DE112017004028T5

DE112017004028T5 - Gassensor

Info

Publication number: DE112017004028T5
Application number: DE112017004028.0T
Authority: DE
Inventors: Yuki NAKAYAMA; Noriko Hirata; Taku Okamoto; Kosuke MONNA
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-05-02
Also published as: JP6849685B2; US10845327B2; WO2018030369A1; CN109564184B; JPWO2018030369A1; US20190154628A1; CN109564184A

Abstract

Ein Gassensor vom Mischpotenzialtyp, der in der Lage ist, den Einfluss von Sauerstoff hervorragend zu beseitigen, um eine Konzentration einer Detektionsgaskomponente ohne komplizierte Konfiguration hochgenau zu erhalten, wird erzielt. Ein Sensorelement beinhaltet: eine Messzelle mit einer Messelektrode und einer Bezugselektrode; eine Sauerstoffpumpzelle, die konfiguriert ist, um Sauerstoff in einem Innenraum abzupumpen, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen einer innenseitigen Pumpelektrode, die dem Innenraum zugewandt ausgebildet ist, und einer außenseitigen Pumpelektrode, die auf einer Außenfläche des Sensorelements ausgebildet ist, angelegt wird; und eine Heizvorrichtung, die in der Lage ist, die Messzelle und die Sauerstoffpumpzelle zu erhitzen. Die Konzentration einer Messzielgaskomponente im Messgas wird basierend auf einem Sensorausgang, der an der Messzelle erzeugt wird, und einem Pumpstrom an der Sauerstoffpumpzelle angegeben, während die Heizvorrichtung die Messzelle auf eine erste Erwärmungstemperatur von 400°C bis 600°C erwärmt und die Sauerstoffpumpzelle auf eine zweite Erwärmungstemperatur von 580°C bis 850°C in einem Temperaturbereich erwärmt, der gemäß einem Diffusionswiderstand bestimmt wird, der dem Messgas durch ein Gaseinleitungsteil zugeführt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der konfiguriert ist, um eine Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente, wie Kohlenwasserstoffgas, zu bestimmen, die im Messgas, wie Abgas aus beispielsweise einem Dieselmotor, vorhanden ist.
Technischer Hintergrund
Gassensoren, die konfiguriert sind, um eine vorbestimmte Gaskomponente (Detektionsgaskomponente) in Messgas zu erfassen und deren Konzentration zu bestimmen, stehen als verschiedene Systemarten zur Verfügung. So sind beispielsweise ein Mischpotenzialtyp-Gassensor und ein Stromdetektionstyp (Grenzstromarttyp) -Gassensor bereits öffentlich bekannt (siehe z.B. Patentdokumente 1 bis 3).
Das Patentdokument 1 offenbart ein Sensorelement, das einen Mischpotenzialtyp-Gassensor bereitstellt und erste und zweite Innenräume, einen Bezugsgaseinleitungsraum, eine Messelektrode im zweiten Innenraum, eine Bezugselektrode im Bezugsgaseinleitungsraum, eine erste Gaseinführungsöffnung, die mit einem Außenraum kommuniziert, in dem Messgas existiert und mit dem ersten Innenraum über ein vorbestimmtes Diffusionssteuerteil kommuniziert, und eine zweite Gaseinführungsöffnung, über die der zweite Innenraum direkt mit dem Außenraum kommuniziert. Im Sensorelement erfüllt das Verhältnis D2/D1 eines Wertes D2 des Diffusionswiderstandes des Messgases zwischen der zweiten Gaseintrittsöffnung und der Messelektrode relativ zu einem Wert D1 des Diffusionswiderstandes des Messgases zwischen der ersten Gaseintrittsöffnung und der Messelektrode einen vorbestimmten Bereich, so dass der Gaseintritt in den zweiten Innenraum durch die erste Gaseintrittsöffnung und den ersten Innenraum gegenüber jenem direkt durch die zweite Gaseintrittsöffnung dominant ist.
Das Patentdokument 2 offenbart einen Gassensor mit einem Sensorelement, das als NOx-Sensor verwendbar ist, sowie einen Kohlenwasserstoff (HC)-Sensor, der umfasst: eine erste Messgaskammer mit einer katalytisch inaktiven ersten Innenelektrode und einer katalytisch aktiven zweiten Innenelektrode, die mit Messgas in Kontakt stehen; eine zweite Messgaskammer, die von der ersten Messgaskammer durch eine sauerstoffionendurchlässige Schicht getrennt ist; einen Bezugskanal, in den atmosphärische Luft eingeleitet wird; und einen Verbindungskanal, der die erste Messgaskammer und die zweite Messgaskammer mit der sauerstoffionendurchlässigen Schicht verbindet. Bei Verwendung als HC-Sensor fungiert der Gassensor als Mischpotenzialtyp-Gassensor.
Das Patentdokument 3 offenbart einen Gassensor (Detektor für die Konzentration von brennbarem Material), der durch Stapeln von Festelektrolytschichten aufgebaut ist, einschließlich: eines ersten Hohlraumteils, der eine erste Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle beinhaltet, in der eine Festelektrolytschicht aus einem sauerstoffionenleitenden Dünnplattenkörper zwischen porösen Elektroden sandwichartig angeordnet ist; eines zweiten Hohlraumteils, der eine zweite Sauerstoffpumpzelle beinhaltet, in der eine Festelektrolytschicht aus einem sauerstoffionenleitenden Dünnplattenkörper zwischen porösen Elektroden sandwichartig angeordnet ist; eines ersten Diffusionswegs, durch den der erste Hohlraumteil mit einer Messgasseite verbunden ist, und eines zweiten Diffusionswegs, durch den der erste Hohlraumteil mit dem zweiten Hohlraumteil verbunden ist.
Im Mischpotenzialtyp-Sensor, wie in Patentschrift 1 offenbart, kann die Konzentration einer Messzielgaskomponente in Messgas basierend auf der Abhängigkeit einer Potenzialdifferenz (Sensorausgang) zwischen Messelektrode und Bezugselektrode von der Konzentration der Messzielgaskomponente bestimmt werden. Es ist jedoch bekannt, dass die Potenzialdifferenz typischerweise eine große Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas aufweist. Daher muss der Einfluss der Sauerstoffkonzentration auf den Sensorausgang berücksichtigt werden, um die Konzentration der Messzielgaskomponente genau zu bestimmen.
In dem in Patentdokument 1 offenbarten Gassensor ist das Sensorelement so konfiguriert, dass das Verhältnis D2/D1 des Wertes D2 des Diffusionswiderstandes des Messgases zwischen der zweiten Gaseintrittsöffnung und der Messelektrode bezogen auf den Wert D1 des Diffusionswiderstandes des Messgases zwischen der ersten Gaseintrittsöffnung und der Messelektrode den vorbestimmten Bereich erfüllt, und Sauerstoff durch eine Sauerstoffpumpe in oder aus dem ersten Innenraum gepumpt wird, um die Sauerstoffkonzentration im zweiten Innenraum, in dem die Messelektrode existiert, konstant zu halten. Dementsprechend wird der Sensorausgang als ein Wert erhalten, der nicht von der Sauerstoffkonzentration beeinflusst wird.
Der in Patentdokument 1 offenbarte Gassensor hat kein Problem mit der genauen Bestimmung der Konzentration einer Messzielgaskomponente, hat aber in einigen Fällen Nachteile in Bezug auf Kosten und Produktivität, da das Verfahren der Bereitstellung der zweiten Gaseintrittsöffnung unerlässlich ist. Darüber hinaus gibt es einige Fälle, in denen die Anforderung an das Diffusionswiderstandsverhältnis D2/D1 zu einer Einschränkung hinsichtlich der Gestaltung wird.
Wenn der im Patentdokument 2 offenbarte Gassensor als Mischpotenzialtyp-HC-Sensor verwendet wird, kann die Potenzialdifferenz (Differenzwert) entsprechend der HC-Konzentration durch Erhöhen der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer durch einen Pumpenbetrieb und Subtrahieren der Potenzialdifferenz zwischen der Bezugselektrode bereitgestellt im Bezugsgaskanal und der zweiten Innenelektrode, der Potenzialdifferenz zwischen der Bezugselektrode und der ersten Innenelektrode entsprechend der Sauerstoffkonzentration in der ersten Messgaskammer erhalten werden.
Typischerweise haben eine Sauerstoffpumpzelle und eine Mischpotenzialtyp-Messelektrodenzelle unterschiedliche Zelltemperaturen, die für den Antrieb geeignet sind. Im Patentdokument 2 wird jedoch die Temperatur jeder Elektrode durch eine Heizvorrichtung, die dem Sensorelement bereitgestellt wird, im Wesentlichen gleich gehalten und es wird beschrieben, dass sie nicht individuell angepasst werden muss. In einem solchen Aspekt ist es schwierig, die Zellen gleichzeitig entsprechend anzutreiben. Darüber hinaus weist das im Patentdokument 2 offenbarte Sensorelement eine vertikale Struktur auf, in der die Zellen auf der Heizvorrichtung gestapelt sind, und in einem solchen Element ist es schwierig, die Temperatur jeder Zelle so einzustellen, dass sie für die Zelle geeignet ist.
Das Patentdokument 3, in dem ein Stromdetektionstyp-Gassensor offenbart ist, offenbart auch einen Aspekt, in dem der Einfluss der Sauerstoffkonzentration im Messgas auf einen erfassten Wert der Konzentration an brennbarem Material basierend auf Daten korrigiert wird, die durch vorherige Messung unter Verwendung von Standardgas gewonnen wurden, in dem die Konzentration an Sauerstoff und die Konzentration an brennbarem Material unterschiedlich und bekannt sind. Es ist jedoch noch kein Aspekt bekannt, bei dem die Messgenauigkeit durch Korrektur der Sensorausgabe unter Berücksichtigung des Einflusses der Sauerstoffkonzentration in einem Mischpotenzialtyp-Gassensor erhöht wird.
Dokumente des Standes der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 2016-50846
Patentdokument 2: Japanische Übersetzung der Internationalen PCT-Anmeldung Veröffentlichung Nr. 2002-540400
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 10-19843 (1998)

Kurzdarstellung
Die vorliegende Erfindung soll das vorstehend beschriebene Problem lösen und einen Mischpotenzialtyp-Gassensor erreichen, der in der Lage ist, den Einfluss von Sauerstoff in Messgas hervorragend zu beseitigen, um die Konzentration einer Detektionsgaskomponente ohne komplizierte Konfiguration genau zu bestimmen.
Um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, wird ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung auf einen Mischpotenzialtyp-Gassensor gerichtet, der ein Sensorelement beinhaltet, das aus einem Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit gebildet und konfiguriert ist, um eine Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in Messgas zu messen, in dem das Sensorelement beinhaltet: einen Innenraum, der mit einem Außenraum durch ein Gaseinführungsteil verbunden ist, das auf einer führenden Endteilseite vorgesehen ist und in das das Messgas aus dem Außenraum eingeleitet wird; eine Messelektrode, die an einem Teil des Sensorelements vorgesehen ist, wobei die Messelektrode mit dem Messgas kontaktierbar ist; einen Bezugsgaseinleitungsraum, in den Bezugsgas eingeleitet wird; eine Bezugselektrode, die im Bezugsgaseinleitungsraum vorgesehen ist; eine Messzelle, die die Messelektrode und die Bezugselektrode beinhaltet; eine Sauerstoffpumpzelle, die eine innenseitige Pumpelektrode, die dem Innenraum zugewandt ausgebildet ist, eine außenseitige Pumpelektrode, die auf einer Außenfläche des Sensorelements gebildet ist, und den Festelektrolyt zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode enthält und konfiguriert ist, um Sauerstoff im Innenraum abzupumpen, wenn eine vorbestimmte Sauerstoffpumpspannung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode angelegt ist; und eine Heizvorrichtung, die in der Lage ist, mindestens die Messzelle und die Sauerstoffpumpzelle zu erwärmen, wobei der Gassensor weiterhin beinhaltet: eine Sauerstoffpumpstromquelle, die konfiguriert ist, um die vorbestimmte Sauerstoffpumpspannung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode anzulegen; und Konzentrationsspezifikationsmittel, die konfiguriert sind, um die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas zu spezifizieren, und während das Messgas mit der Messelektrode in Kontakt steht und in den Innenraum eingeführt wird, die Heizvorrichtung die Messzelle auf eine erste Erwärmungstemperatur von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger erwärmt und die Sauerstoffpumpzelle auf eine zweite Erwärmungstemperatur von 580°C oder höher und 850°C oder niedriger in einem Temperaturbereich erwärmt, der gemäß einem Diffusionswiderstand bestimmt wird, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil bereitgestellt wird, und die Sauerstoffpumpzelle Sauerstoff in dem Messgas im Innenraum herauspumpt, das Konzentrationsspezifikationsmittel die Konzentration einer Messzielgaskomponente in dem Messgas spezifiziert, basierend auf: einem Sensorausgangswert als Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode gemäß der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente im Messgas; und der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die basierend auf einer Größe eines Pumpstroms, der zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode fließt, wenn Sauerstoff im Messgas im Innenraum durch die Sauerstoffpumpzelle abgepumpt wird, spezifiziert ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind im Gassensor gemäß dem ersten Aspekt die Sauerstoffpumpzelle und die Heizvorrichtung in einer Dickenrichtung des Sensorelements gestapelt, die Heizvorrichtung erstreckt sich in einer Längsrichtung des Sensorelements und die Messzelle ist an einer Position angeordnet, an der die Heizvorrichtung in der Längsrichtung vorhanden ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind im Gassensor gemäß dem ersten Aspekt die Sauerstoffpumpzelle und die Heizvorrichtung in einer Dickenrichtung des Sensorelements gestapelt, die Heizvorrichtung erstreckt sich in einer Längsrichtung des Sensorelements und die Messzelle ist an einer Position angeordnet, an der die Heizvorrichtung nicht in der Längsrichtung vorhanden ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet im Gassensor gemäß einem der ersten bis dritten Aspekte das Gaseinführungsteil ein Diffusionssteuerteil.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt im Gassensor gemäß einem der ersten bis vierten Aspekte der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil bereitgestellt wird, 500 cm^-1 oder mehr und 900 cm^-1 oder weniger.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im Gassensor gemäß dem fünften Aspekt die zweite Erwärmungstemperatur 580°C oder höher und 700°C oder niedriger.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im Gassensor gemäß einem der ersten bis sechsten Aspekte die erste Erwärmungstemperatur 500°C oder höher und 550°C oder niedriger.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im Gassensor gemäß einem der ersten bis siebten Aspekte die Messelektrode auf einer Vorderfläche des Sensorelements vorgesehen.
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Sensorelement im Gassensor gemäß einem der ersten bis siebten Aspekte weiterhin einen zweiten Innenraum, der mit einem Außenraum über eine Gaseintrittsöffnung, die an einer Vorderfläche des Sensorelements vorgesehen ist, verbunden und in die das Messgas aus dem Außenraum eingeleitet wird, und die Messelektrode im zweiten Innenraum vorgesehen ist.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem ersten bis neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung können ein Sensorausgang an der Messzelle und ein Pumpstrom als Ausgang entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die an der Sauerstoffpumpzelle erhalten wird, gleichzeitig parallel mit dem einzelnen Sensorelement erfasst werden, und damit kann die Konzentration einer Detektionsgaskomponente im Messgas genau bestimmt werden, indem eine Korrektur basierend auf dem Wert des Pumpstroms durchgeführt wird, wenn die Variation der Sauerstoffkonzentration im Messgas bei der Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas basierend auf dem Sensorausgang auftritt. Dementsprechend kann der Einfluss von Sauerstoff im Messgas hervorragend entfernt werden, um so die Konzentration der Detektionsgaskomponente genau zu bestimmen.
Insbesondere gemäß den fünften und sechsten Erfindungen der vorliegenden Erfindung kann die zweite Erwärmungstemperatur gesenkt werden, um eine thermische Belastung des Sensorelements zu vermindern, was zu einer Verbesserung der Haltbarkeit des Sensorelements und damit einer längeren Lebensdauer des Sensorelements führt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100A darstellt.
2 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100B darstellt.
3 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100C darstellt.
4 ist ein Diagramm, das exemplarisch verschiedene Arten von Konfigurationen für ein Gaseinführungsteil 40 darstellt.
5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Sensorelements 101 darstellt.
6 ist ein Diagramm, das exemplarisch eine Empfindlichkeitscharakteristik einer Messzelle Cs darstellt.
7 ist ein Diagramm, das exemplarisch die Abhängigkeit einer Sensorausgang-EMF von der Sauerstoffkonzentration im Messgas darstellt.
8 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Einflusses der Differenz im Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 auf die Pumpleistung einer Sauerstoffpumpzelle Cp.
9 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Einflusses der Differenz im Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 auf die Pumpleistung der Sauerstoffpumpzelle Cp.
10 ist ein charakteristisches Diagramm eines Gassensors 100.
11 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100D gemäß einer Modifizierung darstellt.
12 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100E gemäß einer Modifizierung darstellt.
13 ist ein Diagramm, das einen Gassensor 100F gemäß einer Modifizierung darstellt.

