DE102011075755A1

DE102011075755A1 - Gassensorelement und damit ausgestatteter Gassensor

Info

Publication number: DE102011075755A1
Application number: DE102011075755A
Authority: DE
Inventors: Kiyomi Kobayashi; Zhenzhou Su
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: CN102243211A; JP2011237356A; DE102011075755B4; US8597481B2; US20110278169A1; CN102243211B; JP5182321B2

Abstract

Ein Gassensorelement mit einem Bodenabschnitt besteht zumindest aus einem Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, einer Referenzelektrode, einer Erfassungselektrode, einer Elektrodenschutzschicht, die einen Edelmetallkatalysator trägt, und einer Heizeinrichtung. Die Elektrodenschutzschicht besteht aus einer Beschichtungsschicht, einer Katalysatorschicht und einer Vergiftungsschicht. Eine Menge des in der Elektrodenschutzschicht an dem Bodenabschnitt des Gassensorelements getragenen Edelmetallkatalysators ist größer als die der Elektrodenschutzschicht an einem Schenkelabschnitt des Gassensors. Der Bodenabschnitt des Gassensorelements hat eine höhere Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit als der Schenkelabschnitt, wenn die Heizeinrichtung eine Wärmeenergie erzeugt.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung ist verwandt mit der am 13. Mai 2010 eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2010-110780 und beansprucht deren Priorität, deren Inhalt hiermit unter Bezugnahme eingegliedert ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gassensorelemente, die in der Lage sind, eine Konzentration einer bestimmten Gaskomponente zu erfassen, die in einem Zielerfassungsgas, etwa einem von einer Brennkraftmaschine emittierten Abgas enthalten ist, und bezieht sich auf mit dem Gassensorelement ausgestattete Gassensoren.
2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Beispielsweise ist ein herkömmlicher Gassensor mit einem Gassensorelement ausgestattet. Beispielsweise ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nr. JP 2006-38496 ein solcher herkömmlicher Gassensor offenbart. Das Gassensorelement in dem Gassensor besteht aus einem Festelektrolytkörper, einer Erfassungselektrode, einer Referenzelektrode, einer porösen Elektrodenschutzschicht und einer porösen Antivergiftungsschicht. Der Festelektrolytkörper hat eine Sauerstoffionenleitfähigkeit. Die Erfassungselektrode ist an einer Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet und ist mit einem Zielerfassungsgas in Kontakt. Die Referenzelektrode ist an der anderen Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet und ist mit einem Referenzgas in Kontakt. Die Erfassungselektrode ist mit der porösen Elektrodenschutzschicht bedeckt. Die poröse Elektrodenschutzschicht trägt Katalysatormetallpartikel. Die poröse Elektrodenschutzschicht ist mit der porösen Antivergiftungsschicht bedeckt. Die poröse Antivergiftungsschicht schützt die Katalysatormetallpartikel vor einer Vergiftung.
Der herkömmliche Gassensor mit der vorstehenden Struktur kann als ein Gassensor verwendet werden, der eine Konzentration von Sauerstoff oder Stickoxid NOx erfasst, welches in einem von einer Brennkraftmaschine eines Motorkraftfahrzeugs emittierten Abgas enthalten ist. Während des Anfangs des Kraftmaschinenstarts enthält das Abgas eine große Menge Wasserstoff. Im Allgemeinen bewegt sich Wasserstoff verglichen mit anderen Gaskomponenten, etwa in dem Zielerfassungsgas enthaltener Sauerstoff, bei hoher Geschwindigkeit durch die Elektrodenschutzschicht in dem Gassensorelement. Da ein solcher Wasserstoff die Erfassungselektrode erreicht und mit ihr reagiert, bevor andere Gaskomponenten die Erfassungselektrode erreichen, verursacht der Gassensor dementsprechend häufig eine fehlerhafte Erfassung und erfasst einen falschen λ-Punkt, der bezüglich eines richtigen λ-Punkts versetzt ist. Das heißt, in dem herkömmlichen Gassensor besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass ein λ-Versatz verursacht wird.
Um ein solches Problem eines solchen λ-Versatzes zu vermeiden sind bei dem herkömmlichen Gassensor, wie er beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nr. JP 2006-38496 offenbart ist, Katalysatormetallpartikel auf die Elektrodenschutzschicht aufgetragen. Diese Struktur des herkömmlichen Gassensorelements bringt in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Wasserstoff zwangsweise mit den an der Elektrodenschutzschicht aufgetragenen Katalysatormetallpartikeln in Reaktion und diese Struktur verhindert, dass Wasserstoff die Erfassungselektrode erreicht.
Im Übrigen besteht ein topfförmiger Gassensor mit den vorstehenden Eigenschaften aus einem Schenkelabschnitt als der Festelektrolytkörper mit einer sich in Achsrichtung erstreckenden Zylinderform und einem Bodenabschnitt (oder geschlossener Basis), mit der der vordere Teil des Schenkelabschnitts geschlossen ist. Bei einem solchen topfförmigen Gassensor ist ein längliches Heizelement in das Innere des Festelektrolytkörpers eingesetzt und dort platziert. Wenn das längliche Heizelement elektrische Energie aufnimmt, erzeugt es in dem Gassensorelement Wärmeenergie und die Wärmeenergie aktiviert Sauerstoffionenleitfähigkeits- und Katalysatorschichtreaktionseigenschaften des Festelektrolytkörpers.
Während des Anfangs des Kraftmaschinenstarts ist das Abgas als das Zielerfassungsgas reich an Wasserstoff und der Bodenabschnitt an der vorderen Seite des Gassensorelements hat verglichen mit dem Schenkelabschnitt eine hohe Temperaturanstiegsgeschwindigkeit. Als ein Ergebnis hat das Gassensorelement eine Temperaturänderungsverteilung und hat keine einheitliche Temperaturverteilung.
Dementsprechend ist es während des Anfangs des Kraftmaschinenstarts schwierig, auf adäquate Weise zu unterdrücken, dass der Wasserstoff die Erfassungselektrode erreicht, da die an dem Bodenabschnitt platzierten Katalysatormetallpartikel schnell aktiviert werden. Es ist daher schwierig, ein solches Problem eines λ-Versatzes zu vermeiden.
Da außerdem in dem Katalysator adsorbiertes Gas vermehrt wird und andererseits die Diffusionsgeschwindigkeit des Zielerfassungsgases abnimmt, wenn die Menge des an der Katalysatorschicht getragenen Katalysators in der Elektrodenschutzschicht erhöht wird, werden die Ansprecheigenschaften des Gassensorelements häufig verschlechtert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der mit einem Gassensorelement mit besseren Ansprecheigenschaften und einem kleineren Problem eines λ-Versatzes bereitzustellen.
Um den vorgenannten Zweck zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Gassensorelement bereit, das einen Festelektrolytkörper, eine Referenzelektrode, eine Erfassungselektrode, eine Elektrodenschutzschicht und eine Heizeinrichtung aufweist. Der Festelektrolytkörper hat Ionenleitfähigkeitseigenschaften. Der Festelektrolytkörper hat eine zylindrische Form und einen Bodenabschnitt (oder eine geschlossene Basis). Die Referenzelektrode ist an einer Innenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Erfassungselektrode ist an einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Elektrodenschutzschicht bedeckt die Außenfläche des Festelektrolytkörpers mit der Erfassungselektrode und trägt einen Edelmetallkatalysator. Ein Zielerfassungsgas passiert die Elektrodenschicht. Das Heizelement ist in das Innere des Festelektrolytkörpers eingesetzt und dort platziert und erzeugt Wärmeenergie, wenn es elektrische Leistung aufnimmt. Genauer gesagt hat ein vorderer Abschnitt des Gassensorelements einen Schenkelabschnitt und einen Bodenabschnitt. Der Schenkelabschnitt ist parallel zu einer Achsrichtung des Gassensorelements ausgebildet. Ein äußeres Profil eines Querschnitts des Schenkelabschnitts hat eine geradlinige Form. Dieser Querschnitt des Schenkelabschnitts verläuft senkrecht zu der Achsrichtung des Gassensors. Ein Außenprofil eines Querschnitts des Bodenabschnitts hat eine gekrümmte Form. Die Erfassungselektrode ist eine vollflächige Elektrode oder eine partielle Elektrode. Die vollflächige Elektrode ist an der gesamten Außenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die partielle Elektrode ist an dem Schenkelabschnitt des Festelektrolytkörpers nicht aber an dem Bodenabschnitt dessen Außenfläche ausgebildet. Der Bodenabschnitt der Elektrodenschutzschicht hat eine erste Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit wenn die Heizeinrichtung Wärmeenergie erzeugt. Der Schenkelabschnitt der Elektrodenschutzschicht hat eine zweite Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit, wenn die Heizeinrichtung Wärmeenergie erzeugt. Der Bodenabschnitt der Elektrodenschutzschicht mit der ersten Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit hat eine erste Menge des Edelmetallkatalysators. Der Schenkelabschnitt der Elektrodenschutzschicht mit der zweiten Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit hat eine zweite Menge des Edelmetallkatalysators. Die erste Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit ist höher als die zweite Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit. Die erste Menge des Edelmetallkatalysators ist größer als die zweite Menge des Edelmetallkatalysators.
Wenn die Heizeinrichtung den Festelektrolytkörper des Gassensorelements aufwärmt unmittelbar nachdem der Gassensor mit dem Betrieb startet, hat der Festelektrolytkörper einen Abschnitt mit einer hohen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit und einen Abschnitt mit einer niedrigen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit. Das heißt, der Festelektrolytkörper hat eine Temperaturverteilung. Wenn die Heizeinrichtung Wärmeenergie erzeugt, wird der Abschnitt, etwa der Bodenabschnitt, der die hohe Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit aufweist, schnell aktiviert. Der Abschnitt mit der hohen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit fördert die Ausgabe des Gassensorelements mehr als der Abschnitt mit der niedrigen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit, etwa der Schenkelabschnitt.
Wenn andererseits das zu erfassende Zielerfassungsgas von einer Brennkraftmaschine emittiertes Abgas ist, dann ist das Zielgas während des Anfangs des Kraftmaschinenstarts reich an Wasserstoff. In dem Abgas enthaltener Wasserstoff hat eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit in der Elektrodenschutzschicht des Gassensorelements. Im Allgemeinen besteht eine Tendenz zum Versetzen eines λ-Punkts des Gassensorelements beim Start der Kraftmaschine in Richtung einer mageren Seite. Das heißt, der Versatz des λ-Punkts tritt beim Start der Kraftmaschine häufig in dem Gassensorelement auf.
Um das vorgenannte Problem zu lösen, hat das Gassensorelement gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Struktur, in welcher der Bodenabschnitt mit der hohen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine große Menge des Edelmetallkatalysators aufweist. Dementsprechend ist es möglich, dass der Bodenabschnitt mit der hohen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit auf adäquate Weise mit dem in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Wasserstoff reagiert. Dies macht es möglich, den Einfluss des Wasserstoffs auf die Erfassungselektrode zu unterdrücken.
Da außerdem der Schenkelabschnitt mit der niedrigen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine niedrige Menge des Edelmetallkatalysators aufweist, absorbiert der Edelmetallkatalysator eine kleinere Menge des Zielerfassungsgases unter der stabilen Bedingung, wenn die Temperatur des gesamten Gassensorelements auf adäquate Weise erhöht und stabil ist. Da dementsprechend die Diffusionsgeschwindigkeit des Zielerfassungsgases in der Elektrodenschutzschicht nicht abnimmt, ist es möglich, dass das Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ein gutes Ansprechverhalten beibehält.
