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[Technisches Gebiet]
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sauerstoff-Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgas.
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[Technischer Hintergrund]
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Ein Sauerstoff-Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration ist bei einer Position angeordnet, bei welcher Abgas von einem Abgasrohr oder dergleichen einer Maschine (Verbrennungskraftmaschine) ausgestoßen wird, und dieses wird für ein optimales Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet, wenn eine Verbrennung in der Maschine durchgeführt wird. Das Sauerstoff-Sensorelement wird durch Anordnen einer einem Messgas, wie einem Abgas, ausgesetzten Elektrode und einer einem Referenzgas, wie einer atmosphärischen Luft, ausgesetzten Elektrode bei einem Festelektrolytkörper ausgebildet. Außerdem erfasst dieses durch Messen einer Veränderung eines zwischen dem Paar von Elektroden fließenden Sauerstoffionenstroms, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Maschine hin zu einer fetten Seite mit überschüssigem Kraftstoff verändert bzw. verschoben ist, oder ob dieses hin zu einer mageren Seite mit überschüssiger Luft relativ zu einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verändert bzw. verschoben ist.
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Beispielsweise wird bei einem in der
JP H11 - 153 571 A offenbarten Sauerstoff-Sensorelement bei einem Festelektrolytkörper eine Position einer Messelektrode, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, mit Bezug auf eine Messgas-Kontaktfläche, welche einem Bereich entspricht, in welchem das Messgas in Kontakt steht, reguliert. Außerdem wird eine Aktivierungszeit, bis ein Sensorausgang des Sauerstoff-Sensorelements erhalten wird, durch effektives Aufheizen der Messelektrode durch eine Heizvorrichtung verkürzt.
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Ferner offenbart die
JP 2003 - 065 999 A , dass ein Verfahren zur Temperatursteuerung eines Gassensorelements die Tatsache nutzt, dass eine Korrelation zwischen dem Heizwiderstand und der Heizleistung an einem in dem Gassensorelement bereitgestellten Heizteil besteht. Die Heizspannung und der Heizstrom am Heizelement werden erfasst, und dann werden der Heizwiderstand und die Heizleistung auf der Grundlage der erfassten Werte berechnet. Die Temperatur des Gassensorelements wird durch Steuern der Heizspannung so gesteuert, dass die berechneten Werte des Heizwiderstands und der Heizleistung eine Korrelationsfunktion zwischen diesen erfüllen.
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Die
JP H11 - 183 425 A offenbart, dass ein Sauerstoffkonzentrationsdetektor mit einer inneren Abdeckung mit einem Bodenteil gegenüber der Spitze eines Erfassungselements und einer äußeren Abdeckung mit einem Bodenteil gegenüber dem Bodenteil der inneren Abdeckung bereitgestellt ist. In der äußeren Abdeckung ist eine Gasdurchlassöffnung nur für den Bodenteil bereitgestellt. Der Bodenteil der inneren Abdeckung ist in der Gestalt einer Halbkugel mit einer geneigten Oberfläche, die sich in einer von der inneren Seitenfläche der äußeren Abdeckung entfernenden Richtung neigt, ausgebildet, und ein Gasdurchlassloch ist an einem Teil der geneigten Oberfläche bereitgestellt.
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Die
EP 0 822 410 A2 beschreibt einen Sauerstoffkonzentrationssensor mit einem Sensorelement, an dessen distalem Ende ein Gaserfassungsabschnitt ausgebildet ist. Der Gaserfassungsabschnitt ist von becherartigen inneren und äußeren Abdeckungen umgeben, die Böden besitzen, welche dem distalen Ende des Sensorelements zugewandt sind. Die äußere Abdeckung ist nur an ihrem Boden mit einem Gasloch versehen. Durch das Gasloch wird das Gas in das Innere der äußeren Abdeckung geleitet. Eine Strömungsrichtung des Gases ist im Wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung des Sauerstoffkonzentrationssensors.
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Die
US 6 432 289 B1 offenbart, dass ein Sauerstoffkonzentrationsdetektor einen Festelektrolyten, ein Erfassungselement, das aus dem Festelektrolyten besteht, der an der Oberfläche mit einer Außenelektrode beschichtet ist, einen Heizer, der innerhalb des Festelektrolyten bereitgestellt ist, und eine Schutzabdeckung, die das Erfassungselement schützt, aufweist. Die Schutzabdeckung besitzt zwei Ebenen von Öffnungen, die Außenelektrode ist innerhalb des Bereichs ausgebildet, der durch die Länge des wärmeerzeugenden Teils des Heizers definiert ist, und die Beziehung zwischen der Länge L1 des wärmeerzeugenden Teils und dem Abstand L2 zwischen den Öffnungen der beiden Ebenen von Öffnungen in Axialrichtung beträgt L1/L2 = 0,9 bis 1,3.
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Die
US 6 660 145 B2 offenbart ein Sauerstoffsensorelement, das in einem Sauerstoffsensor zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Das Gassensorelement umfasst einen Festelektrolytkörper, eine Zielgaselektrode, eine Referenzgaselektrode und eine über der Zielgaselektrode ausgebildete katalytische Schicht. Die katalytische Schicht besteht aus hitzebeständigen keramischen Körnern, die katalytische Metallkörner enthalten, deren durchschnittliche Korngröße 0,3 bis 2,0 µm beträgt, wobei das Gewicht der katalytischen Metallkörner pro Einheitsfläche der katalytischen Schicht, wie durch Projizieren der Zielgaselektrode auf eine Ebene definiert, 10 bis 200 µg/cm
2 beträgt.
