DE102023128464A1 - Gassensor - Google Patents

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DE102023128464A1
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Yusuke Watanabe
Daichi Ichikawa
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Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Gassensor 100 enthält ein Sensorelement 101 und eine Steuereinrichtung. Das Sensorelement 101 enthält einen Elementkörper, eine Messpumpzelle 41, die eine Messelektrode 44 enthält, eine Hilfspumpzelle 50, die eine Hilfspumpelektrode 51 enthält, und eine Referenzelektrode 42. Die Steuereinrichtung führt einen Einstellpumpsteuervorgang durch, bei dem die Hilfspumpzelle 50 so gesteuert wird, dass die Spannung V1 über der Referenzelektrode 42 und der Hilfspumpelektrode 51 den Sollwert V1* erreicht. Die Steuereinrichtung führt einen Messpumpsteuervorgang durch, bei dem sie die Messpumpzelle 41 so steuert, dass die Spannung V2 zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 den Sollwert V2* erreicht. Die Steuereinrichtung erfasst eine Konzentration eines speziellen Gases auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2. Die Steuereinrichtung führt einen Wasserkonzentrationserfassungsvorgang durch, bei dem die Wasserkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer Änderung des Pumpstroms Ip2 erfasst wird, wenn mindestens einer der Sollwerte V1* oder der Sollwert V2* geändert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Bislang ist ein Gassensor bekannt, der die Konzentration eines speziellen Gases, wie NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst. PTL 1 beschreibt beispielsweise einen Gassensor, umfassend: einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einleitet und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt; und eine Vielzahl von Elektroden, die in dem Elementkörper angeordnet sind. Wenn die NOx-Konzentration durch den Gassensor erfasst wird, wird zunächst Sauerstoff zwischen einer Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts und der Außenseite eines Sensorelements heraus- oder hineingepumpt, und die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer wird eingestellt. Das Messgegenstandsgas mit der eingestellten Sauerstoffkonzentration erreicht eine Messkammer, die stromabwärts der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts vorgesehen ist. In der Messkammer wird das NOx im Messgegenstandsgas in der Peripherie einer in der Messkammer angeordneten Messelektrode reduziert. Dann wird eine Rückkopplungssteuerung an einer Messpumpzelle durchgeführt, so dass eine über der Messelektrode und einer Referenzelektrode erzeugte Spannung V2 einen vorbestimmten Sollwert erreicht, und der Sauerstoff um die Messelektrode herum wird herausgepumpt. Die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas wird auf der Grundlage des dann fließenden Pumpstroms Ip2 erfasst.
  • Es ist auch ein Gassensor bekannt, der Wasser im Messgegenstandsgas erfasst. Der in PTL 2 beschriebene Gassensor erfasst beispielsweise einen ersten Strom, der zwischen einem Paar zweiter Elektroden fließt, wobei eine erste Spannung über einem Paar erster Elektroden erzeugt wird, wobei die erste Spannung in einem Bereich eingestellt ist, in dem das Wasser im Messgegenstandsgas im Wesentlichen nicht dissoziiert ist. Darüber hinaus erfasst der Gassensor einen zweiten Strom, der zwischen dem Paar zweiter Elektroden fließt, mit einer zweiten Spannung, die über dem Paar erster Elektroden erzeugt wird, wobei die zweite Spannung in einem Bereich eingestellt ist, in dem das Wasser im Messgegenstandsgas dissoziiert ist. Der Gassensor erfasst dann die Feuchtigkeit des Messgegenstandsgases auf der Grundlage des ersten Stroms und des zweiten Stroms. Der in PTL 3 beschriebene Gassensor stellt den Sauerstoffpartialdruck in einem ersten inneren Hohlraum eines Sensorelements so ein, dass die gesamte Wasserdampfkomponente und die Kohlendioxidkomponente des Messgegenstandsgases in dem ersten inneren Hohlraum im Wesentlichen zersetzt werden. Der Gassensor führt dann einem zweiten inneren Hohlraum durch eine erste elektrochemische Messpumpzelle Sauerstoff zu, so dass der durch die Zersetzung der Wasserdampfkomponente erzeugte Wasserstoff selektiv in dem zweiten inneren Hohlraum verbrannt wird, und identifiziert die Konzentration der im Messgegenstandsgas vorhandenen Wasserdampfkomponente auf der Grundlage der Größe eines dann fließenden Stroms. Außerdem führt der Gassensor der Oberfläche einer zweiten inneren Messelektrode durch eine zweite elektrochemische Messpumpzelle Sauerstoff zu, so dass das durch die Zersetzung der Kohlendioxidkomponente erzeugte Kohlenmonoxid selektiv verbrannt wird, und identifiziert die Konzentration der in dem Messgegenstandsgas vorhandenen Kohlendioxidkomponente auf der Grundlage der Größe eines dann fließenden Stroms.
  • ZITATENLISTE
  • PATENTLITERATUR
    • PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2022-091669
    • PTL 2: Japanisches Patent Nr. 5021697
    • PTL 3: Japanisches Patent Nr. 5918177
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Indes wurde auch bei dem in PTL 1 beschriebenen Gassensor gefordert, dass nicht nur eine Konzentration eines speziellen Gases, sondern auch eine Wasserkonzentration erfasst werden soll. Das Sensorelement des Gassensors von PTL 2 enthält jedoch nicht die in PTL 1 beschriebene Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer und die Messkammer, und die Struktur des Sensorelements ist zwischen PTL 1 und PTL 2 unterschiedlich. Der Gassensor von PTL 3 erfasst die Konzentration der Wasserdampfkomponente und die Konzentration der Kohlendioxidkomponente auf der Grundlage des Stroms, wenn Sauerstoff in das Innere des Sensorelements gepumpt wird, und PTL 3 enthält nicht die Beschreibung von PTL 1, die besagt, dass eine Konzentration eines speziellen Gases auf der Grundlage des Stroms erfasst wird, wenn Sauerstoff aus der Messkammer herausgepumpt wird, so dass das Verfahren zur Erfassung einer Konzentration eines speziellen Gases zwischen PTL 1 und PTL 3 unterschiedlich ist. Daher ist in einem Gassensor, der eine Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer und eine Messkammer wie in PTL 1 enthält und so konfiguriert ist, dass er eine Konzentration eines speziellen Gases auf der Grundlage des Pumpstroms erfasst, wenn Sauerstoff aus der Messkammer herausgepumpt wird, ein Verfahren zur weiteren Erfassung der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas nicht bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein solches Problem zu lösen, und es ist eine Hauptaufgabe, die Konzentration eines speziellen Gases und die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas zu erfassen.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Die vorliegende Erfindung verwendet die folgende Vorrichtung, um die vorstehend beschriebene Hauptaufgabe zu lösen.
  • (1) Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor, umfassend:
    • ein Sensorelement, enthaltend
    • einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und innen mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas aufnimmt und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt,
    • eine Messpumpzelle, die derart aufgebaut ist, dass sie eine innere Messelektrode enthält, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff in der Messkammer zur Außenseite des Elementkörpers herauspumpt,
    • eine Einstellpumpzelle, die derart aufgebaut ist, dass sie eine innere Einstellelektrode enthält, die in einer Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer angeordnet ist, die sich stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts befindet, wobei die Einstellpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie eine Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einstellt, und
    • eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für die Erfassung einer Konzentration eines speziellen Gases dient, die eine Konzentration eines speziellen Gases im Messgegenstandsgas ist; und
    • eine Steuereinrichtung, die einen Einstellpumpsteuervorgang des Einstellens der Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer durch Steuern der Einstellpumpzelle durchführt, so dass eine Einstellspannung, die eine Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Einstellelektrode ist, einen Einstellspannungs-Sollwert erreicht, und einen Messpumpsteuervorgang des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle durchführt, so dass eine Messspannung, die eine Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode ist, einen Messspannungs-Sollwert erreicht.
  • Die Steuereinrichtung erfasst die Konzentration des speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage eines Messpumpstroms, der durch den Messpumpsteuervorgang zum Fließen durch die Messpumpzelle veranlasst wird, und
    die Steuereinrichtung führt einen Wasserkonzentrationserfassungsvorgang zum Erfassen einer Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer Änderung des Messpumpstroms durch, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn mindestens einer von dem Einstellspannungs-Sollwert oder dem Messspannungs-Sollwert geändert wird.
  • Im Gassensor führt die Steuereinrichtung den Einstellpumpsteuervorgang zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer durch Steuern der Einstellpumpzelle durch, so dass die Einstellspannung, d.h. die Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Einstellelektrode, den Einstellspannungs-Sollwert erreicht. Darüber hinaus führt die Steuereinrichtung den Messpumpsteuervorgang des Auspumpens des Sauerstoffs in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle durch, so dass die Messspannung, d.h. die Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode, den Messspannungs-Sollwert erreicht. Die Steuereinrichtung erfasst dann die Konzentration des speziellen Gases im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Messpumpstroms, der durch den Messpumpsteuervorgang durch die Messpumpzelle fließt. Darüber hinaus führt die Steuereinrichtung einen Wasserkonzentrationserfassungsvorgang durch, bei dem die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer Änderung des Messpumpstroms erfasst wird, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn mindestens der Einstellspannungs-Sollwert oder der Messspannungs-Sollwert geändert wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas mit der Änderung des Messpumpstroms korreliert, wenn mindestens einer von dem Einstellspannungs-Sollwert oder dem Messspannungs-Sollwert geändert wird. Somit kann die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung des Messpumpstroms ermittelt werden. Auf der Grundlage der vorstehenden Ausführungen kann der Gassensor der vorliegenden Erfindung die Konzentration des speziellen Gases und die Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas erfassen.
  • [2] Bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor gemäß [1]) kann die Steuereinrichtung bei dem Wasserkonzentrationserfassungsvorgang einen Absolutwert des Einstellspannungs-Sollwerts auf einen kleinen Wert ändern und einen Absolutwert des Messspannungs-Sollwerts auf einen großen Wert ändern, oder den Absolutwert des Einstellspannungs-Sollwerts auf einen großen Wert ändern und den Absolutwert des Messspannungs-Sollwerts auf einen kleinen Wert ändern. Auf diese Weise ist die Änderung des Messpumpstroms, die durch das Wasser im Messgegenstandsgas verursacht wird, relativ groß, so dass die Wasserkonzentration leicht erfasst werden kann, selbst wenn die Änderungsmenge von jedem des Einstellspannungs-Sollwerts und des Messspannungs-Sollwerts klein ist.
