DE102012218514A1

DE102012218514A1 - Gassensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE102012218514A1
Application number: DE102012218514A
Authority: DE
Inventors: Norikazu KAJIYAMA; Keigo Mizutani
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-04-18
Also published as: JP5367044B2; JP2013088119A; US20130092537A1

Abstract

Das Gassensorelement weist einen Innenraum, in den ein Messgas durch einen Diffusionswiderstand eingeleitet ist, eine erste Sauerstoffpumpenzelle, eine zweite Sauerstoffpumpenzelle und eine Sensorzelle auf. Eine von den Elektroden, die an den gegenüberliegenden Flächen des festen Elektrolytkörpers der ersten Sauerstoffpumpenzelle ausgebildet sind, und eine von den Elektroden, die an den gegenüberliegenden Flächen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle ausgebildet sind, sind über den Innenraum hinweg einander gegenüberliegend angeordnet. Die andere Elektrode der ersten Sauerstoffpumpenzelle und die andere Elektrode der zweiten Sauerstoffpumpenzelle sind einem gemeinsamen Referenzsauerstoffkonzentrationsgas ausgesetzt.

Description

Diese Anmeldung beansprucht eine Priorität einer japanische Patentanmeldung Nr. 2011-225643 , die am 13. Oktober 2011 eingereicht wurde, deren gesamter Inhalte hierdurch durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gassensorelement zum Messen einer Konzentration eines spezifischen Gases, wie z. B. NOx (Stickoxid), und einen Gassensor einschließlich dem Gassensorelement, der für ein Abgasreinigungssystem eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Luftverschmutzung aufgrund von Abgasen, die von vom Fahrzeug verwendeten Brennkraftmaschinen abgegeben werden, wird signifikant und entsprechend werden Regulierungen zum Regulieren einer Reinigung von Verschmutzungssubstanzen, wie z. B. NOx, in letzten Jahren strikt. Es wird darüber nachgedacht, dass eine Abgasreinigung durch ein Messen einer Konzentration von NOx, das in einem Abgas enthalten ist, und ein Regeln bzw. Rückführen eines Ergebnisses der Messung an einen Maschinenverbrennungssteuermonitor, einen Katalysatormonitor oder dergleichen effizient durchgeführt werden kann. Von solch einem Blickwinkel aus gab es eine Anforderung bzw. Nachfrage eines Gassensorelements, das in der Lage ist, eine NOx-Konzentration eines Abgases mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
JP-A 2885336 (hiernach Patentdokument 1) beschreibt solch ein Gassensorelement. Wie in 8 gezeigt ist, weist dieses Gassensorelement 100 eine erste und eine zweite elektrochemische Pumpenzelle 105 und 107 und eine elektrochemische Sensorzelle 106 auf. Der detaillierte Aufbau dieser Gassensorzelle 100 wird nachfolgend erläutert. Das Gassensorelement 100 ist an seinem distalen Endabschnitt mit einem ersten leeren Innenraum 102, der unterhalb eines ersten Diffusionswiderstands 101 angeordnet ist, und einem zweiten leeren Innenraum 104 ausgebildet, der mit dem ersten leeren Innenraum 102 durch einen zweiten Diffusionswiderstand 103 in Verbindung steht. Ein Gas, das NOx enthält, wird in den ersten leeren Innenraum 102 von einem mit Gas gefüllten Messraum aus eingeleitet.
Die erste elektrochemische Pumpenzelle 105 ist dem ersten leeren Innenraum 102 zugewandt angeordnet. Wenn die erste elektrochemische Pumpenzelle 105 mit einer Spannung versehen wird, wird Sauerstoff, der in dem ersten leeren Innenraum 102 vorhanden ist, aus dem Gassensorelement 100 herausgepumpt oder Sauerstoff, der außerhalb des Gassensorelements 100 vorhanden ist, wird in den ersten leeren Innenraum 102 gepumpt. Die elektrochemische Sensorzelle 106 ist zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem ersten leeren Innenraum 102. Die erste elektrochemische Pumpe 105 wird derart geregelt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten leeren Innenraum 102, die durch die elektrochemische Sensorzelle 106 gemessen wird, konstant gehalten wird.
Die zweite elektrochemische Pumpenzelle 107 ist innerhalb des zweiten leeren Innenraums 104 angeordnet, um ein Messen einer NOx-Konzentration durch ein Messen der Konzentration von Sauerstoffionen zu ermöglichen, die aus einem NOx erzeugt werden. Die Menge von Sauerstoffionen, die sich bewegen, wenn die zweite elektrochemische Pumpenzelle 107 mit einer vorbestimmten Spannung versehen wird, d. h., die Stärke des Sauerstoffionenstroms in der zweiten elektrochemischen Pumpenzelle 107, entspricht der zu messenden NOx-Konzentration.
Währenddessen ist das Urea-SCR(Selektive Katalytische Reaktion)-System als ein Abgasreinigungssystem bekannt, das einen Katalysator verwendet. Das Urea-SCR-System, welches eine der Maßnahmen zum Verringern von NOx in einem Abgas ist, arbeitet, um NH₃ (Ammoniak) als ein Reduktionsmittel durch ein Einspritzen von Urea-Wasser in ein Abgas zu erzeugen, um NOx in harmloses N₂ und H₂O durch eine selektive katalytische Reduktion zu reduzieren. Jedoch, falls die Menge des eingespritzten Urea-Wassers bzw. Harnstoffwassers für die Menge von zu reduzierendem NOx zu viel ist, wird schädliches NH₃ abgegeben. Entsprechend ist es notwendig, die Menge von Urea-Wasser bzw. Harnstoffwasser, das in das Abgas eingespritzt wird, auf einen optimalen Wert hin zu steuern.
Wie in 3B gezeigt ist, falls eingespritztes Harnstoffwasser für zu reduzierendes NOx unzureichend ist, wird NOx abgegeben, und falls eingespritztes Harnstoffwasser für zu reduzierendes NOx übermäßig ist, wird NH₃ abgegeben.
Entsprechend erfordert das Urea-SCR-System, eine Einspritzmenge von Harnstoffwasser derart zu regeln, dass die NOx-Konzentration und die NH₃-Konzentration in dem Nachkatalysatorstrom eine optimale Abgasreinigung realisieren.
