DE102017130187A1

DE102017130187A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102017130187A1
Application number: DE102017130187.9A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Furuta; Masaki Nakagawa
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-06-21
Also published as: US20180172622A1; US10684248B2

Abstract

[Zu lösende technische Aufgabe] Einschränkung einer Temperaturänderung eines Detektionselements[Mittel zur Lösung der Probleme] Ein NOx Sensor 1 weist ein Gassensorelement 3, ein aus Metall hergestelltes Körperelement 21 und eine aus Metall hergestellte Schutzeinrichtung 5 auf. Das Körperelement 21 ist in einer rohrförmigen Gestalt ausgebildet, die sich in axialer Richtung DA erstreckt und behaust innerhalb dessen ein Gassensorelement 3. Der NOx Sensor 1 ist in einer rohrförmigen Gestalt ausgebildet, die sich in axialer Richtung DA erstreckt und weist ein Befestigungselement 22 auf, dass derart angeordnet ist, dass ein Raum 23, der sich in axialer Richtung DA erstreckt, zwischen dem Befestigungselement 22 und dem Körperelement 21 ausgebildet wird. Das Gassensorelement 3 weist eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140, die eine sauerstoffionenleitfähige Festelektrolyt-Schicht und eine Detektionselektrode und eine Referenzelektrode aufweist, die beide jeweils auf der Festelektrolyt-Schicht ausgebildet sind und ein Paar formen, und ein Heizelement auf, zum Aufheizen der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 auf eine vorherbestimmte Temperatur. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 ist innerhalb des Raums 23 angeordnet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Gassensor zur Detektion eines bestimmten Gases, das in einem zu vermessenden Gas enthalten ist.
Hintergrund
Wie in Patentdokument 1 beschrieben, ist ein Gassensor bekannt, mit dem sich die Konzentration eines bestimmten Gases, das in einem zu vermessenden Gas enthalten ist, durch Aufheizen des Gassensors auf oder oberhalb einer vorherbestimmten Aktivierungstemperatur ermitteln lässt. Ein derartiger Gassensor weist ein Heizelement auf, mit dem der Gassensor kurzzeitig nach Inbetriebnahme in einen für die Detektion der Konzentration eines bestimmten Gases geeigneten Zustand (d.h. in einen aktivierten Zustand,) gebracht werden kann.
Ein aus einem Festelektrolytkörper hergestelltes Detektionselement hat als eine Eigenschaft, dass sich der innere Widerstand in Korrelation mit der Temperatur des Detektionselements verändert. Daher detektiert eine Sensorsteuerungsvorrichtung, zum Steuern des Detektionselements, den inneren Widerstand und treibt das Heizelement, basierend auf einer mit Hilfe des detektierten inneren Widerstands berechneten Temperatur, an, wobei das Detektionselement auf eine Zieltemperatur aufgeheizt wird.
Stand der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift (kokai) Nr. 2012-18050
Kurzdarstellunq der Erfindung
Zu lösende technische Aufgabe
Wenn die Temperatur des Detektionselements jedoch von der Zieltemperatur, auf Grund einer Veränderung in der Umgebungstemperatur eines Gassensors abweicht, kann die Genauigkeit in der Erfassung der Konzentration des bestimmten Gases vermindert sein.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Temperaturänderung des Detektionselements einzuschränken.
Mittel zur Lösung der Probleme
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Gassensor auf: ein Detektionselement, ein Behausungselement hergestellt aus einem Metall, und eine Schutzeinrichtung hergestellt aus einem Metall. Das Detektionselement liegt in einer länglich ausgedehnten Form vor und detektiert ein in einem zu vermessenden Gas enthaltenes bestimmtes Gas. Das Behausungselement ist rohrförmig ausgebildet und erstreckt sich in axialer Richtung, um das Detektionselement innerhalb dessen zu behausen.
Die Schutzeinrichtung weist eine darin gebildete Gasdurchgangsöffnung auf, um Durchlass für das zu vermessende Gas zu ermöglichen, und ist derart an dem Behausungselement befestigt, dass der vordere Endabschnitt des Detektionselements abgedeckt ist.
Der in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Gassensor weist weiterhin ein raumbildendes Element auf, das rohrförmig ausgebildet ist und sich in axialer Richtung erstreckt und derart angeordnet ist, dass ein ringförmiger oder nicht-endlos ringförmiger Raum, der sich in axialer Richtung erstreckt, zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement erzeugt wird.
Das Detektionselement weist eine Detektionszelle auf, die einen sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytkörper und ein Paar auf dem Festelektrolytkörper ausgebildeten Elektroden aufweist, und ein Heizelement zum Aufheizen der Detektionszelle auf eine vorherbestimmte Temperatur. Die Detektionszelle ist innerhalb des Raums angeordnet. Insbesondere, bedeutet der Terminus „innerhalb des Raums angeordnet“ radial innerhalb des Raums angeordnet.
In dem derart konfigurierten Gassensor der vorliegenden Offenbarung ist die Detektionszelle in umgebender Weise ummantelt, wobei in einem Abschnitt hiervon das raumbildende Element, der Raum und das aus Metall hergestellte Behausungselement radial gestapelt sind (im Folgenden als „Stapelabschnitt“ bezeichnet).
Daher ist ein Kanal, durch den eine Umgebungstemperaturänderung des Gassensors die Temperatur der Detektionszelle beeinflusst, ein Kanal, durch den Umgebungswärme des Gassensors an die Detektionszelle mittels dem vorhergenannten Stapelabschnitt übertragen wird.
In dem Stapelabschnitt wird der Raum zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement gebildet. Daher befindet sich Gas zwischen dem raumbildenden Element und dem aus Metall hergestellten Behausungselement. Gas hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Metall. Daher ist es in dem in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Gassensor unwahrscheinlich, dass Umgebungswärme des Gassensors mittels des Stapelabschnitts an die Detektionszelle übertragen wird, wodurch eine Temperaturveränderung in der Detektionszelle eingeschränkt werden kann. Resultierend aus der Einschränkung einer Temperaturänderung der Detektionszelle ist eine Temperaturänderung des Detektionselements eingeschränkt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das raumbildende Element derart angeordnet sein, dass mindestens ein Abschnitt einer äußeren, umlaufenden Oberfläche des Behausungselements abgedeckt wird, während der Raum zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement gebildet wird. Außerdem kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das raumbildende Element innerhalb des Behausungselements derart angeordnet sein, dass mindestens ein Abschnitt einer inneren, umlaufenden Oberfläche des Behausungselements abgedeckt wird, während der Raum zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement gebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Detektionselement eine Messkammer, eine Pumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle aufweisen; die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle kann die Detektionszelle selbst sein; und die Pumpzelle kann an einer vorderen Endseite des Detektionselements, relativ zur Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle und innerhalb des Behausungselements angeordnet sein. Das zu vermessende Gas wird in die Messkammer eingeführt. Die Pumpzelle weist einen sauerstoffionenleitfähigen ersten Festelektrolytkörper und ein Paar Pumpelektroden auf, die auf dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildet sind, und pumpt Sauerstoff aus dem zu vermessenden Gas oder in das zu vermessende Gas, das in die Messkammer eingeführt wird, wenn ein Pumpstrom zwischen dem Paar Pumpelektroden fließt. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle weist einen sauerstoffionenleitfähigen zweiten Festelektrolytkörper und eine Detektionselektrode und eine Referenzelektrode auf, die auf dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildet sind, wobei die Detektionselektrode derart angeordnet ist, dass sie der Messkammer zugewandt ist und eine elektromotorische Kraft erzeugt, die proportional zu einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen Detektionselektrode und Referenzelektrode ist.