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Zudem offenbart die
US 7 156 967 B2 ein Gassensorelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung, bei dem Gifte in einer porösen Schutzschicht eingeschlossen werden, um zu verhindern, dass diese eine messgasseitige Elektrode erreichen. Das Gassensorelement besteht aus einem Festelektrolyten und einer messgasseitigen Elektrode, die mit einem Messgas in Kontakt kommt, und einer referenzgasseitigen Elektrode, die mit einem auf dem Festelektrolyten bereitgestellten Referenzgas in Kontakt kommt. Die messgasseitige Elektrode ist mit einer porösen Schutzschicht bedeckt, die aus einem hitzebeständigen Metalloxid aufgebaut ist, das einen Getter enthält, und der Getter ist ein Alkalisilikat.
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[Offenbarung der Erfindung]
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[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
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Wenn eine Elektrode mit einer katalytischen Wirkung, wie Platin, verwendet wird, wird eine Veränderung einer Ausgangswellenform aufgrund eines Sauerstoffionenstroms bei einem Sauerstoff-Sensorelement in der Nähe eines stöchiometrischen Punkts (einer Umgebung eines λ-Punkts = 1), bei welchem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer Maschine wird, beobachtet. Im Allgemeinen ist bekannt, dass NOx-Emissionen (Stickoxide) zunehmen, während sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgehend von der Nähe der Stöchiometrie hin zu einer mageren Seite verschiebt bzw. verändert. Um die NOx-Emissionen zu reduzieren, ist es daher notwendig, einen Umstand schnell zu erfassen, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der mageren Seite verschoben hat.
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In der
JP H11 - 153 571 A ist jedoch lediglich ein Aufheizen einer Messelektrode durch eine Heizvorrichtung gezeigt und es ist keine Vorrichtung offenbart, um die NOx-Emissionen niedrig zu halten.
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Die vorliegende Erfindung erfolgte im Lichte der vorstehend dargelegten Probleme, und Aufgabe davon ist es, ein Sauerstoff-Sensorelement vorzusehen, welches in der Lage ist, NOx-Emissionen in einer Verbrennungskraftmaschine niedrig zu halten, bei welcher das Sauerstoff-Sensorelement angewendet wird.
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[Mittel zum Lösen der Probleme]
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Die vorstehende Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt bei einem Sauerstoff-Sensorelement, welches einen Festelektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine Messelektrode mit einer katalytischen Wirkung, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, eine Referenzelektrode mit einer katalytischen Wirkung, welche auf einer anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung zum Erhitzen der Messelektrode umfasst, wenn die Messelektrode durch die Heizvorrichtung aufgeheizt ist, wenn eine Sauerstoffkonzentration in einem Messgas gemessen wird, ein Verhältnis einer Fläche S1 eines Niedrigtemperaturbereichs, bei welchem eine Oberflächentemperatur niedriger als 450 °C ist, relativ zu einer Fläche S eines Kontaktabschnitts, welcher dem Messgas ausgesetzt ist, 15 % oder weniger und mehr als 0%.
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[Effekte der Erfindung]
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Bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoff-Sensorelement ist ein Verfahren konzipiert, um die NOx-Emissionen durch geeignetes Verteilen der Oberflächentemperatur des Kontaktabschnitts auf der Messelektrode niedrig zu halten, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas gemessen wird. Insbesondere wird die Messelektrode bei dem Sauerstoff-Sensorelement während des Messens der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, wie einem Abgas und dergleichen, welches von einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßen wird, durch die Heizvorrichtung erhitzt.
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Außerdem wurde festgestellt, dass die Oberflächentemperatur der durch die Heizvorrichtung erhitzten Messelektrode eine geringfügige Verschiebung eines λ-Punkts beeinflusst, welcher einem Veränderungspunkt eine Ausgangswellenform des Sauerstoff-Sensorelements entspricht. Dieser λ-Punkt wird geringfügig kleiner als 1, wenn sich das Messgas, welches dem Abgas oder dergleichen entspricht, hin zu einer fetten Seite verschiebt, und dieser wird geringfügig größer als 1, wenn sich das Messgas hin zu einer mageren Seite verschiebt.
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Außerdem wurde festgestellt, dass sich der λ-Punkt, falls relativ zu dem gesamten Kontaktabschnitt der Messelektrode ein Niedrigtemperaturbereich als ein Bereich definiert ist, in welchem die Oberflächentemperatur niedriger als 450 °C ist, in einer Umgebung eines Verhältnisses der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs von 15 bis 20 %, geringfügig hin zu der fetten Seite verschiebt.
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Ausgehend von dieser Tatsache wurde festgestellt, dass, wenn das Verhältnis (%) der Fläche S1 des Niedrigtemperaturbereichs zu der Fläche S des Kontaktabschnitts 31 15 % oder weniger beträgt, das heißt, wenn das Sauerstoff-Sensorelement 1 eine Beziehung von S1/S ≤ 0,15 besitzt, der Effekt des Reduzierens von NOx-Emissionen erhalten werden kann, da sich der λ-Punkt geringfügig hin zu der fetten Seite verschiebt. Es ist anzumerken, dass die Temperatur des Bereichs in dem Kontaktbereich, welcher sich von dem Niedrigtemperaturbereich unterscheidet, 450 °C oder mehr beträgt.