Von solch einem Blickwinkel aus besteht eine Nachfrage nach einem Gassensorelement, das in der Lage ist, zusätzlich zu einer NOx-Konzentration eine NH₃-Konzentration in einem Abgas mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Eine japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2007-108018 (hiernach Patentdokument 2) beschreibt eine Gasanalysevorrichtung, die in der Lage ist, eine NOx-Sensivität zum Zwecke eines Erhöhens einer Messgenauigkeit seines Gassensorelements zu kalibrieren. Diese Gasanalysevorrichtung weist einen NOx-Sensor mit einem ersten und einem zweiten Raumabschnitt und einer ersten bis dritten Pumpenelektrode auf und ist gestaltet, um die NOx-Sensivität unter Verwendung eines Kalibrierungsgases zu kalibrieren. In dieser Vorrichtung wird eine Beziehung zwischen einer Sauerstoffgasabhängigkeit und einer NOx-Gasabhängigkeit eines Pumpenstroms der dritten Pumpenzelle vorab gemessen und die NOx-Sensivität wird unter Verwendung eines Sauerstoffgases als ein Kalibrierungsgas kalibriert. Entsprechend kann der NOx-Sensor von dieser Vorrichtung vor Ort kalibriert werden, selbst wenn NOx-Gas nicht verfügbar ist.
JP-A 3607453 (hiernach Patentdokument 3) beschreibt einen Gassensor einschließlich einer ersten und einer zweiten Sauerstoffpumpenzelle, die innerhalb einer Probengaskammer angeordnet sind, und einer Erfassungszelle. Eine der Elektroden von der ersten und der zweiten Pumpenzelle ist der Probengaskammer zugewandt angeordnet. Die andere Elektrode ist einer offenen Kammer zugewandt, die dem Raum innerhalb der Elementabdeckung zugewandt ist, durch die ein Probengas strömt, oder einer offenen Kammer, die sich zu diesem Raum hin öffnet. Durch ein Verstärken einer Kapazität eines Sauerstoffevakuierens von der Probengaskammer unter Verwendung der zwei Sauerstoffpumpenzellen, ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in der Probengaskammer auf nahezu Null zu verringern, um dadurch die NOx-Sensivität zu erhöhen.
Das Gassensorelement 100, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, wird derart gesteuert, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten leeren Innenraum 102 konstant gehalten wird, und entsprechend wird NH₃ in NO innerhalb des leeren Innenraums 102 umgewandelt. Deshalb ist es möglich, den Summenbetrag von NOx, der aus NH₃ und NOx erzeugt wird, das in dem Messgas enthalten ist, wenn NOx und NH₃ koexistieren, zu messen. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht zwingend notwendig, einen Unterschied zwischen der NOx-Konzentration und der NH₃-Konzentration unter Verwendung eines Sensorsignals zu machen, da es möglich ist, einen optimalen Steuerpunkt basierend auf der Tatsache zu bestimmen, dass sich die Sensorausgabe mit der Zunahme einer Einspritzmenge von Harnstoffwasser in den NOx-Abgabebereich verringert und sich mit der Zunahme einer Einspritzmenge von Harnstoffwasser in den NH₃-Abgabebereich erhöht.
Jedoch, falls es eine Variation von Element zu Element in der Form von wenigstens einem von dem ersten und dem zweiten Diffusionswiderstand 101 und 103 und dem leeren Innenraum 102 und 104 gibt, variiert die Stromsensitivität der zweiten elektrochemischen Pumpenzelle 107 mit Hinblick auf ein NOx-Gas. Entsprechend ist es notwendig, jedes Sensorelement durch ein Messen des Stroms der zweiten elektrochemischen Pumpenzelle 107 für eine vorbestimmte Konzentration von schädlichem und teurem NOx-Gas zu kalibrieren. Dies führt zu einem Anstieg der Herstellungskosten für das Sensorelement.
Der NOx-Sensor, der in Patentdokument 2 beschrieben ist, kann ohne ein Verwenden von schädlichem und teurem NOx-Gas sondern durch ein Verwenden von Sauerstoffgas einer vorbestimmten Konzentration als das Kalibrierungsgas kalibriert werden. Jedoch ist es notwendig, eine Beziehung zwischen der NOx-Konzentrationsabhängigkeit und der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit unter Verwendung eines NOx-Gases einer vorbestimmten Konzentration für jeden Sensor zu messen. Ferner, da es notwendig ist, ein Sauerstoffgas einer Konzentration vergleichbar mit einer Konzentration von zu messendem NOx-Gas bereitzustellen, kann eine substantielle Kostenreduktion nicht erwartet werden.
Der Gassensor, der in Patentdokument 3 beschrieben ist, kann nicht für eine präzise Steuerung einer Sauerstoffkonzentration verwendet werden, da die anderen Elektroden von der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpe dem Probengas ausgesetzt sind und deren Spannungen entsprechend nicht stabil sind. Ferner wird der Gassensor angenommen, in einer mageren Atmosphäre verwendet zu werden, und es ist schwierig, in einer fetten Atmosphäre zu operieren, da kein Sauerstoffgas in die Probengaskammer in einer fetten Atmosphäre zugeführt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine exemplarische Ausführungsform sieht ein Gassensorelement vor, das Folgendes aufweist:
einen Innenraum, in den ein Messgas durch einen Diffusionswiderstand eingeleitet wird;
eine erste Sauerstoffpumpenzelle mit einem ersten Elektrolytfestkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer ersten und einer zweiten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des ersten Elektrolytfestkörpers ausgebildet sind, wobei die erste Elektrode dem Innenraum derart zugewandt ist, dass Sauerstoff in den Innenraum eingeleitet werden kann oder von diesem abgegeben werden kann, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum durch ein Aufbringen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode einzustellen;
eine zweite Sauerstoffpumpenzelle mit einem zweiten Elektrolytfestkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer dritten und einer vierten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des zweiten Elektrolytfestkörpers ausgebildet sind, wobei die dritte Elektrode der Innenfläche derart zugewandt ist, dass Sauerstoff in den Innenraum eingeleitet werden kann oder von diesem abgegeben werden kann, um die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum durch ein Aufbringen einer Spannung zwischen der dritten und der vierten Elektrode einzustellen; und
eine Sensorzelle einschließlich einem dritten Elektrolytfestkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer fünften und einer sechsten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des dritten Elektrolytfestkörpers ausgebildet sind, wobei die fünfte Elektrode der Innenfläche zugewandt ist, wobei ein Strom, der zwischen der fünften und der sechsten Elektrode strömt, eine Ausgabe des Gassensorelements ist, die indikativ für eine Konzentration einer spezifischen Gaskomponente ist, welche in dem Messgas enthalten ist;
wobei
die erste Elektrode und die dritte Elektrode über den Innenraum hinweg einander gegenüberliegend angeordnet sind, und
die zweite Elektrode und die vierte Elektrode einem gemeinsamen Referenzsauerstoffkonzentrationsgas ausgesetzt sind.
