DE112018005261T5 - Gassensor - Google Patents

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Haruki Kondo
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Abstract

Ein Gassensor umfasst einen Sensorelementkörper mit einer porösen Schicht, die auf einer Außenfläche vorgesehen ist, und eine Leistungszuführvorrichtung, welche ein Heizelement, das sich in dem Sensorelementkörper befindet, mit Leistung versorgt. Der Leistungsbetrag, der durch die Leistungszuführvorrichtung auf das Heizelement aufgebracht wird, wenn eine Gaserfassung durch den Gassensor in einem stationären Zustand durchgeführt wird, wird als P [W] bezeichnet, das Volumen des Längenbereichs einer im Sensorelementkörper vorgesehenen Heizregion des Heizelements wird als V [mm] bezeichnet und die aufgebrachte Leistungsdichte wird als X [W/mm] bezeichnet, wobei X einem durch P/V ausgedrückten Wert entspricht. In diesem Fall ist die folgende Beziehung (R1) zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y [µm] der porösen Schicht 37 erfüllt:

Description

  • Diese Anmeldung basiert auf der am 31. Oktober 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung mir der Nr. 2017-210404 , deren Inhalt hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor, bei dem eine Beziehung zwischen der mittleren Dicke einer porösen Schicht, welche einen Sensorelementkörper bedeckt, und einer Leistung, die auf ein Heizelement in dem Sensorelementkörper aufgebracht wird, definiert ist.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Ein Gassensor wird beispielsweise verwendet, um die Konzentration von Sauerstoff oder die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente im Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine zu erfassen. Ein laminierter Sensorelementkörper, in dem eine Festelektrolytschicht, die mit einer Erfassungselektrode und einer Referenzelektrode versehen ist, und ein Heizelement, das bei Erregung Wärme erzeugt, integriert sind, wird häufig als ein Gassensor verwendet. Außerdem sind eine Erfassungsgaskammer mit einer darin angeordneten Erfassungselektrode und eine Diffusionswiderstandsschicht zum Einführen eines Erfassungsgases in die Erfassungsgaskammer benachbart zueinander auf einer der Hauptoberflächen der Festelektrolytschicht im Sensorelementkörper ausgebildet.
  • Der Sensorelementkörper ist mit einer porösen Schicht versehen, die zumindest die freiliegende Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht bedeckt oder die gesamte Peripherie einschließlich der freiliegenden Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht bedeckt. Die poröse Schicht dient zum Schutz der Elektrode vor für diese giftigen Substanzen, Wasser usw., oder zum Schutz des Sensorelementkörpers vor verstreutem Wasser. Beispiele für Gassensorelemente, die einem solchen laminierten Sensorelementkörper entsprechen, sind in PTL 1 und PTL 2 beschrieben.
  • Da bei dem Gassensorelement von PTL 1 die Oberflächenschutzschicht (poröse Schicht) bei der hohen Temperatur, bei welcher die Festelektrolytschicht aktiviert wird, wasserabweisend ist, wird eine Dicke der Oberflächenschutzschicht in dem Bereich von 20 bis 150 µm beschrieben. Ferner wird das Gassensorelement von PTL 2 so beschrieben, dass dieses eine poröse Schutzschicht (poröse Schicht) aufweist, die in einem Bereich eines laminierten Körpers ausgebildet ist, der auf einen Temperaturzustand von 500 °C oder mehr eingestellt wird, wenn die Temperatur durch einen Heizer gesteuert wird.
  • Literatur zum Stand der Technik
  • Patentliteratur
    • [PTL 1] JP 2011-117935 A
    • [PTL 2] JP 2016-48230 A
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Bei den in den Patentdokumenten PTL 1, PTL 2. usw. beschriebenen konventionellen Gassensoren oder Gassensorelementen ist die Dicke der porösen Schicht auf der Grundlage der Berücksichtigung einer frühzeitigen Aktivierung des Gassensorelements, dem Verhindern der Erzeugung von Rissen durch eine Befeuchtung usw. bestimmt. Zu den wesentlichen Leistungsanforderungen eines Gassensors gehören jedoch die Erfassungsgenauigkeit und das Ansprechverhalten als Sensorausgangscharakteristik. Diese Erfassungsgenauigkeit wird durch die Temperatur des Erfassungsabschnitts beeinflusst, der die Elektroden und die Teile der Festelektrolytschicht, die zwischen den Elektroden im Sensorelementkörper angeordnet sind, umfasst. Im Allgemeinen werden mit steigender Temperatur des Erfassungsabschnitts die Abbaureaktionen von Sauerstoff und dergleichen im Erfassungsabschnitt gefördert, und die Erfassungsgenauigkeit und das Ansprechverhalten nehmen tendenziell zu.
  • Die Temperatur des Erfassungsabschnitts variiert gemäß der Wärmebilanz zwischen der vom Erfassungsabschnitt empfangenen Wärmemenge und der vom Erfassungsabschnitt abgegebenen Wärmemenge, und insbesondere wird die vom Erfassungsabschnitt empfangene Wärmemenge durch die vom Heizabschnitt des Heizelements an den Erfassungsabschnitt aufgebrachte Leistungsdichte beeinflusst. Die Eingangsleistungsdichte entspricht einem Wert, der durch Dividieren des bei dem Heizelement eingegebenen Leistungsbetrags durch das Volumen desjenigen Teils des Sensorelementkörpers, der innerhalb des Längenbereichs liegt, in dem die Heizregion des Heizelements vorgesehen ist, erhalten wird. Andererseits wird die Rate, mit der Wärme von dem Erfassungsabschnitt freigegeben wird, besonders durch die Verdunstungswärme (Wärme der Verdampfung) beeinflusst, wenn die den Erfassungsabschnitt bedeckende poröse Schicht befeuchtet wird und Wasser, das an der Oberfläche der porösen Schicht haftet, verdampft.
  • Da die Wärmekapazität mit abnehmender Dicke der porösen Schicht abnimmt, könnte man meinen, dass die Menge der elektrischen Leistung, die dem Heizelement zur Einstellung der Temperatur des Erfassungsabschnitts auf die Solltemperatur zugeführt wird, durch eine Verringerung der Dicke reduziert werden könnte. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass der Erfassungsabschnitt umso leichter von der Verdampfungswärme beeinflusst wird und die von dem Erfassungsabschnitt abgegebene Wärmemenge umso größer ist, je geringer die Dicke der porösen Schicht ist. Je geringer die Dicke der porösen Schicht ist, desto größer muss also der Betrag der elektrischen Leistung sein, die auf das Heizelement aufgebracht wird, um die Temperatur des Erfassungsabschnitts auf der Solltemperatur zu halten.
  • Darüber hinaus ist es notwendig, zu berücksichtigen, dass sich das Ansprechverhalten des Gassensors mit zunehmender Dicke der porösen Schicht verschlechtert, da es für das Erfassungsgas schwierig wird, den Erfassungsabschnitt zu erreichen. Um das Ansprechverhalten des Gassensors hoch zu halten, muss daher auch die Dicke der porösen Schicht so weit wie möglich reduziert werden. Als ein Ergebnis der Forschung der Erfinder wurde jedoch festgestellt, dass es bei einer zu geringen Dicke der porösen Schicht schwierig ist, die Temperatur des Erfassungsabschnitts auf die Solltemperatur einzustellen, und dass sich die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors verschlechtert.
  • Um die Größe der aufgebrachten Leistung zu bestimmen, ist es notwendig, die Ursachen der vorstehend erwähnten Widersprüche zwischen der Wärmekapazität und der Verdampfungswärme zu betrachten. Als ein Ergebnis der von den Erfindern durchgeführten Forschung wurde festgestellt, dass es eine komplexe Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistung und der Dicke der porösen Schicht gibt, die außerhalb eines Bereichs liegt, der vom Fachmann vorhergesagt werden kann.
  • Bei einem herkömmlichen Gassensor oder Gassensorelement ist nicht bekannt, in welchem Maße die Dicke der porösen Schicht im Verhältnis zur aufgebrachten Leistung reduziert werden kann. Somit ist man zu der Erkenntnis gelangt, dass zur geeigneten Aufrechterhaltung der Temperatur des Erfassungsabschnitts und auch zur Aufrechterhaltung eines hohen Grades der Erfassungsgenauigkeit des Gassensors ein Index erforderlich ist, welcher verwendet werden kann, um den Betrag der aufgebrachten Leistung und die Dicke der porösen Schicht angemessen zu bestimmen.
  • Die vorliegende Offenbarung besitzt eine Aufgabe, einen Gassensor bereitzustellen, wodurch ein Index verwendet werden kann, der die Bestimmung eines Dickenwertes einer porösen Schicht mit Bezug auf eine aufgebrachte Leistungsdichte ermöglicht, welcher der minimal zulässigen Dicke zur Aufrechterhaltung einer hohen Erfassungsgenauigkeit entspricht.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung entspricht einem Gassensor, welcher aufweist:
    • einen Sensorelementkörper mit einer Festelektrolytschicht, einer Erfassungselektrode, welche auf einer ersten Hauptoberfläche der Festelektrolytschicht vorgesehen ist, einer Referenzelektrode, die auf einer zweiten Hauptoberfläche der Festelektrolytschicht vorgesehen ist, einer Erfassungsgaskammer, welche angrenzend an die erste Hauptoberfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, um die Erfassungselektrode darin zu enthalten, einer Diffusionswiderstandsschicht, welche auf die Festelektrolytschicht laminiert ist, zum Einführen eines Erfassungsgases in die Erfassungsgaskammer, Isolierschichten, welche auf die Festelektrolytschicht laminiert sind, einem Heizelement, welches in die Isolierschichten eingebettet ist und bei Erregung Wärme erzeugt, und einer porösen Schicht, welche zumindest eine freiliegende Oberfläche der Diffusionswiderstandsschicht bedeckt; und
    • eine Leistungszuführvorrichtung zur Erregung des Heizelements;
    • wobei, wenn eine Gaserfassung durch den Gassensor in einem stationären Zustand durchgeführt wird, der Leistungsbetrag, der durch die Leistungszuführvorrichtung auf das Heizelement aufgebracht wird, als P [W] bezeichnet wird, das Volumen des Teils des Sensorelementkörpers, welcher im Längenbereich einer im Sensorelementkörper vorgesehenen Heizregion des Heizelements liegt, als V [mm3] bezeichnet wird, und die aufgebrachte Leistungsdichte als X [W/mm3] bezeichnet wird, wobei X einem durch P/V ausgedrückten Wert entspricht, die folgende Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y [µm] der porösen Schicht erfüllt ist: Y ≥ 509,32 − 2884,89 X + 5014,12 X 2
      Figure DE112018005261T5_0002
  • Ein Gassensor gemäß dem vorstehenden Aspekt stellt einen Index dafür bereit, wie groß die mittlere Dicke Y der porösen Schicht im Verhältnis zur aufgebrachten Leistungsdichte X, die dem Heizelement von der Leistungszuführvorrichtung zugeführt wird, sein sollte. Dieser Index wird durch einen Beziehungsausdruck zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht ausgedrückt. Der Beziehungsausdruck berücksichtigt auch, dass die poröse Schicht befeuchtet wird, und wird über Experimente oder über eine Simulation hergeleitet.