Bei dem Gassensorelement gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist zumindest die Dicke der Elektrodenschutzschicht an dem Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt und dem Bodenabschnitt und/oder die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt größer als die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt.
Ferner ist bei dem Gassensorelement gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zumindest der Auftraggrad des Edelmetallkatalysators in der Elektrodenschutzschicht an dem Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt und dem Bodenabschnitt und das Auftragverhältnis des Edelmetallkatalysators in der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt größer als das Auftragverhältnis des Edelmetallkatalysators in der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Innenwand des Festelektrolytkörpers, die dem Grenzabschnitt zwischen dem Bodenabschnitt zugewandt ist, nahe an dem vorderen Ende der Heizeinrichtung, welche ins Innere des Festelektrolytkörpers eingesetzt ist. Verglichen mit der Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit des Schenkelabschnitts haben dementsprechend der Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt und dem Bodenabschnitt und/oder der Bodenabschnitt eine hohe Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit und eine erhöhte Menge des zu aktivierenden Edelmetallkatalysators. Selbst wenn das Gassensorelement in dem Abgas arbeitet, welches eine hohe Wasserstoffkonzentration hat, beispielsweise während der Anfangszeitspanne des Kraftmaschinenstarts, ist es daher möglich, dass der Edelmetallkatalysator in der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt des Gassensorelements auf adäquate Weise mit dem Wasserstoff reagiert, und dass unterdrückt wird, dass der Wasserstoff die Erfassungselektrode erreicht.
Wenn die Temperatur des gesamten Gassensorelements erhöht ist und das Gassensorelement den stabilen Zustand betritt, da die Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt des Gassensorelements eine geringe Konzentration des Edelmetallkatalysators gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, absorbiert ferner der Edelmetallkatalysator eine kleinere Menge des Zielerfassungsgases und die Diffusionsgeschwindigkeit des Zielerfassungsgases wird dadurch nicht verringert. Dies macht es möglich, dass das Gassensorelement ein gutes Ansprechverhalten aufweist. Die vorliegende Erfindung kann das Gassensorelement mit gutem Ansprechverhalten bereitstellen, welches in der Lage ist, eine Vergrößerung des Versatzes des λ-Punkts während des Kraftmaschinenstarts zu verhindern, und welches ein gutes Ansprechverhalten während des stabilen Betriebs der Brennkraftmaschine aufweist.
In dem Gassensorelement gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat das Gassensorelement ein Dickenverhältnis TA/TB innerhalb eines Bereichs von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,5 wenn die Erfassungselektrode die vollflächige Elektrode ist und hat das Dickenverhältnis TA/TB in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0 wenn die Erfassungselektrode die partielle Elektrode ist, wobei TA die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt ist und TB die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Wenn das Gassensorelement die vollflächige Elektrode hat, die das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,5 (T_A/T_B = 1,5 bis 2,5) hat, macht es dies möglich, den Versatz des λ-Punkts zu verringern und das Ansprechverhalten verglichen mit einem Gassensorelement mit einer Elektrodenschutzschicht mit einer konstanten Dicke zu verbessern.
Wenn ferner das Gassensorelement die partielle Elektrode hat, so dass es das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0 (T_A/T_B = 1,5 bis 2,0) hat, macht es dies möglich, verglichen mit einem Gassensorelement mit einer Elektrodenschutzschicht mit einer konstanten Dicke den Versatz des λ-Punkts zu verringern und das Ansprechverhalten zu verbessern.
In dem Gassensorelement gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat das Gassensorelement ein Auftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,3, wenn die Erfassungselektrode die vollflächige Elektrode ist und hat das Auftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,7 und nicht mehr als 2,0 wenn die Erfassungselektrode die partielle Elektrode ist, wobei P_A ein Katalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt ist und die P_B ein Katalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Wenn das Gassensorelement die vollflächige Elektrode hat, welche das Verhältnis (oder Auftragverhältnis) P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,3 (P_A/P_B = 1,6 bis 2,3) hat, macht es dies möglich, verglichen mit einem Gassensorelement mit einer Elektrodenschutzschicht mit einer konstanten Dicke den Versatz des λ-Punkts zu verringern und das Ansprechverhalten zu verbessern.
Wenn das Gassensorelement ferner die partielle Elektrode hat, welche das Auftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger 1,7 und nicht mehr als 2,0 (P_A/P_B = 1,7 bis 2,0) hat, macht es dies möglich, verglichen mit einem Gassensorelement mit einer Elektrodenschutzschicht mit einer konstanten Dicke den Versatz des λ-Punktes zu verringern und das Ansprechverhalten zu verbessern.
In dem Gassensorelement gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat die Elektrodenschutzschicht einen mehrschichtigen Aufbau, der zumindest aus zwei Schichten besteht. Eine Bodenschicht als eine Schicht in dem mehrschichtigen Aufbau der Elektrodenschutzschicht ist direkt mit der Erfassungselektrode in Kontakt und ist aus einem Metalloxidmaterial bestehend aus zumindest Aluminiumoxid, Alumina-Magnesia-Spinell oder Titan gefertigt. Eine Katalysatorschicht als die andere Schicht in dem mehrschichtigen Aufbau ist an der Außenfläche der Bodenschicht in der Elektrodenschutzschicht ausgebildet und die Katalysatorschicht ist aus Metalloxidmaterial und einem Edelmetallkatalysator gefertigt, wobei das Metalloxidmaterial zumindest aus Aluminiumoxid, Alumina-Magnesia-Spinell, Zirkonium besteht, und der Edelmetallkatalysator zumindest aus Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh oder Ruthenium Ru besteht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Dicke und das Katalysatorauftragverhältnis der Katalysatorschicht in der Elektrodenschutzschicht optional einzustellen. Diese Struktur macht es möglich, das Gassensorelement einfacher herzustellen, in welchem der Teil mit einer hohen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine große Menge des Edelmetallkatalysators aufweist, und der Teil mit einer niedrigen Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine kleine Menge des Edelmetallkatalysators aufweist, wenn das Heizelement Wärmeenergie erzeugt hat.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor vorgesehen, der eine Konzentration eines in einem Zielerfassungsgas enthaltenen bestimmten Gases erfasst. Der Gassensor besteht aus dem zuvor beschriebenen Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung, einem Aufnahmegehäuse, einem Atmosphärenabdeckungsgehäuse und einem Elementabdeckungsgehäuse. In dem Aufnahmegehäuse ist das Gassensorelement platziert. Das Atmosphärenabdeckungsgehäuse ist an einer distalen Seite des Aufnahmegehäuses platziert und bedeckt den distalen Endabschnitt des Gassensorelements. Das Elementabdeckungsgehäuse ist an einer Vorderseite des Gassensorelements platziert und bedeckt den vorderen Abschnitt des Gassensorelements.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Gassensor bereitzustellen, der mit dem Gassensorelement ausgestattet ist, das während des Anfangs des Kraftmaschinenstarts einen geringeren Versatz des λ-Punkts aufweist und das während des stabilen Betriebs der Kraftmaschine ein gutes Ansprechverhalten aufweist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird mittels Beispiel ein bevorzugtes, nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1A eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des Hauptabschnitts des in 1A gezeigten Gassensorelements zeigt;
2 eine Ansicht, die einen Querschnitt eines mit dem Gassensorelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 1A und 1B gezeigt ist, ausgestatteten Gassensor zeigt;
3A eine Ansicht, die einen Querschnitt des Gassensorelements mit einer vollflächigen Elektrode gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B eine Ansicht, die einen Querschnitt des Gassensorelements mit einer partielle Elektrode gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
3C eine Ansicht, die eine Temperaturverteilung auf der Fläche des Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Ansicht, die ein Ansprechverhalten eines herkömmlichen Gassensorelements mit einem herkömmlichen Aufbau zeigt, wenn eine Katalysatormenge geändert wird.
5A eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Gassensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 5A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements zeigt;
6A eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
6B eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 6A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements zeigt;
7A eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts eines Gassensorelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7B eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 7A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements zeigt;
8A eine Ansicht, die ein Testverfahren zum Erfassen der Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das in der Lage ist, ein λ-Versatz-Problem zu lösen;
8B eine Ansicht, die die Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, das in der Lage ist, das λ-Versatz-Problem zu lösen, und die zudem ein Vergleichsbeispiel zeigt;
9A eine Ansicht, die verschiedene Erfassungsbedingungen hinsichtlich des Testverfahrens zum Erfassen der Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert; und
9B eine Ansicht, die das Verfahren zum Auswerten der Erfassungsergebnisse eines Stufenansprechverhaltens des Gassensorelements zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im weiteren Verlauf werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen oder Zahlen gleiche oder äquivalente Komponententeile über verschiedene Schaubilder hinweg.
Erstes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 1A bis 3C wird eine Beschreibung des Gassensorelements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegeben.
Das Gassensorelement und der mit dem Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattete Gassensor können auf eine Regelung (Rückkopplungssteuerung) zum Einstellen eines Verbrennungszustands und für eine Diagnose eines Erfassungsfehlers einer Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Das heißt, das Gassensorelement und der mit dem Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattete Gassensor werden dazu verwendet, eine Konzentration einer bestimmten Gaskomponente, etwa Sauerstoff und Stickoxid, zu erfassen, die in einem Zielerfassungsgas, etwa einem Abgas enthalten sind, das von einer an Kraftfahrzeugen montierten Brennkraftmaschine emittiert wird, und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F-Verhältnis) des Abgases zu berechnen.
