DE102010043023A1

DE102010043023A1 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE102010043023A1
Application number: DE102010043023A
Authority: DE
Inventors: Makoto Kariya-city Ito; Fuminori Kariya-city Nakashima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2011117935A; US8795492B2; DE102010043023B4; US20110094883A1; JP5287807B2

Abstract

Ein Gasmessfühler (1) weist einen Festelektrolytkörper (11) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, ein Paar Mess- und Bezugselektroden (12, 13), die jeweils auf einem entgegen gesetzten Paar erster und zweiter Oberflächen des Festelektrolytkörpers (11) vorgesehen sind, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht (14), durch die ein Messgas zur Messelektrode (12) eingeleitet wird, und eine Schutzschicht (2) auf. Die Schutzschicht (2) ist so vorgesehen, dass sie zumindest eine Außenfläche (141) der porösen Diffusionswiderstandsschicht (14) bedeckt, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht (14) strömt. Die Schutzschicht (2) ist bei Zimmertemperatur hydrophil und bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper (11) aktiviert werden kann, wasserabweisend.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasmessfühler zum Abfühlen der Konzentration eines bestimmten Bestandteils in einem zum messenden Gas (nachstehend einfach als Messgas bezeichnet).
2. Beschreibung des Standes der Technik
Im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs ist im Allgemeinen ein Gassensor zum Abfühlen der Konzentration eines bestimmten Bestandteils (z. B. der Konzentration von Sauerstoff) in dem Abgas aus der Kraftmaschine angeordnet.
In dem Gassensor ist zum Beispiel ein bekannter Gasmessfühler eingebaut. Der bekannte Gasmessfühler weist Folgendes auf: einen Festelektrolytkörper, der Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein entgegen gesetztes Paar erster und zweiter Oberflächen hat; eine Messelektrode, die so auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, dass sie dem Messgas (d. h. dem Abgas von der Kraftmaschine) ausgesetzt ist; eine Bezugselektrode, die so auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, dass sie einem Bezugsgas (z. B. Luft) ausgesetzt ist; und eine poröse Diffusionswiderstandsschicht, durch die das Messgas zur Messelektrode eingeleitet wird.
Allerdings sind mit dem bekannten Gasmessfühler die folgenden Probleme verbunden.
Der Gasmessfühler hat eine Außenfläche, die der Strömung des Abgases aus der Kraftmaschine auszusetzen ist. Während des Starts der Kraftmaschine kondensiert Dampf, der im Abgas enthalten ist, zu Wassertröpfchen, und die Wassertröpfchen strömen zusammen mit dem Abgas zum Gasmessfühler. Der Gasmessfühler wird im Allgemeinen bei hohen Temperaturen (z. B. nicht weniger als 500°C) verwendet, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann. Beim Anhaften der Wassertröpfchen auf der Außenfläche des Gasmessfühlers kann daher in dem Gasmessfühler ein schroffer Temperaturwechsel stattfinden, wodurch eine Rissbildung des Gasmessfühlers induziert wird (nachstehend als wasserinduzierte Rissbildung bezeichnet).
Um das obige Problem zu lösen, offenbart die Veröffentlichung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-171013 eine erste Technik, gemäß der am Außenumfang des Gasmessfühlers eine poröse Schutzschicht vorgesehen ist.
Folglich können sich Wassertröpfchen, die am Gasmessfühler anhaften, in die poröse Schutzschicht ausbreiten, wodurch eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers verhindert wird.
Um die wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers zuverlässig zu verhindern, ist es bei der ersten Technik jedoch notwendig, die Dicke der porösen Schutzschicht ausreichend groß einzustellen. Dadurch erhöht sich entsprechend die Wärmekapazität des gesamten Gasmessfühlers, wodurch es erschwert wird, sowohl eine prompte Aktivierung als auch ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers zu gewährleisten.
Die Veröffentlichung der Japanischen Patentanmeldung Nr. H8-240559 offenbart eine zweite Technik, gemäß der am Außenumfang des Gasmessfühlers eine wasserabweisende Oberflächenschicht vorgesehen ist. Folglich können Wassertröpfchen, die sich dem Gasmessfühler nähern, von der Oberflächenschicht abgewiesen werden, wodurch eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers verhindert wird.
Allerdings ist die Oberflächenschicht bei der zweiten Technik immer wasserabweisend, sogar bei Zimmertemperatur. Dementsprechend kann es schwierig sein, vor Gebrauch präzise eine Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler durchzuführen.
Und zwar erfolgt die Superisolierungsprüfung im Allgemeinen bei Zimmertemperatur durch: (1) Eintauchen des Gasmessfühlers in Wasser oder ein Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Alkohol für eine bestimmte Dauer, wodurch das Wasser oder das Flüssigkeitsgemisch in Mikrorisse des Gasmessfühlers eindringen kann; (2) Aufbringen einer vorbestimmten Spannung entlang der Mess- und Bezugselektrode des Gasmessfühlers; und (3) Messen des elektrischen Widerstands zwischen den beiden Elektroden. Da die Oberflächenschicht des Gasmessfühlers bei Zimmertemperatur wasserabweisend ist, kann es jedoch schwierig sein, das Wasser oder das Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Alkohol ausreichend in die Mikrorisse des Gasmessfühlers eindringen zu lassen. Folglich kann es schwierig sein, präzise die Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler durchzuführen.
Außerdem besteht die Oberflächenschicht bei der zweiten Technik aus mindestens einem hydrophoben Material, was BN, CaF₂, NbC, ZrB₂, TiB₂ und Talk einschließt. Allerdings können diese hydrophoben Materialien leicht bei hohen Temperaturen oxidieren. Folglich kann es in einer mageren Atmosphäre (d. h. eine Atmosphäre, die eine größere Menge Sauerstoff enthält) schwierig sein, in einer frühen Phase präzise die Konzentration des spezifischen Bestandteils im Messgas abzufühlen, was zu einer Erhöhung der Aktivierungs zeit des Gasmessfühlers (d. h. der Zeitdauer ab dann, wenn die Aktivierung des Gasmessfühlers startet, bis dann, wenn der Gasmessfühler dazu in der Lage ist, die Konzentration des bestimmten Bestandteils im Messgas präzise abzufühlen) führt. Dadurch kann es schwierig sein, eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers zu gewährleisten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist ein Gasmessfühler vorgesehen, der einen Festelektrolytkörper, eine Messelektrode, eine Bezugselektrode, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht und eine Schutzschicht aufweist. Der Festelektrolytkörper hat Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein entgegen gesetztes Paar erster und zweiter Oberflächen. Die Messelektrode ist so auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen, dass sie einem Messgas ausgesetzt ist. Die Bezugselektrode ist so auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen, dass sie einem Bezugsgas ausgesetzt ist. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht ist so vorgesehen, dass das Messgas durch sie zur Messelektrode eingeleitet wird. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht hat eine Außenfläche, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht strömt. Die Schutzschicht ist so vorgesehen, dass sie zumindest die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt. Die Schutzschicht ist bei Zimmertemperatur hydrophil und bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann, wasserabweisend.
