5 µm, 1 µm, 2 µm, 3 µm und 5 µm. Die Temperaturabhängigkeit einer jeden Probe wurde gemes­ sen, um die Beziehung zwischen der Temperaturabhängigkeit und dem mittleren Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh zu ermitteln. Speziell wurde die Änderungsrate des Sensorzellenstromes gemessen, die auftrat, als die Temperatur der Probe in einem Be­ reich von 700 ± 10°C verändert wurde. Fig. 20 zeigt die ermittelte Beziehung zwischen der Temperaturabhängigkeit und dem mittleren Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh. Die Impedanz (der Elektrodenwiderstand) der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 in jeder Probe wurde gemessen, um die Beziehung zwischen der Impedanz der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 und dem mittleren Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt- Paste mit zugesetztem Rh zu ermitteln. Die Impedanzmes­ sung wurde unter Bedingungen durchgeführt, bei denen sich die Probe in Luft befand und die Temperatur der NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 700°C betrug, wobei ein elektrisches Signal mit einer Frequenz von 5 kHz und ei­ ner Amplitude von 0,5 V verwendet wurde. Fig. 20 zeigt die ermittelte Beziehung zwischen der Impedanz der NOx- Konzentrationssensorzelle 6 und dem mittleren Korndurch­ messer des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh.

Wenn der mittlere Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh abnimmt, schreitet das auf dem Brennvorgang basierende Sintern rascher voran, so dass die Porosität der Pt-Rh-Sensorelektrode 61 abfällt. Der Abfall der Porosität bewirkt einen Abfall in der Gas­ leitfähigkeit der Pt-Rh-Sensorelektrode 61. Wie in Fig. 19 gezeigt, erreicht bei der Probe, die einen mittleren Korndurchmesser von 0,05 µm betrifft, der Sensorzellen­ strom nicht einen begrenzten Bereich, wenn die an die Sensorzelle gelegte Spannung 0,5 V entspricht. Der Sen­ sorzellenstrom in der Probe, die einen mittleren Korn­ durchmesser von 0,05 µm aufweist, wird durch eine Tempe­ raturänderung leicht beeinflusst. Somit hat, wie in Fig. 20 gezeigt, die Probe mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,05 µm eine große Temperaturabhängigkeit. Wenn der mittlere Korndurchmesser geringer ist als 0,1 µm, ist die Temperaturabhängigkeit des Gasabtastabschnittes 1 sehr groß. Wenn andererseits der mittlere Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh an­ steigt, schreitet das auf dem Brennen basierende Sintern langsamer voran, so dass die Verbindungsbereiche zwischen den Körnern abnehmen. Diese Abnahme der Kornverbindungs­ bereiche führt zu einem Abfall des Elektrodenwiderstandes (der Impedanz) der NOx-Konzentrationssensorzelle 6. Es ist in Fig. 20 gezeigt, dass bei einem Anstieg des mitt­ leren Korndurchmessers des Metallpulvers in der Pt-Paste mit zugesetztem Rh über 3,0 µm die Impedanz der NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 übermäßig stark ansteigt.

Was die Beziehungen zwischen den Parametern der Fig. 20 anbetrifft, so liegt der mittlere Korndurchmesser des Me­ tallpulvers der Pt-Paste mit zugesetztem Rh vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 µm bis 3,0 µm. Wie aus der vor­ hergehenden Beschreibung deutlich wird, stehen die Tem­ peraturabhängigkeit der Pt-Rh-Sensorelektrode 61 und der Elektrodenwiderstand der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 in einer bestimmten Beziehung zueinander. Die Korndurch­ messer des Pt-Rh-Legierungspulvers im Material für die erste Sensorelektrode 61 sind optimiert, um die gewünsch­ ten Sensoreigenschaften zu erreichen. In dem Fall, in dem der mittlere Korndurchmesser des Metallpulvers in der Pt- Paste mit zugesetztem Rh zwischen 0,1 µm und 3,0 µm liegt, liegt die Dicke (Filmdicke) der Pt-Rh-Elektrode 61 vom Standpunkt der Haltbarkeit her vorzugsweise in einem Bereich von 5 µm bis 20 µm.

Das Drucken der Schicht der Pt-Paste mit zugesetztem Rh für die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrations­ sensorzelle 6 wird durchgeführt, bevor das Brennen ausge­ führt wird. Die gedruckte Schicht der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh wird zur gleichen Zeit gebrannt wie die ent­ sprechende frische Zirkondioxidlage gebrannt wird. Währen des Brennens der Pt-Pastenschicht mit zugesetztem Rh und der entsprechenden frischen Zirkondioxidlage besteht die Neigung zu Brüchen, wenn der Unterschied im Kontraktions­ koeffizient zwischen der Pt-Pastenschicht mit zugesetztem Rh und der entsprechenden frischen Zirkondioxidlage besonders groß ist. Durch das Auftreten eines Bruches wird die Ausbeute verringert.

Es wurden unterschiedliche Typen der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh hergestellt. Jeder der unterschiedlichen Typen der Pt-Paste mit zugesetztem Rh wurde zu einem Zylinder mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 1 mm geformt. Der Zylinder wurde gebrannt. Der Kontraktionsko­ effizient des Zylinders (der Pt-Pastenschicht mit zuge­ setztem Rh) wurde gemessen, indem die Differenz zwischen dem Zylinderdurchmesser vor dem Brennen und dem Zylinder­ durchmesser nach dem Brennen detektiert wurde.

Es wurde eine frische Zirkondioxidlage hergestellt. Dies frische Zirkondioxidlage wurde zu einem Zylinder mit ei­ nem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 1 mm ge­ formt. Der Zylinder wurde gebrannt. Der Kontraktionskoef­ fizient des Zylinders (der frischen Zirkondioxidlage). wurde gemessen, indem die Differenz zwischen dem Zylin­ derdurchmesser vor dem Brennen und dem Zylinderdurchmes­ ser nach dem Brennen detektiert wurde. Der gemessene Kon­ traktionskoeffizient betrug 20%.

Viele Beispiele des Gasabtastabschnittes 1 wurden herge­ stellt, während die unterschiedlichen Typen der Pt-Paste mit zugesetztem Rh verwendet wurden. Die Ausbeute für je­ den der unterschiedlichen Typen der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh wurde gemessen, um die Beziehung zwischen der Ausbeute und dem Kontraktionskoeffizient der Pt-Paste mit zugesetztem Rh zu ermitteln. Fig. 21 zeigt die ermit­ telte Beziehung zwischen der Ausbeute und dem Kontraktionskoeffizient der Pt-Paste mit zugesetztem Rh. Wie in Fig. 21 gezeigt, hat die Ausbeute ein Maximum bei einem Kontraktionskoeffizient von 20%, der dem der frischen Zirkondioxidlage entspricht.

Die unterschiedlichen Typen der Pt-Paste mit zugesetztem Rh wurden hergestellt, indem der Harzgehalt (Gew.-%) der­ selben und/oder das Pt/Rh-Gewichtsverhältnis (oder das Pt/Rh-Mol(Atom)verhältnis) verändert wurden. Fig. 22 zeigt die Beziehung zwischen dem Kontraktionskoeffizient und dem Harzgehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh. Fer­ ner zeigt Fig. 22 die Beziehung zwischen der Impedanz (dem Elektrodenwiderstand) der NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 und dem Harzgehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh. Wie in Fig. 22 gezeigt, steigt der Kontraktionskoef­ fizient an, wenn der Harzgehalt der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh ansteigt. Der Kontraktionskoeffizient hängt vom Pt/Rh-Gewichtsverhältnis in der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh ab. Speziell fällt der Kontraktionskoeffizient ab, wenn der Rh-Gehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh ansteigt. Der Harzgehalt und der Rh-Gehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh werden so eingestellt, dass der Unter­ schied im Kontraktionskoeffizient zwischen der Pt-Paste mit zugesetztem Rh und der entsprechenden frischen Zir­ kondioxidlage ausreichend verringert wird. In diesem Fall ist es möglich, das Auftreten eines Bruches zu verhin­ dern, der sonst zu einer Verringerung der Ausbeute führen würde.

In dem Fall, in dem der Harzgehalt der Pt-Paste mit zuge­ setztem Rh 15 Gew.-% übersteigt, ist die Dicke der ersten Sensorelektrode 61, die nach dem Brennen erhalten wird, übermäßig gering, so dass die Impedanz der NOx-Konzentra­ tionssensorzelle 6 unmäßig hoch ist. Daher wird bevor­ zugt, den Harzgehalt auf 15 Gew.-% oder weniger einzustel­ len. Wenn andererseits der Harzgehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh übermäßig klein ist, ist es schwierig, eine Schicht aus der Pt-Paste mit zugesetztem Rh zu drucken. Wenn der Harzgehalt der Pt-Paste mit zugesetztem Rh geringer ist als 1 Gew.-%, ist deren Viskosität über­ mäßig gering, so dass keine gewünschte Dicke eines ge­ druckten Filmes der Pt-Paste mit zugesetztem Rh erhalten werden kann. Es wird somit mehr bevorzugt, den Harzgehalt in einem Bereich von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-% einzustellen.

Zweite Ausführungsform

Fig. 23 zeigt einen Gasabtastabschnitt 1A einer Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung (einer NOx-Konzentrationsab­ tastvorrichtung) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Gasabtastabschnitt 1A in Fig. 23 ent­ spricht grundlegend dem Gasabtastabschnitt 1 in Fig. 11, mit Ausnahme einer hiernach beschriebenen zusätzlichen Anordnung.

Wie in Fig. 23 gezeigt, umfasst der Gasabtastabschnitt 1A eine Sauerstoffkonzentrationssensorzelle 8. Die Sen­ sorzelle 8 detektiert die Sauerstoffkonzentration in ei­ nem ersten Innenraum 31. Die an eine Sauerstoffpumpzelle 2 gelegte Spannung kann in Abhängigkeit von der von der Sensorzelle 8 detektierten Sauerstoffkonzentration ge­ steuert werden.

Die Sauerstoffkonzentrationssensorzelle 8 besteht aus ei­ nem Festelektrolytelement "B" und Elektroden 81 und 82. Die Elektroden 81 und 82 sind auf der Unterseite und der Oberseite des Festelektrolytelementes "B" ausgebildet. Die Elektroden 81 und 82 sind in Fig. 23 vertikal zuein­ ander ausgerichtet. Die obere Elektrode 82 liegt im ersten Innenraum 31 frei. Die untere Elektrode 81 liegt in einem Atmosphärenkanal 41 frei, der mit einer At­ mosphäre gefüllt ist, bei der es sich um ein Referenzgas handelt, um eine Referenzsauerstoffkonzentration vorzuse­ hen. Die obere Elektrode 82 ist beispielsweise aus einer porösen Pt-Au-Legierung hergestellt, die inaktiv in bezug auf NOx ist. Die untere Elektrode 81 ist beispielsweise aus porösem Pt hergestellt.

Die Sauerstoffkonzentrationssensorzelle 8 erzeugt eine elektromotorische Kraft auf der Basis der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen einem Messgas im ersten Innenraum 31 und dem Referenzgas (der Atmosphäre) im Atmosphärenkanal 41. Die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 31 kann detektiert werden, indem die er­ zeugte elektromotorische Kraft gemessen wird. In Abhän­ gigkeit von der R 72555 00070 552 001000280000000200012000285917244400040 0002010029236 00004 72436egelung eines Stromes durch die Sauer­ stoffpumpzelle 2, um die elektromotorische Kraft der Sau­ erstoffkonzentrationssensorzelle 8 auf einem vorgegebenen Niveau zu halten, kann die Sauerstoffkonzentration im ersten Innenraum 31 konstant gehalten werden.