1A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts des Gassensorelements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 1B ist eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 1A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements zeigt.
Wie dies in 1A gezeigt ist, besteht das Gassensorelement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus einem Festelektrolytkörper 100, einer Referenzelektrode 110, einer Erfassungselektrode 120, einer Beschichtungsschicht 130, einer Katalysatorschicht 140 und einer Vergiftungsschicht 150. Die Beschichtungsschicht 130, die Katalysatorschicht 140 und die Vergiftungsschicht 150 bilden eine Elektrodenschutzschicht 160.
Der Festelektrolytkörper 100 ist aus einem Festelektrolytmaterial, etwa Zirkonium (Zirkoniumdioxid) gefertigt, welches eine Sauerstoffionenleitfähigkeit hat. Der Festelektrolytkörper 100 hat eine zylindrische Form mit einer Bodenfläche (oder einer geschlossenen Basis). Ein Schenkelabschnitt 101 und ein Bodenabschnitt 102 sind an der vorderen Seite des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet.
Wie dies in 1A gezeigt ist, hat das Profil des Schenkelabschnitts entlang einer Achsrichtung des Festelektrolytkörpers 100 eine Linienform, wenn man einen Querschnitt des Festelektrolytkörpers 100 entlang dessen Achsrichtung betrachtet. Andererseits hat das Profil des Bodenabschnitts 102 entlang einer Achsrichtung des Festelektrolytkörpers 100 eine gekrümmte Form, wenn man einen Querschnitt des Festelektrolytkörpers 100 entlang dessen Achsrichtung betrachtet.
Die Referenzelektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind an der Innenfläche bzw. der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet. Die Referenzelektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind aus leitfähigem Material, etwa aus Platin Pt gefertigt.
In der Konfiguration des Gassensorelements 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Erfassungselektrode 120 aus einer vollflächigen Elektrode gefertigt. Das heißt, die Gesamtheit aus dem Schenkelabschnitt 101 und dem Bodenabschnitt 102 ist mit der vollflächigen Elektrode, etwa der Erfassungselektrode 120 bedeckt.
Die Beschichtungsschicht 130 ist an der Erfassungselektrode 110 als eine Elektrodenschutzschicht ausgebildet, die in der Lage ist, die Erfassungselektrode 120 und die Außenfläche des Festelektrolytkörpers 100 zu bedecken. Die Beschichtungsschicht 130 trägt einen Edelmetallkatalysator. Ein Zielerfassungsgas passiert die Beschichtungsschicht 130. Ferner bedeckt die Beschichtungsschicht 130 die Oberfläche der Erfassungselektrode 110 und ist aus einem Metalloxidmaterial gefertigt, das hauptsächlich zumindest aus Aluminiumoxid, Magnesia-Spinell und/oder Titan besteht.
Die Katalysatorschicht 140 ist derart in dem Gassensorelement 10 ausgebildet, dass die Katalysatorschicht 140 die Außenfläche der Beschichtungsschicht 130 bedeckt, und ist aus einem Metalloxidmaterial und einem Edelmetallkatalysator gefertigt. Das Metalloxidmaterial ist zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidmagnesiumspinell und/oder Zirkonium (Zirkoniumdioxid) gefertigt. Der Edelmetallkatalysator ist zumindest aus Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh und Ruthenium Ru gefertigt.
Die Vergiftungsschicht 150 ist an der Katalysatorschicht 140 in dem Gassensorelement 10 ausgebildet, so dass sie die Außenfläche der Katalysatorschicht 140 bedeckt. Die Vergiftungsschicht 150 ist aus einem Metalloxidmaterial gefertigt, das zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidmagnesiumspinell und Titan besteht.
Die Heizeinrichtung 200 ist in das Innere des Festelektrolytkörpers 100 eingesetzt und darin platziert. Wenn die Heizeinrichtung 200 elektrische Leistung aufnimmt, dann erzeugt sie Wärmeenergie.
Die Elektrodenschutzschicht 160 besteht aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150.
Wie dies in 1A gezeigt ist, hat die Elektrodenschutzschicht 160 die Dicken T_A1 und T_A3 an dem Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt 101 und dem Bodenabschnitt 102 in dem Gassensorelement 10. Die Elektrodenschutzschicht 160 an dem Bodenabschnitt 102 in dem Gassensorelement 10 hat die Dicke T_A2. Die Elektrodenschutzschicht 160 hat die Dicken T_B1 und T_B2 an dem Schenkelabschnitt 101 in dem Gassensorelement 10.
Das Gassensorelement 101 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat die folgende Beziehung.
Jeder Wert von T_A1, T_A3 und/oder T_A (= (T_A1 + T_A2 + T_A3)/3) ist größer als T_B (= (T_B1 + T_B2)/2).
Genauer gesagt hat die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 bestehende Elektrodenschutzschicht 160 ein Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 bis nicht mehr als 2,5, wobei T_A die Dicke der Elektrodenschutzschicht 160 an dem Bodenabschnitt 102 ist, T_B die Dicke der Elektrodenschutzschicht 160 an dem Schenkelabschnitt 101 ist und T_A/T_B ein Verhältnis einer Dicke der Elektrodenschutzschicht 160 zwischen dem Bodenabschnitt 102 und dem Schenkelabschnitt 101 angibt.
Wenn die Heizeinrichtung 200, die im Inneren des Festelektrolytkörpers 100 platziert ist, elektrische Leistung aufnimmt und Wärmeenergie erzeugt, dann wird das Gassensorelement 10 erwärmt. Der Bodenabschnitt 102 und/oder der Grenzabschnitt 103 zwischen dem Bodenabschnitt 102 und dem Schenkelabschnitt 101 haben eine hohe Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit.
Nun wird eine Beschreibung eines Verfahrens zum Herstellen des Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegeben.
Der Festelektrolytkörper 100 ist aus Zirkoniumpulver gefertigt. Das Zirkoniumpulver wird hergestellt, indem eine vorbestimmte Menge von Yttrium unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, etwa eines Extrusionsformgebungsverfahrens, eines Pressformgebungsverfahrens, eines kaltisostatischen Pressverfahrens (CIP) und eines heißisostatischen Pressverfahrens (HIP) gebrannt wird.
Nach dem Ausbilden einer zylindrischen Form mit einem Basisabschnitt (oder einer geschlossenen Basis), in welcher ein Endabschnitt der zylindrischen Form offen ist und der andere Endabschnitt geschlossen ist, wird der Festelektrolytkörper 100 bei einer Temperatur in einem Bereich von 1400°C bis 1600°C gebrannt.
Die Referenzelektrode 110 und die Erfassungselektrode 120 sind aus Platin Pt gefertigt und unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, etwa Vakuumverdampfung und chemisches Plattieren ausgebildet.
Als nächstes wird die Beschichtungsschicht 130 als die Bodenschicht der Elektrodenschutzschicht 160 an der Oberfläche der Erfassungselektrode 120 ausgebildet, so dass die Beschichtungsschicht 130 mit der Erfassungselektrode 120 direkt in Kontakt ist, indem eine Schlämme oder Paste des Metalloxidmaterials auf die Erfassungselektrode 120 aufgebracht wird und eine Grünfolie an der Erfassungselektrode 120 unter Verwendung eines Brennvorgangs bzw. eines Plasmapulveraufsprühvorgangs angehaftet wird. Die Schlämme oder Paste ist aus einem Metalloxidmaterial gefertigt, das zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidzirkoniumspinell und/oder Titanium besteht.
Ferner wird unter Verwendung eines zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidmagnesiumspinell, Zirkonium bestehenden Metalloxidmaterials und aus zumindest Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh und/oder Ruthenium Ru bestehendem Metallkatalysator eine Schlämme angefertigt. Die Katalysatorschicht 140 wird ausgebildet, indem der Festelektrolytkörper 100, an welchem die Beschichtungsschicht 130 ausgebildet ist, in die Schlämme eingetaucht wird. Der Festelektrolytkörper 100 wird getrocknet und gebrannt, so dass die Katalysatorschicht 140 an der Beschichtungsschicht 130 des Festelektrolytkörpers 100 hergestellt wird.
In der vorstehend erwähnten Produktionszeitspanne ist es möglich, die Dicke der Katalysatorschicht 140 einzustellen, indem die Anzahl der Schritte eingestellt (erhöht oder verringert) wird, mit denen der Festelektrolytkörper 100 in die Schlämme eingetaucht wird, oder indem die Geschwindigkeit eingestellt wird, mit der der Festelektrolytkörper 100 aus der Schlämme herausgezogen wird. Dies macht es möglich, die Gesamtmenge des Edelmetallkatalysators einzustellen, der an dem Grenzabschnitt 103 zwischen dem Schenkelabschnitt 101 und dem Bodenabschnitt 102 und/oder dem Bodenabschnitt 102 enthalten ist. Beispielsweise ist es möglich, die Gesamtmenge von in der Katalysatorschicht 140 und/oder dem Bodenabschnitt 102 enthaltenen Edelmetallkatalysator verglichen mit der Gesamtmenge des in der Katalysatorschicht 140 in dem Schenkelabschnitt 101 enthaltenen Edelmetallkatalysators zu erhöhen.
Wenn die Katalysatorschicht 140 auf der Beschichtungsschicht 130 ausgebildet wird, dann ist es möglich, den Edelmetallkatalysator auf der Kornoberfläche des thermisch widerstandsfähigen Metalloxidmaterials abzulagern und anwachsen zu lassen, nachdem der Festelektrolytkörper 100 in eine Lösung eingetaucht wurde, die aus den thermisch widerstandsfähigen Metalloxidpartikeln, etwa aus Aluminiumoxid und Katalysatormetallsalz besteht, getrocknet und thermisch verarbeitet wurde.
Nach dem Ausbilden der Katalysatorschicht 140 auf der Beschichtungsschicht 130 wird die Schlämme unter Verwendung eines Metalloxidmaterials gefertigt, das zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidmagnesiumspinell und/oder Zirkonium besteht. Der Festelektrolytkörper 100 mit der Katalysatorschicht 140 wird in diese Schlämme eingetaucht, getrocknet und gebrannt, um die Vergiftungsschicht 150 herzustellen. Somit wird das Gassensorelement 10 durch das vorgenannte Verfahren hergestellt.
Ferner ist es möglich, ein anorganisches Bindemittel, etwa Aluminiumoxidsol und Siliziumsol zu verwenden, um die Vergiftungsschicht 150 herzustellen.
In dem Gassensorelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung haben die Katalysatorschicht 140 in dem Bodenabschnitt 102 und die Katalysatorschicht 140 in dem Schenkelabschnitt 104 unterschiedliche Mengen von Katalysator, damit sie das Merkmal aufweisen, gemäß dem die Katalysatorschicht 140 in dem Bodenabschnitt 102 und die Katalysatorschicht 140 in dem Schenkelabschnitt 101 die Auftragraten P_A bzw. P_B haben, mit denen der Edelmetallkatalysator aufgetragen ist, und die Auftragrate P_A und die Auftragrage P_B den gleichen Wert haben.
Weiterhin besteht die Elektrodenschutzschicht 160 aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 in dem Gassensorelement 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Struktur beschränkt. Es ist möglich, die Elektrodenschutzschicht 160 auszubilden, indem eine Beschichtungsschicht 130a und die Vergiftungsschicht 150 verwendet werden. Beispielsweise enthält die Beschichtungsschicht 130a einen Edelmetallkatalysator 140a, wie dies in 5B gezeigt ist. Das heißt, die Beschichtungsschicht 130a trägt den Edelmetallkatalysator 140a direkt. Der Aufbau der Beschichtungsschicht 130a wird später ausführlich beschrieben.
Nun wird unter Bezugnahme auf 2 eine Beschreibung des Gassensors 1 gegeben, der mit dem Gassensorelement 10 ausgestattet ist, welches den vorstehend erwähnten Aufbau hat.
2 ist eine Ansicht, die einen Querschnitt des Gassensors 1 zeigt, der mit dem Gassensorelement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, wie es in 1A und 1B gezeigt ist.