In dem derart konfigurierten Gassensor der vorliegenden Offenbarung ist die Pumpzelle radial ummantelt von dem Behausungselement, da die Pumpzelle innerhalb des Behausungselements angeordnet ist. In dem Gassensor der vorliegenden Offenbarung kann dadurch resultierend das Behausungselement Umgebungswärme des Gassensors davon zurückhalten, die Pumpzelle zu erreichen. Somit kann der Gassensor der vorliegenden Offenbarung eine Temperaturänderung des Detektionselements weiter einschränken.
Figurenliste

[1] Schnittansicht eines NOx Sensor 1.
[2] Veranschaulichung, die eine schematische Konfiguration eines Elementkörpers 31 und einer Sensorsteuerungsvorrichtung 170 zeigt.
[3] Schnittansicht, die die Peripherie eines Detektionsabschnitts 31a des NOx Sensor 1 darstellt.

Erste Ausführungsform
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein NOx Sensor 1 in einem Fahrzeug befestigt und detektiert Stickoxide (im Folgenden als NOx bezeichnet), die in von einem Verbrennungsmotor emittierten Abgase enthalten sind.
Wie in 1 dargestellt, enthält der NOx Sensor 1 ein Metallgehäuse 2, ein Gassensorelement 3, ein Befestigungsabschnitt 4, eine Schutzeinrichtung 5, ein Außenrohr 6, eine Vielzahl von Leitungsdrähten 7, eine Vielzahl von Anschlussklemmen 8, ein Trennabschnitt 9 und eine Kabeldurchführung 10. In 1 wird der untere Endabschnitt des NOx Sensor 1 als vorderer Endabschnitt (FE) bezeichnet und der obere Endabschnitt des NOx Sensor 1 wird als hinterer Endabschnitt (BE) bezeichnet.
Das Metallgehäuse 2 ist ein rohrförmiges Element hergestellt aus einem Refraktärmetall wie z.B. Edelstahl. Das Metallgehäuse 2 weist ein Körperelement 21 und ein Befestigungselement 22 auf.
Das Körperelement 21 ist ein zylindrisches Element, das sich in Richtung einer axialen Linie O des NOx Sensor 1 erstreckt (im Folgenden als axiale Richtung DA bezeichnet). Das Körperelement 21 weist eine Durchgangsöffnung 21a auf, die sich entlang der axialen Richtung DA erstreckt. Das Körperelement 21 weist einen Stufenabschnitt 21b auf, der radial von dem inneren, umlaufenden Wandabschnitt der Durchgangsöffnung 21a nach innen hereinragt.
Das Befestigungselement 22 ist ein rohrförmiges Element, das das Körperelement 21 derart umschließt, dass es drehbar gegenüber dem Körperelement 21 ist und weist einen hexagonalen Abschnitt 22a und einen Gewindeabschnitt 22b auf. Ein in axialer Richtung DA sich erstreckender zylindrischer Raum 23 wird ausgebildet zwischen einer äußeren, umlaufenden Oberfläche des Körperelements 21 und einer inneren, umlaufenden Oberfläche des Befestigungselements 22. Dieser Raum 23 ist ein nicht-endlos ringförmiger, radial abgeschlossener Raum. Insbesondere ist in der Schnittansicht aus 1 der Raum 23 einheitlich ausgebildet, wobei die Dicken in axialer Richtung und radialer Richtung jeweils vorherbestimmt sind; jedoch sind die innere, umlaufende Oberfläche des Befestigungselements 22 und die äußere umlaufende Oberfläche des Körperelements 21 teilweise in Kontakt miteinander sind. Daher weist der Raum 23 eine nicht-endlos ringförmige Gestalt auf (eine Gestalt die dem Buchstaben C ähnelt).
Der hexagonale Abschnitt 22a dehnt sich radial von der äußeren Peripherie des Körperelements 21 nach außen hin aus und weist eine plattenartige Form mit einer hexagonalen Periphere auf. Bei Anschluss des NOx Sensor 1 an ein Auspuffrohr wird ein Befestigungswerkzeug, wie z.B. ein hexagonaler Schraubenschlüssel auf den hexagonalen Abschnitt 22a aufgesetzt.
Der Gewindeabschnitt 22b befindet sich an dem vorderen Endabschnitt (FE) des hexagonalen Abschnitts 22a und dehnt sich radial von der äußeren Peripherie des Körperelements 21 nach außen hin aus und weist ein externes Gewinde auf, das auf dessen äußerer Peripherie ausgebildet ist. Das externe Gewinde ist derart ausgebildet, dass es an einem in das Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors ausgebildetem Innenanschlussgewinde angeschlossen werden kann, um den Anschluss eines NOx Sensor 1 an das Auspuffrohr zu ermöglichen.
Das Gassensorelement 3 weist ein Elementkörper 31 und eine Schutzschicht 32 auf. Der Elementkörper 31 weist eine sich länglich in axialer Richtung DA erstreckende, plattenartige Gestalt auf. Der Elementkörper 31 weist an seinem vorderen Endabschnitt (FE) einen Detektionsabschnitts 31a auf, der geeignet ist die Konzentration eines bestimmten Gases (in der vorliegenden Ausführungsform, NOx), das in einem zu vermessenden Gas (in der vorliegenden Ausführungsform, Abgas eines Verbrennungsmotors) enthalten ist und mit dem der Gassensor 3 exponiert wird, zu detektieren. Die Schutzschicht 32 ist aus offenporigem Aluminiumoxid gebildet und an dem vorderen Endabschnitt (FE) des Elementkörpers 31 derart angeordnet, dass der Detektionsabschnitt 31a mindestens teilweise bedeckt ist.
Der Befestigungsabschnitt 4 weist eine Keramikhalterung 41, Talkumpulver 42, eine Keramikhülse 43 und eine Dichtung 44 auf.
Die Keramikhalterung 41 ist ein ungefähr zylindrisches Element bestehend aus Aluminiumoxid, welche in der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 untergebracht werden kann, wobei es von dem Stufenabschnitt 21b des Körperelements 21 gestützt wird. Die Keramikhalterung 41 weist eine Durchgangsöffnung auf, die sich entlang der axialen Richtung DA erstreckt und das Gassensorelement 3 wird durch die Durchgangsöffnung hindurch eingeführt.
