DE102010039486A1

DE102010039486A1 - Stickstoffoxidsensor

Info

Publication number: DE102010039486A1
Application number: DE201010039486
Authority: DE
Inventors: Keigo Nishio-city Mizutani; Shinya Nishio-city Teranishi; Akira Kariya-city Miyashita; Mitsunobu Kariya-city Nakatou
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2011-02-24
Also published as: JP5058224B2; JP2011043333A

Abstract

Ein NOx-Sensor 1 weist eine Vorgabeerfassungsgaskammer 2, ein Diffusionswiderstandsteil 3, eine Sensorzelle 4, eine Pumpenzelle 5 und eine Temperatursteuereinrichtung 6 auf. Das Diffusionswiderstandsteil 3 ist an einem Zuführteil, durch den das Vorgabeerfassungsgas in die Vorgabeerfassungsgaskammer eingeführt wird, ausgebildet. Die Sensorzelle 4 erfasst eine Konzentration von Stickstoffoxid in der Vorgabeerfassungsgaskammer. Die Pumpenzelle 5 passt eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer an. Die Temperatursteuereinrichtung 6 weist eine Temperaturerfassungseinrichtung 61 zum Erfassen einer Impedanz von auf beiden Oberflächen eines Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 gebildeten Elektroden auf. Die Temperatursteuereinrichtung 6 führt elektrische Energie einem Keramikheizelement 13 zu, um basierend auf der erfassten Impedanz eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 bei 700°C oder höher beizubehalten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stickstoffoxidsensor, der dazu fähig ist, eine Konzentration eines spezifischen Gases, wie etwa Stickstoffoxid (NOx) und Ammoniak in einem zu erfassenden Gas, wie etwa einem aus einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas, zu erfassen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Fahrzeuge weisen ein Abgassystem auf, um ein aus einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenes Abgas zu reinigen. Solch ein Abgassystem befindet sich zwischen einer Verbrennungskraftmaschine und der Außenseite des Fahrzeugs.
Ein modernes Fahrzeug ist mit einem Abgassystem ausgestattet, das ein System für selektive katalytische Reduktion mit Harnstoff beziehungsweise Karbamid aufweist (Harnstoff-SCR-System). Dieses Harnstoff-SCR-System ist dazu fähig, Harnstoffwasser einem Abgas bereitzustellen, das von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßen wird und in eine Abgaspassage strömt, um in dem Abgas enthaltenes Stickstoffoxid (NOx) aufzubereiten.
Das Harnstoff-SCR-System befindet sich an der stromaufwärtigen Seite gesehen von einer Katalysatoreinheit mit einem NOx-Reinigungskatalysator (SCR-Katalysator) in der Abgaspassage. Das Harnstoff-SCR-System stellt Harnstoffwasser in die Innenseite der Abgaspassage bereit, und Harnstoffwasser wird anschließend abgebaut, um Ammoniak (NH₃) zu bilden. Das erzeugte Ammoniak kann selektiv in dem Abgas in der Abgaspassage enthaltenes NOx reduzieren (oder desoxidieren). Dies ermöglicht ein Reinigen bzw. Aufbereiten des Abgases.
Wenn Harnstoff einer unzureichenden Menge in die Abgaspassage hinzugefügt wird, wird ein Teil von in dem Abgas enthaltenen NOx nicht gereinigt bzw. aufbereitet, und verbliebenes NOx befindet sich in dem Abgas.
Wenn andererseits Harnstoffwasser übermäßiger Menge hinzugefügt wird, reagiert ein Teil von Ammoniak nicht mit dem NOx und verbleibt. Das Abgas, das solch verbleibendes Ammoniak enthält, wird an die Außenseite des Fahrzeugs ausgestoßen.
Demzufolge ist es notwendig, die optimale Menge von Harnstoffwasser korrekt anzupassen, um die optimale Menge von Harnstoffwasser dem Abgas hinzuzufügen. Die optimale Menge von Harnstoffwasser wird basierend auf einer in dem Abgas enthaltenen NOx-Konzentration bestimmt. Mit anderen Worten ist es notwendig, die Konzentration von Ammoniak zusätzlich zu der in dem Abgas enthaltenen NOx-Konzentration zu erfassen. Um die Konzentration von NOx und Ammoniak in dem Abgas zu erfassen, werden ein oder mehrere NOx-Sensoren in dem Abgassystem des Fahrzeugs platziert.
Es gibt bekannte Vorrichtungen, um eine Konzentration von in einem Abgas enthaltenes NOx und Ammoniak zu erfassen. Beispielsweise ist eine davon in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. JP H09-33512 offenbart. Die herkömmliche in der JP H09-33512 offenbarten Vorrichtung oxidiert in einem zu erfassenden Gas, das in eine in einem Gassensorelement gebildeten Kammer eingeführt wird, enthaltenes Ammoniak, um NOx zu bilden, und erfasst eine Konzentration des erzeugten NOx.
Jedoch bewirkt die vorstehende in der JP H09-33512 offenbarten Vorrichtung eine Wahrscheinlichkeit, dass es schwierig werden könnte, eine korrekte Konzentration von Ammoniak zu erfassen, das nicht oxidiert ist und die Kammer des Gassensorelements erreicht, da das Ammoniak nicht vollständig und zulänglich oxidiert ist. Das heißt, dass die herkömmliche Vorrichtung oftmals keine zulängliche Konzentrationsempfindlichkeit für Ammoniak aufweist, und die herkömmliche Vorrichtung eine niedrige Genauigkeit besitzt, um die Konzentration von Ammoniak zu erfassen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stickstoffoxid(NOx)-Sensor mit besserer und höherer Genauigkeit des Erfassens einer Konzentration von in einem zu erfassenden Vorgabegas bzw. Erfassungsgas enthaltenen Ammoniak bereitzustellen.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Stickstoffoxidsensor 1, 1-1 bis 1-5 bereitgestellt, der eine Vorgabeerfassungsgaskammer 2, einen Diffusionswiderstandsteil 3, eine Sensorzelle 4, eine Pumpenzelle 5 und eine Temperatursteuereinrichtung 6, 6-1 bis 6-5 aufweist.
In dem Stickstoffgassensor 1, 1-1 bis 1-5 gemäß der vorliegenden Erfindung wird zu erfassendes Gas beziehungsweise Erfassungsgas in die Erfassungsgaskammer 2 durch das Diffusionswiderstandsteil 3 zugeführt. Das Diffusionswiderstandsteil 3 ist an einem Zuführteil bereitgestellt, durch das das Erfassungsgas in die Erfassungsgaskammer 2 zugeführt wird. Die Sensorzelle 4 erfasst eine Konzentration von NOx in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2. Die Sensorzelle 4 besitzt ein Feststoffelektrolytelement 41 mit einer Oxid-Ionen-Leitfähigkeit und ein Paar von Elektroden 421 und 422. Die Elektrode 421 ist auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 41 gebildet. Die andere Elektrode 422 ist auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 41 gebildet. Die erste Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 41 der Sensorzelle 4 steht der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 gegenüber, und befindet sich entgegengesetzt der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyts 41.
