DE112015003198B4

DE112015003198B4 - Gassensor mit einer Konfiguration, die Ansprechvermögen und Messgenauigkeit optimiert.

Info

Publication number: DE112015003198B4
Application number: DE112015003198.7T
Authority: DE
Inventors: Yuusuke TOUDOU; Takehito Kimata; Mitsunobu Nakatou
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: JP2016028226A; US20170191957A1; DE112015003198T5; WO2016006635A1; JP6352215B2; US10309923B2

Abstract

Gassensor (1) mit:einer Sensorzelle (2), die aus einem ersten Abschnitt eines Sauerstoffionen leitenden Elektrolytfestkörpers (5) und einem Paar von Sensorelektroden (21, 22), das auf dem Elektrolytfestkörper (5) angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Sensorzelle arbeitet, um eine Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in einem Messgas zu messen; wobei der Gassensor (1) einen einzigen Elektrolytfestkörper (5) aufweist;einer Pumpenzelle (3), die aus einem zweiten Abschnitt des Elektrolytfestkörpers und einem Paar von Pumpenelektroden (31, 32), das auf dem Elektrolytfestkörper (5) angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Pumpenzelle arbeitet, um eine Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas zu regeln;einem Innenhohlraum (11), der einer (21) der Sensorelektroden und einer (31) der Pumpenelektroden zugewandt ist, und in den das Messgas eingeleitet wird; undeinem Diffusionswiderstand (17), durch den das Messgas in den Innenhohlraum (11) eingeleitet wird, und der geformt ist, um gegenüber dem Messgas, das in den Innenhohlraum (11) eingeleitet wird, einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dasswenn eine Abmessung des Diffusionswiderstands (17) in einer Richtung, in der das Messgas in dem Diffusionswiderstand (17) fließt, als L1 definiert ist, eine Schnittfläche des Diffusionswiderstands (17), die senkrecht zu der Flussrichtung des Messgases in dem Diffusionswiderstand (17) erhalten wird, als S1 definiert ist, eine Distanz zwischen dem Diffusionswiderstand (17) und der Sensorzelle (2) als L2 definiert ist, und eine Schnittfläche des Innenhohlraums (11), die senkrecht zu einer Richtung, in der die Pumpenzelle (3) und die Sensorzelle (2) miteinander ausgerichtet sind, erhalten wird, als S2 definiert ist, eine Beziehung 1000 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 erfüllt ist,der Diffusionswiderstand (17) aus einem porösen Körper hergestellt ist, und die Schnittfläche S1 ein Wert ist, der aus einem Produkt einer Schnittfläche (S0) des porösen Körpers, die senkrecht zu einer Längsrichtung des Diffusionswiderstands (17) erhalten wird, und einer Porosität des porösen Körpers abgeleitet ist, undder Innenhohlraum (11) geformt ist, um eine Konfiguration zu haben, die von einer Region, in der der Innenhohlraum der Pumpenelektrode (31) zugewandt ist, bis zu einer Region, in der der Innenhohlraum der Sensorelektrode (21) zugewandt ist, einheitlich ist, wobei L1 und L2 in [mm] und S1 und S2 in [mm2] bestimmt sind,eine Richtung, in der die Sensorzelle (2) und eine Überwachungszelle (4) miteinander ausgerichtet sind, senkrecht zu einer Richtung ist, in der die Pumpzelle (3) und die Sensorzelle (2) miteinander ausgerichtet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gassensor, der eine Konzentration einer gegebenen Gaskomponente, die in einem Messgas enthalten ist, misst.
HINTERGRUND TECHNIK
Als Gassensoren, um die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in einem Messgas zu messen, gibt es solche, die mit einer Pumpenzelle ausgestattet sind, die arbeitet, um die Konzentration von Sauerstoff, der in dem Messgas, das in dieselbe aufgenommen wird, enthalten ist, zu steuern. Die Steuerung der Konzentration von Sauerstoff durch die Pumpenzelle vermeidet einen Fehler beim Bestimmen der Konzentration der gegebenen Gaskomponente unter Verwendung einer Sensorzelle des Gassensors, der durch den Sauerstoff, der in dem Messgas enthalten ist, entsteht.
Die japanische Patenterstveröffentlichung JP H08- 271 476 A offenbart einen Gassensor, der mit einem ersten Innenleerraum, aus dem eine Pumpenzelle Sauerstoff in einem Messgas absondert, und einem zweiten Innenleerraum, in dem eine Sensorzelle die Konzentration einer gegebenen Gaskomponente des Messgases misst, ausgestattet ist. Der Gassensor weist ferner einen ersten Diffusionsratensteuerweg, auf dem das Messgas, das in den ersten Innenleerraum eingeleitet wird, hinsichtlich der Diffusionsrate desselben gesteuert wird, und einen zweiten Diffusionsratensteuerweg auf, der zwischen dem ersten Innenleerraum und dem zweiten Innenleerraum vorgesehen ist.
