DE69837023T2

DE69837023T2 - NOx Sensor

Info

Publication number: DE69837023T2
Application number: DE69837023T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Ichinomiya-shi Miyata; Masashi Nishikasugai-gun Ando; Hiroshi Kamaki-shi Inagaki; Noboru Kakamigahara-shi Ishida; Takafumi Nagoya-shi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: EP0869356A2; EP0869356B1; DE69837023D1; EP0869356A3; US6224727B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen NO_x-Sensor zum Messen der Konzentration von Stickoxiden.
NO_x-Sensoren zum Messen der Konzentration von Stickoxiden (NO_x), enthalten in Gasen, die analysiert werden sollen (nachstehend "ein Meßgas" genannt), sind offenbart, z.B. in der offengelegten Europäischen Patentanmeldung Nr. 0678740A1 und der SAE Veröffentlichung Nr. 960334, Seiten 137–142, 1996. Ein NO_x-Sensor gemäß der Präambel von Anspruch 1 ist in EP-A-0 845 670 beschrieben. Solche herkömmlichen NO_x-Sensoren sind aus sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschichten zusammengesetzt, die einen ersten Meßraum und einen zweiten Meßraum bilden. Der erste Meßraum kommuniziert mit einem Meßgas über eine erste Diffusionskontrollschicht und der zweite Meßraum kommuniziert mit dem ersten Meßraum über eine zweite Diffusionskontrollschicht. Darüberhinaus ist die Festelektrolytschicht des ersten Meßraumes zwischen porösen Elektroden eingefügt, um eine erste Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle zu bilden. Auch die Festelektrolytschicht des zweiten Meßraumes ist zwischen porösen Elektroden eingefügt, um eine zweite Sauerstoffpumpzelle zu bilden.
In dem so aufgebauten NO_x-Sensor ist die erste Sauerstoffpumpzelle so mit Strom versorgt, dass eine Ausgangsspannung von der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle einen vorbestimmten Wert erreicht, um dadurch Sauerstoff aus dem ersten Meßraum auszupumpen und so die Sauerstoffkonzentration im ersten Meßraum auf ein konstantes Niveau zu regeln. Gleichzeitig wird eine konstante Spannung an die zweite Sauerstoffpumpzelle angelegt, um dadurch Sauerstoff aus dem zweiten Meßraum auszupumpen. Demzufolge kann die NO_x-Konzentration des Meßgases durch Messen des Stromes, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle fließt (nachstehend bezeichnet als " zweiter Pumpstrom"), erhalten werden.
Ein Meßgas, beispielsweise Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine oder ähnlichem, enthält andere Gasbestandteile als NO_x, wie Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Deshalb wird im vorstehend genannten NO_x-Sensor der Strom (nachstehend bezeichnet als " erster Pumpstrom") zuerst an die erste Sauerstoffpumpzelle angelegt, um dadurch den Großteil des Sauerstoffs aus einem Meßgas zu pumpen, das im ersten Meßraum enthalten ist. Dann wird im zweiten Meßraum, in welchen das vom Sauerstoff befreite Meßgas strömt, im Meßgas enthaltenes NO_x mittels der katalysierenden Funktion der zweiten Sauerstoffpumpzelle in Stickstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der so erzeugte Sauerstoff wird dann aus dem zweiten Meßraum ausgepumpt. So kann die NO_x-Konzentration des Meßgases durch Messen des zweiten Pumpstroms erhalten werden, ohne durch andere Gaskomponenten, die im Meßgas enthalten sind, beeinflußt zu werden.
Um die NO_x-Konzentration durch Anwenden des oben beschriebenen NO_x-Sensors genau zu messen, muss der NO_x-Sensor auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur (z.B. 800°C oder höher) erhitzt werden, um die Pumpzellen zu aktivieren. Demgemäß ist der NO_x-Sensor mit einem Heizer ausgestattet und der Strom, der dem Heizer zugeführt wird, wird so geregelt, dass er die Temperatur des NO_x-Sensors auf ein vorbestimmtes Niveau regelt.
