DE102017003283A1

DE102017003283A1 - Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement

Info

Publication number: DE102017003283A1
Application number: DE102017003283.1A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Onogi; Koji Shiotani; Kenji Kato
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2017-10-12
Also published as: JP6560152B2; JP2017187403A

Abstract

Aufgabe Bereitstellen einer Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement, das die Verschlechterung des Gassensorelements präzise detektieren kann. Mittel für die Lösung Wenn Sauerstoff durch eine Hauptpumpzelle 49 hineingepumpt wird oder herausgepumpt wird (wenn die Stickoxidkonzentration detektiert wird), so wird der Betrag an Sauerstoff, die aus einer zweiten Messkammer 15b durch eine Hilfspumpzelle 55 herausgepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff, der zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration herausgepumpt wird, reduziert. Des Weiteren wird, wenn der Betrag des herausgepumpten Sauerstoffs reduziert wird, eine Änderung (Einschwingverhalten) in dem Konzentrationsstrom, der durch eine Sensorzelle 61 fließt, detektiert. Eine Feststellung, ob sich ein Gassensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, wird auf der Basis der detektierten Änderung des Konzentrationsstroms, zum Beispiel seiner Ansprechzeit, getroffen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement zum Detektieren eines speziellen Gases, das in einem Messungszielgas enthalten ist, wobei die Vorrichtung feststellt, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.
Allgemeiner Stand der Technik
Im Stand der Technik ist ein Gassensor bekannt, der ein Gassensorelement umfasst, um ein spezielles Gas (zum Beispiel ein Stickoxid usw.) zu detektieren, das in einem Messungszielgas (zum Beispiel in Abgas usw.) enthalten ist.
Zum Beispiel offenbart Patentdokument 1 einen Gassensor (Stickoxidsensor), der ein Gassensorelement (Stickoxidsensorelement) zum Detektieren von Stickoxid (NOx) als ein spezielles Gas und eine Gassensorsteuerungsvorrichtung zum Steuern des Gassensorelements und Berechnen der Konzentration von Stickoxid in dem Messungszielgas umfasst.
Das oben angesprochene Stickoxidsensorelement hat eine erste Messkammer und eine zweite Messkammer und hat außerdem eine erste Pumpzelle und eine zweite Pumpzelle, die für die jeweiligen Messkammern bereitgestellt sind.
Im Fall dieses Stickoxidsensorelements wird ein Messungszielgas in die erste Messkammer eingeleitet, und das Gas in der ersten Messkammer wird durch die erste Pumpzelle auf eine zuvor festgelegte Sauerstoffkonzentration geregelt. Im Ergebnis des Anlegens einer zuvor festgelegten Spannung an die zweite Pumpzelle werden Sauerstoffmoleküle, die in dem Gas in der zweiten Messkammer und in einem Sauerstoff-haltigen Gas (Stickoxid) enthalten sind, das in dem Gas in der zweiten Messkammer enthalten ist und Sauerstoffelemente in seiner Struktur enthält, dissoziiert. Infolge dessen fließt ein Konzentrationsstrom proportional zu den Konzentrationen der Sauerstoffmoleküle und des Stickoxids, die in dem Gas in der zweiten Messkammer enthalten sind. Die Konzentration des Stickoxids kann anhand der Größenordnung des Konzentrationsstroms detektiert werden.
Unlängst ist nun herausgefunden worden, dass, wenn sich ein Stickoxidsensorelement, das für einen solchen Stickoxidsensor verwendet wird, infolge seines Betriebes oder dergleichen verschlechtert, sich sein Ansprechen verlangsamt.
Ein solcher Stickoxidsensor muss ein gutes Ansprechverhalten besitzen, um die Anforderungen der jüngsten Regelungen zu Stickoxiden, die von Fahrzeugen ausgestoßen werden, zu erfüllen. Wenn sich jedoch das Ansprechen des Stickoxidsensors aufgrund der Verschlechterung des NO-Sensorelements verlangsamt, so kann das erforderliche Ansprechverhalten des Stickoxidsensors verloren gehen.
Daher ist es erforderlich geworden, den Verschlechterungszustand eines solchen Stickoxidsensorelements, dessen Ansprechen sich verlangsamt hat, festzustellen (in einem Zustand, in dem der Stickoxidsensor in einem Fahrzeug montiert ist).
Ein Verfahren, das diese Anforderungen erfüllt, ist beispielsweise in Patentdokument 2 vorgeschlagen worden. Das vorgeschlagene Verfahren kann die Verschlechterung eines Stickoxidsensorelements detektieren, das als eine zweite Pumpzelle eine Überwachungszelle zum Detektieren der Konzentration von Sauerstoff, der in der zweiten Messkammer zurückbleibt, nachdem er die erste Pumpzelle passiert hat, und eine Sensorzelle zum Detektieren der Stickoxidkonzentration aus dem Gas in der zweiten Messkammer umfasst.
In dem vorgeschlagenen Verfahren zum Detektieren einer Verschlechterung wird der Zustand des Pumpens von Sauerstoff (und damit die Sauerstoffkonzentration) in der ersten Messkammer geändert, indem die an die erste Sensorzelle angelegte Spannung geändert wird, und die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements wird auf der Basis von Änderungen des Ausgangssignals der Überwachungszelle und der Sensorzelle in der zweiten Messkammer zu jenem Zeitpunkt detektiert.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1 offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 2009-168798
Patentdokument 2 offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 2015-59926

Kurzdarstellung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Die oben beschriebene herkömmliche Technik hat allerdings das Problem einer unzureichenden Genauigkeit bei der Verschlechterungsdetektion, da die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements detektiert wird, indem der Pumpzustand der ersten Pumpzelle geändert wird.
Genauer gesagt, beträgt die Konzentration von Sauerstoff in der ersten Messkammer (vor dem Pumpen von Sauerstoff) zum Beispiel etwa 10.000 ppm, und ein Strom (Pumpstrom), der im Ergebnis des Anlegens einer Spannung an die erste Pumpzelle fließt, so dass Sauerstoff einer solchen Konzentration gepumpt wird, ist groß (zum Beispiel in der Größenordnung von mA). Im Gegensatz dazu beträgt die Konzentration von Stickoxid in der zweiten Messkammer zum Beispiel etwa 90 ppm, und somit ist der Strom, der durch die Sensorzelle fließt, sehr klein (in der Größenordnung von μA).
Da sich nämlich die erste Pumpzelle und die Sensorzelle hinsichtlich des zu verarbeitenden Strombereichs (des Bereichs des Stromwertes) in hohem Maße voneinander unterscheiden, ist es nicht einfach, die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements auf der Basis einer Änderung des kleinen Ausgangssignals der Sensorzelle präzise zu detektieren, selbst wenn der Betrieb der ersten Pumpzelle gesteuert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt dieses Problem zugrunde, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement, welche die Verschlechterung des Gassensorelements präzise detektieren kann.
Mittel zum Lösen des Problems

(1) Eine Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Verschlechterung eines Gassensorelements fest, das eine Messkammer, eine Hauptpumpzelle, eine Hilfspumpzelle und eine Sensorzelle aufweist.