Weiterer Stand der Technik ist in den folgenden Dokumenten offenbart:

JP 2011 - 58 834 A , JP 2003 - 149 199 A , JP 2000 - 321 238 A , DE 10 2011 081 913 A1 , US 8 506 780 B2 , DE 697 35 302 T2 , US 8 168 054 B2 , US 6 196 053 B1 , DE 10 2010 012 889 A1 , und KATO, Nobuhide; NAKAGAKI, Kunihiko; INA, Noriyuki. Thick Film ZrO2 NOx Sensor. SAE Technical Paper, 1996, wobei in DE 10 2010 012 889 A1 Ansprechrate und Messgenauigkeit über die Konfiguration der Detektionskammer und den Abständen der darin auf zwei gegenüberliegenden Elektrolytfestkörpern befindlichen Elektroden optimiert wird, was zu fertigungstechnischen Variationen führt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Bei der vorhergehenden Struktur der JP H08- 271 476 A geht jedoch das Messgas, das von außerhalb des Gassensors eingeleitet wird, durch die ersten und zweiten Diffusionsratensteuerwege, bis dasselbe den zweiten Innenleerraum erreicht, in dem die Sensorzelle angeordnet ist, was in einer Erhöhung der Diffusionsdistanz resultiert, was zu einer Schwierigkeit beim Verbessern des Ansprechvermögens des Gassensors führen wird.
Der Diffusionswiderstand auf den Diffusionsratensteuerwegen kann verringert werden, um das Ansprechvermögen zu verbessern, dies wird aber jedoch in einer Verschlechterung einer Messgenauigkeit resultieren. Die Verringerung des Diffusionswiderstands auf dem ersten Diffusionsratensteuerweg wird genauer gesagt verursachen, dass sehr viel Messgas in den ersten Innenleerraum eingeleitet wird, was in einem Mangel beim Steuern der Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas resultiert. Die Verringerung des Diffusionswiderstands auf dem zweiten Diffusionsratensteuerweg wird ferner in einem Mangel beim Steuern der Konzentration von Sauerstoff in dem ersten Innenleerraum resultieren, bevor dasselbe den zweiten Innenhohlraum erreicht, was in einer Verschlechterung der Messgenauigkeit resultiert.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des vorhergehenden Hintergrunds gemacht und es ist eine Aufgabe, einen Gassensor zu schaffen, der fähig ist, eine Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dessen sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche bzw. des zugehörigen Unteranspruchs.
Mittel zum Lösen des Problems
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Gassensor geschaffen, der (a) eine Sensorzelle, die aus einem ersten Abschnitt eines Sauerstoffionen leitenden Elektrolytfestkörpers und einem Paar von Sensorelektroden, das auf dem Elektrolytfestkörper angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Sensorzelle arbeitet, um eine Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in einem Messgas zu messen, (b) eine Pumpenzelle, die aus einem zweiten Abschnitt des Elektrolytfestkörpers und einem Paar von Pumpenelektroden, das auf dem Elektrolytfestkörper angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Pumpenzelle arbeitet, um eine Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas zu regeln, (c) einen Innenhohlraum, der einer der Sensorelektroden und einer der Pumpenelektroden zugewandt ist, und in den das Messgas eingeleitet wird, und (d) einen Gaseinlass aufweist, durch den das Messgas in den Innenhohlraum eingeleitet wird, und der geformt ist, um gegenüber dem Messgas, das in den Innenhohlraum eingeleitet wird, einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern. Wenn eine Abmessung des Gaseinlasses in einer Richtung, in der das Messgas in dem Gaseinlass fließt, als L1 definiert ist, eine Schnittfläche des Gaseinlasses, die senkrecht zu einer Flussrichtung des Messgases in dem Gaseinlass ist, erhalten wird, als S1 definiert ist, eine Distanz zwischen dem Gaseinlass und der Sensorzelle als L2 definiert ist, und eine Schnittfläche des Innenhohlraums, die senkrecht zu einer Richtung, in der die Pumpenzelle und die Sensorzelle miteinander ausgerichtet sind, erhalten wird, als S2 definiert ist, wird eine Beziehung von 1000 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 erfüllt.
Wirkung der Erfindung
Der vorhergehende Gassensor ist entworfen, um eine Beziehung 1000 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 zu haben, sodass eine Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sichergestellt ist.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben sich auf die Tatsache konzentriert, dass das Ansprechvermögen und die Messgenauigkeit stark von der Struktur des Gaseinlasses sowie von derselben des Innenhohlraums abhängen. Je größer (L1 / S1) ist, umso größer ist der Diffusionswiderstand in dem Gaseinlass. In dieser Beschreibung ist dementsprechend auf (L1 / S1) ferner für beschreibende Zwecke Bezug als ein erster Diffusionswiderstandsindikator genommen. Je größer der erste Diffusionswiderstandsindikator ist, umso niedriger ist eine Rate, mit der das Messgas in den Innenhohlraum eingeleitet wird. Dies resultiert in einer Verringerung des Ansprechvermögens, wobei jedoch aber die Messgenauigkeit verbessert wird, da sich die Menge von Sauerstoff, die die Pumpenzelle regeln muss, verringert.
Je größer (L2 / S2) ist, umso größer ist der Diffusionswiderstand, dem das Messgas, das in den Innenholraum eingeleitet wird, unterworfen ist, bis dasselbe die Sensorelektroden erreicht. In dieser Beschreibung ist dementsprechend auf (L2 / S2) für beschreibende Zwecke ferner als ein zweiter Diffusionswiderstandsindikator Bezug genommen. Je größer der zweite Diffusionswiderstandsindikator ist, umso länger ist die Zeit, die das Messgas, das in den Innenhohlraum eingeleitet wird, braucht, um die Sensorelektroden zu erreichen. Dies resultiert in einer Verringerung des Ansprechvermögens, wobei jedoch aber die Messgenauigkeit verbessert wird, da sich die Zeit, die für die Pumpenzelle erforderlich ist, um den Sauerstoff zu regeln, verringert.