Das Talkumpulver 42 wird in die Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 in einen Bereich nahe dem hinteren Endabschnitt (BE) der Keramikhalterung 41 eingefüllt.
Die Keramikhülse 43 ist ein ungefähr zylindrisches Element aus Aluminiumoxid, welche in der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 untergebracht werden kann. Die Keramikhülse 43 weist eine Durchgangsöffnung auf, die sich entlang der axialen Richtung DA erstreckt, und das Gassensorelement 3 wird durch die Durchgangsöffnung hindurch eingeführt. Somit ist die Keramikhülse 43 in der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 in einem Bereich des hinteren Endabschnitts (BE) des Talkumpulvers 42 untergebracht.
Die Dichtung 44 ist ein ringförmiges Element, das in der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 untergebracht werden kann. Die Dichtung 44 ist angeordnet zwischen der Keramikhülse 43 und eines hinterendseitigem (BE) Hinterabschnitts 21c des Körperelements 21. Der Hinterabschnitt 21c des Körperelements 21 ist derart gekrimpt, dass die Keramikhülse 43 in Richtung des vorderen Endabschnitts (FE) durch die Dichtung 44 gedrückt wird. Dadurch resultierend wird das Talkumpulver 42 komprimiert und der Befestigungsabschnitt 4 fasst das Gassensorelement 3 in einem Zustand derart, dass der vordere Endabschnitt (FE) des Gassensorelements 3 aus dem vorderen Endabschnitt (FE) der Keramikhalterung 41 herausragt, wohingegen der hintere Endabschnitt des Gassensorelements 3 aus dem hinteren Endabschnitt des Metallgehäuses 2 herausragt.
Der abgestufte Abschnitt 21b des Körperelements 21 ist an dem hinteren Endabschnitt (BE) des Gewindeabschnitts 22b angeordnet. Dadurch resultierend ist der Befestigungsabschnitt 4 in der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 am hinteren Endabschnitt (BE) des Gewindeabschnitts 22b untergebracht. Entsprechend fasst der Befestigungsabschnitt 4 das Gassensorelement 3, während der Detektionsabschnitt 31a innerhalb der Durchgangsöffnung 21a am vorderen Endabschnitt (FE) des Stufenabschnitts 21b angeordnet ist.
Weiterhin wird eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140, die später hierin beschrieben wird, innerhalb des Detektionsabschnitts 31a bereitgestellt, die innerhalb der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 angeordnet ist, innerhalb eines Bereichs Rs1 bei dem der Raum 23 entlang der axialen Richtung DA am vorderen Endabschnitt (FE) des Befestigungsabschnitts 4 vorhanden ist. Insbesondere ist die Länge der Durchgangsöffnung 21a in radialer Richtung (d.h. der innere Durchmesser der Durchgangsöffnung 21a) innerhalb des Bereichs Rs1 größer als die Länge des Gewindeabschnitts 22b des Körperelements 21 in radialer Richtung (d.h. die Dicke des Gewindeabschnitts 22b) innerhalb des Bereichs Rs1.
Die Schutzeinrichtung 5 ist ein rohrförmiges metallisches Element, das einen aus dem Metallgehäuse 2 herausragenden, vorderendseitigen Endabschnitt (FE) des Gassensorelements 3 abdeckt. Die Schutzeinrichtung 5 hat eine Vielzahl von darin ausgebildeten Gaseinbringungsöffnungen 5a. Die Schutzeinrichtung 5 wird durch Schweißen mit der äußeren Peripherie eines vorderendseitigen Endabschnitts (FE) des Metallgehäuses 2 verbunden.
Die Schutzeinrichtung 5 weist eine zweiteilige Struktur auf, bestehend aus einer äußeren Schutzeinrichtung 51 und einer inneren Schutzeinrichtung 52. Die unterseitig geschlossene zylindrische innere Schutzeinrichtung 52 ist innerhalb der unterseitig geschlossenen zylindrischen äußeren Schutzeinrichtung 51 angeordnet.
Das Außenrohr 6 ist ein rohrförmiges, metallisches, sich in axialer Richtung DA erstreckendes Element. Das Außenrohr 6 ist derart befestigt, dass ein Abschnitt des Körperelements 21 des Metallgehäuses 2, der sich am hinteren Endabschnitt (BE) des Befestigungselements 22 befindet, in einen vorderen Endabschnitt (FE) eines vorderen Öffnungsabschnitts 6a des Außenrohrs 6 hineingesteckt wird.
Eine Vielzahl der Leitungsdrähte 7 korrespondiert mit einer Vielzahl nichtillustrierter Sensoranschlussflächen, die jeweils an dem hinteren Endabschnitt (BE) des Elementkörpers 31 ausgebildet sind und den Elementkörper 31 elektrisch mit einer Sensorsteuerungsvorrichtung 170 zum Antreiben und Steuern des Gassensorelements 3 verbinden. Insbesondere zeigt 1 zwei der Leitungsdrähte 7. Die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 ist nicht in 1 dargestellt, dafür jedoch in 2.
Eine Vielzahl der Anschlussklemmen 8 korrespondiert jeweils mit einer Vielzahl der Leitungsdrähte 7 und diese sind mit einem Endabschnitt der entsprechenden Leitungsdrähte 7 verbunden.
Der Trennabschnitt 9 weist einen Separator 91 und ein Halteelement 92 auf. Der Separator 91 ist ein zylindrisches, keramisches, sich in axialer Richtung DA erstreckendes Element und ist innerhalb des Außenrohrs 6 angeordnet. Der Separator 91 hat einen Innenraum zum Unterbringen einer Vielzahl der Anschlussklemmen 8 und eines hinterendseitigen Endabschnitts (BE) des Elementkörpers 31. Der Separator 91 bringt eine Vielzahl der Anschlussklemmen 8 unter, während ein Zustand eingehalten wird, bei dem die hinterendseitigen Endabschnitte (BE) der Anschlussklemmen 8 aus dem hinteren Endabschnitt (BE) des Separators 91 herausragen und eine Vielzahl der Anschlussklemmen 8 nicht miteinander in Berührung kommen. Der Separator 91 hält ebenfalls einen Zustand ein, bei dem eine Vielzahl der Anschlussklemmen 8 in Kontakt mit den korrespondierenden Sensoranschlussflächen des Elementkörpers 31 sind. Der Separator 91 weist einen Kragenabschnitt 91a auf, der sich radial von der äußeren umlaufenden Oberfläche eines hinterendseitigen Endabschnitts (BE) des Separators 91 nach außen hin erstreckt.
Das Halteelement 92 weist einen Körperabschnitt 92a und einen gekrümmten Abschnitt 92b auf. The Körperabschnitt 92a ist ein rohrförmiges, metallisches, sich in axialer Richtung DA erstreckendes Element. Der gekrümmte Abschnitt 92b erstreckt sich ausgehend von dem hinteren Endabschnitt (BE) des Körperabschnitts 92a und ist derart zurechtgebogen, dass dessen Gestalt dem Buchstaben U ähnelt. Das Halteelement 92 ist an dem vorderen Endabschnitt (FE) des Kragenabschnitt 91a, zwischen dem Außenrohr 6 und dem Separator 91, angeordnet. Daraus resultierend kommt der Körperabschnitt 92a in Kontakt mit der inneren, umlaufenden Oberfläche des Außenrohrs 6 und der gekrümmte Abschnitt 92b drückt den Kragenabschnitt 91a des Separators 91 radial nach innen. Entsprechend wird der Separator 91 innerhalb der Außenrohrs 6 mittels des Halteelements 92 gehaltert.
