DE102021001401A1

DE102021001401A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102021001401A1
Application number: DE102021001401.4A
Authority: DE
Inventors: Daichi Ichikawa; Yuichiro Kondo; Nobuhiko Mori
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-09-23
Also published as: US20210293744A1

Abstract

Ein Gassensor (10), der Konzentrationen einer ersten Zielkomponente und einer zweiten Zielkomponente misst, umfasst einen ersten Umschalter (SW1), der den Betrieb einer ersten Voreinstellpumpzelle (80A) steuert, so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, einen zweiten Umschalter (SW2), der den Betrieb einer zweiten Voreinstellpumpzelle (80B) steuert, so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, und eine Umschaltsteuervorrichtung (101), die das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) steuert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der jeweilige Konzentrationen einer Mehrzahl von Zielkomponenten in einem zu messenden Gas messen kann.
Beschreibung des Standes der Technik:
Herkömmlich sind Gassensoren bekannt, die zum Erfassen von NOx und NH₃ dienen (vgl. beispielsweise die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2001-133447). Insbesondere ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-133447 offenbart, dass ein erster Gassensor mit einer Pumpe, die immer EIN ist, und ein zweiter Gassensor mit einer Pumpe, die immer AUS ist, zum Erfassen von NOx und NH₃ verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie es in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2001-133447 offenbart ist, schreitet in dem Fall der Verwendung eines ersten Gassensors mit einer Pumpe, die immer EIN ist, und eines zweiten Gassensors mit einer Pumpe, die immer AUS ist, ein Elektrodenabbau des ersten Gassensors mit der Pumpe, die immer EIN ist, in nachteiliger Weise stärker voran als derjenige des zweiten Gassensors, so dass bei einer Gesamtbetrachtung Bedenken dahingehend bestehen, dass die Gebrauchsdauer des Gassensors verkürzt werden könnte.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme gemacht und hat die Aufgabe des Bereitstellens eines Gassensors, in dem die Konzentration einer nicht verbrennbaren Komponente, wie z.B. eines Abgases, und einer Mehrzahl von Komponenten (beispielsweise, NO, NO₂ und NH₃), die in der Gegenwart von Sauerstoff vorliegen, über einen längeren Zeitraum genau gemessen werden kann.
Ein Gassensor gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor, der zum Messen von Konzentrationen einer ersten Zielkomponente und einer zweiten Zielkomponente ausgebildet ist, umfassend:

mindestens ein Sensorelement;
eine Temperatursteuervorrichtung, die zum Steuern einer Temperatur des Sensorelements ausgebildet ist;
mindestens eine Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung; und
eine Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung;
wobei das Sensorelement einen Strukturkörper, der aus mindestens einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, und mindestens eine Sensorzelle, die in dem Strukturkörper ausgebildet ist, umfasst;
die Sensorzelle in einer Richtung, in der ein Gas eingeführt wird, mit einer Gaseinführungsöffnung, einem ersten Diffusionsrateneinstellelement, einer ersten Kammer, einem zweiten Diffusionsrateneinstellelement, einer zweiten Kammer, einem dritten Diffusionsrateneinstellelement und einer Messkammer versehen ist;
die Messkammer der mindestens einen Sensorzelle mit Zielkomponente-Messpumpzellen versehen ist;
die Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung Sauerstoffkonzentrationen der ersten Kammer und der zweiten Kammer der mindestens einen Sensorzelle steuert; und
in der Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung:
- eine Konzentration der zweiten Zielkomponente auf der Basis einer Differenz zwischen einem Stromwert, der zu einer der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt, und einem Stromwert, der zu einer anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt, erfasst wird;
- eine Gesamtkonzentration der ersten Zielkomponente und der zweiten Zielkomponente von dem Stromwert erfasst wird, der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt; und
- eine Konzentration der ersten Zielkomponente durch Subtrahieren der Konzentration der zweiten Zielkomponente von der Gesamtkonzentration erfasst wird.

Gemäß dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Konzentration einer nicht verbrennbaren Komponente, wie z.B. eines Abgases, und einer Mehrzahl von Komponenten (beispielsweise, NO, NO₂ und NH₃), die in der Gegenwart von Sauerstoff vorliegen, über einen längeren Zeitraum genau gemessen werden.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt sind.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, in der ein Strukturbeispiel eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist (eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I in den 2 und 3: Gestrichelte Linien sind weggelassen);
2 ist eine Querschnittsansicht (eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in der 1), die ein Strukturbeispiel einer ersten Sensorzelle des Gassensors zeigt;
3 ist eine Querschnittsansicht (eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in der 1), die ein Strukturbeispiel einer zweiten Sensorzelle des Gassensors zeigt;
4 ist ein Aufbaudiagramm, das schematisch den Gassensor zeigt;
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch Reaktionen innerhalb einer ersten Voreinstellkammer, innerhalb einer ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und innerhalb einer ersten Messkammer einer ersten Sensorzelle sowie Reaktionen innerhalb einer zweiten Voreinstellkammer, einer zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und innerhalb einer zweiten Messkammer einer zweiten Sensorzelle in dem Fall zeigt, bei dem eine erste Voreinstellpumpzelle EIN geschaltet ist und eine zweite Voreinstellpumpzelle AUS geschaltet ist;
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das schematisch Reaktionen innerhalb einer ersten Voreinstellkammer, innerhalb einer ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und innerhalb einer ersten Messkammer einer ersten Sensorzelle sowie Reaktionen innerhalb einer zweiten Voreinstellkammer, einer zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und innerhalb einer zweiten Messkammer einer zweiten Sensorzelle in dem Fall zeigt, bei dem die erste Voreinstellpumpzelle AUS geschaltet ist und die zweite Voreinstellpumpzelle EIN geschaltet ist;
7 ist ein Graph, der ein Kennfeld zeigt, das durch den Gassensor genutzt wird;
8 ist ein erläuterndes Diagramm, welches das Kennfeld, das durch den Gassensor genutzt wird, in der Form einer Tabelle zeigt;
9 ist ein erläuterndes Diagramm, das Messergebnisse in der Form einer Tabelle zum Bestätigen der Verlässlichkeit des Kennfelds zeigt;
10A ist ein Ablaufdiagramm, das den Beginn des Betriebs und ein Ende des Betriebs eines Fahrzeugs oder dergleichen bei einem ersten Umschaltzeitablauf zeigt;
10B ist ein Ablaufdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle zeigt;
10C ist ein Blockdiagramm einer Umschaltsteuerung;
11 ist ein Flussdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle bei dem ersten Umschaltzeitablauf zeigt;
12A ist ein Ablaufdiagramm, das einen Beginn des Betriebs und ein Ende des Betriebs eines Fahrzeugs oder dergleichen bei einem zweiten Umschaltzeitablauf zeigt;
12B ist ein Ablaufdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle zeigt;
12C ist ein Blockdiagramm einer Umschaltsteuerung;
13 ist ein Flussdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle bei dem zweiten Umschaltzeitablauf zeigt;
14A ist ein Ablaufdiagramm, das einen Beginn des Betriebs und ein Ende des Betriebs eines Fahrzeugs oder dergleichen bei einem dritten Umschaltzeitablauf zeigt;
14B ist ein Ablaufdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle zeigt;
14C ist ein Blockdiagramm einer Umschaltsteuerung;
15 ist ein Flussdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle bei dem dritten Umschaltzeitablauf zeigt;
16A ist ein Ablaufdiagramm, das einen Beginn des Betriebs und ein Ende des Betriebs eines Fahrzeugs oder dergleichen bei einem vierten Umschaltzeitablauf zeigt;
16B ist ein Ablaufdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle zeigt;
16C ist ein Blockdiagramm einer Umschaltsteuerung;
17 ist ein Flussdiagramm, das einen EIN/AUS-Umschaltzeitablauf einer ersten Voreinstellpumpzelle und einer zweiten Voreinstellpumpzelle bei dem vierten Umschaltzeitablauf zeigt;
18 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel einer ersten Modifizierung des Gassensors zeigt; und
19 ist eine Querschnittsansicht, die ein Strukturbeispiel einer zweiten Modifizierung des Gassensors zeigt.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert dargestellt und beschrieben.
Zunächst werden ein beispielhafter Basisaufbau und Messprinzipien eines Gassensors 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Wie es in den 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 10 ein Sensorelement 12. Das Sensorelement 12 umfasst einen Strukturkörper 14, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, und eine erste Sensorzelle 15A und eine zweite Sensorzelle 15B, die in dem Strukturkörper 14 ausgebildet sind. Selbstverständlich kann eine Struktur bereitgestellt werden, bei der von zwei Strukturkörpern 14 die erste Sensorzelle 15A in einem der Strukturkörper 14 ausgebildet ist und die zweite Sensorzelle 15B in einem anderen der Strukturkörper 14 ausgebildet ist. Ein solcher Aufbau wird später beschrieben.
In diesem Fall sind, wenn eine Dickenrichtung des Strukturkörpers 14 als vertikale Richtung festgelegt ist und eine Breitenrichtung des Strukturkörpers 14 als horizontale Richtung festgelegt ist, innerhalb des Strukturkörpers 14 die erste Sensorzelle 15A und die zweite Sensorzelle 15B in einem Zustand angeordnet, bei dem sie in der horizontalen Richtung ausgerichtet sind.
Wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst die erste Sensorzelle 15A eine erste Gaseinführungsöffnung 16A, die in dem Strukturkörper 14 ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, eine erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A, die innerhalb des Strukturkörpers 14 ausgebildet ist und mit der ersten Gaseinführungsöffnung 16A in Verbindung steht, und eine erste Messkammer 20A, die innerhalb des Strukturkörpers 14 ausgebildet ist und mit der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A in Verbindung steht.
Die erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A umfasst eine erste Haupteinstellkammer 18Aa, die mit der ersten Gaseinführungsöffnung 16A in Verbindung steht, und eine erste Hilfseinstellkammer 18Ab, die mit der ersten Haupteinstellkammer 18Aa in Verbindung steht. Die erste Messkammer 20A steht mit der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab in Verbindung.
Ferner umfasst die erste Sensorzelle 15A eine erste Voreinstellkammer 22A, die zwischen der ersten Gaseinführungsöffnung 16A und der ersten Haupteinstellkammer 18Aa innerhalb des Strukturkörpers 14 bereitgestellt ist und die mit der ersten Gaseinführungsöffnung 16A in Verbindung steht.
Andererseits umfasst, wie es in den 1 und 3 gezeigt ist, die zweite Sensorzelle 15B eine zweite Gaseinführungsöffnung 16B, die in dem Strukturkörper 14 ausgebildet ist und in die ein zu messendes Gas eingeführt wird, eine zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B, die innerhalb des Strukturkörpers 14 ausgebildet ist und mit der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B in Verbindung steht, und eine zweite Messkammer 20B, die innerhalb des Strukturkörpers 14 ausgebildet ist und mit der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B in Verbindung steht.
Die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B umfasst eine zweite Haupteinstellkammer 18Ba, die mit der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B in Verbindung steht, und eine zweite Hilfseinstellkammer 18Bb, die mit der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba in Verbindung steht. Die zweite Messkammer 20B steht mit der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb in Verbindung.
Ferner umfasst die zweite Sensorzelle 15B eine zweite Voreinstellkammer 22B, die zwischen der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B und der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba innerhalb des Strukturkörpers 14 bereitgestellt ist und die mit der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B in Verbindung steht.
Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, ist der Strukturkörper 14 aus sechs Schichten ausgebildet, die eine erste Substratschicht 26a, eine zweite Substratschicht 26b, eine dritte Substratschicht 26c, eine erste Festelektrolytschicht 28, eine Abstandshalterschicht 30 und eine zweite Festelektrolytschicht 32 umfassen, die bei einer Betrachtung in der Zeichnung in dieser Reihenfolge von einer Unterseite gestapelt sind. Die jeweiligen Schichten sind jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen, zusammengesetzt.
Wie es in der 2 gezeigt ist, sind in der ersten Sensorzelle 15A zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28 auf einer distalen Endseite des Sensorelements 12 die erste Gaseinführungsöffnung 16A, ein erstes Diffusionsrateneinstellelement 34A, die erste Voreinstellkammer 22A, ein zweites Diffusionsrateneinstellelement 36A, die erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A, ein drittes Diffusionsrateneinstellelement 38A, und die erste Messkammer 20A bereitgestellt. Ferner ist ein viertes Diffusionsrateneinstellelement 40A zwischen der ersten Haupteinstellkammer 18Aa und der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab, welche die erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A bilden, bereitgestellt.
Die erste Gaseinführungsöffnung 16A, das erste Diffusionsrateneinstellelement 34A, die erste Voreinstellkammer 22A, das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36A, die erste Haupteinstellkammer 18Aa, das vierte Diffusionsrateneinstellelement 40A, die erste Hilfseinstellkammer 18Ab, das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38A und die erste Messkammer 20A sind in einer Weise, dass sie in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen, aneinander angrenzend ausgebildet. Ein Abschnitt von der ersten Gaseinführungsöffnung 16A, der zu der ersten Messkammer 20A führt, kann auch als erster Gasströmungsabschnitt bezeichnet werden.
Die erste Gaseinführungsöffnung 16A, die erste Voreinstellkammer 22A, die erste Haupteinstellkammer 18Aa, die erste Hilfseinstellkammer 18Ab und die erste Messkammer 20A sind Innenräume, die durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 30 bereitgestellt werden. Jedwede der ersten Voreinstellkammer 22A, der ersten Haupteinstellkammer 18Aa, der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab und der ersten Messkammer 20A ist in einer Weise angeordnet, dass jeweilige Oberteile davon durch eine untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 festgelegt sind, jeweilige Unterteile davon durch eine obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28 festgelegt sind, und jeweilige Seitenteile davon durch Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 30 festgelegt sind.
