DE112021000184T5 - Gassensor - Google Patents

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DE112021000184T5
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electrode
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Taku Okamoto
Soichiro YOSHIDA
Ryo Hashikawa
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 und ein Steuergerät. Das Steuergerät führt einen Heizungssteuerungsprozess durch, bei dem eine Heizung 72 mit Energie versorgt wird, um die Heizung 72 zu veranlassen, Wärme zu erzeugen. Das Steuergerät führt einen Normalzeit-Steuerungsprozess durch, nachdem der HeizungsSteuerungsprozess gestartet wurde, wobei der Normalzeit-Steuerungsprozess einen Hauptpumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hauptpumpzelle 21, einen Hilfspumpen-Steuerungsprozess zum Steuern einer Hilfspumpzelle 50, so dass eine Spannung V1 einen Sollwert erreicht, und einen Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Abpumpen von Sauerstoff in einem dritten inneren Hohlraum 61 durch Steuern der Messpumpzelle 41 umfasst, so dass eine Spannung V2 einen Normalzeit-Sollwert erreicht. Das Steuergerät erfasst eine spezifische Gaskonzentration in einem Messobjektgas auf der Grundlage eines Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt. In einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses führt das Steuergerät einen Korrekturprozess durch, um den Sollwert der Spannung V1 auf einen Wert zu korrigieren, der höher ist als ein Sollwert in einer Zeitraum nach der frühen Phase.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
  • Technischer Hintergrund
  • Bisher ist ein Gassensor bekannt, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messobjektgas, wie z.B. dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst. PTL 1 beschreibt beispielsweise einen Gassensor, welcher aufweist: ein Sensorelement mit mehreren sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten; eine äußere Pumpelektrode, die außerhalb des Sensorelements angeordnet ist; eine innere Hauptpumpelektrode, eine innere Hilfspumpelektrode und eine Messelektrode, die in einem Messobjektgasströmungsabschnitt innerhalb des Sensorelements angeordnet sind; und eine Referenzelektrode und eine Heizvorrichtung, die innerhalb des Sensorelements angeordnet sind. In diesem Gassensor wird die Konzentration eines spezifischen Gases wie unten beschrieben in einem Zustand erfasst, in dem die Heizung das gesamte Sensorelement auf eine Temperatur einstellt, bei der die Festelektrolytschichten aktiviert werden. Zunächst wird die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas um die innere Hauptpumpelektrode durch eine zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Hauptpumpelektrode angelegte Steuerspannung eingestellt. Anschließend wird die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas um die innere Hilfspumpelektrode durch eine zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Hilfspumpelektrode angelegte Steuerspannung eingestellt. Nachdem die Sauerstoffkonzentration durch diese Steuerungen eingestellt ist, erreicht das Messobjektgas die Umgebung der Messelektrode. Das spezifische Gas in dem Messobjektgas wird nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration um die Messelektrode herum reduziert, und die Sauerstoffkonzentration im Messobjektgas wird auf der Grundlage des Pumpstroms ermittelt, der zu dem Zeitpunkt fließt, zu dem der durch die Reduktion erzeugte Sauerstoff um die Messelektrode herum abgepumpt wird. Die zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Hilfspumpelektrode angelegte Steuerspannung wird so gesteuert, dass ein Sollwert der elektromotorischen Kraft (Spannung V1) zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode erreicht wird.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
  • PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2016-166871
  • Darstellung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei diesem Gassensor kann die Temperaturdifferenz zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode vorübergehend ansteigen, bis sich die Temperatur jeder Elektrode seit dem Beginn der Erwärmung des Sensorelements durch die Heizung stabilisiert hat, und zwar aufgrund einer Differenz in der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit zwischen beiden Elektroden. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Elektroden vorübergehend groß ist, wird die thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung (die als Spannung für die Hilfspumpe bezeichnet wird) zwischen den beiden Elektroden enthalten ist, ebenfalls vorübergehend erhöht, so dass der Abstand zwischen der Spannung für die Hilfspumpe und der elektromotorischen Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der inneren Hilfspumpelektrode basiert, vorübergehend erhöht wird. Daher kann die Genauigkeit der Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases verringert sein.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein derartiges Problem zu lösen, und es ist eine Hauptaufgabe, eine Technik zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der inneren Hilfspumpelektrode mit hoher Genauigkeit anzugeben, wenn die thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung für die Hilfspumpe enthalten ist, vorübergehend hoch ist.
  • Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung verwendet die folgende Vorrichtung, um die oben beschriebene Hauptaufgabe zu lösen.
  • Der Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst:
    • ein Sensorelement mit
      • einem Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messobjektgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messobjektgas einleitet und das Messobjektgas strömen lässt,
      • einer Messpumpzelle mit einer äußeren Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messobjektgas in Kontakt zu sein, und einer inneren Messelektrode, die in einer Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Umgebung der inneren Messelektrode in die Umgebung der äußeren Messelektrode abpumpt,
      • einer Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für die Erkennung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messobjektgas dient,
      • einer Messspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst,
      • einer Hauptpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einem ersten inneren Hohlraum einstellt, der an einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist,
      • einer Hilfspumpzelle, die eine innere Hilfspumpelektrode aufweist, die in einem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, wobei der zweite innere Hohlraum auf einer stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums und auf einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist,
      • einer Spannungserfassungs-Sensorzelle für die Hilfspumpe, die eine Spannung für die Hilfspumpe zwischen der Referenzelektrode und der inneren Hilfspumpelektrode erfasst, und
      • einer Heizung, die den Elementkörper erwärmt;
    • eine Heizungssteuerung, die einen Heizungssteuerungsprozess ausführt, bei dem die Heizung mit Energie versorgt wird, um die Heizung zu veranlassen, Wärme zu erzeugen;
    • eine Pumpzellensteuerung, die einen Normalzeit-Steuerungsprozess ausführt, nachdem der HeizungsSteuerungsprozess gestartet ist, wobei der Normalzeit-Steuerungsprozess einen Hauptpumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hauptpumpzelle, einen Hilfspumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hilfspumpzelle, so dass die Spannung für die Hilfspumpe einen Sollwert erreicht, und einen Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Abpumpen von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Sollwert erreicht, umfasst; und
    • einen Abschnitt zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration, der eine spezifische Gaskonzentration in dem Messobjektgas auf der Grundlage eines Messpumpstroms erfasst, der durch die Messpumpzelle durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt.
  • In einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses führt die Pumpzellensteuerung einen Korrekturprozess durch, bei dem der Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe auf einen Wert korrigiert wird, der höher ist als ein Sollwert in einem Zeitraum nach der frühen Phase.
  • In dem Normalzeit-Steuerungsprozess, der nach dem Start des Heizungs-Steuerungsprozesses durchgeführt wird, führt der Gassensor den Hauptpumpen-Steuerungsprozess zur Steuerung der Hauptpumpzelle, den Hilfspumpen-Steuerungsprozess zur Steuerung der Hilfspumpzelle, so dass die Spannung für die Hilfspumpe einen Sollwert erreicht, und den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Abpumpen von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuerung der Messpumpzelle durch, so dass die Messungsspannung einen Normalzeit-Sollwert erreicht. Dann wird die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messobjektgas auf der Grundlage des Messpumpstroms, der durch die Messpumpzelle fließt, durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ermittelt. Darüber hinaus wird in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses ein Korrekturprozess durchgeführt, um den Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe in dem Hilfspumpen-Steuerungsprozess auf einen Wert zu korrigieren, der höher ist als in dem Zeitraum nach der frühen Phase. Die Einstellung des Sollwerts der Spannung für die Hilfspumpe auf einen höheren Wert in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses kann den Effekt reduzieren, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft (mit anderen Worten, eine thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung für die Hilfspumpe enthalten ist) zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode verursacht wird. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der inneren Hilfspumpelektrode mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, wenn die thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung für die Hilfspumpe enthalten ist, vorübergehend hoch ist, als wenn kein Korrekturprozess durchgeführt wird.
  • Im Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die Pumpzellensteuerung den Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe im Korrekturprozess auf der Grundlage eines vorab definierten Korrekturmusters korrigieren, so dass ein Korrekturbetrag im Laufe der Zeit tendenziell abnimmt. Wenn das Sensorelement durch eine Heizung erwärmt wird, neigt die Temperaturdifferenz zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode dazu, mit der Zeit abzunehmen. Aus diesem Grund nimmt die thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung für die Hilfspumpe enthalten ist, ebenfalls mit der Zeit ab. Daher kann der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft in der Spannung für die Hilfspumpe verursacht wird, reduziert werden, indem der Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe auf der Grundlage eines vorab definierten Korrekturmusters so korrigiert wird, dass ein Korrekturbetrag mit der Zeit abnimmt. Daher kann die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der inneren Hilfspumpelektrode mit höherer Genauigkeit gesteuert werden.
  • Die Formulierung „der Korrekturbetrag neigt dazu, im Laufe der Zeit abzunehmen“ schließt beispielsweise den Fall, in dem der Korrekturbetrag linear abnimmt, den Fall, in dem der Korrekturbetrag kurvenförmig abnimmt, und den Fall ein, in dem der Korrekturbetrag wie eine Stufenfunktion abnimmt.
  • Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle enthalten, die eine Referenzspannung zwischen einer messobjektgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode erfasst, wobei die messobjektgasseitige Elektrode außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messobjektgas in Kontakt zu kommen. Der Hauptpumpen-Steuerungsprozess ist ein Prozess der Steuerung der Hauptpumpzelle, so dass ein Hilfspumpstrom, der durch die Hilfspumpzelle durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess fließt, einen Sollstrom erreicht, und im Korrekturprozess, wenn ein Hauptpumpstrom, der durch die Hauptpumpzelle während des Hauptpumpen-Steuerungsprozesses fließt, als stabilisiert angesehen wird, kann die Pumpzellensteuerung den Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe in dem Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturbetrags korrigieren, der dazu neigt, sich zu erhöhen, wenn die Abweichung zwischen einer berechneten Referenzspannung, die auf der Grundlage des Hauptpumpstroms abgeleitet wird, und einer tatsächlich gemessenen Referenzspannung, die von der Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle erfasst wird, zunimmt, wobei die berechnete Referenzspannung einer Sauerstoffkonzentration in dem Messobjektgas um das Sensorelement herum entspricht. Dabei wird der Hauptpumpstrom, der zum Zeitpunkt der Einstellung der Sauerstoffkonzentration im ersten internen Hohlraum durch den Hauptpumpen-Steuerungsprozess fließt, mit der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas um das Sensorelement korreliert. Die Referenzspannung ist die Spannung zwischen der messobjektgasseitigen Elektrode außerhalb des Elementkörpers und der Referenzelektrode und ist somit mit der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas um das Sensorelement korreliert. Daher kann, wenn der Hauptpumpstrom als stabilisiert angesehen wird, eine berechnete Referenzspannung auf der Grundlage des Hauptpumpstroms abgeleitet werden, wobei die berechnete Referenzspannung eine Referenzspannung ist, die der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas um das Sensorelement entspricht. Im Gegensatz dazu enthält eine tatsächlich gemessene Referenzspannung, die eine von der Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle zur der tatsächlich erfasste Referenzspannung ist, auch die thermoelektromotorische Kraft zwischen der messobjektgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode, so dass, wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Elektroden vorübergehend groß ist, die in der tatsächlich gemessenen Referenzspannung enthaltene thermoelektromotorische Kraft ebenfalls vorübergehend ansteigt. Je höher also die in der tatsächlich gemessenen Referenzspannung enthaltene thermoelektromotorische Kraft ist, desto größer ist die Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung, die auf der Grundlage des Hauptpumpstroms abgeleitet wurde, und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung, die von der Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle zur der erfasst wurde. Wenn die thermoelektromotorische Kraft zwischen der gasseitigen Elektrode des Messobjekts und der Referenzelektrode hoch ist, ist häufig auch die thermoelektromotorische Kraft zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode hoch. Daher kann der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung für die Hilfspumpe enthalten ist, verursacht wird, reduziert werden, indem der Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe im Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturbetrags korrigiert wird, der tendenziell zunimmt, wenn die Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung zunimmt.
  • In diesem Fall enthält die Pumpzellensteuerung einen Speicherabschnitt, der eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Hauptpumpstrom und einer berechneten Referenzspannung speichert, die einer Sauerstoffkonzentration in dem Messobjektgas um das Sensorelement entspricht, und die berechnete Referenzspannung kann auf der Grundlage der Entsprechungsbeziehung und des Hauptpumpstroms abgeleitet werden.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung hat der Elementkörper eine längliche Form mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende, die beide in einer Längsrichtung enden, und die innere Hilfspumpelektrode und die Referenzelektrode können in der Nähe des vorderen Endes des Elementkörpers angeordnet sein, und die Referenzelektrode kann an einer Position angeordnet sein, die weiter von dem vorderen Ende entfernt ist als die innere Hilfspumpelektrode. Wenn die innere Hilfspumpelektrode und die Referenzelektrode in dieser Positionsbeziehung angeordnet sind, kommt es zu einem Unterschied in der Temperaturanstiegsrate zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode, und der Temperaturunterschied zwischen beiden Elektroden wird wahrscheinlich vorübergehend in dem Intervall zunehmen, bis sich die Temperaturen beider Elektroden seit dem Beginn der Erwärmung des Sensorelements durch die Heizung stabilisiert haben. Daher ist die Durchführung des Korrekturprozesses der vorliegenden Erfindung von großer Bedeutung.
  • Bei dem oben beschriebenen Gassensor in einem Aspekt, bei dem die Korrektur auf der Grundlage der Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung erfolgt, kann die messobjektgasseitige Elektrode in der Nähe des vorderen Endes des Elementkörpers angeordnet sein, und die Referenzelektrode kann an einer Position angeordnet sein, die weiter von dem vorderen Ende entfernt ist als die messobjektgasseitige Elektrode. Wenn die messobjektgasseitige Elektrode und die Referenzelektrode in dieser Positionsbeziehung angeordnet sind, ist es wahrscheinlich, dass sich die Temperaturdifferenz zwischen der inneren Hilfspumpelektrode und der Referenzelektrode vorübergehend erhöht, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der messobjektgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode vorübergehend groß ist. Wenn die Elektroden diese Positionsbeziehung haben, ist es daher bei einer großen Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung wahrscheinlicher, dass die in der Hilfspumpenspannung enthaltene thermoelektromotorische Kraft zunimmt, so dass die Positionsbeziehung für die Korrektur auf der Grundlage der oben beschriebenen Abweichung geeignet ist.
  • Übrigens braucht ein solcher Gassensor eine gewisse Zeit, um eine spezifische Gaskonzentration nach dem Einschalten der Heizung korrekt zu erfassen, und diese Zeit wird als Anspringzeit bezeichnet. Die Anspringzeit ist in der Regel länger, da mehr Zeit benötigt wird, um Sauerstoff (Sauerstoff, der nicht aus einem spezifischen Gas erzeugt wird) abzupumpen, so dass die Messgenauigkeit im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird, da der Sauerstoff in einer Messkammer, in der die Messelektrode angeordnet ist, bereits vor dem Einsatz des Sensorelements vorhanden ist. In den letzten Jahren hat sich die Notwendigkeit, die Anspringzeit in einem solchen Gassensor zu reduzieren, aufgrund der zunehmenden Regulierung der Emissionskontrolle erhöht.
  • So kann in dem Gassensor der vorliegenden Erfindung in einer normalen Betriebszeit des Sensorelements die Pumpzellensteuerung den Normalzeit-Steuerungsprozess durchführen, und zu einer Startzeit des Sensorelements vor der normalen Betriebszeit kann die Pumpzellensteuerung einen Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess des Abpumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle durchführen, so dass die Messspannung einen Startzeit-Sollwert erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Sollwert. Wenn ein solcher Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zur Startzeit des Sensorelements vor der normalen Betriebszeit durchgeführt wird, wird der Sauerstoff in der Messkammer abgepumpt, wobei der Sollwert für die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer niedriger ist als der Sollwert während der normalen Betriebszeit. Somit kann der Sauerstoff, der sich vor dem Einschalten des Sensorelements in der Messkammer befand, schnell aus der Messkammer entfernt werden, verglichen mit dem Fall, wenn der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ab dem Startzeitpunkt des Sensorelements durchgeführt wird. Dadurch wird die Anspringzeit des Sensorelements verkürzt. Hierbei umfasst der Sauerstoff, der sich vor dem Start des Sensorelements in der Messkammer befindet, beispielsweise die Sauerstoffmoleküle (O2), die in dem Raum in der Messkammer vorhanden sind, die Sauerstoffmoleküle (O2), die an der Oberfläche einer inneren Messelektrode haften, und den Sauerstoff (der das Ausgangsmaterial oxidiert), der an das Ausgangsmaterial für die innere Messelektrode gebunden ist.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung ist der Heizungssteuerungsprozess ein Prozess, bei dem die Heizung mit Energie versorgt wird, um zu bewirken, dass die Heizung Wärme erzeugt, so dass eine Sensorelementtemperatur eine vorgegebene Solltemperatur erreicht, wobei die Sensorelementtemperatur eine Temperatur der Heizung oder des Elementkörpers ist, und nach dem Start des Heizungssteuerungsprozesses, wenn die Sensorelementtemperatur ein Niveau erreicht, das höher als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, der niedriger als oder gleich der Solltemperatur ist, kann die Pumpzellensteuerung den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess starten. Auf diese Weise kann der Startzeitpunkt des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur richtig bestimmt werden. Ein vorgegebener Schwellenwert kann ein Wert sein, der unter einer Solltemperatur liegt. Hierbei schließt „die Heizung mit Energie versorgen, um zu bewirken, dass die Heizung Wärme erzeugt, so dass die Sensorelementtemperatur eine vorgegebene Solltemperatur erreicht“ den Fall ein, in dem die Heizung auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur selbst gesteuert wird, und den Fall ein, in dem die Heizung auf der Grundlage eines in die Sensorelementtemperatur umwandelbaren Wertes (z.B. des Widerstandswerts der Heizung, des Widerstandswerts eines elektrischen Schaltkreises, der einen Festelektrolyten enthält) gesteuert wird. Beispiele für einen Widerstandswert eines elektrischen Schaltkreises, der einen Festelektrolyten enthält, sind der Widerstandswert der Messpumpzelle und der Widerstandswert der Messspannungserfassungs-Sensorzelle.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung führt die Pumpzellensteuerung zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements den Hilfspumpen-Steuerungsprozess und den Hauptpumpen-Steuerungsprozess durch. Der Hauptpumpen-Steuerungsprozess ist ein Prozess zur Steuerung der Hauptpumpzelle, so dass ein Hilfspumpstrom, der durch die Hilfspumpzelle durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess fließt, einen Sollstrom erreicht. Wenn bestimmt wird, dass sich der Hilfspumpstrom um den Sollstrom herum stabilisiert hat, kann die Pumpzellensteuerung von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umschalten und die Normalzeitsteuerung starten. In diesem Fall befinden sich vor dem Start des Sensorelements nicht nur die Messkammer, sondern auch der erste innere Hohlraum und der zweite innere Hohlraum auf einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer in einem Zustand (z.B. Luftatmosphäre), in dem Sauerstoff (nicht aus einem spezifischen Gas erzeugter Sauerstoff) in großer Menge vorhanden ist. Die Steuerung der Pumpzelle führt beim Starten des Sensorelements den Hauptpumpen-Steuerungsprozess und den Hilfspumpen-Steuerungsprozess durch, wodurch es möglich ist, den Sauerstoff zu entfernen, der sich seit dem Start des Sensorelements in dem ersten internen Hohlraum und dem zweiten internen Hohlraum befunden hat. Der erste innere Hohlraum, der zweite innere Hohlraum und die Messkammer stehen miteinander in Verbindung, so dass der Sauerstoff in der Messkammer auch durch den Betrieb der Hauptpumpzelle und der Hilfspumpzelle entfernt werden kann. Da der erste innere Hohlraum, der zweite innere Hohlraum und die Messkammer wie oben erwähnt miteinander kommunizieren, wird der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum und im zweiten inneren Hohlraum stabilisiert hat. Wenn sich der Strom der Hilfspumpe um den Sollstrom stabilisiert hat, ist es wahrscheinlich, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten internen Hohlraum und im zweiten internen Hohlraum stabilisiert ist. Daher wird von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umgeschaltet, wenn bestimmt wird, dass der Hilfspumpstrom um den Sollstrom herum stabilisiert ist, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umzuschalten. Der Begriff „Umschalten von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung, wenn bestimmt wird, dass sich der Hilfspumpstrom um den Sollstrom stabilisiert hat“ umfasst hier den Fall, dass das Umschalten sofort erfolgt, wenn bestimmt wird, dass sich der Hilfspumpstrom um den Sollstrom stabilisiert hat, und den Fall, dass das Umschalten zu oder nach dem Zeitpunkt erfolgt, wenn bestimmt wird, dass sich der Hilfspumpstrom um den Sollstrom stabilisiert hat. Beispiele für den letztgenannten Fall umfassen den Fall, dass das Umschalten erfolgt, wenn der Hilfspumpstrom als um den Sollstrom stabilisiert bestimmt wird, und zusätzlich eine weitere Bedingung erfüllt ist, beispielsweise der Fall, dass das Umschalten erfolgt, wenn der Hilfspumpstrom als um den Sollstrom stabilisiert bestimmt wird und eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die Pumpzellensteuerung, wenn eine Leerlaufzeitmessspannung einen Wert erreicht, der größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, eine Umschaltung von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess vornehmen und den Normalzeit-Steuerungsprozess starten, wobei die Leerlaufzeitmessspannung die Messspannung in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die innere Messelektrode und die Referenzelektrode zu leiten. Die Leerlaufzeitmessspannung hat einen Wert, der der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer entspricht, so dass durch Vergleich der Leerlaufzeitmessspannung mit einem Schwellenwert bestimmt werden kann, ob der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt wurde. Daher ist es möglich, in geeigneter Weise von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umzuschalten.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die innere Messelektrode Pt und/oder Rh enthalten. Edelmetall wie Pt und Rh kann an den Sauerstoff in der Messkammer gebunden sein, um oxidiert zu werden, und der Sauerstoff reduziert die Genauigkeit der Erfassung der spezifischen Gaskonzentration, so dass es bei der Startzeit des Sensorelements notwendig ist, das Oxid des Edelmetalls, das in der inneren Messelektrode enthalten ist, zu reduzieren und den Sauerstoff aus der Messkammer abzupumpen. Die Reduktion des Edelmetalloxids und das Abpumpen des Sauerstoffs nimmt mehr Zeit in Anspruch als das Abpumpen der Sauerstoffmoleküle in der Messkammer. Wenn also oxidiertes Edelmetall in der Messkammer vorhanden ist, wird sich die Anspringzeit wahrscheinlich verlängern. Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann zur Startzeit des Sensorelements das oxidierte Edelmetall früh durch die Ausführung der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess statt des Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess es reduziert werden, so dass die Anspringzeit verkürzt werden kann. Wenn daher die innere Messelektrode Pt und/oder Rh enthält, hat die Ausführung der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess es eine große Bedeutung.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Volumen C der inneren Messelektrode 8 × 10-3mm3 oder mehr und 32 × 10-3mm3 oder weniger betragen, und die Differenz ΔV zwischen dem Startzeit-Sollwert und dem Normalzeit-Sollwert kann 120 mV oder höher und 200 mV oder niedriger sein. Wenn das Volumen C größer oder gleich 8 × 10-3mm3 ist, ist die Fähigkeit, den Sauerstoff um die Messelektrode herum durch die Messpumpzelle abzupumpen, ausreichend hoch. Wenn die Differenz ΔV kleiner oder gleich 200 mV ist, ist der an die innere Messelektrode angelegte Spannungswert zum Zeitpunkt der Startzeit der Messpumpensteuerung nicht zu hoch. Bei einem größeren Volumen C neigt die Differenz ΔV, die benötigt wird, um den Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend zu verstärken, dazu, sich zu erhöhen. Wenn jedoch das Volumen C 8 × 10-3mm3 oder mehr und 32 × 10-3mm3 oder weniger beträgt und die Differenz ΔV 120 mV oder höher und 200 mV oder niedriger ist, kann der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend verstärkt werden, während der untere Grenzwert des Volumens C und der obere Grenzwert der oben erwähnten Differenz ΔV erfüllt werden.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann, wenn auf der Grundlage des Betriebs der Messpumpzelle bestimmt wird, dass sich die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert hat, die Pumpzellensteuerung ein Umschalten von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess vornehmen und den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess starten. Wenn sich die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert hat, ist es wahrscheinlich, dass der Sauerstoff in der Messkammer durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausreichend abgepumpt wurde. Daher wird in diesem Fall von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umgeschaltet, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umzuschalten.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann, wenn der Messpumpstrom, der durch die Messpumpzelle fließt, durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist, die Pumpzellensteuerung bestimmen, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert ist. Auf diese Weise kann basierend auf dem Messpumpstrom während des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses bestimmt werden, ob die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert ist.
  • Bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die Pumpzellensteuerung basierend auf den ersten Ableitungswerten des Messpumpstroms, der durch die Messpumpzelle fließt, bestimmen, ob der Messpumpstrom durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist. Alternativ kann die Pumpzellensteuerung basierend auf den zweiten Ableitungswerten des durch die Messpumpzelle fließenden Messpumpstroms bestimmen, ob der Messpumpstrom durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist. In diesen Fällen kann die Pumpzellensteuerung basierend auf dem Messpumpstrom, der durch die Messpumpzelle fließt, der einmal ansteigt und dann wieder abfällt, bestimmen, ob der Messpumpstrom durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das die elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einem Steuergerät 90 und Zellen sowie einer Heizung 72 zeigt.
    • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für einen Startzeit-Steuerungsprozess zeigt.
    • 4 ist ein Graph, der ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeitsteuerungsprozesses und eines Normalzeit-Steuerungsprozesses zeigt.
    • 5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für einen Startzeit-Steuerungsprozess einer Modifikation zeigt.
    • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeit-Steuerungsprozesses und eines Normalzeit-Steuerungsprozesses einer Modifikation zeigt.
    • 7 ist ein Phasendiagramm von Rh2O3.
    • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 201 einer Modifikation.
    • 9 zeigt Graphen, die jeweils eine Beziehung zwischen der Differenz ΔV und der Anspringzeit darstellen, wobei die Differenz ΔV zwischen dem Volumen C einer Messelektrode 44 und einem Sollwert liegt.
    • 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Unterschreiten des Pumpstroms Ip2 zeigt.
    • 11 sind erklärende Graphen eines Stabilitätsbereichs des Pumpstroms Ip2 sowie erste und zweite Ableitungswerte des Pumpstroms Ip2.
    • 12 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für einen Startzeit-Steuerungsprozess einer Modifikation zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration eines Gassensors 100 zeigt, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das die elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einem Steuergerät 90 und Zellen sowie einer Heizung 72 zeigt. Der Gassensor 100 ist beispielsweise in einem Rohr, wie einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, wie etwa einem Dieselmotor, installiert. Der Gassensor 100 verwendet das Abgas des Verbrennungsmotors als Messobjektgas und erfasst die spezifische Gaskonzentration, wie z.B. NOx im Messobjektgas. Der Gassensor 100 umfasst ein langes, rechteckiges, parallelepipedisches Sensorelement 101, Zellen 15, 21, 41, 50, 80 bis 83, die jeweils einen Abschnitt des Sensorelements 101 enthalten, einen Heizungsabschnitt 70, der innerhalb des Sensorelements 101 vorgesehen ist, und das Steuergerät 90, das den gesamten Gassensor 100 steuert.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper, in dem sechs Schichten, d.h. eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandsschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) oder dergleichen gebildet sind, in dieser Reihenfolge von der unteren Seite der Zeichnung aus laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, ist ein dichter, luftdichter Elektrolyt. Das Sensorelement 101 wird hergestellt, indem z.B. eine vorgegebene Bearbeitung, Aufdrucken eines Schaltungsmusters und ähnliches auf eine jeder Schicht entsprechende keramische Grünplatte erfolgt, diese Platten dann laminiert und die zu integrierenden Platten weiter gebrannt werden.
  • An der Seite des Spitzenendabschnitts des Sensorelements 101 (linke Endabschnittsseite in 1) sind eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster diffusionsgesteuerter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter diffusionsgesteuerter Abschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter diffusionsgesteuerter Abschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter diffusionsgesteuerter Abschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 benachbart zueinander ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge zwischen der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 miteinander kommunizieren.
  • Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Räume, deren obere Teile, untere Teile und Seitenteile, die durch Aushöhlung der Abstandsschicht 5 bereitgestellt werden, jeweils durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und die Seitenoberfläche der Abstandsschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 definiert sind.
  • Jeder des ersten diffusionsgesteuerten Abschnitts 11, des zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitts 13 und des dritten diffusionsgesteuerten Abschnitts 30 ist als zwei seitlich lange Schlitze (Öffnungen, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist als ein einziger seitlich langer Schlitz (eine Öffnung, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen, der als ein Spalt bzw. Freiraum von der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Abschnitt von der Gaseinlassöffnung 10 bis zu dem dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als Messobjektgasströmungsabschnitt bezeichnet.
  • An einer Stelle, die weiter von der Seite des Spitzenendes entfernt ist als der Messobjektgasströmungsabschnitt, ist ein Referenzgaseinlassraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandsschicht 5 an einer Stelle vorgesehen, an der der Seitenteil durch die Seitenfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert ist. Beispielsweise wird die Atmosphäre in den Referenzgaseinlassraum 43 als Referenzgas zum Zeitpunkt der Messung einer NOx-Konzentration eingeleitet.
  • Eine Atmosphäreneinlassschicht 48 ist eine Schicht aus poröser Keramik. Das Referenzgas wird in die Atmosphäreneinlassschicht 48 durch den Referenzgaseinlassraum 43 eingeleitet. Die Atmosphäreneinlassschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass die Referenzelektrode 42 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 liegt. Wie oben beschrieben ist die Atmosphäreneinlassschicht 48, die mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht, um die Referenzelektrode 42 herum vorgesehen. Wie später beschrieben wird, ist es möglich, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem dritten inneren Hohlraum 61 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 zu messen. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2) ausgebildet.
  • Im Messobjektgasströmungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum offen ist, und ein Messobjektgas wird durch die Gaseinlassöffnung 10 aus dem Außenraum in das Sensorelement 101 geleitet. Der erste diffusionsgesteuerte Bereich 11 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messobjektgas ausübt, das durch die Gaseinlassöffnung 10 eingeleitet wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das von dem ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11 eingeleitete Messobjektgas zum zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 zu führen. Der zweite diffusionsgesteuerte Bereich 13 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitete Messobjektgas ausübt. Wenn das Messobjektgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet wird, wird das Messobjektgas, das aufgrund von Druckschwankungen des Messobjektgases im Außenraum (aufgrund der Pulsation des Auspuffdrucks, wenn das Messobjektgas das Auspuffgas eines Kraftfahrzeugs ist) durch die Gaseinlassöffnung 10 schnell in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet, sondern, nachdem die Druckschwankungen des Messobjektgases durch den ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 ausgeglichen wurden, wird das Messobjektgas in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet. Bei dieser Konfiguration sind Druckschwankungen des in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleiteten Messobjektgases nahezu ignorierbar. Der erste innere Hohlraum 20 dient als Raum zur Einstellung eines Sauerstoffpartialdrucks im Messobjektgas, das durch den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 eingeleitet wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer inneren Pumpelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, der fast über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist und dem ersten inneren Hohlraum 20 zugewandt ist, der äußeren Pumpelektrode 23, die so vorgesehen ist, dass sie in einem Bereich der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, der dem Deckenelektrodenabschnitt 22a entspricht, dem Außenraum ausgesetzt ist, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die von diesen Elektroden eingeschlossen ist, gebildet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 ist über der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 definieren, und der Abstandsschicht 5, die eine Seitenwand bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet und bildet eine Deckenfläche des ersten inneren Hohlraums 20, ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist auf der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet und bildet eine Bodenfläche, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt) ist auf der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandsschicht 5 ausgebildet, wodurch beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 gebildet werden, um den Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b zu verbinden, und die innere Pumpelektrode 22 mit einer Struktur in einer Tunnelform ist an einem Abschnitt angeordnet, in dem der Seitenelektrodenabschnitt angeordnet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2 mit einem Au-Gehalt von 1 Prozent). Die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messobjektgas in Berührung kommt, wird aus einem Material gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messobjektgas herabgesetzt ist.
  • Indem ein Pumpstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 fließt, indem eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 angelegt wird, ist die Hauptpumpzelle 21 in der Lage, Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff in den Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen.
  • Um eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu erfassen, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Haupt-Pumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80, aus der inneren Pumpelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandsschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 gebildet.
  • Eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messung einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sensorzelle 80 zur Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks der Hauptpumpsteuerung ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Rückkopplungsregelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 so gesteuert, dass die Spannung V0 zu einem Sollwert wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf einem vorgegebenen konstanten Wert zu halten.
  • Der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messobjektgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 im ersten inneren Hohlraum 20 gesteuert wird, um das Messobjektgas zum zweiten inneren Hohlraum 40 zu führen.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als ein Raum vorgesehen, der dazu dient, den Sauerstoffpartialdruck weiter einzustellen, indem eine Hilfspumpzelle 50 für das Messobjektgas verwendet wird, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 im Voraus eingestellt und dann durch den dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 eingeführt wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 mit hoher Genauigkeit auf einem konstanten Wert zu halten, so dass es möglich ist, eine hochgenaue NOx-Konzentration mit dem Gassensor 100 zu messen.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist und dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (die nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt ist, und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann verwendet werden) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 gebildet ist.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer Struktur in einer ähnlichen Tunnelform wie jener der inneren Pumpelektrode 22 angeordnet, die in dem oben beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 vorgesehen ist. Mit anderen Worten hat die Hilfspumpelektrode 51 eine solche Struktur in einer Tunnelform, dass ein Deckenelektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist, welcher die Deckenfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist, welcher die Bodenfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt), welcher den Deckenelektrodenabschnitt 51a und Bodenelektrodenabschnitt 51b verbindet, auf jeder der beiden Wandflächen der Abstandsschicht 5 ausgebildet ist, die eine Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Die Hilfspumpelektrode 51 ist ebenso wie die innere Pumpelektrode 22 aus einem Material gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messobjektgas verringert ist.
  • Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 ist die Hilfspumpzelle 50 in der Lage, Sauerstoff aus einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 zu pumpen.
  • Um einen Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu steuern, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine HilfsPumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 81, aus der Hilfspumpelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandsschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 gebildet.
  • Die Hilfspumpzelle 50 pumpt mit einer variablen Stromversorgung 52, deren Spannung in Übereinstimmung mit einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die von der Sauerstoffpartialdruck-Erkennungssensorzelle 81 der Hilfspumpsteuerung erfasst wird. Mit dieser Konfiguration wird der Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck geregelt, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
  • Zusammen mit diesem wird sein Pumpstrom Ip1 verwendet, um die elektromotorische Kraft der Hauptpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Hauptpumpensteuer-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 als ein Steuersignal eingegeben, und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messobjektgas, das von dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird so gesteuert, dass er konstant unverändert ist, indem der oben beschriebene Sollwert der Spannung V0 gesteuert wird. Bei Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messobjektgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 im zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, um das Messobjektgas zum dritten inneren Hohlraum 61 zu leiten. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 spielt eine Rolle bei der Begrenzung der NOx-Menge, die in den dritten inneren Hohlraum 61 fließt.
  • Der dritte innere Hohlraum 61 ist als ein Raum vorgesehen, der zur Durchführung eines Prozesses verwendet wird, der sich auf die Messung einer Stickoxid (NOx)-Konzentration in einem Messobjektgas bezieht, wobei das Messobjektgas im Voraus in der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt und dann durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 eingeführt wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird hauptsächlich durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 im dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration im Messobjektgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen ist und dem dritten inneren Hohlraum 61 zugewandt ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandsschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 gebildet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode aus einem Material, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Bestandteile im Messobjektgas im Vergleich zur inneren Pumpelektrode 22 erhöht ist. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das in der Atmosphäre im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene NOx reduziert.
  • Insbesondere ist die Messelektrode 44 eine Elektrode, die Pt und/oder Rh enthält, das ein katalytisch aktives Edelmetall ist. Die Messelektrode 44 ist bevorzugt eine Elektrode, die aus einem Cermet gebildet ist, das Pt und/oder Rh und ein sauerstoffionenleitendes Oxid (hier ZrO2) enthält. Außerdem ist die Messelektrode 44 bevorzugt ein poröser Körper. In dieser Ausführungsform ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermet-Elektrode, die aus Pt, Rh und ZrO2 gebildet ist.
  • Die Messpumpzelle 41 ist in der Lage, Sauerstoff abzupumpen, der als Ergebnis der Zersetzung von Stickoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 zu erfassen.
  • Um einen Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu erfassen, ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Messpumpsteuerungssensorzelle 82 zur Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 gebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird in Abhängigkeit von einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die von der Messpumpsteuerungssensorzelle 82 zur Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks erfasst wird.
  • Ein in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitetes Messobjektgas erreicht die Messelektrode 44 im dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 in einer Situation, in der der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Die Stickoxide in dem Messobjektgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2NO→ N2 + O2), um Sauerstoff zu erzeugen. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpzelle 41 gepumpt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so geregelt, dass die von der Sauerstoffpartialdruck-Sensorzelle 82 zur Steuerung der Messpumpe erfasste Spannung V2 konstant ist (Sollwert). Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur Konzentration der Stickoxide im Messobjektgas, so dass die Stickoxidkonzentration im Messobjektgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet wird.
  • Eine elektrochemische Sensorzelle 83 ist aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandsschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 gebildet, und es ist möglich, einen Sauerstoffpartialdruck in einem Messobjektgas außerhalb des Sensors unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) zu erfassen, die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird.
  • Bei dem Gassensor 100 mit einer derartigen Konfiguration wird der Messpumpzelle 41 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 ein Messobjektgas zugeführt, dessen Sauerstoffpartialdruck auf einem konstant gleichbleibend niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst). Daher ist es möglich, eine NOx-Konzentration im Messobjektgas in Übereinstimmung mit einem Pumpstrom Ip2 zu ermitteln, der infolge des Abpumpens von Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx entsteht, durch die Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zu einer NOx-Konzentration im Messobjektgas fließt.
  • Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 101 den Heizungsabschnitt 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Sensorelements 101 durch Erhitzen spielt, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Der Heizungsabschnitt 70 umfasst eine Heizungs-Verbindungselektrode 71, eine Heizung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizungsisolierschicht 74 und eine Druckentlastungsöffnung 75.
  • Die Heizung-Verbindungselektrode 71 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass sie in Kontakt mit der Unterseite der ersten Substratschicht 1 steht. Der Anschluss der Heizungs-Verbindungselektrode 71 an eine externe Stromversorgung ermöglicht die Zufuhr von elektrischer Energie von außen an den Heizungsabschnitt 70.
  • Die Heizung 72 ist ein elektrischer Widerstand, welcher derart ausgebildet ist, dass er von der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 von der Ober- und Unterseite her eingeklemmt ist. Die Heizung 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizungs-Verbindungselektrode 71 verbunden und wird von einer Heizungsstromversorgung 76 (siehe 2) mit elektrischer Energie versorgt, um Wärme zu erzeugen, um die Temperatur des Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, zu erhöhen und zu halten.
  • Die Heizung 72 ist über den gesamten Bereich vom ersten inneren Hohlraum 20 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und ist in der Lage, das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einzustellen, bei der der Festelektrolyt aktiviert wird.
  • Die Heizungsisolierschicht 74 ist eine elektrisch isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der Ober- und Unterseite der Heizung 72 gebildet wird. Die Heizungs-Isolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizung 72 und eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizung 72 zu erzielen.
  • Die Druckentlastungsöffnung 75 ist ein Abschnitt, der so vorgesehen ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Atmosphäreneinlassschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht. Die Druckentlastungsöffnung 75 ist so ausgebildet, dass ein Anstieg des Innendrucks infolge eines Temperaturanstiegs in der Heizungsisolierschicht 74 gemildert wird.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst das Steuergerät 90 die oben beschriebenen variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, die Heizungsstromversorgung 76 und einen Controller 91. Der Controller 91 ist ein Mikroprozessor mit einer CPU 92, einem Speicherabschnitt 94 und dergleichen. Der Speicherabschnitt 94 ist zum Beispiel eine Vorrichtung, die verschiedene Programme und Daten speichert. Der Controller 91 empfängt einen Eingang der Spannung V0, die von der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 der Hauptpumpsteuerung erfasst wird, der Spannung V1, die von der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 81 der Hilfspumpsteuerung erfasst wird, der Spannung V2, die von der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82 der Messpumpsteuerung erfasst wird, der Spannung Vref, die von der Sensorzelle 83 erfasst wird, des Pumpstroms Ip0, der von der Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, des Pumpstroms Ip1, der von der Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und des Pumpstroms Ip2, der von der Messpumpzelle 41 erfasst wird. Der Controller 91 steuert die von den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgegebenen Spannungen Vp0, Vp1, Vp2, indem er ein Steuersignal an die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgibt und dadurch die Hauptpumpzelle 21, die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50 steuert. Der Controller 91 steuert die elektrische Leistung, die dem Heizung 72 von der Heizungsstromversorgung 76 zugeführt wird, indem er ein Steuersignal an die Heizungsstromversorgung 76 ausgibt. Der Speicherabschnitt 94 speichert auch die später beschriebenen Sollwerte V0*, V1*, V2a*, V2b* und dergleichen. Die CPU 92 des Controllers 91 steuert die Zellen 21, 41, 50 unter Bezugnahme auf diese Sollwerte V0*, V1*, V2a*, V2b*.
  • Der Controller 91 führt einen Hilfspumpensteuerungsprozess zur Steuerung der Hilfspumpzelle 50 aus, so dass die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 eine Sollkonzentration erreicht. Insbesondere steuert der Controller 91 die Hilfspumpzelle 50, indem es eine Rückkopplungsregelung für die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 ausführt, so dass die Spannung V1 einen konstanten Wert (als Sollwert V1* bezeichnet) erreicht. Der Sollwert V1* ist als der Wert definiert, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, welche die Messung von NOx nicht wesentlich beeinträchtigt.
  • Der Controller 91 führt einen Hauptpumpen-Steuerungsprozess zur Steuerung der Hauptpumpzelle 21 aus, so dass der Pumpstrom Ip1, der zum Zeitpunkt der Einstellung der Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Hilfspumpzelle 50 fließt, durch den Hilfspumpensteuerungsprozess einen Sollstrom (bezeichnet als Sollwert Ip1*) erreicht. Insbesondere nimmt der Controller 91 eine Einstellung (Rückkopplungsregelung) eines Sollwertes (als Sollwert V0* bezeichnet) der Spannung V0 basierend auf dem Pumpstrom Ip1 vor, so dass der durch die Spannung Vp1 fließende elektrische Pumpstrom Ip1 einen konstanten Sollstrom Ip1* erreicht. Der Controller 91 führt dann eine Rückkopplungsregelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 durch, so dass die Spannung VO den Sollwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Sollkonzentration). Der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messobjektgas, das aus dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird durch den Hauptprozess der Pumpsteuerung konstant gehalten. Der Sollwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 größer als 0 % ist und eine niedrige Sauerstoffkonzentration aufweist. Der Pumpstrom Ip0, der während des Hauptpumpen-Steuerungsprozesses fließt, variiert in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas (d.h. einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messobjektgasströmungsabschnitt strömt. Somit kann der Controller 91 auch die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas basierend auf dem Pumpstrom Ip0 ermitteln.
  • Der oben beschriebene Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess werden auch gemeinsam als Einstellungspumpen-Steuerungsprozess bezeichnet. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 werden auch gemeinsam als Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer bezeichnet. Die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 werden auch gemeinsam als Einstellungspumpzelle bezeichnet. Der Controller 91 führt den Einstellungspumpen-Steuerungsprozess aus, wodurch die Einstellungspumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer einstellt.