Die Kabeldurchführung 10 ist ein zylindrisches, elastisches aus Fluorkautschuk hergestelltes Element, das sich in axialer Richtung DA erstreckt. Die Kabeldurchführung 10 weist eine Vielzahl, entlang der axialen Richtung DA sich erstreckender, Durchgangsöffnungen auf. Eine Vielzahl der Durchgangsöffnungen korrespondieren jeweils zu einer Vielzahl der vorhergenannten Leitungsdrähte 7 und ermöglichen das Einführen der korrespondierenden Leitungsdrähte 7 hierdurch.
Die Kabeldurchführung 10 ist intern in einem hinteren Endabschnitts (BE) eines hinteren Öffnungsabschnitts 6b des Außenrohrs 6 angeordnet und wird radial durch das Außenrohr 6 gekrimpt. Daraus resultierend wird der hintere Endabschnitts (BE) des hinteren Öffnungsabschnitts 6b des Außenrohrs 6 verschlossen.
Wie in 2 dargestellt, wird der Elementkörpers 31 des Gassensorelements 3 durch sequentielles Stapeln einer isolierenden Schicht 113, einer keramischen Schicht 114, einer isolierenden Schicht 115, einer keramischen Schicht 116, einer isolierenden Schicht 117, einer keramischen Schicht 118, einer isolierenden Schicht 119 und einer isolierenden Schicht 120 erzeugt. Die isolierenden Schichten 113, 115, 117, 119 und 120 sind hauptsächlich aus Aluminiumoxid gebildet.
Der Elementkörper 31 weist eine zwischen der keramischen Schicht 114 und der keramischen Schicht 116 angeordnete erste Messkammer 121 auf. Innerhalb des Elementkörpers 31 wird das Abgas von dem Außenbereich durch einen Diffusionswiderstand 122, der zwischen der keramischen Schicht 114 und der keramischen Schicht 116 benachbart zu der ersten Messkammer 121 angeordnet ist, hindurch in den Innenbereich der ersten Messkammer 121 eingeführt. Der Diffusionswiderstand 122 ist aus einem offenporigen Material, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestellt.
Der Elementkörper 31 weist eine erste Pumpzelle 130 auf. Die erste Pumpzelle 130 weist eine Festelektrolyt-Schicht 131 und Pumpelektroden 132 und 133 auf.
Die Festelektrolyt-Schicht 131 wird hauptsächlich aus Zirkoniumoxid hergestellt, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Ein Teil der keramischen Schicht 114 innerhalb eines, mit der ersten Messkammer 121 in Kontakt befindlichen, Bereichs wird entfernt und der resultierende Raum wird mit der Festelektrolyt-Schicht 131, anstatt der keramischen Schicht 114, gefüllt.
Die Pumpelektroden 132 und 133 werden hauptsächlich aus Platin hergestellt. Die Pumpelektrode 132 ist auf einer Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 131 angeordnet, dessen Oberfläche in Kontakt mit der ersten Messkammer 121 ist. Die Pumpelektrode 133 ist auf einer Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 131 angeordnet, die sich auf die Festelektrolyt-Schicht 131 bezogene, gegenüber liegende Seite zu der Pumpelektrode 132 befindet. Die isolierende Schicht 113 wird in einem Bereich entfernt, in dem die Pumpelektrode 133 angeordnet ist und in einem Bereich um die Pumpelektrode 133 herum, und der resultierende Raum wird mit einem offenporigen Material 134, anstatt der Isolierschicht 113, gefüllt. Das offenporige Material 134 erlaubt die Migration von Gas (z.B. Sauerstoff) zwischen der Pumpelektrode 133 und dem Außenbereich.
Der Elementkörper 31 weist eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 auf. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 weist eine Festelektrolyt-Schicht 141, eine Detektionselektrode 142 und eine Referenzelektrode 143 auf.
Die Festelektrolyt-Schicht 141 wird hauptsächlich aus Zirkoniumoxid hergestellt, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Ein Teil der keramischen Schicht 116 in einem Bereich am hinteren Seitenabschnitt (die rechte Seite der 2) der Festelektrolyt-Schicht 131 wird entfernt, und der resultierende Raum wird mit der Festelektrolyt-Schicht 141, anstatt der Isolierschicht 116, gefüllt.
Die Detektionselektrode 142 und die Referenzelektrode 143 werden hauptsächlich aus Platin hergestellt. Die Detektionselektrode 142 ist auf einer Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 141 angeordnet, dessen Oberfläche in Kontakt mit der ersten Messkammer 121 ist. Die Referenzelektrode 143 ist auf einer Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 141 angeordnet, die sich auf die Festelektrolyt-Schicht 141 bezogene, gegenüber liegende Seite zu der Detektionselektrode 142 befindet.
Der Elementkörper 31 weist eine Sauerstoff-Referenzkammer 146 auf. Die Sauerstoff-Referenzkammer 146 entspricht einer Durchgangsöffnung, die gebildet wird durch Entfernen der Isolierschicht 117 in einem Bereich, in dem die Referenzelektrode 143 angeordnet ist und in einem Bereich um die Referenzelektrode 143 herum.
Der Elementkörper 31 weist eine zweite Messkammer 148 auf. Die zweite Messkammer 148 ist rückwärtig von der Detektionselektrode 142 und der Referenzelektrode 143 ausgebildet, um die Festelektrolyt-Schicht 141 und die Isolierschicht 117 zu durchlaufen. In dem Elementkörper 31 wird das in der ersten Messkammer 121 entladene Abgas in die zweite Messkammer 148 eingeführt.
Der Elementkörper 31 weist eine zweite Pumpzelle 150 auf. Die zweite Pumpzelle 150 weist eine Festelektrolyt-Schicht 151 und Pumpelektroden 152 und 153 auf.
Die Festelektrolyt-Schicht 151 wird hauptsächlich aus Zirkoniumoxid hergestellt, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist. Die keramische Schicht 118 wird in einem Bereich, bei dem ein Kontakt mit der Sauerstoff-Referenzkammer 146 und der zweiten Messkammer 148 vorhanden ist und in einem Bereich um diesen Bereich herum entfernt, und der resultierende Raum wird mit der Festelektrolyt-Schicht 151, anstatt der keramischen Schicht 118, gefüllt.
