DE102017010315A1

DE102017010315A1 - Verfahren zur verminderung einer ausgabeverschlechterung eines gassensors

Info

Publication number: DE102017010315A1
Application number: DE102017010315.1A
Authority: DE
Inventors: Taku Okamoto; Noriko Hirata; Yuki NAKAYAMA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-11-08
Also published as: US10605763B2; JP6804941B2; DE102017010315B4; CN108061746A; CN108061746B; JP2018077115A; US20180128771A1

Abstract

Ein Gassensor umfasst ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist, mindestens eine Elektrode, die so an dem Sensorelement bereitgestellt ist, dass sie ein Messgas kontaktiert, und eine Steuereinrichtung, die zum Steuern des Gassensors ausgebildet ist. Das Sensorelement wird durch eine Heizeinrichtung, die an dem Sensorelement bereitgestellt ist, bei einer Temperatur, die höher ist als eine im Vorhinein eingestellte Betriebstemperatur, für einen vorgegebenen Zeitraum beim Einschalten des Gassensors erwärmt, und dann wird die Temperatur des Sensorelements auf die Betriebstemperatur vermindert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung eines Gassensors und betrifft insbesondere die Verminderung einer Ausgabeverschlechterung, die auf ein Haften einer Gaskomponente an einer Elektrode zurückzuführen ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt verschiedene Typen von Gassensoren, die eine vorgegebene Gaskomponente in einem Messgas, wie z.B. einem Abgas, erfassen, um deren Konzentration zu bestimmen, wie z.B. einen Halbleitergassensor, einen katalytischer Verbrennung-Gassensor, einen Sauerstoffkonzentrationsdifferenz-erfassenden Gassensor, einen Grenzstromgassensor und einen Mischpotenzialgassensor. Es sind einige dieser Gassensoren, die durch Bereitstellen von Elektroden, die ein Edelmetall oder ein Metalloxid als deren Hauptbestandteil enthalten, für ein Sensorelement, das vorwiegend aus einer Keramik hergestellt ist, bei der es sich um einen Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid handelt, erhalten werden, bekannt.
Wie es ebenfalls bekannt ist, haftet in einem Gassensor, der ein Sensorelement umfasst, das vorwiegend aus einer Keramik, wie z.B. Zirkoniumoxid, hergestellt ist, aufgrund eines Langzeitgebrauchs eine Gaskomponente in einem Messgas oder eine vergiftende Substanz an der Oberfläche der Elektrode, oder ein Bestandteilsmaterial der Elektrode sintert aufgrund des Aussetzens der Elektrode gegenüber einer Hochtemperaturatmosphäre, so dass ein Ausgabewert variieren kann, obwohl eine Konzentration einer zu messenden Gaskomponente in einem Messgas konstant ist.
Von den vorstehend genannten Ursachen für eine Ausgabeänderung eines Gassensors sind das Haften einer vergiftenden Substanz und das Sintern eines Bestandteilsmaterials der Elektrode irreversible Phänomene, und es wird davon ausgegangen, dass es schwierig ist, eine Änderung des Ausgabewerts aufgrund einer Elektrodenverschlechterung (irreversible Verschlechterung), die durch diese Phänomene verursacht wird, direkt zu berücksichtigen.
Andererseits kann die Ausgabeänderung aufgrund eines Haftens (Adsorption) einer Gaskomponente in einem Messgas an der Oberfläche der Elektrode durch Durchführen eines vorgegebenen Wiederherstellungsverfahrens und Entfernen der adsorbierten Gaskomponente berücksichtigt werden. D.h., eine solche Ausgabeänderung wird aufgrund der Elektrodenverschlechterung (reversible Verschlechterung) verursacht, die durch einen reversiblen Faktor verursacht wird. Bezüglich eines Gassensors, der einer solchen reversiblen Verschlechterung ausgesetzt ist, würde die Durchführung eines solchen Wiederherstellungsverfahrens das erneute Erreichen eines ursprünglichen (anfänglichen) Ausgabewerts ermöglichen, oder sie würde ermöglichen, dass ein Ausgabewert erhalten wird, der so nahe wie möglich an dem ursprünglichen Ausgabewert liegt.
Beispiele für das vorstehend genannte Wiederherstellungsverfahren umfassen ein elektrisches Verfahren (vgl. z.B. die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 6-265522 (1994) und das japanische Patent Nr. 3855979 ), und ein Erwärmungsverfahren (vgl. z.B. die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 11-326266 (1999)).
Das elektrische Verfahren ist ein Verfahren zum Wiederherstellen der Ausgabe durch abwechselndes Anlegen von positiven und negativen Potenzialen zwischen Elektroden, die durch einen Festelektrolyten gepaart sind, so dass die Elektrode raffiniert wird oder eine absorbierte Substanz desorbiert wird.
Andererseits ist das Erwärmungsverfahren ein Verfahren zum Wiederherstellen der Ausgabe durch Aussetzen einer adsorbierten Substanz oder einer vergiftenden Substanz gegenüber einer hohen Temperatur zum Desorbieren oder Verbrennen (Oxidieren) der Substanz.
Es ist bereits bekannt, dass in einem Motorsystem, das einen Oxidationskatalysator auf halbem Weg in einer Abgasleitung umfasst, die mit einem Motor verbunden ist, ein Abgas, das durch die Abgasleitung nach außen abgegeben wird, bei einem sogenannten Kaltstart vor der Aktivierung des Oxidationskatalysators einen großen Anteil eines Kohlenwasserstoffgases enthält (vgl. z.B. „NSC/SDPF System as Sustainable Solution for EU6b and Up-coming Legislation", L. Mussmann et al., 23rd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2014, Seite 1025).
Das Wiederherstellungsverfahren kann bei einem optionalen Zeitpunkt durchgeführt werden. Folglich kann die Ausgabewiederherstellung zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn das Wiederherstellungsverfahren im realen Gebrauch des Gassensors erforderlich wird. In diesem Fall steht jedoch die Ausgabe des Gassensors während des Wiederherstellungsverfahrens nicht zur Verfügung.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Verbesserung der Messgenauigkeit eines Gassensors erforscht und schließlich gefunden, dass es wahrscheinlich ist, dass eine Adsorption einer Gaskomponente in einem Messgas an der Oberfläche einer Elektrode bei einer niedrigeren Betriebstemperatur eines Sensorelements stattfindet. Typischerweise wird ein Gassensor, der für ein Motorsystem bereitgestellt ist und zum Erfassen eines Abgases eines Motors als Messgas ausgebildet ist, zur Verwendung beim „Anlassen“ (Start) des Motors ausgebildet. Wenn die vorstehend beschriebene Erkenntnis durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung und die bekannte Tatsache, die in Mussmann et al. offenbart ist, dass ein Abgas bei einem Kaltstart einen größeren Anteil eines Kohlenwasserstoffgases enthält, zusammen berücksichtigt werden, wurde der Gassensor herkömmlich verwendet, während eine Kohlenwasserstoffkomponente mit Bestimmtheit an der Elektrode adsorbiert ist, mit anderen Worten, während die Messgenauigkeit verschlechtert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung einer Ausgabeverschlechterung eines Gassensors und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung, die auf das Haften einer Gaskomponente an einer Elektrode zurückzuführen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gassensor: ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist; mindestens eine Elektrode, die so an dem Sensorelement bereitgestellt ist, dass sie ein Messgas kontaktiert; eine Heizeinrichtung, die an dem Sensorelement bereitgestellt ist und zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist; und eine Steuereinrichtung, die zum Steuern des Gassensors ausgebildet ist, und ein Verfahren zur Verminderung einer Ausgabeverschlechterung des Gassensors umfasst die Schritte: a) Erwärmen des Sensorelements durch die Heizeinrichtung bei einer Temperatur, die höher ist als eine im Vorhinein eingestellte Betriebstemperatur, für einen vorgegebenen Zeitraum beim Einschalten des Gassensors; und b) Vermindern der Temperatur des Sensorelements, das auf die Temperatur erwärmt worden ist, die höher als die Betriebstemperatur ist, auf die Betriebstemperatur.