Wie dies in 2 gezeigt ist, besteht der Gassensor 1 aus einem Aufnahmegehäuse 30, einer Atmosphärenabdeckung 31 und einer Elementabdeckung 40. Die Heizeinrichtung 20 ist in das Innere des Gassensorelements 10 eingesetzt, darin platziert und befestigt. Das Gassensorelement 10 ist in das Innere des Aufnahmegehäuses 30 eingesetzt und darin platziert. Die Atmosphärenabdeckung 31 ist an dem distalen Ende des Aufnahmegehäuses 30 platziert. Das distale Ende des Gassensorelements 10 ist mit der Atmosphärenabdeckung 31 abgedeckt. Die Elementabdeckung 40 ist an dem vorderen Ende des Aufnahmegehäuses 30 platziert. Das vordere Ende des Gassensorelements 10 ist mit der Elementabdeckung 40 abgedeckt.
Das Aufnahmegehäuse 30 ist an der Wandfläche eines Zielerfassungsgasdurchlasses 50 befestigt, durch welchen das Zielerfassungsgas 500 strömt. Der vordere Abschnitt des Gassensorelements 10 ist in den Strom des Zielerfassungsgases in dem Zielerfassungsgasdurchlass 50 platziert. Das Gassensorelement 10 ist an der Innenseite des aus einem Metall gefertigten Aufnahmegehäuses 30 mit einer zylindrischen Form mittels eines Dichtungselements 301 befestigt. Die Atmosphärenabdeckung 31 ist an dem geöffneten Abschnitt an dem distalen Ende des Aufnahmegehäuses 30 befestigt. Die Elementabdeckung 40 ist an dem geöffneten Abschnitt an dem distalen Ende des Aufnahmegehäuses 30 befestigt.
Wie dies in 2 gezeigt ist, hat die Elementabdeckung 40 einen doppelten zylindrischen Aufbau, der aus einer inneren Abdeckung 41 und einer äußeren Abdeckung 42 besteht. Öffnungsabschnitte (oder Einlassabschnitte) 411, 412, 421 und 422 sind in der Seitenfläche und der Bodenfläche sowohl der inneren Abdeckung 41 als auch der äußeren Abdeckung 42 ausgebildet.
Der doppelt zylindrische Aufbau der Elementabdeckung 40 verhindert, dass Wasser das Innere des Gassensorelements 10 betritt und fördert das Eintreten des Zielerfassungsgases 500 in die Vorderseite des Gassensorelements 10.
Die Heizeinrichtung 200 ist elastisch im Inneren des Gassensorelements 10 unter Verwendung einer Heizeinrichtungsstützmetallpassung 111 mit einer zylindrischen Form elastisch gestützt. Wenn die Heizeinrichtung 200 elektrische Leistung aufnimmt, dann erzeugt sie Wärmeenergie.
Die Heizeinrichtungsstützmetallpassung 111 wirkt als die Referenzelektrode 110, die im Inneren des Festelektrolytkörpers 100 platziert ist, und als ein Referenzelektrodenanschluss, der elektrisch mit der Referenzelektrode 110 verbunden ist. Die Heizeinrichtungsstützmetallpassung 11 ist durch die Anschlussmetallpassung 122 und eine Signalleitung 113 mit einer Erfassungsvorrichtung (nicht gezeigt) elektrisch verbunden, welche sich außerhalb des Gassensors 1 befindet.
Ein Erfassungselektrodenanschluss 121 mit einer Ringform ist in den Außenumfang des Gassensorelements 10 eingepasst. Der Erfassungselektrodenanschluss 121 ist durch eine Anschlussmetallpassung 112 und eine Signalleitung 123 elektrisch mit der (nicht gezeigten) Erfassungsvorrichtung verbunden.
Leitungsanschlüsse 210 und 220 sind an dem distalen Ende der Heizeinrichtung 200 ausgebildet. Die Leitungsanschlüsse 210 und 220 sind elektrisch an den Anschlussmetallpassungen 211 und 221 angeschlossen. Die leitfähigen Anschlüsse 210 und 220 sind ferner durch Verbindungsmetallpassungen 212, 222 und leitende Leitungen 213 und 223 mit einer Leistungszuführsteuervorrichtung verbunden.
Ein Isolator 32 ist elastisch im Inneren der Atmosphärenabdeckung 31 gestützt. Der Isolator 32 fixiert und isoliert die Anschlussmetallpassungen 112, 122, 212 und 222 voneinander.
Der distale Endabschnitt der Atmosphärenabdeckung 31 fixiert die Signalleitungen 113, 123 und die leitenden Leitungen 213 und 223 durch das elastische Element 33. Die Signalleitungen und die leitenden Leitungen 213 und 223 sind in der Atmosphärenabdeckung 31 abgedichtet.
Ein Atmosphäreneinbringloch 330 ist in der Atmosphärenabdeckung 31 und dem elastischen Element 33 ausgebildet. Atmosphärengas wird in die Fläche der Referenzelektrode 110 eingebracht, die im Inneren des Gassensors 10 ausgebildet ist, und zwar durch einen wasserabweisenden Filter 34 und das Atmosphäreneinbringloch 330.
Beispielsweise wenn der mit dem Gassensorelements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestattete Gassensor 1 als ein Sauerstoffsensor verwendet wird, dann ist durch eine Differenz zwischen der Konzentration des in dem Atmosphärengas enthaltenen Sauerstoffs, welches mit der Oberfläche der Referenzelektrode in Kontakt steht, und der Konzentration des in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Sauerstoffs, welches mit der Oberfläche der Erfassungselektrode 120 in Kontakt steht, eine Sauerstoffkonzentrationszelle ausgebildet. Das äußere Erfassungsmittel erfasst die zwischen der Referenzelektrode 110 und der Erfassungselektrode 120 erzeugte elektromotorische Leistung. Das äußere Erfassungsmittel kann die Konzentration des in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Sauerstoffs und die Konzentration des in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Stickoxids auf Grundlage der erfassten elektromotorischen Kraft erfassen.
In dem Gassensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Menge des Edelmetallkatalysators, der in der Elektrodenschutzschicht 160 (die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 besteht) in dem Bodenabschnitt 102 enthaltenen Edelmetallkatalysators größer als die Menge des in der Elektrodenschutzschicht 160 in dem Schenkelabschnitt 102 enthaltenen Edelmetallkatalysators. Wenn die Heizeinrichtung 200 Wärmeenergie erzeugt und die erzeugte Wärmeenergie zu der Elektrodenschutzschicht 160 zugeführt wird, dann hat der Bodenabschnitt 102 in der Elektrodenschutzschicht 160 eine hohe Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit und der Schenkelabschnitt 101 in der Elektrodenschutzschicht 160 hat eine niedrige Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit. Dementsprechend reinigt der in der Elektrodenschutzschicht 160 in dem Bodenabschnitt 102 enthaltene Edelmetallkatalysator zu Beginn des Kraftmaschinenstarts den in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Wasserstoff. Dies kann einen Versatz des λ-Punkts unterdrücken. Wenn mit anderen Worten der gesamte Gassensor 1 auf adäquate Weise erwärmt wird und der Gassensor 1 seinen stabilen Temperaturzustand erreicht, dann wird die Menge des an dem Edelmetallkatalysator in der Elektrodenschutzschicht 160 adsorbierten Zielerfassungsgases klein und eine Diffusionsgeschwindigkeit wird nicht verringert, da die Elektrodenschutzschicht 160 in dem Schenkelabschnitt 101 eine geringere Menge des Edelmetallkatalysators aufweist. Dies macht es dem mit dem Gassensorelement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestatteten Gassensor 1 möglich, ein gutes Ansprechverhalten beizubehalten.
Bei dem Aufbau des Gassensorelements 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Katalysatorschicht 140 mit einer gewünschten und optionalen Dicke auszubilden. Wenn das Gassensorelements 1 den Aufbau hat, bei dem die Dicke T_A des Bodenabschnitts 102 größer als die Dicke T_B des Schenkelabschnitts 101 ist, ist es möglich, die Menge des Edelmetallkatalysators in der Elektrodenschutzschicht 160 in dem ersten Abschnitt zu erhöhen und jene in dem zweiten Abschnitt zu verringern, wobei der erste Abschnitt (als der Bodenabschnitt 102) eine hohe Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit aufweist und der zweite Abschnitt (als der Schenkelabschnitt 101) eine niedrige Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit aufweist, wenn die Heizeinrichtung 200 Wärmeenergie erzeugt und das Gassensorelement 10 durch die erzeugte Wärmeenergie aktiviert wurde.
3A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt des Festelektrolytkörpers 100 in dem Gassensorelement mit der vollflächigen Elektrode 120 gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. 3B ist eine Ansicht, die einen Querschnitt des Festelektrolytkörpers 100P in dem Gassensorelement mit der Teilflächenelektrode 120P gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. 3C ist eine Ansicht, die eine Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Gassensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es ist möglich, dass die an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildete Erfassungselektrode den Aufbau der vollflächigen Elektrode 120 hat, welche an der gesamten Oberfläche des Bodenabschnitts 101 und des Schenkelabschnitts 102 ausgebildet ist, wie dies in 3A gezeigt ist. Ferner ist es möglich, dass die an der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 100P ausgebildete Erfassungselektrode den Aufbau der partielle Elektrode 120P hat, welche lediglich an der Fläche des Schenkelabschnitts 101 ausgebildet ist.
In den beiden in 3A und 3B gezeigten Strukturen hat der Festelektrolytkörper 100, 100P eine hohe Temperatur und die Temperatur nimmt in Richtung dessen distalen Endabschnitts allmählich ab.
Insbesondere wird zu Beginn des Kraftmaschinenstarts die Temperatur der Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 an dem Bodenabschnitt 102 ca. eine Temperatur von nicht weniger als 400°C, der Festelektrolytkörper 100 zeigt eine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf und der in der Katalysatorschicht 140 enthaltene Edelmetallkatalysator wird zudem aktiviert. Da andererseits der Festelektrolytkörper 100 an dem Schenkelabschnitt 101 des Gassensorelements 10 verglichen mit der Temperatur des Bodenabschnitts 102 eine niedrige Temperatur hat, zeigt der Festelektrolytkörper 100 an dem Schenkelabschnitt 101 keine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. Dementsprechend erfasst der Festelektrolytkörper 100 an dem Schenkelabschnitt 101 keine Konzentration von in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Sauerstoffionen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 4, 5A, 5B und 5C wird eine Beschreibung des Gassensorelements 10a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben.
Zuerst erläutert das zweite Ausführungsbeispiel die Beziehung zwischen der Menge des in einer Elektrodenschutzschicht enthaltenen Katalysators und einem Ansprechverhalten eines herkömmlichen Gassensors mit Bezug auf 4.
4 ist eine Ansicht, die ein Ansprechverhalten eines herkömmlichen Gassensorelements mit einem herkömmlichen Aufbau zeigt, wenn sich die Katalysatormenge ändert.
Das heißt, 4 zeigt das Ansprechverhalten von Gassensoren mit unterschiedlichen Mengen von an einer Katalysatorschicht getragenem Katalysator, wenn der Wert λ kontinuierlich in einem Bereich von 0,9995 bis 1,0005 geändert wird und ein Zielerfassungsgas Wasserstoff mit einer konstanten Konzentration und Sauerstoff mit einer davon verschiedenen Konzentration enthält.
Wenn die Menge des Katalysators (oder der Katalysatorpartikel), der (die) an der Katalysatorschicht aufgetragen ist (sind), erhöht ist, wird die Ansprechzeit des Gassensors verzögert, wie dies in 4 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass die Katalysatorpartikel in dem Zielerfassungsgas enthaltenen Sauerstoff adsorbieren und die Diffusionsgeschwindigkeit des Zielerfassungsgases dadurch verringert wird. Je mehr die Menge der an der Katalysatorschicht aufgetragenen Katalysatorkörner verringert wird, desto mehr wird das Ansprechverhalten des Gassensors verbessert. Wenn jedoch das Zielerfassungsgas reich an Wasserstoff ist, beispielsweise zu Beginn des Kraftmaschinenstarts, kann der Katalysator in dem Gassensor den Sauerstoff nicht adäquat reinigen und dies führt häufig zu einem λ-Punkt Versatz.