Gemäß der exemplarischen Ausführungsform sind ein Gassensorelement und ein Gassensor vorgesehen, der das Gassensorelement zum Messen einer Konzentration einer spezifischen Gaskomponente, wie z. B. NOx, aufweist, das in einem Abgas, z. B. von einer Brennkraftmaschine, die an einem Fahrzeug montiert ist, enthalten ist, wobei es bei dem Gassensorelement, das eine kleine Element-zu-Element-Variation in einer Messsensitivität aufgrund einer Element-zu-Element-Variation bzw. -Abweichung in seiner Komponentenform hat, einfach ist, die Messsensitivität zu kalibrieren, es in sowohl einer fetten Atmosphäre als auch einer mageren Atmosphäre betriebsfähig ist und es sowohl eine hohe Messgenauigkeit als auch niedrige Herstellungskosten erfüllt.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, die Zeichnungen und Ansprüche umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den angefügten Zeichnungen ist:
1A eine schematische Querschnittsansicht eines distalen Endabschnitts eines Gassensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1B eine Gesamtquerschnittsansicht eines NOx-Sensors einschließlich dem Gassensorelement gemäß der ersten Ausführungsform;
2 eine Explosionsansicht des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform;
3A ein Diagramm, das einen Gesamtaufbau eines Abgasreinigungssystems einschließlich eines Urea-SCR-Systems zeigt, das den NOx-Sensor aufweist, der an einem Abgassystem einer Fahrzeugbrennkraftmaschine montiert ist; 3B ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Zusatzbetrag von Harnstoff- und NH₃-Konzentration in dem Urea-SCR-System zeigt;
4A ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Pumpenzellenstrom und dem Sensorzellenstrom des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4B ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen der Höhe des Innenraums und dem Sensorzellenstrom des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ein Diagramm, das eine Variation bzw. Abweichung über die Zeit von der Sensorausgabe eines konventionellen Gassensorelements während eines Übergangs von einer fetten Atmosphäre zu einer mageren Atmosphäre hin zeigt;
6 ein Diagramm, das eine Variation bzw. Abweichung über die Zeit von der Sensorausgabe des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform während eines Übergangs von einer fetten Atmosphäre zu einer mageren Atmosphäre hin zeigt;
7 eine schematische Querschnittsansicht des distalen Endabschnitts eines Gassensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
8 eine schematische Querschnittsansicht eines distalen Endabschnitts des konventionellen Gassensorelements.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1A ist eine schematische Querschnittsansicht eines distalen Endabschnitts eines Gassensorelements 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2 ist eine Explosionsansicht des Gassensorelements 1. 1B ist eine Gesamtquerschnittsansicht eines NOx-Sensors S einschließlich dem Gassensorelement 1. Der NOx-Sensor S ist in einem Abgasdurchgang einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs angeordnet, um eine spezifische Gaskomponente, wie z. B. NOx (Stickoxid) zu messen, die in einem Abgas enthalten ist.
Der NOx-Sensor S weist ein zylindrisches Gehäuse H1 auf, das an der Wand einer Abgasleitung bzw. eines Abgasrohrs (nicht gezeigt) angepasst ist und das Gassensorelement 1 isolierend innerhalb des Gehäuses H1 hält. Das Gassensorelement 1 mit einer Form einer länglichen Platte wird innerhalb eines zylindrischen Isolators H2 gehalten, der innerhalb des Gehäuses H1 an dessen Mittenabschnitt angeordnet ist. Der distale Endabschnitt (der untere Endabschnitt in 1B) des Gassensorelements 1 ist innerhalb einer Elementabdeckung H3 untergebracht, die an dem Bodenende des Gehäuses H1 befestigt ist. Der proximale Endabschnitt (der obere Endabschnitt in 1B) des Gassensorelements 1 befindet sich innerhalb eines zylindrischen Bauteils H4, das an dem oberen Ende des Gehäuses H1 befestigt ist, und ist mit Anschlüssen P versehen, die mit Führungs- bzw. Leitungsdrähten H0 verbunden sind, welche nach außen hin gezogen sind. Zwischen dem zylindrischen Bauteil H4 und dem proximalen Endabschnitt des Gassensorelements 1 ist ein zylindrischer Isolator H5 angeordnet.
Die Elementabdeckung H3, die in das Abgasrohr vorragt, hat eine doppelte Struktur, die eine äußere und eine innere Wand umfasst, die jeweils mit einem Abgasloch H6 an deren Seitenfläche und Bodenfläche ausgebildet sind, sodass das Abgas, das durch den Abgasdurchgang strömt, in die Elementabdeckung H3 als ein Messgas (ein zu messendes Gas) genommen werden kann, das eine spezifische Gaskomponente enthält. Andererseits ist das zylindrische Bauteil H4, das aus dem Abgasrohr herausragt, mit einem Atmosphärenloch H7 an der Seitenfläche von dessen oberen Endabschnitt ausgebildet, sodass die Atmosphäre als ein Referenzsauerstoffkonzentrationsgas in den zylindrischen Isolator H5 eingeleitet werden kann, in dem sich der proximale Endabschnitt des Gassensorelements 1 befindet. Wie vorangehend beschrieben ist, kann die Atmosphäre durch den Raum innerhalb des zylindrischen Isolators H5 als ein gemeinsamer referenzsauerstoffkonzentrationsgasenthaltender Raum in das Gassensorelement 1 eingeleitet werden.
Wie in 1A und 2 gezeigt ist, ist das Gassensorelement 1 durch ein Stapeln ausgebildet in einer Reihenfolge von einem blattartigen Elektrolytfestkörper 6 zum Bilden einer ersten Sauerstoffpumpenzelle 2, einem blattartigen Elektrolytfestkörper 5 zum Bilden einer zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 und einer Sensorzelle 3, einem blattartigen Abstandshalter 8 zum Ausbilden eines Innenraums 7, blattartigen Abstandshalter 9 und 91 zum Ausbilden eines ersten Referenzgasraums 16 und eines zweiten Referenzgasraums 17 und einer Heizvorrichtung 12 zum Heizen dieser Komponenten.