Die vorliegende Erfindung kann in einer hervorragenden Weise eine Ausgabeverschlechterung eines Gassensors im Zeitverlauf, die auf die Adsorption einer Gaskomponente in einem Messgas an einer Elektrode zurückzuführen ist, vermindern, und zwar ohne eine Zeit, in welcher der Gassensor nicht zur Verfügung steht.
Folglich soll die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereitstellen, das die Verschlechterung der Messgenauigkeit eines Gassensors, die auf die Adsorption eines Materials an einer Elektrode zurückzuführen ist, vermindern kann, und zwar ohne eine Zeit, in welcher der Gassensor nicht zur Verfügung steht.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das schematisch einen schematischen Aufbau eines Dieselmotorsystems 1000 zeigt;
2A und 2B sind jeweils ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines Sensorelements 101 als Hauptkomponente eines Gassensors 100 zeigt;
3 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil PF1 des Sensorelements 101 des Gassensors 100 zwischen dem Kaltstart und dem Stoppen des Motorsystems 1000 zeigt, wenn ein Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird;
4 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil PF2 des Sensorelements 101 des Gassensors 100 zwischen dem Kaltstart und dem Stoppen eines Motorhauptkörpers 300 zeigt, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren durchgeführt wird;
5 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Veränderung einer Sensorausgabe beim Betrieb in dem ersten und dritten Zyklus für die Bedingungen Nr. 1 bis 6 des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens zeigt; und
6 ist ein Diagramm, das eine zeitliche Veränderung einer Sensorausgabe beim Betrieb in dem ersten und dritten Zyklus für die Bedingungen Nr. 7 bis 10 des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Überblick über das Motorsystem und den Gassensor>
Die 1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Dieselmotorsystems (nachstehend auch einfach als Motorsystem bezeichnet) 1000 zeigt, das einen Gassensor 100 als beispielhaftes Ausführungsziel eines Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens (das später detailliert beschrieben wird) gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform zeigt.
Das Motorsystem 1000 umfasst vorwiegend den Gassensor 100, einen Temperatursensor 110, eine elektronische Steuereinheit 200 als Steuervorrichtung, die zum Steuern des Betriebs des gesamten Motorsystems 1000, einschließlich des Gassensors 100, ausgebildet ist, einen Motorhauptkörper 300 als Verbrennungsmotor, eine Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 301, die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Motorhauptkörper 300 ausgebildet sind, eine Kraftstoffeinspritzanweisungseinheit 400 zum Anweisen der Kraftstoffeinspritzventile 301, eine Kraftstoffeinspritzung durchzuführen, eine Abgasleitung 500 als Abgasweg zum Abgeben eines Abgases (Motorabgases) G, das in dem Motorhauptkörper 300 erzeugt worden ist, nach außen, und einen Oxidationskatalysator 600, wie z.B. Platin oder Palladium, der auf halbem Weg durch die Abgasleitung 500 zum Oxidieren oder Adsorbieren von jedwedem unverbrannten Kohlenwasserstoffgas in dem Abgas G bereitgestellt ist. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird eine Position näher an dem Motorhauptkörper 300 auf einer Endseite der Abgasleitung 500 als stromaufwärtige Seite bezeichnet, und eine Position näher an einem Auslass 510, der auf einer Seite gegenüber dem Motorhauptkörper 300 bereitgestellt ist, wird als stromabwärtige Seite bezeichnet.
Das Motorsystem 1000 ist typischerweise in einem Fahrzeug montiert und in einem solchen Fall ist der Kraftstoffeinspritzanweisungsteil 400 ein Gaspedal.
In dem Motorsystem 1000 gibt die elektronische Steuereinheit 200 ein Kraftstoffeinspritzanweisungssignal sg1 an die Kraftstoffeinspritzventile 301 aus. Das Kraftstoffeinspritzanweisungssignal sg1 wird üblicherweise als Reaktion auf ein Kraftstoffeinspritzanfragesignal sg2 zum Anfordern eines Einspritzens einer vorgegebenen Menge Kraftstoff ausgegeben, das von dem Kraftstoffeinspritzanweisungsteil 400 während des Betriebs (Laufens) des Motorsystems 1000 für die elektronische Steuereinheit 200 bereitgestellt wird (z.B. wird ein Gaspedal gedrückt, so dass eine optimale Kraftstoffeinspritzung, die eine große Anzahl von Parametern wiedergibt, wie z.B. die Position eines Gaspedals, die Menge der Sauerstoffaufnahme, die Motordrehzahl und das Drehmoment, angefordert wird).
Ein Überwachungssignal sg3 zum Überwachen verschiedener Situationen innerhalb des Motorhauptkörpers 300 wird von dem Motorhauptkörper 300 für die elektronische Steuereinheit 200 bereitgestellt.
In dem Fall, bei dem das Motorsystem 1000 ein Dieselmotor ist, ist das Abgas G, das von dem Motorhauptkörper 300 abgegeben wird, ein Gas in einer Atmosphäre mit überschüssigem Sauerstoff (O₂) mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 10 %. Insbesondere enthält ein solches Abgas G Sauerstoff und unverbranntes Kohlenwasserstoffgas, und enthält auch Stickstoffoxid, Ruß (Graphit) und dergleichen. In dieser Beschreibung wird ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas als ein Gas (Zielgas) angenommen, das für den Adsorptions- oder Oxidationsvorgang in dem Oxidationskatalysator 600 vorgesehen ist. Das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas enthält nicht nur typische Kohlenwasserstoffgase (durch eine chemische Formel als Kohlenwasserstoffe klassifiziert), wie z.B. C₂H₄, C₃H₆ und n-C8, sondern auch Kohlenmonoxid (CO). Der Gassensor 100 kann vorzugsweise ein Zielgas erfassen, das CO umfasst. CH₄ ist jedoch ausgeschlossen.
Das Motorsystem 1000 kann zusätzlich zu dem Oxidationskatalysator 600 eine oder eine Mehrzahl von Reinigungsvorrichtung(en) 700 irgendwo in der Mitte der Abgasleitung 500 umfassen.
Der Oxidationskatalysator 600 ist zum Adsorbieren oder Oxidieren eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem Abgas G bereitgestellt, das von der stromaufwärtigen Seite geströmt ist, um zu verhindern, dass das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas durch die Auspufföffnung 510 am Ende der Abgasleitung 500 herausströmt.
Der Gassensor 100 ist stromabwärts von dem Oxidationskatalysator 600 in der Abgasleitung 500 angeordnet und erfasst die Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem relevanten Abschnitt. Der Temperatursensor 110 ist stromaufwärts von dem Oxidationskatalysator 600 angeordnet und erfasst die Temperatur (Abgastemperatur) des Abgases G in dem relevanten Abschnitt. Der Gassensor 100 und der Temperatursensor 110 sind jeweils so angeordnet, dass ein Ende davon in die Abgasleitung 500 eingesetzt ist.
