DE102005027225A1

DE102005027225A1 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE102005027225A1
Application number: DE102005027225A
Authority: DE
Inventors: Susumu Kariya Naito; Hiroo Nishio Imamura
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-04-13
Also published as: JP4653546B2; US20050274615A1; JP2006030165A

Abstract

Ein Gasmessfühler (1) hat einen Festelektrolytkörper (11) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindliche messgasseitige Elektrode (12) und eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindliche bezugsgasseitige Elektrode (13). Die messgasseitige Elektrode (12) liegt in einem Kammerraum (140). Der Gasmessfühler (1) hat ein Einlassloch (3), das den Kammerraum (140) mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers (1) verbindet. Das Einlassloch (3) ist mit einem porösen Element (4) gefüllt, das einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 30 mum hat.

Description

Diese Anmeldung nimmt die Prioritäten der am 14. Juni 2004 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-175368 und der am 14. April 2005 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-117356 in Anspruch, deren Beschreibungen hiermit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasmessfühler, der zur Steuerung der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, etwa in einem Kraftfahrzeugmotor.

Ein Gassensor (z.B. ein Mischverhältnis-Sensor bzw. A/F-Sensor), der sich in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors befindet, erfasst auf Basis der Sauerstoffkonzentration im Abgas ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis. So ist es zum Beispiel möglich, auf Basis des erfassten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eine Verbrennungssteuerung des Verbrennungsmotors durchzuführen. Dies wird im Allgemeinen als Abgasregelungssystem bezeichnet. Dabei ist es zur effizienten Reinigung des Abgases mit einem Dreiwegekatalysator besonders wichtig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer Brennkammer des Kraftfahrzeugverbrennungsmotors auf einem bestimmten Wert einzustellen.

Der oben angesprochene Gassensor enthält einen Gasmessfühler, der die Sauerstoffkonzentration eines Abgases erfassen kann. Der Gasmessfühler hat, wie in 19 gezeigt ist, einen Festelektrolytkörper 91 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 91 befindet sich eine messgasseitige Elektrode 92 und auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 91 eine bezugsgasseitige Elektrode 93. Die messgasseitige Elektrode 92 liegt in einem Kammerraum 94. Der Kammerraum 94 ist mit einer porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 und einer dichten Abschirmschicht 97 bedeckt. Bei diesem Gasmessfühleraufbau wird über die poröse Diffusionswiderstandsschicht 95 in den Kammerraum 94 ein Messgas eingelassen. (Siehe hierzu auch die JP 2000-65782 A, die dem US-Patent Nr. 6,340,419 entspricht.)

Darüber hinaus ist auf anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 91, auf der die bezugsgasseitige Elektrode 93 ausgebildet ist, eine Bezugsgaskammerbildungsschicht 98 aufgeschichtet, um eine Bezugsgaskammer 980 zu bilden. Auf der Bezugsgaskammerbildungsschicht 98 ist eine Heizungsplatte 21 aufgeschichtet, auf der sich ein Heizelement 22 befindet.

Die Erfinder sind allerdings auf das Phänomen gestoßen, dass der in diesem Gassensor eingebaute Gasmessfühler (z.B. Mischverhältnis-Messfühler), wenn er lange in einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugs verbleibt, mindestens innerhalb der ersten zehn Sekunden, nachdem der Verbrennungsmotor seinen Betrieb aufgenommen hat, im Sensorausgangssignal eine Verschiebung zur fetten Seite hin hervorruft. Dieses als Fettverschiebung bezeichnete Phänomen besagt, dass das auf Basis des Erfassungswerts des Gasmessfühlers ermittelte Luft-Kraftstoff-Verhältnis weiter als das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur fetten Seite hin versetzt wird.

Dieses Fettverschiebungsphänomen ist eine Hauptursache für eine in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren auftretende instabile Verbrennung. Wenn nämlich ein für die fette Seite stehendes Signal zum Motorsteuerungssystem gesandt wird, betätigt dieses System die Kraftstoffzufuhrvorrichtung so, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors zur mageren Seite hin (d.h. in die Richtung, in der die Luftmenge bezogen auf die Kraftstoffmenge erhöht wird) verschiebt. Allerdings ist der tatsächliche Zustand des Abgases magerer als der vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor angegebene Wert. Daher kann der Motor Fehlzündungen erzeugen und aussetzen. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors stark vom Zielregelwert abweicht, wird das von diesem Motor abgegebene Abgas außerdem eine große Menge NOx oder anderer luftverschmutzender Gase enthalten.

Die Erfinder haben hinsichtlich dieses Fettverschiebungsphänomens ausführliche Untersuchungen vorgenommen und herausgefunden, dass die an dem Gasmessfühler anhaftende und das Fettverschiebungsphänomen hervorrufende Substanz H₂O bzw. Wasserdampf (Wasser) ist und dass fast sämtliches Wasser an der porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 anhaftet. Die Erfinder konnten ebenfalls bestätigen, dass ein in einer hochgradig feuchten Atmosphäre verbleibender Gasmessfühler die Tendenz hat, das Fettverschiebungsphänomen hervorzurufen.

Es wird davon ausgegangen, dass das oben beschriebene Fettverschiebungsphänomen entsprechend dem folgenden Vorgang auftritt und verschwindet. Zunächst tritt eine Fettverschiebung auf, wenn der Gassensor in einer hochgradig feuchten Atmosphäre wie einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors verbleibt. Genauer gesagt kann, wie aus der in 19 gezeigten Darstellung hervorgeht, verdampftes Wasser (d.h. Wasserdampf) in den im Gassensor eingebauten Gasmessfühler 9 eindringen, wenn der Gassensor in der hochgradig feuchten Atmosphäre verbleibt. Es kommt in erster Linie an der porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 des Gasmessfühlers zu einer physikalischen Adsorption und/oder chemischen Adsorption des Wassers.

Wenn der Gasmessfühler 9 erhitzt wird, wird das Wasser entfernt und dampft von der porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 ab. Das verdampfte Wasser bzw. der Wasserdampf unterliegt durch die Hitze einer Volumenausdehnung und zeigt die Tendenz, aus der porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 auszutreten. Allerdings hat die poröse Diffusionswiderstandsschicht 95 einen erheblichen Diffusionswiderstand. Es bedarf daher einer relativ langen Zeitdauer, bis der Wasserdampf vollständig von der porösen Diffusionswiderstandsschicht 95 abgegeben worden ist.

Dementsprechend steigt der Wasserdampfdruck innerhalb des Gasmessfühlers 9 (insbesondere in der Nähe der messgasseitigen Elektrode 92). Dadurch nimmt der Sauerstoffpartialdruck relativ gesehen ab. Das ist der Grund, warum im Ausgangssignal des Sensors die Fettverschiebung auftritt. Der Wasserdampf tritt langsam durch die poröse Diffusionswiderstandsschicht 95 nach außen aus. Gleichzeitig dringt das umgebende Abgas in das Innere des Gasmessfühlers 9 ein. Demnach verschwindet die Fettverschiebung allmählich mit der Zeit und kehrt das Sensorausgangssignal zum üblichen Wert zurück.

Es wird davon ausgegangen, dass es aufgrund der Entfernung und Verdampfung des Wassers auf diese Weise zu einer solchen plötzlichen Volumenausdehnung des Wasserdampfs kommt und eine große Fettverschiebung ausgelöst wird, die als Differenz des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (ΔA/F) ausgedrückt 1 bis 2 entspricht. Wenn der Gassensor in einer trockenen Atmosphäre verbleibt, tritt dieses Problem nicht auf. Allerdings werden Kraftfahrzeuge längere Zeit geparkt. Da das Abgas eine größere Menge Wasseremissionen als Verbrennungsprodukt enthält, ist der Innenraum des Motorauspuffrohrs üblicherweise mit einer hochgradig feuchten Atmosphäre gefüllt. Dadurch wird der Gassensor zwangsläufig einer solchen hochgradig feuchten Umgebung ausgesetzt und zeigt dementsprechend die Tendenz, das oben beschriebene Fettverschiebungsphänomen hervorzurufen.