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Daher können bei der Verbrennungskraftmaschine, auf welche das Sauerstoff-Sensorelement angewendet wird, die NOx-Emissionen gemäß dem Sauerstoff-Sensorelement niedrig gehalten werden.
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Der Grund für das Niedrighalten der NOx-Emissionen kann wie folgt erachtet werden.
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Im Allgemeinen nehmen Emissionen von CO (Kohlenmonoxid) oder HC (Kohlenwasserstoff) zu, während sich ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer Verbrennungskraftmaschine ausgehend von der Nähe eines stöchiometrischen Punkts (in der Umgebung eines theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) hin zu einer fetten Seite verschiebt. Zusätzlich nehmen NOx-Emissionen (Stickoxid) zu, während sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine ausgehend von der Nähe eines stöchiometrischen Punkts hin zu einer mageren Seite verschiebt. Außerdem muss als Charakteristika des Sauerstoff-Sensorelements das basierend auf der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas erfasste Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine, welches hin zu der mageren Seite verschoben ist, unmittelbar erfasst werden, um die NOx-Emissionen gering zu halten.
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Im Übrigen ist es wahrscheinlich, dass große Beträge von CO, HC, welche abgegeben werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetten Seite verschoben ist, auf der Oberfläche des Kontaktabschnitts absorbiert werden, wenn die Oberflächentemperatur des Kontaktabschnitts der Messelektrode niedriger wird. Außerdem werden, wenn ein Anteil des Niedrigtemperaturbereichs von weniger als 450 °C bei dem Kontaktabschnitt erhöht ist, CO, HC in dem fetten Gas (dem Messgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetten Seite verschoben ist) stärker bei dem Kontaktabschnitt absorbiert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine hin zu der fetten Seite verschiebt. In diesem Zustand wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausgehend von der fetten Seite hin zu der mageren Seite verändert wird, eine Gleichgewichtsreaktionszeit zwischen den adsorbierten CO, HC und dem mageren Gas (dem Messgas, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der mageren Seite verschoben ist) in dem Kontaktabschnitt länger. Außerdem wird eine Zeit verzögert, bis das magere Gas eine Schnittstelle zwischen der Messelektrode und dem Festelektrolytkörper erreicht.
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In diesem Fall verschiebt sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine hin zu der mageren Seite, und trotz der Tatsache, dass das magere Gas die Messelektrode in dem Sauerstoff-Sensorelement bereits erreicht hat, ist es nicht möglich, das magere Gas in dem Sauerstoff-Sensorelement schnell zu erfassen. Daher kann eine Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der Verbrennungskraftmaschine entweder weiter hin zu der mageren Seite verschoben sein oder einer Steuerung zum Aufrechterhalten der Verschiebung hin zu der mageren Seite entsprechen. Dadurch ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine für eine lange Zeit hin zu der mageren Seite verschoben, wodurch die NOx-Emissionen entsprechend erhöht sind.
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Um dieses Problem zu lösen, ist bei dem vorstehend erwähnten Sauerstoff-Sensorelement der Niedrigtemperaturbereich mit weniger als 450 °C bei dem Kontaktabschnitt höchstmöglich minimiert. Außerdem wird erachtet, dass die Probleme zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der Verbrennungskraftmaschine gelöst sind und die NOx-Emissionen niedrig gehalten werden können.
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Ferner ist der Grund für das Definieren des Niedrigtemperaturbereichs als einen Bereich, dessen Oberflächentemperatur niedriger als 450 °C ist, wie folgt. Dies liegt daran, da eine Adsorption von CO, HC auf einer Elektrode mit einer katalytischen Wirkung, wie einer Platinelektrode und dergleichen (Messelektrode, Referenzelektrode), häufig auftritt, wenn die Temperatur niedriger als 450 °C ist.
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Ferner ist es insbesondere zu bevorzugen, dass ein Verhältnis der Fläche S1 des Niedrigtemperaturbereichs zu der Fläche S des Kontaktbereichs 8 % oder weniger beträgt. Mit anderen Worten, es ist insbesondere zu bevorzugen, dass das Sauerstoff-Sensorelement eine Beziehung bzw. ein Verhältnis von S1/S ≤ 0,08 aufweist.
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In diesem Fall kann der λ-Punkt, welcher dem Veränderungspunkt der Ausgangswellenform bei dem Sauerstoff-Sensorelement entspricht, bei einer Position auf der fetten Seite, geringfügig kleiner als 1, stabilisiert werden, so dass die NOx-Emissionen effektiver niedrig gehalten werden können.
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Ferner kann das Verhältnis S1/S der Fläche S1 des Niedrigtemperaturbereichs in der Fläche S des Kontaktabschnitts folgendermaßen gemessen werden.