Ein Erfassungssignal sg11, das von dem Gassensor 100 ausgegeben wird, und ein Abgastemperaturerfassungssignal sg12, das von dem Temperatursensor 110 ausgegeben wird, werden für die elektronische Steuereinheit 200 bereitgestellt. Diese Signale, die für die elektronische Steuereinheit 200 bereitgestellt werden, werden für die Betriebssteuerung des Motorsystems 1000 verwendet. Die Beispielkonfiguration des Gassensors 100 und die Details der Bestimmung einer Verschlechterung werden nachstehend beschrieben. Der Temperatursensor 110 kann ein Sensor sein, der herkömmlich zum Messen einer Abgastemperatur in einem üblichen Motorsystem verwendet wird.
Die elektronische Steuereinheit 200 umfasst eine Speichervorrichtung (nicht gezeigt), wie z.B. einen Speicher oder eine Festplatte, und die Speichervorrichtung speichert ein Programm zum Steuern der Vorgänge des Motorsystems 1000, usw.
Die 2A und 2B sind Diagramme, die schematisch den Aufbau des Sensorelements 101 als eine Hauptkomponente des Gassensors 100 zeigen. Die 2A ist eine vertikale Schnittansicht eines Sensorelements 101 entlang dessen Längsrichtung. Die 2B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt des Sensorelements 101 senkrecht zu dessen Längsrichtung an einer Position A-A' von 2A zeigt.
Der Gassensor 100, der in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist ein sogenannter Mischpotenzialgassensor. Allgemein bestimmt der Gassensor 100 die Konzentration einer Gaskomponente, die ein Messziel ist, eines Messgases mittels einer Potenzialdifferenz, die zwischen einer Erfassungselektrode 10, die auf der Oberfläche des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, das vorwiegend aus einer Keramik hergestellt ist, die ein Sauerstoffionen-leitender Festelektrolyt ist, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), und einer Referenzelektrode 20 auftritt, die innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, und zwar aufgrund einer Differenz bei der Konzentration der Gaskomponente zwischen den Abschnitten in der Nähe der Elektroden auf der Basis des Prinzips des Mischpotenzials.
Insbesondere ist der Gassensor 100 so ausgebildet, dass er als Messgas ein Abgas in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, wie z.B. eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors, erfasst, und vorzugsweise die Konzentration einer vorgegebenen Gaskomponente in dem Messgas bestimmt. In der Gegenwart einer Mehrzahl von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in einem Messgas ist eine Potenzialdifferenz, die zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 auftritt, ein Wert, der alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe wiedergibt, und folglich ist ein zu bestimmender Konzentrationswert auch die Gesamtsumme der Konzentrationen der Mehrzahl von unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Das Sensorelement 101 umfasst vorwiegend eine Referenzgaseinführungsschicht 30, einen Referenzgaseinführungsraum 40 und eine Oberflächenschutzschicht 50 zusätzlich zu der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20, die vorstehend beschrieben worden sind.
Das Sensorelement 101 weist eine Struktur auf, in der sechs Schichten, nämlich eine erste Festelektrolytschicht 1, eine zweite Festelektrolytschicht 2, eine dritte Festelektrolytschicht 3, eine vierte Festelektrolytschicht 4, eine fünfte Festelektrolytschicht 5 und eine sechste Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet sind, in der angegebenen Reihenfolge ausgehend von der Unterseite der 2A und 2B laminiert sind. Das Sensorelement 101 umfasst zusätzlich andere Komponenten vorwiegend zwischen diesen Schichten oder auf einer Außenumfangsoberfläche des Elements. Die Festelektrolyte, welche diese sechs Schichten bilden, sind vollständig luftdicht. Ein solches Sensorelement 101 wird z.B. durch Laminieren von Keramikgrünlagen, die den einzelnen Schichten entsprechen, die einem vorgegebenen Verfahren und einem Drucken einer Schaltkreisstruktur unterzogen worden sind, und ferner durch Integrieren der laminierten Schichten durch Brennen hergestellt.
Es ist jedoch nicht essentiell, dass der Gassensor 100 das Sensorelement 101 als einen solchen laminierten Körper umfasst, der aus sechs Schichten zusammengesetzt ist. Das Sensorelement 101 kann als ein laminierter Körper bereitgestellt werden, der aus einer größeren oder kleineren Anzahl von Schichten zusammengesetzt ist, oder er kann keine laminierte Struktur aufweisen.
In der folgenden Beschreibung wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit die Oberfläche, die als die obere Oberfläche der sechsten Festelektrolytschicht 6 in den 2A und 2B angeordnet is, als die vordere Oberfläche Sa des Sensorelements 101 bezeichnet, und die Oberfläche, die als die untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 1 in den 2A und 2B angeordnet ist, wird als rückwärtige Oberfläche Sb des Sensorelements 101 bezeichnet. Bei der Bestimmung der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in einem Messgas mit dem Gassensor 100 wird ein vorgegebener Bereich, der an einem distalen Ende E1 beginnt, wobei es sich um ein Ende des Sensorelements 101 handelt, das mindestens die Erfassungselektrode 10 umfasst, in einer Messgasatmosphäre angeordnet, und der andere Abschnitt, der ein Basisende E2 gegenüber dem distalen Ende E1 umfasst, wird so angeordnet, dass er nicht mit der Messgasatmosphäre in Kontakt ist.
Die Erfassungselektrode 10 ist eine Elektrode zum Erfassen eines Messgases. Die Erfassungselektrode 10 ist als eine poröse Cermetelektrode ausgebildet, die aus Pt, das einen vorgegebenen Anteil Au enthält, nämlich einer Pt-Au-Legierung, und Zirkoniumoxid hergestellt ist. Die Erfassungselektrode 10 ist in der Draufsicht an einer Position näher an dem distalen Ende E1, das ein Ende in der Längsrichtung des Sensorelements 101 auf der vorderen Oberfläche Sa ist, im Wesentlichen in einer rechteckigen Form bereitgestellt. Im Gebrauch ist der Gassensor 100 so angeordnet, dass ein Teil des Sensorelements 101, der mindestens eine Stelle umfasst, an der die Erfassungselektrode 10 bereitgestellt ist, in einem Messgas freiliegt.
Die katalytische Aktivität der Erfassungselektrode 10 für das Verbrennen eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases wird in einem vorgegebenen Konzentrationsbereich vorzugsweise durch Festlegen der Zusammensetzung der Pt-Au-Legierung, die deren Bestandteilsmaterial ist, verhindert. D.h, die Verbrennungsreaktion eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in der Erfassungselektrode 10 wird verhindert oder vermindert. In dem Gassensor 100 variiert demgemäß das Potenzial der Erfassungselektrode 10 selektiv durch eine elektrochemische Reaktion in Bezug auf (hat eine Korrelation mit) das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas gemäß dessen Konzentration. Mit anderen Worten, die Erfassungselektrode 10 ist so bereitgestellt, dass sie eine starke Abhängigkeit des Potenzials von der Konzentration für ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas aufweist, während sie eine geringe Abhängigkeit des Potenzials von der Konzentration für jedwede andere Komponente des Messgases aufweist.