Wie aus der vorhergehenden Erörterung offensichtlich ist, unterscheiden sich der erste Diffusionswiderstandsindikator und der zweite Diffusionswiderstandsindikator im Prinzip leicht voneinander, um das Ansprechvermögen und die Messgenauigkeit zu bewirken, sie sind jedoch gleich dahingehend, dass, je größer jeder der ersten und zweiten Diffusionswiderstandsindikatoren ist, umso niedriger das Ansprechvermögen ist, jedoch umso höher die Messgenauigkeit ist. Die Erfinder haben daher eine Beziehung eines Produkts des ersten Diffusionswiderstandsindikators und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators hinsichtlich sowohl des Ansprechvermögens als auch der Messgenauigkeit (siehe experimentelle Beispiele 1 und 2, die später beschrieben sind) überprüft und herausgefunden, dass die Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit durch Auswählen des Produkts des ersten Diffusionswiderstandsindikators und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators, das heißt von (L1 / S1) × (L2 / S2), um in einen Bereich von 1000 bis 5000 zu fallen, erzielt wird.
Wie im Vorhergehenden beschrieben ist, schafft die vorliegende Erfindung einen Gassensor, der fähig ist, die Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sicherzustellen.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht in einer axialen Richtung eines Gassensors bei dem Ausführungsbeispiel 1.
2 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie II-II in 1.
3 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie III-III in 1.
4 ist eine perspektivische erläuternde Ansicht eines Innenhohlraums und eines Gaseinlasses bei dem ersten Ausführungsbeispiel 1.
5 ist eine Diagrammansicht, die eine Beziehung zwischen einem Produkt P und einem Versatzstrom bei einem experimentellen Beispiel 1 darstellt.
6 ist eine Diagrammansicht, die eine Beziehung zwischen einem Produkt P und einer Ansprechzeit bei einem experimentellen Beispiel 2 darstellt.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Bei dem vorhergehenden Gassensor ist es ratsam, dass einer Beziehung 1250 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 2500 genügt wird. Dies stellt ein größeres Ausmaß einer Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sicher.
In dieser Beschreibung ist das Produkt des ersten Diffusionswiderstandsindikators und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators ferner durch P ausgedrückt. Es sei bemerkt, dass (L1 /S 1) × (L2 / S2) = P.
Der vorhergehende Gaseinlass kann aus einem porösen Körper hergestellt sein. In diesem Fall ist die Schnittfläche S1 durch ein Produkt einer Schnittfläche des porösen Körpers und einer Porosität des porösen Körpers definiert. Dies erleichtert eine Anpassung des Diffusionswiderstands in dem Gaseinlass. Die Anpassung von (L1 / S1) × (L2 / S2) ermöglicht, dass das Ansprechvermögen und die Messgenauigkeit genau gesteuert werden.
Es ist ratsam, dass der vorhergehende Innenhohlraum geformt ist, um eine Konfiguration zu haben, die von einer Region, in der der Innenhohlraum der Pumpenelektrode zugewandt ist, bis zu einer Region, in der der Innenhohlraum der Sensorelektrode zugewandt ist, einheitlich ist. Damit wird ein ruhiger bzw. glatter Lauf des Messgases, das in den Innenhohlraum eingeleitet wird, zu der Sensorelektrode erzielt, wodurch das Ansprechvermögen des Gassensors gesteigert wird.
In dem Fall, in dem sich eine Schnittfläche des Innenhohlraums, die senkrecht zu einer Richtung, in der die Pumpenzelle und die Sensorzelle miteinander ausgerichtet sind, erhalten wird, in der Richtung einer Ausrichtung der Pumpenzelle und der Sensorzelle ändert, ist eine minimale Schnittfläche des Innenhohlraums zwischen dem Gaseinlass und der Sensorzelle als die vorhergehende Schnittfläche S2 definiert. Die Abmessung L1 des Gaseinlasses ist eine Abmessung des Gaseinlasses in einer Richtung eines Flusses des Messgases in dem Gaseinlass. In dem Fall, in dem sich eine Schnittfläche des Gaseinlasses, die senkrecht zu einer Richtung, in der das Messgas in dem Gaseinlass fließt, erhalten wird, in der Richtung des Flusses des Messgases ändert, ist eine minimale Schnittfläche des Gaseinlasses als die vorhergehende Schnittfläche S1 definiert.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ausführungsbeispiel 1
Ein Ausführungsbeispiel des vorhergehenden Gassensors ist im Folgenden unter Verwendung von 1 bis 4 beschrieben.
Der Gassensor 1 dieses Ausführungsbeispiels, der in 1 und 2 dargestellt ist, weist einen Elektrolytfestkörper 5, der eine Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt, eine Sensorzelle 2, die eine Konzentration eines spezifizierten Gases, das in einem Messgas enthalten ist, misst, eine Pumpenzelle 3, die eine Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas regelt, einen Innenhohlraum 11, in den das Messgas eingeleitet wird, und einen Gaseinlass 17 auf, der gebildet ist, um gegenüber einem Fluss des Messgases, das in den Gassensor 1 (das heißt den Innenhohlraum 11) von außerhalb desselben eintritt, einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern.