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Wenn das Sauerstoff-Sensorelement zum Erfassen der Konzentration von Sauerstoff verwendet wird, werden die Messelektrode und die Referenzelektrode durch die Heizvorrichtung erhitzt. Ferner wird die Abdeckung zum Abdecken des Sauerstoff-Sensorelements entfernt oder ausgeschnitten, um die Oberflächentemperatur der Messelektroden durch einen Thermoprojektor (Thermographie) zu messen. Außerdem wird die Temperaturverteilung von jedem Teil des Kontaktabschnitts bei der Messelektrode durch den Thermoprojektor gemessen. Basierend auf dieser Temperaturverteilung wird ein Verhältnis einer Fläche mit einer Temperatur unterhalb 450 °C bei dem Kontaktabschnitt berechnet, wodurch das Verhältnis S1/S der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs gemessen werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Schnittansicht einer Messelektrode und einer Referenzelektrode in einem Sauerstoff-Sensorelement gemäß einer Ausführungsform;
- 2 zeigt eine Schnittansicht der Messelektrode in dem Sauerstoff-Sensorelement gemäß der Ausfuhrungsform;
- 3 zeigt ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem λ-Punkt und Ausgangscharakteristika des Sauerstoff-Sensorelements gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt;
- 4 zeigt ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Verhältnis S1/S einer Fläche eines Niedrigtemperaturbereichs in einer Fläche eines Kontaktabschnitts der Messelektrode, und dem λ-Punkt des Sauerstoff-Sensorelements gemäß einem Bestätigungstest zeigt;
- 5 zeigt ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer Strecke bzw. einem Abstand K zwischen einer Basis-Endposition eines Erfassungsabschnitts und einer Spitzen-Endposition eines Gaslochs und dem λ-Punkt des Sauerstoff-Sensorelements zeigt, wenn das Verhältnis S1/S der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs gemäß dem Bestätigungstest 0,15 beträgt; und
- 6 zeigt ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer Dicke einer porösen Schutzschicht und dem λ-Punkt zeigt, wenn das Verhältnis S1/S der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs gemäß dem Bestätigungstest 0,15 beträgt.
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[Art und Weise zum Ausführen der Erfindung]
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Eine bevorzugte Ausführungsform bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoff-Sensorelement ist beschrieben.
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Bei dem Sauerstoff-Sensorelement besitzt der Festelektrolytkörper eine zylindrische, mit einem Boden versehene Gestalt mit einem Außenumfangsabschnitt mit einer zylindrischen Gestalt und einem Spitzenbodenabschnitt, welcher ein Spitzenende des Außenumfangsabschnitts verschließt. Darüber hinaus ist die Messelektrode bei einer Außenfläche des Außenumfangsabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet und die Referenzelektrode ist auf einer Innenfläche des Außenumfangsabschnitts des Festelektrolytkörpers angeordnet. Ferner ist die Heizvorrichtung in einen Raum innerhalb des Festelektrolytkörpers eingefügt. Darüber hinaus ist der Festelektrolytkörper in einer zylindrisch gestalteten, mit einem Boden versehenen Abdeckung mit einem zylindrischen Abdeckungs-Außenumfangsabschnitt und einem Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitt, welcher ein Spitzenende des Abdeckungs-Außenumfangsabschnitts verschließt, derart angeordnet, dass Ausrichtungen des Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitts und des Spitzenbodenabschnitts gleich sind. Außerdem sind Gaslöcher zum Zirkulieren des Messgases zwischen einem Inneren und einem Äußeren der Abdeckung in dem Abdeckungs-Außenumfangsabschnitt ausgebildet. Darüber hinaus kann der Kontaktabschnitt der Messelektrode einen Erfassungsabschnitt, welcher einen zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode fließenden Sauerstoffionenstrom erfasst, und einen Leitungsabschnitt, welcher zum Verbinden des Erfassungsabschnitts mit einer Sensorschaltung mit dem Erfassungsabschnitt verbunden ist, umfassen.
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Eine Basis-Endposition des Erfassungsabschnitts, auf einer Seite von dem Spitzenbodenabschnitt entfernt, ist vorzugsweise näher an einer Spitzen-Endseite positioniert als eine Spitzen-Endposition, welche sich bei den Gaslöchern näher an dem Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitt befindet.
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In diesem Fall kann ein λ-Punkt, welcher einem Veränderungspunkt einer Ausgangswellenform des Sauerstoff-Sensorelements entspricht, auf einer fetten Seite positioniert sein, welche geringfügig kleiner als 1 ist, so dass es möglich ist, NOx-Emissionen wirkungsvoll niedrig zu halten. Zu beachten ist, dass, wenn die Basis-Endposition des Erfassungsabschnitts weiter bei bzw. näher an einer Basis-Endseite positioniert ist als die Spitzen-Endposition in dem Gasloch, der λ-Punkt hin zu einer Position auf einer mageren Seite verschoben ist, wodurch ein Effekt zum Halten der NOx-Emissionen durch das Sauerstoff-Sensorelement verringert ist.
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Ferner ist es wahrscheinlich, dass CO oder HC in einem fetten Gas bei dem Kontaktabschnitt der Messelektrode adsorbiert wird, wenn eine Strömungsrichtung des in die Abdeckung strömenden Messgases senkrecht zu einer axialen Richtung des Sauerstoff-Sensorelements ist. In diesem Fall kann der Effekt des Positionierens der Basis-Endposition des Erfassungsabschnitts weiter bei der Spitzen-Endseite als die Spitzen-Endposition bei dem Gasloch merklich erhalten werden.