Insbesondere weist in dem Sensorelement 101 des Gassensors 100 gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform das Potenzial der Erfassungselektrode 10 eine signifikante Konzentrationsabhängigkeit in mindestens einem Teil eines Konzentrationsbereichs von z.B. 0 ppmC bis 10000 ppmC auf, und zwar vorzugsweise durch Festlegen eines Au-Häufigkeitsverhältnisses in der Oberfläche eines Pt-Au-Legierungsteilchens, das die Erfassungselektrode 10 bildet. Dies bedeutet, dass die Erfassungselektrode 10 ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas in diesem Konzentrationsbereich hervorragend erfassen kann. Beispielsweise kann die Erfassungselektrode 10 das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas in einem Konzentrationsbereich von 4000 ppmC oder niedriger hervorragend erfassen, wenn das Au-Häufigkeitsverhältnis 0,7 oder höher ist, und die Erfassungselektrode 10 kann das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas in einem Konzentrationsbereich von 4000 ppmC oder höher hervorragend erfassen, wenn das Au-Häufigkeitsverhältnis 0,1 oder höher und niedriger als 0,7 ist.
In dieser Beschreibung steht das Au-Häufigkeitsverhältnis für ein Flächenverhältnis des Abschnitts, der mit Au bedeckt ist, zu dem Abschnitt, bei dem Pt in der Oberfläche der Edelmetallteilchen der Erfassungselektrode 10 freiliegt. In dieser Beschreibung wird das Au-Häufigkeitsverhältnis mittels einer Peakintensität eines Peaks, der für Au und Pt erfasst worden ist und mittels einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erhalten worden ist, mittels eines Verfahrens mit einem relativen Empfindlichkeitskoeffizienten berechnet. Das Au-Häufigkeitsverhältnis beträgt 1, wenn die Fläche des Abschnitts, bei dem Pt freiliegt, gleich der Fläche des Abschnitts ist, der mit Au bedeckt ist.
Die Referenzelektrode 20 ist eine Elektrode mit einer in der Draufsicht im Wesentlichen rechteckigen Form, die innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist und als Referenz bei der Bestimmung der Konzentration des Messgases dient. Die Referenzelektrode 20 ist als poröse Cermetelektrode aus Pt und Zirkoniumoxid bereitgestellt.
Es ist ausreichend, dass die Referenzelektrode 20 eine Porosität von 10 % oder mehr und 30 % oder weniger und eine Dicke von 5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger aufweist. Die ebene Größe der Referenzelektrode 20 kann geringer sein als diejenige der Erfassungselektrode 10, wie es in den 2A und 2B gezeigt ist, oder sie kann mit derjenigen der Erfassungselektrode 10 identisch sein.
Die Referenzgaseinführungsschicht 30 ist eine Schicht, die aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist und die so innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, dass sie die Referenzelektrode 20 bedeckt. Der Referenzgaseinführungsraum 40 ist ein Innenraum, der an dem Basisende E2 des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Luft (Sauerstoff), die als Referenzgas bei der Bestimmung der Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases dient, wird von außen in den Referenzgaseinführungsraum 40 eingeführt.
Der Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 30 stehen miteinander in Verbindung und demgemäß ist die Umgebung der Referenzelektrode 20 im Gebrauch des Gassensors 100 durch den Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 30 stets mit Luft (Sauerstoff) gefüllt. Während des Gebrauchs des Gassensors 100 weist folglich die Referenzelektrode 20 immer ein konstantes Potenzial auf.
Der Referenzgaseinführungsraum 40 und die Referenzgaseinführungsschicht 30 sind aufgrund ihrer umgebenden Festelektrolyten so bereitgestellt, dass sie nicht mit einem Messgas in Kontakt kommen. Dies verhindert, dass die Referenzelektrode 20 mit dem Messgas in Kontakt kommt, selbst wenn die Erfassungselektrode 10 dem Messgas ausgesetzt ist.
In dem Fall, der in der 2A gezeigt ist, ist der Referenzgaseinführungsraum 40 derart bereitgestellt, dass ein Teil der fünften Festelektrolytschicht 5 mit dem Äußeren auf dem Basisende E2 des Sensorelements 101 in Kontakt ist. Die Referenzgaseinführungsschicht 30 ist so bereitgestellt, dass sie sich in der Längsrichtung des Sensorelements 101 zwischen der fünften Festelektrolytschicht 5 und der sechsten Festelektrolytschicht 6 erstreckt. Die Referenzelektrode 20 ist unterhalb des Schwerpunkts der Erfassungselektrode 10 bezogen auf die 2A und 2B bereitgestellt.
Die Oberflächenschutzschicht 50 ist eine poröse Schicht, die aus Aluminiumoxid hergestellt ist und die so bereitgestellt ist, dass sie mindestens die Erfassungselektrode 10 auf der vorderen Oberfläche Sa des Sensorelements 101 bedeckt. Die Oberflächenschutzschicht 50 ist als Elektrodenschutzschicht bereitgestellt, welche die Verschlechterung der Erfassungselektrode 10 aufgrund eines kontinuierlichen Aussetzens gegenüber einem Messgas während des Gebrauchs des Gassensors 100 verhindert oder vermindert. In dem Fall, der in der 2A gezeigt ist, ist die Oberflächenschutzschicht 50 so bereitgestellt, dass sie nicht nur die Erfassungselektrode 10 bedeckt, sondern auch im Wesentlichen die gesamte vordere Oberfläche Sa des Sensorelements 101, ausgenommen einen vorgegebenen Bereich, der am distalen Ende E1 beginnt.
Wie es in der 2B gezeigt ist, ist der Gassensor 100 mit einem Potenziometer 60 ausgestattet, das eine Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 messen kann. Obwohl die 2B schematisch eine Verdrahtung zwischen dem Potenziometer 60 und jeder der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 zeigt, sind in einem realen Sensorelement 101 Verbindungsanschlüsse (nicht gezeigt) entsprechend für die jeweiligen Elektroden auf der vorderen Oberfläche Sa oder der rückwärtigen Oberfläche Sb auf der Seite des Basisendes E2 bereitgestellt, und Verdrahtungsstrukturen (nicht gezeigt), welche die jeweiligen Elektroden und deren entsprechenden Verbindungsanschlüsse verbinden, sind auf der vorderen Oberfläche Sa und innerhalb des Elements ausgebildet. Die Erfassungselektrode 10 und die Referenzelektrode 20 sind durch die Verdrahtungsstrukturen und die Verbindungsanschlüsse elektrisch mit dem Potenziometer 60 verbunden. Nachstehend wird eine Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode 10 und der Referenzelektrode 20 auch als Sensorausgabe bezeichnet.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner einen Heizeinrichtungsteil 70, der eine Temperatursteuerung des Erwärmens des Sensorelements 101 durchführt und die Temperatur des Sensorelements 101 hält, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu verbessern.
Der Heizeinrichtungsteil 70 umfasst eine Heizeinrichtungselektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckverteilungsloch 75.
Die Heizeinrichtungselektrode 71 ist eine Elektrode, die ausgebildet ist, während sie mit der rückwärtigen Oberfläche Sb des Sensorelements 101 in Kontakt ist (in den 2A und 2B die untere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 1). Der Heizeinrichtungsteil 70 kann durch die Heizeinrichtungselektrode 71, die mit einer externen Stromversorgung (nicht gezeigt) verbunden ist, extern mit Strom versorgt werden.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungselektrode 71 durch das Durchgangsloch 73 verbunden und erzeugt dadurch Wärme, dass sie mittels der Heizeinrichtungselektrode 71 extern mit Strom versorgt wird, um die Festelektrolyten, die das Sensorelement 101 bilden, zu erwärmen und deren Temperaturen zu halten.