  • Der Beziehungsausdruck definiert eine Grenze für das Maß, in dem die mittlere Dicke Y der porösen Schicht mit Bezug auf die aufgebrachte Leistungsdichte X reduziert werden kann, während die Genauigkeit der Erfassung durch den Gassensor beibehalten wird. Wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht den vorstehend beschriebenen Beziehungsausdruck erfüllen, kann die Temperatur des Erfassungsabschnitts, einschließlich der Elektroden und des Teils der Festelektrolytschicht, der zwischen den Elektroden im Sensorelementkörper aufgenommen ist, in geeigneter Weise aufrechterhalten werden. Die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors kann dadurch auf einem hohen Niveau gehalten werden.
  • Details werden in einer im Folgenden beschriebenen Ausführungsform angegeben, der vorstehend beschriebene Beziehungsausdruck ist jedoch nicht einfach. Der Beziehungsausdruck kombiniert eine Beziehung, wodurch die erforderliche mittlere Dicke Y der porösen Schicht zunimmt, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X abnimmt, und eine Beziehung, wodurch der erforderliche Wert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht zunimmt, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X zunimmt. Es wurde bestätigt, dass es einen Wert der aufgebrachten Leistungsdichte X gibt, der geeignet ist, um die Temperatur des Erfassungsabschnitts aufrechtzuerhalten, während eine Verringerung der mittleren Dicke Y der porösen Schicht ermöglicht wird.
  • Mit einem Gassensor gemäß dem vorstehenden Aspekt wird ein Index bereitgestellt, der es ermöglicht, den minimal zulässigen Wert der Dicke der porösen Schicht im Verhältnis zur aufgebrachten Leistungsdichte zu bestimmen, während eine hohe Genauigkeit der Erfassung durch den Gassensor aufrechterhalten wird.
  • Die Gaserfassung durch einen Gassensor hat verschiedene Anwendungen und nutzt die Differenz in der Sauerstoffkonzentration oder in der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente zwischen einer Erfassungselektrode und einer Referenzelektrode. Beispiele für die Verwendung der Gaserfassung umfassen Anwendungen zur Erfassung, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Verbrennungskraftmaschine, wie es aus der Zusammensetzung des Abgases bestimmt wird, mit Bezug auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der kraftstoffreichen bzw. fetten Seite oder auf der kraftstoffarmen bzw. mageren Seite liegt, Anwendungen zur quantitativen Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine aus dem Abgas der Maschine, und Anwendungen zum Erhalten der Konzentration von NOx-Komponenten im Abgas usw.
  • Der stationäre Zustand, in dem eine Gaserfassung durchgeführt wird, kann als ein Zustand bezeichnet werden, in dem der Erfassungsabschnitt auf der Aktivierungstemperatur als die Solltemperatur gehalten wird, im Gegensatz zu einem Übergangszustand, in dem sich die Temperatur des Erfassungsabschnitts im Sensorelementkörper von der normalen Temperatur auf die Aktivierungstemperatur ändert, wenn der Betrieb des Gassensors gestartet wird. Mit anderen Worten, der stationäre Zustand kann als ein Zustand bezeichnet werden, in dem sich die Temperatur des Erfassungsabschnitts bei der Solltemperatur im Gleichgewicht befindet.
  • Die Solltemperatur des Erfassungsabschnitts kann in dem Bereich 600 bis 800 °C eingestellt sein.
  • Durch die Einstellung des Betrags der von der Leistungszuführvorrichtung aufgebrachten elektrischen Leistung als die Eingangsleistungsdichte, kann der Wert des Eingangsleistungsbetrags unter Berücksichtigung des Volumens des Sensorelementkörpers innerhalb des Längenbereichs, in dem die Heizregion des Wärmeerzeugungselements vorgesehen ist, bestimmt werden. Um die aufgebrachte Leistungsdichte aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, den aufgebrachten Leistungsbetrag entsprechend irgendeiner Volumenvergrößerung des Teils des Sensorelementkörpers, der sich innerhalb des Längenbereichs befindet, in dem die Heizregion vorgesehen ist, zu erhöhen.
  • Die „Heizregion des Heizelements“ bezieht sich auf einen anderen Bereich als die Anschlussleitungen des Heizelements, in dem der Heizabschnitt des Heizelements in einer mäanderförmigen bzw. gewundenen Konfiguration angeordnet ist. Der „Längenbereich des Sensorelementkörpers, in dem die Heizregion des Wärmeerzeugungselements vorgesehen ist“ bezieht sich auf die Länge des Teils des Sensorelementkörpers, in dem die Heizregion vorgesehen ist, gemessen entlang der längsten von mehreren Seiten des Sensorelementkörpers. Das Volumen dieses Längenbereichs kann als das Volumen des Teils des Sensorelementkörpers betrachtet werden, der sich zwischen jeweiligen Enden des Bereichs, in dem die Heizregion im Sensorelementkörper vorgesehen ist, mit Bezug auf die Längsrichtung erstreckt, wenn dieser Teil als ein Block in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung ausgeschnitten wird. Das Volumen des Längenbereichs umfasst das Volumen des Teils der porösen Schicht, der innerhalb des Längenbereichs liegt.
  • Die Dicke der porösen Schicht kann in Abhängigkeit des Teils des Sensorelementkörpers, an dem die poröse Schicht vorgesehen ist, unterschiedlich sein. Die mittlere Dicke der porösen Schicht, wie in dem vorstehenden Beziehungsausdruck spezifiziert, entspricht dem Mittelwert der Dicke der gesamten porösen Schicht. Diese mittlere Dicke kann idealerweise als die Dicke einer porösen Schicht angenommen werden, die eine gleichmäßige Dicke besitzt und das gleiche Volumen besitzt wie das gesamte Volumen der porösen Schicht, die sich auf dem Sensorelementkörper befindet und aus Abschnitten besteht, die an entsprechenden Positionen angeordnet sind und unterschiedliche Dicken aufweisen. Die mittlere Dicke kann tatsächlich durch Messen der jeweiligen Dickenwerte einer Mehrzahl von Abschnitten der porösen Schicht mit unterschiedlichen Dicken und durch Bilden des Mittelwerts der Dicken der Mehrzahl von Abschnitten erhalten werden. Die Dickenmessung kann beispielsweise an 10 bis 100 Positionen beim Sensorelementkörper durchgeführt werden, wo es unterschiedliche Dickenwerte gibt.
  • Obwohl die in Klammern gesetzten Bezugszeichen jeweiliger Komponenten, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt sind, eine Korrespondenz mit den in den Abbildungen der Ausführungsformen auftretenden Bezugszeichen angeben, ist anzumerken, dass die Komponenten nicht nur auf den Inhalt der Ausführungsformen beschränkt sind.
  • Figurenliste
  • Die Aufgaben, Merkmale, Vorteile usw. der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen ersichtlicher. Die Abbildungen der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend gezeigt.
    • 1 ist eine erläuternde Querschnittsansicht, welche einen Gassensor gemäß einer Ausführungsform zeigt.
    • 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche einen Sensorelementkörper gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht, welche den Sensorelementkörper gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 4 ist eine erläuternde Abbildung, welche einen Längenbereich zeigt, in dem eine Heizregion eines Heizelements im Sensorelementkörper gemäß der Ausführungsform vorgesehen ist.
    • 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Heizregion des Heizelements gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 6 ist eine perspektivische Ansicht, welche die Heizregion eines anderen Heizelements gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht, welche einen weiteren Sensorelementkörper gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 8 ist ein Diagramm, welches einen ersten Beziehungsausdruck zwischen einer aufgebrachten Leistungsdichte und der mittleren Dicke einer porösen Schicht gemäß der Ausführungsform zeigt.
    • 9 ist ein Diagramm, welches erste bis vierte Beziehungsausdrücke zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte und der mittleren Dicke der porösen Schicht gemäß der Ausführungsform zeigt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des vorstehend erwähnten Gassensors wird anhand der Abbildungen beschrieben.
  • <Ausführungsform>
  • Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform einen Sensorelementkörper 2 und eine Leistungszuführvorrichtung 5, welche ein Heizelement 34 des Sensorelementkörpers 2 mit Leistung versorgt. Der Sensorelementkörper 2 umfasst eine Festelektrolytschicht 31, eine Erfassungselektrode 311, eine Referenzelektrode 312, eine Erfassungsgaskammer 35, eine Diffusionswiderstandsschicht 32, Isolierschichten 33A und 33B, ein Heizelement 34 und eine poröse Schicht 37.
  • Die Festelektrolytschicht 31 besitzt bei einer vorbestimmten Aktivierungstemperatur eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen (Oxidionen). Die Erfassungselektrode 311 ist auf einer ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 als eine Elektrode, die einem Erfassungsgas G ausgesetzt ist, angeordnet. Die Referenzelektrode 312 ist auf einer zweiten Hauptoberfläche 302 der Festelektrolytschicht 31 vorgesehen. Die erste Hauptoberfläche 301 und die zweite Hauptoberfläche 302 beziehen sich auf die Oberflächen (flache Oberflächen) der plattenförmigen Festelektrolytschicht 31, welche den größten Oberflächenbereich aufweisen.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist die Erfassungsgaskammer 35 angrenzend bzw. benachbart zu der ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 ausgebildet und von der Isolierschicht 33A umgeben, so dass die Erfassungselektrode 311 darin angeordnet ist. Die Diffusionswiderstandsschicht 32 ist auf die Festelektrolytschicht 31 auflaminiert und dient dazu, das Erfassungsgas G mit einer vorbestimmten Diffusionsrate in die Erfassungsgaskammer 35 einzubringen. Die Isolierschichten 33A und 33B sind Schichten mit Isoliereigenschaften, und diese sind auf die erste Hauptoberfläche 301 und die zweite Hauptoberfläche 302 der Festelektrolytschicht 31 laminiert. Das Heizelement 34 ist innerhalb der Isolierschicht 33B eingebettet und erzeugt bei Erregung Wärme. Die poröse Schicht 37 ist auf der Außenfläche des Sensorelementkörpers 2 an einer Position vorgesehen, die zumindest die freiliegende Oberfläche 321 der Diffusionswiderstandsschicht 32 bedeckt. Die Leistungszuführvorrichtung 5 erregt (führt Leistung zu) das Heizelement 34.