Die Pumpenzelle 5 passt eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 an. Die Pumpenzelle 5 besitzt ein Feststoffelektrolytelement 51 mit einer Oxid-Ionen-Leitfähigkeit und einem Paar von Elektroden 521, 522. Eine Elektrode 521 ist auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 gebildet, und die andere Elektrode 522 ist auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 gebildet. Die erste Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 der Pumpenzelle 5 liegt der Erfassungsgaskammer gegenüber, und befindet sich entgegengesetzt der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyts 51. Die Temperatursteuereinrichtung 6 und 6-1 bis 6-5 steuert den NOx-Sensor 1 und 1-1 bis 1-5, sodass eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 nicht weniger als 700°C während der Verwendung des Stickstoffoxidsensors wird. Beispielsweise weist der NOx-Sensor eine Keramikheizung 13 auf, die aus einem Paar von Heizsubstraten 131 und einem Heizteil 132 besteht. Die Temperatursteuereinrichtung 6 und 6-1 bis 6-5, steuert eine Energiezufuhr zum Zuführen von elektrischer Energie an die Heizteile 132, sodass die Temperatur des Diffusionswiderstandselements 3 nicht kleiner als 700°C, vorzugsweise nicht kleiner als 800°C wird.
Der NOx-Sensor 1 und 1-1 bis 1-5 gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt die Temperatursteuereinrichtung 6 und 6-1 bis 6-5, die dazu fähig ist, das Diffusionswiderstandsteil 3 bei einer Temperatur von nicht kleiner als 700°C zu halten. Dies ermöglicht ein Vergünstigen einer chemischen Reaktion zwischen Ammoniak und Sauerstoff, die in dem Erfassungsgas enthalten sind, wenn das den Ammoniak enthaltende Erfassungsgas durch das Diffusionswiderstandsteil 3 strömt. Dabei wird Ammoniak angemessen in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert, um NOx zu produzieren.
Als eine Folge erfasst die Sensorzelle 4 das produzierte NOx, und der NOx-Sensor gibt ein Erfassungssignal entsprechend der Konzentration von in dem Vorgabeerfassungsgas bzw. Erfassungsgas enthaltenen Ammoniak mit hoher Genauigkeit aus.
Weil Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert wird, das an dem Zuführteil der Erfassungsgaskammer 2 gebildet ist, ist es möglich, die Erfassungsgaskammer 2 mit einer niedrigen Konzentration von darin enthaltenem Sauerstoff beizubehalten. Mit anderen Worten ist es möglich, Ammoniak zu oxidieren, wenn das Diffusionswiderstandsteil 3 darin Sauerstoff enthält. Dies ermöglicht ein einfaches Steuern eines Offsetfehlers der Ausgabe des NOx-Sensors, der durch eine niedrige Konzentration von Sauerstoff erzeugt wird.
Wie vorstehend beschrieben stellt die vorliegende Erfindung einen NOx-Sensor bereit, der dazu fähig ist, die Konzentration von in einem Erfassungsgas enthaltenes Ammoniak mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein bevorzugtes, nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, wobei in den Zeichnungen gilt:
1 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau eines Systems für selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Harnstoff gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Menge von hinzugefügtem Harnstoffwasser, einer Konzentration von Stickstoffoxid NOx und einer Konzentration von Ammoniak (NH₃) in dem Abgas an der stromabwärtigen Seite gesehen von einer SCR-Katalysatoreinheit mit einem SCR-Katalysator zeigt;
4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO und einer Temperatur eines Diffusionswiderstandsteils in dem NOx-Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 ist ein vertikaler Querschnitt eines Stickstoffoxidsensors gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Nummern gleiche oder äquivalente Komponententeile, durchgehend durch die verschiedenen Diagramme.
Erstes Ausführungsbeispiel
Es wird ein Stickstoffoxid(NOx)-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
1 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, besteht der Stickstoffoxid(NOx)-Sensor 1 hauptsächlich aus einer Vorgabeerfassungsgaskammer 2, einem Diffusionswiderstandsteil 3, einer Sensorzelle 4, einer Pumpenzelle 5 und einer Temperatursteuereinrichtung 6.
Ein zu erfassendes Vorgabegas bzw. Erfassungsgas wird eingeführt und in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 in dem NOx-Sensor 1 erfasst. Das Diffusionswiderstandsteil 3 ist in dem NOx-Sensor 1 gebildet, und dient als ein Einlassteil der Vorgabeerfassungsgaskammer 2. Durch das Diffusionswiderstandsteil 3 wird das Erfassungsgas in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 eingebracht. Die Sensorzelle 4 erfasst eine Konzentration des in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 enthaltenen NOx. Die Pumpenzelle 5 erfasst eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2.
Die Temperatursteuereinrichtung 6 steuert das Diffusionswiderstandsteil 3, sodass die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 bei nicht weniger als 700°C beibehalten wird.
Die Sensorzelle 4 besteht hauptsächlich aus einem Feststoffelektrolyten 41 mit Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit und einem Paar von Elektroden 421 und 422. In der Sensorzelle 4 ist die Elektrode 421 auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 gebildet. Die erste Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 steht der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 gegenüber. Die Elektrode 422 ist auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 gebildet. Die zweite Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 befindet sich entgegengesetzt der ersten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41.
Die Pumpenzelle 5 besteht hauptsächlich aus einem Feststoffelektrolyten 41 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und einem Paar von Elektroden 521 und 522. In der Pumpenzelle 5 ist die Elektrode 521 auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51 gebildet. Die erste Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51 steht der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 gegenüber. Die Elektrode 522 ist auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51 gebildet. Die zweite Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51 befindet sich entgegengesetzt der ersten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51.
Sowohl der Feststoffelektrolyt 41 für die Sensorzelle 4 als auch der Feststoffelektrolyt 51 für die Pumpenzelle 5 besteht beispielsweise aus Yttrium-dotiertem Zirkoniumdioxid (YSZ).
Jede der Elektroden 421 und 422 für die Sensorzelle 4 und die Elektroden 521 und 522 für die Pumpenzelle 5 bestehen aus Cermet-Material. Das Cermet-Material besteht aus einer Platinlegierung, die Zirkoniumdioxid enthält.
Insbesondere besteht die Elektrode 421 für die Sensorzelle 4, die der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 gegenübersteht, aus einem NOx-Aktivierungs-Elektrodenmaterial, das aus einer Pt-Rh-Legierung besteht. Die Elektrode 521 für die Pumpenzelle 5 besteht aus einem NOx-Nicht-Aktivierungs-Elektrodenmaterial, das aus einer Pt-Au-Legierung besteht.