Entsprechend sind auch in Bezug auf die zweite Sensorzelle 15B, wie es in der 3 gezeigt ist, zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28 auf einer distalen Endseite des Sensorelements 12 die zweite Gaseinführungsöffnung 16B, ein erstes Diffusionsrateneinstellelement 34B, die zweite Voreinstellkammer 22B, ein zweites Diffusionsrateneinstellelement 36B, die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B, ein drittes Diffusionsrateneinstellelement 38B und die zweite Messkammer 20B bereitgestellt. Ferner ist ein viertes Diffusionsrateneinstellelement 40B zwischen der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba und der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb, welche die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B bilden, bereitgestellt.
Die zweite Gaseinführungsöffnung 16B, das erste Diffusionsrateneinstellelement 34B, die zweite Voreinstellkammer 22B, das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36B, die zweite Haupteinstellkammer 18Ba, das vierte Diffusionsrateneinstellelement 40B, die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb, das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38B und die zweite Messkammer 20B sind in einer Weise, dass sie in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen, aneinander angrenzend ausgebildet. Ein Abschnitt von der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B, der zu der zweiten Messkammer 20B führt, kann auch als zweiter Gasströmungsabschnitt bezeichnet werden.
Die zweite Gaseinführungsöffnung 16B, die zweite Voreinstellkammer 22B, die zweite Haupteinstellkammer 18Ba, die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb und die zweite Messkammer 20B sind Innenräume, die durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 30 bereitgestellt werden. Jedwede der zweiten Voreinstellkammer 22B, der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba, der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb und der zweiten Messkammer 20B ist in einer Weise angeordnet, dass jeweilige Oberteile davon durch eine untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 festgelegt sind, jeweilige Unterteile davon durch eine obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28 festgelegt sind, und jeweilige Seitenteile davon durch Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 30 festgelegt sind.
Zusammen mit der ersten Sensorzelle 15A und der zweiten Sensorzelle 15B ist jedwedes der ersten Diffusionsrateneinstellelemente (34A und 34B), der dritten Diffusionsrateneinstellelemente (38A und 38B) und der vierten Diffusionsrateneinstellelemente (40A und 40B) als ein oder zwei horizontal längliche(r) Schlitz(e) bereitgestellt (wobei Öffnungen davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung aufweisen). Die jeweiligen zweiten Diffusionsrateneinstellelemente (36A und 36B) sind als ein oder zwei horizontal längliche(r) Schlitz(e) bereitgestellt (wobei eine Öffnung davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung aufweist).
Ferner ist ein Referenzgas-Einführungsraum 41, welcher der ersten Sensorzelle 15A und der zweiten Sensorzelle 15B gemeinsam ist, zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 26c und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 30, an einer Position angeordnet, die weiter von der distalen Endseite entfernt ist als der erste Gasströmungsabschnitt bzw. der zweite Gasströmungsabschnitt. Der Referenzgas-Einführungsraum 41 ist ein Innenraum, in dem ein oberer Teil davon durch eine untere Oberfläche der Abstandshalterschicht 30 festgelegt ist, ein unterer Teil davon durch eine obere Oberfläche der dritten Substratschicht 26c festgelegt ist, und Seitenteile davon durch Seitenoberflächen der ersten Festelektrolytschicht 28 festgelegt sind. Beispielsweise wird Sauerstoff oder atmosphärische Luft als Referenzgas in den Referenzgas-Einführungsraum 41 eingeführt.
Die erste Gaseinführungsöffnung 16A und die zweite Gaseinführungsöffnung 16B sind Stellen, die in Bezug auf den Außenraum offen sind, und das zu messende Gas wird von dem Außenraum durch die erste Gaseinführungsöffnung 16A und die zweite Gaseinführungsöffnung 16B in die erste Sensorzelle 15A und die zweite Sensorzelle 15B gezogen.
Das erste Diffusionsrateneinstellelement 34A der ersten Sensorzelle 15A ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas ausübt, das von der ersten Gaseinführungsöffnung 16A in die erste Voreinstellkammer 22A eingeführt wird. Das erste Diffusionsrateneinstellelement 34B der zweiten Sensorzelle 15B ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas ausübt, das von der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B in die zweite Voreinstellkammer 22B eingeführt wird. Die erste Voreinstellkammer 22A und die zweite Voreinstellkammer 22B werden später beschrieben.
Das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36A der ersten Sensorzelle 15A ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas ausübt, das von der ersten Voreinstellkammer 22A in die erste Haupteinstellkammer 18Aa eingeführt wird. Das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36B der zweiten Sensorzelle 15B ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas ausübt, das von der zweiten Voreinstellkammer 22B in die zweite Haupteinstellkammer 18Ba eingeführt wird.
Die erste Haupteinstellkammer 18Aa ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas bereitgestellt, das von der ersten Gaseinführungsöffnung 16A eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer ersten Hauptpumpzelle 42A eingestellt. Die zweite Haupteinstellkammer 18Ba ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas bereitgestellt, das von der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer zweiten Hauptpumpzelle 42B eingestellt.
Die erste Hauptpumpzelle 42A umfasst eine erste elektrochemische Pumpzelle (elektrochemische Hauptpumpzelle), die durch Einbeziehen einer ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A, einer außenseitigen Pumpelektrode 46, die der ersten Sensorzelle 15A und der zweiten Sensorzelle 15B gemeinsam ist, und eines Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, der zwischen den zwei Pumpelektroden angeordnet ist, gebildet wird. Die erste innenseitige Hauptpumpelektrode 44A ist jeweils im Wesentlichen auf der gesamten Oberfläche einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28, einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 und Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 30, welche die erste Haupteinstellkammer 18Aa festlegen, bereitgestellt. Die gemeinsame außenseitige Pumpelektrode 46 erstreckt sich auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 von einem Bereich, welcher der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A entspricht, zu einem Bereich, der einer zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B (der zweiten Sensorzelle 15B) entspricht, und ist in einer Form bereitgestellt, die zu dem Außenraum freiliegt.
Die erste Hauptpumpzelle 42A legt eine erste Pumpspannung Vp1, die von einer ersten variablen Stromquelle 48A für die erste Sensorzelle zugeführt wird, die außerhalb des Sensorelements 12 bereitgestellt ist, an und durch Ermöglichen, dass ein erster Pumpstrom Ip1 zwischen der gemeinsamen außenseitigen Pumpelektrode 46 und der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A fließt, kann Sauerstoff im Inneren der ersten Haupteinstellkammer 18Aa in den Außenraum gepumpt werden oder alternativ Sauerstoff im Außenraum in die erste Haupteinstellkammer 18Aa gepumpt werden.
Ferner umfasst die erste Sensorzelle 15A eine erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A, die eine elektrochemische Sensorzelle ist. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A ist durch die erste innenseitige Hauptpumpelektrode 44A, eine gemeinsame Referenzelektrode 52, die zwischen der ersten Festelektrolytschicht 28 und einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 26c angeordnet ist, und einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, der zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, ausgebildet. Die gemeinsame Referenzelektrode 52 ist eine Elektrode mit einer in der Draufsicht im Wesentlichen rechteckigen Form, die aus einem porösen Cermet in der gleichen Weise wie die gemeinsame außenseitige Pumpelektrode 46 und dergleichen hergestellt ist. Ferner ist um den Umfang der gemeinsamen Referenzelektrode 52 eine gemeinsame Referenzgas-Einführungsschicht 54 bereitgestellt, die aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist und darüber hinaus mit dem gemeinsamen Referenzgas-Einführungsraum 41 verbunden ist. Insbesondere wird das Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 41 über die Referenzgas-Einführungsschicht 54 zu der Oberfläche der Referenzelektrode 52 eingeführt. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A erzeugt eine erste elektromotorische Kraft V1 zwischen der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A und der Referenzelektrode 52, die durch eine Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre innerhalb der ersten Haupteinstellkammer 18Aa und dem Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 41 verursacht wird.
Die erste elektromotorische Kraft V1, die in der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A erzeugt wird, ändert sich abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre, der in der ersten Haupteinstellkammer 18Aa vorliegt. Gemäß der vorstehend genannten ersten elektromotorischen Kraft V1 regelt die erste Sensorzelle 15A die erste variable Stromquelle 48A der ersten Hauptpumpzelle 42A. Folglich kann die erste Pumpspannung Vp1, die durch die erste variable Stromquelle 48A an die erste Hauptpumpzelle 42A angelegt wird, gemäß dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre in der ersten Haupteinstellkammer 18Aa gesteuert werden.
Das vierte Diffusionsrateneinstellelement 40A übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas aus, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der ersten Hauptpumpzelle 42A in der ersten Haupteinstellkammer 18Aa eingestellt bzw. gesteuert wird, und ist eine Stelle, die das zu messende Gas in die erste Hilfseinstellkammer 18Ab leitet.
Die erste Hilfseinstellkammer 18Ab ist als Raum zum weiteren Durchführen der Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch eine erste Hilfspumpzelle 56A in Bezug auf das zu messende Gas bereitgestellt, das durch das vierte Diffusionsrateneinstellelement 40A eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in der ersten Haupteinstellkammer 18Aa eingestellt worden ist. Gemäß diesem Merkmal kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und daher kann die erste Sensorzelle 15A die NOx-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit messen.
Die erste Hilfspumpzelle 56A ist eine elektrochemische Pumpzelle und ist durch eine erste Hilfspumpelektrode 58A, die im Wesentlichen auf der Gesamtheit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32, die auf die erste Hilfseinstellkammer 18Ab gerichtet ist, bereitgestellt ist, die gemeinsame außenseitige Pumpelektrode 46 und die zweite Festelektrolytschicht 32 ausgebildet.
Darüber hinaus ist in der gleichen Weise wie die erste innenseitige Hauptpumpelektrode 44A die erste Hilfspumpelektrode 58A auch aus einem Material ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem zu messenden Gas abschwächt.
Die erste Hilfspumpzelle 56A kann durch Anlegen einer gewünschten zweiten Spannung Vp2 zwischen der ersten Hilfspumpelektrode 58A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab in den Außenraum hinauspumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die erste Hilfseinstellkammer 18Ab hineinpumpen.
Ferner ist zum Einstellen bzw. Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50B zum Steuern der ersten Hilfspumpe durch die erste Hilfspumpelektrode 58A, die Referenzelektrode 52, die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30 und die erste Festelektrolytschicht 28 ausgebildet.
Darüber hinaus führt die erste Hilfspumpzelle 56A ein Pumpen durch eine zweite variable Stromquelle 48B durch, deren Spannung auf der Basis einer zweiten elektromotorischen Kraft V2 gesteuert wird, die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50B erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab so eingestellt bzw. gesteuert, dass er ein niedriger Partialdruck wird, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird zusammen damit ein zweiter Pumpstromwert Ip2 der ersten Hilfspumpzelle 56A zum Steuern der zweiten elektromotorischen Kraft V2 der zweiten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50B verwendet. Insbesondere wird der zweite Pumpstrom Ip2 als Steuersignal in die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50B eingespeist, und durch Steuern der zweiten elektromotorischen Kraft V2 wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das durch das vierte Diffusionsrateneinstellelement 40A in die erste Hilfseinstellkammer 18Ab eingeführt wird, so gesteuert, dass er stets konstant bleibt. Ferner wird dann, wenn die erste variable Stromquelle 48A der ersten Hauptpumpzelle 42A derart geregelt wird, dass der zweite Pumpstromwert Ip2 konstant wird, die Genauigkeit der Sauerstoffpartialdruckeinstellung bzw. -steuerung innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab weiter verbessert. Wenn die erste Sensorzelle 15A als NOx-Sensor verwendet wird, wird durch die Wirkungen der ersten Hauptpumpzelle 42A und der ersten Hilfspumpzelle 56A die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab für jede der jeweiligen Bedingungen mit einer hohen Genauigkeit bei einem vorgegebenen Wert gehalten.
Das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38A übt auf das zu messende Gas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der ersten Hilfspumpzelle 56A in der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab eingestellt bzw. gesteuert wird, einen vorgegebenen Diffusionswiderstand aus und ist eine Stelle, die das zu messende Gas in die erste Messkammer 20A leitet.
In der ersten Sensorzelle 15A wird die Messung der NOx-Konzentration vorwiegend durch den Betrieb einer ersten Messpumpzelle 60A durchgeführt, die in der ersten Messkammer 20A bereitgestellt ist. Wie es in der 2 gezeigt ist, ist die erste Messpumpzelle 60A eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine erste Messelektrode 62A, die gemeinsame außenseitige Pumpelektrode 46, die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30 und die erste Festelektrolytschicht 28 ausgebildet ist. Die erste Messelektrode 62A ist beispielsweise direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 28 innerhalb der ersten Messkammer 20A bereitgestellt und ist eine poröse Cermetelektrode, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem zu messenden Gas höher ist als dasjenige der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A. Die erste Messelektrode 62A wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre oberhalb der ersten Messelektrode 62A vorliegt.
Die erste Messpumpzelle 60A kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre in der Umgebung der ersten Messelektrode 62A (innerhalb der ersten Messkammer 20A) erzeugt wird, hinauspumpen, und kann die erzeugte Menge als ersten Pumpstromwert Ip3 und insbesondere als Sensorausgabe (einen ersten Messpumpstromwert Ip3) der ersten Sensorzelle 15A erfassen.
Um ferner den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der ersten Messelektrode 62A (innerhalb der ersten Messkammer 20A) zu erfassen, ist eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50C zum Steuern der Messpumpe durch die erste Festelektrolytschicht 28, die Abstandshalterschicht 30, die erste Messelektrode 62A und die Referenzelektrode 52 ausgebildet. Eine dritte variable Stromquelle 48C wird auf der Basis einer dritten elektromotorischen Kraft V3 gesteuert, die durch die dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50C erfasst wird.