Die Pumpelektroden 152 und 153 werden hauptsächlich aus Platin hergestellt. Die Pumpelektrode 152 ist auf der Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 151 angeordnet, dessen Oberfläche mit der zweiten Messkammer 148 in Kontakt ist. Die Pumpelektrode 153 ist auf einer Oberfläche der Festelektrolyt-Schicht 151 angeordnet, die sich auf die Sauerstoff-Referenzkammer 146 bezogene, gegenüberliegende Seite zu der Referenzelektrode 143 befindet. Ein offenporiges Material 147 wird innerhalb der Sauerstoff-Referenzkammer 146 derart angeordnet, dass die Pumpelektrode 153 bedeckt ist.
Der Elementkörper 31 weist weiterhin ein Heizelement 160 auf. Das Heizelement 160 entspricht einem wärmeerzeugenden Widerstand, das hauptsächlich aus Platin hergestellt wird und im eingeschalteten Zustand Wärme erzeugt und zwischen den isolierenden Schichten 119 und 120 angeordnet ist.
Der Elementkörper 31 ist an die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 angeschlossen. Die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 steuert den Elementkörper 31 und berechnet die NOx Konzentration in dem Abgas basierend auf dem Detektionsresultat des Elementkörpers 31.
Die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 weist einen Regelkreis 180 und einen Microcomputer 190 auf.
Der Regelkreis 180 entspricht einer analogen Schaltung, die auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Der Regelkreis 180 weist eine Ip1 Treiberschaltung 181, eine Vs Detektionsschaltung 182, eine Referenzspannungsvergleichsschaltung 183, eine Icp Versorgungsschaltung 184, eine Rpvs Detektionsschaltung 185, eine Vp2 Applikationsschaltung 186, eine Ip2 Detektionsschaltung 187 und eine Heiztreiberschaltung 188 auf.
Die Pumpelektrode 132, die Detektionselektrode 142 und die Pumpelektrode 152 sind an ein Bezugspotential angeschlossen. Die Pumpelektrode 133 ist mit der Ip1 Treiberschaltung 181 verbunden. Die Referenzelektrode 143 ist mit der Vs Detektionsschaltung 182, der Icp Versorgungsschaltung 184 und der Rpvs Detektionsschaltung 185 verbunden. Die Pumpelektrode 153 ist mit der Vp2 Applikationsschaltung 186 und der Ip2 Detektionsschaltung 187 verbunden. Das Heizelement 160 ist mit der Heiztreiberschaltung 188 verbunden.
Die Ip1 Treiberschaltung 181 legt eine Spannung Vp1 zwischen der Pumpelektrode 132 und der Pumpelektrode 133 an um einen ersten Pumpstrom Ip1 bereitzustellen und detektiert den bereitgestellten ersten Pumpstrom Ip1.
Die Vs Detektionsschaltung 182 detektiert die Spannung Vs zwischen der Detektionselektrode 142 und der Referenzelektrode 143 und gibt das Detektionsresultat an die Referenzspannungsvergleichsschaltung 183 aus.
Die Referenzspannungsvergleichsschaltung 183 vergleicht eine Referenzspannung (z.B. 425 mV) mit der Ausgabe der Vs Detektionsschaltung 182 (d.h. der Spannung Vs) und gibt das Vergleichsergebnis an die Ip1 Treiberschaltung 181 aus. Die Ip1 Treiberschaltung 181 steuert die Richtung und die Größe des ersten Pumpstroms Ip1 derart, dass die Spannung Vs der Referenzspannung entspricht und passt die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 121 an eine vorherbestimmte Höhe an, bei dem keine Zersetzung des NOx erfolgt.
Die Icp Versorgungsschaltung 184 bewirkt, dass ein geringer Strom Icp zwischen der Detektionselektrode 142 und der Referenzelektrode 143 fließt. Sauerstoff wird dabei von der ersten Messkammer 121 in die Sauerstoff-Referenzkammer 146 mittels der Festelektrolyt-Schicht 141 derart zugeführt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoff-Referenzkammer 146 auf eine, als Referenz dienende, vorherbestimmte Sauerstoffkonzentration fixiert ist.
Die Rpvs Detektionsschaltung 185 stellt unverzüglich einen Strom Ir zwischen der Detektionselektrode 142 der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 und der Referenzelektrode 143 bereit und detektiert die, zwischen der Detektionselektrode 142 und der Referenzelektrode 143 bei bereitgestelltem Strom Ir erzeugte, Spannung Vr. Der Microcomputer 190 berechnet einen inneren Widerstand Rpvs der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 basierend auf dem Strom Ir und der Spannung Vr. Da der innere Widerstand Rpvs bekanntlich der Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 entspricht, kann die Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 mittels des inneren Widerstands Rpvs berechnet werden.
Die Vp2 Applikationsschaltung 186 legt eine konstante Spannung Vp2 (z.B. 450 mV) zwischen der Pumpelektrode 152 und der Pumpelektrode 153 an. Daraus resultierend dissoziiert in der zweiten Messkammer 148 NOx auf Grund der katalytischen Wirkung der Pumpelektroden 152 und 153 der zweiten Pumpzelle 150. Die durch die Dissoziation erhaltenen Sauerstoffionen migrieren zwischen der Pumpelektrode 152 und der Pumpelektrode 153 in die Festelektrolyt-Schicht 151, so dass ein zweiter Pumpstrom Ip2 fließt. Die Ip2 Detektionsschaltung 187 detektiert den zweiten Pumpstrom Ip2.
Die Heiztreiberschaltung 188 legt eine positive Spannung zur Heizelementversorgung an ein Ende des, einem wärmeerzeugenden Widerstandes entsprechende, Heizelement 160 an und legt eine negative Spannung zur Heizelementversorgung an das andere Ende des Heizelements 160 an um dadurch das Heizelement 160 anzutreiben.
Der Microcomputer 190 weist eine CPU 191, einen ROM 192, einen RAM 193 und einen Signal Eingangs/Ausgangs-Bereich 194 auf.
Die CPU 191 führt einen Prozess zum Steuern des NOx Sensor 1 gemäß einem, auf dem ROM 192 gespeicherten, Programm aus. Der Signal Eingangs/AusgangsBereich 194 ist mit der Ip1 Treiberschaltung 181, der Vs Detektionsschaltung 182, der Rpvs Detektionsschaltung 185, der Ip2 Detektionsschaltung 187 und der Heiztreiberschaltung 188 verbunden.
Die CPU 191 berechnet die im Abgas enthaltene NOx Konzentration und die Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 basierend auf den Eingangssignalen von den Schaltungen 181, 182, 185 und 187 durch den Signal Eingangs/Ausgangs-Bereich 194. Die CPU 191 gibt, mittels dem Signal Eingangs/Ausgangs-Bereich 194, ein Steuersignal an die Heiztreiberschaltung 188 aus, um das Heizelement 160 zu steuern.
Folgend wird ein Beispiel für den Betrieb des Gassensorelements 3 beschrieben.
Zuerst, nach Einschalten der Sensorsteuerungsvorrichtung 170, versorgt die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 das Heizelement 160 mit Strom. Das Heizelement 160 beheizt die erste Pumpzelle 130, die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 und die zweite Pumpzelle 150 auf eine Aktivierungstemperatur.