Die Sensorzelle 2 wird durch einen Abschnitt des Sauerstoffionen leitenden Elektrolytfestkörpers 5 und ein Paar von Sensorelektroden 21 und 22, das auf dem Elektrolytfestkörper 5 angeordnet ist, erzeugt.
Die Pumpenzelle 3 wird durch einen Abschnitt des Elektrolytfestkörpers 5 und ein Paar von Pumpenelektroden 31 und 32, das auf dem Elektrolytfestkörper 5 angeordnet ist und konfiguriert ist, um die Konzentration des Sauerstoffs in dem Messgas zu regeln, erzeugt.
Der Innenhohlraum 11 ist der Sensorelektrode 21 und der Pumpenelektrode 31 zugewandt und hat das Messgas, das in denselben eingeleitet wird.
Der Gaseinlass 17 ist, wie im Vorhergehenden beschrieben ist, aufgebaut, sodass das Messgas durch den Gaseinlass 17 geht und in den Innenhohlraum 11 eintritt, und funktioniert als ein Diffusionswiderstand, um dem Messgas einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern.
Wenn eine Abmessung des Gaseinlasses 17 in einer Flussrichtung des Messgases in dem Gaseinlass 17, wie in 1 und 4 dargestellt ist, (mit anderen Worten die Distanz, über die das Messgas innerhalb des Gaseinlasses 17 läuft) als L1 definiert ist, ein Schnittfläche des Gaseinlasses 17, die in einer Richtung senkrecht zu der Flussrichtung des Messgases in dem Gaseinlass 17 erhalten wird, als S1 definiert ist, die Distanz zwischen dem Gaseinlass 17 und der Sensorzelle 2 in der Flussrichtung des Messgases als L2 definiert ist, und eine Schnittfläche des Innenhohlraums 11 in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung, in der die Pumpenzelle 3 und die Sensorzelle 2 ausgerichtet sind, als S2 definiert ist, sind L1, S1, L2 und S2 ausgewählt, um eine Beziehung 1000 ≤ (L1 /S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 zu erfüllen, und vorzugsweise eine Beziehung 1250 ≤ (L1 /S1) × (L2 / S2) ≤ 2500 zu erfüllen.
Der Gassensor 1 dieses Ausführungsbeispiels ist ein NOx-Sensor, der arbeitet, um eine Konzentration von Stickstoffoxid (NOx) zu messen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist genauer gesagt das Messgas ein Abgas von einer internen Verbrennungsmaschine bzw. einer Maschine mit interner Verbrennung von Fahrzeugen mit Eigenantrieb etc. Die gegebene Gaskomponente ist NOx.
Der Gassensor 1 ist, wie in 1 und 2 dargestellt ist, aus einem Stapel des Elektrolytfestkörpers 5, eines Abstandhalters 110 zum Bilden des Innenhohlraums 11, einer isolierenden Platte 12, die durch den Innenhohlraum 11 dem Elektrolytfestkörper 5 zugewandt ist, und eines Heizersubstrats 13, in dem ein Heizer 131 angeordnet ist, hergestellt. Der Elektrolytfestkörper 5 ist aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) hergestellt. Der Abstandhalter 110, die isolierende Platte 12 und das Heizersubstrat 13 sind jeweils aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt.
Eine Bezugsgaskammer 14, in die Luft, die ein Bezugsgas ist, eingeleitet wird, ist zwischen dem Heizersubstrat 13 und dem Elektrolytfestkörper 5 gebildet. Der Abstandhalter 110 hat, wie es deutlich in 1 und 3 dargestellt ist, ein vorderes Ende, in dem teilweise ein Ausschnitt funktionierend als der Gaseinlass 17 gebildet ist. Der Gaseinlass 17 ist mit anderen Worten in dem vorderen Ende des Gassensors 1 gebildet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein poröser Aluminiumoxidkörper in dem Gaseinlass 17 angeordnet, um für das Messgas einen gegebenen Diffusionswiderstand zu erzeugen. Der Gaseinlass 17 ist mit anderen Worten aus dem porösen Aluminiumoxidkörper hergestellt. Die im Vorhergehenden beschriebene Schnittfläche S1 ist daher durch Multiplizieren einer Schnittfläche S0 (siehe 4) des Gaseinlasses 17 (das heißt des porösen Körpers) mit einer Porosität des porösen Körpers gegeben. Die Schnittfläche S0 ist eine Schnittfläche des porösen Körpers, die in einer Richtung senkrecht zu der Flussrichtung des Messgases in dem Gaseinlass 17 erhalten wird. Die Porosität des porösen Körpers kann durch Schneiden des porösen Körpers, um einen flachen Teil zu haben, und Beobachten desselben unter Verwendung von beispielsweise einem SEM (= Scanning Electron Microscope = Rasterelektronenmikroskop) gemessen werden. Nachdem Gaseinschlüsse des porösen Körpers mit einem Harz einer niedrigen Viskosität imprägniert wurden, wird genauer gesagt der poröse Körper unter Verwendung eines Schneidegeräts geschnitten, um einen zu beobachtenden flachen Querschnitt freizulegen. Der Querschnitt wird anschließend geglättet und unter Verwendung des SEM beobachtet. Ein Flächenprozentsatz einer Anhäufung, die bei dem Querschnitt erscheint, wird mittels einer Bildverarbeitung berechnet. Ein Wert, der durch Subtrahieren eines solchen Flächenprozentsatzes von 100% abgeleitet wird, wird als die Porosität des porösen Körpers bestimmt. Der Gaseinlass 17 kann alternativ durch einen Hohlraum (ein Loch) ohne eine Verwendung des porösen Körpers erzeugt werden. In diesem Fall können eine Größe und eine Konfiguration eines solchen Hohlraums ausgewählt sein, um für das Messgas, das in den Innenhohlraum 11 fließt, einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern.