Die Vorgabeerfassungsgaskammer 2 ist zwischen dem Feststoffelektrolyten 41 für die Sensorzelle 4 und dem Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 gebildet. Das heißt, dass eine Abstandsschicht 121 mit einem Öffnungsteil zwischen dem Feststoffelektrolyten 41 der Sensorzelle 4 und dem Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 gebildet ist. Die Vorgabeerfassungsgaskammer 2 ist in dem Öffnungsteil der Abstandsschicht 121 zwischen dem Feststoffelektrolyten 41 und dem Feststoffelektrolyten 51 gebildet.
Das Diffusionswiderstandsteil 3 ist an einem vorderen Teil der Abstandsschicht 121 gebildet. Der vordere Teil der Abstandsschicht 121 befindet sich an der linken Seite in 1. Das Diffusionswiderstandsteil 3 besteht aus porösen Aluminiumoxidkeramiken. Durch das an dem vorderen Teil des NOx-Sensor 1 gebildeten Diffusionswiderstandsteil 3 kommuniziert die Außenseite des NOx-Sensors 1 mit der Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2.
Eine erste Atmosphärenkammer 111 ist auf der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 der Sensorzelle 4, die entgegengesetzt der ersten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 41 an der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 ist, gebildet.
Die Elektrode 422 der Sensorzelle 4 liegt der ersten Atmosphärenkammer 111 gegenüber. Die erste Atmosphärenkammer 111 ist zwischen dem Feststoffelektrolyten 41 der Sensorzelle 4 und der Abstandsschicht 122 und einer Abdeckschicht 123 gebildet. Die Abstandsschicht 122 ist auf dem Feststoffelektrolyten 41 der Sensorzelle 4 gebildet.
Eine zweite Atmosphärenkammer 112 ist auf der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 gebildet. Umgebungsluft wird in die Innenseite der zweiten Atmosphärenkammer 112 eingebracht. Die Elektrode 522 der Pumpenzelle 5 liegt der zweiten Atmosphärenkammer 112 gegenüber.
Ein Keramikheizelement 13 ist auf dem Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 über die Abstandsschicht 124 gebildet.
Das Keramikheizelement 13 besteht aus einem Paar von Heizsubstraten 131, einem Heizteil 132 und einem Anschlussteil 133. Die Heizsubstrate 131 bestehen aus Aluminiumoxid. Das Heizteil 132 und der Anschlussteil 133 sind zwischen den Heizsubstraten 131 gebildet. Das Heizteil 132 erzeugt thermische Energie wenn elektrische Energie empfangen wird unter der Steuerung der Temperatursteuereinrichtung 6. Elektrische Energie wird von einer äußeren Vorrichtung zu dem Heizteil 132 über das Anschlussteil 133 zugeführt. Beispielsweise besteht das Heizteil 132 aus Platin oder einer Platinlegierung. Jede der Abstandsschichten 121, 122, 124 und die Abdeckschicht 123 bestehen aus Aluminiumoxid.
Es ist zulässig, eine Überwachungszelle zu bilden, um eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 zu überwachen oder zu erfassen. In diesem Fall ist eine Überwachungselektrode (die in den Diagrammen weggelassen wurde) auf dem Feststoffelektrolyten 41 der Sensorzelle 4 gebildet, sodass die Überwachungselektrode der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 gegenüberliegt.
Die Temperatursteuereinrichtung 6 weist die Keramikheizeinrichtung 13 und eine Temperaturerfassungseinheit 61 auf. Die Temperaturerfassungseinheit 61 erfasst indirekt eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3.
Die Temperaturerfassungseinrichtung 61 erfasst eine Impedanz der Pumpenzelle 5, und erhält die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf der erfassten Impedanz. Das heißt, dass die Temperaturerfassungseinrichtung 61 die Impedanz zwischen den Elektroden 521 und 522 der Pumpenzelle 5 erfasst. Im Allgemeinen gilt, dass je höher die Temperatur der Pumpenzelle 5 ansteigt, desto höher die Impedanz der Pumpenzelle 5 abnimmt. Weil die Pumpenzelle 5 und das Diffusionswiderstandsteil 3 nahe beieinander liegen und einander kontaktieren, und der Feststoffelektrolyt 51 in der Pumpenzelle 5 und das Diffusionswiderstandsteil 3 miteinander verbunden sind, wird die Temperatur der Pumpenzelle 5 ungefähr gleich der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3.
Aufgrund des Vorliegens einer ersten Beziehung und einer zweiten Beziehung gibt es eine vorbestimmte Beziehung zwischen der Impedanz der Pumpenzelle 5 und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3, wobei die erste Beziehung eine Beziehung zwischen der Impedanz und der Temperatur der Pumpenzelle 5 ist, und die zweite Beziehung eine Beziehung zwischen der Temperatur der Pumpenzelle 5 und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 ist.
Weil die vorstehenden Beziehungen zuvor erfasst werden können, ist es möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf einem Erfassungswert der Impedanz der Pumpenzelle 5 zu erfassen.
Die Beziehung zwischen der Impedanz der Pumpenzelle 5 und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 kann zuvor durch Verwenden eines zusätzlichen NOx-Sensors, der mit einem Thermoelement ausgestattet ist, das in dem Diffusionswiderstandsteil 3 ausgebildet ist, erfasst werden.
Wie vorstehend beschrieben ist gilt, dass weil die Pumpenzelle 5 nahe des Diffusionswiderstandsteils 3 platziert ist, die Temperatur der Pumpenzelle 5 in etwa gleich der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 ist. Demzufolge ist es möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit basierend auf der Impedanz der Pumpenzelle 5 abzuschätzen.
Die Temperatursteuereinrichtung 6 steuert das Diffusionswiderstandsteil 3, um die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 bei einem vorbestimmten Wert von nicht weniger als 700°C, beispielsweise 750 ±20°C, beizubehalten.
Das heißt, dass die Temperatursteuereinrichtung 6 hauptsächlich aus der Temperaturerfassungseinrichtung 61 und der Keramikheizeinrichtung besteht. Die Temperatursteuereinrichtung 6 erzeugt ein Steuersignal basierend auf dem Erfassungsergebnis der Temperaturerfassungseinrichtung 61, und überträgt das Steuersignal, um den Ein- und Aus-Betrieb einer Energiequelle 134 zu steuern, um elektrische Energie zu der Keramikheizeinrichtung 13 zuzuführen, und die Zufuhr der elektrischen Energie zu der Keramikheizeinrichtung 13 zu unterbrechen.