Wenn die Zellen 130, 140 und 150 auf die Aktivierungstemperatur aufgeheizt sind, bewirkt die Sensorsteuerungsvorrichtung 170, dass der erste Pumpstrom Ip1 zu der ersten Pumpzelle 130 fließt. Durch diesen Vorgang bewirkt die erste Pumpzelle 130 eine Migration von Sauerstoff zwischen der Pumpelektrode 132 und der Pumpelektrode 133 durch die Festelektrolyt-Schicht 131, wobei Sauerstoff von oder zu dem Abgas, welches in die erste Messkammer 121 geströmt ist, gepumpt wird.
Die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 steuert derart den zu der ersten Pumpzelle 130 fließenden ersten Pumpstrom Ip1, dass die Spannung Vs zwischen der Detektionselektrode 142 und der Referenzelektrode 143 der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 einer Referenzspannung entspricht (z.B. 425 mV). Die Spannung Vs der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 nimmt einen Wert proportional zu der Sauerstoffkonzentration in der Detektionselektrode 142 an, wobei die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoff-Referenzkammer 146 als Referenz dient. Als Resultat dieser Steuerung wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 121 auf einen Wert eingestellt bei dem keine Zersetzung von NOx auftritt.
Das Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration in der ersten Messkammer 121 eingestellt wurde, fließt weiter Richtung der zweiten Messkammer 148.
Die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 legt eine konstante Spannung Vp2 zwischen der Pumpelektrode 152 und der Pumpelektrode 153 der zweiten Pumpzelle 150 an. Diese Spannung ist auf einen Wert eingestellt bei dem im Abgas enthaltenes NOx Gas zu einem Sauerstoffgas und einem Stickstoffgas zersetzt wird. Dadurch resultierend wird im Abgas enthaltenes NOx zu Stickstoff und Sauerstoff zersetzt. Der zweite Pumpstrom Ip2 fließt derart zu der zweiten Pumpzelle 150, dass durch die Zersetzung von NOx in der zweiten Pumpzelle 150 entstandener Sauerstoff herausgepumpt wird. Da der zweite Pumpstrom Ip2 und die NOx Konzentration in einem proportionalen Verhältnis zueinander stehen, kann durch Detektieren des Wertes des zweiten Pumpstroms Ip2 die NOx Konzentration in dem Abgas ermittelt werden.
Durch Verwendung der mittels des inneren Widerstand Rpvs berechnete Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 steuert die Sensorsteuerungsvorrichtung 170 die Stromversorgung des Heizelements 160 mittels der Heiztreiberschaltung 188 derart, dass das Gassensorelement 3 eine Zieltemperatur annimmt.
Der derart-konfigurierte NOx Sensor 1 weist das Gassensorelement 3, das aus Metall hergestellte Körperelement 21 und die aus Metall hergestellte Schutzeinrichtung 5 auf. Das Gassensorelement 3 liegt in einer länglichen Form vor und detektiert im Abgas enthaltenes NOx. Das Körperelement 21 ist rohrförmig ausgebildet und erstreckt sich in axialer Richtung DA um das Gassensorelement 3 innerhalb dessen zu behausen. Die Schutzeinrichtung 5 weist die hierin ausgebildeten Gaseinbringungsöffnungen 5a auf um Durchlass des Abgases zu ermöglichen und ist an dem Körperelement 21 derart befestigt, dass ein vorderendseitiger Endabschnitt (FE) des Gassensorelements 3 bedeckt ist.
Der NOx Sensor 1 weist das sich in axialer Richtung DA erstreckende Befestigungselement 22 auf, das rohrförmig ausgebildet ist und derart angeordnet ist, dass der nicht-endlos ringförmige und sich in axialer Richtung DA erstreckende Raum 23 zwischen dem Befestigungselement 22 und dem Körperelement 21 ausgebildet wird. Das Befestigungselement 22 ist derart angeordnet, dass mindestens ein Abschnitt der äußeren, umlaufenden Oberfläche des Körperelements 21 bedeckt ist, während der Raum 23 zwischen dem Befestigungselement 22 und dem Körperelement 21 ausgebildet wird.
Das Gassensorelement 3 weist die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 auf, die eine sauerstoffionenleitfähige Festelektrolyt-Schicht 141 und die, auf der Festelektrolyt-Schicht 141 ausgebildeten, gepaarten Detektionselektrode 142 und Referenzelektrode 143 aufweist, und das Heizelement 160 um die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 auf eine vorherbestimmte Temperatur zu heizen. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 ist innerhalb des Raums 23 angeordnet.
Wie bereits erwähnt, wird in dem NOx Sensor 1 die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 in umschließender Weise durch einen Abschnitt (im Folgenden als „ersten Stapelabschnitt“ bezeichnet) bedeckt, bei dem das Befestigungselement 22, der Raum 23 und das aus Metall hergestellte Körperelement 21 entlang der radialen Richtung gestapelt sind.
Daher ist ein Kanal, durch den eine Umgebungstemperaturänderung des NOx Sensor 1 die Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 beeinflusst, ein Kanal, durch den Umgebungswärme des NOx Sensor 1 an die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 mittels dem vorhergenannten ersten Stapelabschnitt übertragen wird.
In dem ersten Stapelabschnitt wird der Raum 23 zwischen dem Befestigungselement 22 und dem Körperelement 21 gebildet. Daher befindet sich Gas zwischen dem Befestigungselement 22 und dem aus Metall hergestellten Körperelement 21. Gas hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Metall. Daher ist es in dem NOx Sensor 1 unwahrscheinlich, dass Umgebungswäre des NOx Sensor 1 mittels des ersten Stapelabschnitts an die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 übertragen wird, wodurch Temperaturveränderungen in der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 eingeschränkt werden können. Resultierend aus der Einschränkung einer Temperaturänderung der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140, sind Temperaturänderungen des Gassensorelements 3 eingeschränkt.
In dem NOx Sensor 1 weist das Gassensorelement 3 die erste Messkammer 121 und die erste Pumpzelle 130 auf, und die erste Pumpzelle 130 ist am vorderen Endabschnitt (FE) des Gassensorelements 3, bezogen auf die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140, angeordnet und ist innerhalb des Körperelements 21 angeordnet.
Das Abgas wird in die erste Messkammer 121 eingeführt. Die erste Pumpzelle 130 weist die sauerstoffionenleitfähige Festelektrolyt-Schicht 131 und ein Paar der auf der Festelektrolyt-Schicht 131 ausgebildeten Pumpelektroden 132 und 133 auf und pumpt Sauerstoff aus dem Abgas oder in das Abgas, das in die erste Messkammer 121 eingeführt wird, wenn ein erster Pumpstrom Ip1 zwischen einem Paar der Pumpelektroden 132 und 133 fließt. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 weist die Festelektrolyt-Schicht 141 und die der ersten Messkammer 121 zugewandt angeordnete Detektionselektrode 142 und die Referenzelektrode 143, die auf der Festelektrolyt-Schicht 141 ausgebildet sind auf und erzeugt eine elektromotorische Kraft, die proportional zu der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen Detektionselektrode 142 und Referenzelektrode 143 ist.
