DE102004007392A1

DE102004007392A1 - Gaskonzentrationsdetektor

Info

Publication number: DE102004007392A1
Application number: DE102004007392A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Haraguchi; Takashi Kojima; Daisuke Kojima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2004-09-02
Also published as: JP2004245772A; US20040159547A1

Abstract

Ein Sensorelement (104) eines NOx-Sensors (101) hat eine Sensorzelle (150) zum Zersetzen von NOx und von restlichem O¶2¶, die aufgenommen werden, innerhalb eines Elements und eine Kontrollzelle (160) zum Zersetzen von nur dem restlichen O¶2¶. Die NOx-Konzentration wird aus einer Differenz einer elektrischen Stromabgabe zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst. Die Spitze des Sensorelements ist durch eine Elementabdeckung (103) geschützt. Die Elementabdeckung hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern (106a) und zumindest eine Bodenwandloch (106b). Die Seitenwandlöcher und das Bodenwandloch haben Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 mm. Ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu demjenigen des Bodenwandlochs liegt zwischen 0,5 und 1,5. Dieser Aufbau unterbindet Strömungsgeschwindigkeitsvariationen innerhalb der Elementabdeckung und eine Abgabepulsation der Sensorzelle und der Kontrollzelle, was eine Stabilisierung der NOx-Abgabe ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaskonzentrationsdetektor, der unter Verwendung einer Vielzahl von Zellen, die an einem Festelektrolytelement ausgebildet sind, eine Konzentration von einem gegebenen Gas bei einer Messung von Gasen erfasst, beispielsweise eine NOx-Konzentration in abgasen von einer Brennkraftmaschine eines Automobils. Genauer gesagt betrifft sie einen Aufbau einer Elementabdeckung des Gaskonzentrationsdetektors zum Verbessern einer Detektionsgenauigkeit.
Derzeit wächst die Wichtigkeit des weltweiten Umweltschutzes, so dass Emissionsbestimmungen für Abgase von einer Brennkraftmaschine eines Automobils jedes Jahr strenger werden. Zur Behandlung dieser Bestimmungen werden genaue Steuerungen für Abgase in hohem Maße erwartet. Beispielsweise wird erwartet, dass ein Gaskonzentrationsdetektor direkt eine Konzentration von NOx als eine gefährliche Substanz, die in den Abgasen enthalten ist, erfasst, um das Erfassungssignal zurück zu einem EGR-System (Abgasrezirkulationssystem) oder einem Katalysatorsystem zu führen. Dieser Gaskonzentrationsdetektor umfasst eine bekannte Bauart, die die NOx-Konzentration mit einer Vielzahl von Zellen erfasst, die an einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytelement ausgebildet sind. Dabei wird die NOx-Konzentration unter Verwendung einer Differenz der Aktivität einer NOx-Reduktion zwischen den Zellen erfasst. Das ist in JP-A-H9-288086 offenbart.
Der vorstehend genannte herkömmlich Gaskonzentrationsdetektor weist im Allgemeinen Folgendes auf: eine Pumpzelle, die O₂ in den in eine Kammer geführten Abgasen ausstößt oder pumpt; und eine Sensorzelle, die eine Abgabe gemäß O₂- und NOx-Konzentrationen erzeugt, die innerhalb der Kammer verbleiben. Die O₂- Konzentration in der Kammer wird nämlich bei der Kontrollzelle erfasst und durch eine Rückführregelungspumpzellenspannung konstant gehalten, während die NOx-Konzentration aus einem Strom erfasst wird, der in der Sensorzelle fließt.
Bei diesem Gaskonzentrationsdetektor hat die Kammer die erste Kammer mit der Pumpzelle und die zweite Kammer mit der Sensorzelle und der Kontrollzelle, wobei die zwei Kammern in Fluidverbindung über eine Öffnung stehen. Dieser Aufbau ermöglicht eine Variierung der O₂-Konzentration in der Nähe der Sensorzelle und der Kontrollzelle, so dass diese sich verringert; jedoch kann eine Variierung der O2-Konzentration innerhalb der ersten Kammer aufgrund einer Variierung der Pumpzellenspannung nicht direkt auf die O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer oder auf den Kontrollzellenstrom wiedergegeben werden. Die O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer wird dadurch wahrscheinlich schwanken. Daher wird vorgeschlagen, dass die NOx-Konzentration in den Abgasen aus einer Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst wird. Das ermöglicht, dass die erfasste NOx-Konzentration als eine Sensorabgabe unabhängig von der O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer ist, was eine Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit ergibt.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt haben die Sensorzelle und die Kontrollzelle unterschiedliche Reaktivitäten oder Ansprechverhalten hinsichtlich Sauerstoff, da ihre zur Kammer weisenden Elektroden unterschiedliche Arten von Materialien verwenden, wie z.B. Pt, Rh, das beim Zersetzen beim NOx aktiv ist, bzw. Pt-Au, das inaktiv ist. Das liegt daran, dass die Sensorzellenelektrode mit Rh geeignet ist, Sauerstoff zu speichern, um O₂ innerhalb der Kammer einfacher als die Kontrollzellenelektrode zu pumpen, was ein langsames Ansprechverhalten auf eine Variierung der O₂-Konzentration ergibt. Eine Variierung der Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle wird daher auch dann erzeugt, wenn ein Verbrennungsmotorbetriebszustand variiert oder wenn die restliche O₂-Konzentration geringfügig variiert. Als Folge führt die Schwankung der Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle zu einer Variierung des erfassten NO_x-Werts, was eine Unfähigkeit einer genauen NOx-Erfassung ergibt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gaskonzentrationsdetektor zu schaffen, der in der Lage ist, Variierungen der Abgabe aufgrund einer Materialdifferenz zwischen bei dem Detektor verwendeten Elektroden zu unterbinden und ein gegebenes Gas bei Messgasen, wie zum Beispiel Nox in den Abgasen genau zu erfassen.

Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Gaskonzentrationsdetektor mit Folgendem versehen: der Gaskonzentrationsdetektor ist in einem Raum zum Messen einer Konzentration eines gegebenen Gases vorgesehen, das in Messgasen enthalten ist, die innerhalb des Raums vorhanden sind. Der Gaskonzentrationsdetektor weist ein Sensorelement und eine Elementabdeckung auf. Das Sensorelement hat eine Sensorzelle und eine Kontrollzelle. Die Sensorzelle ist zum Erfassen der Konzentration des gegebenen Gases vorgesehen, das in den Messgasen enthalten ist, die in eine Kammer innerhalb des Sensorelements geleitet werden. Die Kontrollzelle ist zum Erfassen einer O₂-Konzentration innerhalb der Kammer vorgesehen. Die Elementabdeckung ist ein Zylinder mit einem Boden, um das Sensorelement zu umgeben. Die Elementabdeckung hat ein Gaseinlassloch, durch das die Messgase strömen. Das Gaseinlassloch hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern und zumindest ein Bodenwandloch. Die Durchmesser der Seitenwandlöcher und des Bodenwandlochs liegen nämlich innerhalb eines Bereichs zwischen 0,5 und 1,5 mm, während ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu dem Durchmesser des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereichs zwischen 0,5 und 1,5 liegt.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, dass eine Differenz von Abgaben der Sensorzelle und der Kontrollzelle durch eine Gasströmung innerhalb der Elementabdeckung beeinflusst und variiert werden. Es hat sich herausgestellt, dass der vorstehend genannte Aufbau der Elementabdeckung der vorliegenden Erfindung die Abgabedifferenz zwischen den Zellen unterbinden kann. Der vorstehend genannte Aufbau unterbindet nämlich die Variierung die Strömungsgeschwindigkeit der Messgase innerhalb der Elementabdeckung, um die Abgabepulsationsbreite der Sensorzelle und der Kontrollzelle zu verringern, wobei sich die Erfassungsgenauigkeit verbessert. Die vorstehend genannten und andere Aufgaben, Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erkennbar.

1A ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Elementabdeckung als ein Hauptteil des Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

1B, 1C sind Horizontalschnittansichten der Elementabdeckung entlang einer Linie A-A in 1A;

1D ist eine Unteransicht der Elementabdeckung;

2A ist eine Ansicht, die einen Gesamtaufbau des Gaskonzentrationsdetektors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels zeigt;

2B ist eine vergrößerte schematische Schnittansicht, die ein Spitzenende eines Sensorelements zeigt, das von einem Kreis C in 2A entnommen ist;

3 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau einer Brennkraftmaschine mit einem Gaskonzentrationsdetektor der vorliegenden Erfindung zeigt;

4 ist eine Grafik, die eine NOx-Abgabepulsationsbreite und eine NOx-Ansprechzeit relativ zu Lochdurchmessern in dem Gaskonzentrationsdetektor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

5 ist eine Grafik, die eine NOx-Abgabepulsationsbreite relativ zu einem Durchmesserverhältnis der Seiten- und Bodenwandlöcher in dem Gaskonzentrationsdetektor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

6A ist eine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Elementabdeckung als ein Hauptteil eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

6B, 6C sind Horizontalschnittansichten der Elementabdeckung entlang einer Linie A-A oder B-B in 6A;

6D ist eine Unteransicht einer äußeren Abdeckung der Elementabdeckung;

6E ist eine Unteransicht einer inneren Abdeckung der Elementabdeckung;

7A bis 7C sind Grafiken, die einen Kontrollzellenstrom, einen Sensorzellenstrom und eine NO_x-Abgabe vor oder nach einer Gegenmaßnahme bei der Elementabdeckung der vorliegenden Erfindung zeigen;

8A ist eine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelements eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

8B ist eine Schnittansicht entlang einer Linie D-D in 8A;

9 ist eine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelements eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

10 ist eine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelements eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