Jedoch muss in einem herkömmlichen NO_x-Sensor die NO_x-Konzentration, die aus dem zweiten Pumpstroms erhalten wird, entsprechend sachgerecht abgeglichen werden, um eine genaue Messung zu liefern. Dies erfordert ein komplexes Signalverarbeitungssystem mit einem daraus entstehenden Anwachsen der Kosten des Nachweisgerätes. Die oben erwähnten Probleme werden untenstehend im Detail beschrieben.
Entsprechend dem Designkonzept eines herkömmlichen NO_x-Sensors wird Sauerstoff durch Verwenden der ersten Sauerstoffpumpzelle aus dem ersten Meßraum gepumpt, um das Meßgas, das im ersten Meßraum enthalten ist, auf einem sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationsniveau einzuregeln. Demzufolge enthält das Meßgas, das in den zweiten Meßraum strömt im Wesentlichen nur NO_x. Durch Aufspalten des Meßgases in Stickstoff und Sauerstoff durch die katalysierende Funktion der zweiten Pumpzelle kann die NO_x-Konzentration aus dem zweiten Pumpstroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle fließt, erhalten werden.
Tatsächlich aber kann, wenn die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt ist, dass die Konzentration von im ersten Meßraum enthaltenem Sauerstoff im Wesentlichen null wird (theoretisch ein Partialdruck von ungefähr 10^–9 atm), die NO_x-Konzentration nicht aus dem zweiten Pumpstrom erhalten werden. Deshalb muss, um die NO_x-Konzentration mit einer relativ hohen Erkennungsempfindlichkeit bei Gebrauch eines herkömmlichen NO_x-Sensors zu messen, die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt sein, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, so niedrig wie ungefähr 1000 ppm wird.
Ein Grund wurde vorgeschlagen, warum die NO_x-Konzentration nicht mit einer guten Erkennungsempfindlichkeit erhalten werden kann, wenn die Sauerstoffkonzentration im ersten Meßraum im Wesentlichen auf null geregelt wird. Nämlich, als Ergebnis des Regelns des ersten Pumpstroms wird die NO_x Komponente eines Meßgases, das im ersten Meßraum enthalten ist, aufgespalten. Folglich enthält das Meßgas, das in den zweiten Meßraum strömt, NO_x nicht in einer Menge, die die gleiche ist, wie die, die im realen Meßgas, das analysiert werden soll, enthalten ist.
Demgemäß schwankt, wenn die NO_x-Konzentration aus dem zweiten Pumpstrom erhalten wird während die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt ist, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, so niedrig wie ungefähr 1000 ppm wird, der zweite Pumpstrom in Übereinstimmung mit der NO_x-Konzentration des Meßgases. Jedoch wird auch der zweite Pumpstrom durch die Sauerstoffkonzentration des Meßgases beeinflußt. Dies ist so, weil das Meßgas, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, nicht nur NO_x sondern auch Sauerstoff enthält. Demzufolge versagen herkömmliche NO_x-Sensoren beim Anzeigen der tatsächlichen NO_x-Konzentration. Dies ist so, weil die so erhaltene NO_x-Konzentration durch die Sauerstoffkonzentration des Messgases, die um den NO_x-Sensor herum vorliegt, beeinflußt wird.
Dieses Problem kann gelöst werden, zum Beispiel durch Messen der Sauerstoffkonzentration des Meßgases, das um den Sensor vorliegt, basierend auf dem ersten Pumpstrom und Abgleichen der erhaltenen NO_x-Konzentration entsprechend der gemessenen Sauerstoffkonzentration. Das heißt, der erste Pumpstrom wird so geregelt, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Auch ist der Wert des ersten Pumpstroms proportional zur Sauerstoffkonzentration des Meßgases, das um den NO_x-Sensor herum vorliegt. Deshalb kann durch Erhalten der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre aus dem ersten Pumpstrom und Abgleichen der gemessenen NO_x-Konzentration eine genaue NO_x-Konzentration erhalten werden.