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Darüber hinaus liegt eine Strecke bzw. ein Abstand zwischen der Basis-Endposition des Erfassungsabschnitts und der Spitzenposition des Gaslochs in einer axialen Richtung parallel zu einer Mittelachse, welche eine Mitte des Festelektrolytkörpers durchläuft, vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 2 mm.
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Falls die Basis-Endposition bei dem Erfassungsabschnitt zu der Spitzenposition in den Gaslöchern übermäßig nahe an der Spitzen-Endseite liegt, wird erachtet, dass die erforderliche Zeit, bis das magere Gas als das in die Abdeckung strömende Messgas die Messelektrode erreicht, länger wird. In diesem Fall wird die Zeit verzögert, bis das Sauerstoff-Sensorelement das magere Gas erfasst, und der Effekt, um die NOx-Emissionen durch das Sauerstoff-Sensorelement niedrig zu halten, ist reduziert.
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Daher kann die Zeit, bis das magere Gas die Messelektrode erreicht, dadurch kurz gehalten werden, dass die Strecke bzw. der Abstand zwischen der Basis-Endposition des Erfassungsabschnitts und der Spitzenposition der Gaslöcher 2 mm oder weniger beträgt, und es ist möglich, die NOx-Emissionen wirkungsvoller niedrig zu halten.
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Ferner ist bei einer Position, welche zumindest den gesamten Abschnitt des Erfassungsabschnitts auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers bedeckt, eine poröse Schutzschicht angeordnet, welche ein Durchdringen des Messgases ermöglicht und eine Eigenschaft zum Aufnehmen von giftigen Komponenten besitzt, welche an der Messelektrode anhaften können. Es ist anzumerken, dass die Dicke der porösen Schutzschicht vorzugsweise in einem Bereich von 250 bis 350 µm liegt.
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Falls die Dicke der porösen Schutzschicht kleiner als 250 µm wird, ist es wahrscheinlich, dass das fette Gas den Kontaktabschnitt der Messelektrode erreicht, und CO, HC in dem fetten Gas neigen dazu, bei dem Kontaktabschnitt adsorbiert zu werden. Falls die Dicke der porösen Schutzschicht andererseits 350 µm überschreitet, ist es weniger wahrscheinlich, dass das magere Gas den Kontaktabschnitt der Messelektrode erreicht. Folglich ist die Zeit verzögert, bis das Sauerstoff-Sensorelement das magere Gas erfasst, und der Effekt zum Niedrighalten der NOx-Emissionen durch das Sauerstoff-Sensorelement ist reduziert.
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[Beispiel]
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Nachfolgend ist ein Beispiel des Sauerstoff-Sensorelements 1 mit Bezug auf die beigefügten Abbildungen beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Sauerstoff-Sensorelement 1 einen Festelektrolytkörper 2 mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, eine Messelektrode 3 mit einer katalytischen Wirkung, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 2 angeordnet ist, eine Referenzelektrode 35 mit einer katalytischen Wirkung, welche auf einer anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 2 angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung 5 zum Aufheizen der Messelektrode 3. Wenn eine Sauerstoffkonzentration in einem Messgas G unter Verwendung des Sauerstoff-Sensorelements 1 gemessen wird, wie in 2 gezeigt, ist ein Verhältnis (%) einer Fläche S1 eines Niedrigtemperaturbereichs, bei welchem eine Oberflächentemperatur niedriger als 450 °C ist, relativ zu einer Fläche S eines Kontaktabschnitts 31, welcher dem Messgas G ausgesetzt ist, bei der durch die Heizvorrichtung 5 erhitzten Messelektrode 3 gleich 15 % oder kleiner. Es ist anzumerken, dass die Temperatur des Bereichs in dem Kontaktbereich 31, welcher sich von dem Niedrigtemperaturbereich unterscheidet, 450 °C oder mehr beträgt.
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Nachfolgend ist das Sauerstoff-Sensorelement 1 des vorliegenden Beispiels mit Bezug auf 1 bis 3 detailliert beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, wird das Sauerstoff-Sensorelement 1 des vorliegenden Beispiels in einem Zustand in einem Abgasrohr eines Automobils verwendet, bei welchem dieses in einer inneren Abdeckung 6 angeordnet ist. Ferner entspricht das Messgas G einem Abgas, welches das Abgasrohr durchläuft, und das Sauerstoff-Sensorelement 1 wird zum Erfassen der Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas verwendet.
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Der Festelektrolytkörper 2 ist aus Zirkonoxid aufgebaut und besitzt einen zylindrisch gestalteten Außenumfangsabschnitt 21 und einen Spitzenbodenabschnitt 22, welcher ein Spitzenende des Außenumfangsabschnitts 21 verschließt. Außerdem besitzt der Festelektrolytkörper 2 eine zylindrische, mit einem Boden versehene Gestalt. Die Messelektrode 3 ist auf einer Außenfläche 201 des Außenumfangsabschnitts 21 des Festelektrolytkörpers 2 angeordnet. Die Referenzelektrode 35 ist auf einer Innenfläche 202 des Außenumfangsabschnitts 21 des Festelektrolytkörpers 2 angeordnet. Die Heizvorrichtung 5 ist in einen Raum 20 innerhalb des Festelektrolytkörpers 2 eingefügt. Die Heizvorrichtung 5 ist aus einem Isolationssubstrat aus Aluminiumoxid und einem auf dem Isolationssubstrat angeordneten Leiter, welcher durch eine Bestromung bzw. Erregung Wärme erzeugt, aufgebaut.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, wird atmosphärische Luft als das Referenzgas H in den Raum 20 innerhalb des Festelektrolytkörpers 2 eingeführt und die Referenzelektrode 35 steht mit der atmosphärischen Luft in Kontakt. Die Messelektrode 3 in dem Festelektrolytkörper 2 steht mit dem Abgas als das Messgas G in Kontakt. Das Sauerstoff-Sensorelement 1 misst einen Sauerstoffionenstrom, welcher zwischen der Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 35 gemäß einer Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration in der atmosphärischen Luft und der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas fließt.
