DE102021001576A1

DE102021001576A1 - Gassensorsystem

Info

Publication number: DE102021001576A1
Application number: DE102021001576.2A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Kondo
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: Ngk Insulators Ltd Nagoya City Jp
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210302401A1; CN113466307A; US11408873B2

Abstract

Ein Gassensorsystem (10) ist mit einer ersten Gaserfassungseinheit (Sensorelement 12a) und einer zweiten Gaserfassungseinheit (Sensorelement 12b) versehen. Die erste und die zweite Gaserfassungseinheit umfassen eine Gaseinführungsöffnung (80) zum Einführen eines zu messenden Gases (G), eine Messkammer (dritter innerer Hohlraum 96), der mit der Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, ein Umwandlungsmedium (NH3-Oxidationskatalysator), das zwischen der Gaseinführungsöffnung und der Messkammer angeordnet ist und das einen Teil einer ersten Gasart in eine zweite Gasart umwandelt, und eine Erfassungsvorrichtung (Messpumpzelle 140), welche die zweite Gasart erfasst. Ein Verhältnis (Diffusionswiderstandsverhältnis P) von Diffusionswiderständen (Diffusionswiderstände Ra und Rb von der Gaseinführungsöffnung zu der Messkammer) der ersten Gaserfassungseinheit und der zweiten Gaserfassungseinheit ist größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorsystem.
Beschreibung des Standes der Technik:
Es wurden Vorrichtungen entwickelt, welche die Konzentrationen einer Mehrzahl von Gasarten (z.B. NOx und NH₃) messen können. Beispielsweise offenbart das japanische offengelegte Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2001-133447 die folgende Vorrichtung. In einer solchen Vorrichtung werden eine Menge von NOx und eine Menge von NH₃ innerhalb eines zu messenden Gases aus einer Gesamtmenge von NOx, nachdem NH₃ in dem zu messenden Gas (das NOx und NH₃ umfasst) in NOx umgewandelt worden ist, und einer Gesamtmenge von NOx, nachdem ein Teil des NH₃ in dem zu messenden Gas in NOx umgewandelt worden ist, berechnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In diesem Fall können die Konzentrationen der Komponenten des Gases im Zeitverlauf einer Änderung unterliegen. Beispielsweise ändern sich in einem Abgas von einem Kraftfahrzeug Konzentrationen der Komponenten des Abgases einhergehend mit einer Änderung des Betriebszustands des Motors. In dem Fall, bei dem sich die Konzentrationen der Komponenten des Gases auf diese Weise ändern, ist es nicht immer einfach, die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensorsystems, das auf eine Verbesserung der Messgenauigkeit in Bezug auf ein Mischgas abzielt, in dem sich die Konzentrationen der Komponenten des Gases im Zeitverlauf ändern.
Das Gassensorsystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist mit einer ersten Gaserfassungseinheit, einer zweiten Gaserfassungseinheit und einer Berechnungseinheit versehen. Die erste Gaserfassungseinheit umfasst eine erste Gaseinführungsöffnung, die zum Einführen eines zu messenden Gases ausgebildet ist, das mindestens eine von einer ersten Gasart und einer zweiten Gasart enthält, eine erste Messkammer, die mit der ersten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, ein erstes Umwandlungsmedium, das zwischen der ersten Gaseinführungsöffnung und der ersten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist, und eine erste Erfassungsvorrichtung, die zum Erfassen der zweiten Gasart in der ersten Messkammer ausgebildet ist. Die zweite Gaserfassungseinheit umfasst eine zweite Gaseinführungsöffnung, die zum Einführen des zu messenden Gases ausgebildet ist, eine zweite Messkammer, die mit der zweiten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, ein zweites Umwandlungsmedium, das zwischen der zweiten Gaseinführungsöffnung und der zweiten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist, und eine zweite Erfassungsvorrichtung, die zum Erfassen der zweiten Gasart in der zweiten Messkammer ausgebildet ist. Die Berechnungseinheit ist zum Berechnen von Konzentrationen der ersten Gasart und der zweiten Gasart in dem zu messenden Gas auf der Basis der Erfassungsergebnisse der ersten Erfassungsvorrichtung und der zweiten Erfassungsvorrichtung ausgebildet. Die Umwandlungseffizienzen des ersten Umwandlungsmediums und des zweiten Umwandlungsmediums unterscheiden sich voneinander. Ein Verhältnis eines ersten Diffusionswiderstands von der ersten Gaseinführungsöffnung zu der ersten Messkammer und eines zweiten Diffusionswiderstands von der zweiten Gaseinführungsöffnung zu der zweiten Messkammer ist größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Gassensorsystem bereitgestellt werden, in dem die Messgenauigkeit in Bezug auf ein Mischgas verbessert ist, in dem sich die Konzentrationen der Komponenten des Gases im Zeitverlauf ändern.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein veranschaulichendes Beispiel gezeigt ist.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das ein Gassensorsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht eines Sensorelements gemäß der Ausführungsform;
3 ist eine Tabelle, die Eigenschaften des Sensorelements zeigt, das in einem Experiment verwendet wird;
4 ist ein Graph, der Änderungen von Werten, die durch das Sensorelement erfasst werden, im Zeitverlauf zeigt;
5 ist ein Graph, der Änderungen einer berechneten NH₃-Konzentration im Zeitverlauf zeigt;
6 ist eine Tabelle, die experimentelle Ergebnisse zeigt;
7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Diffusionswiderstandsverhältnissen und Messfehlern zeigt; und
8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen Differenzen des Diffusionswiderstands und der Messfehler zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Gassensorsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend detailliert dargestellt und beschrieben.
Die 1 ist ein Diagramm, welches das Gassensorsystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Gassensorsystem 10 umfasst Sensorelemente 12a und 12b und eine Steuereinheit 200. In der 1 sind zum Erleichtern des Verständnisses nur Abschnitte der Sensorelemente 12a und 12b gezeigt und Details davon sind weggelassen.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst jedes der Sensorelemente 12a und 12b eine Gaseinführungsöffnung 80, ein erstes Diffusionsrateneinstellelement 82, einen Pufferraum 84, ein zweites Diffusionsrateneinstellelement 86, einen ersten inneren Hohlraum 88, ein drittes Diffusionsrateneinstellelement 90, einen zweiten inneren Hohlraum 92, ein viertes Diffusionsrateneinstellelement 94 und einen dritten inneren Hohlraum 96 (Messkammer). Ein zu messendes Gas G wird von den Gaseinführungsöffnungen 80 eingeführt und erreicht den dritten inneren Hohlraum 96.
