DE102020005125A1

DE102020005125A1 - Gassensor und gassensor-betriebssteuerverfahren

Info

Publication number: DE102020005125A1
Application number: DE102020005125.1A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Takayuki Sekiya; Daichi Ichikawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: US20230083340A1; US20210063369A1; US11531014B2; DE102020005125B4

Abstract

Eine Steuereinrichtung des Gassensors kann eine Diagnoseverarbeitung des Prüfens einer Steuersituation des Gassensors in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Gassensor in einem Betriebszustand eine vorgegebene Diagnosebedingung erfüllt und eine Einstellverarbeitung des Einstellens einer Bedingung zum Steuern des Gassensors gemäß eines Diagnoseergebnisses durchführen. In der Diagnoseverarbeitung werden eine Hauptpumpspannung und eine Diagnoseschwelle als ein Wert einer Spannung, der keine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht, verglichen. In der Einstellverarbeitung bewirkt die Durchführung der Temperatureinstellverarbeitung in einem Fall, bei dem festgestellt wird, dass die Hauptpumpspannung gleich der Schwelle oder mehr ist, dass die Hauptpumpspannung kleiner als die Schwelle ist, und zwar mindestens in einer Weise, bei welcher der Heizeinrichtungsteil die Elementbetriebstemperatur in dem Betriebszustand um ein vorgegebenes Erhöhungsausmaß erhöht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestimmung der Konzentration von Stickstoffoxiden (NOx) und insbesondere eine Betriebssteuerung zum Sicherstellen der Messgenauigkeit in einem Bereich einer hohen NOx-Konzentration.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Gassensor des Grenzstromtyps (NOx-Sensor), der ein Sensorelement umfasst, das einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten als eine Hauptkomponente enthält, ist bereits bekannt (vgl. z.B. das japanische Patent Nr. 3050781 ). Bei der Bestimmung einer NOx-Konzentration unter Verwendung eines solchen Gassensors wird zuerst ein Messgas in einen Raum (einen Innenraum) innerhalb des Sensorelements bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand eingeführt, und Sauerstoff in dem Messgas wird durch eine zweistufige elektrochemische Pumpzelle, die z.B. als eine Hauptpumpzelle und eine Hilfspumpzelle bezeichnet wird (eine erste elektrochemische Pumpzelle und eine zweite elektrochemische Pumpzelle in dem japanischen Patent Nr. 3050781 ), hinausgepumpt, so dass eine Sauerstoffkonzentration des Messgases im Vorhinein ausreichend vermindert wird. NOx in dem Messgas wird dann durch eine Messelektrode (dritte innere Pumpelektrode in dem japanischen Patent Nr. 3050781 ), die als Reduktionskatalysator wirkt, reduziert oder zersetzt, und so erzeugter Sauerstoff wird durch eine elektrochemische Pumpzelle (eine dritte elektrochemische Pumpzelle in dem japanischen Patent Nr. 3050781 ), die von der vorstehend genannten elektrochemischen Pumpzelle verschieden ist, welche die Messelektrode umfasst und beispielsweise als Messpumpzelle bezeichnet wird, hinausgepumpt. Die NOx-Konzentration wird unter Verwendung einer konstanten funktionellen Beziehung zwischen einem Strom (NOx-Strom), der durch die Messpumpzelle fließt, und der NOx-Konzentration bestimmt.
Bei dem Gassensor (NOx-Sensor) ist die Verwendung von Pt, dem Au zugesetzt worden ist (einer Au-Pt-Legierung), als Metallkomponente einer inneren Pumpelektrode, die sich in dem Innenraum befindet und die Hauptpumpzelle bildet, zum Unterdrücken einer Zersetzung von NOx, die verursacht wird, wenn die Hauptpumpzelle Sauerstoff aus dem Innenraum hinauspumpt, und zur Erhöhung der NOx-Erfassungsgenauigkeit bereits bekannt (vgl. beispielsweise die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014-190940 und die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014-209128).
In einem vorstehend beschriebenen Gassensor wird die NOx-Konzentration auf der Basis der Menge von Sauerstoff bestimmt, die durch eine Reduktion von NOx in dem Messgas, das die Messelektrode erreicht hat, erzeugt wird, die durch eine katalytische Wirkung der Messelektrode verursacht wird. In diesem Fall wird Sauerstoff in dem Messgas durch die elektrochemische Pumpzelle hinausgepumpt, bevor das Messgas die Messelektrode erreicht, und das Hinauspumpen von Sauerstoff wird durchgeführt, um den Sauerstoffpartialdruck (die Sauerstoffkonzentration) des Messgases auf ein Ausmaß ausreichend zu vermindern, das keine Zersetzung von NOx verursacht. Wenn NOx vor dem Erreichen der Messelektrode zersetzt wird, wird die Menge von NOx, das die Messelektrode erreicht, vermindert, was es schwierig macht, dessen Konzentration genau zu bestimmen.
In einem Fall, bei dem das Messgas, das in den Innenraum eingeführt wird, eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, könnte jedoch NOx zersetzt werden, wenn Sauerstoff hinausgepumpt wird. Diesbezüglich wurde in intensiven Untersuchungen, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden sind, gefunden, dass in einem Gassensor, bei dem die Impedanz der Hauptpumpzelle aufgrund eines Abbaus bzw. einer Verschlechterung der Hauptpumpelektrode und einer Heizeinrichtung zunimmt, eine Pumpspannung, die an die Hauptpumpzelle angelegt wird, zu einer Zunahme neigt, und es als Ergebnis wahrscheinlich ist, dass eine Zersetzung von NOx verursacht wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zum Bestimmen der Konzentration von Stickstoffoxiden (NOx) und betrifft insbesondere eine Betriebssteuerung zum Sicherstellen der Messgenauigkeit in einem Bereich einer hohen NOx-Konzentration.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gassensor des Grenzstromtyps, der die Konzentration von NOx in einem Messgas misst: ein Sensorelement mit einem Basisteil, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist, und umfassend: einen Gaseinlass, durch den das Messgas von einem Außenraum eingeführt wird; einen ersten Innenraum, der bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand mit dem Gaseinlass in Verbindung steht; eine Hauptpumpzelle als eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode, die so angeordnet ist, dass sie auf den ersten Innenraum gerichtet ist, eine Pumpelektrode außerhalb des Raums, die so angeordnet ist, dass sie auf einen Raum, der von dem ersten Innenraum verschieden ist, gerichtet ist, und den Festelektrolyten, der zwischen der inneren Pumpelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Messelektrode, die sich innerhalb des Sensorelements befindet, wobei sich mindestens ein Diffusionseinstellteil zwischen der Messelektrode und dem ersten Innenraum befindet; eine Messpumpzelle als elektrochemische Pumpzelle, welche die Messelektrode, die Pumpelektrode außerhalb des Raums und den Festelektrolyten, der zwischen der Messelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Sensorelements angeordnet ist und mit einem Referenzgas in Kontakt sein kann; und einen Heizeinrichtungsteil, der in dem Sensorelement eingebettet ist und das Sensorelement erwärmt; und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des Gassensors steuert, und umfasst: ein Bestimmungselement, das zum Durchführen einer Bedingungsbestimmungsverarbeitung des Bestimmens, ob der Gassensor eine vorgegebene Diagnosebedingung erfüllt, wenn sich der Gassensor in einem Betriebszustand befindet, der eine NOx-Konzentration messen kann, ausgebildet ist; ein Diagnoseelement, das zum Durchführen einer Diagnoseverarbeitung des Prüfens einer Steuersituation mit dem Gassensor in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Gassensor die Diagnosebedingung erfüllt, ausgebildet ist; und ein Einstellelement, das zum Durchführen einer Einstellverarbeitung des Einstellens einer Bedingung, bei welcher der Gassensor gesteuert wird, gemäß eines Diagnoseergebnisses bei der Diagnoseverarbeitung ausgebildet ist, wobei der Gassensor mindestens dann in den Betriebszustand gebracht wird, bei dem die NOx-Konzentration gemessen werden kann, wenn: der Heizeinrichtungsteil das Sensorelement auf eine vorgegebene Elementbetriebstemperatur erwärmt; eine Hauptpumpspannung derart an die Hauptpumpzelle angelegt wird, dass eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum konstant ist; und eine Messpumpspannung derart an die Messpumpzelle angelegt wird, dass Sauerstoff, der durch die Zersetzung von NOx in der Messelektrode erzeugt wird, hinausgepumpt wird, bei der Diagnoseverarbeitung das Diagnoseelement die Hauptpumpspannung und eine Diagnoseschwelle vergleicht, die im Vorhinein als ein Wert einer Spannung, der keine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht, eingestellt worden ist, das Einstellelement ein Temperatureinstellelement umfasst, das eine Temperatureinstellverarbeitung als die Einstellverarbeitung durchführt, und die Temperatureinstellverarbeitung eine Verarbeitung ist, die in einem Fall, bei dem festgestellt wird, dass die Hauptpumpspannung in der Diagnoseverarbeitung gleich der Diagnoseschwelle oder mehr ist, bewirken soll, dass die Hauptpumpspannung kleiner als die Diagnoseschwelle ist, und zwar mindestens in einer Weise, dass der Heizeinrichtungsteil die Elementbetriebstemperatur in dem Betriebszustand um ein vorgegebenes Erhöhungsausmaß erhöht.
Demgemäß wird eine Betriebssteuerung des Sensorelements in dem Gassensor, die in einer ungeeigneten Situation durchgeführt wird, in der die Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht wird, in einer geeigneten Weise unterdrückt. Selbst in einem Gassensor, in dem aufgrund eines Abbaus bzw. einer Verschlechterung im Zeitverlauf die Hauptpumpspannung in einem Fall zunimmt, bei dem das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist und folglich eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht werden könnte, kann NOx genau gemessen werden, während eine Zersetzung unterdrückt werden kann.
Die Steuereinrichtung umfasst vorzugsweise ferner ein Konzentrationsberechnungselement, das zum Erhalten eines Werts der Konzentration von NOx in dem Messgas auf der Basis einer Größe eines Stroms, der durch die Messpumpzelle fließt, ausgebildet ist, und das Konzentrationsberechnungselement korrigiert den Wert der Konzentration von NOx, der durch das Konzentrationsberechnungselement erhalten wird, auf der Basis von mindestens einem der Elementbetriebstemperatur nach der Zunahme in der Temperatureinstellverarbeitung und des Hilfspumpstroms nach der Zunahme in der Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung.
In diesem Fall wird eine Verminderung der NOx-Messgenauigkeit aufgrund eines Unterdrückens einer Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle in einer geeigneten Weise unterdrückt.