(Erstes Ausführungsbeispiel)
Ein Gaskonzentrationsdetektor eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung hat einen NOx-Sensor 101 und einen Steuerungsschaltkreis wie in 2A gezeigt ist. Beispielsweise ist der Gaskonzentrationsdetektor an einem Abgasrohr 202 bei einer Brennkraftmaschine (Dieselverbrennungsmotor) 200 zum Erfassen eines gegebenen Gasbestandteils (NOx) in Messgasen (Abgasen) angeordnet, wie in 3 gezeigt ist. Die Brennkraftmaschine 200 ist mit einer gemeinsamen Leitung (Common Rail) 203 zum Einspritzen eines Hochdruckkraftstoffs, der in der gemeinsamen Leitung 203 gesammelt wird, in die entsprechenden Zylinder über die Kraftstoffeinspritzventile 204 aufgebaut. Ein EGR-Durchgang 206 verbindet zwischen einem Abgaskrümmer 205 und einem Einlasskrümmer 207, um die Abgase zu dem Einlass teilweise zu rezirkulieren.
Der abgaskrümmer 205 wird durch das Abgasrohr 202 gefolgt, das mit einer Nachbehandlungseinheit 209 ausgestattet ist, die einen Katalysator der NOx-Speicher-/-Reduktionsbauart und einen Oxidationskatalysator 210 hat. Der Abgaskrümmer 205 nimmt ein Abgaskraftstoffzugabeventil 208 zum Zugeben von Kraftstoff als ein Reduktionsmittel für NOx auf. Der N0x-Sensor ist stromaufwärts von dem Oxidationskatalysator 210 zum Aufnehmen der Abgase angeordnet, die durch den Katalysator der NOx-Speicher-/-Reduktionsbauart treten. Der Steuerungsschaltkreis 101 erfasst auf der Grundlage von Signalen von dem NOx-Sensor 101 eine NOx-Konzentration, um diese an eine ECU 201 abzugeben. Beispielsweise diagnostiziert die ECU 201 eine Verschlechterung des Katalysators der NOx-Speicher-/-Reduktionsbauart oder regelt das EGR-System rückgeführt.
Wie in 2A gezeigt ist, hat der NOx-Sensor 101 ein Gehäuse 105, ein Sensorelement 104, eine Elementabdeckung 103 und ein zylindrisches Element 107. Das Gehäuse 105 ist an einer Wand eines Abgasrohrs 202 fixiert, wie in 3 gezeigt ist. Das Sensorelement 104 ist in einem isolierten Zustand innerhalb des Gehäuses 105 gestützt. Ein Spitzenende (unteres Ende in 2A) des Sensorelements 104 ist innerhalb der Elementabdeckung 103 aufgenommen, die an dem Bodenende (unteres Ende in 2A) des Gehäuses 105 fixiert ist und in das Abgasrohr 202 vorsteht. Die Elementabdeckung 103 zieht die Abgase innerhalb des Abgasrohrs 202 über ein Gaseinlassloch 106 ein, das durch Seiten- und Bodenwände von dieser ausgebildet ist. Das zylindrische Element 107 ist an einem oberen Ende (oberes Ende in 2A) des Gehäuses 105 fixiert und hat ein Atmosphäreneinlassloch 108, das durch eine Seitenwand von diesem ausgebildet ist. Wie in 1A gezeigt ist, ist die Elementabdeckung 103 ein Zylinder mit einem Boden, wobei das Gaseinlassloch 106, das eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a aufweist, durch die Oberseitenwand hindurchdringt, und wobei ein Bodenwandloch 106b durch die Mitte der Bodenwand hindurch dringt. Abmessungen und die Anordnung des Gaseinlasslochs der Elementabdeckung 103, die Merkmale der vorliegenden Erfindung sind, werden nachstehend beschrieben.
Das vergrößerte Spitzenende 104 ist in 2B gezeigt. Das Sensorelement 104 weist folgendes auf: eine erste und eine zweite Kammer 120, 121, bei denen die Abgase aufgenommen werden; Atmosphärenleitungen 130, 131, die in Fluidverbindung mit der Atmosphäre stehen; eine Pumpzelle 140 in der ersten Kammer 120; und eine Sensorzelle 150 sowie eine Kontrollzelle 160 in der zweiten Kammer 121. Die Sensorzelle und die Kontrollzelle 150, 160 sind in einer Längsrichtung des Sensorelements 104 ausgerichtet (in eine seitliche Richtung in 2B). Die erste Kammer 120 steht in Fluidverbindung mit der zweiten Kammer 121 über eine Öffnung 110, um die Abgase über eine poröse Diffusionsschicht 109 und ein Stiftloch 111 aufzunehmen.
Das Sensorelement 101 ist ein mehrschichtiger Aufbau, der folgendes aufweist (von oben nach unten in 2B): die poröse Diffusionsschicht 109 und einen Abstandhalter 175 zur Bildung der Atmosphärenleitung 131; ein blattartiges Festelektrolytelement, das die Sensorzelle 150 und die Kontrollzelle 160 bildet; einen Abstandshalter 172, der die erste und die zweite Kammer 120, 121 bildet; ein blattartiges Festelektrolytelement 173, das die Pumpzelle 140 bildet; einen Abstandshalter 174, der die Atmosphärenleitung 130 bildet; und eine blattartige Heizvorrichtung 112. Die Festelektrolytelemente 171, 173 sind aus einem Festelektrolyt ausgebildet, das Sauerstoffionen-leitend ist, wie z.B. aus Zirkonium, während die Abstandhalter 172, 174, 175 aus Isolationsmaterial ausgebildet sind, wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Die poröse Diffusionsschicht 109 ist beispielsweise aus porösem Aluminiumoxid ausgebildet.
Die Pumpzelle 140 ist aus dem Festelektrolytelement 173 und einem gegenüberliegenden Paar Elektroden 141, 142 ausgebildet, die das Festelektrolytelement 173 dazwischen enthalten. Die Pumpzelle 140 ist zum Ausstoßen oder zum Pumpen von Sauerstoff in die oder aus der Atmosphärenleitung 130 vorgesehen, um dadurch die O₂-Konzentration innerhalb der ersten Kammer 120 zu steuern. Von dem Paar Elektroden 141, 142 ist die Elektrode 141, die zu der ersten Kammer 120 weist, eine Elektrode, die beim Zersetzen von NO_X inaktiv ist, wie beispielsweise eine poröse Pt-Au-Cermet-Elektrode. Dagegen ist die Elektrode 142, die zu der Atmosphärenleitung 130 weist, beispielsweise eine poröse Pt-Cermet-Elektrode. Die poröse Cermet-Elektrode wird durch Backen bzw. Brennen einer Pastenform von Metall und Keramik ausgebildet, wie z.B. Aluminiumoxid und Zirkonium.
Die Kontrollzelle 160 ist aus dem Festelektrolytelement 171 und einem gegenüberliegenden Paar Elektroden 161, 162 ausgebildet, die das Festelektrolytelement 171 dazwischen enthalten. Die Kontrollzelle 160 ist zum Erfassen der restlichen O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 vorgesehen, die von der ersten Kammer 120 über die Öffnung 110 aufgenommen wird. Von dem Paar Elektroden 161, 162 ist die Elektrode 161, die zu der zweiten Kammer 121 weist, eine Elektrode, die beim Zersetzen von NOx inaktiv ist, wie beispielsweise eine poröse Pt-Au-Cermet-Elektrode. Dagegen ist die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist, beispielsweise eine Pt-Cermet-Elektrode. Wenn eine gegebene Spannung zwischen die Elektroden 161, 162 angelegt wird, wird eine Stromabgabe (Kontrollzellenstrom) Im auf der Grundlage der restlichen O₂-Konzentration erhalten.