Ein Messungszielgas wird durch eine Öffnung in die Messkammer eingeleitet.
Die Hauptpumpzelle hat ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement und ein Paar erste Elektroden, die auf dem Festelektrolytelement ausgebildet sind, und eine erste innere Elektrode, die eine der ersten Elektroden ist, ist der Messkammer ausgesetzt. Die Hauptpumpzelle pumpt Sauerstoff aus der Messkammer oder pumpt Sauerstoff in die Messkammer, wenn dem Paar der ersten Elektroden Elektrizität zugeführt wird.
Die Hilfspumpzelle ist stromabwärts der Hauptpumpzelle in einem Strömungskanal für das Messungszielgas angeordnet. Die Hilfspumpzelle hat ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement und ein Paar zweiter Elektroden, die auf dem Festelektrolytelement ausgebildet sind, und eine zweite innere Elektrode, die eine der zweiten Elektroden ist, die Kontakt zu der Messkammer hat. Die Hilfspumpzelle kann Sauerstoff aus der Messkammer pumpen, wenn dem Paar der zweiten Elektroden Elektrizität zugeführt wird.
Die Sensorzelle ist stromabwärts der Hauptpumpzelle in dem Strömungskanal für das Messungszielgas angeordnet. Die Sensorzelle hat ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement und ein Paar dritter Elektroden, die auf dem Festelektrolytelement ausgebildet sind, und eine dritte innere Elektrode, die eine der dritten Elektroden ist, die Kontakt zu der Messkammer hat. Die Sensorzelle detektiert ein spezielles Gas, das in dem Messungszielgas enthalten ist, auf der Basis eines Stroms, der durch das Paar dritter Elektroden fließt.
Die Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement umfasst ein Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel, ein Sensorausgangssignal-Detektionsmittel (Konzentrationsstromdetektionsmittel) und ein Mittel zum Feststellen der Verschlechterung als Mittel zum Detektieren der Verschlechterung des Gassensorelements.
Wenn Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle hinausgepumpt wird oder hineingepumpt wird, so ändert das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel den Betrag an Sauerstoff, der durch die Hilfspumpzelle aus der Messkammer gepumpt wird, ausgehend von einem Betrag an Sauerstoff, der durch die Hilfspumpzelle zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird. Zum Beispiel reduziert das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel den Betrag von herausgepumptem Sauerstoff.
Das Sensorausgangssignal-Detektionsmittel detektiert das Ausgangssignal der Sensorzelle, wenn der Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs durch das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel geändert wird.
Das Mittel zum Feststellen der Verschlechterung stellt auf der Basis des durch das Sensorausgangssignal-Detektionsmittel detektierten Ausgangssignals der Sensorzelle fest, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.
Wie oben beschrieben, wird in der Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung gemäß dem ersten Aspekt, wenn Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle hinausgepumpt wird oder hineingepumpt wird, der Betrag an Sauerstoff, der durch die Hilfspumpzelle aus der Messkammer gepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff, der zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird, reduziert, und die Feststellung, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht, wird anhand des Ausgangssignals der Sensorzelle getroffen, das zu jenem Zeitpunkt detektiert wird. Daher kann die Verschlechterung des Gassensorelements präzise detektiert werden.
Genauer gesagt, ändert die Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung gemäß dem ersten Aspekt im Gegensatz zu dem Fall der herkömmlichen Technik des Änderns des Pumpzustands der Hauptpumpzelle, durch die ein großer Strom fließt, den Betriebszustand (zum Beispiel die Sollspannung) der Hilfspumpzelle, durch die ein kleiner Strom fließt. Daher kann eine Änderung des Ausgangssignals der Sensorzelle präzise anhand der Beziehung zwischen dem kleinen Strom, der durch die Hilfspumpzelle fließt (d. h. dem Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs), und dem kleinen Strom, der durch die Sensorzelle fließt (und zwar dem Ausgangssignal der Sensorzelle), erhalten werden. Somit kann die Verschlechterung des Gassensorelements anhand einer Änderung des Ausgangssignals der Sensorzelle präzise detektiert werden.
Es wird nun das Prinzip des Detektierens der Verschlechterung des Gassensorelements beschrieben.
Wenn der Betriebszustand der Hilfspumpzelle (und zwar der Betrag des herausgepumpten Sauerstoffs) geändert wird, so ändert sich die Sauerstoffkonzentration auf der stromabwärtigen Seite der Messkammer. Genauer gesagt, ändert sich die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der Nähe der zweiten inneren Elektrode der Hilfspumpzelle. Dementsprechend ändert sich auch die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre in der Nähe der dritten inneren Elektrode der Sensorzelle auf der stromabwärtigen Seite, so dass die Konzentrationen von Sauerstoffmolekülen und von Sauerstoff-haltigem Gas in ihrer Nähe sich ebenfalls ändern. Daher ändert sich das Ausgangssignal der Sensorzelle (genauer gesagt, der Konzentrationsstrom, welcher der Strom ist, der durch die Sensorzelle fließt) ebenfalls.
Die von den Autoren der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen haben offenbart, dass der Zustand der Änderung, die in dem Konzentrationsstrom der Sensorzelle stattfindet, sich mit dem Grad der Verschlechterung des Gassensorelements ändert. Dementsprechend kann die Feststellung, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht, auf der Basis der Änderung des Konzentrationsstroms getroffen werden.
Genauer gesagt, umfasst die Formulierung „detektiert ein spezielles Gas” das Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens des speziellen Gases und das Detektieren der Konzentration des speziellen Gases.

(2) Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stoppt das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel das Herauspumpen von Sauerstoff aus der Messkammer oder reduziert den aus der Messkammer gepumpten Betrag an Sauerstoff ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff, der zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird.

In dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Herauspumpen von Sauerstoff aus der Messkammer gestoppt, oder der aus der Messkammer gepumpte Betrag an Sauerstoff wird ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff reduziert, der zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird. Daher ist es auf der Basis der Änderung in dem Ausgangssignal der Sensorzelle (ihres Einschwingverhaltens) aufgrund des Stoppens des Sauerstoffpumpens oder der Reduzierung des Betrages des gepumpten Sauerstoffs möglich festzustellen, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.

(3) Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Mittel zum Feststellen der Verschlechterung durch Vergleichen der Änderung des durch das Konzentrationsstromdetektionsmittel detektierten Konzentrationsstroms und einer Änderung des Konzentrationsstroms, der im Voraus mittels eines normalen Gassensorelements erhalten wird, fest, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.

In dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Einschwingverhalten eines normalen Gassensorelements und das Einschwingverhalten eines sich verschlechterten Gassensorelements zu vergleichen und die Verschlechterung des sich verschlechterten Gassensorelements auf der Basis der Differenz zwischen beiden zu detektieren.
Genauer gesagt, meint „normales Gassensorelement” ein Gassensorelement (ein Gassensorelement, das eine Leistung aufweist, welche die praktische Verwendung des Gassensorelements erlaubt), dessen Leistung (zum Beispiel Ansprechverhalten) höher ist als die eines sich verschlechterten Gassensorelements. Bevorzugt wird ein sich nicht verschlechtertes Gassensorelement als das normale Gassensorelement verwendet.