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, der NOx selbst in einem Fall genau messen kann, bei dem ein Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Gassensors 100, einschließlich eine vertikale Schnittansicht entlang einer Längsrichtung eines Sensorelements 101;
2 zeigt einen funktionellen Aufbau einer Steuereinrichtung 110;
3 zeigt ein Beispiel einer funktionellen Beziehung zwischen einer NOx-Konzentration und einem NOx-Strom Ip2, die Empfindlichkeitseigenschaften zeigt;
4 ist eine Auftragung von NOx-Strömen Ip2, die durch eine Modellgasmessung unter Verwendung von zwei Gassensoren 100 in verschiedenen Zuständen erhalten worden sind, gegen Sauerstoffkonzentrationen von Modellgasen;
5 zeigt eine Korrelation zwischen einem Bestimmtheitskoeffizienten R² und einer Hauptpumpspannung Vp0, die in einem Fall angelegt wird, bei dem ein Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration in einer Hauptpumpzelle 21 aufweist;
6 zeigt einen Ablauf einer Steuersituation-Diagnoseverarbeitung, die in dem Gassensor 100 durchgeführt wird;
7 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Hilfspumpstrom Ip1 und der Hauptpumpspannung Vp0;
8 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Heizeinrichtungstemperatur und einem tatsächlichen Wert eines Offset-Stroms;
9 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen einem Steuerstrom und dem tatsächlichen Wert des Offset-Stroms;
10 zeigt einen Ablauf der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in dem Gassensor 100 zusammen mit nachfolgenden Verfahren; und
11A bis 11C sind Auftragungen von NOx-Strömen Ip2, die durch eine Modellgasmessung unter Verwendung eines neuen Sensors, eines abgebauten bzw. verschlechterten Sensors und der Beispiele 1 bis 3 erhalten worden sind, gegen die Sauerstoffkonzentrationen der Modellgase.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Erste Ausführungsform>
<Allgemeiner Aufbau eines Gassensors>
Zuerst wird ein allgemeiner Aufbau eines Gassensors 100, der ein Sensorelement 101 umfasst, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gassensor 100 ein NOx-Sensor des Grenzstromtyps zum Erfassen von NOx und zum Messen von dessen Konzentration unter Verwendung des Sensorelements 101. Der Gassensor 100 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 110 zum Steuern des Betriebs von jedem Teil und zum Ermitteln der NOx-Konzentration auf der Basis eines NOx-Stroms, der durch das Sensorelement 101 fließt.
Die 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Aufbaus des Gassensors 100, einschließlich eine vertikale Schnittansicht entlang einer Längsrichtung des Sensorelements 101.
Das Sensorelement 101 ist ein planares (längliches planares) Element mit einer Struktur, in der sechs Festelektrolytschichten, nämlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) (z.B. Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ)) als Sauerstoffionenleitender Festelektrolyt hergestellt sind, in der angegebenen Reihenfolge von der Unterseite von 1 laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Eine Oberfläche auf einer Oberseite und eine Oberfläche auf einer Unterseite von jeder dieser sechs Schichten in der 1 werden nachstehend auch einfach als eine obere Oberfläche bzw. eine untere Oberfläche bezeichnet. Ein Teil des Sensorelements 101, der aus dem Festelektrolyten als Ganzes hergestellt ist, wird generisch als Basisteil bezeichnet.
Das Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Durchführen einer vorgegebenen Verarbeitung, Drucken von Schaltkreisstrukturen und dergleichen auf Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, dann Laminieren derselben und ferner Brennen derselben zur Integration hergestellt.
Zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in einem vorderen Endabschnitt des Sensorelements 101 sind ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusionseinstellteil 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionseinstellteil 13, ein erster Innenraum 20, ein dritter Diffusionseinstellteil 30 und ein zweiter Innenraum 40 aneinander angrenzend ausgebildet, so dass sie in der angegebenen Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen.
Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20 und der zweite Innenraum 40 sind Räume innerhalb des Sensorelements 101 und sehen so aus, als ob sie durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt worden wären, und weisen einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt und einen Seitenabschnitt auf, die jeweils durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt sind.
Der erste Diffusionseinstellteil 11, der zweite Diffusionseinstellteil 13 und der dritte Diffusionseinstellteil 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze bereitgestellt (deren Öffnungen Längsrichtungen senkrecht zu dem Blatt von 1 aufweisen). Ein Teil, der sich von dem Gaseinlass 10 zu dem zweiten Innenraum 40 erstreckt, wird auch als Gasverteilungsteil bezeichnet.
An einer Stelle, die von dem vorderen Ende weiter entfernt ist als der Gasverteilungsteil, ist ein Referenzgaseinführungsraum 43 mit einem Seitenabschnitt, der durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt. Beispielsweise wird Luft in den Referenzgaseinführungsraum 43 als Referenzgas eingeführt, wenn die NOx-Konzentration gemessen wird.
Eine Lufteinführungsschicht 48 ist eine Schicht, die aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist, und das Referenzgas wird in die Lufteinführungsschicht 48 durch den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeführt. Die Lufteinführungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, und die Lufteinführungsschicht 48, die zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 führt, ist um die Referenzelektrode 42 bereitgestellt, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Wie es nachstehend beschrieben ist, kann die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenraum 20 und dem zweiten Innenraum 40 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 gemessen werden.
In dem Gasverteilungsteil ist der Gaseinlass 10 ein Teil, der zu einem Außenraum geöffnet ist, und ein Messgas wird durch den Gaseinlass 10 von dem Außenraum in das Sensorelement 101 eingeführt.
Der erste Diffusionseinstellteil 11 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das durch den Gaseinlass 10 aufgenommen wird.
Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgases, das von dem ersten Diffusionseinstellteil 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionseinstellteil 13 ausgebildet ist.
Der zweite Diffusionseinstellteil 13 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten Innenraum 20 eingeführt wird.
Beim Einführen des Messgases von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten Innenraum 20 wird das Messgas, das durch den Gaseinlass 10 aufgrund von Druckschwankungen (eines Pulsierens des Abgasdrucks in einem Fall, bei dem das Messgas ein Abgas eines Fahrzeugs ist) des Messgases in dem Außenraum abrupt in das Sensorelement 101 aufgenommen worden ist, nicht direkt in den ersten Innenraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten Innenraum 20 eingeführt, nachdem Konzentrationsschwankungen des Messgases durch den ersten Diffusionseinstellteil 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellteil 13 beseitigt worden sind. Dies macht die Konzentrationsschwankungen des Messgases, das in den ersten Innenraum 20 eingeführt worden ist, nahezu vernachlässigbar.
Der erste Innenraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks des Messgases bereitgestellt, das durch den zweiten Diffusionseinstellteil 13 eingeführt worden ist. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch Betreiben einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22, eine äußere (außerhalb des Raums) Pumpelektrode 23 und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, umfasst. Die innere Pumpelektrode 22 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 22a auf, der auf im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche eines Abschnitts der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten Innenraum 20 gerichtet ist, und die äußere Pumpelektrode 23 ist in einem Bereich auf einer oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 (einer Hauptoberfläche des Sensorelements 101), der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a entspricht, der dem Außenraum ausgesetzt werden soll, bereitgestellt.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten Innenraum 20 festlegen. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche für den ersten Innenraum 20 bereitstellt, und ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche für den ersten Innenraum 20 bereitstellt. Der obere Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b sind durch einen leitenden Abschnitt (nicht gezeigt) verbunden, der auf einer Seitenwandoberfläche (einer Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt ist, die gegenüberliegende Wandabschnitte des ersten Innenraums 20 bildet.
Der obere Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b sind so bereitgestellt, dass sie in der Draufsicht rechteckig sind. Es kann nur der obere Elektrodenabschnitt 22a oder nur der untere Elektrodenabschnitt 22b bereitgestellt sein.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als eine poröse Cermetelektrode ausgebildet. Insbesondere wird die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgas in Kontakt sein soll, unter Verwendung eines Materials ausgebildet, das ein abgeschwächtes Reduktionsvermögen in Bezug auf eine NOx-Komponente in dem Messgas aufweist. Die innere Pumpelektrode 22 ist beispielsweise als Cermetelektrode aus einer Au-Pt-Legierung, die etwa 0,6 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Au und ZrO₂ derart enthält, dass sie eine Porosität von 5 % bis 40 % aufweist, und die eine Dicke von 5 µm to 20 µm aufweist, ausgebildet. Die Au-Pt-Legierung und ZrO₂ müssen lediglich ein Gewichtsverhältnis Pt:ZrO₂ von etwa 7,0:3,0 bis 5,0:5,0 aufweisen.
Andererseits ist die äußere Pumpelektrode 23 beispielsweise als Cermetelektrode von Pt oder einer Legierung davon und ZrO₂ derart ausgebildet, dass sie in der Draufsicht rechteckig ist.
Die Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff in dem ersten Innenraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in dem Außenraum zu dem ersten Innenraum 20 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen, von einer variablen Stromversorgung 24, einer gewünschten Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23, so dass ein Hauptpumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in einer positiven oder negativen Richtung fließen kann. Die Pumpspannung Vp0, die zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch die Hauptpumpzelle 21 angelegt wird, wird auch als Hauptpumpspannung Vp0 bezeichnet.
Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in einer Atmosphäre in dem ersten Innenraum 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine Hauptsensorzelle 80 als eine elektrochemische Sensorzelle.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenraum 20 kann durch Messen der elektromotorischen Kraft V0 in der Hauptsensorzelle 80 ermittelt werden.
Ferner führt die Steuereinrichtung 110 eine Regelung der Hauptpumpspannung Vp0 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant ist, wodurch der Hauptpumpstrom Ip0 gesteuert bzw. eingestellt wird. Die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum 20 wird dadurch so aufrechterhalten, dass sie einen vorgegebenen konstanten Wert aufweist.
Der dritte Diffusionseinstellteil 30 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das eine Sauerstoffkonzentration (einen Sauerstoffpartialdruck) aufweist, der durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten Innenraum 20 eingestellt wird, und das Messgas zu dem zweiten Innenraum 40 leitet.
Der zweite Innenraum 40 ist als Raum zur Durchführung einer Verarbeitung betreffend die Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration des Messgases ausgebildet, das durch den dritten Diffusionseinstellteil 30 eingeführt worden ist. Die NOx-Konzentration wird vorwiegend in dem zweiten Innenraum 40, in dem die Sauerstoffkonzentration durch eine Hilfspumpzelle 50 eingestellt worden ist, ferner durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 gemessen.
Nachdem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenraum 20 im Vorhinein eingestellt worden ist, stellt die Hilfspumpzelle 50 den Sauerstoffpartialdruck des Messgases, das durch den dritten Diffusionseinstellteil 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeführt worden ist, weiter ein. Die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum 40 kann dadurch mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und folglich kann die NOx-Konzentration in dem Gassensor 100 mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51, die äußere Pumpelektrode 23 (nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt und es muss sich lediglich um irgendeine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 handeln) und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst. Die Hilfspumpelektrode 51 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 51a auf, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche eines Abschnitts der zweiten Festelektrolytschicht 6, die auf den zweiten Innenraum 40 gerichtet ist, bereitgestellt ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten Innenraum 40 in einer ähnlichen Form wie die innere Pumpelektrode 22 bereitgestellt, die in dem vorstehend beschriebenen ersten Innenraum 20 bereitgestellt ist. D.h., der obere Elektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche für den zweiten Innenraum 40 bereitstellt, und ein unterer Elektrodenabschnitt 51b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche für den zweiten Innenraum 40 bereitstellt. Der obere Elektrodenabschnitt 51a und der untere Elektrodenabschnitt 51b sind in der Draufsicht rechteckig und sind mit einem leitenden Abschnitt (nicht gezeigt), der auf der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt ist, die gegenüberliegende Seitenwandabschnitte des zweiten Innenraums 40 bildet, verbunden.
Wie bei der inneren Pumpelektrode 22 wird die Hilfspumpelektrode 51 unter Verwendung eines Materials mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgas ausgebildet.
Die Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff in einer Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in dem Außenraum zu dem zweiten Innenraum 40 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 mit der Steuerung, die durch die Steuereinrichtung 110 durchgeführt wird.
Zur Steuerung bzw. Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine Hilfssensorzelle 81 als elektrochemische Sensorzelle.
Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen unter Verwendung einer variablen Stromversorgung 52 durch, deren Spannung auf der Basis der elektromotorischen Kraft V1 erfasst wird, die in der Hilfssensorzelle 81 gemäß dem Sauerstoffpartialdruck in dem zweiten Innenraum 40 erfasst wird. Der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 wird dadurch auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist.
Gleichzeitig wird ein resultierender Hilfspumpstrom Ip1 zum Steuern bzw. Einstellen der elektromotorischen Kraft in der Hauptsensorzelle 80 verwendet. Insbesondere wird der Hilfspumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Hauptsensorzelle 80 eingespeist und durch die Steuerung der elektromotorischen Kraft V0 darin wird der Sauerstoffpartialdruck des Messgases, das durch den dritten Diffusionseinstellteil 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeführt worden ist, so gesteuert, dass er einen Gradienten aufweist, der stets konstant ist. Bei der Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum 40 so aufrechterhalten, dass sie durch die Wirkung der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 einen konstanten Wert von etwa 0,001 ppm aufweist.
Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration des Messgases in dem zweiten Innenraum 40. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die Messelektrode 44 ist so auf einer oberen Oberfläche eines Abschnitts der ersten Festelektrolytschicht 4, die auf den zweiten Innenraum 40 gerichtet ist, bereitgestellt, dass sie von dem dritten Diffusionseinstellteil 30 getrennt ist.
Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 44 ist beispielsweise als eine Cermetelektrode aus Pt oder einer Legierung davon und ZrO₂ ausgebildet. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 vorliegt. Ferner ist die Messelektrode 44 mit einem vierten Diffusionseinstellteil 45 bedeckt.
Der vierte Diffusionseinstellteil 45 ist ein Film, der aus einem porösen Körper ausgebildet ist, der Aluminiumoxid (Al₂O₃) als eine Hauptkomponente enthält. Der vierte Diffusionseinstellteil 45 spielt eine Rolle bei der Begrenzung der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt, und wirkt auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44.
Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von NOx in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, hinauspumpen, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 mit der Steuerung, die durch die Steuereinrichtung 110 durchgeführt wird, erfassen.
Zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 44 bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine Messsensorzelle 82 als eine elektrochemische Sensorzelle. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V2 gesteuert, die in der Messsensorzelle 82 gemäß dem Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 erfasst wird.
Das Messgas, das in den zweiten Innenraum 40 eingeführt wird, soll die Messelektrode 44 durch den vierten Diffusionseinstellteil 45 in einer Situation erreichen, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. NOx in dem Messgas um die Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N₂ + O₂), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpzelle 41 gepumpt werden und dabei wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2, die in der Messsensorzelle 82 erfasst wird, konstant ist. Die Menge an Sauerstoff, die um die Messelektrode 44 erzeugt wird, ist proportional zu der NOx-Konzentration des Messgases, und folglich ist die NOx-Konzentration des Messgases unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 zu berechnen. Der Pumpstrom Ip2 wird nachstehend auch als NOx-Strom Ip2 bezeichnet.
Wenn die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, so dass eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungseinrichtung als elektrochemische Sensorzelle gebildet wird, kann eine elektromotorische Kraft gemäß einer Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, die durch Reduktion einer NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt worden ist, und der Menge an Sauerstoff, die in Referenzluft enthalten ist, erfasst werden, und die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgas kann dadurch bestimmt werden.
Die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 bilden eine elektrochemische Sensorzelle 83, und der Sauerstoffpartialdruck des Messgases außerhalb des Sensors kann unter Verwendung der elektromotorischen Kraft Vref erfasst werden, die durch die Sensorzelle 83 erhalten worden ist.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner einen Heizeinrichtungsteil 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung durch Erwärmen des Sensorelements 101 und beim Aufrechterhalten von dessen Temperatur spielt, wodurch die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der den Basisteil bildet, erhöht wird.
Der Heizeinrichtungsteil 70 umfasst vorwiegend eine Heizeinrichtungselektrode 71, ein Heizeinrichtungselement 72, eine Heizeinrichtungsanschlussleitung 72a, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 und eine Heizeinrichtung-Widerstandserfassungsanschlussleitung 75 (2), die in der 1 nicht gezeigt ist. Ein Abschnitt des Heizeinrichtungsteils 70, der von der Heizeinrichtungselektrode 71 verschieden ist, ist in dem Basisteil des Sensorelements 101 eingebettet.
Die Heizeinrichtungselektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 (der anderen Hauptoberfläche des Sensorelements 101) in Kontakt ist.
Das Heizeinrichtungselement 72 ist ein Widerstandsheizelement, das zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 bereitgestellt ist. Das Heizeinrichtungselement 72 erzeugt dadurch Wärme, dass es von einer Heizeinrichtungsstromversorgung 76 (2), die in der 1 nicht gezeigt ist, außerhalb des Sensorelements 101 durch die Heizeinrichtungselektrode 71, das Durchgangsloch 73 und die Heizeinrichtungsanschlussleitung 72a, die einen Stromleitungspfad bilden, mit Strom versorgt wird. Das Heizeinrichtungselement 72 ist aus Pt hergestellt oder enthält Pt als Hauptkomponente. Das Heizeinrichtungselement 72 ist einem vorgegebenen Bereich des Sensorelements 101, in dem der Gasverteilungsteil bereitgestellt ist, so eingebettet, dass es dem Gasverteilungsteil entlang der Dicke des Elements gegenüberliegt. Das Heizeinrichtungselement 72 ist so bereitgestellt, dass es eine Dicke von etwa 10 µm bis 20 µm aufweist.
In dem Sensorelement 101 kann jeder Teil des Sensorelements 101 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden und die Temperatur wird dadurch, dass ein Strom durch die Heizeinrichtungselektrode 71 zu dem Heizeinrichtungselement 72 fließen gelassen wird, wodurch bewirkt wird, dass das Heizeinrichtungselement 72 Wärme erzeugt, aufrechterhalten. Insbesondere wird das Sensorelement 101 so erwärmt, dass der Festelektrolyt und die Elektroden in der Umgebung des Gasverteilungsteils bei einer Temperatur von etwa 700 °C bis 900 °C vorliegen. Die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der den Basisteil in dem Sensorelement 101 bildet, wird durch das Erwärmen erhöht. Die Erwärmungstemperatur des Heizeinrichtungselements 72, wenn der Gassensor 100 in Gebrauch ist (wenn das Sensorelement 101 betrieben wird), wird als Sensorelementbetriebstemperatur bezeichnet.
Der Grad der Wärmeerzeugung des Heizeinrichtungselements 72 wird durch die Größe eines Widerstandswerts (Widerstand der Heizeinrichtung) des Heizeinrichtungselements 72 erfasst. Die Heizeinrichtung-Widerstandserfassungsanschlussleitung 75 ist zum Messen des Widerstands der Heizeinrichtung bereitgestellt.
<Steuereinrichtung>
Als nächstes werden Funktionen der Steuereinrichtung 110 detaillierter beschrieben. Die 2 zeigt einen funktionellen Aufbau der Steuereinrichtung 110 des Gassensors 100.
Die Steuereinrichtung 110 wird durch einen Allzweckcomputer oder speziellen Computer gebildet und umfasst als funktionelle Komponenten, die durch eine CPU, einen Speicher und dergleichen davon gebildet werden, einen integrierten Steuerteil 111, einen Hauptpumpsteuerteil 112, einen Hilfspumpsteuerteil 113, einen Messpumpsteuerteil 114, einen Heizeinrichtungssteuerteil 115, einen Konzentrationsberechnungsteil 116 und einen Steuersituation-Diagnoseteil 117. In einem Fall, bei dem NOx, das in einem Abgas von einem Motor eines Fahrzeugs enthalten ist, ein Ziel der Erfassung und Messung des Gassensors 100 ist und das Sensorelement 101 an einem Abgasweg installiert ist, können einige oder alle Funktionen der Steuereinrichtung 110 durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) erreicht werden, die an dem Fahrzeug montiert ist.
Der integrierte Steuerteil 111 steuert integriert verschiedene Arten einer Verarbeitung, die in der Steuereinrichtung 110 durchgeführt wird. D.h., der integrierte Steuerteil 111 steuert integriert den Betrieb für die Steuerung, die durch jeden der vorstehend genannten Steuerteile der Steuereinrichtung 110 für jede der Pumpzellen, der Heizeinrichtung und dergleichen zum Erfassen von NOx, Berechnen der Konzentration und dergleichen durchgeführt wird, und steuert die Berechnungsverarbeitung, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 116 durchgeführt wird, und die Diagnoseverarbeitung, die durch den Steuersituation-Diagnoseteil 117 durchgeführt wird.
Der Hauptpumpsteuerteil 112 steuert den Betrieb der Hauptpumpzelle 21. Insbesondere erfasst der Hauptpumpsteuerteil 112 einen Wert der elektromotorischen Kraft V0, die in der Hauptsensorzelle 80 gemäß dem Sauerstoffpartialdruck in dem ersten Innenraum 20 erzeugt wird, führt eine Regelung der Hauptpumpspannung Vp0, die von der variablen Stromversorgung 24 an die Hauptpumpzelle 21 angelegt werden soll, derart durch, dass der Wert der elektromotorischen Kraft V0 gemäß dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck ist, und erfasst einen Wert des Hauptpumpstroms Ip0, der zu diesem Zeitpunkt durch die Hauptpumpzelle 21 fließt.
Der Hilfspumpsteuerteil 113 steuert den Betrieb der Hilfspumpzelle 50. Insbesondere erfasst der Hilfspumpsteuerteil 113 einen Wert der elektromotorischen Kraft V1, der in der Hilfssensorzelle 81 gemäß dem Sauerstoffpartialdruck in dem zweiten Innenraum 40 erzeugt wird, führt eine Regelung der Hauptpumpspannung Vp1, die von der variablen Stromversorgung 52 an die Hilfspumpzelle 50 angelegt werden soll, derart durch, dass der Wert der elektromotorischen Kraft V1 gemäß dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck ist, und erfasst einen Wert des Hauptpumpstroms Ip1, der zu diesem Zeitpunkt durch die Hilfspumpzelle 50 fließt.
Der Messpumpsteuerteil 114 steuert den Betrieb der Messpumpzelle 41. Insbesondere erfasst der Messpumpsteuerteil 114 einen Wert der elektromotorischen Kraft V2, der in der Messsensorzelle 82 gemäß dem Sauerstoffpartialdruck in der Nähe der Messelektrode 44 erzeugt wird, führt eine Regelung der Messpumpspannung Vp2, die von der variablen Stromversorgung 46 an die Messpumpzelle 41 angelegt werden soll, derart durch, dass der Wert der elektromotorischen Kraft V2 gemäß dem gewünschten Sauerstoffpartialdruck ist, und erfasst einen Wert des Pumpstroms (NOx-Strom) Ip2, der zu diesem Zeitpunkt durch die Messpumpzelle 41 fließt.
Der Heizeinrichtungssteuerteil 115 steuert den Betrieb des Heizeinrichtungsteils 70. Insbesondere steuert der Heizeinrichtungssteuerteil 115 eine Heizeinrichtungsspannung, die an die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 angelegt werden soll, derart, dass ein Wert des Widerstands der Heizeinrichtung (Widerstand des Heizeinrichtungselements 72), der als der Widerstandswert zwischen der Heizeinrichtung-Widerstandserfassungsanschlussleitung 75 und der Heizeinrichtungsanschlussleitung 72a erhalten wird, gemäß einer gewünschten Heiztemperatur ist. Das Heizeinrichtungselement 72 erzeugt Wärme derart, dass die Menge der Wärmeerzeugung gemäß dem Widerstand der Heizeinrichtung ist, der auf diese Weise gesteuert wird. Der Heizeinrichtungssteuerteil 115 steuert den Wert des Widerstands der Heizeinrichtung gemäß der gewünschten Sensorelementbetriebstemperatur, so dass die Sensorelementbetriebstemperatur erreicht wird.