Der Innenraum 7 ist eine Kammer, in die das Messgas von dem Raum, in dem Messgas vorliegt, eingeleitet wird. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Innenraum 7 aus einem Ausschnittsloch 8a ausgebildet, das in dem Abstandshalter 8 ausgebildet ist, der sich zwischen den Elektrolytfestkörpern bzw. festen Elektrolytkörpern 5 und 6 befindet. In dieser Ausführungsform ist der Raum, der Messgas enthält, bzw. der messgasenthaltende Raum ein Innenraum einer Elementabdeckung H3, die in 1B gezeigt ist, in die das Abgas, das durch den Abgasdurchgang der Brennkraftmaschine strömt, eingeleitet wird. Der Innenraum 7 ist mit dem Raum, in dem Messgas vorliegt, durch einen porösen Diffusionswiderstand 11 in Verbindung bzw. in Kommunikation. Die Form, Porosität und poröser Durchmesser des porösen Diffusionswiderstands 11 werden bestimmt, so dass die Diffusionsgeschwindigkeit des Messgaseseinleitens durch den porösen Diffusionswiderstand 11 in den Innenraum 7 gleich einer vorbestimmten Geschwindigkeit wird.
Die Atmosphäre wird in den ersten Referenzgasraum 16 und den zweiten Referenzgasraum 17 als ein gemeinsames Referenzkonzentrationssauerstoffgas eingeleitet. Der erste Referenzgasraum 16 ist durch ein Ausschnittsloch 9a ausgebildet, das in dem Abstandshalter 9 ausgebildet ist, der unterhalb des festen Elektrolytkörpers 6 bzw. des Elektrolytfestkörpers 6 gestapelt ist. Der zweite Referenzgasraum 17 ist durch ein Ausschnittsloch 91a ausgebildet, das in dem Abstandshalter 91 ausgebildet ist, der über den festen Elektrolytkörper 5 bzw. den Elektrolytfestkörper 5 gestapelt ist. Das Ausschnittsloch 9a weist einen Durchgangsabschnitt 9b auf, der eine Nut ist, die sich in der Längsrichtung des Gassensorelements 1 erstreckt. Das Ausschnittsloch 91a weist einen Durchgangsabschnitt 91b, der eine Nut ist, die sich in der Längsrichtung des Gassensorelements 1 erstreckt. Die Durchgangsabschnitte 9b und 91b öffnen sich zu den Seiten der proximalen Endabschnitte (die rechten Endabschnitte in 2) der Abstandshalter 9 bzw. 91, um mit dem Raum innerhalb des zylindrischen Isolators H5 zu kommunizieren, welcher ein Raum ist, in dem das gemeinsame Referenzkonzentrationssauerstoffgas existiert bzw. vorliegt.
Die Heizvorrichtung 12 ist unter dem Abstandshalter 9 gestapelt und ein Blatt 92, das aus einem isolierenden Material hergestellt ist, ist über den Abstandshalter 91 gestapelt, um die obere oder untere Öffnung der Ausschnittslöcher 9a und 91a und Durchgangsabschnitte 9b und 91b zu schließen. Entsprechend wird die Atmosphäre in den ersten und den zweiten Referenzgasraum 16 und 17 durch die Durchgangsabschnitte 9b bzw. 91b eingeleitet. Jeder von den Abstandshaltern 8, 9 und 91 ist aus einem isolierenden Material, wie z. B. Tonerde, hergestellt.
Jede von der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 2 und 4 und dem festen Elektrolytkörper 5 und 6 ist aus einem Elektrolyt mit einer Sauerstoffionenkonduktivität, wie z. B. Zirkoniumerde oder Ceroxyd, hergestellt. Die erste Pumpenzelle 2 ist aus dem festen Elektrolytkörper 6 und einem Paar von Elektroden 2a und 2b gebildet, die angeordnet sind, um den festen Elektrolytkörper 6 zwischen sich zu haben. Die Elektrode 2a ist in Kontakt mit der oberen Fläche des festen Elektrolytkörpers 6 ausgebildet, um dem Innenraum 7 zugewandt zu sein. Die Elektrode 2e ist in Kontakt mit der unteren Fläche des festen Elektrolytkörpers 6 ausgebildet, um dem ersten Referenzgasraum 16 zugewandt zu sein.
Die zweite Pumpenzelle 4 ist aus dem festen Elektrolytkörper 5 und einem Paar von Elektroden 4a und 4b gebildet, die angeordnet sind, um den festen Elektrolytkörper 5 zwischen sich zu haben. Die Elektrode 4a ist in Kontakt mit der unteren Fläche des festen Elektrolytkörpers 5 ausgebildet, um dem Innenraum 7 zugewandt zu sein. Die Elektrode 4b ist in Kontakt mit der oberen Fläche des festen Elektrolytkörpers 5 ausgebildet, um dem zweiten Referenzgasraum 17 zugewandt zu sein. Die Elektrode 4a der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 und die Elektrode 2a der ersten Sauerstoffpumpenzelle 2 sind an gegenüberliegenden Positionen (vertikal gegenüberliegende Positionen in 1A) über den Innenraum 7 hinweg angeordnet.
Die Sensorzelle 3 ist aus dem festen Elektrolytkörper 5 und einem Paar von Elektroden 3a und 3b gebildet, die angeordnet sind, um den festen Elektrolytkörper 5 zwischen sich zu haben. Die Elektrode 3a ist in Kontakt mit der unteren Fläche des festen Elektrolytkörpers 5 ausgebildet, um dem Innenraum 7 zugewandt zu sein. Die Elektrode 3b ist in Kontakt mit der oberen Fläche des festen Elektrolytkörpers 5 ausgebildet, um dem zweiten Referenzgasraum 7 zugewandt zu sein. Die Elektroden 3a und 3b der Sensorzelle 3 sind stromabwärtig von der zweiten Sauerstoffpumpe 4 bzw. der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 innerhalb des Innenraums 7 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 3b des Sensors 3 einstückig mit der Elektrode 4b der zweiten Pumpenzelle 4 ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Elektrode 2a der ersten Sauerstoffpumpenzelle 2 und die Elektrode 4a der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 aus einem Material hergestellt, das eine geringe NOx-Spaltungswirkung aufweist, um eine Spaltung bzw. einen Zerfall von NOx, das in dem Messgas enthalten ist, nieder zu halten.