Da die Schutzschicht mit dem obigen Aufbau bei Zimmertemperatur hydrophil ist, ist es bei der Durchführung einer Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler möglich, ausreichend Wasser oder ein Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Alkohol in Mikrorisse des Gasmessfühlers eindringen zu lassen. Folglich ist es möglich, die Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler präzise durchzuführen.
Darüber hinaus ist die Schutzschicht bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann, wasserabweisend. Mit anderen Worten ist die Schutzschicht während des Betriebs des Gasmessfühlers wasserabweisend. Wenn sich Wassertröpfchen der Schutzschicht nähern, werden die Wassertröpfchen daher sofort von der Schutzschicht abgewiesen. Folglich ist es möglich, die Abnahme der Temperatur des Gasmessfühlers in Folge der Wassertröpfchen zu unterdrücken, wodurch das Auftreten eines schroffen Temperaturwechsels im Gasmessfühler verhindert wird. Dadurch ist es möglich, eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers zu verhindern.
Da die Diffusionswiderstandsschicht eine poröse Schicht ist, fällt es Wassertröpfchen während des Betriebs des Gasmessfühlers im Allgemeinen leicht, sich in die Diffusionswiderstandsschicht auszubreiten, was in der Diffusionswiderstandsschicht einen schroffen Temperaturwechsel hervorruft. Allerdings ist erfindungsgemäß die Schutzschicht vorgesehen, die zumindest die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt. Mit der Schutzschicht ist es folglich möglich, ein Ausbreiten von Wassertröpfchen in die poröse Diffusionswiderstandsschicht abzublocken, wodurch das Auftreten eines schroffen Temperaturwechsels in der Diffusionswiderstandsschicht verhindert wird.
Da die Schutzschicht bei hohen Temperaturen wasserabweisend ist, ist es außerdem unnötig, die Dicke der Schutzschicht zum Verhindern einer wasserinduzierten Rissbildung des Gasmessfühlers groß einzustellen. Mit anderen Worten ist es möglich, die Dicke der Schutzschicht klein einzustellen. Folglich ist es möglich, die Wärmekapazität des Gasmessfühlers zu unterdrücken, wodurch eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers gewährleistet wird.
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler kann in einem A/F-Verhältnis-Sensor (Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor) verwendet werden, der im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs angeordnet ist, um das A/F-Verhältnis eines der Kraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches abzufühlen. Und zwar kann der A/F-Verhältnis-Sensor in diesem Fall das A/F-Verhältnis beruhend auf dem Grenzstrom des Gasmessfühlers bestimmen, der von der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus der Kraftmaschine abhängt. Ansonsten kann der Gasmessfühler auch in einem Sauerstoffsensor verwendet werden, der im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs angeordnet ist, um die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus der Kraftmaschine abzufühlen.
Wie oben beschrieben wurde, weist der erfindungsgemäße Gasmessfühler die Schutzschicht auf, die bei Zimmertemperatur hydrophil und bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann, wasserabweisend ist. Dabei liegt die „Zimmertemperatur” im Allgemeinen innerhalb von 20 ± 15°C (d. h. 5–35°C); und „hohe Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann” stehen für „höhere Temperaturen als die Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers”. Abgesehen davon können die „hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann” zum Beispiel größer oder gleich 500°C sein, wobei sie im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das später beschrieben wird, größer oder gleich 700°C sind.
Das Wasserabweisungsvermögen der Schutzschicht bei hohen Temperaturen kann zum Beispiel durch Auslösen des Leidenfrost-Effekts an der Schutzschicht erzielt werden. Und zwar erzeugen Wassertröpfchen, die sich der Schutzschicht nähern, eine Wärme isolierende Dampfschicht zwischen der Schutzschicht und den Wassertröpfchen, wenn der Leidenfrost-Effekt an der Schutzschicht ausgelöst wird. Die Wärme isolierende Dampfschicht führt dazu, dass die Wassertröpfchen die Schutzschicht sofort verlassen, ohne durch die hohe Temperatur der Schutzschicht weiter erhitzt zu werden.
Es ist vorzuziehen, dass die Schutzschicht eine Oberflächenrauheit Ra von kleiner oder gleich 3,0 μm hat. Wenn sich die Wassertröpfchen der Schutzschicht bei hohen Temperaturen nähern, ist es in diesem Fall möglich, den Leidenfrost-Effekt zuverlässig an der Schutzschicht auszulösen, wodurch die Schutzschicht wasserabweisend wird.
Darüber hinaus hat die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht eine Korrelation mit dem mittleren Teilchendurchmesser von Teilchen, die die Schutzschicht bilden. Im Hinblick auf eine geeignete Einstellung des mittleren Teilchendurchmessers, der ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers gewährleistet, ist es daher vorzuziehen, dass die Oberflächenrauheit Ra größer oder gleich 0,6 μm ist.
Abgesehen davon sollte beachtet werden, dass die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht eine mittlere Rauheit gemäß JIS B 0601:2001 (oder ISO 4287:1997) ist.
Es ist vorzuziehen, dass die Schutzschicht aus einer Keramik besteht, die mindestens einen der Stoffe α-Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zinkoxid umfasst. Da sämtliche der obigen Materialien hydrophil sind, ist es in diesem Fall möglich, die Schutzschicht zuverlässig bei Zimmertemperatur hydrophil zu machen. Da sämtliche der obigen Materialien bei hohen Temperaturen kaum oxidieren, ist es darüber hinaus in einer mageren Atmosphäre (d. h. eine Atmosphäre, die eine größere Menge Sauerstoff enthält) möglich, in einer frühen Phase präzise die Konzentration eines bestimmten Bestandteils in dem Messgas abzufühlen. Folglich ist es möglich, eine Verlängerung der Aktivierungszeit des Gasmessfühlers (d. h. der Zeitdauer ab dann, wenn die Aktivierung des Gasmessfühlers startet, bis dann, wenn der Gasmessfühler dazu in der Lage ist, die Konzentration des bestimmten Bestandteils im Messgas präzise abzufühlen) in Folge einer Oxidation der obigen Materialien zu verhindern, wodurch eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers gewährleistet wird.
Es ist auch vorzuziehen, dass die Schutzschicht eine Dicke im Bereich von 20 bis 150 μm hat. In diesem Fall ist es möglich, sowohl eine prompte Aktivierung als auch ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers zu gewährleisten.