  • [3] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor gemäß [1] oder [2]) kann die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum aufweisen, der stromabwärts des ersten inneren Hohlraums und stromaufwärts der Messkammer vorgesehen ist, die Einstellpumpzelle kann eine Hauptpumpzelle aufweisen, die eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, die innere Einstellelektrode kann eine innere Hilfspumpelektrode sein, die in dem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist und einen Teil der Hilfspumpzelle bildet, und der Einstellpumpsteuervorgang kann einen Hauptpumpsteuervorgang zum Steuern der Hauptpumpzelle, um die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einzustellen, und einen Hilfspumpsteuervorgang zum Steuern der Hilfspumpzelle enthalten, so dass die Einstellspannung den Einstellspannungs-Sollwert erreicht.
  • [4] Bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem der Punkte [1] bis [3]) kann die Steuereinrichtung die Konzentration eines speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas korrigieren, die durch den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang erfasst wird. Selbst bei gleicher Konzentration eines speziellen Gases im Messgegenstandsgas kann sich der Messpumpstrom entsprechend der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas ändern. Daher wird die Genauigkeit der Erfassung der Konzentration eines speziellen Gases verbessert, indem die Konzentration des speziellen Gases auf der Grundlage der erfassten Wasserkonzentration korrigiert wird.
  • [5] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (der Gassensor gemäß einem der Punkte [1] bis [4]) kann die Steuereinrichtung einen Gastemperaturerfassungsvorgang zur Erfassung einer Gastemperatur des Messgegenstandsgases auf der Grundlage einer Änderung des Messpumpstroms, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn der Einstellspannungs-Sollwert geändert wird, und einer Änderung des Messpumpstroms, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn der Messspannungs-Sollwert geändert wird, durchführen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei einem Vergleich zwischen der Änderung des Messpumpstroms bei einer Änderung des Einstellspannungs-Sollwerts und der Änderung des Messpumpstroms bei einer Änderung des Messspannungs-Sollwerts der erstere wahrscheinlich nicht von der Gastemperatur des Messgegenstandsgases beeinflusst wird. Unter Ausnutzung dieser Tatsache kann die Gastemperatur des Messgegenstandsgases auf der Grundlage von Ersterem und Letzeren ermittelt werden. In diesem Fall erfasst die Steuereinrichtung bei dem Wasserkonzentrationserfassungsvorgang vorzugsweise die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung des Messpumpstroms, wenn der Einstellspannungs-Sollwert geändert wird.
  • [6] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem der Punkte [5]) kann die Steuereinrichtung die Konzentration eines speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Wasserkonzentration, die durch den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang erfasst wird, und der Gastemperatur, die durch den Gastemperaturerfassungsvorgang erfasst wird, korrigieren. Selbst bei gleicher Konzentration eines speziellen Gases im Messgegenstandsgas kann sich der Messpumpstrom gemäß der Wasserkonzentration und der Gastemperatur des Messgegenstandsgases ändern. Daher wird die Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines speziellen Gases verbessert, indem die Konzentration des speziellen Gases auf der Grundlage der erfassten Wasserkonzentration und der erfassten Gastemperatur auf der Grundlage des Messpumpstroms korrigiert wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration eines Gassensors 100 zeigt.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 95, Zellen und einem Heizer 72 zeigt.
    • 3 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen Sollwert V1*, Wasserkonzentration und Pumpstrom Ip2 zeigt.
    • 4 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Wasserkonzentration und der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V1* zeigt.
    • 5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen Sollwert V2*, Wasserkonzentration und Pumpstrom Ip2 zeigt.
    • 6 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Wasserkonzentration und der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V2* zeigt.
    • 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Steuerroutine zeigt.
    • 8 ist eine konzeptionelle Kurve, die die Beziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V2* und der Gastemperatur zeigt.
    • 9 ist eine konzeptionelle Kurve, die die Beziehung zwischen Wasserkonzentration, Gastemperatur und Offsetstrom Ip2offset zeigt.
    • 10 ist eine schematische Querschnittsansicht des Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für die Konfiguration des Gassensors 100 zeigt, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 95, Zellen und einem Heizer 72 zeigt. Der Gassensor 100 ist in einem Rohr, wie einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, installiert. Der Gassensor 100 verwendet das Abgas eines Verbrennungsmotors als Messgegenstandsgas und erfasst die Konzentration eines speziellen Gases, wie NOx und Ammoniak, im Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als Konzentration des speziellen Gases. Der Gassensor 100 weist ein langes rechteckiges parallelepipedisches Sensorelement 101, Zellen 21, 41, 50, 80 bis 83, die in dem Sensorelement 101 enthalten sind, einen Heizerabschnitt 70, der innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehen ist, und eine Steuereinrichtung 95, die variable Stromversorgungen 24, 46, 52 und eine Heizerstromversorgung 76 enthält und den gesamten Gassensor 100 steuert, auf.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper, in dem sechs Schichten, d.h. eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) oder dergleichen aufgebaut sind, in dieser Reihenfolge von der unteren Seite der Zeichnung aus laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, ist dicht und luftundurchlässig. Das Sensorelement 101 wird hergestellt, indem z.B. eine vorbestimmte Bearbeitung, das Aufdrucken eines Schaltungsmusters und dergleichen auf eine jeder Schicht entsprechende keramische Grünplatte erfolgt, diese Platten dann laminiert und die zu integrierten bzw. einstückigen Platten weiter gebrannt werden.
  • An einer Seite des Spitzenendabschnitts des Sensorelements 101 (linke Endabschnittsseite in 1) sind eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster diffusionsgesteuerter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter diffusionsgesteuerter Abschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter diffusionsgesteuerter Abschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter diffusionsgesteuerter Abschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 benachbart zueinander ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 miteinander kommunizieren.
  • Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Räume, deren obere Teile, untere Teile und Seitenteile, die durch Aushöhlung der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt werden, jeweils durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 definiert sind.
  • Jeder der ersten diffusionsgesteuerten Abschnitte 11, des zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitts 13 und des dritten diffusionsgesteuerten Abschnitts 30 ist als zwei seitlich lange Schlitze (Öffnungen, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist als ein einziger seitlich langer Schlitz (eine Öffnung, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen, der als ein Abstand von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Teil von der Gaseinlassöffnung 10 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bezeichnet.
  • An einer Stelle, die weiter von der Seite des Spitzenendes als der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt entfernt ist, ist ein Referenzgaseinlassraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Stelle vorgesehen, an der das Seitenteil durch die Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert ist. Beispielsweise wird die Atmosphäre in den Referenzgaseinlassraum 43 als Referenzgas zum Zeitpunkt der Messung einer NOx-Konzentration eingeleitet.
  • Eine Referenzgaseinlassschicht 48 ist eine Schicht aus poröser Keramik. Das Referenzgas wird in die Referenzgaseinlassschicht 48 durch den Referenzgaseinlassraum 43 eingeleitet. Die Referenzgaseinlassschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass die Referenzelektrode 42 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 liegt. Wie vorstehend beschrieben, ist die Referenzgaseinlassschicht 48, die mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht, um die Referenzelektrode 42 herum vorgesehen. Wie später beschrieben wird, ist es möglich, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem dritten inneren Hohlraum 61 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 zu messen. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2) ausgebildet.
  • Im Messgegenstandsgasströmungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum hin offen ist, und ein Messgegenstandsgas wird durch die Gaseinlassöffnung 10 aus dem Außenraum in das Sensorelement 101 geleitet. Der erste diffusionsgesteuerte Abschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, das durch die Gaseinlassöffnung 10 eingeleitet wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das vom ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11 eingeleitete Messgegenstandsgas zum zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 zu führen. Der zweite diffusionsgesteuerte Abschnitt 13 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das vom Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitete Messgegenstandsgas ausübt. Wenn das Messgegenstandsgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet wird, wird das Messgegenstandsgas, das aufgrund von Druckschwankungen des Messgegenstandsgases im Außenraum (aufgrund der Pulsation des Auspuffdrucks, wenn das Messgegenstandsgas das Auspuffgas eines Kraftfahrzeugs ist) durch die Gaseinlassöffnung 10 schnell in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet, sondern, nachdem die Druckschwankungen des Messgegenstandsgases durch den ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 ausgeglichen wurden, wird das Messgegenstandsgas in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet. Bei dieser Konfiguration sind Druckschwankungen des in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleiteten Messgegenstandsgases nahezu ignorierbar. Der erste innere Hohlraum 20 dient als Raum zur Einstellung eines Sauerstoffpartialdrucks im Messgegenstandsgas, das durch den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 eingeleitet wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer inneren Pumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, der fast über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, dem ersten inneren Hohlraum 20 zugewandt ist, der äußeren Pumpelektrode 23, die so vorgesehen ist, dass sie in einer Region der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a entspricht, dem Außenraum ausgesetzt ist, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die von diesen Elektroden eingeschlossen ist, aufgebaut ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 ist über der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 definieren, und der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, unter Bereitstellung einer Deckenoberfläche des ersten inneren Hohlraums 20, ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, unter Bereitstellung einer Bodenoberfläche, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt) ist auf der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, wodurch beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 gebildet werden, um diesen Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b zu verbinden, und die innere Pumpelektrode 22 ist mit einer Struktur in einer Tunnelform an einem Abschnitt angeordnet, wo der Seitenelektrodenabschnitt angeordnet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2 mit einem Au-Gehalt von 1 Prozent) ausgebildet. Die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Berührung kommt, wird aus einem Material gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas herabgesetzt ist.
  • Indem ein Pumpstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 fließt, wenn eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äu-ßeren Pumpelektrode 23 angelegt wird, ist die Hauptpumpzelle 21 in der Lage, Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff in den Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen.
  • Um eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu erfassen, ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80, aus der inneren Pumpelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 aufgebaut.
  • Eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messung einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Rückkopplungssteuerung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 so gesteuert, dass die Spannung V0 zu einem Sollwert wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf einem vorbestimmten konstanten Wert zu halten.
  • Der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten inneren Hohlraum 20 gesteuert wird, um das Messgegenstandsgas zum zweiten inneren Hohlraum 40 zu führen.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als ein Raum vorgesehen, der dazu dient, den Sauerstoffpartialdruck weiter einzustellen, indem eine Hilfspumpzelle 50 für das Messgegenstandsgas verwendet wird, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 im Voraus eingestellt und dann durch den dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 eingeführt wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 mit hoher Genauigkeit auf einem konstanten Wert zu halten, so dass es möglich ist, eine hochgenaue NOx-Konzentration mit dem Gassensor 100 zu messen.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist, vorgesehen ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (die nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt ist, und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann verwendet werden) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 aufgebaut ist.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer Struktur in einer ähnlichen Tunnelform wie die der inneren Pumpelektrode 22, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 vorgesehen ist, angeordnet. Mit anderen Worten, die Hilfspumpelektrode 51 weist eine solche Struktur in Tunnelform auf, dass ein Deckenelektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6, die die Deckenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ausgebildet ist, ein Bodenelektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4, die die Bodenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ausgebildet ist, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt), der diesen Deckenelektrodenabschnitt 51a und Bodenelektrodenabschnitt 51b verbindet, auf jeder der beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ausgebildet ist. Die Hilfspumpelektrode 51 wird ebenso wie die innere Pumpelektrode 22 aus einem Material gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas herabgesetzt ist.
  • Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 ist die Hilfspumpe 50 in der Lage, Sauerstoff aus einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 zu pumpen.
  • Um einen Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu steuern, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 81, aus der Hilfspumpelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 gebildet.
  • Die Hilfspumpzelle 50 pumpt mit einer variablen Stromversorgung 52, deren Spannung gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die von der Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 81 erfasst wird. Mit dieser Konfiguration wird der Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck gesteuert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
  • Zusammen mit diesem wird sein Pumpstrom Ip1 verwendet, um die elektromotorische Kraft der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 als ein Steuersignal eingegeben, und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird so gesteuert, dass er konstant unverändert ist, indem der vorstehend beschriebene Sollwert der Spannung V0 gesteuert wird. Bei Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, um das Messgegenstandsgas zum dritten inneren Hohlraum 61 zu leiten. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 spielt eine Rolle bei der Begrenzung der NOx-Menge, die in den dritten inneren Hohlraum 61 fließt.
  • Der dritte innere Hohlraum 61 ist als ein Raum vorgesehen, der verwendet wird, um einen Vorgang durchzuführen, der mit der Messung einer Stickoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 im Voraus eingestellt und dann durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 eingeleitet wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird hauptsächlich durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 im dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen ist, dem dritten inneren Hohlraum 61 zugewandt ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 aufgebaut ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode aus einem Material, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas im Vergleich zur inneren Pumpelektrode 22 erhöht ist. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das in der Atmosphäre im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene NOx reduziert.
  • Die Messpumpzelle 41 ist in der Lage, Sauerstoff abzupumpen, der als Ergebnis der Zersetzung von Stickoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum entsteht, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 zu erfassen.
  • Um einen Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu erfassen, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 gebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die von der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 erfasst wird.
  • Ein in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitetes Messgegenstandsgas erreicht die Messelektrode 44 im dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 in einer Situation, in der der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Die Stickoxide im Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2NO → N2 + O2), um Sauerstoff zu erzeugen. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpzelle 41 gepumpt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 erfasste Spannung V2 konstant ist (Sollwert). Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur Konzentration der Stickoxide im Messgegenstandsgas, so dass eine Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet wird.
  • Wenn eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsvorrichtung als elektrochemische Sensorzelle konstruiert wird, indem die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, kann eine elektromotorische Kraft entsprechend der Differenz zwischen der Menge an Sauerstoff, die durch Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und der Menge an Sauerstoff, die in der Referenzatmosphäre enthalten ist, erfasst werden, und folglich kann die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas bestimmt werden.
  • Eine elektrochemische Sensorzelle 83 ist aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 aufgebaut, und es ist möglich, einen Sauerstoffpartialdruck in einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors unter Verwendung einer von der Sensorzelle 83 erhaltenen elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) zu erfassen.
  • In dem so konfigurierten Gassensor 100 wird der Messpumpzelle 41 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 ein Messgegenstandsgas zugeführt, dessen Sauerstoffpartialdruck auf einem konstant unverändert niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst). Daher ist es möglich, eine NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas gemäß einem Pumpstrom Ip2 zu ermitteln, der infolge des Auspumpens von Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx entsteht, durch die Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zu einer NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas fließt.
  • Darüber hinaus enthält das Sensorelement 101 den Heizerabschnitt 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Sensorelements 101 durch Erhitzen spielt, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Der Heizerabschnitt 70 enthält eine Heizer-Verbindungselektrode 71, einen Heizer 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizer-Isolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
  • Die Heizer-Verbindungselektrode 71 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt steht. Die Verbindung der Heizer-Verbindungselektrode 71 an eine externe Stromversorgung ermöglicht die Zufuhr elektrischer Energie von außen zum Heizerabschnitt 70.
  • Der Heizer 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so geformt ist, dass er von der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 von der Ober- und Unterseite eingeschlossen wird. Der Heizer 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizer-Verbindungselektrode 71 verbunden und wird von einer Heizerstromversorgung 76 (siehe 2) mit elektrischer Energie versorgt, um Wärme zu erzeugen und die Temperatur des Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, zu erhöhen und zu halten.
  • Der Heizer 72 ist über die gesamte Region vom ersten inneren Hohlraum 20 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei der der Festelektrolyt aktiviert wird.
  • Die Heizer-Isolierschicht 74 ist eine elektrisch isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material, wie Aluminiumoxid, auf der oberen und unteren Oberfläche des Heizers 72 gebildet wird. Die Heizer-Isolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der zweiten Substratschicht 2 und dem Heizer 72 und eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der dritten Substratschicht 3 und dem Heizer 72 zu erreichen.
  • Das Druckentlastungsloch 75 ist ein Abschnitt, der so vorgesehen ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Referenzgaseinlassschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht. Das Druckentlastungsloch 75 ist so ausgebildet, dass ein Anstieg des Innendrucks infolge eines Temperaturanstiegs in der Heizer-Isolierschicht 74 gemildert wird.
  • Wie in 2 gezeigt, enthält die Steuereinrichtung 95 die vorstehend erwähnten variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, die vorstehend erwähnte Heizerstromversorgung 76 und einen Controller 96. Der Controller 96 ist ein Mikroprozessor mit einer CPU 97 und einem Speicherabschnitt 98. Der Speicherabschnitt 98 ist ein nichtflüchtiger Speicher, der Informationen wiederbeschreiben kann und beispielsweise verschiedene Programme und Daten speichern kann. Der Controller 96 empfängt eine Eingabe der Spannung V0, die von der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 erfasst wird, der Spannung V1, die von der Hilfspumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 81 erfasst wird, der Spannung V2, die von der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 82 erfasst wird, der Spannung Vref, die von der Sensorzelle 83 erfasst wird, des Pumpstroms Ip0, der von der Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, des Pumpstroms Ip1, der von der Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und des Pumpstroms Ip2, der von der Messpumpzelle 41 erfasst wird. Der Controller 96 steuert die von den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgegebenen Spannungen Vp0, Vp1, Vp2, indem er ein Steuersignal an die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgibt, um dadurch die Hauptpumpzelle 21, die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50 zu steuern. Der Controller 96 steuert die elektrische Stromversorgung, die dem Heizer 72 von der Heizerstromversorgung 76 zugeführt wird, indem er ein Steuersignal an die Heizerstromversorgung 76 ausgibt. Der Speicherabschnitt 98 speichert auch die später beschriebenen Sollwerte V0*, V1*, V2* usw. Die CPU 97 des Controllers 96 steuert die Zellen 21, 41, 50 unter Bezugnahme auf diese Sollwerte V0*, V1*, V2*.
  • Der Controller 96 führt einen Hilfspumpsteuervorgang zur Steuerung der Hilfspumpzelle 50 aus, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine Sollkonzentration erreicht. Insbesondere steuert der Controller 96 die Hilfspumpzelle 50, indem er eine Rückkopplungssteuerung für die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 ausführt, so dass die Spannung V1 einen konstanten Wert (als Sollwert V1* bezeichnet) erreicht. Der Sollwert V1* ist als der Wert definiert, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorbestimmte niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, die die Messung von NOx nicht wesentlich beeinträchtigt.
  • Der Controller 96 führt einen Hauptpumpsteuervorgang zur Steuerung der Hauptpumpzelle 21 aus, so dass der Pumpstrom Ip1, der fließt, wenn die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Hilfspumpzelle 50 im Hilfspumpsteuervorgang eingestellt wird, einen Sollstrom (bezeichnet als Sollwert Ip1*) erreicht. Insbesondere stellt der Controller 96 einen Sollwert (als Sollwert V0* bezeichnet) der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 ein (Rückkopplungssteuerung), so dass der durch die Spannung Vp1 verursachte Pumpstrom Ip1 den konstanten Sollstrom Ip1 * erreicht. Der Controller 96 führt dann eine Rückkopplungssteuerung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 durch, so dass die Spannung V0 den Sollwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Sollkonzentration). Der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks im Messgegenstandsgas, das aus dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird durch den Hauptpumpsteuervorgang konstant gehalten. Der Sollwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % ist und eine niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht. Der Pumpstrom Ip0, der während des Hauptpumpsteuervorgangs fließt, variiert gemäß der Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas (d.h. dem Messgegenstandsgas in der Nähe des Sensorelements 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messgegenstandsgasströmungsabschnitt strömt. Somit kann der Controller 96 auch die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip0 ermitteln.
  • Der vorstehend beschriebene Hauptpumpsteuervorgang und der Hilfspumpsteuervorgang werden auch gemeinsam als Einstellpumpsteuervorgang bezeichnet. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 werden auch gemeinsam als Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer bezeichnet. Die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 werden auch gemeinsam als Einstellpumpzelle bezeichnet. Der Controller 96 führt den Einstellpumpsteuervorgang aus, so dass die Einstellpumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer anpasst.
  • Darüber hinaus führt der Controller 96 einen Messpumpsteuervorgang aus, bei dem die Messpumpzelle 41 so gesteuert wird, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert (als Sollwert V2* bezeichnet) erreicht (mit anderen Worten, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht). Konkret steuert der Controller 96 die Messpumpzelle 41, indem er die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so steuert, dass die Spannung V2 den Sollwert V2* erreicht. Durch den Messpumpsteuervorgang wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 gepumpt.
  • Die Ausführung des Messpumpsteuervorgangs bewirkt, dass Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 herausgepumpt wird, so dass der durch die Reduktion von NOx im Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61 erzeugte Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Der Controller 96 erhält einen Pumpstrom Ip2 als einen erfassten Wert, der dem in dem dritten internen Hohlraum 61 aus einem speziellen Gas (hier NOx) erzeugten Sauerstoff entspricht, und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2.
  • Der Speicherabschnitt 98 speichert einen relationalen Ausdruck (z.B. einen Ausdruck einer linearen Funktion oder einer quadratischen Funktion) oder eine Abbildung als Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher relationaler Ausdruck oder eine solche Abbildung kann im Voraus durch ein Experiment ermittelt werden.