Der Gassensor gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das vorstehende herkömmliche Problem lösen.
5A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptteils des Gassensorelements 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 5B ist eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 5A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements 10a zeigt.
Die gleichen Komponenten des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, zeigt das erste Ausführungsbeispiel übrigens das Verfahren zum Herstellen des Gassensorelements 10, das den Aufbau hat, in welchem die in 1A und 1B gezeigte Katalysatorschicht 140 an der Außenfläche der Beschichtungsschicht 130 ausgebildet wird, nachdem die Beschichtungsschicht 130 ausgebildet wurde.
Andererseits wird in dem Verfahren gemäß dem in 5A und 5B gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Edelmetallkatalysator 140a in dem Gassensorelement 10a direkt auf die Beschichtungsschicht 130a aufgetragen.
Genauer gesagt wird nach dem Ausbilden der Beschichtungsschicht 130a durch ein bekanntes Verfahren wie ein Plasmasprühvorgang unter Verwendung von Aluminiumoxid der Festelektrolytkörper mit der Beschichtungsschicht 130a in eine Lösung eingetaucht, die aus einer festen Katalysatormetalllösung etwa H₂PtCl₆ besteht. Danach wird die feste Katalysatormetalllösung unter einer Niederdruckbedingung in die Beschichtungsschicht 130a eingebracht. Der Festelektrolytkörper mit der Beschichtungsschicht 130a, die den Edelmetallkatalysator 140a enthält, wird getrocknet und gebrannt. Es ist auch möglich, den Edelmetallkatalysator 140a an der Oberfläche des antithermischen Metalloxidmaterials herzustellen und wachsen zu lassen, um die Beschichtungsschicht 130a mit dem Edelmetallkatalysator 140a herstellen.
Das Gassensorelement 10a mit dem vorgenannten Aufbau, das durch das vorgenannte Verfahren hergestellt wird, kann die gleichen Wirkungen wie die des ersten Ausführungsbeispiels haben. Das heißt, wenn die Bodendicke der Elektrodenschutzschicht 160a dicker als die Schenkeldicke der Elektrodenschutzschicht 160a ist, ist es möglich, den Edelmetallkatalysator in der Elektrodenschutzschicht 160a (die aus der Beschichtungsschicht 130a mit dem Edelmetallkatalysator 140a und der Vergiftungsschicht 150a besteht) in dem Bodenabschnitt 102 auszubilden, der eine Menge an Edelmetallkatalysator aufweist, die größere als jene in dem Schenkelabschnitt 101 ist. Der Bodenabschnitt 102 wird durch die Heizeinrichtung 200 schneller als der Schenkelabschnitt 101 aufgewärmt und stärker als dieser aktiviert.
Drittes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 6A und 6B wird eine Beschreibung des Gassensorelements 10b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben.
6A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptkörpers des Gassensorelements 10b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 6B ist eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 6A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements 10b zeigt.
Gemäß den zuvor beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen wird die Menge des Edelmetallkatalysators eingestellt, indem die Dicke der Elektrodenschutzschicht 160, 160a geändert wird. Das heißt, der Schenkelabschnitt 101 und der Bodenabschnitt 102 in dem Gassensorelement gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel haben das gleiche Katalysatorauftragverhältnis jedoch eine unterschiedliche Dicke.
Andererseits wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Menge des Edelmetallkatalysators eingestellt, indem das Katalysatorauftragverhältnis in dem Schenkelabschnitt 101b und dem Bodenabschnitt 102b des Gassensorelements 10b geändert wird.
Genauer gesagt hat die Elektrodenschutzschicht 160b (die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140b und der Vergiftungsschicht 150 besteht) in dem Bodenabschnitt 102b und dem Grenzabschnitt 103b zwischen dem Schenkelabschnitt 101b und dem Bodenabschnitt 102b das Katalysatorauftragverhältnis P_A, welches größer als das Katalysatorauftragverhältnis P_B in dem Schenkelabschnitt 101b ist.
Wenn genauer gesagt das Katalysatorauftragverhältnis in dem Bodenabschnitt 102b den Wert P_A hat und das Katalysatorauftragverhältnis in dem Schenkelabschnitt 101b den Wert P_B hat, dann hat das Gassensorelement 10b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel das Auftragverhältnis P_A/P_B, welches in einem Bereich von nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,3 liegt, da die Erfassungselektrode 120 die vollflächige Elektrode hat.
Das Auftragverhältnis P_A/P_B der Katalysatorauftragverhältnisse P_A und P_B kann erfasst werden, indem das Gassensorelement geschnitten wird und die Schnittfläche des Gassensorelements unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) untersucht wird.
Genauer gesagt wird jeder Bereich von 10 μm² in einem Rückstreuelektronenbild (back scattered electron image BEI) mehrere zehntausend Male untersucht. Weißfarbige Partikel mit einer kreisartigen Form als Edelmetallkatalysatoren werden in dem Beobachtungsergebnis berechnet. Das berechnete Ergebnis wird in Gewicht ungewandelt, um ein Gewicht pro Fläche zu erhalten. Er erhaltene Wert von Gewicht pro Fläche wird als das Katalysatorauftragverhältnis verwendet.
Das Katalysatorauftragverhältnis P_A des Bodenabschnitts 102b wird auf Grundlage des durchschnittlichen Katalysatorauftragverhältnisses ermittelt, indem die Dicke T_ASb an vier Punkten des Grenzabschnitts 103b und die Dicke T_A2b an zwei Punkten des Bodenabschnitts 102b erfasst werden.
Das Katalysatorauftragverhältnis P_B des Schenkelabschnitts 101b wird auf Grundlage des durchschnittlichen Katalysatorauftragverhältnisses ermittelt, indem die Dicke T_A1b an vier Punkten in dem Schenkelabschnitt 101b erfasst wird, welcher von dem Grenzabschnitt 103b um 5 mm beabstandet ist.
Damit der Schenkelabschnitt 101b und der Bodenabschnitt 102b verschiedene Katalysatorauftragverhältnisse haben und um das Katalysatorauftragverhältnis zu ändern, ist es möglich, die Katalysatorschicht 140b auszubilden, indem eine Schlemme mit einer reichen bzw. großen Menge des Edelmetallkatalysators auf den Bodenabschnitt 102b aufgetragen wird und diese getrocknet und gebrannt wird, und indem dann eine Schlemme mit einem Edelmetallkatalysator einer geringeren Menge auf der Beschichtungsschicht 130 aufgebracht wird und diese getrocknet und gebrannt wird.
Wenn anstelle des vorgenannten Verfahrens der Edelmetallkatalysator direkt auf die Beschichtungsschicht 103b aufgetragen wird, ist es möglich, die Beschichtungsschicht 103b mit dem Schenkelabschnitt 101b und dem Bodenabschnitt 102b in der Katalysatormetallsalzlösung einzutauchen und die Beschichtungsschicht 103b mit dem Bodenabschnitt 102b lediglich mehrere Male einzutauchen. Dieses Verfahren macht es möglich, die Menge des auf den Bodenabschnitt 102b aufgetragenen Edelmetallkatalysators zu erhöhen.
Viertes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 7A und 7B wird eine Beschreibung des Gassensorelements 10c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben.
7A ist eine Ansicht, die einen Querschnitt eines Hauptabschnitts des Gassensorelements 10c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 7C ist eine Ansicht, die einen vergrößerten Querschnitt des in 7A gezeigten Hauptabschnitts des Gassensorelements 10c zeigt.
In dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel ist das Gassensorelement offenbart, das die vollflächige Erfassungselektrode 120 hat. Andererseits wird das vierte Ausführungsbeispiel das Gassensorelement 10c zeigen, das die partielle Erfassungselektrode 120c hat.
Genauer gesagt hat das Gassensorelement 10c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ein Dickenverhältnis T_A/T_B innerhalb eines Bereichs von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0.
Ferner ist es zudem möglich, dass das Gassensorelement 10c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,7 und nicht mehr als 2,0 hat.
Ferner ist es zudem möglich, dass das Gassensorelement 10c gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0 hat und dass das Edelmetallkatalysatorauftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,7 und nicht mehr als 2,0 liegt.
Unter Bezugnahme auf 8A, 8B, 9A und 9B wird nun eine Beschreibung des Versuchsergebnisses zum Zwecke des Verifizierens und Bestätigens der Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben.
8A ist eine Ansicht, die ein Testverfahren zum Erfassen der Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, welches in der Lage ist, ein λ-Versatz Problem zu lösen. 8A ist eine Ansicht, die die Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches in der Lage ist, das λ-Versatz Problem zu lösen, und welche zudem ein Vergleichsbeispiel zeigt.
Wie dies in 8A gezeigt ist, hat das vierte Ausführungsbeispiel die Ausgabe und den λ-Punkt Versatz des Gassensorelements erfasst, indem verschiedene Zielerfassungsgase mit einer konstanten Wasserstoffkonzentration und verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen verwendet wurden, während sich der λ-Punkt von 0,9995 bis 1,0005 geändert hat und die Dicke der Elektrodenschutzschicht geändert wurde, wie dies in 8B gezeigt ist.
9A ist eine Ansicht, die verschiedene Erfassungsbedingungen hinsichtlich des Testverfahrens zum Erfassen der Wirkungen des Gassensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. 9B ist eine Ansicht, die das Verfahren zum Auswerten der Erfassungsergebnisse eines Stufenansprechverhaltens des Gassensorelements zeigt.
Wie dies in 9A gezeigt ist, hat das vierte Ausführungsbeispiel einen Durchschnittswert einer Fett-zu-Mager-Umschaltansprechzeitspanne T_RL und einer Mager-zu-Fett-Umschaltansprechzeitspanne T_LR erfasst, wenn die Ausgabe des Gassensorelements ein Ansprechen von 63% angibt, während fettes Gas und mageres Gas alternierend als das Zielerfassungsgas umgeschaltet werden. Das fette Gas ist ein Gemisch von CO, CH₄ und C₃H₈ mit 0,9995 des Luft-Kraftstoff-(A/F)-Verhältnisses und das magere Gas ist ein Gemisch von O₂ und NO, um 1,0005 des A/F-Verhältnisses zu erhalten. In dem vierten Ausführungsbeispiel wurde das Stufenansprechverhalten des Gassensorelements erfasst, während die Dicke der Elektrodenschutzschicht des Gassensorelements geändert wurde.
Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen Versuchsergebnisse des vierten Ausführungsbeispiels. Genauer gesagt zeigt Tabelle 1 die Versuchsergebnisse des Gassensorelements mit der vollflächigen Elektrode und Tabelle 2 zeigt die Versuchsergebnisse des Gassensorelements mit der partiellen Elektrode.
Da in Tabelle 1 und Tabelle 2 die Probe Nr. 2 als eine Referenzprobe den λ-Punkt Versatz von 0,0009 hatte, wenn die Ausgabespannung dieser Proben den Wert 0,5 V hatte, in welchen der Schenkelabschnitt 101 und der Bodenabschnitt 102 die gleichen Dicken T_A = T_B = 20 μm hatten, wurde in dem vierten Ausführungsbeispiel beurteilt, dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von mehr als 1,0001 keine Wirkung hatte und die Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Δ” bezeichnet, dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von nicht mehr als 1,001 und mehr als 1,0005 die Wirkung hatte und die Probe wurde mit dem Bezugszeichen bezeichnet und dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von nicht mehr als 1,005 eine bessere Wirkung hatte und die Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Φ” bezeichnet.

