DE112010002180T5

DE112010002180T5 - Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor

Info

Publication number: DE112010002180T5
Application number: DE112010002180T
Authority: DE
Inventors: Hiroki NISHIJIMA; Haruki Kondo; Yasufumi Suzuki; Takeshi Hirabayashi
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2012-07-26
Also published as: CN102483388A; JP2010276530A; US20120073356A1; DE112010002180T8; WO2010136859A1; JP5114453B2

Abstract

Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bzw. Gemischzusammensetzungssensor weist eine feste Elektrolytschicht, eine Messelektrode, die an eine erste Oberfläche der festen Elektrolytschicht laminiert ist, eine Bezugselektrode, die so an eine zweite Oberfläche der festen Elektrolytschicht, die sich von deren erster Oberfläche unterscheidet, laminiert ist, dass die Bezugselektrode und die Messelektrode einander über die dazwischen angeordnete feste Elektrolytschicht gegenüber liegen, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht, die Gas durchlässt und die die Messelektrode bedeckt, und eine Katalysatorschicht, die ein Katalysatormetall und ein Basismaterial aufweist, auf dem das Katalysatormetall getragen ist. Die Katalysatorschicht lässt Gas durch und bedeckt die poröse Diffusionswiderstandsschicht. Das Katalysatormetall ist eine Platin-Palladium-Rhodium-Legierung und enthält 2 bis 9 Masse% Rhodium, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis- bzw. Gemischzusammensetzungssensor, der in einem Abgasweg eines Fahrzeugs angebracht ist, um verschiedene Komponenten, die in einem Abgas enthalten sind, zu erfassen.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (oder „A/F-Sensor”) ist in einem Abgasweg eines Fahrzeugs angebracht und dient dazu, die Konzentration von Sauerstoff, der im Abgas des Fahrzeugs enthalten ist, zu erfassen. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird im Allgemeinen für die Steuerung der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs verwendet. Daher muss der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor in der Lage sein, auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration im Abgas schnell zu reagieren (anzusprechen).
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor weist zwei Elektroden auf (eine Messelektrode und eine Bezugselektrode), von denen die eine auf einer Oberfläche und die andere auf einer anderen, gegenüber liegenden Oberfläche eines festen Elektrolyten vorgesehen ist. In einem Beispiel für eine Art von Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor begrenzt eine poröse Diffusionswiderstandsschicht einen Teil (oder die Gesamtheit) einer Abgaskammer, welche die nahe Umgebung der Messelektrode von der Außenumgebung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors abtrennt. In diesem Fall strömt Abgas, das in der Außenumgebung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vorhanden ist, durch die Poren, die in der porösen Diffusionswiderstandsschicht ausgebildet sind, und wird in die Abgaskammer eingeführt. Somit stellt die poröse Diffusionswiderstandsschicht Abgaskanäle bereit, die sich von der Außenumgebung des Sensors zur Abgaskammer erstrecken, und dient dazu, die Menge an Abgas, die in die Abgaskammer gelangt und die Messelektrode erreicht, physikalisch zu beschränken.
Abgas enthält niedermolekulare Komponenten und hochmolekulare Komponenten, und die niedermolekularen Komponenten (beispielsweise Wasserstoffmoleküle) diffundieren mit einer höheren Geschwindigkeit als die hochmolekularen Komponenten (beispielsweise Sauerstoffmoleküle) durch die poröse Diffusionswiderstandsschicht. Daher kann es vorkommen, dass die Sauerstoffkonzentration des Abgases, das die Messelektrode über die Diffusionswiderstandsschicht erreicht, sich von der Sauerstoffkonzentration im eigentlichen Abgas unterscheidet. Genauer ist die Wasserstoffkonzentration in der nahen Umgebung der Messelektrode höher als diejenige des Wasserstoffs im eigentlichen Abgas, und die Sauerstoffkonzentration in der nahen Umgebung der Messelektrode ist niedriger als diejenige des Sauerstoffs im eigentlichen Abgas. Daher kommt es zu einem Unterschied (einer sogenannten „Messwertabweichung”) zwischen der Sauerstoffkonzentration des Abgases, die vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bzw. Gemischzusammensetzungssensor gemessen wird, und der Sauerstoffkonzentration des eigentlichen Abgases.
Es ist beispielsweise bekannt, dass auch bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des eigentlichen Abgases von 14,5, wobei es sich um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis handelt (d. h. das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis), die Gemischzusammensetzung bzw. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die/das aufgrund des Messwerts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemessen wird, fetter ist als die stöchiometrische Zusammensetzung. Wenn eine solche Messwertabweichung vorliegt (insbesondere in einem Fall, wo das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das auf Basis des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bzw. der gemessenen Gemischzusammensetzung berechnet wird, vom stöchiometrischen Verhältnis abweicht, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des eigentlichen Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich ist, was als „Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis” bezeichnet wird), kann es passieren, dass die Verbrennungssteuerung des Verbrennungsmotors nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird.
Es wurde vorgeschlagen (beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-199046 ( JP-A-2007-199046 )), eine Katalysatorschicht in einem Abschnitt des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors vorzusehen, die weiter außen liegt als die poröse Diffusionswiderstandsschicht (d. h. an derjenigen Außenfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht, die weiter weg ist von der Abgaskammer), so dass ein Katalysatormetall, das auf der Katalysatorschicht liegt bzw. von der Katalysatorschicht getragen ist, die Verbrennung von Wasserstoffgas fördert. Gemäß dieser Technik fördert das Katalysatormetall die Verbrennung von Wasserstoffgas, so dass das Wasserstoffgas größtenteils daran gehindert wird, die Messelektrode zu erreichen, und eine Abweichung des Messwerts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, die auf vorhandenes Wasserstoffgases zurückgeht, verringert oder eliminiert werden kann.