Dritte Ausführungsform

Eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung bezieht sich auf ein System, das die Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung aufweist.

Eine Stabilisierungszeit wird als die Zeit definiert, die zum Stabilisieren des Ausgangssignales einer NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 nach dem Betriebsbeginn der Gas­ konzentrationsvorrichtung (des Gasabtastabschnittes 1 oder 1A) benötigt wird.

Eine erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssen­ sorzelle 6 wird aus Rh oder Pt-Rh hergestellt. Die Rh- oder Pt-Rh-Sensorzelle 61 bewirkt, dass die Stabilisie­ rungszeit länger ist als die in einer Gaskonzentrations­ abtastvorrichtung mit einer NOx-Konzentrationssensor­ zelle, bei der eine erste Sensorelektrode aus Pt herge­ stellt ist, zur Verfügung stehende Zeit. Es ist in Fig. 3 gezeigt, dass die Stabilisierungszeit ansteigt, wenn der Rh-Gehalt (Gew.-%) des Materiales für die erste Sen­ sorelektrode 61 ansteigt. Eine derart lange Stabilisie­ rungszeit wird auf die folgende Tatsache zurückgeführt. Die Rh- oder Pt-Rh-Sensorelektrode 61 neigt dazu, O₂ zu adsorbieren. Beim Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsab­ tastvorrichtung zersetzt sich das von der Rh- oder Pt-Rh- Sensorelektrode 61 adsorbierte O₂, so dass ein Strom er­ zeugt wird. Dieser Strom auf Basis der O₂-Zersetzung erhöht den Sensorzellenstrom und bewirkt somit, dass der Sensorzellenstrom instabil wird.

Was die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung anbetrifft, bei der die erste Sensorelektrode 61 aus Pt-Rh mit einem Rh-Anteil von 50 Gew.-% besteht, so variiert der Sensor­ strom in der in Fig. 2 gezeigten Weise, nachdem begonnen worden ist, eine vorgegebene Spannung (0,5 V) an die NOx- Konzentrationssensorzelle 6 zu legen. Es wurde festge­ stellt, dass der Sensorzellenstrom, der unmittelbar nach dem Beginn des Anlegens der vorgegebenen Spannung auf­ tritt, durch den auf der O₂-Zersetzung basierenden Strom erhöht wird. Während eines nachfolgenden Stadiums fällt der Sensorzellenstrom abrupt ab. Nach dem Beginn des An­ legens der vorgegebenen Spannung dauert es 200 sec oder mehr bis zur Stabilisierung des Sensorzellenstromes.

Das System der dritten Ausführungsform dieser Erfindung ist so ausgebildet, dass eine nachteilige Beeinflussung des auf der O₂-Zersetzung basierenden Stromes in bezug auf den Sensorzellenstrom und somit ein Abfallen der Sta­ bilisierungszeit verhindert wird. In dem System wird ins­ besondere adsorbiertes O₂ von der ersten Sensorelektrode 61 beim Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung in forcierter Weise entfernt.

Das System der dritten Ausführungsform der Erfindung ent­ hält eine O₂-Entfernungseinrichtung, bei der es sich um eine Einrichtung zum Steuern der zwischen die Elektroden 61 und 62 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegten Spannung handelt, um O₂ von der Elektrode 61 elektrochemisch zu entfernen. Insbesondere wird eine Spannung (eine zweite Steuerspannung V2), die höher ist als eine normale Steuerspannung (eine erste Steuerspannung V1), an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegt. Auf diese Weise wird O₂ forciert zersetzt und forciert von der ersten Sensorelektrode 61 entfernt.

Fig. 24 zeigt ein Beispiel des Anlegemusters der Span­ nung an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6, bei der die erste Sensorelektrode 61 aus Pt-Rh mit einem Rh-Anteil, der 50 Gew.-% entspricht, besteht. Gemäß dem Spannungsan­ legemuster der Fig. 24 wird die erste Steuerspannung V1 auf 0,5 V eingestellt, während die zweite Steuerspannung V2 auf 1,0 V eingestellt wird. Wie in Fig. 24 gezeigt, bleibt während einer vorgegebenen Zeitdauer unmittelbar nach Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung die zweite Steuerspannung V2 an der NOx-Konzentra­ tionssensorzelle 6 angelegt. Wenn die vorgegebene Zeit­ dauer endet, wird das Anlegen der zweiten Steuerspannung V2 durch das Anlegen der ersten Steuerspannung V1 er­ setzt. Danach bleibt die Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung unter normaler Steuerung, während die erste Steuer­ spannung V1 weiterhin an die NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 gelegt wird. Im wesentlichen im Augenblick der Änderung der zweiten Steuerspannung V2 auf die erste Steuerspannung V1 erreicht der Sensorzellenstrom ein kon­ stantes Niveau. Danach bleibt der Sensorzellenstrom auf diesem konstanten Niveau. Wie aus dem Vergleich zwischen Fig. 2 und Fig. 24 hervorgeht, ist in diesem Fall eine wesentlich kürzere Stabilisierungszeit erreichbar.

Wie man Fig. 25 entnehmen kann, umfassen die Steuerein­ richtungen (die O₂-Entfernungseinrichtungen) Konstant­ spannungsquellen CV1 und CV2 sowie einen Schalter SW1. Der Schalter SW1 hat einen beweglichen Kontakt und feste Kontakte "P" und "Q". Der bewegliche Kontakt ist entweder an den festen Kontakt "P" oder den festen Kontakt "Q" an­ geschlossen. Die positive Klemme der Konstantspannungs­ quelle CV1 ist an den festen Kontakt "P" des Schalters SW1 angeschlossen. Die positive Klemme der Konstantspan­ nungsquelle CV2 ist an den festen Kontakt "Q" des Schal­ ters SW1 angeschlossen. Der bewegliche Kontakt des Schal­ ters SW1 führt zur zweiten Sensorelektrode 62 der NOx- Konzentrationssensorzelle 6. Die negative Klemme der Kon­ stantspannungsquelle CV1, die negative Klemme der Kon­ stantspannungsquelle CV2 und die erste Sensorelektrode 61 der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 sind geerdet. Die Konstantspannungsquelle CV1 liefert die erste Steuerspan­ nung V1 (beispielsweise 0,5 V). Die Konstantspannungs­ quelle CV2 liefert die zweite Steuerspannung V2 (bei­ spielsweise 1,0 V). Wenn der bewegliche Kontakt des Schalters SW1 an den festen Kontakt "P" desselben ange­ schlossen ist, wird die erste Steuerspannung V1 von der Konstantspannungsquelle CV1 der NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 zugeführt. Wenn andererseits der bewegliche Kon­ takt des Schalters SW1 an den festen Kontakt "Q" dessel­ ben angeschlossen ist, wird die zweite Steuerspannung V2 von der Konstantspannungsquelle CV2 an die NOx-Konzentra­ tionssensorzelle 6 gelegt.

Bei Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung wird der bewegliche Kontakt des Schalters SW1 an den festen Kontakt "Q" desselben angeschlossen, so dass die zweite Steuerspannung V2, die höher ist als die erste Steuerspannung V1, an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegt wird. Während der vorgegebenen Zeit unmittelbar nach dem Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung bleibt der bewegliche Kontakt des Schalters SW1 an den festen Kontakt "Q" desselben angeschlossen, so dass die zweite Steuerspannung V2 weiterhin an die NOx- Konzentrationssensorzelle 6 gelegt wird. Wenn die vorge­ gebene Zeit endet, wird der bewegliche Kontakt des Schal­ ters SW1 vom festen Kontakt "Q" desselben getrennt und an den festen Kontakt "P" desselben angeschlossen, so daß die erste Steuerspannung V1 anstelle der zweiten Steuer­ spannung V2 an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegt wird. Danach bleibt die Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung unter normaler Steuerung, während die erste Steuer­ spannung V1 weiterhin an die NOx-Konzentrationssensor­ zelle 6 gelegt wird.

Die Konstantspannungsquelle CV1 umfaßt einen Widerstand R1 zum Abtasten des Sensorzellenstromes, d. h. des durch die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 fließenden Stromes. Insbesondere hängt die Differenz zwischen den Spannungen Va und Vb an den gegenüberliegenden Enden des Widerstan­ des R1 vom Sensorzellenstrom ab. Genauer gesagt, der Sen­ sorzellenstrom wird von den Spannungen Va und Vb und dem Widerstand des Widerstandes R1 gemäß der Gleichung "(Va - Vb)/R1" festgelegt. Während die Gaskonzentrationsabtast­ vorrichtung unter der normalen Steuerung verbleibt, bei der die erste Steuerspannung V1 weiterhin an die NOx-Kon­ zentrationssensorzelle 6 gelegt wird, wird die NOx-Konzentration in einem Messgas (einem Abgas) auf der Basis des Sensorzellenstromes gemessen.

Fig. 26 zeigt die Beziehung zwischen der Stabilisie­ rungszeit und der Dauer des Anlegens der zweiten Steuer­ spannung V2 an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6, die unter Bedingungen auftritt, bei denen ein Abgas (ein Messgas) O₂ mit 5% enthält und somit aus einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch resultiert. Es ist in Fig. 26 gezeigt, dass die Stabilisierungszeit abnimmt, wenn die Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspannung V2 in Rich­ tung auf 10 sec abfällt. Die Stabilisierungszeit wird mi­ nimiert, wenn die Dauer des Anlegens der zweiten Steuer­ spannung V2 10 sec beträgt. Die Stabilisierungszeit nimmt zu, wenn die Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspan­ nung V2 von 10 sec ansteigt. Es wird davon ausgegangen, dass die Minimierung der Stabilisierungszeit durch die folgenden Prozesse verursacht wird. In dem Fall, in dem die Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspannung V2 re­ lativ lang ist, wird O₂ übermäßig stark aus dem Abgas entfernt, so dass daher H₂ und HC von der ersten Sensor­ elektrode 61 adsorbiert werden. Die H₂- und HC-Adsorption verhindert eine Zersetzung des NOx durch die erste Sen­ sorelektrode 61.

Wenn, wie in Fig. 26 gezeigt, ein Abgas aus einem mage­ ren Luft-Kraftstoff-Gemisch resultiert, wird die Stabili­ sierungszeit auf 20 sec minimiert, wenn die Dauer des An­ legens der zweiten Steuerspannung V2 10 sec beträgt. Wenn andererseits ein Abgas aus einem fetten Luft-Kraftstoff- Gemisch resultiert, wird die Stabilisierungszeit auf 25 sec minimiert, wenn die Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspannung V2 2 sec beträgt Es wird davon ausgegan­ gen, dass eine derartige Abhängigkeit der optimalen Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspannung V2 bei Bedingun­ gen eines fetten/mageren Gemisches (Gehaltsanteilbedin­ gungen) des Abgases von der Tatsache verursacht wird, dass sich H₂ und HC mit dem von der ersten Sensor­ elektrode 61 adsorbierten O₂ verbinden, so dass daher die Entfernung des O₂ von der ersten Sensorelektrode 61 er­ leichtert wird. Es wird somit bevorzugt, die Dauer des Anlegens der zweiten Steuerspannung V2 im Hinblick auf die Anteile im Abgas (Messgas) auszuwählen, um die Stabi­ lisierungszeit zu minimieren.