Der Konzentrationsberechnungsteil 116 erfasst den Wert des Pumpstroms (NOx-Strom) Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 fließt, berechnet die NOx-Konzentration auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaftsdaten D1, in denen Empfindlichkeitseigenschaften beschrieben sind, die im Vorhinein für das Sensorelement 101 eingestellt worden sind, und gibt die berechnete NOx-Konzentration aus.
In dem Gassensor 100 wird Sauerstoff, der in dem Messgas enthalten ist, durch Betreiben der Hauptpumpzelle 21 und ferner der Hilfspumpzelle 50 durch den Hauptpumpsteuerteil 112 und den Hilfspumpsteuerteil 113 hinausgepumpt und das Messgas wird einen Sauerstoffpartialdruck aufweisen, der ausreichend auf ein Maß (z.B. 0,0001 ppm bis 1 ppm) vermindert ist, so dass er im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist, das die Messelektrode 44 erreicht. NOx in dem Messgas, das die Messelektrode 44 erreicht hat, wird reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff wird durch die Messpumpzelle 41 mit der Steuerung, die durch den Messpumpsteuerteil 114 durchgeführt wird, hinausgepumpt. Eine konstante funktionelle Beziehung zwischen dem NOx-Strom Ip2, der beim Hinauspumpen fließt, und der Konzentration von NOx in dem Messgas wird als Empfindlichkeitseigenschaften bezeichnet.
Die Empfindlichkeitseigenschaften werden im Vorhinein unter Verwendung einer Mehrzahl von Arten von Modellgasen mit bekannten NOx-Konzentrationen vor der tatsächlichen Verwendung des Gassensors 100 ermittelt und die entsprechenden Daten werden als die Empfindlichkeitseigenschaftsdaten D1 in der Steuereinrichtung 110 gespeichert (insbesondere in einem Speicher, der als der Konzentrationsberechnungsteil 116 arbeitet).
Bei der tatsächlichen Verwendung des Gassensors 100 wird ein Signal, das den Wert des NOx-Stroms Ip2 repräsentiert, der gemäß der NOx-Konzentration des Messgases fließt, sofort für den Konzentrationsberechnungsteil 116 bereitgestellt, und der Konzentrationsberechnungsteil 116 berechnet nacheinander NOx-Konzentrationen auf der Basis des Werts und der ermittelten Empfindlichkeitseigenschaften und gibt Werte davon (NOx-Konzentrationswerte) von der Steuereinrichtung 110 aus. Die NOx-Konzentration des Messgases kann dadurch unter Verwendung des Gassensors 100 nahezu in Echtzeit ermittelt werden.
Die 3 zeigt ein Beispiel der funktionellen Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem NOx-Strom Ip2, welche die Empfindlichkeitseigenschaften zeigt. Insbesondere sind in der 3 i1, i2, und i3 jeweilige Werte des NOx-Stroms (des Stroms, der durch die Messpumpzelle 41 fließt) Ip2, wenn eine Messung mit Modellgasen, die NOx mit bekannten Konzentrationen N1, N2, und N3 enthalten, Sauerstoff (oder ferner Wasser) mit bekannten Konzentrationen enthalten und Stickstoff als Rest enthalten, unter Verwendung des Gassensors 100 durchgeführt wird.
Ferner ist in der 3 Ip2_ofs ein Wert des Stroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 fließt (der Strom wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit als der NOx-Strom Ip2 bezeichnet), wenn entsprechend eine Messung mit einem Modellgas durchgeführt wird, das ähnliche Komponenten mit der Ausnahme enthält, dass kein NOx enthalten ist (d.h., das eine NOx-Konzentration von 0 aufweist). Dieser NOx-Strom Ip2 wird, wenn die NOx-Konzentration 0 ist, insbesondere als Offset-Strom bezeichnet.
Der Offset-Strom entspricht einem Strom, der fließt, wenn eine kleine Menge Sauerstoff, die in dem Messgas verblieben ist, das die Messelektrode 44 erreicht hat, mit anderen Worten, Sauerstoff, der die Messelektrode 44 erreicht hat, ohne durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 abgebaut worden zu sein, durch die Messpumpzelle 41 hinausgepumpt wird. Ein kleinerer Offset-Strom ist bevorzugt, jedoch beträgt der Offset-Strom höchstens etwa 0,2 µA.
In der 3 ist eine Gerade (lineare Funktion) mit dem Wert Ip2_ofs als vertikaler Achsenabschnitt gezeigt, welche die Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem NOx-Strom Ip2, d.h., die Empfindlichkeitseigenschaften, angibt. Eine Gleichung der Geraden kann durch eine Regressionsanalyse ermittelt werden.
Der Weg zur Ermittlung der Empfindlichkeitseigenschaften ist nicht auf denjenigen in dem vorstehend genannten Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann eine Regressionsanalyse ohne Festlegen des Messwerts, der unter Verwendung des Modellgases erhalten wird, das kein NOx enthält, als Achsenabschnitt durchgeführt werden. In diesem Fall ist ein Wert des Achsenabschnitts in der ermittelten Geradengleichung ein Offset-Stromwert.
Die Empfindlichkeitseigenschaften können als Kurve ermittelt werden, anstatt als Gerade ermittelt zu werden.
Der Steuersituation-Diagnoseteil 117 prüft eine Situation, in der das Sensorelement 101 mit der Steuereinrichtung 110 gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 110 kann eine Steuersituation-Diagnoseverarbeitung durchführen, in welcher der integrierte Steuerteil 111 eine Betriebsbedingung jedes Teils des Sensorelements 101 auf der Basis eines Diagnoseergebnisses in dem Steuersituation-Diagnoseteil 117 ändert. Diagnoseschwelledaten D2, in denen eine Diagnoseschwelle, die bei der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung verwendet werden soll, beschrieben ist, werden im Vorhinein in der Steuereinrichtung 110 gespeichert (insbesondere in einem Speicher, der als der Steuersituation-Diagnoseteil 117 arbeitet). Die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung wird nachstehend detailliert beschrieben.
<Beziehung zwischen der Hauptpumpspannung und der Zersetzung von NOx>
Die 4 is eine Auftragung von NOx-Strömen Ip2 gegen die Sauerstoffkonzentrationen der Modellgase, wobei die NOx-Ströme Ip2 durch eine Messung (nachstehend als Modellgasmessung bezeichnet) mit vier Modellgasen mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen von 0 %, 5 %, 10 % und 18 %, während sie eine konstante NO-Konzentration von 500 ppm aufweisen (wobei der Rest in jedem der Modellgase N₂ ist), unter Verwendung von zwei Gassensoren 100 in verschiedenen Zuständen erhalten werden. Die Sensorelementbetriebstemperatur war 800 °C.
Insbesondere ist der Graph G1 eine Auftragung von Ergebnissen einer Messung unter Verwendung eines neuen Gassensors 100 und der Graph G2 ist eine Auftragung von Ergebnissen einer Messung unter Verwendung eines Gassensors 100, der durch Anordnen eines neuen Sensorelements 101 in Luft und Durchführen eines kontinuierlichen Betriebstests für 3000 Stunden bei der vorstehend genannten Elementbetriebstemperatur erhalten worden ist. Der kontinuierliche Betriebstest ist als (ein beschleunigter) Dauerbeständigkeitstest zum Bewerten eines Grads der Verschlechterung bzw. des Abbaus im Zeitverlauf angelegt. Der Begriff „neu“ bedeutet nicht notwendigerweise „vollständig ungebraucht“. Eine Verwendung für etwa mehrere Stunden ist akzeptabel.
Wie es in der 4 gezeigt ist, gibt es in dem Graphen G1 eine lineare Änderung einer monotonen Zunahme zwischen dem NOx-Strom Ip2 und der Sauerstoffkonzentration. Ein erhaltener Bestimmtheitskoeffizient (der Wert des Quadrats eines Korrelationskoeffizienten) R² betrug 0,999, was im Wesentlichen eine Gerade angibt. In dem anderen Graphen G2 ist der Wert des NOx-Stroms Ip2 im Allgemeinen kleiner als derjenige in dem Graphen G1 und wird konstant, wenn die Sauerstoffkonzentration zwischen 10 % und 18 % liegt, während er eine Tendenz zu einer monotonen Zunahme aufweist, wenn die Sauerstoffkonzentration 10 % oder weniger beträgt. Der Bestimmtheitskoeffizient R² kann als ein Indikator für die Stabilität eines Pumpvermögens in der Hauptpumpzelle 21 in Bezug auf eine Änderung der Sauerstoffkonzentration betrachtet werden.
Die Ergebnisse legen nahe, dass bei dem Gassensor 100, der für eine lange Zeit oder kontinuierlich verwendet worden ist, ein Messwert des NOx-Stroms Ip2 kleiner ist als in dem neuen Gassensor 100, und ferner kann in einem Fall, bei dem das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, NOx in dem Messgas in einem Stadium zersetzt werden, bevor es die Messelektrode 44 erreicht (z.B. in dem ersten Innenraum 20).
Die 5 zeigt eine Korrelation zwischen dem Bestimmtheitskoeffizienten R² und der Hauptpumpspannung Vp0, die in einem Fall angelegt wird, bei dem das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration in der Hauptpumpzelle 21 aufweist. Insbesondere wird eine Modellgasmessung mit vielen neuen Gassensoren 100 und vielen Gassensoren 100 nach Durchlaufen des kontinuierlichen Betriebstests bei den gleichen Bedingungen wie den vorstehend genannten Bedingungen durchgeführt, ein Wert des Bestimmtheitskoeffizienten R² wird aus der Korrelation zwischen dem NOx-Strom Ip2 und der Sauerstoffkonzentration wie in der 4 auf der Basis von Ergebnissen der Modellgasmessung erhalten, und der Wert des erhaltenen Bestimmtheitskoeffizienten R² wird gegen die Hauptpumpspannung Vp0 in der Modellgasmessung aufgetragen, in der die Sauerstoffkonzentration auf 18 % eingestellt ist, wodurch die 5 erhalten wird.
Die Hauptpumpspannung Vp0 ist ursprünglich ein Wert, der sich dynamisch ändert, beispielsweise beim tatsächlichen Gebrauch des Gassensors 100, so dass sich der Wert der elektromotorischen Kraft V0 in der Hauptsensorzelle 80, der sich gemäß der Sauerstoffkonzentration des Messgases ändert, auf einen konstanten Wert eingestellt wird und mit steigender Sauerstoffkonzentration zunimmt.
In einem Fall, bei dem die Messgase mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration wie in der vorstehend genannten Modellgasmessung Messziele sind, weist jedoch die Hauptpumpspannung Vp0 einen im Wesentlichen konstanten Wert gemäß der Sauerstoffkonzentration in jedem der Gassensoren 100 auf.
In einem Fall der vorstehend genannten Modellgasmessung mit den Modellgase mit vier verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen weist die Hauptpumpspannung Vp0 einen maximalen Wert auf, wenn die Sauerstoffkonzentration auf 18 % eingestellt ist. Andererseits ist es wahrscheinlicher, dass NOx in der Hauptpumpzelle 21 zersetzt wird, wenn die Hauptpumpspannung Vp0 einen höheren Wert aufweist.