In diesem Fall umfasst das zu messende Gas G mindestens eine von einer Mehrzahl von Gasarten G1 (beispielsweise NH₃) und G2 (beispielsweise NOx). Die Sensorelemente 12a und 12b umfassen ein Umwandlungsmedium (beispielsweise einen NH₃-Oxidationskatalysator), das NH₃ oxidiert und es in NOx umwandelt, in mindestens einem der ersten Diffusionsrateneinstellelemente 82, der Pufferräume 84, der zweiten Diffusionsrateneinstellelemente 86, der ersten inneren Hohlräume 88, der dritten Diffusionsrateneinstellelemente 90, der zweiten inneren Hohlräume 92 und der vierten Diffusionsrateneinstellelemente 94.
Die Umwandlungsmedien CM1 und CM2 der Sensorelemente 12a und 12b weisen verschiedene Umwandlungseffizienzen Ma und Mb auf. Als Ergebnis unterscheiden sich, wenn das zu messende Gas G die dritten inneren Hohlräume 96 (Messkammern) der Sensorelemente 12a und 12b erreicht, die Konzentrationen von NOx, die durch die Oxidation von NH₃ erzeugt werden, voneinander. Details bezüglich der Umwandlungsmedien CM1 und CM2 und der Umwandlungseffizienzen Ma und Mb werden später beschrieben.
Das NOx, das ursprünglich in dem zu messenden Gas G vorlag, nachdem es die dritten inneren Hohlräume 96 erreicht hat, und das NOx, das durch die Oxidation von NH₃ in dem zu messenden Gas G neu erzeugt wird, werden unter Verwendung der Erfassungsvorrichtungen (Messpumpzellen 140, die später beschrieben werden) erfasst und erfasste Werte Oa und Ob (Ip2a und Ip2b: Pumpströme Ip2, die später beschrieben werden), die der Summe der Konzentrationen von NOx entsprechen, werden ausgegeben. Die erfassten Werte Oa und Ob zeigen eine Beziehung, die beispielsweise durch die folgenden Gleichungen (1) dargestellt ist, zwischen der NH₃-Konzentration C1 und der NOx-Konzentration C2 in dem anfänglichen zu messenden Gas G. In diesem Fall sind Ka und Kb Proportionalitätskonstanten, die Größen von erfassten Werten in Bezug auf die NOx-Konzentrationen der Sensorelemente 12a bzw. 12b darstellen. $\begin{array}{l} Oa = Ka * (1,2 * Ma * C 1 + C 2) \\ Ob = Kb * (1,2 * Mb * C 1 + C 2) \end{array}$
Aus den erfassten Werten Oa und Ob berechnet die Steuereinheit 200 die NH₃-Konzentration C1 und die NOx-Konzentration C2 in dem anfänglichen zu messenden Gas G beispielsweise auf der Basis der folgenden Gleichungen (2). $\begin{array}{l} C 1 = (Oa / Ka - Ob / Kb) / (1,2 * Ma - 1,2 * Mb) \\ C 2 = (- Mb * Oa / Ka + Ma * Ob / Kb) / (Ma - Mb) \end{array}$
Details bezüglich der Sensorelemente 12a und 12b werden nachstehend beschrieben. Da Differenzen zwischen den Konfigurationen der Sensorelemente 12a und 12b gering sind, werden die Sensorelemente 12 zusammen beschrieben, wohingegen Punkte, die sich zwischen den Sensorelementen 12a und 12b unterscheiden, der Beschreibung in einer ergänzenden Weise hinzugefügt werden. Die 2 ist eine Querschnittsansicht der Sensorelemente 12 (12a und 12b) gemäß der Ausführungsform.
Die Sensorelemente 12 weisen die Form eines länglichen rechteckigen Körpers auf, die Längsrichtung der Sensorelemente 12 (die horizontale Richtung, wie sie in der 2 gezeigt ist) ist als eine Vorne-hinten-Richtung festgelegt, und die Dickenrichtung der Sensorelemente 12 (die vertikale Richtung, wie sie in der 2 gezeigt ist) ist als Oben-unten-Richtung festgelegt. Ferner ist die Breitenrichtung der Sensorelemente 12 (die Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Oben-unten-Richtung) als Links-rechts-Richtung festgelegt.
Jedes der Sensorelemente 12 ist ein Element, das einen laminierten Körper umfasst, in dem sechs Schichten aus einer ersten Substratschicht 60, einer zweiten Substratschicht 62, einer dritten Substratschicht 64, einer ersten Festelektrolytschicht 66, einer Abstandshalterschicht 68 und einer zweiten Festelektrolytschicht 70, die jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen, ausgebildet sind, betrachtet in der Zeichnung in dieser Reihenfolge von einer Unterseite gestapelt sind. Ferner weist der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Beispielsweise werden nach dem Durchführen eines vorgegebenen Verfahrens, wie z.B. eines Druckens von Schaltkreisstrukturen auf Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, die Sensorelemente 12 durch Laminieren und ferner durch Brennen und Integrieren der jeweiligen Schichten hergestellt.
Eine Gaseinführungsöffnung 80, ein erstes Diffusionsrateneinstellelement 82, ein Pufferraum 84, ein zweites Diffusionsrateneinstellelement 86, ein erster innerer Hohlraum 88, ein drittes Diffusionsrateneinstellelement 90, ein zweiter innerer Hohlraum 92, ein viertes Diffusionsrateneinstellelement 94 und ein dritter innerer Hohlraum 96 sind an einem Ende der Sensorelemente 12 (der linken Seite in der 2) zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 in dieser Reihenfolge aneinander angrenzend ausgebildet.
Die Gaseinführungsöffnung 80, der Pufferraum 84, der erste innere Hohlraum 88, der zweite innere Hohlraum 92 und der dritte innere Hohlraum 96 sind Räume im Inneren der Sensorelemente 12, in denen die oberen Abschnitte davon, die durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 68 bereitgestellt werden, durch untere Oberflächen der zweiten Festelektrolytschicht 70 festgelegt sind, die unteren Abschnitte davon durch obere Oberflächen der ersten Festelektrolytschicht 66 festgelegt sind und die Seitenabschnitte davon durch Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 68 festgelegt sind.
Jedwedes des ersten Diffusionsrateneinstellelements 82, des zweiten Diffusionsrateneinstellelements 86 und des dritten Diffusionsrateneinstellelements 90 ist als zwei horizontal längliche Schlitze (wobei Öffnungen davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung aufweisen) bereitgestellt. Ferner ist das vierte Diffusionsrateneinstellelement 94 als ein einzelner horizontal länglicher Schlitz (wobei eine Öffnung davon eine Längsrichtung in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung aufweist) bereitgestellt, der als eine Lücke zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet ist. Der Abschnitt von der Gaseinführungsöffnung 80 zu dem dritten inneren Hohlraum 96 wird auch als Durchströmungsabschnitt des zu messenden Gases bezeichnet.