Wie bereits erwähnt, ist in dem NOx Sensor 1, da die erste Pumpzelle 130 innerhalb des Körperelements 21 angeordnet ist, die erste Pumpzelle 130 radial ummantelt von dem Körperelement 21. Dadurch resultierend kann in dem NOx Sensor 1 das Körperelement 21 Umgebungswärme des NOx Sensor 1 davon zurückhalten, die erste Pumpzelle 130 zu erreichen. Somit kann der NOx Sensor 1 eine Temperaturänderung des Gassensorelements 3 weiter einschränken.
Insbesondere, korrespondiert der NOx Sensor 1 zu dem Gassensor; das Gassensorelement 3 korrespondiert zu dem Detektionselement; das Körperelement 21 korrespondiert zu dem Behausungselement; und die Gaseinbringungsöffnung 5a korrespondiert zu der Gasdurchgangsöffnung.
Das Befestigungselement 22 korrespondiert zu dem raumbildenden Element; der Raum 23 korrespondiert zu dem nicht-endlos ringförmigen Raum; die Festelektrolyt-Schicht 141 korrespondiert zu dem Festelektrolytkörper; die Detektionselektrode 142 und die Referenzelektrode 143 korrespondieren zu einem Paar Elektroden; und die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 korrespondiert zu der Detektionszelle.
Das Abgas korrespondiert zu dem zu vermessenden Gas, und NOx korrespondiert zu dem bestimmten Gas.
Die erste Messkammer 121 korrespondiert zu der Messkammer; die Festelektrolyt-Schicht 131 korrespondiert zu dem ersten Festelektrolytkörper; die Pumpelektroden 132 und 133 korrespondieren zu den Pumpelektroden; die erste Pumpzelle 130 korrespondiert zu der Pumpzelle; und die Festelektrolyt-Schicht 141 korrespondiert zu dem zweiten Festelektrolytkörper.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Beschreibung der zweiten Ausführungsform diskutiert Merkmale, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden. Gemeinsame strukturmäßige Merkmale werden mit den gleichen Zahlensymbolen wie denen der ersten Ausführungsform gekennzeichnet.
Der NOx Sensor 1 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Anordnung des Metallgehäuses 2.
Genauer weist das Metallgehäuse 2, wie in 3 dargestellt, das Körperelement 21, das Befestigungselement 22 und ein raumbildendes Element 25 auf.
Das raumbildende Element 25 ist ein metallisches, rohrförmiges Element, das sich in axialer Richtung DA erstreckt. Das raumbildende Element 25 weist einen zylindrischen Abschnitt 25a und einen durchmesserexpandierenden Abschnitt 25b auf.
Der zylindrische Abschnitt 25a wird derart zu einer zylindrischen Form gebildet, dass dessen Durchmesser geringer als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 21a, gemessen an dem vorderen Endabschnitt (FE) des Stufenabschnitts 21b, ist.
Der durchmesserexpandierende Abschnitt 25b erstreckt sich von einem hinterendseitigen Endabschnitt (BE) des zylindrischen Abschnitts 25a derart, dass dessen Durchmesser in Richtung des hinteren Endabschnitts (BE) zunimmt. Der durchmesserexpandierende Abschnitt 25b wird so ausgebildet, dass der Durchmesser des Öffnungsabschnitts am hinteren Endabschnitt (BE) geringer als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 21a, gemessen am hinteren Endabschnitt des Stufenabschnitts 21b, ist.
Das raumbildende Element 25 wird innerhalb der Durchgangsöffnung 21a gehaltert in dem der durchmesserexpandierende Abschnitt 25b zwischen dem Stufenabschnitt 21b und der Keramikhalterung 41 gehaltert wird. Daraus resultierend ist der zylindrische Abschnitt 25a innerhalb der Durchgangsöffnung 21a am vorderen Endabschnitt (FE) des Stufenabschnitts 21b angeordnet. Ein sich in axialer Richtung DA erstreckende zylindrischer Raum 26 wird zwischen der äußeren, umlaufenden Oberfläche des zylindrische Abschnitt 25a und einer inneren, umlaufenden Oberfläche der Durchgangsöffnung 21a gebildet.
Die innerhalb des Detektionsabschnitts 31a bereitgestellte Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 ist innerhalb der Durchgangsöffnung 21a des Körperelements 21 angeordnet, innerhalb eines Bereichs Rs2 bei dem der Raum 26 entlang der axialen Richtung DA an dem vorderen Endabschnitt (FE) des Befestigungsabschnitts 4 vorhanden ist. Insbesondere, ist die Länge des zylindrischen Abschnitts 25a in radialer Richtung (d.h. der innere Durchmesser des zylindrischen Abschnitts) innerhalb des Bereichs Rs2 größer als die Länge des Gewindeabschnitts 22b in radialer Richtung (d.h. der Dicke des Gewindeabschnitts 22b) des Körperelements 21 innerhalb des Bereichs Rs2.
Der derart konfigurierte NOx Sensor 1 weist ein sich in axialer Richtung DA erstreckendes raumbildendes Element 25 auf, das in einer rohrförmigen Gestalt vorliegt und derart angeordnet ist, dass der sich in axialer Richtung DA erstreckende ringförmige Raum 26 zwischen dem raumbildenden Element 25 und dem Körperelement 21 ausgebildet wird.
Das raumbildende Element 25 ist innerhalb des Körperelements 21 derart angeordnet, dass mindestens ein Abschnitt der inneren, umlaufenden Oberfläche des Körperelements 21 bedeckt wird, während der Raum 26 zwischen dem raumbildenden Element 25 und dem Körperelement 21 ausgebildet wird.
Die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 ist derart angeordnet, dass der Raum 26 sich entlang einer geraden Linie (im Folgenden als „radiale gerade Linie“ bezeichnet) befindet, die die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 entlang einer Richtung (im Folgenden als „radiale Richtung“ bezeichnet) senkrecht zur axialen Richtung DA passiert.
Wie bereits erwähnt, ist in dem NOx Sensor 1 die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 in einer umkreisten Weise durch einen Bereich (im Folgenden als „zweiter Stapelabschnitt“ bezeichnet) abgedeckt, in dem das aus Metall hergestellte raumbildende Element 25, der Raum 26 und das aus Metall hergestellte Körperelement 21 entlang der radialen Richtung gestapelt sind.
Daher ist ein Kanal, durch den eine Umgebungstemperaturänderung des NOx Sensor 1 die Temperatur der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 beeinflusst, ein Kanal durch den Umgebungswärme des NOx Sensor 1 an die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 mittels dem vorhergenannten zweiten Stapelabschnitt übertragen wird.