Es kann folglich festgestellt werden, dass die 5 eine Korrelation zwischen der Stabilität des Pumpvermögens in der Hauptpumpzelle 21 in Bezug auf die Änderung der Sauerstoffkonzentration des Messgases und eine Obergrenze der Hauptpumpspannung Vp0 beim Pumpen in der Hauptpumpzelle 21 und ferner die Wahrscheinlichkeit einer Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle 21 zeigt.
Aus der 5 ist ersichtlich, dass in einem Fall des neuen Gassensors 100 die Hauptpumpspannung Vp0 in einem Bereich von etwa 760 mV oder weniger liegt, und insbesondere in einem Fall, bei dem die Hauptpumpspannung Vp0 700 mV oder weniger beträgt, beträgt der Bestimmtheitskoeffizient R² etwa 0,99 oder mehr.
Dies zeigt, dass in dem Fall des neuen Gassensors 100 die Hauptpumpzelle 21 eine hervorragende Stabilität in Bezug auf die Änderung der Sauerstoffkonzentration des Messgases aufweist, Sauerstoff in einer geeigneten Weise gepumpt werden kann, ohne die Hauptpumpspannung Vp0 selbst in einem Bereich mit hoher Sauerstoffkonzentration übermäßig zu erhöhen, und eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle 21 nicht verursacht wird.
Im Gegensatz dazu ist ersichtlich, dass in einem Fall der Gassensoren 100 nach dem kontinuierlichen Betriebstest der Bestimmtheitskoeffizient R² innerhalb eines Bereichs von etwa 0,98 oder mehr liegt, wenn die Hauptpumpspannung Vp0 in einem Bereich von etwa 800 mV oder weniger liegt, und innerhalb eines Bereichs von 0,95 oder mehr liegt, wenn die Hauptpumpspannung Vp0 in einem Bereich von etwa 900 mV oder weniger liegt, jedoch nimmt bei den Gassensoren 100, bei denen die Hauptpumpspannung Vp0 900 mV übersteigen kann, der Bestimmtheitskoeffizient R² mit steigender Hauptpumpspannung Vp0 signifikant ab. Es wurde bestätigt, dass die Abnahme des Bestimmtheitskoeffizienten R² durch das Konstantwerden des NOx-Stroms Ip2 in dem Bereich mit hoher Sauerstoffkonzentration verursacht wird, die durch die Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle 21 verursacht wird, wie dies in dem Graphen G2 der Fall ist, der in der 4 gezeigt ist.
Die Ergebnisse legen nahe, dass in dem Gassensor 100, der durch eine kontinuierliche Verwendung abgebaut bzw. verschlechtert worden ist, die Hauptpumpspannung Vp0 mindestens in dem Bereich mit hoher Sauerstoffkonzentration zu einer Zunahme neigt, und dass ferner bezüglich des Gassensors 100, in dem die Hauptpumpspannung Vp0 800 mV übersteigen kann, NOx in dem Messgas in dem Stadium zersetzt werden kann, bevor es die Messelektrode 44 (z.B. in dem ersten Innenraum 20) in dem Fall erreicht, bei dem das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist.
Bei dem Gassensor 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann im Hinblick auf diese Erkenntnisse die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung, dass die Situation, in der das Sensorelement 101 gesteuert wird, auf der Basis der Größe der Hauptpumpspannung Vp0 geprüft wird, und dass eine Bedingung zum Steuern des Sensorelements 101 auf der Basis des Diagnoseergebnisses in einer geeignete Weise eingestellt wird, durchgeführt werden. Entsprechende Details werden als nächstes beschrieben.
Der Graph G1 in der 4 zeigt, dass in einem Fall, bei dem das Pumpen in der Hauptpumpzelle 21 geeignet ist, der Wert des NOx-Stroms Ip2 dazu neigt, von der Sauerstoffkonzentration des Messgases abzuhängen. Eine solche Abhängigkeit, die sich trotz einer konstanten NOx-Konzentration der Modellgase zeigt, legt nahe, dass bei der Bestimmung der NOx-Konzentration auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaften eine Korrektur unter Verwendung der Sauerstoffkonzentration zur Bestimmung der NOx-Konzentration mit einer höheren Genauigkeit effektiv ist. Dies kann beispielsweise durch Korrigieren des NOx-Stroms Ip2 auf der Basis von Informationen (z.B. des Hauptpumpstroms Ip0 und der elektromotorischen Kraft Vref) erreicht werden, welche die Sauerstoffkonzentration des Messgases angeben.
<Steuersituation-Diagnoseverarbeitung>
Die 6 zeigt einen Ablauf der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung, die in dem Gassensor 100 durchgeführt wird. Die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung ist im Allgemeinen eine Verarbeitung zum Prüfen, ob die Betriebssteuerung des Sensorelements 100 durch die Steuereinrichtung 110 in einer ungeeigneten Situation durchgeführt wird, bei welcher der Wert der Hauptpumpspannung Vp0 übermäßig zunimmt, wenn das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist, und eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle 21 verursacht wird, und in einem Fall, bei dem die Steuerung in einer solchen Situation durchgeführt wird, zum Einstellen der Steuerbedingung derart, dass der Wert der Hauptpumpspannung Vp0 vermindert wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Hauptpumpspannung Vp0 der Wert, der sich gemäß der Sauerstoffkonzentration des Messgases beim tatsächlichen Gebrauch des Gassensors 100 dynamisch ändert, und in einem Fall, bei dem die Steuerbedingung, auf der die Änderung beruht, wie z.B. der Wert der elektromotorischen Kraft V0 in der Hauptsensorzelle 80, geändert wird, kann ein möglicher Bereich der Hauptpumpspannung Vp0 entsprechend geändert werden. Die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in der vorliegenden Ausführungsform nutzt dies, um eine Anwendung der Zunahme der Hauptpumpspannung Vp0 auf die Hauptpumpzelle 21 zu unterdrücken und eine Zersetzung von NOx in dem Messgas in der Hauptpumpzelle 21 zu verhindern.
Bei der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung bestimmt der Steuersituation-Diagnoseteil 117 zuerst, ob eine Diagnosebedingung, die eine Vorbedingung zum Durchführen der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung ist, erfüllt ist (Schritt S1). Beispielsweise ist die Diagnosebedingung derart, dass die Temperatur des Sensorelements 101 die Elementbetriebstemperatur erreicht hat und das Messgas mindestens vorübergehend eine Luftatmosphäre wird und nur Luft (mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 21 %) in das Sensorelement 101 eingeführt wird. In einem Fall, bei dem das Sensorelement 101 an dem Abgasweg des Fahrzeugs installiert ist, ist die Diagnosebedingung beispielsweise bei einer Kraftstoffunterbrechung erfüllt. Die Bestimmung wird wiederholt, solange die Diagnosebedingung nicht erfüllt ist (NEIN im Schritt S1).
Andererseits bewirkt in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass die Diagnosebedingung erfüllt ist (JA im Schritt S1), der Steuersituation-Diagnoseteil 117 durch den integrierten Steuerteil 111, dass der Hauptpumpsteuerteil 112 eine Messung der Hauptpumpspannung Vp0 bei dem Zeitpunkt durchführt (Schritt S2) und einen Wert davon erfasst. Alternativ kann in einem Fall, bei dem die Hauptpumpspannung Vp0 kontinuierlich mit der Steuerung gemessen wird, die durch den Hauptpumpsteuerteil 112 durchgeführt wird, ungeachtet dessen, ob die Diagnosebedingung erfüllt ist, die Hauptpumpspannung Vp0 bei einem Zeitpunkt erfasst werden, wenn die Diagnosebedingung gerade erfüllt worden ist.
Nach dem Erfassen der Hauptpumpspannung Vp0 vergleicht der Steuersituation-Diagnoseteil 117 den erfassten Wert und die Diagnoseschwelle, die in den Diagnoseschwelledaten D2 beschrieben ist (Schritt S3), und stellt für den integrierten Steuerteil 111 ein Vergleichsergebnis bereit.
Die Diagnoseschwelle ist hier eine Untergrenze eines Bereichs des Werts der Hauptpumpspannung Vp0, in dem eine Zersetzung von NOx stetig verursacht werden kann. Mit anderen Worten, eine Zersetzung von NOx wird nicht verursacht, solange der Wert der Hauptpumpspannung Vp0 kleiner ist als die Diagnoseschwelle. Wenn berücksichtigt wird, dass der Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyt, der die Hauptpumpzelle 21 bildet, Zirkoniumoxid ist und der Hauptpumpstrom Ip0 als Grenzstrom gemäß der Hauptpumpspannung Vp0 fließt, ist es geeignet, die Diagnoseschwelle in einem Bereich von 750 mV bis 950 mV in einem Fall einzustellen, bei dem die Elementbetriebstemperatur 700 °C bis 900 °C beträgt. Dies entspricht der Einstellung der Hauptpumpspannung Vp0, wenn die Sauerstoffkonzentration 18 % beträgt, auf 900 mV oder weniger. Alternativ kann die Diagnoseschwelle gemäß der Elementbetriebstemperatur geändert werden.
Ein Sensorelement mit einer Struktur, die von dem in der 1 gezeigten Sensorelement 101 verschieden ist, ist mit dem Sensorelement 101 dahingehend identisch, dass es zum Verhindern einer Zersetzung von NOx in einer Pumpzelle zum Hinauspumpen von Sauerstoff in dem Messgas in dem Sensorelement erforderlich ist, einen Wert einer Pumpspannung in der Pumpzelle auf einen Wert einzustellen, der kleiner ist als die vorstehend genannte Diagnoseschwelle.
In einem Fall, bei dem die Hauptpumpspannung Vp0 kleiner ist als die Diagnoseschwelle (NEIN im Schritt S3), endet die Diagnose so, wie sie ist (Schritt S4). Dies bedeutet, dass die Steuereinrichtung 110 den Betrieb des Sensorelements 101 normal steuert und in der Hauptpumpzelle 21 keine Zersetzung von NOx verursacht wird.
Andererseits könnte in einem Fall, bei dem die Hauptpumpspannung Vp0 mit der Diagnoseschwelle identisch oder größer als diese ist (JA im Schritt S3), eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle 21 verursacht werden. Um diese Situation zu verhindern, wird mindestens eines von einer Heizeinrichtungstemperatur (der Elementbetriebstemperatur), einer Steuerspannung (einem Zielwert der elektromotorischen Kraft V1 in der Hilfssensorzelle 81) und einem Steuerstrom (dem Hilfspumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 fließt) gemäß einer Steueranweisung von dem integrierten Steuerteil 111 eingestellt (Schritt S5).
In einem Fall, bei dem die Elementbetriebstemperatur ein Ziel der Einstellung ist, stellt der integrierte Steuerteil 111 für den Heizeinrichtungssteuerteil 115 eine Steueranweisung zum Erhöhen der Elementbetriebstemperatur um ein vorgegebenes Temperaturausmaß bereit. Als Reaktion auf diese Anweisung führt der Heizeinrichtungssteuerteil 115 eine Temperatureinstellverarbeitung des Erhöhens der Heizeinrichtungsspannung, die an die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 angelegt werden soll, gemäß dem Temperaturausmaß durch.
Wenn die Elementbetriebstemperatur erhöht wird, nimmt der Widerstand von Zirkoniumoxid als Festelektrolyt, der die Hauptpumpzelle 21 bildet, ab, so dass die Hauptpumpspannung Vp0 mit zunehmendem Hauptpumpstrom Ip0 abnimmt. Das Temperaturausmaß, um das die Temperatur erhöht wird, kann gemäß einem Wert einer Differenz zwischen der Hauptpumpspannung Vp0 und der Diagnoseschwelle bestimmt werden oder kann ein im Vorhinein eingestellter konstanter Wert sein. Die Elementbetriebstemperatur weist jedoch üblicherweise eine Obergrenze von 900°C auf.