Die oben genannte JP-A-2007-199046 offenbart, dass Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) als das auf der Katalysatorschicht getragene Katalysatormetall verwendet wird, und dass Pd an einer Ansprechverzögerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors und an der oben genannten Messwertabweichung beteiligt ist. Das heißt, wenn der Pd-Gehalt höchstens bei einem bestimmten Wert liegt, kann die Ansprechverzögerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors niedrig gehalten oder verringert werden. Wenn der Pd-Gehalt einen anderen bestimmten Wert überschreitet, kann eine nach längerem Gebrauch des Sensors auftretende Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom stöchiometrischen Verhältnis zur fetten Seite hin, die auf den Messwert vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zurückgeht, verringert werden.
Jedoch kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der oben beschriebenen Art die Ansprechverzögerung und die Messwertabweichung nicht ganz abschaffen. Somit besteht der Wunsch nach der Entwicklung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, der die Ansprechverzögerung und die Messwertabweichung noch weiter verringern kann.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bildet einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor bzw. Gemischzusammensetzungssensor aus, der eine Katalysatorschicht aufweist und der eine Ansprechverzögerung und eine Messwertabweichung verringern kann.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß einem Aspekt der Erfindung weist auf: eine feste Elektrolytschicht, eine Messelektrode, die auf eine erste Oberfläche der festen Elektrolytschicht laminiert ist, eine Bezugselektrode, die auf eine zweite, von der ersten Oberfläche verschiedene Oberfläche der festen Elektrolytschicht laminiert ist, so dass die Bezugselektrode und die Messelektrode einander über die dazwischen angeordnete feste Elektrolytschicht hinweg gegenüber liegen, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht, die Gas durchlässt und die die Messeelektrode bedeckt, und eine Katalysatorschicht, die ein Katalysatormetall und ein Basismaterial, auf dem das Katalysatormetall getragen ist, aufweist. Die Katalysatorschicht lässt Gas durch und deckt die poröse Diffusionswiderstandsschicht ab. Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ist das Katalysatormetall eine Platin-Palladium-Rhodium-Legierung und enthält 2 bis 9 Masse% Rhodium, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Das Rhodium kann in einer Menge von 2 bis 5 Masse% vorhanden sein, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird. Ebenso kann das Rhodium in der Menge von 2 bis 3 Masse% vorhanden sein, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird. Das Palladium kann in der Menge von 2 bis 65 Masse% enthalten sein, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird. Ebenso kann das Palladium in der Menge von 5 bis 40 Masse% dargestellt sein, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Im oben beschriebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann das Masseverhältnis des Palladiums zum Platin der Platin-Palladium-Rhodium-Legierung 1:4 bis 5:5 betragen.
Die Katalysatorschicht kann eine durchschnittliche Porengröße von 0,1 μm bis 10 μm aufweisen. Die Katalysatorschicht kann eine Porosität von 40% bis 70% aufweisen. Die Katalysatorschicht kann eine Länge der Gasströmungskanäle von 10 μm bis 300 μm aufweisen. Aluminium kann als Material für das Basismaterial verwendet werden, und die Katalysatorschicht kann eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 μm bis 10 μm aufweisen. Die poröse Diffusionsschicht kann mit der festen Elektrolytschicht zusammenwirken, um die Messelektrode zu bedecken. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann ferner eine Abschirmungsschicht aufweisen, die kein Gas durchlässt und die mit der porösen Diffusionswiderstandsschicht und der festen Elektrolytschicht zusammenwirkt, um die ganze Messelektrode abzudecken. Die Katalysatorschicht kann die gesamte Fläche freiliegender Oberflächen der porösen Diffusionswiderstandsschicht bedecken.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben als Ergebnis von Untersuchungen herausgefunden, dass von Komponenten (Pt, Pd, Rh) eines Katalysatormetalls, das auf der Katalysatorschicht getragen ist, Rh an einer Ansprechverzögerung beteiligt ist.
Rh wird dem Katalysatormetall zugemischt, um eine Aggregatbildung oder Verdampfung des Katalysatormetalls in einer heißen, mageren Atmosphäre zu unterdrücken oder zu verhindern. Andererseits adsorbiert Rh Sauerstoff (hat eine große Sauerstoff-Speicherfähigkeit); daher führt das Einmischen von Rh in das Katalysatormetall zu einem verzögerten Ansprechen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von fett in mager ändert, oder wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von mager in fett ändert. Das heißt, auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des eigentlichen Abgases (dargestellt durch die Zweipunkt/Strich-Linie in 1) sich allmählich von mager in fett ändert, wie in 1 dargestellt, hört das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (dargestellt durch die durchgezogene Linie in 1), die auf Basis des vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor ausgegebenen Werts berechnet wird, um den stöchiometrischen Punkt herum zeitweilig auf sich zu verändern, und ändert sich dann erst wieder mit einer Verzögerung in Bezug auf Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des eigentlichen Abgases. Dafür kann es die folgenden Gründe geben.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von fett in mager ändert, wird Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist, zunächst an Rh adsorbiert. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von fett in mager ändert, wird daher die Sauerstoffkonzentration in der nahen Umgebung der Messelektrode niedriger als die eigentliche Sauerstoffkonzentration. Der Sauerstoff, der von Rh adsorbiert wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager wird, wird vom Rh dissoziiert und erreicht die nahe Umgebung der Messelektrode, nachdem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich von mager in fett geändert hat. Daher ist die Sauerstoffkonzentration in der nahen Umgebung der Messelektrode unmittelbar nach einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von mager in fett höher als die eigentliche Sauerstoffkonzentration. Das heißt, die Konzentration an fettem bzw. kraftstoffreichem Gas in der nahen Umgebung der Messelektrode wird niedriger als die Konzentration an fettem Gas im eigentlichen Abgas. Daher wird angenommen, dass das Zumischen von Rh in das Katalysatormetall ein Grund für das verzögerte Ansprechen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ist.