Jedoch, um die gemessene NO_x-Konzentration durch Erhalten der Sauerstoffkonzentration des Meßgases, wie oben beschrieben, abzugleichen, sind zusätzliche Abgleichmittel erforderlich, die zu einem Anwachsen der Kosten des Nachweisgerätes führen. Die vorliegende Erfindung ist in Hinsicht auf die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik geschaffen worden. Deshalb ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Beeinträchtigungen und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dieses Ziel wird durch einen NO_x-Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren ersichtlich. Die Ansprüche sind als ein erster, nicht einschränkender Ansatz, die Erfindung in allgemeinen Begriffen zu erklären, zu verstehen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen NO_x-Sensor, der geeignet ist die NO_x-Konzentration eines Meßgases oder schädlicher Emissionen, das oder die in Abgasen verschiedener Verbrennungsvorrichtungen, umfassend Verbrennungskraftmaschinen, enthalten ist oder sind, unter Verwendung einer relativ einfachen Schaltung genau zu messen und ohne die Notwendigkeit die NO_x-Konzentration abzugleichen, die vom zweiten Pumpstrom in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration des Meßgases erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung stellt besonders einen NO_x-Sensor zum Messen der NO_x-Konzentration eines Meßgases gemäß Anspruch 1 bereit, der einen ersten Meßraum und einen zweiten Meßraum umfasst. Der erste Meßraum umfasst eine erste Sauerstoffpumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle und kommuniziert mit dem Meßgas über eine erste Diffusionskontrollschicht. Die erste Sauerstoffpumpzelle umfasst eine sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht und poröse Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen der sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht angeordnet sind. Die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle umfasst eine sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht und poröse Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen der sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht angeordnet sind. Der zweite Meßraum umfasst eine zweite Sauerstoffpumpzelle und kommuniziert mit dem ersten Meßraum über eine zweite Diffusionskontrollschicht. Die zweite Sauerstoffpumpzelle umfasst eine sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht und poröse Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen der sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht angeordnet sind. Sauerstoff wird so aus dem ersten Meßraum mittels der ersten Sauerstoffpumpzelle ausgepumpt, dass eine Ausgangsspannung von der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle auf einem konstanten Wert gehalten wird. Vorzugsweise wird eine konstante Spannung an die zweite Sauerstoffpumpzelle in solch einer Polarität angelegt, dass Sauerstoff aus dem zweiten Meßraum ausgepumpt wird, wodurch die NO_x-Konzentration, die im Meßgas erhalten ist, durch Messen des Stroms ermittelt werden kann, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle fließt. Vorzugsweise ist die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle in einer Position angebracht, so dass die Menge des Sauerstoffs, der im Meßgas, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum über die zweite Diffusionskontrollschicht strömt, enthalten ist, ermittelt werden kann, ohne durch die Verbreitung von Sauerstoff innerhalb des ersten Meßraumes beeinflußt zu sein. Die oben erwähnten und anderen Eigenschaften und Aspekte dieser Erfindung sind durch die folgenden Zeichnungen dargestellt:
1 und 4 sind Explosionsperspektiven, die den Aufbau von NO_x-Sensoren darstellen, welcher im wesentlichen dem Aufbau des NO_x-Sensors gemäß der Erfindung entspricht, mit der Ausnahme, dass deren zweite Diffusionskontrollschicht keine poröse Festelektrolytschicht umfasst und dass eine Elektrode nicht an einem Abschnitt der zweiten Diffusionskontrollschicht ausgebildet ist, im Gegensatz zu der Erfindung. Dennoch sind diese Beispiele nützlich, die Erfindung zu verstehen.
2 ist ein schematisches Diagramm, das den gesamten Aufbau eines NO_x-Nachweisgerätes darstellt, das einen NO_x-Sensor verwendet. Dieses Beispiel ist für das Verständnis der Erfindung nützlich.
3 ist ein Ablaufdiagramm in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, das eine Heizenergieregelfunktion darstellt, wie sie durch eine ECU (elektronische Regeleinheit) zur Regelung der Sensortemperatur ausgeführt ist.
5 ist eine Schnittansicht, die die Elektrodenanordnung des NO_x-Sensors von 4 darstellt.