  • Darüber hinaus führt der Controller 91 einen Messungs-Pumpensteuerungsprozess aus, bei dem die Messpumpzelle 41 so gesteuert wird, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert (Sollwert) erreicht (d.h., dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration erreicht). Konkret steuert der Controller 91 die Messpumpzelle 41, indem er die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 rückkoppelt, so dass die Spannung V2 einen Sollwert erreicht. Durch die Steuerung der Messpumpe wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 gepumpt. Als Messungs-Pumpensteuerungsprozess führt der Controller 91 den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess aus, der während der normalen Betriebszeit des Sensorelements 101 ausgeführt wird, und den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess, der zur Startzeit des Sensorelements 101 vor der normalen Betriebszeit ausgeführt wird. Der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess und der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess haben unterschiedliche Sollwerte für die Spannung V2. Ein Sollwert der Spannung V2 in der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung wird als Startzeit-Sollwert V2a* bezeichnet. Ein Sollwert für die Spannung V2 bei der Normalzeitmessungs-Pumpsteuerung wird als Normalzeit-Sollwert V2b* bezeichnet. Der Startzeit-Sollwert V2a* wird auf einen höheren Wert als der Normalzeit-Sollwert V2b* eingestellt. Das heißt, V2a* und V2b* werden so eingestellt, dass V2a* > V2b* ist. Dabei ist die Spannung V2 ein Wert, der mit der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebung der Referenzelektrode 42 und dem dritten inneren Hohlraum 61 verbunden ist. Je niedriger die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto größer ist der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration, und die Spannung V2 hat auch einen höheren Wert. Daher zeigt der Startzeit-Sollwert V2a*, der einen höheren Wert als der Normalzeit-Sollwert V2b* hat, an, dass zum Zeitpunkt der Ausführung des Startzeit-Messungs-Pumpensteuerungsprozesses ein Sollwert für die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 auf einen niedrigeren Wert gesetzt wird, verglichen mit dem Zeitpunkt der Ausführung des Normalzeit-Messungs-Pumpensteuerungsprozesses. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Normalzeit-Sollwert V2b* auf 400 mV und der Startzeit-Sollwert V2a* auf 600 mV eingestellt.
  • Die Ausführung des Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses bewirkt, dass Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 abgepumpt wird, so dass der durch die Reduktion von NOx in einem Messobjektgas im dritten inneren Hohlraum 61 erzeugte Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Der Controller 91 erhält einen Pumpstrom Ip2 als einen erfassten Wert entsprechend dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas (hier NOx) erzeugt wird, und berechnet die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas basierend auf dem Pumpstrom Ip2.
  • Der Speicherabschnitt 94 speichert einen relationalen Ausdruck (z.B. einen Ausdruck einer linearen Funktion) und ein Kennfeld als Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher relationaler Ausdruck und eine solche Figur können im Voraus durch einen Versuch bestimmt werden.
  • Es wird ein Beispiel für den Startzeit-Steuerungsprozess beschrieben, bei dem es sich um einen Prozess handelt, der zur Startzeit des Sensorelements 101 durch den Controller 91 des so konfigurierten Gassensors 100 ausgeführt wird. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für den Startzeitsteuerungsprozess zeigt. 4 ist ein Graph, der ein Beispiel für das Verhalten des Startzeit-Steuerungsprozesses und des Normalzeit-Steuerungsprozesses zeigt.
  • Wenn der Startzeit-Steuerungsprozess gestartet wird, startet die CPU 92 des Controllers 91 zunächst einen Heizungssteuerungsprozess, bei dem die Heizung 72 mit Energie versorgt wird, um zu bewirken, dass die Heizung 72 Wärme erzeugt, so dass eine Heizungstemperatur Th, welche die Temperatur der Heizung 72 ist, eine Solltemperatur Th* erreicht (Schritt S100). Die Heizungstemperatur Th kann durch einen Ausdruck einer linearen Funktion des Widerstandswerts des Heizkörpers 72 dargestellt werden. Somit berechnet die CPU 92 im Heizungssteuerungsprozess der vorliegenden Ausführungsform den Widerstandswert der Heizung 72 und führt eine Rückkopplungssteuerung der Heizungsstromversorgung 76 aus, so dass der berechnete Widerstandswert einen Sollwiderstandswert erreicht (Widerstandswert entsprechend der Solltemperatur Th*). Die CPU 92 erhält beispielsweise die Spannung der Heizung 72 und den Strom, der durch das Heizung 72 fließt, und kann den Widerstandswert der Heizung 72 basierend auf der erhaltenen Spannung und dem Strom berechnen. Die CPU 92 kann den Widerstandswert der Heizung 72 z.B. nach der 3-Klemmen-Methode oder der 4-Klemmen-Methode berechnen. Die CPU 92 gibt ein Steuersignal an die Heizungsstromversorgung 76 aus und führt eine Rückkopplungssteuerung für die von der Heizungsstromversorgung 76 gelieferte elektrische Leistung durch, so dass der berechnete Widerstandswert der Heizung 72 einen Sollwiderstandswert erreicht. Die Heizungsstromversorgung 76 passt die der Heizung 72 zugeführte elektrische Leistung an, indem sie beispielsweise den Wert der an die Heizung 72 angelegten Spannung ändert. Wie in 4 gezeigt steigt die Heizungstemperatur Th, wenn der Heizkörpersteuerungsprozess zum Zeitpunkt t0 gestartet wird, im Laufe der Zeit auf die Solltemperatur Th* an, und nach dem Zeitpunkt t2, zu dem die Heizungstemperatur Th die Solltemperatur Th* erreicht, wird die Heizungstemperatur Th in der Nähe der Solltemperatur Th* gehalten. Die Solltemperatur Th* wird im Voraus als eine Temperatur (z.B. 800°C) festgelegt, bei der der Festelektrolyt des Sensorelements 101 ausreichend aktiviert ist. Zur Vereinfachung der Erläuterung in 4 wird die zeitliche Änderung der Heizungstemperatur Th durch eine gerade Linie dargestellt, aber in der Praxis kann die Heizungstemperatur Th kurvenförmig ansteigen, und es kann zu einem Überschreiten der Heizungstemperatur Th kommen, bevor sie in der Nähe der Solltemperatur Th* stabilisiert ist.
  • Nachdem der Heizungssteuerungsprozess in Schritt S100 gestartet wurde, bestimmt die CPU 92, ob eine Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist oder nicht. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, ob die Heizungstemperatur Th einen vorgegebenen Schwellenwert Thref überschritten hat oder nicht (Schritt S110), und wenn ein Bestimmungsergebnis eine positive Bestimmung anzeigt, geht die CPU 92 davon aus, dass die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist. Der Schwellenwert Thref ist ein Wert, der kleiner oder gleich der Solltemperatur Th* ist, und kann ein Wert kleiner als die Solltemperatur Th* sein. Der Schwellenwert Thref wird im Voraus als der untere Grenzwert der Heizungstemperatur Th definiert, der erforderlich ist, um den Festelektrolyten (die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 in der vorliegenden Ausführungsform), der in der Messpumpzelle 41 enthalten ist, die durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gesteuert wird, zu aktivieren (Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu entwickeln). Der Schwellenwert Thref kann beispielsweise im Voraus durch einen Versuch als unterer Grenzwert der Heizungstemperatur Th definiert werden, die erforderlich ist, um die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandsschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 auf 600 °C oder höher zu erhitzen. Alternativ kann der Schwellenwert Thref als der Wert definiert werden, der sich aus der Multiplikation der Solltemperatur Th* mit einer vorgegebenen Rate (Wert kleiner als 1) ergibt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwellenwert Thref = 0,8× Th*. Mit anderen Worten: Die CPU 92 bestimmt, dass die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, wenn die Heizungstemperatur Th einen Wert von mindestens 80 % der Solltemperatur Th* erreicht.
  • Wenn in Schritt S110 eine negative Bestimmung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S110 wiederholt aus, bis eine positive Bestimmung getroffen wird. Wenn in Schritt S110 eine positive Bestimmung getroffen wird, startet die CPU 92 den oben beschriebenen Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess (Schritt S120). Im Beispiel von 4 erreicht die Heizungstemperatur Th den Schwellenwert Thref zum Zeitpunkt t1 vor dem Zeitpunkt t2, so dass die CPU 92 den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Zeitpunkt t1 startet. Wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet ist, führt die CPU 92 eine Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 aus, so dass die Spannung V2 den Startzeit-Sollwert V2a* erreicht, wodurch die Messpumpzelle 41 gesteuert wird. Durch Anlegen der Spannung Vp2 kann die Messpumpzelle 41 den im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandenen Sauerstoff in die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 abpumpen. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein der Menge des abgepumpten Sauerstoffs entsprechender Pumpstrom Ip2 durch die Messpumpzelle 41. Hier wird vor dem Start des Sensorelements 101 ein Zustand (z.B. eine Luftatmosphäre) erreicht, in dem viel Sauerstoff (Sauerstoff, der nicht aus einem spezifischen Gas erzeugt wird) in dem Messobjektgasströmungsabschnitt einschließlich des dritten inneren Hohlraums 61 vorhanden ist. Die Ausführung des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses ermöglicht es, dass dieser Sauerstoff in die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 gepumpt wird. Wie der Graph (durchgezogene Linie) des Pumpstroms Ip2 im Beispiel in 4 zeigt, wird der Pumpstrom Ip2 ab dem Zeitpunkt t1 schnell erhöht, und es fließt ein relativ hoher Pumpstrom Ip2. Der Sauerstoff, der seit dem Start des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden ist, umfasst insbesondere die Sauerstoffmoleküle (O2), die in dem Raum in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden sind, die Sauerstoffmoleküle (O2), die an der Oberfläche der Messelektrode 44 haften, und den Sauerstoff, der an das Material der Messelektrode 44 bindet. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Messelektrode 44 Rh und Pt, so dass mindestens eines von Rh2O3 und PtO2 in der Messelektrode 44 vorhanden sein kann. Der Sauerstoff (O) in Rh2O3 und PtO2 ist der Sauerstoff, der an das Ausgangsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist. Nicht nur die Sauerstoffmoleküle, sondern auch der Sauerstoff, der an das Material der Messelektrode 44 gebunden ist, kann durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess abgepumpt werden, wodurch Rh2O3 und PtO2 reduziert werden. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Messelektrode 44 einen porösen Körper, so dass Sauerstoffmoleküle (O2) in offenen und geschlossenen Poren der Messelektrode 44 vorhanden sein können, und diese Sauerstoffmoleküle können auch durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess abgepumpt werden. In der vorliegenden Ausführungsform startet die CPU 92 den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess sowie den oben beschriebenen Einstellungspumpzellensteuerungsprozess (den Hauptpumpen-Steuerungsprozess und den Hilfspumpen-Steuerungsprozess). Infolgedessen wird der Sauerstoff, der sich in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer (dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40) bereits vor dem Start des Sensorelements 101 befunden hat, auch in die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 gepumpt. Daher werden der Pumpstrom Ip0 und der Pumpstrom Ip1 ab dem Zeitpunkt t1 schnell erhöht, und es fließen relativ hohe Pumpströme Ip0 und Ip1. Es wird angemerkt, dass der Pumpstrom Ip0 in 4 nicht dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist der Pumpstrom Ip1 in 4 niedriger als der Pumpstrom Ip2 dargestellt; das tatsächliche Größenverhältnis zwischen den Pumpströmen ist jedoch grundsätzlich Ip0 > Ip1 > Ip2.
  • Nachdem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in Schritt S120 gestartet wurde, bestimmt die CPU 92, ob eine Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist oder nicht. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, ob die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer basierend auf dem Betrieb der Einstellungspumpzelle stabilisiert ist oder nicht (Schritt S130), und wenn ein Bestimmungsergebnis eine positive Bestimmung anzeigt, nimmt die CPU 92 an, dass die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist. Genauer gesagt stellt die CPU 92 fest, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer stabilisiert ist, wenn bestimmt wird, dass der Pumpstrom Ip1 ungefähr bei dem Sollstrom Ip1* stabilisiert ist.
  • Zum Beispiel werden, wie in 4 gezeigt, wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess, der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess zum Zeitpunkt t1 gestartet werden, wie oben beschrieben, die Pumpströme Ip1, Ip2 (und der Pumpstrom Ip0) schnell erhöht und haben relativ hohe Werte. Wenn also der Sauerstoff in dem Messobjektgasströmungsabschnitt abgepumpt wird, nähert sich die Spannung V2 dem Startzeit-Sollwert V2a*, die Spannung V1 dem Sollwert V1* und der Pumpstrom Ip1 dem Sollstrom Ip1*, so dass die Pumpströme Ip1, Ip2 (und der Pumpstrom Ip0) einmal erhöht und dann allmählich verringert werden. Wenn der Sauerstoff, der sich seit vor dem Start des Sensorelements 101 in dem Messobjektgasströmungsabschnitt befunden hat, ausreichend abgepumpt ist (Zeitpunkt t3), stabilisiert sich die Spannung V1 im Wesentlichen auf demselben Wert wie der Sollwert V1*, und der Pumpstrom Ip1 stabilisiert sich im Wesentlichen auf demselben Wert wie der Sollstrom Ip1* (die Darstellung der Spannung V1 ist in 4 weggelassen). Da der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 miteinander in Verbindung stehen, kann nicht nur der Sauerstoff im zweiten inneren Hohlraum 40, sondern auch der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 entfernt werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 auf ein Niveau nahe der Sollkonzentration (eine Sauerstoffkonzentration, die dem Sollwert V1* der Spannung V1 entspricht) reduziert wird, kann in dem Fall, in dem die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 höher ist als eine Sollkonzentration (eine Sauerstoffkonzentration, die dem Startzeit-Sollwert V2a* der Spannung V2 entspricht), der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 zurück zum zweiten inneren Hohlraum 40 diffundieren (zurückströmen), und der Sauerstoff kann durch die Hilfspumpzelle 50 abgepumpt werden. Wenn also die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer (der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40) stabilisiert ist, mit anderen Worten, wenn der Pumpstrom Ip1 etwa auf dem Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, ist der Sauerstoff, der sich seit dem Start des Sensorelements 101 im dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, ausreichend abgepumpt worden. Daher ist es möglich, zu bestimmen, ob der Sauerstoff, der seit vor dem Start des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, ausreichend abgepumpt wurde oder nicht, basierend darauf, ob der Pumpstrom Ip1 sich bei etwa dem Sollstrom Ip1* stabilisiert hat oder nicht. Bei der Bestimmung in Schritt S130 kann die CPU 92, wenn der Pumpstrom Ip1 einmal auf einen Wert kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert erhöht und verringert wird, bestimmen, dass der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist. Der vorgegebene Schwellenwert ist in diesem Fall ein Wert, der es ermöglicht, festzustellen, dass der Pumpstrom Ip1 auf einen Wert in der Nähe des Sollstroms Ip1* gesunken ist. Der Wert kann im Voraus als ein Wert definiert werden, der größer oder gleich dem Sollstrom Ip1* ist, wie z.B. der gleiche Wert wie der Sollstrom Ip1* oder der Wert, der um 5 % größer als der Sollstrom Ip1* ist. Alternativ dazu kann die CPU 92, wenn ein Zustand, in dem der Pumpstrom Ip1 einen Wert in einem vorgegebenen Bereich hat, für eine vorgegebene Zeit oder länger anhält, bestimmen, dass der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* herum stabilisiert ist. Der vorgegebene Bereich ist in diesem Fall ein Bereich, der es erlaubt zu bestimmen, dass der Pumpstrom Ip1 ein Wert um den Sollstrom Ip1* ist, und der im Voraus beispielsweise als der Bereich innerhalb von ±5% des Sollstroms Ip1* definiert werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, dass der Pumpstrom Ip1 auf einem Wert um den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, wenn der Pumpstrom Ip1 einmal auf einen Wert kleiner oder gleich dem Sollstrom Ip1* erhöht und verringert wird (zum Zeitpunkt t3 in 4).
  • Wenn in Schritt S130 eine negative Bestimmung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S130 wiederholt aus, bis eine positive Bestimmung getroffen wird. Wenn in Schritt S130 eine positive Bestimmung getroffen wird, beendet die CPU 92 den oben beschriebenen Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess und startet den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess (Schritt S140), um den Startzeitsteuerungsprozess zu beenden. Somit wird der von der CPU 92 ausgeführte Startzeit-Steuerungsprozess zum Normalzeit-Steuerungsprozess gewechselt. In dem Normalzeit-Steuerungsprozess führt die CPU 92 den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess sowie den oben beschriebenen Einstellungspumpen-Steuerungsprozess (den Hauptpumpen-Steuerungsprozess und den Hilfspumpen-Steuerungsprozess) kontinuierlich ab dem Startzeitsteuerungsprozess aus. Die CPU 92 berechnet dann die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas basierend auf dem Pumpstrom Ip2, der durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt. Im Beispiel von 4 wird der Pumpstrom Ip1 bis zum Zeitpunkt t3 nicht stabilisiert, so dass die CPU 92 in Schritt S130 eine negative Bestimmung vornimmt, und zum Zeitpunkt t3 stellt die CPU 92 fest, dass der Pumpstrom Ip1 stabilisiert ist, und nimmt in Schritt S130 eine positive Bestimmung vor. Somit startet die CPU 92 den Normalzeit-Steuerungsprozess ab dem Zeitpunkt t3.
  • Wie in 4 gezeigt, wird während der Ausführung des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses (Zeit t1 bis t3) der Sauerstoff, der seit vor dem Start des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, abgepumpt, so dass der Pumpstrom Ip2 einen hohen Wert erreicht und der Wert des Pumpstroms Ip2 keinen Wert widergibt, der der NOx-Konzentration in einem Messobjektgas entspricht. Nach der Zeit t3, wenn das Abpumpen von Sauerstoff durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausreichend durchgeführt wird, wird im Wesentlichen der gesamte im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene Sauerstoff aus dem NOx in einem Messobjektgas erzeugt, so dass der Wert des Pumpstroms Ip2 der NOx-Konzentration in einem Messobjektgas entspricht. Aus diesem Grund ist nach der Zeit t3 die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas anhand des Pumpstroms Ip2 nachweisbar. Die Anspringzeit ist somit die Zeit (t0 bis t3) vom Startzeitpunkt des Sensorelements 101 bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Wert des Pumpstroms Ip2 die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas widerspiegelt. Zum besseren Verständnis des Verhaltens des Pumpstroms Ip2 ist in 4 dargestellt, wie die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas konstant ist, und nach dem Zeitpunkt t3 ist der Pumpstrom Ip2 konstant. Wenn das Sensorelement 101 tatsächlich verwendet wird, schwankt die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas jeden Moment, so dass nach der Zeit t3 der Wert des Pumpstroms Ip2 entsprechend der NOx-Konzentration variiert. Daher ist es schwierig zu bestimmen, ob das Sensorelement 101 basierend auf dem Wert des Pumpstroms Ip2 ausgeschaltet ist oder nicht. Daher bestimmt die CPU 92 in der vorliegenden Ausführungsform, wie oben beschrieben, basierend auf dem Wert des Pumpstroms Ip1 und nicht des Pumpstroms Ip2, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist oder nicht.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements 101, wie oben beschrieben, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Abpumpen des Sauerstoffs im dritten inneren Hohlraum 61 durch Steuerung der Messpumpzelle 41 ausgeführt, so dass die Spannung V2 den Startzeit-Sollwert V2a* erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Sollwert V2b*. Das heißt, dass der Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 bei der Startzeit-Messpumpsteuerung mit einem Sollwert für die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 abgepumpt wird, der niedriger als der Wert während der normalen Betriebszeit eingestellt ist. Somit kann der Sauerstoff, der sich seit dem Start des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, schnell aus dem dritten inneren Hohlraum 61 entfernt werden, wenn der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess seit dem Start ausgeführt wird. Zum Beispiel zeigt das Diagramm (gestrichelte Linie) des Pumpstroms Ip2 in dem in 4 dargestellten Vergleichsbeispiel die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2, wenn der Einstellungspumpen-Steuerungsprozess (der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess) ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt wird, sowie der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess anstelle des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt wird. In diesem Fall wird die Messpumpzelle 41 so gesteuert, dass die Spannung V2 den Normalzeit-Sollwert V2b* erreicht, der niedriger ist als der Startzeit-Sollwert V2a*, so dass im Vergleich zum Diagramm (durchgezogene Linie) des Pumpstroms Ip2 im Beispiel der Pumpstrom Ip2 einen kleineren Wert hat und weniger Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 abgepumpt wird. Somit wird der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 zum Zeitpunkt t4 später als zum Zeitpunkt t3 ausreichend abgepumpt. Mit anderen Worten, die Anspringzeit ist im Vergleichsbeispiel länger als in dem Beispiel. Auf diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das Sensorelement 101 gestartet wird, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess anstelle des Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses ausgeführt, wodurch die Anspringzeit des Sensorelements 101 reduziert werden kann. Es ist zu beachten, dass, auch wenn dies nicht dargestellt wird, wenn der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess und der Einstellungspumpen-Steuerungsprozess (der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess) ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt werden, die Zeit, bis der Pumpstrom Ip1 ungefähr auf dem Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, auch die Zeit t4 später als die Zeit t3 ist.
  • Es wird angemerkt, dass in 4 der Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip2 konstant wird (der Zeitpunkt, zu dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird), und der Zeitpunkt, zu dem sich der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert hat, derselbe Zeitpunkt t3 sind. In der Praxis ist jedoch in einigen Fällen der Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip1 auf den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, etwas früher als der Zeitpunkt t3. Wie oben beschrieben kann die Hilfspumpzelle 50 auch den Sauerstoff abpumpen, der aus dem dritten inneren Hohlraum 61 in den zweiten inneren Hohlraum 40 zurückgeströmt ist. Die Hilfspumpzelle 50 kann jedoch den Sauerstoff, der an das Material der Messelektrode 44 gebunden ist, und die Sauerstoffmoleküle, die sich in den geschlossenen Poren der Messelektrode 44 befinden, nicht abpumpen, da dieser Sauerstoff nicht zurückfließt. Nachdem sich der Pumpstrom Ip1 auf etwa den Sollstrom Ip1* stabilisiert hat, kann dieser Sauerstoff, der nicht von der Hilfspumpzelle 50 abgepumpt werden kann, von der Messpumpzelle 41 abgepumpt werden, und das Sensorelement 101 kann zum ersten Mal ausgeschaltet werden. In diesem Fall fährt die CPU 92 bevorzugt damit fort, den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auszuführen, ohne den Schritt S140 während der Zeit auszuführen, bis das Sensorelement 101 ausgeschaltet ist, da der Pumpstrom Ip1 auf etwa den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist. Beispielsweise kann die CPU 92 den Schritt S140 ausführen, nachdem eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, seit die CPU 92 in Schritt S130 eine bestätigende Bestimmung getroffen hat. Alternativ kann, wenn die CPU 92 in Schritt S130 eine bestätigende Bestimmung vornimmt, nachdem ein Zustand, in dem der Pumpstrom Ip1 einen Wert in einem vorgegebenen Bereich hat, für eine vorgegebene Zeit oder länger anhält, die vorgegebene Zeit auf eine Zeit gesetzt werden, die nahezu gleich der Zeit ist, bis das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird, da der Pumpstrom Ip1 auf etwa den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist.