Wenn dagegen kein Rh im Katalysatormetall enthalten ist, kann eine Aggregatbildung oder Verdampfung des Katalysatormetalls in einer heißen, mageren Atmosphäre nicht ausreichend niedrig gehalten oder verhindert werden, und daher ist es schwierig, die Katalysatorschicht mit einer ausreichenden Katalysierungsfähigkeit zu versehen.
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird Rh als Katalysatormetall verwendet, das auf der Katalysatorschicht getragen ist, und die Menge des getragenen Rh wird auf einen optimalen Bereich gesteuert, so dass die Katalysatorschicht mit einer ausreichenden Katalysierungsfähigkeit versehen wird und eine Ansprechverzögerung und Messwertabweichungen von den eigentlichen Werten verringert werden können.
Genauer ist im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung der Prozentanteil von Rh in Bezug auf die Gesamtmenge der Katalysatorschicht auf höchstens 9 Masse% begrenzt, so dass eine Ansprechverzögerung verringert oder verhindert werden kann.
Ebenso ist in das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der vorliegenden Erfindung der Prozentanteil an Rh in Bezug auf die Gesamtmenge der Katalysatorschicht auf mindestens 2 Masse% begrenzt, so dass die Messwertabweichungen weiter verringert werden können. Das heißt, Rh, das in der Katalysatorschicht enthalten ist, adsorbiert Sauerstoff und ist sehr gut in der Lage, reduzierendes Gas zu oxidieren. Daher kann eine Abweichung des stöchiometrischen Verhältnisses zur fetten bzw. kraftstoffreicheren Seite durch Einmischen einer ausreichend großen Rh-Menge in die Katalysatorschicht verringert oder vermieden werden.
Die Verwendung des Katalysatormetalls in Form einer Legierung aus Pt, Pd und Rh im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der vorliegenden Erfindung führt zu einer verbesserten Stabilität des Katalysatormetalls und einer weiteren Verbesserung der Katalysierungsfähigkeit der Katalysatorschicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben aufgeführte sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und worin:
1 ein Graph ist, der schematisch zeigt, wie es zu einem verzögerten Ansprechen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors kommt;
2 eine beschnittene Frontansicht ist, die schematisch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform (Beispiel 1) der Erfindung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht ist, die in einem Querschnitt entlang einer Linie A-A in 2 schematisch einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ein Graph ist, der die Ergebnisse von Messungen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit und von Messungen einer Ansprechverzögerungszeit zeigt, die an Beispielen der Erfindung und an Vergleichsbeispielen durchgeführt wurden;
5 ein Graph ist, der das Ergebnis von Temperaturmessungen bei 50% Umwandlung und von Messungen einer Stöchiometrieverhältnis-Bestimmungsgenauigkeit zeigt, die an Beispielen der Erfindung und an Vergleichsbeispielen durchgeführt wurden; und
6 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit und einer 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls, und die Prozent Rh, die im Katalysatormetall enthalten sind, mit Bezug auf Beispiele der Erfindung und auf Vergleichsbeispiele zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren bzw. Gemischzusammensetzungssensoren gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung werden nun ausführlich beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, weist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform (Beispiel 1) der Erfindung ein Sensorelement 1 und einen Gehäusekörper 2 auf.
Der Gehäusekörper 2 besteht aus einem Metall, wie Edelstahl oder Inconel, und ist im allgemeinen becherförmig gestaltet. Gehäuseseitige Gaseinlässe 20, 21 in Form von Durchgangsbohrungen 20, 21 sind in einer Seitenwand des Gehäusekörpers 2 ausgebildet. Ein gehäuseseitiger Gasauslass (nicht dargestellt) in Form einer Durchgangsbohrung ist in einer Bodenwand des Gehäusekörpers 2 ausgebildet. Der gehäuseseitige Gaseinlass 20 ist ein Einlass, durch den Abgas von außerhalb des Gehäusekörpers 2 einströmt, und der gehäuseseitige Gaseinlass 21 ist ein Einlass, durch den die Luft von der Außenseite des Gehäusekörpers 2 einströmt. Der gehäuseseitige Gasauslass ist ein Auslass, durch den das Abgas aus dem Inneren des Gehäusekörpers 2 nach außen strömt.
Wie in 3 dargestellt, weist das Sensorelement 1 eine feste Elektrolytschicht 11, eine Messelektrode 12, eine Bezugselektrode 13, eine poröse Diffusionswiderstandsschicht 14, eine Abschirmschicht 15, eine Katalysatorschicht 16, eine Luftkammer-Begrenzungsschicht 17, eine Heizung 18 und eine Schutzschicht 19 auf. In der Erläuterung zu 3 werden die Aufwärts-, Abwärts- und Seitwärtsrichtung, wie sie in der Zeichnung (3) zu sehen sind, als Aufwärts-, Abwärts- und Seitwärtsrichtung des Sensorelements 1 bezeichnet, und Oberflächen des Sensorelements, die nach oben, nach unten und seitwärts gerichtet sind, werden als obere Oberfläche, untere Oberfläche und seitliche Oberflächen bezeichnet. Es sei jedoch klargestellt, dass die Richtungen des Sensorelements 1 nicht auf die in 3 dargestellten beschränkt sind.