(4) Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Mittel zum Feststellen der Verschlechterung auf der Basis einer Zeit, die der Konzentrationsstrom benötigt, um ausgehend von einem ersten Stromwert zuzunehmen und einen zweiten Stromwert (der von dem ersten Stromwert verschieden ist) zu erreichen, fest, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.

Da sich ein sich nicht verschlechtertes Produkt und ein sich verschlechtertes Produkt voneinander hinsichtlich der Zeit unterscheiden, die der Konzentrationsstrom benötigt, um ausgehend von dem ersten Stromwert zuzunehmen und den zweiten Stromwert, der das Einschwingverhalten des Konzentrationsstrom ist, zu erreichen, ist es möglich, auf der Basis dieser Zeit festzustellen, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.

(5) Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Messkammer eine erste Messkammer, die auf einer stromaufwärtigen Seite des Strömungskanals für das Messungszielgas angeordnet ist, eine zweite Messkammer, die auf einer stromabwärtigen Seite des Strömungskanals angeordnet ist, und einen Begrenzungsabschnitt, der zwischen der ersten Messkammer und der zweiten Messkammer angeordnet ist und eine Strömung des Messungszielgases beschränkt, und ist die erste innere Elektrode in der ersten Messkammer angeordnet, und sind die zweite innere Elektrode und die dritte innere Elektrode in der zweiten Messkammer angeordnet.