6 ist ein Schnittansicht, die die Elektrodenanordnung eines NO_x-Sensors gemäß der Erfindung darstellt, in welcher die Elektrode, die auf der Seite eines ersten Meßraumes angeordnet ist und eine Vs-Zelle bildet, auf einer zweiten Diffusionskontrollschicht ausgebildet ist, welche eine Festelektrolytschicht umfasst.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schwankung in der gemessenen NO_x-Konzentration (zweiter Pumpstrom) in Übereinstimmung mit der kurzlebigen Schwankung eines Messgases darstellt; und
8A–8C sind Ansichten, die die dimensionalen Verhältnisse der NO_x-Sensoren darstellen, die in den Beispielen benutzt werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In dem NO_x-Sensor der vorliegenden Erfindung ist die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle vorzugsweise so in einer Lage angeordnet, dass die Sauerstoffmenge, die im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum über die zweite Diffusionskontrollschicht in den zweiten Meßraum strömt, ermittelt werden kann, ohne durch die Verteilung von Sauerstoff innerhalb des ersten Meßraums beeinflußt zu werden. Diese Konfiguration wird wegen des nachstehend beschriebenen Grundes verwendet.
In einem herkömmlichen NO_x-Sensor ist die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle so angebracht, um die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, zu ermitteln. Im Gegensatz dazu ist im NO_x-Sensor der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle so angebracht, um die Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, zu ermitteln. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration des Meßgases, das in den zweiten Meßraum strömt, genau ermittelt werden. Demgemäß kann die Sauerstoffpumpzelle so geregelt werden, dass die Sauerstoffkonzentration des Meßgases, das in den zweiten Meßraum strömt, im Wesentlichen null wird.
Wie oben erörtert, kann in einem herkömmlichen NO_x-Sensor, wenn die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt ist, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, im Wesentlichen null wird (theoretisch ein Partialdruck von ungefähr 10^–9 atm), die NO_x-Konzentration nicht genau aus dem zweiten Pumpstrom ermittelt werden. Folglich wird die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, so niedrig wie ungefähr 1000 ppm wird. Die Ursache für diesen Fehler in der Fähigkeit, die NO_x-Konzentration genau zu ermitteln, wird wie folgt betrachtet. Und zwar, wenn die erste Sauerstoffpumpzelle so geregelt ist, dass die Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum enthalten ist, im Wesentlichen null wird, wird die NO_x Komponente des Meßgases, das im ersten Meßraum enthalten ist, aufgespalten. Somit enthält das Meßgas, das in den zweiten Meßraum strömt, NO_x nicht in derselben Menge wie in dem tatsächlichen Gas, das analysiert werden soll.
Die Erfinder untersuchten die oben beschriebenen Phänomene und entdeckten Folgendes. In einem herkömmlichen NO_x-Sensor ist die Elektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle, die auf der Seite des ersten Meßraumes angeordnet ist, relativ groß, um die Konzentration des Sauerstoffs, der im ersten Meßraum erhalten ist, mittels der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle zu erfassen. Somit kann die durchschnittliche Konzentration des Sauerstoffs, der im ersten Meßraum enthalten ist, ermittelt werden, aber die Konzentration des Sauerstoffs, der im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, kann nicht ermittelt werden. Das heißt, weil ein externes Meßgas über die erste Diffusionskontrollschicht in den ersten Meßraum strömt und weil Sauerstoff mittels der ersten Sauerstoffpumpzelle aus dem hereinkommenden Meßgas gepumpt wird, wird die Verteilung von Sauerstoff innerhalb des ersten Meßraumes ungleich. Demzufolge kann in einem herkömmlichen NO_x-Sensor die Konzentration des Sauerstoffs, der im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, durch die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle nicht ermittelt werden.
Folglich ist in der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle so angeordnet, um eher die Menge des Sauerstoffs zu ermitteln, der vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, als die Konzentration des Sauerstoffs, der im ersten Meßraum enthalten ist. Demzufolge kann die Menge des Sauerstoffs, der vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, durch die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle genau ermittelt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Regeln des Stroms, der der ersten Sauerstoffpumpzelle zugeführt wird, die Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, im Wesentlichen auf null geregelt, so dass das Meßgas, das im zweiten Meßraum enthalten ist, eine NO_x Komponente nur in derselben Menge, wie sie im externen Meßgas enthalten ist, enthält. Folglich kann die NO_x-Konzentration des zweiten Pumpstroms genau ermittelt werden.
