DE112022002209T5

DE112022002209T5 - Gassensor

Info

Publication number: DE112022002209T5
Application number: DE112022002209.4T
Authority: DE
Inventors: Daichi Ichikawa; Taku Okamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2023026899A1; CN117751287A; US20240192160A1; JPWO2023026899A1

Abstract

Ein Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 und eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung bestimmt einen Bedarf für eine Auffrischung des Sensorelements 101 auf der Basis von mindestens einem eines Unterschwingens oder Überschwingens des Pumpstroms Ip2. Nach einer Bestimmung, dass die Auffrischung erforderlich ist, führt die Steuervorrichtung einen Auffrischungsvorgang durch, der mindestens einen von einem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung oder einem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung umfasst, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung eine Einstellpumpzelle (eine Hauptpumpzelle 21 oder eine Hilfspumpzelle 50) derart steuert, dass Sauerstoff in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (einem ersten inneren Hohlraum 20 und einem zweiten inneren Hohlraum 40) in einem größeren Volumen als in einem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung für eine Messpumpzelle 41 derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in einem dritten inneren Hohlraum 61 in einem größeren Volumen als in einem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
Stand der Technik
Bisher ist ein Gassensor bekannt, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst. Beispielsweise umfasst der NOx-Sensor, der in PTL 1 beschrieben ist, eine elektrochemische Pumpzelle, die durch Einbeziehen eines Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten ausgebildet ist, und eine Messelektrode mit einem NOx-Reduktionsvermögen. Der NOx-Sensor wandelt das NOx-Gas in einem Messgegenstandsgas in O₂-Gas an der Messelektrode um und gibt die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms aus, der durch die elektrochemische Pumpzelle fließt und gemäß der Konzentration des umgewandelten O₂-Gases variiert.
PTL 1 beschreibt auch das Unterschwingen, das in dem NOx-Sensor beispielsweise dann auftritt, wenn eine Kraftstoffabsperrung zum Stoppen der Kraftstoffzufuhr zu einem Motor durchgeführt wird und sich die NOx-Konzentration auf Null ändert, wobei das Ausgangssignal für die NOx-Konzentration vorübergehend signifikant stärker abnimmt als das ideale Signal. Wenn ein solches Unterschwingen auftritt, ist es wahrscheinlich, dass sich die Genauigkeit der Messung der NOx-Konzentration verschlechtert, was ungünstig ist. PTL 2 gibt an, dass ein solches Phänomen aufgrund einer Änderung der Feuchtigkeit in dem Messgegenstandsgas auftritt. Darüber hinaus gibt PTL 1 an, dass das Unterschwingen durch Durchführen eines fetten Vorgangs des Behandelns des Sensorelements des NOx-Sensors in einer fetten Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 °C oder höher für 15 Minuten oder mehr verhindert werden kann. Die fette Atmosphäre ist dabei eine Gasatmosphäre, die Kohlenwasserstoffe enthält, und die Konzentration von NO beträgt als Volumenanteil 0,05 % oder mehr und 1,0 % oder weniger und der Luftüberschusskoeffizient (λ) beträgt 0,80 bis 0,9999.
Dokumentenliste
Patentdokumente

PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014-190939
PTL 2: Internationale Veröffentlichung Nr. 2008/038773

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Dabei kann selbst bei dem Gassensor, bei dem das vorstehend beschriebene Unterschwingen des Pumpstroms nach der Herstellung des Gassensors nicht auftritt, das Unterschwingen mit der Verwendung des Gassensors zunehmen. Wie in dem Fall des Unterschwingens kann auch das Überschwingen mit der Verwendung des Gassensors zunehmen.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und es ist eine Hauptaufgabe, die Zunahme des Unterschwingens und Überschwingens des Messpumpstroms mit der Verwendung des Gassensors zu verhindern.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung nutzt die folgende Vorrichtung zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe.
[1] Der Gassensor der vorliegenden Erfindung ist ein
Gassensor, umfassend:

ein Sensorelement, das
- einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt,
- eine Messpumpzelle, die eine äußere Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers zum Kontaktieren des Messgegenstandsgases bereitgestellt ist, und eine innere Messelektrode aufweist, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle zum Hinauspumpen von Sauerstoff von einer Umgebung der inneren Messelektrode zu einer Umgebung der äußeren Messelektrode ausgebildet ist,
- eine Einstellpumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einstellt, die stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist,
- eine Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers zum Kontaktieren eines Referenzgases angeordnet ist, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient, und
- eine Messspannung-Erfassungssensorzelle umfasst, die eine Messspannung über der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst;
einen Abschnitt zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases, der einen Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang des Betreibens der Einstellpumpzelle und einen Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang des Hinauspumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle derart durchführt, dass die Messspannung des Sensorelements einen Zielwert erreicht, und dann die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Messpumpstroms erfasst, der durch den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang durch die Messpumpzelle fließt;
eine Bedarfsbestimmungseinrichtung, die einen Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang des Bestimmens eines Bedarfs für eine Auffrischung des Sensorelements auf der Basis von mindestens einem eines Unterschwingens oder Überschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Messpumpstroms durchführt; und
eine Auffrischungssteuereinrichtung, die nach der Bestimmung, dass die Auffrischung erforderlich ist, in dem Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang einen Auffrischungsvorgang durchführt, der mindestens einen von einem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung oder einem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchführt, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Einstellpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Messkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird.

In diesem Gassensor werden der Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang des Betreibens der Einstellpumpzelle und der Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang des Hinauspumpens des Sauerstoffs in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle derart, dass die Messspannung des Sensorelements einen Zielwert erreicht, durchgeführt. Die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas wird auf der Basis des Messpumpstroms erfasst, der durch den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang durch die Messpumpzelle fließt. Wenn der Gassensor auf diese Weise zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases verwendet wird, können das Unterschwingen und das Überschwingen des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung mit der Verwendung des Gassensors zunehmen. In diesem Gassensor wird ein Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang des Bestimmens eines Bedarfs für eine Auffrischung des Sensorelements auf der Basis von mindestens einem des Unterschwingens oder des Überschwingens des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung durchgeführt, und wenn bestimmt wird, dass eine Auffrischung erforderlich ist, wird ein Auffrischungsvorgang durchgeführt. Der Auffrischungsvorgang umfasst mindestens einen des Einstellpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung oder des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Einstellpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Messkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Unterschwingen und das Überschwingen, die mit der Verwendung des Gassensors zugenommen haben, durch die Durchführung eines solchen Auffrischungsvorgangs vermindert werden können. In diesem Gassensor kann, wenn eine Bedarfsbestimmung einer Auffrischung durchgeführt wird und bestimmt wird, dass eine Auffrischung nötig ist, die Durchführung des Auffrischungsvorgangs eine Zunahme des Unterschwingens und Überschwingens des Messpumpstroms mit der Verwendung des Gassensors verhindern.
Dabei ist der Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang nicht auf einen Vorgang der Bestimmung des Bedarfs auf der Basis des Messpumpstroms selbst beschränkt und umfasst auch einen Vorgang der Bestimmung des Bedarfs auf der Basis eines Werts, der in den Messpumpstrom umgerechnet werden kann, oder eines Werts, bei dem davon ausgegangen wird, dass er zu dem Messpumpstrom äquivalent ist. Beispielsweise kann der Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang auf der Basis von mindestens einem des Unterschwingens oder Überschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Werts einer Konzentration eines spezifischen Gases durchgeführt werden, die auf der Basis des Messpumpstroms erfasst wird. Während des Auffrischungsvorgangs führt der Abschnitt zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases vorzugsweise nicht den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang durch und führt ferner mehr bevorzugt auch nicht den Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang durch. Während des Auffrischungsvorgangs führt die Messpumpzelle vorzugsweise nicht die Steuerung wie z.B. das Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer durch und ferner führt die Einstellpumpzelle mehr bevorzugt nicht die Steuerung wie z.B. das Pumpen von Sauerstoff in die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer durch.
[2] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach [1]) kann der Auffrischungsvorgang den Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung umfassen. Der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung weist einen stärkeren Effekt des Auffrischens des Sensorelements auf als der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung. Daher kann der Effekt des Verhinderns des Unterschwingens und Überschwingens des Messpumpstroms verstärkt werden und der Auffrischungsvorgang kann durch Durchführen von mindestens dem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung in dem Auffrischungsvorgang in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden. In diesem Fall kann der Auffrischungsvorgang den Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung gegebenenfalls nicht umfassen.
[3] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach [2]) kann die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum und stromaufwärts von der Messkammer bereitgestellt ist, aufweisen, die Einstellpumpzelle kann eine Hauptpumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, aufweisen und der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung kann mindestens einen von einem Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle oder einem Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle umfassen, wobei der Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang, wobei der Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem zweiten inneren Hohlraum in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang.
[4] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem von [1] bis [3]) kann das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Verbrennungsmotors sein, und die Bedarfsbestimmungseinrichtung kann den Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang auf der Basis eines Verhaltens des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung durchführen, die durch eine Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors verursacht wird. Es ist wahrscheinlich, dass das Unterschwingen und das Überschwingen des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung der H₂O-Konzentration (Feuchtigkeit) in dem Messgegenstandsgas auftreten. Bei der Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors ist es sehr wahrscheinlich, dass sich die H₂O-Konzentration rasch ändert. Daher kann der Bedarf für eine Auffrischung durch die Bestimmung des Bedarfs auf der Basis des Verhaltens (von mindestens einem des Unterschwingens oder des Überschwingens) des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung, die durch eine Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors verursacht wird, besser bestimmt werden.
[5] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem von [1] bis [4]) kann die Bedarfsbestimmungseinrichtung bestimmen, dass die Auffrischung erforderlich ist, wenn mindestens eines von einem Ausmaß eines Unterschwingens oder einem Ausmaß eines Überschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Messpumpstroms außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt. Auf diese Weise kann der Bedarf für eine Auffrischung auf der Basis von mindestens einem des Ausmaßes eines Unterschwingens oder des Ausmaßes eines Überschwingens besser bestimmt werden.
[6] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem von [1] bis [5]) kann, wenn davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält, die Auffrischungssteuereinrichtung den Auffrischungsvorgang durchführen. Dabei muss der Auffrischungsvorgang in einem Zustand durchgeführt werden, bei dem das Messgegenstandsgas Kohlenstoff enthält. Daher wird eine effektive Auffrischung durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs ermöglicht, wenn davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält. Folglich ist es beispielsweise unwahrscheinlich, dass die folgende Situation auftritt: Selbst wenn der Auffrischungsvorgang durchgeführt wird, werden ein Unterschwingen und ein Überschwingen nicht vermindert und der Auffrischungsvorgang ist erneut erforderlich. Dabei umfasst „der Messgegenstand enthält Kohlenstoff“ einen Fall, bei dem der Messgegenstand Moleküle enthält, die Kohlenstoff aufweisen. Beispielsweise kann dann, wenn das Messgegenstandsgas eines oder mehrere von Kohlenstoff (C), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenwasserstoffen (HC) enthält, davon gesprochen werden, dass das Messgegenstandsgas Kohlenstoff enthält.