Beschreibung der Ausführungsform
<Konfiguration des Gassensors>
Die 1 bis 3 sind jeweils ein Diagramm, das einen Gassensor 100 (100A bis 100C) als exemplarischen Gassensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Der Gassensor 100 (100A bis 100C) beinhaltet hauptsächlich ein Sensorelement 101 (101A bis 101C) und eine Steuerung 140, die zum Steuern des Betriebs des Gassensors 100 einschließlich des Sensorelements 101 konfiguriert ist.
Der Gassensor 100 ist ein so genannter Mischpotenzialtyp-Gassensor. Im Allgemeinen bestimmt der Gassensor 100 die Konzentration einer Zielgaskomponente in Messgas unter Verwendung einer Potenzialdifferenz, die nach dem Prinzip des Mischpotenzials durch eine Differenz in der Konzentration einer Gaskomponente als Messziel zwischen der Nähe einer Messelektrode 10 bereitgestellt auf einer Vorderfläche des Sensorelements 101, hauptsächlich aus Keramik wie Zirkoniumdioxid (ZrO₂) als sauerstoffionenleitfähiger Festelektrolyt und der Nähe einer Bezugselektrode 20 bereitgestellt innerhalb des Sensorelements 101 verursacht wird.
Genauer gesagt, wird der Gassensor 100 verwendet, um die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente (Detektionsgaskomponente) in Messgas, d.h. Abgas in einem Abgasrohr einer inneren Verbrennung, wie beispielsweise einem Dieselmotor oder einem Benzinmotor, ausreichend zu bestimmen. In einem Fall, dass die Detektionsgaskomponente unverbranntes Kohlenwasserstoffgas im Abgas ist, enthält das unverbrannte Kohlenwasserstoffgas neben dem typischen Kohlenwasserstoffgas (klassifiziert als Kohlenwasserstoff basierend auf einer chemischen Formel) von C₂H₄, C₃H₆, n-C₈ und dergleichen Kohlenmonoxid (CO). Eine andere Art von Gas kann jedoch ein Messziel sein. In diesem Fall wird die Steuerung des Gassensors 100 durch die Steuerung 140 basierend auf einer Steueranweisung einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 150 durchgeführt, die konfiguriert ist, um die gesamte Verbrennung zu steuern.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Sensorelemente 101 (101A bis 101C) haben jeweils eine längliche Plattenform oder eine Stabform und beinhalten neben der vorstehend beschriebenen Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20 vor allem einen Bezugsgaseinleitungsraum 30, ein Gaseinführungsteil 40, einen Innenraum 50, eine innenseitige Pumpelektrode 60 und eine außenseitige Pumpelektrode 70. Einige Komponenten sind jedoch zwischen den Sensorelementen 101A bis 101C unterschiedlich angeordnet. Dies wird später ausführlich beschrieben.
Das Sensorelement 101 weist eine Struktur auf, in der sechs Schichten einer ersten Festelektrolytschicht 1, einer zweiten Festelektrolytschicht 2, einer dritten Festelektrolytschicht 3, einer vierten Festelektrolytschicht 4, einer fünften Festelektrolytschicht 5 und einer sechsten Festelektrolytschicht 6, die aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt bestehen, in der angegebenen Reihenfolge von unten in den Zeichnungen laminiert sind, und beinhaltet zusätzlich weitere Komponenten, die hauptsächlich zwischen den Schichten oder auf einer äußeren Umfangsfläche des Elements liegen. Das feste elektrische Feldmaterial, aus dem die sechs Schichten bestehen, ist vollständig luftdicht. Das Sensorelement 101 wird hergestellt, indem beispielsweise die vorbestimmte Verarbeitung und der Elektroden- und Schaltungsmusterdruck auf eine jeder Schicht entsprechende Keramik-Grünplatte durchgeführt, die Keramik-Grünplatten gestapelt und die Keramik-Grünplatten durch Brennen integriert werden.
Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass der Gassensor 100 das Sensorelement 101 als einen solchen sechsschichtigen laminierten Körper beinhaltet. Das Sensorelement 101 kann als laminierter Körper mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Schichten ausgebildet sein oder keine laminierte Struktur aufweisen.
Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung in den Zeichnungen eine Oberfläche, die über der sechsten Festelektrolytschicht 6 positioniert ist, als Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 bezeichnet, und eine Oberfläche, die unter der ersten Festelektrolytschicht 1 positioniert ist, als Rückfläche Sb des Sensorelements 101 bezeichnet. Wenn die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas mit dem Gassensor 100 bestimmt werden soll, wird ein vorbestimmter Bereich, der sich von einem führenden Endteil E1 als ein Endteil des Sensorelements 101 erstreckt und mindestens die Messelektrode 10 beinhaltet, in einer Messgasatmosphäre angeordnet und der verbleibende Teil einschließlich eines Basisendteils E2 als das andere Endteil steht nicht in Kontakt mit der Messgasatmosphäre.
Im Sensorelement 101 besteht eine Messzelle Cs als Mischpotenzialzelle aus der Messelektrode 10, der Bezugselektrode 20 und dem Festelektrolyt zwischen den Elektroden.
Die Messelektrode 10 ist eine Elektrode zum Erfassen des Messgases. Die Messelektrode 10 ist als poröse Cermet-Elektrode aus Pt mit Au im vorbestimmten Verhältnis, also einer Pt-Au-Legierung, und Zirkoniumdioxid ausgebildet. Die Messelektrode 10 befindet sich auf der Vorderfläche Sa des Sensorelements 101. Die spezifische Layoutposition der Messelektrode 10 in der Längsrichtung (im Folgenden als Element Längsrichtung bezeichnet) des Sensorelements 101 als rechte und linke Richtung in den Zeichnungen unterscheidet sich jedoch zwischen den Sensorelementen 101A bis 101C. Dies entspricht der Layoutposition der Messzelle Cs, die unterschiedlich eingestellt ist. Die Layoutposition der Messzelle Cs wird später ausführlich beschrieben. Die Messelektrode 10 ist in der Draufsicht in einer im Wesentlichen rechteckigen Form ausgebildet. Bei Verwendung ist der Gassensor 100 so angeordnet, dass ein Teil des Sensorelements 101 bis mindestens zu einem Teil, in dem die Messelektrode 10 bereitgestellt wird, im Messgas freigelegt wird.
Die katalytische Aktivität der Messelektrode 10 für die Detektionsgaskomponente wird in einem vorbestimmten Konzentrationsbereich durch richtiges Bestimmen der Zusammensetzung der Pt-Au-Legierung als Material der Messelektrode 10 deaktiviert. Das heißt, die Zersetzungsreaktion der Detektionsgaskomponente an der Messelektrode 10 wird unterdrückt. Dementsprechend variiert im Gassensor 100 das Potenzial der Messelektrode 10 selektiv für die Detektionsgaskomponente entsprechend (in Korrelation mit) der Konzentration der Detektionsgaskomponente. Mit anderen Worten, die Messelektrode 10 weist eine solche Eigenschaft auf, dass ihr Potenzial eine hohe Konzentrationsabhängigkeit von der Detektionsgaskomponente in einem vorbestimmten Konzentrationsbereich aufweist, aber eine geringe Konzentrationsabhängigkeit von jeder anderen Komponente des Messgases.
Wenn beispielsweise die Detektionsgaskomponente unverbranntes Kohlenwasserstoffgas im Abgas ist, ist die Messelektrode 10 so ausgebildet, dass sie ein Au-Überschussverhältnis von 0,3 bis 2,5 aufweist und somit eine signifikante potenzielle Konzentrationsabhängigkeit im unverbrannten Kohlenwasserstoffgaskonzentrationsbereich von etwa 0 ppmC bis etwa 4000 ppmC aufweist.
In der Beschreibung ist das Au-Überschussverhältnis das Flächenverhältnis eines von Au abgedeckten Teils zu einem Teil, bei dem Pt auf der Oberfläche eines in der Messelektrode 10 enthaltenen Edelmetallteilchens exponiert ist. In der Beschreibung wird das Au-Überschussverhältnis nach einem relativen Empfindlichkeitskoeffizientenverfahren berechnet, das auf den Peakintensitäten von Au und Pt bei Detektionspeaks basiert, die durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) erhalten werden können. Das Au-Überschussverhältnis ist 1, wenn die Fläche des Teils, an dem Pt exponiert ist, gleich der Fläche des Teils ist, der von Au abgedeckt wird.
Leitfähige Paste, die zur Herstellung der Messelektrode 10 durch Drucken verwendet wird, kann hergestellt werden, indem man Au-Ionen enthaltende Flüssigkeit als Au-Ausgangsrohstoff verwendet und die Au-Ionen enthaltende Flüssigkeit mit Pt-Pulver, Zirkoniumdioxidpulver und einem Bindemittel mischt. Jedes Bindemittel kann entsprechend ausgewählt werden, sofern es alle anderen Rohstoffe in einem für den Druck geeigneten Umfang dispergieren kann und durch Brennen ausgebrannt wird.
Die Au-Ionen enthaltende Flüssigkeit wird durch Lösen eines Salzes, das ein Au-Ion oder einen metallorganischen Komplex, der ein Au-Ion enthält, enthält, in einem Lösungsmittel erhalten. Das Au-Ionen-haltige Salz kann beispielsweise Tetrachlorgoldsäure(III) (HAuCl₄), Natriumchloroaurat (III) (NaAuCl₄) oder Kaliumdicyanoaurat(I) (KAu(CN)₂) sein. Der Au-Ionen-haltige metallorganische Komplex kann beispielsweise Gold(III)-diethylendiamintrichlorid ([Au(en)₂]Cl₃), Gold(III)-dichlor(1,10-phenanthrolin)chlorid ([Au(phen)Cl₂]Cl), Dimethyl(trifluoracetylacetonat)gold oder Dimethyl(hexafluoroacetylacetonat)gold sein. Tetrachlorogold(III)-säure oder Gold(III)-diethylendiamintrichlorid ([Au(en)₂]Cl₃) wird vorzugsweise unter dem Gesichtspunkt, dass keine Verunreinigung, wie Na oder K, in der Elektrode verbleiben, eine einfache Handhabung oder Löslichkeit im Lösungsmittel vorliegt, verwendet. Das Lösungsmittel kann Aceton, Acetonitril oder Formamid sowie Alkohole, wie Methanol, Ethanol und Propanol, sein.
Das Mischen kann mit bekannten Mitteln wie der Instillation erfolgen. Obwohl die erhaltene leitfähige Paste Au im ionischen (komplexen ionischen) Zustand enthält, enthält die im Sensorelement 101 gebildete Messelektrode 10, die durch das vorstehend genannte Herstellungsverfahren erhalten wurde, Au hauptsächlich als elementares Substrat oder eine Legierung mit Pt.
Alternativ kann die leitfähige Paste für die Messelektrode auch unter Verwendung von beschichtetem Pulver, das durch die Beschichtung von Pt mit Au erhalten wird, als Au-Ausgangsrohstoff hergestellt werden. In diesem Fall wird eine leitfähige Paste für die Messelektrode hergestellt, indem das beschichtete Pulver, Zirkoniumdioxidpulver und ein Bindemittel gemischt werden. Hier kann das beschichtete Pulver erhalten werden, indem die Teilchenoberfläche von pulverisiertem Pt mit einem Au-Film bedeckt wird oder Au-Teilchen auf Pt-Pulverteilchen aufgebracht werden.
Die Bezugselektrode 20 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form in der Draufsicht wird innerhalb des Sensorelements 101A bereitgestellt und dient als Bezug zur Bestimmung der Konzentration des Messgases. Die Bezugselektrode 20 ist als poröse Cermet-Elektrode aus Pt und Zirkoniumdioxid ausgebildet.
Genauer gesagt, wird die Bezugselektrode 20 im Bezugsgaseinleitungsraum 30 an einer Position unterhalb der Messelektrode 10 in einer Dickenrichtung des Sensorelements 101 (Stapelrichtung der Festelektrolytschichten) in Draufsicht auf das Sensorelement 101 von der Vorderfläche Sa-Seite bereitgestellt. Die spezielle Layoutposition der Bezugselektrode 20 in der Element-Längsrichtung unterscheidet sich jedoch entsprechend der Layoutposition der Messelektrode 10. Dies entspricht - ähnlich wie bei der Messelektrode 10 - der Layoutposition der Messzelle Cs, die unterschiedlich eingestellt ist.
Die Bezugselektrode 20 kann so gebildet werden, dass sie eine Porosität von 10% oder mehr und 30% oder weniger und eine Dicke von 5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger aufweist. Die Bezugselektrode 20 kann eine Flächengröße aufweisen, die derjenigen der Messelektrode 10 entspricht oder kleiner ist. Obwohl die Bezugselektrode 20 unter dem Bezugsgaseinleitungsraum 30 in den 1 bis 3 gebildet wird, kann die Bezugselektrode 20 über dem Bezugsgaseinleitungsraum 30 gebildet werden.
Der Bezugsgaseinleitungsraum 30 ist ein Innenraum, der auf der Basis-Endteil E2-Seite des Sensorelements 101 bereitgestellt wird. Luft (Sauerstoff) als Bezugsgas zur Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente wird von außen in den Bezugsgaseinleitungsraum 30 eingeleitet.
In den in den 1 bis 3 exemplarisch dargestellten Konfigurationen ist der Bezugsgaseinleitungsraum 30 so vorgesehen, dass ein nach außen kommunizierter Raum im Teil der vierten Festelektrolytschicht 4 auf der Basis-Endteil E2-Seite des Sensorelements 101 erlaubt ist. Genauer gesagt, sind ein oberer Teil und ein unterer Teil des Bezugsgaseinleitungsraumes 30 in den Zeichnungen durch die dritte Festelektrolytschicht 3 und die fünfte Festelektrolytschicht 5 definiert, und ein Seitenteil davon ist durch die vierte Festelektrolytschicht 4 definiert.
Bei Verwendung des Gassensors 100 wird ein Raum um die Bezugselektrode 20, der zum Bezugsgaseinleitungsraum 30 bereitgestellt wird, immer mit Luft (Sauerstoff) gefüllt. Somit hat die Bezugselektrode 20 bei Verwendung des Gassensors 100 ein konstantes Potenzial.
Der Bezugsgaseinleitungsraum 30 wird durch den den Raum umgebenden Festelektrolyt an der Kontaktaufnahme mit dem Messgas gehindert, und somit kommt die Bezugselektrode 20 nicht mit dem Messgas in Kontakt, wenn die Messelektrode 10 dem Messgas ausgesetzt ist.
Während das Potenzial der Bezugselektrode 20 konstant ist, hängt das Potenzial der Messelektrode 10 von der vorstehend beschriebenen Konzentration der Detektionsgaskomponente ab. So entsteht in der Messzelle Cs eine Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20 entsprechend der Konzentration der Detektionsgaskomponente. Diese Potenzialdifferenz wird durch ein Potenziometer 110, bereitgestellt am Gassensor 100, gemessen.
Die 1 bis 3 veranschaulichen schematisch die Verdrahtung zwischen dem Potenziometer 110 und jeder der Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20. Im Sensorelement 101 wird jedoch in Wirklichkeit eine jeder Elektrode entsprechende Anschlussklemme (nicht dargestellt) auf der Vorderfläche Sa oder der Rückfläche Sb auf der Basis-Endteil E2-Seite bereitgestellt, und ein Verdrahtungsmuster (nicht dargestellt), das jede Elektrode und die entsprechende Anschlussklemme verbindet, wird auf der Vorderfläche Sa und innerhalb des Elements gebildet. Das Potenziometer 110 und die Messelektrode 10 und jede der Bezugselektrode 20 sind über das Verdrahtungsmuster und die Anschlussklemme elektrisch miteinander verbunden.
Nachfolgend wird die mit dem Potenziometer 110 gemessene Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20 auch als Sensorausgang-EMF oder einfach als EMF (elektromotorische Kraft) bezeichnet.
Das Sensorelement 101 beinhaltet auch das Gaseinführungsteil 40 mit einer Öffnung am führenden Endteil E1 und den Innenraum 50, der mit einem Außenraum über das Gaseinführungsteil 40 kommuniziert. Das Messgas außerhalb des Sensorelements 101 wird mit einem vorbestimmt Diffusionswiderstand durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt und in den Innenraum 50 eingeführt. In den in den 1 bis 3 exemplarisch dargestellten Konfigurationen sind jeweils ein oberer und ein unterer Teil des Gaseinführungsteils 40 und des Innenraumes 50 durch die vierte Festelektrolytschicht 4 und die sechste Festelektrolytschicht 6 definiert, und ein Seitenteil davon ist durch die fünfte Festelektrolytschicht 5 definiert.
Für das Gaseinführungsteil 40 sind verschiedene Konfigurationen möglich, sofern sie dem Messgas einen gewünschten Diffusionswiderstand verleihen können.
4 ist ein Diagramm, das exemplarisch verschiedene Arten von Konfigurationen für das Gaseinführungsteil 40 veranschaulicht. So ist beispielsweise 4(a) eine Draufsicht auf das Gaseinführungsteil 40 des in 1 dargestellten Sensorelements 101A. Das Gaseinführungsteil 40 des Sensorelements 101A hat eine Größe (Breite), die kleiner ist als eine Größe (Breite) des Innenraums 50 in Breitenrichtung (Richtung orthogonal zur Element-Längsrichtung auf einer Oberfläche senkrecht zur Dickenrichtung). 4(b) ist eine Draufsicht, die exemplarisch einen Fall veranschaulicht, in dem das Gaseinführungsteil 40 eine Größe hat, die der Größe des Innenraumes 50 in Breitenrichtung des Sensorelements 101 entspricht. Die in 4(b) dargestellte Konfiguration kann einen Diffusionswiderstand wie die in 4(a) dargestellte Konfiguration erreichen, indem die Größe des Gaseinführungsteils 40 entsprechend eingestellt wird.
4(c) ist ein Teildiagramm des Gaseinführungsteils 40 des in 2 dargestellten Sensorelements 101B, und 4(d) ist eine Draufsicht des Gaseinführungsteils 40 des Sensorelements 101B. Das Gaseinführungsteil 40 des Sensorelements 101A beinhaltet zwei Diffusionssteuerteile 41 (41A und 41B). In den in den 2, 4(c) und 4(d) dargestellten Konfigurationen sind die Diffusionssteuerteile 41 als zwei horizontal lange Schlitze vorgesehen (deren Öffnungen jeweils eine Längsrichtung in Breitenrichtung des Sensorelements 101 aufweisen).
4(e) ist ein Teildiagramm des Gaseinführungsteils 40 des Sensorelements 101C, das in 3 erläutert wird. Das Gaseinführungsteil 40 des Sensorelements 101C beinhaltet ein Diffusionssteuerteil 41 mit einer Öffnung, deren Dicke im Vergleich zu der des Gaseinführungsteils 40 des Sensorelements 101B klein ist. Das bedeutet, dass das Gaseinführungsteil 40 einen größeren Diffusionswiderstand zum Messgas im Sensorelement 101C bietet als ein Fall im Sensorelement 101B.
Obwohl die 2, 3 und 4(c) bis 4(e) exemplarisch die Konfigurationen veranschaulichen, in denen das Gaseinführungsteil 40 die beiden Diffusionssteuerteile 41 (41A und 41B) beinhaltet, ist die Anzahl der im Gaseinführungsteil 40 enthaltenen Diffusionssteuerteile nicht auf zwei beschränkt. Alternativ kann das Messgas mit einem gewünschten Diffusionswiderstand bereitgestellt werden, indem dem Gaseinführungsteil 40 ganz oder teilweise ein poröses Diffusionssteuerteil anstelle eines Diffusionssteuerteils in Schlitzform zur Verfügung gestellt wird.
Wie gerade beschrieben, wird der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 auf einen Sollwert basierend auf der Größe des Gaseinführungsteils 40 oder der Diffusionssteuerteile eingestellt, die in verschiedenen Arten von Aspekten im Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt werden.
Die innenseitige Pumpelektrode 60 wird im Innenraum 50 bereitgestellt, in den das Messgas an einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeführt wird. Die innenseitige Pumpelektrode 60 ist mindestens an einem unteren Teil der sechsten Festelektrolytschicht 6 als Oberseite des Innenraums 50 in den Zeichnungen ausgebildet. Die 1 bis 3 veranschaulichen jeweils exemplarisch einen Aspekt, in dem die innenseitige Pumpelektrode 60 auf allen vier Oberflächen (also in Tunnelform) entlang der Element-Längsrichtung bereitgestellt wird.
Die innenseitige Pumpelektrode 60 ist als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode aus Pt mit Au von 1% und Zirkoniumdioxid). Die innenseitige Pumpelektrode 60 kann so geformt werden, dass sie eine Porosität von 10% oder mehr und 30% oder weniger und eine Dicke von 5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger aufweist.
Die außenseitige Pumpelektrode 70 ist bei einer Position auf der Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 oberhalb der innenseitigen Pumpelektrode 60 in der Dickenrichtung des Sensorelements 101 in Draufsicht von dem Sensorelement 101 von der Vorderfläche Sa-Seite vorgesehen.
Ähnlich wie die innenseitige Pumpelektrode 60 ist die außenseitige Pumpelektrode 70 als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (z.B. eine Cermet-Elektrode aus Pt mit Au von 1% und Zirkoniumdioxid). Die außenseitige Pumpelektrode 70 kann so geformt werden, dass sie eine Porosität von 10 % oder mehr und 30 % oder weniger und eine Dicke von 5 µm oder mehr und 15 µm oder weniger aufweist. Die außenseitige Pumpelektrode 70 hat eine Flächengröße, die der der innenseitigen Pumpelektrode 60 entspricht.
Im Sensorelement 101 besteht eine Sauerstoffpumpzelle Cp als elektrochemische Pumpzelle aus der innenseitigen Pumpelektrode 60, der außenseitigen Pumpelektrode 70 und dem Festelektrolyt zwischen den Elektroden. Die Sauerstoffpumpzelle Cp dient dazu, den im Messgas enthaltenen Sauerstoff, der über das Gaseinführungsteil 40 in den Innenraum 50 eingeleitet wurde, nach außen abzupumpen. Insbesondere, wenn eine vorbestimmte Spannung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 durch eine Pumpenstromquelle 120 bereitgestellt zum Gassensor 100 angelegt wird, wird der Sauerstoff im Messgas an der innenseitigen Pumpelektrode 60 ionisiert, bewegt sich im Festelektrolyt und wird von der außenseitigen Pumpelektrode 70 nach außen des Elements abgegeben. In diesem Fall ist der zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 fließende Strom (Grenzstrom) proportional zur Sauerstoffkonzentration im Messgas. Der Wert des Stroms wird mit einem Amperemeter 130 bereitgestellt, das an den Gassensor 100 angeschlossen ist.
Die Verdrahtung zwischen jeder der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 und jeder der Pumpenstromquelle 120 und dem Amperemeter 130 ist in den 1 bis 3 vereinfacht dargestellt. Jedoch wird im Sensorelement 101 in Wirklichkeit eine Anschlussklemme (nicht dargestellt) auf der Vorderfläche Sa oder der Rückfläche Sb auf der Basis-Endteil E2-Seite entsprechend jeder Elektrode bereitgestellt, und auf der Vorderfläche Sa und innerhalb des Elements wird ein Verdrahtungsmuster (nicht dargestellt) gebildet, das jede Elektrode und die entsprechende Anschlussklemme verbindet. Jede der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 und jede der Pumpenstromquelle 120 und des Amperemeters 130 sind über das Verdrahtungsmuster und die Anschlussklemme elektrisch miteinander verbunden.
Im Folgenden wird der zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 fließende und mit dem Amperemeter 130 gemessene Strom auch als Sauerstoffpumpstrom Ip bezeichnet. Der Sauerstoffpumpstrom Ip kann als lineare Funktion der Sauerstoffkonzentration im Messgas betrachtet werden. Der vom Amperemeter 130 gemessene Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip wird verwendet, um die Konzentration der aus der Sensorausgang-EMF berechneten Detektionsgaskomponente zu korrigieren.