Weil die NO_x-Konzentration genau aus dem zweiten Pumpstrom, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle fließt, ermittelt werden kann, muss die so erhaltene NO_x-Konzentration nicht in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration, die im Meßgas enthalten ist, abgeglichen werden. Demgemäß kann das Signalverarbeitungssystem zum Ermitteln der NO_x-Konzentration in einem einfachen Aufbau ausgeführt werden und folglich können die Kosten für das Nachweisgerät vermindert werden.
Wie im Falle des vorher erwähnten herkömmlichen NO_x-Sensors umfasst der NO_x-Sensor der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Heizer, um die Zellen auf eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur zu erhitzen, zwecks einer genauen Messung der NO_x-Konzentration.
Wenn Heizer zum Heizen und zur Temperaturregelung bereitgestellt werden, wird vorzugsweise die folgende Anordnung angewendet. Die erste Sauerstoffpumpzelle, die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle und die zweite Sauerstoffpumpzelle sind jeweils aus folienähnlichen (engl. sheet-like) Festelektrolytschichten ausgebildet. Die Festelektrolytschichten sind in einem Schichtenstapel angeordnet, so dass die Festelektrolytschicht, die die erste Sauerstoffpumpzelle bildet, und die Festelektrolytschicht, die die zweite Sauerstoffpumpzelle bildet, als äußere Schichten des Schichtenstapels angeordnet sind. Ein vorgegebener Zwischenraum wird zwischen diesen äußeren Festelektrolytschichten und der inneren Festelektrolytschicht oder Schichten bereitgestellt, um dadurch erste und zweite Messräume zu definieren. Ein folienähnliches Heizsubstrat mit einem Heizer ist an beiden Seiten der Festelektrolytschichten in der Stapelrichtung angebracht, so dass ein vorgegebener Zwischenraum zwischen dem Heizsubstrat und den Festelektrolytschichten bereitgestellt wird. Darüberhinaus ist die erste Diffusionskontrollschicht in der Festelektrolytschicht der ersten Sauerstoffpumpzelle an einer Stelle gegenüber einem zentralen Abschnitt des Heizers ausgebildet, der im Heizsubstrat ausgebildet ist.
Gemäß dem NO_x-Sensor der vorliegenden Erfindung, wie oben gestaltet, ist die Festelektrolytschicht, die die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle bildet, zwischen der Festelektrolytschicht, die die erste Pumpzelle bildet, und der Festelektrolytschicht, die die zweite Pumpzelle bildet, eingefügt, und das Heizsubstrat ist an beiden Seiten der geschichteten Festelektrolyten in Stapelrichtung angeordnet. Demgemäß können die Zellen durch Regeln des Stromes, der an die Heizer angelegt ist, leicht auf eine vorgegebene Temperatur geregelt werden. Ebenso kann das Meßgas, das durch die erste Diffusionskontrollschicht in den ersten Meßraum strömt und weiter in den zweiten Meßraum strömt, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt werden. Folglich sind die Temperaturschwankungen zwischen den Zellen weniger wahrscheinlich und die Zellen reagieren auf die Temperatur des Meßgases weniger empfindlich. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung der NO_x-Konzentration verbessert werden.
Vorzugsweise ist die zweite Diffusionskontrollschicht so ausgebildet, um die erste Diffusionskontrollschicht wenigstens teilweise zu überlappen, wenn der NO_x-Sensor in die Stapelrichtung projiziert wird. Dies ermöglicht eine zuverlässigere Temperaturregelung des Meßgases, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt auf eine Zieltemperatur. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung der NO_x-Konzentration verbessert werden.