Das zu messende Gas, das in die erste Hilfseinstellkammer 18Ab eingeführt wird, erreicht die erste Messelektrode 62A innerhalb der ersten Messkammer 20A durch das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38A bei einer Bedingung, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxid, das in dem zu messenden Gas in der Umgebung der ersten Messelektrode 62A vorliegt, wird reduziert, wodurch Sauerstoff erzeugt wird. Dann wird der erzeugte Sauerstoff einem Pumpen durch die erste Messpumpzelle 60A unterzogen. Dabei wird eine dritte Spannung Vp3 der dritten variablen Stromquelle 48C in einer Weise gesteuert, dass die dritte elektromotorische Kraft V3, die durch die dritte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50C erfasst wird, konstant wird.
Die Menge von Sauerstoff, der in der Umgebung der ersten Messelektrode 62A erzeugt wird, ist proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem zu messenden Gas. Demgemäß kann die Stickstoffoxidkonzentration in dem zu messenden Gas unter Verwendung des ersten Messpumpstromwerts Ip3 der ersten Messpumpzelle 60A berechnet werden. Insbesondere misst die erste Messpumpzelle 60A die Konzentration einer festgelegten Komponente (NO) innerhalb der ersten Messkammer 20A.
Ferner ist in der ersten Sensorzelle 15A eine erste Heizeinrichtung 72A in einer Weise ausgebildet, dass sie von oberhalb und unterhalb von der zweiten Substratschicht 26b und der dritten Substratschicht 26c umgeben ist. Die erste Heizeinrichtung 72A erzeugt dadurch Wärme, dass sie durch eine nicht gezeigte Heizeinrichtungselektrode, die auf einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 26a bereitgestellt ist, von außen mit Strom versorgt wird. Als Ergebnis der Wärme, die durch die erste Heizeinrichtung 72A erzeugt wird, wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten, der die erste Sensorzelle 15A bildet, erhöht. Die erste Heizeinrichtung 72A ist in dem gesamten Bereich der ersten Voreinstellkammer 22A und der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A sowie der ersten Messkammer 20A eingebettet, wodurch eine vorgegebene Stelle der ersten Sensorzelle 15A erwärmt und bei einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann. Darüber hinaus ist eine erste Heizeinrichtungsisolierschicht 74A, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen hergestellt ist, auf der oberen und unteren Oberfläche der ersten Heizeinrichtung 72A zum Zweck des Erhaltens einer elektrischen Isolierung derselben von der zweiten Substratschicht 26b und der dritten Substratschicht 26c ausgebildet.
Ferner umfasst die erste Sensorzelle 15A einen ersten Umschalter SW1, der den Betrieb einer ersten Voreinstellpumpzelle 80A, die später beschrieben wird, so steuert, dass sie EIN oder AUS geschaltet wird. Die erste Voreinstellkammer 22A wirkt als Raum zum Zweck des Einstellens des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das von der ersten Gaseinführungsöffnung 16A eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der ersten Voreinstellpumpzelle 80A eingestellt.
Die erste Voreinstellpumpzelle 80A ist eine elektrochemische Vorpumpzelle, die betrieben wird, wenn der erste Umschalter SW1 EIN geschaltet ist. Die erste Voreinstellpumpzelle 80A ist durch eine erste Vorpumpelektrode 82A, die im Wesentlichen auf der Gesamtheit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 bereitgestellt ist, die auf die erste Voreinstellkammer 22A gerichtet ist, die außenseitige Pumpelektrode 46 und die zweite Festelektrolytschicht 32 ausgebildet.
Darüber hinaus ist in der gleichen Weise wie die erste innenseitige Hauptpumpelektrode 44A auch die erste Vorpumpelektrode 82A aus einem Material ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem zu messenden Gas abschwächt. Insbesondere sind beispielsweise Komponenten sowohl von Pt als auch von Au darin enthalten, wobei das Zusammensetzungsverhältnis Au/(Pt + Au) größer als oder gleich 4 % und kleiner als oder gleich 20 % ist. Diese Komponenten bilden einen porösen Cermet.
Die erste Voreinstellpumpzelle 80A kann durch Anlegen einer ersten vorläufigen Spannung Vpa zwischen der ersten Vorpumpelektrode 82A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A in den Außenraum hinauspumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die erste Voreinstellkammer 22A hineinpumpen.
Ferner umfasst die erste Sensorzelle 15A eine erste vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A zum Steuern der ersten Vorpumpe, so dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A eingestellt bzw. gesteuert wird. Die erste vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A umfasst die erste Vorpumpelektrode 82A, die Referenzelektrode 52, die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30 und die erste Festelektrolytschicht 28.
Darüber hinaus führt die erste Voreinstellpumpzelle 80A ein Pumpen bei einer ersten vorläufigen variablen Stromversorgung 86A durch, deren Spannung auf der Basis der ersten vorläufigen elektromotorischen Kraft Va gesteuert wird, die durch die erste vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A so gesteuert, dass er einen niedrigen Partialdruck erreicht, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird zusammen damit ein erster vorläufiger Pumpstromwert Ipa davon so verwendet, dass er die elektromotorische Kraft der erste vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A steuert. Insbesondere wird der erste vorläufige Pumpstrom Ipa als Steuersignal in die erste vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A eingespeist und durch Steuern der ersten vorläufigen elektromotorischen Kraft Va wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das von dem ersten Diffusionsrateneinstellelement 34A in die erste Voreinstellkammer 22A eingeführt wird, so gesteuert, dass er stets konstant bleibt.
Die erste Voreinstellkammer 22A wirkt auch als Pufferraum. Insbesondere können Schwankungen der Konzentration des zu messenden Gases, die durch Druckschwankungen des zu messenden Gases in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das zu messende Gas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) verursacht werden, beseitigt werden.
Andererseits weist, wie es in der 3 gezeigt ist, die zweite Sensorzelle 15B einen ähnlichen Aufbau auf wie derjenige der vorstehend genannten ersten Sensorzelle 15A, und umfasst die zweite Hauptpumpzelle 42B, eine zweite Hilfspumpzelle 56B, eine vierte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50D, eine fünfte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50E und eine sechste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50F.
Die zweite Hauptpumpzelle 42B umfasst in der gleichen Weise wie die erste Hauptpumpzelle 42A eine zweite elektrochemische Pumpzelle (elektrochemische Hauptpumpzelle), die durch Einbeziehen der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B, der gemeinsamen außenseitigen Pumpelektrode 46 und eines Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, der zwischen den zwei Pumpelektroden angeordnet ist, ausgebildet wird.
Durch Anlegen einer vierten Pumpspannung Vp4, die von einer vierten variablen Stromquelle 48D für die zweite Sensorzelle 15B zugeführt wird, und durch Ermöglichen, dass ein vierter Pumpstrom Ip4 zwischen der gemeinsamen außenseitigen Pumpelektrode 46 und der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B fließt, kann Sauerstoff im Inneren der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba in den Außenraum gepumpt werden oder alternativ Sauerstoff in dem Außenraum in die zweite Haupteinstellkammer 18Ba gepumpt werden.
Die zweite Hilfspumpzelle 56B ist eine elektrochemische Pumpzelle und ist in der gleichen Weise wie die vorstehend genannte erste Hilfspumpzelle 56A durch eine zweite Hilfspumpelektrode 58B, die im Wesentlichen auf der Gesamtheit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 bereitgestellt ist, die auf die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb gerichtet ist, die gemeinsame außenseitige Pumpelektrode 46 und die zweite Festelektrolytschicht 32 ausgebildet.
Die zweite Hilfspumpzelle 56B kann durch Anlegen einer gewünschten fünften Spannung Vp5 zwischen der zweiten Hilfspumpelektrode 58B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb in den Außenraum hinauspumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb hineinpumpen.
Die vierte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50D ist in der gleichen Weise wie die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A durch die zweite innenseitige Hauptpumpelektrode 44B, die gemeinsame Referenzelektrode 52, die zwischen der ersten Festelektrolytschicht 28 und einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 26c angeordnet ist, und einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, der zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, ausgebildet.
Die vierte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50D erzeugt eine vierte elektromotorische Kraft V4 zwischen der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B und der Referenzelektrode 52, die durch eine Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre innerhalb der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba und dem Referenzgas in dem Referenzgas-Einführungsraum 41 verursacht wird.
Die vierte elektromotorische Kraft V4, die in der vierten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50D erzeugt wird, ändert sich abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre, die in der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba vorliegt. Gemäß der vorstehend genannten vierten elektromotorischen Kraft V4 regelt die zweite Sensorzelle 15B die vierte variable Stromquelle 48D der zweiten Hauptpumpzelle 42B. Folglich kann die vierte Pumpspannung Vp4, die durch die vierte variable Stromquelle 48D an die zweite Hauptpumpzelle 42B angelegt wird, gemäß dem Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre in der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba gesteuert werden.
Ferner ist zum Einstellen bzw. Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere die fünfte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50E zum Steuern der zweiten Hilfspumpe durch die zweite Hilfspumpelektrode 58B, die Referenzelektrode 52, die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30 und die erste Festelektrolytschicht 28 ausgebildet.
Die zweite Hilfspumpzelle 56B führt ein Pumpen durch eine fünfte variable Stromquelle 48E durch, deren Spannung auf der Basis einer fünften elektromotorischen Kraft V5 gesteuert wird, die durch die fünfte Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50E erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb so eingestellt bzw. gesteuert, dass er einen niedrigen Partialdruck erreicht, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird zusammen damit ein fünfter Pumpstromwert Ip5 der zweiten Hilfspumpzelle 56B zum Steuern der fünften elektromotorischen Kraft V5 der fünften Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50E verwendet. Anders ausgedrückt wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das in die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb eingeführt wird, so gesteuert, dass er stets konstant bleibt.
Ferner ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in der Umgebung einer zweiten Messelektrode 62B (innerhalb der zweiten Messkammer 20B) eine elektrochemische Sensorzelle insbesondere eine sechste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50F zum Steuern des Messpumpens durch die erste Festelektrolytschicht 28, die Abstandshalterschicht 30, die zweite Messelektrode 62B und die Referenzelektrode 52 ausgebildet. Eine sechste variable Stromquelle 48F wird auf der Basis einer sechsten elektromotorischen Kraft V6 gesteuert, die durch die sechste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50F erfasst wird.
Das zu messende Gas, das in die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb eingeführt wird, erreicht die zweite Messelektrode 62B innerhalb der zweiten Messkammer 20B durch das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38B bei einer Bedingung, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxid, das in dem zu messenden Gas in der Umgebung der zweiten Messelektrode 62B vorliegt, wird reduziert, wodurch Sauerstoff erzeugt wird. Dann wird der erzeugte Sauerstoff einem Pumpen durch eine zweite Messpumpzelle 60B unterzogen. Dabei wird eine sechste Spannung Vp6 der sechsten variablen Stromquelle 48F derart gesteuert, dass die sechste elektromotorische Kraft V6, die durch die sechste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50F erfasst wird, konstant wird. Die Menge des Sauerstoffs, der in der Umgebung der zweiten Messelektrode 62B erzeugt wird, ist proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem zu messenden Gas. Demgemäß kann die Stickstoffoxid-Konzentration in dem zu messenden Gas unter Verwendung des zweiten Messpumpstromwerts Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B berechnet werden. Insbesondere misst die zweite Messpumpzelle 60B die Konzentration einer festgelegten Komponente (NO) innerhalb der zweiten Messkammer 20B.
Ferner umfasst die zweite Sensorzelle 15B eine elektrochemische Sauerstofferfassungszelle 70. Die Sauerstofferfassungszelle 70 umfasst die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30, die erste Festelektrolytschicht 28, die dritte Substratschicht 26c, die außenseitige Pumpelektrode 46 und die Referenzelektrode 52. Gemäß der elektromotorischen Kraft Vr, die durch die Sauerstofferfassungszelle 70 erhalten wird, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem zu messenden Gas, das außerhalb des Sensorelements 12 vorliegt, erfasst werden.
Ferner ist in der zweiten Sensorzelle 15B eine zweite Heizeinrichtung 72B entsprechend der vorstehend genannten ersten Heizeinrichtung 72A in einer Weise ausgebildet, dass sie von oben und unten zwischen der zweiten Substratschicht 26b und der dritten Substratschicht 26c angeordnet ist. Die zweite Heizeinrichtung 72B ist auf dem gesamten Bereich der zweiten Voreinstellkammer 22B und der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B sowie der zweiten Messkammer 20B eingebettet, wodurch eine vorgegebene Stelle der zweiten Sensorzelle 15B erwärmt und bei einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann. Darüber hinaus ist eine zweite Heizeinrichtungsisolierschicht 74B, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen hergestellt ist, auf der oberen und unteren Oberfläche der zweiten Heizeinrichtung 72B zum Zweck des Erhaltens einer elektrischen Isolierung derselben von der zweiten Substratschicht 26b und der dritten Substratschicht 26c ausgebildet. Die erste Heizeinrichtung 72A und die zweite Heizeinrichtung 72B können durch eine gemeinsame Heizeinrichtung ausgebildet sein und in einem solchen Fall sind die erste Heizeinrichtungsisolierschicht 74A und die zweite Heizeinrichtungsisolierschicht 74B ebenfalls gemeinsam bereitgestellt.
Ferner ist auch in die zweite Sensorzelle 15B, wie es in der 3 gezeigt ist, ein zweiter Umschalter SW2 einbezogen, der den Betrieb einer zweiten Voreinstellpumpzelle 80B, die später beschrieben wird, so steuert, dass sie EIN oder AUS geschaltet wird. Die zweite Voreinstellkammer 22B ist als Raum zum Zweck des Einstellens des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das von der zweiten Gaseinführungsöffnung 16B eingeführt wird, bereitgestellt. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B eingestellt.