Fig. 27 zeigt die Beziehung zwischen der Stabilisie­ rungszeit und dem Pegel der zweiten Steuerspannung V2, die an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegt wird. In Fig. 27 ist gezeigt, dass die Stabilisierungszeit ab­ nimmt, wenn der Pegel der angelegten zweiten Steuerspan­ nung V2 ansteigt. Ein übermäßig hoher Pegel der angeleg­ ten zweiten Steuerspannung V2 neigt dazu, eine Zersetzung von Zirkondioxid in einem Festelektrolytelement "B" der NOx-Konzentrationssensorzelle 6 zu verursachen. Ein auf der Zersetzung von Zirkondioxid basierender Strom wird detektiert, wenn der Pegel der angelegten zweiten Steuer­ spannung V2 1,2 V übersteigt. Vom Standpunkt der Haltbar­ keit her wird es daher bevorzugt, den Pegel der angeleg­ ten zweiten Spannung auf 1,2 V oder weniger einzustellen.

Nach Betriebsbeginn der Gaskonzentrationsabtastvorrich­ tung wird die an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegte Spannung gemäß einem von unterschiedlichen Mustern, die nachfolgend beschrieben werden, variiert.

Fig. 28 zeigt ein erstes Variationsmuster der an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegten Spannung. Gemäß dem in Fig. 28 gezeigten Muster wird die angelegte Span­ nung während des Zeitintervalls vom Augenblick des Be­ triebsbeginns der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung bis zu einem vorgegebenen Augenblick t10 auf dem zweiten Steuerpegel V2 gehalten. Im Augenblick t10 läßt man die angelegte Spannung vom zweiten Steuerpegel V2 auf den ersten Steuerpegel V1 fallen. Nach dem Augenblick t10 wird die angelegte Spannung auf dem ersten Steuerpegel V1 gehalten.

Fig. 29 zeigt ein zweites Variationsmuster der an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegten Spannung. Gemäß dem in Fig. 29 gezeigten Muster wird die angelegte Span­ nung linear vom Nullpegel bis zum zweiten Steuerpegel V2 während des Zeitintervalls vom Augenblick des Betriebsbe­ ginns der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung bis zu einem vorgegebenen Augenblick t11 erhöht. Dann wird die ange­ legte Spannung auf dem zweiten Steuerpegel V2 bis zu ei­ nem vorgegebenen Augenblick t12, der dem Augenblick t11 folgt, gehalten. Vom zweiten Steuerpegel V2 an lässt man die angelegte Spannung während des Zeitintervalls vom Au­ genblick t12 bis zu einem vorgegebenen Augenblick t13 bis zum ersten Steuerpegel V1 abfallen. Nach dem Augenblick t13 wird die angelegte Spannung auf dem ersten Steuerpe­ gel V1 gehalten.

Fig. 30 zeigt ein drittes Variationsmuster der an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegten Spannung. Gemäß dem Muster der Fig. 30 wird die angelegte Spannung vom Nullpegel auf den zweiten Steuerpegel V2 entlang einer gekrümmten Linie während des Zeitintervalls vom Augen­ blick des Betriebsbeginns der Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung bis zu einem vorgegebenen Augenblick t14 erhöht. Dann wird die angelegte Spannung vom zweiten Steuerpegel V2 bis zum ersten Steuerpegel V1 entlang einer gekrümmten Linie während des Zeitintervalls vom Augenblick t14 bis zu einem vorgegebenen Augenblick t15 verringert. Nach dem Augenblick t15 wird die angelegte Spannung auf dem ersten Steuerpegel V1 gehalten.

Fig. 31 zeigt ein viertes Variationsmuster der an die NOx-Konzentrationssensorzelle 6 gelegten Spannung. Gemäß dem Muster der Fig. 31 wird die angelegte Spannung zwischen dem ersten Steuerpegel V1 und dem zweiten Steu­ erpegel V2 während des Zeitintervalls vom Augenblick des Betriebsbeginns der Konzentrationsabtastvorrichtung bis zu einem vorgegebenen Augenblick t16 periodisch verän­ dert. Im Augenblick t16 wird die angelegte Spannung von der zweiten Steuerspannung V2 auf die erste Steuerspan­ nung V1 geändert. Nach dem Augenblick t16 wird die ange­ legte Spannung auf dem ersten Steuerpegel V1 gehalten.

Vierte Ausführungsform

Eine vierte Ausführungsform der Erfindung entspricht der dritten Ausführungsform mit Ausnahme der nachfolgend er­ wähnten Konstruktionsänderungen.

In einem System der vierten Ausführungsform der Erfindung stellt eine O₂-Entfernungseinrichtung eine Einrichtung zur Einführung eines brennbaren Gases in ein Abgas, das ein Messgas ist, dar. Das eingeführte brennbare Gas rea­ giert mit dem von einer ersten Sensorelektrode 61 einer NOx-Konzentrationssensorzelle 6 adsorbierten O₂ und ent­ fernt auf diese Weise O₂ von der ersten Sensorelektrode 61. Insbesondere wird während einer vorgegebenen Zeit nach dem Betriebsbeginn einer Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung die O₂-Entfernungseinrichtung aktiviert, um ein Messgas (ein Abgas) mit brennbaren Komponenten anzu­ reichern. Diese brennbaren Komponenten reagieren mit dem von der ersten Sensorelektrode 61 adsorbierten O₂ und entfernen auf diese Weise O₂ hiervon.

Die vorgegebene Zeit, während der das Messgas (Abgas) mit brennbaren Komponenten angereichert wird, wird als An­ reicherungszeit bezeichnet.

Fig. 32 zeigt die Beziehung zwischen der Stabilisie­ rungszeit und der Anreicherungszeit, die unter Bedingun­ gen erreichbar ist, bei denen ein mit brennbaren Kompo­ nenten angereichertes Messgas zu einem von einem Luft- Kraftstoff-Gemisch mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 12 ausgehenden Abgas äquivalent ist und das Messgas O₂ mit 5% enthält, nachdem die Anreicherung beendet ist. Es ist in Fig. 32 gezeigt, dass die Stabilisierungszeit abnimmt, wenn die Anreicherungszeit ansteigt. Vorzugs­ weise werden die Anreicherungszeit und die Einführungsrate des brennbaren Gases in das Messgas so ausgewählt, daß eine gewünschte Stabilisierungszeit erreicht wird.

Wie in Fig. 33 gezeigt, ist die Gaskonzentrationsabtast­ vorrichtung GS in einem Abgaskanal 9 vorgesehen, der sich vom Gehäuse eines Motors EG aus erstreckt. Die O₂-Entfer­ nungseinrichtung besitzt einen Gaseinführkanal 91, der an einen Bereich des Abgaskanales 9 aufstromseitig der Gas­ konzentrationsabtastvorrichtung GS angeschlossen ist. Ein brennbares Gas wird über den Gaseinführkanal 91 in ein Abgas eingeführt, das im Abgaskanal 9 strömt.

Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wird dem Motor EG zugeführt. Im Motor EG wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu einem Ab­ gas verbrannt. Das Abgas wird vom Motor EG abgegeben, be­ vor es in den Abgaskanal 9 strömt. Die O₂-Entfernungsein­ richtung kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Luft- Kraftstoff-Gemisches so steuern, dass das Abgas reich an brennbaren Komponenten ist.

Fünfte Ausführungsform

Wie vorstehend erwähnt, hat der Gaskonzentrationssensor 1100 des Standes der Technik gemäß Fig. 4 das nachfol­ gende Problem. In dem Fall, in dem das Abgas von einem Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird, das fetter ist als dem stöchiometrischen Wert entsprechend und somit eine Menge brennbarer Komponenten, wie H₂ und HC, enthält, neigt ein Teil der brennbaren Komponenten dazu, von der ersten Elektrode 1111 der Pumpzelle 1110 adsorbiert zu werden. Wenn das durch das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugte Abgas durch ein Abgas ersetzt wird, das von ei­ nem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird, verhin­ dern die von der ersten Elektrode 1111 adsorbierten brennbaren Komponenten die Zersetzung von NOx. Daher ist es schwierig, die NOx-Konzentration für einige 10 Sekun­ den genau zu detektieren. Die Ansprecheigenschaften des Konzentrationssensors 1100 des Standes der Technik der Fig. 4 werden somit schlecht, wenn das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugte Abgas durch ein von ei­ nem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugtes Abgas er­ setzt wird.

Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung ist so ausge­ bildet, dass dieses Problem beseitigt werden kann. Die fünfte Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Gas­ konzentrationsabtastvorrichtung, die für den Verbren­ nungsmotor eines Kraftfahrzeuges verwendet wird. Der Mo­ tor ist mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem versehen. Dieses Steuersystem stellt die Kraftstoffein­ spritzrate in den Motor in Abhängigkeit vom Ergebnis der Detektion durch die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung ein, so dass ein dem Motor zugeführtes Luft-Kraftstoff- Gemisch in bezug auf ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Ver­ hältnis geregelt wird. Die Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung umfasst einen Gaskonzentrationssensor eines Mehrfachtyps, der in der Lage ist, sowohl eine NOx-Kon­ zentration als auch eine O₂-Konzentration eines vom Motor abgegebenen Abgases zu detektieren.

Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines dem Motor zugeführ­ ten Luft-Kraftstoff-Gemisches wird in Abhängigkeit von der vom Gaskonzentrationssensor detektierten Sauerstoff­ konzentration geregelt. Ein NOx-Katalysator (beispiels­ weise ein Katalysator zum Reduzieren von NOx-Okklusionen) ist an ein Abgasrohr des Motors angeschlossen. Der NOx- Katalysator wird in Abhängigkeit von der vom Gaskonzent­ rationssensor detektierten NOx-Konzentration gesteuert.

Die Steuerung des NOx-Katalysators läuft wie folgt ab. Der Gaskonzentrationssensor ist in einem Bereich eines Abgaskanales abstromseitig vom NOx-Katalysator angeord­ net. Die NOx-Konzentration in einem Abgas, das den NOx- Katalysator passiert hat, wird vom Gaskonzentrationssen­ sor detektiert. Der Durchsatz an NOx, das vom NOx-Kataly­ sator nicht behandelt wurde, wird aus der detektierten NOx-Konzentration geschätzt. Wenn der geschätzte Durch­ satz an nicht behandeltem NOx über einen vorgegebenen Re­ ferenzpegel ansteigt, wird ein Prozeß zur Wiederherstel­ lung der Fähigkeit des NOx-Katalysators zum Zersetzen von NOx durchgeführt. Normalerweise verringern Ionen, die vom NOx-Katalysator adsorbiert wurden, dessen Fähigkeit zur Zersetzung von NOx. Während der Durchführung des Wieder­ herstellprozesses wird ein dem Motor zugeführtes Luft- Kraftstoff-Gemisch angereichert, um adsorbierte Ionen vom NOx-Katalysator zu entfernen.

Fig. 34 zeigt die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung ge­ mäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung. Die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung in Fig. 34 umfaßt den Gaskonzentrationssensor 1100, eine Steuerschaltung 200 und einen Schaltkreis 300.

Der Schaltkreis 300 hat einen beweglichen Kontakt und feste Kontakte "A", "B" und "C". Der bewegliche Kontakt ist an einen der festen Kontakte "A", "B" und "C" ange­ schlossen. Der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 ist an eine erste Pumpelektrode 1111 im Gaskonzentra­ tionssensor 1100 angeschlossen. Die festen Kontakte "A", "B" und "C" des Schaltkreises 300 sind an verschiedene Klemmen der Steuerschaltung 200 angeschlossen. Eine steu­ erbare Spannung wird von der Steuerschaltung 200 an eine Pumpzelle 1110 im Gaskonzentrationssensor 1100 über den Schaltkreis 300 gelegt. Die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung wird als Pumpzellenanlegespannung bezeichnet.