Gemäß der Erfindung ist die zweite Diffusionskontrollschicht aus einer porösen Festelektrolytschicht gebildet, die geeignet ist, die Diffusion des Meßgases zu kontrollieren, und die Elektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle, die auf der Seite des ersten Meßraumes angeordnet ist, ist auf der zweiten Diffusionskontrollschicht ausgebildet. Somit ist die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle in einer Lage angebracht, dass die Menge des Sauerstoffs, der im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt, gemessen werden kann, ohne durch die Sauerstoffverteilung innerhalb des ersten Meßraumes beeinflußt zu werden. Dies ermöglicht eine genaue Messung der Menge des Sauerstoffs, der im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum in den zweiten Meßraum strömt. Demgemäß können die oben beschriebenen Auswirkungen zuverlässig erreicht werden.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Beispiele von NO_x-Sensoren, die nützlich sind, um die Erfindung zu verstehen, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht als darauf beschränkt interpretiert werden.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der NO_x-Sensor 2 eine erste Sauerstoffpumpzelle 4 (nachstehend als eine erste Pumpzelle bezeichnet), eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 6 (nachstehend als eine Vs-Zelle bezeichnet), eine zweite Sauerstoffpumpzelle 8 (nachstehend als eine zweite Pumpzelle bezeichnet) und ein Paar Heizer 12 und 14 zum Heizen der Zellen.
Die erste Pumpzelle 4 umfasst eine folienähnliche (sheet-like) Festelektrolytschicht 4a und rechtwinklige poröse Elektroden 4b und 4c, die auf beiden Seiten der Festelektrolytschicht 4a ausgebildet sind. Leiterabschnitte 4b1 und 4c1 erstrecken sich jeweils von der porösen Elektrode 4b und 4c. Darüberhinaus ist ein rundes Loch derart in der Festelektrolytschicht 4a ausgebildet, dass es die porösen Elektroden 4b und 4c in ihren mittigen Abschnitten durchdringt. Das so ausgebildete runde Loch ist mit einem porösen Füllstoff ausgefüllt, z.B. Aluminiumoxid, um dadurch eine Diffusionskontrollschicht 4d zu bilden.
Die Vs-Zelle 6 umfasst eine folienähnliche Festelektrolytschicht 6a, ähnlich der Festelektrolytschicht 4a der ersten Pumpzelle 4, und ringförmige poröse Elektroden 6b und 6c, die auf beiden Seiten der Festelektrolytschicht 6a ausgebildet sind. Leiterabschnitte 6b1 und 6c1 erstrecken sich jeweils von der porösen Elektrode 6b bzw. 6c. Darüberhinaus ist ein rundes Loch derart in der Festelektrolytschicht 6a ausgebildet, dass es die porösen Elektroden 6b und 6c in deren mittigen Abschnitten durchdringt. Das so ausgebildete runde Loch ist mit einem porösen Füllstoff ausgefüllt, der, im Gegensatz zur Erfindung, Aluminiumoxid beinhaltet, um dadurch eine Diffusionskontrollschicht 6d auszubilden.
Die porösen Elektroden 4b und 4c der ersten Pumpzelle 4 und die porösen Elektroden 6b und 6c der Vs-Zelle 6 sind auf den Festelektrolytschichten 4a bzw. 6a angeordnet, so dass ihre Mitten aufeinander ausgerichtet sind. Demgemäß liegen, wenn die erste Pumpzelle 4 und die Vs-Zelle 6 als Stapel angeordnet sind, die Diffusionskontrollschichten 4d und 6d einander gegenüber. Die ringförmigen porösen Elektroden 6b und 6c der Vs-Zelle 6 sind um die Diffusionskontrollschicht 6d angeordnet und sind kleiner als die rechtwinkligen porösen Elektroden 4b und 4c der ersten Pumpzelle 4. Besonders die poröse Elektrode 6b, die sich auf der Seite der ersten Pumpzelle 4 befindet, ist innerhalb eines sehr engen Abschnittes um den Umfang der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet, um die Sauerstoffmenge, die in die Diffusionskontrollschicht 6d strömt, genau zu erfassen.