  • Der aufgebrachte Leistungsbetrag, welcher dem Heizelement 34 durch die Leistungszuführvorrichtung 5 zugeführt wird, wenn eine Gaserfassung durch den Gassensor 1 in einem stationären Zustand durchgeführt wird, wird mit P [W] bezeichnet, und das Volumen des Längenbereichs (La) im Sensorelementkörper 2, in dem die Heizregion 340 des Heizelements 34 vorgesehen ist, wie in 4 gezeigt, wird mit V [mm3] bezeichnet. In diesem Fall nimmt die aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] einen Wert an, der als X = P/V ausgedrückt wird. Wie in 8 gezeigt ist, erfüllen die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y [µm] der porösen Schicht 37 den ersten Beziehungsausdruck R1: Y ≥ 509,32 − 2884,89 X + 5014,12 X 2
    Figure DE112018005261T5_0003
  • Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird im Folgenden ausführlich beschrieben.
  • (Verbrennungskraftmaschine)
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform an einer Abgasleitung bzw. einem Abgasrohr angebracht, durch welches das Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine (Maschine) eines Fahrzeugs strömt. Der Gassensor 1 führt eine Gaserfassung unter Verwendung des im Abgasrohr strömenden Abgases als das Erfassungsgas G und unter Verwendung von atmosphärischer Luft als das Referenzgas A durch. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird als ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor zum Erhalten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus der Zusammensetzung des Abgases hergeleitet wird. Im Folgenden kann das durch den Gassensor 1 bestimmte Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Verbrennungskraftmaschine als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases bezeichnet werden.
  • Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Bereich von einem kraftstoffreichen bzw. fetten Zustand, in dem das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft höher als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, bis zu einem kraftstoffarmen bzw. mageren Zustand, in dem das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft niedriger als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, kontinuierlich quantitativ erfassen. Bei dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor wird zwischen der Erfassungselektrode 311 und der Referenzelektrode 312 eine vorbestimmte Spannung angelegt, um die Grenzstromcharakteristik des Stroms zu zeigen, der entsprechend dem Bewegungsbetrag von Sauerstoffionen ausgegeben wird, wenn die Strömungsrate des Erfassungsgases G, das durch die Diffusionswiderstandsschicht 32 zu der Erfassungsgaskammer 35 geleitet wird, reduziert wird.
  • Die Verbrennungskraftmaschine, bei welcher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch den Gassensor 1 erfasst wird, ist eine Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine, wie beispielsweise eine Vier-, Sechs- oder Achtzylinder-Maschine. Die vom Gassensor 1 erfassten Werte des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses werden von der Steuerungseinheit der Hubkolbenmaschine verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in jedem der Zylinder auf ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu regeln. Die Zeitpunkte, zu denen die vier Takte Einlass, Verdichtung, Verbrennung und Auslass in jedem Zylinder stattfinden, sind geeignet unterschiedlich festgelegt, und das Abgas wird von jeweiligen Zylindern zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu dem Abgasrohr abgegeben.
  • Der Gassensor 1 verwendet das von jedem Zylinder in das Abgasrohr abgegebene Abgas in einer vorbestimmten Reihenfolge als das Erfassungsgas G. Um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in jedem Zylinder zu erhalten, ist es notwendig, dass die Maschinensteuerungseinheit für jedes vom Gassensor 1 erhaltene Luft-Kraftstoff-Verhältnis den Zylinder bestimmt, der das Abgas, dessen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfasst wurde, abgegeben hat. Die Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zwischen jeweiligen Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine wird im Allgemeinen als das Zwischen-Zylinder-Ungleichgewicht bezeichnet.
  • Andererseits wird die Fähigkeit des Gassensors 1, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des aus jedem Zylinder abgegebenen Abgases getrennt von den Luft-Kraftstoff-Verhältnissen des aus den anderen Zylindern abgegebenen Abgases zu erfassen, als die Erfassungsgenauigkeit des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts bezeichnet. Die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich auf die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts. Der erste Beziehungsausdruck R1 zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 entspricht bei der vorliegenden Ausführungsform einem Index zur Bestimmung des minimal zulässigen Werts der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37, der eine vorbestimmte Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts aufrechterhalten wird.
  • Ein Drei-Wege-Katalysator ist im Abgasrohr angeordnet, um im Abgas enthaltenes HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid) und NOx (Stickoxide) zu reinigen. Die Maschinensteuerungseinheit verwendet die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse von dem Gassensor 1, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zu steuern, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe am stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu halten, welches dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, bei dem die katalytische Aktivität des Drei-Wege-Katalysators wirkungsvoll gezeigt wird. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist im Abgasrohr an einer Position angeordnet, die sich im Abgasstrom stromaufwärts des Dreiwegekatalysators befindet.
  • Es ist anzumerken, dass der Gassensor 1 als ein Sauerstoffsensor verwendet werden kann, der anhand der Zusammensetzung des Abgases in einer An/Aus-Art beurteilt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine auf der mageren oder der fetten Kraftstoffseite liegt, basierend auf der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen dem Erfassungsgas G, das mit der Erfassungselektrode 311 in Kontakt steht, und dem Referenzgas A, welches mit der Referenzelektrode 312 in Kontakt steht. In diesem Fall kann der Gassensor 1 im Abgasrohr an einer Stelle stromabwärts von der Position des Dreiwegekatalysators im Abgasstrom angeordnet sein.
  • Der Gassensor 1 kann auch als ein NOx-Sensor verwendet werden, der NOx als eine spezifische Gaskomponente im Abgas erfasst.
  • Auch wenn der Gassensor 1 als ein Sauerstoffsensor verwendet wird, ist eine Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts wirkungsvoll, um die Sauerstoffkonzentrationen in den jeweiligen Zylindern zu unterscheiden und zu erfassen. Auch wenn der Gassensor 1 als ein NOx-Sensor verwendet wird, ist darüber hinaus eine Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts wirkungsvoll, um die NOx-Konzentrationen in jeweiligen Zylindern zu unterscheiden und zu erfassen.
  • (Sensorelementkörper 2)
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist der Sensorelementkörper 2 vom laminierten Typ, bei dem die Festelektrolytschicht 31 mit den Isolierschichten 33A und 33B und dem Heizelement 34 in einem laminierten Zustand gesintert ist. Die Festelektrolytschicht 31 besitzt Zirkoniumdioxid als einen Hauptbestandteil und ist aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid oder aus teilweise stabilisiertem Zirkoniumdioxid, bei dem ein Teil des Zirkoniumdioxids durch ein Seltenerdmetallelement oder ein Erdalkalimetallelement ersetzt ist, gebildet. Die Festelektrolytschicht 31 kann aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumdioxid oder aus yttriumoxidteilstabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet sein. Die Erfassungselektrode 311 und die Referenzelektrode 312 enthalten Platin als ein Edelmetall mit katalytischer Aktivität für Sauerstoff und einen Festelektrolyten, dessen Material zu dem der Festelektrolytschicht 31 gleich ist.
  • Der Sensorelementkörper 2 ist in einer länglichen Gestalt ausgebildet, wobei sich die Erfassungselektrode 311, die Referenzelektrode 312, die Erfassungsgaskammer 35, die Diffusionswiderstandsschicht 32 und die Heizregion 340 des Heizelements 34 mit Bezug auf die Längsrichtung L an dem Spitzenende befinden. Der Erfassungsabschnitt 21 ist durch die Erfassungselektrode 311, die Referenzelektrode 312 und einen Teil der Festelektrolytschicht 31, der zwischen der Erfassungselektrode 311 und der Referenzelektrode 312 aufgenommen ist, an dem Spitzenende des Sensorelementkörpers 2 mit Bezug auf die Längsrichtung L ausgebildet.
  • Die „Längsrichtung L“ des Sensorelementkörpers 2 bezieht sich auf die Richtung, entlang welcher der Sensorelementkörper 2 in einer länglichen Gestalt ausgebildet ist. Eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung L, und in welcher die Festelektrolytschicht 31, die Isolierschichten 33A und 33B und das Heizelement 34 gestapelt sind, wird als die Laminierungsrichtung D bezeichnet. Die Richtung senkrecht zur Längsrichtung L und zur Laminierungsrichtung D wird als die Breitenrichtung W bezeichnet. In den 1 bis 4 ist das Spitzenende mit Bezug auf die Längsrichtung L als L1 angegeben und das Basisende mit Bezug auf die Längsrichtung L ist als L2 angegeben.
  • Wie in 2 gezeigt ist, sind die Elektrodenleitungen 313 und 314 mit der Erfassungselektrode 311 und der Referenzelektrode 312 verbunden, um die Elektroden 311 und 312 mit dem Äußeren des Gassensors 1 zu verbinden, wobei die Elektrodenleitungen 313 und 314 entlang der Längsrichtung L bis zu einer Position am Basisende herausgeführt sind.
  • Das Heizelement 34 umfasst einen Heizabschnitt 341, der Wärme erzeugt, wenn dieser erregt bzw. bestromt wird, und ein Paar von Heizelementleitungen 342, die mit dem Heizabschnitt 341 verbunden sind. Die Heizelementleitungen 342 sind entlang der Längsrichtung L hin zu einem Teil am Basisende herausgeführt.
  • Das Heizelement 34 enthält ein Metallmaterial, das elektrisch leitend ist.
  • Wie in 2 gezeigt ist, ist der Heizabschnitt 341 in einer Gestalt ausgebildet, die in der Längsrichtung L an einem Spitzenendabschnitt des Heizelements 34 mäanderförmig verläuft bzw. gewunden ist. Der Heizabschnitt 341 ist der Erfassungselektrode 311 mit Bezug auf die Laminierungsrichtung D, die senkrecht zur Längsrichtung L verläuft, zugewandt positioniert und erwärmt die Festelektrolytschicht 31, die Erfassungselektrode 311, die Referenzelektrode 312 und die Isolierschichten 33A und 33B usw., um die Erfassungselektrode 311 auf eine Solltemperatur zu bringen.
  • Die Querschnittsfläche des Heizabschnitts 341 ist kleiner als diese der Heizelementleitung 342, und der Widerstandswert des Heizabschnitts 341 pro Einheitslänge ist höher als dieser der Heizelementleitung 342. Der Begriff „Querschnittsfläche“ bezieht sich hier auf die Querschnittsfläche einer Oberfläche, die senkrecht zu der Richtung verläuft, in der sich der Heizabschnitt 341 und die Heizelementleitungen 342 erstrecken. Wenn durch die Leistungszuführvorrichtung 5 eine Spannung an das Paar von Heizelementleitungen 342 angelegt wird, erzeugt der Heizabschnitt 341 durch joulesche Erwärmung Wärme, und die Peripherie des Erfassungsabschnitts 21 wird dadurch erwärmt.