Die Erfinder haben zwar zunächst bestätigen können, dass Sauerstoffmessfühler der Grenzstrombauart (z.B. Mischverhältnis-Messfühler) das nach dem oben beschriebenen Mechanismus ablaufende Fettverschiebungsphänomen hervorrufen, doch konnte mittlerweile bestätigt werden, dass das Fettverschiebungsphänomen nach dem gleichen Mechanismus auch in einem die Sauerstoffkonzentration messenden Sauerstoffmessfühler der elektromotorischen Bauart auftritt (siehe hierzu die JP 7-111412 B, die dem US-Patent Nr. 4,836,906 entspricht).

Angesichts der oben beschriebenen Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gasmessfühler zur Verfügung zu stellen, der das im Sensorausgangssignal auftauchende Fettverschiebungsphänomen unterdrücken kann.

Um die obige und andere verwandte Aufgaben zu lösen, sieht die Erfindung einen Gasmessfühler vor, der einen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers befindliche messgasseitige Elektrode, eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers befindliche bezugsgasseitige Elektrode und einen Kammerraum hat, in dem die messgasseitige Elektrode liegt. Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Gasmessfühler ein Einlassloch, das den Kammerraum mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers verbindet und das mit einem porösen Element gefüllt ist, das einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 30 μm hat.

Als nächstes werden die Funktionsweise und Wirkungen der Erfindung erläutert. Wie oben angegeben ist, hat der erfindungsgemäße Gasmessfühler ein poröses Element, dessen mittlerer Porendurchmesser größer oder gleich 2 μm ist. Das verringert wirksam den Diffusionswiderstand. Außerdem kann das an dem porösen Element anhaftende Wasser umgehend zur Außenseite abgegeben werden.

Und zwar kann in der Messgasatmosphäre enthaltender Wasserdampf an dem porösen Element anhaften. Wenn der Verbrennungsmotor seinen Betrieb beginnt, kann das Wasser augrund der Hitze von dem porösen Element entfernt werden. Da das poröse Element wie oben beschrieben einen verhältnismäßig großen mittleren Porendurchmesser hat, kann das Wasser umgehend zur Außenseite austreten. Der erfindungsgemäße Gasmessfühler kann daher verhindern, dass der Wasserdampfdruck im Kammerraum ungewollt zunimmt, und kann auch das Fettverschiebungsphänomen im Sensorausgangssignal verringern oder beseitigen.

Ein mittlerer Porendurchmesser von größer oder gleich 2 μm bringt außerdem die Wirkungen mit sich, dass die dem Messgas ausgesetzte Oberfläche des porösen Elements verringert wird, dass die Adsorptionsmenge des Wassers verringert wird, dass die Adsorptionsmenge des Wassers im Messgas verringert wird und dass das Auftreten des Fettverschiebungsphänomens unterdrückt wird.

Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Gasmessfühler ein poröses Element mit einem mittleren Porendurchmesser von kleiner oder gleich 30 μm. Dies unterdrückt wirksam die Menge an Schadstoffen (einschließlich Pb, P und S), die in den Kammerraum eindringen kann. Demnach kann verhindert werden, dass die Elektrodenmaterialien solchen Schadstoffen ausgesetzt werden.