In dieser Ausführungsform wird eine poröse Cermet-Elektrode, die Pt und Au als Hauptmetallkomponenten enthält, für diese verwendet. Vorzugsweise ist der Gehalt von Au in dem Bereich von 0,5 bis 5 Gewichts-%. Es ist außerdem wünschenswert, dass die Elektrode 3a der Sensorzelle 3 aus einem Material mit einer hohen NOx-Spaltungswirkung hergestellt ist. In dieser Ausführungsform wird eine poröse Cermet-Elektrode, die Pt und Rh als Hauptmetallkomponenten enthält, für diese verwendet. Vorzugsweise ist der Gehalt an Rh in dem Bereich von 10 bis 50 Gewichts-%. Es ist wünschenswert, eine poröse Pt-Cermet-Elektrode für die Elektrode 2b der ersten Sauerstoffpumpenzelle 2, die Elektrode 4b der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 und die Elektrode 3b der Sensorzelle 3 zu verwenden.
Wie in 2 gezeigt ist, werden diese Elektroden 2a, 2b, 4a, 4b, 3a und 3b einstückig mit Drähten 2c, 2d, 4c, 3c bzw. 3d ausgebildet. Diese Anschlussdrähte bzw. -adern sind aus Cermet-Material hergestellt, das ein Edelmetall, wie z. B. Pt, und eine Keramik, wie z. B. Zirkoniumerde, als Hauptkomponenten enthält. Es ist wünschenswert, dass die Abschnitte der festen Elektrolytkörper 5 und 6, die verschieden zu den Abschnitten sind, die mit den Elektroden ausgebildet sind, insbesondere der Abschnitt, der mit dem Anschlussdraht bzw. der Ader 2c ausgebildet ist, mit einer isolierenden Schicht, wie z. B. einer Tonerdeschicht, beschichtet ist.
Die Heizvorrichtung 12 ist durch eine Mustergebung einer Heizelektrode 14 auf einem Heizblatt 13, das aus Tonerde hergestellt ist, und einem Ausbilden einer Tonerdeschicht 15 auf der oberen Fläche (die Oberfläche auf der Seite des Abstandshalters 9) der Heizelektrode 14 zur Isolation ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird ein Cermet aus Pt und einer Keramik, wie z. B. Tonerde, als ein Material für die Heizelektrode 14 verwendet. Die Heizvorrichtung 12 erzeugt Wärme bzw. Hitze, wenn die Heizelektrode 14 mit einem Strom von außerhalb versorgt wird, um die Zellen 2, 3 und 4 auf deren Aktivierungstemperaturen zu erhitzen.
Wie in 2 gezeigt ist, sind die Zellen 2, 3 und 4 und die Heizelektrode 14 an den Durchgangslöchern SH des proximalen Endabschnitts des Sensors mit den Anschlüssen P verbunden, welche in den proximalen Endabschnitten der festen Elektrolytkörper 5 und 6, Abstandshaltern 8, 9 und 91 und dem Heizvorrichtungsblatt bzw. -plättchen 13 ausgebildet sind. Wie in 1B gezeigt ist, sind die Anschlüsse P mit Anschlussdrähten H8 durch ein Crimpen oder Löten durch einen Konnektor verbunden, um einen Signalaustausch zwischen einem externen Kreis und jeder von den Zellen 2, 3 und 4 und der Heizvorrichtung 12 zu ermöglichen.
Jeder von den festen Elektrolytkörpern 5 und 6, den Abstandshaltern 8, 9 und 91, der Tonerdeschicht 15 und dem Heizvorrichtungsplättchen 13 kann in einer platten- bzw. blattartigen Form durch das Rakelverfahren oder ein Formungsverfahren ausgebildet sein. Jede von den entsprechenden Elektroden, Anschlussdraht 2c und Anschlüssen P kann durch das Siebdruckverfahren hergestellt werden. Die entsprechenden Blätter bzw. Plättchen werden aufeinander gestapelt und gebacken, um zusammengefügt zu werden.
Als nächstes wird der Betrieb des Gassensorelements 1 dem vorangehend beschriebenen Aufbau beschrieben. Bezugnehmend auf 1A wird das Abgas als ein Messgas in den Innenraum 7 durch den porösen Diffusionswiderstand 11 eingeleitet. Die Menge des Messgases, das eingeleitet wird, wird in Abhängigkeit von dem Diffusionswiderstand des porösen Diffusionswiderstands 11 bestimmt. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 2a und 2b der ersten Sauerstoffpumpenzelle 2 und zwischen den Elektroden 4a und 4b der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 aufgebracht wird, sodass die Elektroden 2b und 4b auf der Seite des ersten und des zweiten Referenzgasraums 16 und 17 positiv werden, wird der Sauerstoff, der in dem Messgas enthalten ist, an den Elektroden 2a und 4a auf der Seite des Innenraums 7 zu Sauerstoffionen reduziert und auf die Seiten der Elektroden 2b und 4b durch eine Pumpenbetätigung abgegeben.
Andererseits, wenn eine Spannung derart aufgebracht wird, dass die Elektroden 2a und 4a auf der Seite des Innenraums 7 positiv werden, wird der Sauerstoff an den Elektroden 2b und 4b auf den Seiten des ersten und des zweiten Referenzgasraums 16 und 17 zu Sauerstoffionen reduziert und an die Seiten der Elektroden 2a und 4a durch eine Pumpenbetätigung abgegeben. Durch ein Aufbringen der Spannung, die von der Sauerstoffkonzentration abhängt, sodass der Sauerstoffpumpstrom ein begrenzender Strom wird, der aus einer Beziehung zwischen der Spannung, die auf die Sauerstoffpumpzelle aufgebracht wird, und dem Strom der Sauerstoffpumpzelle, der vorab erlangt wird, bestimmt wird, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum 7 auf ein vorbestimmtes niedriges Niveau gesteuert werden.
Eine vorbestimmte Spannung (z. B. 0,4 V) wird zwischen den Elektroden 3a und 3b der Sensorzelle 3 derart aufgebracht, dass die Elektrode 3b auf der Seite des zweiten Referenzgasraums 17 positiv wird. Da die Elektrode 3a eine Pt-Rh-Cermetelektrode ist, die in einem Spalten bzw. Zersetzen von NOx als eine spezifische Gaskomponente aktiv ist, werden Sauerstoff und NOx an der Elektrode 3a auf der Seite des Innenraums 7 zu Sauerstoffionen reduziert und auf der Seite der Elektrode 3b durch eine Pumpenbetätigung abgegeben. Da der Stromwert mit dem Anstieg einer Konzentration des NOx ansteigt, wenn NOx in dem Messgas vorliegt, kann die Konzentration von NOx aus dem Stromwert bzw. derzeitigen Wert bestimmt werden.