Die feste Elektrolytschicht 11 besteht aus einer Mischung aus Zirconiumoxid und Yttriumoxid und ist im Allgemeinen plattenförmig gestaltet. Die Messelektrode 12 ist an die obere Oberfläche der festen Elektrolytschicht 11 laminiert. Die Bezugselektrode 13 ist an die untere Oberfläche der festen Elektrolytschicht 11 laminiert. Somit sind die Messelektrode 12, die feste Elektrolytschicht 11 und die Bezugselektrode 13 in Dickenrichtung der festen Elektrolytschicht 11 so aneinander laminiert, dass die feste Elektrolytschicht 11 zwischen den anliegenden Mess- und Bezugselektroden 12 und 13 angeordnet ist. Die Messelektrode 12 und die Bezugselektrode 13 sind aus Platin (Pt) gebildet und sind im Allgemeinen plattenförmig gestaltet.
Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 ist, ebenso wie die Messelektrode 12, an die obere Oberfläche der festen Elektrolytschicht 11 laminiert. In Laminierungsrichtung betrachtet weist die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 die Form einer im Allgemeinen U-förmigen Platte auf. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 ist so angeordnet, dass sie seitliche Oberflächen der Messelektrode 12 umgibt. Somit bedeckt die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 die seitlichen Oberflächen der Messelektrode 12. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 besteht aus Aluminiumoxidteilchen.
Die Abschirmschicht 15 ist an die obere Oberfläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 laminiert. Die Abschirmschicht 15 ist eine dichte Schicht, die aus Aluminiumoxid gebildet ist und die kein Gas durchlässt. Die Messelektrode 12 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform ist innerhalb einer Abgaskammer 30 angeordnet, die von der Abschirmschicht 15, der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der festen Elektrolytschicht 11 definiert wird bzw. begrenzt ist.
Die Katalysatorschicht 16 ist an seitliche Oberflächen der Abschirmschicht 15, an seitliche Oberflächen der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und an seitliche Oberflächen der festen Elektrolytschicht 11 laminiert. Das heißt, die Katalysatorschicht 16 ist so laminiert, dass sie die gesamten Flächen von freiliegenden Oberflächen der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14 und der festen Elektrolytschicht 11 bedeckt. Die Katalysatorschicht 16 weist ein Basismaterial und ein Katalysatormetall auf. Das Katalysatormetall, das aus einer Pt-Pd-Rh-Legierung besteht, ist von einem Basismaterial auf dessen Oberfläche und in dessen Innerem getragen. Die Pt-Pd-Rh-Legierung als das Katalysatormetall wird durch Mischen von Pt, Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) im Massenverhältnis von Pt:Pd:Rh = 45:45:10 gebildet. Die Pt-Pd-Rh-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform verwendet wird, macht 80 Masse% aus, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird. Ebenso sind 8 Masse% Rh in der Katalysatorschicht 16 enthalten, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird. Die Porosität der Katalysatorschicht 16 beträgt etwa 20%, und die Länge der Gasströmungskanäle in der Katalysatorschicht 16 beträgt etwa 10 μm. Die Katalysatorschicht 16 besteht aus der Pt-Pd-Rh-Legierung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mindestens 100 nm und unter 500 nm, und aus Aluminiumoxidteilchen und einem anorganischen Kleber mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von höchstens 1 μm. Die Katalysatorschicht 16 wird durch Mischen der Aluminiumoxidteilchen und der Legierung in einem organischen Lösungsmittel und Trocknen und Brennen der Mischung ausgebildet. Die Schutzschicht 19, die noch näher beschrieben wird, ist auf einer Oberfläche der Katalysatorschicht 16 ausgebildet, die deren anderer Oberfläche, wo die Abschirmschicht 15, die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 und die feste Elektrolytschicht 11 angeordnet sind, entgegengesetzt ist.
Die Luftkammer-Begrenzungsschicht 17 ist an die untere Oberfläche der festen Elektrolytschicht 11 laminiert. Wie die Abschirmschicht 15 ist auch die Luftkammer-Begrenzungsschicht 17 eine dichte Schicht, die aus Aluminiumoxid ausgebildet ist und die kein Gas durchlässt. Die Bezugselektrode 13 des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der ersten Ausführungsform ist innerhalb einer Luftkammer 31 angeordnet, die von der Luftkammer-Begrenzungsschicht 17 und der festen Elektrolytschicht 11 begrenzt wird. Die Luft oder die Atmosphäre, die als Bezugsgas dient, wird in die Luftkammer 31 eingeführt. Eine Heizung 18 ist in die Luftkammer-Begrenzungsschicht 17 eingebettet.
Die Schutzschicht 19 ist aus Aluminiumoxidteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mindestens 4 μm und höchstens 20 μm (d. h. im Bereich von 4 μm bis 20 μm) gebildet und lässt Gas durch. Die Länge der Gasströmungskanäle in der Schutzschicht 19 liegt im Bereich von etwa 100 μm bis 1 mm. Wie in 3 dargestellt, bedeckt die Schutzschicht 19 die gesamte laminierte Struktur des Sensorelements, das aus der festen Elektrolytschicht 11, der Messelektrode 12, der Bezugselektrode 13, der porösen Diffusionswiderstandsschicht 14, der Abschirmschicht 15, der Katalysatorschicht 16, der Luftkammer-Begrenzungsschicht 17 und der Heizung 18 besteht.
