DE69828918T2

DE69828918T2 - Gassensor

Info

Publication number: DE69828918T2
Application number: DE69828918T
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama-gun Kato; Nobukazu Nagoya-city Ikoma; Yasuhiko Nagoya-city Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-19
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: JPH10318980A; EP0880025B1; EP0880025A1; US5948963A; DE69828918D1; JP3553316B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor zum Messen von Messgaskomponenten wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die z.B. in Atmosphärenluft oder in von Fahrzeugen oder Automobilen abgegebenem Abgas enthalten sind. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Schutzabdeckung, die angeordnet ist, um ein Sensorelement zu umhüllen.
Beschreibung der verwandten Technik
Bis dato wurde eine Reihe von Gassensoren vorgeschlagen und in der Praxis verwendet, umfassend dabei z.B. Sauerstoffsensoren, NO_x-Sensoren (siehe Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-271476), und HC-Sensoren (siehe Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-247995) basierend auf der Verwendung von Sauerstoffionenleitern; Wasserstoffsensoren und H₂O-Sensoren basierend auf der Verwendung von Protonenionenleitern; sowie Sauerstoffsensoren und verschiedene Gassensoren auf Basis der Verwendung von Oxid-Halbleitern wie SnO₂ und TiO₂.
Von den oben beschriebenen Gassensoren werden der Sauerstoffsensor auf der Basis der Verwendung von ZrO₂ und der Sauerstoffsensor basierend auf der Verwendung von TiO₂ für die Steuerung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses oder für die Steuerung der Sauerstoffkonzentration im von Fahrzeugen oder Automobilen abgegebenem Abgas verwendet, weil sie selbst in einer Umgebung des Abgases eines Automobils eine stabile Leistung beibehalten.
Der NO_x-Sensor basierend auf der Verwendung von ZrO₂ wurde so weit entwickelt, dass er in der Praxis zur Steuerung von NO_x in Automobilen verwendet werden kann.
Im Allgemeinen enthält der Gassensor basierend auf der Verwendung von ZrO₂ ein Heizelement. Es wird elektrische Energie gleichzeitig mit dem Anstarten des Motors an das Heizelement angelegt. Die Temperatur des Sensorelements wird früher als die zu erhöhende Temperatur des Abgases erhöht, und sie erreicht eine Betriebstemperatur.
Andererseits wird während des Startvorgangs des Motors Kondenswasser gebildet. Die Menge an erzeugtem Kondenswasser nimmt ab, wenn die Temperatur des Abgases erhöht wird, und das Kondenswasser verschwindet allmählich. Somit kann, wenn das Sensorelement während der Zeitspanne der Kondenswassererzeugung ausreichend erhitzt wird, aufgrund der Anhaftung des Kondenswassers ein thermischer Schock auf das Sensorelement ausgeübt werden, wodurch Risse auftreten können.
Insbesondere der Gassensor, in welchem das Heizelement und das Sensorelement in einer Einheit angeordnet sind, hat den Nachteil, dass sich sehr wahrscheinlich Risse ergeben, da die Temperatur des Sensors rasch erhöht wird, und der Sensor wird während der Zeitspanne, in welcher Kondenswasser erzeugt wird, ausreichend auf eine hohe Temperatur erhitzt.
Um diesen oben beschriebenen Nachteil zu beseitigen, wurde eine Schutzabdeckung als Gegenmaßnahme gegen Kondenswasser für den Sauerstoffsensor jenes Typs vorgeschlagen, der darin ein Heizelement enthält, und dies wird zur Zeit auch in der Praxis so verwendet (siehe Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-26842).
In den letzten Jahren ergab sich, da diese Gassensoren stromab des Dreiweg-Katalysators gelegen befestigt werden, das Problem, dass die Zeitspanne der Kondenswassererzeugung merklich verlängert wird, und somit steigt im Vergleich zum herkömmlichen Gassensor, der stromauf des Dreiweg-Katalysators befestigt wird, auch die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung im Sensorelement an, selbst wenn die zuvor erwähnte Schutzabdeckung verwendet wird.
Weiters werden jene Gassensoren, die auf der Verwendung der Sauerstoffpumpenfunktion basieren, so etwa der NO_x-Sensor, auf eine Temperatur nicht unter 700°C erhitzt, um die Sauerstoffpumpe effektiv zu betreiben. Somit ergibt sich das Problem, dass der thermische Schock, der nach dem Kontakt mit dem Kondenswasser darauf ausgeübt wird, viel größer als jener ist, der auf den Sauerstoffsensor vom Heizelementtyp ausgeübt wird, und somit ist auch die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung hoch.
Weiters ist im Fall des Gassensors basierend auf der Verwendung des Sensorelements, das, wie zuvor beschrieben, auf eine hohe Temperatur erhitzt werden sollte, die Niedrigtemperaturumgebung dominant, wenn der Sensor an einer mehr stromab gelegenen Position in einem Auspuffrohr befestigt wird. Als Ergebnis dessen ergibt sich die ungünstige Situation, dass das Sensorelement dazu neigt abzukühlen, und dass die Sauerstoffpumpe nicht effektiv arbeitet. Insbesondere dieses Problem ist für den Dieselmotor und den Mager-Verbrennungsmotor ein sehr ernstes, da die Abgastemperatur niedrig ist.
US-A-5670032, DE-A-4342731, US-A-4633704 und US-A-5228975 zeigen Gassensoren mit Schutzabdeckungen, die vorragende Endabschnitte des Sensorelements umhüllen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der zuvor angeführten Probleme durchgeführt, wobei ein Ziel der Erfindung darin besteht, einen Gassensor bereitzustellen, der es ermöglicht, gleichzeitig den Temperaturabfall des Elements und die Rissbildung aufgrund von Kondenswasser zu lösen und sehr genau eine vorbestimmte Gaskomponente zu messen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 dargelegt ist.
In der Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist es für das Kondenswasser schwierig einzudringen. Selbst wenn das Kondenswasser eindringt, ist die Größe der Wassertröpfchen sehr klein. Somit ist, selbst wenn das Kondenswasser mit dem vorderen Ende des Sensorelements in Kontakt kommt, der dadurch ausgeübte thermische Schock extrem gering. Demgemäß wird kein Riss am vorderen Ende des Sensorelements gebildet.
Wird der Schutzabdeckungszwischenraum vom Kommunikationsdurchlass isoliert, so tritt das Messgas, das diffundieren und vom Öffnungsabschnitt zum Sensorelement strömen kann, nicht in den Schutzabdeckungszwischenraum ein. Demgemäß ist es für das Sensorelement möglich, die Konzentration des Messgases mit guter Reaktionsleistung zu messen.
Weiters ist der Gassensor so strukturiert, dass die Gaseinbringungsöffnung am vorderen Ende des Sensorelements angeordnet ist und der Öffnungsabschnitt der Schutzabdeckung direkt mit der Gaseinbringungsöffnung des Sensorelements kommuniziert. Somit wird das Sensorelement nicht leicht abgekühlt, und die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von Kondenswasser an das Sensorelement ist äußerst gering.
Selbst wenn Ölverbrennungsabfall und Kohlenstoff, die im Abgas enthalten sind, sich an den Öffnungsabschnitt anhaften und somit den Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts erhöhen, ist es möglich, ein Absinken der Empfindlichkeit und der Reaktionsleistung auf ein Minimum zu unterdrücken, da der Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts im Vergleich zum Gasdiffusionswiderstand des Sensorelements ausreichend niedrig eingestellt ist.
In der Konstruktion des Gassensors gemäß der Erfindung beträgt, unter der Annahme, dass ein Gasdiftusionswiderstand der Kommunikationsdurchlässe D1 und ein Gasdiffusionswiderstand vom Schutzabdeckungszwischenraum zum Kommunikationsdurchlass D2 ist, das Verhältnis D1/D2 zwischen den Gasdiffusionswiderständen (das hierin nachfolgend als "Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis" bezeichnet wird) nicht mehr als 1/5. In dieser Ausführungsform wird die Diffusion von Gas in den Schutzabdeckungszwischenraum unterdrückt, und somit ist es möglich, die Reaktionsverzögerung im Sensorelement beträchtlich zu verbessern.
Es wird bevorzugt, dass die oben beschriebene Konstruktion des Gassensors eine solche ist, dass ein Loch (Seitenloch oder Bodenloch) für die Kommunikation für zumindest das Messgas mit dem Schutzabdeckungszwischenraum durch eine Seitenfläche und/oder eine Bodenfläche der Schutzabdeckung bereitgestellt ist. Beträgt das Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis nicht mehr als 1/5, so wird eine schnellere Reaktion erhalten. Da das Seitenloch oder das Bodenloch aber einen Temperaturabfall des Elements und eine Steigerung der Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von Kondenswasser bewirken kann, wird bevorzugt, dass das Loch einen Durchmesser aufweist, der so klein wie möglich ist. Das Loch kann entweder durch die Seitenfläche oder durch die Bodenfläche der Schutzabdeckung bereitgestellt werden. Alternativ dazu kann das Loch durch sowohl die Seiten- als auch die Bodenfläche der Schutzabdeckung bereitgestellt werden. Das Loch weist vorzugsweise einen Durchmesser von nicht mehr als 1 mm auf.
Für die Konstruktion des oben beschriebenen Gassensors wird bevorzugt, dass die Stirnfläche des Sensorelements gegen die Schutzabdeckung anschlägt. In dieser Ausführungsform ist der Schutzabdeckungszwischenraum verlässlicher vom Kommunikationsdurchlass isoliert.
Für die Konstruktion des oben beschriebenen Gassensors wird bevorzugt, dass der Isolationszwischenraum mit einem Füllstoff befüllt wird. Um das Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis zu senken, wird der Abstand vorzugsweise mit einem hitzebeständigen Füllstoff wie Glas, einem Keramikelement, Glaswolle oder einem Metallgitter (das erhalten wird, indem Metalldraht gepresst und gehärtet wird) befüllt.