Abgesehen davon kann es wegen des Einflusses einer unter der Schutzschicht liegenden Schicht (z. B. der porösen Diffusionswiderstandsschicht) schwierig sein, die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht auf kleiner oder gleich 3,0 μm einzustellen, falls die Dicke der Schutzschicht weniger als 20 μm beträgt. Falls die Dicke der Schutzschicht mehr als 150 μm beträgt, kann es andererseits schwierig sein, sowohl eine prompte Aktivierung als auch ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers zu gewährleisten.
Es ist vorzuziehen, dass die Schutzschicht eine Porosität im Bereich von 10 bis 50% hat. In diesem Fall ist es möglich, eine ausreichende Gasdurchlässigkeit der Schutzschicht zu gewährleisten und dadurch ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers zu gewährleisten, während eine hohe Festigkeit der Schutzschicht gewährleistet wird.
Abgesehen davon kann es schwierig sein, eine ausreichende Gasdurchlässigkeit der Schutzschicht zu gewährleisten und somit ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers zu gewährleisten, falls die Porosität der Schutzschicht weniger als 10% beträgt. Falls die Porosität der Schutzschicht mehr als 50% beträgt, kann es dagegen schwierig sein, eine hohe Festigkeit der Schutzschicht zu gewährleisten.
Es ist vorzuziehen, dass die Schutzschicht über dem gesamten Außenumfang des Gasmessfühlers ausgebildet ist. In diesem Fall ist es möglich, noch zuverlässiger eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers zu verhindern.
Des Weiteren ist es vorzuziehen, dass ein Abschnitt der Schutzschicht, der nicht die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt, eine Dicke von kleiner oder gleich 10 μm hat. In diesem Fall ist es möglich, die Wärmekapazität zu unterdrücken und dadurch eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers zu gewährleisten, während zuverlässig eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers verhindert wird.
Im Hinblick auf ein zuverlässiges Verhindern der wasser-induzierten Rissbildung des Gasmessfühlers ist es darüber hinaus auch vorzuziehen, dass die Dicke des Abschnitts der Schutzschicht größer oder gleich 5 μm ist.
Es ist vorzuziehen, dass der Gasmessfühler außerdem eine Einfangschicht aufweist, die zwischen der Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht und der Schutzschicht liegt, um Giftstoffe einzufangen, die in dem Messgas enthalten sind. In diesem Fall kann verhindert werden, dass die poröse Diffusionswiderstandsschicht verstopft und die Messelektrode durch die in dem Messgas enthaltenen Giftstoffe vergiftet wird, wodurch eine hohe Genauigkeit, ein gutes Ansprechverhalten und ein stabiles Ausgangssignal des Gasmessfühlers gewährleistet werden.
Des Weiteren ist vorzuziehen, dass die Einfangschicht die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht vollständig bedeckt. In diesem Fall ist es möglich, dass die Einfangschicht die in dem Messgas enthaltenen Giftstoffe zuverlässig einfängt.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Einfangschicht so auszubilden, dass sie neben der Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht andere Abschnitte des Gasmessfühlers bedeckt.
Abgesehen davon kann die Einfangschicht poröse Teilchen mit einer großen spezifischen Oberfläche aufweisen, die aus mindestens einem der Bestandteile γ-Aluminiumoxid, θ-Aluminiumoxid und Magnesiumoxid bestehen.
Des Weiteren ist vorzuziehen, dass die Einfangschicht dazu in der Lage ist, chemische Verbindungen einzufangen, die aus den Bestandteilen eines Motoröls erzeugt werden, was P, Si, Ca und Zn einschließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele verstanden werden sollten, sondern nur der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Ansicht, die die Ausbildung einer Einfangschicht und einer Schutzschicht auf einer äußeren Seitenfläche einer porösen Diffusionswiderstandsschicht in dem Gasmessfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt;
3 eine Schnittansicht eines Gassensors, der den Gasmessfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthält;
4 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels;
5 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß einer weiteren Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels;
6 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels;
8 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß einer weiteren Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels;
9 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 eine Schnittansicht eines Gasmessfühlers gemäß einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels;
11 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Versuch 1 der Erfindung;
12 eine grafische Darstellung der Ergebnisse von Versuch 2 der Erfindung; und
13 eine tabellarische Darstellung, die die Ergebnisse von Versuch 3 der Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1–13 bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass aus Gründen der Klarheit und des Verständnisses gleiche Bauteile mit gleichen Funktionen in verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung nach Möglichkeit in jeder Figur mit den gleichen Bezugszahlen markiert worden sind und dass zur Vermeidung von Redundanz die Beschreibung der gleichen Bauteile nicht wiederholt wird.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt den Gesamtaufbau eines Gasmessfühlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gasmessfühler 1 so aufgebaut, dass er als ein A/F-Verhältnis-Sensor (Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor) verwendet werden kann, der im Abgassystem einer Brennkraftmaschine eines Motorfahrzeugs angeordnet ist, um das A/F-Verhältnis eines der Kraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches abzufühlen. Und zwar bestimmt der A/F-Sensor das A/F-Verhältnis beruhend auf dem Grenzstrom, der zwischen Elektroden des Gasmessfühlers 1 fließt, wobei der Grenzstrom von der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas aus der Kraftmaschine abhängt.
Wie in 1 gezeigt ist, weist der Gasmessfühler 1 einen Festelektrolytkörper 11, eine Messelektrode 12, eine Bezugselektrode 13 und eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 auf. Der Festelektrolytkörper 11 hat Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein entgegen gesetztes Paar erster und zweiter Oberflächen (d. h. die obere und untere Fläche in 1). Die Messelektrode 12 ist so auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehen, dass sie einem Messgas (d. h. in diesem Ausführungsbeispiel dem Abgas aus der Kraftmaschine) ausgesetzt ist. Die Bezugselektrode 13 ist so auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehen, dass sie einem Bezugsgas (d. h. in diesem Ausführungsbeispiel Luft) ausgesetzt ist. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 ist auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 um die Messelektrode 12 herum vorgesehen, so dass das Messgas durch die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 hindurch zur Messelektrode 12 eingeleitet wird.
Wie sich aus 2 zusammen mit 1 ergibt, weist der Gasmessfühler 1 außerdem eine Einfangschicht 2 und eine Schutzschicht 3 auf. Die Einfangschicht 2 ist auf einer äußeren Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 ausgebildet, durch die das Messgas in die Schicht 14 strömt, um in dem Messgas enthaltene Giftstoffe einzufangen (oder einzusammeln). Die Schutzschicht 3 ist auf der Einfangschicht 2 ausgebildet. Die Schutzschicht 3 ist bei Zimmertemperatur hydrophil und bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper 11 aktiviert werden kann, wasserabweisend.