Der Betrieb des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Abgas, das von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ausgestoßen wird, strömt durch einen Abgasweg und erreicht den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor. Dann strömt das Abgas durch den gehäuseseitigen Gaseinlass 20 in das Innere des Gehäusekörpers 2, durchdringt die Schutzschicht 19 und erreicht die Katalysatorschicht 16. Das Katalysatormetall (Pt-Pd-Rh-Legierung) der Katalysatorschicht 16 wird von der Heizung 18 auf ein Temperaturniveau erwärmt, bei dem der Katalysator aktiviert wird. Daher reagiert Wasserstoffgas, das im Abgas enthalten ist, welches die Katalysatorschicht 16 erreicht, durch Katalyse des Katalysatormetalls mit Sauerstoffgas (d. h. es verbrennt). Infolgedessen enthält das Abgas, das die Katalysatorschicht 16 passiert hat, im Wesentlichen kein Wasserstoffgas. Das Abgas, das die Katalysatorschicht 16 passiert hat, strömt dann durch die poröse Diffusionswiderstandsschicht 14 und wird in die Abgaskammer 30 eingeführt. Das Abgas, das in die Abgaskammer 30 eingeführt wird (d. h. Abgas, aus dem das Wasserstoffgas durch die Katalysatorschicht 16 entfernt worden ist), kommt in Kontakt mit der Messelektrode 12. Sauerstoff, der im Abgas enthalten ist, strömt durch die Messelektrode 12 und die feste Elektrolytschicht 11 und erreicht die Bezugselektrode 13. Die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird auf Basis eines elektrischen Stroms gemessen, der erzeugt wird, wenn Sauerstoff die Bezugselektrode 13 erreicht.
Wie oben beschrieben, verbrennt das Wasserstoffgas im Abgas, wenn es durch die Katalysatorschicht 16 strömt. Daher stellt sich für den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform weniger wahrscheinlich oder nur sehr unwahrscheinlich das Problem, dass Wasserstoffgas die Messelektrode 12 in einer größeren Menge (oder schneller) erreicht als andere Komponenten des Abgases. Somit kann eine Ansprechverzögerung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform verringert oder verhindert werden. Ebenso stellt sich für den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform weniger wahrscheinlich oder nur sehr unwahrscheinlich das Problem, dass ein Unterschied (eine sogenannte „Messwertabweichung”) zwischen der Sauerstoffkonzentration des Abgases, die vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemessen wird, und der Sauerstoffkonzentration des eigentlichen Abgases vorliegt, das heißt das Problem, dass ein Unterschied zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des eigentlichen Abgases und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis besteht, die aufgrund der Messwerte vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor berechnet wird. Genauer ermöglicht der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor dieser Ausführungsform die Verringerung oder Eliminierung einer Abweichung (einer sogenannten „Abweichung vom Lambdapunkt bzw. vom stöchiometrischen Verhältnis”) des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, die auf Basis der Messwerte des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors berechnet wird, vom stöchiometrischen Verhältnis, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des eigentlichen Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis gleich ist.
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform wird die Rh-Menge im Katalysatormetall, das in der Katalysatorschicht 16 enthalten ist (d. h. in der Pt-Pd-Rh-Legierung), auf einen ausreichend kleinen Wert gesteuert, so dass eine Ansprechverzögerung des Sensors, die vom Rh im Katalysatormetall herrührt, verringert oder verhindert werden kann.
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform liegen Pt, Pd und Rh des Katalysatormetalls in Form einer Legierung vor, wodurch eine ausgezeichnete Stabilität des Katalysatormetalls gewährleistet ist. Beispielsweise kann eine Verdampfung von Pt, die stattfinden würde, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, niedrig gehalten oder vermieden werden. Somit ist gemäß der ersten Ausführungsform die Beständigkeit des Katalysatormetalls verbessert, und die Beständigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors an sich ist ebenfalls verbessert
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform wird die Rh-Menge im Katalysatormetall auf einen ausreichend großen Wert gesteuert, so dass eine Verdampfung und eine Aggregatbildung von Pt und Pd bei hohen Temperaturen in einer mageren Atmosphäre niedrig gehalten oder vermieden werden kann, und eine nach längerem Betrieb stattfindende Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zur mageren Seite kann verringert oder eliminiert werden.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform (Beispiel 2) der Erfindung ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), außer im Hinblick auf den prozentualen Anteil von Rh in der Pt-Pd-Rh-Legierung Die Pt-Pd-Rh-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der zweiten Ausführungsform verwendet wird, enthält 3 Masse% Rh, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform (Beispiel 3) der Erfindung ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), außer im Hinblick auf den prozentualen Anteil von Rh in der Pt-Pd-Rh-Legierung. Die Pt-Pd-Rh-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der dritten Ausführungsform verwendet wird, enthält 2,5 Masse% Rh, wen die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 1 ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), außer im Hinblick auf den prozentualen Anteil von Rh an der Pt-Pd-Rh-Legierung. Die Pt-Pd-Rh-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des Vergleichsbeispiels 1 verwendet wird, enthält 1,8 Masse% Rh, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 2 ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), außer im Hinblick auf den prozentualen Anteil von Rh in der Pt-Pd-Rh-Legierung. Die Pt-Pd-Rh-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des Vergleichsbeispiels 2 verwendet wird, enthält 9,5 Masse% Rh, wen die Gesamtmenge der Katalysatorschicht 16 mit 100 Masse% dargestellt wird.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 3 ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), abgesehen davon, dass eine Pt-Pd-Legierung als Katalysatormetall der Katalysatorschicht verwendet wird. Die Pt-Pd-Legierung, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor des Vergleichsbeispiels 3 verwendet wird, enthält Pt und Pd in einem Masseverhältnis von 1:1.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 4 ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), abgesehen davon, dass Rh als das Katalysatormetall der Katalysatorschicht verwendet wird.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 5 ist identisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der ersten Ausführungsform (Beispiel 1), abgesehen davon, dass Pt als das Katalysatormetall der Katalysatorschicht verwendet wird.