Wie oben beschrieben wurde, stellt die Erfindung einen Gasmessfühler zur Verfügung, der das im Sensorausgangssignal auftretende Fettverschiebungsphänomen unterdrücken kann.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:
1 im Schnitt einen Gasmessfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht den Gasmessfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element des Gasmessfühlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 im Schnitt ein Einlassloch, das poröse Element und Randelemente des Gasmessfühlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 im Schnitt ein Einlassloch, ein poröses Element und Randelemente eines Gasmessfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 im Schnitt ein Einlassloch, ein poröses Element und Randelemente eines weiteren Gasmessfühlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 grafisch den Zusammenhang zwischen der Abschleifmenge der Abschirmschicht und dem Sensorausgangssignal des Gasmessfühlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht einen Gasmessfühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element eines Gasmessfühlers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element eines Gasmessfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element eines weiteren Gasmessfühlers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 im Schnitt ein Einstellverfahren für das Sensorausgangssignal des Gasmessfühlers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element eines Gasmessfühlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
14 in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Kammerbildungsschicht, eine Abschirmschicht und ein poröses Element eines weiteren Gasmessfühlers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 im Schnitt ein Einstellverfahren für das Sensorausgangssignal des Gasmessfühlers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
16 grafisch den Zusammenhang zwischen dem mittleren Porendurchmesser des porösen Elements und dem auf experimentellen Daten basierenden Fettverschiebungsbetrag;
17 grafisch den Zusammenhang zwischen dem mittleren Porendurchmesser des porösen Elements und dem auf experimentellen Daten basierenden Fettverschiebungsbetrag;
18 grafisch den Zusammenhang zwischen der Porosität des porösen Elements und dem auf experimentellen Daten basierenden Fettverschiebungsbetrag; und
19 im Schnitt einen herkömmlichen Gasmessfühler.
Als beste Ausführungsform der Erfindung sehen die Erfinder einen Gasmessfühler an, der einen Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers befindliche messgasseitige Elektrode, eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers befindliche bezugsgasseitige Elektrode und einen Kammerraum hat, in dem die messgasseitige Elektrode liegt. Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Gasmessfühler ein Einlassloch, das den Kammerraum mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers verbindet und das mit einem porösen Element gefüllt ist, das einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 30 μm hat.
Der oben beschriebene erfindungsgemäße Gasmessfühler wird vorzugsweise in einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugmotors oder in einer beliebig anderen Bauart eines Verbrennungsmotors eingebaut. Der erfindungsgemäße Gasmessfühler kann zum Beispiel ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Messfühler sein, der in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor eines Abgasregelungssystems eingebaut ist, ein Sauerstoffmessfühler, der die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas messen kann, oder ein NOx-Messfühler, der die Konzentration von NOx oder anderen luftverschmutzenden Substanzen überwachen kann, um ein Nachlassen eines im Auspuffrohr eingebauten Dreiwegekatalysators zu erkennen.
Wenn das oben beschriebene poröse Element einen mittleren Porendurchmesser von weniger als 2 μm hätte, könnte das am porösen Element anhaftende Wasser nicht umgehend aus dem Gasmessfühler austreten. Es wäre schwierig, die Erzeugung des im Ausgangssignal des Gasmessfühlers auftretende Fettverschiebungsphänomens zu unterdrücken. Wenn das poröse Element dagegen einen mittleren Porendurchmesser von mehr als 30 μm hätte, würden im Abgas enthaltene Schadstoffe in das poröse Element eindringen und die messgasseitige Elektrode erreichen. Das Elektrodenmaterial würde durch diese Schadstoffe verunreinigt werden. Die Sensorkennlinie würde sich verschlechtern. Darüber hinaus ist das oben beschriebene Einlassloch nicht nur auf eines beschränkt. Auch ist die Anzahl der oben beschriebenen porösen Elemente nicht nur auf eines beschränkt.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der mittlere Porendurchmesser des porösen Elements größer oder gleich 5 μm ist. Mit diesem Aufbau lässt sich der Diffusionswiderstand ausreichend verringern, während das an dem porösen Element anhaftende Wasser umgehend und ausreichend zur Außenseite abgegeben werden kann. Außerdem verringert sich die dem Messgas ausgesetzte Oberfläche des porösen Elements. Die Adsorptionsmenge des Wassers im Messgas kann verringert und das Entstehen des Fettverschiebungsphänomens ausreichend unterdrückt werden.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass das poröse Element eine Porosität von 30 bis 75 Vol.-% hat. Mit diesem Aufbau lässt sich eine gleichmäßige Verteilung der Poren mit weniger Streuung erreichen. Um einen Porendurchmesser von größer oder gleich 2 μm zu erreichen, wird üblicherweise die Möglichkeit genutzt, ein poröses Element mit passendem Korndurchmessern zu verwenden. Eine andere Möglichkeit ist die, in eine Grünlage der Diffusionswiderstandsschicht Harzkörner mit passenden Korndurchmessern einzumischen und die Harzkörner beim Sintern verschwinden zu lassen, so dass die erforderlichen Poren gebildet werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Verteilung der Poren gleichmäßig ist. Wenn die Porosität gleich oder nahe bei 75 Vol.-% liegt, ist die Anordnung der in die Grünlage der Diffusionswiderstandsschicht eingefüllten Harzkörner fast am dichtesten. Nach Beendigung des Sintervorgangs lässt sich eine gleichmäßige Verteilung mit weniger Streuung erreichen. Wenn die Porosität in dem oben beschriebenen Bereich eingestellt wird, gewährleistet dies außerdem die Wirkung, dass das Wasser zu Beginn des Motorbetriebs ausreichend abgegeben wird.
Wenn die oben beschriebene Porosität weniger als 30 Vol.-% betragen würde, wäre es schwierig, eine gleichmäßige Porenverteilung mit weniger Streuung zu erreichen. Es wäre daher schwierig, zu Beginn des Motorbetriebs ausreichend die erfindungsgemäßen Wirkungen zu erzielen. Wenn die oben beschriebene Porosität mehr als 75 Vol.-% betragen würde, wäre dagegen die Festigkeit des porösen Elements unzureichend und könnte der Gasmessfühler daher keine hervorragende Haltbarkeit aufweisen.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass das poröse Element eine Porosität von 50 bis 75 Vol.-% hat. Mit diesem Aufbau lässt sich die gleichmäßige Porenverteilung mit weniger Streuung sicher erreichen und das Wasser zu Beginn des Motorbetriebs ausreichend abgeben. Demnach kann das Fettverschiebungsphänomen sicher unterdrückt werden.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass das Einlassloch eine Querschnittsfläche hat, die sich entsprechend dem Abstand zum Kammerraum ändert. Mit diesem Aufbau lässt sich leicht eine Ausgangssignaleinstellung des Gasmessfühlers bewerkstelligen. Das Sensorausgangssignal wird durch den Diffusionswiderstand des oben beschriebenen porösen Elements bestimmt: Der Diffusionswiderstand ändert sich abhängig von der Gaseinlassquerschnittsfläche und der Diffusionsstrecke. Die Gaseinlassquerschnittsfläche hängt von der Querschnittsfläche des Einlasslochs ab. Die Diffusionsstrecke ändert sich abhängig von der Länge des Einlasslochs. So wird das Sensorausgangssignal größer, wenn die Querschnittsfläche des Einlasslochs groß ist und die Länge des Einlasslochs kurz ist. Es ist möglich, die Länge des Einlasslochs einzustellen (d.h. die Diffusionsstrecke einzustellen) und dadurch das Sensorausgangssignal einzustellen, indem die Außenfläche des Gasmessfühlers in dem das Einlassloch einschließenden Bereich zum Kammerraum hin abgeschliffen wird.