Da außerdem die Referenzprobe Nr. 9 als eine Referenzprobe die Stufenansprechzeit von 15 Sekunden hatte, in welcher der Schenkelabschnitt 101 und der Bodenabschnitt 102 die gleiche Dicke T_A = T_B = 20 μm hatte, wurde in dem vierten Ausführungsbeispiel beurteilt, dass eine Probe mit der Stufenansprechzeit von mehr als 15 Sekunden keine Wirkung hatte und die Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Δ” bezeichnet, dass eine Probe mit der λ-Stufen Ansprechzeit von nicht mehr als 15 Sekunden die Wirkung hatte und die Probe mit dem Bezugszeichen ”O” bezeichnet wurde. Tabelle 1

Probe	Dicke (μm)		Dickenverhältnis	λ-Punkt Versatz		63% Ansprechverhalten
Nr.	Bodenabschnitt	Schenkelabschnitt	TA/TB	Betrag	Ergebnis	Ansprechzeit	Ergebnis
	TA	TB
1	17	20	0,9	0,0011	Δ	13 Sekunden	O
2	20	20	1,0	0,0009	-	15 Sekunden	-
3	22	20	1,1	0,0008	O	15 Sekunden	O
4	30	20	1,5	0,0005	Φ	15 Sekunden	O
5	40	20	2,0	0,0004	Φ	15 Sekunden	O
6	50	20	2,5	0,0004	Φ	15 Sekunden	O
7	53	20	2,7	0,0004	Φ	17 Sekunden	Δ