Durch die Verwendung eines Gassensorelements, das die oben beschriebene Struktur aufweist, ist es möglich, das spezielle Gas korrekt zu detektieren und festzustellen, ob sich das Gassensorelement verschlechtert hat oder nicht.
Wirkungen der Erfindung
Die Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Nutzeffekt einer präzisen Detektion der Verschlechterung des Gassensorelements.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Veranschaulichung, die ein Motorsystem zeigt, in dem ein Stickoxidsensor verwendet wird.
2 Dickenquerschnittsansicht eines Vorderendabschnitts eines Gassensorelements entlang seiner Längsrichtung mit einem hinzugefügten elektrischen Stromkreis.
3 Diagramm, das eine Änderung des Ausgangssignals (Konzentrationsstroms) einer Sensorzelle zeigt, wenn der durch eine Hilfspumpzelle herausgepumpte Betrag an Sauerstoff reduziert wird.
4 Flussdiagramm, das die Verarbeitung für die Feststellung einer Verschlechterung usw. zeigt, die durch eine Gassensorsteuerungsvorrichtung ausgeführt wird.
Arten der Ausführung der Erfindung
Eine Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet wird, wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
In der unten beschriebenen Ausführungsform wird ein Stickoxidsensor, der ein konkreter Typ eines Gassensors ist, als ein Beispiel verwendet. Genauer gesagt, wird die Ausführungsform für den Fall beschrieben, dass der Gassensor ein Stickoxidsensor ist, der an einem Abgasrohr eines Automobils oder an einem von verschiedenen Arten von Verbrennungsmotoren angebracht ist und der ein Gassensorelement (Stickoxidsensorelement) zum Detektieren einen speziellen Gases (Stickoxid oder NOx) umfasst, das in Abgas enthalten ist, das ein Messungsziel darstellt.
1. Ausführungsform
1-1. Stickoxidsensorsystem
Zuerst wird die Ausgestaltung eines Systems (Stickoxidsensorsystems) zum Steuern eines Stickoxidsensors mit Bezug auf 1 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist das Stickoxidsensorsystem 1 in der vorliegenden Ausführungsform in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) montiert, das einen Verbrennungsmotor 3 aufweist, und steuert den Betrieb eines Stickoxidsensors 7 durch eine Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 so, dass die Konzentration von Stickoxid detektiert wird, das in Abgas (einem Messungszielgas) enthalten ist, das aus dem Motor 3 ausgestoßen wird.
Der Stickoxidsensor 7 besteht aus einem Stickoxidsensorelement 9 (siehe 2), einem Metallmantel 11 zum Aufnahmen des Stickoxidsensorelements 9 usw.
Wie später noch beschrieben wird, fungiert die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 als eine Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung zum Feststellen, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht.
1-2. Stickoxidsensorelement
Als Nächstes wird die Struktur des Stickoxidsensorelements 9 mit Bezug auf 2 beschrieben.
Genauer gesagt, stimmt in 2 eine Längsrichtung (Y-Achsen-Richtung), welche die horizontale Richtung ist, mit der axialen Richtung des Stickoxidsensors 7 überein. Außerdem ist die X-Achsen-Richtung von 2 eine Stapelrichtung (die Richtung der Grundrissansicht) orthogonal zu der Längsrichtung. Außerdem ist die linke Seite von 2 die Vorderendseite des Stickoxidsensorelements 9 (d. h. die Vorderendseite des Stickoxidsensors 7), und die rechte Seite von 2 ist die Hinterendseite des Stickoxidsensorelements 9.
<Struktur des Vorderendabschnitts des Stickoxidsensorelements>
Wie in 2 gezeigt, ist das Stickoxidsensorelement 9 ein längliches, rechtwinkliges, parallelflaches Plattenelement, das sich in der Längsrichtung (Y-Achsen-Richtung) erstreckt.
Das Stickoxidsensorelement 9 hat auf seiner Vorderendseite in der Längsrichtung eine Detektionssektion 13 zum Detektieren der Konzentration des speziellen Gases (d. h. Stickoxid), das in dem Messungszielgas (d. h. Abgas) enthalten ist. Das Stickoxidsensorelement 9 hat an seinem Vorderende eine Öffnung 17, durch die das Messungszielgas in eine Messkammer 15 in der Detektionssektion 13 eingeleitet wird (genauer gesagt, eine erste Messkammer 15a auf der stromaufwärtigen Seite).
Das Stickoxidsensorelement 9 ist ein Laminat, das durch Übereinanderlegen mehrerer Keramikschichten gebildet wird.
Genauer gesagt, hat das Stickoxidsensorelement 9 eine Struktur, in der eine erste Isolierschicht 21, eine zweite Isolierschicht 23, eine erste Festelektrolytschicht 25, eine dritte Isolierschicht 27, eine zweite Festelektrolytschicht 29, eine vierte Isolierschicht 31, eine fünfte Isolierschicht 33 und eine sechste Isolierschicht 35 in dieser Reihenfolge vom oberen Ende von 2 her übereinandergelegt sind.
Die dritte Isolierschicht 27, welche die Messkammer 15 aufweist, die eine Öffnung ist, die sich in der Längsrichtung erstreckt, ist zwischen der ersten Festelektrolytschicht 25 und der zweiten Festelektrolytschicht 29 angeordnet. Die erste Messkammer 15a, die eine vorderendseitige Region der Messkammer 15 ist, steht über die Öffnung 17, die mit einem porösen Diffusionswiderstand 37 gefüllt ist, mit der Außenseite in Strömungsverbindung. Ein externes Gas (in der vorliegenden Ausführungsform ein Abgas), welches das Messungszielgas (G) ist, wird von der Außenseite her über den Diffusionswiderstand 37 in das Innere des Stickoxidsensorelements 9 eingeleitet.
In der Messkammer 15 ist ein Strömungskanal ausgebildet, durch den das Messungszielgas in der Richtung eines Pfeils in der Zeichnung strömt. Und zwar umfasst die Messkammer 15 die erste Messkammer 15a, die ist auf der stromaufwärtigen Seite des Strömungskanals angeordnet, und eine zweite Messkammer 15b, die auf der stromabwärtigen Seite der ersten Messkammer 15a angeordnet ist. Ein Begrenzungsabschnitt 15C ist zwischen der ersten Messkammer 15a und der zweiten Messkammer 15b angeordnet. Der Begrenzungsabschnitt 15C erlaubt eine Strömungsverbindung zwischen der ersten Messkammer 15a und der zweiten Messkammer 15b und begrenzt teilweise die Strömung des Gases.
Ein poröses Element ähnlich dem Diffusionswiderstand 37 kann in dem Begrenzungsabschnitt 15C so angeordnet werden, dass es die Diffusion des Gases steuert. Alternativ kann der Begrenzungsabschnitt 15C weggelassen werden. In diesem Fall wird ein stromaufwärtiger Abschnitt der einzelnen Messkammer 15 als die erste Messkammer 15a verwendet, und ein stromabwärtiger Abschnitt der einzelnen Messkammer 15 wird als die zweite Messkammer 15b verwendet.
Eine erste Referenzsauerstoffkammer 41, in welche die Atmosphäre von der Hinterendseite her eingeleitet wird, wird zwischen der ersten Isolierschicht 21 und der ersten Festelektrolytschicht 25 durch eine Öffnung 23a der zweiten Isolierschicht 23 gebildet. In der Grundrissansicht erstreckt sich die erste Referenzsauerstoffkammer 41 von der Hinterendseite des Stickoxidsensorelements 9 zu der Position des Vorderendes der zweiten Messkammer 15b.
Gleichermaßen wird eine zweite Referenzsauerstoffkammer 43, in welche die Atmosphäre von der Hinterendseite her eingeleitet wird, zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 29 und der fünften Isolierschicht 33 durch eine Öffnung 31a der vierten Isolierschicht 31 gebildet. In der Grundrissansicht erstreckt sich die zweite Referenzsauerstoffkammer 43 von der Hinterendseite des Stickoxidsensorelements 9 zu der Position des Vorderendes der ersten Messkammer 15a.
Wie später noch im Detail beschrieben wird, wird eine Hauptpumpzelle 49 durch die zweite Festelektrolytschicht 29 und eine erste inneren Elektrode 45 und eine erste äußere Elektrode 47, die auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Festelektrolytschicht 29 in ihrer Dickenrichtung (Stapelrichtung) ausgebildet sind, gebildet.
Außerdem wird eine Hilfspumpzelle 55 durch die erste Festelektrolytschicht 25 und eine zweite innere Elektrode 51 und eine zweite äußere Elektrode 53, die auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Festelektrolytschicht 25 in ihrer Dickenrichtung ausgebildet sind, gebildet.
Gleichermaßen wird eine Sensorzelle 61 durch die erste Festelektrolytschicht 25 und eine dritte innere Elektrode 57 und eine dritte äußere Elektrode 59, die auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Festelektrolytschicht 25 in ihrer Dickenrichtung ausgebildet sind, gebildet. Genauer gesagt, wird eine gemeinsame Elektrode als die zweite äußere Elektrode 53 und die dritte äußere Elektrode 59 verwendet, und die Hilfspumpzelle 55 und die Sensorzelle 61 teilen sich die erste Festelektrolytschicht 25.
Die Positionsbeziehung zwischen der Hilfspumpzelle 55 und der Sensorzelle 61 kann frei festgestellt werden, solange die zweite innere Elektrode 51 der Hilfspumpzelle 55 und die dritte innere Elektrode 57 der Sensorzelle 61 in derselben zweiten Messkammer 15b angeordnet sind. Zum Beispiel kann die eine oder die andere der zweiten inneren Elektrode 51 und der dritten inneren Elektrode 57 auf der stromaufwärtigen Seite der anderen angeordnet werden. Alternativ können die zweite innere Elektrode 51 und die dritte innere Elektrode 57 so parallel angeordnet werden, dass sie sich an der gleichen Position mit Bezug auf die erste Messkammer 15a (in der gleichen Entfernung von der ersten Messkammer 15a) befinden.
Eine Heizvorrichtung 65, die einen Wärmeerzeugungswiderstand 63 umfasst, der aus einem Leiter, wie zum Beispiel Wolfram, besteht, ist zwischen der fünften Isolierschicht 33 und der sechsten Isolierschicht 35 angeordnet.
Wenn ein externer elektrischer Strom an die Heizvorrichtung 65 angelegt wird, so erzeugt der Wärmeerzeugungswiderstand 63 Wärme. Die Heizvorrichtung 65 wird dafür verwendet, das Stickoxidsensorelement 9 (insbesondere die Detektionssektion 13) auf eine zuvor festgelegte Aktivierungstemperatur zu erwärmen, um dadurch die Sauerstoffionenleitfähigkeit der Festelektrolytelemente zu erhöhen und den Betrieb des Stickoxidsensorelements 9 zu stabilisieren.