Die Steuerschaltung 200 umfaßt eine Sauerstoffkonzentra­ tionsdetektionsschaltung 210 und eine Stromzuführschal­ tung 230. Wenn der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "A" desselben angeschlossen ist, ist die erste Pumpelektrode 1111 an die Sauerstoff­ konzentrationsdetektionsschaltung 210 angeschlossen. Wenn der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "B" oder den festen Kontakt "C" desselben angeschlossen ist, ist die erste Pumpelektrode 1111 an die Stromzuführschaltung 230 angeschlossen. In dem Fall, in dem der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "A" desselben angeschlossen ist, nimmt die an die erste Pumpelektrode 1111 gelegte Spannung ei­ nen von der Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 210 festgelegten Pegel Va ein. In dem Fall, in dem der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "B" desselben angeschlossen ist, nimmt die an die erste Pumpelektrode 1111 angelegte Spannung einen vorgegebenen Pegel Vc ein, der von einer Stromquelle 231 in der Stromzuführschaltung 230 festgelegt wird. In dem Fall, in dem der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "C" desselben angeschlossen ist, nimmt die an die erste Pumpelektrode 1111 angelegte Span­ nung einen von der Stromzuführschaltung 230 vorgesehenen Erdpegel (0 V) ein.

Wie in Fig. 34 gezeigt, sind eine zweite Pumpelektrode 1112 und eine erste Sensorelektrode 1121 im Gaskonzentra­ tionssensor 1100 geerdet.

Die Stromzuführschaltung 230 ist so ausgebildet, dass die Pumpzelle 1110 einer von zwei unterschiedlichen Spannun­ gen ausgesetzt wird, die geringer ist als die Spannung, die benutzt wird, wenn das Abgas (Messgas) von einem ma­ geren Luft-Kraftstoff-Gemisch ausgeht. In dem Fall, in dem die Spannung VO am Abgriffspunkt der Linie LX1 der angelegten Spannung etwa 0,2 V in Fig. 8 entspricht, werden die von der Stromzuführschaltung 230 zugeführten Spannungen auf einen Wert eingestellt, der 0,2 V ent­ spricht oder geringer als dieser ist. Durch diese Steue­ rung kann ein gewünschter Sensorstrom (ein begrenzter Strom) für jeden Wert der Sauerstoffkonzentration im Ab­ gas zur Verfügung gestellt werden. Die von der Strom­ quelle 231 zur Verfügung gestellte Spannung Vc wird auf beispielsweise 0,1 V eingestellt. Die von der Stromzu­ führschaltung 230 an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung kann 0,2 V oder 0 V entsprechen.

Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 210 um­ faßt eine Pumpspannungsbefehlsschaltung 211. Die Pump­ spannungsbefehlsschaltung 211 wird über die tatsächlichen Spannungen Va und Vd, die sich in der Sauerstoffkon­ zentrationsdetektionsschaltung 210 entwickeln, infor­ miert. Sie erzeugt eine Befehlsspannung Va, die an die Pumpzelle 1110 zu legen ist. Die Pumpspannungsbefehls­ schaltung 211 steuert den Pegel der Befehlsspannung Va in Abhängigkeit von den tatsächlichen Spannungen Va und Vb.

Wie in Fig. 35 gezeigt, wird die Pumpspannungsbefehls­ schaltung 211 von einem 1-Chip-Mikrocomputer gebildet, der eine Kombination aus einer Eingangsklemme, einer Aus­ gangsklemme, einer CPU, einem RAM (nicht gezeigt) und ei­ nem ROM (nicht gezeigt) enthält. Der Mikrocomputer arbei­ tet in Abhängigkeit von einem im ROM gespeicherten Steu­ erprogramm. Wie in Fig. 35 gezeigt, besitzt die Pump­ spannungsbefehlsschaltung 211 A/D-Wandler A/D1 und A/D2, die im Eingang vorgesehen sind. Die Pumpspannungsbefehls­ schaltung 211 umfaßt ferner einen D/A-Wandler D/A1, der im Ausgang vorgesehen ist. Die A/D-Wandler A/D1 und A/D2 empfangen die tatsächlichen Spannungen Va und Vb. Der A/D-Wandler A/D1 überführt die tatsächliche Spannung Va in ein entsprechendes digitales Signal, das von der CPU verarbeitet wird. Der A/D-Wandler A/D2 überführt die tat­ sächliche Spannung Vb in ein entsprechendes digitales Signal, das von der CPU verarbeitet wird. Der D/A-Wandler D/A1 empfängt ein digitales Signal, das eine Befehls­ spannung Va wiedergibt, die von der CPU erzeugt wird. Der D/A-Wandler D/A1 überführt das digitale Signal in die Be­ fehlsspannung Va und gibt die Befehlsspannung Va ab.

Wie in Fig. 34 gezeigt, umfaßt die Sauerstoffkonzentra­ tionsdetektionsschaltung 210 einen Operationsverstärker 212 und einen Stromabtastwiderstand 213. Der nicht inver­ tierende Eingang des Operationsverstärkers 212 empfängt die Befehlsspannung Va von der Pumpspannungsbefehlsschal­ tung 211. Der Ausgang des Operationsverstärkers 212 ist an ein Ende des Stromabtastwiderstandes 213 angeschlos­ sen. Das andere Ende des Stromabtastwiderstandes 213 ist an den festen Kontakt "A" des Schaltkreises 300 und fer­ ner an den invertierenden Eingang des Operationsverstär­ kers 212 angeschlossen. Somit wird die Spannung am festen Kontakt "A" des Schaltkreises 300 so gesteuert, dass sie immer der Befehlsspannung Va entspricht. Die Spannung am festen Kontakt "A" des Schaltkreises 300 wird der Pump­ spannungsbefehlsschaltung 211 als tatsächliche Spannung Va zugeführt. Die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 212 und einem Ende des Stromabtastwiderstandes 213 wird der Pump­ spannungsbefehlsschaltung 211 als tatsächliche Spannung Vb zugeführt.

Die Steuerschaltung 200 umfaßt eine NOx-Konzentrationsde­ tektionsschaltung 220. Eine zweite Sensorelektrode 1122 im Gaskonzentrationssensor 1100 ist an die NOx-Konzentra­ tionsdetektionsschaltung 220 geschaltet. Die NOx-Kon­ zentrationsdetektionsschaltung 220 umfaßt einen Stromab­ tastwiderstand 221, eine Stromquelle 222 und eine Strom­ abtastschaltung 223. Ein Ende des Stromabtastwiderstandes 221 ist an die zweite Sensorelektrode 1122 angeschlossen. Das andere Ende des Stromabtastwiderstandes 221 ist an die positive Klemme der Stromquelle 222 angeschlossen. Die negative Klemme der Stromquelle 222 ist geerdet. Die Stromdetektionsschaltung 223 ist parallel zum Stromab­ tastwiderstand 221 geschaltet. Sie detektiert die Span­ nung über den Stromabtastwiderstand 221. Sie leitet fer­ ner den Sensorzellenstrom Is von der detektierten Span­ nung über den Stromabtastwiderstand 221 ab. Sie gibt ein Signal an eine Komparatorschaltung 240, das den abgelei­ teten Sensorzellenstrom Is wiedergibt. Ferner wird das Ausgangssignal der Stromdetektionsschaltung 223 einer an­ deren Steuervorrichtung (nicht gezeigt) als Signal zuge­ führt, das die NOx-Konzentration im Messgas (Abgas) wie­ dergibt. Wenn das Abgas (das Messgas) aus einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch herrührt, ist der Sensorzellen­ strom Is positiv. In diesem Fall gibt der Sensorzellen­ strom Is die NOx-Konzentration im Abgas wieder. Wenn das Abgas (Messgas) von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch herrührt, ist der Sensorzellenstrom Is negativ. In diesem Fall gibt der Sensorzellenstrom Is nicht die NOx-Kon­ zentration im Abgas wieder.

Die Komparatorschaltung 240 wird von der Stromdetek­ tionsschaltung 223 über den abgeleiteten Sensorzellen­ strom Is informiert. Die Komparatorschaltung 240 stellt fest, ob das Abgas (Messgas) von einem mageren Luft- Kraftstoff-Gemisch oder einem fetten Luft-Kraftstoff-Ge­ misch herrührt, und zwar auf der Basis des Sensorzellen­ stromes Is. Ferner stellt die Komparatorschaltung 240 auf der Basis des Sensorzellenstromes Is fest, ob der Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas (Messgas) verursacht, geringer ist als ein vorgegebener Referenzpegel. Die Komparatorschaltung 240 erzeugt in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Bestimmungen ein Änderungsbefehlssignal. Sie führt das Änderungsbe­ fehlssignal dem Schaltkreis 300 zu. Wenn der Sensorzel­ lenstrom Is positiv ist (d. h. wenn Is < 0 mA ist), steu­ ert die Komparatorschaltung 240 den Schaltkreis 300 über das Änderungsbefehlssignal, so dass der bewegliche Kon­ takt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "A" des­ selben angeschlossen wird. In diesem Fall wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung durch die Sauerstoffkon­ zentrationsdetektionsschaltung 210 gesteuert. Wenn der Sensorzellenstrom Is nicht positiv ist (d. h. wenn Is < 0 mA ist), steuert die Komparatorschaltung 240 den Schalt­ kreis 300 über das Änderungsbefehlssignal derart, dass der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "B" oder den festen Kontakt "C" desselben angeschlossen wird. Speziell in diesem Fall, wenn der Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas (das Messgas) verursacht, geringer ist als der vorgegebene Referenzpegel, steuert die Komparatorschal­ tung 240 den Schaltkreis 300 derart, dass der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "B" desselben angeschlossen wird. Daher wird die an die Pump­ zelle 1110 angelegte Spannung auf den vorgegebenen Pegel Vc eingestellt, der von der Stromquelle 231 in der Strom­ zuführschaltung 230 zur Verfügung gestellt wird. Wenn an­ dererseits der Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff- Gemisches, das das Abgas (Messgas) verursacht, nicht ge­ ringer ist als der vorgegebene Referenzpegel, steuert die Komparatorschaltung 240 den Schaltkreis 300 derart, dass der bewegliche Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "C" desselben angeschlossen wird. Daher wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung auf den Erdpegel (0 V) eingestellt, der von der Stromzuführschal­ tung 230 zur Verfügung gestellt wird.

Die Stromdetektionsschaltung 223 und die Komparatorschal­ tung 240 entsprechen einer Detektionseinrichtung. Die Stromzuführschaltung 230 und der Schaltkreis 300 ent­ sprechen einer Steuereinrichtung.

Fig. 36 ist ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms des Steuerprogramms für die Pumpspannungsbefehlsschaltung 211. Das Unterprogramm in Fig. 36 betrifft die Steuerung der an die Pumpzelle gelegten Spannung Vaa (der an die Pumpzelle 1110 zu legenden Befehlsspannung Va). Das Un­ terprogramm der Fig. 36 wird beispielsweise durch einen Unterbrechungsprozeß auf der Basis eines Timers während der Durchführung eines Hauptprogrammes (nicht gezeigt) des Steuerprogrammes periodisch wiederholt.

Wie in Fig. 36 gezeigt, wird in einem ersten Schritt S101 des Unterprogramms der vorhandene Wert der tatsäch­ lichen Spannung Va aus dem Ausgangssignal des A/D-Wand­ lers A/D1 gewonnen. In Schritt S102, der Schritt S101 folgt, wird der vorhandene Wert der tatsächlichen Span­ nung Vb vom Ausgangssignal des A/D-Wandlers A/D2 gewon­ nen.