  • Hier wird die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten der vorliegenden Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung deutlich gemacht. Der Schichtkörper, in dem die sechs Schichten, nämlich die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandsschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 der vorliegenden Ausführungsform in dieser Reihenfolge laminiert sind, entspricht einem Elementkörper der vorliegenden Erfindung, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Messelektrode, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Messelektrode 44 entspricht einer inneren Messelektrode, die Messpumpzelle 41 entspricht einer Messpumpzelle, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode, die Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82 entspricht einer Messspannungserfassungs-Sensorzelle, das Sensorelement 101 entspricht einem Sensorelement, der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Messpumpstrom, und das Steuergerät 90 entspricht einer Pumpzellensteuerung und einem Abschnitt zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration. Das Steuergerät 90 entspricht einem Heizungs-Controller, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer, die innere Pumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51 entsprechen einer inneren Einstellungspumpelektrode, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Einstellungspumpelektrode, die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen einer Einstellungspumpzelle, und der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess entsprechen einem Einstellungspumpen-Steuerungsprozess. Die innere Pumpelektrode 22 entspricht einer inneren Hauptpumpelektrode, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Hauptpumpelektrode, die Hilfspumpelektrode 51 entspricht einer inneren Hilfspumpelektrode, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Hilfspumpelektrode, und der Pumpstrom Ip1 entspricht einem Hilfspumpstrom.
  • Bei dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform, der oben ausführlich beschrieben ist, wird, wenn das Sensorelement 101 gestartet wird, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess des Abpumpens des Sauerstoffs in dem dritten inneren Hohlraum 61 ausgeführt, indem die Messpumpzelle 41 so gesteuert wird, dass die Spannung V2 den Startzeit-Sollwert V2a* erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Sollwert V2b*, so dass im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess seit der Startzeit des Sensorelements 101 ausgeführt wird, der Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 seit vor dem Start vorhanden war, schnell entfernt werden kann. Daher wird die Anspringzeit des Sensorelements 101 reduziert.
  • Nachdem der Heizungssteuerungsprozess gestartet wurde, startet die CPU 92 den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess, wenn die Heizungstemperatur Th ein Niveau erreicht, das höher als oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert Thref ist, der niedriger als oder gleich der Solltemperatur Th* ist. Daher kann die CPU 92 den Startzeitpunkt für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf der Heizungstemperatur Th angemessen bestimmen.
  • Darüber hinaus hat das Sensorelement 101 eine Einstellungspumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer einstellt, die auf der stromaufwärtigen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist. Zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements 101 führt die CPU 92 den Einstellungspump-Steuerungsprozess des Betriebs der Einstellungspumpzelle aus, und wenn sie basierend auf dem Betrieb der Einstellungspumpzelle bestimmt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer stabilisiert ist, schaltet die CPU 92 von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Messungs-Pumpensteuerungsprozess der Normalzeit um. In diesem Fall nimmt vor dem Starten des Sensorelements 101 nicht nur der dritte innere Hohlraum 61, sondern auch die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer auf der stromaufwärtigen Seite einen Zustand an (z.B. eine Luftatmosphäre), in dem viel Sauerstoff (nicht aus einem spezifischen Gas erzeugter Sauerstoff) vorhanden ist. Zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements 101 führt die CPU 92 einen Einstellungspump-Steuerungsprozess aus, wodurch es möglich wird, auch den Sauerstoff zu entfernen, der seit dem Start des Sensorelements 101 in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer vorhanden war. Da die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer und der dritte innere Hohlraum 61 miteinander in Verbindung stehen, kann der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 auch durch den Betrieb der Einstellungspumpzelle entfernt werden. Da die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer und der dritte innere Hohlraum 61, wie oben erwähnt, miteinander kommunizieren, wird außerdem, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer stabilisiert ist, auch der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt. Wenn also basierend auf dem Betrieb der Einstellungspumpzelle bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer stabilisiert ist, wird der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise vom Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umzuschalten.
  • Die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer weist den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf, der auf der stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums 20 und auf der stromaufwärtigen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 vorgesehen ist, und die Einstellungspumpzelle hat die Hauptpumpzelle 21, welche die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 einstellt, und die Hilfspumpzelle 50, welche die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 einstellt. Der Einstellungspump-Steuerungsprozess umfasst: den Hilfspumpen-Steuerungsprozess, bei dem die Hilfspumpzelle 50 so gesteuert wird, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine Sollkonzentration erreicht; und den Hauptpumpen-Steuerungsprozess, bei dem die Hauptpumpzelle 21 so gesteuert wird, dass der durch die Hilfspumpzelle 50 fließende Pumpstrom Ip1 durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess den Sollstrom Ip1* erreicht. Wenn bestimmt wird, dass sich der Pumpstrom Ip1 in der Nähe des Sollstroms Ip1* stabilisiert hat, schaltet die CPU 92 von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung um. Auf diese Weise ist es möglich, basierend auf dem Pumpstrom Ip1 in geeigneter Weise von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umzuschalten.
  • Die Messelektrode 44 enthält Pt und/oder Rh. Edelmetalle wie Pt und Rh können an den Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 gebunden sein, um oxidiert zu werden, und der Sauerstoff verringert die Genauigkeit der Erfassung der spezifischen Gaskonzentration, so dass es zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements 101 notwendig ist, das Oxid des in der Messelektrode 44 enthaltenen Edelmetalls zu reduzieren und den Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 abzupumpen. Es dauert länger, das Oxid des Edelmetalls zu reduzieren und den Sauerstoff abzupumpen, als die Sauerstoffmoleküle im dritten inneren Hohlraum 61 abzupumpen, so dass, wenn oxidiertes Edelmetall im dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden ist, die Anspringzeit wahrscheinlich zunimmt. Bei dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform wird bei der Startzeit des Sensorelements 101 durch die Ausführung des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses anstelle des Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses ermöglicht, dass das oxidierte Edelmetall frühzeitig reduziert wird, wodurch die Anspringzeit verkürzt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform, in der die Messelektrode 44 Pt und Rh enthält, hat die Ausführung des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses daher eine große Bedeutung.
  • Es wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und natürlich in verschiedenen Modi innerhalb des technischen Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann.
  • Wenn beispielsweise in der oben beschriebenen Ausführungsform bestimmt wird, dass sich der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert hat, stellt die CPU 92 fest, dass die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, und schaltet von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess um; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess kann so definiert werden, dass der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess beendet werden kann, wenn das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird, mit anderen Worten, wenn der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt ist. Der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess kann beispielsweise beendet werden, wenn seit dem ersten Einschalten der Heizung 72 eine vorgegebene Zeit verstrichen ist oder wenn seit dem Start des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
  • Die CPU 92 kann bestimmen, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist oder nicht, und zwar basierend auf einer Leerlaufzeitmessspannung V2open, welche die Spannung V2 in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 zu leiten. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für einen Startzeit-Steuerungsprozess einer Modifikation zeigt. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeit-Steuerungsprozesses und eines Normalzeit-Steuerungsprozesses einer Modifikation zeigt. In 5 ist derselbe Prozess wie in 3 mit derselben Schrittnummer beschriftet, und eine Beschreibung desselben wird weggelassen. 6 zeigt 4 und eine zusätzlich dargestellte Art der Zeitänderung der Leerlaufzeitmessspannung V2open. In dem in 5 gezeigten Startzeitsteuerungsprozess einer Modifikation bestimmt die CPU 92, nachdem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in Schritt S120 gestartet wurde, ob die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist oder nicht, indem sie bestimmt, ob die Leerlaufzeitmessspannung V2open einen Pegel erreicht hat, der höher als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert V2opref ist (Schritt S230), wobei V2open die Spannung V2 in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 zu leiten. Zum Beispiel wird in der oben beschriebenen Ausführungsform keine Steuerung durchgeführt, um einen Strom durch die Referenzelektrode 42 zu leiten, und nachdem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in Schritt S120 gestartet wurde, wird der Pumpstrom Ip2 durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess veranlasst, durch die Messelektrode 44 zu fließen. Daher misst die CPU 92 die Spannung V2 in Schritt S230 in einem Zustand, in dem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess vorübergehend gestoppt ist, insbesondere in einem Zustand, in dem das Anlegen der Spannung Vp2 von der variablen Stromversorgung 46 gestoppt ist, und setzt die Leerlaufzeitmessungsspannung V2open auf den gemessenen Wert. Die Leerlaufzeitmessspannung V2open ist ein Wert, der der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 entspricht und bei einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration einen größeren Wert aufweist. Die Leerlaufzeitmessspannung V2open wird in einem Zustand gemessen, in dem kein Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 fließt, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sie durch einen Spannungsabfall aufgrund eines Stroms beeinflusst wird. Somit hat die Leerlaufzeitmessspannung V2open einen Wert, welcher der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 mit höherer Genauigkeit entspricht als die Spannung V2 (die Spannung V2 während der Ausführung des Startzeitmessungs- Pumpensteuerungsprozess), die in einem Zustand gemessen wird, in dem ein Strom durch die Messelektrode 44 fließt. Der Schwellenwert V2opref ist im Voraus definiert als der Wert der Leerlaufzeitmessspannung V2open in einem Zustand, in dem der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt ist. Wie beispielsweise in 6 gezeigt, wird der Wert der Leerlaufzeitmessspannung V2open erhöht, wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet wird, und hat einen im Wesentlichen konstanten Wert (Steady-State-Wert) nach der Zeit t3, wenn das Abpumpen des Sauerstoffs, der seit vor dem Start in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, abgeschlossen ist, mit anderen Worten, nach dem Zeitpunkt, zu dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der im Voraus durch einen Versuch gemessene stationäre Wert als Schwellenwert V2opref definiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwellenwert V2opref auf 200 mV festgelegt. Der Schwellenwert V2opref kann einen Wert haben, der geringfügig niedriger ist als der stationäre Wert der Leerlaufzeitmessspannung V2open. Wenn in Schritt S230 eine negative Bestimmung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S230 wiederholt aus, bis eine positive Bestimmung getroffen wird. Wenn in Schritt S230 eine positive Bestimmung getroffen wird, führt die CPU 92 den oben beschriebenen Schritt S140 aus, um den Startzeit-Steuerungsprozess zu beenden. Wie oben beschrieben hat die Leerlaufzeitmessspannung V2open einen Wert, welcher der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 entspricht, so dass es möglich ist, durch Vergleich der Leerlaufzeitmessspannung V2open mit dem Schwellenwert V2opref in geeigneter Weise zu bestimmen, ob der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt wurde oder nicht. Somit kann selbst dann, wenn die CPU 92 den Schritt S230 in 5 anstelle des Schrittes S130 in 3 ausführt, das Umschalten von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in geeigneter Weise vorgenommen werden. Es ist zu beachten, dass, wie oben beschrieben, der Zeitpunkt, zu dem sich der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert hat, etwas früher liegen kann als der Zeitpunkt t3, zu dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird. Im Gegensatz zum Pumpstrom Ip1 hat die Leerlaufzeitmessspannung V2open einen Wert, der dem im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandenen Sauerstoff entspricht, so dass es kaum einen Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Leerlaufzeitmessspannung V2open einen stationären Wert erreicht, und dem Zeitpunkt, an dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird, gibt.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 in die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 gepumpt; der Sauerstoff kann jedoch auch in die Umgebung einer Elektrode gepumpt werden, die an einer anderen Position als dem Gasströmungsabschnitt angeordnet ist, was nicht auf die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 beschränkt ist. Zum Beispiel kann der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 bei der Startzeitmessung in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpt werden, indem ein Pumpstrom durch Anlegen einer Spannung zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 fließt. Das heißt, in dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Sauerstoff in der dritten inneren Hohlraum 61 auf die Außenseite des Elementkörpers gepumpt, wobei die Außenseite die Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 ist. Der Sauerstoff kann jedoch auch in das Innere des Elementkörpers gepumpt werden, z.B. in die Umgebung der Referenzelektrode 42. Wenn der Sauerstoff in das Innere des Elementkörpers gepumpt wird, wird er bevorzugt in die Umgebung einer Elektrode, wie der Referenzelektrode 42, gepumpt, die an einer anderen Stelle als der Gasflussabschnitt des Messobjekts angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass der Sauerstoff in einen Bereich des Elementkörpers gepumpt wird, der nicht mit dem dritten inneren Hohlraum 61 in Verbindung steht, wenn der Sauerstoff in das Innere des Elementkörpers gepumpt wird.
  • Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform nicht näher beschrieben, ist es vorteilhaft, dass die an die Messpumpzelle 41 angelegte Spannung Vp2 niedriger als 1500 mV ist. Wenn die Spannung Vp2 höher als oder gleich 1500 mV ist, kann es zu einem Mangel an Sauerstoffionen im Festelektrolyten kommen, und es kann zu einer elektronischen Leitung im Festelektrolyten kommen, wodurch das Sensorelement 101 geschwärzt und unbrauchbar werden kann; ein solches Problem kann jedoch vermieden werden, indem die Spannung Vp2 niedriger als 1500 mV eingestellt wird. Je höher der Wert des Startzeit-Sollwerts V2a* ist, desto höher ist der Wert der Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses. Es ist daher bevorzugt, dass der Startzeit-Sollwert V2a* als ein Wert definiert wird, der verhindert, dass die Spannung Vp2 1500 mV übersteigt. Wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Festelektrolyt nicht ausreichend aktiviert ist, wird der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 nicht abgepumpt, und die Spannung V2 nähert sich nicht dem Startzeit-Sollwert V2a*, so dass die Spannung Vp2 aufgrund der Rückkopplungssteuerung zu einem hohen Wert neigt. Wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Festelektrolyt nicht ausreichend aktiviert ist, tendiert die Spannung Vp2 daher dazu, während des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses höher als oder gleich 1500 mV zu sein. In Anbetracht dieses Punktes ist es vorzuziehen, dass die Startbedingung (der Wert des Schwellenwerts Thref in der oben beschriebenen Ausführungsform) für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in geeigneter Weise definiert wird, so dass die Spannung Vp2 1500 mV nicht überschreitet.
  • In dem Heizungssteuerungsprozess der oben beschriebenen Ausführungsform steuert die CPU 92 die Heizung 72 so, dass die Heizungstemperatur Th die Solltemperatur Th* erreicht; jedoch kann die CPU 92 die Heizung 72 ohne Verwendung der Heizungstemperatur Th derart steuern, dass die Sensorelementtemperatur, welche die Temperatur der Heizung 72 oder des Elementkörpers ist, eine Solltemperatur erreicht. Zum Beispiel wird der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpzelle 41 oder der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpsteuerungs-Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 82 als der Wert (in die Temperatur umwandelbarer Wert) gemessen, der die Temperatur des Elementkörpers darstellt, und die Heizung 72 kann so gesteuert werden, dass der Widerstandswert einen Sollwiderstandswert erreicht. In ähnlicher Weise wird in der oben beschriebenen Ausführungsform, wenn die Heizungstemperatur Th einen Wert erreicht, der größer oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert Thref ist, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn die Sensorelementtemperatur zusätzlich zur Heizungstemperatur Th einen Wert erreicht, der höher als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist (z.B. wenn der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpzelle 41 einen Wert erreicht, der niedriger als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist), kann der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet werden. Alternativ kann der Gassensor 100 einen Temperaturdetektor, wie z.B. ein Thermoelement, enthalten, und der Temperatursensor kann direkt die Temperatur des Sensorelements (die Temperatur der Heizung 72 oder die Temperatur des Elementkörpers) selbst messen. In diesem Fall kann die CPU 92 die Heizung 72 in Abhängigkeit von der gemessenen Sensorelementtemperatur derart steuern, dass die Sensorelementtemperatur eine Solltemperatur erreicht.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform bestimmt die CPU 92, wenn die Heizungstemperatur Th einen Wert erreicht, der höher als oder gleich dem vorgegebenen Schwellenwert Thref ist, dass die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess kann so definiert sein, dass der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet werden kann, wenn der Festelektrolyt in der Messpumpzelle 41, die durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gesteuert wird, aktiviert wird. Beispielsweise kann der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet werden, wenn seit dem Beginn der Einschaltung der Heizung 72 eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
  • Alternativ kann die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess so definiert werden, dass der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet werden kann, wenn ein Zustand erreicht ist, der für das Abpumpen des Sauerstoffs geeignet ist, der an das Material des Bestandteils der Messelektrode 44 gebunden ist. Beispielsweise kann die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf dem Phasendiagramm des Ausgangsmaterials für die Messelektrode 44 definiert werden. Ein Beispiel für eine Startbedingung, bei der die Messelektrode 44 Rh als Ausgangsmaterial enthält, wird beschrieben. 7 ist ein Phasendiagramm von Rh2O3 (Referenzen: V. K. Tagirov, D. M. Chizhikov, E. K. Kazenas, and L. K. S. Hubochkin, Zh. Neorg. Khim., Titel: Untersuchung der thermischen Dissoziation von Rutheniumdioxid und Rhodiumsesquioxyd, Journal: Zhurnal Neorganicheskoj Khimii; v.20(8); p. 2035-2037 (1975)). Die vertikale Achse in 7 gibt den Sauerstoffpartialdruck an, die horizontale Achse die Temperatur. Die dicke Gerade in 7 ist eine Gerade (Gleichgewichtslinie), welche die Beziehung zwischen Sauerstoffpartialdruck und Temperatur zeigt, wobei sich Rh2O3 und Rh in einem Gleichgewichtszustand befinden. Die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess kann basierend auf der Gleichgewichtslinie definiert werden, so dass der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in einem Zustand ausgeführt wird, der für die Reduktion des Oxids (hier Rh2O3) des konstituierenden Materials (hier Rh) für die Messelektrode 44 geeignet ist (insbesondere ein Zustand, in dem sich ein entsprechender Punkt zwischen Temperatur und Sauerstoffpartialdruck in einem Bereich unten links der Gleichgewichtslinie in 7 befindet). Wenn beispielsweise der Logarithmus (logPO2) des Sauerstoffpartialdrucks im dritten inneren Hohlraum 61, der dem Startzeit-Sollwert V2a* für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess entspricht, -2 ist (d.h. wenn der Sauerstoffpartialdruck 0,01 Torr beträgt), wie durch die dem Phasendiagramm in 7 hinzugefügte gestrichelte Linie dargestellt, beträgt die Temperatur der Messelektrode 44, die dem Sauerstoffpartialdruck auf der Gleichgewichtslinie entspricht, Ta°C (etwa 630°C). Wenn also die Spannung V2 in der Nähe des Startzeit-Sollwerts V2a* liegt und die Temperatur der Messelektrode 44 aufgrund des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess höher als oder gleich Ta°C ist, wird Rh2O3 wahrscheinlich zu Rh reduziert. Daher kann die Startbedingung für den Pumpensteuerungsprozess zur Messung der Startzeit so definiert werden, dass der Pumpensteuerungsprozess zur Messung der Startzeit gestartet werden kann, wenn die Temperatur der Messelektrode 44 ein Niveau erreicht, das höher als oder gleich Ta°C ist. Beispielsweise kann der Schwellenwert Thref als der untere Grenzwert der Heizungstemperatur Th bestimmt werden, der erforderlich ist, um die Temperatur der Messelektrode 44 auf einen Wert von Ta°C oder darüber zu bringen. Alternativ kann, wenn eine vorgegebene Zeit seit dem Beginn der Einschaltung der Heizung 72 verstrichen ist, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet werden, und die vorgegebene Zeit kann basierend auf der Zeit definiert werden, welche die Temperatur der Messelektrode 44 benötigt, um seit dem Beginn des Heizungssteuerungsprozesses einen Wert zu erreichen, der höher als oder gleich Ta°C ist. Je höher die Temperatur der Messelektrode 44 und je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Rh2O3 reduziert wird, wie aus 7 ersichtlich. Mit anderen Worten, je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto niedriger ist die Temperatur der Messelektrode 44, die zum Starten des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses geeignet ist. Wenn der Startzeit-Sollwert V2a* auf einen höheren Wert eingestellt wird, kann der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess daher in einer entsprechend kurzen Zeit ab dem Start des Heizungssteuerungsprozesses gestartet werden. Wie oben beschrieben ist es jedoch bevorzugt, dass der Startzeitsollwert V2a* als ein Wert definiert wird, der verhindert, dass die Spannung Vp2 1500 mV überschreitet. Auch unter diesem Gesichtspunkt ist es vorteilhaft, den Startzeit-Sollwert V2a* auf einen nicht zu hohen Wert einzustellen. Wie oben beschrieben wird der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess bevorzugt ausgeführt, nachdem der Festelektrolyt aktiviert wurde. Daher ist es vorteilhaft, dass die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf der Temperatur definiert wird, die höher ist als die Temperatur, die zur Aktivierung des Festelektrolyten erforderlich ist, und der Temperatur, die für die Reduktion des Oxids des Grundmaterials für die Messelektrode 44 geeignet ist. Auch wenn die Messelektrode 44 Pt als Materialbestandteil enthält, kann ähnlich wie in dem oben beschriebenen Beispiel die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess, der für die Reduktion des Oxids von Pt geeignet ist, basierend auf dem Phasendiagramm von Pt definiert werden. Wenn die Messelektrode 44 sowohl Pt als auch Rh als konstituierendes Material enthält, ist es bevorzugt, dass die Startbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf der höheren Temperatur zwischen der für die Reduktion des Oxids von Pt geeigneten Temperatur und der für die Reduktion des Oxids von Rh geeigneten Temperatur definiert wird.