Die Sensorzelle 150 ist aus dem Festelektrolytelement 171 und einem gegenüberliegenden Paar von Elektroden 151, 162 ausgebildet, die das Festelektrolytelement 171 dazwischen enthalten. Die Sensorzelle 150 grenzt an die Kontrollzelle 160. Von dem Paar Elektroden 151, 162 wird die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist, üblicher Weise bei der Kontrollzelle 160 verwendet. Die Sensorzelle 150 ist zum Erfassen der NOx- und der restlichen O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 vorgesehen, die von der ersten Kammer 120 aufgenommen werden. Von dem Paar Elektroden 151, 162 ist die Elektrode 151, die zu der zweiten Kammer 121 weist, eine Elektrode, die beim Zersetzen von NOx aktiv ist, wie zum Beispiel eine poröse Pt-Rh-Cermet-Elektrode. Wenn eine gegebene Spannung zwischen die Elektroden 151, 162 angelegt wird, wird eine Stromabgabe (Sensorzellenstrom) Is auf der Grundlage der NOx- und der restlichen O₂-Konzentration erhalten.
Die Heizvorrichtung 112 ist ein Blatt, das aus einem Isolationsmaterial ausgebildet ist, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, und das eine Heizelektrode enthält. Die Heizelektrode wird dadurch erwärmt, dass ihr ein elektrischer Strom zugeführt wird, um die Zellen 140, 150, 160 auf eine Aktivierungstemperatur oder darüber hinaus durch Aufheizen des gesamten Elements zu halten.
Ein Betriebsprinzip des vorstehend genannten NO_x-Sensors 101 wird nachstehend beschrieben. In 2B werden die Abgase als Messgase in die erste Kammer 120 über die poröse Diffusionsschicht 109 und das Stiftloch 111 aufgenommen. Eine Strömungsmenge der aufgenommenen Abgase hängt von dem Diffusionswiderstand der porösen Diffusionsschicht 109 und des Stiftlochs 111 ab. Wenn eine Spannung zwischen die Elektroden 141, 142 der Pumpzelle 140 angelegt wird, wobei die Elektrode 142, die zu der Atmosphärenleitung 130 weist, positiv ist, wird nämlich O₂ reduziert und zersetzt, so dass sie Sauerstoffionen an der Elektrode 141 werden, die zu der ersten Kammer 120 weist.
Die Sauerstoffionen werden dann in Richtung auf die Elektrode 142 durch eine Pumpfunktion abgegeben (siehe ein Pfeil innerhalb der Pumpzelle 140). Wenn die Spannung umgekehrt angelegt wird, wird Sauerstoff umgekehrt von der Atmosphärenleitung 130 zu der ersten Kammer 120 überführt.
Die Pumpzelle 140 stößt somit Sauerstoff durch Einstellen einer Größe und einer Richtung der angelegten Spannung unter Verwendung der Sauerstoffpumpfunktion zum Steuern einer O₂ Konzentration innerhalb einer Kammer aus oder pumpt diesen. Typischer Weise wird zum Verringern der Wirkung des Sauerstoffs beim Erfassen von NOx der Sauerstoff innerhalb der ersten Kammer 120 ausgestoßen, so dass die O₂-Konzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 auf einer gegebenen niedrigen Konzentration gehalten wird. Die Elektrode 141, die zu der ersten Kammer 120 weist, ist nämlich beim Zersetzen von dem NOx inaktiv, so dass das NOx in den Abgasen nicht durch die Pumpzelle 140 zersetzt wird.
In dem Ausführungsbeispiel wird die Pumpzelle 140 durch Verwendung einer Abbildung der angelegten Spannung gesteuert, die im voraus gemäß dem Pumpzellenstrom Ip spezifiziert wird. Die Pumpzelle 140 hat eine Grenzstromcharakteristik mit Bezug auf eine O₂-Konzentration. In einer V-I-Charakteristik-Abbildung, die eine Beziehung zwischen einer angelegten Pumpzellenspannung Vp und einem Pumpzellenstrom Ip zeigt, ist der Grenzstromerfassungsbereich in einem linearen Abschnitt im Wesentlichen parallel zu einer Achse der Spannung gelegen. Unter Erhöhung der Sauerstoffkonzentration erhöht sich der Spannungswert. Durch variables Steuern der angelegten Pumpzellenspannung Vp gemäß dem Pumpzellenstrom Ip wird der in die erste Kammer 120 aufgenommene Sauerstoff dadurch rasch ausgestoßen, um die erste Kammer 120 auf einer gegebenen niedrigen Sauerstoffkonzentration zu halten. Das führt zu einer Verringerung der Wirkung des Sauerstoffs als störendes Gas mit Bezug auf die Erfassung des NOx, das ein gegebener Gasbestandteil ist.
Die Abgase, die die Pumpzelle 140 passieren, treten in die zweite Kammer 121 über die Öffnung 110 ein. Wenn die Spannung zwischen die Elektroden 161, 162 der Kontrollzelle 160 angelegt wird, wobei die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist, positiv ist, wird ein geringer Betrag der restlichen O₂ Konzentration in den Abgasen verringert und zersetzt, so dass er zu Sauerstoffionen an der Elektrode 161 wird, die zu der zweiten Kammer 121 weist. Die Sauerstoffionen werden dann in Richtung auf die Elektrode 162 durch die Pumpfunktion abgegebne (siehe ein Pfeil unter der Elektrode 162). Die Elektrode 161 ist inaktiv beim Zersetzen von NOx, so dass der Kontrollzellenstrom Im, der durch einen Stromdetektor 183 gemessen wird, nicht abhängig von der NOx-Konzentration, sondern abhängig von dem Sauerstoff ist, der die zweite Kammer 121 erreicht. Die O₂ Restkonzentration wird dadurch durch Erfassen des Kontrollzellenstroms Im erfasst.
Dagegen ist mit Bezug auf die Sensorzelle 150 die Elektrode 151, die zu der zweiten Kammer 121 weist, beim Zersetzen von NOx inaktiv. Wenn eine Spannung zwischen die Elektroden 151, 162 der Sensorzelle 150 angelegt wird, wobei die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist, positiv ist, werden das restliche O₂ und NOx in den Abgasen verringert und zersetzt, so dass sie zu Sauerstoffionen an der Elektrode 161 werden, die zu der zweiten Kammer 121 weist. Die Sauerstoffionen werden dann in Richtung auf die Elektrode 162 durch die Pumpfunktion abgegeben (siehe den Pfeil unter der Elektrode 162). Der Sensorzellenstrom Is, der durch einen Stromdetektor 182 gemessen wird, ist abhängig von dem O₂ und von dem NOx, die die zweite Kammer 121 erreichen. Die Kontrollzelle 160 und die Sensorzelle 150 grenzen aneinander an, so dass die O₂-Konzentration, die die Elektroden 151, 162 erreicht, die zu der zweiten Kammer 121 weisen, nahezu gleich ist. Die NOx-Konzentration kann dadurch durch Ableiten des Kontrollzellenstroms Im (entsprechend der Sauerstoffkonzentration) von dem Sensorzellenstrom Is erfasst werden.