Ein Isolationsbelag 6e, der Zirkoniumoxid oder Ähnliches umfasst, ist auf beiden Oberflächen der Vs-Zelle 6 ausgebildet, um die Leiterabschnitte 6b1 und 6c1 von außen abzudecken, um Leckstrom aus den Leiterabschnitten 6b1 und 6c1 zu vermeiden und die Sauerstoffmenge, die in die Diffusionskontrollschicht 6d strömt, genau zu erfassen. Darüberhinaus ist ein Leckwiderstandsabschnitt 6f zwischen den Leiterabschnitten 6b1 und 6c1 ausgebildet, um einen Teil des ausgepumpten Sauerstoffs von der Seite der porösen Elektrode 6c auf die Seite der porösen Elektrode 6b entweichen zu lassen.
Die erste Pumpzelle 4 und die Vs-Zelle 6 sind in einem Schichtenstapel mit einer Festelektrolytschicht 18 angeordnet, die dazwischen eingefügt ist. Die Festelektrolytschicht 18 hat dieselbe Form wie die Festelektrolytschichten 4a und 6a. Die Festelektrolytschicht 18 hat eine rechtwinklige Öffnung, die darin in einer mit den porösen Elektroden 4c und 6b übereinstimmenden Lage ausgebildet ist und größer als die der porösen Elektrode 4c ist. Die so ausgebildete rechtwinklige Öffnung dient als ein erster Meßraum 20.
Ebenso ist eine Festelektrolytschicht 22, die dieselbe Form hat wie die der Festelektrolytschichten 4a und 6a, auf der Vs-Zelle 6 auf der Seite der porösen Elektrode 6c angeordnet. Die Festelektrolytschicht 22 hat ein rundes Loch, das darin in einer Lage, die mit der Diffusionskontrollschicht 6d der Vs-Zelle 6 übereinstimmt, ausgebildet ist. Das so ausgebildete runde Loch ist mit einem porösen Füllstoff ausgefüllt, der, im Gegensatz zur Erfindung, Aluminiumoxid oder ähnliches beinhaltet, um dadurch eine Diffusionskontrollschicht 22d auszubilden.
Wie in der ersten Pumpzelle 4, umfasst die zweite Pumpzelle 8 eine folienähnliche Festelektrolytschicht 8a und rechtwinklige poröse Elektroden 8b und 8c, die auf beiden Seiten der Festelektrolytschicht 8a ausgebildet sind. Leiterabschnitte 8b1 und 8c1 erstrecken sich von der porösen Elektrode 8b bzw. 8c. Die zweite Pumpzelle 8 und die Festelektrolytschicht 22 sind in Schichten mit einer Festelektrolytschicht 24, die zwischen ihnen eingefügt ist, angeordnet. Die Festelektrolytschicht 24 ist in derselben Weise wie die Festelektrolytschicht 18 ausgebildet. Demzufolge dient eine rechtwinklige Öffnung, die in der Festelektrolytschicht 24 ausgebildet ist, als ein zweiter Meßraum 26.
Heizer 12 und 14 sind auf gegenüberliegenden Seiten des oben beschriebenen Stapels der ersten Pumpzelle 4, der Vs-Zelle 6 und der zweiten Pumpzelle 8 und zwar außerhalb der ersten Pumpzelle 4 bzw. der zweiten Pumpzelle 8 so angeordnet, dass ein vorgegebener Zwischenraum zwischen jedem der Heizer 12 und 14 und dem Schichtenstapel über Abstandhalter 28 und 29 ausgebildet ist.
Der Heizer 12 (14) umfasst Heizsubstrate 12a und 12c (14a und 14c), die eine Form ähnlich der der Festelektrolytschichten 4a, 6a, ... aufweisen, einen Heizdraht 12b (14b) und einen Leiterabschnitt 12b1 (14b1), der sich vom Heizdraht 12b (14b) erstreckt. Der Heizdraht 12b (14b) und der Leiterabschnitt 12b1 (14b1) sind zwischen den Heizsubstraten 12a und 12c (14a und 14c) eingefügt. Der Abstandhalter 28 (29) ist zwischen dem Heizer 12 (14) und der ersten Pumpzelle 4 (zweiten Pumpzelle 8) eingefügt, so dass der Heizer 12 (14) der porösen Elektrode 4b (8c) der ersten Pumpzelle 4 (zweiten Pumpzelle 8) mit einem Zwischenraum, der dazwischen ausgebildet ist, gegenüberliegt.