Leistungsbewertungen
Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit und die 50%-Umwandlungstemperatur der Katalysatorschicht, die in jedem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Beispiel 1 bis Beispiels 3, und jedem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Vergleichsbeispiel 1 bis Vergleichsbeispiel 5 verwendet werden, wurden gemessen. Ebenso wurden die Genauigkeit der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses und der Ansprechverzögerungszeit in Bezug auf die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor von Beispiel 1 bis Beispiel 3 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren von Vergleichsbeispiel 1 bis Vergleichsbeispiel 5 gemessen.
1. Messungen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit
Das Katalysatormetall, das jeweils in den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Beispiele 1 und 2 und den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 verwendet wurde, wurde in einer heißen oxidierenden Atmosphäre oxidiert. Dann ließ man reduzierendes Gas, wie H₂, durch das Katalysatormetall passieren, so dass Sauerstoff, der auf dem Katalysatormetall adsorbiert war, vom Katalysatormetall dissoziiert wurde. Eine zu dieser Zeit stattfindende Änderung der Masse wurde durch thermogravimetrische Analyse gemessen, und es wurde die Sauerstoff-Speicherfähigkeit (g/g^–cat) des Katalysatormetalls gemessen. Die Messergebnisse für die Sauerstoff-Speicherfähigkeit sind in 4 dargestellt, ebenso wie die Messergebnisse für die Ansprechverzögerungszeit (die noch beschrieben werden).
2. Messungen der Ansprechverzögerungszeit
Jeder der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Beispiele 1 und 2 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Vergleichsbeispiele 3 und 4 wurde mit einem Gasgenerator verbunden, und jeder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wurde einem Testgas ausgesetzt, das H₂, CO, O₂ usw. enthielt. Die Konzentrationen von H₂, CO, O₂ usw. im Testgas wurden allmählich geändert, so dass das Testgas sich allmählich von einer mageren Atmosphäre in eine fette Atmosphäre ändert, und Änderungen des Ausgangswerts jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors als Antwort auf Änderungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wurden überwacht. Auf diese Weise wurde die Zeit (die Ansprechverzögerungszeit) gemessen, die ab einem Zeitpunkt, zu dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Testgases in einer mageren Region den stöchiometrischen bzw. Lambda-Punkt erreicht hat, bis zu einem Zeitpunkt vergeht, zu dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (das tatsächlich gemessene Luft-Kraftstoff-Verhältnis), die auf Basis des Ausgangswerts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors berechnet wird, vom Stöchiometriepunkt in eine fette Region wechselt. Die Ergebnisse der Ansprechverzögerungszeitmessungen sind in 4 dargestellt.
3. Messungen der 50%-Umwandlungstemperatur
Die 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls, das in den einzelnen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Beispiele 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 verwendet wurde, wurde anhand des TRF(Temperature Programmed Reduction)-Verfahrens gemessen. Genauer leitete man Gase, wie H₂, CO und O₂, durch ein Rohr, das mit dem Katalysatormetall jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gefüllt war, und eine Analyseeinrichtung (ein Quadrupol-Massenspektrometer oder QMS) wurde, in Gasströmungsrichtung gesehen, stromabwärts von dem Rohr angeordnet. Während dann das Katalysatormetall mit einer externen Heizung erwärmt wurde, um die Temperatur des Katalysatormetalls allmählich zu erhöhen, leitete man jedes der Gase durch das Rohr, das mit dem Katalysatormetall befüllt war, und die Konzentration jedes der Gase, die aus dem Rohr herausströmten, wurde überwacht, wodurch die Temperatur des Katalysatormetalls gemessen wurde, bei der 50% des H₂-Gases oxidiert (oder umgewandelt) worden war (d. h. die 50%-Umwandlungstemperatur). Die Ergebnisse der Messungen der 50%-Umwandlungstemperatur sind in 5 zusammen mit den Ergebnissen der Messungen zur Bestimmung der Genauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis (die noch beschrieben werden) dargestellt.
4. Messungen der Genauigkeit der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses
H₂, CO, O₂ usw. wurden miteinander gemischt, um ein Mischgas mit einer stöchiometrischen Atmosphäre (d. h. einer Atmosphäre, bei der A/F gleich 14,5 ist), herzustellen. Jeder der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Beispiele 1 und 2 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren der Vergleichsbeispiele 3 bis 5 wurde dem Mischgas ausgesetzt, und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (auch als „A/F” bezeichnet) des Mischgases wurde gemessen. ΔA/F wurde aus einem Unterschied zwischen dem Messwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der jeweiligen Beispiele und dem theoretischen (oder stöchiometrischen) Luft-Kraftstoff-Verhältnis berechnet. Man kann bestimmen, dass die Abweichung des Messwerts jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors von der stöchiometrischen Zusammensetzung umso kleiner ist und die Messgenauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (die sogenannte „Genauigkeit der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses”) umso höher ist, je näher ΔA/F an null liegt. Die Ergebnisse der Messungen der Genauigkeit der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses sind in 5 dargestellt.