In dem NOx-Sensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfasst die Sensorzelle 4 eine Konzentration von NOx und Ammoniak, die in einem Erfassungsgas enthalten sind, während das Diffusionswiderstandsteil 3 bei der vorbestimmten Temperatur von nicht weniger als 700°C beibehalten wird. Mit anderen Worten gilt, dass das Erfassungsgas in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 über das Diffusionswiderstandsteil 3 mit einer hohen Temperatur von mehr als 700°C zugeführt wird. In dem Erfassungsgas enthaltenes Ammoniak wird in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert, um NOx zu produzieren. Demzufolge enthält das in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 eingebrachte Erfassungsgas ursprüngliches NOx und hinzugefügtes NOx, wobei das ursprüngliche NOx in dem von einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Erfassungsgas enthalten ist, und das hinzugefügte NOx aus Ammoniak durch Oxidation produziert wird.
Im Allgemeinen enthält das Erfassungsgas ebenso Sauerstoff. Die Ausgabe der Sensorzelle 4 schwankt dadurch gemäß der Änderung der Konzentration von in dem Erfassungsgas enthaltenem Sauerstoff.
Um den Einfluss von Sauerstoff zu vermeiden, d. h., um die Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 beizubehalten, pumpt die Pumpenzelle 5 Sauerstoff zwischen der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 und der zweiten Atmosphärenkammer 112. Es gilt vorzugsweise, Sauerstoff aus der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 vollständig zu eliminieren. Mit anderen Worten gilt bevorzugt, die Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 bei 0% zu halten.
Im Vergleich mit der Sensorzelle 4 ist die Pumpenzelle 5 nahe des Diffusionswiderstandsteils 3 gebildet, d. h., nahe dem Zuführteil der Vorgabeerfassungsgaskammer 2. Das Erfassungsgas mit Sauerstoff einer angepassten Konzentration durch die Pumpenzelle 5, die gleich einer vorbestimmten Konzentration ist, wird in die Sensorzelle 4 eingebracht.
In dem Erfassungsgas enthaltenes NOx wird aufgespalten, und Sauerstoffionen werden durch die Elektrode 421 der Sensorzelle 4 erzeugt. Eine vorbestimmte Spannung wird an dem Paar von Elektroden 421 und 422 der Sensorzelle 4 angelegt, wobei das an der Elektrode 421 erzeugte Sauerstoffion zu der Elektrode 422 über das Feststoffelektrolytelement 41 bewegt wird, und der NOx-Sensor gibt eine Sensorausgabe basierend auf der Konzentration von NOx aus.
2 ist eine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau eines Systems für selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Harnstoff 7 in dem Abgassystem zeigt, das mit dem NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Wie in 2 gezeigt ist, wird der NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in dem Harnstoff-SCR-System 7 verwendet. Das Harnstoff-SCR-System 7 reinigt NOx bzw. bereitet dieses auf, das in einem von einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs ausgestoßenen Abgas enthalten ist. Das Harnstoff-SCR-System 7 fügt Harnstoffwasser dem Abgas, das an der stromaufwärtigen Seite aus der Sicht einer SCR-Katalysatoreinheit 72 mit dem selektiven Reduktions-NOx-Katalysator (SCR-Katalysator) strömt, hinzu. Das aus hinzugefügtem Harnstoffwasser erzeugte Ammoniak reduziert selektiv in dem Abgas enthaltenes NOx. Das Abgas wird dadurch gereinigt. Harnstoffwasser wird in einem Harnstofftank 74 gespeichert. Eine Pumpe 75 pumpt Harnstoffwasser von dem Harnstofftank 74 und überträgt das Harnstoffwasser zu einer Einspritzeinrichtung 76. Die Einspritzeinrichtung 76 spritzt Harnstoffwasser in das Abgas an der stromaufwärtigen Seite gesehen von der SCR-Katalysatoreinheit 72.
Eine unzureichende Menge von Harnstoffwasser kann nicht das in dem Abgas als das Erfassungsgas enthaltene NOx angemessen reinigen bzw. aufbereiten. Andererseits bewirkt eine übermäßige Menge von Harnstoffwasser verbleibendes Ammoniak, das nicht reagiert. Das verbleibende Ammoniak wird mit dem Abgas zu der Außenseite des Abgassystems ausgestoßen.
Eine Oxidations-Katalysatoreinheit 73 ist an einer stromabwärtigen Seite gesehen von der SCR-Katalysatoreinheit 72 platziert. Ein Oxidationskatalysator in der Oxidationskatalysatoreinheit 73 oxidiert Ammoniak, um das in dem Abgas verbliebene Ammoniak harmlos zu machen.
Weil jedoch eine Menge des Oxidationskatalysators in der Oxidationskatalysatoreinheit 73 begrenzt ist, gilt es vorzugsweise, einen Ausstoß von übermäßigem Ammoniak aus der SCR-Katalysatoreinheit 72 zu vermeiden.
Damit die Einspritzeinrichtung 76 in dem Harnstoff-SCR-System 7 eine optimale Menge von Harnstoffwasser in das Abgas einspritzt, ist der NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an der stromabwärtigen Seite aus Sicht der SCR-Katalysatoreinheit 72 platziert. Der NOx-Sensor 1 erfasst eine Konzentration des verbleibenden Ammoniaks, das in dem Abgas nach Reinigen von NOx in dem Abgas durch Verwenden von Ammoniak enthalten ist. Der NOx-Sensor 1 erfasst ebenso eine Konzentration von verbleibendem NOx, das in dem Abgas enthalten ist.
Das heißt, dass das Abgas nach dem Reinigen durch das Harnstoff-SCR-System 7 in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 über das Diffusionswiderstandsteil 3 des NOx-Sensors 1 eingeführt wird.
Wenn das Harnstoff-SCR-System 7 optimales Harnstoffwasser dem Abgas hinzufügt, gibt der NOx-Sensor 1 das Erfassungssignal aus, das angibt, dass die Konzentration von NOx ungefähr null beträgt, weil aus dem zugefügten Harnstoffwasser erzeugtes Ammoniak vollständig und selektiv in dem Abgas enthaltenes NOx reduziert.
Wenn andererseits eine unzureichende Menge von Harnstoffwasser nicht vollständig reduziert werden kann, d. h., das in dem Abgas enthaltene NOx gereinigt werden kann, wird das Abgas mit dem verbleibenden NOx als das Erfassungsgas in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 in dem NOx-Sensor 1 eingeführt. Die Sensorzelle 4 erfasst eine Konzentration des verbleibenden NOx. In diesem Fall wird die Information bezüglich der Konzentration des verbleibenden NOx zu einer (nicht gezeigten) Steuereinheit des Harnstoff-SCR-Systems 7 übertragen. Die Steuereinheit des Harnstoff-SCR-Systems 7weist die Einspritzeinrichtung 76 an, die Menge von Harnstoffwasser zu erhöhen.
Wenn andererseits eine übermäßige Menge von Harnstoffwasser das in dem Abgas enthaltene NOx vollständig reduzieren, d. h., reinigen kann, wird das Abgas ohne NOx aber mit verbleibendem Ammoniak als das Erfassungsgas in die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 in den NOx-Sensor 1 eingeführt.