In dem zweiten Stapelabschnitt wird der Raum 26 zwischen dem raumbildenden Element 25 und dem Körperelement 21 gebildet. Daher befindet sich Gas zwischen dem raumbildenden Element 25 und dem aus Metall hergestellten Körperelement 21. Gas hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Metall. Daher ist es, in dem NOx Sensor 1, unwahrscheinlich, dass Umgebungswäre des NOx Sensor 1 mittels des zweiten Stapelabschnitts an die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 übertragen wird, wodurch Temperaturveränderungen in der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 eingeschränkt werden können. Insbesondere, korrespondiert der Raum 26 zu dem ringförmigen Raum.
Obwohl die vorliegende Offenbarung in Bezug auf die vorgehende Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, sondern kann in verschiedenen Abwandlungen ausgeführt werden.
Zum Beispiel, in der vorstehenden Ausführungsform ist der Raum 23, der zwischen der inneren umlaufenden Oberfläche des Befestigungselements 22 und der äußeren, umlaufenden Oberfläche des Körperelements 21 ausgebildet wird, ein nicht-endlos ringförmiger Raum; jedoch könnte der Raum 23 auch ein ringförmiger Raum sein.
Die vorstehende Ausführungsform ist bezugnehmend auf den NOx Sensor zum Detektieren der NOx Konzentration in Abgasen als ein Gassensor zum Detektieren der Konzentration eines bestimmten Gases, das in einem zu vermessenden Gas enthalten ist, beschrieben worden; jedoch ist der Gassensor der vorliegenden Offenbarung nicht auf den NOx Sensor beschränkt. Der Gassensor der vorliegenden Offenbarung könnte ein Gassensor sein, der eine Zelle aufweist, die mit einem Detektionsstrom, zum Detektieren eines inneren Widerstands, versorgt wird. Beispiele eines solchen Gassensors umfassen Vollbereichs-Luft-Kraftstoff-Verhältnissensoren.
In der vorstehenden Ausführungsform wird ein Strom bereitgestellt zwischen der Detektionselektrode und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle zur Ermittlung des inneren Widerstands Rpvs der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle; jedoch, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel, könnte eine Spannung angelegt werde und der innere Widerstand könnte ermittelt werden durch einen Strom der, resultierend aus dem Anlegen der Spannung, erzeugt wird. Falls eine physikalische Größe im Zusammenhang mit dem inneren Widerstand Rpvs des Detektionselements zugänglich ist, könnte das Heizelement, basierend auf der physikalischen Größe anstatt dem inneren Widerstand des Detektionselements, angetrieben werden.
Die vorstehenden Ausführungsformen sind in Bezug auf die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140, die innerhalb des Bereichs Rs1 oder des Bereichs Rs2 angeordnet sind, beschrieben worden. Um die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 innerhalb des Bereichs Rs1 oder des Bereichs Rs2 anzuordnen, könnte die Anordnung des Gassensorelements 3 innerhalb des Körperelements 21 verändert werden oder die Anordnung der Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle 140 innerhalb des Gassensorelements 3 könnte verändert werden ohne die Anordnung des Gassensorelements 3 zu verändern.
Die Funktion einer Komponente in den vorstehenden Ausführungsformen könnte auf eine Vielzahl von Komponenten verteilt werden oder die Funktion einer Vielzahl von Komponenten könnte von einer Komponente umgesetzt werden. Ein Teil der Anordnungen könnte ausgelassen werden. Mindestens ein Teil der Komponenten von jeder der vorstehenden Ausführungsformen könnte einer anderen Ausführungsform zugefügt werden oder teilweise die Anordnungen einer anderen Ausführungsform ersetzen. Alle Formen, die in der technischen Idee, spezifiziert durch den Wortlaut der Ansprüche, enthalten sind, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Bezugszeichenliste
1: NOx Sensor; 2: Metallgehäuse; 3: Gassensorelement; 5: Schutzeinrichtung; 5a: Gaseinbringungsöffnung; 21: Körperelement; 22: Befestigungselement; 23, 26: Raum; 25: raumbildendes Element; 140: Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle; 141: Festelektrolyt-Schicht; 142: Detektionselektrode; 143: Referenzelektrode; und 160: Heizelement.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201218050 [0004]

Claims

Gassensor, aufweisend: - ein Detektionselement, das in einer länglichen Gestalt vorliegt und ein in einem zu vermessenden Gas enthaltenes bestimmtes Gas detektiert; - ein aus Metall hergestelltes Behausungselement, das in einer sich in axialer Richtung DA erstreckenden rohrförmigen Gestalt vorliegt, zum Behausen des Detektionselement innerhalb dessen; und - eine aus Metall hergestellte Schutzeinrichtung, die eine für das zu vermessende Gas Durchgang-gewährende Gasdurchgangsöffnung aufweist, und die derart an dem Behausungselement befestigt ist, dass ein vordere Endabschnitt des Detektionselements abgedeckt ist, - wobei der Gassensor weiterhin ein raumbildendes Element aufweist, das rohrförmig in einer sich in axialer Richtung erstreckenden Form ausgebildet ist und derart angeordnet ist, dass ein ringförmiger oder nicht-endlos ringförmiger Raum, der sich in axialer Richtung erstreckt, zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement erzeugt wird, - wobei das Detektionselement weiterhin aufweist: - eine Detektionszelle mit einem sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytkörper und einem auf dem Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar Elektroden, und - ein Heizelement zum Aufheizen der Detektionszelle auf eine vorherbestimmte Temperatur, und - wobei die Detektionszelle innerhalb des Raums angeordnet ist.
Ein Gassensor nach Anspruch 1, wobei das raumbildende Element derart angeordnet ist, dass mindestens ein Abschnitt einer äußeren, umlaufenden Oberfläche des Behausungselements abgedeckt wird, während der Raum zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement gebildet wird.
Ein Gassensor nach Anspruch 1, wobei das raumbildende Element innerhalb des Behausungselements derart angeordnet ist, dass mindestens ein Abschnitt einer inneren, umlaufenden Oberfläche des Behausungselements abgedeckt wird, während der Raum zwischen dem raumbildenden Element und dem Behausungselement gebildet wird.
Ein Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Detektionselement aufweist: - eine Messkammer, in die das zu vermessende Gas eingeführt wird; - eine Pumpzelle mit einem sauerstoffionenleitfähigen ersten Festelektrolytkörper und einem auf dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar Pumpelektroden, die Sauerstoff aus dem zu vermessenden Gas oder in das zu vermessende Gas, das in die Messkammer eingeführt wird, pumpt wenn ein Pumpstrom zwischen dem Paar Pumpelektroden fließt; und - eine Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle mit einem sauerstoffionenleitfähigen zweiten Festelektrolytkörper und einer Detektionselektrode und einer Referenzelektrode, die auf dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildet sind, wobei die Detektionselektrode derart angeordnet ist, dass sie der Messkammer zugewandt ist und eine elektromotorische Kraft erzeugt, die proportional zu der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen Detektionselektrode und Referenzelektrode ist, - wobei die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle der Detektionszelle entspricht, und - wobei die Pumpzelle an einer vorderen Endseite des Detektionselements, bezogen auf die Sauerstoffkonzentrations-Detektionszelle, und innerhalb des Behausungselements, angeordnet ist.