  • Die „Heizregion 340 des Heizelements 34“ steht für einen Bereich, in dem der Heizabschnitt 341 mäanderförmig angeordnet ist, oder anders ausgedrückt, für einen Bereich, in dem drei oder mehr Heizabschnitte 341 in der Längsrichtung L oder der Breitenrichtung W benachbart zueinander angeordnet sind. Der Heizabschnitt 341 kann so ausgebildet sein, dass sich dieser in der Breitenrichtung W schlängelt, anstatt sich in der Längsrichtung L zu schlängeln. Die „Heizregion 340“ steht für einen Bereich, in dem die Temperatur aufgrund der Erregung des Heizelements 34 hoch wird.
  • Wie in 5 gezeigt ist, kann der Bereich, in dem der Heizabschnitt 341 mäanderförmig angeordnet ist, kürzer sein als die Länge des Heizabschnitts 341 entlang der Längsrichtung L. Alternativ kann der Bereich, in dem der Heizabschnitt 341 mäanderförmig angeordnet ist, in der Längsrichtung L im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen wie der Heizabschnitt 341, wie in 6 gezeigt ist.
  • Wie in 4 gezeigt ist, entspricht der Längenbereich La, in dem die Heizregion 340 des Wärmeerzeugungselements 34 vorgesehen ist, einem Teil der Länge des Sensorelementkörpers 2 in der Längsrichtung L. Das Volumen V des Längenbereichs La, in dem die Heizregion 340 im Sensorelementkörper 2 angeordnet ist, ist definiert als das Volumen eines Blocks, der aus einem Teil des Sensorelementkörpers 2 besteht, welcher das Heizelement 34 umfasst, sich entlang der Längsrichtung L als Längsrichtung des Sensorelementkörpers 2 zwischen den beiden Enden des Längsbereichs, in dem die Heizregion vorgesehen ist, erstreckt und in Ebenen S ausgeschnitten ist, die senkrecht zur Längsrichtung L stehen. Das Volumen V des Längenbereichs La umfasst das Volumen der porösen Schicht 37, das sich innerhalb des Längenbereichs La befindet.
  • Die von der Leistungszuführvorrichtung 5 aufgebrachte Leistungsdichte X wird unter der Annahme bestimmt, dass der Betrag der aufgebrachten Leistung P, die auf das Heizelement 34 aufgebracht wird, oder anders ausgedrückt, die von der Heizregion 340 des Heizelements 34 erzeugte Wärme zur Erwärmung des Abschnitts des Sensorelementkörpers 2 verwendet wird, der innerhalb des Längenbereichs La liegt, in dem die Heizregion 340 vorgesehen ist.
  • Wie in 4 gezeigt ist, wird das Volumen V auf der Grundlage von La × Wa × Da bestimmt, indem La [mm] als die Länge der im Sensorelementkörper 2 in der Längsrichtung L vorgesehenen Heizregion 340 bezeichnet wird, Wa [mm] als die Breite (Länge) des Sensorelementkörpers 2 in der Breitenrichtung W bezeichnet wird und Da [mm] als die Dicke (Länge) des Sensorelementkörpers 2 in der Laminierungsrichtung D bezeichnet wird. Wenn Ecken 22 mit einem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L des Sensorelementkörpers 2 als Ausschnittabschnitte entfernt wurden, kann das Volumen V durch Subtrahieren des Volumens derjenigen Teile der Ausschnittabschnitte, die im Bereich der Länge La liegen, von La × Wa × Da erhalten werden.
  • Die Isolierschichten 33A und 33B sind sowohl auf die erste Hauptoberfläche 301 als auch auf die zweite Hauptoberfläche 302 der Festelektrolytschicht 31 laminiert. Die erste Isolierschicht 33A ist auf die erste Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 laminiert, um die Erfassungsgaskammer 35 zu bilden, und die zweite Isolierschicht 33B ist auf die zweite Hauptoberfläche 302 der Festelektrolytschicht 31 laminiert, um den Luftkanal 36 zu bilden und das Heizelement 34 zu verbergen. Die ersten und zweiten Isolierschichten 33A und 33B sind aus einem isolierenden Metalloxid, wie Aluminiumoxid, ausgebildet.
  • Die ersten und zweiten Isolierschichten 33A und 33B sind als dichte Schichten ausgebildet, die nicht porös sind und keinen Durchgang eines Gases, wie des Erfassungsgases G oder des Referenzgases A, zulassen.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist die Erfassungsgaskammer 35 dadurch gebildet, dass diese von der ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31, der ersten Isolierschicht 33A und der Diffusionswiderstandsschicht 32 umgeben ist. Die Diffusionswiderstandsschicht 32 der vorliegenden Ausführungsform ist der ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 zugewandt und gegenüber beiden Seiten der Erfassungsgaskammer 35 in der Breitenrichtung W, die senkrecht zur Längsrichtung L verläuft, positioniert. Es wäre jedoch gleichermaßen möglich, dass die Diffusionswiderstandsschicht 32 gegenüber der ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31, der Erfassungsgaskammer 35 vom Spitzenende aus zugewandt, entlang der Längsrichtung L angeordnet ist. Ferner wäre es ebenso möglich, dass die Diffusionswiderstandsschicht 32 über die erste Isolierschicht 33A auf die erste Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 laminiert ist, und an einer Position, der ersten Hauptoberfläche 301 der Festelektrolytschicht 31 über die Erfassungsgaskammer 35 zugewandt, angeordnet ist.
  • Die Diffusionswiderstandsschicht 32 ist aus einem isolierenden Metalloxid, wie Aluminiumoxid, ausgebildet, wie für die ersten und zweiten Isolierschichten 33A und 33B. Die Diffusionswiderstandsschicht 32 ist als eine poröse Schicht mit einer Mehrzahl von Poren zum Einleiten des Erfassungsgases G in die Erfassungsgaskammer 35 mit einer vorbestimmten Diffusionsrate ausgebildet. Die Dichte der Diffusionswiderstandsschicht 32 ist geringer als diese der ersten und zweiten Isolierschichten 33A und 33B.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist der Luftkanal 36, in den Luft als das Referenzgas A eingeleitet wird, von der zweiten Isolierschicht 33B umgeben und ist benachbart zu der zweiten Hauptoberfläche 302 der Festelektrolytschicht 31 ausgebildet. Der Luftkanal 36 ist so ausgebildet, dass sich dieser von einer Basisendposition, bezogen auf die Längsrichtung L des Sensorelementkörpers 2, hin zu einer Position erstreckt, welche der Erfassungsgaskammer 35 über die Festelektrolytschicht 31 zugewandt ist. Die Referenzelektrode 312 ist im Luftkanal 36 am Spitzenende angeordnet.
  • Die poröse Schicht 37 ist aus Aluminiumoxid als ein Metalloxid ausgebildet. Die poröse Schicht 37 besitzt eine Mehrzahl von Poren zum Auffangen von Substanzen, die für die Erfassungselektrode 311 giftig sind, und zum Auffangen von Wasserkondensat, das im Abgasrohr erzeugt wird. Die Porosität der porösen Schicht 37 ist größer als diese der Diffusionswiderstandsschicht 32, und die Strömungsrate, mit welcher das Erfassungsgas G die poröse Schicht 37 passieren kann, ist größer als die Strömungsrate, mit welcher das Erfassungsgas G die Diffusionswiderstandsschicht 32 passieren kann. Es ist anzumerken, dass sich „Porosität“ auf den Anteil der Poren (Hohlräume) pro Volumeneinheit bezieht.
  • Die poröse Schicht 37 ist durch Aggregation einer Mehrzahl von teilchenförmigen Metalloxiden gebildet, die zu einer Labyrinthstruktur gebildet wurden, in der eine Mehrzahl von Poren, die zwischen der Mehrzahl von teilchenförmigen Metalloxiden gebildet sind, den Durchgang von Wasser behindern. Zusätzlich zur Herstellung aus Aluminiumoxid kann die poröse Schicht 37 aus einer Keramik (Metalloxid) hergestellt sein, die zumindest ein Element aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Spinell und Zinkoxid umfasst.
  • Der Sensorelementkörper 2 der vorliegenden Ausführungsform besitzt eine einzelne Festelektrolytschicht 31 und einen Luftkanal 36. Es wäre jedoch ebenso möglich, dass der Sensorelementkörper 2 beispielsweise zwei Festelektrolytschichten 31A und 31B und keinen Luftkanal 36 besitzt, wie in 7 gezeigt. In diesem Fall wird ein Elektrodenpaar 315, das auf der ersten Festelektrolytschicht 31A vorgesehen ist, zum Anpassen der Sauerstoffkonzentration des Erfassungsgases G in der Erfassungsgaskammer 35 verwendet, und ein Elektrodenpaar 316, das auf der zweiten Festelektrolytschicht 31B vorgesehen ist, wird zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration des Erfassungsgases G in der Erfassungsgaskammer 35 verwendet. Auch in diesem Fall können das Heizelement 34, die poröse Schicht 37 usw. in der gleichen Art und Weise wie in dem Fall von 3 gezeigt vorgesehen sein.
  • Wie in den 3 und 4 gezeigt, ist der Sensorelementkörper 2 der vorliegenden Ausführungsform in einer Gestalt ausgebildet, die im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung L betrachtet im Wesentlichen quadratisch ist. Der Sensorelementkörper 2 besitzt vier Oberflächen entlang der Längsrichtung L, bestehend aus einem Paar erster flacher Oberflächen 201, die parallel zur ersten Hauptoberfläche 301 und zur zweiten Hauptoberfläche 302 sind, und einem Paar zweiter flacher Oberflächen 202, die senkrecht zur ersten Hauptoberfläche 301 und zur zweiten Hauptoberfläche 302 liegen. Zusätzlich sind kegelförmige Oberflächen 203 durch Abschrägen von jeder der vier Ecken 22 zwischen dem Paar der ersten flachen Oberflächen 201 und dem Paar der zweiten flachen Oberflächen 202 ausgebildet. Es ist anzumerken, dass es ebenso möglich wäre, die Ecken 22 anstelle der kegelförmigen Oberflächen 203 mit einer gekrümmten Gestalt auszubilden.
  • Die poröse Schicht 37 ist mit dem Paar erster flacher Oberflächen 201, dem Paar zweiter flacher Oberflächen 202 und den vier kegelförmigen Oberflächen 203 kontinuierlich ausgebildet. Die poröse Schicht 37 kann durch Eintauchen des Sensorelementkörpers 2 in ein Pastenmaterial, das ein Metalloxid und ein Lösungsmittel enthält, um die poröse Schicht 37 auszubilden, anschließendes Herausnehmen des Sensorelementkörpers 2 und Trocknen des daran angebrachten Pastenmaterials ausgebildet werden. Alternativ kann die poröse Schicht 37 ausgebildet werden, indem man ein Pastenmaterial auf den Sensorelementkörper 2 ausbringt und dann das ausgebrachte Pastenmaterial trocknet.