Wie in 3A gezeigt ist, kann der NOx-Sensor S einschließlich dem Gassensorelement 1 vorteilhaft in einem NOx-Reinigungssystem verwendet werden, das an einem Abgasdurchgang EX einer Fahrzeugmaschine montiert ist, z. B. einem Abgasreinigungssystem einschließlich einem Urea-SCR-System. Der Abgasdurchgang EX ist mit einem Partikelfilter zum Entfernen von PM (Feinstoffen) aus dem Abgas, einem NOx-Reinigungskatalysator (SCR-Katalysator) der selektiven Reduktionsart und einem Oxidationskatalysator zum Verhindern eines Entkommens von NH₃ versehen, welche in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite her angeordnet sind. Ein Injektor zum Einspritzen von Urea-Wasser bzw. Harnstoffwasser in den Abgasdurchgang EX ist stromaufwärtig von dem SCR-Katalysator angeordnet, sodass NH₃, das als ein Reduktionsmittel hergestellt ist, durch eine Aufspaltung von hinzugefügtem Harnstoff selektiv bzw. wahlweise NOx in dem Abgas zu harmlosem N₂ und H₂O an dem SCR-Katalysator reduziert. Der Injektor wird durch eine Pumpe mit Urea-Wasser bzw. Harnstoffwasser versorgt, das in einem Urea-Wassertank gespeichert ist.
In diesem Urea-SCR-System bzw. Harnstoff-SCR-System wird das gesamte NOx in dem Abgas harmlos bzw. unschädlich gemacht, wenn eine angemessene Menge von Urea-Wasser eingespritzt wird. Wie in 3B gezeigt ist, falls eine Menge von eingespritztem Urea-Wasser für eine Menge von zu entfernendem NOx übermäßig ist, wird schädliches NH₃ abgegeben, andererseits, falls sie für eine Menge von zu entfernendem NOx unzureichend ist, wird NOx abgegeben. Entsprechend ist es notwendig, eine Einspritzmenge von Urea-Wasser bzw. Harnstoffwasser auf einen geeigneten Wert zu steuern. In diesem Urea-SCR-System wird der NOx-Sensor stromabwärtig von dem SCR-Katalysator angeordnet, um die NOx-Konzentration und die NH₃-Konzentration des Abgases zu messen, das der NOx-Reinigung unter Verwendung eines Urea-Wassers unterzogen wurde. Eine Einspritzmenge von Urea-Wasser wird derart geregelt, dass die Summe der NOx-Konzentration und der NH₃-Konzentration in dem Nachkatalysatorstrom minimal wird, um eine optimale Abgasreinigung durch das Urea-SCR-System zu realisieren.
Daher erfordert das Gassensorelement 1 des NOx-Sensors, in der Lage zu sein, die NH₃-Konzentration zusätzlich zu der NOx-Konzentration des Abgases zu messen. Wenn eine Einspritzmenge von Urea-Wasser übermäßig ist, wird überschüssiges NH₃ in das Gassensorelement 1 nach der NOx-Reinigung eingeleitet und durch Sauerstoff oxidiert, der in dem Innenraum 7 vorhanden ist, um NOx zu erzeugen, das in der Sensorzelle 3 zu messen ist. Entsprechend muss er nicht notwendigerweise zwischen der NOx-Konzentration und der NH₃-Konzentration basierend auf dem Sensorsignal unterscheiden, falls ein optimaler Steuerpunkt durch die Feedback-Steuerung bzw. Regelung basierend auf 3B erreicht wird.
Das Gassensorelement 1 zeigt eine hohe Sauerstoffpumpfähigkeit, da es die erste und die zweite Pumpzelle 2 und 4 aufweist, die einander über den Innenraum 7 hinweg zugewandt angeordnet sind, und wird derart gesteuert, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum 7 konstant gehalten wird. Da ferner der erste und der zweite Referenzgasraum 16 und 17 mit der Atmosphäre in Verbindung sind, ist es möglich, schnell Sauerstoffionen von dem Innenraum 7 zu dem ersten und dem zweiten Referenzgasraum 16 und 17 zu evakuieren und andersherum, ungeachtet des Abgases, das fett oder mager ist.
Dies macht es möglich, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum 7 einheitlich und bei einem konstant niedrigen Niveau gehalten wird. Entsprechend, gemäß dieser Ausführungsform mit dem einfachen Aufbau, in dem die Sensorzelle 3 dem Innenraum 7 zugewandt angeordnet ist, kann eine NOx-Konzentration mit einem hohen Grad an Genauigkeit gemessen werden. Ferner, da es nicht notwendig ist, die Sensorzelle 3 in einem Innenraum, der zu dem Innenraum 7 verschieden ist, anzuordnen und eine Verbindung zwischen diesen Innenräumen durch andere Diffusionswiderstände vorzusehen, kann eine charakteristische Abweichung aufgrund einer individuellen Abweichung in der Diffusionswiderstandsform und Innenraumform verringert werden.
Währenddessen ist es praktisch unmöglich, eine Element-zu-Element-Variation bzw. -Abweichung in der Form des porösen Diffusionswiderstands 11 selbst in dem Gassensorelement 1 der vorliegenden Erfindung gänzlich zu eliminieren. Entsprechend gibt es eine Sensor-zu-Sensor-Abweichung in der NOx-Konzentrationsabhängigkeit von dem Ausgabestrom (d. h., die NOx-Sensitivität) des Sensors 3. Daher, um die Sensor-zu-Sensor-Abweichung zu eliminieren, um einen noch genaueren NOx-Sensor vorzusehen, ist es notwendig, eine Kalibrierung der Sensorausgabe für jeden Sensor durchzuführen. Konventionellerweise wird die Sensorausgabe unter Verwendung eines NOx-Gases einer vorbestimmten Konzentration als ein Kalibrierungsgas kalibriert. Jedoch, da NOx-Gas teuer und schädlich ist, und außerdem geeignete Sicherheitsmaßnahmen erforderlich sind, um NOx-Gas zu handhaben, sind die Kosten für ein Durchführen der Kalibrierung hoch.
4A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Pumpenzellenstrom für 20% O₂ und den Sensorzellenstrom für 100 ppm NOx für jedes von acht Gassensorelementen 1 zeichnet. Wie in diesem Graph gezeigt ist, existiert eine proportionale Beziehung zwischen der O₂-Konzentrationsabhängigkeit von dem Pumpenzellenstrom (d. h., die O₂-Sensitivität) und der NOx-Konzentrationsabhängigkeit des Sensorzellenstroms (d. h., die NOx-Sensitivität).