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Der Festelektrolytkörper 2 ist in der inneren Abdeckung (Abdeckung) 6 angeordnet. Die innere Abdeckung 6 umfasst einen zylindrischen Abdeckungs-Außenumfangsabschnitt 61 und einen Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitt 62, welcher ein Spitzenende des Abdeckungs-Außenumfangsabschnitts 61 verschließt. Außerdem besitzt die innere Abdeckung 6 eine zylindrische, mit einem Boden versehene Gestalt. Eine Ausrichtung des Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitts 62 der inneren Abdeckung 6 ist gleich einer Ausrichtung des Spitzenbodenabschnitts 22 des Festelektrolytkörpers 2.
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Wie in 1 gezeigt, ist die innere Abdeckung 6 innerhalb der äußeren Abdeckung 7 angeordnet. Die innere Abdeckung 6 und die äußere Abdeckung 7 sind an dem Gehäuse 11 angebracht, bei welchem das Sauerstoff-Sensorelement 1 montiert ist. Gaslöcher 611 zum Zirkulieren des Messgases G zwischen dem Inneren und dem Äußeren der inneren Abdeckung 6 sind in dem Abdeckungs-Außenumfangsabschnitt 61 der inneren Abdeckung 6 ausgebildet. Zusätzlich ist ein Gasloch 621 zum Zirkulieren des Messgases G zwischen dem Inneren und dem Äußeren der inneren Abdeckung 6 bei dem Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitt 62 der inneren Abdeckung 6 ausgebildet. Ferner sind Gaslöcher 711 zum Zirkulieren des Messgases G in der äußeren Abdeckung 7 ausgebildet.
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Wenn das Sauerstoff-Sensorelement 1 in dem Abgasrohr platziert ist, befindet sich eine axiale Richtung D parallel zu einer Mittelachse O, welche eine Mitte des Festelektrolytkörpers 2 durchläuft, senkrecht zu einer Strömungsrichtung F des Messgases G in dem Abgasrohr. Außerdem strömt das Messgas G, welches ausgehend von den Gaslöchem 611 des Abdeckungs-Außenumfangsabschnitts 61 in die innere Abdeckung 6 strömt, von dem Gasloch 621 des Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitts 62 hin zu der Außenseite der inneren Abdeckung 6.
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Wie in 2 gezeigt ist, besitzt der Kontaktabschnitt 31 der Messelektrode 3 einen Erfassungsabschnitt 311 zum Erfassen des zwischen der Referenzelektrode 35 und der Messelektrode 3 fließenden Sauerstoffionenstroms, und einen Leitungsabschnitt 312, welcher sich ausgehend von dem Erfassungsabschnitt 311 erstreckt, um den Erfassungsabschnitt 311 mit einer Sensorschaltung zu verbinden. Der Erfassungsabschnitt 311 ist im Wesentlichen über den gesamten Umfang des Außenumfangsabschnitts 21 des Festelektrolytkörpers 2 angeordnet. Der Leitungsabschnitt 312 ist ausgehend von einem Abschnitt des Erfassungsabschnitts in einer Umfangsrichtung hin zu einer Basis-Endseite D2 des Festelektrolytkörpers 2 gezogen bzw. geführt. Zu beachten ist, dass ein Endabschnitt des Leitungsabschnitts 312 auf der Basis-Endseite D2 hin zu einer Position geführt ist, welche mit dem Messgas G nicht in Kontakt steht. Außerdem ist der Kontaktabschnitt 31 der dem Messgas G ausgesetzten Messelektrode 3 genau genommen ein gesamter Abschnitt des Erfassungsabschnitts 311 und einer Spitzen-Endseite D1 des Leitungsabschnitts 312, welche dem Messgas G ausgesetzt ist.
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Ferner entspricht der dem Messgas G ausgesetzte Kontaktabschnitt 31 in 2 einem gesamten Abschnitt des Erfassungsabschnitts 311 und eines Abschnitts des Leitungsabschnitts 312, welcher näher an der Spitzen-Endseite D1 positioniert ist als ein Abschnitt 111, bei welchem der Festelektrolytkörper 2 an dem Gehäuse 11 angebracht ist.
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Eine Basis-Endposition 301 des Erfassungsabschnitts 311 auf einer Seite von dem Spitzenbodenabschnitt 22 entfernt, ist näher an der Spitzen-Endseite D1 positioniert als eine Spitzen-Endposition 601 des Gaslochs 611 des Abdeckungs-Außenumfangsabschnitts 61 auf einer Seite nahe an dem Abdeckungs-Spitzenbodenabschnitt 62. Insbesondere liegt eine Strecke bzw. ein Abstand K zwischen der Basis-Endposition 301 des Erfassungsabschnitts 311 und der Spitzen-Endposition 601 des Gaslochs 611 in der Axialrichtung D des Festelektrolytkörpers 2 in einem Bereich von 0 bis 2 mm.