Wie vorstehend erklärt ist, kann die NOx-Konzentration ohne Abhängigkeit von der Sauerstoffmenge innerhalb der Kammer unter Verwendung einer Abgabedifferenz zwischen den angrenzenden Sensor- und Kontrollzellen 150, 160 erfasst werden. Jedoch entwickelt ein Werkstoffunterschied der kammerseitigen Elektrode zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle tatsächlich eine Differenz des Ansprechverhaltens auf Sauerstoff. Die Elektrode 151 der Sensorzelle 150 verwendet nämlich Pt-Rh, während die Elektrode 161 der Kontrollzelle 160 Pt-Au verwendet. Insbesondere ist das Rh in der Sensorzelle 150 geeignet, Sauerstoff aufgrund seiner Sauerstoffspeichercharakteristik zu pumpen, so dass die Elektrode 151 ein geringes Ansprechverhalten auf eine Sauerstoffvariation zeigt. Dagegen reagiert die Kontrollzelle 160 empfindlich auf eine Sauerstoffvariation, beispielsweise aufgrund einer Sauerstoffkonzentrationsverteilung innerhalb einer Kammer, was einfach die Erzeugung einer Abgabepulsation ergibt. Dadurch entwickelt sich ein Problem dahingehend, dass die NOx-Abgabe, die eine Abgabendifferenz ist, dadurch unstabil werden kann.
Um das vorstehend genannte Problem zu behandeln, unterbindet die vorliegende Erfindung eine Strömungsgeschwindigkeitsvariation der Abgase innerhalb der Elementabdeckung 103 und einer Variation der NOx-Abgabe durch Vorsehen eines Aufbaus der Elementabdeckung 103.
Genauer gesagt weist die Elementabdeckung 103 eine Vielzahl von Seitenwandabdeckungen 106a und zumindest ein Bodenwandloch 106b auf. Ein Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und ein Durchmesser des Bodenwandlochs 103b sind spezifiziert. Des weiteren ist ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher 106a zu demjenigen des Bodenwandlochs 106b ebenso spezifiziert.
In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 1A gezeigt ist, ist die Vielzahl der Seitenwandlöcher 106a in der Nähe des oberen Endes der Elementabdeckung 103 angeordnet, während das Bodenwandloch 106b an dem Mittenabschnitt des Bodens der Elementabdeckung 103 angeordnet ist. Hier wird eine Strömung von Messgasen ausgebildet, wie es durch einen in 1A gezeigten Pfeil angedeutet ist. Somit sind die Seitenwandlöcher 106a vorzugsweise an dem oberen Bereich als an dem Spitzenende des Sensorelements 104 angeordnet, das ein Erfassungsabschnitt ist. Das Stiftloch 111, das die Abgase aufnimmt, ist an der Seite des tafelförmigen Sensorelements 104 gelegen, so dass das Sensorelement 104 eine Direktionalität bzw. eine Gerichtetheit aufweist, wie in 2B gezeigt ist. Um die Wirkung der Gerichtetheit zu verringern, wird eine axiale Strömung (vertikale Strömung in 1A) mit Bezug auf den Erfassungsabschnitt grundsätzlich bevorzugt.
Die Vielzahl der Seitenwandlöcher 106a ist, wie in den 1A, 1B, 1C gezeigt ist, in der im Wesentlichen gleichen Umfangslinie mit Bezug auf die Elementabdeckung 103 angeordnet. Die Vielzahl der Seitenwandlöcher ist nämlich entlang der Umfangsschnittlinie, die zwischen der Seitenwand der Elementabdeckung 103 und einer gedachten Ebene senkrecht zu einer Achse des Sensorelements 104 oder der Elementabdeckung 103 ausgebildet ist, angeordnet. Beispielsweise sind, wie in 1B gezeigt ist, vier Seitenwandlöcher 106a an den im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Die Anzahl der Seitenwandlöcher 106a ist nicht auf die bestimmte Anzahl beschränkt, sondern sie ist vorzugsweise vier oder sechs. Wenn die Anzahl der Seitenwandlöcher 106a weniger als 4 beträgt, hat der NOx-Sensor 101, der an dem Abgasrohr 202 installiert ist, eine Gerichtetheit mit Bezug auf die Abgasströmung. Ein Ansprechverhalten wird dadurch merklich durch die Richtungen der Löcher 106a beeinflusst. Die Anzahl, die nicht geringer als vier ist, kann nicht durch die Richtungen beeinflusst werden. Dagegen erzeugt eine Anzahl von Seitenwandlöchern 106a, die mehr als sechs beträgt, keinen zusätzlichen Vorteil sondern bildet die Schwierigkeit beim Herstellen von mehr als sechs Löchern, da sie sehr nah zu dem nächsten sind. 1C zeigt ein Beispiel von sechs Seitenwandlöchern 106a. Da hier die Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a in der gleichen Umfangslinie mit Bezug auf die Elementabdeckung 103 mit den im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet ist, wird die Gerichtetheit nicht erzeugt, wenn der NOx-Sensor 101 an dem Abgasrohr 202 eingebaut ist.
Die Anzahl des Bodenwandlochs 106a kann mehr als eins sein; jedoch beträgt die Anzahl vorzugsweise eins an der Mitte des Bodens der Elementabdeckung 103. Die Anzahl des Bodenwandlochs 106b, die nur eins beträgt, macht die Herstellung des Lochs einfach. Dadurch ergibt sich, dass ein Vorteil zum Unterbinden einer Variation einer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Elementabdeckung 103 auf der Grundlage der Angaben eines Lochdurchmessers einfach erhalten wird, was nachstehend beschrieben wird.
Die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und des Bodenwandlochs 106b der Elementabdeckung 103 werden nachstehend beschrieben. 4 zeigt eine Beziehung zwischen dem Lochdurchmesser und der Abgabecharakteristik des Sensorelements 104, wenn die Elementabdeckung 103 einen in 1A gezeigten Aufbau mit vier Seitenwandlöchern 106a und einem Bodenwandloch 106b hat. Hier wird ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu demjenigen des Bodenwandlochs 106b auf dem gleichen beibehalten. Die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und des Bodenwandlochs 106b sind nämlich der gleiche gemeinsame Durchmesser. Der gemeinsame Durchmesser (von den Seitenwandlöchern 106a und von dem Bodenwandloch 106b) wird von 0,3 bis 2 mm variiert. Wie in 4 gezeigt ist, verringert sich mit einer Vergrößerung des gemeinsamen Durchmessers die Ansprechzeit und vergrößert sich die Abgabepulsationsbreite. Wenn genauer gesagt der gemeinsame Durchmesser geringer als 0,5 mm beträgt, wird die Ansprechzeit merklich verschlechtert. Wenn dagegen der gemeinsame Durchmesser größer als 1,5 mm beträgt, erhöht sich die Pulsationsbreite merklich. 4 zeigt des weiteren Grenzwerte für die Abgabepulsationsbreite und die Ansprechzeit, die zum Erfassen von NOx in den Abgasen mit einer vorbestimmten Erfassungsgenauigkeit notwendig sind. Als Folge schafft der gemeinsame Durchmesser, der von 0,5 bis 1,5 mm beträgt, eine Vereinbarkeit zwischen der Ansprechzeit und der Pulsationsbreite.