Im Folgenden wird der Aufbau des Gasmessfühlers 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, sind die Mess- und Bezugselektroden 12 und 13 jeweils auf der ersten und zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehen, der Sauerstoffionenleitfähigkeit hat. Der Festelektrolytkörper 11 besteht zum Beispiel aus Zirconiumoxid. Sowohl die Mess- als auch die Bezugselektrode 12 und 13 bestehen zum Beispiel aus Platin (Pt).
Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 besteht zum Beispiel aus gasdurchlässigem, porösem Aluminiumoxid. Die Diffusionswiderstandsschicht 14 hat einen Öffnungsabschnitt 149, der der Messelektrode 12 zugewandt ist.
Der Gasmessfühler 11 weist außerdem eine Abschirmschicht 15, eine Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 und ein Heizungssubstrat 17 auf. In dem Gasmessfühler 1 ist außerdem sowohl eine Messgaskammer 140 als auch eine Bezugsgaskammer 160 ausgebildet.
Die Abschirmschicht 15 ist auf der Oberfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 auf der entgegen gesetzten Seite zum Festelektrolytkörper 11 vorgesehen. Die Abschirmschicht 15 besteht zum Beispiel aus dichtem Aluminiumoxid, das gasundurchlässig und elektrisch isolierend ist.
Zwischen dem Festelektrolytkörper 11, dem Öffnungsabschnitt 149 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Abschirmschicht 15 ist ein Hohlraum ausgebildet, der die Messgaskammer 140 bildet. Während des Betriebs des Gasmessfehlers 1 füllt sich die Messgaskammer 140 mit dem Messgas, das über die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 in diese eingeleitet wird, weswegen die Messelektrode 12 entsprechend dem Messgas ausgesetzt ist.
Auf der zweiten Oberfläche (d. h. der unteren Fläche in 1) des Festelektrolytkörpers 11 ist die Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 vorgesehen. Die Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 besteht zum Beispiel aus dichtem Aluminiumoxid, das gasundurchlässig und elektrisch isolierend ist. In der Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 ist eine Vertiefung 169 ausgebildet, um die Bezugsgaskammer 160 zu bilden. Während des Betriebs des Gasmessfühlers 1 füllt sich die Bezugsgaskammer 160 mit dem Bezugsgas, das über eine (nicht gezeigte) Öffnung der Kammer 160 in diese eingeleitet wird, weswegen die Bezugselektrode 13 entsprechend dem Bezugsgas ausgesetzt ist.
Das Heizungssubstrat 17 ist auf der Oberfläche der Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 auf der entgegen gesetzten Seite zum Festelektrolytkörper 11 vorgesehen. In dem Heizungssubstrat 17 ist eine Vielzahl von elektrischen Heizelementen 171 vorgesehen, die der Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 zugewandt sind. Während des Starts der Kraftmaschine werden die Heizelemente 171 mit elektrischem Strom versorgt, wodurch der Gasmessfühler 1 auf seine Aktivierungstemperatur erwärmt wird.
Die Einfangschicht 2 ist auf der äußeren Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 ausgebildet, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht 14 strömt. Mit anderen Worten liegt die Einfangschicht 2 zwischen der äußeren Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Schutzschicht 3.
Die Einfangschicht 2 ist eine poröse Schicht, die sich aus Keramikteilchen 21 zusammensetzt, die hauptsächlich aus γ-Aluminiumoxid bestehen. Die Einfangschicht 2 ist so aufgebaut, dass sie in dem Messgas enthaltene Giftstoffe einfängt, etwa chemische Verbindungen, die aus den Bestandteilen eines Motoröls erzeugt werden, was P, Si, Ca und Zn einschließt. Die Einfangschicht 2 hat eine Dicke d2 von 100 μm und eine Porosität von 40%.
Die Schutzschicht 3 ist auf der Außenfläche der Einfangschicht 2 ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Schutzschicht 3 so vorgesehen, dass sie die äußere Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 bedeckt, wobei die Einfangschicht 2 zwischen der Schutzschicht 3 und der äußeren Seitenfläche 141 liegt. Die Schutzschicht 3 ist bei Zimmertemperatur, die im Allgemeinen im Bereich von 5–35°C liegt, hydrophil. Allerdings ist die Schutzschicht 3 bei Temperaturen von größer oder gleich 700°C, mit anderen Worten während des Betriebs des Gasmessfühlers 1, wasserabweisend. Die Schutzschicht 3 ist eine dichte Schicht, die sich aus Keramikteilchen 31 zusammensetzt, die hauptsächlich aus α-Aluminiumoxid bestehen. Die Schutzschicht 3 hat eine Oberflächenrauheit Ra von 1,5 μm, eine Dicke d3 von 30 μm und eine Porosität von 50%.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 3 ein Gassensor 8 beschrieben, in dem der Gasmessfühler 1 eingebaut ist.
Der Gassensor 8 weist neben dem Gasmessfühler 1 einen Isolator 81, ein Gehäuse 82, eine fußseitige Abdeckung 83 und eine kopfseitige Abdeckung 84 auf. Der Gasmessfühler 1 ist teilweise im Isolator 81 eingeführt und wird darin gehalten. Der Isolator 81 ist teilweise im Gehäuse 82 eingeführt und wird darin gehalten. Die fußseitige Abdeckung 83 ist an einem Fußende (d. h. am oberen Ende in 3) des Gehäuses 82 befestigt, um den Teil des Isolators 81 zu schützen, der aus dem Fußende des Gehäuses 81 vorragt. Die kopfseitige Abdeckung 84 ist an einem Kopfende (d. h. am unteren Ende in 3) des Gehäuses 82 befestigt, um den Teil des Gasmessfühlers 1 zu schützen, der aus dem Kopfende des Gehäuses 82 vorragt. Die kopfseitige Abdeckung 84 ist eine Doppelabdeckung, die aus einer Außenabdeckung 841 und einer Innenabdeckung 842 besteht. Die Innen- und Außenabdeckung 841 und 842 haben jeweils durch ihre End- und Seitenwände hindurch ausgebildete Durchgangslöcher 843. Während des Betriebs des Gassensors 8 wird das Messgas durch die Durchgangslöcher 843 der Innen- und Außenabdeckung 841 und 842 zum Gasmessfühler 1 eingeleitet.
Der oben beschriebene Gasmessfühler 1 dieses Ausführungsbeispiels hat die folgenden Vorteile.
Der Gasmessfühler 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel die Schutzschicht 3 auf, die so vorgesehen ist, dass sie die äußere Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 bedeckt.
Die Schutzschicht 3 ist bei Zimmertemperatur hydrophil. Bei der Durchführung einer Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler 1 ist es daher möglich, Wasser oder ein Flüssigkeitsgemisch aus Wasser und Alkohol ausreichend in Mikrorisse des Gasmessfühlers 1 eindringen zu lassen. Dadurch ist es möglich, präzise die Superisolierungsprüfung für den Gasmessfühler 1 durchzuführen.