Die zweite Voreinstellpumpzelle 80B ist eine elektrochemische Vorpumpzelle, die betrieben wird, wenn der zweite Umschalter SW2 EIN geschaltet ist. Die zweite Voreinstellpumpzelle 80B ist eine elektrochemische Vorpumpzelle und ist durch eine zweite Vorpumpelektrode 82B, die im Wesentlichen auf der Gesamtheit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 bereitgestellt ist, die auf die zweite Voreinstellkammer 22B gerichtet ist, die außenseitige Pumpelektrode 46 und die zweite Festelektrolytschicht 32 ausgebildet.
Darüber hinaus ist in der gleichen Weise wie die erste Vorpumpelektrode 82A (vgl. die 2) die zweite Vorpumpelektrode 82B auch aus einem Material ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem zu messenden Gas abschwächt. Insbesondere sind beispielsweise Komponenten sowohl von Pt als auch von Au darin enthalten, wobei das Zusammensetzungsverhältnis Au/(Pt + Au) größer als oder gleich 4 % und kleiner als oder gleich 20 % ist. Diese Komponenten bilden ein poröses Cermet.
Die zweite Voreinstellpumpzelle 80B kann durch Anlegen einer gewünschten zweiten vorläufigen Spannung Vpb zwischen der zweiten Vorpumpelektrode 82B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B in den Außenraum hinauspumpen oder kann alternativ Sauerstoff von dem Außenraum in die zweite Voreinstellkammer 22B hineinpumpen.
Ferner umfasst die zweite Sensorzelle 15B eine zweite vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B zum Steuern der zweiten Vorpumpe zum Einstellen bzw. Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B. Die zweite vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B umfasst die zweite Vorpumpelektrode 82B, die Referenzelektrode 52, die zweite Festelektrolytschicht 32, die Abstandshalterschicht 30 und die erste Festelektrolytschicht 28.
Darüber hinaus führt die zweite Voreinstellpumpzelle 80B ein Pumpen bei einer zweiten vorläufigen Stromversorgung 86B durch, deren Spannung auf der Basis der zweiten vorläufigen elektromotorischen Kraft Vb gesteuert wird, die durch die zweite vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B so eingestellt bzw. gesteuert, dass er einen niedrigen Partialdruck erreicht, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird zusammen damit ein zweiter vorläufiger Pumpstromwert Ipb davon zum Steuern der elektromotorischen Kraft der zweiten vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B verwendet. Insbesondere wird der zweite vorläufige Pumpstrom Ipb als Steuersignal in die zweite vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B eingespeist und durch Steuern der zweiten vorläufigen elektromotorischen Kraft Vb wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas, das von dem ersten Diffusionsrateneinstellelement 34B in die zweite Voreinstellkammer 22B eingeführt wird, so gesteuert, dass er stets konstant bleibt.
Die zweite Voreinstellkammer 22B wirkt auch als Pufferraum. Insbesondere können Schwankungen der Konzentration des zu messenden Gases, die durch Druckschwankungen des zu messenden Gases in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das zu messende Gas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) verursacht werden, beseitigt werden.
Ferner umfasst, wie es schematisch in der 4 gezeigt ist, der Gassensor 10 eine Temperatursteuervorrichtung 100, eine Umschaltsteuervorrichtung 101, eine erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A, eine zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B und eine Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 steuert die Zuführung von Strom zu der ersten Heizeinrichtung 72A und der zweiten Heizeinrichtung 72B des Sensorelements 12, und steuert dadurch die Temperatur der ersten Sensorzelle 15A und der zweiten Sensorzelle 15B.
Die Umschaltsteuervorrichtung 101 führt eine Umschaltsteuerung für den ersten Umschalter SW1 und den zweiten Umschalter SW2 durch. Beispielsweise wird in dem Fall des Betreibens der ersten Voreinstellpumpzelle 80A der erste Umschalter SW1 EIN geschaltet und der zweite Umschalter SW2 wird AUS geschaltet. Umgekehrt wird in dem Fall des Betreibens der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B der erste Umschalter SW1 AUS geschaltet und der zweite Umschalter SW2 wird EIN geschaltet.
Die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A umfasst eine erste Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106A, welche die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A der ersten Sensorzelle 15A einstellt bzw. steuert, und eine erste Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108A, welche die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A der ersten Sensorzelle 15A einstellt bzw. steuert.
Die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B umfasst eine zweite Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106B, welche die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B einstellt bzw. steuert, und eine zweite Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B, welche die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B einstellt bzw. steuert.
Die Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104 erfasst die Konzentrationen der ersten Zielkomponente (NO) und der zweiten Zielkomponente (NH₃) auf der Basis der Differenz (Änderungsausmaß Δlp) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3, der zu der ersten Messpumpzelle 60A der ersten Sensorzelle 15A fließt, und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6, der zu der zweiten Messpumpzelle 60B der zweiten Sensorzelle 15B fließt, des zweiten Messpumpstromwerts Ip6 (der Gesamtkonzentration) und eines später beschriebenen Kennfelds 110.
Darüber hinaus sind die Temperatursteuervorrichtung 100, die Umschaltsteuervorrichtung 101, die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A, die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B und die Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104 beispielweise aus einem oder mehreren Prozessor(en) ausgebildet, der oder die eine oder eine Mehrzahl von CPU(s) (zentrale Verarbeitungseinheiten), Speichervorrichtung(en) und dergleichen aufweist oder aufweisen. Bei dem einen oder den mehreren Prozessor(en) handelt es sich um softwarebasierte funktionelle Einheiten, in denen vorgegebene Funktionen realisiert sind, beispielsweise durch die CPUs, die Programme ausführen, die in einer Speichervorrichtung gespeichert sind. Selbstverständlich können die Prozessoren aus einem integrierten Schaltkreis ausgebildet sein, wie z.B. einer FPGA (feldprogrammierbare Gatteranordnung), in dem die Mehrzahl von Prozessoren gemäß deren Funktionen verbunden ist. Darüber hinaus kann, wie es vorstehend erwähnt worden ist, das Kennfeld 110 im Vorhinein in der Speichervorrichtung gespeichert werden, wobei es sich um einen der peripheren Schaltkreise des Gassensors handelt. Selbstverständlich kann auch das Kennfeld 110, das durch die Kommunikationseinrichtung erfasst wird (in der vorstehend beschriebenen Speichervorrichtung gespeichert ist), verwendet werden.
Bei einem NOx-Sensor, der eine herkömmliche, in Reihe angeordnete Struktur des Zweikammer-Typs aufweist, werden bezüglich der Zielkomponenten von NO und NH₃, nachdem deren Gesamtheit innerhalb der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in NO umgewandelt worden ist, die umgewandelten Komponenten in die Messkammer eingeführt und dann wird die Gesamtmenge dieser zwei Komponenten gemessen. Anders ausgedrückt war es unmöglich, die Konzentrationen von jeder der zwei Zielkomponenten, d.h., die jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃, zu messen.
Im Gegensatz dazu ist der Gassensor 10 mit der ersten Sensorzelle 15A, der zweiten Sensorzelle 15B, der Temperatursteuervorrichtung 100, der Umschaltsteuervorrichtung 101, der ersten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A, der zweiten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B und der Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104, die vorstehend genannt worden sind, ausgestattet, wodurch die r jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ erfasst werden können.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 regelt die erste Heizeinrichtung 72A und die zweite Heizeinrichtung 72B auf der Basis einer voreingestellten Sensortemperaturbedingung und dem gemessenen Wert von einem Temperatursensor (nicht gezeigt), der die Temperatur des Sensorelements 12 misst, wodurch die Temperatur des Sensorelements 12 auf eine Temperatur gemäß der vorstehend genannten Temperatur eingestellt wird.
Auf der Basis der voreingestellten Sauerstoffkonzentrationsbedingung innerhalb der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A und der ersten elektromotorischen Kraft V1, die in der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50A erzeugt wird (vgl. die 2), regelt die erste Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106A der ersten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A die erste variable Stromquelle 48A, wodurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A auf eine Konzentration gemäß der vorstehend genannten Bedingung eingestellt wird.
Auf der Basis der voreingestellten Sauerstoffkonzentrationsbedingung innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B und der vierten elektromotorischen Kraft V4, die in der vierten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 50D erzeugt wird (vgl. die 3), regelt die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106B der zweiten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B die vierte variable Stromquelle 48D, wodurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B auf eine Konzentration gemäß der vorstehend genannten Bedingung eingestellt wird.
Auf diese Weise führt der Gassensor 10 durch die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A und die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B oder die Temperatursteuervorrichtung 100 oder alternativ durch die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A, die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B und die Temperatursteuervorrichtung 100 eine Steuerung derart durch, dass NH₃ in einem Verhältnis in NO umgewandelt wird, das zur Messung von NH₃ ohne Verursachen einer Zersetzung von NO innerhalb der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18A und der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B geeignet ist.
Auf der Basis der voreingestellten Sauerstoffkonzentrationsbedingung und der ersten vorläufigen elektromotorischen Kraft Va, die in der ersten vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84A erzeugt wird (vgl. die 2), regelt die erste Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108A der ersten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A die erste vorläufige variable Stromquelle 86A, wodurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A auf eine Konzentration gemäß der Bedingung eingestellt wird. Durch die erste Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108A wird NH₃ in einem Verhältnis in NO umgewandelt, das zur Messung von NH₃ geeignet ist, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A in der ersten Sensorzelle 15A zu verursachen.
Entsprechend regelt die zweite Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B der zweiten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B auf der Basis der voreingestellten Sauerstoffkonzentrationsbedingung und der zweiten vorläufigen elektromotorischen Kraft Vb, die in der zweiten vorläufiger Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 84B erzeugt wird (vgl. die 3), die zweite vorläufige variable Stromquelle 86B, wodurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B auf eine Konzentration gemäß der Bedingung eingestellt wird. Durch die zweite Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B wird NH₃ in einem Verhältnis in NO umgewandelt, das zur Messung von NH₃ geeignet ist, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der zweiten Voreinstellkammer 22B in der zweiten Sensorzelle 15B zu verursachen.
Als nächstes werden Verarbeitungsvorgänge des Gassensors 10 auch unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben.
Zuerst wird in der ersten Sensorzelle 15A, wie es in der 5 gezeigt ist, da die erste Voreinstellpumpzelle 80A EIN geschaltet ist, das NH₃, das durch die erste Gaseinführungsöffnung 16A in die erste Voreinstellkammer 22A eingeführt wird, einer Oxidationsreaktion von NH₃ → NO innerhalb der ersten Voreinstellkammer 22A unterzogen, worauf das gesamte NH₃, das durch die erste Gaseinführungsöffnung 16A eingeführt wird, in NO umgewandelt wird. Demgemäß findet, obwohl NH₃ durch das erste Diffusionsrateneinstellelement 34A bei einem NH₃-Diffusionskoeffizienten von 2,2 cm²/s hindurchtritt, nachdem es durch das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36A auf der innersten Seite von der ersten Voreinstellkammer 22A hindurchgetreten ist, die Bewegung in die erste Messkammer 20A bei dem NO-Diffusionskoeffizienten von 1,8 cm²/s statt.
Andererseits erreicht in der zweiten Sensorzelle 15B, da die zweite Voreinstellpumpzelle 80B in einem Zustand vorliegt, in dem sie AUS geschaltet ist, das NH₃, das durch die zweite Gaseinführungsöffnung 16B eingeführt wurde, die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B. In der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B wird durch den Betrieb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B (vgl. die 4) eine Steuerung derart durchgeführt, dass das gesamte NH₃ in NO umgewandelt wird, und daher bewirkt das NH₃, das in die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B geströmt ist, dass eine Oxidationsreaktion von NH₃ → NO innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B stattfindet, und das gesamte NH₃ innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B wird in NO umgewandelt. Demgemäß tritt das NH₃, das durch die zweite Gaseinführungsöffnung 16B eingeführt wurde, durch das erste Diffusionsrateneinstellelement 34B und das zweite Diffusionsrateneinstellelement 36B bei dem NH₃-Diffusionskoeffizienten von 2,2 cm²/s hindurch, und tritt, nachdem es innerhalb der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B in NO umgewandelt worden ist, durch das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38B bei dem NO-Diffusionskoeffizienten von 1,8 cm²/s hindurch und bewegt sich in die angrenzende zweite Messkammer 20B.
Insbesondere ist in der ersten Sensorzelle 15A die Stelle, bei der die Oxidationsreaktion von NH₃ stattfindet, die erste Voreinstellkammer 22A, und in der zweiten Sensorzelle 15B ist die Stelle, bei der die Oxidationsreaktion von NH₃ stattfindet, die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer 18B. Da NO und NH₃ jeweils verschiedene Diffusionskoeffizienten aufweisen, entspricht die Differenz zwischen dem Hindurchtreten durch die zweiten Diffusionsrateneinstellelemente (36A und 36B) mit NO oder dem Hindurchtreten mit NH₃ einer Differenz bei der Menge von NO, das in die erste Messkammer 20A und die zweite Messkammer 20B strömt. Ein solches Merkmal erzeugt eine Differenz zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 der ersten Messpumpzelle 60A und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B. Es ist jedoch signifikant, dass der zweite Messpumpstromwert Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B dem Gesamtwert der NH₃-Konzentration und der NO-Konzentration in dem Messgas entspricht.
Zusätzlich ändert sich das Änderungsausmaß Δlp zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 gemäß der NH₃-Konzentration in dem zu messenden Gas. Daher können die jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ aus dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 (der Gesamtkonzentration von NO und NH₃), der zu der zweiten Messpumpzelle 60B fließt, und dem vorstehend genannten Änderungsausmaß Δlp (der NH₃-Konzentration) erhalten werden.
Demgemäß können gemäß der Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104 (vgl. die 4) die jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ auf der Basis des Änderungsausmaßes Δlp zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6, des zweiten Messpumpstromwerts Ip6 und beispielsweise des Kennfelds 110 (vgl. die 7) erhalten werden.