Als Nächstes wird das Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher 106a zu demjenigen des Bodenwandlochs 106b nachstehend beschrieben. 5 zeigt eine NOx-Abgabepulsationsbreite gemäß einem Verhältnis von Lochdurchmessern, die in der Tabelle 1 nachstehend aufgelistet sind, wenn die Elementabdeckung 103 einen in 1A gezeigten Aufbau mit vier Seitenwandlöchern 106a und einem Bodenwandloch 106b hat. Hier ist das Verhältnis der Lochdurchmesser [Seitenwandlochdurchmesser]/[Bodenwandlochdurchmesser]. [Tabelle 1]
Die Abgabepulsationsbreite ist am engsten bei ungefähr 1,0 von diesem Verhältnis und erhöht sich entweder bei einem niedrigeren Verhältnis oder bei dem höheren Verhältnis als 1,0 von dem Verhältnis. Demgemäß wird das Verhältnis der Lochdurchmesser vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 auf der Grundlage des Grenzwerts der in 5 gezeigten NOx-Abgabepulsationsbreite angegeben.
Eine herkömmliche Elementabdeckung eines Gassensors neigt dazu, größere Lochdurchmesser zu haben (beispielsweise Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm, Bodenwandloch: ⌀ 2 mm) , um ein rasches Ansprechverhalten durch Vereinfachen eines Gasaustauschs zwischen dem Äußeren und dem Inneren von der Elementabdeckung zu erhalten. Jedoch neigt die herkömmliche Elementabdeckung dazu, Strömungsgeschwindigkeitsvariationen zu unterliegen. Bei einem solchen NOx-Sensor, bei dem die Sensorzelle und die Kontrollzelle unterschiedliche Abgabeansprechverhalten haben, wird die Abgabepulsation einer Kontrollzelle dadurch größer als diejenige einer Sensorzelle, was Variationen der NOx-Abgabe ergibt. Dagegen unterbindet die Elementabdeckung 103 des Ausführungsbeispiels, das mit Bezug auf die Anzahlen und die Durchmesser der Löcher spezifiziert ist, die Strömungsgeschwindigkeitsvariationen innerhalb der Elementabdeckungen 103. Das führt zu einer Unterbindung der Abgabepulsation der Sensor- und Kontrollzellen 150, 160 des Sensorelements 104, was eine Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Abgabe ergibt, die von einer Abgabedifferenz zwischen den Zellen 150, 160 erhalten wird.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Eine Elementabdeckung 103 eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat einen Doppelaufbau, der in 6A gezeigt ist. Die Elementabdeckung 103 hat eine innere Abdeckung 103a und eine äußere Abdeckung 103b, die die innere Abdeckung 103a umgibt. Die innere Abdeckung 103a hat den gleichen Aufbau wie die Elementabdeckung 103 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, die eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a in der Nähe von seinem oberen Ende und zumindest ein Bodenwandloch 106b hat. In ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel liegen die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und der Durchmesser des Bodenwandlochs 106b in einem Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm, während ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher 106a zu dem Durchmesser des Bodenwandlochs 106b in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt.
Die äußere Abdeckung 103b mit einer zylindrischen Gestalt, die einen Boden hat, hat einen geringfügig größeren Durchmesser als die innere Abdeckung 103a, die eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106c und zumindest ein Bodenwandloch 106d hat. Die Vielzahl der Seitenwandlöcher 106c ist an der Seite in der Nähe des unteren Endes angeordnet, während das zumindest eine Bodenwandloch an der Mitte des Bodens angeordnet ist. Der Durchmesser des Bodenwandlochs 106d der äußeren Abdeckung 103b ist vorzugsweise äquivalent oder größer als der Durchmesser des Bodenwandlochs 106b der inneren Abdeckung 103a. Der Durchmesser der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sind vorzugsweise äquivalent zu oder größer als die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a der inneren Abdeckung 103a. Zusätzlich sind die Durchmesser der Löcher 106c, 106d vorzugsweise nicht geringer als alle Durchmesser der Löcher 106a, 106b der inneren Abdeckung 103a. Dieser Aufbau verhindert nicht, dass eine Gasströmung das Innere der inneren Abdeckung 103a erreicht. Das führt dazu, dass die gleiche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wird, durch Spezifizieren bei der inneren Abdeckung 103a von den Durchmessern der Löcher 106a, 106b und dem Verhältnis der Durchmesser der Löcher 106a, 106b, wie vorstehend beschrieben ist. Die Anordnung der Vielzahl der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b in der Nähe des unteren Endes der äußeren Abdeckung 103b lässt erwarten, dass verhindert wird, dass Wasser anhaftet. Wenn die Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b an einem Abschnitt angeordnet sind, der niedriger als die Seitenwandlöcher 106a der inneren Abdeckung 103a liegt, verläuft die Gasströmung, die in 6A gezeigt ist, nach oben innerhalb der äußeren Abdeckung 103b, um zu unterbinden, dass Wasser in das Innere der inneren Abdeckung 103a eintritt.
Die Anzahlen der Seitenwandlöcher 106a der inneren Abdeckung 103a und der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sind vorzugsweise vier bis sechs in ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die 6B, 6C zeigen Beispiele von Elementabdeckungen, die vier und sechs Seitenwandlöcher haben, die vorzugsweise entlang der gleichen Umfangslinie mit Bezug auf die Elementabdeckung 103 angeordnet sind. Die Anzahlen der Seitenwandlöcher 106a der inneren Abdeckung 103a und der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sind vorzugsweise gleich. Die Anzahl des Bodenwandlochs 106b der inneren Abdeckung 103a und des Bodenwandlochs 106d der äußeren Abdeckung 103b beträgt vorzugsweise eins an den Mitten der Böden, wie in den 6D, 6E gezeigt ist, in ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Der grundlegende Betrieb des NOx-Sensors 101 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der gleiche wie derjenige des ersten Ausführungsbeispiels. Des weiteren unterbindet eine geeignete Spezifizierung der Lochdurchmesser und des Verhältnisses der Lochdurchmesser der inneren Abdeckung 103a und der Lochdurchmesser der äußeren Abdeckung 103b, dass Wasser den NOx-Sensor 101 beschädigt. Das führt zu einer Verbesserung der NOx-Erfassungsgenauigkeit ohne eine Verschlechterung der Ansprechcharakteristik.