Wenn die Querschnittsfläche des Einlasslochs ungeachtet des Abstands vom Kammerraum konstant ist, wird das Sensorsignal linear zur Abschleifmenge größer. Wenn sich jedoch die Querschnittsfläche des Einlasslochs wie oben beschrieben entsprechend dem Abstand zum Kammerraum ändert, lässt sich dagegen die Änderungs- bzw. Zunahmemaß des Sensorausgangssignals bezogen auf die Abschleifmenge einstellen. Mit diesem Aufbau kann das Zunahmemaß des Sensorausgangssignals entsprechend der Abschleifgenauigkeit optimiert werden.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der Gasmessfühler eine Kammerbildungsschicht mit einem offenen Abschnitt zum Bilden des Kammerraums und eine die Kammerbildungsschicht bedeckende Abschirmschicht hat. Die Kammerbildungsschicht und die Abschirmschicht werden hintereinander auf der einen Seite des Festelektrolytkörpers aufgeschichtet. Außerdem bestehen die Kammerbildungsschicht und die Abschirmschicht jeweils aus einem gasundurchlässigen, dichten Material. Der Gasmessfühler mit diesem Aufbau lässt sich leicht herstellen und hat eine hervorragende Festigkeit.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass das Einlassloch in der Abschirmschicht ausgebildet ist. Mit diesem Aufbau lässt sich das oben beschriebene Einlassloch leicht bilden. Darüber hinaus kann das oben beschriebene Einlassloch zum Beispiel in Form eines Stiftlochs ausgebildet werden.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs und die Dicke D der Abschirmschicht in einer Beziehung 0,005 ≤ T/D² ≤ 0,5 stehen. Mit diesem Aufbau kann das Messgas ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingeleitet werden. Der Gasmessfühler kann eine ausreichende Festigkeit haben. Wenn das Verhältnis T/D² unterhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/D² < 0,005), würde das Messgas nicht ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingeleitet werden. Wenn das Verhältnis T/D² dagegen oberhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/D² > 0,5), könnte der Gasmessfühler keine hervorragende Festigkeit aufweisen. Die oben abgesprochene „Querschnittsfläche T" entspricht der Querschnittsfläche am engsten Abschnitt des Einlasslochs, die erhalten wird, wenn die Abschirmschicht entlang einer zur Axialrichtung des Einlasslochs senkrechten Oberfläche abgeschliffen wird.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs und die dem Kammerraum zugewandte Fläche S der Abschirmschicht in einer Beziehung 1,0 × 10^–5 ≤ T/S ≤ 5,0 × 10^–3 stehen. Mit diesem Aufbau lässt sich das Messgas ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum einleiten. Der Gasmessfühler kann eine ausreichende Festigkeit haben. Wenn das Verhältnis T/S unterhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/S kleiner 1,0 × 10^–5), würde das Messgas nicht ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingeleitet werden. Wenn das Verhältnis T/S dagegen oberhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/S > 5,0 × 10^–3) könnte der Gasmessfühler keine hervorragende Festigkeit aufweisen.
Es ist ebenfalls vorzuziehen, dass das Einlassloch in der Kammerbildungsschicht ausgebildet wird. Bei diesem Aufbau kann das Einlassloch aus verschiedenen Arten von Einlasslöchern, die jeweils verschiedene Formen haben, ausgewählt werden. So kann das oben beschriebene Einlassloch beispielsweise als eine Vielzahl von Schlitzen ausgebildet werden.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs und die Länge L des Einlasslochs in einer Beziehung 0,01 < T/L² ≤ 0,8 stehen. Bei diesem Aufbau kann das Messgas ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingelassen werden. Der Gasmessfühler kann eine ausreichende Festigkeit haben. In diesem Fall steht die angesprochene „Querschnittsfläche T" für die Querschnittsfläche am engsten Abschnitt des Eingangslochs, die erhalten wird, wenn die Kammerbildungsschicht entlang einer Oberfläche senkrecht zur Axialrichtung des Eingangslochs abgeschliffen wird.
Wenn das Verhältnis T/L² unterhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/L² < 0,01), würde das Messgas nicht ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingeleitet werden. Wenn das Verhältnis T/L² oberhalb des obigen Bereichs läge (d.h. T/L² > 0,8), würde dagegen die Belegungsfläche des porösen Elements bezogen auf die Kammerbildungsschicht größer werden und könnte der Gasmessfühler dementsprechend keine hervorragende Festigkeit aufweisen. Eine unzureichende Festigkeit der Kammerbildungsschicht kann zum Beispiel beim Abschleifen der Oberfläche des Gasmessfühlers zu ungewünschten Abblätterungen führen. Solche Abblätterungen treten beispielsweise an der Grenze zwischen der Kammerbildungsschicht und der Abschirmschicht oder entlang der Grenze zwischen der Kammerbildungsschicht und dem Festelektrolytkörper auf. Des Weiteren nimmt die Querschnittsfläche an dem oben beschriebenen engsten Abschnitt stark zu oder nimmt die Länge des Eingangslochs stark ab. Daher nimmt der Diffusionswiderstand zu stark ab, als dass sich ein gewünschtes Sensorausgangssignal (d.h. ein gewünschter Grenzstromwert) erreichen ließe.
Darüber hinaus liegt das Verhältnis des Einlasslochs zur Abschirmschicht vorzugsweise in einem Bereich von 0,005 bis 0,5 Vol.-%. Bei diesem Aufbau lässt sich das Messgas ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum einleiten. Der Gasmessfühler kann eine ausreichende Festigkeit haben. Darüber hinaus liegt das Verhältnis des Einlasslochs zur Kammerbildungsschicht vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 20 Vol.-%. Bei diesem Aufbau kann das Messgas ausreichend in den oben beschriebenen Kammerraum eingeleitet werden. Der Gasmessfühler kann eine ausreichende Festigkeit haben.
Im Folgenden werden zweckmäßige Beispiele für den erfindungsgemäßen Gasmessfühler erläutert.
Erstes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 wird ein Gasmessfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Der Gasmessfühler 1 dieses Ausführungsbeispiels hat einen Festelektrolytkörper 11 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 befindliche messgasseitige Elektrode 12 und eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 befindliche bezugsgasseitige Elektrode 13. Darüber hinaus hat der Gasmessfühler 1 einen Kammerraum 140, in dem die messgasseitige Elektrode 12 liegt. Der Gasmessfühler 1 hat ein Einlassloch 3, das den Kammerraum 140 mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers 1 verbindet. Das Einlassloch 3 ist mit einem porösen Element 4 gefüllt, das einen mittleren Porendurchmesser von größer oder gleich 2 μm hat. Darüber hinaus hat das poröse Element 4 eine Porosität von 30 bis 75 Vol.-%.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, hat der Gasmessfühler 1 eine Kammerbildungsschicht 14 und eine abdeckende Abschirmschicht 17, die hintereinander auf der einen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 aufgeschichtet sind. Die Kammerbildungsschicht 14 hat einen offenen Abschnitt 191, der den Kammerraum 140 definiert. Die Abschirmschicht 17 bedeckt die Kammerbildungsschicht 14. Die Kammerbildungsschicht 14 und die Abschirmschicht 17 bestehen jeweils aus einem gasundurchlässigen, dichten Material. Das Einlassloch 3 ist in der Abschirmschicht 17 ausgebildet. Ein brauchbarer Öffnungsdurchmesser für das Einlassloch 3 liegt zum Beispiel im Bereich von 50 bis 250 μm.
Darüber hinaus stehen die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Eingangslochs 3 und die Dicke D der Abschirmschicht 17 in einer Beziehung 0,005 ≤ T/D² ≤ 0,5. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in der Abschirmschicht 17 nur ein Einlassloch 3 ausgebildet. Die Querschnittsfläche T₀ des Einlasslochs 3 ist ungeachtet des Abstands zum Kammerraum 140 konstant. Die angesprochene Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt ist daher die gleiche wie die angesprochene Querschnittsfläche T₀. Die angesprochene Querschnittsfläche T₀ und die angesprochene Dicke D erfüllen daher die Beziehung 0,005 ≤ T₀/D² ≤ 0,5.
Darüber hinaus stehen die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs 3 und die dem Kammerraum 140 zugewandte Fläche S der Abschirmschicht 17 in einer Beziehung 1,0 × 10^–5 ≤ T/S ≤ 5,0 × 10^–3. Wie oben beschrieben wurde, entspricht die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt der angesprochenen Querschnittsfläche T₀. Die Querschnittsfläche T₀ und die angesprochene Fläche S erfüllen daher die Beziehung 1,0 × 10^–5 ≤ T₀/S ≤ 5,0 × 10^–3.
Es ist auch möglich, eine Vielzahl von Einlasslöchern 3 mit kleinen Öffnungsdurchmessern vorzusehen (auch wenn es unmöglich ist, eine Pore zu bilden, deren Porendurchmesser größer als der Öffnungsdurchmesser des Einlasslochs 3 ist). Es ist daher möglich, das gewünschte Sensorausgangssignal zu erzielen, indem der Öffnungsdurchmesser jedes Einlasslochs 3 und/oder die Gesamtzahl an Einlasslöchern eingestellt wird.
Darüber hinaus ist der mittlere Porendurchmesser des oben beschriebenen porösen Elements 4 kleiner oder gleich 30 μm. Die Messung des mittleren Porendurchmessers lässt sich in der Praxis durchführen, indem ein Porenbild, das zum Beispiel mit einem Elektronenmikroskop erzeugt wird, statistisch ausgewertet wird.