Entsprechend macht es diese proportionale Beziehung möglich, die NOx-Sensitivität der Sensorzelle 3 durch ein Messen des Sauerstoffpumpenzellenstroms zu kalibrieren, wenn ein Sauerstoffgas einer vorbestimmten Konzentration als das Kalibrierungsgas verwendet wird. Die Atmosphäre kann als das Sauerstoffgas der vorbestimmten Konzentration verwendet werden.
In diesem Fall kann die Sensorausgabe ohne Verwenden eines teuren und schädlichen NOx-Gases kalibriert werden.
Jedoch ist es wünschenswert, dass der Diffusionswiderstand zwischen der Pumpenzelle und der Sensorzelle ausreichend kleiner ist als jener des porösen Diffusionswiderstands 11, um die Korrelation zwischen dem Pumpenzellenstrom und dem Sensorzellenstrom zu verstärken. 4B zeigt eine Beziehung zwischen der Höhe des Innenraums 7 und dem Sensorzellenstrom. In dieser Ausführungsform wird der Sensorzellenstrom für jeden von verschiedenen Werten der Höhe des Innenraums 7 gemessen, wenn die Breite und Länge des Innenraums 7 3,0 mm bzw. 8,0 mm sind und der poröse Diffusionswiderstand 11 derart hergestellt ist, dass der Pumpenzellenstrom 1 mA ist, wenn die Sauerstoffkonzentration 20% ist.
Wenn die Höhe des Innenraums 7 klein ist, ist der Sensorzellenstrom klein, da nicht lediglich der poröse Widerstand des porösen Diffusionswiderstands 11, sondern auch der Diffusionswiderstand innerhalb des Innenraums 7 zu dem Wert des Sensorzellenstroms beiträgt. Indem sich die Höhe des Innenraums 7 erhöht, wird ein Beitrag des Diffusionswiderstands innerhalb des Innenraums 7 auf den Wert des Sensorzellenstroms klein und der Sensorzellenstrom wird in Abhängigkeit von lediglich dem Diffusionswiderstand des porösen Diffusionswiderstands 11 zu bestimmen sein. Der poröse Diffusionswiderstand 11 ist ein Diffusionswiderstand (Diffusionsresistor), der sowohl in dem Pumpenzellenstrom als auch dem Sensorzellenstrom gleich ist. Jedoch ist der Beitrag des Diffusionswiderstands aufgrund des Innenraums 7 zu dem Sensorzellenstrom größer als zu dem Pumpenzellenstrom. Da die Form des Innenraums 7 aufgrund von Herstellungsabweichungen variiert, sollte der Beitrag des Innenraums 7 zu dem Sensorzellenstrom klein sein, um die Korrelation zwischen dem Pumpenzellenstrom und dem Sensorzellenstrom zu verstärken und um eine akkurate Kalibrierung zu gewährleisten.
4B zeigt, dass dann, wenn die Höhe des Innenraums 7 größer als 0,1 mm ist, der Sensorzellenstrom kaum durch den Innenraum 7 beeinflusst wird. Entsprechend ist die Höhe des Innenraums 7 vorzugsweise größer als 0,1 mm, sodass der Gassensor 1 durch ein Durchführen der vorangehenden Kalibrierung einen hohen Grad an Messgenauigkeit zeigt.
Im Übrigen, wenn die Höhe des Innenraums 7 erhöht wird und der Diffusionswiderstand zwischen der Pumpenzelle und der Sensorzelle ausreichend kleiner als jener des porösen Diffusionsresistors bzw. Diffusionswiderstands 11 gemacht ist, wird das Volumen des Innenraums 7 relativ groß für den gleichen Wert des Diffusionswiderstands des porösen Diffusionsresistors bzw. -widerstands 11. In diesem Fall ist es notwendig, eine ausreichende Sauerstoffpumpkapazität zu gewährleisten, um die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum 7 zu steuern. Gemäß dieser Ausführungsform, da die erste und die zweite Sauerstoffpumpenzelle 2 und 4 des Gassensorelements 1 auf der oberen und unteren Fläche des Innenraums 7 jeweils angeordnet sind, ist es möglich, die Sauerstoffpumpkapazität zu erhöhen, um dadurch die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum 7 uniform bzw. einheitlich zu behalten. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode der ersten Sauerstoffpumpzelle 2 und die Elektrode 4b der zweiten Sauerstoffpumpzelle 4 dem ersten Referenzgasraum 16 bzw. dem zweiten Referenzgasraum 17 zugewandt und außerdem der Atmosphäre als dem gemeinsamen Referenzsauerstoffkonzentrationsgas zugewandt. Entsprechend, da die Elektroden 2b und 4b in dem selben Potential innerhalb eines Steuerkreises angesehen werden können, ist es möglich, Sauerstoff stabil von der Atmosphäre in den Innenraum 7 zu pumpen, um die Sauerstoffkonzentration bei einem vorbestimmten niedrigen Niveau selbst in der fetten Atmosphäre zu halten.
5 ist ein Diagramm, das eine Variation über eine Zeit von der Sensorausgabe des konventionellen Gassensorelements zeigt, das in dem vorangehenden Patentdokument 3 beschrieben ist, während eines Übergangs von der fetten Abgasatmosphäre zu der mageren Abgasatmosphäre. 6 ist ein Diagramm, das eine Abweichung bzw. Variation über eine Zeit von der Sensorausgabe des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform während eines Übergangs von der fetten Abgasatmosphäre zu der mageren Abgasatmosphäre zeigt. Deren Steuerkreise werden eingestellt, um 1 V auszugeben, wenn die NO-Konzentration 100 ppm ist. Wie in 5 gezeigt ist, ist die Ausgabe des Steuerkreises des konventionellen Gassensorelements nicht normal (nicht gleich 1 V) in der fetten Atmosphäre, da die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum nicht in der fetten Atmosphäre gesteuert wird. Ferner braucht es eine lange Zeit, bevor die Ausgabe des Steuerkreises normal wird, nachdem sich die fette Atmosphäre zu der mageren Atmosphäre hin geändert hat. Andererseits, wie in 6 gezeigt ist, ist die Ausgabe des Steuerkreises des Gassensorelements dieser Ausführungsform normal (gleich wie 1 V) in der fetten Atmosphäre. Ferner wird die Ausgabe schnell normal, nachdem sich die fette Atmosphäre zu der mageren Atmosphäre hin geändert hat.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht des distalen Endabschnitts eines Gassensorelements 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 7 sind die Komponenten, welche die gleichen wie oder äquivalent zu jenen des Gassensorelements 1 gemäß der ersten Ausführungsform sind, durch die gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben dargestellt und Erläuterungen von diesen werden weggelassen. Der Basisaufbau der zweiten Ausführungsform ist der Gleiche wie jener der ersten Ausführungsform. Das heißt, das Gassensorelement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist durch ein Stapeln ausgebildet in der Reihenfolge von dem blatt- bzw. plättchenartigen festen Elektrolytkörper 6 zum Bilden der ersten Sauerstoffpumpenzelle 2, dem plättchenartigen festen Elektrolytkörper 5 zum Bilden der zweiten Sauerstoffpumpenzelle 4 und der Sensorzelle 3, dem plättchenartigen Abstandshalter 8 zum Ausbilden des Innenraums 7, den plättchenartigen Abstandshaltern 9 und 91 zum Ausbilden des ersten Referenzgasraums 16 und des zweiten Referenzgasraums 17 und der Heizvorrichtung 12 zum Heizen dieser Komponenten in dieser Reihenfolge.