Genauer gesagt, ist jede der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 25 und 29 ein Element (Festelektrolytelement), das hauptsächlich beispielsweise aus Zirkonoxid besteht, das ein Festelektrolyt ist, der Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Die ersten bis sechsten Isolierschichten 21, 23, 27, 31, 33 und 35 bestehen hauptsächlich beispielsweise aus Aluminiumoxid, das ein elektrisch isolierendes Material ist, so dass sie dicht genug sind, um ein Hindurchströmen (Hindurchtreten) von Fluid, wie zum Beispiel Gas, zu verhindern. Der Diffusionswiderstand 37 besteht aus einem porösen Material, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, und erlaubt das Hindurchströmen von Gas.
„Besteht hauptsächlich aus” meint, dass „der Betrag an Hauptmaterial in einer Keramikschicht mindestens 50 Gewichts-% beträgt”. Zum Beispiel enthält jede der ersten und zweiten Festelektrolytschichten 25 und 29 Zirkonoxid in einer Menge von mindestens 50 Gewichts-%.
<Strukturen der Zellen>
Als Nächstes werden die Strukturen usw. der Zellen 49, 55 und 61 im Detail mit Bezug auf 2 beschrieben. Wie oben beschrieben, umfasst die Hauptpumpzelle 49 die zweite Festelektrolytschicht 29, die aus einem Festelektrolytelement und einem Paar rechteckiger Elektroden besteht, welche die zweite Festelektrolytschicht 29 zwischen sich aufnehmen, d. h. die erste innere Elektrode 45 und die erste äußere Elektrode 47.
Die erste innere Elektrode 45 weist zu der ersten Messkammer 15a, und die erste äußere Elektrode 47 weist zu der zweiten Referenzsauerstoffkammer 43. Genauer gesagt, haben die erste innere Elektrode 45 und die erste äußere Elektrode 47 in der Grundrissansicht die gleiche Form und haben planare Formen, die ungefähr die gleichen sind wie die der ersten Messkammer 15a.
Wie oben beschrieben, umfasst die Hilfspumpzelle 55 die erste Festelektrolytschicht 25 und ein Paar rechteckige Elektroden, welche die erste Festelektrolytschicht 25 zwischen sich aufnehmen, d. h. die zweite innere Elektrode 51 und die zweite äußere Elektrode 53.
Die zweite innere Elektrode 51 weist zu der zweiten Messkammer 15b, und die zweite äußere Elektrode 53 weist zu der ersten Referenzsauerstoffkammer 41.
Wie oben beschrieben, umfasst die Sensorzelle 61 die erste Festelektrolytschicht 25 und ein Paar rechteckige Elektroden, welche die erste Festelektrolytschicht 25 zwischen sich aufnehmen, d. h. die dritte innere Elektrode 57 und die dritte äußere Elektrode 59.
Die dritte innere Elektrode 57 weist zu der zweiten Messkammer 15b wie im Fall der zweiten inneren Elektrode 51, und die dritte äußere Elektrode 59 weist zu der ersten Referenzsauerstoffkammer 41.
Um ein gutes Elektrodenansprechen beizubehalten, ist jede der Elektroden 45, 47, 51, 53 (59) und 57 in einem solchen Grad porös ausgebildet, dass das Gas durch die Elektroden strömen kann. Und zwar ist jede dieser Elektroden in einem solchen Grad porös ausgebildet, dass sie eine ordnungsgemäße Dreiphasengrenzfläche bildet, an der die gasförmigen Komponenten (gasförmige Phase, wie zum Beispiel Sauerstoff und Stickoxid) des Messungszielgases, die Elektrode (katalytische Phase) und der Festelektrolyt (Sauerstoffionen-leitende Phase) in Kontakt miteinander stehen.
Von den Elektroden 45, 47, 51, 53 (59) und 57 besteht die dritte innere Elektrode 57 der Sensorzelle 61 aus einem Material, das eine höhere katalytische Aktivität (Stickoxidzersetzungsaktivität) besitzt als das Material der Elektroden 45, 47, 51 und 53 (59).
Genauer gesagt, wird ein Material, das Platin und Rhodium als Hauptkomponenten enthält, für die dritte innere Elektrode 57 verwendet, und ein Material, das Platin und Gold als Hauptkomponenten enthält, wird für die erste innere Elektrode 45, die erste äußere Elektrode 47, die zweite innere Elektrode 51 und die zweite äußere Elektrode 53 verwendet.
Das oben beschriebene Gassensorelement kann durch ein allgemein bekanntes Verfahren hergestellt werden.
1-3. Gassensorsteuerungsvorrichtung
Als Nächstes werden die Ausgestaltung, der Betrieb usw. der Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 mit Bezug auf 2 beschrieben.
Die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 ist eine elektronische Steuereinheit, die einen allgemein bekannten Mikrocomputer 71 umfasst. Die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 betreibt die Hauptpumpzelle 49, die Hilfspumpzelle 55 und die Sensorzelle 61, wenn sie die Konzentration von Stickoxid detektiert oder festgestellt, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht.
<Detektion der Stickoxidkonzentration>
Zuerst wird der Betrieb für die Detektion der Stickoxidkonzentration beschrieben. Wenn die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 die Stickoxidkonzentration detektiert, so steuert der Mikrocomputer 71 eine Hauptpumpzellenspannung Vp, die zwischen der ersten inneren Elektrode 45 und der ersten äußeren Elektrode 47 der Hauptpumpzelle 49 angelegt wird, so, dass die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 15a auf eine Soll-Sauerstoffkonzentration eingestellt wird. Und zwar stellt der Mikrocomputer 71 die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 15a auf die Soll-Sauerstoffkonzentration durch Herauspumpen von Sauerstoff aus der ersten Messkammer 15a in die zweite Referenzsauerstoffkammer 43 oder Hineinpumpen von Sauerstoff aus der zweiten Referenzsauerstoffkammer 43 in die erste Messkammer 15a ein.
Zu jenem Zeitpunkt detektiert der Mikrocomputer 71 einen Hauptpumpzellenstrom Ip, der zwischen der ersten inneren Elektrode 45 und der ersten äußeren Elektrode 47 fließt.
Außerdem steuert der Mikrocomputer 71 eine Hilfspumpzellenspannung Vh, die zwischen der zweiten inneren Elektrode 51 und der zweiten äußeren Elektrode 53 der Hilfspumpzelle 55 angelegt wird, so, dass die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messkammer 15b auf eine zuvor festgelegte niedrige Konzentration (beispielsweise 0,01 ppm) gesteuert wird. Und zwar stellt der Mikrocomputer 71 die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messkammer 15b auf die zuvor festgelegte niedrige Konzentration durch Herauspumpen von Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 15b in die erste Referenzsauerstoffkammer 41 ein.
Zu jenem Zeitpunkt detektiert der Mikrocomputer 71 einen Hilfspumpzellenstrom Ih, der zwischen der zweiten inneren Elektrode 51 und der zweiten äußeren Elektrode 53 fließt.
Des Weiteren steuert der Mikrocomputer 71 eine Sensorzellenspannung Vs, die zwischen der dritten inneren Elektrode 57 und der dritten äußeren Elektrode 59 der Sensorzelle 61 angelegt wird, so, dass die Stickoxidkonzentration in der zweiten Messkammer 15b detektiert wird. Zu jenem Zeitpunkt wird an der dritten inneren Elektrode 57 Stickoxid zersetzt, und Sauerstoff wird erzeugt. Daher wird in der Sensorzelle 61 der Sauerstoff (der Sauerstoff, der im Ergebnis der Zersetzung von Stickoxid entsteht) in der zweiten Messkammer 15b in die erste Referenzsauerstoffkammer 41 herausgepumpt. Zu jenem Zeitpunkt detektiert der Mikrocomputer 71 einen Sensorzellenstrom Is, der zwischen der dritten inneren Elektrode 57 und der dritten äußeren Elektrode 59 fließt.
Da der Sensorzellenstrom Is ein Konzentrationsstrom Is ist, welcher der Stickoxidkonzentration in der zweiten Messkammer 15b entspricht, kann die Stickoxidkonzentration aus dem Konzentrationsstrom Is erhalten werden.
Genauer gesagt, kann die Hilfspumpzelle 55 den Sauerstoff in der zweiten Messkammer 15b nicht vollständig herauspumpen, und Sauerstoff bleibt in der zweiten Messkammer 15b zurück. Da jedoch der Betrag des verbleibenden Sauerstoffs gering ist, verhindert der verbleibende Sauerstoff im Wesentlichen nicht die Detektion der Stickoxidkonzentration.
<Detektion der Verschlechterung des Stickoxidsensorelements>
Als Nächstes wird der Betrieb für das Feststellen, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, beschrieben.
Wenn die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 feststellt, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, so betreibt der Mikrocomputer 71 die Hauptpumpzelle 49 wie im Fall der oben beschriebenen Detektion der Stickoxidkonzentration.
Des Weiteren reduziert der Mikrocomputer 71 den Betrag an Sauerstoff, der aus der zweiten Messkammer 15b durch die Hilfspumpzelle 55 herausgepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff, der zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration herausgepumpt wird. Zum Beispiel stoppt der Mikrocomputer 71 das Herauspumpen von Sauerstoff. Genauer gesagt, senkt der Mikrocomputer 71 die Hilfspumpzellenspannung Vh (Sollspannung) auf eine Spannung, bei der die Hilfspumpzelle 55 keinen Sauerstoff herauspumpen kann.
Nach dem Stoppen des Herauspumpens von Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 55 detektiert der Mikrocomputer 71 den Konzentrationsstrom Is, der durch die Sensorzelle 61 fließt, und stellt fest, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, auf der Basis einer Änderung des Konzentrationsstroms Is.
Als Nächstes wird ein Verfahren beschrieben, um auf der Basis einer Änderung des Konzentrationsstroms Is festzustellen, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht.
Wie in 3 gezeigt, wenn das Herauspumpen von Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 55 an einem zuvor festgelegten Zeitpunkt gestoppt wird (beispielsweise Zeitpunkt 0 s in 3), so hat ein sich nicht verschlechtertes Stickoxidsensorelement 9 (sich nicht verschlechtertes Produkt) eine kurze Ansprechzeit Tr1, was die Zeit ist, die der Konzentrationsstrom Is benötigt, um von einem zuvor festgelegten ersten Stromwert Is1 zuzunehmen und einen zuvor festgelegten zweiten Stromwert Is2 zu erreichen (der größer als der erste Stromwert Is1 ist).
Im Gegensatz dazu ist eine Ansprechzeit Tr2 eines sich verschlechterten Stickoxidsensorelements 9 (sich verschlechterten Produkts), welche die Zeit ist, die der Konzentrationsstrom Is benötigt, um ausgehend von dem ersten Stromwert Is1 zuzunehmen und den zweiten Stromwert Is2 zu erreichen, länger als die Ansprechzeit Tr1 des unverschlissenen Produkts.