Das Sensorelement 101 beinhaltet weiterhin ein Heizvorrichtungsteil 80. Das Heizvorrichtungsteil 80 beinhaltet im Wesentlichen eine Heizvorrichtung 81, eine Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 und ein Druckdiffusionsloch 83.
Die Heizvorrichtung 81 wird gebildet, indem es vertikal zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 eingelegt wird. Die Heizvorrichtung 81 schlängelt sich (in Mäanderform) in Element-Längsrichtung. Die Heizvorrichtung 81 ist so angeordnet, dass es in der Element-Längsrichtung mindestens den Existenzbereich der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung beinhaltet. Mit anderen Worten, die Heizvorrichtung 81 ist mindestens unterhalb der Sauerstoffpumpzelle Cp in Draufsicht auf das Sensorelement 101 von der Vorderfläche Sa-Seite angeordnet.
Die Heizvorrichtung 81, bereitgestellt zu jedem der in den 2 und 3 dargestellten Sensorelemente 101B und 101C, weist in der Element-Längsrichtung einen größeren Existenzbereich auf als die Heizvorrichtung 81, bereitgestellt zu dem in 1 dargestellten Sensorelement 101A und beinhaltet neben einem Hauptwärmeerzeugungsteil 81A, bereitgestellt in einem Bereich, der im Wesentlichen gleich dem Existenzbereich der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung ist, ein Unterwärmeerzeugungsteil 81B mit verminderter Wärmeerzeugungsleistung gegenüber dem des Hauptwärmeerzeugungsteils 81A. Dies wird beispielsweise durch die Differenzierung der Größen und Materialien der in den Wärmeerzeugungsteilen enthaltenen Wärmeerzeugungskörper oder durch die Differenzierung der Verdrahtungsdichten der Wärmeerzeugungsteile erreicht.
Die Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 wird zwischen jeder der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 und der Heizvorrichtung 81 bereitgestellt, um eine elektrische Isolation der zweiten Festelektrolytschicht 2 und der dritten Festelektrolytschicht 3 aus der Heizvorrichtung 81 zu erreichen. Die Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid.
Die Heizvorrichtung 81 erzeugt Wärme, indem sie die Stromversorgung von außen über eine Heizvorrichtung-Elektrode (nicht dargestellt) auf der Rückfläche Sb (Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 1 in der Zeichnung) des Sensorelements 101 erhält. Die Heizvorrichtung-Elektrode und die Heizvorrichtung 81 sind über eine Heizvorrichtung-Leitung (nicht dargestellt) innerhalb der Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 und in einem Durchgangsloch 84, das von der Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 bis zur Rückfläche Sb reicht, elektrisch miteinander verbunden. Die Stromversorgung der Heizvorrichtung 81 wird von der Steuerung 140 basierend auf einer Steueranweisung des ECU 150 gesteuert.
Das Druckdiffusionsloch 83 ist eine Stelle, die gebildet wurde, um durch die dritte Festelektrolytschicht 3 zu dringen und die Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 und den Bezugsgaseinleitungsraum 30 zu verbinden und vorgesehen, den Innendruckanstieg durch Temperaturanstieg in der Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 zu vermindern.
Im Gassensor 100, wenn die Konzentration der Detektionsgaskomponente erreicht werden soll, erzeugt die Heizvorrichtung 81 Wärme, um jede Komponente des Sensorelements 101 auf eine betriebsgerechte Temperatur zu erwärmen und die Temperatur zu halten. So werden die Messzelle Cs und die Sauerstoffpumpzelle Cp jeweils auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich erwärmt, in dem die jeweiligen Zellen entsprechend arbeiten. Die Temperaturbereiche, in denen die jeweiligen Zellen entsprechend arbeiten, sind jedoch unterschiedlich. Insbesondere wird die Messzelle Cs auf eine erste Erwärmungstemperatur (T1) erwärmt, die einen ersten Temperaturbereich von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger, vorzugsweise 450°C oder höher und 550°C oder niedriger erfüllt. Die Sauerstoffpumpzelle Cp wird auf eine zweite Erwärmungstemperatur (T2) erhitzt, die einen zweiten Temperaturbereich von mindestens 580°C oder höher und 850°C oder niedriger erfüllt. Die Erwärmungstemperaturen halten die Beziehung T1 < T2.
Im Gassensor 100 werden die Dispositionsbeziehung zwischen der Messzelle Cs und der Sauerstoffpumpzelle Cp, der Existenzbereich bzw. Platz der Heizvorrichtung, die Dispositionsbeziehung zwischen der Messzelle Cs und der Heizvorrichtung 81 und die Art der Erwärmung durch die Heizvorrichtung 81 so bestimmt, dass der erste Temperaturbereich und der zweite Temperaturbereich an den Layoutpositionen der Messzelle Cs bzw. der Sauerstoffpumpzelle Cp entsprechend erreicht werden.
Diese speziellen Aspekte sind jedoch nicht auf eine einzige Kombination beschränkt, sondern können verschiedene Arten von Variationen aufweisen. So ist beispielsweise in den in den 1 bis 3 dargestellten Sensorelementen 101A bis 101C die Sauerstoffpumpzelle Cp an der gleichen Position angeordnet, und der Existenzbereich der Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung beinhaltet mindestens den Existenzbereich der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung, aber der Abstand zwischen der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Messzelle Cs und der Dispositionsbereich der Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung sind zwischen den Sensorelementen unterschiedlich. Variationen der Konfiguration des Sensorelements 101 werden später ausführlich beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur der Messzelle Cs basierend auf der Oberflächentemperatur der Messelektrode 10 bewertet und die Temperatur der Sauerstoffpumpzelle Cp basierend auf der Oberflächentemperatur der außenseitigen Pumpelektrode 70 bewertet. Die Oberflächentemperaturen dieser Elektroden können mittels Infrarot-Thermografie ausgewertet werden.
Das Sensorelement 101 beinhaltet auch eine Oberflächenschutzschicht 90. Die Oberflächenschutzschicht 90 ist eine poröse Schicht aus Aluminiumoxid und dient dazu, mindestens die Messelektrode 10 und die außenseitige Pumpelektrode 70 auf der Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 abzudecken. Die Oberflächenschutzschicht 90 ist als Elektrodenschutzschicht vorgesehen, die den Abbau der Messelektrode 10 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 durch kontinuierliche Einwirkung des Messgases bei Verwendung des Gassensors 100 vermindert. Die Oberflächenschutzschicht 90 wird in Aspekten (Porengröße, Porosität und Dicke) bereitgestellt, die die Reichweite des Messgases zur Messelektrode 10 und die Ableitung von Sauerstoff aus der außenseitigen Pumpelektrode 70 tatsächlich nicht begrenzen.
In den in den 1 bis 3 exemplarisch dargestellten Konfigurationen ist die Oberflächenschutzschicht 90 vorgesehen, um nicht nur die Messelektrode 10 und die außenseitige Pumpelektrode 70, sondern auch im Wesentlichen alle Teile der Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 bis auf einen vorbestimmten Bereich vom führenden Endteil E1 abzudecken.
In dem Gassensor 100 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration werden die Sensorausgang-EMF an der Messzelle Cs und der durch die Sauerstoffpumpzelle Cp fließende Sauerstoffpumpstrom Ip an die Steuerung 140 ausgegeben, die zur Steuerung des Betriebs des Gassensors 100 konfiguriert ist. Diese an die Steuerung 140 bereitgestellten Ausgabewerte werden an die ECU 150 weitergereicht, und dann führt die ECU 150 eine arithmetische Verarbeitung basierend auf diesen Ausgängen durch, um die Konzentration der Detektionsgaskomponente nahe dem Sensorelement 101 zu berechnen. Mit anderen Worten, die ECU 150 fungiert auch als Konzentrationsspezifikationsmittel, das konfiguriert ist, um die Konzentration der Detektionsgaskomponente festzulegen.
<Verfahren der Herstellung von Sensorelement>
Im Folgenden wird das Verfahren der Herstellung des Sensorelements 101 beschrieben. Im Allgemeinen wird das Sensorelement 101 unabhängig von der unterschiedlichen speziellen Konfiguration davon durch Bilden eines Schichtkörpers aus Grünplatten hergestellt, der als keramische Komponente einen sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolyt wie Zirkoniumdioxid enthält, und Schneiden und Brennen des Schichtkörpers. Beispiele für den sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten sind Yttrium teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ).
5 ist ein Diagramm, das einen Ablauf des Verfahrens zur Herstellung des Sensorelements 101 veranschaulicht. Zunächst werden leere Platten (nicht dargestellt) als Grünplatten, auf denen kein Muster gebildet wird, hergestellt (Schritt S1). Insbesondere werden sechs leere Platten entsprechend der ersten Festelektrolytschicht 1, der zweiten Festelektrolytschicht 2, der dritten Festelektrolytschicht 3, der vierten Festelektrolytschicht 4, der fünften Festelektrolytschicht 5 und der sechsten Festelektrolytschicht 6 hergestellt. Zusätzlich wird eine leere Platte zur Bildung der Oberflächenschutzschicht 90 hergestellt. Jede leere Platte ist mit einer Vielzahl von Plattenlöchern versehen, um es vorab beim Drucken und Stapeln und anderen Zwecken zu positionieren. Die Plattenlöcher werden im Voraus geformt, z.B. durch Stanzbearbeitung durch eine Stanzvorrichtung. Für Grünplatten, deren entsprechende Schichten der Bezugsgasleitungsraum 30, das Gaseinführungsteil 40 und der Innenraum 50 sind, werden auch durchdringende Teile, die diesen Innenräumen entsprechen, im Voraus bereitgestellt, beispielsweise durch die gleiche Stanzbearbeitung. Alle leeren Platten, die den jeweiligen Schichten des Sensorelements 101 entsprechen, müssen nicht die gleichen Dicken aufweisen.
Nachdem die den jeweiligen Schichten entsprechenden leeren Platten hergestellt werden, werden Musterdruck und Trockenbearbeitung durchgeführt, um auf jeder leeren Platte verschiedene Arten von Mustern zu bilden (Schritt S2). Insbesondere werden Elektrodenmuster von z.B. der Messelektrode 10, der Bezugselektrode 20, der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70, Muster, die die Heizvorrichtung 81 und die Heizvorrichtung-Isolierschicht 82 bilden, und Muster zur Bildung eines Innendrahts wie die Heizvorrichtung-Leitung (nicht dargestellt) durch Drucken gebildet. Wenn die Diffusionssteuerteile 41 in Schlitzform im Gaseinführungsteil 40 gebildet werden, erfolgt die Musterbildung unter Verwendung einer Paste, die ein Niedertemperatur-Zersetzungsmaterial enthält, das sich beim Brennen zersetzt (bei der Brenntemperatur zersetzt), in der Nachbearbeitung (Schritt S6) an den Formpositionen der Diffusionssteuerteile 41. Beispiele für das Niedertemperatur-Zersetzungsmaterial sind Theobromin und Kohlenstoff. Zusätzlich wird eine Schnittmarke, die als Bezug für eine Schnittposition beim Schneiden des Schichtkörpers in der Nachbearbeitung dient, auf die erste Festelektrolytschicht 1 gedruckt.4
Jedes Muster wird durch Auftragen von Musterbildungspaste (z.B. leitfähige Paste), die gemäß den für jedes Formationsziel geforderten Eigenschaften hergestellt wurde, auf eine leere Platte unter Verwendung einer gut bekannten Siebdrucktechnologie gedruckt. Für die Trockenbearbeitung nach dem Druck können gut bekannte Trocknungsmittel verwendet werden.
Nach der Beendigung des Musterdrucks werden Druck und Trockenbearbeitung durchgeführt, um die Grünplatten entsprechend den jeweiligen Schichten zu stapeln und zu verkleben (Schritt S3). Der Druck der Bondingpaste kann mit einer gut bekannten Siebdrucktechnologie erfolgen, und die Trockenbearbeitung nach dem Druck kann gut bekannte Trocknungsmittel anwenden.
Anschließend erfolgt die Pressbondingverarbeitung, bei der die Grünplatten auf das Bondingmittel aufgebracht werden, in vorbestimmter Reihenfolge gestapelt und durch Pressen unter vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingungen zu einem Schichtkörper verbunden werden (Schritt S4). Konkret werden die Grünplatten als Laminierziele gestapelt und auf einer vorbestimmten angeordneten Laminiervorrichtung (nicht dargestellt) durch Positionierung in Bezug auf die Plattenlöcher gehalten und dann zusammen mit der Laminiervorrichtung durch einen Laminierer, wie eine gut bekannte hydraulische Druckpressenmaschine, erwärmt und mit Druck beaufschlagt. Druck, Temperatur und Zeit, mit der die Erwärmung und die Druckbeaufschlagung durchgeführt werden, hängen vom verwendeten Laminierer ab, aber es können geeignete Bedingungen bestimmt werden, um eine günstige Laminierung zu erreichen.
Nachdem der Schichtkörper wie vorstehend beschrieben erhalten wurde, wird der Schichtkörper anschließend durch Schneiden an mehreren Stellen in einzelne Teile (sogenannte Elementkörper) des Sensorelements 101 unterteilt (Schritt S5). Die geteilten Elementkörper werden unter einer vorbestimmten Bedingung gebrannt (Schritt S6). Insbesondere wird das Sensorelement 101 durch Integrationsbrand von Festelektrolytschichten und Elektroden erzeugt. Die Temperatur des Brandes ist vorzugsweise 1200°C oder höher und 1500°C oder niedriger (z.B. 1365°C). Durch Ausführen dieser Art des Integrationsbrandes weist jede Elektrode im Sensorelement 101 eine ausreichende Haftfestigkeit auf.
Das so erhaltene Sensorelement 101 ist in einem vorbestimmten Gehäuse untergebracht und in dem Körper (nicht dargestellt) des Gassensors 100 integriert.
<Berechnung der Konzentration von Detektionsgaskomponenten>
Wenn die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas mit Hilfe des Gassensors 100 bestimmt wird, wird nur der vorbestimmte Bereich des Sensorelements 101, der sich vom führenden Endteil E1 erstreckt und mindestens die Messelektrode 10 beinhaltet, in einem Raum angeordnet, in dem das Messgas wie vorstehend beschrieben vorhanden ist, während die Basis-Endteil E2-Seite isoliert vom Raum angeordnet ist, und dann Luft (Sauerstoff) dem Bezugsgaseinleitungsraum 30 zugeführt wird. Anschließend wird das Sensorelement 101 durch die Heizvorrichtung 81 erwärmt, so dass die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur und die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt wird.
In diesem Zustand wird, wie vorstehend beschrieben, das Potenzial der Bezugselektrode 20 unter Luftatmosphäre (mit konstanter Sauerstoffkonzentration) konstant gehalten, aber das Potenzial der Messelektrode 10 ist konzentrationsabhängig von der Detektionsgaskomponente im Messgas. Somit entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen der Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20 entsprechend der Konzentration der Detektionsgaskomponente. Anschließend wird die Potenzialdifferenz als Sensorausgang-EMF ausgegeben.
Daher besteht eine bestimmte funktionale Beziehung (als Empfindlichkeitscharakteristik bezeichnet) intrinsisch zwischen der Konzentration der Detektionsgaskomponente und der Sensorausgang-EMF. So kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Prinzip bestimmt werden, indem der Wert der Sensorausgang-EMF, die sich entsprechend der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas kurzzeitig ändert, an die Empfindlichkeitscharakteristik angepasst wird, wenn der Gassensor 100 tatsächlich verwendet wird, wenn die Empfindlichkeitscharakteristik vorher ausgewiesen ist durch Anwenden als Messgase einer Vielzahl von untereinander verschiedenen Mischgasen, die die Detektionsgaskomponente bei bekannten Konzentrationen enthalten, und Messen der Sensorausgang-EMF für jedes gemischte Gas und in der ECU 150 gespeichert wird.
6 ist ein Diagramm, das exemplarisch die Empfindlichkeitscharakteristik der Messzelle Cs erläutert. Genauer gesagt, veranschaulicht 6 die Empfindlichkeitscharakteristik des Sensorelements 101A mit der in 1 dargestellten Konfiguration für eine Vielzahl von Modellgasen, die jeweils C₂H₄ als Detektionsgaskomponente bei 100 ppm, 300 ppm, 500 ppm, 700 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm und 4000 ppm, Sauerstoff bei 10%, Wasserdampf bei 5% und Stickstoff als Rest für die erste Erwärmungstemperatur bei jeweils vier verschiedenen Werten von 470°C, 500°C, 580°C und 640°C enthalten. 6 zeigt, dass sich die Sensorausgang-EMF linear entsprechend der Konzentration von C₂H₄ ändert und die Empfindlichkeitscharakteristik geeignet ist, wenn die erste Erwärmungstemperatur 470°C oder 500°C beträgt, aber der Sensorausgang keine Konzentrationsabhängigkeit in einem niedrigen Konzentrationsbereich aufweist, wenn die erste Erwärmungstemperatur 640°C beträgt. Dieses Ergebnis zeigt, dass es, wie vorstehend beschrieben, vorzuziehen ist, die erste Erwärmungstemperatur im ersten Temperaturbereich von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger, vorzugsweise 450°C oder höher und 550°C oder niedriger einzustellen.
Die in 6 dargestellte Empfindlichkeitscharakteristik erhält man jedoch unter der Voraussetzung, dass die Sauerstoffkonzentration konstant ist, sich aber in Wirklichkeit das an der Messelektrode 10 auftretende Mischpotenzial entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas ändert und sich damit der Wert der Sensorausgang-EMF in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ändert. 7 ist ein Diagramm, das exemplarisch die Abhängigkeit der Sensorausgang-EMF von der Sauerstoffkonzentration im Messgas darstellt. Genauer gesagt, veranschaulicht 7 die Änderung der Sensorausgang-EMF des Sensorelements 101A mit der in 1 dargestellten Konfiguration in eine Vielzahl von Modellgasen, die jeweils C₂H₄ als Detektionsgaskomponente bei 1000 ppm, Sauerstoff bei 1%, 5%, 10% und 20%, Wasserdampf bei 5% und Stickstoff als Rest für die erste Erwärmungstemperatur bei 500°C enthalten.
Da die Detektionsgaskomponente konstant ist, sollte die Sensorausgang-EMF grundsätzlich unabhängig von der Sauerstoffkonzentration konstant gehalten werden, aber in Wirklichkeit ändert sich die Sensorausgang-EMF in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration, wie in 7 dargestellt. So wird im Gassensor 100 die Korrektur durch Verwendung des Wertes des Sauerstoffpumpstroms Ip durchgeführt, der einen Wert entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas annimmt, um die Genauigkeit der Berechnung der Konzentration der Detektionsgaskomponente zu erhöhen. Das spezielle Verfahren der Korrektur wird z.B. in den folgenden beiden Aspekten erreicht.
(Erster Aspekt)
In diesem Aspekt wird in der vorstehend beschriebenen Empfindlichkeitscharakteristikbeschreibung eine Vielzahl von Mischgasen verwendet, bei denen nicht nur die Konzentration der Detektionsgaskomponente, sondern auch die Konzentration des Sauerstoffs bei Höhen differenziert wird, und als Parameter der Empfindlichkeitscharakteristik wird der Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip oder die dem Wert entsprechende Sauerstoffkonzentration einbezogen.
Insbesondere wird eine Empfindlichkeitscharakteristikkarte, die das Verhältnis zwischen der Konzentration der Detektionsgaskomponente, dem Sauerstoffpumpstrom Ip und der Sensorausgang-EMF angibt, experimentell spezifiziert, indem als Messgase eine Vielzahl von gegenseitig unterschiedlichen Mischgasen verwendet wird, in denen jeweils die Konzentration der Detektionsgaskomponente und die Sauerstoffkonzentration bekannt sind, und die Sensorausgang-EMF und der Sauerstoffpumpstrom Ip für jedes Messgas gemessen werden, und die Empfindlichkeitscharakteristikkarte in der ECU 150 gespeichert. Wenn dann der Gassensor 100 tatsächlich verwendet wird, kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente bestimmt werden, indem der Wert der Sensorausgang-EMF und des Sauerstoffpumpstroms Ip mit der Empfindlichkeitscharakteristikkarte verglichen wird, um den Wert der entsprechenden Konzentration der Detektionsgaskomponente festzulegen.
Dementsprechend kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas im Wesentlichen in Echtzeit bestimmt werden.
(Zweiter Aspekt)
In diesem Aspekt wird die Konzentration der Detektionsgaskomponente basierend auf Ausdruck (1) als theoretische Formel, die einen gemischten Potenzialmechanismus ausdrückt, und dem Wert der Sauerstoffkonzentration im Messgas, der basierend auf dem Sauerstoffpumpstrom Ip spezifiziert wird, berechnet.
[Ausdruck 1] $E_{MIX} = E_{0} + m \frac{RT}{(4 α_{02} + 2 α_{C0}) F} {InC}_{02} - n \frac{RT}{(4 α_{02} + 2 α_{C0}) F} {InC}_{x}$
In Ausdruck (1) stellt CO₂ die Sauerstoffkonzentration im Messgas dar, Cx stellt die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas dar und E_MIX stellt die Sensorausgang-EMF dar. Darüber hinaus stellt R die Gaskonstante dar, T stellt die Temperatur der Messzelle Cs dar und F stellt die Faraday-Konstante dar. Die anderen Parameter sind bekannte Konstanten. Die Sauerstoffkonzentration im Messgas kann aus dem Sauerstoffpumpstrom Ip bestimmt werden und somit kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas durch Berechnung des Wertes von Cx aus den Werten von CO₂ und E_MIX basierend auf Ausdruck (1) bestimmt werden.
<Anordnung der Zelle und Heizvorrichtung und Erwärmungstemperatur>
Wie vorstehend beschrieben, wird im Gassensor 100, um die Messzelle Cs und die Sauerstoffpumpzelle Cp angemessen zu betreiben, die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur (T1) erwärmt, die dem ersten Temperaturbereich entspricht, und die Sauerstoffpumpzelle Cp wird auf die zweite Erwärmungstemperatur (T2) erwärmt, die dem zweiten Temperaturbereich entspricht. Dies wird durch eine angemessene Bestimmung des Dispositions-Verhältnisses zwischen der Messzelle Cs, der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Heizvorrichtung 81 sowie der Art der Erwärmung durch die Heizvorrichtung 81 erreicht und die spezifische Art davon kann verschiedene Arten von Variationen aufweisen.
Im Folgenden wird unter den Variationen eine Konfiguration beschrieben, bei der der Dispositionsbereich der Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung mindestens den Existenzbereich der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung sowie die in den 1 bis 3 dargestellten Konfigurationen der Sensorelemente 101A bis 101C beinhaltet.