In einem Fall, bei dem der Zielwert der elektromotorischen Kraft V1 in der Hilfssensorzelle 81 das Ziel der Einstellung ist, stellt der integrierte Steuerteil 111 für den Hilfspumpsteuerteil 113 eine Steueranweisung bereit, die bewirkt, dass der Zielwert der elektromotorischen Kraft V1 größer als vorher ist. Als Reaktion auf diese Anweisung steuert der Hilfspumpsteuerteil 113 den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 derart, dass der neue Zielwert erreicht wird. Die vorstehend genannte Verarbeitung wird als elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung bezeichnet. Dies bedeutet, dass eine Steuerung so durchgeführt wird, dass bewirkt wird, dass die Hilfspumpspannung Vp1 höher ist als vorher, wodurch der Hilfspumpstrom Ip1 erhöht wird.
Die Zunahme des Zielwerts der elektromotorischen Kraft V1 in der Hilfssensorzelle 81 bedeutet eine Zunahme des Sauerstoffpartialdrucks, der in dem zweiten Innenraum 40 eingestellt wird. Dies hat den Effekt des Förderns eines Strömens von Sauerstoff von dem ersten Innenraum 20 zu dem zweiten Innenraum 40 und des Bewirkens eines Hinauspumpens von Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 50 in den zweiten Innenraum 40 zum Berücksichtigen des Hinauspumpens von Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle 21 in den ersten Innenraum 20, so dass eine Zunahme der Hauptpumpspannung Vp0 unterdrückt wird.
In einem Fall, bei dem der Hilfspumpstrom Ip1, der durch die Hilfssensorzelle 81 fließt, das Ziel der Einstellung ist, stellt der integrierte Steuerteil 111 für den Hilfspumpsteuerteil 113 eine Steueranweisung bereit, die bewirkt, dass der Hilfspumpstrom Ip1 höher ist als vorher. Als Reaktion auf diese Anweisung steuert der Hilfspumpsteuerteil 113 den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 derart, dass der Hilfspumpstrom Ip1 erhöht wird. Die vorstehend genannte Verarbeitung wird als Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Steuerung so durchgeführt wird, dass bewirkt wird, dass die Hilfspumpspannung Vp1 höher ist als vorher.
Dies hat auch den Effekt des Förderns des Strömens von Sauerstoff von dem ersten Innenraum 20 zu dem zweiten Innenraum 40 und des Bewirkens eines Hinauspumpens von Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle 50 in den zweiten Innenraum 40 zum Berücksichtigen des Hinauspumpens von Sauerstoff durch die Hauptpumpzelle 21 in den ersten Innenraum 20 zum Unterdrücken einer Zunahme der Hauptpumpspannung Vp0.
Die 7 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Hilfspumpstrom Ip1 und der Hauptpumpspannung Vp0. Insbesondere ist eine Änderung der Hauptpumpspannung Vp0 gezeigt, wenn der Wert des Hilfspumpstroms Ip1 verschiedenartig verändert wird, während ein Modellgas mit einer konstanten Sauerstoffkonzentration von 20,5 % (wobei der Rest Stickstoff ist) als Messgas verwendet wird.
Aufgrund der 7 wird bestätigt, dass die Hauptpumpspannung Vp0 mit zunehmendem Hilfspumpstrom Ip1 abnimmt.
Die Verarbeitung im Schritt S5 muss nicht notwendigerweise durch Auswählen durchgeführt werden. Beispielsweise ist eine Vorgehensweise, die bezüglich einer einfachen und zuverlässigen Einstellung geeignet ist, das bevorzugte Einstellen der Heizeinrichtungstemperatur (Elementbetriebstemperatur) und in einem Fall, bei dem die Hauptpumpspannung Vp0 lediglich durch die Einstellung nicht ausreichend vermindert werden kann, das Durchführen von einem oder beiden der anderen zwei Einstellverfahren.
Wenn die Hauptpumpspannung Vp0 durch eines der Verfahren vermindert worden ist, endet die Diagnose (Schritt S6).
Nach dem Ende der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung kann die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung bei einem geeigneten Zeitpunkt erneut durchgeführt werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Betriebssteuerung des Sensorelements durch die Steuereinrichtung in dem Gassensor, die in einer ungeeigneten Situation durchgeführt wird, in der eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle bewirkt wird, in einer geeigneten Weise unterdrückt. Insbesondere kann selbst in einem Gassensor, in dem aufgrund eines Abbaus bzw. einer Verschlechterung im Zeitverlauf die Hauptpumpspannung in einem Fall zunimmt, bei dem das Messgas eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist und folglich in der Hauptpumpzelle eine Zersetzung von NOx verursacht werden könnte, NOx genau gemessen werden, während eine Zersetzung unterdrückt wird.
<Zweite Ausführungsform>
In der vorstehend genannten ersten Ausführungsform wird mindestens eines der Heizeinrichtungstemperatur (Elementbetriebstemperatur), der Steuerspannung (elektromotorische Kraft Vp1) und des Steuerstroms (Hilfspumpstrom Ip1) in einem Fall erhöht, bei dem der Steuersituation-Diagnoseteil 117 bestimmt, dass die Hauptpumpspannung Vp0 bei der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung mit der Diagnoseschwelle identisch oder größer als diese ist. Von diesen ist bekannt, dass die Heizeinrichtungstemperatur und der Steuerstrom eine Korrelation mit der Größe des Offset-Stroms aufweisen.
Die 8 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Heizeinrichtungstemperatur („BETRIEBSTEMPERATUR“ in der 8) und einem tatsächlichen Wert des Offset-Stroms („Ip2 offset“ in der 8). Die 9 zeigt ein Beispiel für eine Beziehung zwischen dem Steuerstrom („Ip1“ in der 9) und dem tatsächlichen Wert des Offset-Stroms („Ip2 offset“ in der 9). Der Ausdruck „tatsächlicher Wert“ des Offset-Stroms wird hier zur Unterscheidung von dem Offset-Stromwert verwendet, der bei einer bestimmten Betriebsbedingung als feststehender Wert ermittelt wird, wenn die Empfindlichkeitseigenschaften festgestellt werden. Ein Wert R², der in jeder der 8 und 9 gezeigt ist, ist der Bestimmtheitskoeffizient (das Quadrat des Korrelationskoeffizienten R) einer Näherungskurve.
Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, neigt der tatsächliche Wert des Offset-Stroms mit zunehmender Heizeinrichtungstemperatur und mit zunehmendem Steuerstrom zu einer Zunahme. Dies bedeutet, dass in einem Fall, bei dem die Heizeinrichtungstemperatur oder der Steuerstrom durch Durchführen der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung, die in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, erhöht wird, der tatsächliche Wert des Offset-Stroms, der ursprünglich ein feststehender Wert sein muss, zunimmt.
Es wird folglich davon ausgegangen, dass in einem Fall, bei dem die Heizeinrichtungstemperatur oder der Steuerstrom in der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung erhöht wird, ein tatsächlicher Offset-Stromwert in dem Gassensor 100 nach der Verarbeitung größer wird als ein Wert (eine Art von Anfangswert des Offset-Stromwerts), der in der Steuereinrichtung 110 als Ergebnis der Ermittlung der Empfindlichkeitseigenschaften gespeichert wird. Dies legt die Möglichkeit nahe, dass die Genauigkeit des NOx-Stroms Ip2, der nach der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung gemessen wird, verglichen mit demjenigen vor der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung vermindert ist.
Wie es aus den 8 und 9 ersichtlich ist, nimmt der Offset-Stromwert signifikant zu, wenn die Heizeinrichtungstemperatur oder der Steuerstrom in der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung stark zunimmt. In einem solchen Fall, insbesondere in einem Fall, bei dem NOx mit einer niedrigen Konzentration zum Erzeugen eines kleineren NOx-Stroms Ip2 ein Ziel der Messung ist, nimmt durch die Messung das Risiko einer Verminderung der Genauigkeit zu.
In der vorliegenden Ausführungsform wird, während eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle durch Durchführen der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in einer ähnlichen Weise wie in der ersten Ausführungsform unterdrückt wird, eine Verminderung der Messgenauigkeit, die durch die Zunahme des Offset-Stromwerts verursacht wird, die als Ergebnis der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung verursacht wird, in nachfolgenden Verfahren in einer geeigneten Weise unterdrückt.
Die 10 zeigt einen Ablauf der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in dem Gassensor 100, der in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, zusammen mit den nachfolgenden Verfahren. Insbesondere ist die Verarbeitung im Schritt S1 bis Schritt S5 mit der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in der ersten Ausführungsform identisch und folglich ist eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
In der vorliegenden Ausführungsform korrigiert nach dem Ende des Schritts S5 der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung der Konzentrationsberechnungsteil 116 dann auf der Basis eines Korrekturkennfelds, das im Vorhinein in der Steuereinrichtung 110 gespeichert worden ist, einen NOx-Konzentrationswert, der aus dem NOx-Strom Ip2 und den Empfindlichkeitseigenschaften erhalten worden ist (Schritt S17), und zwar in einem Fall, bei dem das Ziel der Einstellung im Schritt S5 die Elementbetriebstemperatur (Heizeinrichtungstemperatur) oder der Hilfspumpstrom Ip1 (Steuerstrom) ist, der durch die Hilfssensorzelle 81 fließt (JA im Schritt S16).
Das Korrekturkennfeld ist ein zweidimensionaler Datensatz, der die Beziehung zwischen der Heizeinrichtungstemperatur oder dem Steuerstrom und dem Offset-Strom beispielsweise wie in den Graphen zeigt, die in den 8 und 9 gezeigt sind. Alternativ kann das Korrekturkennfeld ein dreidimensionaler Datensatz sein, der eine umfangreiche Beziehung zwischen der Heizeinrichtungstemperatur, dem Steuerstrom und dem Offset-Strom zeigt. Details einer Beschreibung davon sind nicht speziell beschränkt, solange der Konzentrationsberechnungsteil 116 eine Korrektur in einer geeigneten Weise durchführen kann.
Das Korrekturkennfeld wird im Vorhinein vor der tatsächlichen Verwendung des Gassensors 100 durch Messen des NOx-Stroms Ip2 bei verschiedenen Heizeinrichtungstemperaturen und Steuerströmen unter Verwendung von Modellgasen, die kein NOx enthalten, erzeugt und wird durch die Steuereinrichtung 110 gespeichert (insbesondere durch deren Speicher).
Beispielsweise in einem Fall, bei dem der Graph, der in der 8 gezeigt ist, als Korrekturkennfeld in einem Gassensor 100 angewandt wird, in dem der Offset-Stromwert als 0,04 µA bei der Bedingung ermittelt wird, dass die Elementbetriebstemperatur 800 °C beträgt, wird dann, wenn die Elementbetriebstemperatur im Schritt S5 als Ergebnis der Bestimmung im Schritt S3 auf 850 °C erhöht wird, der Offset-Stromwert auf der Basis des Korrekturkennfelds zu 0,08 µA geändert. Der auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaften erhaltene NOx-Konzentrationswert wird unter Verwendung des neuen Offset-Stromwerts korrigiert. Eine Verminderung der NOx-Messgenauigkeit, die durch eine Zunahme des Offset-Stromwerts verursacht wird, wird dadurch in einer geeigneten Weise unterdrückt.