Dementsprechend ist es möglich, auf der Basis der Differenz in der Ansprechzeit Tr festzustellen, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht (d. h. die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements 9 zu detektieren).
Wenn zum Beispiel die Ansprechzeit Tr mindestens so lang ist wie eine zuvor festgelegte Schwelle, so wird festgestellt, dass sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat, und wenn die Ansprechzeit Tr kleiner ist als die Schwelle, so wird festgestellt, dass sich das Stickoxidsensorelement 9 nicht verschlechtert hat. Die Schwelle kann zum Beispiel durch ein Experiment erhalten werden, das unter Verwendung sich nicht verschlechterter und verschlechterter Produkte ausgeführt wird.
Genauer gesagt, kann der erste Stromwert Is1 folgendermaßen festgestellt werden. Wenn das Herauspumpen von Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 55 gestoppt wird, so beginnt der Konzentrationsstrom Is der Sensorzelle, sich von seinem anfänglichen Wert aus zu ändern, und erreicht einen gesättigten Wert. Wenn die Zunahme von dem anfänglichen Wert zu dem gesättigten Wert als 100% angenommen wird, so kann ein Wert, der durch Addieren von 10% der Zunahme zu dem anfänglichen Wert erhalten wird, als der erste Stromwert Is1 verwendet werden.
Gleichermaßen kann ein Wert, der durch Addieren von 90% der Zunahme zu dem anfänglichen Wert erhalten wird, als der zweite Stromwert Is2 verwendet werden.
Die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, kann ausgeführt werden, wenn Kraftstoff zugeführt wird oder wenn kein Kraftstoff zugeführt wird.
Zum Beispiel kann für den Fall, dass die Verschlechterung festgestellt wird, wenn Kraftstoff zugeführt wird, die Feststellung einer Verschlechterung ausgeführt werden, wenn der Motor in einem Betriebszustand ist, in dem die Stickoxidkonzentration stabil ist. Zum Beispiel kann die Feststellung eines Verschleißes ausgeführt werden, wenn der Motor in einem Leerlaufzustand ist, in dem die Drosselklappenöffnung konstant ist.
Hingegen ist für den Fall, dass die Feststellung einer Verschlechterung ausgeführt wird, wenn kein Kraftstoff zugeführt wird, das Messungszielgas nicht Abgas, sondern die Atmosphäre. Daher entspricht der Konzentrationsstrom der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messkammer 15b. Auch in diesem Fall kann die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, auf der Basis des Einschwingverhaltens (d. h. der Ansprechzeit Tr) der Sensorzelle 61 bis zu einer Änderung des Betriebes der Hilfspumpzelle 55 getroffen werden.
1-4. Verarbeitung durch die Gassensorsteuerungsvorrichtung
Als Nächstes werden die Details der Steuerungsverarbeitung beschrieben, die durch die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 ausgeführt wird. Die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 führt die Detektion der Stickoxidkonzentration aus und trifft die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht.
Wie in 4 gezeigt, wird der Motor 3 des Fahrzeugs in Schritt (S) 100 gestartet, und der Mikrocomputer 71 führt einen Prozess des Anlegens einer Spannung an die Heizvorrichtung 65 aus, um dadurch das Stickoxidsensorelement 9 aufzuwärmen.
Als Nächstes stellt der Mikrocomputer 71 in Schritt 110 fest, ob das Stickoxidsensorelement 9 eine Temperatur zum Detektieren von Stickoxid erreicht hat oder nicht (d. h. ob das Aufwärmen vollendet wurde oder nicht). Wenn der Mikrocomputer 71 feststellt, dass das Stickoxidsensorelement 9 die Temperatur für eine Stickoxiddetektion erreicht hat, so schreitet der Mikrocomputer 71 zu Schritt 120 voran. Wenn der Mikrocomputer 71 feststellt, dass das Stickoxidsensorelement 9 die Temperatur für eine Stickoxiddetektion noch nicht erreicht hat, so kehrt der Mikrocomputer 71 zu Schritt 100 zurück.
In Schritt 120 führt der Mikrocomputer 71 einen Prozess des Detektierens der Stickoxidkonzentration aus.
Genauer gesagt, wie oben beschrieben, betreibt der Mikrocomputer 71 die Hauptpumpzelle 49 so, dass sie Sauerstoff herauspumpt, um dadurch die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 15a auf einen zuvor festgelegten Wert zu senken, und betreibt die Hilfspumpzelle 55 so, dass die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messkammer 15b auf eine niedrigere Konzentration eingestellt wird. Anschließend detektiert der Mikrocomputer 71 die Stickoxidkonzentration auf der Basis des Konzentrationsstroms Is, der durch die Sensorzelle 61 fließt.
Im anschließenden Schritt 130 stellt der Mikrocomputer 71 fest, ob der Zeitpunkt zum Feststellen (Detektieren) der Verschlechterung des Stickoxidsensorelements 9 gekommen ist oder nicht. Wenn der Mikrocomputer 71 feststellt, dass der Zeitpunkt gekommen ist, so schreitet der Mikrocomputer 71 zu Schritt 140 voran. Wenn der Mikrocomputer 71 feststellt, dass der Zeitpunkt noch nicht gekommen ist, so kehrt der Mikrocomputer 71 zu Schritt 120 zurück. In der vorliegenden Ausführungsform wird zum Beispiel der Zeitpunkt, an dem die Kraftstoffzufuhr gestoppt wird (Abstellung des Kraftstoffs), als der Zeitpunkt zum Feststellen verwendet, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht.
In Schritt 140 beschränkt der Mikrocomputer 71 den (Pump-)Betrieb der Hilfspumpzelle 55 des Herauspumpens von Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 15b. Und zwar lässt der Mikrocomputer 71 die an die Hilfspumpzelle 55 angelegte Hilfspumpzellenspannung Vh kleiner werden als die Hilfspumpzellenspannung Vh, die angelegt wird, wenn die Stickoxidkonzentration detektiert wird, um dadurch der Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs kleiner werden zu lassen als die zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration. Zum Beispiel verringert der Mikrocomputer 71 den Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs auf null, indem der Pumpenbetrieb der Hilfspumpzelle 55 gestoppt wird.
Im anschließenden Schritt 150 misst der Mikrocomputer 71 den Konzentrationsstrom Ip der Sensorzelle 61.
Im anschließenden Schritt 160, wie oben beschrieben, stellt der Mikrocomputer 71 auf der Basis einer Änderung des Konzentrationsstroms Ip fest, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht. Genauer gesagt, erhält der Mikrocomputer 71 die Ansprechzeit Tr, welche die Änderung des Konzentrationsstroms Ip zeigt. Wenn die Ansprechzeit Tr mindestens so lang ist wie die zuvor festgelegte Schwelle, so stellt der Mikrocomputer 71 fest, dass sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat. Danach kehrt der Mikrocomputer 71 zu Schritt 120 zurück.
1-5. Auswirkungen
In der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle 49 hinausgepumpt wird oder hineingepumpt wird, der Betrag an Sauerstoff, die durch die Hilfspumpzelle 55 aus der zweiten Messkammer 15b herausgepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff reduziert, der zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration herausgepumpt wird, und die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, wird auf der Basis des Ausgangssignals (Konzentrationsstroms Is) der Sensorzelle 61, das zu jenem Zeitpunkt detektiert wird, getroffen. Daher kann die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements 9 präzise detektiert werden.
Insbesondere wird in der Ausführungsform – im Gegensatz zu dem Fall der herkömmlichen Technik des Änderns des Pumpzustands der Hauptpumpzelle 49, durch die ein großer Strom fließt – der Betriebszustand (zum Beispiel die Sollspannung) der Hilfspumpzelle 55, durch die ein kleiner Strom fließt, geändert. Daher kann eine Änderung des Konzentrationsstroms Is der Sensorzelle 61 anhand der Beziehung zwischen dem kleinen Strom, der durch die Hilfspumpzelle 55 fließt (d. h. der Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs), und dem kleinen Strom, der durch die Sensorzelle 61 fließt (und zwar der Konzentrationsstrom Is), präzise erhalten werden. Somit kann die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements 9 anhand einer Änderung des Konzentrationsstroms Is präzise detektiert werden.
Genauer gesagt, ist es möglich, das Einschwingverhalten eines sich nicht verschlechterten Stickoxidsensorelements (sich nicht verschlechterten Produkts) und das Einschwingverhalten eines sich verschlechterten Stickoxidsensorelements (sich verschlechterten Produkts) 9 zu vergleichen und die Verschlechterung des Stickoxidsensorelements 9 auf der Basis der Differenz zwischen beiden zu detektieren.
Da sich nämlich das sich nicht verschlechterte Produkt und das sich verschlechterte Produkt voneinander hinsichtlich der Ansprechzeit Tr unterscheiden (der Zeit, die der Konzentrationsstrom Is benötigt, um ausgehend von dem ersten Stromwert zuzunehmen und den zweiten Stromwert zu erreichen), die das Einschwingverhalten des Konzentrationsstroms Is darstellt, kann die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement 9 verschlechtert hat oder nicht, auf der Basis der Ansprechzeit Tr getroffen werden.
1-6. Entsprechung des Wortlauts zwischen Ausführungsform und Ansprüchen
Nun wird die Entsprechung des Wortlauts zwischen Ausführungsform und Ansprüchen beschrieben.
Die Öffnung 17, die Messkammer 15, die Hauptpumpzelle 49, die Hilfspumpzelle 55, die Sensorzelle 61, das Stickoxidsensorelement 9 und die Gassensorsteuerungsvorrichtung 5 der Ausführungsform entsprechen der Öffnung, der Messkammer, der Hauptpumpzelle, der Hilfspumpzelle, der Sensorzelle, dem Gassensorelement und der Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung der vorliegenden Erfindung.
Außerdem entsprechen die erste innere Elektrode 45 und die erste äußere Elektrode 47, die zweite innere Elektrode 51 und die zweite äußere Elektrode 53 und die dritte innere Elektrode 57 und die dritte äußere Elektrode 59 der Ausführungsform der ersten Elektroden, der zweiten Elektroden und der dritten Elektroden der vorliegenden Erfindung. Des Weiteren entsprechen die erste Festelektrolytschicht 25 und die zweite Festelektrolytschicht 29 der Ausführungsform des Festelektrolytelements der vorliegenden Erfindung.
2. Weitere Ausführungsformen
Oben ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