Die 7A bis 7C zeigen Wirkungen des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung bei einem Kontrollzellenstrom Im, einem Sensorzellenstrom Is und einer NOx-Abgabe (= Is – Im) von NOx-Erfassungsversuchen unter Verwendung eines Modellgases im Vergleich mit „vor" und „nach" Gegenmaßnahmen. Hier deutet „nach den Gegenmaßnahmen" das zweite Ausführungsbeispiel an wie folgt.

Innere Abdeckung 103a-	Seitenwandloch 106a: ⌀ 1,0 mm × 4 Bodenwandloch 106b: ⌀ 1,0 mm × 1
Äußere Abdeckung 103b-	Seitenwandloch 106a: ⌀ 1,5 mm × 4 Bodenwandloch 106b: ⌀ 1,5 mm × 1

Dagegen deutet „vor den Gegenmaßnahmen" die herkömmliche Elementabdeckung an wie folgt.

Innere Abdeckung – Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm × 4 Bodenwandloch: ⌀ 2,0 mm × 1

Äußere Abdeckung – Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm × 4 Bodenwandloch: ⌀ 2,0 mm × 1
Wie in den 7A, 7B gezeigt ist, schwankt der Kontrollzellenstrom Im vor der Gegenmaßnahme (hat eine große Pulsationsbreite) mit Bezug auf den Sensorzellenstrom Is, was zu einer Schwankung der NOx-Abgabe führt, wie in 7C gezeigt ist. Dagegen ist bei dem Kontrollzellenstrom Im nach der Gegenmaßnahme, insbesondere für einen Fall, bei dem die Elementabdeckung 103 mit der Gegenmaßnahme des geeigneten Spezifizierens der Lochdurchmesser und des Verhältnisses der Lochdurchmesser versehen ist, die Pulsationsbreite des Kontrollzellenstroms unterbunden, wie in 7A gezeigt ist. Das ermöglicht, dass die Pulsationsbreite der NOx-Abgabe, die eine Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom Is und dem Kontrollzellenstrom Im ist, unterbunden wird, was zu einer Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration führt.
Wie vorstehend mit Bezug auf einen NOx-Sensor 101 mit unterschiedlichen Sauerstoffansprechverhalten zwischen einer Sensorzelle 150 und einer Kontrollzelle 160 erklärt ist, werden die Lochdurchmesser und ein Verhältnis der Durchmesser einer Elementabdeckung 103 geeignet spezifiziert oder optimiert. Das ermöglicht, dass Abgabeansprechverhalten der Sensor- und Kontrollzellen 150, 160 im Wesentlichen übereinstimmen, was zu einer Verbesserung der NOx-Erfassungsgenauigkeit führt. Wenn dies insbesondere auf das Ausführungsbeispiel gerichtet wird, bei dem ein Erfassungswert eine Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle 150 und der Kontrollzelle 160 ist, ist diese Erfindung wirksam beim Ausgleichen einer Variation des Erfassungswerts aufgrund einer Ansprechdifferenz.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Ein NOx-Sensor 101 kann Strukturen haben, die andere als die Strukturen des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels sind, und er kann eine Struktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel sein, wie in den 8A, 8B gezeigt ist. In dem ersten und in dem zweiten Ausführungsbeispiel sind eine Sensorzelle 150 und eine Kontrollzelle 160 in einer Längsrichtung des Sensorelements ausgerichtet; jedoch sind die Zellen 150, 160 des dritten Ausführungsbeispiels angeordnet, so dass sie parallel zueinander in die Längsrichtung des Sensorelements 104 entgegengesetzt sind. Der andere Aufbau und der grundlegende Betrieb des dritten Ausführungsbeispiels sind der gleiche wie derjenige von dem ersten und von dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Eine Verteilung einer Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 neigt dazu, entlang einem Pfad aufzutreten, durch den die Abgase verlaufen, insbesondere entlang einer Längsrichtung des Sensorelements 104. Mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel ist die Sauerstoffkonzentration einer Elektrode 151 der Sensorzelle 150 die gleiche wie die an der Elektrode 161 der Kontrollzelle 160 ungeachtet der Verteilung der Sauerstoffkonzentration. Dem gemäß werden die Empfindlichkeiten der Sensor- und der Kontrollzelle 150, 160 mit Bezug auf den Restsauerstoff innerhalb der zweiten Kammer 121 gleich, was eine höchstgenaue Erfassung ermöglicht.
In dem ersten und in dem zweiten Ausführungsbeispiel erfassen die NOx-Sensoren das NOx aus der Stromabgabedifferenz zwischen der Sensor- und der Kontrollzelle 150, 160; jedoch kann das dritte Ausführungsbeispiel auf andere Bauarten von dem NOx-Sensor 101 gerichtet werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Ein Sensorelement 104 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, ist ein Mehrschichtaufbau mit Festelektrolytelementschichten 176, 177, 178, die aus einem Festelektrolytelement ausgebildet sind, wie zum Beispiel Zirkonium. Das Sensorelement 104 nimmt eine erste und eine zweite Kammer 120, 121 auf, in die Abgase über poröse Widerstandsschichten 117, 118 aufgenommen werden. Die erste Kammer 120 weist eine erste Pumpzelle 143 und eine Kontrollzelle 160 auf, während die zweite Kammer 121 eine Sensorzelle 150 und eine zweite Pumpzelle 146 aufweist. Die erste Pumpzelle 143 hat ein entgegengesetztes Paar Elektroden 144, 145, zwischen denen die Festelektrolytelementschicht 176 schichtweise eingefasst ist. Die Kontrollzelle 160 hat ein Paar Elektroden 161, 116, zwischen denen die Festelektrolytelementschicht 178 schichtweise eingefasst ist. Die Elektrode 161 weist zu einer Atmosphärenleitung 132 (atmosphärenseitige Elektrode 161), die eine gemeinsame Elektrode der Sensorzelle 150 und der zweiten Pumpzelle 146 ist. Die Sensorzelle 150 hat ein Paar Elektroden 151, 116, zwischen denen die Festelektrolytelementschicht 178 schichtweise eingefasst ist, während die zweite Pumpzelle 146 ein Paar Elektroden 147 hat, die an einer unteren Fläche der Festelektrolytelementschicht 176 und der atmosphärenseitigen Elektrode 116 ausgebildet ist. Des weiteren ist eine Heizvorrichtung 112 unter der Atmosphärenleitung 132 vorgesehen.
In dem vorstehend genannten Aufbau werden die Abgase in die erste Kammer 120 durch die poröse Widerstandsschicht 117 aufgenommen, während fast der gesamte Sauerstoff in den Abgasen in die Abgasseite durch die erste Pumpzelle 143 ausgestoßen wird. Hier wird die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer 120 aus einer elektromotorischen Kraft Vm erfasst, die zwischen den Elektroden 161, 116 der Kontrollzelle 160 erzeugt wird. Um diese erfasste Konzentration in einen gegebenen Wert zu konvergieren, wird die angelegte Spannung Vpl an der ersten Pumpzelle 143 geregelt, was verursacht, dass die erste Pumpkammer 120 eine niedrige Sauerstoffkonzentration aufnimmt. Die Abgase werden weitergehend in die zweite Kammer 121 über die poröse Widerstandsschicht 118 aufgenommen, während der Restsauerstoff in den Abgasen zersetzt wird und in die Atmosphärenleitung 132 durch die zweite Pumpzelle 146 ausgestoßen wird. Die angelegte Spannung Vp2 auf die zweite Pumpzelle 146 wird gemäß dem Strom Ip2 geregelt, der durch die zweite Pumpzelle 146 strömt. Das NOx wird an der kammerseitigen Elektrode 151 zersetzt und in die Atmosphärenleitung 132 durch Anlegen einer gegebenen Spannung Vs an die Sensorzelle 150 ausgestoßen.
Auch bei dem Aufbau, bei dem die angelegte Spannung Vp1 an die erste Pumpzelle 143 durch die Spannungsabgabe Vm der Kontrollzelle 160 geregelt wird, kann die Elementabdeckung 103, die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gezeigt ist, verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Hier wird bei dem vierten Ausführungsbeispiel, wie vorstehend beschrieben ist, die angelegte Spannung Vp1 an die erste Pumpzelle 143 durch die Spannungsabgabe Vm der Kontrollzelle 160 gesteuert, während bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen die NOx-Konzentration durch Berechnen einer Abgabedifferenz mit der Sensorzelle 150 erhalten wird. Jedoch sind die Abgabecharakteristiken (beispielsweise O₂-Konzentration: Längsachse, Zeit: Querachse) der Sensor- und der Kontrollzelle ähnlich zu denjenigen, die in den 7A bis 7C gezeigt sind. Die Kontrollzelle hat nämlich eine schnellere Ansprechcharakteristik auf die Sauerstoffkonzentration, so dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer 120 schwankt, was zu der Möglichkeit führt, dass die Abgabe der Sensorzelle 150 beeinflusst wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann daher die Elementabdeckung 103, die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gezeigt ist, die gleiche Wirkung erzielen, wenn diese angenommen wird.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 10 gezeigt. Die Struktur dieses Ausführungsbeispiel ist fast die gleiche wie diejenige des vierten Ausführungsbeispiels. Jedoch unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem vierten Ausführungsbeispiel dadurch, dass es eine erste Kontrollzelle 163 innerhalb einer ersten Kammer 120 und eine zweite Kontrollzelle 164 innerhalb einer zweiten Kammer 121 hat. Die erste Kontrollzelle 163 hat eine Elektrode 144, die von der ersten Pumpzelle 143 und einer atmosphärenseitigen Elektrode 116 geteilt wird. Die zweite Kontrollzelle 164 hat eine Elektrode 147, die von der zweiten Pumpzelle 146 und von einer atmosphärenseitigen Elektrode 116 geteilt wird.
Hier wird die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer 120 aus einer elektromotorischen Kraft Vm1 erfasst, die zwischen den Elektroden 144, 116 der ersten Kontrollzelle 163 erzeugt wird, um die angelegte Spannung Vp1 an der ersten Pumpzelle 143 zu regeln. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 wird aus einer elektromotorischen Kraft Vm2 erfasst, die zwischen den Elektroden 147, 116 der zweiten Kontrollzelle 164 erzeugt wird, um die angelegte Spannung Vp2 an der zweiten Pumpzelle 146 zu regeln. Auch bei diesem Aufbau kann die Elementabdeckung 103, die bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gezeigt ist, die gleiche Wirkung erzielen, wenn sie angenommen wird.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Erfindung auf die Erfassung von einer NOx-Konzentration in Abgasen gerichtet; jedoch kann sie auf andere Gaskonzentrationsdetektoren gerichtet sein, die Gase behandeln, die andere als NOx sind. Des weiteren kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf ein Ausführungsbeispiel gerichtet sein, das Abgase als Messgase von einer Brennkraftmaschine behandelt, sondern sie kann auch auf ein Ausführungsbeispiel zur Behandlung anderer Messgase gerichtet sein.
Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedenartige Änderungen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können. Jedoch sollte der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche bestimmt werden.
Somit hat das Sensorelement 104 des NOx-Sensors 101 hat die Sensorzelle 150 zum Zersetzen von NOx und von restlichem O₂, die aufgenommen werden, innerhalb des Elements und eine Kontrollzelle 160 zum Zersetzen von nur dem restlichen O₂. Die NOx-Konzentration wird aus einer Differenz einer elektrischen Stromabgabe zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst. Die Spitze des Sensorelements ist durch eine Elementabdeckung 103 geschützt. Die Elementabdeckung hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a und zumindest ein Bodenwandloch 106b. Die Seitenwandlöcher und das Bodenwandloch haben Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 mm. Ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu demjenigen des Bodenwandlochs liegt zwischen 0,5 und 1,5. Dieser Aufbau unterbindet Strömungsgeschwindigkeitsvariationen innerhalb der Elementabdeckung und eine Abgabepulsation der Sensorzelle und der Kontrollzelle, was eine Stabilisierung der NOx-Abgabe ergibt.