Darüber hinaus ist die Schutzschicht 3 bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper 11 aktiviert werden kann, wasserabweisend. Mit anderen Worten ist die Schutzschicht 3 während des Betriebs des Gasmessfühlers 1 wasserabweisend. Wenn sich Wassertröpfchen der Schutzschicht 3 nähern, werden die Wassertröpfchen daher sofort von der Schutzschicht 3 abgewiesen. Folglich ist es möglich, die Temperaturabnahme des Gasmessfühlers 1 in Folge der Wassertröpfchen zu unterdrücken, wodurch das Auftreten eines schroffen Temperaturwechsels im Gasmessfühler 1 verhindert wird. Dadurch ist es möglich, eine wasserinduzierte Rissbildung des Gasmessfühlers 1 zu verhindern.
Da die Diffusionswiderstandsschicht 14 eine poröse Schicht ist, fällt es Wassertröpfchen im Allgemeinen während des Betriebs des Gasmessfühlers 1 leicht, sich in die Diffusionswiderstandsschicht 14 auszubreiten, wodurch es in der Diffusionswiderstandsschicht 14 zu einem schroffen Temperaturwechsel kommt. Allerdings ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Schutzschicht 3 vorgesehen, die die äußere Seitenfläche 141 bedeckt, durch die das Messgas in die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 strömt. Folglich ist es mit der Schutzschicht 3 möglich, die Ausbreitung von Wassertröpfchen in die Diffusionswiderstandsschicht 14 zu blockieren, wodurch das Auftreten eines schroffen Temperaturwechsels in der Diffusionswiderstandsschicht 14 verhindert wird.
Da die Schutzschicht 3 bei hohen Temperaturen wasserabweisend ist, ist es zudem unnötig, die Dicke d3 der Schutzschicht 3 zum Verhindern der wasserinduzierten Rissbildung des Gasmessfühlers 1 groß einzustellen. Mit anderen Worten ist es möglich, die Dicke d3 der Schutzschicht 3 klein einzustellen. Folglich ist es möglich, die Wärmekapazität des Gasmessfühlers 1 zu unterdrücken, wodurch eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers 1 gewährleistet wird.
Die Schutzschicht 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Oberflächenrauheit Ra von kleiner oder gleich 3,0 μm. Wenn sich die Wassertröpfchen bei hohen Temperaturen der Schutzschicht 3 nähern, ist es folglich möglich, zuverlässig den Leidenfrost-Effekt an der Schutzschicht 3 auszulösen, wodurch die Schutzschicht 3 wasserabweisend wird.
Die Dicke d3 der Schutzschicht 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel so eingestellt, dass sie in den Bereich von 20 bis 150 μm fällt. Folglich ist es möglich, sowohl eine prompte Aktivierung als auch ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers 1 zu gewährleisten.
Die Schutzschicht 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Porosität im Bereich von 10 bis 50%. Folglich ist es möglich, eine ausreichende Gasdurchlässigkeit der Schutzschicht 3 und somit ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers 1 zu gewährleisten, während eine hohe Festigkeit der Schutzschicht 3 gewährleistet wird.
Die Schutzschicht 3 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Keramik, die sich hauptsächlich aus α-Aluminiumoxid zusammensetzt. Da α-Aluminiumoxid hydrophil ist, ist es möglich, die Schutzschicht 3 bei Zimmertemperatur zuverlässig hydrophil zu machen. Da α-Aluminiumoxid bei hohen Temperaturen kaum oxidiert, es darüber hinaus möglich, in einer frühen Phase präzise die Konzentration von Sauerstoff (d. h. eines bestimmten Bestandteils) in dem Abgas (d. h. im Messgas) abzufühlen. Folglich ist es möglich, eine Verlängerung der Aktivierungszeit des Gasmessfühlers 1 (d. h. der Zeitdauer ab dann, wenn die Aktivierung des Gasmessfühlers 1 startet, bis dann, wenn der Gasmessfühler 1 dazu in der Lage ist, die Sauerstoffkonzentration im Abgas präzise abzufühlen) in Folge einer Oxidation der die Schutzschicht 3 bildenden Keramik zu verhindern, wodurch eine prompte Aktivierung des Gasmessfühlers 1 gewährleistet wird.
Es sollte beachtet werden, dass die die Schutzschicht 3 bildende Keramik auch Titanoxid, Zirconiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zinkoxid einschließen kann.
In diesem Ausführungsbeispiel weist der Gasmessfühler 1 die Einfangschicht 2 auf, die zwischen der äußeren Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Schutzschicht 3 liegt, um in dem Messgas enthaltene Giftstoffe einzufangen. Folglich kann verhindert werden, dass die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 verstopft und die Messelektrode 13 durch die in dem Messgas enthaltenen Giftstoffe vergiftet wird, wodurch eine hohe Genauigkeit, ein gutes Ansprechverhalten und ein stabiles Ausgangssignal des Gasmessfühlers 1 gewährleistet werden.
Abwandlung 1
Im vorherigen Ausführungsbeispiel sind, wie in 1 gezeigt ist, sowohl die Einfangschicht 2 als auch die Schutzschicht 3 so ausgebildet, dass sie nur die äußere Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 bedecken.
Wie in 4 gezeigt ist, ist es allerdings auch möglich, sowohl die Einfangschicht 2 als auch die Schutzschicht 3 so auszubilden, dass sie sich über den gesamten Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 erstrecken.
Auch wenn dies grafisch nicht gezeigt ist, ist es abgesehen davon auch möglich, nur entweder die Einfangschicht 2 oder die Schutzschicht 3 so auszubilden, dass sie sich über den gesamten Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 erstreckt, während die andere Schicht so ausgebildet wird, dass sie nur die äußere Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 bedeckt.
Abwandlung 2
Im vorherigen Ausführungsbeispiel liegt, wie in 1 gezeigt ist, die Einfangschicht 2 zwischen der äußeren Seitenfläche 141, der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der Schutzschicht 3.
Wie in 5 gezeigt ist, ist es allerdings auch möglich, in dem Gasmessfühler 1 die Einfangschicht 2 weg zu lassen, wobei die Schutzschicht 3 direkt auf der äußeren Seitenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 ausgebildet wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
6 zeigt den Gesamtaufbau eines Gasmessfühlers 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in 6 gezeigt ist, weist der Gasmessfühler 1 in diesem Ausführungsbeispiel neben dem Festelektrolytkörper 11, der Messelektrode 12, der Bezugselektrode 13 und der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 eine Pumpzelle 4 auf.