Ferner ist an einer Position weiter entfernt von einer Endseite als der Durchströmungsabschnitt des zu messenden Gases und zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 68 ein Referenzgas-Einführungsraum 98 an einer Position bereitgestellt, bei dem die Seitenabschnitte durch die Seitenoberflächen der ersten Festelektrolytschicht 66 festgelegt sind. Beispielsweise wird das Atmosphärengas in den Referenzgas-Einführungsraum 98 als Referenzgas eingeführt, wenn eine Messung der NOx-Konzentration durchgeführt wird.
Eine Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 ist eine Schicht, die aus einer Keramik, wie z.B. porösem Aluminiumoxid, hergestellt ist und die zu dem Referenzgas-Einführungsraum 98 freiliegt. Das Referenzgas wird durch den Referenzgas-Einführungsraum 98 in die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 eingeführt. Ferner wird die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 derart ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 102 bedeckt. Die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 führt das Referenzgas zu der Referenzelektrode 102 ein, während sie einen vorgegebenen Diffusionswiderstand in Bezug auf das Referenzgas innerhalb des Referenzgas-Einführungsraums 98 ausübt. Ferner ist die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 derart ausgebildet, dass sie stärker als die Referenzelektrode 102 zu dem Referenzgas-Einführungsraum 98 freiliegt, und zwar nur auf der hinteren Endseite (der rechten Seite, die in der 2 gezeigt ist) der Sensorelemente 12. Anders ausgedrückt ist der Referenzgas-Einführungsraum 98 nicht bis zu einer Stelle direkt oberhalb der Referenzelektrode 102 ausgebildet. Die Referenzelektrode 102 kann jedoch auch direkt unterhalb des Referenzgas-Einführungsraums 98 ausgebildet sein, wie es in der 2 gezeigt ist.
Die Referenzelektrode 102 ist eine Elektrode, die in einem Zustand gebildet wird, so dass sie zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 und der ersten Festelektrolytschicht 66 eingeschlossen ist, und, wie es vorstehend erwähnt worden ist, die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100, die mit dem Referenzgas-Einführungsraum 98 verbunden ist, in der Umgebung davon angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Referenzelektrode 102 direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 ausgebildet und ein Abschnitt davon, der von dem Abschnitt in Kontakt mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 64 verschieden ist, ist durch die Atmosphärengas-Einführungsschicht 100 bedeckt. Ferner kann, wie es später diskutiert wird, unter Verwendung der Referenzelektrode 102 die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88, innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 und innerhalb des dritten inneren Hohlraum 96 gemessen werden. Die Referenzelektrode 102 ist als poröse Cermetelektrode (beispielsweise eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Durchströmungsabschnitt des zu messenden Gases ist die Gaseinführungsöffnung 80 eine Stelle, die in Bezug auf den Außenraum geöffnet ist, und das zu messende Gas G wird von dem Außenraum durch die Gaseinführungsöffnung 80 in die Sensorelemente 12 gezogen. Das erste Diffusionsrateneinstellelement 82 ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand in Bezug auf das zu messende Gas G ausübt, das von der Gaseinführungsöffnung 80 hineingezogen wird. Der Pufferraum 84 ist ein Raum, der zum Leiten des zu messenden Gases G, das von dem ersten Diffusionsrateneinstellelement 82 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionsrateneinstellelement 86 bereitgestellt ist.
Das zweite Diffusionsrateneinstellelement 86 ist eine Stelle, die einen vorgegebenen Diffusionswiderstand in Bezug auf das zu messende Gas G ausübt, das von dem Pufferraum 84 in den ersten inneren Hohlraum 88 hineingezogen wird. Wenn das zu messende Gas von dem Äußeren der Sensorelemente 12 aufgrund von Druckschwankungen des zu messenden Gases G in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das zu messende Gas G ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) zu dem Inneren des ersten inneren Hohlraums 88 eingeführt wird, wird das zu messende Gas G, das von den Gaseinführungsöffnungen 80 rasch in die Sensorelemente 12 gezogen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt, sondern wird vielmehr in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt, nachdem solche Schwankungen der Konzentration des zu messenden Gases G durch Leiten durch das erste Diffusionsrateneinstellelement 82, den Pufferraum 84 und das zweite Diffusionsrateneinstellelement 86 aufgehoben worden sind.
Folglich werden Schwankungen der Konzentration des zu messenden Gases G, das in den ersten inneren Hohlraum 88 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 88 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas G bereitgestellt, das durch das zweite Diffusionsrateneinstellelement 86 eingeführt wird. Der entsprechende Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer später beschriebenen Hauptpumpzelle 110 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 110 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine Innenseitenpumpelektrode 112, die auf der Innenoberfläche des ersten inneren Hohlraums 88 angeordnet ist, eine Außenseitenpumpelektrode 114, die in einem Bereich, welcher der Innenseitenpumpelektrode 112 entspricht, innerhalb der Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 in einer Weise angeordnet ist, dass sie zu dem Außenraum freiliegt, und die zweite Festelektrolytschicht 70, die zwischen den zwei Pumpelektroden eingeschlossen ist, ausgebildet ist.
Die Innenseitenpumpelektrode 112 erstreckt sich über die obere und untere Festelektrolytschicht (die zweite Festelektrolytschicht 70 und die erste Festelektrolytschicht 66), die den ersten inneren Hohlraum 88 aufteilen, und die Abstandshalterschicht 68. Insbesondere ist ein oberer Elektrodenabschnitt 112a der Innenseitenpumpelektrode 112 auf einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 70 ausgebildet, wodurch eine obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 88 gebildet wird, und ferner ist ein unterer Elektrodenabschnitt 112b direkt auf einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet, wodurch eine untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 88 gebildet wird, während zusätzlich, so dass der obere Elektrodenabschnitt 112a und der untere Elektrodenabschnitt 112b verbunden werden, Seitenelektrodenabschnitte (nicht gezeigt) auf Seitenwandoberflächen (Innenoberflächen) der Abstandshalterschicht 68 ausgebildet sind, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 88 bilden, und sie sind als Struktur ausgebildet, in der eine Tunnelstruktur an der Stelle gebildet wird, bei welcher der Elektrodenabschnitt angeordnet ist.
Die Innenseitenpumpelektrode 112 und die Außenseitenpumpelektrode 114 sind als poröse Cermetelektroden (beispielsweise Cermetelektroden aus ZrO₂ und Pt, die 1 % Au enthalten) ausgebildet. Darüber hinaus wird die Innenseitenpumpelektrode 112, die mit dem zu messenden Gas G in Kontakt ist, unter Verwendung eines Materials ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem zu messenden Gas G abschwächt.
In der Hauptpumpzelle 110 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der Innenseitenpumpelektrode 112 und der Außenseitenpumpelektrode 114 angelegt und ein Pumpstrom Ip0 wird in einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung zwischen der Innenseitenpumpelektrode 112 und der Außenseitenpumpelektrode 114 fließen gelassen, wodurch der Sauerstoff innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88 zu dem Außenraum hinausgepumpt werden kann oder der Sauerstoff in dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 88 hineingepumpt werden kann.