Die Konfiguration hat den Vorteil einer einfachen Steuerung der Temperatur der Sauerstoffpumpzelle Cp, die im Sensorelement 101 auf eine Höchsttemperatur erwärmt werden muss. Insbesondere in den in 1 bis 3 dargestellten Gassensoren 100A bis 100C wird die Erwärmung durch die Heizvorrichtung 81 gesteuert, um die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur zu erwärmen. Mit anderen Worten, ist die zweite Erwärmungstemperatur eine Temperatur, die durch die Heizvorrichtung 81 gesteuert werden soll.
Zunächst werden in dem in 1 dargestellten Sensorelement 101A zwei Zonen mit unterschiedlichen Dispositionsbeziehungen zur Heizvorrichtung 81 definiert. Eine der Zonen ist eine erste Zone Z1 entsprechend einem Bereich, in dem die Heizvorrichtung 81 in Element-Längsrichtung angeordnet ist. Die erste Zone Z1 wird durch die Wärmeerzeugung durch die Heizvorrichtung 81 auf eine relativ höhere Temperatur als jeder andere Standort erwärmt. Die andere Zone ist eine zweite Zone Z2, in der die Heizvorrichtung 81 nicht angeordnet ist. Die zweite Zone Z2 grenzt an die erste Zone Z1 in der Element-Längsrichtung und wird durch Wärmeerzeugung durch die Heizvorrichtung 81 erwärmt, ist aber von der Heizvorrichtung 81 getrennt und wird damit auf eine niedrigere Temperatur als die der ersten Zone Z1 erwärmt. Allerdings sinkt die Temperatur von einem Ort, an dem die Heizvorrichtung 81 steht, kontinuierlich zum Basis-Endteil E2 und somit weisen die erste Zone Z1 und die zweite Zone Z2 nicht unbedingt eine klare Grenze dazwischen auf.
Die Sauerstoffpumpzelle Cp befindet sich in der ersten Zone Z1. In der ersten Zone Z1 wird mindestens ein Bereich, in dem die Sauerstoffpumpzelle Cp vorhanden ist, durch die Heizvorrichtung 81 auf die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt.
Die erste Erwärmungstemperatur als Temperatur, bei der die Messzelle Cs entsprechend arbeitet, ist niedriger als die zweite Erwärmungstemperatur. Somit ist die Messzelle Cs an einer Stelle angeordnet, an der die erste Erwärmungstemperatur in der zweiten Zone Z2 erreicht wird. Genauer gesagt, im Sensorelement 101A ist die Messzelle Cs so angeordnet, dass die Bezugselektrode 20 auf der führenden Endteil E1-Seite im Vergleich zum Druckdiffusionsloch 83 im Bezugsgaseinleitungsraum 30 positioniert ist.
Da die erste Zone Z1 durch die Heizvorrichtung 81 auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, oder da die erste Zone Z1 größer ist, müssen die Messzelle Cs weiter von der Sauerstoffpumpzelle Cp getrennt werden. Bei übermäßiger Trennung von der Sauerstoffpumpzelle Cp erreicht die Messzelle Cs jedoch nicht die erste Erwärmungstemperatur durch Erhitzung durch die Heizvorrichtung 81. Dies deutet darauf hin, dass ein Abstand (nachfolgend Abstand zwischen den Zellen genannt) L zwischen der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Messzelle Cs in der Element-Längsrichtung einen Wert entsprechend der Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der ersten Erwärmungstemperatur und der zweiten Erwärmungstemperatur aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Zwischenzellabstand L der Abstand zwischen den zentralen Positionen der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Messzelle Cs in der Element-Längsrichtung.
Mit anderen Worten, da die Zellen so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Zellen L mit der Temperaturdifferenz T2 - T1 übereinstimmt, hat das Sensorelement 101A eine solche Konfiguration, dass es ermöglicht wird, die Sauerstoffpumpzelle Cp beim Erwärmen auf die zweite Erwärmungstemperatur und die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur niedriger als die zweite Erwärmungstemperatur zu erwärmen, wobei nur eine einzige Heizvorrichtung 81 verwendet wird. Dementsprechend kann der Gassensor 100A einschließlich des Sensorelements 101A gleichzeitig parallel der Sensorausgang-EMF an der Messzelle Cs und den Sauerstoffpumpstrom Ip als Ausgang entsprechend der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, die an der Sauerstoffpumpzelle Cp erhalten wird, erfassen und somit, auch wenn bei der Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas basierend auf der Sensorausgang-EMF eine Variation der Sauerstoffkonzentration im Messgas auftritt, kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas durch eine Korrektur basierend auf dem Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip genau bestimmt werden.
Ebenso ist im in 2 dargestellten Sensorelement 101B die erste Zone Z1 als ein Bereich definiert, in dem das Hauptwärmeerzeugungsteil 81A in der Element-Längsrichtung definiert ist und die zweite Zone Z2 als ein Bereich definiert ist, in dem die Heizvorrichtung 81 nicht auf der Basis-Endteil E2-Seite, sondern im Sensorelement 101B angeordnet ist, wobei zusätzlich eine dritte Zone Z3 als ein Bereich definiert ist, in dem das Unterwärmeerzeugungsteil 81B zwischen diesen beiden Zonen angeordnet ist. Die dritte Zone Z3 weist einen Temperaturbereich zwischen dem Temperaturbereich der ersten Zone Z1 und dem Temperaturbereich der zweiten Zone Z2 auf. Dies deutet darauf hin, dass im Sensorelement 101B die Temperatur vom Ort, an dem die Heizvorrichtung 81 steht, bis zum Basis-Endteil E2 im Vergleich zum Sensorelement 101A langsam abnimmt. So muss im Sensorelement 101B der Abstand zwischen den Zellen L gegenüber dem Sensorelement 101A erhöht werden, um die ersten und zweiten Erwärmungstemperaturen gleich zueinander erhalten. Im Sensorelement 101B ist die Messzelle Cs so angeordnet, dass die Bezugselektrode 20 auf der Basis-Endteil E2-Seite gegenüber dem Druckdiffusionsloch 83 im Bezugsgaseinleitungsraum 30 positioniert ist.
Das Sensorelement 101B ist jedoch gleichbedeutend mit dem Sensorelement 101A, da die Zellen so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Zellen L mit der Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur und der ersten Erwärmungstemperatur übereinstimmt, und somit die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt werden kann, während die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur niedriger als die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt wird, wobei nur eine einzige Heizvorrichtung 81 verwendet wird. Dementsprechend kann der Gassensor 100B mit dem Sensorelement 101B ähnlich wie der Gassensor 100A gleichzeitig parallel die Sensorausgang-EMF an der Messzelle Cs und den Sauerstoffpumpstrom Ip als Ausgang entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die an der Sauerstoffpumpzelle Cp erhalten wird, erfassen. Selbst wenn also bei der Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas basierend auf der Sensor-EMF die Sauerstoffkonzentration im Messgas variiert, kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas durch eine Korrektur basierend auf dem Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip genau bestimmt werden.
In dem in 3 dargestellten Sensorelement 101C beinhaltet die Heizvorrichtung 81 indes das Hauptwärmeerzeugungsteil 81A und das Unterwärmeerzeugungsteil 81B, und das Sensorelement 101C ist das gleiche wie das in 2 dargestellte Sensorelement 101B, indem drei Zonen der ersten Zone Z1 bis zur dritten Zone Z3 definiert sind, aber die Messzelle Cs in der dritten Zone Z3 angeordnet ist, in der das Unterwärmeerzeugungsteil 81B bereitgestellt wird und die auf eine höhere Temperatur als die der zweiten Zone Z2 erwärmt wird. Dies wird erreicht, indem die zweite Erwärmungstemperatur niedriger als die des Sensorelements 101B eingestellt und die Wärmeentwicklung am Hauptwärmeerzeugungsteil 81A und Unterwärmeerzeugungsteil 81B im Vergleich zum Sensorelement 101B vermindert wird. Die Pumpleistung der Sauerstoffpumpzelle Cp, die ausreichend gehalten werden muss, nimmt jedoch mit abnehmender Erwärmungstemperatur ab.
Im Sensorelement 101C werden solche gegensätzlichen Forderungen nach der Absenkung der Erwärmungstemperatur und der Aufrechterhaltung der Pumpleistung an der Sauerstoffpumpzelle Cp erfüllt, indem der Diffusionswiderstand am Gaseinführungsteil 40 erhöht wird, um die Menge des in den Innenraum 50 strömenden Messgases zu vermindern. Dies beruht auf der Tatsache, dass die absolute Sauerstoffmenge, die von der Sauerstoffpumpzelle Cp abgepumpt wird, um die Sauerstoffkonzentration im Messgas zu messen, mit abnehmender Messgasmenge in den Innenraum 50 abnimmt, und somit die Sauerstoffpumpzelle Cp zuverlässig Sauerstoff im Messgas abpumpen kann, auch wenn die Pumpleistung durch Einstellen der zweiten Erwärmungstemperatur auf niedrig messbar verringert wird. Da der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, zunimmt und die absolute abzupumpende Sauerstoffmenge abnimmt, sinkt der Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip als Grenzstrom, aber insbesondere solange der Sauerstoffpumpstrom Ip für die Berechnung der Sauerstoffkonzentration ausreicht, tritt kein Problem für den Betrieb des Gassensors 100 auf. Die Abnahme des Wertes des Sauerstoffpumpstroms Ip als Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch den Gaseinführungsteil 40 zugeführt wird, deutet darauf hin, dass der Diffusionswiderstand und der Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip dazwischen eine Korrelation aufweisen.
Wenn beispielsweise das in 2 dargestellte Sensorelement 101B und das in 3 dargestellte Sensorelement 101C verglichen werden, sind die Öffnungen an den Diffusionssteuerteilen 41 (41A und 41B) schmaler als in der ersten, und entsprechend ist der Diffusionswiderstand, der dem Messgas bereitgestellt wird, größer. Obwohl die Dispositionsweise der Heizvorrichtung 81 zwischen beiden Sensorelementen gleich ist, können die Messzelle Cs im letzteren in der dritten Zone Z3 nahe der Sauerstoffpumpzelle Cp angeordnet werden, indem die zweite Erwärmungstemperatur niedriger als die des ersteren und der Abstand zwischen den Zellen L kürzer als die des ersteren eingestellt wird. Die Möglichkeit, die zweite Erwärmungstemperatur zu senken und den Abstand zwischen den Zellen L zu verkürzen, bedeutet, dass die Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur und der ersten Erwärmungstemperatur vermindert werden kann.
Dies deutet darauf hin, dass der Bereich der zweiten Erwärmungstemperatur als Erwärmungstemperatur der Sauerstoffpumpzelle Cp, wenn die Konzentration der Detektionsgaskomponente durch den Gassensor 100 bestimmt wird, gemäß dem Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 innerhalb des vorstehend beschriebenen zweiten Temperaturbereichs von 580°C oder höher und 850°C oder niedriger bestimmt wird.
Die 8 und 9 sind jeweils ein Diagramm zur Beschreibung des Einflusses der Differenz im Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 auf die Pumpleistung der Sauerstoffpumpzelle Cp. Die Pumpleistung kann basierend auf der Art und Weise der Änderung des Sauerstoffpumpstroms Ip gegenüber der Sauerstoffkonzentration bewertet werden, wenn das Abpumpen von Sauerstoff durch die Sauerstoffpumpzelle Cp für eine Vielzahl von Bewertungsgasen durchgeführt wird, die Sauerstoff in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten.
8 zeigt Ergebnisse für ein Sensorelement, bei dem der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 250 cm^-1 beträgt. Genauer gesagt, zeigen 8(a), 8(b) und 8(c) Ergebnisse, wenn die zweite Erwärmungstemperatur 790°C, 720°C bzw. 650°C beträgt. 9 zeigt Ergebnisse für ein Sensorelement, bei dem der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 900 cm^-1 beträgt. Genauer gesagt, zeigen 9(a), 9(b) und 9(c) Ergebnisse, wenn die zweite Erwärmungstemperatur 720°C, 650°C und 580°C beträgt. In jedem Fall wird die Bewertung für drei verschiedene Werte von 300 mV, 400 mV und 500 mV Spannung durchgeführt, die zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 60 und der außenseitigen Pumpelektrode 70 durch die Pumpenstromquelle 120 bereitgestellt werden.
In der in 8 dargestellten Konfiguration, in der der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 relativ klein ist, wird keine ausreichende Pumpleistung erreicht (Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit des Sauerstoffpumpstroms Ip ist nicht ausreichend), wenn die zweite Erwärmungstemperatur kleiner als 700°C ist. In der in 9 dargestellten Konfiguration, in der der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 relativ groß ist, wird jedoch eine ausreichende Pumpleistung erreicht, auch wenn die zweite Erwärmungstemperatur 580°C beträgt. Dies deutet darauf hin, dass die zweite Erwärmungstemperatur durch Erhöhen des Diffusionswiderstandes des Gaseinführungsteils 40 verringert werden kann, d.h. die zweite Erwärmungstemperatur wird gemäß dem Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 bestimmt.
So muss beispielsweise die zweite Erwärmungstemperatur 700°C bis 850°C betragen, wenn der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, 250 cm^-1 bis 500 cm^-1 beträgt, aber die zweite Erwärmungstemperatur reicht bei 580°C bis 700°C, wenn der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, 500 cm^-1 bis 900 cm^-1 beträgt. Die Messzelle Cs reicht aus, um bei dem Abstand zwischen den Zellen L entsorgt zu werden, die mit der Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur und der ersten Erwärmungstemperatur übereinstimmt. Aber, wenn der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, 2000 cm^-1 überschreitet, nimmt die absolute Menge des Messgases, das das Innenraum 50 erreicht, stark ab, und der Sauerstoffpumpstrom Ip wird nicht ausreichend erhalten, was nicht bevorzugt ist.
Wie vorstehend beschrieben, unterscheidet sich das Sensorelement 101C vom Sensorelement 101B in der Größe des Diffusionswiderstandes, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, der Dispositionsbeziehung zwischen der Heizvorrichtung 81 und der Messzelle Cs und der zweiten Erwärmungstemperatur, ist aber gleich wie die Sensorelemente 101A und 101B, indem die Zellen so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen den Zellen L mit der Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur und der ersten Erwärmungstemperatur übereinstimmt, und somit die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt werden kann, während die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur niedriger als die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt wird, wobei nur eine einzige Heizvorrichtung 81 verwendet wird. Dementsprechend kann der Gassensor 100C einschließlich des Sensorelements 101C analog zu den Gassensoren 100A und 100B gleichzeitig parallel die Sensorausgang-EMF an der Messzelle Cs und den Sauerstoffpumpstrom Ip als Ausgang entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die an der Sauerstoffpumpzelle Cp erhalten wird, erfassen. Selbst wenn also bei der Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas basierend auf der Sensorausgang-EMF die Sauerstoffkonzentration im Messgas variiert, kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas durch eine Korrektur basierend auf dem Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip genau bestimmt werden.
Zusätzlich ist im Sensorelement 101C das Gaseinführungsteil 40 so konfiguriert, dass der Diffusionswiderstand, der dem Messgas bereitgestellt wird, in einem Bereich zunimmt, in dem keine Schwierigkeiten bei der Erfassung des Sauerstoffpumpstroms Ip auftreten, der für die Berechnung der Sauerstoffkonzentration notwendig ist. Dementsprechend kann im Gassensor 100C einschließlich des Sensorelements 101C, obwohl die zweite Erwärmungstemperatur niedrig eingestellt ist und die Messzelle Cs näher an der Sauerstoffpumpzelle Cp angeordnet ist als in einem Fall, in dem der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 klein ist, die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas genau bestimmt werden, wobei eine Variation in der Sauerstoffkonzentration berücksichtigt wird.
Die Abnahme der zweiten Erwärmungstemperatur führt zur Verminderung einer thermischen Belastung am Sensorelement 101 und somit trägt ein Aspekt, in dem der Diffusionswiderstand des Gaseinführungsteils 40 erhöht ist, wie im Sensorelement 101C, zur Verbesserung der Haltbarkeit des Sensorelements 101 und damit zu einer längeren Lebensdauer bei.
Wie in 4 exemplarisch dargestellt, kann das Gaseinführungsteil 40 verschiedene Arten von Konfigurationen aufweisen, und das Verfahren zur Erhöhung des Diffusionswiderstandes, der dem Messgas am Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, beschränkt sich nicht unbedingt auf die Bereitstellung der Diffusionssteuerteile 41. So kann beispielsweise der Diffusionswiderstand durch Anpassung der Form und Größe des Gaseinführungsteils 40 erhöht werden. Somit stellt das Gaseinführungsteil 40 einschließlich der Diffusionssteuerteile 41 nicht notwendigerweise einen größeren Diffusionswiderstand für das Messgas dar als das Gaseinführungsteil 40, das kein Diffusionssteuerteil 41 enthält.
In einem Sensorelement mit einer Konfiguration wie dem Sensorelement 101C kann die zweite Erwärmungstemperatur so eingestellt werden, dass sie der Erwärmungstemperatur entspricht, die im Sensorelement 101B benötigt wird, aber in diesem Fall muss die Messzelle Cs auf die gleiche Weise wie im Sensorelement 101B angeordnet werden.
Wie vorstehend beschrieben, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Sensorelement, das einem Gassensor bereitgestellt wird, eine Messzelle als Gemischtpotenzialzelle, die konfiguriert ist, um eine Detektionsgaskomponente in Messgas zu erfassen, und eine Sauerstoffpumpzelle, die konfiguriert ist, um Sauerstoff in dem Messgas abzupumpen, in einem Abstand angeordnet, mit dem die Zellen unter Verwendung einer Heizvorrichtung auf die jeweiligen Erwärmungstemperaturen, in denen die Zellen geeignet arbeiten, erwärmt werden. Der Gassensor einschließlich des Sensorelements kann gleichzeitig parallel einen Sensorausgang an der Messzelle und einen Pumpstrom als Ausgang entsprechend der Sauerstoffkonzentration im Messgas, die an der Sauerstoffpumpzelle erhalten wird, erfassen. Selbst wenn also bei der Bestimmung der Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas basierend auf dem Sensorausgang die Sauerstoffkonzentration im Messgas variiert, kann die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas durch eine Korrektur basierend auf dem Wert des Pumpstroms genau bestimmt werden. Dementsprechend kann der Gassensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Einfluss von Sauerstoff im Messgas hervorragend entfernen, um die Konzentration der Detektionsgaskomponente genau zu bestimmen.
Mittel zum Erhalten einer Ausgabe in Bezug auf die Detektionsgaskomponente und Mittel zum Erhalten von Informationen in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration im Messgas können getrennt voneinander bereitgestellt werden, und die Ausgabe der ersten kann basierend auf den von der letzteren erhaltenen Informationen korrigiert werden, wodurch die Konzentration der Detektionsgaskomponente bestimmt wird. In diesem Fall wird die Messgenauigkeit jedoch möglicherweise durch z.B. die Differenz in der Messgasatmosphäre aufgrund der Differenz zwischen den Einbaulagen beider Mittel und der Erzeugung einer Korrekturzeitverzögerung negativ beeinflusst.
Der Gassensor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in der Messgenauigkeit im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der jeder Ausgang separat erfasst wird, hervorragend, da der einzelne Gassensor die beiden Ausgänge des Sensorausgangs und des Pumpstroms gleichzeitig parallel aus einer Messgasatmosphäre beziehen kann.
Darüber hinaus kann eine Temperatur, bei der die Sauerstoffpumpzelle arbeitet, durch Erhöhen des Diffusionswiderstandes, der dem Messgas bereitgestellt wird, verringert werden, der durch eine Gaseintrittsöffnung als Einführungspfad angelegt wird, durch den das Messgas in den Innenraum bereitgestellt zum Sensorelement geleitet wird, um Sauerstoff aus dem Messgas abzupumpen. In diesem Fall kann die zweite Erwärmungstemperatur gesenkt werden, um eine thermische Belastung des Sensorelements zu vermindern, was zu einer Verbesserung der Haltbarkeit des Sensorelements und damit einer längeren Lebensdauer des Sensorelements führt.
<Beispiele>
Neun Arten der Gassensoren 100 (Proben 1-1 bis 1-3, 2-1 bis 2-3 und 3-1 bis 3-3), bei denen die Größe des Diffusionswiderstandes dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 und der Abstand zwischen den Zellen L in drei verschiedenen Stufen variiert wurden, wurden hergestellt und die Betriebsqualität der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Messzelle Cs für jede Probe bewertet. Anschließend wurden die einzelnen Bewertungsergebnisse zusammengefasst, um das Vorhandensein von Bedingungen zu klären, unter denen die Gassensoren 100 angemessen arbeiten.
Insbesondere wurde die Bewertung an den Gassensoren 100 mit jeweils einer Konfiguration durchgeführt, in der das Gaseinführungsteil 40 des Sensorelements 101 die beiden Diffusionssteuerteile 41 (41A und 41B) beinhaltet, wie in den 2 und 3 dargestellt. Die Abmessungen des Sensorelements 101 betrugen 2,3 mm, 1,15 mm und 0,64 mm, in der Element-Längsrichtung, der Dickenrichtung (einschließlich der Oberflächenschutzschicht) bzw. der Breitenrichtung. Die Abmessung der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung betrug 2,3 mm, die Abmessung der Messzelle Cs in der Element-Längsrichtung war 3,1 mm und die Abmessung der Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung war 9,3 mm.
Die Größe des Diffusionswiderstandes, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 durch die Diffusionssteuerteile 41 bereitgestellt wurde, wurde in drei Stufen von 250, 500 und 900 cm^-1 unterschieden.
Der Abstand zwischen den Zellen L wurde in drei Stufen von 2 mm, 4 mm und 7 mm unterschieden. Es wurde vorab geprüft, dass bei der Einstellung des Abstands zwischen den Zellen L auf diese Werte die Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur T2 und der ersten Erwärmungstemperatur T1 100°C, 200°C bzw. 300°C betrug.