In Schritt S103, der Schritt S102 folgt, wird der Pump­ zellenstrom Ip aus den vorhandenen Werten der tatsäch­ lichen Spannungen Va und Vb und der Widerstand R1 des Stromabtastwiderstandes 213 gemäß der Gleichung "Ip = (Vb - Va)/R1" berechnet.

Der ROM in der Pumpspannungsbefehlsschaltung 211 speichert Daten einer Karte, die eine vorgegebene Funk­ tion repräsentiert, welche der Linie LX1 in Fig. 8 ent­ spricht, die die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und einer Sollpumpbefehlsspannung (einer Befehlsspan­ nung) Va wiedergibt. In Schritt S104, der Schritt S103 folgt, wird die Sollpumpbefehlsspannung (Befehlsspannung) Va aus dem Pumpzellenstrom Ip durch Bezugnahme auf die entsprechende Karte berechnet.

In Schritt S105, der Schritt S104 folgt, wird der D/A- Wandler D/A1 mit einem Digitalsignal versorgt, das die Sollpumpbefehlsspannung (Befehlsspannung) Va wiedergibt. Der D/A-Wandler D/A1 überführt das Digitalsignal in die Befehlsspannung Va und gibt die Befehlsspannung Va ab. Nach Schritt S105 endet der momentane Ausführungszyklus des Unterprogramms.

Die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung der Fig. 34 ar­ beitet wie folgt. Wie man Fig. 37 entnehmen kann, ist vor einem Augenblick d1 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das Abgas (das Messgas) erzeugt, magerer als stöchio­ metrisch, so dass der bewegliche Kontakt des Schaltkrei­ ses 300 an den festen Kontakt "A" desselben angeschlossen bleibt. In diesem Fall wird die an die Pumpzelle 1110 ge­ legte Spannung von der Sauerstoffkonzentrationsdetek­ tionsschaltung 210 in Abhängigkeit vom Pumpzellenstrom Ip gesteuert, der die Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentiert. Speziell wird die angelegte Spannung auf ei­ nen Wert auf der Linie LX1 in Fig. 8 eingestellt, wie vorher erwähnt. Durch die Steuerung der an die Pumpzelle 1110 gelegten Spannung wird die Sauerstoffkonzentration in der porösen Diffusionsschicht 1101 auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten.

In dem Fall, in dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das Abgas erzeugt, magerer ist als stöchiometrisch, pumpt eine Sensorzelle 1120 überschüssigen Sauerstoff von der porösen Diffusionsschicht 1101 zu einem Atmosphärenkanal 1102. In diesem Fall fließt somit der Sensorzellenstrom Is durch die Sensorzelle 1120 in der Richtung von der zweiten Sensorelektrode 1122 zur ersten Sensorelektrode 1121. Daher ist der Sensorzellenstrom Is positiv. Da der Sensorzellenstrom Is positiv ist, ermittelt die Kompara­ torschaltung 240, dass das Abgas von einem mageren Luft- Kraftstoff-Gemisch stammt. Daher hält die Komparator­ schaltung 240 den beweglichen Kontakt des Schaltkreises 300 in Kontakt mit dem festen Kontakt "A" desselben.

Im Augenblick t1 wird ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch durch ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch ersetzt. Dann hat der Bereich in der porösen Diffusionsschicht 1101 ei­ nen Mangel an Sauerstoff. Es entsteht somit eine signifi­ kante Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen ge­ genüberliegenden Seiten der Sensorzelle 1120, so dass die Sensorzelle 1120 als Batterie wirkt, die eine elektromo­ torische Kraft erzeugt. In diesem Fall bewirkt die elektromotorische Kraft, daß ein Sensorzellenstrom Is in der Richtung von der ersten Sensorelektrode 1121 zur zweiten Sensorelektrode 1122 fließt. Daher ist der Sen­ sorzellenstrom Is negativ. Da der Sensorzellenstrom Is negativ ist, ermittelt die Komparatorschaltung 240, dass das Abgas von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt.

Unmittelbar nach dem Augenblick t1 liegt der Sensorzel­ lenstrom Is in einem Bereich zwischen 0 und einem vorge­ gebenen Schwellenwert Ith (Ith < 0 mA), und der Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas erzeugt, ist kleiner als der vorgegebene Referenzpegel. Die Komparatorschaltung 240 schließt somit den beweg­ lichen Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kon­ takt "B" desselben. Daher wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung auf den vorgegebenen Pegel Vc einge­ stellt, der von der Stromquelle 231 in der Stromzuführ­ schaltung 230 zur Verfügung gestellt wird. Da der vorge­ gebene Pegel Vc relativ niedrig ist, wird das Pumpen von Sauerstoff aus der porösen Diffusionsschicht 1101 durch die Pumpzelle 1110 unterdrückt. Daher steigt die Menge des in der porösen Diffusionsschicht 1101 verbleibenden Sauerstoffs an und reagiert mit den brennbaren Komponen­ ten (H₂ und HC) im Messgas. Folglich werden H₂O und CO₂ erzeugt, die von der ersten Sensorelektrode 1121 nicht adsorbiert werden.

Zu einem Zeitpunkt t2, der dem Zeitpunkt t1 folgt, fällt der Sensorzellenstrom Is auf den vorgegebenen Schwellen­ wert Ith ab, und der Grad der Fettigkeit des Luft-Kraft­ stoff-Gemisches, das das Abgas erzeugt, erreicht den vor­ gegebenen Referenzpegel. Nach dem Zeitpunkt t2 fällt der Sensorzellenstrom Is unter den vorgegebenen Schwellenwert Ith, und der Grad der Fettigkeit des Luft-Kraftstoff-Ge­ misches, das das Abgas erzeugt, wird größer als der vor­ gegebene Referenzpegel. Somit schließt die Komparator­ schaltung 240 den beweglichen Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "C" desselben an. Daher wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung auf den von der Stromzuführschaltung 230 zur Verfügung gestellten Erdpegel (0 V) eingestellt. Folglich wird mit dem Pumpen von Sauerstoff aus der porösen Diffusionsschicht 1101 durch die Pumpzelle 1110 aufgehört. Daher steigt der in der porösen Diffusionsschicht 1101 verbleibende Sauer­ stoff an und reagiert mit den brennbaren Komponenten (H₂ und HC) im Messgas. Somit werden H₂O und CO₂ erzeugt, die von der ersten Sensorelektrode 1121 nicht adsorbiert wer­ den.

Wenn der Grad der Fettigkeit des Luft-Kraftstoff-Ge­ misches, das das Abgas erzeugt, ansteigt, steigt die Menge an brennbaren Komponenten im Abgas an. Wenn der Grad der Fettigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas erzeugt, ansteigt, wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung verringert, so dass eine größere Sauer­ stoffmenge im Abgas verbleibt. Somit ist es unabhängig vom Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas erzeugt, möglich, eine ausreichende Sauer­ stoffmenge vorzusehen, die mit den brennbaren Bestandtei­ len im Abgas reagiert. Daher kann unabhängig vom Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das ein Abgas erzeugt, verhindert werden, daß brennbare Komponenten im Abgas von der ersten Sensorelektrode 1121 adsorbiert wer­ den.

Mit der Detektion der NOx-Konzentration im Messgas wird aufgehört, wenn ein das Messgas erzeugendes Luft-Kraft­ stoff-Gemisch fetter als stöchiometrisch wird. In dem Fall, in dem ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das Messgas erzeugt, fetter ist als stöchiometrisch, wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung auf einen Pegel eingestellt, der sich von der normalen Befehlsspannung Va unterschei­ det, so dass die Menge des in der porösen Diffusions­ schicht 1101 verbleibenden Sauerstoffs von einem ge­ wünschten Wert abweicht. Da in diesem Fall mit der Detek­ tion der NOx-Konzentration im Messgas aufgehört wird, wird verhindert, dass eine unzuverlässige NOx-Konzentra­ tion detektiert wird.

Zum Zeitpunkt t3, der dem Zeitpunkt t2 folgt, steigt der Sensorzellenstrom Is bis zu dem vorgegebenen Schwellen­ wert Ith an und erreicht der Grad der Fettigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches, das das Abgas erzeugt, den vorgegebenen Referenzpegel. Nach dem Zeitpunkt t3 steigt der Sensorzellenstrom Is über den vorgegebenen Schwellen­ wert Ith an, und der Grad der Fettigkeit des das Abgas erzeugenden Luft-Kraftstoff-Gemisches ist geringer als der vorgegebene Referenzpegel. Somit schließt die Kompa­ ratorschaltung 240 den beweglichen Kontakt des Schalt­ kreises 300 an den festen Kontakt "B" desselben an. Daher wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung auf den vorgegebenen Pegel Vc eingestellt, der von der Stromquelle 231 in der Stromzuführschaltung 230 zur Verfügung gestellt wird.

Zum Zeitpunkt t4, der dem Zeitpunkt t3 folgt, wird ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch durch ein mageres Luft- Kraftstoff-Gemisch ersetzt, so dass der Sensorzellenstrom Is in den positiven Bereich verändert wird. Somit schließt die Komparatorschaltung 240 nach dem Zeitpunkt t4 den beweglichen Kontakt des Schaltkreises 300 an den festen Kontakt "A" desselben an. In diesem Fall wird die an die Pumpzelle 1110 gelegte Spannung von der Sau­ erstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 210 in Abhängig­ keit vom Pumpzellenstrom Ip, der die Sauerstoffkonzentra­ tion im Abgas wiedergibt, gesteuert. Wenn das fette Luft- Kraftstoff-Gemisch durch das magere Luft-Kraftstoff-Ge­ misch ersetzt wird (Zeitpunkt t4), wird die Zersetzung von NOx durch die erste Sensorelektrode 1121 kaum verhin­ dert, da brennbare Komponenten nicht von der ersten Sen­ sorelektrode 1121 adsorbiert worden sind. Die Sensorzelle 1120 benötigt daher nur eine kurze Zeitdauer, um mit der Abgabe eines genauen Signales zu beginnen, das die NOx- Konzentration im Messgas (Abgas) wiedergibt. Mit anderen Worten, was die Rückkehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seit anbetrifft, so ist die Ansprechverzögerung (Ansprechverzögerungszeit) der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung kurz.

Die Ansprechverzögerung (Ansprechverzögerungszeit) der Gaskonzentrationsabtastvorrichtung in bezug auf die Rück­ kehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seite wurde für sämtliche unterschiedliche Pegel der angelegten Pumpzellenspannung gemessen, die auftraten, als sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf der fetten Seite befand. Fig. 38 zeigt die Beziehung zwischen der Ansprechverzögerung und der angelegten Pump­ zellenspannung, die durch die Messergebnisse erhalten wurde. Es ist in Fig. 38 gezeigt, dass die Ansprechver­ zögerung abnimmt, wenn die angelegte Pumpzellenspannung abfällt. Daher ist es möglich, eine kurze Ansprechverzö­ gerung zu erreichen, indem die angelegte Pumpzellenspan­ nung auf einen kleinen Pegel eingestellt wird.

Wenn die angelegte Pumpzellenspannung auf einen negativen Pegel für ein Abgas (Messgas), das aus einem fetten Luft- Kraftstoff-Gemisch stammt, eingestellt wird, arbeitet die Pumpzelle 1110 in umgekehrter Weise und führt somit Sau­ erstoff in die poröse Diffusionsschicht 1101 ein. Somit steigt in diesem Fall die Menge des in der porösen Diffu­ sionsschicht 1101 verbleibenden Sauerstoffs in uner­ wünschter Weise an, so dass das Abgas auf fehlerhafte und temporäre Weise als von einem mageren Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammend eingestuft wird. Danach wird das Abgas als von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammend einge­ stuft. Diese Prozesse werden wiederholt. Im angenommenen Fall jagt daher das Ergebnis der Bestimmung zwischen ei­ nem einem mageren Gemisch und einem einem fetten Gemisch entsprechenden Zustand hin und her. Dies tut auch die an­ gelegte Pumpzellenspannung.