Der Innenhohlraum 11 ist, wie deutlich in 4 dargestellt ist, geformt, um eine Konfiguration zu haben, die von einer Region, in der derselbe der Pumpenelektrode 31 zugewandt ist, bis zu einer Region, in der derselbe der Sensorelektrode 21 zugewandt ist, einheitlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Innenhohlraum 11 die Gestalt eines rechtwinkligen Parallelepipeds und hat einen im Wesentlichen konstanten rechtwinkligen Querschnitt, der senkrecht zu der axialen Richtung X von dem vorderen Ende zu dem Basisende desselben erhalten wird.
Der Elektrolytfestkörper 5 hat, wie in 1 und 3 dargestellt ist, zwei Hauptoberflächen, die voneinander abgewandt sind. Die Pumpenelektrode 31 und die Sensorelektrode 21, die auf einer der Hauptoberflächen des Elektrolytfestkörpers 5 angeordnet sind, sind innerhalb des Innenhohlraums 11 angeordnet. Die Pumpenelektrode 32 und die Sensorelektrode 22, die an der anderen Hauptoberfläche des Elektrolytfestkörpers 5 gebildet sind, sind ähnlicherweise innerhalb der Bezugsgaskammer 14 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Pumpenelektrode 32 und die Sensorelektrode 22 eine einzelne gemeinsame Elektrode.
Der Gassensor 1 weist ferner, wie in 2 und 3 dargestellt ist, eine Überwachungszelle 4 auf, die arbeitet, um die Konzentration von Sauerstoff, der in dem Abgas (das heißt dem Messgas) enthalten ist, zu messen. Die Überwachungszelle 4 wird durch einen Abschnitt des Elektrolytfestkörpers 5 und ein Paar von Überwachungselektroden 41 und 42, das auf dem Elektrolytfestkörper 5 angeordnet ist, erzeugt. Die Überwachungselektrode 41 ist genauer gesagt zusätzlich zu der Pumpenelektrode 31 und der Sensorelektrode 21 innerhalb des Innenhohlraums 11 angeordnet. Die Überwachungselektrode 42 ist zusätzlich zu der Pumpenelektrode 32 und der Sensorelektrode 22 innerhalb der Bezugsgaskammer 14 angeordnet. Die Überwachungselektrode 42 bildet zusammen mit der Pumpenelektrode 32 und der Sensorelektrode 22 eine einzelne gemeinsame Elektrode.
Die Richtung, in der die Sensorzelle 2 und die Überwachungszelle 4 miteinander ausgerichtet sind, ist, wie in 3 dargestellt ist, senkrecht zu der Richtung, in der die Pumpenzelle 3 und die Sensorzelle 2 miteinander ausgerichtet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Richtung, in der die Pumpenzelle 3 und die Sensorzelle 2 miteinander ausgerichtet sind, die axiale Richtung X des Gassensors 1. Die Richtung, in der die Sensorzelle 2 und die Überwachungszelle 4 miteinander ausgerichtet sind, ist die Breitenrichtung Y, die sich zu sowohl der axialen Richtung X des Gassensors 1 als auch zu einer Stapelrichtung Z senkrecht erstreckt. Die Sensorzelle 2 und die Überwachungszelle 4 sind näher zu der Basisendseite angeordnet, als es die Pumpenzelle 3 ist. Die Sensorzelle 2 und die Überwachungszelle 4 sind mit anderen Worten in der axialen Richtung X auf der zu dem Gaseinlass 17 gegenüberliegenden Seite der Pumpenzelle 3 angeordnet. Die Orte der Sensorzelle 2, der Pumpenzelle 3 und der Überwachungszelle 4 sind mit jenen der Sensorelektrode 21, der Pumpenelektrode 31 und der Überwachungselektrode 41 ausgerichtet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelektrode 21, die Überwachungselektrode 41 und die Pumpenelektrode 31, die dem Innenhohlraum 11 zugewandt sind, jeweils aus einer Legierung hergestellt, die zwei oder mehr Arten von metallischen Komponenten enthält. Die Sensorelektrode 21 ist genauer gesagt aus einer Legierung aus Pt (Platin) und Rh (Rhodium) hergestellt. Sowohl die Überwachungselektrode 41 als auch die Pumpenelektrode 31 sind aus einer Legierung aus Pt und Au (Gold) hergestellt. Die Sensorelektrode 21 arbeitet somit, um NOx- und Sauerstoffmoleküle zu zerlegen. Die Überwachungselektrode 41 und die Pumpenelektrode 31 arbeiten somit, um Sauerstoffmoleküle zu zerlegen, jedoch nicht NOx-Moleküle zu zerlegen.