(1) Zum Beispiel ist die Hilfspumpzelle in der oben beschriebenen Ausführungsform dafür ausgebildet, Sauerstoff aus der zweiten Messkammer zu pumpen. Es kann jedoch auch eine Hilfspumpzelle verwendet werden, die Sauerstoff aus der zweiten Messkammer pumpen kann und Sauerstoff in die zweite Messkammer pumpen kann.
(2) In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Betrag an Sauerstoff, die aus der zweiten Messkammer herausgepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff reduziert, der zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration herausgepumpt wird (zum Beispiel wird das Herauspumpen gestoppt), und die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement verschlechtert hat oder nicht, wird anhand einer Änderung (dem Einschwingverhalten) in dem Ausgangssignal der Sensorzelle zu jenem Zeitpunkt getroffen. Jedoch kann die Ausführungsform in einer solchen Weise modifiziert werden, dass der Betrag an Sauerstoff, die aus der zweiten Messkammer herausgepumpt wird, ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff erhöht wird, der zum Zeitpunkt der Detektion der Stickoxidkonzentration herausgepumpt wird, und die Feststellung, ob sich das Stickoxidsensorelement verschlechtert hat oder nicht, wird auf der Basis einer Änderung (dem Einschwingverhalten) in dem Ausgangssignal der Sensorzelle zu jenem Zeitpunkt getroffen.
(3) In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Messkammer verwendet, die in die erste Messkammer und die zweite Messkammer unterteilt ist und die einen Begrenzungsabschnitt umfasst, der so zwischen der ersten Messkammer und der zweiten Messkammer angeordnet ist, dass er die Strömung des Gases dazwischen begrenzt. Jedoch kann auch eine ungeteilte Messkammer verwendet werden, die keinen solchen Begrenzungsabschnitt aufweist.
(4) In der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Festelektrolytsubstrat verwendet, dessen Form der planaren Form (Form in der Grundrissansicht) des Stickoxidsensorelements ähnelt, und Elektroden sind auf den gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytsubstrats in seiner Dickenrichtung angeordnet. Alternativ können eingebettete Zellen in Isoliersubstraten ausgebildet werden.