Wenn das Abgas mit verbleibendem Ammoniak das Diffusionswiderstandsteil 3 bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als 700°C passiert, wird das verbleibende Ammoniak oxidiert, um NOx zu produzieren. Die Sensorzelle 4 in dem NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfasst die Konzentration von NOx, das durch Oxidieren des verbleibenden Ammoniaks erzeugt wurde. Das heißt, dass die durch den NOx-Sensor 1 erfasste Konzentration von NOx ungefähr gleich der Konzentration von NOx ist, die durch die Oxidation des verbleibenden Ammoniaks erhalten wird. In diesem Fall wird die Information bezüglich der Konzentration von NOx zu der (nicht gezeigten) Steuereinheit des Harnstoff-SCR-Systems 7 übertragen. Die Steuereinheit des Harnstoff-SCR-Systems 7 weist die Einspritzeinrichtung 76 an, die Menge von Harnstoffwasser zu verringern.
Die durch den NOx-Sensor 1 erfasste Konzentration von NOx ist eine Gesamtsumme der Konzentration von NOx, das in dem Erfassungsgas (Abgas) enthalten ist, bevor dieses in den NOx-Sensor 1 eingeführt wird, und der Konzentration von NOx, das durch das verbleibende Ammoniak erzeugt wird. Daher ist es ausreichend, die Gesamtsumme der Konzentration von NOx auf den Minimalwert durch Anpassen des hinzugefügten Harnstoffwassers durch die Einspritzeinrichtung 76 zu verringern.
3 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer hinzugefügten Menge von Harnstoffwasser und einer Konzentration von NOx und NOx zeigt, das aus verbleibendem Ammoniak (NH₃) an der stromabwärtigen Seite der SCR-Katalysatoreinheit 72 mit dem SCR-Katalysator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugt ist.
Das heißt, wie in 3 gezeigt ist, dass die Konzentration von NOx und die Konzentration von NH₃ gemäß der Menge von hinzugefügtem Harnstoffwasser geändert wird. Eine kleinere Menge von Harnstoffwasser erhöht die Konzentration von NOx. Je mehr Harnstoffwasser hinzugefügt wird, desto mehr wird die Konzentration von Ammoniak (NH₃) erhöht.
Wenn die Einspritzeinrichtung 76 eine optimale Menge ”x” von Harnstoffwasser in das Abgas einspritzt, besitzen das NOx und das Ammoniak die minimale Konzentration. Es wird bevorzugt, die Einspritzmenge von Harnstoffwasser durch die Einspritzeinrichtung 76 auf die optimale Menge ”x” anzupassen. Es ist nicht notwendig, zwischen der Konzentration von NOx und der durch den NOx-Sensor 1 erfassten Konzentration von Ammoniak zu unterscheiden.
Es ist möglich, zwischen der Konzentration von NOx, das in dem ursprünglichen in den NOx-Sensor 1 eingeführten Erfassungsgas und der durch Ammoniak erzeugten Konzentration von NOx durch Verändern der Einspritzmenge von hinzugefügtem Harnstoffwasser zu unterscheiden. Das heißt, dass, wenn die Sensorausgabe des NOx-Sensors 1 erhöht wird, wenn die Einspritzmenge von hinzugefügtem Harnstoffwasser erhöht wird, es bestimmt wird, dass die erfasste Konzentration von NOx die Konzentration von durch Ammoniak erzeugtem NOx ist.
Wenn andererseits die Sensorausgabe des NOx-Sensors 1 verringert wird, wenn die Einspritzmenge von hinzugefügtem Harnstoffwasser erhöht wird, wird bestimmt, dass die erfasste Konzentration NOx die Konzentration von in dem Erfassungsgas enthaltenem NOx ist.
Nachstehend wird ein Betrieb und Effekte des NOx-Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Temperatursteuereinrichtung 6 auf, um das Diffusionswiderstandsteil 3 bei einer hohen Temperatur von nicht weniger 700°C während der Verwendung des NOx-Sensors 1 in dem Abgassystem zu halten.
Wenn das Erfassungsgas, das Ammoniak enthält, durch das Diffusionswiderstandsteil 3 strömt, begünstigt das Diffusionswiderstandsteil 3 einer hohen Temperatur von nicht weniger als 700°C die Reaktion von Ammoniak und Sauerstoff, das in dem Erfassungsgas enthalten ist, und oxidiert das Ammoniak angemessen, um NOx zu produzieren.
Als eine Folge erfasst die Sensorzelle 4 in dem NOx-Sensor 1 eine Konzentration von solchem NOx, und der NOx-Sensor 1 gibt eine korrekte Sensorausgabe mit hoher Genauigkeit basierend auf der Konzentration von NOx aus, d. h., der Konzentration von in dem Erfassungsgas enthaltenem Ammoniak.
Weiterhin gilt, dass weil eine Oxidation von Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 auftritt, das als der Zuführteil dient, durch den das Erfassungsgas durch die Innenseite der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 eingeführt wird, es möglich ist, den Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 bei einer niedrigen Konzentration zu halten.
Mit anderen Worten ist es möglich, das Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 zu oxidieren, ohne eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 zu erhöhen, wenn das Erfassungsgas Sauerstoff enthält. Daher ist es möglich, einen Offsetfehler der Sensorausgabe aufgrund einer Konzentration von Sauerstoff zu unterdrücken.
Weil die Temperatursteuereinrichtung 6 die Keramikheizeinrichtung 13 und die Temperaturerfassungseinrichtung 61 aufweist, ist es möglich, einfach die Temperatursteuerung des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Weiterhin erfasst die Temperaturerfassungseinrichtung 61 die Impedanz der Pumpenzelle 5, und erfasst die Temperatur des Diffusionswiderstandteils 3 basierend auf dem erfassten Impedanzwert. Ein Erfassen der Impedanz der Pumpenzelle 5, die aufgrund dessen Temperatur schwankt, kann indirekt die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 erfassen, das direkt oder indirekt in Kontakt mit der Pumpenzelle 5 steht. Weil die Elektroden 521 und 522 der Pumpenzelle 5 als ein Teil der Temperaturerfassungseinrichtung 61 verwendet werden können, ist es möglich, ein Verkleinern und Leichtermachen des NOx-Sensors 1 zu realisieren.
Insbesondere gilt, dass weil die Temperaturerfassungseinrichtung 61 die Impedanz der Pumpenzelle 5 erfasst, und nicht die der Sensorzelle 4, es möglich ist, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Dass heißt, dass weil die Pumpenzelle 5 die Konzentration von in der Vorgabeerfassungsgaskammer 2 enthaltenem Sauerstoff anpasst, die Pumpenzelle 5 näher an dem Diffusionswiderstandsteil 3 platziert ist als die Sensorzelle 4. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Wie vorstehend detailliert beschrieben wurde, kann das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den NOx-Sensor 1 mit der Funktion, die Konzentration von in dem Erfassungsgas enthaltenen Ammoniak mit verbesserter hoher Genauigkeit zu erfassen, bereitstellen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 4 beschrieben.