Um ferner die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88 zu erfassen, ist eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 120 zum Steuern der Hauptpumpe aus der Innenseitenpumpelektrode 112, der zweiten Festelektrolytschicht 70, der Abstandshalterschicht 68, der ersten Festelektrolytschicht 66 und der Referenzelektrode 102 ausgebildet.
Durch Messen der elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 120 zum Steuern der Hauptpumpe kann die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88 erfasst und bestimmt werden. Ferner wird der Pumpstrom Ip0 durch Regeln der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 122 in einer Weise eingestellt, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant wird. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Das dritte Diffusionsrateneinstellelement 90 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas G aus, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 110 in dem ersten inneren Hohlraum 88 eingestellt wird, und es ist eine Stelle, die das zu messende Gas G in den zweiten inneren Hohlraum 92 leitet.
Der zweite innere Hohlraum 92 ist als Raum zum weiteren Durchführen einer Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch eine Hilfspumpzelle 124 in Bezug auf das zu messende Gas G bereitgestellt, der durch das dritte Diffusionsrateneinstellelement 90 eingestellt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem ersten inneren Hohlraum 88 eingestellt worden ist. Gemäß diesem Merkmal kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und daher können die Sensorelemente 12 die NOx-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit messen.
Die vorstehend beschriebene Hilfspumpzelle 124 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die durch eine Hilfspumpelektrode 126, die auf einer Innenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bereitgestellt ist, die Außenseitenpumpelektrode 114 (ohne auf die Außenseitenpumpelektrode 114 beschränkt zu sein, ist jedwede geeignete Pumpelektrode auf der Außenseite der Sensorelemente 12 zweckmäßig) und die zweite Festelektrolytschicht 70 ausgebildet ist.
Die Hilfspumpelektrode 126 ist innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 in einer Struktur mit einer Tunnelform ähnlich wie diejenige der Innenseitenpumpelektrode 112 angeordnet, die innerhalb des ersten inneren Hohlraums 88 bereitgestellt ist. Anders ausgedrückt ist ein oberer Elektrodenabschnitt 126a in Bezug auf die zweite Festelektrolytschicht 70 ausgebildet, der eine obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bildet, und ferner ist ein unterer Elektrodenabschnitt 126b direkt auf einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 ausgebildet, der eine untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 92 bildet, während zusätzlich eine tunnelförmige Struktur ausgebildet ist, in der Seitenelektrodenabschnitte (nicht gezeigt), die den oberen Elektrodenabschnitt 126a und den unteren Elektrodenabschnitt 126b verbinden, jeweils auf beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 68 ausgebildet sind, welche die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 92 bilden. Darüber hinaus ist in der gleichen Weise wie die Innenseitenpumpelektrode 112 die Hilfspumpelektrode 126 auch unter Verwendung eines Materials ausgebildet, welches das Reduktionsvermögen bezüglich der NOx-Komponente in dem zu messenden Gas G abschwächt.
In der Hilfspumpzelle 124 kann durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 126 und der Außenseitenpumpelektrode 114 Sauerstoff in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 in den Außenraum hinausgepumpt werden oder alternativ kann Sauerstoff von dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 92 hineingepumpt werden.
Ferner ist zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 130 zum Steuern der Hilfspumpe durch die Hilfspumpelektrode 126, die Referenzelektrode 102, die zweite Festelektrolytschicht 70, die Abstandshalterschicht 68 und die erste Festelektrolytschicht 66 ausgebildet.
Darüber hinaus führt die Hilfspumpzelle 124 ein Pumpen durch eine variable Stromversorgung 132 durch, deren Spannung auf der Basis der elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 130 zum Steuern der Hilfspumpe erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 92 so eingestellt, dass er einen niedrigen Partialdruck erreicht, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner wird zusammen damit ein Pumpstrom Ip1 davon zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 120 zum Steuern der Hauptpumpe verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 120 zum Steuern der Hauptpumpe eingespeist und durch Steuern der elektromotorischen Kraft V0 davon wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem zu messenden Gas G, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellelement 90 in den zweiten inneren Hohlraum 92 eingeführt wird, so eingestellt, dass er stets konstant bleibt. Wenn sie als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 92 durch die Wirkungen der Hauptpumpzelle 110 und der Hilfspumpzelle 124 bei einem konstanten Wert in der Größenordnung von 0,001 [ppm] gehalten.
Das vierte Diffusionsrateneinstellelement 94 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das zu messende Gas G aus, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 124 in dem zweiten inneren Hohlraum 92 eingestellt wird, und es ist eine Stelle, die das zu messende Gas G in den dritten inneren Hohlraum 96 leitet. Das vierte Diffusionsrateneinstellelement 94 erfüllt eine Rolle des Beschränkens der Menge von NOx, das in den dritten inneren Hohlraum 96 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 96 ist als Raum (Messkammer) zum Durchführen eines Verfahrens in Bezug auf eine Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem zu messenden Gas G in Bezug auf das zu messende Gas G bereitgestellt, das durch den vierten Diffusionsrateneinstellelement 94 eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem zweiten inneren Hohlraum 92. eingestellt worden ist. Die Messung der NOx-Konzentration wird in erster Linie durch den Betrieb einer Messpumpzelle 140 in dem dritten inneren Hohlraum 96 durchgeführt.
Die Messpumpzelle 140 führt eine Messung der NOx-Konzentration in dem zu messenden Gas G im Inneren des dritten inneren Hohlraums 96 durch. Die Messpumpzelle 140 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die durch eine Messelektrode 134, die direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 66 angeordnet ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 96 gerichtet ist, die Außenseitenpumpelektrode 114, die zweite Festelektrolytschicht 70, die Abstandshalterschicht 68 und die erste Festelektrolytschicht 66 ausgebildet ist. Die Messelektrode 134 ist beispielsweise eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 134 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre innerhalb des dritten inneren Hohlraums 96 vorliegt.
In der Messpumpzelle 140 kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 134 erzeugt wird, hinausgepumpt werden und die erzeugte Menge kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
Ferner ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in der Umgebung der Messelektrode 134 eine elektrochemische Sensorzelle und insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 142 zum Steuern der Messpumpe durch die erste Festelektrolytschicht 66, die Messelektrode 134 und die Referenzelektrode 102 ausgebildet. Eine variable Stromversorgung 144 wird auf der Basis der elektromotorischen Kraft V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 142 zum Steuern der Messpumpe erfasst wird, gesteuert.