Der Betrieb des Gassensors 1 ist im Folgenden beschrieben.
Das Messgas wird durch den Gaseinlass 17 in den Innenhohlraum 11 eingeleitet. Unter dieser Bedingung wird eine Spannung an die Pumpenelektroden 31 und 32 der Pumpenzelle 3 angelegt, sodass Sauerstoff des Abgases an der Pumpenelektrode 31, die dem Innenhohlraum 11 zugewandt ist, in Sauerstoffionen reduziert wird, die dann zu der Pumpenelektrode 32 gepumpt werden. Der Sauerstoff wird somit von dem Innenhohlraum 11 in die Bezugsgaskammer 14 abgesondert.
Das Anlegen einer gegebenen Spannung an die Überwachungselektroden 41 und 42 der Überwachungszelle 4 verursacht, dass Sauerstoff in dem Abgas an der Überwachungselektrode 41, die dem Innenhohlraum 11 zugewandt ist, in Sauerstoffionen reduziert wird, die dann zu der Überwachungselektrode 42 gepumpt werden. Der Strom, der durch die Überwachungszelle 4 fließt, hängt von der Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas ab.
Eine gegebene Spannung wird ferner an die Sensorelektroden 21 und 22 der Sensorzelle 2 angelegt. Dies verursacht, dass Sauerstoff und Stickstoffoxid, die in dem Abgas in dem Innenhohlraum 11 enthalten sind, an der Sensorelektrode 21 in Sauerstoffionen zerlegt werden, die dann zu der Sensorelektrode 22 gepumpt werden. Der Strom, der durch die Sensorzelle 2 fließt, hängt von Konzentrationen von Sauerstoff und Stickstoffoxid ab.
Auf die vorhergehende Weise arbeitet die Pumpenzelle 3, um die Konzentration von Sauerstoff in dem Innenhohlraum 11 zu halten, und um ferner ein Ausmaß eines Stroms, der durch die Sensorzelle 2 bzw. die Überwachungszelle 4 fließt, zu messen. Dies ermöglicht, dass durch einen Unterschied zwischen dem Stromwert, der durch die Sensorzelle 2 gemessen wird, und demselben, der durch die Überwachungszelle 4 gemessen wird, die Konzentration von Stickstoffoxid genau berechnet wird.
Der Betrieb und vorteilhafte Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels sind im Folgenden beschrieben.
Der Gassensor 1 ist entworfen, um eine Beziehung von 1000 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 zu haben, sodass eine Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sichergestellt ist.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben sich auf die Tatsache konzentriert, dass das Ansprechvermögen und die Messgenauigkeit stark von der Struktur des Gaseinlasses 17 sowie von derselben des Innenhohlraums 11 abhängen, und haben, wie bei experimentellen Beispielen, die später erläutert sind, angegeben ist, eine Beziehung des Produkts P des ersten Diffusionswiderstandsindikators (L1 /S1) und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators (L2 /S2) zu dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit untersucht. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit durch Einstellen des Produkts des ersten Diffusionswiderstandsindikators und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators, das heißt von (L1/S1) × (L2 /S2), auf 1000 bis 5000 erzielt wird, und dass die Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit durch Einstellen eines Werts von (L1 / S1) × (L2 / S2), um in einen Bereich von 1250 bis 2500 zu fallen, gesteigert werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Gaseinlass 17, wie es im Vorhergehen den beschrieben ist, aus dem porösen Körper hergestellt und hat die Schnittfläche S1, die durch ein Produkt der Schnittfläche S0 des Gaseinlasses 17 und der Porosität des porösen Körpers abgeleitet wird. Dies erleichtert eine Anpassung des Diffusionswiderstands, wie er in dem Gaseinlass 17 erzeugt wird. Die Auswahl von (L1 / S 1) × (L2 / S2) ermöglicht, dass das Ansprechvermögen und die Messgenauigkeit genau gesteuert werden.
Der Innenhohlraum 11 ist geformt, um eine Konfiguration zu haben, die von einer Region, in der derselbe der Pumpenelektrode 31 zugewandt ist, bis zu einer Region, in der derselbe der Sensorelektrode 21 zugewandt ist, einheitlich ist. Dies erzielt einen glatten Lauf des Messgases (das heißt Abgases), wie es in den Innenhohlraum 11 eingeleitet wird, zu der Sensorelektrode 21, wodurch das Ansprechvermögen des Gassensors 1 gesteigert wird.
Der Gassensor 1 ist mit der Überwachungszelle 4 ausgestattet, sodass die Genauigkeit beim Messen der Konzentration einer gegebenen Gaskomponente (das heißt NOx) verbessert wird. Die Richtung, in der die Sensorzelle 2 und die Überwachungszelle 4 miteinander ausgerichtet sind, ist senkrecht zu derselben, in der die Pumpenzelle 3 und die Sensorzelle 2 miteinander ausgerichtet sind, wodurch die Messgenauigkeit weiter verbessert wird.
Wie aus dieser Erörterung offensichtlich ist, ist dieses Ausführungsbeispiel fähig, den Gassensor zu liefern, der die Vereinbarkeit zwischen dem Ansprechvermögen und der Messgenauigkeit sicherstellt.
Experimentelles Beispiel 1
Bei diesem Beispiel wird eine Beziehung des Produkts P des ersten Diffusionswiderstandsindikators (L / S1) und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators (L2 / S2) zu der Messgenauigkeit des Gassensors überprüft.