Tabelle 1 listet die Ergebnisse der Bewertung der Betriebsqualität der Sauerstoffpumpzelle Cp auf. Die Bewertung wurde für die zweite Erwärmungstemperatur T2 bei fünf verschiedenen Stufen von 500°C, 600°C, 700°C, 800°C und 850°C unter Verwendung einer Vielzahl von Modellgasen durchgeführt, die jeweils C₂H₄ bei 1000 ppm als Detektionsgaskomponente, Sauerstoff bei 1%, 5%m, 10%, 20%, Wasserdampf bei 5% und Stickstoff als Rest enthalten. In der Bewertung betrug die Strömungsgeschwindigkeit des Messgases an einer Stelle, an der das Sensorelement angeordnet ist, für jede Probe 20 m/s und die Temperatur des Messgases war 250°C.
[Tabelle 1]

Probe		1-1	1-2	1-3	2-1	2-2	2-3	3-1	3-2	3-3
Abstand zwischen den Zellen L		2	4	7	2	4	7	2	4	7
(mm)
T2-T1 (°C)		100	200	300	100	200	300	100	200	300
Grenzstromwert (mA)		3			1,5			0,35
T2 (°C)	500	×	×	×	×	×	×	△	△	△
	600	×	×	×	△	△	△	○	○	○
	700	△	△	△	○	○	○	○	○	○
	800	○	○	○	○	○	○	○	○	○
	850	○	○	○	○	○	○	○	○	○