Das zu messende Gas G, das in den zweiten inneren Hohlraum 92 geleitet wird, erreicht die Messelektrode 134 des dritten inneren Hohlraums 96 durch das vierte Diffusionsrateneinstellelement 94 in einem Zustand, bei dem der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxid, das in dem zu messenden Gas G in der Umgebung der Messelektrode 134 vorliegt, wird reduziert (2 NO → N₂ + O₂), wodurch Sauerstoff erzeugt wird. Darüber hinaus wird, obwohl dieser erzeugte Sauerstoff einem Pumpen durch die Messpumpzelle 140 unterzogen wird, die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 144 derart gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 142 zum Steuern der Messpumpe erfasst wird, konstant wird. Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der Messelektrode 134 erzeugt wird, proportional zu der Konzentration von Stickstoffoxid in dem zu messenden Gas G ist, kann die Stickstoffoxid-Konzentration in dem zu messenden Gas G unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 140 berechnet werden.
Ferner ist eine elektrochemische Sensorzelle 146 durch die zweite Festelektrolytschicht 70, die Abstandshalterschicht 68, die erste Festelektrolytschicht 66, die dritte Substratschicht 64, die Außenseitenpumpelektrode 114 und die Referenzelektrode 102 ausgebildet, und gemäß einer elektromotorischen Kraft Vref, die durch die Sensorzelle 146 erhalten wird, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem zu messenden Gas G erfasst werden, das außerhalb des Sensors vorliegt.
Ferner ist eine elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 durch die zweite Festelektrolytschicht 70, die Abstandshalterschicht 68, die erste Festelektrolytschicht 66, die dritte Substratschicht 64, die Außenseitenpumpelektrode 114 und die Referenzelektrode 102 ausgebildet. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 führt ein Pumpen durch Ausgeben eines Steuerstroms Ip3 aufgrund einer Spannung Vp3 durch, die durch eine variable Stromversorgung 152 angelegt wird, die zwischen der Außenseitenpumpelektrode 114 und der Referenzelektrode 102 angeschlossen ist. Folglich zieht die Referenzgas-Einstellpumpzelle 150 Sauerstoff von dem Raum in der Umgebung der Außenseitenpumpelektrode 114 in den Raum in der Umgebung der Referenzelektrode 102 (der Atmosphärengas-Einführungsschicht 100) hinein. Die Spannung Vp3 der variablen Stromversorgung 152 wird im Vorhinein als Gleichspannung in einer Weise festgelegt, so dass der Steuerstrom Ip3 einen vorgegebenen Wert erreicht (ein Gleichstrom mit einem konstanten Wert).
In den Sensorelementen 12 mit einem solchen Aufbau wird durch Betreiben der Hauptpumpzelle 110 und der Hilfspumpzelle 124 das zu messende Gas G, in dem der Sauerstoffpartialdruck stets bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der keinen wesentlichen Einfluss auf die Messung von NOx ausübt), der Messpumpzelle 140 zugeführt. Demgemäß kann die NOx-Konzentration in dem zu messenden Gas G auf der Basis des vorstehend genannten Pumpstroms Ip2, der durch Hinauspumpen des Sauerstoffs abgegeben wird, der durch die Reduktion von NOx von der Messpumpzelle 140 im Wesentlichen proportional zu der Konzentration von NOx in dem zu messenden Gas G erzeugt wird, ermittelt werden.
Ferner ist jedes der Sensorelemente 12 mit einer Heizeinrichtungseinheit 160 versehen, die eine Rolle beim Einstellen der Temperatur zum Erwärmen und Halten der Sensorelemente 12 in einem erwärmten Zustand zum Zweck des Erhöhens der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten spielt. Die Heizeinrichtungseinheit 160 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 162, eine Heizeinrichtung 164, ein Durchgangsloch 166, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 168, ein Druckableitungsloch 170 und einen Anschlussdraht 172.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 162 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 60 in Kontakt ist. Dadurch, dass die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 162 mit einer externen Stromversorgung verbunden ist, kann der Heizeinrichtungseinheit 160 Strom von außen zugeführt werden.
Die Heizeinrichtung 164 ist ein elektrischer Widerstand, der in einem Zustand ausgebildet ist, bei dem er von oberhalb und unterhalb zwischen der zweiten Substratschicht 62 und der dritten Substratschicht 64 eingeschlossen ist. Die Heizeinrichtung 164 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 162 über einen Anschlussdraht 172 und ein Durchgangsloch 166 verbunden, erzeugt dadurch, dass sie durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 162 mit Strom von außen versorgt wird, Wärme und hält die Wärme des Festelektrolyten, der die Sensorelemente 12 bildet, aufrecht.
Ferner ist die Heizeinrichtung 164 in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 88 zu dem dritten inneren Hohlraum 96 eingebettet, wodurch die Sensorelemente 12 als Ganzes auf eine Temperatur eingestellt werden können, bei welcher der Festelektrolyt aktiviert ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 168 ist eine Isolierschicht, die aus porösem Aluminiumoxid hergestellt ist, das durch einen Isolator aus Aluminiumoxid oder dergleichen ausgebildet ist, auf der oberen und unteren Fläche der Heizeinrichtung 164. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 168 ist mit dem Ziel des Erhaltens einer elektrischen Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 62 und der Heizeinrichtung 164 sowie einer elektrischen Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 64 und der Heizeinrichtung 164 ausgebildet.
Das Druckableitungsloch 170 ist eine Stelle, die so bereitgestellt ist, dass sie die dritte Substratschicht 64 durchdringt und mit dem Referenzgas-Einführungsraum 98 in Verbindung steht, und mit dem Ziel einer Verminderung des Anstiegs des Innendrucks, der mit einem Temperaturanstieg innerhalb der Heizeinrichtungsisolierschicht 168 einhergeht, ausgebildet ist.
Wie es vorstehend diskutiert worden ist, ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Umwandlungsmedium (beispielsweise ein NH₃-Oxidationskatalysator), das NH₃ oxidiert und es in NOx umwandelt, in mindestens eines bzw. einen der ersten Diffusionsrateneinstellelemente 82, der Pufferräume 84, der zweiten Diffusionsrateneinstellelemente 86, der ersten inneren Hohlräume 88, der dritten Diffusionsrateneinstellelemente 90, der zweiten inneren Hohlräume 92 und der vierten Diffusionsrateneinstellelemente 94 einbezogen. Beispielsweise können die gesamten ersten Diffusionsrateneinstellelemente 82, zweiten Diffusionsrateneinstellelemente 86, dritten Diffusionsrateneinstellelemente 90 und vierten Diffusionsrateneinstellelemente 94 oder ein Teil davon aus dem NH₃-Oxidationskatalysator ausgebildet sein. Ferner kann der NH₃-Oxidationskatalysator in mindestens einem der Pufferräume 84, der ersten inneren Hohlräume 88 und der zweiten inneren Hohlräume 92 angeordnet sein. Vor dem Erreichen der dritten inneren Hohlräume 96 tritt das zu messende Gas G beispielsweise durch eine Schicht des NH₃-Oxidationskatalysators hindurch und mindestens ein Teil des NH₃ wird in NOx umgewandelt.