  • Aufgrund des Herstellungsverfahrens ist es schwierig, die poröse Schicht 37 so auszubilden, dass diese insgesamt gleichmäßig ist. Daher wird die Dicke der porösen Schicht 37 durch die mittlere Dicke Y ausgedrückt. Die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 kann als der Mittelwert Y der Dicke der porösen Schicht 37, gemessen an dem Paar erster flacher Oberflächen 201, an dem Paar zweiter flacher Oberflächen 202 und an den vier kegelförmigen Oberflächen 203, angenommen werden. Die Dicke der porösen Schicht 37 kann als der Mittelwert Y der Dicke der porösen Schicht 37, gemessen an jeder einer Mehrzahl von Positionen auf jeder aus dem Paar erster flacher Oberflächen 201, dem Paar zweiter flacher Oberflächen 202 und den vier kegelförmigen Oberflächen 203, angenommen werden. Die Dicke der porösen Schicht 37 kann beispielsweise an jeder von 10 Positionen auf jeder der Oberflächen 201, 202 und 203 gemessen werden, und der Mittelwert dieser gemessenen Dickenwerte an jeder Oberfläche 201, 202 und 203 kann als die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 angenommen werden.
  • Die poröse Schicht 37 dieser Ausführungsform ist um die gesamte Peripherie des Spitzenendteils des Sensorelementkörpers 2 angeordnet. Es wäre jedoch ebenso möglich, dass die poröse Schicht 37 nur um die freiliegende Oberfläche 321 der Diffusionswiderstandsschicht 32 herum vorgesehen ist, um diese freiliegende Oberfläche 321 zu bedecken. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 kleiner wird.
  • (Weitere Konfiguration des Gassensors 1)
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist der Gassensor 1 zusätzlich zum Sensorelementkörper 2 usw. mit einem ersten Isolator 42, der den Sensorelementkörper 2 hält, einem Gehäuse 41, das den ersten Isolator 42 hält, einem zweiten Isolator 43, der mit dem ersten Isolator 42 verbunden ist, und Kontaktklemmen 44, die mit dem Sensorelementkörper 2, der vom zweiten Isolator 43 gehalten ist, in Kontakt stehen, versehen. Der Gassensor 1 umfasst auch eine Spitzenendabdeckung 45, die an einem Spitzenendabschnitt des Gehäuses 41 angebracht ist, eine Basisendabdeckung 46, die an einem Basisendabschnitt des Gehäuses 41 angebracht ist und die den zweiten Isolator 43, die Kontaktklemme 44 usw. bedeckt, und eine Buchse 47 usw. zum Halten von Leitungsdrähten 48 innerhalb der Basisendabdeckung 46, wobei die Leitungsdrähte 48 mit den Kontaktklemmen 44 verbunden sind.
  • Die Spitzenendabdeckung 45 ist im Abgasrohr einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet. In der Spitzenendabdeckung 45 ist ein Gasdurchgangsloch 451 ausgebildet, um den Durchtritt von Abgas als das Erfassungsgas G zu ermöglichen. Die Spitzenendabdeckung 45 kann eine doppelwandige Struktur oder eine einwandige Struktur aufweisen. Abgas, das als das Erfassungsgas G durch die Gasdurchgangslöcher 451 der Spitzenendabdeckung 45 in das Innere der Spitzenendabdeckung 45 strömt, passiert die poröse Schicht 37 und die Diffusionswiderstandsschicht 32 des Sensorelementkörpers 2 und wird zu der Erfassungselektrode 311 eingeführt.
  • Wie in 1 gezeigt, ist die Basisendabdeckung 46 außerhalb eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. In der Basisendabdeckung 46 ist ein Lufteinführungsloch 461 ausgebildet, um atmosphärische Luft als das Referenzgas A in die Basisendabdeckung 46 einzuführen. Das Lufteinführungsloch 461 ist mit einem Filter 462 versehen, der den Durchgang von Flüssigkeit blockiert, den Durchgang von Gas durch diesen jedoch ermöglicht. Das Referenzgas A, welches von dem Lufteinführungsloch 461 in die Basisendabdeckung 46 eingeführt wird, durchläuft einen Spalt in der Basisendabdeckung 46 und den Luftkanal 36 und wird dann zu der Referenzelektrode 312 eingeführt.
  • Auf dem zweiten Isolator 43 sind eine Mehrzahl von Kontaktklemmen 44 angeordnet, die entsprechend mit der Elektrodenleitung 313 der Erfassungselektrode 311, der Elektrodenleitung 314 der Referenzelektrode 312 und der Heizelementleitung 342 des Heizelements 34 verbunden sind. Anschlussdrähte 48 sind entsprechend mit den Kontaktklemmen 44 verbunden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, sind die Anschlussdrähte 48 des Gassensors 1 elektrisch mit der Sensorsteuerungseinheit 6 verbunden. Die Sensorsteuerungseinheit 6 führt eine elektrische Steuerung des Gassensors 1 in Kooperation mit der Maschinensteuerungseinheit durch. In der Sensorsteuerungseinheit 6 sind eine Messschaltung zum Messen des zwischen der Erfassungselektrode 311 und der Referenzelektrode 312 fließenden Stroms, eine Anlegeschaltung zum Anlegen einer Spannung zwischen der Erfassungselektrode 311 und der Referenzelektrode 312 sowie eine Erregungsschaltung zum Erregen des Heizelements 34 usw. ausgebildet. Es ist anzumerken, dass es möglich wäre, dass die Sensorsteuerungseinheit 6 in der Maschinensteuerungseinheit aufgebaut ist.
  • Die Leistungszuführvorrichtung 5 der vorliegenden Ausführungsform ist durch die in der Sensorsteuerungseinheit 6 gebildete Erregungsschaltung aufgebaut. Die Erregungsschaltung ist derart konfiguriert, dass diese den aufgebrachten Leistungsbetrag P, der auf das Heizelement 34 aufgebracht wird, anpasst. Der aufgebrachte Leistungsbetrag P wird durch die Erregungsschaltung zum Erwärmen des Erfassungsabschnitts 21 des Gassensors 1 entsprechend der Solltemperatur und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 geeignet variiert. Der aufgebrachte Leistungsbetrag P [W] wird als das Produkt aus der an das Heizelement 34 angelegten Spannung [V] und dem durch das Heizelement 34 fließenden Strom [A] ausgedrückt.
  • Die Leistungszuführvorrichtung 5 kann den Betrag der Leistung P, die dem Heizelement 34 zugeführt wird, durch Ändern der zwischen dem Paar von Heizelementleitungen 342 des Heizelements 34 angelegten Spannung anpassen. Das Zuführen von Leistung zu dem Heizelement 34 durch die Leistungszuführvorrichtung 5 kann durch PWM (Pulsweitenmodulation) oder dergleichen erfolgen.
  • (Erster Beziehungsausdruck R1 zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37)
  • Der erste Beziehungsausdruck R1 der vorliegenden Ausführungsform gibt den Wert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 an, der dem Minimum für die Aufrechterhaltung der Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts auf einem vorbestimmten Niveau entspricht, und wurde auf der Grundlage von Experimenten zur Messung der Fluktuation des Ausgangs des Gassensors 1 hergeleitet, als die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 geändert wurden, wobei ein Befeuchten der porösen Schicht 37 berücksichtigt wurde.
  • Die Fluktuation bzw. Schwankung des Ausgangs des Gassensors 1 tritt aufgrund einer Abnahme der Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 auf, die dadurch hervorgerufen wird, dass die porösen Schicht 37 des Sensorelementkörpers 2 befeuchtet wird. Es wird angenommen, dass die Änderungsrate des Ausgangs des Gassensors 1 der vorliegenden Ausführungsform proportional zur Abnahme der Temperatur der Erfassungsabschnitts 21 zunimmt. Darüber hinaus gibt die Ausgangsschwankung des Gassensors 1 die Genauigkeit der Erfassung des Zylinderungleichgewichts an. Die Genauigkeit der Erfassung des Zylinderungleichgewichts bezieht sich auf die Fähigkeit, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des von jedem Zylinder erzeugten Abgases getrennt von den Luft-Kraftstoff-Verhältnissen des von den anderen Zylindern erzeugten Abgases zu erfassen. In einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern werden die vier Takte Einlass, Verdichtung, Verbrennung und Auslass für jeden der Zylinder zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt. Das von jedem Zylinder der Reihe nach erzeugte Abgas strömt somit nacheinander zu dem Abgasrohr der Verbrennungskraftmaschine.
  • Um die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts zu bestimmen, wurde bei der vorliegenden Ausführungsform das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem der Zylinder unterschiedlich zu den Luft-Kraftstoff-Verhältnissen in den anderen Zylindern gemacht. Die Amplitude (Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert) der Wellenform des Ausgangswerts des Gassensors 1 in einem Verbrennungszyklus, bei dem vier Takte in allen Zylindern durchgeführt werden, wurde dann als ein Ungleichgewichts-Ansprechwert erhalten. Die Variationsperiode der Wellenform des Ausgangs von dem Gassensor 1 ist gleich einem Verbrennungszyklus der Verbrennungskraftmaschine.
  • Der Ungleichgewichts-Ansprechwert ändert sich so, dass dieser gemäß einer Zunahme der Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 des Gassensors 1 besser (höher) wird. Außerdem steigt bei der vorliegenden Ausführungsform der Ungleichgewichts-Ansprechwert proportional zur Zunahme der Temperatur des Erfassungsabschnitts 21. Je kleiner die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 ist, desto größer wird darüber hinaus das Ausmaß, in welchem die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 abgesenkt wird.
  • Bei dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird der Betrag P der elektrischen Leistung, die dem Heizelement 34 durch die Leistungszuführvorrichtung 5 zugeführt wird, bestimmt, um zu veranlassen, dass die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 als die Solltemperatur zu 700 °C wird. Der Ungleichgewichts-Ansprechwert beträgt 100 %, wenn die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 700 °C beträgt, und wenn die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 unter 700 °C sinkt, verschlechtert sich der Ungleichgewichts-Ansprechwert und wird kleiner als 100 %. Wenn die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 hingegen höher als 700 °C ist, überschreitet der Ungleichgewichts-Ansprechwert 100 % und wird verbessert.
  • Der Bewertungsreferenzwert des Ungleichgewichts-Ansprechwerts zur Bewertung der Qualität der Erfassungsgenauigkeit des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts bei einer Verschlechterung des Ungleichgewichts-Ansprechwerts innerhalb eines Bereichs von 5 bis 10 % wurde für den Fall einer Verschlechterung innerhalb des Bereichs 4,5 bis 10,5 % eingestellt, um einen Fehlerbereich von ± 0,5 % zu berücksichtigen. Mit anderen Worten, dieser Bewertungsreferenzwert gilt für den Fall, in dem der Ungleichgewichts-Ansprechwert innerhalb des Bereichs von 89,5 bis 95,5 % liegt. Der erste Beziehungsausdruck R1 wurde durch Variieren der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 und durch Durchführen einer Regressionsanalyse der erhaltenen Daten für die Fälle, in denen der Ungleichgewichts-Ansprechwert im Bereich von 89,5 bis 95,5 % lag, erhalten.