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform startet die CPU 92 den Einstellungspump-Steuerungsprozess (den Hauptpumpen-Steuerungsprozess und den Hilfspumpen-Steuerungsprozess) zur gleichen Zeit wie den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann eine Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt für den Start des Einstellungspump-Steuerungsprozesses und einem Zeitpunkt für den Start des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses angegeben werden. Die Einstellungspumpzelle (die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50) hat eine höhere Fähigkeit, Sauerstoff abzupumpen, als die Messpumpzelle 41, daher ist es bevorzugt, dass der Einstellungspump-Steuerungsprozess (der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess) zur gleichen Zeit wie oder früher als der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet wird. Darüber hinaus wird während der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess, der Einstellungspump-Steuerungsprozess (der Hauptpumpen-Steuerungsprozess und der Hilfspumpen-Steuerungsprozess) auch bevorzugt ausgeführt.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform hat die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und zum Beispiel kann die Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer einen anderen inneren Hohlraum haben, oder einer von dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 kann weggelassen werden. In ähnlicher Weise hat die Einstellungspumpzelle in der oben beschriebenen Ausführungsform die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Einstellungspumpzelle kann beispielsweise eine andere Pumpzelle haben, oder eine der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 kann weggelassen werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas nur durch die Hauptpumpzelle 21 ausreichend reduziert werden kann, kann die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden. In diesem Fall kann die CPU 92 als Steuerungspump-Steuerungsprozess einen Prozess ausführen, um die Hauptpumpzelle 21 so zu steuern, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellungskammer (dem ersten inneren Hohlraum 20) beispielsweise eine Sollkonzentration erreicht. Genauer gesagt kann ein Sollwert V0* im Voraus definiert werden, und die CPU 92 kann die Hauptpumpzelle 21 steuern, indem sie eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 ausführt, so dass die Spannung V0 den Sollwert V0* erreicht (mit anderen Worten, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine Sollkonzentration erreicht). In diesem Fall kann die CPU 92, wenn sie bestimmt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 basierend auf dem Betrieb der Hauptpumpzelle 21 stabilisiert ist, von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umschalten. Beispielsweise kann die CPU 92 basierend auf dem Wert der Spannung V0 oder dem Wert des Pumpstroms Ip0 bestimmen, ob die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist oder nicht. Genauer gesagt, wenn die Spannung V0 einen Wert erreicht, der höher als ein vorgegebener Schwellenwert oder gleich diesem ist, kann die CPU 92 bestimmen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist, und wenn der Pumpstrom Ip0 einmal erhöht und auf einen Wert verringert wird, der niedriger als ein vorgegebener Schwellenwert oder gleich diesem ist, kann die CPU 92 bestimmen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpelektrode 23 als äußere Hauptpumpelektrode, als äußere Hilfspumpelektrode und als äußere Messelektrode, wobei die äußere Hauptpumpelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Hauptpumpzelle 21 ist und einem Messobjektgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist, die äußere Hilfspumpelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Hilfspumpzelle 50 ist und einem Messobjektgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist, die äußere Messelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Messpumpzelle 41 ist und einem Messobjektgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zusätzlich zu der äußeren Pumpelektrode 23 können eine oder mehrere der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet sein.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die äußere Pumpelektrode 23 an der Außenseite des Sensorelements 101 freiliegend; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die äußere Pumpelektrode 23 kann außerhalb der Elementkörper (Schichten 1 bis 6) vorgesehen sein, um in Kontakt mit einem Messobjektgas zu sein. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 eine poröse Schutzschicht aufweisen, welche die Elementkörper (Schichten 1 bis 6) bedeckt, und die äußere Pumpelektrode 23 kann ebenfalls mit der porösen Schutzschicht bedeckt sein.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie im Falle eines Sensorelements 201 aus 8, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 einer in 8 gezeigten Modifikation sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste diffusionsgesteuerte Abschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite diffusionsgesteuerte Abschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 in dieser Reihenfolge nebeneinander zwischen der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, um miteinander zu kommunizieren. Die Messelektrode 44 ist auf der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 45 beschichtet. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 ist ein Film aus einem keramischen porösen Material, wie Aluminiumoxid (Al2O3). Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 spielt ebenso wie der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 der oben beschriebenen Ausführungsform eine Rolle bei der Begrenzung der in die Messelektrode 44 einströmenden NOx-Menge. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 fungiert auch als Schutzfolie für die Messelektrode 44. Der Deckenelektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist bis knapp oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Auch mit dem so ausgebildeten Sensorelement 201 ist es möglich, eine NOx-Konzentration in Abhängigkeit von z.B. einem Pumpstrom Ip2 wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform zu erfassen. In diesem Fall fungiert die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein geschichteter Körper, der eine Vielzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6) enthält; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht und einen Messobjektgasströmungsabschnitt im Inneren enthalten. Beispielsweise können die Schichten 1 bis 5 mit Ausnahme der zweiten Festelektrolytschicht 6 in 1 eine Strukturschicht sein, die aus einem anderen Material als einem Festelektrolyten gebildet ist (z.B. eine Schicht aus Aluminiumoxid). In diesem Fall brauchen die Elektroden des Sensorelements 101 nur auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet zu werden. Beispielsweise muss die Messelektrode 44 aus 1 nur auf der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet werden. Der Referenzgaseinlassraum 43 kann in der Abstandsschicht 5 statt in der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen sein, die Atmosphäreneinlassschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandsschicht 5 statt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 vorgesehen sein, und die Referenzelektrode 42 kann auf der Rückseite in Bezug auf den dritten inneren Hohlraum 61 auf der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen sein.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform stellt das Steuergerät 90 im Hauptpumpen-Steuerungsprozess den Sollwert V0* der Spannung V0 basierend auf dem Pumpstrom Ip1 ein (führt eine Rückkopplungssteuerung aus), so dass der Pumpstrom Ip1 einen Sollwert Ip1* erreicht, und führt eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpspannung Vp0 aus, so dass die Spannung V0 einen Sollwert V0* erreicht; es kann jedoch auch eine andere Steuerung verwendet werden. Beispielsweise kann das Steuergerät 90 bei der Hauptpumpsteuerung eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpspannung Vp0 in Übereinstimmung mit dem Pumpstrom Ip1 durchführen, so dass der Pumpstrom Ip1 einen Sollwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten kann das Steuergerät 90 die Pumpspannung Vp0 (und damit den Pumpstrom Ip0) in Übereinstimmung mit dem Pumpstrom Ip1 direkt steuern, indem sie die Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 80 der Hauptpumpsteuerung und die Einstellung des Sollwerts V0* auslässt. In diesem Fall kann die CPU 92 bestimmen, ob die Abbruchbedingung für den Pumpensteuerungsprozess der Startzeitmessung erfüllt ist oder nicht, indem sie beispielsweise den Prozess im oben beschriebenen Schritt S130 von 3 oder Schritt S230 von 5 verwendet.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 eine NOx-Konzentration als spezifische Gaskonzentration; die Konfiguration ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Eine andere Oxidkonzentration kann als spezifische Gaskonzentration verwendet werden. In dem Fall, in dem das spezifische Gas ein Oxid ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, wie im Fall der oben beschriebenen Ausführungsform, so dass die CPU 92 in der Lage ist, eine spezifische Gaskonzentration basierend auf einem erfassten Wert, der dem Sauerstoff entspricht, zu erfassen. Alternativ kann es sich bei dem spezifischen Gas auch um ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, handeln. Wenn es sich bei dem spezifischen Gas um ein Nichtoxid handelt, wird das spezifische Gas z.B. im ersten inneren Hohlraum 20 in ein Oxid umgewandelt (z.B. wird Ammoniak oxidiert und in NO umgewandelt), und Sauerstoff wird erzeugt, wenn das Oxid nach der Umwandlung im dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die CPU 92 in der Lage ist, eine spezifische Gaskonzentration durch Erfassen eines dem Sauerstoff entsprechenden Erfassungswertes zu bestimmen. Auf diese Weise ist der Gassensor 100 in der Lage, unabhängig davon, ob es sich bei dem spezifischen Gas um ein Oxid oder ein Nichtoxid handelt, eine spezifische Gaskonzentration basierend auf dem Sauerstoff zu ermitteln, der aus einem spezifischen Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform kann der Wert des Startzeit-Sollwerts V2a* in Abhängigkeit vom Volumen der Messelektrode 44 eingestellt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Anspringzeit in Abhängigkeit vom Volumen der Messelektrode 44 auch bei gleichem Startzeit-Sollwert V2a* variieren kann; wenn der Wert des Startzeit-Sollwerts V2a* zu hoch oder zu niedrig ist, kann die Wirkung der Reduzierung der Anspringzeit abnehmen, und es gibt einen optimalen Wert des Startzeit-Sollwerts V2a*; und wenn sich das Volumen der Messelektrode 44 ändert, ändert sich auch der optimale Wert des Startzeit-Sollwerts V2a*. Dies wird im Folgenden näher beschrieben.
  • Die Erfinder haben die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44 [mm3], der Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) [mV] zwischen dem Startzeit-Sollwert V2a* und dem Normalzeit-Sollwert V2b* und der Anspringzeit [Sek] auf folgende Weise untersucht. Zunächst wurde das Versuchsbeispiel 1 durch das Sensorelement 101 und den Gassensor 100 der oben beschriebenen Ausführungsform vorbereitet, der anhand der 1 und 2 erläutert wurde. Das Volumen C der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 1 betrug 4 × 10-3 mm3. Wie oben beschrieben ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermet-Elektrode, die Pt, Rh und ZrO2 enthält. Darüber hinaus wurden die Versuchsbeispiele 2 bis 5 mit demselben Gassensor 100 wie in Versuchsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass verschiedene Änderungen am Volumen C, wie in Tabelle 1 gezeigt, vorgenommen wurden, indem die Dicke und die Länge der Messelektrode 44 in der Richtung von vorne nach hinten geändert wurden. Insbesondere ist die Dicke der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 2 doppelt so dick wie in Versuchsbeispiel 1. Die Dicke der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 3 ist doppelt so groß wie die Dicke in Versuchsbeispiel 2. Die Dicke und die Länge in der Vorderseite-Rückseite-Richtung der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 4 sind das 1,5-fache der Dicke und das 2-fache der Länge in Versuchsbeispiel 2. Die Dicke und die Länge der Messelektrode 44 in Vorwärts-Rückwärts-Richtung in Versuchsbeispiel 5 sind doppelt so dick und doppelt so lang wie in Versuchsbeispiel 2. Für den Gassensor 100 in Versuchsbeispiel 1 wurde der Startzeit-Sollwert V2a* auf 500 mV und der Normalzeit-Sollwert V2b* auf 400 mV eingestellt (daher betrug die Differenz ΔV 100 mV), und die Anspringzeit wurde gemessen, wenn der in 3 gezeigte Startzeit-Steuerungsprozess ausgeführt wird. In ähnlicher Weise wurde bei dem Gassensor 100 in Versuchsbeispiel 1 die Differenz ΔV jedes Mal um 10 mV zwischen 110 mV und 200 mV geändert, wie in Tabelle 1 gezeigt, indem der Startzeit-Sollwert V2a* geändert wurde, und die Anspringzeit wurde in jedem Fall gemessen. Auch bei dem Gassensor 100 in den Versuchsbeispielen 2 bis 5 wurde die Differenz ΔV in ähnlicher Weise zwischen 100 mV und 200 mV verändert und die jeweilige Anspringzeit gemessen. In Tabelle 1 sind das Volumen C der Messelektrode 44 und die der Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) zwischen dem Startzeit-Sollwert V2a* und dem Normalzeit-Sollwert V2b* entsprechende Anspringzeit in jedem der Versuchsbeispiele 1 bis 5 zusammengefasst. 9 ist ein aus Tabelle 1 generiertes Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit zeigt. Man beachte, dass in jedem der Versuchsbeispiele 1 bis 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt, die Anspringzeit kürzer ist als wenn der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess nicht ausgeführt wird (mit anderen Worten, wenn die Differenz ΔV 0 mV beträgt). Somit entspricht jedes der Versuchsbeispiele 1 bis 5 einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. [Tabelle 1]
    Differenz ΔV' (=V2a*-V2b*) [mV] Versuchsbeispiel 1 Versuchsbeispiel 2 Versuchsbeispiel 3 Versuchsbeispiel 4 Versuchsbeispiel 5
    Volumen C von Messelektrode [× 10-3mm3]
    4 8 16 24 32
    Anspringzeit [Sek]
    100 80 108 113 120 125
    110 82 107 113 120 125
    120 85 100 113 119 125
    130 88 80 111 118 124
    140 90 83 102 116 123
    150 93 87 88 115 120
    160 97 91 80 111 116
    170 100 95 85 100 108
    180 103 98 91 80 98
    190 107 99 95 87 87
    200 110 100 97 90 80
  • Wie aus Tabelle 1 und 9 ersichtlich, wurde bestimmt, dass die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV nicht unbedingt kürzer ist, mit anderen Worten, die Anspringzeit ist nicht unbedingt kürzer bei einem höheren Startzeit-Sollwert V2a*. So wurde beispielsweise in Versuchsbeispiel 3 bestimmt, dass die Anspringzeit am kürzesten ist, wenn die Differenz ΔV 160 mV beträgt, und dass die Anspringzeit tendenziell zunimmt, wenn die Differenz ΔV von 160 mV verringert oder erhöht wird. Auch bei den Versuchsbeispielen 2 und 4 wurde die gleiche Tendenz bestimmt. Wenn in Versuchsbeispiel 1 die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt, ist die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV tendenziell länger. Daher wird in Versuchsbeispiel 1 angenommen, dass der Wert der Differenz ΔV, mit dem die kürzeste Anspringzeit erreicht wird, weniger als 100 mV beträgt. In Versuchsbeispiel 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt, ist die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV tendenziell kürzer. Daher wird in Versuchsbeispiel 5 angenommen, dass der Wert der Differenz ΔV, mit dem die kürzeste Anspringzeit erreicht wird, größer als 200 mV ist.
  • Der Grund, warum die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit die oben erwähnte Tendenz hat, wird beschrieben. Erstens haben die Erfinder herausgefunden, dass beim Umschalten von der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpsteuerung ein Unterschreiten des Pumpstroms Ip2 auftreten kann. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Unterschreiten des Pumpstroms Ip2 zeigt. Die Zeiten t0, t1, t3 in 10 sind die gleichen wie in 4. Wie in 10 gezeigt, nimmt der Pumpstrom Ip2 beim Umschalten von der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpsteuerung zum Zeitpunkt t3 möglicherweise nicht sofort einen Wert an, der der NOx-Konzentration in einem Messobjektgas entspricht, sondern es kann zu einem Unterschreiten des Pumpstroms Ip2 kommen, und nach der darauf folgenden Zeit t3' kann der Wert des Pumpstroms Ip2 einen Wert annehmen, welcher der NOx-Konzentration im Messobjektgas entspricht. Die Anspringzeit ist in diesem Fall der Zeitraum von Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t3', so dass sich die Anspringzeit um den Zeitraum (Zeitpunkt t3 bis t3'), in dem die Unterschreitung auftritt, verlängert.
  • Der Grund für das Auftreten einer solchen Unterschreitung ist wahrscheinlich Folgender. Beim Umschalten von der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpsteuerung wird der Sollwert der Spannung V2 vom Startzeit-Sollwert V2a* auf den Normalzeit-Sollwert V2b* (< V2a*) geändert, so dass die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 unmittelbar nach dem Umschalten niedriger sein kann als die Sauerstoffkonzentration, die dem Normalzeit-Sollwert V2b* entspricht. Um die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 auf die dem Normalzeit-Sollwert V2b* entsprechende Sauerstoffkonzentration zu erhöhen, kann der Controller 91 die Messpumpzelle 41 daher unmittelbar nach dem Umschalten auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess derart steuern, dass sie keinen Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 abpumpt, sondern Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61 pumpt. In diesem Fall hat der Pumpstrom Ip2 einen negativen Wert (positiv und negativ sind für den Pumpstrom Ip2 während des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses vertauscht). Darüber hinaus kann während der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung das Wasser in einem Messobjektgas aufgrund der an die Messelektrode 44 angelegten Spannung Vp2 zersetzt werden, und es kann Wasserstoff entstehen. Nach dem Umschalten auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess führt die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff dazu, dass die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 abnimmt, was auch dazu führen kann, dass der Pumpstrom Ip2 abnimmt oder einen negativen Wert hat. Je größer das Volumen C der Messelektrode 44 ist, desto größer ist die Oberfläche (nicht nur die äußere Oberfläche der Messelektrode 44, sondern auch die Oberfläche der Poren im Inneren der Messelektrode 44) der Messelektrode 44, und je größer das Volumen C ist, desto größer ist tendenziell die Menge an Wasserstoff, die während des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses erzeugt wird. Je größer die Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) und das Volumen C ist, desto länger ist die Zeitspanne, in der eine Unterschreitung auftritt, wenn von der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpsteuerung umgeschaltet wird, und desto länger ist die Anspringzeit.
  • Außerdem kann bei einer größeren Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) der Sauerstoff, der sich bereits vor dem Start des Sensorelements 101 im dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, bei der Startzeitmessungs-Pumpsteuerung schnell entfernt werden. Je größer daher die Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) ist, desto kürzer ist die Zeitspanne (z.B. Zeit t1 bis t3 in 10), in der die Startzeitmessungs-Pumpsteuerung durchgeführt wird, und desto kürzer ist tendenziell die Anspringzeit. Bei einer kürzeren Gesamtzeit des Zeitraums (z.B. Zeit t1 bis t3 in 10), in dem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausgeführt wird, und des Zeitraums (z.B. Zeit t3 bis t3' in 10), in dem ein Unterschreiten auftritt, kann die Anspringzeit (z.B. Zeit t0 bis t3' in 10) verringert werden.
  • Wenn der Wert des Startzeit-Sollwerts V2a*, genauer gesagt die Differenz ΔV, zu klein ist, wird die Zeitspanne, in der der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausgeführt wird, verlängert (die Zeit, die benötigt wird, um den Sauerstoff abzupumpen, der sich vor dem Start im dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, wird verlängert), so dass der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit wahrscheinlich verringert wird. Ist die Differenz ΔV zu groß, erhöht sich die Zeitspanne, in der ein Unterschreiten auftritt, so dass die Wirkung der Verkürzung der Anspringzeit wahrscheinlich geringer ist. Daher gibt es wahrscheinlich eine optimale Differenz ΔV, die den größten Effekt der Verkürzung der Anspringzeit für ein spezifisches Sensorelement 101 bietet. Wie bereits erwähnt variiert die Zeitspanne, in der die Unterschreitung auftritt, in Abhängigkeit vom Volumen C der Messelektrode 44, so dass sich bei einer Änderung des Volumens C auch die optimale Differenz ΔV ändert, die den größten Effekt bei der Verkürzung der Anspringzeit hat. Insbesondere wird bei einem größeren Volumen C die optimale Differenz ΔV wahrscheinlich eher größer. Aus den oben genannten Gründen ist die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit wie in Tabelle 1 und 9 dargestellt.
  • Dabei ist das Volumen C der Messelektrode 44 bevorzugt größer oder gleich 8 × 10-3 mm3. Wenn das Volumen C größer oder gleich 8 × 10-3 mm3 ist, ist die Fähigkeit, den Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode 44 durch die Messpumpzelle 41 abzupumpen, ausreichend hoch. Daher sind die Versuchsbeispiele 2 bis 5, in denen das Volumen C größer oder gleich 8 × 10-3 mm3 ist, besser geeignet als Versuchsbeispiel 1. Wenn die Differenz ΔV zu groß ist, hat die Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses einen hohen Wert, und wie oben beschrieben kann das Sensorelement 101 geschwärzt und unbrauchbar werden. Wenn die Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses zu hoch ist, kann das Anlegen einer übermäßigen Spannung Vp2 an die Messelektrode 44 eine Verschlechterung der Messelektrode 44 und einen Anstieg des Widerstandswerts der Messelektrode 44 verursachen, wodurch die Empfindlichkeit der Erfassung der NOx-Konzentration verringert werden kann. Daher ist die Differenz ΔV bevorzugt kleiner als oder gleich 200 mV. Aus dem Ergebnis in 9 geht hervor, dass bei einem Volumen C, das größer ist als das Volumen in Versuchsbeispiel 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich kleiner oder gleich 200 mV liegt, die Wirkung der Verkürzung der Anspringzeit vermutlich verringert ist. Daher ist das Volumen C bevorzugt kleiner oder gleich dem Volumen in Versuchsbeispiel 5, insbesondere kleiner oder gleich 32 × 10-3 mm3. In einem Bereich, in dem die Anspringzeit auf einen Mindestwert oder den ungefähren Wert in den Versuchsbeispielen 2 bis 5 eingestellt werden kann und in dem die Differenz ΔV 200 mV nicht überschreitet, beträgt die Differenz ΔV bevorzugt 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger. Basierend auf den obigen Ausführungen beträgt das Volumen C bevorzugt 8 × 10-3 mm3 oder mehr und 32 × 10-3 mm3 oder weniger, und die Differenz ΔV beträgt bevorzugt 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger. Bei einem größeren Volumen C neigt die Differenz ΔV, die erforderlich ist, um den Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend zu verstärken, dazu, sich zu erhöhen; wenn jedoch das Volumen C 8 × 10-3 mm3 oder mehr und 32 × 10-3 mm3 oder weniger beträgt und die Differenz ΔV 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger beträgt, kann der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend verstärkt werden, während der untere Grenzwert des Volumens C und der obere Grenzwert der Differenz ΔV, wie oben erwähnt, erfüllt werden.