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Ferner ist eine poröse Schutzschicht 4 mit einer hohen Anzahl an Lüftungslöchern bei einer Position angeordnet, welche zumindest den gesamten Abschnitt des Erfassungsabschnitts 311 auf der Außenfläche 201 des Festelektrolytkörpers 2 bedeckt. Während das Durchdringen des Messgases G ermöglicht ist, besitzt die poröse Schutzschicht 4 eine Eigenschaft zum Aufnehmen von giftigen Komponenten, welche an der Messelektrode 3 anhaften können. Die poröse Schutzschicht 4 dient außerdem als eine Diffusionsschicht zum Begrenzen einer Rate, mit welcher das Messgas G die Messelektrode 3 erreicht. Die Dicke t der porösen Schutzschicht 4 liegt in einem Bereich von 250 bis 350 µm.
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Nachfolgend sind Funktionen und Effekte des Sauerstoff-Sensorelements 1 beschrieben.
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Bei dem Sauerstoff-Sensorelement 1 werden die Messelektrode 3 und die Referenzelektrode 35 in einem Zustand des Messens der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas G, welches dem von einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgas oder dergleichen entspricht, durch die Heizvorrichtung 5 erhitzt. Außerdem wurde festgestellt, dass die Oberflächentemperatur der durch die Heizvorrichtung 5 erhitzten Messelektrode 3 eine geringfügige Verschiebung eines λ-Punkts beeinflusst, der einem Veränderungspunkt einer Ausgangswellenform des Sauerstoff-Sensorelements 1 entspricht. Dieser λ-Punkt wird geringfügig kleiner als 1, wenn sich das Messgas G, welches dem Abgas oder dergleichen entspricht, hin zu einer fetten Seite (Kraftstoffüberschussseite) verschiebt. Darüber hinaus wird dieser geringfügig größer als 1, wenn sich das Messgas G hin zu einer mageren Seite (Luftüberschussseite) verschiebt. Zu beachten ist, dass der λ-Punkt 1 angibt, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht.
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Außerdem wurde festgestellt, dass sich der λ-Punkt, falls ein Niedrigtemperaturbereich relativ zu dem gesamten Kontaktabschnitt 31 der Messelektrode 3 als ein Bereich definiert ist, bei welchem die Oberflächentemperatur niedriger als 450 °C ist, in einer Umgebung eines Verhältnisses der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs von 15 bis 20 %, geringfügig hin zu der fetten Seite verschiebt.
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Ausgehend von dieser Tatsache wurde festgestellt, dass, wenn das Verhältnis der Fläche S1 des Niedrigtemperaturbereichs in der Fläche S des Kontaktabschnitts 31 15 % oder kleiner ist, das heißt, wenn das Sauerstoff-Sensorelement 1 eine Beziehung von S1/S ≤ 0,15 aufweist, der Effekt des Reduzierens von NOx-Emissionen erhalten werden kann, da sich der λ-Punkt geringfügig hin zu der fetten Seite verschiebt.
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Daher können die NOx-Emissionen bei der Verbrennungskraftmaschine, auf welche das Sauerstoff-Sensorelement 1 angewendet wird, gemäß dem Sauerstoff-Sensorelement 1 niedrig gehalten werden.
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In 3 ist eine Beziehung zwischen dem λ-Punkt und Ausgangscharakteristika A des Sauerstoff-Sensorelements 1 schematisch gezeigt, und außerdem sind eine Beziehung zwischen dem λ-Punkt und einem Abgabebetrag B von NOx und eine Beziehung zwischen dem λ-Punkt und einem Abgabebetrag C von HC schematisch gezeigt. Ein Punkt, bei welchem der λ-Punkt gleich 1 ist, gibt an, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskraftmaschine bei bzw. auf dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis befindet, und wenn der λ-Punkt kleiner als 1 ist, gibt dies an, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der fetten Seite befindet, und wenn der λ-Punkt größer als 1 ist, gibt dies an, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der mageren Seite befindet. Während in 3 die Emissionen C von HC zunehmen, wenn sich der λ-Punkt auf der fetten Seite befindet, nehmen die Emissionen B von NOx ab. Während andererseits der Abgabebetrag B von NOx zunimmt, wenn sich der λ-Punkt auf der mageren Seite befindet, nehmen die Emissionen C von HC ab. Bei dem Sauerstoff-Sensorelement 1 ist der λ-Punkt bewusst hin zu der fetten Seite verschoben, wie in der Abbildung durch einen Pfeil E gezeigt ist, um den Emissionsbetrag B von NOx zu reduzieren. Es ist anzumerken, dass die Zunahme der Emissionen C von HC zu dieser Zeit durch Reinigen von HC mit einem Dreiwegekatalysator oder dergleichen, welcher in dem Abgasrohr der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, behandelt werden kann.
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[Bestätigungstest]
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Bei dem vorliegenden Bestätigungstest hinsichtlich des bei dem vorstehenden Beispiel gezeigten Sauerstoff-Sensorelements 1 wird eine Konfiguration zum Reduzieren der NOx-Emissionen durch ein Verschieben des λ-Punkts hin zu der fetten Seite bestätigt.