Wenn das Kennfeld 110 graphisch dargestellt wird, wie es in der 7 gezeigt ist, wird ein Graph erstellt, in dem der zweite Stromwert Ip6 (µA) auf der horizontalen Achse aufgetragen ist und das Änderungsausmaß Δlp (µA) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. In der 7 sind repräsentativ eine erste Kennlinie L1 und eine zweite Kennlinie L2 sowie eine erste Auftragungsgruppe P1, eine zweite Auftragungsgruppe P2 und eine dritte Auftragungsgruppe P3 des Änderungsausmaßes ΔIp dargestellt, wobei NO-Konzentration-Umwandlungswerte davon einem 100 ppm-System, einem 50 ppm-System und einem 25 ppm-System angehören.
Die erste Kennlinie L1 zeigt eine Eigenschaft in Bezug auf einen Fall, bei dem der NO-Konzentration-Umwandlungswert 0 ppm beträgt, d.h., einen Fall, bei dem NO nicht in dem zu messenden Gas enthalten ist, für Fälle, in denen der NH₃-Konzentration-Umwandlungswert zwischen 0 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 75 ppm und 100 ppm verändert wird.
Die zweite Kennlinie L2 zeigt eine Eigenschaft in Bezug auf einen Fall, bei dem der NH₃-Konzentration-Umwandlungswert 0 ppm beträgt, d.h., einen Fall, bei dem NH₃ nicht in dem zu messenden Gas enthalten ist, für Fälle, in denen der NO-Konzentration-Umwandlungswert zwischen 0 ppm, 25 ppm, 50 ppm, 75 ppm und 100 ppm verändert wird.
Bei einer Darstellung des Graphen in der 7 für ein leichteres Verständnis in der Form einer Tabelle ist deren Inhalt derart, wie es in der 8 gezeigt ist. Deren Inhalt kann beispielsweise durch Durchführen der Experimente 1 bis 5, die später beschrieben werden, bestimmt werden.
In der Tabelle von 8 entspricht der Inhalt, der in dem ersten Abschnitt [1] dargestellt ist, der ersten Kennlinie L1 von 7, und der Inhalt, der in dem zweiten Abschnitt [2] dargestellt ist, entspricht der zweiten Kennlinie L2 von 7. Aus einem Vergleich der Abschnitte [1] und [2] ist ersichtlich, dass NH₃ eine Empfindlichkeit aufweist, die das 1,14-fache von derjenigen von NO beträgt. Ein solches Merkmal ergibt sich auf der Basis der Differenz der Diffusionskoeffizienten von NH₃ und NO und wird durch die Temperatur des Sensorelements 12 und die Sauerstoffkonzentration innerhalb des inneren Raums bestimmt. Ferner entspricht in der Tabelle von 8 der Inhalt des dritten Abschnitts [3] der ersten Auftragungsgruppe P1 von 7, der Inhalt des vierten Abschnitts [4] entspricht der zweiten Auftragungsgruppe P2 von 7 und der Inhalt des fünften Abschnitts [5] entspricht der dritten Auftragungsgruppe P3 von 7.
Darüber hinaus wird unter Bezugnahme auf die Inhalte des dritten Abschnitts [3], des vierten Abschnitts [4] und des fünften Abschnitts [5] in der Tabelle von 8 die NO-Konzentration durch Berechnen der Gesamtkonzentration (des NO-Umwandlungswerts) auf der Basis des zweiten Messpumpstromwerts Ip6 und insbesondere von jedwedem des 100 ppm-Systems, des 50 ppm-Systems und des 25 ppm-Systems, Erfassen der NH₃-Konzentration auf der Basis des Änderungsausmaßes Δlp und Subtrahieren der NH₃-Konzentration von der Gesamtkonzentration erfasst.
Beispielsweise wird in dem Fall, bei dem der zweite Messpumpstromwert Ip6 0,537 (µA) beträgt, die Tatsache, dass die Gesamtkonzentration 25 ppm beträgt, aus dem fünften Abschnitt [5] der Tabelle 1 von 8 berechnet. Darüber hinaus beträgt in dem Fall, bei dem das Änderungsausmaß ΔIp 0,041 (µA) beträgt, die NH₃-Konzentration gemäß dem fünften Abschnitt [5] der Tabelle 1 von 8 4,4 ppm. Demgemäß beträgt unter Berücksichtigung der Differenz der Empfindlichkeit zwischen NH₃ und NO die NO-Konzentration 25 - 4,4 × 1,14 = etwa 20,0 ppm.
Darüber hinaus kann in dem Fall, bei dem kein entsprechendes Änderungsausmaß Δlp auf dem Kennfeld 110 vorliegt, das Änderungsausmaß Δlp auf dem Kennfeld, das diesem am nächsten kommt, festgelegt werden, um dadurch die Gesamtkonzentration zu berechnen, und zusammen damit kann die NH₃-Konzentration beispielsweise durch eine bekannte Näherungsberechnung bestimmt werden. Darüber hinaus kann die NO-Konzentration durch Subtrahieren der bestimmten NH₃-Konzentration von der berechneten Gesamtkonzentration bestimmt werden. Alternativ kann die Konzentration von NH₃, das die zweite Zielkomponente ist, auf der Basis einer Korrelationsgleichung zwischen den jeweiligen Konzentrationen von NH₃ und NO, Δlp und Ip6 berechnet werden, und die Konzentration von NO, das die erste Zielkomponente ist, kann durch Subtrahieren der Konzentration der zweiten Zielkomponente von der Gesamtkonzentration berechnet werden.
Als nächstes wird ein experimentelles Beispiel zum Zweck des Erhaltens des Kennfelds 110 beschrieben.
(1) Das vorstehend beschriebene Sensorelement 12 wird hergestellt und die Metallkomponenten werden zu einer Sensorform zusammengebaut und an einer Modellgas-Messvorrichtung angebracht. Darüber hinaus wird das Sensorelement 12 durch die erste Heizeinrichtung 72A und die zweite Heizeinrichtung 72B, die in das Sensorelement 12 einbezogen sind, auf etwa 800 °C erwärmt.
(2) Die Spannung, die zwischen der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, sowie die Spannung, die zwischen der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, werden derart geregelt, dass die elektromotorische Kraft zwischen der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A der ersten Sensorzelle 15A und der Referenzelektrode 52 und die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B der zweiten Sensorzelle 15B und der Referenzelektrode 52 230 mV erreichen.
(3) Als nächstes werden die Spannung, die zwischen der ersten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, sowie die Spannung, die zwischen der zweiten innenseitigen Hauptpumpelektrode 44B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, derart geregelt, dass die elektromotorische Kraft zwischen der ersten Hilfspumpelektrode 58A der ersten Sensorzelle 15A und der Referenzelektrode 52 und die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten Hilfspumpelektrode 58B der zweiten Sensorzelle 15B und der Referenzelektrode 52 385 mV erreichen.
(4) Ferner werden die Spannung, die zwischen der ersten Messelektrode 62A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, sowie die Spannung, die zwischen der zweiten Messelektrode 62B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wird, derart geregelt, dass die elektromotorische Kraft zwischen der ersten Messelektrode 62A der ersten Messpumpzelle 60A und der Referenzelektrode 52 in der ersten Sensorzelle 15A und die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten Messelektrode 62B der zweiten Messpumpzelle 60B und der Referenzelektrode 52 in der zweiten Sensorzelle 15B 400 mV erreichen.
(5) In einem Zustand, bei dem der erste Umschalter SW1 EIN geschaltet ist und die erste Voreinstellpumpzelle 80A der ersten Sensorzelle 15A EIN geschaltet ist, wird ein Zustand herbeigeführt, bei dem der zweite Umschalter SW2 AUS geschaltet ist und die zweite Voreinstellpumpzelle 80B der zweiten Sensorzelle 15B AUS geschaltet ist. Danach wurde die Spannung, die zwischen der ersten Vorpumpelektrode 82A und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wurde, derart geregelt, dass die elektromotorische Kraft zwischen der ersten Vorpumpelektrode 82A und der Referenzelektrode 52 der ersten Voreinstellpumpzelle 80A eine vorgegebene Spannung erreichte.
(6) Als nächstes wurden N₂ und 3 % H₂O als Basisgas bei 120 L/min zu der Modellgas-Messvorrichtung strömen gelassen und nach dem Messen des Stroms, der zu der ersten Messpumpzelle 60A und der zweiten Messpumpzelle 60B fließt, wurde ein Offset-Strom, der zu der ersten Messpumpzelle 60A und der zweiten Messpumpzelle 60B fließt, als 0,003 µA bestimmt.
(7) Als nächstes wurden, während N₂ und 3 % H₂O weiter als Basisgas bei 120 L/min zu der Modellgas-Messvorrichtung strömten und während eine Gesamtgasströmungsrate von 120 L/min beibehalten wurde, durch den Zusatz von NH₃ in Mengen von 25, 50, 75 und 100 ppm der erste Messpumpstrom Ip3 und der zweite Messpumpstrom Ip6, die zu der ersten Messpumpzelle 60A und der zweiten Messpumpzelle 60B fließen, gemessen (Experiment 1: vgl. die erste Kennlinie L1 von 7 und den ersten Abschnitt [1] von Tabelle 1 von 8).
(8) Als nächstes wurden, während N₂ und 3 % H₂O weiter als Basisgas bei 120 L/min zu der Modellgas-Messvorrichtung strömten und während eine Gesamtgasströmungsrate von 120 L/min beibehalten wurde, durch den Zusatz von NO in Mengen von 25, 50, 75 und 100 ppm der erste Messpumpstrom Ip3 und der zweite Messpumpstrom Ip6, die zu der ersten Messpumpzelle 60A und der zweiten Messpumpzelle 60B fließen, gemessen (Experiment 2: vgl. die zweite Kennlinie L2 von 7 und den zweiten Abschnitt [2] von Tabelle 1 von 8).
(9) Als nächstes wurden N₂ und 3 % H₂O als Basisgas bei 120 L/min in die Modellgas-Messvorrichtung strömen gelassen und die NO-Konzentration wurde allmählich schrittweise auf NO = 100, 80, 60, 40, 20 und 0 ppm vermindert, und in Bezug auf jede NO-Konzentration von NO = 80, 60, 40, 20 und 0 ppm wurde NH₃ dem Gas derart zugesetzt, dass der zweite Messpumpstromwert Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B zu dem Zeitpunkt, bei dem NO = 100 ppm, bei 2,137 µA gehalten wurde. Dabei wurde die Flussrate des Basisgases so eingestellt, dass die Gesamtgasflussrate bei 120 L/min gehalten wurde. In jeder jeweiligen Gasatmosphäre wurde der erste Messpumpstrom Ip3, der zu der ersten Messpumpzelle 60A fließt, gemessen (Experiment 3). Die Beziehung zwischen den jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃, dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sowie die Differenz (Änderungsausmaß Δlp) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sind durch die erste Auftragungsgruppe P1 von 7 und den dritten Abschnitt [3] von Tabelle 1 von 8 gezeigt.
(10) Als nächstes wurden N₂ und 3 % H₂O als Basisgas bei 120 L/min in die Modellgas-Messvorrichtung strömen gelassen und die NO-Konzentration wurde allmählich schrittweise auf NO = 50, 40, 30, 20, 10 und 0 ppm vermindert, und in Bezug auf jede NO-Konzentration von NO = 40, 30, 20, 10 und 0 ppm wurde NH₃ dem Gas derart zugesetzt, dass der zweite Messpumpstromwert Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B zu dem Zeitpunkt, bei dem NO = 50 ppm, bei 1,070 µA gehalten wurde. Dabei wurde die Flussrate des Basisgases so eingestellt, dass die Gesamtgasflussrate bei 120 L/min gehalten wurde. In jeder jeweiligen Gasatmosphäre wurde der erste Messpumpstrom Ip3, der zu der ersten Messpumpzelle 60A fließt, gemessen (Experiment 4). Die Beziehung zwischen den jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃, dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sowie die Differenz (Änderungsausmaß Δlp) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sind durch die zweite Auftragungsgruppe P2 von 7 und den vierten Abschnitt [4] von Tabelle 1 von 8 gezeigt.
(11) Als nächstes wurden N₂ und 3 % H₂O als Basisgas bei 120 L/min in die Modellgas-Messvorrichtung strömen gelassen und die NO-Konzentration wurde allmählich schrittweise auf NO = 25, 20, 15, 10, 5 und 0 ppm vermindert, und in Bezug auf jede NO-Konzentration von NO = 20, 15, 10, 5 und 0 ppm wurde NH₃ dem Gas derart zugesetzt, dass der zweite Messpumpstromwert Ip6 der zweiten Messpumpzelle 60B zu dem Zeitpunkt, bei dem NO = 25 ppm, bei 0,537 µA gehalten wurde. Dabei wurde die Flussrate des Basisgases so eingestellt, dass die Gesamtgasflussrate bei 120 L/min gehalten wurde. In jeder jeweiligen Gasatmosphäre wurde der erste Messpumpstrom Ip3, der zu der ersten Messpumpzelle 60A fließt, gemessen (Experiment 5). Die Beziehung zwischen den jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃, dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sowie die Differenz (Änderungsausmaß Δlp) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 sind durch die dritte Auftragungsgruppe P3 von 7 und den fünften Abschnitt [5] von Tabelle 1 von 8 gezeigt.
(12) Unter Verwendung der Daten, die im Experiment 1 bis Experiment 5 erhalten worden sind, wurde das Kennfeld 110 erzeugt, das in der 7 gezeigt ist, das der ersten Sensorzelle 15A entspricht. Zum Bestätigen der Verlässlichkeit des erhaltenen Kennfelds 110 wurden der erste Stromwert Ip3 und der zweite Stromwert Ip6 in den Mischgasen aus NO und NH₃ mit Konzentrationen, die sich in den Experimenten 1 bis 5 voneinander unterscheiden, und die Differenz (Änderungsausmaß Δlp) zwischen dem ersten Messpumpstromwert Ip3 und dem zweiten Messpumpstromwert Ip6 gemessen, worauf die in der Tabelle 2 von 9 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden. Wenn die Ergebnisse der Tabelle 2 (durch Δ angegeben) in dem Graphen von 7 aufgetragen wurden, stimmten die Ergebnisse gut mit den Konzentrationen überein, die aus dem Kennfeld 110 abgeschätzt worden sind.