Die Messgenauigkeit wird genauer gesagt unter Verwendung eines Werts eines Stroms, der durch die Sensorzelle 2 fließt, beurteilt. Ein Versatz- (engl.: offset) Strom ist ein Strom, der durch die Sensorzelle 2 fließt, wenn das Messgas kein NOx-Gas (das heißt die gegebene Gaskomponente) enthält. Je größer der Versatzstrom ist, umso stärker verschlechtert sich die Messgenauigkeit.
Es wird eine Mehrzahl von Gassensoren zur Verwendung bei dem experimentellen Beispiel 1 vorbereitet, die hinsichtlich der Struktur grundsätzlich identisch zu dem Gassensor 1 bei dem Ausführungsbeispiel 1 sind, jedoch geformt sind, um Werte des vorhergehenden Produkts P zu haben, die sich voneinander unterscheiden. Die sich unterscheidenden Werte des Produkts P werden genauer gesagt durch Ändern der Distanz L2 zwischen dem Basisende des Gaseinlasses 17 bis zu dem vorderen Ende der Sensorzelle 2 in dem Innenhohlraum 11 und der Schnittfläche S2 abgeleitet.
Es wird der Versatzstrom bei jedem der Gassensoren gemessen. Es werden genauer gesagt Gassensoren, die mit den jeweiligen Gassensoren ausgestattet sind, hergestellt und dieselben werden in einem Abgasrohr, in dem das Messgas fließt, eingebaut. Das Messgas, das bei diesem Experiment verwendet wird, enthält kein NOx, enthält jedoch 20% Sauerstoff.
Resultate der Messungen sind in 5 gezeigt. In der grafischen Darstellung von 5 stellen fünf Auftragungen gemessene Werte dar. Die Kurve M1 ist eine Näherungskurve, die entlang der gemessenen Werte abgeleitet wird. Die grafische Darstellung zeigt, dass, je größer das Produkt P ist, umso kleiner der Versatzstrom ist, wobei, wenn P ≥ 1000, der Versatzstrom niedriger als oder gleich 0,1 µA sein wird, und wenn P ≥ 1250, der Versatzstrom niedriger als oder gleich 0,05 µA sein wird. Die Messresultate zeigen, dass sich der Versatzstrom durch Erhöhen des Produkts P verringert, wodurch die Messgenauigkeit der Gassensoren verbessert wird, wobei ein gewünschtes Ausmaß der Messgenauigkeit der Gassensoren durch Erfüllen einer Beziehung P ≥ 1000 abgeleitet wird, und eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit der Gassensoren durch Erfüllen einer Beziehung P ≥ 1250 abgeleitet wird.
Experimentelles Beispiel 2
Bei diesem Beispiel wird eine Beziehung des Produkts P des ersten Diffusionswiderstandsindikators (L1 / S1) und des zweiten Diffusionswiderstandsindikators (L2 /S2) zu dem Ansprechvermögen des Gassensors überprüft.
Die Messgenauigkeit wird genauer gesagt unter Verwendung eines Werts eines Stroms, der durch die Sensorzelle 2 fließt, beurteilt. Ein Versatzstrom ist ein Strom, der durch die Sensorzelle 2 fließt, wenn das Messgas kein NOx-Gas (das heißt die gegebene Gaskomponente) enthält. Je größer der Versatzstrom ist, umso stärker verschlechtert sich die Messgenauigkeit.
Die Beurteilung des Ansprechvermögens wird durch Messen einer Zeit, die dafür erforderlich ist, dass die Gassensoren auf Stickstoffoxid ansprechen, vorgenommen. Es wird eine Mehrzahl von Gassensoren zur Verwendung bei dem experimentellen Beispiel 2 vorbereitet, die hinsichtlich der Struktur zu dem Gassensor 1 bei dem Ausführungsbeispiel 1 grundsätzlich identisch sind, jedoch geformt sind, um Werte des vorhergehenden Produkts P, die sich voneinander unterscheiden, zu haben.
Es wird die Ansprechzeit jedes der Gassensoren gemessen. Es werden genauer gesagt Gassensoren hergestellt, die mit den jeweiligen Gassensoren ausgestattet sind, und dieselben werden in einem Abgasrohr, in dem das Messgas mit einer Geschwindigkeit von 12 m/s fließt, eingebaut. Es wird eine Ausgabe von dem Gassensor gemessen und die Konzentration von NOx zu einem bestimmten Zeitpunkt stark geändert. Ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem sich die Konzentration des NOx ändert, und dem Zeitpunkt, zu dem sich die Ausgabe des Gassensors ändert, wird als die Ansprechzeit gemessen.
Resultate der Messung sind in 6 gezeigt. In der grafischen Darstellung von 6 stellen fünf Auftragungen gemessene Werte dar. Die Kurve M2 ist eine Näherungskurve, die entlang der gemessenen Werte abgeleitet wird. Die grafische Darstellung zeigt, dass, je kleiner das Produkt P ist, umso kürzer die Ansprechzeit ist, wobei, wenn P ≤ 5000, die Ansprechzeit niedriger als oder gleich 0,5 s sein wird, und wenn P ≤ 2500, die Ansprechzeit niedriger als oder gleich 0,3 s sein wird. Die Messresultate zeigen, dass die Ansprechzeit durch Verringern des Produkts P verkürzt wird, wodurch die Messgenauigkeit der Gassensoren verbessert wird, wobei ein gewünschter Wert der Ansprechzeit der Gassensoren durch Erfüllen einer Beziehung P ≤ 5000 erlangt wird, und ein weiteres Verkürzen der Ansprechzeit der Gassensoren durch Erfüllen einer Beziehung P ≤ 2500 abgeleitet wird.