Wie es vorstehend diskutiert worden ist, weisen die Umwandlungsmedien CM1 und CM2 der Sensorelemente 12a und 12b verschiedene Umwandlungseffizienzen Ma und Mb auf. Als Kombination der Umwandlungsmedien CM1 und CM2 können beispielsweise ein starker NH₃-Oxidationskatalysator mit einer Umwandlungseffizienz M, die nahe bei 100 % liegt, und ein schwacher NH₃-Oxidationskatalysator mit einer Umwandlungseffizienz M von 5 bis 80 % verwendet werden. Der starke NH₃-Oxidationskatalysator enthält beispielsweise mindestens eine Komponente, die aus Pt, Au, Ag, Rh und Pd ausgewählt ist. Insbesondere enthält der starke NH₃-Oxidationskatalysator mindestens eine Art von Komponente, die aus Pt und Au ausgewählt ist, wobei das Zusammensetzungsverhältnis Au/(Pt + Au) kleiner als oder gleich 1 % ist. Der schwache NH₃-Oxidationskatalysator enthält beispielsweise mindestens eine Komponente von V, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Rh, Pd, Cr, Pt, V₂O₅, WO₃, TiO₂ und Al₂O₃. Insbesondere enthält der schwache NH₃-Oxidationskatalysator beide Komponenten Pt und Au, und das Zusammensetzungsverhältnis Au/(Pt + Au) ist größer als oder gleich 4 % und kleiner als oder gleich 20 %. In dem starken NH₃-Oxidationskatalysator und dem schwachen NH₃-Oxidationskatalysator werden solche Komponenten auf einem porösen Keramikkörper geträgert oder bilden einen porösen Cermet.
Darüber hinaus können anstelle des NH₃-Oxidationskatalysators oder zusätzlich zu dem NH₃-Oxidationskatalysator als Umwandlungsmedien davon die Innenseitenpumpelektrode 112 und die Hilfspumpelektrode 126 so ausgebildet werden, dass sie eine Funktion des Oxidierens von NH₃ aufweisen.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Diffusionswiderstände R (Ra und Rb), die auf das zu messende Gas G von den Gaseinführungsöffnungen 80 zu den dritten inneren Hohlräumen 96 ausgeübt werden, zu einem Problem. Wie es in der 1 sowie in der folgenden Gleichung (3) gezeigt ist, sind die Diffusionswiderstände R (Ra und Rb) in jedem der jeweiligen Wege (den ersten Diffusionsrateneinstellelementen 82, den Pufferräumen 84, den zweiten Diffusionsrateneinstellelementen 86, den ersten inneren Hohlräumen 88, den dritten Diffusionsrateneinstellelementen 90, den zweiten inneren Hohlräumen 92 und den vierten Diffusionsrateneinstellelementen 94) aus den gleichen partiellen Diffusionswiderständen R1 bis R7 (R1a bis R7a und R1b bis R7b) ausgebildet. $\begin{array}{l} R a = R 1 a + R 2 a + \dots + R 7 a = \sum_{i = 1}^{7} (R i a) \\ R b = R 1 b + R 2 b + \dots + R 7 b = \sum_{i = 1}^{7} (R i b) \end{array}$
Wie es in der Gleichung (4) gezeigt ist, sind die partiellen Diffusionswiderstände Ri Werte, die durch Dividieren einer Weglänge Li durch eine Querschnittsfläche Si von jedem der Diffusionswege erhalten werden. $Ri = Li / Si$
Demgemäß sind die Diffusionswiderstände R (Ra und Rb) durch die folgende Gleichung (5) festgelegt. $\begin{array}{l} R a = \sum_{i = 1}^{7} (R i a) = \sum_{i = 1}^{7} (\frac{L i a}{S i a}) \\ = \frac{L 1 a}{S 1 a} + \frac{L 2 a}{S 2 a} + \dots + \frac{L 7 a}{S 7 a} \\ Rb = \frac{L 1 b}{S 1 b} + \frac{L 2 b}{S 2 b} + \dots + \frac{L 7 b}{S 7 b} \end{array}$
Darüber hinaus werden die partiellen Diffusionswiderstände R1 bis R7 in jedem der Wege erhalten, während ein Einfluss aufgrund des Bereitstellens des Umwandlungsmediums berücksichtigt wird.
Die Diffusionswiderstände R üben einen Einfluss auf das Ansprechverhalten der Sensorelemente 12 aus. Insbesondere ist, wenn die Diffusionswiderstände R größer werden, von der Gaseinführungsöffnung 80 zu den dritten inneren Hohlräumen 96 mehr Zeit erforderlich und eine Verzögerung des Ansprechverhaltens der erfassten Werte O (Ip2) in Bezug auf Änderungen der Konzentrationen der Komponenten des zu messenden Gases G in der Gaseinführungsöffnung 80 wird erzeugt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform resultiert aus der Tatsache, dass die erfassten Werte Oa und Ob von der Mehrzahl von Sensorelementen 12a und 12b berechnet werden, eine Abweichung des Ansprechverhaltens der Sensorelemente 12a und 12b in einem Messfehler. Insbesondere dadurch, dass die Diffusionswiderstände Ra und Rb der Sensorelemente 12a und 12b einander stärker angenähert werden, kann die Messgenauigkeit der NH₃-Konzentration C1 und der NOx-Konzentration C2 in einer dynamischen Atmosphäre (in der sich die Konzentrationen der Komponenten des zu messenden Gases G im Zeitverlauf ändern) verbessert werden.
Ferner ist, wie es in den beispielhaften Ausführungsformen gezeigt ist, ein Verhältnis der Diffusionswiderstände R (Ra und Rb) der Sensorelemente 12a und 12b (Diffusionswiderstandsverhältnis P = Ra/Rb) vorzugsweise größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4. Ferner ist es bevorzugt, dass der Absolutwert der Differenz zwischen den Diffusionswiderständen R (Ra und Rb) der Sensorelemente 12a und 12b (Differenz zwischen den Diffusionswiderständen D = |Ra - Rb|) kleiner als oder gleich 40 [mm^-1] ist.
(Beispielhafte Ausführungsformen)
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Die 3 ist eine Tabelle, welche die Eigenschaften der Sensorelemente 12 zeigt, die in einem Experiment verwendet werden. Sensoren Sa bis Sg wurden als Sensorelemente 12 verwendet. Die Diffusionswiderstände R [mm^-1], die NOx-Empfindlichkeit S(NO), die NH₃-Empfindlichkeit S(NH₃) und die Empfindlichkeitsverhältnisse Sr der Sensoren Sa bis Sg sind gezeigt.