  • Der Controller 96 führt einen Heizersteuervorgang durch, bei dem er den Heizer 72 steuert, indem er ein Steuersignal an die Heizungsstromversorgung 76 ausgibt, so dass die Temperatur des Heizers 72 eine Solltemperatur (z.B. 800°C) erreicht. Dabei kann die Temperatur des Heizers 72 als eine lineare Funktion des Widerstandswertes des Heizers 72 ausgedrückt werden. Bei dem Heizersteuervorgang berechnet der Controller 96 also den Widerstandswert des Heizers 72 als einen Wert (einen in die Temperatur umsetzbaren Wert), der als Temperatur des Heizers 72 angesehen wird, und führt eine Rückkopplungssteuerung der Heizerstromversorgung 76 durch, so dass der berechnete Widerstandswert einen Sollwiderstandswert (einen der Solltemperatur entsprechenden Widerstandswert) erreicht. Der Controller 96 erhält beispielsweise die Spannung des Heizers 72 und den durch den Heizer 72 fließenden Strom und kann den Widerstandswert des Heizers 72 auf der Grundlage der erhaltenen Spannung und des Stroms berechnen. Der Controller 96 kann den Widerstandswert des Heizers 72 z.B. nach dem 3-Terminal-Verfahren oder der 4-Terminal-Verfahren berechnen. Wenn ein elektrischer Strom durch den Heizer 72 fließt, passt die Heizerstromversorgung 76 die dem Heizer 72 zugeführte elektrische Stromversorgung an, indem sie den Wert der an den Heizer 72 anzulegenden Spannung beispielsweise auf der Grundlage eines Steuersignals vom Controller 96 ändert.
  • Die Erfinder haben die Beziehung zwischen dem Sollwert V1* des Gassensors 100, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 untersucht. Zunächst wurden als Messgegenstandsgas drei Gasarten hergestellt: ein erstes Gas, das Stickstoff als Basisgas, eine Sauerstoffkonzentration von 0 %, eine Wasserkonzentration von 3 % und eine NO-Konzentration von 0 ppm enthält, ein zweites Gas, das die gleiche Zusammensetzung wie das erste Gas mit Ausnahme einer Wasserkonzentration von 9 % aufweist, und ein drittes Gas, das die gleiche Zusammensetzung wie das erste Gas mit Ausnahme einer Wasserkonzentration von 15 % aufweist. Als Nächstes wurde der Sollwert V2* auf 400 mV gesetzt, der Sollwert V1* wurde auf 300 mV gesetzt, und der Pumpstrom Ip2 wurde gemessen, als der Controller 96 den vorstehend beschriebenen Einstellpumpsteuervorgang und den Messpumpsteuervorgang für das erste Gas durchführte. Der Controller 96 startete den vorstehend beschriebenen Heizersteuervorgang, startete dann, nachdem die Temperatur des Heizers 72 nahe der Solltemperatur erreicht war, den Einstellpumpsteuervorgang und den Messpumpsteuervorgang und maß anschließend den Wert des Pumpstroms Ip2, wobei der Pumpstrom Ip2 stabil war. Darüber hinaus hat der Controller 96 den Pumpstrom Ip2 entsprechend dem Wert jedes Sollwertes V1* auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben gemessen, außer dass der Sollwert V1* auf 350mV, 400mV, 450mV geändert wird. Für das zweite und das dritte Gas misst der Controller 96 den Pumpstrom Ip2, der dem Wert jedes Sollwerts V1* entspricht, auf die gleiche Weise wie vorstehend beschrieben. Das Ergebnis ist in 3 dargestellt. 3 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Sollwert V1*, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 zeigt. Der Pumpstrom Ip2 in der vertikalen Achse von 3 ist als Wert (Einheit ist ppm) dargestellt, der durch Umrechnung des Pumpstroms Ip2 in eine NO-Konzentration unter Verwendung einer Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der im Speicherabschnitt 98 gespeicherten NOx-Konzentration erhalten wird. Da jedes der ersten bis dritten Gase eine NO-Konzentration von 0 ppm aufweist, beträgt der Pumpstrom Ip2 theoretisch jeweils 0 µA, tatsächlich fließt aber ein geringer Pumpstrom Ip2. Ein solcher Pumpstrom Ip2, der aufgrund eines anderen Faktors als des speziellen Gases (in diesem Fall NOx) fließt, wird als Offsetstrom Ip2offset bezeichnet. 3 zeigt also eine Beziehung zwischen dem Sollwert V1*, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Offsetstrom Ip2offset. Der Offsetstrom Ip2offset ist auch im Pumpstrom Ip2 enthalten, wenn die NOx-Konzentration nicht 0 ppm beträgt.
  • Wie in 3 gezeigt, besteht eine lineare Korrelation zwischen dem Sollwert V1* und dem Offsetstrom Ip2offset und es wurde festgestellt, dass der Offsetstrom Ip2offset bei einem höheren Sollwert V1* tendenziell abnimmt. Hinsichtlich der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei einer Änderung des Sollwerts V1 * wurde festgestellt, dass der Absolutwert der Steigung bei einer höheren Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas tendenziell zunimmt. 4 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V1* zeigt, wobei die Beziehung aus den in 3 gezeigten Daten berechnet wurde. Wie in 4 dargestellt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Wasserkonzentration und der Steigung des Offsetstroms Ip2offset und es wurde festgestellt, dass die Steigung des Offsetstroms Ip2offset bei höherer Wasserkonzentration tendenziell abnimmt (der Absolutwert der negativen Steigung nimmt tendenziell zu). Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung (z.B. der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V1*) des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V1* erkannt werden kann. Dies ist eine neue Erkenntnis der Erfinder.
  • Wie in 3 haben die Erfinder die Beziehung zwischen dem Sollwert V2* des Gassensors 100, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 untersucht. Konkret wurde der Sollwert V1* auf 385 mV eingestellt und der Sollwert V2* auf vier Arten verändert: 300 mV, 350 mV, 400 mV, 450 mV, unter Verwendung der gleichen ersten bis dritten Gase wie vorstehend erwähnt, wurde ein Pumpstrom Ip2, der dem Wert jedes Sollwertes V2* entspricht, auf die gleiche Weise gemessen wie bei der Messung der Daten in 3. Das Ergebnis ist in 5 dargestellt. 5 ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen dem Sollwert V2*, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 zeigt. 6 ist eine Kurve, die eine Beziehung zwischen der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V2* zeigt, wobei die Beziehung aus den in 5 gezeigten Daten berechnet wurde.
  • Wie in 5 gezeigt, besteht eine lineare Korrelation zwischen dem Sollwert V2* und dem Offsetstrom Ip2offset und es wurde festgestellt, dass der Offsetstrom Ip2offset bei einem höheren Sollwert V2* tendenziell zunimmt. Hinsichtlich der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V2* wurde ebenfalls festgestellt, dass der Absolutwert der Steigung bei höherer Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas tendenziell zunimmt. Wie in 6 dargestellt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Wasserkonzentration und der Steigung des Offsetstroms Ip2offset und es wurde festgestellt, dass die Steigung des Offsetstroms Ip2offset bei höherer Wasserkonzentration tendenziell zunimmt (der Absolutwert der positiven Steigung nimmt tendenziell zu). Aus diesen Ergebnissen geht hervor, dass die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung (z.B. der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V2*) des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* ermittelt werden kann. Dies ist eine neue Erkenntnis der Erfinder.
  • Auf Grundlage des Vorstehenden korreliert die Änderung des Pumpstroms Ip2, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, mit der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas, wenn mindestens einer von Sollwert V1* oder Sollwert V2* geändert wird, so dass die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 ermittelt werden kann. In dieser Ausführungsform wird als Beziehung zwischen der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 und der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas, wenn der Sollwert V1* geändert wird, eine lineare Funktion oder eine Karte, die die in 4 gezeigte lineare Beziehung darstellt, im Speicherabschnitt 98 gespeichert.
  • Man beachte, dass der Grund, warum die in 3 bis 6 gezeigte Beziehung zwischen dem Sollwert V1* und dem Sollwert V2*, der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 (insbesondere dem Offsetstrom Ip2offset) besteht, folgender ist.
  • Zunächst wird die Beziehung zwischen dem Wasser im Messgegenstandsgas und dem Offsetstrom Ip2offset beschrieben. Wenn der Einstellpumpsteuervorgang (hier der Hauptpumpsteuervorgang und der Hilfspumpsteuervorgang) mit im Messgegenstandsgas vorhandenem Wasser durchgeführt wird, wird zumindest ein Teil des Wassers um die Hilfspumpelektrode 51 durch die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 zersetzt, und Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) werden erzeugt. Der erzeugte Sauerstoff wird aus der Peripherie der Hilfspumpelektrode 51, d.h. aus dem zweiten inneren Hohlraum 40, durch die Hilfspumpzelle 50 herausgepumpt, und zumindest ein Teil des erzeugten Wasserstoffs gelangt in den dritten inneren Hohlraum 61. Der Wasserstoff, der den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht hat, reagiert mit dem Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61, um Wasser zu erzeugen, so dass eine Abnahme der Sauerstoffmenge eintritt, die aus dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den Messpumpsteuervorgang herausgepumpt wird, mit anderen Worten, der Pumpstrom Ip2 nimmt ab. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Messpumpsteuervorgang mit im Messgegenstandsgas vorhandenem Wasser durchgeführt wird, zumindest ein Teil des Wassers um die Messelektrode 44 im dritten inneren Hohlraum 61 durch die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 zersetzt und Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) werden erzeugt. Dadurch erhöht sich die Menge an Sauerstoff, die durch den Messpumpsteuervorgang aus dem dritten inneren Hohlraum 61 gepumpt wird, d.h. der Pumpstrom Ip2 steigt an. Auf diese Weise nimmt der Pumpstrom Ip2 aufgrund des Wasserstoffs ab, der aus dem Wasser um die Hilfspumpelektrode 51 herum erzeugt wird, und der Pumpstrom Ip2 nimmt aufgrund des Sauerstoffs zu, der aus dem Wasser um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, so dass die Summe der Menge der Abnahme und der Menge der Zunahme des Pumpstroms Ip2, die nicht von NOx im Messgegenstandsgas herrührt, als Offsetstrom Ip2offset beobachtet wird.
  • Bei einem höheren Sollwert V1*, d.h. bei einem niedrigeren Sollwert der Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40, wird die Spannung Vp1 aufgrund des Hilfspumpsteuervorgangs mit größerer Wahrscheinlichkeit einen hohen Wert annehmen, so dass die Menge an Wasserstoff, die durch die Zersetzung von Wasser um die Hilfspumpelektrode 51 durch die Spannung Vp1 erzeugt wird, zunimmt und die Menge der Abnahme des Pumpstroms Ip2 ebenfalls steigt. Darüber hinaus tritt bei höherer Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas eine Zunahme der Wasserstoffmenge auf, die durch die Zersetzung von Wasser um die Hilfspumpelektrode 51 herum erzeugt wird, so dass die Menge der Abnahme des Pumpstroms Ip2 entsprechend der Menge der Änderung des Sollwerts V1*, mit anderen Worten, die Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V1*, steiler wird. Mit anderen Worten, der Absolutwert der Steigung nimmt zu. Aus diesen Gründen ist die in 3 und 4 gezeigte Beziehung wahrscheinlich gegeben.