  • Man beachte, dass die Dicke der Messelektrode 44, wenn das Volumen C der Messelektrode 44 eingestellt ist, z.B. 10 µm oder mehr und 40 µm oder weniger betragen kann. Die Fläche der Oberseite der Messelektrode 44, d.h. das Produkt aus der Breite in Querrichtung und der Länge der Vorder- und Rückseite der Messelektrode 44, kann 0,2 mm2 oder mehr und 1,2 mm2 oder weniger betragen. Die Querbreite der Messelektrode 44 kann 0,5 mm oder mehr und 2,5 mm oder weniger betragen. Wenn die Differenz ΔV eingestellt wird, ist der Sollwert für die Startzeit V2a* bevorzugt kleiner als oder gleich 600 mV.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform kann die CPU 92, wenn sie bestimmt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 basierend auf dem Betrieb der Messpumpzelle 41 stabilisiert ist, bestimmen, dass die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist. Zum Beispiel kann die CPU 92 bestimmen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 stabilisiert ist und die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, wenn der Pumpstrom Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 fließt, durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein Stabilitätsbereich, in dem der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, aufgrund der Stabilisierung der Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 während des Pumpensteuerungsprozesses zur Messung der Startzeit auftritt. 11 sind erläuternde Diagramme eines Stabilitätsbereichs des Pumpstroms Ip2 sowie der ersten und zweiten Ableitungswerte des Pumpstroms Ip2. Die Zeiten t0, t1, t3 in 11 sind die gleichen wie die in 4 gezeigten Zeiten, und der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess wird zum Zeitpunkt t1 gestartet, und der Normalzeit-Steuerungsprozess wird zum Zeitpunkt t3 gestartet. Darüber hinaus ist der Zeitpunkt t3' in 11 derselbe wie der in 10 gezeigte Zeitpunkt t3'. Wie in 11A gezeigt kann ein Stabilitätsbereich, in dem der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, in einem Intervall zwischen dem Zeitpunkt t1, zu dem der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess gestartet wird, und dem Zeitpunkt t3 (der Pumpstrom Ip1 ist in 11 nicht gezeigt) auftreten, zu dem der Pumpstrom Ip1 als um den Sollstrom Ip1* stabilisiert bestimmt wird. In der Startzeitmessung Pumpensteuerungsprozess führt die CPU 92 eine Rückkopplungssteuerung auf die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 aus, so dass die Spannung V2 den Startzeit-Sollwert V2a* erreicht, so dass die Stabilisierung des Pumpstroms Ip2 zu diesem Zeitpunkt wahrscheinlich anzeigt, dass die Sauerstoffkonzentration in der dritten inneren Kavität 61 stabilisiert ist, und es ist wahrscheinlich, dass der Sauerstoff, der in der dritten inneren Kavität 61 seit vor dem Start vorhanden war, ausreichend durch die Startzeitmessung Pumpensteuerungsprozess abgepumpt wurde. Somit wird von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet, wenn der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umzuschalten. Es wird angemerkt, dass wie in 11 gezeigt ein Stabilitätsbereich des Pumpstroms Ip2 zu einem früheren Zeitpunkt als t3 auftreten kann. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas niedrig ist, kann der Pumpstrom Ip2 stabilisiert werden, bevor der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, und wie in 11 gezeigt, kann der Stabilitätsbereich des Pumpstroms Ip2 zu einem früheren Zeitpunkt als dem Zeitpunkt t3 auftreten. Dies ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Volumen des dritten inneren Hohlraums 61 kleiner ist als jenes des zweiten inneren Hohlraums 40 und die Sollkonzentration der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 niedriger ist als die Sollkonzentration der Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40. In diesem Fall wird, wenn der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet, so dass das Umschalten früher erfolgen kann als wenn das Umschalten erfolgt, wenn der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform. Folglich kann die Anspringzeit des Sensorelements 101 weiter verringert werden. Umgekehrt kann der Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert ist, früher liegen als der Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist. Wie oben beschrieben ist dies darauf zurückzuführen, dass die Hilfspumpzelle 50 den Sauerstoff (den Sauerstoff, der an das Material für die Messelektrode 44 gebunden ist, und die Sauerstoffmoleküle, die in den geschlossenen Poren der Messelektrode 44 vorhanden sind), der nicht vom dritten inneren Hohlraum 61 zum zweiten inneren Hohlraum 40 zurückfließt, nicht abpumpen kann. Wenn in diesem Fall das Umschalten vom Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfolgt, wenn sich der Pumpstrom Ip1 um den Sollstrom Ip1* stabilisiert hat, kann der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 nicht ausreichend abgepumpt worden sein, und das Umschalten kann zu früh erfolgen. Ein zu frühes Umschalten kann jedoch dadurch verhindert werden, dass vom Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet wird, wenn der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist.
  • Ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, kann durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf den ersten Ableitungswerten des Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 fließt, bestimmt werden. Zum Beispiel, wie in 11A und 11C gezeigt, wenn der Pumpstrom Ip2 einen Stabilitätsbereich erreicht, hat der erste Ableitungswert (dIp2/dt) des Pumpstroms Ip2 den Wert 0 oder einen Wert nahe 0. Wenn also der erste Ableitungswert als der Wert 0 betrachtet wird (mit anderen Worten, wenn die Steigung des Pumpstroms Ip2 als der Wert 0 betrachtet wird), kann der Pumpstrom Ip2 als stabilisiert bestimmt werden. Beispielsweise kann in dem in 11B gezeigten Diagramm der zeitlichen Änderung des ersten Ableitungswerts des Pumpstroms Ip2 bestimmt werden, dass der Pumpstrom Ip2 zum Zeitpunkt t1 stabilisiert ist, zu dem der erste Ableitungswert den Wert 0 erreicht. Die CPU 92 kann bestimmen, dass der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, wenn die aktuelle Zeit in einen vorgegebenen Bereich eintritt, in dem der erste Ableitungswert als der Wert 0 angesehen wird. Der vorgegebene Bereich kann beispielsweise ein Bereich in der Nähe des Wertes 0 oder ein Bereich sein, der größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, der etwas kleiner als der Wert 0 ist. Der vorgegebene Schwellenwert sei beispielsweise -0,3 [µ A/s], und wenn (dIp2/dt) > -0,3 [µ A/s] ist, kann der Pumpstrom Ip2 als stabilisiert angesehen werden. Die ersten Ableitungswerte (dIp2/dt) des Pumpstroms Ip2 können beispielsweise durch wiederholtes Messen des Pumpstroms Ip2 in vorgegebenen Zeitintervallen und Teilen der Differenz zwischen dem dieses Mal gemessenen Wert und dem zuletzt gemessenen Wert durch das vorgegebene Zeitintervall berechnet werden. Wie aus 11B ersichtlich kann der erste Ableitungswert (dIp2/dt) des Pumpstroms Ip2 den Wert 0 oder einen Wert nahe 0 haben, bevor der Pumpstrom Ip2 in einen Stabilitätsbereich eintritt, nachdem der Pumpensteuerungsprozess der Startzeitmessung gestartet wurde. Daher bestimmt die CPU 92 bevorzugt, ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, basierend auf dem ersten Ableitungswert des Pumpstroms Ip2 nach dem Zeitpunkt (dem Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip2 seinen Spitzenwert durchläuft, z.B. Zeitpunkt ta in 11B), zu dem der Pumpstrom Ip2 einmal angestiegen ist und nach dem Start des Pumpensteuerungsprozesses zur Messung der Startzeit zu sinken begonnen hat. Beispielsweise kann die CPU 92 bestimmen, dass der Pumpstrom Ip2 einmal gestiegen ist und zu sinken begonnen hat, wenn der Pumpstrom Ip2 einmal einen vorgegebenen Schwellenwert überschritten hat und unter den vorgegebenen Schwellenwert gefallen ist. Alternativ kann die CPU 92 bestimmen, dass der Pumpstrom Ip2 einmal gestiegen ist und zu sinken begonnen hat, wenn der erste Ableitungswert des Pumpstroms Ip2 unter einen vorgegebenen Schwellenwert (negativer Wert) gefallen ist.
  • Ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, kann durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess basierend auf den zweiten Ableitungswerten des Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 fließt, bestimmt werden. Zum Beispiel hat, wie in 11A und 11C gezeigt, wenn der Pumpstrom Ip2 einen Stabilitätsbereich erreicht, der zweite Ableitungswert (d2Ip2/dt2) des Pumpstroms Ip2 den Wert 0 oder einen Wert nahe 0. Wenn also der zweite Ableitungswert als der Wert 0 betrachtet wird (mit anderen Worten, wenn der aktuelle Punkt als ein Wendepunkt des Pumpstroms Ip2 betrachtet wird), kann der Pumpstrom Ip2 als stabilisiert bestimmt werden. Beispielsweise kann im Diagramm der zeitlichen Änderung des zweiten Ableitungswertes des Pumpstroms Ip2, das im unteren Bereich von 12 dargestellt ist, bestimmt werden, dass der Pumpstrom Ip2 zum Zeitpunkt tc, zu dem der zweite Ableitungswert den Wert 0 erreicht, stabilisiert ist. Die CPU 92 kann bestimmen, dass der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, wenn die aktuelle Zeit in einen vorgegebenen Bereich eintritt, in dem der zweite Ableitungswert als der Wert 0 angesehen wird. Der vorgegebene Bereich kann beispielsweise ein Bereich in der Nähe des Wertes 0 oder ein Bereich sein, der kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist, der etwas größer als der Wert 0 ist. Die zweiten Ableitungswerte (dIp2/dt) des Pumpstroms Ip2 können beispielsweise durch wiederholtes Messen des Pumpstroms Ip2 in vorgegebenen Zeitintervallen, wiederholtes Ableiten des ersten Ableitungswertes und Teilen der Differenz zwischen dem diesmal gemessenen ersten Ableitungswert und dem zuletzt gemessenen ersten Ableitungswert durch das vorgegebene Zeitintervall berechnet werden. Wie in dem Fall, in dem die Bestimmung basierend auf dem ersten abgeleiteten Wert erfolgt, bestimmt die CPU 92, wenn die Bestimmung basierend auf dem zweiten abgeleiteten Wertes erfolgt, bevorzugt, ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, basierend auf dem zweiten abgeleiteten Wert des Pumpstroms Ip2 nach dem Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip2 einmal angestiegen ist und nach dem Start des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses zu sinken begonnen hat. Der zweite abgeleitete Wert des Pumpstroms Ip2 kann auch einen Wert nahe 0 haben (z.B. zwischen dem Zeitpunkt ta und dem Zeitpunkt tb in 11C), nachdem der Pumpstrom Ip2 einmal angestiegen ist und zu sinken begonnen hat, und bevor der Pumpstrom Ip2 stabilisiert wird. Um zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der zweite Ableitungswert einen Wert nahe 0 hat, und dem Zeitpunkt, zu dem der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, zu unterscheiden, kann die CPU 92 bestimmen, dass der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist, wenn der Pumpstrom Ip2 einmal angestiegen ist und zu sinken begonnen hat und anschließend von einem höheren Zustand in einen vorgegebenen Bereich eintritt, in dem der zweite Ableitungswert als der Wert 0 angesehen wird (kurz gesagt, wenn der zweite Ableitungswert abnimmt und in einen vorgegebenen Bereich eintritt, in dem der zweite Ableitungswert als der Wert 0 angesehen wird).
  • Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform erläutert, variiert der Wert des Pumpstroms Ip2 in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration, wenn die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas jeden Moment schwankt. Wenn also die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas während der Startzeit der Messungspumpsteuerung schwankt, kann es sein, dass kein Stabilitätsbereich des Pumpstroms Ip2 auftritt. Daher bestimmt die CPU 92 in dem Fall, in dem die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabil angesehen wird, bevorzugt, ob die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, basierend darauf, ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist. Der Fall, in dem die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird, schließt den Fall ein, in dem kein NOx in einem Messobjektgas vorhanden ist. Spezifische Beispiele für den Fall, dass die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert gilt, sind u.a., wenn sich der Verbrennungsmotor in einem Niedriglastbetrieb oder im Leerlauf befindet und wenn ein Fahrzeug, an dem der Gassensor 100 montiert ist, abbremst. Wenn es sich bei dem Fahrzeug, an dem der Gassensor 100 angebracht ist, um ein Hybridfahrzeug handelt, ist die elektrische Betriebszeit (Motorabschaltzeit) des Hybridfahrzeugs ebenfalls eines der spezifischen Beispiele für den Fall, dass die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird. Die CPU 92 kann bestimmen, ob die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird (zum Beispiel, ob eines der oben erwähnten spezifischen Beispiele angewandt wird), basierend auf Informationen, die von einer Motor-ECU (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors erhalten werden, und im Falle einer positiven Bestimmung kann die CPU 92 bestimmen, ob der Pumpstrom Ip2 stabilisiert ist.
  • Alternativ kann die CPU 92 einen Bestimmungsprozess durchführen, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, basierend darauf, ob die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 stabilisiert ist, sowie einen Bestimmungsprozess durchführen, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess in einem der oben beschriebenen Aspekte in kombinierter Weise erfüllt ist. Mit anderen Worten, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, kann basierend darauf bestimmt werden, ob eine der mehreren Bedingungen erfüllt ist. Auf diese Weise kann selbst dann, wenn nicht bestimmt werden kann, ob die Beendigungsbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist (z.B. wenn die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas schwankt), basierend darauf, ob die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 stabilisiert ist, das Umschalten von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess durch die Bestimmung (z.B. die Bestimmung in dem oben beschriebenen Schritt S130 in 3), ob eine der anderen Bedingungen erfüllt ist, erfolgen. In diesem Fall kann auch auf die Bestimmung verzichtet werden, ob die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird.
  • Ein Beispiel für die Bestimmung, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist, indem mehrere Bestimmungen wie diese kombiniert werden, wird beschrieben. 12 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für einen Startzeit-Steuerungsprozess einer Modifikation zeigt. In 12 ist derselbe Prozess wie in 3 mit derselben Schrittnummer gekennzeichnet, und eine Beschreibung desselben entfällt. In dem Startzeitsteuerungsprozess von 12 bestimmt die CPU 92 nach dem Start des Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses in Schritt S120, ob die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer (hier der dritte innere Hohlraum 61) stabilisiert ist (Schritt S125). Zum Beispiel bestimmt die CPU 92, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 stabilisiert ist, wenn der Pumpstrom Ip2 einmal angestiegen ist und begonnen hat, zu sinken, und der Pumpstrom Ip2 basierend auf dem ersten Ableitungswert und/oder des zweiten Ableitungswertes des Pumpstroms Ip2 als stabilisiert bestimmt wurde. Wenn der Pumpstrom Ip2 ansteigt, wenn er ansteigt, aber bevor er zu sinken beginnt, oder wenn der Pumpstrom Ip2 nicht stabilisiert ist, wird in Schritt S125 bestimmt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 nicht stabilisiert ist, und das Verfahren in Schritt S130 wird durchgeführt. Wenn in Schritt S130 eine negative Bestimmung getroffen wird, wird der Prozess in Schritt S125 durchgeführt. Wenn in einem der beiden Schritte S125 und S130 eine positive Bestimmung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S140 aus, und der Ablauf wird mit dem Normalzeit-Steuerungsprozess fortgesetzt. Wenn in dem Startzeitsteuerungsprozess von 12 ein Stabilitätsbereich des Pumpstroms Ip2 auftritt, ist es möglich, durch den Prozess in Schritt S125 zu dem Normalzeit-Steuerungsprozess überzugehen, wodurch es möglich ist, in geeigneter Weise von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu wechseln. Selbst wenn ein Stabilitätsbereich des Pumpstroms Ip2 nicht auftritt, ist es möglich, durch den Vorgang in Schritt S130 zum Zeitpunkt t3 zum Normalzeit-Steuerungsprozess überzugehen, so dass der Übergang zu dem Normalzeit-Steuerungsprozess gewährleistet ist. In 12 wird durch die Kombination von Schritt S125 und Schritt S130 bestimmt, ob die Abbruchbedingung für den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfüllt ist. Die Schritte S125 und S230 aus 5 können jedoch auch kombiniert werden, oder die Schritte S125, S130 und S230 können kombiniert werden. In dem Startzeit-Steuerungsprozess nach 12 kann die Bestimmung, ob die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert gilt, hinzugefügt werden. Zum Beispiel bestimmt die CPU 92 nach Schritt S120 von 12, ob die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird. Wenn die NOx-Konzentration als stabilisiert angesehen wird, kann die CPU 92 eine Bestimmung in Schritt S125 vornehmen, und wenn die NOx-Konzentration nicht als stabilisiert angesehen wird, kann die CPU 92 eine Bestimmung in Schritt S130 vornehmen. Bei negativer Bestimmung in Schritt S125 oder Schritt S130 kann die CPU 92 erneut bestimmen, ob die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas als stabilisiert angesehen wird. Wenn in Schritt S125 oder Schritt S130 eine positive Bestimmung getroffen wird, kann die CPU 92 den Schritt S140 durchführen. Mit anderen Worten kann die Bestimmung in Schritt S130 nicht durchgeführt werden, wenn die NOx-Konzentration als stabilisiert angesehen wird. Auf diese Weise wird der Pumpstrom Ip1 zu einem früheren Zeitpunkt um den Sollstrom Ip1* herum stabilisiert, und selbst wenn das Umschalten vom Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess unter Verwendung der Bestimmung von Schritt S130 zu früh erfolgt, wird, wenn die NOx-Konzentration stabilisiert ist, die Bestimmung von Schritt S125 durchgeführt, so dass das Umschalten zu einem geeigneten Zeitpunkt erfolgen kann, der nicht zu früh ist.
  • Die Spannung V1 (ein Beispiel für eine Spannung für die Hilfspumpe), die von der Sauerstoffpartialdruckerfassungs-Sensorzelle 81 (ein Beispiel für eine Spannungserfassungs-Sensorzelle für die Hilfspumpe) der oben beschriebenen Ausführungsform erfasst wird, umfasst auch die thermoelektromotorische Kraft, die auf der Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 basiert, zusätzlich zu der elektromotorischen Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 basiert. Somit kann in dem oben beschriebenen Normalzeit-Steuerungsprozess eine Korrektur unter Berücksichtigung der in der Spannung V1 enthaltenen thermoelektromotorischen Kraft durchgeführt werden. Insbesondere kann in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses ein Korrekturprozess durchgeführt werden, um den Sollwert V1* der Spannung V1 auf einen Wert zu korrigieren, der höher ist als in dem Zeitraum nach der frühen Phase. Hier wird zunächst die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft beschrieben. 13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Spannung V1 durch die thermoelektromotorische Kraft zeigt. Der Zeitpunkt t0 in 13 ist derselbe wie der in 4 dargestellte Zeitpunkt t0. Zum besseren Verständnis der durch die thermoelektromotorische Kraft hervorgerufenen zeitlichen Änderung der Spannung V1 ist in 13 das Verhalten der Spannung V1 bei einem konstanten Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 dargestellt. Wenn der Heizungssteuerungsprozess zum Zeitpunkt t0 gestartet wird, werden sowohl die Hilfspumpelektrode 51 als auch die Referenzelektrode 42 aufgeheizt und in ihrer Temperatur erhöht, dann wird nach Ablauf einer ausreichenden Zeit die Temperatur der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 stabilisiert, und die thermoelektromotorische Kraft zwischen beiden Elektroden wird ebenfalls auf einem im Wesentlichen konstanten Wert stabilisiert. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elektroden kann jedoch in dem Zeitraum, bis sich die Temperatur der beiden Elektroden stabilisiert hat, aufgrund unterschiedlicher Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten der beiden Elektroden vorübergehend ansteigen. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Elektroden vorübergehend groß ist, wird auch die thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung V1 zwischen den beiden Elektroden enthalten ist, vorübergehend erhöht. Selbst wenn die elektromotorische Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 basiert, konstant ist, wie durch eine durchgezogene Linie in 13 gezeigt, hat die Spannung V1 zum Zeitpunkt t0 nach dem Start des Heizungssteuerungsprozesses vorübergehend einen hohen Wert. Die Spannung V1 nimmt ab, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elektroden mit der Zeit abnimmt, und die Spannung V1 hat nach der Stabilisierung zum Zeitpunkt te einen Wert A, bei dem die thermoelektromotorische Kraft stabilisiert ist. Der Wert A umfasst die elektromotorische Kraft, die auf der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 basiert, und die thermoelektromotorische Kraft zwischen beiden Elektroden in einem Zustand, in dem die Temperaturdifferenz zwischen beiden Elektroden auf einen kleinen Wert stabilisiert ist. So enthält die Spannung V1 zum Beispiel zum Zeitpunkt td vor dem Zeitpunkt te zusätzlich zum Wert A den Wert B, der auf der vorübergehend großen thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 beruht, so dass die Spannung V1 um den Wert B erhöht ist. Daher weicht zum Zeitpunkt td der tatsächliche Wert (= A + B) der Spannung V1 um den Wert B von dem Wert (ungefähr gleich dem Wert A) der elektromotorischen Kraft ab, der ursprünglich aufgrund des Sauerstoffkonzentrationsunterschieds zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 erfasst werden sollte. Auf diese Weise kann in einem Zustand, in dem die Abweichung zwischen der tatsächlichen Spannung V1 und der elektromotorischen Kraft auf der Grundlage des Sauerstoffkonzentrationsunterschieds zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 vorübergehend groß ist, die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 nicht mit hoher Genauigkeit geregelt werden, selbst wenn der oben beschriebene Hilfspumpenregelungsprozess durchgeführt wird. Insbesondere wird die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 auf einen Wert geregelt, der niedriger ist als die ursprünglich gewünschte Sauerstoffkonzentrationsdifferenz, selbst wenn eine Rückkopplungsregelung für die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 durchgeführt wird, so dass die Spannung V1 den Sollwert V1* im Hilfspumpenregelungsprozess erreicht, da die Spannung V1 eine vorübergehend große thermoelektromotorische Kraft enthält. Infolgedessen wird die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 auf einen Wert geregelt, der näher an der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 liegt als eine Sollkonzentration, die höher ist als eine ursprünglich gewünschte Sollkonzentration. Wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 auf einen Wert geregelt wird, der höher ist als eine Sollkonzentration, wird die Menge des im zweiten internen Hohlraum 40 reduzierten NOx verändert, und die Menge des NOx, die den dritten internen Hohlraum 61 erreicht, wird ebenfalls verändert. Insbesondere, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 auf eine Sollkonzentration geregelt wird, wird das NOx in einem Messobjektgas im zweiten internen Hohlraum 40 leicht reduziert, wohingegen, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 auf einen Wert höher als eine Sollkonzentration geregelt wird, die Menge des reduzierten NOx abnimmt, und als Folge davon kann die Menge des NOx, die den dritten internen Hohlraum 61 erreicht, zunehmen. Dadurch erhöht sich der Pumpstrom Ip2, der durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt, und es kommt zu einem Fehler bei den erfassten Werten der NOx-Konzentration. 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 zeigt, die durch die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft verursacht wird. Die Zeiten t0, td, te in 14 sind die gleichen wie in 13. Zum besseren Verständnis der durch die thermoelektromotorische Kraft verursachten zeitlichen Änderung des Pumpstroms Ip2 wird in 14 das Verhalten des Pumpstroms Ip2 bei konstanter NOx-Konzentration in einem Messobjektgas gezeigt. Wenn der Wert der Spannung V1 aufgrund der thermoelektromotorischen Kraft vorübergehend ansteigt, wie in der durchgezogenen Linie in 13 dargestellt, steigt auch der Pumpstrom Ip2 aus demselben Grund vorübergehend an, wie in der durchgezogenen Linie in 14 dargestellt. Dadurch entsteht ein Fehler in Bezug auf die ursprünglich zu messende NOx-Konzentration in einem Messobjektgas. Selbst wenn die NOx-Konzentration in einem Messobjektgas konstant ist, hat beispielsweise der Pumpstrom Ip2 nach dem Start des Heizungsregelungsprozesses zum Zeitpunkt tO vorübergehend einen hohen Wert, wie in 14 dargestellt. Da die thermoelektromotorische Kraft mit der Zeit abnimmt, verringert sich der Pumpstrom Ip2, und zum Zeitpunkt te, zu dem sich die thermoelektromotorische Kraft stabilisiert hat, hat der Pumpstrom Ip2 nach der Stabilisierung einen Wert D (der Wert des Pumpstroms Ip2, der der ursprünglich zu messenden NOx-Konzentration in einem Messobjektgas entspricht). Aus diesem Grund hat der Pumpstrom Ip2 zum Beispiel zum Zeitpunkt td vor dem Zeitpunkt te einen Wert, der größer ist als der Wert D, weil der Wert B aufgrund der thermoelektromotorischen Kraft in die Spannung V1 einfließt, wie durch die durchgezogene Linie in 13 dargestellt. Dementsprechend kommt es zu einem Fehler bei der Ermittlung der NOx-Konzentration, und die Genauigkeit der Ermittlung der NOx-Konzentration wird verringert.