Tabelle 2

Probe	Dicke (μm)		Dickenverhältnis	λ-Punkt Versatz		63% Ansprechverhalten
Nr.	Boden	Schenkel	TA/TB	Betrag	Ergebnis	Ansprechzeit	Ergebnis
	TA	TB
8	17	20	0,9	0,0011	Δ	13 Sekunden	O
9	20	20	1,0	0,0009	-	15 Sekunden	-
10	22	20	1,1	0,0008	O	15 Sekunden	O
11	30	20	1,5	0,0005	Φ	15 Sekunden	O
12	40	20	2,0	0,0004	Φ	15 Sekunden	O
13	45	20	2,3	0,0004	Φ	16 Sekunden	Δ

Wie dies aus den in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigten Versuchsergebnissen zu verstehen ist, ist es vorzuziehen, dass das Dickenverhältnis T_A/T_B, in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,5 liegt, wenn die Erfassungselektrode in dem Gassensorelement die vollflächige Elektrode hat, und es ist vorzuziehen, dass das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0 liegt, wenn die Erfassungselektrode in dem Gassensorelement die partielle Elektrode hat, wobei die Elektrodenschutzschicht 160 (die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 besteht) die Dicke T_A in dem Bodenabschnitt 102 und die Dicke T_B in dem Schenkelabschnitt 101 hat.
Es wurde der gleiche wie der vorstehend beschriebene Versuch durchgeführt, während das Katalysatorauftragverhältnis geändert wurde, welches in der Elektrodenschutzschicht 160 enthalten ist (die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 besteht). Tabelle 3 und Tabelle 4 zeigen die Versuchergebnisse. Genauer gesagt zeigt Tabelle 3 das Versuchsergebnis des Gassensorelements mit der vollflächigen Elektrode und Tabelle 4 zeigt das Versuchsergebnis des Gassensorelements mit der partielle Elektrode.
Da in Tabelle 3 die Probe Nr. 15 als eine Referenzprobe einen λ-Punkt Versatz von 0,0009 hatte, wenn die Ausgabespannung dieser Probe den Wert 0,5 V hatte, in welcher der Schenkelabschnitt 101 und der Bodenabschnitt 102 das gleiche Katalysatorauftragverhältnis P_A = P_B = 35 μg/mm² hatten, wurde in dem vierten Ausführungsbeispiel beurteilt, dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von mehr als 1,0001 keine Wirkung hatte und diese Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Δ” bezeichnet, dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von nicht mehr als 1,001 und mehr als 1,0005 die Wirkung hervorbrachte und diese Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”O” bezeichnet, und dass eine Probe mit dem λ-Punkt Versatz von nicht mehr als 1,0005 eine bessere Wirkung hatte und die Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Φ” bezeichnet.