Im Folgenden wird der Gasmessfühler dieses Ausführungsbeispiels ausführlicher erläutert. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, befindet sich auf der Oberseite des Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisenden Festelektrolytkörpers 11 eine dichte, gasundurchlässige Isolierschicht 101. Die Isolierschicht 101 besteht aus Aluminiumoxid, während der Festelektrolytkörper 11 aus Zirkoniumoxid besteht. Die aus Platin bestehende messgasseitige Elektrode 12 befindet sich auf der Oberseite der Isolierschicht 101. Mit der messgasseitigen Elektrode 12 sind elektrisch ein Leitungsabschnitt 121 und ein Anschlussabschnitt 122 verbunden, die sich zusammen mit der messgasseitigen Elektrode 12 auf der Oberseite der Isolierschicht 101 befinden.
Auf dem Festelektrolytkörper 11 ist über die Isolierschicht 101 eine Kammerbildungsschicht 14 aufgeschichtet. Die aus einer elektrisch isolierenden, dichten und gasundurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bestehende Kammerbildungsschicht 14 hat einen den Kammerraum 140 bildenden offenen Abschnitt 141. Auf der Oberseite der Kammerbildungsschicht 14 ist die aus einer dichten und gasundurchlässigen Aluminiumoxid bestehende Abschirmschicht 17 aufgeschichtet. Das oben beschriebene Einlassloch 3 ist in der Abschirmschicht 17 ausgebildet. Das Einlassloch 3 ist mit dem porösen Element 4 gefüllt. Das poröse Element 4 ist zum Beispiel ein poröses Aluminiumoxidelement, das eine Porosität von 60% hat und dessen mittlerer Porendurchmesser 8 μm beträgt.
Das oben beschriebene poröse Element 4 kann in der Praxis auf die folgende Weise erzielt werden. Zunächst werden 60 Vol.-% Harzkörner mit Durchmessern von ungefähr 10 μm mit Aluminiumoxidkörnern mit Durchmessern von mehreren hundert nm gemischt. Dann wird das Einlassloch 3 mit diesem Gemisch gefüllt. Schließlich wird das Element gesintert, um die Harzkörner zu erhitzen und verschwinden zu lassen. Dadurch wird das poröse Element 4 in dem Einlassloch 3 gebildet. Das auf diese Weise durch den Sintervorgang gebildete poröse Element 4 hat einen mittleren Porendurchmesser von 8 bis 10 μm. Die Poren des porösen Elements 4 ersetzen zwar die Harzkörner, die während des Sintervorgangs verschwinden, doch erfahren diese Poren während des übrigen Sintervorgangs eine Schrumpfung. Das ist der Grund, warum die Porendurchmesser des porösen Elements 4 kleiner als die ursprünglichen Durchmesser der Harzkörner sind.
Gleichzeitig wird auf der Unterseite des Festelektrolytkörpers 11 für die aus Platin bestehende bezugsgasseitige Elektrode 13 und für einen mit ihr elektrisch verbundenen Leitungsabschnitt 131 und Anschlussabschnitt 132 gesorgt. Die messgasseitige Elektrode 12 und die bezugsgasseitige Elektrode 13 werden also auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehen. Darüber hinaus wird der oben beschriebene Anschlussabschnitt 32 über ein Durchgangsloch 108 des Festelektrolytkörpers 11 und ein Durchgangsloch 109 der Isolierschicht 101, die beide mit leitenden Materialien gefüllt sind, elektrisch mit einem auf der Oberseite der Isolierschicht 101 befindlichen Anschluss 133 verbunden.
Auf der Unterseite des Festelektrolytkörpers 11 wird eine aus einer elektrisch isolierenden, dichten und gasundurchlässigen Aluminiumoxidkeramik bestehende Bezugsgaskammerbildungsschicht 18 aufgeschichtet. Die Bezugsgaskammerbildungsschicht 18 hat einen Nutabschnitt 181, der als Bezugsgaskammer 180 dient. In die Bezugsgaskammer 180 wird als Bezugsgas zum Beispiel Luft eingeleitet.
Darüber hinaus wird auf der Unterseite der Bezugsgaskammerbildungsschicht 18 eine Heizungsplatte 21 aufgeschichtet.
Auf der Oberseite der Heizungsplatte 21 befinden sich ein Heizelement 22 und Leitungsabschnitte 23. Das Heizelement 22 erzeugt bei Zuführung von elektrischem Strom Wärme. Der Strom wird dem Heizelement 22 über die Leitungsabschnitt 23 zugeführt. Das Heizelement 22 und die Leitungsabschnitt 23 liegen also zwischen der Bezugsgaskammerbildungsschicht 18 und der Heizungsplatte 21. Darüber hinaus befinden sich auf der Unterseite der Heizungsplatte 21, auf der sich das Heizelement 22 und der Leitungsabschnitt 23 nicht befinden, Anschlussabschnitte 24. Die Anschlussabschnitte 24 sind über mit leitenden Elementen gefüllte Durchgangslöcher 211 der Heizungsplatte 21 elektrisch mit den Leitungsabschnitten 23 verbunden.
Das Einlassloch 3 kann in der Abschirmschicht 17 wie folgt ausgebildet werden. So ist es zum Beispiel vorzuziehen, das Durchgangsloch vor dem Sintern der Grünlage mit einem Stanzstift an einer vorbestimmten Position der Grünlage der Abschirmschicht 17 auszubilden. Darüber hinaus kann das oben beschriebene poröse Element 4 auch vor dem Sintern der Grünlage der Abschirmschicht 17 gebildet werden. Nachdem das Einlassloch 3 in der Grünlage der Abschirmschicht 17 ausgebildet wurde, wird das Einlassloch 3 zum Beispiel mit dem oben beschriebenen Gemisch aus dem Harz und den Aluminiumoxidkörnern gefüllt. Dann werden die Abschirmschicht 17 und das oben beschriebene Harz-/Aluminiumoxidgemisch miteinander gesintert, um das poröse Element 4 im Einlassloch 3 der Abschirmschicht 17 auszubilden. Ersatzweise ist es auch möglich, zunächst die Abschirmschicht 17 zu sintern und dann das Einlassloch 3 mit dem oben beschriebenen Harz-/Aluminiumoxidgemisch zu füllen und diese dann zu sintern, um das poröse Element 4 im Einlassloch 3 der Abschirmschicht 17 auszubilden.
Der oben beschriebene Gasmessfühler 1 wird zu einem Gassensor zusammengebaut und in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingebaut. Im eingebauten Zustand verbindet das Einlassloch 3 des Gasmessfühlers 1 den oben beschriebenen Kammerraum 140 mit der Innenseite eines Auspuffrohrs des Verbrennungsmotors (d.h. mit einer Messgasatmosphäre) außerhalb des Gasmessfühlers 1.
Der oben beschriebene Gasmessfühler dieses Ausführungsbeispiels bringt die folgende Funktionsweise und Wirkungen mit sich. Das poröse Element 4 dieses Ausführungsbeispiels hat einen mittleren Porendurchmesser von größer oder gleich 2 μm. Dadurch ist es möglich, den Diffusionswiderstand zu verringern, und kann das an dem porösen Element 4 anhaftende Wasser umgehend zur Außenseite abgegeben werden. Im Allgemeinen besteht die Möglichkeit, dass in der Messgasatmosphäre enthaltener Wasserdampf an dem porösen Element 4 anhaftet. Wenn der Verbrennungsmotor seinen Betrieb aufnimmt, wird das Wasser aufgrund der Hitze aus dem porösen Element 4 entfernt. Allerdings kann das Wasser (Wasserdampf) bei diesem Ausführungsbeispiel umgehend aus dem Gasmessfühler austreten, da das poröse Element 4 wie oben beschrieben einen größeren mittleren Porendurchmesser hat. Der Gasmessfühler 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann daher verhindern, dass der Wasserdampfdruck in dem Kammerraum 140 ungewünscht ansteigt, und kann das Auftreten des Fettverschiebungsphänomens im Sensorausgangssignal verringern oder beseitigen (siehe hierzu die in 16 gezeigten experimentellen Daten).
Darüber hinaus bringt ein mittlerer Porendurchmesser von größer oder gleich 2 μm die Wirkungen mit sich, dass die dem Messgas ausgesetzte Oberfläche des porösen Elements 4 verringert wird, dass sich die Adsorptionsmenge des Wassers im Messgas verringert und dass das Entstehen des Fettverschiebungsphänomens unterdrückt wird. Da der mittlere Porendurchmesser des porösen Elements 4 zudem kleiner oder gleich 30 μm ist, ist es möglich, das Eindringen von Schadstoffen (einschließlich Pb, P und S) in den Kammerraum 140 zu unterdrücken, und kann daher verhindert werden, dass die Elektrodenmaterialien solchen Schadstoffen ausgesetzt werden.
Wenn der oben beschriebene mittlere Porendurchmesser auf größer oder gleich 5 μm eingestellt wird, ist es darüber hinaus möglich, das an dem porösen Element 4 anhaftende Wasser umgehend und ausreichend nach außen abzugeben und die dem Messgas ausgesetzte Oberfläche des porösen Elements 4 ausreichend zu verringern. Bei diesem Aufbau kann das Entstehen des Fettverschiebungsphänomens ausreichend unterdrückt werden.
Da das poröse Element 4 eine Porosität von 30 bis 75 Vol.-% hat, ist es darüber hinaus möglich, eine gleichmäßige Porenverteilung mit geringerer Schwankung zu erzielen. Daher lässt sich die Wirkung erzielen, dass das Wasser zu Beginn des Motorbetriebs ausreichend abgegeben wird. Wenn das poröse Element 4 darüber hinaus eine Porosität von 50 bis 75 Vol.-% hat, kann das Entstehen des Fettverschiebungsphänomens sicher unterdrückt werden.
Darüber hinaus hat der Gasmessfühler 1 die Kammerbildungsschicht 14 und die Abschirmschicht 17, die hintereinander auf der einen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 aufgeschichtet sind. Die Kammerbildungsschicht 14 und die Abschirmschicht 17 bestehen jeweils aus einem gasundurchlässigen und dichten Material. Der Gasmessfühler gemäß diesem Ausführungsbeispiel lässt sich daher leicht herstellen und hat eine hervorragende Festigkeit.