Der wie oben beschrieben konstruierte Gassensor kann weiters einen äußere Schutzabdeckung umfassen, die angeordnet ist, um die Schutzabdeckung zu umhüllen, und die mit zumindest einem Gaseinbringungsloch versehen ist. Demgemäß wird die innere Schutzabdeckung nicht direkt gegenüber dem Messgas freigelegt, und diese Anordnung ist als eine Gegenmaßnahme gegen den Temperaturabfall des Elements sehr effektiv.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Gasausstoßloch für das Messgas durch einen Boden der äußeren Schutzabdeckung bereitgestellt werden. Dadurch strömt das Messgas nicht direkt zum Öffnungsabschnitt hin. Somit kontaktiert das Kondenswasser den Öffnungsabschnitt kaum, und die Anhaftung von Ölverbrennungsabfall oder dergleichen wird verringert.
Es wird bevorzugt, dass eine Vielzahl von Gasausstoßlöchern mit jeweils einem Durchmesser von nicht mehr als 2 mm durch den Boden der äußeren Schutzabdeckung bereitgestellt wird. Noch mehr bevorzugt wird, dass das Gasausstoßloch an einer Position bereitgestellt wird, an welcher es nicht dem Öffnungsabschnitt gegenüberliegt. Demgemäß werden verstreute Wassertröpfchen verringert, und die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung wird gesenkt. In dieser Ausführungsform senkt die Bereitstellung des Gasausstoßlochs an der Position, an welcher es nicht dem Öffnungsabschnitt gegenüberliegt, weiters die Wahrscheinlichkeit, dass Kondenswasser sich zum Öffnungsabschnitt hin bewegt.
Für den wie oben beschrieben konstruierten Gassensor wird bevorzugt, dass ein Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts nicht mehr als 1/10 eines Gasdiffusionswiderstands des Sensorelements beträgt. In dieser Ausführungsform ist es, selbst wenn sich Ölverbrennungsabfall oder dergleichen am Öffnungsabschnitt anhaftet, möglich, den Einfluss, der dadurch auf die Empfindlichkeit und die Abnahme der Reaktionsleistung ausgeübt wird, zu verringern.
Für den wie oben beschrieben konstruierten Gassensor wird bevorzugt, dass eine Länge des Öffnungsabschnitts in eine Richtung zur Ausdehnung zum Sensorelement hin nicht mehr als das 1,5fache einer Öffnungsbreite des Öffnungsabschnitts beträgt. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass verstreute Wassertropfen das Sensorelement kontaktieren, beträchtlich zu verringern. Für die Form der Öffnung des Öffnungsabschnitts können verschiedene Konfigurationen erwogen werden, umfassend z.B. schlitzförmige, elliptische und kreisförmige Konfigurationen. Weist die Öffnung eine schlitzförmige Konfiguration auf, so ist es erwünscht, dass die Schlitzbreite nicht mehr als 1 mm beträgt: Dadurch werden verstreute Wassertröpfchen verringert, und gleichzeitig wird auch der auf das Sensorelement ausgeübte thermische Schock reduziert. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung weiter zu senken.
Für die oben beschriebene Konstruktion des Gassensors wird bevorzugt, dass der Öffnungsabschnitt mit einem porösen Material befüllt wird. In dieser Ausführungsform kann der Öffnungsabschnitt z.B. mit porösem Metall, Metallgitter, porösem Keramikmaterial und Glaswolle befüllt werden. Demgemäß ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass Kondenswasser das Sensorelement berührt, weiter zu verringern. Somit ist die Verwendung von Füllstoffen insbesondere dann effektiv, wenn der Öffnungsabschnitt eine große Öffnungsbreite aufweist.
Für die oben beschriebene Konstruktion des Gassensors wird bevorzugt, dass der Öffnungsabschnitt aus einem Element besteht, das sich von der Schutzabdeckung unterscheidet. In dieser Ausführungsform ist es möglich, eine beliebige Positionsverteilung des Sensorelements aufzulösen. Weiters ist es z.B. möglich, die Höhe des Öffnungsabschnitt und die Größe der Öffnungsfläche ohne Beschränkung festzusetzen. Somit wird der Freiheitsgrad der Konstruktion für den Öffnungsabschnitt erhöht. Wenn z.B. die Öffnungsfläche am Einlassabschnitt des Öffnungsabschnitts erhöht wird, und wenn die Höhe des Öffnungsabschnitts erhöht wird, dann ist es möglich, die Höhe ohne Erhöhung des Gasdiffusionswiderstands zu erhöhen. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von Kondenswasser weiter zu senken. Weiters ist es möglich, den Gassensor so zu entwerfen und herzustellen, dass sich ein ausreichend großer Wert des Gasdiffusionswiderstands des Isolationszwischenraums (des Abstands zwischen dem Sensorelement und dem Öffnungsabschnitt) ergibt.
Für den Gassensor, der wie oben beschrieben konstruiert ist, wird bevorzugt, dass eine Vertiefung an einem Boden der Schutzabdeckung und der Öffnungsabschnitt an der Vertiefung bereitgestellt wird. Diese Ausführungsform weist das folgende Merkmal auf, d.h. die Länge des Zulaufdurchlasses des Messgases wird erhöht und somit erfolgt kaum Kontakt mit dem Kondenswasser. Weiters haften sich Teilchen wie Ölverbrennungsabfall kaum an, weil der Öffnungsabschnitt am tiefen Abschnitt der Vertiefung angeordnet ist.
Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von veranschaulichenden Beispielen dargestellt ist, besser verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung einer Anordnung eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform;
1B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 1A;
2 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 1B dargestellten vergrößerten Öffnungsabschnitt verdeutlichen;
3 zeigt einen Grundriss einer Anordnung eines Gassensorelements;
4 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in 3;
5 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Anordnung eines Gassensorelements;
6A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie C-C in 6A;
7 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 6B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt veranschaulichen;
8A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform;
8B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie D-D in 8A;
9 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 8B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt zeigen;
10A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform;
10B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie E-E in 10A;
11 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 10B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt zeigen;
12A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer fünften Ausführungsform;
12B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie F-F in 12A;
13 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 12B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt zeigen;
14A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer sechsten Ausführungsform;
14B zeigt eine Vorderansicht von einer Seite eines in 14A dargestellten Öffnungsabschnitts;
15 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 14B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt zeigen;
16A zeigt, wobei Teile weggelassen sind, eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Gassensors gemäß einer siebten Ausführungsform;
16B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie G-G in 16A; und
17 zeigt eine Vergrößerung der wesentlichen Teile, die einen in 16B dargestellten, vergrößerten Öffnungsabschnitt zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es folgt eine Erklärung mit Bezug auf die 1A bis 17 der verschiedenen veranschaulichenden Ausführungsformen, in welchen der Gassensor der vorliegenden Erfindung für Gassensoren zum Messen von Gaskomponenten wie NO, NO₂, SO₂, CO₂ und H₂O, die z.B. in der Atmosphärenluft oder im von Fahrzeugen oder Automobilien abgegebenen Abgas enthalten sind, verwendet wird.
Wie in 1A dargestellt ist, umfasst ein Gassensor gemäß einer ersten Ausführungsform ein Sensorelement 12 zum Messen einer vorbestimmten Messgaskomponente wie NO_x, die in einem eingebrachten Messgas (Abgas) enthalten ist, eine Schutzabdeckung 14, die angeordnet ist, um ein vorderes Ende des Sensorelements 12 zu umhüllen, sowie eine Sensoranordnung 16, die angeordnet ist, um das gesamte Sensorelement 12 mit Ausnahme des vorderen Endes zu umhüllen, und so konstruiert ist, um eine elektrische Verbindung nach außen herzustellen.
Wie in den 3 und 4 dargestellt, ist das Sensorelement 12 im Allgemeinen so konstruiert, dass es eine längliche, plattenförmige Konfiguration aufweist, so z.B. sechs aufeinandergeschichtete Elektrolytschichten 20a bis 20f, die aus Keramikmaterialien basierend auf der Verwendung von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten wie ZrO₂ bestehen. Die erste und die zweite Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Substratschichten 20a bzw. 20b bezeichnet. Die dritte und die fünfte Schicht vom Boden aus gesehen werden als erste und zweite Abstandsschicht 20c bzw. 20e bezeichnet. Die vierte und die sechste Schicht vom Boden aus werden als erste und zweite Festelektrolytschicht 20d bzw. 20f bezeichnet.
Spezifisch ist die erste Abstandsschicht 20c auf die zweite Substratschicht 20b geschichtet. Die erste Festelektrolytschicht 20d, die zweite Abstandsschicht 20e und die zweite Festelektrolytschicht 20f sind nacheinander auf die erste Abstandsschicht 20c geschichtet.
Ein Zwischenraum (Referenzgas-Einbringungszwischenraum) 22, in welchen ein Referenzgas wie Atmosphärenluft, das als Referenz für die Messung von Oxiden verwendet wird, eingebracht wird, ist zwischen der zweiten Substratschicht 20b und der ersten Festelektrolytschicht 20d ausgebildet, wobei der Zwischenraum 22 durch eine Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 20d, einer Oberseite der zweiten Substratschicht 20b und Seitenflächen der ersten Abstandsschicht 20c unterteilt wird.
Die zweite Abstandsschicht 20e ist zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 20d, 20f angeordnet. Die ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 24, 26 sind ebenfalls zwischen der ersten und der zweiten Festelektrolytschicht 20d, 20f angeordnet.
Eine erste Kammer 28 zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks im Messgas wird durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 20f, die Seitenflächen der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 24, 26 sowie eine Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 20d gebildet und unterteilt. Eine zweite Kammer 30 für die Feineinstellung des Sauerstoffpartialdrucks im Messgas und für die Messung der Oxide, z.B. Stickstoffoxide (NO_x), im Messgas, wird durch eine Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 20f, eine Seitenfläche des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 26, eine Seitenfläche der zweiten Abstandsschicht 20e sowie eine Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 20d gebildet und unterteilt.
Eine Gaseinbringungsöffnung 32 zum Einbringen des Messgases in die erste Kammer 28 ist an einer Stirnfläche der zweiten Abstandsschicht 20e der vorderen Stirnfläche des Sensorelements 12 bereitgestellt. Somit kommuniziert der Außenraum mit der ersten Kammer 28 über die Gaseinbringungsöffnung 32 und den ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 24, und die erste Kammer 28 kommuniziert mit der zweiten Kammer 30 über den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 26.