4 ist eine Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO und einer Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 in dem NOx-Sensor 1 zeigt.
Die Empfindlichkeit des NOx-Sensors 1 auf Ammoniak wurde durch Verwenden des Index eines Abhängigkeitsverhältnisses von NH₃/NO erfasst. Das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO ist ein Verhältnis zwischen zwei Sensorausgaben, wobei eine Ausgabe erhalten wird, wenn ein Erfassungsgas, das NO enthält, dem NOx-Sensor 1 zugeführt wird, und die andere Ausgabe wird erhalten, wenn ein Erfassungsgas, das NH₃enthält, dem NOx-Sensor 1 zugeführt wird, wobei das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO gleich einem Verhältnis von zu oxidierendem Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 wird. Das heißt, wenn das gesamte Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert wird, um NO zu produzieren, wird das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO 100%. Wenn eine Hälfte von Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert wird, wird das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO 50%. Wenn andererseits kein Ammoniak oxidiert wird, wird das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO 0%.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Änderung des Abhängigkeitsverhältnisses von NH₃/NO gemäß der Änderung einer Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 erfasst. Insbesondere wurde ein Thermoelement in das Diffusionswiderstandsteil 3 von Proben (dem NOx-Sensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel) eingebettet. Die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 wurde durch Zuführen von unterschiedlichen elektrischen Energien an das Keramikheizelement 13 in dem NOx-Sensor 1 verändert. Die Sensorausgabe (ein in der Sensorzelle 4 fließender Stromwert) des NOx-Sensors 1 wurde basierend auf der Beziehung zwischen der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 und der Konzentration von NO-Gas und NH₃-Gas erfasst.
Zunächst wurde ein NO-Gasgemisch, das NO-Gas mit einer Konzentration von 100 ppm, O₂-Gas mit einer Konzentration von 5% und N₂, das als Ausgleichsgas dient, vorbereitet. Durch Verwenden von NH₃-Gasgemisch als das Erfassungsgas wurde die Sensorausgabe von Proben (NOx-Sensor 1) erfasst.
Ebenso wurde ein NH₃-Gemisch mit NH₃-Gas mit einer Konzentration von 100 ppm, O₂-Gas mit einer Konzentration von 5% und Ausgleichsgas N₂-Gas, das als ein Ausgleichsgas dient, vorbereitet. Durch Verwenden des NO-Gasgemisches als das Erfassungsgas wurde die Sensorausgaben von Proben (NOx-Sensor 1) erfasst.
In dem Experiment gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wurden die Proben (NOx-Sensor 1) auf verschiedene Temperaturen innerhalb eines Bereiches von 500 bis 900°C aufgeheizt.
Die Beziehung zwischen den Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO (%) bei der Konzentration von 5% von O₂-Gas und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 wurde basierend auf der Sensorausgabe der Proben bewirkt durch das NO-Gemisch und NH₃-Gemisch bei unterschiedlichen Temperaturen des Diffusionswiderstandsteils 3 erhalten. 4 zeigt die Erfassungsergebnisse des vorstehenden Experiments. Obwohl 4 die Beziehung zeigt, wenn das O₂-Gas die Konzentration von 5% aufweist, weist ein anderes Experiment von variierender Konzentration von O₂-Gas innerhalb eines Bereiches von 1 bis 20% die gleichen Ergebnisse auf.
Wie in 4 gezeigt ist, bezeichnet das Symbol ”☐” die erfassten Werte des Experiments, und die erfassten Werte wurden mit einer Kurve verbunden. Wie in 4 klar gezeigt ist, gilt, dass je mehr die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 ansteigt, desto mehr das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO (%) hoch wird. Das Abhängigkeitsverhältnis NH₃/NO (%) übersteigt 50%, und steigt dann rapide an, wenn die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 700°C erreicht und weiter ansteigt.
Wenn die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 nicht größer als 800°C ist, wird das Abhängigkeitsverhältnis von NH₃/NO (%) nicht weniger als 85%, und ist im Wesentlichen gesättigt.
Aus den vorstehenden experimentellen Ergebnissen kann verstanden werden, dass nicht weniger als eine Hälfte von Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 oxidiert werden kann, um NOx durch Anpassen der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 auf nicht weniger als 700°C zu produzieren. Daher ist es für den NOx-Sensor 1 möglich, um adäquat eine hohe Empfindlichkeit auf Ammoniak aufzuweisen, wenn das Diffusionswiderstandsteil 3 bei einer Temperatur von nicht weniger als 700°C bereitgestellt wird.
Bereitstellen des Diffusionswiderstandsteils 3 von jeder Probe bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C ermöglicht, einen Großteil von Ammoniak in dem Diffusionswiderstandsteil 3 zu oxidieren. Dies kann den NOx-Sensor mit hoher verbesserter Empfindlichkeit auf Ammoniakgas bereitstellen.
Es ist weiterhin bevorzugt, das Diffusionswiderstandsteil 3 in dem NOx-Sensor 1 bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C bereitzustellen, um die Empfindlichkeit auf Ammoniakgas weiterhin zu erhöhen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Ein Stickstoffoxid (NOx)-Sensor 1-1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 5 beschrieben.
5 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1-1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Wie in 5 gezeigt ist, erfasst die Temperaturerfassungseinrichtung 61-1 eine Impedanz zwischen einem Paar von Erfassungselektroden 611 und 612, die auf der gleichen Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 der Pumpenzelle 5 gebildet sind, und erfasst die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf der erfassten Impedanz. Die Erfassungselektrode 611 steht in Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil 3, wie in 5 gezeigt ist. Die Elektrode 521 der Pumpenzelle 5 dient ebenso als die Erfassungselektrode 612. Weitere Komponenten des NOx-Sensors 1-1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, das in 5 gezeigt ist, sind gleich den entsprechenden Komponenten des NOx-Sensors 1 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
Weil die Temperaturerfassungseinrichtung eine Impedanz der Erfassungselektrode 611 erfasst, die in Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil 3 in dem Feststoffelektrolytelement 51 der Pumpenzelle 5 steht, ist es möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit weiterhin höherer Genauigkeit zu erfassen als im Vergleich mit dem Fall des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich zu diesem Merkmal weist der NOx-Sensor 1-1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die gleichen Effekte des NOx-Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf.
Viertes Ausführungsbeispiel
Ein Stickstoffoxid (NOx)-Sensor 1-2 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 6 beschrieben.
6 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1-2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt ist, weist die Temperaturerfassungseinrichtung 61-2 eine Temperaturerfassungszelle 62 auf. Die Temperaturerfassungszelle 62 besteht aus einem Feststoffelektrolytelement 51 der Pumpenzelle 5 und einem Paar von Erfassungselektroden 621 und 622.