Wenn andererseits die angelegte Pumpzellenspannung für ein Abgas (ein Messgas), das von einem fetten Luft-Kraft­ stoff-Gemisch stammt, auf 0 V oder mehr eingestellt wird, ist es möglich, eine fehlerhafte Einstufung des Abgases als von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammend zu verhindern. Somit wird in diesem Fall verhindert, dass die angelegte Pumpzellenspannung hin und her jagt. Wie vorstehend erwähnt, wird bei der Gaskonzentrationsabtast­ vorrichtung der fünften Ausführungsform dieser Erfindung die angelegte Pumpzellenspannung auf 0 V oder 0,2 V für ein von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammendes Abgas eingestellt. Daher ist es möglich, ein Hin- und Herjagen der angelegten Pumpzellenspannung zu verhindern. Ferner ist es möglich, eine kurze Ansprechverzögerung (kurze Ansprechverzögerungszeit) der Gaskonzentrationsab­ tastvorrichtung in bezug auf eine Rückkehr eines Luft- Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seite zu erreichen.

Die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung der fünften Aus­ führungsform dieser Erfindung hat die nachfolgenden Vor­ teile (A), (B), (C) und (D).

• A) Um das Pumpen von Sauerstoff aus der porösen Diffusionsschicht 1101 durch die Pumpzelle 1110 zu unterdrücken, wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung für ein Abgas (ein Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, niedriger eingestellt als der Pegel für ein Abgas (ein Mess­ gas), das von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt. Daher hat die Gaskonzentrationsabtastvor­ richtung eine kurze Ansprechverzögerung (eine kurze Ansprechverzögerungszeit) in bezug auf die Rückkehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seite. Des weiteren besitzt die Gaskon­ zentrationsabtastvorrichtung eine verbesserte Genau­ igkeit der NOx-Konzentrationsdetektion.
• B) Die an die Pumpzelle gelegte Spannung wird in Abhän­ gigkeit vom Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraft­ stoff-Gemisches, das ein Abgas (Messgas) erzeugt, zwischen 0 V und 0,2 V verändert. Daher kann unab­ hängig vom Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraft­ stoff-Gemisches, das ein Abgas erzeugt, verhindert werden, dass brennbare Komponenten im Abgas von der ersten Sensorelektrode 1121 adsorbiert werden.
• C) Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 210 steuert und variiert die angelegte Pumpzellenspan­ nung. Die Stromzuführschaltung 230 ist separat von der Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 210 vorgesehen. Die angelegte Pumpzellenspannung für ein Abgas (Meßgas), das aus einem fetten Luft-Kraft­ stoff-Gemisch stammt, wird von der Stromzuführschal­ tung 230 vorgesehen und gesteuert. Daher ist es so­ wohl für ein Abgas (Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, als auch für ein Ab­ gas (Messgas), das von einem mageren Luft-Kraft­ stoff-Gemisch stammt, möglich, die an die Pumpzelle angelegte Spannung zu steuern. Ferner ist es mög­ lich, die NOx-Konzentration genau zu detektieren.
• D) Die an die Pumpzelle gelegte Spannung wird auf 0 V oder 0,2 V für ein Abgas (Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, eingestellt.

Somit ist es möglich zu verhindern, dass das Abgas fehlerhaft als von einem mageren Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammend bestimmt wird. Ein Hin- und Herjagen der angelegten Pumpzellenspannung wird daher verhin­ dert.

Sechste Ausführungsform

Eine sechste Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften Ausführungsform mit Ausnahme der hiernach erwähn­ ten Konstruktionsänderungen.

Fig. 39 zeigt eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Diese Gaskonzentrationsabtastvorrichtung der Fig. 39 umfaßt einen Gaskonzentrationssensor 1150 und eine Steuerschal­ tung 201.

Der Gaskonzentrationssensor 1150 hat eine Laminatstruktur einschließlich einer Sensorzelle 1170, einer porösen Dif­ fusionsschicht 1101, einer Pumpzelle 1160, eines At­ mosphärenkanales 1102 und einer Heizeinrichtung 1103. Die Pumpzelle 1160 zieht Sauerstoff (O₂) aus der porösen Dif­ fusionsschicht 1101. Sie kann eine O₂-Konzentration ab­ tasten. Die Sensorzelle 1170 tastet eine NOx-Konzentra­ tion ab.

Die Pumpzelle 1160 erstreckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und dem Atmosphärenkanal 1102. Die Diffusionsschichtseite dieser Oberseite der Pumpzelle 1160 weist eine erste Elektrode 1161 auf. Die Atmosphärenkanalseite oder Unterseite der Pumpzelle 1160 besitzt eine zweite Elektrode 1162. Die Sensorzelle 1170 er­ streckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und einem mit einem Abgas (Messgas) gefüllten externen Raum. Die Abgasseite oder Oberseite der Sensorzelle 1170 besitzt eine erste Elektrode 1171. Die Diffusionsschicht­ seite oder Unterseite der Sensorzelle 1170 weist eine zweite Elektrode 1172 auf. Das Abgas (Messgas) strömt durch die poröse Diffusionsschicht 1101 in Fig. 39 nach rechts.

Die zweite Elektrode 1162 der Pumpzelle 1160 und die erste und zweite Elektrode 1171 und 1172 der Sensorzelle 1170 bestehen aus einem Edelmetall, wie Pt, das eine hohe katalytische Aktivität besitzt. Die erste Elektrode 1161 der Pumpzelle 1160 besteht aus einem Edelmetall oder ei­ ner Edelmetalllegierung, wie Au-Pt, das bzw. die inaktiv gegenüber NOx ist, d. h. NOx nicht zersetzt.

Die Heizeinrichtung 1103 ist in eine Isolationsschicht 1104 eingebettet. Der Atmosphärenkanal 1102 ist zwischen der Isolationsschicht 1104 und der Pumpzelle 1160 ausge­ bildet.

Der Gaskonzentrationssensor 1150 in Fig. 39 arbeitet wie folgt. In dem Fall, in dem das Abgas von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, lässt man einen begrenz­ ten Strom, der von der Sauerstoffkonzentration im Abgas abhängig ist, durch die Pumpzelle 1160 fließen. Ferner läßt man einen begrenzten Strom, der von der NOx-Konzent­ ration im Abgas abhängig ist, durch die Sensorzelle 1170 fließen. Daher werden die Sauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration im Abgas von der Pumpzelle 1160 und der Sensorzelle 1170 detektiert.

In dem Fall, in dem das Abgas von einem Luft-Kraftstoff- Gemisch erzeugt wird, das fetter ist als stöchiometrisch und somit kaum O₂ enthält, funktioniert die Sensorzelle 1170 wie folgt. Sie erstreckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und dem mit dem Abgas gefüllten externen Raum. Da das Abgas kaum O₂ enthält, pumpt die Sensorzelle 1170 kein O₂ (ursprünglich vorhandenes O₂) aus dem externen Raum zur porösen Diffusionsschicht 1101. Mit anderen Worten, ein negativer begrenzter Strom, der von der NOx-Konzentration im Abgas abhängt, kann nicht durch die Sensorzelle 1170 fließen. Es ist somit schwie­ rig, eine auf die NOx-Konzentration bezogene Charakteris­ tik für einen negativen begrenzten Strom vorzusehen.

In dem Fall, in dem das Abgas von einem Luft-Kraftstoff- Gemisch erzeugt wird, das fetter ist als stöchiometrisch und somit kaum O₂ enthält, funktioniert die Pumpzelle 1160 wie folgt. Sie erstreckt sich zwischen der porösen Diffusionsschicht 1101 und dem Atmosphärenkanal 1102. Sie pumpt O₂ von der Atmosphäre im Atmosphärenkanal 1102 zur porösen Diffusionsschicht 1101. Es ist somit möglich, eine Charakteristik eines begrenzten Stromes bezogen auf den Fettigkeitsgrad eines Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das Abgas erzeugt, d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) eines das Abgas erzeugenden Luft-Kraftstoff-Gemi­ sches, vorzusehen. Daher kann ein Abgas (ein Messgas), das aus einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, auf der Basis des Pumpzellenstromes oder der in der Pumpzelle 1160 erzeugten elektromotorischen Kraft detektiert wer­ den.

Fig. 40 zeigt die V-I (Spannungs-Strom)-Charakteristik der Pumpzelle 1160. Wie in Fig. 40 gezeigt, ist der Pumpzellenstrom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas begrenzt. In dem Fall, in dem das Ab­ gas von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt (d. h. in dem Fall, in dem der Pumpzellenstrom positiv ist), wird bevorzugt, die an die Pumpzelle gelegte Span­ nung gemäß einer Linie LX1 variabel einzustellen. Ande­ rerseits wird in dem Fall, in dem das Abgas von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt (d. h. in dem Fall, in dem der Pumpzellenstrom negativ ist), bevorzugt, die an die Pumpzelle gelegte Spannung gemäß einer Linie LX2, die auf der negativen Seite der Linie LX1 angeordnet ist, variabel einzustellen.

Wie in Fig. 39 gezeigt, umfasst die Steuerschaltung 201 eine Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 250. Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 250 ist an die zweite Pumpelektrode 1162 im Gaskonzentrationssensor 1150 angeschlossen. Die erste Pumpelektrode 1161 im Gas­ konzentrationssensor 1150 ist geerdet.

Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 250 um­ faßt eine Pumpspannungsbefehlsschaltung 251. Die Pump­ spannungsbefehlsschaltung 251 wird über die tatsächlichen Spannungen Va und Vb informiert, die sich in der Sau­ erstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 250 entwickelt haben. Sie erzeugt eine Befehlsspannung Va, die an die Pumpzelle 1160 gelegt wird. Die Pumpspannungsbefehls­ schaltung 251 steuert den Pegel der Befehlsspannung Va in Abhängigkeit von den tatsächlichen Spannungen Va und Vb.

Die Pumpspannungsbefehlsschaltung 251 wird von einem Ein- Chip-Mikrocomputer gebildet, der eine Kombination aus ei­ nem Eingang, einem Ausgang, einer CPU, einem RAM und ei­ nem ROM aufweist. Der Mikrocomputer arbeitet gemäß einem im ROM gespeicherten Steuerprogramm. Der Eingang der Pumpspannungsbefehlsspannung 251 umfaßt A/D-Wandler zum Überführen der tatsächlichen Spannungen Va und Vb in ent­ sprechende digitale Signale, die von der CPU verarbeitet werden. Der Ausgang der Pumpspannungsbefehlsschaltung 251 besitzt einen D/A-Wandler. Der D/A-Wandler empfängt ein eine Befehlsspannung Va wiedergebendes Digitalsignal, das von der CPU erzeugt wird. Er überführt das Digitalsignal in die Befehlsspannung Va und gibt die Befehlsspannung Va ab.