Der erste und der zweite Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 24, 26 verleihen dem in die erste bzw. zweite Kammer 28, 30 einzubringenden Messgas vorbestimmte Diffusionswiderstände. Jeder der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 24, 26 kann als ein Durchlass ausgebildet werden, der z.B. aus einem porösen Material (z.B. einem porösen Kompaktmaterial, das aus ZrO₂ oder dergleichen besteht) besteht, oder als ein kleines Loch mit einer vorbestimmten Querschnittsfläche, so dass das Messgas eingebracht werden kann. Alternativ dazu kann jeder der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 24, 26 durch eine Abstandsschicht oder eine poröse Schicht mittels Druck erzeugt werden. In dieser Ausführungsform ist die Vergleichshöhe der jeweiligen Diffusionswiderstände der ersten und zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitte 24, 26 ohne Belang. Es wird jedoch bevorzugt, dass der Diffusionswiderstand des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 26 größer als jener des ersten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 24 ist.
Die Atmosphäre in der ersten Kammer 28 wird in die zweite Kammer 30 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand über den zweiten Diftusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 26 eingebracht.
Eine innere Pumpelektrode 24 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode besteht, ist auf einem gesamten Unterseitenabschnitt der ersten Kammer 28 der Unterseite der zweiten Festelektrolytschicht 20f ausgebildet. Eine äußere Pumpelektrode 36 ist auf einem Abschnitt ausgebildet, welcher der innere Pumpelektrode 34 der Oberseite der zweiten Festelektrolytschicht 20f entspricht. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Hauptpumpzelle 38, wird durch die innere Pumpelektrode 34, die äußere Pumpelektrode 36 und die zweite Festelektrolytschicht 20f, die zwischen den beiden Elektroden 34, 36 angeordnet ist, gebildet.
Eine erwünschte Steuerspannung (Pumpspannung) Vp1 wird zwischen der inneren Pumpelektrode 34 und der äußeren Pumpelektrode 36 der Hauptpumpzelle 38 mithilfe einer äußeren, variablen Spannungsquelle 40 angelegt, um zu ermöglichen, dass ein Pumpstrom Ip1 in eine positive Richtung oder in eine negative Richtung zwischen der äußeren Pumpelektrode 36 und der inneren Pumpelektrode 34 fließt. Somit kann der Sauerstoff in der ersten Kammer 28 in den Außenraum hinausgepumpt werden, oder der Sauerstoff im Außenraum kann in die erste Kammer 28 gepumpt werden.
Eine Messelektrode 42 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration, die aus einer porösen Cermet-Elektrode besteht, ist in der unmittelbaren Umgebung des zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitts 26 auf einem Oberseitenabschnitt ausgebildet, um die erste Kammer 28 der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 20d zu bilden. Eine Referenzelektrode 14 ist auf einem Unterseitenabschnitt ausgebildet, der gegenüber dem Referenzgas-Einbringungszwischenraum 22 der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 20d freiliegt. Eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine steuernde Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 46, besteht aus der Messelektrode 42, der Referenzelektrode 44 und der ersten Festelektrolytschicht 20d.
Die steuernde Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 46 wird wie folgt betrieben: Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Messelektrode 42 und der Referenzelektrode 44 auf Basis eines Unterschieds der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre in der ersten Kammer 28 und dem Referenzgas (Atmosphärenluft) im Referenzgas-Einbringungszwischenraum 22 erzeugt. Der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 28 kann durch die Messung der elektromotorischen Kraft mithilfe eines Voltmessers detektiert werden.
D.h. die Spannung, die zwischen der Referenzelektrode 44 und der Messelektrode 42 erzeugt wird, ist eine elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die auf Basis des Unterschieds zwischen dem Sauerstoffpartialdruck des in den Referenzgas-Einbringungszwischenraum 22 eingebrachten Referenzgases und des Sauerstoffpartialdrucks des Messgases in der ersten Kammer 28 erzeugt wird. Die Spannung V1 weist die folgende Beziehung auf, die als die Nernst'sche Gleichung bezeichnet wird. V1 = RT/4F·In(P1(O2)/P0(O2))

R:: Gaskonstante;
T:: Absoluttemperatur;
F:: Faraday'sche Konstante;
P₁(O₂):: Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer
P₀(O₂):: Sauerstoffpartialdruck im Referenzgas.

Somit kann der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 28 durch Messung der auf Basis der Nernst'schen Gleichung erzeugten Spannung V1 unter Verwendung des Voltmessers 48 detektiert werden. Der detektierte Wert des Sauerstoffpartialdrucks wird verwendet, um die Pumpspannung Vp1 der variablen Spannungsquelle 40 mithilfe eines Rückkopplungs-Steuersystems 50 zu steuern. Insbesondere der durch die Hauptpumpzelle 38 erzeugte Pumpvorgang wird so gesteuert, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in der ersten Kammer 28 einen vorbestimmten Wert aufweist, der ausreichend gering ist, um den Sauerstoffpartialdruck in der zweiten Kammer 30 im nächsten Schritt zu steuern.
Jede der inneren Pumpelektrode 34 und der äußeren Pumpelektrode 36 der Hauptpumpzelle 38 und der Messelektrode 42 der steuernden Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 46 besteht aus einem inerten Material mit einer geringen katalytischen Aktivität auf NO_x wie NO, das im in den Gassensor eingebrachten Messgas enthalten ist.
Insbesondere die innere Pumpelektrode 34 und die Messelektrode 42 können aus einer porösen Cermet-Elektrode bestehen. In dieser Ausführungsform besteht die Elektrode aus einem Metall wie Pt und einem Keramikmaterial wie ZrO₂. Es ist erforderlich, ein Material, das über eine schwache Reduktionsfähigkeit in Bezug auf die NO-Komponente im Messgas verfügt, für die innere Pumpelektrode 34 und die Messelektrode 42 zu verwenden, die in der ersten Kammer 28 angeordnet sind, um Kontakt mit dem Messgas herzustellen. Vorzugsweise bestehen die innere Pumpelektrode 34 und die Messelektrode 42 z.B. aus einer Verbindung mit der Perovskit-Struktur wie La₃CuO₄, ein Cermet, das ein Keramikmaterial und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Aktivität umfasst, oder ein Cermet, das ein Keramikmaterial, ein Metall der Pt-Gruppe und ein Metall wie Au mit einer geringen katalytischen Aktivität umfasst. Wird eine aus Au und einem Metall der Pt-Gruppe bestehende Legierung als Elektrodenmaterial verwendet, wird vorzugsweise Au in einer Menge von 0,03 bis 35 Vol.-% der gesamten Metallkomponente zugegeben.
Eine Detektionselektrode 52 mit einer im Wesentlichen rechteckigen, ebenen Konfiguration und bestehend aus einer porösen Cermet-Elektrode ist auf einem Oberseitenabschnitt der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 20d zur Ausbildung der zweiten Kammer 30 gebildet. Eine elektrochemische Pumpzelle, d.h. eine Messzelle 54, wird durch die Detektionselektrode 52, die innere Pumpelektrode 34 der Hauptpumpzelle 38, die erste Festelektrolytschicht 20d, die zweite Abstandsschicht 20e und die zweite Festelektrolytschicht 20f gebildet.
Die Detektionselektrode 52 besteht aus einem porösen Cermet, das Rh als ein Metall, das NO_x als Messgaskomponente reduzieren kann, und Zirkoniumoxid als ein Keramikmaterial umfasst. Demgemäß dient die Detektionselektrode 52 als NO_x-reduzierender Katalysator zur Reduzierung von in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 30 vorhandenem NO_x. Weiters kann, wenn eine Messspannung Vp2 zwischen der Detektionselektrode 52 und der inneren Pumpelektrode 34 mithilfe einer Gleichstrom-Energiequelle 56 angelegt wird, der Sauerstoff in der Atmosphäre in der zweiten Kammer 30 zum Referenzgas-Einbringungszwischenraum 22 herausgepumpt werden. Der Pumpstrom Ip2, der in Einklang mit dem Pumpvorgang der Messpumpzelle 54 fließt, wird durch ein Amperemeter 58 detektiert.
Das Sensorelement 12 umfasst weiters ein Heizelement 60, um gemäß der Zufuhr von elektrischer Energie von außen Hitze zu erzeugen. Das Heizelement 60 ist so eingebettet, dass es vertikal zwischen der ersten und zweiten Substratschicht 20a, 20b angeordnet ist. Das Heizelement 60 ist vorgesehen, um die Leitfähigkeit der Sauerstoffionen zu erhöhen. Eine Keramikschicht 62, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, ist ausgebildet, um die Ober- und Unterseiten des Heizelements 60 zu bedecken, so dass das Heizelement 60 elektrisch von den Substratschichten 20a, 20b isoliert ist.
Wie in 4 dargestellt, ist das Heizelement 60 über dem gesamten Abschnitt angeordnet, der von der ersten Kammer 28 zur zweiten Kammer 30 reicht. Demgemäß wird jede der ersten und der zweiten Kammer 28 bzw. 30 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Gleichzeitig wird jede der Hauptpumpzelle 38, der steuernden Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 46 und der Messpumpzelle 54 ebenfalls auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten.
Das Sensorelement 23 besteht im Wesentlichen aus der zuvor beschriebenen Konstruktion. Als nächster Schritt sind Funktion und Wirkung beschrieben.
Vor der Messung von NO_x wird das Sensorelement 12 in einen Zustand gebracht, in welchem das Messgas in die erste Kammer 28 eingebracht werden kann. Im Anschluss daran wird elektrische Energie an das Heizelement 60 angelegt, um die erste und zweite Festelektrolytschicht 20d, 20f auf erwünschte Zustände zu erhitzen.
Als nächstes wird das Messgas in das Sensorelement 12 eingebracht, das wie zuvor beschrieben eingestellt wurde, um die Messung vom im Messgas enthaltenem NO_x zu beginnen.