  • In ähnlicher Weise wird bei einem höheren Sollwert V2*, d.h. bei einem niedrigeren Sollwert der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61, die Spannung Vp2 aufgrund des Messpumpsteuervorgangs mit größerer Wahrscheinlichkeit einen hohen Wert aufweisen, so dass ein Anstieg der Sauerstoffmenge eintritt, die durch die Zersetzung von Wasser aufgrund der Spannung Vp2 um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und die Menge des Anstiegs des Pumpstroms Ip2 ebenfalls zunimmt. Darüber hinaus tritt bei höherer Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas eine Zunahme der Sauerstoffmenge auf, die durch die Zersetzung von Wasser um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, so dass die Menge der Zunahme des Pumpstroms Ip2 entsprechend der Menge der Änderung des Sollwerts V2* zunimmt, mit anderen Worten, die Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V2* wird steiler. Mit anderen Worten, der Absolutwert der Steigung nimmt zu. Aus diesen Gründen ist die in 5 und 6 gezeigte Beziehung wahrscheinlich gegeben.
  • Als Nächstes wird ein Beispiel für den Vorgang der Messung der Wasserkonzentration und der Messung der NOx-Konzentration durch den Controller 96 des Gassensors 100 beschrieben. 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine von dem Controller 96 durchgeführte Steuerroutine zeigt. Der Controller 96 speichert die Routine z.B. im Speicherabschnitt 98. Nach Eingabe eines Startbefehls, z.B. von einer nicht dargestellten ECU, startet der Controller 96 die Steuerroutine.
  • Nach dem Start der Steuerroutine startet die CPU 97 des Controllers 96 zunächst den vorstehend beschriebenen Heizersteuervorgang (Schritt S100). Anschließend startet die CPU 97 den vorstehend beschriebenen Einstellpumpsteuervorgang und den Messpumpsteuervorgang (Schritt S110). Zu diesem Zeitpunkt werden als Werte für die Messung der NOx-Konzentration die im Speicherabschnitt 98 vorgespeicherten Werte als Sollwert V1* und als Sollwert V2* verwendet. Als Nächstes bestimmt die CPU97, ob ein Konzentrationsableitungszeitpunkt für die Ableitung der Wasserkonzentration und der NOx-Konzentration erreicht wurde oder nicht (Schritt S120). Beispielsweise bestimmt die CPU 97 bei jedem Ablauf einer vorbestimmten Zeit oder wenn ein Konzentrationsableitungsbefehl von der Motor-ECU eingegeben wird, dass ein Konzentrationsableitungszeitpunkt erreicht wurde.
  • Wenn in Schritt S120 festgestellt wird, dass ein Konzentrationsableitungszeitpunkt erreicht wurde, führt die CPU 97 zunächst einen Wasserkonzentrationserfassungsvorgang zum Erfassen der Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 durch, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn mindestens einer der Sollwert V1* oder der Sollwert V2* geändert wird (Schritte S130, S140). In dieser Ausführungsform ändert die CPU 97 während des Wasserkonzentrationserfassungsvorgangs den Sollwert V1* und ändert den Sollwert V2* nicht. Bei dem Wasserkonzentrationserfassungsvorgang berechnet die CPU 97 zunächst die Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2, wenn der Sollwert V1* geändert wird (Schritt S130). Insbesondere misst die CPU 97 zunächst den aktuellen Pumpstrom Ip2 und erhält ihn als den Wert des Pumpstroms Ip2 in einem Zustand, bevor der Sollwert V1* geändert wird. Als Nächstes ändert die CPU 97 den Sollwert V1*, wartet, bis der Wert des Pumpstroms Ip2 stabil wird, misst den Pumpstrom Ip2, nachdem er stabil geworden ist, und erhält ihn als den Wert des Pumpstroms Ip2 in einem Zustand nach der Änderung. Die Steigung G wird abgeleitet, indem die Differenz zwischen den Werten des Pumpstroms Ip2 vor und nach der Änderung durch die Differenz zwischen den Werten des Sollwerts V1* vor und nach der Änderung dividiert wird. Es ist zu beachten, dass die Zeitspanne von der Änderung des Sollwerts V1* bis zur Stabilisierung des Pumpstroms Ip2 extrem kurz ist (einige ms bis zu einigen zehn ms), und dass sich die NOx-Konzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors in dieser Zeit normalerweise kaum ändert. Daher kann die Differenz zwischen den Werten des Pumpstroms Ip2 vor und nach der Änderung des Sollwerts V1* als die Menge der Änderung des Offsetstroms Ip2offset vor und nach der Änderung des Sollwerts V1* angesehen werden. Daher entspricht die in Schritt S130 abgeleitete Steigung G der Steigung der in 3 dargestellten Geraden und dem Wert der vertikalen Achse in 4. Die CPU 97 berechnet dann die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der abgeleiteten Steigung G und der im Speicherabschnitt 98 gespeicherten Korrespondenzbeziehung (der vorstehend erwähnten Korrespondenzbeziehung zwischen der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 und der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas, wenn der Sollwert V1* geändert wird) (Schritt S140). Die CPU 97 gibt den Wert der abgeleiteten Wasserkonzentration an die Motor-CPU aus oder speichert den Wert im Speicherabschnitt 98. In Schritt S130 kann der Sollwert V1* so geändert werden, dass sein Absolutwert erhöht oder verringert wird. Jeder der Werte vor und nach der Änderung ist jedoch vorzugsweise kleiner oder gleich dem Absolutwert des Sollwerts V1*, der für die Messung der NOx-Konzentration definiert wurde. Wenn beispielsweise der Sollwert V1* vor der Änderung derselbe ist wie der für die Messung der NOx-Konzentration definierte Sollwert V1*, wird der Sollwert V1* vorzugsweise so geändert, dass sein Absolutwert verringert wird. Auf diese Weise kann die Zersetzung von NOx aufgrund einer zu hohen Spannung Vp1 um die Hilfspumpelektrode 51 verhindert werden, wodurch eine Verringerung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration verhindert werden kann.
  • Bei der Ableitung der Wasserkonzentration in Schritt S140 setzt die CPU 97 den Sollwert V1* auf den Wert vor der Änderung zurück. Insbesondere setzt die CPU 97 den Sollwert V1* auf den für die Messung der NOx-Konzentration definierten Wert zurück (Schritt S150). Anschließend erhält die CPU 97 den Pumpstrom Ip2, der durch den Messpumpsteuervorgang zum Fließen gebracht wird (Schritt S160), und leitet die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des erhaltenen Pumpstroms Ip2 und der Korrespondenzbeziehung (der vorstehend erwähnten Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration) ab, die im Speicherabschnitt 98 gespeichert ist (Schritt S170). Die CPU 97 korrigiert dann die in Schritt S170 abgeleitete NOx-Konzentration auf der Grundlage der in Schritt S140 abgeleiteten Wasserkonzentration und leitet die NOx-Konzentration nach der Korrektur ab (Schritt S180). Die CPU 97 gibt den abgeleiteten Wert der NOx-Konzentration nach der Korrektur an die Motor-CPU aus und speichert den abgeleiteten Wert im Speicherabschnitt 98. Wie in 3 gezeigt, ändert sich der Offsetstrom Ip2offset des Pumpstroms Ip2 aufgrund der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas. Daher kann sich der Pumpstrom Ip2 auch bei gleicher NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas entsprechend der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas ändern, und es kann ein Fehler in der abgeleiteten NOx-Konzentration auftreten. Daher korrigiert die CPU 97 in dieser Ausführungsform die NOx-Konzentration gemäß dem Pumpstrom Ip2 auf der Grundlage der erfassten Wasserkonzentration. Wenn beispielsweise der Sollwert V1* in 3 350 mV beträgt, ist der Offsetstrom Ip2offset für eine Wasserkonzentration von 15 % um 3 ppm größer als der Offsetstrom Ip2offset für eine Wasserkonzentration von 3 % in der NOx-Konzentrationsumwandlung. Wenn also beispielsweise die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der im Speicherabschnitt 98 gespeicherten NOx-Konzentration unter Verwendung des Messgegenstandsgases mit einer Wasserkonzentration von 3 % berechnet wird, wird die abgeleitete NOx-Konzentration mit einer tatsächlichen Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas von 15 % als der Wert berechnet, der um 3 ppm größer ist als die wahre Konzentration. Wenn also die in Schritt S140 abgeleitete Wasserkonzentration 15% beträgt, leitet die CPU 97 als NOx-Konzentration nach der Korrektur den Wert ab, der durch Subtraktion von 3 ppm als Korrekturmenge von der in Schritt S170 abgeleiteten NOx-Konzentration [ppm] erhalten wird. Auf diese Weise kann eine Änderung des Offset-stroms Ip2offset aufgrund einer Differenz in der Wasserkonzentration aufgehoben werden, und die NOx-Konzentration nach der Korrektur weist einen Wert auf, der näher an der tatsächlichen Konzentration liegt. Eine solche Korrespondenzbeziehung zwischen der Wasserkonzentration und der Korrekturmenge zur NOx-Konzentration kann im Voraus durch ein Experiment oder dergleichen bestimmt und im Speicherabschnitt 98 gespeichert werden. In Schritt S180 leitet die CPU 97 eine Korrekturmenge auf der Grundlage der Wasserkonzentration und der Entsprechungsbeziehung ab und berechnet die NOx-Konzentration nach der Korrektur. Es ist zu beachten, dass anstelle der Ableitung einer Korrekturmenge eine Korrespondenzbeziehung zwischen der NOx-Konzentration und der NOx-Konzentration nach der Korrektur auf der Grundlage der Wasserkonzentration und des Pumpstroms Ip2 im Speicherabschnitt 98 gespeichert werden kann, und die NOx-Konzentration nach der Korrektur kann auf der Grundlage der Korrespondenzbeziehung abgeleitet werden. Alternativ dazu kann die CPU 97 den in Schritt S170 abgeleiteten Pumpstrom Ip2 auf der Grundlage der Wasserkonzentration korrigieren und die NOx-Konzentration auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 nach der Korrektur ableiten. Auch bei diesen Verfahren wird die NOx-Konzentration auf der Grundlage der Wasserkonzentration korrigiert.
  • Nach Schritt S180 oder wenn in Schritt S120 kein Konzentrationsableitungszeitpunkt erreicht wurde, führt die CPU 97 die Vorgänge in und nach S120 aus. Die CPU 97 misst wiederholt die Wasserkonzentration und die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas, indem sie die Steuerroutine wie vorstehend beschrieben ausführt.