Zum Beispiel sind Öffnungen teilweise in den Isoliersubstraten, die beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen, vorhanden. Genauer gesagt, wird eine Öffnung in jedem Isoliersubstrat so gebildet, dass die Öffnung das Isoliersubstrat in der Dickenrichtung in einer Region durchdringt, wo die Hauptpumpzelle, die Hilfspumpzelle oder die Sensorzelle (mindestens eine Zelle) ausgebildet werden soll. Ein Festelektrolytelement wird in der Öffnung angeordnet. Dann werden Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytelements angeordnet.

(5) In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf den Stickoxidsensor angewendet, der ein Typ eines Gassensors ist. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Gassensoren angewendet werden, wie zum Beispiel einen Ammoniaksensor.
(6) Die einzelnen Elemente der oben beschrieben Ausführungsform können zweckmäßig kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

5: Gassensorsteuerungsvorrichtung
7: Gassensor (Stickoxidsensor)
9: Gassensorelement (Stickoxidsensorelement)
15, 15a, 15b: Messkammer
15C: Begrenzungsabschnitt
17: Öffnung
25: erste Festelektrolytschicht
29: zweite Festelektrolytschicht
45: erste innere Elektrode
47: erste äußere Elektrode
49: Hauptpumpzelle
51: zweite innere Elektrode
53: zweite äußere Elektrode
55: Hilfspumpzelle
57: dritte innere Elektrode
59: dritte äußere Elektrode
61: Sensorzelle
71: Mikrocomputer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-168798 [0011]
JP 2015-59926 [0011]

Claims

Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung (5) für ein Gassensorelement, die feststellt, ob sich ein Gassensorelement (9) verschlechtert hat oder nicht, wobei das Gassensorelement (9) umfasst: eine Messkammer (15), in die ein Messungszielgas durch eine Öffnung (17) eingeleitet wird; eine Hauptpumpzelle (49), die ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement (29) und ein Paar erster Elektroden (45, 47), die auf dem Festelektrolytelement (29) ausgebildet sind, aufweist, wobei eine erste innere Elektrode (45), die eine der ersten Elektroden (45, 47) ist, der Messkammer (15) ausgesetzt ist, wobei die Hauptpumpzelle (49) Sauerstoff aus der Messkammer (15) pumpt oder Sauerstoff in die Messkammer (15) pumpt, wenn dem Paar der ersten Elektroden (45, 47) Elektrizität zugeführt wird; eine Hilfspumpzelle (55), die stromabwärts der Hauptpumpzelle (49) in einem Strömungskanal für das Messungszielgas angeordnet ist und ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement (25) und ein Paar zweiter Elektroden (51, 53), die auf dem Festelektrolytelement (25) ausgebildet sind, aufweist, wobei eine zweite innere Elektrode (51), die eine der zweiten Elektroden (51, 53) ist, der Messkammer (15) ausgesetzt ist, wobei die Hilfspumpzelle (55) Sauerstoff aus der Messkammer (15) pumpt, wenn dem Paar der zweiten Elektroden (51, 53) Elektrizität zugeführt wird, und eine Sensorzelle (61), die stromabwärts der Hauptpumpzelle (49) in dem Strömungskanal für das Messungszielgas angeordnet ist und ein Sauerstoffionen-leitendes Festelektrolytelement (25) und ein Paar dritter Elektroden (57, 59), die auf dem Festelektrolytelement (25) ausgebildet sind, aufweist, wobei eine dritte innere Elektrode (57), die eine der dritten Elektroden (57, 59) ist, der Messkammer (15) ausgesetzt ist, wobei die Sensorzelle (61) ein spezielles Gas, das in dem Messungszielgas enthalten ist, auf der Basis eines Konzentrationsstroms detektiert, der durch das Paar dritter Elektroden (57, 59) fließt, wobei die Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung umfasst: ein Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel (S130), das dafür ausgelegt ist, wenn Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle (49) hinausgepumpt wird oder hineingepumpt wird, einen Betrag an Sauerstoff, der durch die Hilfspumpzelle (55) aus der Messkammer (15) herausgepumpt wird, ausgehend von einem Betrag an Sauerstoff, der durch die Hilfspumpzelle (55) zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird, zu ändern; ein Konzentrationsstromdetektionsmittel (S140) zum Detektieren des Konzentrationsstroms der Sensorzelle (61), wenn der Betrag des herausgepumptem Sauerstoffs durch das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel geändert wird, und ein Mittel zum Feststellen der Verschlechterung (S150) zum Feststellen, auf der Basis einer Änderung des durch das Konzentrationsstromdetektionsmittel detektierten Konzentrationsstroms, ob sich das Gassensorelement (9) verschlechtert hat oder nicht.
Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffbetrag-Änderungsmittel (S130) das Herauspumpen von Sauerstoff aus der Messkammer (15) stoppt oder den aus der Messkammer (15) gepumpten Betrag an Sauerstoff ausgehend von dem Betrag an Sauerstoff, der zum Zeitpunkt der Detektion des speziellen Gases herausgepumpt wird, reduziert.
Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mittel zum Feststellen der Verschlechterung (S150) durch Vergleichen der Änderung des durch das Konzentrationsstromdetektionsmittel (S140) detektierten Konzentrationsstroms und einer Änderung des Konzentrationsstroms, die im Voraus unter Verwendung eines normalen Gassensorelements (9) erhalten wird, feststellt, ob sich das Gassensorelement (9) verschlechtert hat oder nicht.
Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Mittel zum Feststellen der Verschlechterung (S150) auf der Basis einer Zeit, die der Konzentrationsstrom benötigt, um ausgehend von einem ersten Stromwert zuzunehmen und einen zweiten Stromwert zu erreichen, der von dem ersten Stromwert verschieden ist, feststellt, ob sich das Gassensorelement (9) verschlechtert hat oder nicht.
Vorrichtung zum Feststellen der Verschlechterung für ein Gassensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messkammer (15) Folgendes umfasst: eine erste Messkammer (15a), die auf einer stromaufwärtigen Seite des Strömungskanals für das Messungszielgas angeordnet ist, eine zweite Messkammer (15b), die auf einer stromabwärtigen Seite des Strömungskanals angeordnet ist, und einen Begrenzungsabschnitt (15C), der zwischen der ersten Messkammer (15a) und der zweiten Messkammer (15b) angeordnet ist und eine Strömung des Messungszielgases begrenzt, und die erste innere Elektrode (45) in der ersten Messkammer (15a) angeordnet ist und die zweite innere Elektrode (51) und die dritte innere Elektrode (57) in der zweiten Messkammer (15b) angeordnet sind.