In dem Fall, der in den 2A und 2B gezeigt ist, ist die Heizeinrichtung 72 eingebettet, während sie derart sandwichartig vertikal zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 angeordnet ist, dass sie sich von dem Basisende E2 zu der Position unterhalb der Erfassungselektrode 10 in der Nähe des distalen Endes E1 erstreckt. Dies ermöglicht die Einstellung des gesamten Sensorelements 101 auf die Temperatur, bei der die Festelektrolyten aktiviert werden.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist für eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und für eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Festelektrolytschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 ausgebildet.
Das Druckverteilungsloch 75 ist ein Teil, der zum Durchdringen der dritten Festelektrolytschicht 3 und der vierten Elektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, und um mit dem Referenzgaseinführungsraum 40 in Verbindung zu stehen, und er ist zur Verminderung eines Innendruckanstiegs einhergehend mit einem Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ausgebildet.
Bei der Bestimmung der Konzentration eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in einem Messgas mittels des Gassensors 100, der den vorstehenden Aufbau aufweist, wie es vorstehend beschrieben ist, wird Luft (Sauerstoff) dem Referenzgaseinführungsraum 40 zugeführt, wobei sich das Sensorelement 101 nur in einem vorgegebenen Bereich befindet, der an dem distalen Ende E1 beginnt und mindestens die Erfassungselektrode 10 umfasst, die in einem Raum (in dem in der 1 gezeigten Fall der Abgasleitung 500) angeordnet ist, in dem das Messgas vorliegt, und wobei das Sensorelement 101 an dem Basisende E2 von dem Raum isoliert ist. Die Heizeinrichtung 72 erwärmt das Sensorelement 101 auf 500 °C bis 800 °C. Diese Erwärmungstemperatur des Sensorelements 101 wird als Betriebstemperatur bezeichnet.
In einem solchen Zustand tritt eine Potenzialdifferenz zwischen der Erfassungselektrode 10, die dem Messgas ausgesetzt ist, und der Referenzelektrode 20, die in der Luft angeordnet ist, auf. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird jedoch das Potenzial der Referenzelektrode 20, die in der Luft angeordnet ist (die eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweist), konstant gehalten, wohingegen das Potenzial der Erfassungselektrode 10 selektiv eine Abhängigkeit von der Konzentration für das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas in dem Messgas aufweist. Die Potenzialdifferenz (Sensorausgabe) ist folglich im Wesentlichen ein Wert gemäß der Konzentration des Messgases, das um die Erfassungselektrode 10 vorliegt. Daher gilt zwischen der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases und der Sensorausgabe eine bestimmte funktionelle Beziehung (die als Empfindlichkeitseigenschaften bezeichnet wird). Nachstehend werden diese Empfindlichkeitseigenschaften als Empfindlichkeitseigenschaften der Erfassungselektrode 10 bezeichnet.
Bei der tatsächlichen Bestimmung der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases wird im Vorhinein eine Mehrzahl von verschiedenen Mischgasen, wobei jedes davon eine bekannte Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases aufweist, als Messgas verwendet, die Empfindlichkeitseigenschaften werden durch Durchführen einer Messung der Sensorausgabe für jedes Messgas experimentell identifiziert, und dann werden sie in der elektronischen Steuereinheit 200 gespeichert. Bei der tatsächlichen Verwendung des Gassensors 100 wandelt demgemäß die elektronische Steuereinheit 200 die Sensorausgabe, die gemäß der Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in einem Messgas ständig variiert, auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaften in die Konzentration der Zielgaskomponente um. Die Konzentration des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases in dem Messgas kann folglich nahezu in Echtzeit bestimmt werden.
<Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren des Gassensors>
Nachstehend wird das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren des Gassensors 100 gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform beschrieben. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren im Wesentlichen ein Erwärmungsverfahren, das mit dem Sensorelement 101 des Gassensors 100 durchgeführt wird, wenn der Gassensor 100 eingeschaltet wird (der Gassensor 100 als Vorbereitung für die Verwendung betrieben wird), um eine Ausgabeverschlechterung und folglich eine Verschlechterung der Messgenauigkeit zu verhindern. Insbesondere wenn der Gassensor 100 für das Motorsystem 1000 bereitgestellt wird, wie es in der 1 gezeigt ist, ist dieses Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren ein Verfahren, das bei einem Kaltstart des Gassensors 100 durchgeführt wird. Dieser Fall ist nachstehend als Beispiel beschrieben.
Zuerst wird zum Vergleich nachstehend ein Fall beschrieben, bei dem das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird. Die 3 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil PF1 des Sensorelements 101 des Gassensors 100 zwischen einem Kaltstart („Zündung ein“) und einem Stoppen („Zündung aus“) des Motorsystems 1000 zeigt, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird.
In der 3 ist T = T0 als Anfangstemperatur des Sensorelements 101 beschrieben, wobei es sich typischerweise um eine Temperatur (höchstens etwa 50 °C) etwa bei der Außenlufttemperatur handelt. T = T1 ist als Betriebstemperatur des Sensorelements 101 festgelegt, die im Vorhinein eingestellt wird. T = Ta ist als Adsorptionsschwellentemperatur des Sensorelements 101 festgelegt, die derart eingestellt wird, dass dann, wenn die Temperatur des Sensorelements 101 mit der Adsorptionsschwellentemperatur identisch oder höher als diese ist, kein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 adsorbiert wird. Die Adsorptionsschwellentemperatur Ta muss nicht notwendigerweise spezifisch festgelegt werden und nur die Betriebstemperatur T1 muss so eingestellt werden, dass T1 > Ta zuverlässig gilt.
Bei einem Kaltstart des Motorsystems 1000 durch „Zündung ein“ zum Zeitpunkt t = 0 beginnt die Stromversorgung des Sensorelements 101 (mit anderen Worten, der Gassensor 100, der das Sensorelement 101 umfasst, wird eingeschaltet) und es wird mit einer vorgegebenen Temperaturanstiegsgeschwindigkeit durch die Heizeinrichtung 72, die innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, von der Anfangstemperatur T0 (die typischerweise eine Temperatur etwa bei der Außenlufttemperatur ist) auf die Betriebstemperatur T1 erwärmt.
Andererseits wird nach dem Kaltstart ein Abgas von dem Motorhauptkörper 300 des Motorsystems 1000 erzeugt. Nach „Zündung ein“ weist das Abgas für eine Weile eine niedrige Temperatur auf und der Oxidationskatalysator 600 ist inaktiv, und folglich tritt ein unverbranntes Kohlenwasserstoffgas, das in dem Abgas enthalten ist, durch den Oxidationskatalysator 600 hindurch und erreicht die Stelle, wo der Gassensor 100 angeordnet ist. Folglich ist es wahrscheinlich, dass das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas in dem Zeitraum p1 von t = 0 bis t = t1, wo das Sensorelement 101 die Adsorptionsschwellentemperatur Ta erreicht, an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 adsorbiert wird.
In einem üblichen Fall erreicht das Sensorelement 101 jedoch die Betriebstemperatur T1 früher als der Oxidationskatalysator 600 aktiviert wird. Demgemäß tritt in einem Zeitraum p2 von t = t1 bis t = t2, in dem der Oxidationskatalysator 600 aktiviert ist, das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas durch den Oxidationskatalysator 600 hindurch, wird jedoch nicht an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 adsorbiert.