Da außerdem in Tabelle 4 die Probe Nr. 22 als eine Bezugsprobe die Stufenansprechzeit von 15 Sekunden hatte, in welcher der Schenkelabschnitt 101 und der Bodenabschnitt 102 das gleiche Katalysatorauftragverhältnis P_A = P_B = 35 μg/mm² hatte, wurde in dem vierten Ausführungsbeispiel beurteilt, dass eine Probe mit der Stufenansprechzeit von mehr als 15 Sekunden keine Wirkung hatte und diese Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”Δ” bezeichnet, dass eine Probe mit der λ-Stufenansprechzeit von nicht mehr als 15 Sekunden die Wirkung hatte und diese Probe wurde mit dem Bezugszeichen ”O” bezeichnet. Tabelle 3

Probe	Katalysatorauftragverhältnis		Auftragverhältnis	λ-Punkt Versatz		63% Ansprechverhalten
	(μg/mm²)
Nr.	Bodenabschnitt	Schenkelabschnitt	(PA/PB)	Betrag	Ergebnis	Ansprechzeit	Ergebnis
	PA	PB
14	30	35	0,9	0,0012	Δ	14 Sekunden	O
15	35	35	1,0	0,0009	-	15 Sekunden	-
16	45	35	1,3	0,0007	0	15 Sekunden	0
17	55	35	1,6	0,0004	0	15 Sekunden	0
18	70	35	2,0	0,0003	0	15 Sekunden	O
19	80	35	2,3	0,0003	Φ	15 Sekunden	O
20	105	35	3,0	0,0003	0	18 Sekunden	Δ

Tabelle 4

Probe	KatalysatorauftragverhältTis		Auftragverhältnis	λ-Punkt Versatz		63% Ansprechverhalten
	(μg/mm²)
Nr.	Bodenabschnitt	Schenkelabschnitt	(PA/PB)	Betrag	Ergebnis	Ansprechzeit	Ergebnis
	PA	PB
21	30	35	0,9	0,0011	Δ	14 Sekunden	O
22	35	35	1,0	0,0009	-	15 Sekunden	-
23	50	35	1,4	0,0008	O	15 Sekunden	O
24	60	35	1,7	0,0007	Φ	15 Sekunden	O
25	70	35	2,0	0,0006	Φ	15 Sekunden	O
26	80	35	2,3	0,0005	Φ	17 Sekunden	Δ

Wie dies aus den in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigten Versuchsergebnissen zu verstehen ist, ist es vorzuziehen, dass das Auftragverhältnis P_A/P_B des Katalysatorauftragverhältnisses in einem Bereich von nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,3 liegt, wenn die Erfassungselektrode in dem Gassensorelement die vollflächige Elektrode hat, und es vorzuziehen, dass das Auftragverhältnis P_A/P_B des Katalysatorauftragverhältnisses in einem Bereich von nicht weniger als 1,7 und nicht mehr als 2,0 liegt, wenn die Erfassungselektrode in dem Gassensorelement die partielle Elektrode hat, wobei die Elektrodenschutzschicht 160 (die aus der Beschichtungsschicht 130, der Katalysatorschicht 140 und der Vergiftungsschicht 150 besteht) das Katalysatorauftragverhältnis P_A in dem Bodenabschnitt 102 und das Katalysatorauftragverhältnis P_B in dem Schenkelabschnitt 101 hat.
Während spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen für diese Einzelheiten im Lichte der Gesamtlehre der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sind die offenbarten besonderen Anordnungen lediglich als veranschaulichend zu verstehen und nicht auf den Bereich der vorliegenden Erfindung begrenzt, welche durch die volle Breite der folgenden Ansprüche und allen deren Äquivalenten angegeben ist.
Ein Gassensorelement mit einem Bodenabschnitt besteht zumindest aus einem Festelektrolytkörper mit Sauerstoffionenleitfähigkeit, einer Referenzelektrode, einer Erfassungselektrode, einer Elektrodenschutzschicht, die einen Edelmetallkatalysator trägt, und einer Heizeinrichtung. Die Elektrodenschutzschicht besteht aus einer Beschichtungsschicht, einer Katalysatorschicht und einer Vergiftungsschicht. Eine Menge des in der Elektrodenschutzschicht an dem Bodenabschnitt des Gassensorelements getragenen Edelmetallkatalysators ist größer als die der Elektrodenschutzschicht an einem Schenkelabschnitt des Gassensors. Der Bodenabschnitt des Gassensorelements hat eine höhere Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit als der Schenkelabschnitt, wenn die Heizeinrichtung eine Wärmeenergie erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-110780 [0001]
JP 2006-38496 [0003, 0005]

Claims

Gassensorelement mit: einem Festelektrolytkörper, der Ionenleitfähigkeitseigenschaften und eine zylindrische Form mit einem Bodenabschnitt hat; einer Referenzelektrode, die an einer Innenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; einer Erfassungselektrode, die an einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist; einer Elektrodenschutzschicht, die die Außenfläche des Festelektrolytkörpers mit der Erfassungselektrode bedeckt, die einen Edelmetallkatalysator trägt und die ein Zielerfassungsgas passiert; und einer Heizeinrichtung, die in das Innere des Festelektrolytkörpers eingesetzt ist und Wärmeenergie erzeugt, wenn sie elektrische Leistung aufnimmt, wobei ein vorderer Abschnitt des Gassensorelements einen Schenkelabschnitt und einen Bodenabschnitt hat, wobei der Schenkelabschnitt parallel zu einer Achsrichtung des Gassensorelements ausgebildet ist und ein äußeres Profil eines Querschnitts des Schenkelabschnitts, welcher senkrecht zu der Achsrichtung des Gassensors verläuft, eine geradlinige Form hat, und ein äußeres Profil eines Querschnitts des Bodenabschnitt eine gekrümmte Form hat, die Erfassungselektrode eine vollflächige Elektrode oder eine Teilelektrode ist, die vollflächige Elektrode an der gesamten Außenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist und die Teilelektrode an einem Schenkelabschnitt aber nicht an einem Bodenabschnitt der Außenfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet ist, und der Bodenabschnitt der Elektrodenschutzschicht eine erste Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit aufweist, wenn die Heizeinrichtung Wärmeenergie erzeugt, der Bodenabschnitt der Elektrodenschutzschicht mit der ersten Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine erste Menge des Edelmetallkatalysators hat und der Schenkelabschnitt der Elektrodenschutzschicht eine zweite Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit hat, wenn die Heizeinrichtung Wärmeenergie erzeugt, und der Schenkelabschnitt der Elektrodenschutzschicht mit der zweiten Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit eine zweite Menge des Edelmetallkatalysators hat, und die erste Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit höher als die zweite Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit ist und die erste Menge des Edelmetallkatalysators größer als die zweite Menge des Edelmetallkatalysators ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eine Dicke der Elektrodenschutzschicht an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt und dem Bodenabschnitt und eine Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Boden dicker als eine Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Edelmetallkatalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht an einem Grenzabschnitt zwischen dem Schenkelabschnitt und dem Bodenabschnitt und ein Edelmetallkatalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt größer als ein Edelmetallkatalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei das Gassensorelement ein Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,5 hat, wenn die Erfassungselektrode die vollflächige Elektrode ist, und das Dickenverhältnis T_A/T_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 2,0 hat, wenn die Erfassungselektrode die Teilelektrode ist, wobei T_A die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt ist und T_B die Dicke der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei das Gassensorelement ein Auftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,6 und nicht mehr als 2,3 hat, wenn die Erfassungselektrode die vollflächige Elektrode ist, und das Auftragverhältnis P_A/P_B in einem Bereich von nicht weniger als 1,7 und nicht mehr als 2,0 hat, wenn die Erfassungselektrode die Teilelektrode ist, wobei P_A das Katalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Bodenabschnitt ist und P_B ein Katalysatorauftragverhältnis der Elektrodenschutzschicht in dem Schenkelabschnitt ist.
Gassensorelement gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrodenschutzschicht einen mehrschichtigen Aufbau hat, der aus zumindest zwei Schichten besteht, wobei ein Bodenabschnitt als eine Schicht in dem mehrschichtigen Aufbau der Elektrodenschutzschicht direkt mit der Erfassungselektrode in Kontakt ist und aus einem Metalloxidmaterial gefertigt ist, das zumindest aus Aluminiumoxid, Aluminiumoxidmagnesiumoxidspinell und/oder Titan besteht, und wobei eine Katalysatorschicht als die andere Schicht in dem mehrschichtigen Aufbau an der Außenfläche der Bodenschicht in der Elektrodenschutzschicht ausgebildet ist und die Katalysatorschicht aus einem Metalloxidmaterial und einem Edelmetallkatalysator gefertigt ist, wobei das Metalloxidmaterial zumindest aus Aluminiumoxid, Alumina-Magnesa-Spinell und/oder Zirkonium besteht und der Edelmetallkatalysator zumindest aus Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh und/oder Ruthenium Ru besteht.
Gassensor, der eine Konzentration eines bestimmten in einem Zielerfassungsgas enthaltenen Gases erfasst, mit: dem Gassensorelement gemäß Anspruch 1; einem Aufnahmegehäuse, in welchem das Gassensorelement platziert ist; einem Atmosphärenabdeckungsgehäuse, das an einer distalen Seite des Aufnahmegehäuses platziert ist und den distalen Endabschnitt des Gassensorelements abdeckt; und einem Elementabdeckungsgehäuse, das an einer Vorderseite des Gassensorelements platziert ist und den vorderen Abschnitt des Gassensorelements abdeckt.