Eine Erfassungselektrode 621 ist auf der Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 der Pumpenzelle 5 gebildet, und steht in direktem Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil 3. Die andere Erfassungselektrode 622 ist auf der entgegengesetzten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 51 der Pumpenzelle 5 gebildet. Daher sind die Erfassungselektroden 621 und 622 auf beiden Oberflächen des Feststoffelektrolytelements 51 der Pumpenzelle 5 entsprechend gebildet.
Die Temperatursteuereinrichtung 6-2 erfasst eine Impedanz der Temperaturerfassungszelle 62, und erfasst die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf der erfassten Impedanz.
In dem vierten Ausführungsbeispiel wird eine Beziehung zwischen der Impedanz der Temperaturerfassungszelle 62 und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 zuvor erfasst, durch Verwenden einer Probe, in der das Temperaturerfassungsthermoelement in dem Diffusionswiderstandsteil 3 gebildet ist. Die Temperatursteuereinrichtung 6-2 schätzt die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf der erfassten Impedanz der Temperaturerfassungszelle 62 durch Verwenden der vorstehenden Beziehung ab. Die Temperatursteuereinrichtung 6-2 steuert die Keramikheizeinrichtung 13, sodass das Diffusionswiderstandsteil 3 eine Solltemperatur von beispielsweise nicht weniger als 700°C aufweist. Weitere Komponenten des NOx-Sensors 1-2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, sind gleich den entsprechenden Komponenten des NOx-Sensors 1 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
Weil die Temperaturerfassungszelle 62 in Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil 3 in den NOx-Sensor 1-2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel steht, ist es für die Temperatursteuereinrichtung 6-2 möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit noch höherer Genauigkeit zu steuern. Zusätzlich zu diesem Merkmal weist der NOx-Sensor 1-2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel die gleichen Effekte des NOx-Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Ein Stickstoffoxid (NOx)-Sensor 1-3 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 7 beschrieben.
7 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1-3 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. Wie in 7 gezeigt ist, besteht die Temperaturerfassungseinrichtung 61-3 in der Temperatursteuereinrichtung 6-3 aus einer Temperaturerfassungszelle 63. Die Temperaturerfassungszelle 63 besteht aus einem Paar von Erfassungselektroden 631 und 632, und einem Teil des Feststoffelektrolytelements 41 der Sensorzelle 4.
Die Erfassungselektrode 631 ist auf einer Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 41 der Sensorzelle 4 und nahe dem Diffusionswiderstandsteil 3 gebildet. Die andere Erfassungselektrode 632 ist auf der anderen Oberfläche des Feststoffelektrolytelements 41 der Sensorzelle 4 gebildet. Das heißt, dass die Erfassungselektroden 631 und 632entsprechend auf beiden Oberflächen des Festkörperelements der Sensorzelle 4 gebildet sind.
Der NOx-Sensor 1-3 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel weist weiterhin eine Sauerstoffsensorzelle 14 auf. Die Sauerstoffsensorzelle 14 besteht aus der Elektrode 422, der Erfassungselektrode 632 und dem Feststoffelektrolytelement 41 der Sensorzelle 4. Die Elektrode 422 ragt in die Atmosphäre hinein, die als ein Referenzsauerstoffgas einer vorbestimmten Konzentration dient. Die Erfassungselektrode 632 ragt in das Erfassungsgas hinein. Eine elektrische Energie wird zwischen der Elektrode 422 und der Erfassungselektrode 632 durch eine Sauerstoffkonzentrationsbatterie basierend auf der Nernst-Gleichung erzeugt. Dies ermöglicht, die Konzentration von in dem Erfassungsgas enthaltenem Sauerstoff zu erfassen.
Zusätzlich zu diesem Merkmal weist der NOx-Sensor 1-3 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die gleichen Effekte des NOx-Sensors 1-2 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel auf.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Ein Stickstoffoxid (NOx)-Sensor 1-4 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 8 beschrieben.
8 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1-4 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 gezeigt ist, besteht die Temperaturerfassungseinrichtung 61-4 in der Temperatursteuereinrichtung 6-4 aus einem Thermoelement 64, das in Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil 3 platziert ist.
Das heißt, dass das Thermoelement 64 an dem Diffusionswiderstandsteil 3 platziert ist, um direkt die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 zu erfassen, und die Temperatursteuereinrichtung 6-2 steuert die Keramikheizeinrichtung 13, sodass das Diffusionswiderstandsteil 3 eine vorbestimmte Temperatur von nicht weniger als 700°C aufweist. Das Thermoelement 64 besteht beispielsweise aus Pt oder einer Pt-Rh-Legierung. Weitere Komponenten des NOx-Sensors 1-4 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, das in 8 gezeigt ist, sind gleich den entsprechenden Komponenten des NOx-Sensors 1 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
Weil die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 direkt durch Verwenden des Thermoelements 64 erfasst werden kann, ist es möglich, die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit zu erfassen, und ist es für die Temperatursteuereinrichtung 6-4 möglich, die Keramikheizeinrichtung 13 zu steuern, um die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 mit hoher Genauigkeit anzupassen. Zusätzlich zu diesem Merkmal weist der NOx-Sensor 1-4 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel die gleichen Effekte des NOx-Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Ein Stickstoffoxid (NOx)-Sensor 1-5 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 9 beschrieben.
9 ist ein vertikaler Querschnitt des NOx-Sensors 1-5 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel. Wie in 9 gezeigt ist, besteht die Temperaturerfassungseinrichtung 61-5 aus einer Heizwiderstanderfassungseinrichtung. Eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 wird basierend auf einem erfassten Widerstand eines Heizwiderstandes der Keramikheizeinrichtung 13 erfasst.
Der Heizwiderstand ist ein Widerstandswert des Heizteils 132 der Keramikheizeinrichtung 13. Eine Beziehung zwischen dem Heizwiderstand und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 wird zuvor durch Verwenden eines weiteren NOx-Sensors mit einem Thermoelement mit den gleichen Charakteristiken und Funktionen des Thermoelements, das in einem NOx-Sensor, beispielsweise dem in 8 gezeigten NOx-Sensor 1-4 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, erfasst.
Es ist für die Temperaturerfassungseinrichtung 61-5 möglich, den Heizwiderstand der Keramikheizeinrichtung 13 durch Verwenden der erhaltenen Beziehung zwischen dem Heizwiderstand und der Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 zu erfassen, und die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 basierend auf dem erfassten Heizwiderstand abzuschätzen.
Basierend auf der abgeschätzten Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 steuert die Temperatursteuereinrichtung 6-5 die Keramikheizeinrichtung 13, sodass die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 eine Temperatur von nicht weniger als 700°C wird.