In dem Zeitraum p3 von t = t2 bis t = t3, bei dem „Zündung aus“ durchgeführt wird, ist der Oxidationskatalysator 600 aktiviert. Demgemäß tritt das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas nicht durch den Oxidationskatalysator 600 hindurch und wird folglich nicht an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 adsorbiert. Der Zeitraum p3 ist ein Zeitraum, in dem sich das Motorsystem 1000 in einem üblichen Betriebszustand befindet.
Wenn „Zündung aus“ zu dem Zeitpunkt t = t3 durchgeführt wird, stoppt der Motorhauptkörper 300 und das Erwärmen des Sensorelements 101 durch die Heizeinrichtung 72, das die Betriebstemperatur T1 aufrechterhält, wird beendet. Demgemäß wird kein Abgas neu von dem Motorhauptkörper 300 erzeugt und die Temperatur des Sensorelements 101 nimmt einhergehend mit einer Verminderung der Temperatur des Oxidationskatalysators 600 abrupt auf eine Temperatur ab, die niedriger als die Adsorptionsschwellentemperatur Ta. Folglich ist es wahrscheinlich, dass in einem Zeitraum p4 nach dem Zeitpunkt t = t3 das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas in dem Abgas, das in der Abgasleitung 500 verbleibt, an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 adsorbiert wird. Obwohl die 3 ein Beispiel zeigt, in dem die Temperatur des Sensorelements 101 zu der Anfangstemperatur T0 zu dem Zeitpunkt t = t4 als Ende des Zeitraums p4 zurückkehrt, ist die Temperatur, die das Sensorelement 101 nach „Zündung aus“ erreicht, nicht notwendigerweise mit der Anfangstemperatur T0 identisch.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird, ist es wahrscheinlich, dass der unverbrannte Kohlenwasserstoff, der in dem Abgas enthalten ist, an der Erfassungselektrode 10 des Sensorelements 101 bei „Zündung ein“ und „Zündung aus“ adsorbiert wird. Das Motorsystem 1000 wird üblicherweise durch Wiederholungen von „Zündung ein“ und „Zündung aus“ verwendet und folglich schreitet die Adsorption des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an der Erfassungselektrode 10 während eines Langzeitgebrauchs zeitlich voran. Dieses Voranschreiten der Adsorption des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases wird als Faktor einer Verschlechterung der Messgenauigkeit des Gassensors 100 betrachtet. Ein herkömmliches Wiederherstellungsverfahren wird durchgeführt, um diese Adsorption des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases im Zeitverlauf bei einem optionalen Zeitpunkt zu beseitigen.
Die 4 ist ein Diagramm, das ein Temperaturprofil PF2 des Sensorelements 101 des Gassensors 100 zwischen einem Kaltstart und einem Stoppen des Motorhauptkörpers 300 zeigt, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren durchgeführt wird. Die 4 zeigt auch das Temperaturprofil PF1 und die vier Zeiträume p1 bis p4 zum Vergleich.
Insbesondere ist das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren ein Verfahren, in dem das Sensorelement 101 vorübergehend auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Betriebstemperatur T1 beim Einschalten des Gassensors 100.
Insbesondere wenn zum Zeitpunkt t = 0 „Zündung ein“ mit dem Motorsystem 1000 durchgeführt wird, wird das Sensorelement 101 durch die Heizeinrichtung 72 innerhalb des Sensorelements 101 bei der vorgegebenen Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von der Anfangstemperatur T0 zu einer vorgegebenen höchsten Temperatur (höchste erreichte Temperatur) T2 erwärmt.
Vorzugsweise wird in diesem Fall die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit höher eingestellt als die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird. Es soll die Zeit bis zum Erreichen der Adsorptionsschwellentemperatur Ta verkürzt werden, wodurch die Adsorption eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an der Erfassungselektrode 10 vermindert wird.
In der 4 ist die Zeit t = ta später als die Zeit t = t1, bei der das Sensorelement 101 die Adsorptionsschwellentemperatur Ta erreicht, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird, jedoch ist dies nicht essentiell.
Nach dem Erreichen der höchsten Temperatur T2 zu dem Zeitpunkt t = ta wird das Sensorelement 101 für einen vorgegebenen Zeitraum Δt = tb - ta bei der höchsten Temperatur T2 bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t = tb gehalten, und dann auf die Betriebstemperatur T1 gesenkt. Der Zeitraum Δt wird auch als die Haltezeit bei der höchsten Temperatur bezeichnet. Die Form des Temperaturprofils PF2, nachdem das Sensorelement 101 die Betriebstemperatur erreicht hat, ist mit demjenigen des Temperaturprofils PF1 identisch.
In diesem Fall wird, wenn das Sensorelement 101 zu Beginn jeder Verwendung des Gassensors 100 durch das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren auf die Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Betriebstemperatur T1, jedwedes unverbrannte Kohlenwasserstoffgas, das während des Zeitraums, in dem das Sensorelement 101 bei der Anfangstemperatur T0 die Adsorptionsschwellentemperatur Ta erreicht, und des Zeitraums nach dem „Zündung aus“ des vorherigen Gebrauchs an der Erfassungselektrode 10 adsorbiert wird, durch Desorption oder Oxidation durch das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren entfernt. Folglich kann der Gassensor 100 verwendet werden, während eine Ausgabeverschlechterung, die auf eine Adsorption des unverbrannten Kohlenwasserstoffgases zurückzuführen ist, hervorragend vermindert wird. Dies bedeutet, dass die Konzentration einer Messzielkomponente konstant mit einer hervorragenden Genauigkeit gemessen werden kann.
Mit anderen Worten, es kann davon ausgegangen werden, dass in dem Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren ein Verfahren, das einem herkömmlichen thermischen Verfahren entspricht, das zur Wiederherstellung der Ausgabe des Gassensors 100, die sich während des kontinuierlichen Gebrauchs verschlechtert hat, durchgeführt worden ist, zu Beginn jedes Gebrauchs des Gassensors 100 durchgeführt wird. Wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren auf diese Weise durchgeführt wird, wird das Fortschreiten der Haftung eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an der Erfassungselektrode 10 vermindert. Dies beseitigt den Bedarf für eine Durchführung des herkömmlich durchgeführten Wiederherstellungsverfahrens.
Das herkömmliche Wiederherstellungsverfahren muss während eines stationären Betriebs des Motorsystems 1000 durchgeführt werden und folglich kann der Gassensor 100 während des Wiederherstellungsverfahrens nicht verwendet werden. Da jedoch das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, wenn der Oxidationskatalysator 600 inaktiv ist, tritt während des Wiederherstellungsverfahrens eine mangelnde Verfügbarkeit des Gassensors 100 während des stationären Betriebs des Motorsystems 1000 nicht auf.
In der 4 ist der Zeitpunkt t = tb früher als der Zeitpunkt t = t2, bei dem der Oxidationskatalysator 600 aktiviert wird, und das Sensorelement 101 erreicht die Betriebstemperatur T1 später als zu dem Zeitpunkt t = t2, jedoch sind diese nicht essentiell.
Der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt = tb - ta kann Null sein. Insbesondere kann die Temperatur des Sensorelements 101 auf die Betriebstemperatur T1 vermindert werden, unmittelbar nachdem es die höchste Temperatur T2 zu dem Zeitpunkt t = ta erreicht hat. Natürlich gilt in diesem Fall ta = tb.