Der Gassensor 1 dieses Ausführungsbeispiels kann auf verschiedene Weisen modifiziert sein.
Das Ausführungsbeispiel 1 zeigt beispielsweise ein Beispiel, bei dem der Gaseinlass 17 aus dem porösen Körper hergestellt ist, der Gaseinlass 17 kann jedoch aber alternativ geformt sein, um eine Schnittfläche zu haben, die sich senkrecht zu der Richtung erstreckt, in die das Messgas fließt, und die kleiner als dieselbe des Innenhohlraums 11 ohne eine Verwendung des porösen Körpers ist. Das Ausführungsbeispiel 1 zeigt ferner ein Beispiel, bei dem sich der Gaseinlass 17 zu dem oberen Ende des Gassensors 1 näher befindet als es der Innenhohlraum 11 ist, wobei jedoch aber der Gaseinlass 17 alternativ an einem Ort angeordnet sein kann, an dem derselbe mit dem Innenhohlraum 11 in der Stapelrichtung Z (das heißt der Dickenrichtung) oder in der Breitenrichtung Y kommuniziert. In einem solchen Fall ist die Abmessung L1 eine Abmessung des Gaseinlasses 17 in der Stapelrichtung (das heißt der Dickenrichtung) oder der Breitenrichtung Y. Die Abmessung L1 ist mit anderen Worten eine Abmessung des Gaseinlasses 17 in der Flussrichtung des Gases.

Claims

Gassensor (1) mit: einer Sensorzelle (2), die aus einem ersten Abschnitt eines Sauerstoffionen leitenden Elektrolytfestkörpers (5) und einem Paar von Sensorelektroden (21, 22), das auf dem Elektrolytfestkörper (5) angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Sensorzelle arbeitet, um eine Konzentration einer gegebenen Gaskomponente in einem Messgas zu messen; wobei der Gassensor (1) einen einzigen Elektrolytfestkörper (5) aufweist; einer Pumpenzelle (3), die aus einem zweiten Abschnitt des Elektrolytfestkörpers und einem Paar von Pumpenelektroden (31, 32), das auf dem Elektrolytfestkörper (5) angeordnet ist, zusammengesetzt ist, wobei die Pumpenzelle arbeitet, um eine Konzentration von Sauerstoff in dem Messgas zu regeln; einem Innenhohlraum (11), der einer (21) der Sensorelektroden und einer (31) der Pumpenelektroden zugewandt ist, und in den das Messgas eingeleitet wird; und einem Diffusionswiderstand (17), durch den das Messgas in den Innenhohlraum (11) eingeleitet wird, und der geformt ist, um gegenüber dem Messgas, das in den Innenhohlraum (11) eingeleitet wird, einen gegebenen Diffusionswiderstand zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass wenn eine Abmessung des Diffusionswiderstands (17) in einer Richtung, in der das Messgas in dem Diffusionswiderstand (17) fließt, als L1 definiert ist, eine Schnittfläche des Diffusionswiderstands (17), die senkrecht zu der Flussrichtung des Messgases in dem Diffusionswiderstand (17) erhalten wird, als S1 definiert ist, eine Distanz zwischen dem Diffusionswiderstand (17) und der Sensorzelle (2) als L2 definiert ist, und eine Schnittfläche des Innenhohlraums (11), die senkrecht zu einer Richtung, in der die Pumpenzelle (3) und die Sensorzelle (2) miteinander ausgerichtet sind, erhalten wird, als S2 definiert ist, eine Beziehung 1000 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 5000 erfüllt ist, der Diffusionswiderstand (17) aus einem porösen Körper hergestellt ist, und die Schnittfläche S1 ein Wert ist, der aus einem Produkt einer Schnittfläche (S0) des porösen Körpers, die senkrecht zu einer Längsrichtung des Diffusionswiderstands (17) erhalten wird, und einer Porosität des porösen Körpers abgeleitet ist, und der Innenhohlraum (11) geformt ist, um eine Konfiguration zu haben, die von einer Region, in der der Innenhohlraum der Pumpenelektrode (31) zugewandt ist, bis zu einer Region, in der der Innenhohlraum der Sensorelektrode (21) zugewandt ist, einheitlich ist, wobei L1 und L2 in [mm] und S1 und S2 in [mm²] bestimmt sind, eine Richtung, in der die Sensorzelle (2) und eine Überwachungszelle (4) miteinander ausgerichtet sind, senkrecht zu einer Richtung ist, in der die Pumpzelle (3) und die Sensorzelle (2) miteinander ausgerichtet sind.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beziehung 1250 ≤ (L1 / S1) × (L2 / S2) ≤ 2500 erfüllt ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungszelle (4) aus einem Teil des Festelektrolytkörpers (5) und einem Paar Überwachungselektroden (41, 42) besteht, die auf dem Festelektrolytkörper (5) angeordnet sind, und zur Messung einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgas dient.