Wie in 4 dargestellt, besteht eine Beziehung zwischen der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatormetalls und der Ansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors. Das heißt, die Ansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors ist umso länger, je höher die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatormetalls ist. Wenn die Ansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 50 Millisekunden oder kürzer ist, kann der Einfluss auf die Verbrennungssteuerung des Motors ausreichend verringert werden. Wie in 4 dargestellt, kann die Ansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors auf oder unter 50 Millisekunden gebracht werden, wenn die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatormetalls auf oder unter 0,023 (g/g^–cat) eingestellt wird.
Wie in 5 dargestellt, besteht eine Korrelation zwischen der 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls und der Genauigkeit (ΔA/F) der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses. Das heißt, ΔA/F ist umso größer, je höher die 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls ist. Wenn ΔA/F bei höchstens 0,1 liegt, dann kann der Einfluss auf die Verbrennungssteuerung des Motors ausreichend verringert werden. Wie in 5 dargestellt, kann ΔA/F auf 0,1 oder weniger gebracht werden, wenn die 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls, das im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor verwendet wird, bei oder unter 200°C liegt.
Auf Basis der Ergebnisse der Messungen der Sauerstoff-Speicherfähigkeit, der Messungen der Ansprechverzögerungszeit, der Messungen der 50%-Umwandlungstemperatur und der Messungen der Genauigkeit der Bestimmung des stöchiometrischen Verhältnisses, die oben beschrieben sind, sind die Beziehungen zwischen der Sauerstoffspeicherfähigkeit und der 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls und der prozentuale Anteil (die Masse%) von Rh im Katalysatormetall im Graphen von 6 dargestellt. Wenn der prozentuale Anteil von Rh im Katalysatormetall bei mindestens 2 Masse% liegt, liegt die 50%-Umwandlungstemperatur des Katalysatormetalls bei höchstens 200°C, wie von den schwarzen Kreisen in 6 angezeigt. Wenn der prozentuale Anteil von Rh im Katalysatormetall bei mindestens 2 Masse% liegt, ist daher ΔA/F gleich oder kleiner 0,1, und die Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis kann ausreichend verringert werden.
Wenn der prozentuale Anteil von Rh am Katalysatormetall bei oder unter 9 Masse% liegt, liegt die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatormetalls bei höchstens 0,23 (g/g^–cat), wie von weißen Quadraten in 6 angezeigt. Wenn der prozentuale Anteil von Rh am Katalysatormetall bei oder unter 9 Masse% liegen, kann die Ansprechverzögerungszeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors daher auf 50 Millisekunden oder darunter gebracht werden, und die Ansprechverzögerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors kann ausreichend verringert werden.
Wie aus den obigen Ergebnissen hervorgeht, können die Abweichung des Messwerts des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors (oder die Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis) und die Ansprechverzögerung beide verringert werden, wenn die Rh-Menge, die in der gesamten Katalysatorschicht enthalten ist, auf einen Bereich von 2 bis 9 Masse% gesteuert wird. Es ist stärker bevorzugt, die Rh-Menge, die in der gesamten Katalysatorschicht enthalten ist, auf einen Bereich von 2 bis 5 Masse% zu steuern. Es ist noch mehr bevorzugt, die Rh-Menge, die in der gesamten Katalysatorschicht enthalten ist, auf einen Bereich von 2 bis 3 Masse% zu steuern.
Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der vorliegenden Erfindung weist ein Paar Erfassungselektroden auf, d. h. die Messelektrode und die Bezugselektrode. Das Material der Erfassungselektroden kann beispielsweise ausgewählt sein aus Pt, Pt-Pd-Legierung und anderen Materialien mit einer hohen Sauerstoffgasempfindlichkeit. Ebenso kann der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung ferner mit zweiten und dritten Erfassungselektroden zur Erfassung einer oder mehrerer anderer Komponenten, die im Abgas enthalten sind, versehen sein.
Die poröse Diffusionswiderstandsschicht muss nur diejenigen Oberflächen (die sogenannten „freiliegenden Oberflächen”) der Messelektrode bedecken, bei denen es sich nicht um Oberflächen handelt, die mit der festen Elektrolytschicht in Kontakt stehen. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht kann die gesamte Fläche der freiliegenden Oberflächen bedecken, oder sie kann nur einen Teil der freiliegenden Oberflächen bedecken. Anders ausgedrückt muss die poröse Diffusionswiderstandsschicht des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der Erfindung nur einen Teil von Wänden (sogenannte „Begrenzungswände”) bilden, die die Abgaskammer begrenzen, oder sie kann die gesamten Begrenzungwände bilden. Zwar wird die Abgaskammer des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors der Erfindung vorzugsweise von der porösen Diffusionswiderstandsschicht und einer oder mehreren Schichten (z. B. einer gasundurchlässigen Schicht) begrenzt, bei denen es sich nicht um die poröse Diffusionswiderstandsschicht handelt, aber die Abgaskammer kann beispielsweise auch, abhängig von der durchschnittlichen Porengröße oder Porosität der porösen Diffusionswiderstandsschicht, nur von der porösen Diffusionswiderstandsschicht gebildet werden. Obwohl es bevorzugt ist, dass die gesamte Fläche der porösen Diffusionswiderstandsschicht einen Abstand zu den freiliegenden Flächen der Messelektrode aufweist, kann die Diffusionswiderstandsschicht mit einem Teil der freiliegenden Oberflächen in Berührung stehen, beispielsweise kann sie mit seitlichen Oberflächen der Messelektrode in Berührung stehen.