Das Messgas wird in die erste Kammer 28 unter dem vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den ersten Diftusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 24 eingebracht. Der im Messgas enthaltene Sauerstoffpartialdruck wird auf einen vorbestimmten Wert gemäß der vorbestimmten Pumpspannung Vp1 eingestellt, die zwischen der inneren Pumpelektrode 34 und der äußeren Pumpelektrode 36 mithilfe der variablen Energiequelle 40 angelegt wird, d.h. der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 28 kann auf der Grundlage der Spannung V1 zwischen der Referenzelektrode 44 und der Messelektrode 42, die durch das Voltmesser 48 detektiert wird, gemessen werden. Die Spannung V1 ist die elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle, die durch die oben beschriebene Nernst'sche Gleichung bestimmt wird. Die Spannung der variablen Spannungsquelle 40 wird so gesteuert, dass die Spannung V1 z.B. nicht mehr als 300 mV beträgt. Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 28 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Das Messgas, das so gesteuert wurde, dass es den vorbestimmten Sauerstoffpartialdruck in der ersten Kammer 28 aufweist, wird in die zweite Kammer 30 durch den zweiten Diffusionsgeschwindigkeits-Bestimmungsabschnitt 26 eingebracht.
In der zweiten Kammer 30 wird die vorbestimmte Pumpspannung Vp2, die es ermöglicht, O₂ in einer ausreichenden Menge in die zweite Kammer 30 hinauszupumpen, zwischen der Detektionselektrode 52 und der Referenzelektrode 44 mithilfe der Gleichstrom-Spannungsquelle 56 angelegt. Das im Messgas enthaltene NO_x wird durch die Pumpspannung Vp2 oder den in der zweiten Kammer 30 angeordneten NO_x zersetzenden Katalysator zersetzt. Der dadurch erzeugte O₂ wird zum Referenzgas-Einbringungszwischenraum 22 hin durch die erste Festelektrolytschicht 20d hinausgepumpt. Während dieses Vorgangs wird der Stromwert Ip2, der durch die Bewegung der Sauerstoffionen erzeugt wird, durch das Amperemeter 58 gemessen. Die Konzentration des vorbestimmten Oxids, so z.B. NO_x wie NO und NO₂, das im Messgas enthalten ist, wird vom Stromwert Ip2 gemessen.
D.h. wenn die Spannung an das Sauerstoffionen leitende Festelektrolyt wie ZrO₂ (die erste Festelektrolytschicht 20d in der in 4 dargestellten Ausführungsform) angelegt wird, fließt der Strom in Einklang mit der Bewegung des Sauerstoffions. Der Strom wird als Pumpstrom Ip2 mithilfe des Amperemeters 58 gemessen. Im Fall eines Protonenion leitenden Festelektrolyts fließt der Strom gemäß der Bewegung des Protons.
Andere Zellen als die Messpumpzelle 54 können für das Sensorelement 12 verwendet werden, d.h., wie dies in 5 dargestellt ist, kann eine messende Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 64 als elektrochemische Sensorzelle für die Detektion von NO_x anstelle der messenden Pumpzelle 54 verwendet werden.
Die messende Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 64 wird durch eine Detektionselektrode 66, die auf einem Oberseitenabschnitt der Oberseite der ersten Festelektrolytschicht 20d zur Ausbildung der zweiten Kammer 30 gebildet ist, die Referenzelektrode 44, die auf der Unterseite der ersten Festelektrolytschicht 20d gebildet ist, sowie die erste Festelektrolytschicht 20d gebildet.
In dieser Ausführungsform wird eine elektromotorische Kraft (elektromotorische Kraft der Sauerstoffkonzentrationszelle) V2, die einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Atmosphäre um die Detektionselektrode 66 und der Atmosphäre um die Referenzelektrode 44 entspricht, zwischen der Detektionselektrode 66 und der Referenzelektrode 44 der messenden Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 64 erzeugt.
Somit wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre um die Detektionselektrode 66, d.h. der Sauerstoffpartialdruck, der durch den Sauerstoff definiert ist, der durch Reduktion oder Zersetzung der Messgaskomponente (NO_x) erzeugt wird, als ein Spannungswert V2 detektiert, indem die elektromotorische Kraft (Spannung V2), die zwischen der Detektionselektrode 66 und der Referenzelektrode 44 erzeugt wird, unter Verwendung eines Voltmessers 68 gemessen wird.
Der Änderungsgrad der elektromotorischen Kraft V2 stellt die NO_x-Konzentration dar, d.h. die elektromotorische Kraft V2, die von der messenden Sauerstoffpartialdruck-Messzelle 64, die durch die Detektionselektrode 66, die Referenzelektrode 44 und die erste Festelektrolytschicht 20d gebildet wird, ausgegeben wird, stellt die NO_x-Konzentration im Messgas dar.
Wie in 1A dargestellt, ist das Sensorelement 12 durch die Sensoranordnung 16 befestigt. Insbesondere ist das Sensorelement 12 durch ein Gehäuse 70 aus Metall, eine Vielzahl von Keramikhalterungen 74a bis 74c, die in einem hohlen Abschnitt eines zylindrischen Innenrohrs 72 angeordnet sind, das an das Gehäuse 70 angeschweißt ist, sowie ein Keramikpulver 76 wie Talk, das zwischen den Keramikhalterungen 74a bis 74c gefüllt ist, befestigt. Das Sensorelement 12 ist luftdicht durch das Keramikpulver 76 eingeschlossen.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement 12 und dem Außenraum herzustellen, wie dies z.B. in 1A dargestellt ist, umfasst der Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform ein Einbauelement 90, das einen Buchsen-Kontakt 80 für die Verbindung mit einem Zuleitungsdraht 78, ein zweistückiges Gehäuse 82 aus Keramikmaterial, eine befestigende Metallbefestigung 84, eine Druckfeder 86 sowie einen Stemmring 88 umfasst. Das Einbauelement 90 wird in einen Elektrodenanschlussabschnitt 92 des Sensorelements 12 eingesetzt, und der Außenumfang des Stemmrings 88 wird verstemmt. Somit wird die Druckfeder 86 verschoben, um den Buchsen-Kontakt 80 mit einer vorbestimmten Kraft gegen den Elektrodenanschlussabschnitt 92 zu drücken.
Die Struktur und andere Merkmale der Sensoranordnung 16 sind detailliert in den Japanischen Gebrauchsmuster-Patentveröffentlichungen Nr. 6-37325 und 6-37326 sowie der Japanischen Gebrauchsmuster-Patentoffenlegungsschrift Nr. 2-146362 beschrieben.
Wie in 1A dargestellt ist, umfasst die Schutzabdeckung 14 des Gassensors 10A gemäß der ersten Ausführungsform eine innere Schutzabdeckung 110 und eine äußere Schutzabdeckung 112 aus Metall oder Kunstharz.
Die innere Schutzabdeckung 110 weist einen Öffnungsabschnitt 114 auf, der an ihrem vorderen Ende zum Einbringen des Messgases angeordnet ist. Der Öffnungsabschnitt 114 weist eine rechteckige, rohrförmige Konfiguration mit einer vorbestimmten Länge auf. Ein erweiterter Abschnitt 118 mit einer vorbestimmten Höhe, die eine größere Breite als der Öffnungsabschnitt 114 aufweist, ist einstückig mit einem etwa rechteckigen Stufenabschnitt 116 ausgebildet, der dazwischen angeordnet ist. Ein zylindrischer Abdeckabschnitt 112 ist einstückig am hinteren Teil des erweiterten Abschnitts 118 ausgebildet, wobei ein verjüngter Stufenabschnitt 120 dazwischen angeordnet ist. Der Abdeckabschnitt 122 weist einen Außendurchmesser auf, der etwa gleich groß wie ein Innendurchmesser eines nach vorne hin hohlen Abschnitts des Gehäuses 70 ist. Das hintere Ende des Abdeckabschnitts 122, das nach außen gefaltet ist, um so zwischen einer Stirnfläche der Keramikhalterung 74a der Sensoranordnung 16 und einer Stufenfläche des hohlen Abschnitt des Gehäuses 70 angeordnet zu sein, ist dazu gegenüberliegend angeordnet.
Wie durch die strichliierte Linie in 2 dargestellt ist, ist die vorragende Dimension der vorderen Stirnfläche des Sensorelements 12 größer als die Öffnungsdimension des Öffnungsabschnitts. Die vorragende Dimension ist etwa gleich groß wie oder geringfügig kleiner als eine vorragende Dimension eines Zwischenraums, der durch eine Innenwandfläche des erweiterten Abschnitts 118 definiert und gebildet wird.
Die Dimension des Sensorelements 12 wird im Allgemeinen wie folgt ausgedrückt: Mit Bezug auf die 3 wird die Dimension in die Längsrichtung des Sensorelements 12 als Länge bezeichnet, und die Dimension in die Querrichtung wird als Breite bezeichnet. Mit Bezug auf 4 wird die Dimension in die Schichtrichtung der Festelektrolyte des Sensorelements 12 im Allgemeinen als Höhe bezeichnet. Somit wird in der folgenden Beschreibung die Dimension gemäß der oben angegebenen allgemeinen Bezeichnungen ausgedrückt.
Die äußere Schutzabdeckung 112 ist so ausgebildet, dass sie eine zylindrische, kappenförmige Konfiguration aufweist, wobei ihr vorderer und ihr hinterer Abschnitt dicht geschlossen sind. Der Innendurchmesser der äußeren Schutzabdeckung 112 ist etwa gleich groß wie oder geringfügig kleiner als ein Außendurchmesser eines vorderen kleinen Durchmesserabschnitts 124 des Gehäuses 70 der Sensoranordnung 16. Die äußere Schutzabdeckung 112 wird in den kleinen Durchmesserabschnitt 124 des Gehäuses 70 eingesetzt, um mittels Punktschweißung oder dergleichen befestigt zu werden, so dass die gesamte innere Schutzabdeckung, die im Inneren angeordnet ist, dadurch umhüllt wird. Die äußere Schutzabdeckung 112 weist eine Vielzahl von Gaseinbringungslöchern 126 auf, die durch ihre Seitenfläche hindurch z.B. in einem gleichen Abstand ausgebildet sind.
Wie bereit zuvor beschrieben wurde, ist die innere Schutzabdeckung 110 so befestigt, dass das vordere Ende des Sensorelements 12 umhüllt ist, und die äußere Schutzabdeckung 112 wird so befestigt, dass die innere Schutzabdeckung 110 umhüllt wird. Somit wird ein Zwischenraum (der hierin nachfolgend als "innerer Schutzabdeckungszwischenraum" bezeichnet wird) zwischen dem Sensorelement 12 und der inneren Schutzabdeckung 110 gebildet. Weiters wird ein Zwischenraum 132 (hierin nachfolgend als "äußerer Schutzabdeckungszwischenraum" bezeichnet wird) zwischen der inneren Schutzabdeckung 110 und der äußeren Schutzabdeckung ausgebildet.