Wie es vorstehend diskutiert worden ist, sind die Diffusionswiderstände R Diffusionswiderstände, die auf das zu messende Gas G von der Gaseinführungsöffnung 80 zu dem dritten inneren Hohlraum 96 ausgeübt werden. In diesem Fall sind die NOx-Empfindlichkeit S(NO) und die NH₃-Empfindlichkeit S(NH₃) Proportionalitätskonstanten [nA/ppm], die für die Größen der Pumpströme Ip2 in Bezug auf die NOx-Konzentration C2 [ppm] bzw. die NH₃-Konzentration C1 [ppm] repräsentativ sind.
Das Empfindlichkeitsverhältnis Sr ist für die Größe der NH₃-Empfindlichkeit S(NH₃) in Bezug auf die NOx-Empfindlichkeit S(NO) in jedem der Sensoren (Sr = S(NH₃)/S(NO)) repräsentativ. Das Empfindlichkeitsverhältnis Sr weist eine Beziehung mit der Umwandlungseffizienz M auf, wie es beispielsweise in der folgenden Gleichung (6) gezeigt ist. $Sr = 1,2 * M$
Insbesondere können durch Kombinieren der Sensorelemente 12, deren Empfindlichkeitsverhältnisse Sr sich voneinander unterscheiden (deren Umwandlungseffizienzen M unterschiedlich sind), die NH₃-Konzentration C1 und die NOx-Konzentration C2 gemessen werden.
Die Diffusionswiderstände R der Sensoren Sa bis Sg waren 150, 220, 80, 80, 115, 185 bzw. 220 [mm^-1]. Die NOx-Empfindlichkeiten S(NO) der Sensoren Sa bis Sg waren 2,00, 1,36, 3,75, 3,75, 2,61, 1,62 bzw. 1,36 [nA/ppm]. Die NH₃-Empfindlichkeiten S(NH₃) der Sensoren Sa bis Sg waren 2,40, 1,64, 4,50, 3,75, 2,35, 1,14 bzw. 0,82 [nA/ppm]. Die Empfindlichkeitsverhältnisse Sr der Sensoren Sa bis Sg waren 1,2, 1,2, 1,2, 1,0, 0,9, 0,7 bzw. 0,6.
In diesem Fall wurde unter Verwendung des zu messenden Gases G, das NOx enthält, jedoch NH₃ nicht enthält, bewirkt, dass sich die Konzentration des zu messenden Gases G rasch änderte, und eine Messung desselben wurde mit dem Gassensorsystem 10 durchgeführt. Insbesondere betrug die Anfangskonzentration von NOx 0 [ppm] und nach 30 Sekunden wurde die Konzentration bei einer Änderungsrate von 500 [ppm/s] auf 500 [ppm] erhöht. Dieser Zustand wurde für 15 Sekunden fortgesetzt und danach wurde die Konzentration bei einer Änderungsrate von -500 [ppm/s] auf 0 [ppm] zurückgeführt. Die Bedingungen für das zu messende Gas zum Zeitpunkt der Messung waren eine Temperatur von 250 °C, eine Flussrate von 200 SLM (Standardliter/min) und die Gaskomponenten abgesehen von NOx waren 10 % O₂ + 3 % H₂O + N₂.
Die 4 ist ein Graph, der Änderungen der Werte Oa und Ob (Pumpströme Ip2), die durch die Sensorelemente 12a und 12b erfasst wurden, im Zeitverlauf zeigt. Bei 30 Sekunden und 45 Sekunden ändert sich der Pumpstrom Ip2 abrupt.
Die 5 zeigt die NH₃-Konzentration C1, die auf der Basis der Gleichung (2) aus den erfassten Werten Oa und Ob der Sensorelemente 12a und 12b berechnet wurde. Bei etwa 30 Sekunden und 45 Sekunden werden trotz der Tatsache, dass das zu messende Gas G kein NH₃ enthält, positive und negative Peaks P0 und P1 in der NH₃-Konzentration C1 erzeugt. Insbesondere wenn sich die NOx-Konzentration des zu messenden Gases G abrupt ändert, wird die Erfassungsgenauigkeit von NH₃ vermindert. Insbesondere können die Größen der Peaks P0 und P1 als Messfehler E [ppm] der NH₃-Konzentration C1 verstanden werden.
Die 6 ist eine Tabelle, die experimentelle Ergebnisse zeigt. Die 7 und 8 sind Graphen, die Beziehungen zwischen Diffusionswiderstandsverhältnissen P, Differenzen des Diffusionswiderstands D und Messfehlern E zeigen.
Wie es in der 6 gezeigt ist, wurden Tests mit sechs Kombinationen einer beispielhaften Ausführungsform 1 (Sensoren Sa und Sd), einer beispielhaften Ausführungsform 2 (Sensoren Sa und Se), einer beispielhaften Ausführungsform 3 (Sensoren Sa und Sf), einer beispielhaften Ausführungsform 4 (Sensoren Sa und Sg), einer beispielhaften Ausführungsform 5 (Sensoren Sb und Sg) und einer beispielhaften Ausführungsform 6 (Sensoren Sc und Sd) mit verschiedenen Empfindlichkeitsverhältnissen Sr durchgeführt. Die Diffusionswiderstandsverhältnisse P der beispielhaften Ausführungsformen 1 bis 6 betrugen 1,88, 1,30, 1,23, 1,47, 1,00 und 1,00 [-], die Differenzen des Diffusionswiderstands D davon betrugen 70, 35, 35, 70, 0 und 0 [mm^-1] und die Messfehler E davon betrugen 488, 157, 148, 337, 51 und 14 [ppm]. Darüber hinaus wurden die Diffusionswiderstandsverhältnisse P durch Dividieren des größeren der Diffusionswiderstände Ra und Rb durch den kleineren (wenn beide gleich sind, P = 1) erhalten.
Wie es in den 7 und 8 gezeigt ist, weisen die Diffusionswiderstandsverhältnisse P und die Differenzen des Diffusionswiderstands D eine enge Beziehung mit den Messfehlern E auf. Zum Vermindern des Messfehlers E, so dass er kleiner als oder gleich 200 [ppm] bleibt, ist das Diffusionswiderstandsverhältnis P vorzugsweise größer als oder gleich 1,0 und kleiner als oder gleich 1,4 (mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 1,3). Unter Berücksichtigung einer Größenbeziehung zwischen den Diffusionswiderständen Ra und Rb ist der Diffusionswiderstand P vorzugsweise größer als oder gleich 0,71 (= 1/1,4) und kleiner als oder gleich 1,4, und ist mehr bevorzugt größer als oder gleich 0,77 (= 1/1,3) und kleiner als oder gleich 1,3. Ferner ist die Differenz des Diffusionswiderstands D vorzugsweise kleiner als oder gleich 40 [mm^-1] (mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 30 [mm^-1]).
Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Gassensorsystem 10 konfiguriert werden, bei dem durch Einstellen des Verhältnisses der Diffusionswiderstände Ra und Rb (Diffusionswiderstandsverhältnis P) der Sensorelemente 12a und 12b auf größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4 der Messfehler E in dem Fall, bei dem sich Konzentrationen im Zeitverlauf ändern, vermindert wird.