  • Die Korrespondenzbeziehungen zwischen den Komponenten dieser Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung werden nun verdeutlicht. Ein Schichtkörper, der durch Aufschichten von sechs Schichten, aufgebaut aus der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 in dieser Reihenfolge erhalten wird, entspricht einem Elementkörper gemäß der vorliegenden Erfindung, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Messelektrode 44 entspricht einer inneren Messelektrode, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer, die Hilfspumpelektrode 51 entspricht einer inneren Einstellelektrode, die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen einer Einstellpumpzelle, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode, die Spannung V1 entspricht einer Einstellspannung, der Sollwert V1* entspricht einem Einstellspannungs-Sollwert, die Spannung V2 entspricht einer Messspannung, der Sollwert V2* entspricht einem Messspannungs-Sollwert, die Steuereinrichtung 95 entspricht einer Steuereinrichtung und der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Messpumpstrom. Darüber hinaus entspricht die Hilfspumpelektrode 51 einer inneren Hilfspumpelektrode.
  • Mit dem Gassensor 100 in dieser Ausführungsform, die vorstehend im Einzelnen beschrieben wurde, erfasst die Steuereinrichtung 95 die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2, der durch den Messpumpsteuervorgang zum Fließen durch die Messpumpzelle 41 gebracht wird. Die Steuereinrichtung 95 führt den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang der Erfassung der Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 durch, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn mindestens einer der Sollwert V1* oder der Sollwert V2* geändert wird. Somit kann der Gassensor 100 in dieser Ausführungsform die NOx-Konzentration und die Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas erfassen.
  • Da die Steuereinrichtung 95 die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Wasserkonzentration im Messgegenstandsgas korrigiert, die durch den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang erfasst wird, wird die Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines speziellen Gases verbessert.
  • Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und natürlich in verschiedenen Modi innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform leitet die CPU 97 beispielsweise in Schritt S130 der Steuerroutine von 7 die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 ab, wenn der Sollwert V1* geändert wird; die CPU 97 kann die Wasserkonzentration jedoch auch auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 statt der Steigung G ableiten, wenn der Sollwert V1* geändert wird. Beispielsweise kann die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderungsmenge oder der Änderungsrate des Pumpstroms Ip2 vor und nach der Änderung des Sollwerts V1* abgeleitet werden. In diesem Fall kann eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Änderungsmenge oder der Änderungsrate des Pumpstroms Ip2 und der Wasserkonzentration in dem Speicherabschnitt 98 vorgespeichert werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform leitet die CPU 97 in Schritt S130 der Steuerroutine von 7 die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 ab, wenn der Sollwert V1* geändert wird; die CPU 97 kann die Wasserkonzentration jedoch auch auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 ableiten, wenn der Sollwert V2* geändert wird. Beispielsweise kann die CPU 97 die Steigung (entsprechend der Steigung der in 5 gezeigten Geraden und dem Wert der vertikalen Achse in 6) der Änderung des Pumpstroms Ip2 ableiten, wenn der Sollwert V2* geändert wird, ohne den Wert V1* zu ändern, und kann die Wasserkonzentration auf der Grundlage der abgeleiteten Steigung ableiten. In diesem Fall kann eine Korrespondenzbeziehung (entsprechend der in 6 gezeigten linearen Korrespondenzbeziehung) zwischen der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 und der Wasserkonzentration, wenn der Sollwert V2* geändert wird, in dem Speicherabschnitt 98 vorgespeichert werden. Es ist zu beachten, dass bei einer Änderung des Sollwerts V2* der Sollwert V2* so geändert werden kann, dass sein Absolutwert erhöht oder verringert wird. Jeder der Werte vor und nach der Änderung ist jedoch vorzugsweise größer oder gleich dem für die Messung der NOx-Konzentration definierten Sollwert V2*. Wenn beispielsweise der Sollwert V2* vor der Änderung gleich dem für die Messung der NOx-Konzentration definierten Sollwert V2* ist, sollte der Sollwert V2* vorzugsweise so geändert werden, dass sein Absolutwert erhöht wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Pumpstrom Ip2 aufgrund einer zu niedrigen Spannung Vp2 den Grenzstrom erreicht, wodurch eine Verringerung der Messgenauigkeit der NOx-Konzentration verhindert werden kann.
  • Bei dem Wasserkonzentrationserfassungsvorgang kann die CPU 97 die Wasserkonzentration auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 ableiten, wenn sowohl der Sollwert V1* als auch der Sollwert V2* geändert werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Richtung der Änderung des Pumpstroms Ip2 auf der Grundlage einer Änderung des Sollwerts V1* die gleiche ist wie die Richtung der Änderung des Pumpstroms Ip2 aufgrund einer Änderung des Sollwerts V2*. Wenn beispielsweise der Absolutwert des Sollwerts V1* auf einen kleineren Wert und der Absolutwert des Sollwerts V2* auf einen größeren Wert geändert wird, führen diese Änderungen jeweils zu einem Anstieg des Pumpstroms Ip2. Wenn der Absolutwert des Sollwerts V1* auf einen größeren Wert und der Absolutwert des Sollwerts V2* auf einen kleineren Wert geändert wird, bewirken diese Änderungen jeweils eine Verringerung des Pumpstroms Ip2. Wenn der Sollwert V1* und der Sollwert V2* durch eines dieser Verfahren geändert werden, ist die Änderung des Pumpstroms Ip2, die durch das Wasser im Messgegenstandsgas verursacht wird, selbst bei einer kleinen Änderung des Sollwerts V1* und des Sollwerts V2* relativ groß. Daher lässt sich die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 leicht feststellen. Man beachte, dass, wenn sowohl der Sollwert V1* als auch der Sollwert V2* geändert werden, die CPU 97 zum Beispiel die Änderungsmenge oder die Änderungsrate des Pumpstroms Ip2 anstelle der Steigung des Pumpstroms Ip2 berechnen und die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderungsmenge oder der Änderungsrate ableiten kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform korrigiert die CPU 97 die NOx-Konzentration unter Verwendung der Wasserkonzentration, korrigiert aber möglicherweise die NOx-Konzentration nicht. Alternativ kann die CPU 97 bestimmen, ob die abgeleitete Wasserkonzentration innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt, von der angenommen wird, dass sie keine Auswirkungen auf die Genauigkeit der Messung der NOx-Konzentration hat, und wenn die abgeleitete Wasserkonzentration nicht innerhalb der vorbestimmten Toleranz liegt, kann die CPU 97 die NOx-Konzentration korrigieren.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der Gassensor 100 so konfiguriert sein, dass er außerdem die Gastemperatur des Messgegenstandsgases erfasst. Die Erfinder haben herausgefunden, dass beim Vergleich zwischen der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V1* und der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* die erstere wahrscheinlich nicht von der Gastemperatur des Messgegenstandsgases beeinflusst wird. Mit anderen Worten, die Erfinder haben herausgefunden, dass letztere eher von der Gastemperatur beeinflusst wird als erstere, so dass die Gastemperatur im Messgegenstandsgas durch Vergleich der ersteren mit der letzteren ermittelt werden kann. 8 ist ein konzeptionelles Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset bei Änderung des Sollwerts V2* und der Gastemperatur zeigt. 6 zeigt eine Kurve, wenn die Gastemperatur des ersten Gases bis zum dritten Gas die gleiche Temperatur aufweist, während 8 konzeptionell zeigt, wie sich die Steigung des Offsetstroms Ip2offset entsprechend der Gastemperatur ändert, wenn die Gastemperatur des ersten Gases bis zum dritten Gas geändert wird. Wie in 8 gezeigt, wurde festgestellt, dass sich selbst bei gleichem Wert der Wasserkonzentration der Wert der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V2* mit der Änderung der Gastemperatur ändert und die Steigung bei höherer Gastemperatur tendenziell zunimmt. Im Gegensatz dazu wurde selbst bei einer Änderung der Gastemperatur keine signifikante Änderung der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V1* beobachtet, wenn die Wasserkonzentration den gleichen Wert aufweist. Eine solche Differenz ist wahrscheinlich auf die Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Messelektrode 44 zurückzuführen. Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Beschreibung erfolgt, ist der Gassensor 100 so konfiguriert, dass, wenn der Heizer 72 zumindest auf eine Temperatur im Temperaturbereich von 700°C oder höher und 900°C oder niedriger aufgeheizt wird, eine Temperatur Tm der Messelektrode 44 niedriger als eine Temperatur Tq der Hilfspumpelektrode 51 ist. Wenn die Solltemperatur des Heizers 72 beispielsweise 800°C beträgt, liegt die Temperatur Tq der Hilfspumpelektrode 51 bei etwa 750°C, während die Temperatur Tm der Messelektrode 44 beispielsweise einen Wert im Bereich von 650°C oder höher und 700°C oder niedriger aufweist. Die Hilfspumpzelle 50 hat eine größere Sauerstoffmenge herauszupumpen als die Messpumpzelle 41, um die Pumpleistung der Hilfspumpzelle 50 weiter zu erhöhen, wird daher festgelegt, dass die Temperatur Tq > die Temperatur Tm ist. Man beachte, dass aus demselben Grund die Pumpleistung der Hauptpumpzelle 21 vorzugsweise größer als die der Hilfspumpzelle 50 ist, damit wird der Gassensor 100 vorzugsweise so konfiguriert, dass die Temperatur Tp > die Temperatur Tq > die Temperatur Tm ist, wobei der Heizer 72 auf eine Solltemperatur gesteuert wird, wobei die Temperatur Tp die Temperatur der inneren Pumpelektrode 22 ist. Die Einstellung der Temperatur Tp, der Temperatur Tq und der Temperatur Tm kann z.B. durch Anpassung der Form und der Anordnung des Heizers 72 erfolgen. Da die Temperatur Tq > die Temperatur Tm ist, liegt die Temperatur Tq der Hilfspumpelektrode 51 relativ nahe an der Gastemperatur (z.B. 700°C bis 800°C) des Messgegenstandsgases, so dass sich die Temperatur Tq auch bei einer Änderung der Gastemperatur kaum ändert. Im Gegensatz dazu unterscheidet sich die Temperatur Tm der Messelektrode 44 stark von der Gastemperatur des Messgegenstandsgases, so dass sich bei einer Änderung der Gastemperatur die Temperatur Tm wahrscheinlich ändert. Selbst bei gleicher Wasserkonzentration erhöht sich bei einem Anstieg der Temperatur Tm die Menge der Zersetzung des Wassers um die Messelektrode 44, so dass die Änderung des Offsetstroms Ip2offset für die Änderung des Sollwerts V2* wahrscheinlich zunimmt, mit anderen Worten, die Steigung des Offsetstroms Ip2offset nimmt wahrscheinlich zu. Somit ergibt sich wahrscheinlich die in 8 gezeigte Tendenz in Abhängigkeit von der Gastemperatur. Damit kann ein Gastemperaturerfassungsvorgang der Erfassung der Gastemperatur des Messgegenstandsgases auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V1* und der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* durchgeführt werden.