Das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren stellt einen größeren Effekt bereit, wenn die höchste Temperatur T2 in einem größeren Ausmaß höher ist als die Betriebstemperatur T1 und die Behandlungszeit (insbesondere der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt) länger ist. Eine spezifische Obergrenze der höchsten Temperatur T2 variiert jedoch z.B. mit dem Material der Erfassungselektrode 10. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird dann, wenn die Erfassungselektrode 10 eine Pt-Au-Legierung enthält, die höchste Temperatur T2 vorzugsweise auf 850 °C oder niedriger eingestellt. Es nicht bevorzugt, dass die höchste Temperatur T2 höher als 850 °C ist, da z.B. ein Verdampfen von Au als Bestandteilsmaterial potenziell eine Eigenschaftsänderung, eine Verformung, eine Beschädigung und dergleichen der Erfassungselektrode 10 hervorruft. Es ist auch nicht bevorzugt, dass der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt unnötig lang eingestellt wird, da der Gassensor 100 in einem nicht messbaren Zustand gehalten wird, obwohl der Oxidationskatalysator 600 aktiviert ist.
Der Zeitintegralwert (in der Einheit °C . s) einer Differenz zwischen einer Temperatur T und der Betriebstemperatur T1 in einem Bereich, in dem die Temperatur höher ist als die Betriebstemperatur T1 in dem Temperaturprofil PF2, kann als Index (Leistungsbewertungswert) verwendet werden, der die Leistung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens bei verschiedenen Arten von Bedingungen bewertet. In dem Fall, der in der 4 gezeigt ist, entspricht der Bereichswert eines schraffierten vierseitigen Bereichs PQSR dem Leistungsbewertungswert. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat bestätigt, dass die Ausgabeverschlechterung des Gassensors 100 bei einem größeren Leistungsbewertungswert effektiver vermindert wird.
Beispielsweise wird eine Schwelle (Sensorausgabeschwelle) eines zulässigen Werts der Sensorausgabe als Verhältnis relativ zu dem Absolutwert der Sensorausgabe oder eines anfänglichen Ausgabewerts im Vorhinein festgelegt. Darüber hinaus wird ein minimaler Wert des Leistungsbewertungswerts, der in einem Zustandsbereich des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens, in dem eine Sensorausgabe ermöglicht wird, die höher ist als die Sensorausgabeschwelle, bestimmt wird, als Schwelle des Leistungsbewertungswerts im Vorhinein festgelegt. Demgemäß kann die Ausgabeverschlechterung, die auf die Haftung eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an der Erfassungselektrode 10 zurückzuführen ist, zuverlässig vermindert werden, solange das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren unter der Bedingung durchgeführt wird, dass der Leistungsbewertungswert, der die Schwelle übersteigt, bereitgestellt wird. Eine spezifische Schwelle des Leistungsbewertungswerts variiert mit dem einzelnen Gassensor 100.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform eine Ausgabeverschlechterung des Gassensors im Zeitverlauf, die ansonsten aufgrund einer Adsorption eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases an der Elektrode auftreten würde, durch Durchführen des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens, bei dem das Sensorelement auf die Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Betriebstemperatur, beim Einschalten des Gassensors ohne eine Zeit, bei welcher der Gassensor nicht verfügbar ist, hervorragend durchgeführt werden.
<Modifizierungen>
Die vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform beschreibt beispielhaft einen Gassensor des Mischpotenzialtyps, dessen Messzielkomponente ein Kohlenwasserstoffgas ist, jedoch ist die Anwendung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens gemäß der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Der gleiche Effekt kann erhalten werden, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren auf einen Gassensor des Mischpotenzialtyps, dessen Messzielkomponente ein anderer Typ von Gas ist, und auch auf einen anderen Gassensor (z.B. einen Sauerstoffsensor) angewandt wird, der bei einer relativ niedrigen Temperatur (z.B. 600 °C oder niedriger) betrieben wird und in dem eine Gaskomponente an der Elektrode adsorbiert wird.
[Beispiele]
Das Motorsystem 1000 umfasst einen Dieselmotor mit einem Hubraum von 3 Litern, der als der Motorhauptkörper 300 zum Bewerten einer Beziehung zwischen der Bedingung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens und dem Grad der Verminderung der Ausgabeverschlechterung des Gassensors 100 verwendet wurde.
Insbesondere wurde ein Betriebszyklus wiederholt, bei dem das Motorsystem 1000 bei einer vorgegebenen Bedingung für 30 Minuten nach dem Kaltstart betrieben und dann gestoppt wurde, und danach auf die Außenlufttemperatur gekühlt wurde, während es für 24 Stunden stehengelassen wurde. Dieser Betriebszyklus wurde wiederholt, bis dessen dritter Zyklus endete. Das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren wurde mit dem Gassensor 100 bei einem Kaltstart in dem zweiten und dem dritten Zyklus durchgeführt. Das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren wurde bei 10 verschiedenen Bedingungen (Nr. 1 bis 10) durchgeführt, die einen Fall umfassen, bei dem das Verfahren nicht durchgeführt wurde. Dann wurde der Grad (Verschlechterungsverminderungsgrad) der Ausgabeverschlechterungsverminderung, die durch das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren erreicht worden ist, auf der Basis des Grads der Differenz bei der Ausgabeänderung beim Betrieb in jedem Zyklus beurteilt. Die Betriebstemperatur T1 des Sensorelements 101 wurde auf 500 °C eingestellt.
Insbesondere wurden in dem Fall, bei dem das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren durchgeführt worden ist, die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von der Anfangstemperatur T0 bis zur höchsten Temperatur T2 und die Temperaturabsenkungsgeschwindigkeit von der höchsten Temperatur T2 bis zur Betriebstemperatur T1 beide auf 13,6 °C/s eingestellt, die höchste Temperatur T2 wurde auf drei verschiedene Niveaus von 850 °C, 750 °C und 650 °C eingestellt und der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt wurde auf drei verschiedene Niveaus von 0 s, 30 s und 60 s eingestellt. Mit anderen Worten, das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren wurde bei neun verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von der Anfangstemperatur T0 auf die Betriebstemperatur T1 wurde auf 10,5 °C/s eingestellt, wenn das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt wird.