In dieser Ausführungsform ist der Innendurchmesser (d.h. die Öffnungsdimension) des Öffnungsabschnitts 114 (rechteckiges Rohr) der inneren Schutzabdeckung 110 so festgelegt, dass sie größer als die Dimension der Gaseinbringungsöffnung 32 (siehe 3) des Sensorelements 12 ist. Der Gasdiffusionswiderstand am Öffnungsabschnitt 114 wird so festgelegt, dass er ausreichend niedriger als der Gasdiftusionswiderstand an der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 ist.
Die Dimension des Öffnungsabschnitts 114 hat etwa eine Breite d von 3 mm, eine Höhe h von etwa 0,8 mm und eine Länge l von etwa 1,5 mm. Anders gesagt bedeutet dies, dass der Öffnungsabschnitt 114 eine solche Konfiguration aufweist, dass ein Kommunikationsdurchlass 134 (siehe 1A) mit einem ausgebildeten Schlitz (Öffnung) 114a von 3 mm × 0,8 mm eine Länge von 1,5 mm aufweist. Somit dringt Kondenswasser kaum ein. Selbst wenn Kondenswasser eindringt, ist die Größe der Wassertropfen extrem klein. Somit ist, selbst wenn das Kondenswasser das vordere Ende des Sensorelements 12 berührt, der dadurch ausgeübte thermische Schock sehr gering. Demgemäß wird kein Riss am Stirnende des Sensorelements 12 ausgebildet.
Der erweiterte Abschnitt 118, der zum Öffnungsabschnitt 114 hin führt, dient dazu, mit Bezug auf den Öffnungsabschnitt 114 zu positionieren und den inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 vom äußeren Schutzabdeckungszwischenraum 132 isolieren zu können. Wird das vordere Ende des Sensorelements 12 entlang der Innenwandfläche des erweiterten Abschnitts 118 eingeschoben, so wird die Position der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 mit der Position des Öffnungsabschnitts 114 der inneren Schutzabdeckung 110 ausgerichtet.
Das Anschlagen des Sensorelements 12 gegen den Stufenabschnitt 116 bewirkt eine vollständige Isolierung des inneren Schutzabdeckungszwischenraums 130 vom äußeren Schutzabdeckungszwischenraum 132. Demgemäß tritt das Messgas, das diffundiert und vom Öffnungsabschnitt 114 zum Sensorelement 12 strömt, nicht in den inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 ein. Somit kann die Konzentration der vorbestimmten Gaskomponente mit guter Reaktionsleistung unter Verwendung des Sensorelements 12 gemessen werden.
Es wird erwünscht, dass das Verhältnis D1/D2 zwischen dem Gasdiffusionswiderstand D1 des Kommunikationsdurchlasses 134 und dem Gasdiffusionswiderstand D2 vom inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 zum Kommunikationsdurchlass 134 mit nicht mehr als 1/5 festgelegt ist. Selbst wenn das vordere Ende des Sensorelements 12 nicht gegen den Schrittabschnitt 116 anschlägt, wird die Reaktionsverzögerung, die ansonsten durch die Diffusion von Gas in den inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 bewirkt wird, beträchtlich verbessert, wenn der Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts 114 (Gasdiftusionswiderstand D1 des Kommunikationsdurchlasses 134) nicht mehr als 1/5 des Gasdiffusionswiderstands (Gasdiffusionswiderstand D2 vom inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 zum Kommunikationsdurchlass 134) des Zwischenraums zwischen dem Sensorelement 12 und dem Öffnungsabschnitt 114 beträgt.
Wenn der Öffnungsabschnitt 114 mit dem inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 kommuniziert, tritt das diffundierte Zulauf-Messgas in den inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 ein, weil der innere Schutzabdeckungszwischenraum 130 über ein großes Volumen verfügt. In einer solcher Situation wird das Messgas, das in das Sensorelement 12 eintritt, verringert und die Reaktion verzögert.
Die Seitenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 weist kein Loch zum Einbringen des Messgases auf. Somit tritt das Messgas nicht direkt mit dem Sensorelement 12 in Kontakt. Demgemäß wird das Sensorelement 12 nicht durch das Messgas gekühlt.
Da die innere Schutzabdeckung 110 eine zylindrische Konfiguration aufweist, ist die Distanz zwischen der Seitenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 und den großen Flächen (Flächen mit großen Flächen wie die Ober- und Unterseiten des Sensorelements 12 in dieser Ausführungsform) des Sensorelements 12 eine lange. Demgemäß wird, selbst wenn die innere Schutzabdeckung 110 durch das Messgas oder dergleichen gekühlt wird, der Wärmeverlust des Sensorelements 12, welcher ansonsten durch Wärmestrahlung und Wärmeströmung hervorgerufen würde, verringert, weil der Abstand zwischen der inneren Schutzabdeckung 110 und den großen Flächen des Sensorelements 12 lang ist, d.h. das Sensorelement 12 weist eine solche Struktur auf, dass es kaum gekühlt werden kann.
Wie bereits zuvor beschrieben wurde, ist die Gaseinbringungsöffnung 32 zum Einbringen des Messgases nicht an der Oberfläche des Sensorelements 12 (auf der Seite der großen Fläche des Sensorelements 12), die der Seitenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 gegenüberliegt, vorgesehen. Die Gaseinbringungsöffnung 32 ist an der Stirnflächenseite des Sensorelements 12 vorgesehen, und der Öffnungsabschnitt 114 der inneren Schutzabdeckung 110 kann direkt mit der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 kommunizieren. Somit wird das Sensorelement 12 kaum gekühlt, und die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von Kondenswasser am Sensorelement 12 ist beträchtlich gering.
Selbst wenn Kondenswasser anhaftet, kann der thermische Schock extrem klein sein, da die Größe der Wassertröpfchen extrem klein ist. Somit werden im Sensorelement 12 keine Risse ausgebildet, wodurch es möglich ist, gleichzeitig den Probleme des Temperaturabfalls des Elements und auch der durch Kondenswasser hervorgerufenen Rissbildung entgegenzuwirken.
Selbst wenn Ölverbrennungsabfall und im Abgas enthaltener Kohlenstoff am Öffnungsabschnitt 114 anhaften, und selbst wenn der Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts 114 erhöht wird, ist es möglich, den Verlust der Empfindlichkeit und der Reaktionsleistung auf ein Minimum zu begrenzen, da der Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts 114 ausreichend niedriger festgelegt wurde als der Gasdiffusionswiderstand des Sensorelements 12.
Als nächstes ist ein Gassensor 10B gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die 6A und 6B beschrieben. Komponenten oder Teile, die jenen entsprechen, die in den 1A und 1B beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 6A und 6B dargestellt ist, weist der Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform in etwa dieselbe Konstruktion auf wie der Gassensor 10A gemäß der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform. Im Gassensor 10B ist der Öffnungsabschnitt 114 der inneren Schutzabdeckung 110 aber nicht rohrförmig, und die Unterseite der inneren Schutzabdeckung 110 weist bloß ein rechteckiges Loch auf. Der Bodenabschnitt (vorderer Stirnabschnitt) der inneren Schutzabdeckung 110 verfügt über keinen Stufenabschnitt und weist eine zusammengedrückte Konfiguration auf. Die Konfiguration des Öffnungsabschnitts 114 weist eine Breite d von etwa 3 mm, eine Höhe h von etwa 0,4 mm und eine Länge l von etwa 0,15 mm (Dicke der inneren Schutzabdeckung 110) auf.
Wie durch die strichliierte Linie in 7 dargestellt, ist im Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform die vorragende Dimension der vorderen Stirnfläche des Sensorelements 12 ebenfalls größer als die Dimension der Öffnung (mit einer schlitzförmigen Konfiguration) des Öffnungsabschnitts 114, welcher etwa gleich groß wie oder geringfügig kleiner als die vorragende Dimension des Zwischenraums ist, der durch die Innenwandfläche des erweiterten Abschnitts 118 definiert und gebildet wird.
In dieser Ausführungsform ist die Höhe h von 0,8 mm auf 0,4 mm verringert, obwohl die Länge des Öffnungsabschnitts 114 0,15 mm beträgt, was kürzer ist als die 1,5 mm des Gassensors 10A gemäß der ersten Ausführungsform. Die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts mit Wassertröpfchen ist im Vergleich zur herkömmlichen Schutzabdeckung (mit Löchern in der Seitenfläche) noch immer extrem gering. Weiters ist auch die Größe der Wassertröpfchen klein. Somit ist es möglich, die Ausbildung von Rissen im Sensorelement 12 wirksam zu unterdrücken.
Die Länge des Öffnungsabschnitts 114 beträgt 1/10, und die Höhe h beträgt im Vergleich zur Schutzabdeckung des Gassensors 10A gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 1A und 1B) 1/2. Somit wird das Verhältnis D1/D2 zwischen den Gasdiffusionswiderstand D1 des Öffnungsabschnitts 114 und des Gasdiffusionswiderstands D2 des Zwischenraums des Öffnungsabschnitts 114 weiters im Vergleich zum Gassensor 10A gemäß der ersten Ausführungsform um 1/5 verringert. Demgemäß ist der Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform in Hinblick auf seine Reaktionsleistung vorteilhaft.
Im Gassensor 10B gemäß der zweiten Ausführungsform werden die Isolierung des inneren Schutzabdeckungszwischenraums 130 vom äußeren Schutzabdeckungszwischenraum 132 sowie die Positionseinstellung zwischen der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 und dem Öffnungsabschnitt 114 auch dadurch sichergestellt, dass das Sensorelement 12 in den vertieften Abschnitt (erweiterten Abschnitt 118), der am Boden der inneren Schutzabdeckung 110 ausgebildet ist, eingesetzt wird.