Es sollte beachtet werden, dass in 6 die Bezugsgaskammer 160 nicht gezeigt ist. Abgesehen davon sind in diesem Ausführungsbeispiel der Festelektrolytkörper 11 und die Mess- und Bezugsgaselektrode 12 und 13 in der Vertiefung 169 der Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 vorgesehen, wobei die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 auf der Oberfläche der Bezugsgaskammer-Bildungsschicht 16 entgegen gesetzt zum Heizungssubstrat 17 vorgesehen ist.
Die Pumpzelle 4 dient dazu, die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 140 einzustellen. Die Pumpzelle setzt sich aus einem Festelektrolytkörper 41 mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und einem Paar Elektroden 42 und 43 zusammen.
Die Elektrode 42 ist so auf einer Oberfläche (d. h. der unteren Fläche in 6) des Festelektrolytkörpers 41 vorgesehen, dass sie der Messgaskammer 140 zugewandt ist, während die Elektrode 43 so auf seiner anderen Oberfläche (d. h. der oberen Fläche in 6) vorgesehen ist, dass sie einer (in 6 nicht gezeigten) Bezugsgaskammer der Pumpzelle 4 zugewandt ist. Während des Betriebs des Gasmessfühlers 1 wird die Bezugsgaskammer der Pumpzelle 4 ebenfalls mit dem Bezugsgas (d. h. in diesem Ausführungsbeispiel Luft) gefüllt.
Darüber hinaus weist der Gasmessfühler 1 außerdem eine auf der Elektrode 43 der Pumpzelle 4 vorgesehene poröse Diffusionswiderstandsschicht 44 und eine Abstandsschicht 18 auf, die auf der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 um sowohl die Pumpzelle 4 als auch die poröse Diffusionswiderstandsschicht 44 herum vorgesehen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 3 über dem gesamten Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 ausgebildet.
Der Gasmessfühler 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat die gleichen Vorteile wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
Abwandlung 3
In dieser Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels gibt es, wie in 7 gezeigt ist, außerdem ein durch die Pumpzelle 4 hindurch ausgebildetes Verbindungsloch 45. Das Verbindungsloch 45 verläuft zwischen dem Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 und der Messgaskammer 140, um das Messgas in die Messgaskammer 140 einzuleiten. Darüber hinaus ist die Schutzschicht 3 bei dieser Abwandlung mit Ausnahme der Öffnung des Verbindungsloches 45 über dem gesamten Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 ausgebildet.
Abwandlung 4
Bei dieser Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels gibt es, wie in 8 gezeigt ist, außerdem ein durch die Pumpzelle 4 hindurch ausgebildetes Verbindungsloch 45. Das Verbindungsloch 45 verläuft zwischen dem Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 und der Messgaskammer 140, um das Messgas in die Messgaskammer 140 einzuleiten. Allerdings fehlt bei dieser Abwandlung im Gasmessfühler 1 die poröse Diffusionswiderstandsschicht 44.
Darüber hinaus ist die Schutzschicht 3 bei dieser Abwandlung ebenfalls mit Ausnahme der Öffnung des Verbindungsloches 45 über dem gesamten Außenumfang 100 des Gasmessfühlers 1 ausgebildet.
Drittes Ausführungsbeispiel
9 zeigt den Gesamtaufbau eines Gasmessfühlers 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in 9 gezeigt ist, ist der Gasmessfühler 1 als ein becherförmiger Gasmessfühler aufgebaut. Im Vergleich dazu waren die Gasmessfühler 1 gemäß den vorherigen Ausführungsbeispielen vom Schichttyp.
Genauer gesagt weist der Gasmessfühler 1 in diesem Ausführungsbeispiel einen becherförmigen Festelektrolytkörper 11, eine auf der Außenfläche des Festelektrolytköpers 11 vorgesehene Messelektrode 12, eine auf der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehene Bezugselektrode 13, eine poröse Diffusionswiderstandsschickt 14, eine Einfangschicht 2 und eine Schutzschicht 3 auf.
Der Festelektrolytkörper 11 hat Sauerstoffionenleitfähigkeit und eine in sich ausgebildete Bezugsgaskammer 160. Innerhalb der Bezugsgaskammer 160 ist ein elektrisches Heizelement 171 angeordnet.
Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 ist über die gesamte Außenfläche des Festelektrolytkörpers 11 ausgebildet, wobei sie die Messelektrode 12 bedeckt. Während des Betriebs des Gasmessfühlers 1 wird durch die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 ein Messgas zur Messelektrode 12 eingeleitet.
Die Einfangschicht 2 und die Schutzschicht 3 sind auf der Außenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 in Schichten ausgebildet, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht 14 strömt, so dass sie die Außenfläche 41 vollständig bedecken. Das heißt, dass die Schutzschicht 3 in diesem Ausführungsbeispiel über dem gesamten Außenumfang des Gasmessfühlers 1 ausgebildet ist.
Der Gasmessfühler 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat ebenfalls die gleichen Vorteile wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
Abwandlung 5
Bei dieser Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels fehlt, wie in 10 gezeigt ist, im Gasmessfühler 1 die Einfangschicht 2, so dass die Schutzschicht 3 direkt auf der Außenfläche 141 der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 ausgebildet ist.
Versuch 1
Dieser Versuch erfolgte, um in einem erfindungsgemäßen Gasmessfühler einen bevorzugten Bereich für die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht zu bestimmen.
In dem Versuch wurde eine Vielzahl von Gasmessfühlermustern angefertigt, von denen jedes den gleichen Grundaufbau wie der Gasmessfühler 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe 1 und 2) hatte. Allerdings wurde bei diesen Mustern die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht geändert.
In dem Versuch wurde jedes Muster durch die folgenden Schritte geprüft.
Im ersten Schritt wurde eine vorgegebene Menge Wasser auf das Muster tropfen gelassen, das zuvor auf 700°C erhitzt worden war.
Im zweiten Schritt wurde unter Durchführung einer A/F-Verhältnis-Prüfung und einer Superisolierungsprüfung für das Muster überprüft, ob in dem Muster eine wasserinduzierte Rissbildung aufgetreten war.
Und zwar erfolgte die A/F-Verhältnis-Prüfung, indem ab dann, als noch kein Wasser auf das Muster getropft war, kontinuierlich das von dem Muster erfasste A/F-Verhältnis überwacht wurde. Wenn das A/F-Verhältnis um 5% zunahm, wurde festgestellt, dass in dem Muster eine wasserinduzierte Rissbildung stattgefunden hatte. Darüber hinaus erfolgte die Superisolierungsprüfung durch: (1) einminütiges Eintauchen des Musters in ein Flüssigkeitsgemisch aus (Wasser: Ethanol 4:1); (2) Anlegen einer Spannung von 500 V entlang der Mess- und Bezugselektrode des Musters; und (3) Messen des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden. Wenn der elektrische Widerstand zwischen den beiden Elektroden des Musters unter 10 MΩ gesunken war, wurde festgestellt, dass in dem Muster eine wasserinduzierte Rissbildung stattgefunden hatte.