Bei der vorstehenden Konfiguration werden separate Sensorelemente 12a und 12b verwendet, jedoch können die Sensorelemente 12a und 12b in einer integrierten Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können durch Nutzen einer Struktur, die aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten oder dergleichen ausgebildet ist, eine erste Gaserfassungseinheit und eine zweite Gaserfassungseinheit so ausgebildet werden, dass sie Funktionen aufweisen, die den Sensorelementen 12a und 12b entsprechen.
[Aus der Ausführungsform erhaltene technische Konzepte]
Nachstehend werden technische Konzepte beschrieben, die aus der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten werden können.
[1] Das Gassensorsystem (10) ist mit der ersten Gaserfassungseinheit (dem Sensorelement 12a), der zweiten Gaserfassungseinheit (dem Sensorelement 12b) und der Berechnungseinheit (Steuereinheit 200) versehen. Die erste Gaserfassungseinheit umfasst eine erste Gaseinführungsöffnung 80, die zum Einführen eines zu messenden Gases (G) ausgebildet ist, das mindestens eine von einer ersten Gasart (Gasart G1) und einer zweiten Gasart (Gasart G2) enthält, eine erste Messkammer (dritter innerer Hohlraum 96), die mit der ersten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, ein erstes Umwandlungsmedium (NH₃-Oxidationskatalysator, CM1), das zwischen der ersten Gaseinführungsöffnung und der ersten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist, und eine erste Erfassungsvorrichtung (Messpumpzelle 140), die zum Erfassen der zweiten Gasart in der ersten Messkammer ausgebildet ist. Die zweite Gaserfassungseinheit umfasst eine zweite Gaseinführungsöffnung 80, die zum Einführen des zu messenden Gases (G) ausgebildet ist, eine zweite Messkammer (dritter innerer Hohlraum 96), die mit der zweiten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht, ein zweites Umwandlungsmedium (NH₃-Oxidationskatalysator, CM2), das zwischen der zweiten Gaseinführungsöffnung und der zweiten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist, und eine zweite Erfassungsvorrichtung (Messpumpzelle 140), die zum Erfassen der zweiten Gasart in der zweiten Messkammer ausgebildet ist. Die Berechnungseinheit ist zum Berechnen der Konzentrationen der ersten Gasart und der zweiten Gasart in dem zu messenden Gas auf der Basis von Erfassungsergebnissen der ersten Erfassungsvorrichtung und der zweiten Erfassungsvorrichtung ausgebildet. Die Umwandlungseffizienzen des ersten Umwandlungsmediums und des zweiten Umwandlungsmediums unterscheiden sich voneinander. Ein Verhältnis (Diffusionswiderstandsverhältnis P) des ersten Diffusionswiderstands (Ra) von der ersten Gaseinführungsöffnung zu der ersten Messkammer und des zweiten Diffusionswiderstands (Rb) von der zweiten Gaseinführungsöffnung zu der zweiten Messkammer ist größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4. Gemäß eines solchen Aufbaus, bei dem das Diffusionswiderstandsverhältnis P größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4 ist, kann die Messgenauigkeit des Gases verbessert werden, wenn sich die Konzentrationen der Komponenten des Gases im Zeitverlauf ändern.
[2] Der Absolutwert der Differenz zwischen dem ersten Diffusionswiderstand und dem zweiten Diffusionswiderstand (Differenz des Diffusionswiderstands D) ist kleiner als oder gleich 40 [mm^-1]. Gemäß diesem Merkmal kann die Messgenauigkeit des Gases weiter verbessert werden, wenn sich die Konzentrationen der Komponenten des Gases im Zeitverlauf ändern.
[3] Die erste Gaserfassungseinheit und die zweite Gaserfassungseinheit sind integriert durch einen Strukturkörper ausgebildet, der aus einem Sauerstoffionen-leitende Festelektrolyten ausgebildet ist. Gemäß diesem Merkmal können die erste Gaserfassungseinheit und die zweite Gaserfassungseinheit in einer integrierten Weise ausgebildet werden und das Gassensorsystem kann kompakt gemacht werden.
[4] Die erste Gasart ist NH₃ und die zweite Gasart ist NOx. Gemäß diesem Merkmal kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden, wenn sich die Konzentration von NH₃ oder NOx im Zeitverlauf ändert.

Claims

Gassensorsystem (10), umfassend: eine erste Gaseinführungsöffnung (80), die zum Einführen eines zu messenden Gases (G) ausgebildet ist, das mindestens eine von einer ersten Gasart (G1) und einer zweiten Gasart (G2) enthält; eine erste Messkammer (96), die mit der ersten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht; ein erstes Umwandlungsmedium (CM1), das zwischen der ersten Gaseinführungsöffnung und der ersten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist; eine erste Gaserfassungseinheit (12a), die eine erste Erfassungsvorrichtung (140) umfasst, die zum Erfassen der zweiten Gasart in der ersten Messkammer ausgebildet ist; eine zweite Gaseinführungsöffnung (80), die zum Einführen des zu messenden Gases ausgebildet ist; eine zweite Messkammer (96), die mit der zweiten Gaseinführungsöffnung in Verbindung steht; ein zweites Umwandlungsmedium (CM2), das zwischen der zweiten Gaseinführungsöffnung und der zweiten Messkammer angeordnet ist und zum Umwandeln eines Teils der ersten Gasart in die zweite Gasart ausgebildet ist; eine zweite Gaserfassungseinheit (12b), die eine zweite Erfassungsvorrichtung (140) umfasst, die zum Erfassen der zweiten Gasart in der zweiten Messkammer ausgebildet ist; und eine Berechnungseinheit (200), die zum Berechnen von Konzentrationen der ersten Gasart und der zweiten Gasart in dem zu messenden Gas auf der Basis von Erfassungsergebnissen der ersten Erfassungsvorrichtung und der zweiten Erfassungsvorrichtung ausgebildet ist; wobei sich Umwandlungseffizienzen des ersten Umwandlungsmediums und des zweiten Umwandlungsmediums voneinander unterscheiden; und ein Verhältnis (P) eines ersten Diffusionswiderstands (Ra) von der ersten Gaseinführungsöffnung zu der ersten Messkammer und eines zweiten Diffusionswiderstands (Rb) von der zweiten Gaseinführungsöffnung zu der zweiten Messkammer größer als oder gleich 0,71 und kleiner als oder gleich 1,4 ist.
Gassensorsystem nach Anspruch 1, wobei ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Diffusionswiderstand und dem zweiten Diffusionswiderstand (D) kleiner als oder gleich 40 [mm^-1] ist.
Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Gaserfassungseinheit und die zweite Gaserfassungseinheit durch einen Strukturkörper, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, integriert ausgebildet sind.
Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Gasart NH₃ ist und die zweite Gasart NOx ist.