Als nächstes ist ein Gassensor 10C gemäß einer dritten Ausführungsform in Bezug auf die 8A bis 9 beschrieben. Komponenten und Teile, die jenen entsprechen, die in den 6A und 6B gezeigt wurden, werden mit denselben Bezugsziffern benannt, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 8a und 8B dargestellt ist, weist der Gassensor 10C gemäß der dritten Ausführungsform etwa dieselbe Konstruktion auf wie der Gassensor 10b gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform (siehe 6A und 6B). Erster unterscheidet sich aber von letzterem insofern, als die innere Schutzabdeckung 110 keinen Stufenabschnitt umfasst, d.h. die innere Schutzabdeckung 110 des Gassensors 10C gemäß der dritten Ausführungsform umfasst weder einen Stufenabschnitt noch einen erweiterten Abschnitt 118. Die gesamte innere Schutzabdeckung 110 ist als ein Abdeckungsabschnitt 122 strukturiert, an dessen flachen Bodenabschnitt ein Öffnungsabschnitt 114 ausgebildet ist. Im Gassensor 10C gemäß der dritten Ausführungsform ist, wie dies mithilfe einer strichliierten Linie in 9 dargestellt ist, die vorragende Dimension der vorderen Stirnfläche des Sensorelements 12 größer als die Dimension der Öffnung (mit einer schlitzförmigen Konfiguration) des Öffnungsabschnitts 114 ausgeführt.
Der Stufenabschnitt dient dem Zweck der Positionseinstellung zwischen der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 und dem Öffnungsabschnitt 114 der inneren Schutzabdeckung 110 sowie der Isolierung des inneren Schutzabdeckungszwischenraums 130 vom äußeren Schutzabdeckungszwischenraum 132, wie dies oben ausgeführt wurde. Wie aber in den 8A und 8B veranschaulicht ist, kann der Zweck auch erreicht werden, indem einfach die vordere Stirnfläche des Sensorelements 12 gegen die Bodenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 schlagen kann, selbst wenn der Stufenabschnitt, wie oben beschrieben, nicht vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform kann die Dimension des Öffnungsabschnitts 114 der inneren Schutzabdeckung 110 unter Berücksichtigung der Verteilung der Anordnungsposition des Sensorelements 12 größenmäßig festgelegt werden.
Im Gassensor 10C gemäß der dritten Ausführungsform beträgt die Positionsverteilung am vorderen Ende des Sensorelements 12 ±0,3 mm. Somit wird die Dimension des Öffnungsabschnitts 114 mit 0,6 mm × 2,0 mm in Bezug auf die Größe (0,15 mm × 0,5 mm) der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12 festgelegt. Selbst wenn die Position des Sensorelements 12 verteilt wird, ändert sich das Verhältnis zwischen dem Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts 114 und des Gasdiffusionswiderstands des Sensorelements 12 nicht.
Als nächstes ist ein Gassensor 10D gemäß einer vierten Ausführungsform mit Bezug auf die 10A und 11 beschrieben. Komponenten oder Teile, die jenen entsprechen, die in den 1A und 1B beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 10A und 10B dargestellt ist, weist der Gassensor 10D gemäß der vierten Ausführungsform eine etwa gleiche Konstruktion wie der Gassensor 10A gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform (siehe 1A und 1B) auf. Erster unterscheidet sich vom letzteren aber insofern, als ein Öffnungsabschnitt 114 der inneren Schutzabdeckung 110 aus einem anderen Element besteht und zwei Reihen an Gaseinbringungslöchern 126 durch die Seitenfläche der äußeren Schutzabdeckung 112 gebildet werden. Die zwei Reihen an Gaseinbringungslöchern 126 sind wie folgt angeordnet: Die oberen Gaseinbringungslöcher 126a bestehen aus sechs Löchern mit einem Durchmesser von 2 mm, die jeweils gleich voneinander beabstandet sind. Die unteren Gaseinbringungslöcher 126b bestehen aus acht Löchern mit einem Durchmesser von 2,5 mm, die jeweils. gleich voneinander beabstandet sind.
Die gesamte innere Schutzabdeckung 110 ist als ein Abdeckungsabschnitt 122 auf dieselbe Weise wie der Gassensor 10C gemäß der dritten, in 8A dargestellten Ausführungsform ausgebildet, und zwar mit einer solchen Struktur, dass ein Durchgangsloch 136 an einem flachen Abschnitt an seinem Boden ausgebildet ist.
Der Öffnungsabschnitt 114, der aus dem anderen Element besteht, umfasst einen Haupt-Öffnungskörperabschnitt 114a mit einer rechteckigen, rohrförmigen Konfiguration, sowie einem Flanschabschnitt 114b zur Befestigung des Haupt-Öffnungskörperabschnitts 114 an der äußeren Bodenfläche der inneren Schutzabdeckung 110. Die Länge des Öffnungsabschnitts 114 beträgt etwa 2,0 mm.
Der Öffnungsabschnitt 114 ist an der inneren Schutzabdeckung 110 wie folgt befestigt: Der Öffnungsabschnitt 114 wird an der inneren Schutzabdeckung 110 befestigt, indem die innere Schutzabdeckung 110 an der Sensoranordnung 16 angeordnet wird, wonach der Haupt-Öffnungskörperabschnitt 114, der aus dem anderen Element besteht, in den vorderen Endabschnitt des Sensorelements 12, das vom Boden der inneren Schutzabdeckung 110 nach außen hin vorragt, eingeschoben wird, und indem der Flanschabschnitt 114b an der äußeren Bodenfläche der inneren Schutzabdeckung 110, z.B. mittels Schweißen, befestigt wird. Danach wird die äußere Schutzabdeckung 112 in den kleinen Durchmesserabschnitt 124 des Gehäuses eingeschoben und danach angeschweißt.
Wie in 11 dargestellt ist, weist der Öffnungsabschnitt 114 z.B. eine solche Innendimension auf, dass sich ein Zwischenraum von 0,05 mm auf einer Seite in Bezug auf die Außendimension des Sensorelements 12 ergibt, und er wird unmittelbar angrenzend an das Sensorelement 12 über eine Länge von 1,5 mm positioniert.
Die Außendimension des Sensorelements 12 beträgt 4,2 mm × 1,2 mm. Der Gasdiffusionswiderstand (1/D) × (L/S) des unmittelbar angrenzenden Abschnitts beträgt wie folgt: (1/D) × (1,5/(4,2 + 1,2 + 4,2 + 1,2) × 0,05)) = 2,78/Dworin D den Diffusionskoeffizienten des Messgases darstellt.
Andererseits liegt die Innendimension des Öffnungsabschnitts 114 in einer Konfiguration, in welcher ein Schlitz mit einer Dimension von 4,3 mm × 1,3 mm über eine Länge von 2,0 mm ausgebildet ist. Der Gasdiffusionswiderstand (1/D) × (L/S) beträgt wie folgt: (1/D) × (2,0/(4,3 × 1,3)) = 0,36 /D
Das Gasdiffusionswiderstandsverhältnis beträgt 2,78D/0,36D ≈ 7,7. Der Gasdiffusionswiderstand von der inneren Schutzabdeckung 110 zum Sensorelement 12 wird mit dem etwa 8fachen festgelegt. Somit tritt beinahe das gesamte Messgas in das Sensorelement 12 ein, und das Messgas tritt kaum in den inneren Schutzab deckungszwischenraum 130 ein. Der innere Schutzabdeckungszwischenraum 130 ist im Wesentlichen vom äußeren Schutzabdeckungszwischenraum 132 isoliert.
Gemäß dieser Struktur kann die Positionsverteilung des Sensorelements 12 leicht aufgelöst werden, da der Öffnungsabschnitt 114 aus dem anderen Element besteht. Weiters ist es z.B. möglich, die Länge und die Öffnungsfläche des Öffnungsabschnitts 114 ohne Beschränkung festzulegen. Demgemäß wird der Freiheitsgrad der Konstruktion des Öffnungsabschnitts 114 erhöht. So kann z.B. die Länge vergrößert werden, ohne dabei den Gasdiffusionswiderstand zu erhöhen, indem die Öffnungsfläche des Einlassabschnitts des Öffnungsabschnitts 114 erhöht und die Länge des Öffnungsabschnitts 114 vergrößert wird. Somit ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung von Kondenswasser weiter zu senken.
Es ist möglich, den Gassensor so zu konstruieren und herzustellen, dass der Gasdiffusionswiderstand des Isolationszwischenraums (Abstandsabschnitt zwischen dem Sensorelement 12 und dem Öffnungsabschnitt 114) einen ausreichend großen Wert aufweist.
Andererseits werden die Gaseinbringungslöcher 126 der äußeren Schutzabdeckung 112 in zwei Reihen wie folgt ausgebildet: Die oberen Gaseinbringungslöcher 126a bestehen aus sechs Löchern mit einem Durchmesser von 2 mm, die voneinander gleich beabstandet sind. Die unteren Gaseinbringungslöcher 126b bestehen aus acht Löchern mit einem Durchmesser von 2,5 mm, die alle gleich voneinander beabstandet sind.
Demgemäß strömt das Messgas (Abgas) vertikal nach unten, wie dies durch einen Pfeil in 10A dargestellt ist. Somit gibt es kaum hervorgerufene Anhaftung von Teilchen wie Ölverbrennungsabfall und Kohlenstoff am Einlassabschnitt des Öffnungsabschnitts 114.
Es ist anzumerken, dass die Gasdurchflussrate im Auspuff eine Verteilung aufweist, bei welcher die Gasdurchflussrate in der Mitte schnell und an den Abschnitten, die in die Richtung zur Innenwandfläche hin abweichen, langsam ist. Somit ist die Durchflussrate des Gases, das durch die unteren Gaseinbringungslöcher 126b hindurchgeht, schneller als die Durchflussrate des Gases, das durch die oberen Gaseinbringungslöcher 126a hindurchgeht, was, wie in 10A dargestellt, einen negativen Druck ergibt. Demgemäß scheint ein Gasfluss in eine Richtung von den oberen Gaseinbringungslöchern 126a zu den unteren Gaseinbringungslöchern 126b zu verlaufen. Weiters wird in der in 10A dargestellten Ausführungsform der Durchmesser ebenso wie die Anzahl an oberen Gaseinbringungslöchern 126a im Vergleich zum Durchmesser der unteren Gaseinbringungslöcher 126b verringert. Somit wird wirksam der Gasfluss, der in die Richtung nach unten ausgerichtet ist, erzeugt, d.h. die unteren Gaseinbringungslöcher 126 dienen als Gasausstoßlöcher.