In dem dritten Schritt wurde das Muster getrocknet, falls noch keine wasserinduzierte Rissbildung stattgefunden hatte.
Die obigen Schritte wurden wiederholt, indem allmählich die auf das Muster zu tropfende Wassermenge erhöht wurde, bis es in dem Muster zu einer wasserinduzierten Rissbildung kam. Dann wurde die letzte Wassermenge als die zur Rissauslösung in dem Muster nötige Wassermenge aufgezeichnet.
Die Versuchsergebnisse für sämtliche Muster sind in 11 angegeben, wobei die horizontale Achse die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht (Einheit: μm) und die vertikale Achse die zur Rissauslösung nötige Wassermenge (Einheit: μl) angibt.
Wie anhand von 11 zu erkennen ist, betrog die zur Rissauslösung nötige Wassermenge mehr als 10 μl, wenn die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht kleiner oder gleich 3,0 μm war. Mit einer Erhöhung der Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht über 3,0 μm hinaus, nahm die zur Rissauslösung nötige Wassermenge jedoch rasch ab.
Daraus ergibt sich dementsprechend, dass es zum zuverlässigen Verhindern einer wasserinduzierten Rissbildung in einem Gasmessfühler vorzuziehen ist, die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht des Gasmessfühlers auf kleiner oder gleich 3,0 μm einzustellen.
Abgesehen davon hat die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht eine Korrelation mit dem mittleren Teilchendurchmesser der Keramikteilchen, die die Schutzschicht bilden. Im Hinblick auf eine geeignete Einstellung des mittleren Teilchendurchmessers, der ein gutes Ansprechverhalten des Gasmessfühlers sicherstellt, ist es daher vorzuziehen, die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht auf größer oder gleich 0,6 μm einzustellen.
Versuch 2
Dieser Versuch erfolgte, um in einem erfindungsgemäßen Gasmessfühler einen bevorzugten Bereich für die Dicke der Schutzschicht zu bestimmen.
In dem Versuch wurde eine Vielzahl von Paaren identischer Gasmessfühlermuster angefertigt, von denen jedes den gleichen Grundaufbau wie der Gasmessfühler 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe 1 und 2) hatte. Allerdings wurde die Dicke der Schutzschicht für diese Musterpaare geändert.
In dem Versuch wurde jedes Paar identischer Gasmessfühlermuster durch die folgenden Schritte geprüft.
Im ersten Schritt wurden ein Bezugsgassensor und ein Vergleichsgassensor angefertigt, die jeweils die beiden identischen Muster umfassten.
Im zweiten Schritt wurden sowohl der Bezugs- als auch der Vergleichsgassensor an einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angebracht. Dann wurde den Heizelementen des Bezugsgassensors elektrischer Strom zugeführt, wodurch dem Bezugsgassensor ermöglicht wurde, das aktuelle A/F-Verhältnis auszugeben.
Im dritten Schritt wurde die Kraftmaschine gestartet, und das A/F-Verhältnis des der Kraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches wurde so eingestellt, dass sich ein A/F-Verhältnis-Ausgangssignal aus dem Bezugsgassensor von 16 ergab.
Im vierten Schritt wurde auch den Heizelementen des Vergleichsgassensors elektrischer Strom zugeführt. Dann wurde die Zeitdauer, ab dann, als die Zufuhr elektrischen Stroms zu den Heizelementen des Vergleichsgassensors gestartet wurde, bis dann, als das A/F-Verhältnis-Ausgangssignal aus dem Vergleichsgassensor 16 betrug, als die Aktivierungszeit des im Vergleichsgassensor enthaltenen Gasmessfühlermusters gemessen.
Die Versuchsergebnisse sämtlicher Gasmessfühlermuster sind in 12 angegeben, wobei die horizontale Achse die Dicke der Schutzschicht (Einheit: μm) und die vertikale Achse die Aktivierungszeit (Einheit: s) angibt.
Wie anhand von 12 zu erkennen ist, war die Aktivierungszeit kürzer als 4 s, wenn die Dicke der Schutzschicht kleiner oder gleich 150 μm war. Allerdings stieg die Aktivierungszeit mit einem Anstieg der Dicke der Schutzschicht jenseits von 150 μm rasch auf über 4 s an.
Daraus ergibt sich dementsprechend, dass es zum Gewährleisten einer prompten Aktivierung eines Gasmessfehlers vorzuziehen ist, die Dicke der Schutzschicht auf kleiner oder gleich 150 μm einzustellen.
Abgesehen davon hat die Dicke der Schutzschicht eine Korrelation mit der Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht. Im Hinblick auf ein zuverlässiges Einstellen der Oberflächenrauheit Ra auf kleiner oder gleich 3,0 μm, ist es daher vorzuziehen, die Dicke der Schutzschicht auf größer oder gleich 20 μm einzustellen.
Versuch 3
Dieser Versuch erfolgte, um die Leistungsfähigkeit von erfindungsgemäßen Gasmessfühlern zu untersuchen.
In dem Versuch wurden Gasmessfühlermuster E1–E14 und C1–C4 angefertigt, von denen jedes den gleichen Grundaufbau wie der Gasmessfühler 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (siehe 1 und 2) hatte. Sämtliche Muster E1–E14 entsprachen der Erfindung, unterschieden sich aber voneinander im Hinblick auf mindestens eines der Merkmale Material der Schutzschicht, Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht und Dicke der Schutzschicht. Andererseits entsprach keines der Muster C1–C4 der Erfindung, sondern diente nur dem Vergleich. Die Einzelheiten sämtlicher Muster E1–E14 und C1–C4 sind in 13 angegeben.
In dem Versuch wurde jedes der Muster E1–E14 und C1–C4 wie folgt geprüft und im Hinblick auf seine Fähigkeit zum Verhindern einer wasserinduzierten Rissbildung, der Aktivierungszeit, dem Ansprechverhalten und der Haltbarkeit gegenüber Giftstoffen beurteilt.

(1) Für jedes Muster wurde auf die gleiche Weise, wie im Versuch 1 beschrieben wurde, die zur Rissauslösung in dem Muster nötige Wassermenge gemessen. Dann wurde das Muster im Hinblick auf die Fähigkeit, eine wasserinduzierte Rissbildung zu verhindern, als bevorzugtes Muster beurteilt, wenn die gemessene nötige Wassermenge größer oder gleich 10 μl war, und ansonsten wurde es als nicht bevorzugtes Muster beurteilt.
(2) Für jedes Muster wurde auf die gleiche Weise, wie im Versuch 2 beschrieben wurde, die Aktivierungszeit des Musters gemessen. Dann wurde das Muster als bevorzugtes Muster beurteilt, wenn die gemessene Aktivierungszeit kürzer oder gleich 4 s war, und ansonsten wurde es als nicht bevorzugtes Muster beurteilt.