Tabelle 1 listet die Ergebnisse der Bewertung zusammen mit dem Abstand zwischen den Zellen L, dem Zustand der Temperaturdifferenz T2 - T1 entsprechend des Abstands zwischen den Zellen L und dem Grenzstromwert (im Folgenden als Bezugsgrenzstromwert bezeichnet) jeder Probe auf, wenn die Sauerstoffkonzentration 20% beträgt.
Der Bezug der Bewertung war wie folgt. Es wurde ausgewertet, dass die Sauerstoffpumpzelle Cp hervorragend funktioniert, wenn der Grenzstromwert für alle Messgase, die Sauerstoff in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten, erreicht wird. In Tabelle 1 ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses ein Kreis für eine Bedingung (Kombination aus jeder Probe und jeder zweiten Erwärmungstemperatur T2) vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde. Es wurde ausgewertet, dass die Sauerstoffpumpzelle Cp nicht hervorragend funktioniert, wenn der Wert des Sauerstoffpumpstroms Ip den Grenzwert für ein Messgas nicht erreicht. In Tabelle 1 ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses ein Kreuz für eine Bedingung vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde. Wenn die Bewertung zwischen den vorstehenden Bewertungen so erfolgt ist, dass die Sauerstoffpumpzelle Cp mit geringer Genauigkeit arbeitet, ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 1 ein Dreieck für eine Bedingung vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde.
Ausgehend von den in Tabelle 1 aufgeführten Ergebnissen funktioniert die Sauerstoffpumpzelle Cp mit abnehmendem Wert des Grenzstromwertes (mit zunehmendem Diffusionswiderstand am Gaseinführungsteil 40) auch bei niedriger zweiter Erwärmungstemperatur T2 hervorragend.
Der Grund, warum der Bezugsgrenzstromwert und das Ergebnis der Bestimmung über den Betrieb der Sauerstoffpumpzelle Cp zwischen den Proben 1-1 bis 1-3, zwischen den Proben 2-1 bis 2-3 und zwischen den Proben 3-1 bis 3-3 gleich sind, ist, dass die Bewertung nicht von der Disposition der Messzelle Cs abhängt. Der Bezugsgrenzstromwert hat eine Korrelation mit dem Wert des Diffusionswiderstandes, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, und kann somit als Parameter verwendet werden, der den Grad des Diffusionswiderstandes anzeigt.