Claims

Gaskonzentrationsdetektor, der in einem Raum (202) zum Messen einer Konzentration eines gegebenen in Messgasen enthaltenen Gases vorgesehen ist, die innerhalb des Raums vorhanden sind, wobei der Gaskonzentrationsdetektor Folgendes aufweist: ein Sensorelement (104) mit einer Sensorzelle (150) zum Erfassen der Konzentration des gegebenen Gases, das in den Messgasen enthalten ist, die in eine Kammer (121) innerhalb des Sensorelementes aufgenommen werden, und einer Kontrollzelle (160, 164) zum Erfassen einer O₂-Konzentration innerhalb der Kammer; und eine Elementabdeckung (103, 103a), die ein Zylinder ist, der einen Boden hat, um das Sensorelement zu umgeben, wobei die Elementabdeckung ein Gaseinlassloch (106a, 106b) hat, durch das die Messgase strömen, wobei der Gaskonzentrationsdetektor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gaseinlassloch eine Vielzahl von Seitenwandlöchern (106a) und zumindest ein Bodenwandloch (106b) aufweist, wobei Durchmesser der Seitenwandlöcher und des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereiches von 0,5 und 1,5 mm liegen, und wobei ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu dem Durchmesser des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereichs zwischen 0,5 und 1,5 liegt.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei das gegebene Gas NOx aufweist und wobei die Sensorzelle eine Elektrode (151) aufweist, die zu der Kammer weist und die beim Zersetzen des NOx aktiv ist, während die Kontrollzelle eine Elektrode (161, 147) aufweist, die zu der Kammer weist und die beim Zersetzen des NOx inaktiv ist.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl der Seitenwandlöcher vier, fünf oder sechs Seitenwandlöcher aufweist.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 3, wobei alle von der Vielzahl der Seitenwandlöcher im Wesentlichen an einer gleichen gedachten Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu einer Achse des Zylinders ist.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, des weiteren mit: einer äußeren Abdeckung (103b), die die Elementabdeckung umgibt, um eine doppelt strukturierte Abdeckung dadurch auszubilden, dass sie mit der Elementabdeckung kombiniert wird.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5, wobei die äußeren Seitenwandlöcher der äußeren Abdeckung näher an dem Boden der Elementabdeckung und dem äußeren Boden der äußeren Abdeckung als die Seitenwandlöcher der Elementabdeckung angeordnet sind.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die äußere Abdeckung ein äußeres Gaseinlassloch (106c, 106d) hat, das zumindest ein äußeres Bodenwandloch (106d) aufweist, und wobei ein Durchmesser des äußeren Bodenwandlochs der äußeren Abdeckung nicht geringer als der Durchmesser des Bodenwandlochs der Elementabdeckung ist.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die äußere Abdeckung ein äußeres Gaseinlassloch (106c, 106d) hat, das eine Vielzahl von äußeren Seitenwandlöchern (106c) aufweist, und wobei Durchmesser der äußeren Seitenwandlöcher der äußeren Abdeckung nicht geringer als die Durchmesser der Seitenwandlöcher der Elementabdeckung sind.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die äußere Abdeckung ein äußeres Gaseinlassloch (106c, 106d) hat, das eine Vielzahl von äußeren Seitenwandlöchern (106c) und zumindest ein äußeres Bodenwandloch (106d) aufweist, und wobei Durchmesser der äußeren Seitenwandlöcher und des äußeren Bodenwandlochs der äußeren Abdeckung nicht geringer als alle Durchmesser der Seitenwandlöcher und des Bodenwandlochs der Elementabdeckung sind.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Sensorelement des weiteren Folgendes aufweist: eine Pumpzelle (140, 143, 146) zum Einstellen der O₂-Konzentration innerhalb der Kammer durch Ausführen von zumindest entweder Ausstoßen von O₂ nach außen oder Pumpen von O₂ von außen.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Konzentration des gegebenen Gases aus einer Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst wird.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Sensorzelle und die Kontrollzelle nahe aneinander innerhalb der Kammer angeordnet sind.
Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Sensorzelle eine Elektrode (151), die aus Pt-Rh ausgebildet ist, die zu der Kammer weist, aufweist, während die Kontrollzelle eine Elektrode (161, 147), die aus Pt-Au ausgebildet ist, die zu der Kammer weist, aufweist.