Da das Einlassloch 3 darüber hinaus in der Abschirmschicht 17 ausgebildet wird, lässt sich das Einlassloch 3 leicht ausbilden. Außerdem stehen die Querschnittsfläche T₀ des Einlasslochs 3 und die Dicke D der Abschirmschicht 17 in einer Beziehung 0,005 ≤ T₀/D² ≤ 0,5 zueinander. Daher kann das Messgas ausreichend in den Kammerraum 140 eingeleitet werden. Der Gasmessfühler 1 kann eine ausreichende Festigkeit haben.
Darüber hinaus stehen die Querschnittsfläche T₀ des Einlasslochs 3 und die dem Kammerraum 140 zugewandte Fläche S der Abschirmschicht 17 in einer Beziehung 1,0 × 10^–5 ≤ T₀/S ≤ 5,0 × 10^–3 zueinander. Daher kann das Messgas ausreichend in den Kammerraum 140 eingeleitet werden. Der Gasmessfühler 1 kann eine ausreichende Festigkeit haben.
Dieses Ausführungsbeispiel kann wie oben beschrieben einen Gasmessfühler zur Verfügung stellen, der das im Sensorausgangssignal auftretende Fettverschiebungsphänomen unterdrücken kann.
Zweites Ausführungsbeispiel
Dieses Ausführungsbeispiel ist, wie in den 5 und 6 gezeigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmessfühler 1 des ersten Ausführungsbeispiels insofern abgewandelt wurde, als dass das Einlassloch 3 eine sich entsprechend dem Abstand zum Kammerraum 140 ändernde Querschnittsfläche hat. Wie zum Beispiel in 5 gezeigt ist, ist es vorzuziehen, ein Einlassloch 3 auszubilden, dessen Querschnittsfläche größer wird, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt. Wie in 6 gezeigt ist, ist es im Gegensatz dazu auch möglich, ein Einlassloch 3 auszubilden, dessen Querschnittsfläche kleiner wird, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt.
Darüber hinaus stehen bei diesem Ausführungsbeispiel die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs 3, die Dicke D der Abschirmschicht 17 und die dem Kammerraum 140 zugewandte Fläche S der Abschirmschicht 17 in den Beziehungen 0,005 ≤ T/D² ≤ 0,5 und 1,0 × 10^–5 ≤ T/S 5,0 × 10^–3 zueinander. Wie aus den 5 und 6 hervorgeht, entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs 3 der Querschnittsfläche am engsten Abschnitt 30 des Einlasslochs 3. Falls jedoch (was nicht in der Zeichnung gezeigt ist) in der Abschirmschicht 17 eine Vielzahl von Einlasslöchern 3 ausgebildet ist, entspricht die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt der Summe der Querschnittsflächen an den jeweiligen engsten Abschnitten 30 der Einlasslöcher 3. Auch in diesem Fall erfüllt die Gesamtquerschnittsfläche T die oben beschriebenen Bedingungen. Die in den 5 und 6 gezeigten Einlasslöcher 3 können mit einem konischen Stanzstift gebildet werden, mit dem sich auf einer Grünlage der Abschirmlage 17 leicht durch Stanzen ein konisches Loch bilden lässt. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich leicht die Ausgangssignaleinstellung des Gasmessfühlers 1 durchführen. Das Sensorausgangssignal wird durch den Diffusionswiderstand des oben beschriebenen porösen Elements 4 des Gasmessfühlers 1 bestimmt. Der Diffusionswiderstand ändert sich abhängig von der Gaseinlassquerschnittsfläche und der Diffusionsstrecke. Die Gaseinlassquerschnittsfläche hängt von der Querschnittsfläche des Einlasslochs 3 ab. Die Diffusionsstrecke ändert sich abhängig von der Länge des Einlasslochs 3. Und zwar wird das Sensorausgangssignal größer, wenn die Querschnittsfläche des Einlasslochs 3 groß ist und die Länge des Einlasslochs 3 kurz ist. Es ist daher möglich, die Länge des Einlasslochs 3 einzustellen (d.h. die Diffusionsstrecke einzustellen) und dadurch das Sensorausgangssignal einzustellen, indem die Außenfläche des Gasmessfühlers 1 in dem das Einlassloch 3 einschließenden Bereich zum Kammerraum 140 hin abgeschliffen wird.
Genauer gesagt erfolgt der Schleifvorgang, wie durch den Pfeil „a" in den 4 bis 6 gezeigt ist, senkrecht zur Abschirmschicht 17 auf einer Außenfläche 171 der Abschirm schicht 17, so dass sich wie durch die gestrichelte Linie „A" gezeigt die Dicke der Abschirmschicht 17 verringert. Dadurch wird die Länge des Einlasslochs 3 kürzer. Außerdem wird die Länge des porösen Elements 4 und damit die Diffusionsstrecke des Messgases kürzer.
In dem in 5 gezeigten ersten Fall des Einlasslochs 3 wird mit fortschreitendem Schleifvorgang die Diffusionsstrecke kürzer, während die Gaseinlassquerschnittsfläche kleiner wird. Wie durch die Kurve L1 in 7 angegeben ist, steigt das Sensorausgangssignal daher nicht so rasch an. Das Sensorausgangssignal nimmt also in relativ geringem Maße zu, wenn sich die Abschleifmenge erhöht. Im Fall des in 6 gezeigten Einlasslochs 3 wird die Diffusionsstrecke dagegen mit fortschreitendem Schleifvorgang kürzer, während die Querschnittsfläche größer wird. Wie durch die Kurve L2 in 7 angegeben ist, steigt das Sensorausgangssignal daher rasch an. Das Sensorausgangssignal steigt also in hohem Maße an, wenn die Abschleifmenge zunimmt.
Wenn die Querschnittsfläche des Einlasslochs 3 (wie beim Einlassloch 3 des in 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels) ungeachtet des Abstands vom Kammerraum 14 konstant ist, wird das Sensorausgangssignal in einem mittleren Maße größer, wenn die Abschleifmenge zunimmt (siehe Kurve L3 in 7). Wie sich aus dem Vergleich der Kurven L1, L2 und L3 ergibt, ermöglicht eine Änderung der Querschnittsfläche des Einlasslochs 3 entsprechend dem Abstand zum Kammerraum 140 es, das Maß, in dem das Sensorausgangssignal entsprechend der Abschleifmenge ansteigt, beliebig zu erhöhen oder zu verringern.
Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es daher möglich, das Zunahmemaß des Sensorausgangssignals unter Bezugnahme auf beispielsweise die Abschleifgenauigkeit zu optimieren. Wenn der Aufbau von 5 eingesetzt wird, ist zum Beispiel eine Feineinstellung des Sensorausgangssignals auch dann möglich, wenn die Abschleifgenauigkeit verhältnismäßig gering ist (siehe Kurve L1 in 7). Wenn dagegen die Anordnung von 6 eingesetzt wird, ist die für die Einstellung erforderliche Abschleifmenge verhältnismäßig gering, da sich das Sensorausgangssignal stark in Übereinstimmung mit der Abschleifmenge ändert (siehe Kurve L2 in 7). Abgesehen davon bringt das Ausführungsbeispiel die gleiche Funktionsweise und Wirkungen mit sich wie das erste Ausführungsbeispiel. In 7 entsprechen die numerischen Werte der Ordinate (d.h. Sensorausgangssignal) und der Abszisse (d.h. Abschleifmenge) relativen Einheiten (beliebigen Einheiten).
Drittes Ausführungsbeispiel
Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, ist der Gasmessfühler 1b dieses Ausführungsbeispiels dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassloch 3 in der Kammerbildungsschicht 14 ausgebildet ist. Das Einlassloch 3 dieses Ausführungsbeispiels verläuft senkrecht zur Axialrichtung des Gasmessfühlers 1b, so dass es den Kammerraum 140 mit der Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers 1b verbindet.
Genauer gesagt besteht das Einlassloch 3 aus zwei Schlitzen, die jeweils senkrecht zur Axialrichtung des Gasmessfühlers 1b von einem offenen Abschnitt 141 der Kammerbildungsschicht 14 aus zur Außenseite des Gasmessfühlers 1b verlaufen. Die Schlitze des Einlasslochs 3 sind jeweils mit dem porösen Element 4 gefüllt. Darüber hinaus kann das poröse Element 4 vor dem Sintern der Grünlage der Kammerbildungsschicht 14 gebildet werden. So wird zum Beispiel, nachdem das Einlassloch 3 in der Grünlage der Kammerbildungsschicht 14 gebildet wurde, das Einlassloch 3 mit dem oben beschriebenen Gemisch aus den Harz- und Aluminiumoxidkörnern gefüllt. Dann werden die Kammer bildungsschicht 14 und das oben beschriebene Harz-/Aluminiumoxidgemisch gesintert, um das poröse Element 4 in dem Einlassloch 3 der Kammerbildungsschicht 14 auszubilden. Ersatzweise ist es auch möglich, erst die Kammerbildungsschicht 14 zu sintern und das Einlassloch 3 mit dem oben beschriebenen Harz-/Aluminiumoxidgemisch zu füllen und dieses dann zu sintern, um das poröse Element 4 im Einlassloch 3 der Kammerbildungsschicht 14 zu bilden.
Darüber hinaus stehen die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs 3 und der Abstand L von der Gaseinlassöffnung des Einlasslochs 3 zum Kammerraum in einer Beziehung 0,01 ≤ T/L² ≤ 0,8 zueinander. Die Breite des Einlasslochs 3 liegt zum Beispiel im Bereich von 100 bis 6000 μm. Es ist allerdings auch möglich, das Einlassloch 3 in der Isolierschicht 101 auszubilden. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem des ersten Ausführungsbeispiels.
Viertes Ausführungsbeispiel