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In 4 ist eine Beziehung zwischen dem Verhältnis S1/S der Fläche S1 eines Niedrigtemperaturbereichs in der Fläche S des Kontaktabschnitts 31 der Messelektrode 3 und dem λ-Punkt des Sauerstoff-Sensorelements 1 gezeigt. Wie in der Abbildung gezeigt ist, gibt der λ-Punkt einen Wert nahe an 1 an, wenn S1/S in einem Bereich größer als 0,2 liegt, das heißt, in einem Bereich, in welchem der Niedrigtemperaturbereich größer ist. Andererseits gibt der λ-Punkt einen Wert nahe an 0,999 an, wenn sich S1/S in einem Bereich nahe an 0 befindet, das heißt, in einem Bereich, in welchem der Niedrigtemperaturbereich sehr viel kleiner ist. Außerdem verändert sich der Wert des λ-Punkts in der Umgebung, bei welcher S1/S gleich 0,15 bis 0,2 ist, plötzlich. Ausgehend von dieser Tatsache ist der λ-Punkt hin zu der fetten Seite verschoben, falls S1/S auf 0,15 oder kleiner eingestellt ist, und es wird festgestellt, dass der Effekt zum Reduzieren der NOx-Emissionen in der Verbrennungskraftmaschine erhalten wird.
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Ferner ist in der gleichen Abbildung außerdem eine Beziehung zwischen dem λ-Punkt und S1/S in einem Fall gezeigt, bei welchem die Strecke bzw. der Abstand K zwischen der Basis-Endposition 301 des Erfassungsabschnitts 311 und der Spitzen-Endposition 601 des Gaslochs 611 auf -1 mm, 0 mm, 1 mm und 3 mm verändert ist. Wenn der Abstand K gleich 1 mm oder 3 mm ist, bedeutet dies, dass die Basis-Endposition 301 des Erfassungsabschnitts 311 näher an der Spitzen-Endseite D1 positioniert ist als die Spitzen-Endposition 601 des Gaslochs 611. Wenn darüber hinaus der Abstand K gleich -1 mm ist, bedeutet dies, dass die Basis-Endposition 301 des Erfassungsabschnitts 311 näher an der Basis-Endseite D2 positioniert ist als die Spitzen-Endposition 601 des Gaslochs 611.
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Wenn der Abstand K gleich -1 mm ist, wird außerdem festgestellt, dass der Wert des λ-Punkts im Vergleich zu einem Fall, bei welchem der Abstand K gleich 0 mm, 1 mm oder 3 mm ist, hin zu der mageren Seite verschoben ist, welche sich 1 annähert. Wenn darüber hinaus der Abstand K gleich 3 mm ist, wird festgestellt, dass sich der Wert des λ-Punkts im Vergleich zu einem Fall, bei welchem der Abstand K gleich 0 mm oder 1 mm ist, näher an der mageren Seite befindet.
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5 zeigt eine Beziehung zwischen dem Abstand K und dem λ-Punkt, wenn das Verhältnis S1/S der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs gleich 0,15 ist. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der λ-Punkt in der Umgebung des Abstands K bei 1 mm am kleinsten. Das heißt, der λ-Punkt ist in der Umgebung, bei welcher der Abstand K auf 1 mm eingestellt ist, hin zu der fettesten Seite verschoben. Es ist bekannt, dass die NOx-Emissionen in der Verbrennungskraftmaschine niedrig gehalten werden können, wenn der λ-Punkt hin zu der fetten Seite verschoben ist. Darüber hinaus kann 4 entnommen werden, dass der Wert des λ-Punkts gleich 0,99925 oder kleiner ist, wenn S1/S gleich 0,15 oder kleiner ist. Darüber hinaus wird festgestellt, dass der Abstand K vorzugsweise in dem Bereich von 0 bis 2 mm liegt, so dass der λ-Punkt zu 0,99925 oder kleiner wird.
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Ferner ist in 6 eine Beziehung zwischen einer Dicke t der porösen Schutzschicht 4 und dem λ-Punkt gezeigt, wenn das Verhältnis S1/S der Fläche des Niedrigtemperaturbereichs gleich 0,15 ist. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der λ-Punkt in der Umgebung, bei welcher die Dicke t der porösen Schutzschicht 4 300 µm beträgt, am kleinsten. Das heißt, der λ-Punkt ist in der Umgebung, bei welcher die Dicke t der porösen Schutzschicht 4 gleich 300 µm ist, hin zu der fettesten Seite verschoben. Es ist bekannt, dass die NOx-Emissionen in der Verbrennungskraftmaschine niedrig gehalten werden können, wenn der λ-Punkt hin zu der fetten Seite verschoben ist. Ferner wird festgestellt, dass die Dicke t der porösen Schutzschicht 4 vorzugsweise in dem Bereich von 250 bis 350 µm liegt, so dass der λ-Punkt zu 0,99925 oder kleiner wird, da der Wert des λ-Punkts gleich 0,99925 oder kleiner ist, wenn S1/S gleich 0,15 oder kleiner ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sauerstoff-Sensorelement
- 2
- Festelektrolytkörper
- 3
- Messelektrode
- 31
- Kontaktabschnitt
- 35
- Referenzelektrode
- 5
- Heizvorrichtung
- G
- Messgas