In der zweiten Ausführungsform sind die Elektrode 4b der zweiten Pumpenzelle 4 und die Elektrode 3b der Sensorzelle 3 separat voneinander ausgebildet. Entsprechend, da die Sensorzelle 3 kaum durch die zweite Sauerstoffpumpzelle 4 betroffen ist, wird die Messgenauigkeit erhöht.
Wie vorangehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gassensorelement, das sowohl eine hohe Messgenauigkeit als auch niedrige Herstellungskosten erfüllt, vorgesehen werden. Das Gassensorelement der vorliegenden Erfindung kann nicht lediglich als ein NOx-Sensor verwendet werden, der an einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine montiert ist, um eine Einspritzungsmenge von Urea-Wasser bzw. Harnstoffwasser zu steuern, sondern außerdem als ein NOx-Sensor für verschiedene Arten von NOx-Reinigungssysteme, um eine NOx-Konzentration stromabwärts von einem NOx-Speicher- und -Reduktionskatalysator zu überwachen oder um eine Wiederherstellung des NOx-Speicher- und Reduktionskatalysators zum Beispiel zu steuern.
Das Gassensorelement der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um nicht lediglich NOx, sondern außerdem SOx, O₂ und CO₂ zu erfassen oder zu messen.
Die vorangehend erläuterten bevorzugten Ausführungsformen sind exemplarisch für die Erfindung der vorliegenden Anmeldung, die ausschließlich durch die nachfolgend angefügten Ansprüche beschrieben ist. Es soll verstanden werden, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen gemacht werden können, wie sie einem Fachmann einfallen.
Das Gassensorelement weist einen Innenraum, in den ein Messgas durch einen Diffusionswiderstand eingeleitet ist, eine erste Sauerstoffpumpenzelle, eine zweite Sauerstoffpumpenzelle und eine Sensorzelle auf. Eine von den Elektroden, die an den gegenüberliegenden Flächen des festen Elektrolytkörpers der ersten Sauerstoffpumpenzelle ausgebildet sind, und eine von den Elektroden, die an den gegenüberliegenden Flächen der zweiten Sauerstoffpumpenzelle ausgebildet sind, sind über den Innenraum hinweg einander gegenüberliegend angeordnet. Die andere Elektrode der ersten Sauerstoffpumpenzelle und die andere Elektrode der zweiten Sauerstoffpumpenzelle sind einem gemeinsamen Referenzsauerstoffkonzentrationsgas ausgesetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-225643 [0001]
JP 2885336 A [0004]
JP 2007-108018 [0011]
JP 3607453 A [0012]

Claims

Gassensorelement, das Folgendes aufweist: einen Innenraum, in den ein Messgas durch einen Diffusionswiderstand eingeleitet ist; eine erste Sauerstoffpumpenzelle einschließlich einem ersten festen Elektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität, und einer ersten und einer zweiten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des ersten festen Elektrolytkörpers ausgebildet sind, wobei die erste Elektrode der Innenfläche derart zugewandt ist, dass Sauerstoff in den Innenraum eingeleitet werden kann oder davon abgegeben werden kann, um eine Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum durch ein Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode einzustellen; eine zweite Sauerstoffpumpenzelle einschließlich einem zweiten festen Elektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer dritten und einer vierten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des zweiten festen Elektrolytkörpers ausgebildet sind, wobei die dritte Elektrode der Innenfläche derart zugewandt ist, dass Sauerstoff in den Innenraum eingeleitet werden kann oder davon abgegeben werden kann, um die Sauerstoffkonzentration in dem Innenraum durch ein Anlegen einer Spannung zwischen der dritten und der vierten Elektrode einzustellen; und eine Sensorzelle einschließlich einem dritten Elektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer fünften und einer sechsten Elektrode, die an beiden gegenüberliegenden Flächen des dritten festen Elektrolytkörpers ausgebildet sind, wobei die fünfte Elektrode dem Innenraum zugewandt ist, ein Strom, der zwischen der fünften und der sechsten Elektrode strömt, eine Ausgabe des Gassensorelements ist, die indikativ für eine Konzentration einer spezifischen Gaskomponente ist, welche in dem Messgas enthalten ist; wobei die erste Elektrode und die dritte Elektrode über den Innenraum hinweg gegenüber voneinander angeordnet sind, und die zweite Elektrode und die vierte Elektrode einem gemeinsamen Referenzsauerstoffkonzentrationsgas ausgesetzt sind.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei der erste feste Elektrolytkörper und der zweite feste Elektrolytkörper gestapelt sind, um den Innenraum zwischen sich zu haben, die zweite Elektrode an dem ersten Elektrolytkörper ausgebildet ist, um einem ersten Referenzgasraum entgegengesetzt zu dem Innenraum zugewandt zu sein, und die vierte Elektrode an dem zweiten Elektrolytkörper ausgebildet ist, um dem zweiten Referenzgasraum entgegengesetzt zu dem Innenraum zugewandt zu sein, das gemeinsame Referenzsauerstoffkonzentrationsgas in den ersten und den zweiten Referenzgasraum von einem Raum aus eingeleitet wird, in dem ein gemeinsames Referenzsauerstoffkonzentrationsgas vorliegt.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei das gemeinsame Referenzsauerstoffkonzentrationsgas eine Atmosphäre ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die spezifische Gaskomponente, die in dem Messgas enthalten ist, Stickoxid ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die Höhe des Innenraums größer als 0,1 mm ist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die Sensorzelle hinsichtlich einer Strömung des Messgases stromabwärtig von der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpenzelle angeordnet ist.
Gassensor für eine Brennkraftmaschine einschließlich des Gassensorelements nach Anspruch 1, in dem das Messgas ein Abgas der Brennkraftmaschine ist.