Die Tabelle 1 gibt die höchste Temperatur T2, den Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt, den Leistungsbewertungswert (den Leistungsbewertungswert des Verfahrens) und die Ergebnisse der Bewertung des Verschlechterungsverminderungsgrads für das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren bei den 10 Bedingungen (Nr. 1 bis 10) an. Die 5 und 6 sind Diagramme einer Veränderung der Sensorausgabe im Zeitverlauf beim Betrieb im ersten und dritten Zyklus für die Bedingungen Nr. 1 bis 10 des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens. Das erstgenannte zeigt Ergebnisse für die Bedingungen Nr. 1 bis 6 und das letztgenannte zeigt Ergebnisse für die Bedingungen Nr. 7 bis 10. [Tabelle 1]

NR.	HÖCHSTE TEMPERATUR T2 (°C)	HALTEZEITRAUM DER HÖCHSTEN TEMPERATUR Δt (s)	LEISTUNGSBEWERTUNGSWERT DES VERFAHRENS (°C·s)	BEURTEILUNG DES VERSCHLECHTERUNGS-VERMINDERUNGS-GRADS
1	850	0	9007	○
2	850	30	19507	○
3	850	60	30007	○
4	750	0	4596	Δ
5	750	30	12096	○
6	750	60	19596	○
7	650	0	1655	×
8	650	30	6155	Δ
9	650	60	10655	○
10	OHNE VERFAHREN	OHNE VERFAHREN	OHNE VERFAHREN	×

Der Verschlechterungsverminderungsgrad wurde auf der Basis der Änderung der Sensorausgabe im Zeitverlauf bei dem Betrieb in dem ersten und dritten Zyklus beurteilt, die in den 5 und 6 gezeigt sind. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass die Ausgabeverschlechterung ausreichend vermindert war, wenn ein Sensorausgabewert im dritten Zyklus 80 % des Sensorausgabewerts in dem ersten Zyklus oder höher während eines Betriebs von 30 Minuten war. In der Tabelle 1 bezeichnet ein Kreis eine Bedingung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens, bei der ein solches Beurteilungsergebnis erhalten wurde. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausgabeverschlechterung in einem gewissen Maß vermindert war, wenn ein Sensorausgabewert im dritten Zyklus gleich oder höher als 70 % und niedriger als 80 % des Sensorausgabewerts in dem ersten Zyklus war. In der Tabelle 1 bezeichnet ein Dreieck eine Bedingung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens, bei der ein solches Beurteilungsergebnis erhalten wurde. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausgabeverschlechterung nicht vermindert war, wenn ein Sensorausgabewert im dritten Zyklus niedriger als 70 % des Sensorausgabewerts in dem ersten Zyklus war. In der Tabelle 1 bezeichnet ein Kreuz eine Bedingung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens, bei der ein solches Beurteilungsergebnis erhalten wurde.
Die Tabelle 1 und die 5 und 6 zeigen, dass die Ausgabeverschlechterung dazu neigt, durch das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren mit dem kurzen Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt stärker vermindert zu werden, wenn die höchste Temperatur T2 höher ist. Dies bedeutet, dass der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt verkürzt werden kann, solange der Leistungsbewertungswert durch Erhöhen der höchsten Temperatur T2 beibehalten wird.
Insbesondere in dem Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren bei den Bedingungen Nr. 7 bis 9, bei denen die höchste Temperatur T2 auf 650 °C eingestellt worden ist, wurde die Ausgabeverschlechterung nur bei der Bedingung Nr. 9, bei welcher der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt auf 60 s eingestellt war, ausreichend vermindert. In dem Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren bei den Bedingungen Nr. 1 bis 3, bei denen die höchste Temperatur T2 auf 850 °C eingestellt worden ist, wurde die Ausgabeverschlechterung selbst bei der Bedingung Nr. 1, bei welcher der Haltezeitraum der höchsten Temperatur Δt auf 0 s eingestellt war, vermindert.
Es gibt eine Korrelation zwischen dem Leistungsbewertungswert und dem Verschlechterungsverminderungsgrad. Insbesondere war für die Bedingungen des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens (Nr. 1, 2, 3, 5, 6 und 9), die jeweils durch einen Kreis in der Spalte des Verschlechterungsverminderungsgrads in der Tabelle 1 angegeben sind, der Leistungsbewertungswert 9000 °C·s oder höher. Tatsächlich wies, wie es in den 5 und 6 gezeigt ist, die Sensorausgabe nahezu keine Differenz zwischen dem ersten und dem dritten Zyklus auf. Dasselbe Ergebnis wurde für die Sensorausgabe in dem zweiten Zyklus erhalten, der nicht gezeigt ist.
Für die Bedingungen des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens (Nr. 4 und 8), die jeweils durch ein Dreieck in der Spalte des Verschlechterungsverminderungsgrads in der Tabelle 1 angegeben sind, betrug der Leistungsbewertungswert 4596 °C·s bzw. 6155 °C·s, was kleiner ist als 9000 °C·s. Die Sensorausgabe in dem zweiten Zyklus, der nicht gezeigt ist, lag etwa in der Mitte der Sensorausgaben in dem ersten und dritten Zyklus.
Für die Bedingung des Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahrens (Nr. 7), die durch ein Kreuz in der Spalte des Verschlechterungsverminderungsgrads angegeben ist, betrug der Leistungsbewertungswert nur etwa 1655 °C·s. Die Sensorausgabe in dem dritten Zyklus wies eine Profilform auf, die derjenigen für die Bedingung Nr. 10 ähnlich war, bei der das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren nicht durchgeführt worden ist.
Die vorstehend beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass mindestens die Verschlechterung des Gassensors 100, die auf die Haftung eines unverbrannten Kohlenwasserstoffgases zurückzuführen ist, vermindert werden kann, solange das Ausgabeverschlechterungsverminderungsverfahren bei einer Bedingung durchgeführt wird, bei welcher der Leistungsbewertungswert ausreichend hoch ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 6265522 [0006]
JP 3855979 B [0006]
JP 11326266 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„NSC/SDPF System as Sustainable Solution for EU6b and Up-coming Legislation“, L. Mussmann et al., 23rd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2014, Seite 1025 [0009]

Claims

Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung eines Gassensors, wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist; mindestens eine Elektrode, die so an dem Sensorelement bereitgestellt ist, dass sie ein Messgas kontaktiert; eine Heizeinrichtung, die an dem Sensorelement bereitgestellt ist und zum Erwärmen des Sensorelements ausgebildet ist; und eine Steuereinrichtung, die zum Steuern des Gassensors ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Erwärmen des Sensorelements durch die Heizeinrichtung bei einer Temperatur, die höher ist als eine im Vorhinein eingestellte Betriebstemperatur, für einen vorgegebenen Zeitraum beim Einschalten des Gassensors; und b) Vermindern der Temperatur des Sensorelements, das auf die Temperatur erwärmt worden ist, die höher als die Betriebstemperatur ist, auf die Betriebstemperatur.
Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung eines Gassensors nach Anspruch 1, wobei ein Leistungsbewertungswert der Ausgabeverschlechterungsverminderung des Gassensors als ein Zeitintegralwert einer Differenz zwischen der Temperatur des Sensorelements und der Betriebstemperatur über einen Bereich festgelegt ist, in dem die Temperatur des Sensorelements höher ist als die Betriebstemperatur, und in dem Schritt a) beim Einschalten des Gassensors die Heizeinrichtung das Sensorelement auf eine Temperatur und für eine Zeit erwärmt, so dass der Leistungsbewertungswert größer ist als eine Schwelle, die im Vorhinein auf der Basis eines zulässigen Bereichs der Ausgabeverschlechterung des Gassensors eingestellt worden ist.
Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung eines Gassensors nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gassensor ein Gassensor des Mischpotenzialtyps ist, und der Gassensor als die mindestens eine Elektrode eine Erfassungselektrode umfasst, deren katalytische Aktivität für eine vorgegebene Messgaskomponente in dem Messgas nicht vorhanden ist; wobei der Gassensor ferner eine Referenzelektrode umfasst, die so bereitgestellt ist, dass sie ein vorgegebenes Referenzgas kontaktiert, und der Gassensor die Konzentration der vorgegebenen Messgaskomponente auf der Basis einer Potenzialdifferenz misst, die zwischen der Erfassungselektrode und der Referenzelektrode auftritt.
Verfahren zur Verminderung der Ausgabeverschlechterung eines Gassensors nach Anspruch 3, wobei die vorgegebenen Messgaskomponenten Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid sind, die Erfassungselektrode aus einer Pt-Au-Legierung hergestellt ist, und in dem Schritt a) die höchste Temperatur des Erwärmens des Sensorelements beim Einschalten des Gassensors 850 °C oder niedriger ist.