Tabelle 2 listet die Ergebnisse der Bewertung der Qualität des Betriebs der Messzelle Cs auf. Die Bewertung wurde für die zweite Erwärmungstemperatur T2 in fünf Stufen von 500°C, 600°C, 700°C, 800°C und 850°C unter Verwendung einer Vielzahl von Modellgasen durchgeführt, die jeweils C₂H₄ als Detektionsgaskomponente bei 100 ppm, 300 ppm, 500 ppm, 700 ppm, 1000 ppm, 2000 ppm, 4000 ppm, 4000 ppm, Sauerstoff bei 10%, Wasserdampf bei 5% und Stickstoff als Rest enthalten. In der Bewertung betrug die Strömungsgeschwindigkeit des Messgases an einer Stelle, an der das Sensorelement angeordnet ist, für jede Probe 20 m/s und die Temperatur des Messgases war 250°C. [Tabelle 2]

Probe		1-1	1-2	1-3	2-1	2-2	2-3	3-1	3-2	3-3
Abstand zwischen den Zellen L		2	4	7	2	4	7	2	4	7
(mm)		2	4	7	2	4	7	2	4	7
T2-T1 (°C)		100	200	300	100	200	300	100	200	300
Grenzstromwert (mA)		3			1,5			0,35
T2 (°C)	500	△	×	×	△	×	×	△	×	×
	600	○	△	×	○	△	×	○	△	×
	700	△	○	△	△	○	△	△	○	△
	800	×	△	○	×	△	○	×	△	○
	850	×	×	○	×	×	○	×	×	○

Tabelle 2 listet die Ergebnisse der Bewertung zusammen mit dem Abstand zwischen den Zellen L, dem Zustand der Temperaturdifferenz T2 - T1 entsprechend des Abstands zwischen den Zellen L und dem Bezugsgrenzstromwert jeder Probe auf. Der Wert der ersten Erwärmungstemperatur T1, wenn die zweite Erwärmungstemperatur T2 einer der vorstehend beschriebenen Werte ist, wird aus dem Wert der Temperaturdifferenz T2 - T1 angegeben.
Der Bezug der Bewertung war wie folgt. Es wurde ausgewertet, dass die Messzelle Cs hervorragend funktioniert, wenn der Sensorausgang mit der Konzentration von C₂H₄ über den gesamten Konzentrationsbereich von C₂H₄ monoton ansteigt. In Tabelle 2 ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses ein Kreis für eine Bedingung (Kombination aus jeder Probe und jeder zweiten Erwärmungstemperatur T2) vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde. Es wurde ausgewertet, dass die Messzelle Cs nicht hervorragend funktioniert, wenn sich der Sensorausgang mit der Konzentration von C₂H₄ zumindest teilweise im Konzentrationsbereich von C₂H₄ nicht ändert. In Tabelle 2 ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses ein Kreuz für eine Bedingung vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde. Wenn die Bewertung zwischen den vorstehenden Bewertungen so durchgeführt wurde, dass die Messzelle Cs funktioniert, aber die Änderung des Sensorausgangs mit der Konzentration von C₂H₄ nicht ausreicht, ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 2 ein Dreieck für eine Bedingung vorgesehen, unter der eine solche Bewertung erhalten wurde.
Ausgehend von den in Tabelle 2 aufgeführten Ergebnissen muss für einen exzellenten Betrieb der Messzelle Cs der Abstand zwischen den Zellen L erhöht werden, um eine größere Temperaturdifferenz T2 - T1 zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur T2 und der ersten Erwärmungstemperatur T1 aufrechtzuerhalten, da die zweite Erwärmungstemperatur T2 als eine Temperatur, bei der die Sauerstoffpumpzelle Cp entsprechend arbeitet, ansteigt. Mit anderen Worten, die in Tabelle 2 aufgeführten Ergebnisse zeigen, dass die Messzelle Cs unabhängig von der zweiten Erwärmungstemperatur T2 hervorragend funktioniert, solange die Messzelle Cs so angeordnet ist, dass die erste Erwärmungstemperatur etwa 500°C bis 550°C beträgt.

Tabelle 3 fasst die in Tabelle 1 aufgeführten Bewertungsergebnisse und die in Tabelle 2 aufgeführten Bewertungsergebnisse zusammen.
[Tabelle 3]

Probe		1-1	1-2	1-3	2-1	2-2	2-3	3-1	3-2	3-3
Abstand zwischen den Zellen L		2	4	7	2	4	7	2	4	7
(mm)
T2-T1 (°C)		100	200	300	100	200	300	100	200	300
Grenzstromwert (mA)		3			1,5			0,35
T2 (°C)	500	×	×	×	×	×	×	△	×	×
	600	×	×	×	△	△	×	○	△	×
	700	△	△	△	△	○	△	△	○	△
	800	×	△	○	×	△	○	×	△	○
	850	×	×	○	×	×	○	×	×	○