Die Sauerstoffkonzentrationsdetektionsschaltung 250 um­ faßt ferner einen Operationsverstärker 252 und einen Stromabtastwiderstand 253. Der nicht invertierende Ein­ gang des Operationsverstärkers 252 empfängt die Befehls­ spannung Va von der Pumpspannungsbefehlsschaltung 251. Der Ausgang des Operationsverstärkers 252 ist an ein Ende des Stromabtastwiderstandes 253 angeschlossen. Das andere Ende des Stromabtastwiderstandes 253 ist an den invertie­ renden Eingang des Operationsverstärkers 252 und die zweite Pumpelektrode 1162 im Gaskonzentrationssensor 1150 angeschlossen. Somit wird die Spannung an der zweiten Pumpelektrode 1162 so gesteuert, dass sie immer der Be­ fehlsspannung Va entspricht. Die Spannung an der Verbin­ dungsstelle zwischen dem Stromabtastwiderstand 253 und der zweiten Pumpelektrode 1162 wird der Pumpspannungsbe­ fehlsschaltung 251 als tatsächliche Spannung Va zuge­ führt. Die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 252 und einem Ende des Stromabtastwiderstandes 253 wird der Pumpspan­ nungsbefehlsschaltung 251 als tatsächliche Spannung Vt zugeführt.

Die Steuerschaltung 201 umfaßt eine Stromquelle 261 und einen Stromabtastwiderstand 262. Ein Ende des Stromab­ tastwiderstandes 262 ist an die positive Klemme der Stromquelle 261 angeschlossen. Die negative Klemme der Stromquelle 261 ist geerdet. Das andere Ende des Stromab­ tastwiderstandes 262 ist an die erste Sensorelektrode 1171 im Gaskonzentrationssensor 1150 angeschlossen. Die zweite Sensorelektrode 1172 im Gaskonzentrationssensor 1150 ist geerdet. Der Sensorzellenstrom Is, d. h. der durch die Sensorzelle 1170 im Gaskonzentrationssensor 1150 fließende Strom, kann von den Spannungen Vd und Ve an den gegenüberliegenden Enden des Stromabtastwiderstan­ des 262 detektiert werden.

Fig. 41 ist ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms des Steuerprogramms für die Pumpspannungsbefehlsschaltung 251. Das Unterprogramm der Fig. 41 betrifft die Steue­ rung der an die Pumpzelle gelegten Spannung Va (der an die Pumpzelle 1160 zu legenden Befehlsspannung Va). Das Unterprogramm der Fig. 41 wird beispielsweise von einem Unterbrechungsprozeß auf Timer-Basis während der Durch­ führung eines Hauptprogramms (nicht gezeigt) des Steuer­ programms periodisch wiederholt.

Wie in Fig. 41 gezeigt, werden in einem ersten Schritt S201 des Unterprogramms die momentanen Werte der tatsäch­ lichen Spannungen Va und Vb, die an den gegenüberliegen­ den Enden des Stromabtastwiderstandes 253 auftreten, er­ halten. In Schritt S201 wird der Pumpzellenstrom Ip von den Momentanwerten der tatsächlichen Spannungen Va und Vb und der Widerstand R1 des Stromabtastwiderstandes 253 ge­ mäß der Gleichung "Ip = (Vb - Va)/R1" berechnet.

In dem Schritt S201 folgenden Schritt S202 wird festge­ stellt, ob ein das Abgas (Messgas) erzeugendes Luft- Kraftstoff-Gemisch mager oder fett ist, und zwar auf der Basis der Richtung oder Polarität des Pumpzellenstromes Ip. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager ist, rückt das Programm von Schritt S202 zu Schritt S203 vor. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch fett ist, rückt das Programm von Schritt S202 zu Schritt S204 vor.

Der ROM in der Pumpspannungsbefehlsschaltung 251 speichert Daten einer Karte, die eine vorgegebene Funk­ tion entsprechend der Linie LX1 in Fig. 40 repräsen­ tiert, welche die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und einer Sollpumpbefehlsspannung (einer Befehlsspan­ nung) Va für ein von einem mageren Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammendes Abgas wiedergibt. In Schritt S203 wird die Sollpumpbefehlsspannung (Befehlsspannung) Va vom Pumpzellenstrom Ip unter Bezugnahme auf die LX1 bezogene Karte berechnet. Nach Schritt S203 rückt das Programm zu Schritt S205 vor.

Der ROM in der Pumpspannungsbefehlsschaltung 251 speichert Daten einer Karte, die eine vorgegebene Funk­ tion entsprechend der Linie LX2 in Fig. 40 repräsen­ tiert, die die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und einer Sollpumpbefehlsspannung (einer Befehlsspannung) Va für ein Abgas, das von einem fetten Luft-Kraftstoff- Gemisch stammt, wiedergibt. In Schritt S204 wird die Sollpumpbefehlsspannung (Befehlsspannung) Va vom Pumpzel­ lenstrom Ip durch Bezugnahme auf die LX2-bezogene Karte berechnet. Nach Schritt S204 rückt das Programm zu Schritt S205 vor.

In Schritt S205 wird die berechnete Sollbefehlsspannung als Befehlsspannung Va an den Operationsverstärker 252 abgegeben. Nach Schritt S205 endet der momentane Ausfüh­ rungszyklus des Unterprogramms.

Schritt S202 in Fig. 41 entspricht einer Detektionsein­ richtung. Schritt S204 in Fig. 41 entspricht einer Steu­ ereinrichtung.

Die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung der sechsten Aus­ führungsform dieser Erfindung hat die folgenden Vorteile. Um das Pumpen von Sauerstoff aus der porösen Diffusions­ schicht 101 durch die Pumpzelle 1160 zu unterdrücken, wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung für ein Abgas (ein Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammt, niedriger eingestellt als der Pegel, der für ein Abgas (ein Messgas) verwendet wird, das von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt. Daher hat die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung eine kurze Ansprech­ verzögerung (eine kurze Ansprechverzögerungszeit) in be­ zug auf die Rückkehr von einem Luft-Kraftstoff-Gemisch von der fetten Seite zur mageren Seite. Des weiteren hat die Gaskonzentrationsabtastvorrichtung eine verbesserte Genauigkeit in bezug auf die NOx-Konzentrationsdetektion. Des weiteren ist es möglich, ein Hin- und Herspringen der an die Pumpzelle gelegten Spannung zu verhindern. Gemäß Linie LX2 in Fig. 40 wird die an die Pumpzelle gelegte Spannung in Abhängigkeit vom Grad der Fettigkeit eines Luft-Kraftstoff-Gemisches eingestellt, das das Abgas (Meßgas) erzeugt. Somit ist eine geeignete Steuerung der an die Pumpzelle gelegten Spannung möglich, so dass auf sichere Weise verhindert werden kann, dass brennbare Kom­ ponenten von der zweiten Sensorelektrode 1172 adsorbiert werden.

Siebte Ausführungsform

Die siebte Ausführungsform dieser Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform derselben mit Ausnahme der hiernach erwähnten Konstruktionsänderungen. Bei der siebten Ausführungsform der Erfindung wird nur ein Wert der an die Pumpzelle gelegten Spannung für ein Abgas (Meßgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammt, vorgegeben. Der vorgegebene Wert der an die Pumpzelle gelegten Spannung für ein Abgas (Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, ist ge­ ringer als der für ein Abgas (Messgas), das von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt, verwendete Wert und entspricht 0 V oder mehr. Daher hat die siebente Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine kurze Ansprechverzögerung (eine kurze Ansprechverzögerungszeit) in bezug auf die Rückkehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seite. Des weiteren wird ein Hin- und Herspringen der an die Pumpzelle gelegten Spannung vermieden.

Achte Ausführungsform

Die achte Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Konstruktionsänderungen. Bei der achten Ausführungsform der Erfindung werden drei oder mehr unterschiedliche Werte der an die Pumpzelle gelegten Spannung für ein Abgas (Messgas) vorgegeben, das von ei­ nem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch stammt. Die tatsäch­ lich an eine Pumpzelle gelegte Spannung wird unter den vorgegebenen Werten in geeigneter Weise verändert. Die vorgegebenen Werte der an die Pumpzelle gelegten Spannung für ein Abgas (Messgas), das von einem fetten Luft-Kraft­ stoff-Gemisch stammt, sind geringer als der für ein Abgas (ein Messgas), das von einem mageren Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammt, verwendete Wert und entsprechen 0 V oder mehr. Daher hat die achte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung eine kurze Ansprechverzögerung (eine kurze Ansprechverzögerungszeit) in bezug auf die Rückkehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisch von der fetten Seite zur mageren Seite. Des weiteren wird ein Hin- und Herspringen der an die Pumpzelle gelegten Spannung vermieden.

Neunte Ausführungsform

Die neunte Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform derselben mit Aus­ nahme der nachfolgend beschriebenen Konstruktionsänderun­ gen. Bei der neunten Ausführungsform der Erfindung wird das Anlegen einer Spannung an eine Pumpzelle für ein Ab­ gas (Messgas), das von einem fetten Luft-Kraftstoff-Ge­ misch stammt, gestoppt. Speziell wird das Anlegen der Spannung gestoppt, indem eine Pumpelektrode 1111 (siehe Fig. 34) oder eine Pumpelektrode 1162 (siehe Fig. 39) geerdet wird. Das Stoppen des Anlegens der Spannung kann auch dadurch durchgeführt werden, dass die Pumpelektrode 1111 (siehe Fig. 34) oder die Pumpelektrode 1162 (siehe Fig. 39) geöffnet wird. Die neunte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat eine kurze Ansprechver­ zögerung (eine kurze Ansprechverzögerungszeit) in bezug auf die Rückkehr eines Luft-Kraftstoff-Gemisches von der fetten Seite zur mageren Seite.

Zehnte Ausführungsform

Die zehnte Ausführungsform der Erfindung entspricht der sechsten Ausführungsform derselben mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Konstruktionsänderungen. Die zehnte Ausführungsform umfasst eine elektronische Steuer­ einheit (ECU) für einen Motor. Die ECU berechnet ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Luft-Kraftstoff-Ge­ misches aus dem Durchsatz des Luftstromes in den Motor und dem Durchsatz der Kraftstoffeinspritzung in den Mo­ tor. Bei der zehnten Ausführungsform der Erfindung wird in einem Schritt S202 (siehe Fig. 41) ermittelt, ob ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das das Abgas (Messgas) erzeugt, mager oder fett ist, und zwar auf der Basis des von der ECU berechneten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Somit ist es selbst in dem Fall, in dem Sauerstoff in eine poröse Diffusionsschicht 1101 für ein von einem fetten Luft- Kraftstoff-Gemisch stammendes Abgas eingeführt wird, mög­ lich, eine von einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch ver­ ursachte fehlerhafte Bestimmung des momentanen Abgases zu verhindern. Daher ist es nicht erforderlich, die untere Grenze der an die Pumpzelle gelegten Spannung vorzu­ schreiben, um ein Hin- und Herspringen derselben zu ver­ hindern. Somit kann bei der zehnten Ausführungsform der Erfindung die an die Pumpzelle gelegte Spannung in einem negativen Bereich eingestellt werden. Vorzugsweise liegt die an die Pumpzelle gelegte Spannung in einem Bereich, der für Zirkondioxid im Material für eine Pumpzelle ge­ eignet ist. Die untere Grenze des bevorzugten Bereiches der an die Pumpzelle gelegten Spannung entspricht etwa -1 V.

Elfte Ausführungsform

Die elfte Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform derselben mit der Ausnahme der hiernach erwähnten Konstruktionsänderungen. Die elfte Ausführungsform der Erfindung ist so ausgebil­ det, dass sie einen Gaskonzentrationssensor mit drei Zel­ len oder einen Gaskonzentrationssensor mit vier oder mehr Zellen aufweist, bei dem eine Pumpzelle oder eine Sensor­ zelle in eine Vielzahl von Unterzellen unterteilt ist.

Zwölfte Ausführungsform

Die zwölfte Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform derselben mit Aus­ nahme der nachfolgend beschriebenen Konstruktionsänderun­ gen. Bei der zwölften Ausführungsform ist ein Gaseinführ­ abschnitt durch einen Schlitz oder ein Durchgangsloch und nicht durch eine poröse Diffusionsschicht gebildet.