Weitere Komponenten des NOx-Sensors 1-5 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, sind gleich den entsprechenden Komponenten des NOx-Sensors 1 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
Der NOx-Sensor 1-5 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel weist einen einfachen Aufbau auf, der keine Impedanzerfassungsschaltung in dem NOx-Sensor 1 gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, die Temperaturerfassungszelle in den NOx-Sensoren 1-1 gemäß dem in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel, die Temperaturerfassungszelle in den NOx-Sensoren 1-2 gemäß dem in 6 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel und die Temperaturerfassungszelle in den NOx-Sensoren 1-3 gemäß dem in 7 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel, und das Thermoelement in den NOx-Sensoren 1-4 gemäß dem in 8 gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel benötigt.
Zusätzlich zu diesem Merkmal weist der NOx-Sensor 1-5 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel die gleichen Effekte des NOx-Sensors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf.
Während spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben wurden, ist es dem Fachmann ersichtlich, dass verschiedenen Modifikationen und Alternativen zu diesen Details im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden können. Demzufolge sind die bestimmten Anordnungen lediglich veranschaulichend gedacht, die nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung, der durch die volle Bandbreite der nachfolgenden Patentansprüche und allen Äquivalenten davon definiert ist, begrenzen.
Ein NOx-Sensor 1 weist eine Vorgabeerfassungsgaskammer 2, ein Diffusionswiderstandsteil 3, eine Sensorzelle 4, eine Pumpenzelle 5 und eine Temperatursteuereinrichtung 6 auf. Das Diffusionswiderstandsteil 3 ist an einem Zuführteil, durch den das Vorgabeerfassungsgas in die Vorgabeerfassungsgaskammer eingeführt wird, ausgebildet. Die Sensorzelle 4 erfasst eine Konzentration von Stickstoffoxid in der Vorgabeerfassungsgaskammer. Die Pumpenzelle 5 passt eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer an. Die Temperatursteuereinrichtung 6 weist eine Temperaturerfassungseinrichtung 61 zum Erfassen einer Impedanz von auf beiden Oberflächen eines Feststoffelektrolyten 51 der Pumpenzelle 5 gebildeten Elektroden auf. Die Temperatursteuereinrichtung 6 führt elektrische Energie einem Keramikheizelement 13 zu, um basierend auf der erfassten Impedanz eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils 3 bei 700°C oder höher beizubehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 09-33512 [0008, 0008, 0009]

Claims

Stickstoffoxidsensor (1; 1-1 bis 1-5), mit: einer Vorgabeerfassungsgaskammer (2), in die ein Vorgabeerfassungsgas eingebracht wird; einem Diffusionswiderstandsteil (3), das an einem Zuführteil, durch das das Vorgabeerfassungsgas in die Vorgabeerfassungsgaskammer eingebracht wird, gebildet ist; einer Sensorzelle (4), die eine Konzentration von Stickstoffoxid (NOx) in der Vorgabeerfassungsgaskammer erfasst, mit: einem Feststoffelektrolytelement (41), das eine Oxidionenleitfähigkeit aufweist; und einem Paar von Elektroden (421, 422), wobei eine Elektrode (421) auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements gebildet ist, und die andere Elektrode (422) auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements gebildet ist, wobei die erste Oberfläche des Feststoffelektrolytelements der Sensorzelle der Vorgabeerfassungsgaskammer gegenüberliegt und sich entgegengesetzt der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyts befindet; einer Pumpenzelle (5), die eine Konzentration von Sauerstoff in der Vorgabeerfassungsgaskammer anpasst, mit: einem Feststoffelektrolytelement (51), das eine Oxidionenleitfähigkeit aufweist; und einem Paar von Elektroden (521, 522), wobei eine Elektrode (521) auf einer ersten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements gebildet ist, und die andere Elektrode (522) auf einer zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolytelements gebildet ist, wobei die Oberfläche des Feststoffelektrolytelements der Pumpenzelle der Vorgabeerfassungsgaskammer gegenüberliegt und sich entgegengesetzt der zweiten Oberfläche des Feststoffelektrolyts befindet; und einer Temperatursteuereinrichtung (6; 6-1 bis 6-5), die eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils während des Verwendens des Stickstoffoxidsensors bei nicht weniger als 700°C beibehält.
Stickstoffoxidsensor (1; 1-1 bis 1-5) gemäß Anspruch 1, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6; 6-1 bis 6-5) die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) während des Verwendens des Stickstoffoxidsensors bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C anpasst.
Stickstoffoxidsensor (1; 1-1 bis 1-5) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6; 6-1 bis 6-5) aus einem Heizelement (132) und einer Temperaturerfassungseinrichtung (61; 61-1 bis 61-5) besteht, wobei das Heizelement thermische Energie erzeugt, wenn elektrische Energie empfangen wird, und die Temperaturerfassungseinrichtung direkt oder indirekt die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) erfasst.
Stickstoffoxidsensor (1, 1-1, 1-2 und 1-3) gemäß Anspruch 3, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6, 6-1, 6-2 und 6-3) eine Impedanz der Sensorzelle (4) oder der Pumpenzelle (5) erfasst, und die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) basierend auf der erfassten Impedanz erfasst.
Stickstoffoxidsensor (1, 1-1 und 1-2) gemäß Anspruch 4, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6, 6-1, und 6-2) eine Impedanz der Pumpenzelle (5) erfasst, und die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) basierend auf der erfassten Impedanz erfasst.
Stickstoffoxidsensor (1, 1-1, 1-2 und 1-3) gemäß Anspruch 3, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6, 6-1, 6-2 und 6-3) eine Impedanz eines Paars von Elektroden (521 und 522, 611 und 612, 621 und 622, und 631 und 632), die auf dem Feststoffelektrolytelement (41) der Sensorzelle (4) oder dem Feststoffelektrolytelement (51) der Pumpenzelle (5) gebildet sind, erfasst, wobei mindestens eines des Paars der Elektroden dem Diffusionswiderstandsteil (3) gegenüberliegt und die Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) basierend auf der erfassten Impedanz erfasst.
Stickstoffoxidsensor (1-4) gemäß Anspruch 3, wobei die Temperatursteuereinrichtung (6-4) aus einem Thermoelement (64) besteht, das in Kontakt mit dem Diffusionswiderstandsteil (3) steht.
Stickstoffoxidsensor (1-5) gemäß Anspruch 3, wobei die Temperaturerfassungseinrichtung (61-5) einen Widerstandswert des Heizelements (132) erfasst und eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) basierend auf dem erfassten Widerstandswert erhält.
Stickstoffoxidsensor (1-5) gemäß Anspruch 8, wobei die Temperaturerfassungseinrichtung (61-5) einen Widerstandswert des Heizelements (132) erfasst, und eine Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3) basierend auf dem erfassten Widerstandswert und einer Beziehung zwischen einem Widerstandswert des Heizelements (132) und einer Temperatur des Diffusionswiderstandsteils (3), die zuvor erhalten wird, abschätzt.