[7] In dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem von [1] bis [6]) kann die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs 1 Sekunde oder mehr und 10 Sekunden oder weniger betragen. Mit der Verarbeitungszeit von 1 Sekunde oder mehr kann das Sensorelement zuverlässiger aufgefrischt werden. Selbst wenn der Auffrischungsvorgang für eine lange Zeit durchgeführt wird, wird der Auffrischungseffekt nicht so stark erhöht und der Auffrischungseffekt ist während der ersten 10 Sekunden ab dem Beginn relativ hoch. Da die Konzentration eines spezifischen Gases während des Auffrischungsvorgangs nicht korrekt erfasst werden kann, ist es bevorzugt, dass die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs kurz ist. Mit der Verarbeitungszeit von 10 Sekunden oder weniger wird die Zeit, während der die Konzentration eines spezifischen Gases nicht korrekt erfasst werden kann, vermindert und das Sensorelement kann effizient aufgefrischt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und Zellen sowie einer Heizeinrichtung 72 zeigt.
3 ist ein Graph, der das Muster des Unterschwingens und Überschwingens eines Pumpstroms Ip2 zeigt.
4 ist ein Graph, der die Art und Weise zeigt, in der das Unterschwingen und das Überschwingen des Pumpstroms Ip2 in dem Sensorelement 101 zunehmen.
5 ist ein Graph, der das Muster des Unterschwingens und Überschwingens vor und nach einem Auffrischungsvorgang zeigt.
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs und dem Effekt des Verminderns des Ausmaßes des Unterschwingens zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Steuerroutine zeigt.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
9 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs und dem Effekt des Verminderns des Ausmaßes des Unterschwingens zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und Zellen sowie einer Heizeinrichtung 72 zeigt. Der Gassensor 100 ist beispielsweise in einer Leitung, wie z.B. einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, wie z.B. eines Benzinmotors und eines Dieselmotors, eingebaut. Der Gassensor 100 nutzt das Abgas von dem Verbrennungsmotor als Messgegenstandsgas und erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in dem Messgegenstandsgas. Der Gassensor 100 umfasst ein langes, rechteckiges Parallelepiped-förmiges Sensorelement 101, Zellen 15, 21, 41, 50, 80 bis 83, die jeweils einen Teil des Sensorelements 101 umfassen, einen Heizeinrichtungsabschnitt 70, der innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, und die Steuervorrichtung 90, die 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 Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht ausgebildet sind, die aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen hergestellt ist, in dieser Reihenfolge von der Unterseite in der Zeichnung laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Das Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Anwenden einer vorgegebenen Verarbeitung, Drucken eines Schaltkreismusters und dergleichen auf eine Keramikgrünlage, die jeder Schicht entspricht, dann Laminieren dieser Lagen und ferner Brennen der Lagen zum Integrieren hergestellt.
An einer Seite des Spitzenendabschnitts des Sensorelements 101 (in der 1 die Seite des Abschnitts am linken Ende) sind eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster diffusionskontrollierter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter diffusionskontrollierter Abschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter diffusionskontrollierter Abschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter diffusionskontrollierter Abschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 derart aneinander angrenzend ausgebildet, dass sie in dieser Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 miteinander in Verbindung stehen.
Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Räume, von denen obere Teile, untere Teile und Seitenteile, die durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt werden, durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bzw. die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 festgelegt sind.
Jeder des ersten diffusionskontrollierten Abschnitts 11, des zweiten diffusionskontrollierten Abschnitts 13 und des dritten diffusionskontrollierten Abschnitts 30 ist als zwei seitlich lange Schlitze (Öffnungen, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) bereitgestellt. Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 60 ist als ein einzelner seitlich langer Schlitz (eine Öffnung, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) bereitgestellt, der als Zwischenraum von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Teil von der Gaseinlassöffnung 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet.
An einer Stelle weiter entfernt von der Spitzenendseite als der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist ein Referenzgaseinlassraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Stelle bereitgestellt, bei welcher der Seitenteil durch die Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist. Beispielsweise wird die Atmosphäre bei der Messung der NOx-Konzentration in den Referenzgaseinlassraum 43 als Referenzgas eingeführt.
Eine Atmosphäreneinlassschicht 48 ist eine Schicht, die aus einer porösen Keramik hergestellt ist. Das Referenzgas wird in die Atmosphäreneinlassschicht 48 durch den Referenzgaseinlassraum 43 eingeführt. Die Atmosphäreneinlassschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 beschichtet.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die derart ausgebildet ist, dass die Referenzelektrode 42 durch die obere Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 umgeben ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die Atmosphäreneinlassschicht 48, die mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht, um die Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Wie es später beschrieben ist, können die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch Verwenden der Referenzelektrode 42 gemessen werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (beispielsweise eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum offen ist, und ein Messgegenstandsgas wird in das Sensorelement 101 von dem Außenraum durch die Gaseinlassöffnung 10 aufgenommen. Der erste diffusionskontrollierte Abschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, das durch die Gaseinlassöffnung 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgegenstandsgases, das von dem ersten diffusionskontrollierten Abschnitt 11 eingeführt wird, zu dem zweiten diffusionskontrollierten Abschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite diffusionskontrollierte Abschnitt 13 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das durch die Gaseinlassöffnung 10 aufgrund von Druckschwankungen des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (aufgrund einer Pulsation des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas das Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) rasch in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern das Messgegenstandsgas wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem Druckschwankungen des Messgegenstandsgases durch den ersten diffusionskontrollierten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten diffusionskontrollierten Abschnitt 13 aufgehoben worden sind. Durch diesen Aufbau sind Druckschwankungen des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum bereitgestellt, der zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas verwendet wird, das durch den zweiten diffusionskontrollierten Abschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer inneren Pumpelektrode 22, die einen obersten Elektrodenabschnitt 22a aufweist, der nahezu auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, die so bereitgestellt ist, dass sie in einem Bereich der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 zu dem Außenraum freiliegt, die dem obersten Elektrodenabschnitt 22a entspricht, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die durch diese Elektroden umgeben ist, ausgebildet ist.
Die innere Pumpelektrode 22 ist über der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 festlegen, und der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bereitstellt, ausgebildet. Insbesondere ist der oberste Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine oberste Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche bereitstellt, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt) ist auf der Seitenwandoberfläche (inneren Oberfläche) der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, so dass der oberste Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b verbunden werden, und die innere Pumpelektrode 22 ist mit einer Struktur in einer Tunnelform an einem Abschnitt angeordnet, bei dem der Seitenelektrodenabschnitt angeordnet ist.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermetelektrode ausgebildet (beispielsweise eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂, die einen Au-Gehalt von 1 Prozent aufweist). Die innere Pumpelektrode 22, die mit einem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wird unter Verwendung eines Materials gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Leiten eines Pumpstroms Ip0 in einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch Anlegen einer gewünschten Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen.
Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80, aus der inneren Pumpelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 derart durchgeführt, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht. Durch diesen Aufbau kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Der dritte diffusionskontrollierte Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt wird, zum Leiten des Messgegenstandsgases zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 ausübt.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum bereitgestellt, der zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks unter Verwendung einer Hilfspumpzelle 50 für das Messgegenstandsgas verwendet wird, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 im Vorhinein eingestellt worden ist und das dann durch den dritten diffusionskontrollierten Abschnitt 30 eingeführt wird. Durch diesen Aufbau kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit hoher Genauigkeit bei einem konstanten Wert gehalten werden, so dass mit dem Gassensor 100 eine NOx-Konzentration sehr genau gemessen werden kann.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51, die einen oberen Elektrodenabschnitt 51a aufweist, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann verwendet werden) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer Struktur mit einer entsprechenden Tunnelform wie diejenige der inneren Pumpelektrode 22 angeordnet, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 bereitgestellt ist. Mit anderen Worten, die Hilfspumpelektrode 51 weist eine Struktur in einer Tunnelform auf, bei der ein oberster Elektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist, welche die oberste Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist, welche die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt), der den obersten Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51b koppelt, auf jeder von beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet ist, die eine Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt. Die Hilfspumpelektrode 51 sowie die innere Pumpelektrode 22 werden unter Verwendung eines Materials gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen.
Zum Einstellen bzw. Steuern des Sauerstoffpartialdrucks in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81, aus der Hilfspumpelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 ausgebildet.
Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen mit einer variablen Stromversorgung 52 durch, deren Spannung gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert bzw. eingestellt wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Durch diesen Aufbau wird der Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Zusammen damit wird deren Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 als Steuersignal eingespeist und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionskontrollierten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, wird durch Steuern des vorstehend beschriebenen Zielwerts der Spannung V0 so gesteuert bzw. eingestellt, dass er im Wesentlichen unverändert ist. Bei einer Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert bzw. eingestellt wird, zum Leiten des Messgegenstandsgases zu dem dritten inneren Hohlraum 61 ausübt. Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 60 spielt eine Rolle bei der Beschränkung der Menge von NOx, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum zur Durchführung eines Vorgangs bereitgestellt, der mit der Messung einer Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas mit dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 im Vorhinein eingestellt worden ist und dann durch den vierten diffusionskontrollierten Abschnitt 60 eingeführt wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
Die Messpumpzelle 41 misst eine NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas 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 bereitgestellt ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas verglichen mit der inneren Pumpelektrode 22 erhöht ist. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der NOx reduziert, das in einer Atmosphäre in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorliegt.
Insbesondere ist die Messelektrode 44 eine Elektrode, die mindestens eines von Pt oder Rh enthält, das ein katalytisch aktives Edelmetall ist. Die Messelektrode 44 ist vorzugsweise eine Elektrode, die aus einem Cermet ausgebildet ist, das mindestens eines von Pt oder Rh und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (hier ZrO₂) enthält. Ferner ist die Messelektrode 44 vorzugsweise ein poröser Körper. In dieser Ausführungsform ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermetelektrode, die aus Pt, Rh und ZrO₂ zusammengesetzt ist.
Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der als Ergebnis der Zersetzung von Stickstoffoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, hinauspumpen und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 erfassen.
Zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 44 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird.
Ein Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet worden ist, erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten diffusionskontrollierten Abschnitt 60 in einer Situation, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxide in dem Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2 NO → N₂ + O₂), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpzelle 41 gepumpt werden. Dabei wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant ist (Zielwert). Die Menge von Sauerstoff, die um die Messelektrode 44 erzeugt wird, ist proportional zur Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgegenstandsgas, so dass die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas durch Verwenden des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet wird.
Eine elektrochemische Sensorzelle 83 ist aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet, und ein Sauerstoffpartialdruck in einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref), die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird, erfasst werden.
In dem Gassensor 100 mit einem solchen Aufbau wird ein Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffpartialdruck bei einem konstant unveränderten niedrigen Wert (einem Wert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst) gehalten wird, der Messpumpzelle 41 durch Betreiben der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 zugeführt. Daher kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas gemäß einem Pumpstrom Ip2 ermittelt werden, der als Ergebnis des Hinauspumpens von Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx erzeugt wird, durch die Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zur NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas fließt.
Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 101 den Heizeinrichtungsabschnitt 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung zum Aufrechterhalten der Temperatur des Sensorelements 101 durch Erwärmen zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten spielt. Der Heizeinrichtungsabschnitt 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die derart ausgebildet ist, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt kommt. Das Verbinden der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromversorgung ermöglicht das Zuführen von elektrischem Strom von außerhalb zu dem Heizeinrichtungsabschnitt 70.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der derart ausgebildet ist, dass er durch die zweite Substratschicht 2 und die dritte Substratschicht 3 von der Ober- und Unterseite umgeben ist. Die Heizeinrichtung 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 verbunden und wird mit elektrischem Strom von einer Heizeinrichtungsstromversorgung 76 versorgt (vgl. die 2), so dass Wärme zum Erhöhen und Halten der Temperatur des Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, erzeugt wird.
Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiviert ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine elektrisch isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist zum Erhalten von elektrischen Isoliereigenschaften zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und elektrischen Isoliereigenschaften zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 ausgebildet.
Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Atmosphäreneinlassschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht. Das Druckablassloch 75 ist zum Vermindern einer Zunahme des Innendrucks ausgebildet, die sich aus einer Erhöhung der Temperatur in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ergibt.
Wie es in der 2 gezeigt ist, umfasst die Steuervorrichtung 90 die vorstehend beschriebenen variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 und eine Steuereinrichtung 91. Die Steuereinrichtung 91 ist ein Mikroprozessor, der eine CPU 92, einen Speicherabschnitt 94 und dergleichen umfasst. Der Speicherabschnitt 94 ist beispielsweise eine Vorrichtung, die verschiedene Programme und verschiedene Daten speichert. Die Steuereinrichtung 91 empfängt eine Eingabe einer Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 erfasst wird, einer Spannung V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird, einer Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, einer Spannung Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, eines Pumpstroms Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, eines Pumpstroms Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und eines Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 erfasst wird. Die Steuereinrichtung 91 steuert die Pumpspannungen Vp0, Vp1, Vp2, die durch die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgegeben werden, durch Ausgeben eines Steuersignals zu den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, wodurch sie die Hauptpumpzelle 21, die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50 steuert. Die Steuereinrichtung 91 steuert den elektrischen Strom, welcher der Heizeinrichtung 72 von der Heizeinrichtungsstromversorgung 76 zugeführt wird, durch Ausgeben eines Steuersignals zu der Heizeinrichtungsstromversorgung 76. Der Speicherabschnitt 94 speichert auch die später beschriebenen Zielwerte V0*, V0r*, V1*, V1r*, V2*, V2r* und dergleichen. Die CPU 92 der Steuereinrichtung 91 steuert die Zellen 21, 41, 50 unter Bezugnahme auf diese Zielwerte V0*, V0r*, V1*, V1r*, V2*, V2r*.
Die Steuereinrichtung 91 führt einen Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle 50 derart aus, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine Zielkonzentration erreicht. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 91 die Hilfspumpzelle 50 durch Durchführen einer Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 derart, dass die Spannung V1 einen konstanten Wert (als Zielwert V1* bezeichnet) erreicht. Der Zielwert V1* ist als der Wert festgelegt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, welche die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst.
Die Steuereinrichtung 91 führt einen Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle 21 durch den Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang derart durch, dass der Pumpstrom Ip1, der fließt, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Hilfspumpzelle 50 eingestellt wird, einen Zielstrom (als Zielstrom Ip1* bezeichnet) erreicht. Insbesondere stellt (regelt) die Steuereinrichtung 91 einen Zielwert der Spannung V0 (als Zielwert V0* bezeichnet) auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein, dass der Pumpstrom Ip1, dessen Fließen durch die Spannung Vp1 bewirkt wird, einen konstanten Zielstrom Ip1* erreicht. Die Steuereinrichtung 91 regelt die Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 die Zielkonzentration erreicht). Der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionskontrollierten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, wird durch den Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang stets konstant gemacht. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der derart ist, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % ist und eine niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht. Der Pumpstrom Ip0, der während des Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs fließt, variiert gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas (insbesondere dem Messgegenstandsgas um das Sensorelement 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt strömt. Folglich kann die Steuereinrichtung 91 auch die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip0 erfassen.
Der Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang und der Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang, die vorstehend beschrieben worden sind, werden zusammen auch als Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang bezeichnet. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 werden zusammen auch als Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer bezeichnet. Ferner werden die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 zusammen als Einstellpumpzelle bezeichnet. Die Steuereinrichtung 91 führt den Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang durch, so dass die Einstellpumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einstellt.
Ferner führt die Steuereinrichtung 91 den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang des Steuerns der Messpumpzelle 41 derart durch, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert (als Zielwert V2* bezeichnet) erreicht (mit anderen Worten derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration erreicht). Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 91 die Messpumpzelle 41 durch Regeln der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart, dass die Spannung V2 den Zielwert V2* erreicht. Der Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang bewirkt, dass Sauerstoff von dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt wird.
Die Durchführung des Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgangs bewirkt, dass Sauerstoff von dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt wird, so dass der Sauerstoff, der aufgrund der Reduktion von NOx in einem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Die Steuereinrichtung 91 erhält einen Pumpstrom Ip2 als erfassten Wert gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas (hier NOx) erzeugt wird, und berechnet die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2.
Der Speicherabschnitt 94 speichert einen Beziehungsausdruck (beispielsweise einen Ausdruck einer linearen Funktion) und ein Kennfeld als Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher Beziehungsausdruck und ein solches Kennfeld können durch ein Experiment im Vorhinein bestimmt werden.
Als nächstes werden das Unterschwingen und das Überschwingen beschrieben, die in dem Pumpstrom Ip2 des Sensorelements 101 auftreten. Die 3 ist ein Graph, der das Muster des Unterschwingens und des Überschwingens des Pumpstroms Ip2 zeigt. Die 3 zeigt durch eine durchgezogene Linie ein Beispiel des Verhaltens des Pumpstroms Ip2, wenn eine Kraftstoffabsperrung eines Verbrennungsmotors in der Mitte der Messung der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas durch den Gassensor 100 durchgeführt wird. Ein ideales Verhalten des Pumpstroms Ip2 ist durch eine gestrichelte Linie gezeigt.
Wenn mit der Kraftstoffabsperrung begonnen wird, nimmt die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas rasch ab und wird im Wesentlichen Null, und wenn die Kraftstoffabsperrung abgeschlossen ist, nimmt die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas rasch wieder zu. Folglich sollte sich im Prinzip, wie es durch eine gestrichelte Linie in der 3 gezeigt ist, wenn mit der Kraftstoffabsperrung begonnen wird, als rasche Reaktion darauf der Pumpstrom Ip2 mit einem Wert, welcher der NOx-Konzentration entspricht, zu einem entsprechenden Wert ändern (Änderung I1 → I0 in der 3). Wenn die Kraftstoffabsperrung abgeschlossen ist, sollte sich als rasche Reaktion darauf der Pumpstrom Ip2 zu einem entsprechenden Wert ändern (Änderung I0 → I1 in der 3). In der Praxis tritt jedoch, wie es durch eine durchgezogene Linie in der 3 gezeigt ist, bei dem Pumpstrom Ip2 eine übermäßige Ausgabevariation auf, die sich von der tatsächlichen Änderung der NOx-Konzentration unterscheidet. Insbesondere unterliegt der Pumpstrom Ip2 zu Beginn der Kraftstoffabsperrung einem Unterschwingen, bei dem der Wert einmal übermäßig abnimmt und dann bis zu einem Wert zunimmt, welcher der tatsächlichen NOx-Konzentration entspricht. Wenn die Kraftstoffabsperrung abgeschlossen ist, unterliegt der Pumpstrom Ip2 einem Überschwingen, bei dem der Wert einmal übermäßig zunimmt und dann bis hinab zu einem Wert abnimmt, welcher der tatsächlichen NOx-Konzentration entspricht. Beispielsweise treten in dem Gassensor 100 unmittelbar nach dessen Herstellung ein solches Überschwingen und Unterschwingen des Pumpstroms Ip2 gegebenenfalls nicht auf, jedoch nehmen das Überschwingen und das Unterschwingen mit der Verwendung des Gassensors 100 tendenziell zu. Beispielsweise nehmen das Ausmaß eines Unterschwingens und das Ausmaß eines Überschwingens, wie es in der 3 gezeigt ist, mit der Verwendung des Gassensors 100 tendenziell zu. Insbesondere wenn das Sensorelement 101 aufgrund der Heizeinrichtung 72 bei einer hohen Temperatur vorliegt und beim Stoppen des Fahrzeugs einer hohen Temperatur und atmosphärischer Luft ausgesetzt ist, ist es wahrscheinlich, dass ein solches Überschwingen und Unterschwingen zunehmen. Es sollte beachtet werden, dass das Ausmaß eines Unterschwingens beispielsweise als die Differenz zwischen dem minimalen Wert, wenn der Pumpstrom Ip2 übermäßig abnimmt, und dem Wert, wenn sich der Pumpstrom Ip2 anschließend stabilisiert, berechnet werden kann. Das Ausmaß eines Überschwingens kann beispielsweise als der Differenzwert zwischen dem maximalen Wert, wenn der Pumpstrom Ip2 übermäßig zunimmt, und dem Wert, wenn sich der Pumpstrom Ip2 anschließend stabilisiert, berechnet werden. Alternativ können das Ausmaß eines Unterschwingens und das Ausmaß eines Überschwingens auch als maximaler Wert des Differenzwerts zwischen dem Wert, wenn eine übermäßige Ausgabevariation des Pumpstroms Ip2 auftritt, und dem Wert eines idealen Pumpstroms Ip2 berechnet werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Überschwingen und das Unterschwingen, die mit der Verwendung des Gassensors 100 zugenommen haben, durch Durchführen eines Vorgangs des Steuerns des Sensorelements 101 derart, dass Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird wie bei der Messung der Konzentration eines spezifischen Gases (Normalzeit), vermindert werden können. Dieser Vorgang wird als der Auffrischungsvorgang bezeichnet. Insbesondere umfasst der Auffrischungsvorgang mindestens einen von einem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung oder einem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Einstellpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als bei dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle 41 derart steuert, dass Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung mit dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang identisch, mit der Ausnahme, dass die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart geregelt wird, dass die Spannung V2 einen Zielwert V2r* erreicht, der höher ist als der vorstehend genannte Zielwert V2*. Die Spannung V2 weist einen Wert auf, der mit der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Referenzelektrode 42 und dem dritten inneren Hohlraum 61 zusammenhängt, und je niedriger die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto größer ist die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz, so dass auch die Spannung V2 einen hohen Wert aufweist. Folglich gibt ein Zielwert V2r*, der höher ist als der Zielwert V2*, an, dass dann, wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, der Zielwert der Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird als bei der Durchführung des Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgangs. Daher wird bei dem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle 41 so gesteuert, dass Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang.
Der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung umfasst mindestens einen von einem Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang oder einem Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang, wobei der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang die Hauptpumpzelle 21 derart steuert, dass Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang die Hilfspumpzelle 50 derart steuert, dass Sauerstoff in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang und der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang Vorgänge, die derart sind, dass wie in dem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung der Zielwert der Regelung auf einen Wert eingestellt wird, der höher ist als in der Normalzeit. Insbesondere ist der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang ein Vorgang, der die Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart regelt, dass die Spannung V0 einen vorgegebenen Zielwert V0r* erreicht, der höher ist als der vorstehend genannte Zielwert V0*. In dem Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang wird der Zielwert V0* auf der Basis des Pumpstroms Ip1 eingestellt (geändert); in dem Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang wird der Zielwert VOr* jedoch nicht auf der Basis des Pumpstroms Ip1 geändert, sondern ein vorgegebener Wert wird als der Zielwert VOr* verwendet. Der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang ist mit dem Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang identisch, mit der Ausnahme, dass die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 so geregelt wird, dass die Spannung V1 einen vorgegebenen Zielwert V1r* erreicht, der höher ist als der Zielwert V1*.