Zur Durchführung einer Korrektur gibt es verschiedene spezifische Wege. Beispielsweise kann der NOx-Konzentrationswert auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaften nach dem Subtrahieren der Zunahme des Offset-Stromwerts von dem Wert des NOx-Stroms Ip2 erhalten werden, oder nach der Korrektur der Empfindlichkeitseigenschaften selbst unter Verwendung des neuen Offset-Stromwerts kann der NOx-Konzentrationswert auf der Basis der Empfindlichkeitseigenschaften nach der Korrektur erhalten werden.
Wenn der NOx-Konzentrationswert korrigiert worden ist, endet eine Reihe von Vorgängen (Schritt S18).
Auch in einem Fall, bei dem das Ziel der Einstellung im Schritt S5 die elektromotorische Kraft V1 (Steuerspannung) ist (NEIN im Schritt S16), endet die Verarbeitung so, wie sie ist (Schritt S18).
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Steuersituation-Diagnoseverarbeitung in einer ähnlichen Weise wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt und folglich wird in einer geeigneten Weise unterdrückt, dass die Betriebssteuerung des Sensorelements durch die Steuereinrichtung in dem Gassensor in der ungeeigneten Situation durchgeführt wird, in der eine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht wird.
Darüber hinaus wird selbst in einem Fall, bei dem der Offset-Strom mit der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung zunimmt, eine Verminderung der NOx-Messgenauigkeit, die durch die Zunahme verursacht wird, in einer geeigneten Weise unterdrückt.
<Modifizierung>
In der vorstehend genannten Ausführungsform ist die Messelektrode 44 so in dem zweiten Innenraum 40 angeordnet, dass sie mit dem vierten Diffusionseinstellteil 45 bedeckt ist, der als der poröse Schutzfilm wirkt und den vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, und die Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt, wird durch den vierten Diffusionseinstellteil 45 beschränkt. Alternativ kann jedoch ein dritter Innenraum bereitgestellt werden, der mit dem zweiten Innenraum 40 beispielsweise durch einen schlitzartigen oder porösen Diffusionseinstellteil in Verbindung steht, der auf das Messgas einen Diffusionswiderstand ausübt, der zu dem Diffusionswiderstand äquivalent ist, der durch den vierten Diffusionseinstellteil 45 bereitgestellt wird, und die Messelektrode 44 kann in dem dritten Innenraum bereitgestellt werden.
[Beispiele]
Ein Gassensor 100 (nachstehend ein neuer Sensor), der ein neues Sensorelement 101 umfasst, und ein Gassensor 100 (nachstehend ein abgebauter bzw. verschlechterter Sensor), der durch Anordnen eines neuen Sensorelements 101, das bei den gleichen Bedingungen hergestellt worden ist, in Luft und Durchführen eines kontinuierlichen Betriebstests für 3000 Stunden bei 800 °C zum Reproduzieren eines abgebauten bzw. verschlechterten Zustands erhalten wurde, wurden hergestellt und für jeden der Gassensoren 100 wurde eine Modellgasmessung mit vier Modellgasen mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen von 0 %, 5 %, 10 % und 18 %, während eine konstante NO-Konzentration von 500 ppm vorlag (wobei der Rest in jedem der Modellgase N₂ ist), durchgeführt. In jedem Fall betrug die Elementbetriebstemperatur 800 °C, der Zielwert der elektromotorischen Kraft V1 in der Hilfssensorzelle 81 betrug 350 mV und ein Zielwert des Hilfspumpstroms Ip1 betrug 7 µA.
Bezüglich des abgebauten bzw. verschlechterten Sensors wurden eine Modellgasmessung (nachstehend Beispiel 1), bei der die Betriebstemperatur auf 850 °C geändert wurde, eine Modellgasmessung (nachstehend Beispiel 2), bei welcher der Zielwert der elektromotorischen Kraft V1 in der Hilfssensorzelle 81 auf 400 mV geändert wurde, und eine Modellgasmessung (nachstehend Beispiel 3), bei welcher der Hilfspumpstrom Ip1, der durch die Hilfssensorzelle 81 fließt, auf 14 µA geändert wurde, durchgeführt, so dass sie den jeweiligen drei Einstellverfahren in dem Schritt S5 der Steuersituation-Diagnoseverarbeitung entsprachen, die in der vorstehend genannten Ausführungsform durchgeführt wurden. Jeder der Fälle basierte auf der Annahme, dass die Diagnoseschwelle auf 950 mV eingestellt war.
Die 11A bis 11C sind Auftragungen von NOx-Strömen Ip2, die durch die Modellgasmessung erhalten worden sind, gegen die Sauerstoffkonzentrationen der Modellgase. Die 11A, 11B und 11C zeigen jeweils Ergebnisse von Beispiel 1, Beispiel 2, bzw. Beispiel 3 zusammen mit einem Ergebnis für den neuen Sensor und ein Ergebnis für den abgebauten bzw. verschlechterten Sensor vor der Einstellverarbeitung. In jeder der 11A bis 11C ist das Ergebnis für den neuen Sensor als „NEU“ gezeigt und das Ergebnis für den abgebauten bzw. verschlechterten Sensor ist als „VERGLEICHSBEISPIEL“ gezeigt.
Wie es in der 11A für den neuen Sensor repräsentativ gezeigt ist, gab es eine lineare Änderung einer monotonen Zunahme zwischen dem NOx-Strom Ip2 und der Sauerstoffkonzentration und der Bestimmtheitskoeffizient R², der durch ein Ergebnis einer Auftragung bestimmt wurde, wies einen hohen Zahlenwert von 0,999 auf, während in einem Fall des abgebauten bzw. verschlechterten Sensors der Wert des NOx-Stroms Ip2 im Allgemeinen kleiner war als derjenige für den neuen Sensor und konstant wurde, wenn die Sauerstoffkonzentration zwischen 10 % und 18 % lag, während er eine Tendenz zu einer monotonen Zunahme aufwies, wenn die Sauerstoffkonzentration 10 % oder weniger betrug. Die Hauptpumpspannung Vp0 wies einen maximalen Wert von 900 mV auf, während der Bestimmtheitskoeffizient R² auf 0,900 beschränkt war.
Wie es in den 11A bis 11C gezeigt ist, war jedoch in den Beispielen 1 bis 3, bei denen drei Arten der Einstellverarbeitung für den abgebauten bzw. verschlechterten Sensor durchgeführt wurden, der Wert des NOx-Stroms Ip2 kleiner als derjenige für den neuen Sensor, jedoch wurde die Tendenz zu einer monotonen Zunahme, die bei dem abgebauten bzw. verschlechterten Sensor nur dann vorlag, wenn die Sauerstoffkonzentration 10 % oder weniger betrug, aufrechterhalten, wenn die Sauerstoffkonzentration zwischen 10 % und 18 % lag. Die Bestimmtheitskoeffizienten in den Beispielen 1, 2 und 3 betrugen 0,993, 0,980 und 0,973, was mit dem Bestimmtheitskoeffizienten für den neuen Sensor nahezu äquivalent war. Die Werte der Hauptpumpspannung Vp0, wenn die Sauerstoffkonzentration 18 % betrug, in den Beispielen 1, 2 und 3 betrugen 700 mV, 765 mV bzw. 780 mV, was kleiner als 900 mV war.
Die Ergebnisse legen nahe, dass die drei Arten der Einstellverarbeitung, die im Schritt S5 durchgeführt wird, die Steuerung des Gassensors verbessern können und ferner die Messgenauigkeit der NOx-Konzentration bei dem Gassensor, der im Zeitverlauf abgebaut worden ist bzw. sich verschlechtert hat, sicherstellen können.
Der Einfluss der allgemeinen Verminderung des Werts des NOx-Stroms Ip2 auf die Messung kann durch Anwenden der Empfindlichkeitseigenschaften gemäß der Verminderung des Werts des Stroms beseitigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3050781 [0002]

Claims

Gassensor des Grenzstromtyps, der die Konzentration von NOx in einem Messgas misst, wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement mit einem Basisteil, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist, wobei das Sensorelement umfasst: einen Gaseinlass, durch den das Messgas von einem Außenraum eingeführt wird; einen ersten Innenraum, der bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand mit dem Gaseinlass in Verbindung steht; eine Hauptpumpzelle als eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode, die so angeordnet ist, dass sie auf den ersten Innenraum gerichtet ist, eine Pumpelektrode außerhalb des Raums, die so angeordnet ist, dass sie auf einen Raum, der von dem ersten Innenraum verschieden ist, gerichtet ist, und den Festelektrolyten, der zwischen der inneren Pumpelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Messelektrode, die sich innerhalb des Sensorelements befindet, wobei sich mindestens ein Diffusionseinstellteil zwischen der Messelektrode und dem ersten Innenraum befindet; eine Messpumpzelle als elektrochemische Pumpzelle, welche die Messelektrode, die Pumpelektrode außerhalb des Raums und den Festelektrolyten, der zwischen der Messelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Sensorelements angeordnet ist und mit einem Referenzgas in Kontakt sein kann; und einen Heizeinrichtungsteil, der in dem Sensorelement eingebettet ist und das Sensorelement erwärmt; und eine Steuereinrichtung, die den Betrieb des Gassensors steuert, wobei die Steuereinrichtung umfasst: ein Bestimmungselement, das zum Durchführen einer Bedingungsbestimmungsverarbeitung des Bestimmens, ob der Gassensor eine vorgegebene Diagnosebedingung erfüllt, wenn sich der Gassensor in einem Betriebszustand befindet, der eine NOx-Konzentration messen kann, ausgebildet ist; ein Diagnoseelement, das zum Durchführen einer Diagnoseverarbeitung des Prüfens einer Steuersituation mit dem Gassensor in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Gassensor die Diagnosebedingung erfüllt, ausgebildet ist; und ein Einstellelement, das zum Durchführen einer Einstellverarbeitung des Einstellens einer Bedingung, bei welcher der Gassensor gesteuert wird, gemäß eines Diagnoseergebnisses bei der Diagnoseverarbeitung ausgebildet ist, wobei der Gassensor mindestens dann in den Betriebszustand gebracht wird, bei dem die NOx-Konzentration gemessen werden kann, wenn: der Heizeinrichtungsteil das Sensorelement auf eine vorgegebene Elementbetriebstemperatur erwärmt; eine Hauptpumpspannung derart an die Hauptpumpzelle angelegt wird, dass eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum konstant ist; und eine Messpumpspannung derart an die Messpumpzelle angelegt wird, dass Sauerstoff, der durch die Zersetzung von NOx in der Messelektrode erzeugt wird, hinausgepumpt wird, bei der Diagnoseverarbeitung das Diagnoseelement die Hauptpumpspannung und eine Diagnoseschwelle vergleicht, die im Vorhinein als ein Wert einer Spannung, der keine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht, eingestellt worden ist, das Einstellelement ein Temperatureinstellelement umfasst, das eine Temperatureinstellverarbeitung als die Einstellverarbeitung durchführt, und die Temperatureinstellverarbeitung eine Verarbeitung ist, die in einem Fall, bei dem festgestellt wird, dass die Hauptpumpspannung in der Diagnoseverarbeitung gleich der Diagnoseschwelle oder mehr ist, bewirken soll, dass die Hauptpumpspannung kleiner als die Diagnoseschwelle ist, und zwar mindestens in einer Weise, dass der Heizeinrichtungsteil die Elementbetriebstemperatur in dem Betriebszustand um ein vorgegebenes Erhöhungsausmaß erhöht.