Bei diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich, wie in den 10 bis 12 gezeigt ist, der Gasmessfühler 1c von dem Gasmessfühler 1b des dritten Ausführungsbeispiels dadurch, dass das Einlassloch 3 eine Querschnittsfläche hat, die sich entsprechend dem Abstand zum Kammerraum 140 ändert. Bei dem in 10 gezeigten Einlassloch 3 wird zum Beispiel die Querschnittsfläche kleiner, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt. Im Gegensatz dazu wird bei dem in 11 gezeigten Einlassloch 3 die Querschnittsfläche größer, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem des dritten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel lässt sich die Ausgangssignaleinstellung des Gasmessfühlers 1c wie beim zweiten Ausführungsbeispiel leicht durchführen. Die Sensorausgangs signaleinstellung des Gasmessfühlers 1c beinhaltet wie durch den Pfeil „b" in 12 gezeigt ist, ein Abschleifen des Sensorkörpers schräg von seiner abgewinkelten Seitenkante aus, um eine Schrägfläche zu bilden, wie sie durch die gestrichelte Linie „B" angegeben ist. Mit diesem Schleifvorgang lässt sich die Breite der Kammerbildungsschicht 14 verringern. Mit anderen Worten kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Sensorausgangssignal durch eine Verringerung der Länge des Eingangslochs 3 eingestellt werden. In 12 wurden zur Vereinfachung der Darstellung des Gasmessfühlers 1c die anderen Schichten neben der Abschirmschicht 17, dem porösen Element 4 (Kammerbildungsschicht 14) und dem Festelektrolytkörper 11 weggelassen. Darüber hinaus bringt dieses Ausführungsbeispiel die gleiche Funktionsweise und Wirkungen wie das dritte Ausführungsbeispiel mit sich.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in den 13 bis 15 gezeigt ist, der Gasmessfühler 1d dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassloch 3 an der Vorderseite der Kammerbildungsschicht 14 ausgebildet ist. Bei dem in 13 gezeigten Einlassloch 3 wird die Querschnittsfläche zum Beispiel kleiner, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt. Im Gegensatz dazu wird bei dem in 14 gezeigten Einlassloch 3 die Querschnittsfläche größer, wenn der Abstand zum Kammerraum 140 zunimmt. Darüber hinaus ist es, auch wenn dies nicht in der Zeichnung gezeigt ist, möglich, ein Einlassloch 3 auszubilden, das ungeachtet des Abstands vom Kammerraum 140 eine konstante Querschnittsfläche hat. Der übrige Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem des dritten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Sensorsignaleinstellung des Gasmessfühlers 1d, wie durch den Pfeil „c" in 15 gezeigt ist, ein Abschleifen des Sensorkörpers schräg von seiner abgewinkelten Vorderkante aus, um eine Schrägfläche zu bilden, wie durch die gestrichelte Linie „C" angegeben ist. Mit diesem Schleifvorgang kann bei diesem Ausführungsbeispiel das Sensorausgangssignal durch eine Verringerung der Länge des Einlasslochs 3 eingestellt werden. Das Einstellen des Sensorausgangssignals lässt sich daher leicht bewerkstelligen. In 15 wurden zwecks Vereinfachung der Darstellung des Gasmessfühlers 1d die anderen Schichten neben der Abschirmschicht 17, der Kammerbildungsschicht 14 und dem Festelektrolytkörper 11 weggelassen. Darüber hinaus bringt dieses Ausführungsbeispiel die gleiche Funktionsweise und Wirkungen wie das dritte Ausführungsbeispiel mit sich.
Experimentelle Daten
16 zeigt experimentelle Daten zu dem Gasmessfühler gemäß dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, die gemessen wurden, um die Beziehung zwischen dem mittleren Porendurchmesser des porösen Elements und dem Fettverschiebungsbetrag zu überprüfen. Für diese Messung wurden als Versuchsmuster verschiedene Arten Gasmessfühler angefertigt, die unterschiedliche mittlere Porendurchmesser hatten.
Genauer gesagt wurden insgesamt sieben Arten Muster mit unterschiedlichen Porendurchmessern des porösen Elements angefertigt, und zwar ein Vergleichsbeispiel 1 (mittlerer Porendurchmesser = 0,1 μm), ein Vergleichsbeispiel 2 (0,5 μm), ein Vergleichsbeispiel 3 (1 μm), ein Beispiel 1 (5 μm), ein Beispiel 2 (10 μm), ein Beispiel 3 (50 μm) und ein Beispiel 4 (100 μm). Die Beispiele 1 bis 4 entsprachen Beispielen des erfindungsgemäßen Gasmessfühlers.
Für jede Art der obigen Muster wurden insgesamt fünf Sensoren angefertigt. 16 zeigt als Auftragung die Messwerte für den Fettverschiebungsbetrag für die jeweiligen Muster. Um den Fettverschiebungsbetrag zu messen, wurden die jeweiligen Versuchsmuster der folgenden Pseudoumgebung ausgesetzt, welche die Tendenz hatte, das Fettverschiebungsphänomen zu verursachen. Und zwar wurde die Temperatur der Pseudoumgebung auf 80°C eingestellt, was der Temperatur eines Auspuffsrohrs eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors entspricht. Die Feuchtigkeit der Pseudoumgebung wurde auf 95% eingestellt. Jedes Versuchsmuster wurde vor der Messung des Fettverschiebungsbetrags 15 Stunden lang in dieser hochgradig feuchten Atmosphäre gelassen. Die Einstellung des Sensorausgangssignals erfolgte vorher, damit die jeweiligen Muster in der gleichen Atmosphäre den gleichen Wert zeigten. In Luft erzeugten sämtliche Versuchsmuster zum Beispiel ein Sensorausgangssignal von ungefähr 1,5 mA.
Wie aus 16 hervorhegt, zeigten die Vergleichsbeispiele 1 bis 3, deren poröse Elemente einen mittleren Porendurchmesser von kleiner oder gleich 1 μm hatten, einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 1 bis 2 (bezüglich ΔA/F). Andererseits zeigten die Beispiele 1 bis 4, deren poröse Elemente einen mittleren Porendurchmesser von größer oder gleich 5 μm hatten, einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 0,2 oder weniger (bezüglich ΔA/F). Aus dem Ergebnis dieser experimentellen Daten ergibt sich, dass der erfindungsgemäße Gasmessfühler das Fettverschiebungsphänomen ausreichend unterdrücken kann.
17 zeigt die experimentellen Daten eines zusätzlichen Experiments, das durchgeführt wurde, um die oben beschriebene Beziehung zwischen dem mittleren Porendurchmesser des porösen Elements und dem Fettverschiebungsbetrag zu bestätigen. Für dieses zusätzliche Experiment wurden zu den obigen sieben Beispielen von 16 zwei verschiedene weitere Beispiele als Beispiel 5 (mittlerer Porendurchmesser = 2 μm) und Beispiel 6 (3 μm) hinzugefügt.
Wie aus 17 hervorgeht, zeigten die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 (mit den porösen Elementen, deren mittlerer Porendurchmesser kleiner oder gleich 1 μm war) einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 1 bis 2 (bezüglich ΔA/F). Die Beispiele 1 bis 6 (mit den porösen Elementen, deren mittlerer Porendurchmesser größer oder gleich 2 μm war) zeigten dagegen einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 0,2 oder weniger (bezüglich ΔA/F).
Wie aus 17 hervorgeht, zeigten die Beispiele mit den porösen Elementen, deren mittlerer Porendurchmesser größer oder gleich 5 μm waren, zudem einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 0,1 oder weniger (hinsichtlich ΔA/F). Das Fettverschiebungsphänomen kann also sicher unterdrückt werden. Aus dem Ergebnis dieser experimentellen Daten ergibt sich, dass der erfindungsgemäße Gasmessfühler das Fettverschiebungsphänomen ausreichend unterdrücken kann.
18 zeigt experimentelle Daten für den erfindungsgemäßen Gasmessfühler, die mit einem ähnlichen Verfahren wie bei den obigen Experimenten gemessen wurden, um die Beziehung zwischen der Porosität des porösen Elements und dem Fettverschiebungsbetrag zu überprüfen. Und zwar wurden insgesamt sieben Arten Beispiele mit unterschiedlicher Porosität des porösen Elements angefertigt, und zwar ein Vergleichsbeispiel 1 (Porosität = 10%), ein Vergleichsbeispiel 2 (13%), ein Vergleichsbeispiel 3 (16%), ein Beispiel 1 (30%), ein Beispiel 2 (40%), ein Beispiel 3 (60%) und ein Beispiel 4 (70%). Der übrige Versuch entsprach ansonsten den obigen Experimenten.
Wie aus 18 hervorgeht, zeigten die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 mit den porösen Elementen, deren Porosität im Bereich von 10 bis 20% lag, einen Fettverschiebungsbetrag von ungefähr 2 (bezüglich ΔA/F). Dagegen zeigten die Beispiele 1 bis 4 mit den porösen Elementen, deren Porosität größer oder gleich 30% war, einen Fett verschiebungsbetrag von ungefähr 0,2 oder weniger (bezüglich ΔA/F). Aus den Ergebnissen dieser experimentellen Daten ergibt sich, dass der erfindungsgemäße Gasmessfühler das Fettverschiebungsphänomen ausreichend unterdrücken kann, wenn die Porosität auf größer oder gleich 30% eingestellt wird.
Ein Gasmessfühler (1) hat einen Festelektrolytkörper (11) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindliche messgasseitige Elektrode (12) und eine auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindliche bezugsgasseitige Elektrode (13). Die messgasseitige Elektrode (12) liegt in einem Kammerraum (140). Der Gasmessfühler (1) hat ein Einlassloch (3), das den Kammerraum (140) mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers (1) verbindet. Das Einlassloch (3) ist mit einem porösen Element (4) gefüllt, das einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 30 μm hat.