Während des Auffrischungsvorgangs wird der Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang vorzugsweise nicht durchgeführt und ferner wird mehr bevorzugt auch der Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang nicht durchgeführt. Während des Auffrischungsvorgangs führt die Messpumpzelle 41 vorzugsweise keine Steuerung durch, wie z.B. ein Pumpen von Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61, und ferner führt die Hauptpumpzelle 21 mehr bevorzugt keine Steuerung durch, wie z.B. ein Pumpen von Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20, und die Hilfspumpzelle 50 führt keine Steuerung durch, wie z.B. ein Pumpen von Sauerstoff in den zweiten inneren Hohlraum 40. Beispielsweise wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, kann der Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang selbstverständlich nicht durchgeführt werden, und vorzugsweise wird auch der Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang nicht durchgeführt. Beispielsweise wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, ist es bevorzugt, dass an die variable Stromversorgung 24 und die variable Stromversorgung 52 keine Spannung angelegt wird und sich die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 in einem Zustand befinden, in dem sie nicht in Betrieb sind. Entsprechend ist es, wenn der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang durchgeführt wird, bevorzugt, dass an die variable Stromversorgung 52 und die variable Stromversorgung 46 keine Spannung angelegt wird und sich die Hilfspumpzelle 50 und die Messpumpzelle 41 in einem Zustand befinden, in dem sie nicht in Betrieb sind. Wenn der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang durchgeführt wird, ist es bevorzugt, dass an die variable Stromversorgung 24 und die variable Stromversorgung 46 keine Spannung angelegt wird und sich die Hauptpumpzelle 21 und die Messpumpzelle 41 in einem Zustand befinden, in dem sie nicht in Betrieb sind. Auf diese Weise werden bei den Pumpzellen, die von der Hauptpumpzelle 21, der Hilfspumpzelle 50 und der Messpumpzelle 41 nicht für den Auffrischungsvorgang verwendet werden, der Normalzeit-Pumpsteuerungsvorgang und die Steuerung zum Hineinpumpen von Sauerstoff vorzugsweise nicht durchgeführt und die Pumpzellen befinden sich vorzugsweise in einem Zustand, in dem sie nicht in Betrieb sind.
Die 4 ist ein Graph, der die Art und Weise zeigt, in der das Unterschwingen und das Überschwingen des Pumpstroms Ip2 in dem Sensorelement 101 in der Praxis zunehmen. Dieser Graph wird in der folgenden Weise erhalten. Das Sensorelement 101 wurde an einer Leitung angebracht und die Steuervorrichtung 90 hat die NOx-Konzentration durch Steuern des Sensorelements 101 mit einem Modellgas als Messgegenstandsgas gemessen, das mittels einer Modellgasvorrichtung durch die Leitung strömen gelassen wurde. Zu Beginn wurde als Modellgas ein erstes Modellgas (mit einer NO-Konzentration von 500 ppm, einer H₂O-Konzentration von 12 %, einer Sauerstoffkonzentration von 0 % und einem Stickstoff-Basisgas) strömen gelassen, dann wurde ein zweites Modellgas (mit einer NO-Konzentration von 0 ppm, einer H₂O-Konzentration von 0 %, einer Sauerstoffkonzentration von 21 % und einem Stickstoff-Basisgas) strömen gelassen und anschließend wurde erneut das erste Modellgas strömen gelassen, so dass die NO-Konzentration, die H₂O-Konzentration und die Sauerstoffkonzentration des Messgegenstandsgases rasch geändert wurden, wodurch der Zustand eines Kraftstoffabsperrvorgangs simuliert wurde. Die Flussrate des Modellgases wurde auf 100 L/min eingestellt und dessen Temperatur wurde auf 120 °C eingestellt. Dann wurde die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 gemessen. Die gestrichelte Linie in der 4 gibt die zeitliche Änderung des Pumpstroms IP2 in dem Sensorelement 101 in einem Anfangszustand (unmittelbar nach der Herstellung) an. Die durchgezogene Linie in der 4 gibt die zeitliche Änderung des Pumpstroms IP2 in dem Sensorelement 101 in einem simulierten Zustand nach der Verwendung des Sensorelements 101 seit dem Anfangszustand an. Das Sensorelement 101 im Anfangszustand wurde durch Versorgen der Heizeinrichtung 72 mit Strom erwärmt, dann bei etwa 700 °C bis 800 °C gehalten und in diesem Zustand für fünf Minuten in der Atmosphäre belassen, so dass das Sensorelement 101 in einem simulierten Zustand nach der Verwendung hergestellt wurde. Wie es in der 4 gezeigt ist, ist in dem Sensorelement 101 in dem Anfangszustand nahezu kein Überschwingen und Unterschwingen aufgetreten, wohingegen in dem Sensorelement 101 in einem simulierten Zustand nach der Verwendung das Überschwingen und das Unterschwingen zugenommen haben.
Als nächstes wurde der Auffrischungsvorgang mit dem Sensorelement 101 in einem simulierten Zustand nach der Verwendung wie folgt durchgeführt. Ein Modellgas mit einer CO₂-Konzentration von 15 %, einer H₂O-Konzentration von 15 % und einem Stickstoff-Basisgas wurde durch die Leitung mit dem daran angebrachten Sensorelement 101 als das Messgegenstandsgas strömen gelassen. In diesem Zustand wurde der vorstehend beschriebene Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang als der Auffrischungsvorgang durchgeführt. Der Zielwert VOr* für den Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang wurde auf 1000 mV eingestellt und dessen Verarbeitungszeit wurde auf 300 Sekunden eingestellt. Während des Auffrischungsvorgangs wurde an die variable Stromversorgung 46 und die variable Stromversorgung 52 keine Spannung angelegt und die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50 befanden sich in einem Zustand, in dem sie nicht in Betrieb sind. Bei dem Sensorelement 101 wurde nach dem Auffrischungsvorgang die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2, wenn der Zustand des Kraftstoffabsperrungsvorgangs simuliert wurde, in der gleichen Weise wie in der 4 gemessen. Die Ergebnisse sind in der 5 gezeigt. Die durchgezogene Linie in der 5 gibt die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 in dem Sensorelement 101 vor der Durchführung des Auffrischungsvorgangs an. Die gestrichelte Linie in der 5 gibt die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 in dem Sensorelement 101 nach der Durchführung des Auffrischungsvorgangs an. Wie es in der 5 gezeigt ist, wurden das Unterschwingen und das Überschwingen durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs vermindert und das Sensorelement 101 wurde zu im Wesentlichen dem gleichen Zustand wie dem Zustand des Sensorelements 101 in dem Anfangszustand, der in der 4 gezeigt ist, wiederhergestellt. Da das Unterschwingen und das Überschwingen in der Wellenform des Pumpstroms Ip2 auftreten, wird insbesondere die Messelektrode 44 des Sensorelements 101 durch den Auffrischungsvorgang voraussichtlich aufgefrischt.

Als nächstes wurde, wenn der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang als der Auffrischungsvorgang in der gleichen Weise wie in der 5 durchgeführt wurde, die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 in der gleichen Weise wie in der 5 mit verschiedenen Verarbeitungszeiten gemessen, und eine Beziehung zwischen der Verarbeitungszeit und dem Effekt des Verminderns des Ausmaßes eines Unterschwingens wurden untersucht. Wenn der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang als der Auffrischungsvorgang durchgeführt wurde und wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung als der Auffrischungsvorgang durchgeführt wurde, wurde entsprechend eine Beziehung zwischen der Verarbeitungszeit und dem Effekt des Verminderns des Ausmaßes eines Unterschwingens untersucht. Die Ergebnisse sind in der 6 und der Tabelle 1 gezeigt. Der Zielwert V1r* bei der Durchführung des Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgangs wurde auf 1000 mV eingestellt und während des Vorgangs befanden sich die Hauptpumpzelle 21 und die Messpumpzelle 41 in einem Zustand, in dem sie nicht in Betrieb sind. Der Zielwert V2r*, wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung auf 1000 mV eingestellt war, und während des Vorgangs befanden sich die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 in einem Zustand, in dem sie nicht in Betrieb sind. Die vertikale Achse in der 6 gibt einen Prozentsatz von ΔUS bezogen auf einen Anfangswert an, wobei es sich um das Ausmaß (ein kleiner Wert nahe an Null) des Unterschwingens des Sensorelements 101 in dem Anfangszustand handelt, wobei ΔUS die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Ausmaß eines Unterschwingens nach dem Auffrischungsvorgang ist. Wenn die Differenz ΔUS näher an 0 % liegt, gibt dies an, dass das Ausmaß eines Unterschwingens vermindert ist und das Sensorelement 101 zu dem gleichen Zustand wie dem Anfangszustand wiederhergestellt (aufgefrischt) worden ist. In der 6 sind die Daten, wenn der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang durchgeführt wurde, durch eine durchgezogene Linie angegeben (mit „V0“ als Legende bezeichnet), die Daten, wenn ein Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang durchgeführt wurde, sind durch eine gestrichelte Linie angegeben (mit „V1“ als Legende bezeichnet), und die Daten, wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wurde, sind durch eine Punkt-Strich-Linie angegeben (mit „V2“ als Legende bezeichnet).
[Tabelle 1]

Auffrischungsverarbeitungszeit [s]	Differenz ΔUS [%]
Auffrischungsverarbeitungszeit [s]	V0	V1	V2
0	-445,7	-445,7	-445,7
2	-384,6	-114,9	-209,4
10	-112,9	-66,2	-121,4
60	-30,0	-10,0	-70,0
120	-15,8	5,9	-56,9
180	-1,0	-	-40,0
300	-	-	-10,0
360	-	-	0,0

Wie es aus der 6 und der Tabelle 1 ersichtlich ist, beträgt in dem Sensorelement 101 mit einer Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs von 0 Sekunden, d.h., in dem vorstehend genannten Sensorelement 101 in einem simulierten Zustand nach der Verwendung, die Differenz ΔUS etwa -450 % (das Ausmaß eines Unterschwingens beträgt etwa das 5,5-fache des Anfangswerts), jedoch wurde die Tendenz festgestellt, dass die Differenz ΔUS für eine längere Verarbeitungszeit näher an 0 % liegt. Es wurde festgestellt, dass sich verglichen mit der Durchführung des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung (die Daten, die in der 6 und der Tabelle 1 durch die Legende „V2“ angegeben sind) die Differenz ΔUS in einer kürzeren Zeit 0 % annähert, wenn der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang durchgeführt wurde und wenn der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang durchgeführt wurde (die Daten, die in der 6 und der Tabelle 1 mit den Legenden „V0“ und „V1“ angegeben sind). Mit anderen Worten, es wurde festgestellt, dass der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung (in diesem Fall der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang und der Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang) einen stärkeren Effekt des Auffrischens des Sensorelements 101 aufweist als der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung. Daher umfasst der Auffrischungsvorgang vorzugsweise den Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung. Darüber hinaus wurde, wie es aus der 6 und der Tabelle 1 ersichtlich ist, eine Tendenz dahingehend festgestellt, dass sich dann, wenn die Verarbeitungszeit 10 Sekunden oder weniger beträgt, die Differenz ΔUS rasch 0 % annähert und sich später relativ langsam 0 % annähert. Daher wird selbst dann, wenn der Auffrischungsvorgang für eine lange Zeit durchgeführt wird, der Auffrischungseffekt voraussichtlich nicht so stark erhöht und der Auffrischungseffekt ist während der ersten 10 Sekunden ab dem Beginn relativ stark. Daher ist es wahrscheinlich, dass das Sensorelement 101 durch mehrmaliges Durchführen eines kurzzeitigen Auffrischungsvorgangs effizienter aufgefrischt werden kann als durch Durchführen eines Auffrischungsvorgangs für eine lange Zeit. Die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs beträgt vorzugsweise eine Sekunde oder mehr.