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement ferner umfasst: einen zweiten Innenraum, der mit dem ersten Innenraum bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand in Verbindung steht; und eine Hilfspumpzelle als elektrochemische Pumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode, die so angeordnet ist, dass sie auf den zweiten Innenraum gerichtet ist, die Pumpelektrode außerhalb des Raums und den Festelektrolyten, der zwischen der Hilfspumpelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst, ein Diffusionseinstellteil mindestens zwischen der Messelektrode und dem zweiten Innenraum angeordnet ist, wobei der Gassensor ferner umfasst: eine erste variable Stromversorgung zum Anlegen der Hauptpumpspannung zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der inneren Pumpelektrode; eine zweite variable Stromversorgung zum Anlegen einer Hilfspumpspannung zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der Hilfspumpelektrode; und eine dritte variable Stromversorgung zum Anlegen der Messpumpspannung zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der Messelektrode, wobei das Einstellelement ferner umfasst: ein Element zum Einstellen einer elektromotorischen Kraft, das zum Durchführen einer elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung als die Einstellverarbeitung ausgebildet ist; und ein Hilfspumpstrom-Einstellelement, das zum Durchführen einer Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung als die Einstellverarbeitung ausgebildet ist, wobei der Gassensor ferner dann in den Betriebszustand versetzt wird, der die NOx-Konzentration messen kann, wenn: die erste variable Stromversorgung die Hauptpumpspannung derart anlegt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum konstant ist; die zweite variable Stromversorgung die Hilfspumpspannung derart anlegt, dass eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum konstant ist; und die dritte variable Stromversorgung die Messpumpspannung derart anlegt, dass Sauerstoff, der durch die Zersetzung von NOx in der Messelektrode erzeugt wird, hinausgepumpt wird, wobei die elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung eine Verarbeitung zum Fördern eines Hinauspumpens von Sauerstoff mit der Hilfspumpzelle und dadurch Bewirken, dass die Hauptpumpspannung kleiner ist als die Diagnoseschwelle, in einer Weise ist, bei der ein Zielwert einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird, die gemäß einer Sauerstoff-Zielkonzentration in dem zweiten Innenraum eingestellt ist, erhöht wird, wobei die Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung eine Verarbeitung zum Fördern des Hinauspumpens von Sauerstoff mit der Hilfspumpzelle und dadurch Bewirken, dass die Hauptpumpspannung kleiner ist als die Diagnoseschwelle, in einer Weise ist, bei der ein Zielwert eines Hilfspumpstroms, der durch die Hilfspumpzelle fließt, erhöht wird, und das Einstellelement als die Einstellverarbeitung mindestens eine der elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung, die durch das Element zum Einstellen einer elektromotorischen Kraft durchgeführt wird, und der Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung, die durch das Hilfspumpstrom-Einstellelement durchgeführt wird, anstelle oder zusätzlich zu der Temperatureinstellverarbeitung durchführt, die durch das Temperatureinstellelement durchgeführt wird.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei in der elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung ein Zielwert einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird, die gemäß einer Sauerstoff-Zielkonzentration in dem ersten Innenraum eingestellt wird, vermindert wird.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung ferner umfasst: ein Konzentrationsberechnungselement, das zum Erhalten eines Werts der Konzentration von NOx in dem Messgas auf der Basis einer Größe eines Stroms, der durch die Messpumpzelle fließt, ausgebildet ist, und das Konzentrationsberechnungselement den Wert der Konzentration von NOx, der durch das Konzentrationsberechnungselement erhalten wird, auf der Basis von mindestens einem der Elementbetriebstemperatur nach der Zunahme in der Temperatureinstellverarbeitung und des Hilfspumpstroms nach der Zunahme in der Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung korrigiert.
Gassensor nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung ein Korrekturkennfeld speichert, das im Vorhinein ermittelt worden ist und eine Beziehung zwischen einem Offset-Strom und mindestens einem der Elementbetriebstemperatur und des Hilfspumpstroms angibt, wobei der Offset-Strom ein Strom ist, der durch die Messpumpzelle fließt, wenn das Messgas kein NOx enthält, und das Konzentrationsberechnungselement den Wert der Konzentration von NOx auf der Basis des Korrekturkennfelds korrigiert.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elementbetriebstemperatur in einem Bereich von 700 °C bis 900 °C eingestellt ist, in der Bedingungsbestimmungsverarbeitung bestimmt wird, dass die Diagnosebedingung mindestens dann erfüllt ist, wenn die Temperatur des Sensorelements die Elementbetriebstemperatur erreicht hat und das Messgas, das in das Sensorelement eingeführt worden ist, eine Luftatmosphäre ist, und die Diagnoseschwelle in einem Bereich von 750 mV bis 950 mV liegt.
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Gassensors des Grenzstromtyps, der die Konzentration von NOx in einem Messgas misst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Bestimmen, ob der Gassensor eine vorgegebene Diagnosebedingung erfüllt, wenn der Gassensor in einem Betriebszustand vorliegt, bei dem eine NOx-Konzentration gemessen werden kann; b) Prüfen einer Steuersituation des Gassensors in einem Fall, bei dem bestimmt wird, dass der Gassensor die Diagnosebedingung in dem Schritt a) erfüllt; und c) Einstellen einer Bedingung, bei welcher der Gassensor gesteuert wird, gemäß einem Diagnoseergebnis in dem Schritt b), wobei der Gassensor umfasst: ein Sensorelement mit einem Basisteil, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten hergestellt ist, wobei das Sensorelement umfasst: einen Gaseinlass, durch den das Messgas von einem Außenraum eingeführt wird; einen ersten Innenraum, der bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand mit dem Gaseinlass in Verbindung steht; eine Hauptpumpzelle als eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode, die so angeordnet ist, dass sie auf den ersten Innenraum gerichtet ist, eine Pumpelektrode außerhalb des Raums, die so angeordnet ist, dass sie auf einen Raum, der von dem ersten Innenraum verschieden ist, gerichtet ist, und den Festelektrolyten, der zwischen der inneren Pumpelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Messelektrode, die sich innerhalb des Sensorelements befindet, wobei sich mindestens ein Diffusionseinstellteil zwischen der Messelektrode und dem ersten Innenraum befindet; eine Messpumpzelle als elektrochemische Pumpzelle, welche die Messelektrode, die Pumpelektrode außerhalb des Raums und den Festelektrolyten, der zwischen der Messelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums angeordnet ist, umfasst; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Sensorelements angeordnet ist und mit einem Referenzgas in Kontakt sein kann; und einen Heizeinrichtungsteil, der in dem Sensorelement eingebettet ist und das Sensorelement erwärmt, wobei der Gassensor mindestens dann in den Betriebszustand versetzt wird, der die NOx-Konzentration messen kann, wenn: der Heizeinrichtungsteil das Sensorelement auf eine vorgegebene Elementbetriebstemperatur erwärmt; eine Hauptpumpspannung zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der inneren Pumpelektrode angelegt wird, so dass eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum konstant ist; und eine Messpumpspannung zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der Messelektrode angelegt wird, so dass Sauerstoff, der durch die Zersetzung von NOx in der Messelektrode erzeugt wird, hinausgepumpt wird, in dem Schritt b) die Hauptpumpspannung und eine Diagnoseschwelle, die im Vorhinein als ein Wert einer Spannung eingestellt wird, der keine Zersetzung von NOx in der Hauptpumpzelle verursacht, verglichen werden, und in dem Schritt c) die Temperatureinstellverarbeitung in einem Fall, bei dem in dem Schritt b) bestimmt wird, dass die Hauptpumpspannung gleich der Diagnoseschwelle oder höher als diese ist, so durchgeführt wird, dass bewirkt wird, dass die Hauptpumpspannung kleiner ist als die Diagnoseschwelle, und zwar mindestens in einer Weise, bei welcher der Heizeinrichtungsteil die Elementbetriebstemperatur in dem Betriebszustand um ein vorgegebenes Erhöhungsausmaß erhöht.
Gassensor-Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 7, wobei das Sensorelement ferner umfasst: einen zweiten Innenraum, der mit dem ersten Innenraum bei einem vorgegebenen Diffusionswiderstand in Verbindung steht; und eine Hilfspumpzelle als eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode, die so angeordnet ist, dass sie auf den zweiten Innenraum gerichtet ist, die Pumpelektrode außerhalb des Raums und den Festelektrolyten, der sich zwischen der Hilfspumpelektrode und der Pumpelektrode außerhalb des Raums befindet, umfasst, ein Diffusionseinstellteil mindestens zwischen der Messelektrode und dem zweiten Innenraum angeordnet ist, in dem Betriebszustand, bei dem die NOx-Konzentration gemessen werden kann, die Hilfspumpspannung derart zwischen der Pumpelektrode außerhalb des Raums und der Hilfspumpelektrode angelegt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum konstant ist, in dem Schritt c) anstelle oder zusätzlich zu der Temperatureinstellverarbeitung, mindestens eine Verarbeitung der Folgenden durchgeführt wird: die elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung fördert das Hinauspumpen von Sauerstoff mit der Hilfspumpzelle und bewirkt dadurch, dass die Hauptpumpspannung kleiner als die Diagnoseschwelle ist, und zwar in einer Weise, bei der ein Zielwert der elektromotorischen Kraft, die zwischen der Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird, die gemäß einer Sauerstoff-Zielkonzentration in dem zweiten Innenraum eingestellt wird, erhöht wird, und die Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung das Hinauspumpen von Sauerstoff mit der Hilfspumpzelle fördert und dadurch bewirkt, dass die Hauptpumpspannung kleiner als die Diagnoseschwelle ist, und zwar in einer Weise, bei der ein Zielwert eines Hilfspumpstroms, der durch die Hilfspumpzelle fließt, erhöht wird.
Gassensor-Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 8, wobei in der elektromotorische Kraft-Einstellverarbeitung ein Zielwert der elektromotorischen Kraft, die zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird, die gemäß einer Sauerstoff-Zielkonzentration in dem ersten Innenraum eingestellt wird, vermindert wird.
Gassensor-Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Gassensor einen Wert der Konzentration von NOx in dem Messgas auf der Basis einer Größe eines Stroms erhält, der durch die Messpumpzelle fließt, und der Gassensor die Konzentration von NOx mindestens auf der Basis der Elementbetriebstemperatur nach der Zunahme in einem Fall, bei dem die Temperatureinstellverarbeitung durchgeführt wird, und mindestens auf der Basis des Hilfspumpstroms nach der Zunahme in einem Fall, bei dem die Hilfspumpstrom-Einstellverarbeitung durchgeführt wird, korrigiert.
Gassensor-Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 10, wobei ein Korrekturkennfeld, das eine Beziehung zwischen einem Offset-Strom und mindestens einem der Elementbetriebstemperatur und dem Hilfspumpstrom angibt, im Vorhinein erstellt wird, wobei der Offset-Strom ein Strom ist, der durch die Messpumpzelle fließt, wenn das Messgas kein NOx enthält, und der Gassensor den Wert der Konzentration von NOx auf der Basis des Korrekturkennfelds korrigiert.
Gassensor-Betriebssteuerverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Elementbetriebstemperatur in einem Bereich von 700 °C bis 900 °C eingestellt wird, in dem Vorgang a) bestimmt wird, dass die Diagnosebedingung mindestens dann erfüllt ist, wenn die Temperatur des Sensorelements die Elementbetriebstemperatur erreicht hat und das Messgas, das in das Sensorelement eingeführt worden ist, eine Luftatmosphäre ist, und die Diagnoseschwelle in einem Bereich von 750 mV bis 950 mV eingestellt wird.