  • Wie oben beschrieben wird in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses der Korrekturprozess durchgeführt, um den Sollwert V1* der Spannung V1 auf einen höheren Wert als in dem Zeitraum nach der frühen Phase zu korrigieren. Auf diese Weise kann der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft in der Spannung V1 verursacht wird, reduziert werden, indem der Sollwert V1* der Spannung V1 in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses erhöht wird. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, wenn die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft vorübergehend hoch ist, verglichen mit dem Fall, dass kein Korrekturprozess durchgeführt wird. Wenn beispielsweise der Sollwert V1* zum Zeitpunkt td von 13 um den Wert B auf einen Wert korrigiert wird, der höher ist als der ursprüngliche Wert, ist es möglich, den Effekt aufzuheben, der durch die Spannung V1 verursacht wird, die aufgrund der thermoelektromotorischen Kraft vorübergehend um den Wert B höher ist, und die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 auf die Sollkonzentration zu steuern. Infolgedessen kann der in 14 gezeigte vorübergehende Anstieg des Pumpstroms Ip2 verhindert und eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration verhindert werden.
  • Die Korrektur des Sollwerts V1* kann auf der Grundlage eines im Voraus festgelegten Korrekturmusters durchgeführt werden, so dass der Korrekturbetrag mit der Zeit abnimmt. Wie oben beschrieben neigt die Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 dazu, mit der Zeit abzunehmen. Daher neigt die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft ebenfalls dazu, mit der Zeit abzunehmen. Somit kann der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft in der Spannung V1 verursacht wird, weiter reduziert werden, indem der Sollwert V1* der Spannung V1 auf der Grundlage eines im Voraus definierten Korrekturmusters so korrigiert wird, dass ein Korrekturbetrag mit der Zeit abnimmt. Beispielsweise wird ein Korrekturmuster entlang der Kurve der zeitlichen Änderung der Spannung V1, die durch die durchgezogene Linie in 13 dargestellt ist, im Voraus durch ein Experiment definiert, und eine Entsprechungsbeziehung zwischen der Zeit (z.B. einer verstrichenen Zeit ab dem Zeitpunkt t0) und dem Korrekturbetrag (oder dem Wert des Sollwertes V1* nach der Korrektur) kann im Speicherabschnitt 94 gespeichert werden. Die CPU 92 kann dann auf der Grundlage der Entsprechungsbeziehung einen Korrekturbetrag ableiten, der der aktuellen Zeit entspricht, und den Sollwert V1* nach der Korrektur ableiten. Auf diese Weise wird ein vorübergehender Anstieg (Abweichung vom Wert A) der durch die durchgezogene Linie in 13 gezeigten Spannung V1 aufgehoben, und wie bei dem durch die gestrichelte Linie in 14 gezeigten Pumpstrom Ip2 mit Korrektur kann die Abweichung des Pumpstroms Ip2 vom Wert D im Vergleich zu dem durch die durchgezogene Linie gezeigten Pumpstrom Ip2 ohne Korrektur verringert werden. Der Pumpstrom Ip2 mit Korrektur, dargestellt durch die gestrichelte Linie in 14, weicht geringfügig vom Wert D ab, im Idealfall kann die Abweichung vom Wert D jedoch durch die Korrektur eliminiert werden. Das durch die durchgezogene Linie in 13 gezeigte Muster der zeitlichen Änderung der Spannung V1, d.h. das Muster der zeitlichen Änderung der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 ergibt im Wesentlichen das gleiche Muster der zeitlichen Änderung für das gleiche Temperaturanstiegsmuster der Heizung 72 im Heizungsregelungsprozess. Somit kann ein Korrekturmuster im Voraus durch ein Experiment festgelegt werden. Die Verwendung eines auf diese Weise vorbereiteten Korrekturmusters kann den Sollwert V1* ohne Messung der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 korrekt korrigieren.
  • Es ist zu beachten, dass „der Korrekturbetrag im Laufe der Zeit abnimmt“ beispielsweise den Fall, in dem der Korrekturbetrag linear abnimmt, den Fall, in dem der Korrekturbetrag kurvenförmig abnimmt, und den Fall einschließt, in dem der Korrekturbetrag wie eine Stufenfunktion abnimmt. Zum Beispiel kann anstelle eines Korrekturmusters entlang der Kurve der zeitlichen Änderung der Spannung V1, die durch die durchgezogene Linie in 13 dargestellt ist, wie oben beschrieben, ein Korrekturmuster verwendet werden, das wie eine Stufenfunktion abnimmt, die durch die gestrichelte Linie in 13 dargestellt ist. In diesem Fall wird ein Korrekturmuster vorzugsweise so definiert, dass die Differenz (z.B. der Wert C zum Zeitpunkt td) zwischen dem durch die gestrichelte Linie dargestellten Korrekturmuster und der durch die durchgezogene Linie dargestellten tatsächlichen zeitlichen Änderung der Spannung V1 nicht zu groß wird (z.B. beträgt die Differenz 10 mV oder weniger). Alternativ kann anstelle eines Korrekturmusters entlang der Kurve der zeitlichen Änderung der Spannung V1, die durch die durchgezogene Linie in 13 dargestellt ist, auch ein Korrekturmuster entlang einer ungefähren geraden Linie auf der Grundlage der Kurve verwendet werden.
  • Es wird ein Beispiel beschrieben, bei dem der Sollwert V1* auf der Grundlage eines auf diese Weise im Voraus festgelegten Korrekturmusters korrigiert wird. 15 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für den Korrekturprozess zeigt. Der Korrekturprozess wird ausgeführt, wenn der Normalzeit-Steuerungsprozess in Schritt S140, wie in den 3, 5, 12 gezeigt, gestartet wird. Wenn der Korrekturprozess gestartet wird, leitet die CPU 92 einen Korrekturbetrag ΔV1* des Sollwerts V1* basierend auf dem Korrekturmuster ab (Schritt S310). Wenn beispielsweise ein Korrekturmuster entlang der durch die durchgezogene Linie in 13 dargestellten Kurve im Speicherabschnitt 94 gespeichert ist, leitet die CPU 92 aus dem Korrekturmuster einen Korrekturbetrag ΔV1* ab, der der aktuellen Zeit entspricht (z.B. einer verstrichenen Zeit ab dem Zeitpunkt t0, zu dem der Heizungssteuerungsprozess gestartet wurde). Wenn die aktuelle Zeit beispielsweise die Zeit td von 13 ist, leitet die CPU 92 den Wert B als Korrekturbetrag ΔV1* ab. Anschließend korrigiert die CPU 92 den Sollwert V1* auf der Grundlage des abgeleiteten Korrekturbetrags ΔV1* (Schritt S320). Zum Beispiel leitet die CPU 92 den Sollwert V1* nach der Korrektur ab, indem sie den Korrekturbetrag ΔV1* zum ursprünglichen Sollwert V1* addiert. Als nächstes bestimmt die CPU 92, ob ein Korrekturzeitraum des Sollwerts V1* abgelaufen ist (Schritt S330). Wenn beispielsweise die aktuelle Zeit nach der letzten Zeit des im Speicherabschnitt 94 gespeicherten Korrekturmusters liegt oder wenn die aktuelle Zeit nach einer vorab festgelegten Zeit liegt, bestimmt die CPU 92, dass der Korrekturzeitraum abgelaufen ist. Beispielsweise bestimmt die CPU 92, dass der Korrekturzeitraum abgelaufen ist, wenn der Zeitpunkt te in 13 überschritten ist, oder wenn ein Zeitpunkt (ein vorgegebener Zeitpunkt kurz vor dem Zeitpunkt te) überschritten ist, bei dem die Differenz zwischen der durchgezogenen Linie und dem Wert A in 13 vernachlässigbar ist. Wenn die CPU 92 in Schritt S330 bestimmt, dass der Korrekturzeitraum noch nicht abgelaufen ist, führt sie das Verfahren in Schritt S310 aus. Somit wird der Sollwert V1* nach der Korrektur so eingestellt, dass der Korrekturbetrag im Laufe der Zeit auf der Grundlage des Korrekturmusters abnimmt, bis der Korrekturzeitraum abläuft. Wenn in Schritt S330 bestimmt wird, dass der Korrekturzeitraum abgelaufen ist, schließt die CPU 92 den Korrekturvorgang ab. Auf diese Weise wird in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses, d.h. in dem Intervall bis zum Ablauf des Korrekturzeitraums seit dem Beginn des Normalzeit-Steuerungsprozesses, der Hilfspumpen-Steuerungsprozess auf der Grundlage des Sollwertes V1* nach der Korrektur durchgeführt, so dass, wie oben beschrieben, selbst wenn die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft vorübergehend hoch ist, die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann. Folglich kann ein vorübergehender Anstieg des Pumpstroms Ip2 verhindert werden, und eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration kann vermieden werden.
  • Anstatt eine Korrektur des Sollwertes V1* auf der Grundlage eines im Voraus definierten Korrekturmusters vorzunehmen, kann die Korrektur auf folgende Weise erfolgen. Insbesondere kann die CPU 92 in dem Korrekturprozess, wenn der Pumpstrom Ip0 (ein Beispiel für den Hauptpumpstrom), der durch die Hauptpumpzelle 21 während des Hauptpumpen-Steuerungsprozesses fließt, als stabilisiert angesehen wird, den Sollwert V1* in dem Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturbetrags korrigieren, der mit zunehmender Abweichung zwischen einer berechneten Referenzspannung Vrefs, die auf der Grundlage des Pumpstroms Ip0 abgeleitet wird, und einer tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa, die von der Sensorzelle 83 (einem Beispiel einer Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle) erfasst wird, tendenziell zunimmt, wobei die berechnete Referenzspannung Vrefs eine Spannung Vref ist, die der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 entspricht. Hierbei ist, wie oben beschrieben, der Hauptpumpen-Steuerungsprozess ein Prozess der Steuerung der Hauptpumpzelle 21, so dass der Pumpstrom Ip1 den Sollstrom Ip1* erreicht, und der Pumpstrom Ip0, der zum Zeitpunkt der Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 durch den Hauptpumpen-Steuerungsprozess fließt, ist mit der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 korreliert. Die Spannung Vref (ein Beispiel für die Referenzspannung) ist die Spannung zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 (ein Beispiel für die messobjektgasseitige Elektrode) außerhalb des Sensorelements 101 und der Referenzelektrode 42 und korreliert somit mit der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101. Mit anderen Worten ist der Pumpstrom Ip0 mit der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 korreliert, und die Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 ist mit der Spannung Vref korreliert. Wenn also der Pumpstrom Ip0 als stabilisiert angesehen wird, kann eine berechnete Referenzspannung Vrefs basierend auf dem Pumpstrom Ip0 abgeleitet werden, wobei die berechnete Referenzspannung Vrefs eine Spannung Vref ist, die der Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 entspricht. Die berechnete Referenzspannung Vrefs ist ein Wert, der der elektromotorischen Kraft auf der Grundlage der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 und einem Referenzgas in der Umgebung der Referenzelektrode 42 entspricht. Hingegen enthält eine tatsächlich gemessene Referenzspannung Vrefa, die eine von der Sensorzelle 83 tatsächlich erfasste Spannung Vref ist, auch die thermoelektromotorische Kraft zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42, so dass, wenn der Temperaturunterschied zwischen beiden Elektroden vorübergehend groß ist, die in der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa enthaltene thermoelektromotorische Kraft ebenfalls vorübergehend zunimmt. Je größer daher die in der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa enthaltene thermoelektromotorische Kraft ist, desto größer ist die Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung Vrefs, die auf der Grundlage des Hauptpumpstroms Ip0 abgeleitet wird, und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa, die von der Sensorzelle 83 erfasst wird. Wenn die thermoelektromotorische Kraft zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 hoch ist, ist die thermoelektromotorische Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 oft ebenfalls hoch. Daher kann der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft in der Spannung V1 verursacht wird, reduziert werden, indem der Sollwert V1* im Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturbetrags korrigiert wird, der tendenziell zunimmt, wenn die Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung Vrefs und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa steigt. Somit kann die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, wenn die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft vorübergehend hoch ist, wie in dem Fall, in dem das oben beschriebene Korrekturmuster verwendet wird, im Vergleich zu dem Fall, in dem kein Korrekturprozess durchgeführt wird. Folglich kann ein vorübergehender Anstieg des Pumpstroms Ip2 verhindert werden, und eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration kann vermieden werden.
  • Beispielsweise kann eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip0 und der berechneten Referenzspannung Vrefs im Speicherabschnitt 94 vorgespeichert werden, und die CPU 92 kann die berechnete Referenzspannung Vrefs basierend auf der Entsprechungsbeziehung und dem Wert des Pumpstroms Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 fließt, ableiten. Die berechnete Referenzspannung Vrefs ergibt sich wie folgt: Nachdem seit dem Beginn des Heizungssteuerungsprozesses genügend Zeit verstrichen ist, wird die Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 verringert, und nachdem sich die thermoelektromotorische Kraft zwischen beiden Elektroden stabilisiert hat, ergibt ein Wert, der dem tatsächlichen Wert der Spannung Vref entspricht, die berechnete Referenzspannung Vrefs. Somit kann eine solche Entsprechungsbeziehung im Voraus durch die Messung von Kombinationen aus dem tatsächlichen Messwert der Spannung Vref nach der Stabilisierung der thermoelektromotorischen Kraft und dem Wert des Pumpstroms Ip0 dann während der Steuerung der Hauptpumpe mit variierter Sauerstoffkonzentration in einem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 definiert werden. Diese Entsprechungsbeziehung ist derart, dass je größer der Wert des Pumpstroms Ip0 (mit anderen Worten, je höher die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung des Sensorelements 101) ist, desto niedriger ist die berechnete Referenzspannung Vrefs (mit anderen Worten, desto geringer ist die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Messobjektgas in der Umgebung des Sensorelements 101 und dem Referenzgas).
  • Ein Beispiel für eine solche Korrektur des Sollwertes V1* auf der Grundlage der berechneten Referenzspannung Vrefs und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa wird beschrieben. 16 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen anderen Korrekturprozess als in 15 zeigt. In 16 ist derselbe Prozess wie in 15 mit derselben Schrittnummer gekennzeichnet, und eine detaillierte Beschreibung entfällt. Der Korrekturprozess von 16 wird ausgeführt, wenn der Normalzeit-Steuerungsprozess in Schritt S140, der in 3, 5, 12 gezeigt ist, gestartet wird. Wenn der Korrekturprozess gestartet wird, bestimmt die CPU 92, ob der im Hauptpumpen-Steuerungsprozess fließende Pumpstrom Ip0 stabilisiert ist, mit anderen Worten, bestimmt, ob die Sauerstoffkonzentration eines Messobjektgases in der Umgebung des Sensorelements 101 stabilisiert ist (Schritt S300). Zum Beispiel misst die CPU 92 wiederholt den Pumpstrom Ip0 zu vorgegebenen Zeitpunkten, und wenn die Differenz zwischen einem diesmaligen Messwert und einem zuletzt gemessenen Wert des Pumpstroms IPO ein Wert innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ist, bestimmt die CPU 92, dass der Pumpstrom Ip0 stabilisiert ist. Alternativ, wie bei der oben beschriebenen Bestimmung, dass der Pumpstrom Ip0 stabilisiert ist, kann die CPU 92 bestimmen, ob der Pumpstrom Ip0 stabilisiert ist, basierend auf dem ersten Ableitungswert oder dem zweiten Ableitungswert des Pumpstroms Ip0. Wenn in Schritt S300 bestimmt wird, dass der Pumpstrom Ip0 nicht stabilisiert ist, führt die CPU 92 den in 15 dargestellten Prozess in Schritt S310 durch und leitet einen Korrekturbetrag ΔV1* auf der Grundlage eines im Speicherabschnitt 94 vorab gespeicherten Korrekturmusters ab. Wenn jedoch in Schritt S300 bestimmt wird, dass der Pumpstrom Ip0 stabilisiert ist, leitet die CPU 92 die berechnete Referenzspannung Vrefs auf der Grundlage des Pumpstroms Ip0 und der oben beschriebenen Entsprechungsbeziehung ab (Schritt S312). Anschließend leitet die CPU 92 den Korrekturbetrag ΔV1* des Sollwerts V1* auf der Grundlage der berechneten Referenzspannung Vrefs und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa ab, welche die von der Sensorzelle 83 erfasste aktuelle Spannung Vref ist (Schritt S314). Zum Beispiel kann die CPU 92 den Korrekturwert ΔV1* auf der Grundlage der Differenz zwischen der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa und der berechneten Referenzspannung Vrefs ableiten. Die Differenz zwischen der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa und der berechneten Referenzspannung Vrefs entspricht einem vorübergehenden Anstieg der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42. Daher kann die Differenz als der vorübergehende Anstieg der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 angesehen werden, und der Differenzwert selbst kann als Korrekturbetrag ΔV1* angenommen werden. Alternativ kann der Korrekturbetrag ΔV1* als das Produkt aus einem vorgegebenen Koeffizienten und der Differenz zwischen der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa und der berechneten Referenzspannung Vrefs abgeleitet werden. Wenn der Korrekturbetrag ΔV1* in Schritt S310 oder Schritt S314 abgeleitet wird, führt die CPU 92 den Schritt S320 aus, um den Sollwert V1* auf der Grundlage des Korrekturbetrags ΔV1* zu korrigieren. Wenn in Schritt S330 bestimmt wird, dass der Korrekturzeitraum noch nicht abgelaufen ist, führt die CPU 92 den Prozess in Schritt S300 aus, und wenn bestimmt wird, dass der Korrekturzeitraum abgelaufen ist, schließt die CPU 92 den Korrekturprozess ab. Wenn in Schritt S330 der in Schritt S314 abgeleitete Korrekturbetrag ΔV1* ein kleiner Wert ist, der als Null betrachtet werden kann (z.B. wenn der Wert kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist), kann die CPU 92 bestimmen, dass der Korrekturzeittraum abgelaufen ist. Wenn der Pumpstrom Ip0 durch die Durchführung des Korrekturprozesses von 16 stabilisiert wurde, kann der Sollwert V1* auf der Grundlage der berechneten Referenzspannung Vrefs und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung refa korrigiert werden. Wenn der Pumpstrom Ip0 jedoch nicht stabilisiert ist, kann der Sollwert V1* auf der Grundlage eines vorab definierten Korrekturmusters korrigiert werden. Wenn der Korrekturwert ΔV1* durch das Verfahren in einem der Schritte S310 und S314 abgeleitet wird, kann die Korrektur unter Berücksichtigung der in der Spannung V1 enthaltenen thermoelektromotorischen Kraft durchgeführt werden.
  • Wenn die Temperatur der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses noch nicht stabilisiert worden ist, steigt der Pumpstrom Ip2 vorübergehend an, wie in 14 gezeigt, aufgrund der Einbeziehung der vorübergehend erhöhten thermoelektromotorischen Kraft in die Spannung V1, wie in 13 gezeigt, so dass das Lichtelement 101 ausgeschaltet wird, wenn die thermoelektromotorische Kraft stabilisiert ist (zum Beispiel zum Zeitpunkt te in 14). Wenn also beispielsweise der Normalzeit-Steuerungsprozess ab dem Zeitpunkt t3 in 4 gestartet wird und der Zeitpunkt t3 dem Zeitpunkt td in 14 entspricht, hat der Pumpstrom Ip2 in einem Zustand, in dem kein Korrekturprozess durchgeführt wird, einen Fehler, und während des Intervalls zwischen dem Zeitpunkt t3 (Zeitpunkt td) und dem Zeitpunkt te erfolgt kein Anspringen, so dass die tatsächliche Anspringzeit erhöht werden kann. Andererseits wird ein vorübergehender Anstieg des Pumpstroms Ip2 durch die Durchführung des Korrekturvorgangs verhindert, so dass das Sensorelement 101 z.B. zum Zeitpunkt td oder unmittelbar nach dem Zeitpunkt td ausschaltet und die Anspringzeit verkürzt werden kann.
  • Wie oben beschrieben hat der Elementkörper des Sensorelements 101 eine längliche Form mit einem vorderen Ende und einem hinteren Ende, die beide in einer Längsrichtung enden. Wie in 1 gezeigt sind die Hilfspumpelektrode 51 und die Referenzelektrode 42 in der Nähe des vorderen Endes (insbesondere der Seite des vorderen Endes in Bezug auf die Mitte in der Vorderseiten-Rückseiten-Richtung) des Elementkörpers angeordnet, und die Referenzelektrode 42 ist an einer Position (d.h. hinten) weiter vom vorderen Ende in der Vorderseiten-Rückseiten-Richtung entfernt angeordnet als die Hilfspumpelektrode 51. Wenn die Hilfspumpelektrode 51 und die Referenzelektrode 42 in einer solchen Positionsbeziehung angeordnet sind, tritt ein Unterschied in der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs zwischen beiden Elektroden auf, und der Temperaturunterschied zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 wird wahrscheinlich vorübergehend in dem Intervall ansteigen, bis die Temperatur beider Elektroden seit dem Beginn der Erwärmung des Sensorelements 101 durch die Heizung 72 stabilisiert ist. Daher ist es von großer Bedeutung, den oben beschriebenen Korrekturprozess durchzuführen. Es ist zu beachten, dass sich die innere Pumpelektrode 22 unter den Elektroden des Sensorelements 101 im Allgemeinen ganz vorne befindet, und die Heizung 72 wird oft so angeordnet, dass die höchste Temperatur in der inneren Pumpelektrode 22 unter den Elektroden erreicht wird, weil die Hauptpumpzelle 21 mehr Sauerstoff abpumpt als die Hilfspumpzelle 50 und die Messpumpzelle 41. Daher ist die Hilfspumpelektrode 51 an einer Position angeordnet, die näher an der inneren Pumpelektrode 22 liegt als die Referenzelektrode 42 in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung, was auch ein Grund dafür ist, dass ein vorübergehender Anstieg der Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 auftreten kann.