Der Auffrischungsvorgang muss in einem Zustand durchgeführt werden, bei dem das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält. Der „Messgegenstand enthält Kohlenstoff“ umfasst einen Fall, bei dem der Messgegenstand Moleküle enthält, die Kohlenstoff aufweisen. Beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas eines oder mehr von Kohlenstoff (C), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenwasserstoffe (HC) enthält, kann davon ausgegangen werden, dass das Messgegenstandsgas Kohlenstoff enthält. Beispielsweise wurde der Auffrischungsvorgang in dem vorstehend beschriebenen Beispiel mit einem Modellgas mit einer CO₂-Konzentration von 15 %, einer H₂O-Konzentration von 15 % und einem Stickstoff-Basisgas durchgeführt, wobei jedoch dann, wenn der Auffrischungsvorgang mit einem Modellgas durchgeführt wurde, das kein CO₂ enthält, ein Effekt des Verminderns des Unterschwingens und Überschwingens nicht festgestellt wurde. Wenn der Auffrischungsvorgang mit einem Modellgas, das Ethylen (C₂H₄) enthält, anstelle eines Modellgases, das kein CO₂ enthält, durchgeführt wurde, wurde ein Effekt des Verminderns des Unterschwingens und Überschwingens festgestellt.
Der Grund dafür, warum der Effekt des Auffrischungsvorgangs auf diese Weise erhalten wird, wenn das Messgegenstandsgas Kohlenstoff enthält, kann wie folgt angenommen werden. Zunächst haftet in dem Sensorelement 101 im Anfangszustand (unmittelbar nach der Herstellung) mindestens eines von Kohlenstoff (C), Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlenwasserstoffen (HC) an der Messelektrode 44, so dass ein Unterschwingen und Überschwingen möglicherweise nicht aufgetreten oder gering sind. Wenn das Volumen der vorstehend genannten Substanzen, die an der Messelektrode 44 haften, mit der Verwendung des Sensorelements 101 vermindert wird, nehmen das Unterschwingen und das Überschwingen möglicherweise zu. Wenn der Auffrischungsvorgang durchgeführt wird, wird Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in einem größeren Volumen als in der Normalzeit hinausgepumpt, so dass eine stärker reduzierende Atmosphäre als in der Normalzeit gebildet wird. Folglich werden die Erzeugung von Kohlenstoff (C) und Kohlenmonoxid (CO) aufgrund der Reduktion von Kohlendioxid (CO₂) in dem Messgegenstandsgas und der Erzeugung von Kohlendioxid (CO₂) aufgrund der Oxidation von Kohlenstoff (C) und Kohlenmonoxid (CO) in dem Messgegenstandsgas verhindert. Folglich ist es wahrscheinlich, dass durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs mindestens eines von Kohlenstoff (C) oder Kohlenmonoxid (CO) an der Messelektrode 44 haftet. Als Ergebnis kann die Messelektrode 44 zu dem gleichen Zustand wie dem Anfangszustand wiederhergestellt (aufgefrischt) werden, so dass das Unterschwingen und Überschwingen möglicherweise vermindert werden. Wenn in dem Messgegenstandsgas Kohlenwasserstoffe (HC) vorliegen, bildet das Messgegenstandsgas durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs eine reduzierende Atmosphäre, wie es vorstehend beschrieben worden ist, so dass die Erzeugung von Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) aufgrund der Oxidation von Kohlenwasserstoffen (HC) verhindert wird. Folglich ist es wahrscheinlich, dass durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs Kohlenwasserstoffe (HC) an der Messelektrode 44 haften. Folglich kann auch diesem Fall die Messelektrode 44 zu dem gleichen Zustand wie dem Anfangszustand wiederhergestellt (aufgefrischt) werden, so dass das Unterschwingen und Überschwingen möglicherweise vermindert werden.
Wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, wird Sauerstoff von der Umgebung der Messelektrode 44 in einem größeren Volumen als in der Normalzeit hinausgepumpt, so dass beispielsweise Kohlenstoff (C) und Kohlenmonoxid (CO) in der Umgebung der Messelektrode 44 durch einen Teil des Sauerstoffs, der aufgenommen und aus dem Wasser (H₂O) in dem Messgegenstandsgas erzeugt wird, oxidiert werden und wahrscheinlich Kohlendioxid (CO₂) erzeugt wird. Im Gegensatz dazu erreicht, wenn der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, das Messgegenstandsgas, bei dem Sauerstoff bereits hinausgepumpt worden ist, die Messelektrode 44, so dass voraussichtlich nahezu kein Kohlendioxid (CO₂) um die Messelektrode 44 erzeugt wird. Aufgrund dieser Differenz wird, wenn der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, die Menge von Kohlenstoff (C) und Kohlenmonoxid (CO), die an der Messelektrode 44 haften, verglichen mit dem Fall, bei dem der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchgeführt wird, voraussichtlich vermindert. Aufgrund dessen weist, wie es in der 6 gezeigt ist, der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung voraussichtlich einen stärkeren Effekt des Auffrischens des Sensorelements 101 auf als der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung.
Als nächstes wird ein Beispiel für die Messung der NOx-Konzentration und den Auffrischungsvorgang, die durch die Steuereinrichtung 91 des Gassensors 100 durchgeführt werden, beschrieben. Die 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Steuerroutine zeigt, die durch die Steuereinrichtung 91 durchgeführt wird. Die Steuereinrichtung 91 speichert die Routine beispielsweise in dem Speicherabschnitt 94. Die Steuereinrichtung 91 steuert beispielsweise den elektrischen Strom, welcher der Heizeinrichtung 72 durch die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 zugeführt werden soll, und beginnt mit der Steuerroutine, wenn die Temperatur der Heizeinrichtung 72 eine Zieltemperatur (z.B. 800 °C) erreicht.
Wenn mit der Steuerroutine begonnen wird, beginnt die CPU 92 der Steuereinrichtung 91 zuerst mit dem Normalzeit-Steuerungsvorgang zur Messung der NOx-Konzentration (Schritt S100). In dem Normalzeit-Steuerungsvorgang führt die CPU 92 den vorstehend genannten Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang (den Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang und den Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang) sowie den vorstehend genannten Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang durch. Die CPU 92 berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2, dessen Fließen durch den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang bewirkt wird.
Als nächstes bestimmt die CPU 92, ob ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung zur Bestimmung des Bedarfs für eine Auffrischung des Sensorelements 101 erreicht ist (Schritt S110). Der Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung ist ein Zeitpunkt, bei dem ein Unterschwingen oder Überschwingen in dem Pumpstrom Ip2 auftreten kann. Wie es in PTL 2 beschrieben ist, ist es dann, wenn die H₂O-Konzentration in dem Messgegenstandsgas variiert, wahrscheinlich, dass ein Unterschwingen und Überschwingen auftreten. Folglich wird der Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung vorzugsweise auf einen Zeitpunkt eingestellt, bei dem eine rasche Änderung der H₂O-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt auftritt. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung auf die Zeit des Beginns der Kraftstoffabsperrung eines Verbrennungsmotors eingestellt. Wenn mit der Kraftstoffabsperrung begonnen wird, weist das Messgegenstandsgas den gleichen Zustand wie den Zustand der atmosphärischen Luft auf und es ist wahrscheinlich, dass sich die H₂O-Konzentration rasch ändert, so dass der Zeitpunkt der Änderung als Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung geeignet ist. Wenn mit der Kraftstoffabsperrung begonnen wird, ändert sich auch die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas rasch. Beispielsweise erfasst die Steuereinrichtung 91 den Beginn der Kraftstoffabsperrung auf der Basis von Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen, die von einem Motor-ECU (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors erhalten werden. Beispielsweise bestimmt die CPU 92 für jede vorgegebene Zeit, ob die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen von dem Motor-ECU erhalten worden sind, wobei die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen angeben, dass die Kraftstoffabsperrung durchgeführt worden ist, und bestimmt, wenn die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen erhalten worden sind, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung erreicht ist, da die Kraftstoffabsperrung durchgeführt worden ist.
Im Schritt S110 berechnet, wenn bestimmt wird, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung erreicht ist, die CPU 92 das Ausmaß eines Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 und führt einen Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang des Bestimmens durch, ob der berechnete Wert innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt (Schritt S120). In der vorliegenden Ausführungsform wird bestimmt, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung zu Beginn der Kraftstoffabsperrung erreicht ist, so dass unmittelbar danach der Pumpstrom Ip2 mit der Kraftstoffabsperrung rasch abnimmt, wie es in den 3 bis 5 gezeigt ist. Die CPU 92 berechnet dann das Ausmaß eines Unterschwingens aus dem Verhalten (Wellenform) des Pumpstroms Ip2. Die Bestimmung im Schritt S120 kann durch Vergleichen des akzeptablen Bereichs mit dem Ausmaß eines Unterschwingens selbst, das zu diesem Zeitpunkt berechnet worden ist, oder durch Vergleichen des akzeptablen Bereichs mit der Differenz zwischen dem Ausmaß eines Unterschwingens (des Anfangswerts) in dem Anfangszustand des Sensorelements 101 und dem Ausmaß eines Unterschwingens, das zu diesem Zeitpunkt berechnet worden ist, durchgeführt werden. Beispielsweise wird der obere Grenzwert des akzeptablen Bereichs als der Wert des Pumpstroms Ip2 festgelegt, der einer NOx-Konzentration von 5 ppm entspricht, und wenn das Ausmaß eines Unterschwingens selbst den oberen Grenzwert übersteigt, kann bestimmt werden, dass das Ausmaß eines Unterschwingens außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt. Alternativ kann, wenn die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Ausmaß eines Unterschwingens den oberen Grenzwert übersteigt, bestimmt werden, dass das Ausmaß eines Unterschwingens außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt. Informationen bezüglich des akzeptablen Bereichs und des Anfangswerts können im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 94 gespeichert werden. Im Schritt S120 bestimmt die CPU 92, wenn das Ausmaß eines Unterschwingens außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt, dass der Auffrischungsvorgang erforderlich ist, und setzt das Flag F auf den Wert 1 (Schritt S130). Wenn der Auffrischungsvorgang erforderlich ist, wird das Flag F auf den Wert 1 gesetzt, und wenn der Auffrischungsvorgang nicht erforderlich ist und zu Beginn der Steuerroutine wird das Flag F auf den Wert 0 gesetzt.