(13) Als nächstes wurde in einem Zustand, bei dem der erste Umschalter SW1 AUS geschaltet ist, der zweite Umschalter SW2 EIN geschaltet ist und die erste Voreinstellpumpzelle 80A der ersten Sensorzelle 15A AUS geschaltet ist, ein Zustand herbeigeführt, bei dem die zweite Voreinstellpumpzelle 80B der zweiten Sensorzelle 15B EIN geschaltet ist. Danach wurde ein Experiment mit der zweiten Sensorzelle 15B mit dem gleichen Verfahren wie in den vorstehenden genannten Punkten (1) bis (5) durchgeführt und die Spannung, die zwischen der zweiten Vorpumpelektrode 82B und der außenseitigen Pumpelektrode 46 angelegt wurde, wurde derart geregelt, dass die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten Vorpumpelektrode 82B und der Referenzelektrode 52 der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B eine vorgegebene Spannung erreichte.
(14) Danach wurden die gleichen Experimente wie in den vorstehend genannten Punkten (6) bis (11) durchgeführt und ein Kennfeld, das der zweiten Sensorzelle 15B entspricht, wurde erzeugt. Da ein solches Kennfeld im Wesentlichen den gleichen Inhalt aufweist wie das Kennfeld 110, das in der 7 gezeigt ist, wurde festgelegt, das Kennfeld 110 als Kennfelder sowohl für die erste Sensorzelle 15A als auch für die zweite Sensorzelle 15B zu verwenden.
Dabei schreitet beispielsweise, wenn nur die erste Voreinstellpumpzelle 80A EIN geschaltet ist, ein Elektrodenabbau nur der ersten Vorpumpelektrode 82A in der ersten Voreinstellpumpzelle 80A voran. Folglich wird durch Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B die Dauerbeständigkeit der ersten Sensorzelle 15A und der zweiten Sensorzelle 15B als Ganzes verbessert.
In diesem Fall wird ein bevorzugter Umschaltzeitablauf (Umschaltsteuerung) der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B nachstehend unter Bezugnahme auf 10A bis 17 beschrieben.
Die 10A, 12A, 14A und 16A sind Ablaufdiagramme, die den Beginn des Betriebs und das Ende des Betriebs eines Fahrzeugs oder dergleichen, in dem ein Motor eingebaut ist, zeigen, und die 10B, 12B, 14B und 16B sind Ablaufdiagramme, die EIN/AUS-Umschaltzeitabläufe der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B zeigen. Ferner sind die 10C, 12C, 14C und 16C Blockdiagramme einer Umschaltsteuerung und die 11, 13, 15 und 17 sind Flussdiagramme, die EIN/AUS-Umschaltzeitabläufe der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B zeigen.
[Erster Umschaltzeitablauf]
Wie es in den 10A und 10B gezeigt ist, ist der erste Umschaltzeitablauf ein Verfahren des Umschaltens der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B bei im Wesentlichen der gleichen Zeit wie dem Beginn des Betriebs der Antriebsquelle, beispielsweise eines Motors (vgl. die 10C, usw.).
Insbesondere realisiert, wie es in der 10C gezeigt ist, die Umschaltsteuervorrichtung 101 ein Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B beispielsweise auf der Basis eines Motorbetriebsbeginnsignals von einem Motor-ECU 200.
Wenn eine Erläuterung auf der Basis des Flussdiagramms, das in der 11 gezeigt ist, angegeben wird, bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 zuerst im Schritt S1 beispielsweise, ob das Motorbetriebsbeginnsignal Sa von dem Motor-ECU 200 eingespeist worden ist oder nicht. Wenn es eingespeist worden ist, dann schaltet die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S2 die EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B um.
Beispielsweise wenn die erste Voreinstellpumpzelle 80A EIN geschaltet ist und die zweite Voreinstellpumpzelle 80B AUS geschaltet ist, wird die erste Voreinstellpumpzelle 80A AUS geschaltet und die zweite Voreinstellpumpzelle 80B wird EIN geschaltet. Selbstverständlich wird dann, wenn die erste Voreinstellpumpzelle 80A AUS geschaltet ist und die zweite Voreinstellpumpzelle 80B EIN geschaltet ist, die erste Voreinstellpumpzelle 80A EIN geschaltet und die zweite Voreinstellpumpzelle 80B wird AUS geschaltet. Die gleichen Merkmale gelten in der nachstehenden Beschreibung.
Danach bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S3 beispielsweise, ob eine Abbruchanfrage (Stromunterbrechung, Wartung oder dergleichen) von dem Motor-ECU 200 vorliegt oder nicht. Wenn keine solche Abbruchanfrage vorliegt, dann wird die Verarbeitung des Schritts S1 und danach wiederholt, wohingegen dann, wenn eine solche Abbruchanfrage vorliegt, die Verarbeitung durch die Umschaltsteuervorrichtung 101 beendet wird.
[Zweiter Umschaltzeitablauf]
Wie es in den 12A und 12B gezeigt ist, ist der zweite Umschaltzeitablauf ein Verfahren des Umschaltens der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B jedesmal, wenn ein im Vorhinein festgelegter Zeitraum Ta vergangen ist, und zwar ungeachtet vom Beginn des Betriebs oder Beenden des Betriebs des Motors.
Insbesondere realisiert, wie es in der 12C gezeigt ist, die Umschaltsteuervorrichtung 101 ein Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B beispielsweise auf der Basis eines Signals Sb, das den Ablauf des festgelegten Zeitraums Ta angibt, von dem Motor-ECU 200.
Wenn eine Erläuterung auf der Basis des Flussdiagramms, das in der 13 gezeigt ist, angegeben wird, bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 zuerst im Schritt S101 beispielsweise, ob das Signal Sb, das den Ablauf des festgelegten Zeitraums Ta angibt, von dem Motor-ECU 200 eingespeist worden ist oder nicht. Wenn es eingespeist worden ist, dann schaltet die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S102 die EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B um.
Danach bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S103 beispielsweise, ob eine Abbruchanfrage (Stromunterbrechung, Wartung oder dergleichen) von dem Motor-ECU 200 vorliegt oder nicht. Wenn keine solche Abbruchanfrage vorliegt, dann wird die Verarbeitung des Schritts S101 und danach wiederholt, wohingegen dann, wenn eine solche Abbruchanfrage vorliegt, die Verarbeitung durch die Umschaltsteuervorrichtung 101 beendet wird.
[Dritter Umschaltzeitablauf]
Wie es in den 14A und 14B gezeigt ist, ist der dritte Umschaltzeitablauf ein Verfahren des Umschaltens der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B beim nächsten Zeitpunkt des Beginns des Betriebs, nachdem ein vorgegebener Zeitraum Tb nach dem Beginn des Betriebs vergangen ist.
Insbesondere wartet, wie es in der 14C gezeigt ist, die Umschaltsteuervorrichtung 101 beispielsweise auf der Basis eines Signals Sc von dem Motor-ECU 200, das den Ablauf des vorgegebenen Zeitraums Tb von einem Zeitpunkt des Beginns des Betriebs angibt, auf das Einspeisen eines Signals Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, von dem Motor-ECU 200. Darüber hinaus wird auf der Basis des Einspeisens des Signals Sd, das den Beginn des Betriebs angibt, das Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B realisiert.
Wenn eine Erläuterung auf der Basis des Flussdiagramms, das in der 15 gezeigt ist, angegeben wird, bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 zuerst im Schritt S201 beispielsweise, ob das Signal Sc, das den Ablauf des festgelegten Zeitraums Tb ab dem Zeitpunkt des Beginns des Betriebs angibt, von dem Motor-ECU 200 eingespeist worden ist oder nicht. Wenn es eingespeist worden ist, fährt das Verfahren zu dem Schritt S202 fort und die Umschaltsteuervorrichtung 101 wartet auf das Einspeisen des Signals Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, von dem Motor-ECU 200. Auf einer Stufe, bei der das Signal Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, eingespeist wird, fährt das Verfahren zu dem Schritt S203 fort, und die Umschaltsteuervorrichtung 101 realisiert das Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B.
Danach bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S204 beispielsweise, ob eine Abbruchanfrage (Stromunterbrechung, Wartung oder dergleichen) von dem Motor-ECU 200 vorliegt oder nicht. Wenn keine solche Abbruchanfrage vorliegt, dann wird die Verarbeitung des Schritts S201 und danach wiederholt, wohingegen dann, wenn eine solche Abbruchanfrage vorliegt, die Verarbeitung durch die Umschaltsteuervorrichtung 101 beendet wird.
[Vierter Umschaltzeitablauf]
Wie es in den 16A und 16B gezeigt ist, unterscheidet sich der vierte Umschaltzeitablauf, obwohl er mit dem vorstehend genannten dritten Umschaltzeitablauf im Wesentlichen identisch ist, von diesem dahingehend, das auf einen vorhergehenden Betriebszeitraum Bezug genommen wird, und nicht darauf, dass der vorgegebene Zeitraum Tb ab dem Zeitpunkt des Beginns des Betriebs vergangen ist. Insbesondere ist der vierte Umschaltzeitablauf ein Verfahren des Umschaltens der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B zum Zeitpunkt des Beginns des nächsten Betriebs, nachdem der gleiche Zeitraum wie ein vorhergehender Betriebszeitraum ab einem Zeitpunkt des Beginns des gegenwärtigen Betriebs vergangen ist.
Insbesondere behält, wie es in der 16C gezeigt ist, das Motor-ECU 200 den Zeitraum ab dem Beginn des Betriebs bis zum Ende des Betriebs als den vorhergehenden Betriebszeitraum bei. Darüber hinaus wird ein Signal Se bei einem Zeitpunkt ausgegeben, wenn der vorhergehende Betriebszeitraum ab dem Zeitpunkt vergangen ist, bei dem mit dem gegenwärtigen Betrieb begonnen worden ist. Ferner wird in einer entsprechenden Weise wie bei dem vorstehend genannten dritten Umschaltzeitablauf das Signal Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, ausgegeben.
Die Umschaltsteuervorrichtung 101 wartet beispielsweise auf der Basis des Einspeisens des vorstehend genannten Signals Se von dem Motor-ECU 200 auf das Einspeisen des Signals Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, von dem Motor-ECU 200, und realisiert dann auf der Basis des Einspeisens des Signals Sd ein Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B.
Wenn eine Erläuterung auf der Basis des Flussdiagramms, das in der 17 gezeigt ist, angegeben wird, bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S301 beispielsweise, ob das Signal Se, das den Ablauf des vorhergehenden Betriebszeitraums ab dem Zeitpunkt, bei dem mit dem gegenwärtigen Betrieb begonnen worden ist, angibt, von dem Motor-ECU 200 eingespeist worden ist oder nicht. Wenn es eingespeist worden ist, fährt das Verfahren zu dem Schritt S302 fort, und die Umschaltsteuervorrichtung 101 wartet auf das Einspeisen des Signals Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, von dem Motor-ECU 200. Auf einer Stufe, bei der das Signal Sd, das den Beginn des nächsten Betriebs angibt, eingespeist wird, fährt das Verfahren zu dem Schritt S303 fort, und die Umschaltsteuervorrichtung 101 realisiert das Umschalten der EIN- und AUS-Zustände der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B.
Danach bestimmt die Umschaltsteuervorrichtung 101 im Schritt S304 beispielsweise, ob eine Abbruchanfrage (Stromunterbrechung, Wartung oder dergleichen) von dem Motor-ECU 200 vorliegt oder nicht. Wenn keine solche Abbruchanfrage vorliegt, dann wird die Verarbeitung des Schritts S301 und danach wiederholt, wohingegen dann, wenn eine solche Abbruchanfrage vorliegt, die Verarbeitung durch die Umschaltsteuervorrichtung 101 beendet wird.
[Von der Ausführungsform erhaltene Erfindungen]
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann wie folgt zusammengefasst werden.
[1] Der Gassensor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Gassensor, der zum Messen von Konzentrationen einer ersten Zielkomponente und einer zweiten Zielkomponente ausgebildet ist, umfassend:

das mindestens eine Sensorelement (12, 12A, 12B);
die Temperatursteuervorrichtung (100), die zum Steuern der Temperatur des Sensorelements ausgebildet ist;
die mindestens eine Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung (102A, 102B); und
die Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104;
wobei das Sensorelement den Strukturkörper 14, der aus mindestens dem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, und die mindestens eine Sensorzelle (15A, 15B), die in dem Strukturkörper 14 ausgebildet ist, umfasst;
die Sensorzelle in einer Richtung, in der das Gas eingeführt wird, mit der Gaseinführungsöffnung (16A, 16B), dem ersten Diffusionsrateneinstellelement (34A, 34B), der ersten Kammer (22A, 22B), dem zweiten Diffusionsrateneinstellelement (36A, 36B), der zweiten Kammer (18A, 18B), dem dritten Diffusionsrateneinstellelement (38A, 38B) und der Messkammer (20A, 20B) versehen ist;
die Messkammer der mindestens einen Sensorzelle mit den Zielkomponente-Messpumpzellen (60A, 60B) versehen ist;
die Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung die Sauerstoffkonzentrationen der ersten Kammer und der zweiten Kammer der mindestens einen Sensorzelle steuert; und
in der Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104:
- die Konzentration der zweiten Zielkomponente auf der Basis der Differenz zwischen dem Stromwert, der zu einer der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt, und dem Stromwert, der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt, erfasst wird;
- die Gesamtkonzentration der ersten Zielkomponente und der zweiten Zielkomponente von dem Stromwert erfasst wird, der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen fließt; und
- die Konzentration der ersten Zielkomponente durch Subtrahieren der Konzentration der zweiten Zielkomponente von der Gesamtkonzentration erfasst wird.