Als nächstes ist ein Gassensor 10E gemäß einer fünften Ausführungsform mit Bezug auf die 12A bis 13 beschrieben. Komponenten oder Teile, die jenen entsprechen, die in den 10A und 10B beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 12A, 12B und 13 dargestellt ist, weist der Gassensor 10E gemäß der fünften Ausführungsform etwa dieselbe Konstruktion wie der Gassensor 10D gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform auf. Erster unterscheidet sich aber vom letzteren in Bezug auf die folgenden Punkte:
Das vordere Ende des Sensorelements 12 ist an einer Position angeordnet, die tiefer als der Boden der inneren Schutzabdeckung 110 liegt, und ein Öffnungsabschnitt 114, der aus einem anderen Element besteht, ist zwischen einem Durchgangsloch (nicht dargestellt) der inneren Schutzabdeckung 110 und dem vorderen Ende des Sensorelements 12 befestigt. Anders gesagt ist der Öffnungsabschnitt 114 in eine entgegengesetzte Richtung als im Gassensor 10D gemäß der vierten Ausführungsform (siehe 10A und 10B) bereitgestellt.
Die innere Schutzabdeckung 110 verfügt insgesamt über einen großen Durchmesser, wobei ein Flanschabschnitt 110a an ihrem hinteren Ende (Endabschnitt auf der Seite des Gehäuses) angeordnet ist. Der Flanschabschnitt 110a ist an der Bodenfläche des Gehäuses 70 befestigt, so z.B. angeschweißt. Gaseinbringungslöcher 126 (obere Gaseinbringungslöcher 126a und untere Gaseinbringungslöcher 126b) der äußeren Schutzabdeckung 112 sind im Allgemeinen auf der Seite des Gehäuses 70 angeordnet. Ein Gasausstoßloch 128 ist durch den Boden (Vorderabschnitt) der äußeren Schutzabdeckung 112 ausgebildet.
Der Einlassabschnitt des Öffnungsabschnitts 114 kann an einer nach oben ausgerichteten Position festgelegt werden, indem der Öffnungsabschnitt 114 in die entgegengesetzte Richtung angeordnet wird, wodurch es möglich ist, den Abstand zur äußeren Schutzabdeckung 112 zu verlängern. Demgemäß wird Kondenswasser, das ansonsten aufgrund von Oberflächenspannung gespeichert wird, kaum zwischen dem Öffnungsabschnitt 114 und der äußeren Schutzabdeckung 112 gespeichert. Weiters ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass Kondenswasser, das verstreut und über das Gasausstoßloch 128, das durch den Boden der äußeren Schutzabdeckung 112 vorgesehen ist, eingetreten ist, am Öffnungsabschnitt 114 ankommt.
Die unteren Gaseinbringungslöcher 126b der äußeren Schutzabdeckung 112 sind an den Positionen angeordnet, die der Seitenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 gegenüberliegen. Somit kommt das Kondenswasser, das verstreut und über die Gaseinbringungslöcher (obere Gaseinbringungslöcher 126a und untere Gaseinbringungslöcher 126b) der äußeren Schutzabdeckung 112 eingetreten ist, kaum mit dem Öffnungsabschnitt 114 in Kontakt, wodurch sich die Wirkung ergibt, dass die Wahrscheinlichkeit der Anhaftung an das Sensorelement 12 weiter verringert wird.
Der Öffnungsabschnitt 114 ist gegenüber der Atmosphäre des Messgases nicht direkt freigelegt. Somit werden Teilchen wie Ölverbrennungsabfall kaum im Öffnungsabschnitt 114 gespeichert.
Das Gasausstoßloch 128 ist durch den Boden der äußeren Schutzabdeckung 112 vorgesehen. Somit ist die Gasdurchflussrate an der Außenfläche der äußeren Schutzabdeckung 112 schnell, wodurch sich ein negativer Druck ergibt. Demgemäß wird ein Strom an Messgas, der vertikal nach unten gelenkt wird, erzeugt. Somit ist es möglich, die Anhaftung von Teilchen wie Ölverbrennungsabfall sowie die Anhaftung von Kondenswasser wirksam zu reduzieren.
Da die innere Schutzabdeckung 110 einen großen Innendurchmesser hat, ist es möglich, den Temperaturabfall des Elements, der ansonsten z.B. durch Wärmestrahlung oder -strömung vom Sensorelement 12 hervorgerufen würde, zu unterdrücken.
Als nächstes ist ein Gassensor 10F gemäß einer sechsten Ausführungsform mit Bezug auf die 14A und 15 beschrieben. Komponenten oder Teile, die jenen entsprechen, die in den 1A und 1B beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 14A, 14B und 15 dargestellt ist, unterscheidet sich der Gassensor 10F gemäß der sechsten Ausführungsform von den Gassensoren gemäß den vorangegangenen Ausführungsformen (Gassensoren 10A bis 10E gemäß den ersten bis fünften Ausführungsformen), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzabdeckung nur aus einer inneren Schutzabdeckung 110 besteht, und dass es keine äußere Schutzabdeckung 112 gibt.
In dieser Ausführungsform ist die innere Schutzabdeckung 110 so ausgebildet, dass sie eine etwa zylindrische, kappenförmige Konfiguration mit einer Vertiefung 138 aufweist, die über einen vorbestimmten Durchmesser verfügt und die an deren vorderen mittleren Abschnitt (Mittelabschnitt des Bodens) ausgebildet ist, sowie ein hinteres Ende, das offen ist. Der Innendurchmesser der inneren Schutzabdeckung 110 ist etwa gleich groß wie oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des vorderen kleinen Durchmesserabschnitts 124 des Gehäuses 70 der Sensoranordnung 16. Das Sensorelement 12, das im Inneren angeordnet ist, wird von der inneren Schutzabdeckung 110 umhüllt, indem diese in den kleinen Durchmesserabschnitt 124 des Gehäuses 70 zur Befestigung eingesetzt wird.
Das Sensorelement 12 weist, wie der Gassensor 10E gemäß der fünften Ausführungsform, ein vorderes Ende auf, das an einer Position angeordnet ist, die tiefer als der Boden der inneren Schutzabdeckung 110 (Boden der Vertiefung 138 in dieser Ausführungsform) angeordnet ist. Ein Öffnungsabschnitt 114, der aus einem anderen Element besteht, wird z.B. mittels Schweißung zwischen einem Durchgangsloch 140, das an der Bodenmitte der Vertiefung 138 ausgebildet ist, und dem vorderen Ende des Sensorelements 12 befestigt.
Im Gassensor 10F gemäß der fünften Ausführungsform weist die Schutzabdeckung eine einzelne Struktur auf, die nur die innere Schutzabdeckung 110 umfasst. Somit wird befürchtet, dass der Temperaturabfall des Elements aufgrund von Abgas, das direkt mit der Schutzabdeckung 110 in Kontakt kommen kann, ausgelöst wird. Der Innendurchmesser der inneren Schutzabdeckung 110 ist unter den inneren Schutzabdeckungen 110 der Gassensoren 10A bis 10E gemäß den vorangegangenen Ausführungsformen der größte. Somit weist der Gassensor 10F gemäß der fünften Ausführungsform eine Struktur auf, in welcher der Temperaturabfall des Elements, der ansonsten durch Wärmestrahlung und -strömung hervorgerufen wird, unterdrückt wird.
Im Gassensor 10F gemäß der sechsten Ausführungsform ist die innere Schutzabdeckung 110 mit der Vertiefung 138 an ihrem Boden versehen und weist eine Struktur auf, in welcher der Öffnungsabschnitt 114 an der Vertiefung 138 befestigt ist. Somit verfügt der Zulaufdurchlass des Messgases über eine Querschnittsfläche, die in der Nähe des Einfasses der Vertiefung 138 groß und am Öffnungsabschnitt 114 klein ist. Weiters ist der Zulaufdurchlass als Ganzes lang. Demgemäß wird der Gasdiffusionswiderstand am Öffnungsabschnitt 114 niedriger gehalten als der Gasdiffusionswiderstand an der Gaseinbringungsöffnung 32 des Sensorelements 12, und zwar auf dieselbe Art und Weise wie bei den Gassensoren 10A bis 10E gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform.
Wie zuvor beschrieben wurde, ist der Abstand von der unmittelbaren Umgebung des Einlasses der Vertiefung 138 zum Sensorelement 12 lang. Somit kommt Kondenswasser kaum in diesem Ausmaß damit in Kontakt. Und da der Öffnungsabschnitt 114 am tiefen Abschnitt der Vertiefung 138 angeordnet ist, besitzt der Gassensor 10F gemäß der sechsten Ausführungsform weiters das Merkmal, dass Teilchen wie Ölverbrennungsabfall kaum am Öffnungsabschnitt 114 anhaften.
Anders gesagt arbeitet der Gassensor 10F gemäß der sechsten Ausführungsform wie folgt: Obwohl die Schutzabdeckung 14 eine einfache Struktur aufweist, d.h. eine einzelne Struktur, sind Gegenmaßnahmen gegen Kondenswasser und Temperaturabfall des Elements bei Erhaltung von guter Reaktionsleistung bereitgestellt. Darüber hinaus wird der Gassensor 10F kaum durch die Anhaftung von Teilchen wie Ölverbrennungsabfall und Kohlenstoff beeinflusst.
Als nächstes ist ein Gassensor 10G gemäß einer siebten Ausführungsform mit Bezug auf die 16A und 17 beschrieben. Komponenten oder Teile, die jenen entsprechen, die in den 12A und 12B beschrieben wurden, werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet, auf eine doppelte Beschreibung dieser wird verzichtet.
Wie in den 16A, 16B und 17 dargestellt ist, weist der Gassensor 10G gemäß der siebten Ausführungsform etwa dieselbe Konstruktion wie der Gassensor 10E gemäß der oben beschriebenen fünften Ausführungsform (siehe 12A und 12B) auf. Erster unterscheidet sich aber von letzterem insofern, als vier Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 mm (Seitenlöcher 142a) durch die Seitenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 bereitgestellt sind, die jeweils gleich voneinander beabstandet sind, und dass drei Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 mm (Bodenlöcher 142b) ebenfalls durch die Bodenfläche der Schutzabdeckung 110 bereitgestellt sind, die ebenfalls gleich voneinander beabstandet sind.