Nach dem Schritt S130, wenn im Schritt S110 bestimmt wird, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung nicht erreicht ist, oder wenn das Ausmaß eines Unterschwingens im Schritt S120 innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt, bestimmt die CPU 92, ob ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist (Schritt S140). Der Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang ist ein Zeitpunkt, bei dem davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält. In der vorliegenden Ausführungsform liegt der Ausführungszeitpunkt während des Betriebs (von der Kraftstoffabsperrung verschieden) des Verbrennungsmotors. Wenn ein Betrieb, der von der Kraftstoffabsperrung verschieden ist, durchgeführt wird, enthält das Messgegenstandsgas grundsätzlich Kohlenstoff (insbesondere CO₂), so dass der Zeitpunkt für den Auffrischungsvorgang geeignet ist. Beispielsweise bestimmt die CPU 92, ob ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist, auf der Basis der Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen, die von dem Motor-ECU (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors erhalten werden. Beispielsweise bestimmt die CPU 92 bei jeder vorgegebenen Zeit, ob Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen von dem Motor-ECU erhalten worden sind, wobei die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen angeben, dass eine Kraftstoffabsperrung durchgeführt worden ist, und bestimmt, wenn die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen nicht erhalten werden, dass gegenwärtig ein Betrieb durchgeführt wird, der von einer Kraftstoffabsperrung verschieden ist, und ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist.
Im Schritt S140 bestimmt die CPU 92, wenn bestimmt wird, dass ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist, ob das Flag F den Wert 1 aufweist (Schritt S150), und stoppt, wenn das Flag F den Wert 1 aufweist, den Normalzeit-Steuerungsvorgang (Schritt S160), mit dem im Schritt S100 begonnen wurde, und führt den Auffrischungsvorgang durch (Schritt S170). Kurz gesagt führt, wenn bestimmt wird, dass ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist und eine Auffrischung erforderlich ist (das Flag F weist den Wert 1 auf), die CPU 92 den Auffrischungsvorgang durch. Die CPU 92 führt beispielsweise den Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang für 10 Sekunden als den Auffrischungsvorgang durch. In diesem Fall werden, da der Normalzeit-Steuerungsvorgang im Schritt S160 beendet worden ist, der Normalzeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang und der Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang während des Auffrischungsvorgangs nicht durchgeführt. Wenn der Auffrischungsvorgang abgeschlossen ist, setzt die CPU 92 das Flag F auf den Wert 0 (Schritt S180) und beginnt erneut mit dem Normalzeit-Steuerungsvorgang (Schritt S190), um mit der Erfassung der NOx-Konzentration zu beginnen.
Im Schritt S190 führt die CPU 92 nach dem Beginn des Normalzeit-Steuerungsvorgangs, wenn im Schritt S140 bestimmt wird, dass ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang nicht erreicht ist, oder wenn das Flag F im Schritt S150 nicht den Wert 1 aufweist, die Vorgänge in und nach dem Schritt S110 durch. Die CPU 92 führt die Steuerroutine in der 7 durch, wie es vorstehend beschrieben ist, wodurch der Auffrischungsvorgang je nach Erfordernis durchgeführt werden kann, während die NOx-Konzentration gemessen wird. Auf diese Weise kann der Auffrischungsvorgang der vorliegenden Erfindung nicht nur bei der Herstellung oder bei der Wartung des Gassensors 100 durchgeführt werden, sondern auch bei der Verwendung des Gassensors 100 (beispielsweise während des Betriebs des Verbrennungsmotors).
Nachstehend wird die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten der vorliegenden Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Schichtkörper, der durch Laminieren von sechs Schichten: Der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 der vorliegenden Ausführungsform in dieser Reihenfolge, erhalten wird, 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, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen einer Einstellpumpzelle, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode, die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 entspricht einer Messspannung-Erfassungssensorzelle, das Sensorelement 101 entspricht einem Sensorelement, der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Messpumpstrom und die Steuervorrichtung 90 entspricht einem Abschnitt zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases, einer Bedarfsbestimmungseinrichtung und einer Auffrischungssteuereinrichtung.
Mit dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, führt die Steuervorrichtung 90 den Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang des Bestimmens eines Bedarfs für eine Auffrischung des Sensorelements 101 auf der Basis des Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung durch und führt, wenn bestimmt wird, dass eine Auffrischung erforderlich ist, den Auffrischungsvorgang durch. Der Auffrischungsvorgang umfasst mindestens einen des Einstellpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung oder des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Einstellpumpzelle (in diesem Fall die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50) derart steuert, dass Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (in diesem Fall dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40) in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle 41 derart steuert, dass Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang. Eine Zunahme des Unterschwingens und Überschwingens des Pumpstroms Ip2 mit der Verwendung des Gassensors 100 kann durch Durchführen eines solchen Auffrischungsvorgangs verhindert werden.
Der Auffrischungsvorgang umfasst den Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung. Der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung weist einen stärkeren Effekt des Auffrischens des Sensorelements 101 auf als der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung. Daher kann der Effekt des Verhinderns eines Unterschwingens und Überschwingens des Pumpstroms Ip2 verstärkt werden und der Auffrischungsvorgang kann durch Durchführen von mindestens dem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung in dem Auffrischungsvorgang in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden.
Ferner weist die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum 20 und stromaufwärts von dem dritten inneren Hohlraum 61 bereitgestellt ist. Die Einstellpumpzelle weist die Hauptpumpzelle 21, welche die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 einstellt, und die Hilfspumpzelle 50 auf, welche die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 einstellt. Der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung umfasst mindestens einen von einem Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle 21 oder einem Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle 50, wobei der Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle 21 derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle 50 derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird
Das Messgegenstandsgas ist ein Abgas eines Verbrennungsmotors und die Steuereinrichtung 91 führt den Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang auf der Basis des Verhaltens des Pumpstroms Ip2 zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung durch, die durch eine Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors verursacht wird. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist es wahrscheinlich, dass ein Unterschwingen des Pumpstroms Ip2 zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung der H₂O-Konzentration auftritt anstatt einer raschen Änderung der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Bei der Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors liegt das Messgegenstandsgas vorübergehend in einem Zustand vor, der dem Zustand der atmosphärischen Luft entspricht, so dass es sehr wahrscheinlich ist, dass sich die H₂O-Konzentration rasch ändert. Folglich kann der Bedarf für eine Auffrischung durch Durchführen einer Bedarfsbestimmung auf der Basis des Verhaltens des Pumpstroms Ip2 zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung, die durch eine Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors verursacht wird, in einer besser geeigneten Weise bestimmt werden. Beispielsweise wenn sich die NOx-Konzentration rasch ändert, jedoch bei der H₂O-Konzentration keine rasche Änderung auftritt, können selbst in einem Zustand, bei dem der Auffrischungsvorgang für das Sensorelement 101 erforderlich ist, das Unterschwingen und das Überschwingen des Pumpstroms Ip2 in der Praxis nicht so stark zunehmen. In diesem Fall kann, wenn der Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang durchgeführt wird, bestimmt werden, dass der Auffrischungsvorgang unnötig ist, so dass die Bedarfsbestimmung gegebenenfalls nicht in einer geeigneten Weise durchgeführt werden kann. Im Gegensatz dazu kann, wenn der Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang bei der Kraftstoffabsperrung durchgeführt wird, bei der es sehr wahrscheinlich ist, dass sich die H₂O-Konzentration rasch ändert, eine Bedarfsbestimmung in einer besser geeigneten Weise durchgeführt werden.
Ferner bestimmt die Steuervorrichtung 90, wenn das Ausmaß eines Unterschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Pumpstroms Ip2 außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt, dass eine Auffrischung des Sensorelements 101 erforderlich ist. Folglich kann der Bedarf für eine Auffrischung in einer geeigneten Weise auf der Basis des Ausmaßes eines Unterschwingens bestimmt werden.
Wenn davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält, führt die Steuervorrichtung 90 den Auffrischungsvorgang durch. Der Auffrischungsvorgang muss in einem Zustand durchgeführt werden, bei dem das Messgegenstandsgas Kohlenstoff enthält, so dass eine Auffrischung durch Durchführen des Auffrischungsvorgangs, wenn davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält, effektiv durchgeführt werden kann. Folglich ist es beispielsweise unwahrscheinlich, dass die folgende Situation auftritt: Selbst wenn der Auffrischungsvorgang durchgeführt wird, werden das Unterschwingen und Überschwingen nicht vermindert und der Auffrischungsvorgang ist erneut erforderlich.
Die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs beträgt 1 Sekunde oder mehr und 10 Sekunden oder weniger. Mit der Verarbeitungszeit von 1 Sekunde oder mehr kann das Sensorelement 101 zuverlässiger aufgefrischt werden. Selbst wenn der Auffrischungsvorgang für eine lange Zeit durchgeführt wird, wird der Auffrischungseffekt nicht so stark erhöht und der Auffrischungseffekt ist während der ersten 10 Sekunden ab dem Beginn relativ stark. Da die NOx-Konzentration während des Auffrischungsvorgangs nicht korrekt erfasst werden kann, ist es bevorzugt, dass die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs kurz ist. Mit der Verarbeitungszeit von 10 Sekunden oder weniger wird die Zeit, während der die NOx-Konzentration nicht korrekt erfasst werden kann, vermindert, und das Sensorelement 101 kann effizient aufgefrischt werden. Es sollte beachtet werden, dass mit 10 Sekunden oder weniger Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs das Unterschwingen und Überschwingen des Pumpstroms Ip2 durch einen Auffrischungsvorgang gegebenenfalls nicht ausreichend vermindert werden kann. In diesem Fall wird jedoch in dem nächsten Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang (beispielsweise im Schritt S120 nach der Ausführung des Schritts S170 in der 7) bestimmt, dass der Auffrischungsvorgang erforderlich ist, und der Auffrischungsvorgang muss erneut durchgeführt werden. Folglich wird der Auffrischungsvorgang wiederholt durchgeführt, bis in dem Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang bestimmt wird, dass der Auffrischungsvorgang unnötig ist, und das Unterschwingen und Überschwingen werden schließlich zu einem Ausmaß vermindert, dass bestimmt wird, dass der Auffrischungsvorgang unnötig ist.
Mit 10 Sekunden oder weniger Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs kann die Anspringzeit des Sensorelements 101 vermindert werden. Da mit dem Normalzeit-Steuerungsvorgang im Schritt S190 in der 7 begonnen wird, kann es beispielsweise Zeit erfordern, bis der Pumpstrom Ip2 einen Wert erreicht, welcher der NOx-Konzentration entspricht. Die Zeit wird als Anspringzeit bezeichnet und die NOx-Konzentration kann nicht korrekt gemessen werden, bis die Anspringzeit vergangen ist. Die Anspringzeit ist für eine längere Auffrischungsverarbeitungszeit tendenziell länger. Mit 10 Sekunden oder weniger Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs kann die Anspringzeit des Sensorelements 101 vermindert werden, und mit der Messung der NOx-Konzentration kann rasch nach dem Auffrischungsvorgang begonnen werden.
Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, und es ist selbstverständlich, dass Ausführungsformen in verschiedenen Formen innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung implementiert werden können.
Beispielsweise führt in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die CPU 92 eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs im Schritt S120 in der 7 auf der Basis des Ausmaßes eines Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 durch; ohne darauf beschränkt zu sein, kann die CPU 92 jedoch eine Bedarfsbestimmung auf der Basis des Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen. Beispielsweise kann die CPU 92 eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis des minimalen Werts des Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen. Alternativ kann die CPU 92 eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis der Unterschwingungszeit, d.h., der Zeit, bis der Pumpstrom Ip2 den minimalen Wert des Unterschwingens erreicht, bis der Pumpstrom Ip2 später stabilisiert wird, durchführen. Die CPU 92 kann eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis des Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen. Beispielsweise kann die CPU 92 eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis des Ausmaßes eines Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen. Die CPU 92 kann eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis des maximalen Werts des Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen. Alternativ kann die CPU 92 eine Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis der Überschwingungszeit durchführen, welche die Zeit ist, bis der Pumpstrom Ip2 den maximalen Wert des Unterschwingens erreicht, bis der Pumpstrom Ip2 später stabilisiert wird. Die CPU 92 kann die Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis sowohl des Unterschwingens als auch des Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchführen.