Die durchschnittliche Porengröße, die Porosität und die Länge der Gasströmungskanäle der porösen Diffusionswiderstandsschicht, die im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung verwendet wird, kann abhängig von den Komponenten eingestellt werden, die im Abgas des Fahrzeugs enthalten sind, in dem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung installiert ist. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht kann aus einem Material, das eine poröse Struktur bilden kann, wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, gefertigt sein.
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung sind Außenseiten (oder äußere Oberflächen) der porösen Diffusionswiderstandsschicht, die den Oberflächen auf der Seite, wo sich die Messelektrode befindet, gegenüber liegen, mit der Katalysatorschicht bedeckt. Die Katalysatorschicht weist das Basismaterial und das Katalysatormetall auf und lässt Gas durch. Das Basismaterial kann aus einem Material wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Ceroxid bestehen, das eine poröse Struktur bilden kann.
Im Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung wird eine Pt-Pd-Rh-Legierung als Katalysatormetall verwendet, das von dem Basismaterial getragen ist. Von Pt, Pd und Rh als den Bestandteilen des Katalysatormetalls ist Rh in einer Menge von 2 bis 9 Masse% enthalten, wenn man die Gesamtmenge der Katalysatorschicht als 100 Masse% darstellt. Obwohl die Prozentanteile von Pt und Pd in der Pt-Pd-Rh-Legierung nicht besonders beschränkt sind, ist Pd vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 65 Masse%, stärker bevorzugt von 5 bis 40 Masse% enthalten, wenn man die Gesamtmenge der Katalysatorschicht als 100 Masse% darstellt. Wenn Pd somit auf die oben genannten Prozentanteile gesteuert wird, ist es weniger wahrscheinlich, oder sehr unwahrscheinlich, dass Pd in einer Oxidations-/Reduktionsatmosphäre verdampft oder Aggregate bildet. Es ist auch bevorzugt, dass Pt so enthalten ist, dass Pd:Pt = 1:4 bis 5:5. Wenn Pt auf das oben angegebene Verhältnis gesteuert wird, ist es weniger wahrscheinlich, oder sehr unwahrscheinlich, dass Pt in einer Oxidations-/Reduktionsatmosphäre verdampft oder Aggregate bildet. Ferner ist es bevorzugt, dass die Pt-Pd-Rh-Legierung, bevor sie auf dem Basismaterial getragen wird, eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 0,1 nm bis 1000 nm aufweist.
Obwohl die durchschnittliche Porengröße, die Porosität und die Länge der Gasströmungskanäle der Katalysatorschicht abhängig von den Komponenten, die im Abgas des Fahrzeugs enthalten sind, in dem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor der Erfindung installiert ist, geeignet eingestellt werden können, liegt die durchschnittliche Porengröße vorzugsweise bei etwa 0,1 bis 10 μm, die Porosität bei etwa 40 bis 70%, und die Länge der Gasströmungskanäle bei etwa 10 bis 300 μm. Wenn Aluminiumoxid als Material für das Basismaterials verwendet wird, ist es besonders bevorzugt, dass das Aluminiumoxid eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 1 μm bis 10 μm aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-199046 A [0006, 0007]

Claims

Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, aufweisend: eine feste Elektrolytschicht; eine Messelektrode, die an eine erste Oberfläche der festen Elektrolytschicht laminiert ist; eine Bezugselektrode, die an eine zweite Oberfläche der festen Elektrolytschicht laminiert ist, bei der es sich nicht um die erste Oberfläche handelt, so dass die Bezugselektrode und die Messelektrode einander über die dazwischen angeordnete feste Elektrolytschicht hinweg gegenüber liegen; eine poröse Diffusionswiderstandsschicht, die Gas durchlässt und die die Messelektrode bedeckt; und eine Katalysatorschicht, die ein Katalysatormetall und ein Basismaterial aufweist, auf dem das Katalysatormetall getragen ist, wobei die Katalysatorschicht Gas durchlässt und die poröse Diffusionswiderstandsschicht bedeckt, wobei das Katalysatormetall eine Platin-Palladium-Rhodium-Legierung aufweist und 2 bis 9 Masse% Rhodium enthält, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 1, wobei das Rhodium in einer Menge von 2 bis 5 Masse% enthalten ist, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 2, wobei das Rhodium in einer Menge von 2 bis 3 Masse% enthalten ist, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Palladium in einer Menge von 2 bis 65 Masse% enthalten ist, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 4, wobei das Palladium in einer Menge von 5 bis 40 Masse% enthalten ist, wenn die Gesamtmenge der Katalysatorschicht mit 100 Masse% dargestellt wird.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 4, wobei das Masseverhältnis von Palladium zu Platin in der Platin-Palladium-Rhodium-Legierung bei 1:4 bis 5:5 liegt.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Katalysatorschicht eine durchschnittliche Porengröße von 0,1 μm bis 10 μm aufweist.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Katalysatorschicht eine Porosität von 40% bis 70% aufweist.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Katalysatorschicht eine Strömungskanallänge von 10 μm bis 300 μm aufweist.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Aluminiumoxid als Material für das Basismaterial verwendet wird, und wobei die Katalysatorschicht eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 μm bis 10 μm aufweist.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die poröse Diffusionswiderstandsschicht mit der festen Elektrolytschicht zusammenwirkt, um die Messelektrode zu bedecken.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach Anspruch 11, ferner eine Abschirmschicht aufweisend, die mit der porösen Diffusionswiderstandsschicht und der festen Elektrolytschicht zusammenwirkt, um die gesamte Messelektrode bedecken, wobei die Abschirmschicht kein Gas durchlässt.
Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Katalysatorschicht die gesamte Fläche der freiliegenden Oberflächenschicht der porösen Diffusionswiderstandsschicht abdeckt.