  • 8 zeigt die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37. Die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X im ersten Beziehungsausdruck R1 ersetzt wird, wird als der Referenzwert der mittleren Dicke Y eingestellt. Falls bei der Bewertung der Erfassungsgenauigkeit des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 gleich bis größer als der Referenzwert der mittleren Dicke Y ist, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X spezifiziert wurde, wird angenommen, dass die Erfassungsgenauigkeit des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts die erforderliche Erfassungsgenauigkeit erfüllt. Der erste Beziehungsausdruck R1 drückt die Beziehung zwischen dem Referenzwert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 und der Variation der aufgebrachten Leistungsdichte X aus.
  • Hinsichtlich der Beziehung zwischen der Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 und dem Ungleichgewichts-Ansprechwert wird der Ungleichgewichts-Ansprechwert um etwa 6 % reduziert, wenn die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 um 10 °C sinkt, und wenn die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 um 30 °C sinkt, wird der Ungleichgewichts-Ansprechwert um etwa 18 % reduziert. Wenn der Ungleichgewichts-Ansprechwert im Bereich von 89,5 bis 95,5 % liegt, ist die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 um etwa 7,5 bis 17,5 °C gesenkt.
  • Bei der Ermittlung des Ungleichgewichts-Ansprechwerts durch Variieren der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 wurde die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine auf 1600 U/min (26,7 U/s) eingestellt und die Gasströmungsrate pro Einheitsquerschnittsfläche des Abgasrohrs wurde auf 20 g/s angepasst. Die Kraftstoffeinspritzmenge, die einem der mehreren Zylinder (vier in der vorliegenden Ausführung) der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wurde, wurde im Verhältnis zu den Kraftstoffeinspritzmengen der übrigen Zylinder erhöht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die Kraftstoffeinspritzmenge des einen Zylinders um 40 % erhöht, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis dieses Zylinders zur kraftstoffreichen bzw. fetten Seite mit Bezug auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis verschoben wurde, während die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der übrigen Zylinder auf das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wurden.
  • Bei dem ersten Beziehungsausdruck R1 von 8 erreicht der Referenzwert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 ein Minimum von etwa 92,4 [µm], wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X etwa zu 0,29 [W/mm3] wird. Wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X kleiner als etwa 0,29 [W/mm3] ist, dann erhöht sich der Referenzwert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 bei abnehmender aufgebrachter Leistungsdichte X entsprechend der Abnahme der aufgebrachten Leistungsdichte X. Wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X größer als etwa 0,29 [W/mm3] ist, nimmt darüber hinaus der Referenzwert der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 entsprechend der Zunahme der aufgebrachten Leistungsdichte X zu.
  • Die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21, welche die Qualität des Ungleichgewichts-Ansprechwerts bestimmt, variiert entsprechend der Wärmebilanz zwischen der Wärmemenge, die von dem Erfassungsabschnitt 21 aufgenommen wird, und der Wärmemenge, die von dem Erfassungsabschnitt 21 abgegeben wird. Die von dem Erfassungsabschnitt 21 aufgenommene Wärmemenge wird insbesondere durch die aufgebrachte Leistungsdichte X beeinflusst, die von dem Heizabschnitt 341 des Heizelements 34 auf den Erfassungsabschnitt 21 des Sensorelementkörpers 2 aufgebracht wird. Wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X zunimmt, nimmt die von dem Erfassungsabschnitt 21 aufgenommene Wärmemenge zu. Die von dem Erfassungsabschnitt 21 aufgenommene Wärmemenge wird auch durch die Dicke der jeweiligen Teile des Sensorelementkörpers 2, die Wärmeleitfähigkeit jedes Teils usw. beeinflusst. Je größer die Dicke jedes Teils im Sensorelementkörper 2 ist, desto höher wird die Wärmekapazität jedes Teils und desto kleiner wird die von dem Erfassungsabschnitt 21 aufgenommene Wärmemenge. Darüber hinaus verbessert sich mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit jedes Teils im Sensorelementkörper 2 die Wärmeleitung in jedem Teil, und die vom Erfassungsabschnitt 21 aufgenommene Wärmemenge nimmt entsprechend zu.
  • Andererseits wird die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge besonders durch Verdunstungswärme (Verdampfungswärme) erhöht, wenn die poröse Schicht 37, welche den Erfassungsabschnitt 21 bedeckt, nass geworden ist und Wasser, das an der Oberfläche der porösen Schicht 37 haftet, verdunstet. Mit zunehmender Verdunstungswärme nimmt die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge entsprechend zu. Außerdem wird die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge durch die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 beeinflusst. Es kann berücksichtigt werden, dass mit zunehmender mittlerer Dicke Y der porösen Schicht 37 und entsprechend zunehmender Wärmekapazität der porösen Schicht 37 der Wärmespeichereffekt der porösen Schicht 37 gefördert wird, so dass die von dem Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge abnehmen wird.
  • Die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge wird auch durch die Dicke jedes Teils des Sensorelementkörpers 2 und die Wärmeleitfähigkeit usw. dieser Teile beeinflusst. Es kann berücksichtigt werden, dass mit zunehmender Dicke jedes Teils des Sensorelementkörpers 2 die Wärmekapazität jedes Teils entsprechend zunimmt und die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge abnimmt. Es kann auch berücksichtigt werden, dass mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit jedes Teils des Sensorelementkörpers 2 die vom Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge dadurch erhöht wird.
  • Die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 im ersten Beziehungsausdruck R1 wurde auf der Grundlage einer tatsächlichen Messung erhalten, der Grund, warum der erste Beziehungsausdruck R1 erhalten wird, ist jedoch nicht unbedingt ersichtlich. Gemäß der durch den ersten Beziehungsausdruck R1 ausgedrückten Beziehung wird, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X weniger als etwa 0,29 [W/mm3] beträgt, der Effekt der Feuchtigkeit auf die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 umso größer und die von dem Erfassungsabschnitt 21 abgegebene Wärmemenge umso größer, je kleiner die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 ist. In diesem Fall kann die Beziehung so betrachtet werden, dass mit abnehmender aufgebrachter Leistungsdichte X die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 erhöht werden muss.
  • Andererseits kann der Grund dafür, warum die Beziehung des ersten Beziehungsausdrucks R1 erhalten wird, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X größer als etwa 0,29 [W/mm3] ist, möglicherweise nicht ersichtlich sein. Der Grund liegt darin, dass berücksichtigt werden kann, dass, falls beispielsweise die aufgebrachte Leistungsdichte X übermäßig groß wird, die Verdunstungswärme bei der porösen Schicht 37 erhöht wird und eine Beziehung gebildet wird, wodurch die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 umso größer gemacht werden muss, je größer die aufgebrachte Leistungsdichte X ist.
  • Es kann berücksichtigt werden, dass die aufgebrachte Leistungsdichte X, die dem Heizelement 34 des Sensorelementkörpers 2 zugeführt wird und für die Reduzierung der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 optimal ist, etwa 0,29 [W/mm3] beträgt.
  • (Zweiter bis vierter Beziehungsausdruck R2, R3, R4 zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37)
  • Wie in 9 gezeigt, ist es wünschenswert, dass die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 auch die folgenden zweiten bis vierten Beziehungsausdrücke R2, R3 und R4 erfüllt.
  • Falls die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 zu groß ist, nimmt die Wärmekapazität der porösen Schicht 37 zu und das Ansprechverhalten des Gassensors 1 wird verringert. Das Ansprechverhalten des Gassensors 1 wird durch eine Ansprechzeit ausgedrückt, welche der Zeit von einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases bis zur Erfassung dieser Änderung durch den Gassensor 1 entspricht.
  • Die Ansprechzeit des Gassensors 1 wird als eine 63%-Ansprechzeit eingestellt, welcher der Zeit von dem Punkt, an dem sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ändert, bis der Gassensor 1 63 % der Änderung erfasst, entspricht. Unter Annahme der 63%-Ansprechzeit eines vorhandenen Gassensors 1, die 600 ms beträgt, als ein Referenzwert, wurde bestimmt, dass ein zufriedenstellendes Ansprechverhalten des Gassensors 1 gewährleistet ist, solange die 63%-Ansprechzeit unter dem Referenzwert liegt. Wie in 9 gezeigt ist, wird, falls die mittlere Dicke Y [µm] der porösen Schicht 37 den zweiten Beziehungsausdruck R2 von Y ≤ 800 erfüllt, die Ansprechzeit des Gassensors 1 gleich oder kleiner als die Referenzzeit, und ein zufriedenstellendes Ansprechverhalten (Ansprechzeit) ist gewährleistet.
  • Falls die aufgebrachte Leistungsdichte X zu niedrig ist, wenn der Erfassungsabschnitt 21 des Sensorelementkörpers 2 durch den Heizabschnitt 341 des Heizelements 34 erwärmt wird, ist eine erhöhte Zeit erforderlich, um die Aktivierungstemperatur zu erreichen, bei welcher die Sensorcharakteristik ausgedrückt wird, und daher wird eine frühzeitige Aktivierung des Gassensors 1 schwierig. Eine frühzeitige Aktivierung wird durch die Aktivierungszeit des Gassensors 1 ausgedrückt.
  • Die Aktivierungszeit des Gassensors 1 ist definiert als die Zeit vom Beginn der Leistungszuführung zu dem Heizelement 34, bis die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 600 °C als die vorbestimmte Aktivierungstemperatur erreicht. Der Referenzwert der Aktivierungszeit des Gassensors 1 wird auf 5 s eingestellt, was der Aktivierungszeit des vorhandenen Gassensors 1 entspricht, und die Aktivierungszeit wird als zufriedenstellend beurteilt, falls diese kürzer als der Referenzwert ist. Wie in 9 gezeigt ist, wird die Aktivierungszeit des Gassensors 1 gleich oder kleiner als die Referenzzeit, falls die aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] den dritten Beziehungsausdruck R3 von 0,17 ≤ X erfüllt, so dass eine frühzeitige Aktivierung des Gassensors 1 gewährleistet ist.
  • Falls die aufgebrachte Leistungsdichte X zu groß ist, wenn der Erfassungsabschnitt 21 des Sensorelementkörpers 2 durch den Heizabschnitt 341 des Heizelements 34 erwärmt wird, dann besteht eine erhöhte Möglichkeit, dass der Heizabschnitt 341 aufgrund der erzeugten Wärmemenge unterbrochen wird. Es wurde bestätigt, dass die Unterbrechung des Heizabschnitts 341 erfolgt, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X einen vorbestimmten Wert überschreitet. Insbesondere wurde bestätigt, dass die Unterbrechung des Heizabschnitts 341 auftritt, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,45 [W/mm3] überschreitet. Falls also, wie in 9 gezeigt, die aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] den vierten Beziehungsausdruck R4 von X ≤ 0,43 erfüllt, ist eine zufriedenstellende Haltbarkeit des Heizabschnitts 341 gewährleistet, ohne dass eine Unterbrechung auftritt.