Claims

Gasmessfühler mit: einem Festelektrolytkörper (11) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit; einer auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindlichen messgasseitigen Elektrode (12); einer auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) befindlichen bezugsgasseitige Elektrode (13); und einem Kammerraum (140), in dem die messgasseitige Elektrode (12) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmessfühler ein Einlassloch (3) hat, das den Kammerraum (140) mit einer Messgasatmosphäre außerhalb des Gasmessfühlers verbindet, und das Einlassloch (3) mit einem porösen Element (4) gefüllt ist, das einen mittleren Porendurchmesser von 2 bis 30 μm hat.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, bei dem der mittlere Porendurchmesser des porösen Elements (4) größer oder gleich 5 μm ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das poröse Element (4) eine Porosität von 30 bis 75 Vol.-% hat.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Einlassloch (3) eine Querschnittsfläche hat, die sich entsprechend einem Abstand zum Kammerraum (140) ändert.
Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Gasmessfühler eine Kammerbildungsschicht (14) mit einem offenen Abschnitt (141) zum Bilden des Kammerraums (140) und eine die Kammerbildungsschicht (14) bedeckende Abschirmschicht (17) hat, die Kammerbildungsschicht (14) und die Abschirmschicht (17) hintereinander auf der einen Oberfläche des Festelektrolytkörpers (11) aufgeschichtet sind und die Kammerbildungsschicht (14) und die Abschirmschicht (17) jeweils aus einem gasundurchlässigen, dichten Material bestehen.
Gasmessfühler nach Anspruch 5, bei dem das Einlassloch (3) in der Abschirmschicht (17) ausgebildet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 6, bei dem die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs (3) und die Dicke D der Abschirmschicht (17) in einer Beziehung 0,005 ≤ T/D² ≤ 0, 5 stehen.
Gasmessfühler nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs (3) und die dem Kammerraum (140) zugewandte Fläche S der Abschirmschicht (17) in einer Beziehung 1,0 × 10^–5 ≤ T/S ≤ 5,0 × 10^–3 stehen.
Gasmessfühler nach Anspruch 5, bei dem das Einlassloch (3) in der Kammerbildungsschicht (14) ausgebildet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 9, bei dem die Gesamtquerschnittsfläche T am engsten Abschnitt des Einlasslochs (3) und die Länge L des Einlasslochs (3) in einer Beziehung 0,01 ≤ T/L² ≤ 0,8 stehen.