Wenn die Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs auf der Basis des Ausmaßes eines Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchgeführt wird, kann der Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung, der im Schritt S110 bestimmt wird, beispielsweise die Beendigungszeit der Kraftstoffabsperrung als Zeitpunkt, wenn ein Überschwingen auftreten kann, sein. Bei der Beendigungszeit der Kraftstoffabsperrung kann eine Erfassung wie bei der Beginnzeit der Kraftstoffabsperrung auf der Basis der vorstehend beschriebenen Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen durchgeführt werden. Beispielsweise bestimmt die CPU 92 zu jeder vorgegebenen Zeit, ob Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen von dem Motor-ECU erhalten worden sind, wobei die Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen angeben, dass eine Kraftstoffabsperrung durchgeführt worden ist, und kann bestimmen, wenn Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen nicht erstmals erhalten werden, seit Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen zuletzt erhalten worden sind, dass der Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung erreicht ist, da die Kraftstoffabsperrung abgeschlossen ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Bedarf für eine Auffrischung auf der Basis des Unterschwingens des Pumpstroms Ip2 bestimmt; der Bedarf für eine Auffrischung kann jedoch nicht nur auf der Basis des Pumpstroms Ip2 selbst bestimmt werden, sondern auch auf der Basis eines Werts, der in den Pumpstrom Ip2 umgerechnet werden kann, oder eines Werts, der als zu dem Pumpstrom Ip2 äquivalent erachtet wird. Beispielsweise kann der Bedarf für eine Auffrischung auf der Basis des Verhaltens (mindestens eines des Unterschwingens oder Überschwingens) des Werts der NOx-Konzentration [ppm] auf der Basis des Pumpstroms Ip2 bestimmt werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Auffrischungsvorgang im Schritt S170 der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang; wie es jedoch vorstehend beschrieben ist, kann der Auffrischungsvorgang mindestens einen des Einstellpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung oder des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung umfassen. Daher kann bzw. können in dem Schritt S170 einer oder mehr des Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs, des Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgangs und des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung durchgeführt werden. Wie es mittels der 6 und der Tabelle 1 beschrieben ist, weist der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung jedoch einen stärkeren Auffrischungseffekt auf als der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung, so dass der Auffrischungsvorgang vorzugsweise mindestens einen des Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs oder des Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgangs umfasst.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist jeder des Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs, des Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgangs und des Messpumpsteuerungsvorgangs während der Auffrischung ein Vorgang des Erhöhens eines Zielwerts höher als in der Normalzeit, kann jedoch ein Vorgang des Durchführens einer Steuerung derart sein, dass Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in der Normalzeit. Beispielsweise kann der Steuerungsvorgang bei der Auffrischung ein Vorgang des Durchführens einer Konstantspannungssteuerung der Pumpzelle oder ein Vorgang des Durchführens einer Konstantstromsteuerung der Pumpzelle ohne Durchführen einer Regelung unter Verwendung eines Zielwerts sein. Beispielsweise kann der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang ein Vorgang des Steuerns der variablen Stromversorgung 24 durch die CPU 92 ohne Durchführen einer Regelung sein, so dass die Pumpspannung Vp0 eine vorgegebene konstante Spannung erreicht, die höher ist als der Wert während des Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs. Alternativ kann der Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang ein Vorgang des Steuerns der variablen Stromversorgung 24 durch die CPU 92 derart sein, dass der Pumpstrom Ip0 einen vorgegebenen konstanten Strom erreicht, der höher ist als der Wert während des Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs. Das gleiche gilt für den Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang und den Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang während eines Betriebs, der von der Kraftstoffabsperrung eines Verbrennungsmotors verschieden ist, gezeigt, jedoch ist der Ausführungszeitpunkt nicht darauf beschränkt und kann ein Zeitpunkt sein, bei dem davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält. Beispielsweise wenn ein Fahrzeug mit dem angebrachten Gassensor 100 ein Hybridfahrzeug ist, kann ein Ausführungszeitpunkt während des elektrischen Fahrens (der Motor ist ausgeschaltet) des Hybridfahrzeugs vorliegen und eine Abgasverweilzeit (wenn das Abgas in der Umgebung des Sensorelements 101 verbleibt) sein. Ein Ausführungszeitpunkt kann ein Zeitpunkt sein, bei dem davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas eine von Luft verschiedene Atmosphäre ist. Der Auffrischungsvorgang kann durchgeführt werden, ohne dass eine Bestimmung durchgeführt wird, ob ein Ausführungszeitpunkt erreicht ist, insbesondere eine Bestimmung, ob davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält. Beispielsweise führt das Sensorelement 101 die Steuerroutine in der 7 im Wesentlichen während des Betriebs eines Verbrennungsmotors durch und ein Effekt des Durchführens des Auffrischungsvorgangs wird erhalten. Daher kann der Schritt S140 weggelassen werden. In diesem Fall wird beispielsweise der Auffrischungsvorgang während der Kraftstoffabsperrung und nicht während des Betriebs durchgeführt und das Unterschwingen und das Überschwingen des Pumpstroms Ip2 können gegebenenfalls nicht vermindert werden. In diesem Fall wird jedoch in dem nächsten Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang bestimmt, dass der Auffrischungsvorgang erforderlich ist, und der Auffrischungsvorgang muss erneut durchgeführt werden, und wenn dann der Verbrennungsmotor dann in Betrieb ist, wird der Effekt des Auffrischungsvorgangs erhalten. Selbst wenn nicht bestimmt wird, ob ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist, können das Unterschwingen und das Überschwingen schließlich durch mehrfaches Durchführen des Auffrischungsvorgangs vermindert werden. Wie es vorstehend beschrieben ist, kann jedoch die NOx-Konzentration während des Auffrischungsvorgangs nicht korrekt gemessen werden, so dass, ob ein Ausführungszeitpunkt erreicht wird, vorzugsweise so bestimmt wird, dass diese Zeit soweit wie möglich vermindert wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst die CPU 92 die Beginnzeit der Kraftstoffabsperrung oder einen Betrieb, der von einer Kraftstoffabsperrung verschieden ist, auf der Basis der Kraftstoffabsperrung-Ausführungsinformationen, kann diese jedoch auf der Basis des Pumpstroms Ip0 erfassen. Wie es vorstehend beschrieben ist, variiert der Pumpstrom Ip0, der während des Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs fließt, mit der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas (insbesondere dem Messgegenstandsgas um das Sensorelement 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt strömt. Wenn das Messgegenstandsgas das Abgas eines Verbrennungsmotors ist, ist die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas bei der Kraftstoffabsperrung etwa mit der Sauerstoffkonzentration in der Luft identisch. Daher kann die CPU 92 gemäß dessen, ob der Pumpstrom Ip0, der während des Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgangs fließt, einen Wert hat, der einer Konzentration (z.B. 20 bis 22 %) in einem vorgegebenen Bereich entspricht, wobei die Konzentration als mit der Sauerstoffkonzentration in der Luft identisch betrachtet wird, bestimmen, ob die Kraftstoffabsperrung in Betrieb ist. Folglich bestimmt die CPU 92 beispielsweise, ob die Beginnzeit der Kraftstoffabsperrung auf der Basis des Pumpstroms Ip0 im Schritt S110 erreicht ist, und wenn die Beginnzeit erreicht ist, kann sie bestimmen, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung erreicht ist. Die CPU 92 bestimmt auf der Basis des Pumpstroms Ip0 im Schritt S140, ob die Kraftstoffabsperrung in Betrieb ist, und wenn die Kraftstoffabsperrung nicht in Betrieb ist, kann sie bestimmen, dass ein Ausführungszeitpunkt für den Auffrischungsvorgang erreicht ist. Wenn die Bedarfsbestimmung des Auffrischungsvorgangs im Schritt S120 auf der Basis des Ausmaßes eines Überschwingens des Pumpstroms Ip2 durchgeführt wird, bestimmt die CPU 92, ob die Beendigungszeit der Kraftstoffabsperrung auf der Basis des Pumpstroms Ip0 im Schritt S110 erreicht ist, und wenn die Beendigungszeit erreicht ist, kann sie bestimmen, dass ein Zeitpunkt für die Bedarfsbestimmung erreicht ist.
Obwohl dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nicht erläutert wird, kann mit der Kraftstoffabsperrung während des Auffrischungsvorgangs im Schritt S170 begonnen werden. In diesem Fall kann der Auffrischungsvorgang beendet werden, ohne auf den Ablauf der Verarbeitungszeit (10 Sekunden in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) zu warten.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf; ohne darauf beschränkt zu sein, kann jedoch beispielsweise die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einen weiteren inneren Hohlraum umfassen oder einer des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 kann weggelassen werden. Entsprechend weist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Einstellpumpzelle die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 auf; ohne darauf beschränkt zu sein, kann jedoch beispielsweise die Einstellpumpzelle ferner eine weitere Pumpzelle umfassen oder eine der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 kann weggelassen werden. Beispielsweise kann, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas nur durch die Hauptpumpzelle 21 ausreichend vermindert werden kann, die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden. In diesem Fall kann die CPU 92 einen Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle 21 als den Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang beispielsweise derart durchführen, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (dem ersten inneren Hohlraum 20) eine Zielkonzentration erreicht. Insbesondere wird ein Zielwert V0* im Vorhinein festgelegt und die CPU 92 kann die Hauptpumpzelle 21 durch Regeln der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart steuern, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Zielkonzentration).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpelektrode 23 als eine äußere Hauptpumpelektrode, die ein Teil der Hauptpumpzelle 21 ist und in einem Abschnitt in Kontakt mit dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet ist, als eine äußere Hilfspumpelektrode, die ein Teil der Hilfspumpzelle 50 ist und in einem Abschnitt in Kontakt mit dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet ist, und als eine äußere Messelektrode, die ein Teil der Messpumpzelle 41 ist und in einem Abschnitt in Kontakt mit dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet ist; ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, kann eine oder können mehrere der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode außerhalb des Sensorelements 101 getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform liegt die äußere Pumpelektrode 23 zur Außenseite des Sensorelements 101 frei; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt und die äußere Pumpelektrode 23 kann außerhalb der Elementkörper (Schichten 1 bis 6) bereitgestellt sein, so dass sie ein Messgegenstandsgas kontaktiert. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 eine poröse Schutzschicht umfassen, welche die Elementkörper (Schichten 1 bis 6) bedeckt, und die äußere Pumpelektrode 23 kann auch mit der porösen Schutzschicht bedeckt sein.