Tabelle 3 listet die Bewertungsergebnisse zusammen mit dem Abstand zwischen den Zellen L, dem Zustand der Temperaturdifferenz T2 - T1 entsprechend des Abstands zwischen den Zellen L und dem Bezugsgrenzstromwert jeder Probe auf.
Jede Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 3 hat eine Markierung der niederen Bewertung zwischen zwei Markierungen (einen Kreis, ein Kreuz oder ein Dreieck), die in den Zellen der gleichen Bedingung in den Tabellen 1 und 2 bereitgestellt werden. Somit ist in jeder Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 3 ein Kreis nur dann vorgesehen, wenn in beiden entsprechenden Zellen des Bewertungsergebnisses in den Tabellen 1 und 2 Kreise vorgesehen werden. Wenn in mindestens einer der Zellen ein Kreuz vorgesehen ist, ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 3 ein Kreuz vorgesehen. Wenn Dreiecke in den beiden Tabellen 1 und 2 vorgesehen sind oder wenn ein Dreieck und ein Kreis in den Tabellen 1 und 2 vorgesehen sind, ist in der Zelle des Bewertungsergebnisses in Tabelle 3 ein Dreieck vorgesehen. Dies deutet darauf hin, dass der Gassensor 100 hervorragend unter einer Bedingung arbeitet, für die in Tabelle 3 ein Kreis vorgesehen ist, d.h. die Konzentration der Detektionsgaskomponente kann durch Korrektur des Einflusses von Sauerstoff genau bestimmt werden.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, sind unter bestimmten Bedingungen Kreise in Zellen des Bewertungsergebnisses vorgesehen. Dies deutet darauf hin, dass es möglich ist, unter vorbestimmter Bedingung einen Gassensor mit der Messzelle Cs und der Sauerstoffpumpzelle Cp mit voneinander verschiedenen bevorzugten Betriebstemperaturen und einem Sensorelement zu erreichen, das konfiguriert ist, um basierend auf dem Pumpstromwert, der von der Sauerstoffpumpzelle Cp ausgegeben wird, die Konzentration der Detektionsgaskomponente, die basierend auf dem Sensor von der Messzelle Cs bestimmt wird, zu korrigieren.
Genauer gesagt, unter den drei Proben 1-1 bis 1-3, in denen der Bezugsgrenzstromwert bei 3 mA relativ groß ist, d.h. Proben, in denen der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, relativ klein ist, wurde ein ausgezeichneter Betrieb nur dann bewertet (ein Kreis ist in einer Bewertungsergebniszelle vorgesehen), wenn die zweite Erwärmungstemperatur T2 800°C und 850°C in der Probe 1-3 betrug, in der der Abstand zwischen den Zellen L 7 mm war und die Temperaturdifferenz T2 - T1 300°C betrug.
Unter den Proben, in denen der Bezugsgrenzstromwert 1,5 mA betrug, wurde für die Probe 2-3, in der der Abstand zwischen den Zellen L 7 mm betrug, ein gleiches Ergebnis wie für die Probe 1-3 erhalten, und es wurde ein ausgezeichneter Betrieb bewertet, wenn die zweite Erwärmungstemperatur T2 700°C in der Probe 2-2 betrug, in der der Abstand zwischen den Zellen L 4 mm war und die Temperaturdifferenz T2 - T1 200°C betrug.
Darüber hinaus wurde unter den Proben, in denen der Bezugsgrenzstromwert 0,35 mA betrug, ein Ergebnis wie in Probe 1-3, 2-3 für Probe 3-3, ein Ergebnis wie in Probe 2-2 für Probe 3-2 erhalten, und ein ausgezeichneter Betrieb wurde bewertet, wenn die zweite Erwärmungstemperatur T2 600°C in Probe 3-1 betrug, in der der Abstand zwischen den Zellen L 2 mm war und die Temperaturdifferenz T2 - T1 100°C betrug.
Da also der Bezugsgrenzstromwert abnimmt, d.h. da der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, relativ groß wird, dehnt sich ein Zustandsbereich, in dem der Gassensor 100 zum exzellenten Betrieb bestimmt ist, zu einer Seite aus, auf der die Temperaturdifferenz T2 - T1 auf der Niedertemperaturseite der zweiten Erwärmungstemperatur T2 kleiner ist.
Aus diesem Ergebnis ergibt sich, dass, wenn die erste Erwärmungstemperatur T1 im ersten Temperaturbereich im Wesentlichen konstant ist, der Bereich der zweiten Erwärmungstemperatur im zweiten Temperaturbereich gemäß dem Diffusionswiderstand bestimmt wird, der dem Messgas durch das Gaseinführungsteil 40 bereitgestellt wird, und es ermöglicht wird, die zweite Erwärmungstemperatur T2 durch Erhöhung des Diffusionswiderstandes zu verringern.
10 ist ein charakteristisches Diagramm des Gassensors 100, das durch Hinzufügen von Daten für T2 - T1 = 50°C und 400°C zu den in Tabelle 3 aufgeführten Ergebnissen erzeugt wird. In 10 stellt die horizontale Achse die Temperaturdifferenz T2 - T1 dar und die vertikale Achse stellt den Bezugsgrenzstromwert dar, und ein Kreis ist für eine Kombination aus dem Wert der Temperaturdifferenz T2 - T1 und dem Wert des Bezugsgrenzstromwerts vorgesehen, mit dem der Gassensor 100 zu einem exzellenten Betrieb bestimmt wurde, ein Kreuz ist für eine Kombination vorgesehen, mit der der Gassensor 100 zu einem nicht exzellenten Betrieb bestimmt wurde, und ein Dreieck ist für eine Kombination vorgesehen, die zu einer Kombination bestimmt wurde, die zwischen den Bestimmungen liegt.
10 zeigt, dass der Gassensor 100 im Bereich von y ≤ 0,015x (Bereich unterhalb der Geraden C1) arbeiten kann, wobei x einen Wert auf der horizontalen Achse darstellt und y einen Wert auf der vertikalen Achse darstellt, und der Gassensor 100 hervorragend im Bereich von y ≤ 0,0106x (Bereich unterhalb der Geraden C2) arbeitet.
< Modifizierungen>
In den in den 1 bis 3 dargestellten Gassensoren 100A bis 100C ist die Messelektrode 10 auf der Vorderfläche Sa des Sensorelements 101 vorgesehen und die Bezugselektrode 20 ist im Bezugsgaseinleitungsraum 30 vorgesehen, die auf dem Sensorelement 101 vorgesehen ist, aber die Dispositionsarten der Messelektrode 10 und der Bezugselektrode 20 sind nicht darauf beschränkt. Die 11 bis 13 sind Diagramme, die exemplarisch die Gassensoren 100 (100D bis 100F) nach Modifizierungen darstellen, bei denen sich die Anordnung der Messelektrode 10 oder der Bezugselektrode 20 von der der Gassensoren 100A bis 100C unterscheiden.
In jedem der in den 11 und 12 dargestellten Gassensoren 100 (100D und 100E) ist zwischen der dritten Festelektrolytschicht 3 und der vierten Festelektrolytschicht 4 des Sensorelements 101 (101D oder 101E) eine mit dem Bezugsgaseinleitungsraum 30 kommunizierte Bezugsgaseinleitungsschicht 31 vorgesehen, und die Bezugselektrode 20 ist in der Bezugsgaseinleitungsschicht 31, nicht aber im Bezugsgaseinleitungsraum 30 vorgesehen. Die Bezugsgaseinleitungsschicht 31 besteht beispielsweise aus porösem Aluminiumoxid.
Insbesondere beinhaltet das in 11 dargestellte Sensorelement 101D neben der in 1 dargestellten Konfiguration des Sensorelements 101A auch die Bezugsgaseinleitungsschicht 31.
Das in 12 dargestellte Sensorelement 101E beinhaltet neben der in 3 dargestellten Konfiguration des Sensorelements 101C auch die Bezugsgaseinleitungsschicht 31. In dem in 12 dargestellten Sensorelement 101E ist der Existenzbereich der Heizvorrichtung 81 kürzer als in dem in 3 dargestellten Sensorelement 101C, aber das Sensorelement 101E ist das gleiche wie das Sensorelement 101C, da die Messzelle Cs in der Zeichnung über der Heizvorrichtung 81 angeordnet ist. Dies deutet darauf hin, dass auch im in 12 dargestellten Sensorelement 101E der Diffusionswiderstand am Messgas am Gaseinführungsteil 40 erhöht wird, um dadurch die zweite Erwärmungstemperatur zu senken, so dass die Messzelle Cs an der Position unter der ersten Erwärmungstemperatur arbeiten können.
In dem in 13 dargestellten Gassensor 100 (100F), ähnlich wie in den in 11 und 12 dargestellten Sensorelementen 101 (101D und 101E) der Gassensoren 100 (100D und 100E), beinhaltet das Sensorelement 101 (101F) die Bezugsgaseinleitungsschicht 31 und die Bezugselektrode 20 ist in der Bezugsgaseinleitungsschicht 31 vorgesehen. Zusätzlich ist zwischen der vierten Festelektrolytschicht 4 und der sechsten Festelektrolytschicht 6 ein zweiter Innenraum 55 als vom Innenraum 50 getrennter Raum vorgesehen. Der zweite Innenraum 55 ist mit einem Außenraum über eine Gaseintrittsöffnung 45 verbunden, die durch die sechste Festelektrolytschicht 6 hindurchgeht. Im Gassensor 100F ist die Messelektrode 10 im zweiten Innenraum 55 angeordnet, jedoch nicht auf der Vorderfläche Sa.
In dem Gassensor 100F mit einer solchen Konfiguration wird die Konzentration der Detektionsgaskomponente für Messgas bestimmt, das über die Gaseintrittsöffnung 45 in den zweiten Innenraum 55 eingeleitet wird.
In den Sensorelementen 101D bis 101F sind, ähnlich wie bei den Sensorelementen 101A bis 101C, beide Zellen so angeordnet, dass der Abstand zwischen den Zellen L mit der Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Erwärmungstemperatur und der ersten Erwärmungstemperatur übereinstimmt, und so wird es ermöglicht, die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur zu erwärmen, während die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur niedriger als die zweite Erwärmungstemperatur erwärmt wird, wobei nur eine Heizvorrichtung 81 verwendet wird. Dementsprechend können die in den 11 bis 13 dargestellten Gassensoren 100D bis 100F ähnlich wie die in den 1 bis 3 dargestellten Gassensoren 100A bis 100C die Konzentration der Detektionsgaskomponente im Messgas genau berechnen, indem sie die Sensorausgang-EMF an der Messzelle Cs basierend auf den Sauerstoffpumpen-Ip an der Sauerstoffpumpzelle Cp korrigieren, wenn die Sauerstoffkonzentration im Messgas variiert.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird eine Konfiguration beschrieben, bei der der Dispositionsbereich der Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung mindestens den Existenzbereich der Sauerstoffpumpzelle Cp in der Element-Längsrichtung beinhaltet. Auch wenn sich das Dispositions-Verhältnis zwischen der Heizvorrichtung 81 und der Sauerstoffpumpzelle Cp von dem in dieser Konfiguration unterscheidet, kann der Gassensor 100 dennoch hervorragend funktionieren, solange das Sensorelement 101 konfiguriert ist, um die Messzelle Cs auf die erste Erwärmungstemperatur und die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die zweite Erwärmungstemperatur zu erwärmen.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erstreckt sich im Sensorelement 101 in länglicher Platten- oder Stabform die Heizvorrichtung 81 in der Element-Längsrichtung, die Heizvorrichtung 81 und die Sauerstoffpumpzelle Cp sind in der Element-Dickenrichtung gestapelt, und die Sauerstoffpumpzelle Cp und die Messzelle Cs sind in der Element-Längsrichtung voneinander getrennt, aber das Dispositions-Verhältnis zwischen der Heizvorrichtung 81, der Sauerstoffpumpzelle Cp und der Messzelle Cs ist darauf nicht beschränkt. Die Messzelle Cs kann in der Element-Dickenrichtung gestapelt werden, solange die Messzelle Cs und die Sauerstoffpumpzelle Cp auf die erste Erwärmungstemperatur bzw. die zweite Erwärmungstemperatur durch Erwärmung mit der Heizvorrichtung 81 erwärmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016050846 A [0011]
JP 2002540400 PCT [0011]
JP 10019843 A [0011]

Claims

Gassensor vom Mischpotenzialtyp, der ein Sensorelement enthält, das aus einem Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit gebildet ist und konfiguriert ist, um eine Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente in Messgas zu messen, wobei das Sensorelement beinhaltet: einen Innenraum, der mit einem Außenraum durch ein Gaseinführungsteil verbunden ist, das auf einer führenden Endteilseite vorgesehen ist und in das das Messgas aus dem Außenraum eingeleitet wird; eine Messelektrode, die an einem Teil des Sensorelements vorgesehen ist, wobei die Messelektrode mit dem Messgas kontaktierbar ist; einen Bezugsgaseinleitungsraum, in den Bezugsgas eingeleitet wird; eine Bezugselektrode, die in dem Bezugsgaseinleitungsraum vorgesehen ist; eine Messzelle, die die Messelektrode und die Bezugselektrode beinhaltet; eine Sauerstoffpumpzelle, die eine innenseitige Pumpelektrode, die dem Innenraum zugewandt ausgebildet ist, eine außenseitige Pumpelektrode, die auf einer Außenfläche des Sensorelements ausgebildet ist, und den Festelektrolyten zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode, enthält und die konfiguriert ist, um Sauerstoff in dem Innenraum abzupumpen, wenn eine vorbestimmte Sauerstoffpumpspannung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode angelegt ist; und eine Heizvorrichtung, die in der Lage ist, mindestens die Messzelle und die Sauerstoffpumpzelle zu erwärmen, wobei der Gassensor weiter beinhaltet: eine Sauerstoffpumpenstromquelle, die konfiguriert ist, um die vorbestimmte Sauerstoffpumpenspannung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode und der außenseitigen Pumpelektrode anzulegen; Konzentrationsspezifikationsmittel, die konfiguriert sind, um die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente in dem Messgas zu spezifizieren, und während das Messgas mit der Messelektrode in Kontakt steht und in den Innenraum eingeführt wird, die Heizvorrichtung die Messezelle auf eine erste Erwärmungstemperatur von 400°C oder höher und 600°C oder niedriger erwärmt und die Sauerstoffpumpzelle auf eine zweite Erwärmungstemperatur von 580°C oder höher und 850°C oder niedriger in einem Temperaturbereich erwärmt, der gemäß einem Diffusionswiderstand bestimmt wird, der dem Messgas durch das Gaseinleitungsteil bereitgestellt wird, und die Sauerstoffpumpzelle Sauerstoff in dem Messgas in dem Innenraum abpumpt, wobei das Konzentrationsspezifikationsmittel die Konzentration einer Messzielgaskomponente in dem Messgas spezifiziert, basierend auf: einem Sensorausgangswert als Potenzialdifferenz, die zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode gemäß der Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente in dem Messgas auftritt; und der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas, die basierend auf einer Größe eines Pumpstroms, der zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode fließt, wenn Sauerstoff in dem Messgas in dem Innenraum durch die Sauerstoffpumpzelle abgepumpt wird, spezifiziert ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffpumpzelle und die Heizvorrichtung in einer Dickenrichtung des Sensorelements gestapelt sind, sich die Heizvorrichtung in Längsrichtung des Sensorelements erstreckt, und die Messzelle an einer Position angeordnet ist, an der die Heizvorrichtung in Längsrichtung vorhanden ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffpumpzelle und die Heizvorrichtung in einer Dickenrichtung des Sensorelements gestapelt sind, sich die Heizvorrichtung in Längsrichtung des Sensorelements erstreckt, und die Messzelle an einer Position angeordnet ist, an der die Heizvorrichtung nicht in Längsrichtung vorhanden ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gaseinführungsteil ein Diffusionssteuerteil beinhaltet.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Diffusionswiderstand, der dem Messgas durch das Gaseinleitungsteil bereitgestellt wird, 500 cm^-1 oder mehr und 900 cm^-1 oder weniger beträgt.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei die zweite Erwärmungstemperatur 580°C oder höher und 700°C oder niedriger ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Erwärmungstemperatur 500°C oder höher und 550°C oder niedriger ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Messelektrode auf einer Vorderfläche des Sensorelements vorgesehen ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement weiter beinhaltet: einen zweiten Innenraum, der mit einem Außenraum durch eine Gaseintrittsöffnung verbunden ist, die an einer Vorderfläche des Sensorelements vorgesehen ist und in die das Messgas aus dem Außenraum eingeleitet wird; und die Messelektrode in dem zweiten Innenraum vorgesehen ist.