(3) Für jedes Muster wurde wie folgt die Ansprechzeit des Musters gemessen. Zunächst wurde das Muster an einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angebracht. Dann wurde, während die Drehzahl der Kraftmaschine bei 2000 U/min und die Temperatur des Musters bei etwa 730°C gehalten wurden, das A/F-Verhältnis des durch das Abgasrohr strömenden Abgases abwechselnd zwischen 14 (d. h. fett) und 15 (d. h. mager) geändert, wobei die Verzögerung bei der Änderung des Ausgangssignals des Musters in Folge der abwechselnden Änderung des A/F-Verhältnisses als Ansprechzeit des Musters gemessen wurde. Danach wurde das Muster im Hinblick auf das Ansprechverhalten als bevorzugtes Muster beurteilt, wenn die gemessene Ansprechzeit kürzer oder gleich 200 ms war, und ansonsten wurde es als nicht bevorzugtes Muster beurteilt.
(4) Für jedes Muster wurden wie folgt das Ansprechverhalten und die LC-Kennlinie (Grenzstrom-Kennlinie) des Musters in einer giftigen Atmosphäre beurteilt.

Zunächst wurde das Muster an einem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angebracht, und die Kraftmaschine wurde mit einem Benzinkraftstoff laufen gelassen, dessen Siliziumgehalt (Si-Gehalt) 0,5 cm³/l betrug.
Während die Drehzahl der Kraftmaschine bei 2000 U/min und die Temperatur des Musters bei etwa 730°C gehalten wurden, wurde dann das A/F-Verhältnis des durch das Abgasrohr strömenden Abgases abwechselnd zwischen 13 (d. h. fett) und 18 (d. h. mager) geändert, wobei die Verzögerung bei der Änderung des Ausgangssignals des Musters in Folge der abwechselnden Änderung des A/F-Verhältnisses als Ansprechzeit des Musters gemessen wurde.
Danach wurde das Ansprechverhalten des Musters als zufrieden stellend beurteilt, wenn die gemessene Ansprechzeit kürzer oder gleich 300 ms war, und ansonsten wurde es als nicht zufrieden stellend beurteilt.
Darüber hinaus wurden die Grenzströme des Musters beim A/F-Verhältnis von 13 und beim A/F-Verhältnis von 18 gemessen. Dann wurde die LC-Kennlinie des Musters als zufrieden stellend beurteilt, wenn der gemessene Grenzstrom beim A/F-Verhältnis von 13 innerhalb von (–0,26 ± 0,067 mA) und der gemessene Grenzstrom beim A/F-Verhältnis von 18 innerhalb von (0,3 ± 0,036 mA) lag, und ansonsten wurde sie als nicht zufrieden stellend beurteilt.
Des Weiteren wurde das Muster im Hinblick auf seine Haltbarkeit gegenüber Giftstoffen als bevorzugtes Muster beurteilt, wenn sowohl das Ansprechverhalten als auch die LC-Kennlinie als zufrieden stellend beurteilt wurden, und ansonsten wurde es als nicht bevorzugtes Muster beurteilt.
Die Beurteilungsergebnisse für sämtliche Muster E1–E14 und C1–C4 sind in 13 zusammengefasst, wobei die Symbole „o” und „Δ” jeweils „bevorzugt” und „nicht bevorzugt” bezeichnen.
Wie anhand von 13 zu erkennen ist, wurde jedes der erfindungsgemäßen Muster E1–E14 im Hinblick auf seine Fähigkeit zur Verhinderung einer wasserinduzierten Rissbildung, der Aktivierungszeit, dem Ansprechverhalten und der Haltbarkeit gegenüber Giftstoffen als bevorzugtes Muster beurteilt.
Im Vergleich dazu wurde das Muster C1, dessen Dicke der Schutzschicht außerhalb des bevorzugten Bereichs von 20 bis 150 μm lag, im Hinblick auf sowohl die Aktivierungszeit als auch das Ansprechverhalten als nicht bevorzugtes Muster beurteilt. Das Muster C2, bei dem die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht mehr als 3,0 μm betrug, wurde im Hinblick auf seine Fähigkeit zur Verhinderung einer wasser-induzierten Rissbildung als nicht bevorzugtes Muster beurteilt. Darüber hinaus wurden die beiden Muster C3 und C4, bei denen das Material der Schutzschicht nicht hydrophil (d. h. hydrophob) war, im Hinblick auf die Aktivierungszeit als nicht bevorzugtes Muster beurteilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-171013 [0006]
JP 240559 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS B 0601:2001 [0023]
ISO 4287:1997 [0023]

Claims

Gasmessfühler mit: einem Festelektrolytkörper, der Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein entgegen gesetztes Paar erster und zweiter Oberflächen hat; einer Messelektrode, die so auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, dass sie einem Messgas ausgesetzt ist; einer Bezugselektrode, die so auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, dass sie einem Bezugsgas ausgesetzt ist; und einer porösen Diffusionswiderstandsschicht, durch die das Messgas zur Messelektrode eingeleitet wird, wobei die poröse Diffusionswiderstandsschicht eine Außenfläche hat, durch die das Messgas in die Diffusionswiderstandsschicht strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmessfühler außerdem eine Schutzschicht umfasst, die so vorgesehen ist, dass sie zumindest die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt, wobei die Schutzschicht bei Zimmertemperatur hydrophil und bei hohen Temperaturen, bei denen der Festelektrolytkörper aktiviert werden kann, wasserabweisend ist.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, wobei die Schutzschicht eine Oberflächenrauheit Ra von kleiner oder gleich 3,0 μm hat.
Gasmessfühler wie in Anspruch 2, wobei die Oberflächenrauheit Ra der Schutzschicht größer oder gleich 0,6 μm ist.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, wobei die Schutzschicht aus einer Keramik besteht, die mindestens einen der Stoffe α-Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zinkoxid umfasst.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, wobei die Schutzschicht eine Dicke im Bereich von 20 bis 150 μm hat.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, wobei die Schutzschicht über einem gesamten Außenumfang des Gasmessfühlers ausgebildet ist.
Gasmessfühler wie in Anspruch 6, wobei ein Abschnitt der Schutzschicht, der nicht die Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedeckt, eine Dicke von kleiner oder gleich 10 μm hat.
Gasmessfühler wie in Anspruch 7, wobei die Dicke des Abschnitts der Schutzschicht größer oder gleich 5 μm ist.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, mit außerdem einer Einfangschicht, die zwischen der Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht und der Schutzschicht liegt, um Giftstoffe einzufangen, die in dem Messgas enthalten sind.
Gasmessfühler wie in Anspruch 1, wobei die Schutzschicht eine Porosität im Bereich von 10 bis 50% hat.