  • (Betrieb und Effekte)
  • Mit dem Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Index zur Bestimmung des Wertebereichs vorgesehen, in dem die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 in Bezug auf die aufgebrachte Leistungsdichte X, die durch die Leistungszuführvorrichtung 5 auf das Heizelement 34 aufgebracht wird, eingestellt werden soll. Der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform stellt auch einen Index zur Bestimmung des Wertebereichs bereit, in dem die aufgebrachte Leistungsdichte X eingestellt werden soll.
  • Dieser Index wird durch die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3, R4 ausgedrückt, welche die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 bestimmen. Die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 der vorliegenden Ausführungsform berücksichtigen auch eine Befeuchtung der porösen Schicht 37 und wurden durch die Durchführung von Experimenten hergeleitet.
  • Darüber hinaus definiert der erste Beziehungsausdruck R1 eine Untergrenze für den Wert, den die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 annehmen kann, mit Bezug auf die aufgebrachte Leistungsdichte X, und zwar in Übereinstimmung mit der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts durch den Gassensor 1. Falls die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 so eingestellt sind, dass diese den ersten Beziehungsausdruck R1 erfüllen, kann die Temperatur des Erfassungsabschnitts 21 im Sensorelementkörper 2 geeignet aufrechterhalten werden und eine hohe Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts kann gewährleistet werden.
  • Somit kann der Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform einen Index bereitstellen, welcher eine Bestimmung der minimal zulässigen Dicke für die poröse Schicht 37 mit Bezug auf die aufgebrachte Leistungsdichte X in Übereinstimmung mit der Aufrechterhaltung einer hohen Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts ermöglicht.
  • Darüber hinaus werden mit dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 so bestimmt, dass nicht nur der erste Beziehungsausdruck R1, sondern auch die zweiten bis vierten Beziehungsausdrücke R2, R3 und R4 erfüllt werden. Folglich kann ein zufriedenstellendes Ansprechverhalten (Ansprechzeit) des Gassensors 1, eine frühzeitige Aktivierung (Aktivierungszeit) des Gassensors 1 und die Haltbarkeit des Heizelements 34 gewährleistet werden. Durch Erfüllung der ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 kann ein Gassensor 1 mit hervorragenden Eigenschaften gebildet werden. Außerdem kann nach Bestimmung der aufgebrachten Leistungsdichte X, die auf das Heizelement 34 des Gassensors 1 aufgebracht werden soll, der Wertebereich ermittelt werden, innerhalb dessen die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 eingestellt werden soll, um einen geeigneten Wert der mittleren Dicke Y zu gewährleisten.
  • Zusätzlich können, sobald die aufgebrachte Leistungsdichte X, die auf das Heizelement 34 aufgebracht werden soll, bestimmt wurde, die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 in einem Verfahren zur Herstellung des Gassensors 1 zur Bestimmung der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 dienen. Alternativ können, sobald die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 bestimmt wurde, die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 in einem Verfahren zur Verwendung des Gassensors 1 zur Bestimmung der aufgebrachten Leistungsdichte X, die auf das Heizelement 34 aufgebracht werden soll, dienen.
  • Die poröse Schicht 37 in dieser Ausführung ist vollständig aus der gleichen Art von Keramik (Metalloxid) ausgebildet, um eine durchgehend gleiche Porosität zu erreichen. Es wäre jedoch gleichermaßen möglich, dass ein Teil der porösen Schicht 37 aus einer anderen Keramik als die anderen Teile ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Porosität eines Teils der porösen Schicht 37 unterschiedlich zu der Porosität der anderen Teile gestaltet sein. Beispielsweise kann der Abschnitt der porösen Schicht 37, der auf der freiliegenden Oberfläche 321 der Diffusionswiderstandsschicht 32 angeordnet ist, ein anderes Material, eine andere Porosität usw. aufweisen als die Teile der porösen Schicht 37, die anderswo angeordnet sind. Darüber hinaus wäre es möglich, zwei poröse Schichten 37 mit voneinander verschiedenen Porositäten auf der freiliegenden Oberfläche 321 der Diffusionswiderstandsschicht 32 anzuordnen.
  • <Bestätigungstest 1>
  • In dem Bestätigungstest 1 wurden die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 zur Herleitung des ersten Beziehungsausdrucks R1 in geeigneter Weise variiert, um die Abnahmebeträge des Ungleichgewichts-Ansprechwerts zu messen, der die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts ausdrückt. Die aufgebrachte Leistungsdichte X wurde innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,45 [W/mm3] variiert, und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 wurde innerhalb des Bereichs von 50 bis 800 [µm] variiert.
  • Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung der Abnahmebeträge des Ungleichgewichts-Ansprechwerts. In dieser Tabelle sind Muster des Gassensors 1, für welche die jeweiligen Werte der aufgebrachten Leistungsdichte X oder der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 geeignet variiert wurden, mit „1-1“ bis „1-12“ bezeichnet.
  • [Tabelle 1] (Tabelle 1)
    Aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] Mittlere Dicke Y der porösen Schicht [µm] Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts [%] Beurteilung
    1-1 0,25 50 33,1 x
    1-2 75 8,9 Δ
    1-3 100 4,4 o
    1-4 200 3,2 o
    1-5 400 1,0 o
    1-6 800 0,0 o
    1-7 0,1 200 11,5 x
    1-8 0,15 7,3 Δ
    1-9 0,20 3,2 o
    1-10 0,30 3,2 o
    1-11 0,40 4,7 Δ
    1-12 0,45 10,3 Δ
  • Unter Berücksichtigung eines Fehlerbereichs von ± 0,5 % wurden, wenn die Reduktion des Ungleichgewichts-Ansprechwerts im Bereich von 5 bis 10 % liegt, die Abnahmebeträge des Ungleichgewichts-Ansprechwerts, die im Bereich von 4,5 bis 10,5 % lagen, als die Daten für die Herleitung des ersten Beziehungsausdrucks R1 verwendet. In diesem Fall ist der Bewertungsreferenzwert des Ungleichgewichts-Ansprechwerts, wenn zwischen guter und schlechter Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts unterschieden wird, bei den Beurteilungen von Tabelle 1 durch Δ gekennzeichnet.
  • In 8 gibt das Symbol Δ bei der Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 die Fälle an, in denen der Grad der Abnahme des Ungleichgewichts-Ansprechwerts in dem Bereich von 4,5 bis 10,5 % liegt. Der erste Beziehungsausdruck R1 wurde als Ergebnis der Durchführung einer Regressionsanalyse für die vier durch das Symbol Δ gekennzeichneten Punkte hergeleitet.
  • Darüber hinaus sind in Tabelle 1 die Fälle, in denen der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts weniger als 4,5 % betrug, als die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 variiert wurden, durch das Symbol o als Fälle gekennzeichnet, in denen die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts gut ist. Die Fälle, in denen der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts größer als 10,5 % war, sind durch das Symbol x als Fälle gekennzeichnet, in denen die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts schlecht ist. Auch in 8 sind diese Fälle gleichermaßen durch die Symbole o und x gekennzeichnet. Der schraffierte Bereich in dieser Abbildung gibt den Bereich an, innerhalb dessen der erste Beziehungsausdruck R1 erfüllt ist.
  • Wie die Ergebnisse des Bestätigungstests 1 zeigen, kann eine hohe Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts gewährleistet werden, falls der erste Beziehungsausdruck R1 erfüllt ist, wobei der erste Beziehungsausdruck R1 durch das Durchführen einer Regressionsanalyse bei der Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 im Gassensor 1 hergeleitet wird.
  • <Bestätigungstest 2>
  • In dem Bestätigungstest 2 wurden zur Herleitung der zweiten bis vierten Beziehungsausdrücke R2, R3 und R4 die aufgebrachte Leistungsdichte X und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 geeignet variiert und die Abnahmebeträge des Ungleichgewichts-Ansprechwerts, das Ansprechverhaltens des Gassensors 1 (63%-Ansprechzeit), die frühzeitigen Aktivierung des Gassensors 1 (Aktivierungszeit) und die Haltbarkeit des Heizelements 34 (unabhängig davon, ob der Heizabschnitt 341 unterbrochen wurde oder nicht) wurden gemessen. Die aufgebrachte Leistungsdichte X wurde in dem Bereich von 0,15 bis 0,45 [W/mm3] variiert, und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 wurde in dem Bereich von 100 bis 850 [µm] variiert.
  • Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Messung des Abnahmebetrags des Ungleichgewichts-Ansprechwerts, der 63%-Ansprechzeit, der Aktivierungszeit und das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Unterbrechung. In dieser Tabelle sind Muster des Gassensors 1, für welche die aufgebrachte Leistungsdichte X oder die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 geeignet variiert wurden, entsprechend als „2-1“ bis „2-12“ bezeichnet.
  • [Tabelle 2] (Tabelle 2)
    Aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] Mittlere Dicke Y der porösen Schicht [µm] Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts [%] 63 % - Ansprechzeit Aktivierungszeit Vorliegen/ NichtVorliegen einer Unterbrechung Gesamtbeurteilung
    2-1 0,15 200 7,3 Δ o x o x
    2-2 0,20 200 3,2 o o o o o
    2-3 0,20 100 33,4 x o o o x
    2-4 0,15 750 0,8 o o x o x
    2-5 0,20 750 0,5 o o o o o
    2-6 0,20 850 0,1 o x o o x
    2-7 0,40 200 4,7 Δ o o o o
    2-8 0,40 100 21,3 x o o o x
    2-9 0,45 200 10,3 Δ Messung nicht möglich Messung nicht möglich x x
    2-10 0,40 750 0,2 o o o o o
    2-11 0,40 850 0,1 o o o o x
    2-12 0,45 750 Messung nicht möglich Messung nicht möglich Messung nicht möglich x x
  • (Abnahme des Ungleichgewichts-Ansprechwerts)
  • Bei den Beurteilungen von Tabelle 2 ist ein Fall, in dem der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts weniger als 4,5 % beträgt, durch ein Symbol o gekennzeichnet, was zeigt, dass die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts gut ist. Andererseits ist ein Fall, bei dem der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts 10,5 % übersteigt, durch ein Symbol x gekennzeichnet, was zeigt, dass die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts schlecht ist. Ein Fall, in dem der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts im Bereich von 4,5 bis 10,5 % liegt, ist durch ein Δ Symbol gekennzeichnet. Fälle, in denen der Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts nicht gemessen werden konnte, sind ebenfalls gezeigt.