Der Gassensor 10G gemäß der siebten Ausführungsform ist wirksam, wenn es kein ausreichendes Verhältnis D1/D2 zwischen dem Gasdiffusionswiderstand D1 des Kommunikationsdurchlasses 134 und dem Gasdiffusionswiderstand D2 vom inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 zum Kommunikationsdurchlasse 134 gibt, oder wenn es kein ausreichendes Verhältnis D1/D2 zwischen dem Gasdiffusionswiderstand D1 des Öffnungsabschnitts 114 und dem Gasdiffusionswiderstand D2 des Zwischenraums zwischen dem Sensorelement 12 und dem Öffnungsabschnitt 114 (das hierin nachfolgend einfach als "Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis" bezeichnet wird) gibt.
D.h., selbst wenn das Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis D1/D2 klein ist, ist es möglich, eine Reaktionsverzögerung zu verhindern, da der Gassensor 10G eine Struktur hat, in welcher das Messgas auch in den inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 eindringt. Die Seitenlöcher 142a und die Bodenlöcher 142b, die durch die Seitenfläche und die Bodenfläche der inneren Schutzabdeckung 110 vorgesehen sind, haben einen Durchmesser von 0,5 mm bzw. sind klein. Somit wird der Einfluss auf den Temperaturabfall des Elements verringert.
In Zusammenhang mit Kondenswasser sind sowohl die Seitenlöcher 142a als auch die Bodenlöcher 142b an Positionen angeordnet, die von den Gaseinbringungslöchern 126 und dem Gasausstoßloch 128 der äußeren Schutzabdeckung 112 abweichen, und es handelt sich dabei um kleine Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Somit kommen Wassertröpfchen kaum mit dem Sensorelement 12 in Kontakt, und sie sind auch nur sehr klein. Demgemäß ist es möglich, den thermischen Schock zu minimieren, der auf das Sensorelement 12 ausgeübt werden kann.
Wie bereits zuvor ausgeführt wurde, ermöglichen es die Gassensoren 10A bis 10G gemäß der ersten bis siebten Ausführungsform, gleichzeitig die Gegenmaßnahme gegen Kondenswasser, die Gegenmaßnahme gegen den Temperaturabfall des Elements und die Gegenmaßnahme gegen eine Verringerung der Reaktionsleistung, die durch die Anhaftung von Teilchen hervorgerufen wird, zu ergreifen und gleichzeitig die Reaktionsleistung sicherzustellen.
Im Fall von Automobilen ist z.B. die folgende Umgebung gegeben. Kondenswasser wird erzeugt, die Gasdurchflussrate variiert in einem Bereich von geringer bis hoher Geschwindigkeit stark und somit variiert die Umgebung hinsichtlich des Temperaturabfalls des Elements stark. Zusätzlich dazu kommen z.B. Teilchen wie Ölverbrennungsabfall und Kohlenstoff zum Gassensor. Selbst in der schwierigen Umgebung mancher Sensorenarten ermöglicht es die vorliegende Erfindung, den dadurch ausgeübten Einfluss auf ein Minimum zu beschränken, was aus industriellem Gesichtspunkt als besonders wirksam anzusehen ist.
In den Gassensoren 10A bis 10G gemäß der oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsform kann der Isolationszwischenraum zwischen dem inneren Schutzabdeckungszwischenraum 130 und dem Kommunikationsdurchlass 134 mit einem hitzebeständigen Füllstoff wie Glas, Keramikzement, Glaswolle und Metallgitter (wird durch Pressung und Erhärtung von Metalldraht erhalten) befüllt werden. In dieser Ausführungsform ist es möglich, das Isolationsgasdiffusionswiderstandsverhältnis weiter zu senken.
Wenn die Öffnungsbreite des Öffnungsabschnitts 114 groß ist, kann der Öffnungsabschnitt 114 mit einem porösen Material befüllt werden. In dieser Ausführungsform kann der Öffnungsabschnitt 114 z.B. mit einem porösen Metall, einem Metallgitter, porösem Keramikmaterial und Glaswolle befüllt werden. Demgemäß ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit weiter zu verringern, dass Kondenswasser mit dem Sensorelement in Kontakt kommt.
Wie bereits zuvor erklärt wurde, stellt die vorliegende Erfindung den Gassensor bereit, der das Sensorelement zum Messen der im eingebrachten Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente und die Schutzabdeckung umfasst, die so angeordnet ist, dass sie das Sensorelement umhüllt. Der Gassensor umfasst das Sensorelement, das die Gaseinbringungsöffnung aufweist, die an der vorderen Stirnfläche dieser angeordnet ist, um das Messgas einzubringen; wobei die Schutzabdeckung den Öffnungsabschnitt aufweist, der mit der Gaseinbringungsöffnung in Kommunikation steht; und wobei der Schutzabdeckungszwischenraum zwischen der Schutzabdeckung und dem Sensorelement ausgebildet ist, wobei der Schutzabdeckungszwischenraum vom Kommunikationsdurchlass, der die Kommunikation zwischen dem Öffnungsabschnitt der Schutzabdeckung und der Gaseinbringungsöffnung des Sensorelements herstellt, isoliert ist. Das Messgas diffundiert und strömt in erster Linie vom Öffnungsabschnitt in die Gaseinbringungsöffnung des Sensorelements.
Demgemäß wird die Wirkung erhalten, dass es möglich ist, gleichzeitig den Temperaturabfall des Elements und die durch das Kondenswasser hervorgerufene Rissbildung zu lösen und die vorbestimmte Gaskomponente sehr genau zu messen.

Claims

Gassensor umfassend ein Sensorelement (12) zum Messen einer in einem einzubringenden Messgas enthaltenen vorbestimmten Gaskomponente und eine erste Schutzabdeckung (110), die zum Umhüllen des Sensorelements (12) angeordnet ist, wobei der Gassensor Folgendes umfasst: das Sensorelement (12) mit einer Gaseinbringungsöffnung (32), die an der vorderen Stirnfläche desselben zur Einführung des Messgases in dasselbe angeordnet ist, und zudem mit Seitenflächen, die sich von der vorderen Stirnfläche weg erstrecken; die erste Schutzabdeckung (110) mit einem Öffnungsabschnitt (114), der einen Kommunikationsdurchlass (134) in Kommunikation mit der Gaseinbringungsöffnung (32) umfasst, der die Gasdiffusion in die Gaseinbringungsöffnung (32) von außerhalb der Schutzabdeckung (110) ermöglicht; und einen Schutzabdeckungszwischenraum (130), der zwischen der ersten Schutzabdeckung (110) und den Seitenflächen des Sensorelements (12), angrenzend an die vordere Stirnfläche desselben, ausgebildet ist; worin entweder (i) der Schutzabdeckungszwischenraum (130) vom Kommunikationsdurchlass (134) isoliert ist oder (ii), wenn der Gasdiffusionswiderstand des Kommunikationsdurchlasses (134) D1 ist und der Gasdiffusionswiderstand zwischen dem Schutzabdeckungszwischenraum (130) und dem Kommunikationsdurchlass (134) D2 ist, das Verhältnis D1/D2 zwischen den Gasdiffusionswiderständen nicht mehr als 1/5 ist; wobei das Messgas in erster Linie vom Öffnungsabschnitt (114) in die Gaseinbringungsöffnung (32) des Sensorelemnts (12) diffundiert und strömt.
Gassensor nach Anspruch 1, worin die Stirnfläche des Gassensorelements (12) an die erste Schutzabdeckung (110) stößt.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, worin der Schutzabdeckungszwischenraum (130) mit einem Füllstoff gefüllt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, weiters umfassend eine zweite äußere Schutzabdeckung (112), die die erste Schutzabdeckung (110) umgibt und einen äußeren Schutzzwischenraum (132) zwischen der ersten (110) und der äußeren Schutzabdeckung (112) bereitstellt, worin zumindest ein Loch (126) zur Kommunikation für zumindest ein Messgas mit dem äußeren Schutzzwischenraum (132) durch eine Seitenfläche und/oder durch eine untere Oberfläche der äußeren Schutzabdeckung (112) hindurch bereitgestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 4, worin ein Gasausstoßloch (128) für das Messgas durch einen Boden der äußeren Schutzabdeckung (112) hindurch bereitgestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 5, worin eine Vielzahl an Gasausstoßlöchern (128) für das Messgas mit jeweils einem Durchmesser von nicht mehr als 2 mm durch einen Boden der äußeren Schutzabdeckung (112) hindurch bereitgestellt ist.
Gassensor nach Anspruch 4, worin: das Gasausstoßloch (128) für das Messgas durch einen Boden der äußeren Schutzabdeckung (112) hindurch bereitgestellt ist; und das Gasausstoßloch (128) an einer Stelle bereitgestellt ist, die nicht gegenüber dem offenen Abschnitt (114) liegt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Gasdiffusionswiderstand des Öffnungsabschnitts (114) nicht mehr als 1/10 des Gasdiffusionswiderstands des Sensorelements (12) beträgt.
Gassensor nach Anspruch 1, worin eine Länge des Öffnungsabschnitts (114) in eine sich zum Sensorelement (12) hin erstreckende Richtung größer als das 1,5-fache der Öffnungsweite des Öffnungsabschnitts (114) ist.
Gassensor nach Anspruch 1, worin eine Öffnung (114a) des Öffnungsabschnitts (114) eine schlitzförmige Konfiguration mit einer Breite von nicht mehr als 1 mm aufweist.
Gassensor nach Anspruch 1, worin der Öffnungsabschnitt (114) mit einem porösen Material gefüllt ist.
Gassensor nach Anspruch 8, worin der Öffnungsabschnitt (114) aus einem Teil besteht, das anders ist als jenes für die Schutzabdeckung (14).
Gassensor nach Anspruch 12, worin: ein Vertiefung (138) am Boden der Schutzabdeckung (14) bereitgestellt ist; und der Öffnungsabschnitt (114) an dieser Vertiefung (138) bereitgestellt ist.