Auf diese Weise können, da die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A die Sauerstoffkonzentrationen in der ersten Kammer 22A und der zweiten Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A steuert und die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B die Sauerstoffkonzentrationen der ersten Kammer 22B und der zweiten Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B steuert, die jeweiligen Konzentrationen einer Mehrzahl von Zielkomponenten in dem zu messenden Gas gemessen werden, während es zusätzlich möglich ist, die Konzentration einer nicht verbrennbaren Komponente, wie z.B. eines Abgases, und einer Mehrzahl von Komponenten (beispielsweise NO und NH₃), die in der Gegenwart von Sauerstoff zusammen vorliegen, über einen längeren Zeitraum genau zu messen.
Ferner kann lediglich durch Ändern der Software des Steuersystems des Gassensors 10 der Gassensor 10 das Verfahren des Messens der jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ leicht realisieren, das bisher nicht realisiert werden konnte, ohne separat verschiedene Messvorrichtungen oder dergleichen als Hardware hinzuzufügen. Als Ergebnis kann die Genauigkeit des Steuerns eines NOx-Reinigungssystems und des Erfassens von dessen Versagen verbessert werden. Insbesondere kann zwischen NO und NH₃ in dem Abgas stromabwärts von einem SCR-System unterschieden werden, was zur genauen Steuerung der eingespritzten Menge an Harnstoff sowie zur Erfassung einer Verschlechterung des SCR-Systems beiträgt.
[2] In der vorliegenden Ausführungsform kann der Gassensor ein Sensorelement 12 umfassen und das Sensorelement 12 kann die erste Sensorzelle 15A und die zweite Sensorzelle 15B umfassen. Gemäß eines solchen Aufbaus können durch das eine Sensorelement 12 jeweilige Konzentrationen einer Mehrzahl von Zielkomponenten in dem zu messenden Gas gemessen werden und die Größe und der Maßstab des Messsystems können vermindert werden.
[3] In der vorliegenden Ausführungsform kann der Gassensor zwei Sensorelemente 12A und 12B umfassen, wobei eines der Sensorelemente 12A die erste Sensorzelle 15A umfassen kann und das andere der Sensorelemente 12B die zweite Sensorzelle 15B umfassen kann. Gemäß eines solchen Aufbaus wird es beispielsweise möglich, dass distale Endabschnitte des ersten Sensorelements 12A und des zweiten Sensorelements 12B (die erste Gaseinführungsöffnung 16A und die zweite Gaseinführungsöffnung 16B) in einer aufeinander zu gerichteten Beziehung in Bezug auf die Messzielposition eingebaut werden. Daher kann der Einbau des ersten Sensorelements 12A und des zweiten Sensorelements 12B in einer flexiblen Weise gehandhabt werden.
[4] In der vorliegenden Ausführungsform wird ferner bereitgestellt:

die erste Voreinstellpumpzelle 80A, die auf der Seite der ersten Kammer 22A der ersten Sensorzelle 15A angeordnet ist, und die erste Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle 42A, die auf der Seite der zweiten Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A angeordnet ist; und
die zweite Voreinstellpumpzelle 80B, die auf der Seite der ersten Kammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B angeordnet ist, und die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle 42B, die auf der Seite der zweiten Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B angeordnet ist;
wobei die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102A versehen ist mit:
- der ersten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108A, die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer 22A der ersten Sensorzelle 15A durch Steuern der ersten Voreinstellpumpzelle 80A ausgebildet ist; und
- der ersten Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106A, die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A durch Steuern der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle 42A ausgebildet ist; und
- wobei die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung 102B versehen ist mit:
  - der zweiten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B, die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B durch Steuern der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B ausgebildet ist; und
  - der zweiten Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit 106B, die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B durch Steuern der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle 42B ausgebildet ist.

Gemäß eines solchen Aufbaus werden ein Gassensor mit einer Pumpe, die stets EIN ist, und ein Gassensor mit einer Pumpe, die stets AUS ist, nicht verwendet. Insbesondere kann ein Problem vermieden werden, bei dem ein Elektrodenabbau des Gassensors, bei dem die Pumpe stets EIN ist, stärker fortschreitet als bei dem Gassensor, dessen Pumpe stets AUS ist, und es kann eine Verlängerung der Gebrauchsdauer eines Gassensors realisiert werden, der eine Mehrzahl von Komponenten messen kann.
[5] In der vorliegenden Ausführungsform sind ferner der erste Umschalter SW1, der zum Steuern des Betriebs der ersten Voreinstellpumpzelle 80A, so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, ausgebildet ist, der zweite Umschalter SW2, der zum Steuern des Betriebs der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B, so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, ausgebildet ist, und die Umschaltsteuervorrichtung 101, die zum Steuern eines Umschaltens zwischen dem ersten Umschalter SW1 und dem zweiten Umschalter SW2 ausgebildet ist, einbezogen.
Durch Steuern des Umschaltens des ersten Umschalters SW1 und des zweiten Umschalters SW2 durch die Umschaltsteuervorrichtung 101 kann jeweils das Betreiben der ersten Voreinstellpumpzelle 80A und der zweiten Voreinstellpumpzelle 80B, so dass sie EIN oder AUS geschaltet werden, gesteuert werden.
[6] In der vorliegenden Ausführungsform kann die Umschaltsteuervorrichtung 101 das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter SW1 und dem zweiten Umschalter SW2, im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Beginn des Betriebs der Antriebsquelle steuern.
[7] In der vorliegenden Ausführungsform kann die Umschaltsteuervorrichtung 101 das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter SW1 und dem zweiten Umschalter SW2 jedesmal, wenn der festgelegte Zeitraum Ta vergangen ist, ungeachtet des Beginns des Betriebs oder des Beendens des Betriebs der Antriebsquelle steuern.
[8] In der vorliegenden Ausführungsform kann die Umschaltsteuervorrichtung 101 das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter SW1 und dem zweiten Umschalter SW2 zum Zeitpunkt des Beginns eines nächsten Betriebs steuern, nachdem der vorgegebene Zeitraum Tb ab dem Beginn des Betriebs der Antriebsquelle vergangen ist. In diesem Fall ist, da Variationen des EIN-Zeitraums vermindert sind, die vorliegende Ausführungsform zur Verlängerung der Gebrauchsdauer des Gassensors effektiv.
[9] In der vorliegenden Ausführungsform kann die Umschaltsteuervorrichtung 101 das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter SW1 und dem zweiten Umschalter SW2 zum Zeitpunkt des Beginns eines nächsten Betriebs steuern, nachdem der gleiche Zeitraum wie ein vorhergehender Betriebszeitraum von einem Zeitpunkt des Beginns des Betriebs der Antriebsquelle vergangen ist. Auch in diesem Fall ist, da Variationen des EIN-Zeitraums vermindert sind, die vorliegende Ausführungsform zur Verlängerung der Gebrauchsdauer des Gassensors effektiv.
[10] In der vorliegenden Ausführungsform kann die zweite Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A die erste Haupteinstellkammer 18Aa, die mit der ersten Kammer 22A der ersten Sensorzelle 15A in Verbindung steht, und die erste Hilfseinstellkammer 18Ab, die mit der ersten Haupteinstellkammer 18Aa in Verbindung steht, umfassen, die zweite Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B kann die zweite Haupteinstellkammer 18Ba, die mit der ersten Kammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B in Verbindung steht, und die zweite Hilfseinstellkammer 18Bb, die mit der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba in Verbindung steht, umfassen, die erste Messkammer 20A der ersten Sensorzelle 15A kann mit der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab in Verbindung stehen, und die zweite Messkammer 20B der zweiten Sensorzelle 15B kann mit der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb in Verbindung stehen.
[11] In der vorliegenden Ausführungsform können die vierten Diffusionsrateneinstellelemente 40A und 40B jeweils zwischen der ersten Haupteinstellkammer 18Aa und der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab und zwischen der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba und der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb einbezogen sein.
[12] In der vorliegenden Ausführungsform können die Pumpelektroden 82A und 82B jeweils in die erste Kammer 22A der ersten Sensorzelle 15A und die erste Kammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B einbezogen sein, die Pumpelektroden 44A und 44B können jeweils in die zweite Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A und die zweite Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B einbezogen sein, die Messelektroden 62A und 62B können jeweils in die erste Messkammer 20A der ersten Sensorzelle 15A und die zweite Messkammer 20B der zweiten Sensorzelle 15B einbezogen sein, und jede der Pumpelektroden kann aus einem Material mit einer katalytischen Aktivität hergestellt sein, die niedriger ist als diejenige der jeweiligen Messelektroden.
[13] In der vorliegenden Ausführungsform kann die erste Zielkomponente NO sein und die zweite Zielkomponente kann NH₃ sein.
[14] In der vorliegenden Ausführungsform kann die erste Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108Adie Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer 22A bei einer Bedingung steuern, bei der NH₃ oxidiert wird, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der ersten Kammer 22A der ersten Sensorzelle 15A zu verursachen, und die zweite Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Kammer 22B bei einer Bedingung steuern, bei der NH₃ oxidiert wird, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der zweiten Kammer 22B der zweiten Sensorzelle 15B zu verursachen.
[15] In der vorliegenden Ausführungsform kann die Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung 104 das Kennfeld 110 nutzen, in dem die Beziehung zwischen der NO-Konzentration bzw. der NH₃ Konzentration, durch den Stromwert Ip6, der im Vorhinein experimentell gemessen worden ist, der zu der zweiten Zielkomponente-Messpumpzelle 60B fließt, und der Differenz Δlp zwischen dem Stromwert Ip3, der zu der ersten Zielkomponente-Messpumpzelle 60A fließt, und dem Stromwert Ip6, der zu der zweiten Zielkomponente-Messpumpzelle 60B fließt, festgelegt ist; und kann die jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ durch Vergleichen des Stromwerts Ip6, der während des tatsächlichen Gebrauchs zu der zweiten Zielkomponente-Messpumpzelle 60B fließt, und der Differenz Δlp zwischen dem Stromwert Ip3, der zu der ersten Zielkomponente-Messpumpzelle 60A fließt, und dem Stromwert Ip6, der zu der zweiten Zielkomponente-Messpumpzelle 60B fließt, mit dem Kennfeld 110 bestimmen.
[16] In der vorliegenden Ausführungsform kann ferner die Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung 70 einbezogen werden, die zum Messen der Sauerstoffkonzentration auf der Basis des Pumpstromwerts, der zu der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle 42B fließt, ausgebildet ist.
[17] In der vorliegenden Ausführungsform können eine erste außenseitige Pumpelektrode 46A, die auf der Außenseite von mindestens der zweiten Kammer 18A der ersten Sensorzelle 15A angeordnet ist, und eine zweite außenseitige Pumpelektrode 46B, die auf der Außenseite von mindestens der zweiten Kammer 18B der zweiten Sensorzelle 15B angeordnet ist, gemeinsam bereitgestellt sein. Gemäß diesem Merkmal kann die Anzahl der Anschlussdrähte vermindert werden und beispielsweise wird die Montage an verschiedenen Arten von Fahrzeugen erleichtert.
[18] In der vorliegenden Ausführungsform kann die erste Zielkomponente-Messpumpzelle 60A die erste Messelektrode 62A, die innerhalb der ersten Messkammer 20A der ersten Sensorzelle 15A angeordnet ist, und die erste Referenzelektrode 52, die in dem Referenzgas-Einführungsraum 41 des Sensorelements 12 angeordnet ist, umfassen, die zweite Zielkomponente-Messpumpzellen 60B kann die zweite Messelektrode 62B, die innerhalb der Messkammer 20B der zweiten Sensorzelle 15B angeordnet ist, und die zweite Referenzelektrode 52, die in dem Referenzgas-Einführungsraum 41 des Sensorelements 12 angeordnet ist, umfassen, und die erste Referenzelektrode 52 und die zweite Referenzelektrode 52 (Referenzelektrode 52 (vgl. die 1)) können gemeinsam bereitgestellt sein. Auch in diesem Fall kann die Anzahl der Anschlussdrähte vermindert werden und die Montage an verschiedenen Arten von Fahrzeugen wird erleichtert.
[19] Darüber hinaus können, wie es in der Modifizierung (Gassensor 10a) von 18 gezeigt ist, die erste Sensorzelle 15A und die zweite Sensorzelle 15B so angeordnet sein, dass sie in einer Dickenrichtung des Sensorelements 12 im Wesentlichen aufeinander zu gerichtet sind.
Der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und es ist selbstverständlich, dass hier verschiedene Konfigurationen eingesetzt werden können, ohne von dem Wesentlichen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In dem vorstehend diskutierten Beispiel ist in der ersten Sensorzelle 15A die erste Messkammer 20A angrenzend an die erste Hilfseinstellkammer 18Ab angeordnet und die erste Messelektrode 62A ist innerhalb der ersten Messkammer 20A angeordnet. Abgesehen davon kann, obwohl dies nicht gezeigt ist, die erste Messelektrode 62A innerhalb der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab angeordnet sein und kann aus einem porösen Keramikkörper, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), der als das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38A dient, in einer Weise ausgebildet sein, dass die erste Messelektrode 62A bedeckt ist. In diesem Fall wirkt die Umgebung der ersten Messelektrode 62A als die erste Messkammer 20A.
Die gleichen Merkmale können auch auf die zweite Sensorzelle 15B angewandt werden und die zweite Messelektrode 62B kann innerhalb der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb angeordnet sein und kann aus einem porösen Keramikkörper, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), der als das dritte Diffusionsrateneinstellelement 38B dient, in einer Weise ausgebildet sein, dass die zweite Messelektrode 62B bedeckt ist. In diesem Fall wirkt die Umgebung der zweiten Messelektrode 62B als die zweite Messkammer 20B.