In der vorstehend 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; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie in dem Fall eines Sensorelements 201 von 8, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 einer Modifizierung, die in der 8 gezeigt ist, sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste diffusionskontrollierte Abschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite diffusionskontrollierte Abschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte diffusionskontrollierte Abschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 aneinander angrenzend in dieser Reihenfolge derart zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, dass sie miteinander in Verbindung stehen. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten diffusionskontrollierten Abschnitt 45 beschichtet. Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 45 ist ein Film, der aus einem porösen Keramikmaterial, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), hergestellt ist. Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 45 sowie der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 60 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform spielen eine Rolle bei der Begrenzung der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt. Der vierte diffusionskontrollierte Abschnitt 45 wirkt auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Der oberste Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist bis unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Auch mit dem so ausgebildeten Sensorelement 201 kann eine NOx-Konzentration beispielsweise gemäß einem Pumpstrom Ip2 wie in dem Fall der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst werden. In diesem Fall wirkt die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper, der eine Mehrzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6) umfasst; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen und innerhalb einen Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt umfassen. Beispielsweise können die Schichten 1 bis 5, die von der zweiten Festelektrolytschicht 6 in der 1 verschieden sind, eine Strukturschicht sein, die aus einem Material hergestellt ist, das von einem Festelektrolyten verschieden ist (beispielsweise eine Schicht, die aus Aluminiumoxid hergestellt ist). In diesem Fall müssen die Elektroden des Sensorelements 101 lediglich auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet werden. Beispielsweise muss die Messelektrode 44 von 1 lediglich auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet werden. Der Referenzgaseinlassraum 43 kann in der Abstandshalterschicht 5 anstatt der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt sein, die Atmosphäreneinlassschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 anstatt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 bereitgestellt sein, und die Referenzelektrode 42 kann auf der Rückseite in Bezug auf den dritten inneren Hohlraum 61 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt in dem Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang die Steuervorrichtung 90 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (führt eine Regelung damit durch), dass der Pumpstrom Ip1 einen Zielwert Ip1* erreicht, und führt eine Regelung mit der Pumpspannung Vp0 derart durch, dass die Spannung V0 einen Zielwert V0* erreicht; es kann jedoch eine andere Steuerung eingesetzt werden. Beispielsweise kann in dem Normalzeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang die Steuervorrichtung 90 eine Regelung mit der Pumpspannung Vp0 gemäß dem Pumpstrom Ip1 derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip1 einen Zielwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten, die Steuervorrichtung 90 kann die Pumpspannung Vp0 gemäß dem Pumpstrom Ip1 durch Weglassen einer Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 und Einstellen des Zielwerts V0* direkt steuern (und ferner den Pumpstrom Ip0 steuern).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 eine NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Als Konzentration eines spezifischen Gases kann eine andere Oxidkonzentration verwendet werden. Wenn das spezifische Gas ein Oxid ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, wie dies bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, so dass die CPU 92 eine Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis eines erfassten Werts erfassen kann, der dem Sauerstoff entspricht. Alternativ kann das spezifische Gas ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, sein. Wenn das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird das spezifische Gas beispielsweise in dem ersten inneren Hohlraum 20 in ein Oxid umgewandelt (beispielsweise wird Ammoniak oxidiert und zu NO umgewandelt), und Sauerstoff wird erzeugt, wenn das Oxid nach der Umwandlung in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die CPU 92 eine Konzentration eines spezifischen Gases durch Erfassen eines erfassten Werts, der dem Sauerstoff entspricht, erfassen kann. Auf diese Weise kann unabhängig davon, ob das spezifische Gas ein Oxid oder ein Nicht-Oxid ist, der Gassensor 100 die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Sauerstoffs, der aus einem spezifischen Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt worden ist, erfassen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist der Zielwert V0r* in dem Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang einen Wert auf, der höher ist als der Zielwert V0*, und in der 6 ist der Zielwert V0r* auf 1000 mV eingestellt. Der Zielwert V0r* ist vorzugsweise höher als 700 mV und niedriger als oder gleich 1100 mV. Die Erfinder haben die Beziehung zwischen der Auffrischungsverarbeitungszeit und dem Effekt der Verminderung des Ausmaßes eines Unterschwingens, wobei der Zielwert V0r* im Bereich von 700 mV bis 1100 mV variierte, untersucht. Die Ergebnisse sind in der 9 gezeigt. Die horizontale Achse und die vertikale Achse in der 9 sind mit der horizontalen Achse und der vertikalen Achse in der 6 identisch und in den Graphen von 9 wurden Messungen bei den gleichen Bedingungen wie bei dem Graphen durchgeführt, der durch die durchgezogene Linie (mit „V0“ als Legende bezeichnet) in der 6 angegeben ist, mit der Ausnahme, dass der Zielwert V0r* variiert wird. Die 9 zeigt die Ergebnisse, wenn der Zielwert V0r* auf fünf verschiedene Arten variiert wird: 700 mV, 800 mV, 900 mV, 1000 mV und 1100 mV. Das Ergebnis (der Graph, der durch eine Punkt-Punkt-Strich-Linie in der 9 angegeben ist) mit dem Zielwert V0r* von 1000 mV in der 9 ist etwa mit demjenigen des Graphen mit der durchgezogenen Linie in der 6 mit dem gleichen Zielwert V0r* von 1000 mV identisch. Wie es aus der 9 ersichtlich ist, wurde festgestellt, dass sich für einen höheren Zielwert V0r* die Differenz ΔUS tendenziell in einer kürzeren Zeit 0 % nähert, wodurch ein stärkerer Effekt des Auffrischens des Sensorelements 101 bereitgestellt wird. Mit dem Zielwert V0r* von 700 mV wurde nahezu kein Effekt des Auffrischens des Sensorelements 101 erhalten, so dass der Zielwert V0r* vorzugsweise 700 mV übersteigt, und es ist gegebenenfalls mehr bevorzugt, dass der Zielwert V0r* höher als oder gleich 800 mV ist. Die Spannung Vp0 beim Auffrischungszeit-Hauptpumpsteuerungsvorgang ist für einen höheren Zielwert V0r* höher. Wenn die Spannung Vp0 zu hoch ist, kann in dem Festelektrolyten (in diesem Fall Zirkoniumoxid) des Sensorelements 101 eine Reduktion auftreten. Daher ist der Zielwert V0r* vorzugsweise niedriger als oder gleich 1100 mV. Wie bei dem Zielwert V0r* sind der Zielwert V1r* für den Auffrischungszeit-Hilfspumpsteuerungsvorgang und der Zielwert V2r* für den Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung vorzugsweise höher als 700 mV und 1100 mV oder niedriger und mehr bevorzugt 800 mV oder höher.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-137094 , die am 25. August 2021 eingereicht worden ist, wobei deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
Bezugszeichenliste
1 Erste Substratschicht, 2 zweite Substratschicht, 3 dritte Substratschicht, 4 erste Festelektrolytschicht, 5 Abstandshalterschicht, 6 zweite Festelektrolytschicht, 10 Gaseinlassöffnung, 11 erster Diffusionseinstellabschnitt bzw. diffusionskontrollierter Abschnitt, 12 Pufferraum, 13 zweiter Diffusionseinstellabschnitt bzw. diffusionskontrollierter Abschnitt, 20 erster innerer Hohlraum, 21 Hauptpumpzelle, 22 innere Pumpelektrode, 22a oberster Elektrodenabschnitt, 22b unterer Elektrodenabschnitt, 23 äußere Pumpelektrode, 24 variable Stromversorgung, 30 dritter Diffusionseinstellabschnitt bzw. diffusionskontrollierter Abschnitt, 40 zweiter innerer Hohlraum, 41 Messpumpzelle, 42 Referenzelektrode, 43 Referenzgaseinlassraum, 44 Messelektrode, 45 vierter Diffusionseinstellabschnitt bzw. diffusionskontrollierter Abschnitt, 46 variable Stromversorgung, 48 Atmosphäreneinlassschicht, 50 Hilfspumpzelle, 51 Hilfspumpelektrode, 51a oberster Elektrodenabschnitt, 51b unterer Elektrodenabschnitt, 52 variable Stromversorgung, 60 vierter Diffusionseinstellabschnitt bzw. diffusionskontrollierter Abschnitt, 61 dritter innerer Hohlraum, 70 Heizeinrichtungsabschnitt, 71 Verbinderelektrode, 72 Heizeinrichtung, 73 Durchgangsloch, 74 Heizeinrichtungsisolierschicht, 75 Druckablassloch, 76 Heizeinrichtungsstromversorgung, 80 Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung, 81 Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung, 82 Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung, 83 Sensorzelle, 90 Steuervorrichtung, 91 Steuereinrichtung, 92 CPU, 94 Speicher, 100 Gassensor, 101, 201 Sensorelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014190939 [0003]
WO 2008/038773 [0003]
JP 2021137094 [0107]

Claims

Gassensor, umfassend: ein Sensorelement, das einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt, eine Messpumpzelle, die eine äußere Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers zum Kontaktieren des Messgegenstandsgases bereitgestellt ist, und eine innere Messelektrode aufweist, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpzelle zum Hinauspumpen von Sauerstoff von einer Umgebung der inneren Messelektrode zu einer Umgebung der äußeren Messelektrode ausgebildet ist, eine Einstellpumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einstellt, die stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist, eine Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers zum Kontaktieren eines Referenzgases angeordnet ist, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient, und eine Messspannung-Erfassungssensorzelle umfasst, die eine Messspannung über der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst; einen Abschnitt zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases, der einen Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang des Betreibens der Einstellpumpzelle und einen Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang des Hinauspumpens von Sauerstoff in der Messkammer durch Steuern der Messpumpzelle derart durchführt, dass die Messspannung des Sensorelements einen Zielwert erreicht, und dann die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Messpumpstroms erfasst, der durch den Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang durch die Messpumpzelle fließt; eine Bedarfsbestimmungseinrichtung, die einen Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang des Bestimmens eines Bedarfs für eine Auffrischung des Sensorelements auf der Basis von mindestens einem eines Unterschwingens oder Überschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Messpumpstroms durchführt; und eine Auffrischungssteuereinrichtung, die nach der Bestimmung, dass die Auffrischung erforderlich ist, in dem Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang einen Auffrischungsvorgang durchführt, der mindestens einen von einem Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung oder einem Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung durchführt, wobei der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Einstellpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird, wobei der Messpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung die Messpumpzelle derart steuert, dass Sauerstoff in der Messkammer in einem größeren Volumen als in dem Normalzeit-Messpumpsteuerungsvorgang hinausgepumpt wird.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Auffrischungsvorgang den Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung umfasst.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum und stromaufwärts von der Messkammer bereitgestellt ist, aufweist, die Einstellpumpzelle eine Hauptpumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, aufweist und der Einstellpumpsteuerungsvorgang während der Auffrischung mindestens einen von einem Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle oder einem Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle umfasst, wobei der Vorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang, wobei der Vorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle derart durchgeführt wird, dass Sauerstoff in dem zweiten inneren Hohlraum in einem größeren Volumen hinausgepumpt wird als in dem Normalzeit-Einstellpumpsteuerungsvorgang.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist, und die Bedarfsbestimmungseinrichtung den Auffrischungsbedarf-Bestimmungsvorgang auf der Basis eines Verhaltens des Messpumpstroms zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung durchführt, die durch eine Kraftstoffabsperrung des Verbrennungsmotors verursacht wird.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bedarfsbestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Auffrischung erforderlich ist, wenn mindestens eines von einem Ausmaß eines Unterschwingens oder einem Ausmaß eines Überschwingens zu einem Zeitpunkt einer raschen Änderung des Messpumpstroms außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn davon ausgegangen wird, dass das Messgegenstandsgas in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt Kohlenstoff enthält, die Auffrischungssteuereinrichtung den Auffrischungsvorgang durchführt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungszeit des Auffrischungsvorgangs 1 Sekunde oder mehr und 10 Sekunden oder weniger beträgt.