  • Die Ergebnisse der Messung der Abnahmebeträge des Ungleichgewichts-Ansprechwerts zeigen, dass ein Beurteilungsergebnis von „x“ für den Fall, in dem die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,2 W/mm3 betrug und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 100 µm betrug, und für den Fall, in dem die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,4 W/mm3 betrug und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 100 µm betrug, erhalten wurde. Die anderen Messergebnisse sind die gleichen wie im Falle des Bestätigungstests 1. Es wurde bestätigt, dass bei Vorhandensein einer porösen Schicht 37 im Sensorelementkörper 2 der minimal zulässige Wert der mittleren Dicke Y [µm] der porösen Schicht 37 auf der Grundlage des ersten Beziehungsausdrucks R1 bestimmt werden kann.
  • (63%-Ansprechzeit)
  • Bei den Beurteilungen von Tabelle 2 sind Fälle, in denen die 63%-Ansprechzeit 600 ms oder weniger beträgt, was dem mit dem vorhandenen Gassensor 1 erhaltenen Wert entspricht, mit einem Symbol o als Fälle gekennzeichnet, in denen das Ansprechverhalten gut ist. Andererseits sind Fälle, in denen die 63%-Ansprechzeit den mit dem vorhandenen Gassensor 1 erhaltenen Wert von 600 ms überschreitet, mit einem Symbol x als Fälle gekennzeichnet, in denen das Ansprechverhalten schlecht ist. Fälle, in denen die 63%-Ansprechzeit nicht gemessen werden konnten, sind ebenfalls gezeigt.
  • Bei den Messergebnissen der 63%-Ansprechzeit war das Beurteilungsergebnis „x“, wenn die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 850 µm betrug, und das Beurteilungsergebnis war „◯“, wenn die mittlere Dicke Y der porösen Schicht 37 750 µm betrug. Darüber hinaus wurde aus einer Datenanalyse erlernt, dass es bei einer mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 zwischen 750 µm und 850 µm, bei 800 µm, einen Referenzwert für die Beurteilung der Qualität der 63%-Ansprechzeit gibt. Der zweite Beziehungsausdruck R2 von Y ≤ 800 wurde aus diesem Ergebnis als der maximal zulässige Wert der mittleren Dicke Y [µm] der porösen Schicht 37 bei Anordnung auf dem Sensorelementkörper 2 erhalten.
  • (Aktivierungszeit)
  • Bei den Beurteilungen von Tabelle 2 sind Fälle, in denen die Aktivierungszeit 5 s oder weniger beträgt, was dem mit dem vorhandenen Gassensor 1 erhaltenen Wert entspricht, durch ein Symbol o als Fälle gekennzeichnet, in denen die frühzeitige Aktivierung gut ist. Dagegen sind Fälle, in denen die Aktivierungszeit den mit dem vorhandenen Gassensor 1 erhaltenen Wert von 5 s überschreitet, mit einem x Symbol als Fälle gekennzeichnet, in denen die frühzeitige Aktivierung schlecht ist. Fälle, in denen die Aktivierungszeit nicht gemessen werden konnte, sind ebenfalls gezeigt.
  • Bei den Messergebnissen der Aktivierungszeit war das Beurteilungsergebnis „x“, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,15 W/mm3 betrug, und das Beurteilungsergebnis wurde „◯“, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,2 W/mm3 oder mehr betrug. Darüber hinaus wurde durch eine Analyse der Daten erlernt, dass eine aufgebrachte Leistungsdichte X von 0,17 W/mm3, zwischen 0,15 und 0,2 W/mm3, einem Referenzwert für die Beurteilung der Qualität der Aktivierungszeit entspricht. Aus diesem Ergebnis wurde ein dritter Beziehungsausdruck R3 von 0,17 ≤ X als der minimal zulässige Wert der aufgebrachten Leistungsdichte X, die auf das Heizelement 34 aufgebracht wird, erhalten.
  • (Vorliegen/Nichtvorliegen einer Unterbrechung)
  • Darüber hinaus sind bei den Beurteilungen von Tabelle 2 Fälle, in denen keine Unterbrechung in dem Heizabschnitt 341 aufgetreten ist, mit einem Symbol o als Fälle gekennzeichnet, in denen die Haltbarkeit des Wärmeerzeugungselements 34 gut ist. Andererseits sind Fälle, in denen der Heizabschnitt 341 unterbrochen wurde, mit einem x Symbol als Fälle gekennzeichnet, in denen die Haltbarkeit des Wärmeerzeugungselements 34 schlecht ist.
  • Bei den Messergebnissen des Vorliegens/Nichtvorliegens einer Unterbrechung war das Beurteilungsergebnis „x“, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,45 W/mm3 betrug, und dieses wurde zu „◯“, wenn die aufgebrachte Leistungsdichte X 0,4 W/mm3 oder weniger beträgt. Darüber hinaus wurde durch eine Analyse der Daten erlernt, dass eine aufgebrachte Leistungsdichte X von 0,43 W/mm3, zwischen 0,4 W und 0,45 W/mm3, einem Referenzwert für die Beurteilung des Vorliegens/Nichtvorliegens einer Unterbrechung entspricht. Aus diesem Ergebnis wurde ein vierter Beziehungsausdruck R4 von X ≤ 0,43 als der maximal zulässige Wert der aufgebrachten Leistungsdichte X erhalten, der auf das Heizelement 34 aufgebracht werden soll.
  • (Gesamtbeurteilung)
  • Bei den Gesamtbeurteilungsergebnissen in Tabelle 2 sind die Fälle, in denen die Beurteilungsergebnisse, die für den Abnahmebetrag des Ungleichgewichts-Ansprechwerts, für die 63%-Ansprechzeit, für die Aktivierungszeit und für das Vorliegen/Nichtvorliegen der Unterbrechung erhalten werden, alle gut sind, durch das Symbol o gekennzeichnet, wohingegen, falls eines dieser Ergebnisse schlecht ist, dann dieses durch das Symbol × für die Gesamtbeurteilung gekennzeichnet wird. Gleichermaßen sind in dem Graphen von 9, welcher die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 zeigt, die Ergebnisse der Gesamtbeurteilung durch die Symbole ◯ und × gekennzeichnet. In diesem Diagramm ist der Bereich, in dem die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 erfüllt sind, durch eine Schraffur gezeigt.
  • Wie in den Ergebnissen des Bestätigungstests 2 gezeigt ist, kann, wenn die ersten bis vierten Beziehungsausdrücke R1, R2, R3 und R4 betreffend die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 im Gassensor 1 erfüllt sind, dann nicht nur die Genauigkeit der Erfassung des Zwischen-Zylinder-Ungleichgewichts auf einem hohen Niveau gehalten werden, sondern auch das Ansprechverhalten des Gassensors 1, die frühzeitige Aktivierung des Gassensors 1 und die Haltbarkeit des Heizelements 34 können auf einem hohen Niveau gehalten werden.
  • <Weitere Ausführungsformen>
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und es können unterschiedliche Ausführungsformen konfiguriert werden, ohne von dem Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung konzentriert sich insbesondere auf die Beziehung zwischen der aufgebrachten Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y der porösen Schicht 37 eines Sensorelementkörpers 2 vom laminierten Typ, die Konfigurationen des Gassensors 1, des Sensorelementkörpers 2 usw. können jedoch geeignet geändert werden. Darüber hinaus umfasst der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verschiedene modifizierte Beispiele, modifizierte Beispiele, die in einem Äquivalenzbereich liegen, usw.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2017210404 [0001]
    • JP 2011117935 A [0005]
    • JP 2016048230 A [0005]

Claims (5)

  1. Gassensor (1), aufweisend: einen Sensorelementkörper (2) mit einer Festelektrolytschicht (31, 31A, 31B), einer Erfassungselektrode (311), welche auf einer ersten Hauptoberfläche (301) der Festelektrolytschicht vorgesehen ist, einer Referenzelektrode (312), welche auf einer zweiten Hauptoberfläche (302) der Festelektrolytschicht vorgesehen ist, einer Erfassungsgaskammer (35), welche angrenzend an die erste Hauptoberfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, so dass die Erfassungselektrode darin angeordnet ist, einer Diffusionswiderstandsschicht (32), welche auf die Festelektrolytschicht laminiert ist, zum Einführen eines Erfassungsgases (G) in die Erfassungsgaskammer, Isolierschichten (33A, 33B), welche auf die Festelektrolytschicht laminiert sind, einem Heizelement (34), welches in die Isolierschichten eingebettet ist und bei Erregung Wärme erzeugt, und einer porösen Schicht (37), welche zumindest eine freiliegende Oberfläche (321) der Diffusionswiderstandsschicht bedeckt; und eine Leistungszuführvorrichtung (5) zur Erregung des Heizelements; wobei, wenn eine Gaserfassung durch den Gassensor in einem stationären Zustand durchgeführt wird, der Leistungsbetrag, der durch die Leistungszuführvorrichtung auf das Heizelement aufgebracht wird, als P [W] bezeichnet wird, das Volumen des Längenbereichs (La) einer Heizregion (340) des Heizelements, die in dem Sensorelementkörper vorgesehen ist, als V [mm3] bezeichnet wird und die aufgebrachte Leistungsdichte als X [W/mm3] bezeichnet wird, wobei X einem durch P/V ausgedrückten Wert entspricht, die folgende Beziehung (R1) zwischen der aufgebrachte Leistungsdichte X und der mittleren Dicke Y [µm] der porösen Schicht erfüllt ist: Y ≥ 509,32 − 2884,89 X + 5014,12 X 2
    Figure DE112018005261T5_0004
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die mittlere Dicke Y [µm] der porösen Schicht ferner den Beziehungsausdruck (R2) Y ≤ 800 erfüllt, und die aufgebrachte Leistungsdichte X [W/mm3] den Beziehungsausdruck (R3, R4) 0,17 ≤ X ≤ 0,43 erfüllt.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Luftkanal (36), der von der Isolierschicht umgeben ist und durch den Luft eingeführt wird, auf der zweiten Hauptoberfläche der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, und die Referenzelektrode innerhalb des Luftkanals angeordnet ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Sensorelementkörper mit einer länglichen Gestalt mit der Erfassungselektrode, der Referenzelektrode und der Heizregion an einer Spitzenendposition mit Bezug auf die Längsrichtung (L) ausgebildet ist und vier Flächen, die sich entlang der Längsrichtung erstrecken, mit einem Paar von ersten flachen Oberflächen (201), die parallel zu der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche liegen, und einem Paar von zweiten flachen Oberflächen (202), die senkrecht zu der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche liegen, aufweist; die poröse Schicht mit dem Paar von ersten flachen Oberflächen und dem Paar von zweiten flachen Oberflächen kontinuierlich ausgebildet ist, und die mittlere Dicke Y der porösen Schicht als die mittlere Dicke Y der porösen Schichten erhalten ist, die auf dem Paar von ersten flachen Oberflächen und auf dem Paar von zweiten flachen Oberflächen ausgebildet sind.
  5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die poröse Schicht Poren aufweist, die in einer Keramik ausgebildet sind, welche zumindest ein Element aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Spinell und Zinkoxid umfasst.
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