  • Es wird ein spezielles Beispiel für die Erfassung der Gastemperatur beschrieben. Zunächst wird ein relationaler Ausdruck oder eine Karte, die eine Beziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Steigung der Änderung des Offsetstroms Ip2offset und der in 8 dargestellten Gastemperatur zeigt, im Voraus durch ein Experiment bestimmt und im Speicherabschnitt 98 gespeichert. Die CPU 97 der Steuereinrichtung 95 führt S100 bis S140 der Steuerroutine von 7 aus und leitet die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 ab, wenn der Sollwert V1* geändert wird. Die Wasserkonzentration wird durch Änderung des Sollwerts V1* abgeleitet, somit wird er wahrscheinlich nicht von der Gastemperatur beeinflusst. Anschließend setzt die CPU 97 den Sollwert V1* auf den Wert vor der Änderung zurück und leitet die Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 ab, wenn der Sollwert V2* geändert wird. Die CPU 97 leitet dann die Gastemperatur im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der abgeleiteten Wasserkonzentration, der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* und der im Speicherabschnitt 98 gespeicherten Korrespondenzbeziehung ab. Wenn beispielsweise die Korrespondenzbeziehung aus 8 im Speicherabschnitt 98 gespeichert ist, wenn die abgeleitete Wasserkonzentration 15% beträgt und die Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* den Wert a aufweist, wird der Wert b als Gastemperatur abgeleitet. Somit kann mit dem Gassensor 100 neben der NOx-Konzentration des Messgegenstandsgases und der Wasserkonzentration auch die Gastemperatur erfasst werden. Da die Wasserkonzentration der 8 der Wasserkonzentration auf der Grundlage der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwertes V1* entspricht, ist die Beziehung zwischen der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwertes V1*, der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwertes V2* und der Gastemperatur ebenfalls ähnlich wie in 8. Somit kann die Gastemperatur auch auf der Grundlage der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V1*, der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V2* und der im Speicherabschnitt 98 vorgespeicherten Korrespondenzbeziehung abgeleitet werden, anstatt die abgeleitete Wasserkonzentration zu verwenden. Alternativ kann die Differenz oder das Verhältnis zwischen der Steigung G der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V1* und der Steigung der Änderung des Pumpstroms Ip2 für die Änderung des Sollwerts V2* abgeleitet werden, und die Gastemperatur kann auch auf der Grundlage der abgeleiteten Differenz oder des Verhältnisses abgeleitet werden. In diesem Fall kann eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Differenz oder dem Verhältnis und der Gastemperatur in dem Speicherabschnitt 98 vorgespeichert werden. Alternativ kann, wie vorstehend beschrieben, anstelle der Steigung auch die Änderungsmenge oder die Änderungsrate des Pumpstroms Ip2 verwendet werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 95 die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der abgeleiteten Wasserkonzentration und der Gastemperatur korrigieren. Wenn die Gastemperatur des Messgegenstandsgases ansteigt, nimmt die Menge der Zersetzung von Wasser um die Messelektrode 44 zu, so dass der Offsetstrom Ip2offset bei höherer Gastemperatur ansteigt. Wie vorstehend beschrieben, ändert sich der Offsetstrom Ip2offset auch in Abhängigkeit von der Wasserkonzentration. Somit ändert sich der Pumpstrom Ip2 auch bei gleicher tatsächlicher NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas gemäß der Gastemperatur und der Wasserkonzentration des Messgegenstandsgases, und es kann ein Fehler in der abgeleiteten NOx-Konzentration auftreten. Das Auftreten eines solchen Fehlers wird verhindert und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration wird durch die Steuereinrichtung 95 verbessert, die die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage der abgeleiteten Wasserkonzentration und der Gastemperatur korrigiert. Wenn eine solche Korrektur vorgenommen wird, wird zum Beispiel eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Gastemperatur und dem Offsetstrom Ip2offset im Voraus untersucht und im Speicherabschnitt 98 gespeichert. 9 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein Beispiel für eine solche Korrespondenzbeziehung zeigt. Die Steuereinrichtung 95 leitet den Offsetstrom Ip2offset auf der Grundlage der abgeleiteten Wasserkonzentration, der abgeleiteten Gastemperatur und der in 9 dargestellten Korrespondenzbeziehung ab. Die Steuereinrichtung 95 korrigiert dann die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des abgeleiteten Offsetstroms Ip2offset. Beispielsweise wird der Wert des Offsetstroms Ip2offset zum Zeitpunkt der Berechnung der Korrespondenzbeziehung im Hinblick auf die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration, die im Speicherabschnitt 98 vorgespeichert ist, überprüft und im Speicherabschnitt 98 als Referenzwert gespeichert. Genauer gesagt, außer dass die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas auf 0 ppm gesetzt wird, wird die gleiche Bedingung wie zum Zeitpunkt der Berechnung der Korrespondenzbeziehung angewendet, und der Pumpstrom Ip2 in der Bedingung wird gemessen, und sein Wert kann als Referenzwert verwendet werden. Die Steuereinrichtung 95 leitet die Differenz zwischen dem abgeleiteten Offsetstrom Ip2offset und dem im Speicherabschnitt 98 gespeicherten Referenzwert ab und verwendet die Differenz als Korrekturmenge für den Pumpstrom Ip2. Die Steuereinrichtung 95 leitet den Wert, der sich durch Subtraktion der Korrekturmenge von dem in Schritt S160 erhaltenen Pumpstrom Ip2 ergibt, als den Pumpstrom Ip2 nach der Korrektur ab. Anschließend leitet der Controller 96 die NOx-Konzentration auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 nach der Korrektur und der Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der im Speicherabschnitt 98 gespeicherten NOx-Konzentration ab. Somit ist die abgeleitete NOx-Konzentration die korrigierte NOx-Konzentration, bei der die Änderung des Offset-Stroms Ip2offset aufgrund der Wasserkonzentration und der Gastemperatur aufgehoben ist, weist somit einen Wert auf, der näher an der tatsächlichen NOx-Konzentration liegt, als wenn keine Korrektur vorgenommen wird. Es ist zu beachten, dass anstelle der Korrespondenzbeziehung von 9 auch eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Gastemperatur und der Korrekturmenge für den Pumpstrom Ip2 verwendet werden kann. Alternativ kann auch eine Entsprechungsbeziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Gastemperatur und der Korrekturmenge für die NOx-Konzentration verwendet werden.
  • Bei gleichem Wert der Gastemperatur ist die in 9 gezeigte Korrespondenzbeziehung so, dass der Offsetstrom Ip2offset bei höherer Wasserkonzentration tendenziell zunimmt. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann der Offsetstrom Ip2offset bei gleichem Wert der Gastemperatur bei höherer Wasserkonzentration jedoch tendenziell abnehmen. Wie aus 3 und 5 ersichtlich, nimmt der Offsetstrom Ip2offset bei höherer Wasserkonzentration tendenziell zu, wenn der Sollwert V1* 400 mV oder weniger und der Sollwert V2* 350 mV oder mehr beträgt. Wenn der Sollwert V1* dagegen 400 mV übersteigt oder der Sollwert V2* kleiner als 350 mV ist, nimmt der Offsetstrom Ip2offset bei höherer Wasserkonzentration tendenziell ab. Daher wird eine geeignete Korrespondenzbeziehung (eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Wasserkonzentration, der Gastemperatur und dem Offsetstrom Ip2offset) vorzugsweise im Voraus geprüft und im Speicherabschnitt 98 gemäß den Werten des Sollwerts V1* und des Sollwerts V2* gespeichert, wenn der Pumpstrom Ip2 für die NOx-Konzentrationsmessung erhalten wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird die Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V2* wahrscheinlich von der Gastemperatur beeinflusst, so dass es bevorzugt ist, dass die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 bei Änderung des Sollwerts V1* erfasst wird. Wenn jedoch die Gastemperatur weniger Einfluss auf die Erfassungsgenauigkeit der Wasserkonzentration hat oder wenn die Änderung der Gastemperatur des Messgegenstandsgases gering ist, ist es unwahrscheinlich, dass ein Problem auftritt, selbst wenn die Wasserkonzentration auf der Grundlage der Änderung des Pumpstroms Ip2 erfasst wird, wenn der Sollwert V2* geändert wird.
  • Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Beschreibung gegeben wird, kann der Sollwert V0*, der Sollwert V1*, der Sollwert V2* jeweils kleiner oder gleich 900 mV oder kleiner oder gleich 800 mV sein. Bei dieser Einstellung kann verhindert werden, dass die Spannungen Vp0, Vp1, Vp2 einen zu hohen Wert erreichen, und schließlich kann verhindert werden, dass das Sensorelement 101 geschwärzt wird. Der Sollwert V1* kann ein Wert im Bereich von 300 mV oder höher und 450 mV oder niedriger sein. Der Sollwert V2* kann ein Wert im Bereich von 300 mV oder höher und 450 mV oder niedriger sein. Selbst wenn die Steuereinrichtung 95 den Wert jedes Sollwerts V0*, des Sollwerts V1* und des Sollwerte V2* während der Steuerung des Sensorelements 101 ändert, ist es bevorzugt, dass der Wert in den vorstehend genannten verschiedenen Bereichen geändert wird.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform werden im und nach dem Schritt S110 der Einstellpumpsteuervorgang und der Messpumpsteuervorgang kontinuierlich ausgeführt, aber ohne darauf besonders beschränkt zu sein, kann mindestens einer der Einstellpumpsteuervorgang oder der Messpumpsteuervorgang ausgesetzt werden. Zum Beispiel können in Schritt S130 der Einstellpumpsteuervorgang und der Messpumpsteuervorgang ausgesetzt werden, dann können der Einstellpumpsteuervorgang und der Messpumpsteuervorgang mit dem Sollwert V1* nach der Änderung wieder aufgenommen werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und beispielsweise kann die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einen weiteren inneren Hohlraum enthalten, oder einer von dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 kann weggelassen werden. In ähnlicher Weise weist die Einstellpumpzelle in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 auf; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und beispielsweise kann die Einstellpumpzelle eine weitere Pumpzelle enthalten, oder eine der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 kann weggelassen werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Messgegenstandsgas nur durch die Hauptpumpzelle 21 ausreichend reduziert werden kann, kann die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden. Wenn die Hilfspumpzelle 50 weggelassen wird, muss der Controller 96 nur den Hauptpumpsteuervorgang als Einstellpumpsteuervorgang durchführen. Im Hauptpumpsteuervorgang kann die vorstehend beschriebene Einstellung des Sollwerts V0* auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 entfallen. Insbesondere kann ein vorbestimmter Sollwert V0* im Speicherabschnitt 98 vorgespeichert werden, und der Controller 96 kann die Hauptpumpzelle 21 durch eine Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 so steuern, dass die Spannung V0 den Sollwert V0* erreicht. Wenn die Hilfspumpzelle 50 weggelassen wird, entspricht die innere Pumpelektrode 22 einer inneren Einstellelektrode, die Spannung V0 entspricht einer Einstellspannung und der Sollwert V0* entspricht einem Einstellspannungs-Sollwert. Wenn die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer zusätzlich zu dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 einen weiteren inneren Hohlraum enthält und die Einstellpumpzelle drei oder mehr Pumpzellen aufweist, entspricht der Sollwert der Spannung im Steuervorgang der am weitesten stromabwärts gelegenen Pumpzelle unter den drei oder mehr Pumpzellen, mit anderen Worten, der Pumpzelle, die der Messkammer am nächsten liegt, einem Einstellspannungs-Sollwert.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie im Falle eines Sensorelements 201 von 10, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 einer in 10 gezeigten Modifizierung sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste diffusionsgesteuerte Abschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite diffusionsgesteuerte Abschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 in dieser Reihenfolge nebeneinander zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, um miteinander zu kommunizieren. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 45 beschichtet. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 ist ein Film aus einem keramischen porösen Material, wie Aluminiumoxid (Al2O3). Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 spielt ebenso wie der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eine Rolle bei der Begrenzung der NOx-Menge, die in die Messelektrode 44 fließt. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 fungiert auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Der Deckenelektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist bis knapp oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Auch mit dem so ausgebildeten Sensorelement 201 ist es möglich, eine NOx-Konzentration in Abhängigkeit von z.B. einem Pumpstrom Ip2 wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform zu erfassen. In diesem Fall fungiert die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform spielt die äußere Pumpelektrode 23 eine Rolle als die Elektrode (auch als äußere Hauptpumpelektrode bezeichnet), die mit der inneren Pumpelektrode 22 in der Hauptpumpzelle 21 gepaart werden soll, spielt eine Rolle als die Elektrode (auch als äußere Hilfspumpelektrode bezeichnet), die mit der Hilfspumpelektrode 51 in der Hilfspumpzelle 50 gepaart werden soll, und spielt eine Rolle als die Elektrode (auch als äußere Messelektrode bezeichnet), die mit der Messelektrode 44 in der Messpumpzelle 41 gepaart werden soll; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine oder mehrere der äu-ßeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode können getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 außerhalb des Elementkörpers vorgesehen sein, um in Kontakt mit dem Messgegenstandsgas zu sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 eine Cermet-Elektrode, die aus Pt und ZrO2 aufgebaut ist und 1 % Au enthält, aber nicht darauf beschränkt ist. Die innere Pumpelektrode 22 kann ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität enthalten. Als Edelmetall mit katalytischer Aktivität kann zum Beispiel mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru oder Pd genannt werden. Wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält die innere Pumpelektrode 22 jedoch vorzugsweise Pt als Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität. Die innere Pumpelektrode 22 enthält vorzugsweise ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität und Au. Wie die innere Pumpelektrode 22 enthält auch die Hilfspumpelektrode 51 vorzugsweise ein Edelmetall mit katalytischer Aktivität und darüber hinaus vorzugsweise Au. Wenn die innere Pumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51 Au enthalten, wird die katalytische Aktivität für NOx gehemmt, so dass die Reduktion von NOx in dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 gehemmt werden kann. Die äußere Pumpelektrode 23, die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 enthalten vorzugsweise jeweils das vorstehend erwähnte Edelmetall mit katalytischer Aktivität. Die Elektroden 22, 23, 42, 44, 51 sind jeweils vorzugsweise ein Cermet, das ein Edelmetall und ein Oxid (z.B. ZrO2) mit Sauerstoffionenleitfähigkeit enthält, und eine oder mehrere dieser Elektroden müssen kein Cermet sein. Die Elektroden 22, 23, 42, 44, 51 sind jeweils vorzugsweise ein poröser Körper, aber eine oder mehrere dieser Elektroden müssen kein poröser Körper sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas; solange das Sensorelement 101 jedoch die Konzentration eines speziellen Gases im Messgegenstandsgas erfasst, ist die Konfiguration nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann nicht nur NOx, sondern auch eine andere Oxidkonzentration als Konzentration eines speziellen Gases dienen. Falls das spezielle Gas ein Oxid ist, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezielle Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die Messpumpzelle 41 die Konzentration des speziellen Gases erfassen kann, indem sie einen dem Sauerstoff entsprechenden Erfassungswert (z.B. den Pumpstrom Ip2) erhält. Alternativ kann es sich bei dem speziellen Gas auch um ein Nicht-Oxid wie Ammoniak handeln. Wenn das spezielle Gas ein Nichtoxid ist, wird das spezielle Gas in ein Oxid umgewandelt (z.B. wird Ammoniak in NO umgewandelt), wodurch Sauerstoff erzeugt wird, wenn das Gas nach der Umwandlung in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die Messpumpzelle 41 die Konzentration des speziellen Gases erfassen kann, indem ein dem Sauerstoff entsprechender Erfassungswert (z.B. der Pumpstrom Ip2) erhalten wird. Beispielsweise fungiert die innere Pumpelektrode 22 im ersten inneren Hohlraum 20 als Katalysator, so dass Ammoniak im ersten inneren Hohlraum 20 in NO umgewandelt werden kann. Bei dem speziellen Gas kann es sich um ein anderes vorbestimmtes Gas als Sauerstoff handeln. Bei dem speziellen Gas kann es sich um ein anderes Gas als Sauerstoff und Kohlendioxid handeln. Bei dem speziellen Gas kann es sich um NOx oder Ammoniak handeln.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper mit einer Vielzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6), ist aber nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthalten. In 1 können beispielsweise die Schichten 1 bis 5 mit Ausnahme der zweiten Festelektrolytschicht 6 Schichten (z.B. Schichten aus Aluminiumoxid) sein, die aus einem anderen Material als Festelektrolytschichten aufgebaut sind. In diesem Fall können die Elektroden des Sensorelements 101 in der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. So kann beispielsweise die Messelektrode 44 in 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Außerdem kann der Referenzgaseinlassraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 statt in der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen sein, die Referenzgaseinlassschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 statt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 vorgesehen sein, und die Referenzelektrode 42 kann hinter dem dritten inneren Hohlraum 61 und auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt der Controller 96 den Sollwert V0* der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 ein (Rückkopplungssteuerung), so dass der Pumpstrom Ip1 den Sollwert Ip1* erreicht, und steuert die Spannung Vp0 zurück, so dass die Spannung V0 den Sollwert V0* erreicht, kann aber auch eine andere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann der Controller 96 die Spannung Vp0 auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 rückkoppeln, so dass der Pumpstrom Ip1 den Sollwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten, der Controller 96 kann die Erfassung der Spannung V0 von der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungs-Sensorzelle 80 und die Einstellung des Sollwerts V0* auslassen und die Spannung Vp0 (bzw. den Pumpstrom Ip0) direkt auf der Grundlage des Pumpstroms Ip1 steuern.
  • Die vorliegende Anmeldung genießt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2022-169086 , die am 21. Oktober 2022 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines speziellen Gases, wie NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2022091669 [0003]
    • JP 5021697 [0003]
    • JP 5918177 [0003]
    • JP 2022169086 [0097]

Claims (6)

  1. Gassensor, umfassend: ein Sensorelement, enthaltend einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und innen mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas aufnimmt und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch ihn hindurchströmt, eine Messpumpzelle, die derart aufgebaut ist, dass sie eine innere Messelektrode enthält, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff in der Messkammer zur Außenseite des Elementkörpers herauspumpt, eine Einstellpumpzelle, die derart aufgebaut ist, dass sie eine innere Einstellelektrode enthält, die in einer Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer angeordnet ist, die sich stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts befindet, wobei die Einstellpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie eine Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einstellt, und eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für die Erfassung einer Konzentration eines speziellen Gases dient, die eine Konzentration eines speziellen Gases im Messgegenstandsgas ist; und eine Steuereinrichtung, die einen Einstellpumpsteuervorgang des Einstellens der Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer durch Steuern der Einstellpumpzelle durchführt, so dass eine Einstellspannung, die eine Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Einstellelektrode ist, einen Einstellspannungs-Sollwert erreicht, und einen Messpumpsteuervorgang des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle durchführt, so dass eine Messspannung, die eine Spannung über der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode ist, einen Messspannungs-Sollwert erreicht, wobei die Steuereinrichtung die Konzentration des speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage eines Messpumpstroms erfasst, der durch den Messpumpsteuervorgang zum Fließen durch die Messpumpzelle veranlasst wird, und die Steuereinrichtung einen Wasserkonzentrationserfassungsvorgang zum Erfassen einer Wasserkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage einer Änderung des Messpumpstroms durchführt, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn mindestens einer von dem Einstellspannungs-Sollwert oder dem Messspannungs-Sollwert geändert wird.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung bei dem Wasserkonzentrationserfassungsvorgang einen Absolutwert des Einstellspannungs-Sollwerts auf einen kleinen Wert ändert und einen Absolutwert des Messspannungs-Sollwerts auf einen großen Wert ändert, oder den Absolutwert des Einstellspannungs-Sollwerts auf einen großen Wert ändert und den Absolutwert des Messspannungs-Sollwerts auf einen kleinen Wert ändert.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum aufweist, der stromabwärts des ersten inneren Hohlraums und stromaufwärts der Messkammer vorgesehen ist, die Einstellpumpzelle eine Hauptpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, aufweist, die innere Einstellelektrode eine innere Hilfspumpelektrode ist, die in dem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist und einen Teil der Hilfspumpzelle bildet, und der Einstellpumpsteuervorgang einen Hauptpumpsteuervorgang zur Steuerung der Hauptpumpzelle, um die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum zu steuern, und einen Hilfspumpsteuervorgang zur Steuerung der Hilfspumpzelle enthält, so dass die Einstellspannung den Einstellspannungs-Sollwert erreicht.
  4. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung die Konzentration des speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der Wasserkonzentration, die durch den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang erfasst wird, in dem Messgegenstandsgas korrigiert.
  5. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung einen Gastemperaturerfassungsvorgang des Erfassens einer Gastemperatur des Messgegenstandsgases auf der Grundlage einer Änderung des Messpumpstroms, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn der Einstellspannungs-Sollwert geändert wird, und einer Änderung des Messpumpstroms, der während der Ausführung des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs fließt, wenn der Messspannungs-Sollwert geändert wird, durchführt.
  6. Gassensor nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung die Konzentration des speziellen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage der durch den Wasserkonzentrationserfassungsvorgang erfassten Wasserkonzentration und der durch den Gastemperaturerfassungsvorgang erfassten Gastemperatur korrigiert.
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Citations (4)

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