Dreizehnte Ausführungsform

Die dreizehnte Ausführungsform der Erfindung entspricht der fünften oder sechsten Ausführungsform mit Ausnahme der nachfolgend beschriebenen Konstruktionsänderungen. Die dreizehnte Ausführungsform ist so ausgebildet, dass sie einen Gaskonzentrationssensor aufweist, der in der Lage ist, die Sauerstoffkonzentration und die HC-Konzen­ tration oder CO-Konzentration in einem Messgas (einem Abgas) zu detektieren. Wenn bei der dreizehnten Aus­ führungsform die HC-Konzentration oder die CO-Konzentra­ tion detektiert werden soll, pumpt eine Pumpzelle über­ schüssigen Sauerstoff vom Messgas (Abgas) ab, während eine Sensorzelle HC oder CO im resultierenden Meßgas zersetzt. Daher ist es möglich, die Sauerstoffkonzentra­ tion und die HC-Konzentration oder CO-Konzentration im Messgas (Abgas) zu detektieren.

Eine Gaskonzentrationsabtastvorrichtung besitzt einen In­ nenraum, in den ein NOx enthaltendes Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird. Ein Sauerstoffpumpabschnitt umfasst ein Festelektrolytele­ ment, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden, die auf Flächen des Festelektro­ lytelementes ausgebildet sind. Eine der Elektroden ist inaktiv in bezug auf die Zersetzung von NOx und liegt im Innenraum frei. Die Sauerstoffkonzentration im Innenraum wird gesteuert, indem ein Strom dem Paar der Elektroden zugeführt wird. Ein Gaskonzentrationsabtastabschnitt um­ faßt ein Festelektrolytelement, das in bezug auf Sau­ erstoffionen leitend ist, und ein Paar von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind. Eine de Elektroden ist aktiv in bezug auf die Zer­ setzung von NOx und liegt im Innenraum frei. Die NOx-Kon­ zentration wird aus der Sauerstoffmenge detektiert, die durch Zersetzung des NOx erzeugt wird, wenn eine vorgege­ bene Spannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird. Die vorstehend erwähnte eine Elektrode im Gaskon­ zentrationsabtastabschnitt enthält Platin und Rhodium als Hauptmetalle.

Claims (16)

1. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung mit
einem Innenraum, in den ein NOx enthaltendes Messgas unter einem vorgegebenen Diffusionswiderstand einge­ führt wird;
einem Sauerstoffpumpabschnitt einschließlich eines Festelektrolytelementes, das in bezug auf Sau­ erstoffionen leitend ist, und eines Paares von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytele­ mentes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung von NOx inaktiv ist und im Innenraum freiliegt und die Sauerstoffkonzentra­ tion im Innenraum gesteuert wird, indem dem Paar der Elektroden ein Strom zugeführt wird; und
einem Gaskonzentrationsabtastabschnitt einschließ­ lich eines Festelektrolytabschnittes, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und eines Paares von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolyt­ elementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektro­ den in bezug auf die Zersetzung von NOx aktiv ist und im Innenraum freiliegt und eine NOx-Konzentra­ tion von einer Sauerstoffmenge detektiert wird, die durch Zersetzung von NOx erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektro­ den gelegt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentrationsabtastab­ schnitt Platin und Rhodium als Hauptmetalle enthält.

2. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine (22) der Elektroden (21, 22) im Sauerstoffpumpabschnitt aus einem Material hergestellt ist, das Platin und Gold als Hauptmetalle enthält.

3. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentrationsabtast­ abschnitt aus einem Material hergestellt ist, das Platin und Rhodium als Hauptmetalle enthält, und dass der Rhodiumgehalt des Materiales in einem Be­ reich von 1 Gew.-% bis 50 Gew.-% liegt.

4. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentrationsabtastabschnitt aus einer Platin-Rhodium-Legierung herge­ stellt ist.

5. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Innenraum einen ersten Unterraum (31) und einen zweiten Unterraum (32) enthält, wobei der erste Un­ terraum (31) über eine erste, einen Diffusionswider­ stand vorsehende Einrichtung mit einem externen Raum in Verbindung steht, der externe Raum mit dem Mess­ gas gefüllt ist und der zweite Unterraum (32) mit dem ersten Unterraum (31) über eine zweite, einen Diffusionswiderstand vorsehende Einrichtung in Ver­ bindung steht;
die eine (22) der Elektroden (21, 22) im Sauerstoff­ pumpabschnitt im ersten Unterraum (31) freiliegt und ein Strom zwischen dem Paar der Elektroden (21, 22) im Sauerstoffpumpabschnitt fließen gelassen wird, um Sauerstoff vom ersten Unterraum (31) abzupumpen und die Sauerstoffkonzentration im ersten Unterraum (31) auf einem vorgegebenen niedrigen Pegel zu steuern; und
die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskon­ zentrationsabtastabschnitt im zweiten Unterraum (32) freiliegt und die NOx-Konzentration im Messgas von einem Wert eines auf Sauerstoffionen basierenden Stromes detektiert wird, der zwischen den Elektroden auf der Basis des Sauerstoffs fließt, der durch die Zersetzung von NOx erzeugt wird, wenn eine vorgege­ bene Spannung zwischen das Paar der Elektroden ge­ legt wird.

6. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Sauerstoffkonzentrations­ abtastabschnitt einschließlich eines Festelektrolyt­ elementes (A), das in bezug auf Sauerstoffionen lei­ tend ist, und eines Paares von Elektroden (21, 22), die auf Flächen des Festelektrolytelementes (A) aus­ gebildet sind, wobei eine (22) der Elektroden im ersten Unterraum (31) freiliegt, die andere Elektrode (21) in einem Raum freiliegt, der mit ei­ nem Gas gefüllt ist, das eine Referenzsauerstoffkon­ zentration besitzt, die Sauerstoffkonzentration im ersten Unterraum (31) aus einer elektromotorischen Kraft detektiert wird, die zwischen dem Paar der Elektroden (21, 22) erzeugt wird, und ein dem Sauer­ stoffpumpabschnitt zugeführter Strom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration gesteuert wird, die vom Sauerstoffkonzentrationsabtastabschnitt detek­ tiert wird.

7. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentra­ tionsabtastabschnitt hergestellt ist, indem eine ei­ nen Metallbestandteil enthaltende Paste gebrannt worden ist, wobei der mittlere Korndurchmesser des Metallbestandteiles vor dem Brennen in einem Bereich von 0,1 µm bis 3,0 µm liegt.

8. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Harzanteil der Paste 15 Gew.-% oder weniger beträgt.

9. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung zum Detektieren der Konzentration einer speziellen Gaskomponente ei­ nes Sauerstoff enthaltenden Messgases, wobei die spezielle Komponente Sauerstoff enthält, mit
einem Innenraum, in den das Messgas unter einem vor­ gegebenen Diffusionswiderstand eingeführt wird;
einem Sauerstoffpumpabschnitt einschließlich eines Festelektrolytelementes, das in bezug auf Sau­ erstoffionen leitend ist, und eines Paares von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytele­ mentes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung der speziellen Gaskompo­ nente inaktiv ist und im Innenraum freiliegt und die Sauerstoffkonzentration im Innenraum gesteuert wird, indem ein Strom dem Paar der Elektroden zugeführt wird; und
einem Gaskonzentrationsabtastabschnitt einschließ­ lich eines Festelektrolytelementes, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und eines Paares von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytele­ mentes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden in bezug auf die Zersetzung der speziellen Gaskompo­ nente aktiv ist und im Innenraum freiliegt und die Konzentration der speziellen Gaskomponente aus einer Sauerstoffmenge detektiert wird, die durch Zer­ setzung der speziellen Gaskomponente erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Steuerspannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird;
gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Entfernen von Sauerstoff, der von der einen (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentrationsabtastabschnitt beim Starten der Vorrichtung adsorbiert wurde.

10. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffentfer­ nungseinrichtungen Steuereinrichtungen zum Steuern einer zwischen das Paar der Elektroden im Gaskon­ zentrationsabtastabschnitt gelegten Spannung auf­ weisen, so dass die zwischen das Paar der Elektroden (61, 62) gelegte Spannung (V2), wenn die Vorrichtung gestartet wird, höher wird als die vorgegebene Steu­ erspannung (V1).

11. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffentfer­ nungseinrichtungen Einrichtungen zur Einführung ei­ nes brennbaren Gases in das Messgas beim Starten der Vorrichtung umfassen.

12. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskonzentra­ tionsabtastabschnitt aus einem Material hergestellt ist, das Rhodium als Hauptmetall enthält, oder einem Material, das Platin und Rhodium als Hauptmetalle enthält.

13. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (22) der Elektroden (21, 22) im Sauerstoffpumpabschnitt aus einem Material hergestellt ist, das Platin und Gold als Hauptmetalle enthält.

14. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Innenraum einen ersten Unterraum (31) und einen zweiten Unterraum (32) aufweist, der erste Unterraum (31) mit einem externen Raum über eine erste, einen Diffusionswiderstand vorsehende Einrichtung in Ver­ bindung steht, der externe Raum mit dem Messgas ge­ füllt ist und der zweite Unterraum (32) mit dem ersten Unterraum (31) über eine zweite, einen Diffu­ sionswiderstand vorsehende Einrichtung in Verbindung steht;
die eine (22) der Elektroden im Sauerstoffpumpab­ schnitt im ersten Unterraum (31) freiliegt und ein Strom zwischen dem Paar der Elektroden (21, 22) im Sauerstoffpumpabschnitt fließen gelassen wird, um Sauerstoff vom ersten Unterraum (31) abzupumpen und die Sauerstoffkonzentration im ersten Unterraum auf einem vorgegebenen niedrigen Niveau zu steuern; und
die eine (61) der Elektroden (61, 62) im Gaskon­ zentrationsabtastabschnitt im zweiten Unterraum (32) freiliegt und die Konzentration der speziellen Gas­ komponente im Messgas von einem Wert eines auf Sau­ erstoffionen basierenden Stromes detektiert wird, der zwischen den Elektroden auf der Basis von Sauer­ stoff fließt, der durch Zersetzung der speziellen Gaskomponente erzeugt wird, wenn eine vorgegebene Spannung zwischen das Paar der Elektroden gelegt wird.

15. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Sauerstoffkonzentrations­ abtastabschnitt einschließlich eines Festelektrolyt­ elementes, das in bezug auf Sauerstoffionen leitend ist, und eines Paares von Elektroden, die auf Flächen des Festelektrolytelementes ausgebildet sind, wobei eine der Elektroden im ersten Unterraum freiliegt, die andere Elektrode in einem Raum frei­ liegt, der mit einem Gas gefüllt ist, das eine Refe­ renzsauerstoffkonzentration besitzt, die Sauerstoff­ konzentration im ersten Unterraum von einer elektro­ motorischen Kraft detektiert wird, die zwischen dem Paar der Elektroden erzeugt wird, und ein dem Sauer­ stoffpumpabschnitt zugeführter Strom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration gesteuert wird, die vom Sauerstoffkonzentrationsabtastabschnitt detek­ tiert wird.

16. Gaskonzentrationsabtastvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Messgas ein Abgas ist, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, und dass die das brennbare Gas einführenden Einrichtungen einen Kanal (91) umfassen, der mit ei­ nem Abgaskanal der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, um das brennbare Gas in das Abgas einzu­ führen, oder Einrichtungen zum Einstellen des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses eines Luft-Kraftstoff- Gemisches in der Brennkraftmaschine, damit das Abgas mit dem brennbaren Gas angereichert wird.