Ferner wurde in dem vorstehenden Beispiel ein Beispiel gezeigt, in dem NH₃ oder NO₂ als die zweite Zielkomponente innerhalb der Voreinstellkammern 22A und 22B bei einem Umwandlungsverhältnis von 100 % in NO umgewandelt wird. Das Umwandlungsverhältnis von NH₃ muss jedoch nicht notwendigerweise 100 % betragen und das Umwandlungsverhältnis kann innerhalb eines Bereichs beliebig eingestellt werden, in dem eine Korrelation mit einer guten Reproduzierbarkeit mit der NH₃-Konzentration in dem zu messenden Gas erhalten wird.
Ferner kann der jeweilige Betrieb der ersten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108A und der zweiten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration 108B in einer Richtung des Hinauspumpens von Sauerstoff aus dem oder in einer Richtung des Hineinpumpens von Sauerstoff in das Innere(n) der ersten Voreinstellkammer 22A und das Innere(n) der zweiten Voreinstellkammer 22B durchgeführt werden, und es ist insofern ausreichend, als sich die Messpumpströme Ip3 und Ip6, die Ausgangssignale der Messpumpzelle sind, aufgrund des Vorliegens von NH₃, das als die zweite Zielkomponente dient, mit einer guten Reproduzierbarkeit ändern.
Wie es in den 1 und 18 gezeigt ist, ist in die vorstehend genannten Gassensoren 10 und 10a eine Struktur einbezogen, in der eine Mehrzahl von Sensorzellen (beispielsweise die erste Sensorzelle 15A und die zweite Sensorzelle 15B) in einem einzelnen Strukturkörper 14 ausgebildet sind, der das Sensorelement 12 bildet.
Abgesehen davon kann beispielsweise, wie es in der 19 gezeigt ist, ein Gassensor 10 bereitgestellt werden, der eine Mehrzahl von Sensorelementen umfasst (beispielsweise das erste Sensorelement 12A und das zweite Sensorelement 12B). In dem Gassensor 10, der in der 19 gezeigt ist, ist eine erste Sensorzelle 15A in einem ersten Strukturkörper 14A ausgebildet, der das erste Sensorelement 12A bildet, und eine zweite Sensorzelle 15B ist in einem zweiten Strukturkörper 14B ausgebildet, der das zweite Sensorelement 12B bildet. Darüber hinaus ist hinsichtlich der Referenzelektroden eine erste Referenzelektrode 52A in Bezug auf das erste Sensorelement 12A ausgebildet und eine zweite Referenzelektrode 52B ist in Bezug auf das zweite Sensorelement 12B ausgebildet.
Innerhalb der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 des ersten Strukturkörpers 14A (vgl. die 2) ist die erste außenseitige Pumpelektrode 46A so ausgebildet, dass sie sich von einem Bereich, welcher der ersten Haupteinstellkammer 18Aa entspricht, zu einem Bereich erstreckt, welcher der ersten Hilfseinstellkammer 18Ab entspricht. Entsprechend ist innerhalb der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 32 des zweiten Strukturkörpers 14B (vgl. die 3) die zweite außenseitige Pumpelektrode 46B so ausgebildet, dass sie sich von einem Bereich, welcher der zweiten Haupteinstellkammer 18Ba entspricht, zu einem Bereich erstreckt, welcher der zweiten Hilfseinstellkammer 18Bb entspricht.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung können verschiedene Konfigurationen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit als Komponenten für ein Kraftfahrzeug in einem Ausmaß hinzugefügt werden, dass das Konzept der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt wird.

Claims

Gassensor, der zum Messen von Konzentrationen einer ersten Zielkomponente und einer zweiten Zielkomponente ausgebildet ist, umfassend: mindestens ein Sensorelement (12, 12A, 12B); eine Temperatursteuervorrichtung (100), die zum Steuern einer Temperatur des Sensorelements ausgebildet ist; mindestens eine Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung (102A, 102B); und eine Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung (104); wobei das Sensorelement einen Strukturkörper (14), der aus mindestens einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, und mindestens eine Sensorzelle (15A, 15B), die in dem Strukturkörper (14) ausgebildet ist, umfasst; die Sensorzelle in einer Richtung, in der ein Gas eingeführt wird, mit einer Gaseinführungsöffnung (16A, 16B), einem ersten Diffusionsrateneinstellelement (34A, 34B), einer ersten Kammer (22A, 22B), einem zweiten Diffusionsrateneinstellelement (36A, 36B), einer zweiten Kammer (18A, 18B), einem dritten Diffusionsrateneinstellelement (38A, 38B) und einer Messkammer (20A, 20B) versehen ist; die Messkammer der mindestens einen Sensorzelle mit Zielkomponente-Messpumpzellen (60A, 60B) versehen ist; die Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung (102A, 102B) Sauerstoffkonzentrationen der ersten Kammer (22A, 22B) und der zweiten Kammer (18A, 18B) der mindestens einen Sensorzelle (15A, 15B) steuert; und in der Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung (104): eine Konzentration der zweiten Zielkomponente auf der Basis einer Differenz zwischen einem Stromwert, der zu einer der Zielkomponente-Messpumpzellen (60A) fließt, und einem Stromwert, der zu einer anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt, erfasst wird; eine Gesamtkonzentration der ersten Zielkomponente und der zweiten Zielkomponente von dem Stromwert erfasst wird, der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt; und eine Konzentration der ersten Zielkomponente durch Subtrahieren der Konzentration der zweiten Zielkomponente von der Gesamtkonzentration erfasst wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gassensor ein Sensorelement (12) umfasst und das Sensorelement (12) eine erste Sensorzelle (15A) und eine zweite Sensorzelle (15B) umfasst.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gassensor zwei Sensorelemente (12A, 12B) umfasst, wobei eines der Sensorelemente (12A) eine erste Sensorzelle (15A) umfasst und das andere der Sensorelemente (12B) eine zweite Sensorzelle (15B) umfasst.
Gassensor nach Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend: eine erste Voreinstellpumpzelle (80A), die auf einer Seite der ersten Kammer (22A) der ersten Sensorzelle (15A) angeordnet ist, und eine erste Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle (42A), die auf einer Seite der zweiten Kammer (18A) der ersten Sensorzelle (15A) angeordnet ist; und eine zweite Voreinstellpumpzelle (80B), die auf einer Seite der ersten Kammer (22B) der zweiten Sensorzelle (15B) angeordnet ist, und eine zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle (42B), die auf einer Seite der zweiten Kammer (18B) der zweiten Sensorzelle (15B) angeordnet ist; wobei die erste Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung (102A) versehen ist mit: einer ersten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration (108A), die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer (22A) der ersten Sensorzelle (15A) durch Steuern der ersten Voreinstellpumpzelle (80A) ausgebildet ist; und einer ersten Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit (106A), die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer (18A) der ersten Sensorzelle (15A) durch Steuern der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle (42A) ausgebildet ist; und wobei die zweite Sauerstoffkonzentration-Steuervorrichtung (102B) versehen ist mit: einer zweiten Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration (108B), die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der ersten Kammer (22B) der zweiten Sensorzelle (15B) durch Steuern der zweiten Voreinstellpumpzelle (80B) ausgebildet ist; und eine zweite Sauerstoffkonzentration-Steuereinheit (106B), die zum Steuern der Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer (18B) der zweiten Sensorzelle (15B) durch Steuern der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle (42B) ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 4, ferner umfassend: einen ersten Umschalter (SW1), der zum Steuern des Betriebs der ersten Voreinstellpumpzelle (80A), so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, ausgebildet ist; einen zweiten Umschalter (SW2), der zum Steuern des Betriebs der zweiten Voreinstellpumpzelle (80B), so dass sie EIN oder AUS geschaltet wird, ausgebildet ist; und eine Umschaltsteuervorrichtung (101), die zum Steuern eines Umschaltens zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei die Umschaltsteuervorrichtung (101) das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Beginn des Betriebs der Antriebsquelle steuert.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei die Umschaltsteuervorrichtung (101) das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) jedesmal, wenn ein festgelegter Zeitraum (Ta) vergangen ist, ungeachtet des Beginns des Betriebs oder des Beendens des Betriebs der Antriebsquelle steuert.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei die Umschaltsteuervorrichtung (101) das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) zum Zeitpunkt des Beginns eines nächsten Betriebs steuert, nachdem ein vorgegebener Zeitraum (Tb) ab dem Beginn des Betriebs der Antriebsquelle vergangen ist.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei die Umschaltsteuervorrichtung (101) das Umschalten zwischen dem ersten Umschalter (SW1) und dem zweiten Umschalter (SW2) zum Zeitpunkt des Beginns eines nächsten Betriebs steuert, nachdem der gleiche Zeitraum wie ein vorhergehender Betriebszeitraum von einem Zeitpunkt des Beginns des Betriebs der Antriebsquelle vergangen ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei: die zweite Kammer (18A) der ersten Sensorzelle (15A) eine erste Haupteinstellkammer (18Aa), die mit der ersten Kammer (22A) der ersten Sensorzelle (15A) in Verbindung steht, und eine erste Hilfseinstellkammer (18Ab), die mit der ersten Haupteinstellkammer (18Aa) in Verbindung steht, umfasst; die zweite Kammer (18B) der zweiten Sensorzelle (15B) eine zweite Haupteinstellkammer (18Ba), die mit der ersten Kammer (22B) der zweiten Sensorzelle (15B) in Verbindung steht, und eine zweite Hilfseinstellkammer (18Bb), die mit der zweiten Haupteinstellkammer (18Ba) in Verbindung steht, umfasst; die Messkammer (20A) der ersten Sensorzelle (15A) mit der ersten Hilfseinstellkammer (18Ab) in Verbindung steht; und die Messkammer (20B) der zweiten Sensorzelle (15B) mit der zweiten Hilfseinstellkammer (18Bb) in Verbindung steht.
Gassensor nach Anspruch 10, wobei vierte Diffusionsrateneinstellelemente (40A, 40B) jeweils zwischen der ersten Haupteinstellkammer (18Aa) und der ersten Hilfseinstellkammer (18Ab) und zwischen der zweiten Haupteinstellkammer (18Ba) und der zweiten Hilfseinstellkammer (18Bb) einbezogen sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei: Pumpelektroden (82A, 82B) jeweils in die erste Kammer (22A) der ersten Sensorzelle (15A) und die erste Kammer (22B) der zweiten Sensorzelle (15B) einbezogen sind; Pumpelektroden (44A, 44B) jeweils in die zweite Kammer (18A) der ersten Sensorzelle (15A) und die zweite Kammer (18B) der zweiten Sensorzelle (15B) einbezogen sind; Messelektroden (62A, 62B) jeweils in die Messkammer (20A) der ersten Sensorzelle (15A) und die Messkammer (20B) der zweiten Sensorzelle (15B) einbezogen sind; und jede der Pumpelektroden aus einem Material mit einer katalytischen Aktivität hergestellt ist, die niedriger ist als diejenige der jeweiligen Messelektroden.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die erste Zielkomponente NO ist und die zweite Zielkomponente NH₃ ist.
Gassensor nach Anspruch 13, wobei die erste Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration (108A) die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer (22A) bei einer Bedingung steuert, bei der NH₃ oxidiert wird, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der ersten Kammer (22A) der ersten Sensorzelle (15A) zu verursachen; und die zweite Einheit zum Steuern der vorläufigen Sauerstoffkonzentration (108B) die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Kammer (22B) bei einer Bedingung steuert, bei der NH₃ oxidiert wird, ohne eine Zersetzung von NO innerhalb der zweiten Kammer (22B) der zweiten Sensorzelle (15B) zu verursachen.
Gassensor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Zielkomponentenkonzentration-Erfassungsvorrichtung (104): ein Kennfeld (110) nutzt, in dem eine Beziehung zwischen einer NO-Konzentration bzw. einer NH₃ Konzentration durch einen Stromwert (Ip6), der im Vorhinein experimentell gemessen worden ist, der zu einer anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt, und eine Differenz (Δlp) zwischen einem Stromwert (Ip3), der zu einer der Zielkomponente-Messpumpzellen (60A) fließt, und dem Stromwert (Ip6), der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt, festgelegt ist; und die jeweiligen Konzentrationen von NO und NH₃ durch Vergleichen des Stromwerts (Ip6), der während des tatsächlichen Gebrauchs zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt, und der Differenz (ΔIp) zwischen dem Stromwert (Ip3), der zu der einen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60A) fließt, und dem Stromwert (Ip6), der zu der anderen der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) fließt, mit dem Kennfeld (110) bestimmt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 15, der ferner eine Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorrichtung (70) umfasst, die zum Messen einer Sauerstoffkonzentration auf der Basis eines Pumpstromwerts, der zu der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellpumpzelle (42B) fließt, ausgebildet ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine erste außenseitige Pumpelektrode (46A), die auf einer Außenseite von mindestens der zweiten Kammer (18A) der ersten Sensorzelle (15A) angeordnet ist, und eine zweite außenseitige Pumpelektrode (46B), die auf einer Außenseite von mindestens der zweiten Kammer (18B) der zweiten Sensorzelle (15B) angeordnet ist, gemeinsam bereitgestellt sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 17, wobei: eine der Zielkomponente-Messpumpzellen (60A) eine erste Messelektrode (62A), die innerhalb der Messkammer (20A) der ersten Sensorzelle (15A) angeordnet ist, und eine erste Referenzelektrode (52), die in einem Referenzgas-Einführungsraum (41) des Sensorelements (12) angeordnet ist, umfasst; eine andere der Zielkomponente-Messpumpzellen (60B) eine zweite Messelektrode (62B), die innerhalb der Messkammer (20B) der zweiten Sensorzelle (15B) angeordnet ist, und eine zweite Referenzelektrode (52), die in dem Referenzgas-Einführungsraum (41) des Sensorelements (12) angeordnet ist, umfasst; und die erste Referenzelektrode (52) und die zweite Referenzelektrode (52) gemeinsam bereitgestellt sind.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei die erste Sensorzelle (15A) und die zweite Sensorzelle (15B) so angeordnet sind, dass sie in einer Dickenrichtung des Sensorelements (12) im Wesentlichen aufeinander zu gerichtet sind.