  • Darüber hinaus ist die äußere Pumpelektrode 23 in der Nähe des vorderen Endes (insbesondere der vorderen Endseite relativ zur Mitte in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung) des Elementkörpers des Sensorelements 101 angeordnet, und die Referenzelektrode 42 ist an einer Position (d.h. hinten) weiter vom vorderen Ende in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung entfernt als die äußere Pumpelektrode 23 angeordnet. Wenn die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 in einer solchen Positionsbeziehung angeordnet sind, ist es wahrscheinlich, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 vorübergehend zunimmt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 vorübergehend groß ist. Wenn die Elektroden diese Positionsbeziehung haben, ist es daher bei einer großen Abweichung zwischen der berechneten Referenzspannung Vrefs und der tatsächlich gemessenen Referenzspannung Vrefa wahrscheinlicher, dass die in der Spannung V1 enthaltene thermoelektromotorische Kraft zunimmt, so dass die Positionsbeziehung für die Korrektur auf der Grundlage der oben beschriebenen Abweichung geeignet ist. Wie in 1 gezeigt, ist die äußere Pumpelektrode 23 an einer Position angeordnet, die näher an der inneren Pumpelektrode 22 liegt als die Referenzelektrode 42 in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung, was auch ein Grund dafür ist, warum ein vorübergehender Anstieg der Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 auftreten kann.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die äußere Pumpelektrode 23 Teil der Sensorzelle 83 und dient sowohl als messobjektgasseitige Elektrode als auch als andere Elektroden (zum Beispiel die äußere Hauptpumpelektrode der Hauptpumpzelle 21), wobei die messobjektgasseitige Elektrode außerhalb des Elementkörpers des Sensorelements 101 vorgesehen ist, um mit einem Messobjektgas in Kontakt zu kommen. Ohne hierauf beschränkt zu sein kann die messobjektgasseitige Elektrode jedoch auch außerhalb des Elementkörpers des Sensorelements 101 getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 vorgesehen sein.
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform führt die CPU 92 den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess durch und geht dann zu dem Normalzeit-Steuerungsprozess über, muss aber nicht den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess durchführen. In diesem Fall kann der Normalzeit-Steuerungsprozess gestartet werden, nachdem der Heizungssteuerungsprozess gestartet wurde. Wenn zum Beispiel in Schritt S110 von 3, 5, 12 eine positive Entscheidung getroffen wird, kann die CPU 92 den Normalzeit-Steuerungsprozess starten. Auch in diesem Fall wird der oben beschriebene Korrekturprozess in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses durchgeführt, so dass der Effekt, der durch eine vorübergehend hohe thermoelektromotorische Kraft, die in der Spannung V1 enthalten ist, verursacht wird, reduziert werden kann, und schließlich kann eine Verringerung der Genauigkeit der Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration verhindert werden.
  • Die CPU 92 kann den oben beschriebenen Korrekturprozess auch in dem Hilfspumpen-Steuerungsprozess in dem Startzeit-Steuerungsprozess vor dem Start des Normalzeit-Steuerungsprozesses durchführen. In dem Startzeit-Steuerungsprozess wird jedoch keine Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration auf der Grundlage des Pumpstroms Ip2 durchgeführt, weshalb die Notwendigkeit der Durchführung des Korrekturprozesses gering ist.
  • Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann wie folgt konfiguriert sein.
  • Der Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst:
    • ein Sensorelement mit
      • einem Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messobjektgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messobjektgas einleitet und das Messobjektgas strömen lässt,
      • einer Messpumpzelle mit einer äußeren Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messobjektgas in Kontakt zu sein, und einer inneren Messelektrode, die in einer Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Umgebung der inneren Messelektrode in die Umgebung der äußeren Messelektrode abpumpt,
      • einer Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für die Erkennung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messobjektgas dient,
      • einer Messspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst;
      • einer Pumpzellensteuerung, die einen Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess des Abpumpens von Sauerstoff in der Messkammer während einer Normalbetriebszeit des Sensorelements durch Steuern der Messpumpzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Sollwert erreicht, und einen Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess des Abpumpens von Sauerstoff in der Messkammer zu einer Startzeit des Sensorelements früher als die Normalbetriebszeit durch Steuern der Messpumpzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Startzeit-Sollwert erreicht, der höher als der Normalzeit-Sollwert ist; und
      • einen Abschnitt zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration, der eine spezifische Gaskonzentration in dem Messobjektgas auf der Grundlage eines Messpumpstroms erfasst, der durch die Messpumpzelle durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt.
  • In diesem Gassensor wird während einer normalen Betriebszeit des Sensorelements der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausgeführt, um den Sauerstoff in der Messkammer durch Steuerung der Messpumpzelle abzupumpen, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Sollwert erreicht. Dann wird die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messobjektgas auf der Grundlage des Messpumpstroms, der durch die Messpumpzelle fließt, durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfasst. Darüber hinaus wird in dem Gassensor, wenn das Sensorelement vor der normalen Betriebszeit gestartet wird, der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ausgeführt, um den Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle abzupumpen, so dass die Messspannung einen Startzeit-Sollwert erreicht, der höher als ein Normalzeit-Sollwert ist. Mit anderen Worten: Bei der Steuerung der Startzeit-Messpumpe wird der Sauerstoff in der Messkammer abgepumpt, wobei der Sollwert für die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer niedriger ist als der Sollwert während der normalen Betriebszeit. Somit kann der Sauerstoff, der sich vor dem Start des Sensorelements in der Messkammer befunden hat, schnell aus der Messkammer entfernt werden, wenn der Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess ab dem Start des Sensorelements ausgeführt wird. Dadurch wird die Anspringzeit des Sensorelements verkürzt. Hierbei umfasst der Sauerstoff, der sich seit dem Start des Sensorelements in der Messkammer befunden hat, beispielsweise die Sauerstoffmoleküle (O2), die im Raum in der Messkammer vorhanden sind, die Sauerstoffmoleküle (O2), die an der Oberfläche einer inneren Messelektrode haften, und den Sauerstoff (der das Ausgangsmaterial oxidiert), der an das Ausgangsmaterial für die innere Messelektrode gebunden ist.
  • Der Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst eine Heizung, die den Elementkörper erwärmt, und eine Heizungssteuerung, die einen Heizungssteuerungsprozess ausführt, bei dem die Heizung mit Energie versorgt wird, um zu bewirken, dass die Heizung Wärme erzeugt, so dass eine Sensorelementtemperatur eine vorgegebene Solltemperatur erreicht, wobei die Sensorelementtemperatur eine Temperatur der Heizung oder des Elementkörpers ist. Wenn nach dem Start des Heizungssteuerungsprozesses die Sensorelementtemperatur einen Wert erreicht, der höher als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, der niedriger als oder gleich der Solltemperatur ist, kann die Pumpzellensteuerung den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess starten. Auf diese Weise kann der Startzeitpunkt der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozesses auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur richtig bestimmt werden. Der vorgegebene Schwellenwert kann ein Wert sein, der unter der Solltemperatur liegt. Hierbei schließt „die Heizung mit Energie versorgen, um zu bewirken, dass die Heizung Wärme erzeugt, so dass die Sensorelementtemperatur eine vorgegebene Solltemperatur erreicht“ den Fall ein, in dem die Heizung auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur selbst gesteuert wird, und den Fall, in dem die Heizung auf der Grundlage eines in die Sensorelementtemperatur umwandelbaren Wertes (z.B. des Widerstandswerts der Heizung, des Widerstandswerts eines elektrischen Schaltkreises, der einen Festelektrolyten enthält) gesteuert wird. Beispiele für einen Widerstandswert eines elektrischen Schaltkreises, der einen Festelektrolyten enthält, sind der Widerstandswert der Messpumpzelle und der Widerstandswert der Messspannungserfassungs-Sensorzelle.
  • In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement eine Einstellpumpzelle haben, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer einstellt, die auf einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist, und die Pumpzellensteuerung kann einen Einstellpumpensteuerungsprozess des Betriebs der Einstellpumpzelle zur Startzeit des Sensorelements ausführen, und wenn auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpzelle bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer stabilisiert ist, kann ein Umschalten von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess erfolgen. In diesem Fall befindet sich vor dem Starten des Sensorelements nicht nur die Messkammer, sondern auch die Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer auf der stromaufwärtigen Seite in einem Zustand (z.B. Luftatmosphäre), in dem viel Sauerstoff (nicht aus einem spezifischen Gas erzeugter Sauerstoff) vorhanden ist. Zum Zeitpunkt des Starts des Sensorelements führt die Pumpzellensteuerung einen Einstellungsprozess für die Pumpzelle durch, wodurch es möglich wird, auch den Sauerstoff zu entfernen, der sich vor dem Start des Sensorelements in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration befunden hat. Da die Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration und die Messkammer miteinander in Verbindung stehen, kann der Sauerstoff in der Messkammer auch durch den Betrieb der Einstellpumpzelle entfernt werden. Darüber hinaus stehen, wie bereits erwähnt, die Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration und die Messkammer miteinander in Verbindung, so dass, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, auch der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt wird. Wenn also auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpzelle bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrationseinstellkammer stabilisiert ist, wird der Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umzuschalten. Hierbei umfasst „wenn bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, wird von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umgeschaltet“ einen Fall, bei dem, wenn bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, sofort umgeschaltet wird, und einen Fall, bei dem, wenn bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, nach dem Zeitpunkt der Bestimmung umgeschaltet wird. Beispiele für den letzteren Fall umfassen einen Fall, in dem, wenn eine andere Bedingung zusätzlich zu der Bestimmung, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, erfüllt ist, wie ein Fall, in dem nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit seit der Bestimmung, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist, ein Umschalten erfolgt.
  • In diesem Fall kann die Einstellpumpzelle eine innere Einstellpumpelektrode, die in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration angeordnet ist, und eine äußere Einstellpumpelektrode umfassen, die in einem Teil angeordnet ist, der dem Messobjektgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist.
  • Bei dem Gassensor mit einer Einstellpumpzelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum aufweisen, der auf einer stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums und auf einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer vorgesehen ist, wobei die Einstellpumpzelle eine Hauptpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, aufweisen kann, der EinstellpumpenSteuerungsprozess einen Hilfspumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hilfspumpzelle, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Hohlraum eine Sollkonzentration erreicht, und einen Hauptpumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hauptpumpzelle, so dass ein Hilfspumpstrom, der durch die Hilfspumpzelle durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess fließt, einen Sollstrom erreicht, umfassen kann, und wenn bestimmt wird, dass der Hilfspumpstrom um den Sollstrom herum stabilisiert ist, kann die Pumpzellen-Steuerung ein Umschalten von dem StartzeitMessungs-Pumpensteuerungsprozess zu dem Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess vornehmen. Mit anderen Worten, wenn bestimmt wird, dass der Strom der Hilfspumpe bei dem Sollstrom stabilisiert ist, kann bestimmt werden, dass die Sauerstoffkonzentration in der Kammer zur Einstellung der Sauerstoffkonzentration stabilisiert ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Grundlage des Hilfspumpstroms in geeigneter Weise von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umzuschalten.
  • In diesem Fall kann die Hauptpumpzelle eine innere Hauptpumpelektrode enthalten, die in dem ersten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine äußere Hauptpumpelektrode, die in einem Bereich angeordnet ist, der dem Messobjektgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist. Die Hilfspumpzelle kann eine innere Hilfspumpelektrode umfassen, die im zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine äußere Hilfspumpelektrode, die in einem Bereich angeordnet ist, der dem Messobjektgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist.
  • Wenn bei dem Gassensor der vorliegenden Erfindung eine Leerlaufzeitmessspannung einen Wert erreicht, der größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, kann die Pumpzellensteuerung von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umschalten, wobei die Leerlaufzeitmessspannung eine Messspannung in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die innere Messelektrode und die Referenzelektrode zu leiten. Die Leerlaufzeitmessspannung hat einen Wert, der der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer entspricht, so dass es möglich ist, durch Vergleich der Leerlaufzeitmessspannung mit dem Schwellenwert in geeigneter Weise festzustellen, ob der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt wurde oder nicht. Auf diese Weise ist es möglich, in geeigneter Weise von der Startzeitmessungs-Pumpensteuerung auf die Normalzeitmessungs-Pumpensteuerung umzuschalten.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-204045 , die am 9. Dezember 2020 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor gerichtet, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messobjektgas, wie z.B. dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
    • 1
    ERSTE SUBSTRATSCHICHT,
    2
    ZWEITE SUBSTRATSCHICHT,
    3
    DRITTE SUBSTRATSCHICHT,
    4
    ERSTE FESTELEKTROLYTSCHICHT,
    5
    ABSTANDSSCHICHT,
    6
    ZWEITE FESTELEKTROLYTSCHICHT,
    10
    GASEINLASSÖFFNUNG,
    11
    ERSTER DIFFUSIONSGESTEUERTER ABSCHNITT,
    12
    PUFFERRAUM,
    13
    ZWEITER DIFFUSIONSGESTEUERTER ABSCHNITT,
    20
    ERSTER INNERER HOHLRAUM,
    21
    HAUPTPUMPZELLE,
    22
    INNEREPUMPELEKTRODE,
    22a
    OBERER ELEKTRODENBEREICH,
    22b
    UNTERERELEKTRODENBEREICH,
    23
    ÄUSSERE PUMPELEKTRODE,
    24
    VARIABLESTROMVERSORGUNG,
    30
    DRITTER DIFFUSIONSGESTEUERTER ABSCHNITT,
    40
    ZWEITER INNERER HOHLRAUM,
    41
    MESSPUMPZELLE,
    42
    REFERENZELEKTRODE,
    43
    REFERENZGASEINLASSRAUM,
    44
    MESSELEKTRODE,
    45
    VIERTER DIFFUSIONSGESTEUERTER ABSCHNITT,
    46
    VARIABLE STROMVERSORGUNG,
    48
    ATMOSPHÄRENEINLASSSCHICHT,
    50
    HILFSPUMPZELLE,
    51
    HILFSPUMPELEKTRODE,
    51a
    DECKENELEKTRODENABSCHNITT,
    51b
    BODENELEKTRODENABSCHNITT,
    52
    VARIABLE STROMVERSORGUNG,
    60
    VIERTER DIFFUSIONSGESTEUERTER ABSCHNITT,
    61
    DRITTER INNERER HOHLRAUM,
    70
    HEIZUNGSABSCHNITT,
    71
    ANSCHLUSSELEKTRODE,
    72
    HEIZUNG,
    73
    DURCHGANGSLOCH,
    74
    HEIZUNGSISOLIERSCHICHT,
    75
    DRUCKENTLASTUNGSLOCH,
    76
    HEIZUNGSSTROMVERSORGUNG,
    80
    HAUPTPUMPENSTEUERUNG SAUERSTOFFPARTIALDRUCKERFASSUNGS-SENSORZELLE,
    81
    HILFSPUMPENSTEUERUNGS-SAUERSTOFFPARTIALDRUCKERFASSUNGS-SENSORZELLE,
    82
    MESSPUMPENSTEUERUNGS-SAUERSTOFFPARTIALDRUCKERFASSUNGS-SENSORZELLE,
    83
    SENSORZELLE,
    90
    STEUERGERÄT,
    91
    CONTROLLER,
    92
    CPU,
    94
    SPEICHERABSCHNITT,
    100
    GASSENSOR,
    101, 201
    SENSORELEMENT
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2020204045 [0141]

Claims (13)

  1. Gassensor, aufweisend: ein Sensorelement mit einem Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messobjektgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messobjektgas einleitet und das Messobjektgas strömen lässt, einer Messpumpzelle mit einer äußeren Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messobjektgas in Kontakt zu kommen, und einer inneren Messelektrode, die in einer Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus einer Umgebung der inneren Messelektrode in eine Umgebung der äußeren Messelektrode abpumpt, einer Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für die Erkennung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messobjektgas dient, einer Messspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst, einer Hauptpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einem ersten inneren Hohlraum einstellt, der an einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist, einer Hilfspumpzelle, die eine innere Hilfspumpelektrode aufweist, die in einem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, wobei der zweite innere Hohlraum auf einer stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums und auf einer stromaufwärtigen Seite der Messkammer des Messobjektgasströmungsabschnitts vorgesehen ist, einer Spannungserfassungs-Sensorzelle für die Hilfspumpe, die eine Spannung für die Hilfspumpe zwischen der Referenzelektrode und der inneren Hilfspumpelektrode erfasst, und einer Heizung, die den Elementkörper erwärmt; eine Heizungssteuerung, die einen Heizungssteuerungsprozess ausführt, bei dem die Heizung mit Energie versorgt wird, um die Heizung zu veranlassen, Wärme zu erzeugen; eine Pumpzellensteuerung, die einen Normalzeit-Steuerungsprozess ausführt, nachdem der Heizungssteuerungsprozess gestartet wird, wobei der Normalzeit-Steuerungsprozess einen Hauptpumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hauptpumpzelle, einen Hilfspumpen-Steuerungsprozess zum Steuern der Hilfspumpzelle, so dass die Spannung für die Hilfspumpe einen Sollwert erreicht, und einen Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess zum Abpumpen von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Sollwert erreicht, umfasst; und einen Abschnitt zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration, der eine spezifische Gaskonzentration in dem Messobjektgas auf der Grundlage eines Messpumpstroms erfasst, der durch die Messpumpzelle durch den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt, wobei in einer frühen Phase des Normalzeit-Steuerungsprozesses die Pumpzellensteuerung einen Korrekturprozess ausführt, bei dem der Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe auf einen Wert korrigiert wird, der höher als ein Sollwert in einem Zeitraum nach der frühen Phase ist.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Pumpzellensteuerung den Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe in dem Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturmusters korrigiert, das im Voraus definiert wird, so dass ein Korrekturbetrag dazu neigt, mit der Zeit abzunehmen.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Referenzspannung zwischen einer messobjektgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode erfasst, wobei die messobjektgasseitige Elektrode außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messobjektgas in Kontakt zu kommen, wobei der Hauptpumpen-Steuerungsprozess ein Prozess der Steuerung der Hauptpumpzelle ist, so dass ein Hilfspumpstrom, der durch die Hilfspumpzelle durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess fließt, einen Sollstrom erreicht, und in dem Korrekturprozess, wenn ein Hauptpumpstrom, der durch die Hauptpumpzelle während des Hauptpumpen-Steuerungsprozesses fließt, als stabilisiert angesehen wird, die Pumpzellensteuerung den Sollwert der Spannung für die Hilfspumpe in dem Korrekturprozess auf der Grundlage eines Korrekturbetrags korrigiert, der dazu neigt, sich zu erhöhen, wenn die Abweichung zwischen einer berechneten Referenzspannung, die auf der Grundlage des Hauptpumpstroms abgeleitet wird, und einer tatsächlichen gemessenen Referenzspannung, die durch die Referenzspannungserfassungs-Sensorzelle erfasst wird, zunimmt, wobei die berechnete Referenzspannung einer Sauerstoffkonzentration in dem Messobjektgas um das Sensorelement herum entspricht.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einer normalen Betriebszeit des Sensorelements die Pumpzellensteuerung den Normalzeit-Steuerungsprozess durchführt, und zu einer Startzeit des Sensorelements vor der normalen Betriebszeit die Pumpzellensteuerung einen Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess des Abpumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle durchführt, so dass die Messspannung einen Startzeit-Sollwert erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Sollwert.
  5. Gassensor nach Anspruch 4, wobei der Heizungssteuerungsprozess ein Prozess ist, bei dem die Heizung mit Energie versorgt wird, um die Heizung zu veranlassen, Wärme zu erzeugen, so dass eine Sensorelementtemperatur eine vorgegebene Solltemperatur erreicht, wobei die Sensorelementtemperatur eine Temperatur der Heizung oder des Elementkörpers ist, und nachdem der Heizungssteuerungsprozess gestartet ist, wenn die Sensorelementtemperatur einen Wert erreicht, der höher als oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, der niedriger als oder gleich der Solltemperatur ist, die Pumpzellensteuerung den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess startet.
  6. Gassensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei zur Startzeit des Sensorelements die Pumpzellensteuerung den Hilfspumpen-Steuerungsprozess und den Hauptpumpen-Steuerungsprozess durchführt, der Hauptpumpen-Steuerungsprozess ein Prozess des Steuerns der Hauptpumpzelle ist, so dass ein Hilfspumpstrom, der durch die Hilfspumpzelle durch den Hilfspumpen-Steuerungsprozess fließt, einen Sollstrom erreicht, und wenn bestimmt wird, dass der Hilfspumpstrom etwa bei dem Sollstrom stabilisiert ist, die Pumpzellensteuerung von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umschaltet und den Normalzeit-Steuerungsprozess startet.
  7. Gassensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei, wenn eine Leerlaufzeitmessspannung einen Pegel erreicht, der größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist, die Pumpzellensteuerung von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess umschaltet und den Normalzeit-Steuerungsprozess startet, wobei die Leerlaufzeitmessspannung die Messspannung in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die innere Messelektrode und die Referenzelektrode zu leiten.
  8. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die innere Messelektrode mindestens Pt und/oder Rh enthält.
  9. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Volumen C der inneren Messelektrode 8 × 10-3mm3 oder mehr und 32 × 10-3mm3 oder weniger beträgt, und eine Differenz ΔV zwischen dem Startzeit-Sollwert und dem Normalzeit-Sollwert 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger beträgt.
  10. Gassensor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei, wenn auf der Grundlage eines Betriebs der Messpumpzelle bestimmt wird, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert ist, die Pumpzellensteuerung ein Umschalten von dem Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess auf den Normalzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess vornimmt und den Normalzeit-Steuerungsprozess startet.
  11. Gassensor nach Anspruch 10, wobei, wenn der Messpumpstrom, der durch die Messpumpzelle fließt, durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess stabilisiert ist, die Pumpzellensteuerung bestimmt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer stabilisiert ist.
  12. Gassensor nach Anspruch 11, wobei die Pumpzellensteuerung bestimmt, ob der Messpumpstrom stabilisiert ist, basierend auf ersten Ableitungswerten des Messpumpstroms, der durch die Messpumpzelle durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt.
  13. Gassensor nach Anspruch 11, wobei die Pumpzellensteuerung bestimmt, ob der Messpumpstrom stabilisiert ist, basierend auf zweiten Ableitungswerten des Messpumpstroms, der durch die Messpumpzelle durch den Startzeitmessungs-Pumpensteuerungsprozess fließt.
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