Typische Beispiele von Festelektrolyten, die die Festelektrolytschichten 4a, 6a, ... bilden, umfassen eine feste Lösung von Zirkoniumoxid und Yttriumoxid und eine feste Lösung von Zirkoniumoxid und Kalziumoxid. Andere Beispiele von Festelektrolyten umfassen eine feste Lösung von Hafniumoxid, eine feste Lösung eines Perovskits und eine feste Lösung eines dreiwertigen Metalloxides. Die auf den Oberflächen der Festelektrolytschichten 4a, 6a und 8a bereitgestellten porösen Elektroden werden vorzugsweise aus Platin oder Rhodium mit einer katalysierenden Funktion oder deren Legierungen gebildet. Bekannte Verfahren, solche porösen Elektroden zu bilden, umfassen ein Dickschichtverfahren und ein thermisches Sprühverfahren. Das Dickschichtverfahren umfasst die Schritte: Mischen von Platinpulver und Pulver des gleichen Materials wie dem der Festelektrolytschichten, um eine Paste zu erhalten; Siebdrucken der Paste auf eine Festelektrolytschicht; und Sintern der Festelektrolytschicht. Die Diffusionskontrollschichten 4d, 6d und 22d sind, im Gegensatz zur Erfindung, aus Keramik mit feinen Durchlöcherungen oder poröser Keramik gebildet.
Die Heizdrähte 12b beziehungsweise 14b der Heizer 12 beziehungsweise 14 sind vorzugsweise aus einem Verbundmaterial aus Keramik und Platin oder Platinlegierung gebildet. Die Leiterabschnitte 12b1 und 14b1 sind vorzugsweise aus Platin oder einer Platinlegierung gebildet, zwecks Verminderung eines elektrischen Verlusts in ihnen durch Vermindern ihres Widerstandes. Die Heizsubstrate 12a, 12b, 14a und 14c, und die Abstandhalter 28 und 29 können aus Aluminiumoxid, Spinell, Forsterit, Steatit, Zirkoniumoxid oder dergleichen gebildet sein.
Besonders bevorzugt werden die Heizsubstrate und Abstandhalter aus Zirkoniumoxid ausgebildet, weil die Heizer und Pumpzellen gleichzeitig durch Sinterung verbunden werden können, um dadurch die Herstellung des NO_x-Sensors 2 zu erleichtern. In diesem Fall wird eine Isolationsschicht (aus Aluminiumoxid oder desgleichen) zwischen dem Heizsubstrat 12a (12c) und dem Heizdraht 12b, einschließlich des Leiterabschnittes 12b1, und zwischen dem Heizsubstrat 14a (14c) und dem Heizdraht 14b, einschließlich des Leiterabschnittes 14b1, eingefügt.
Wenn die Heizsubstrate aus Aluminiumoxid gebildet sind, werden die Abstandhalter vorzugsweise aus einem porösen Material gebildet, um Brechen zu vermeiden, das ansonsten während des Sinterns der Heizsubstrate und der Pumpzellen in Folge unterschiedlicher Kontraktions- oder thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftreten würde. Alternativ können die Heizer und die Pumpzellen getrennt gesintert werden und können dann durch Verwenden von Zement oder ähnlichem anorganischen Material verbunden werden, das sowohl als Abstandhalter wie als Verbindungsmaterial dient.
In 2 dargestellt, umfasst ein NO_x-Nachweisgerät, das den NO_x-Sensor 2 mit der oben beschriebenen Anordnung zum Messen der NO_x-Konzentration verwendet, einen Steuerkreis 40 zum Anlegen von Strom an die erste Pumpzelle 4 und die Vs-Zelle 6 des NO_x-Sensors 2 und zum Umschalten von einem Strompfad zum anderen; einen Meßschaltkreis 42 für das Erfassen des Stromes I_P2 (zweiter Pumpstrom), der zur zweiten Pumpzelle 8 des NO_x-Sensors 2 fließt, wenn eine konstante Spannung an die zweite Pumpzelle 8 angelegt ist; einen Heizerstromkreis 44 zum Heizen der Zellen 4, 6 und 8 durch Anlegen von Strom an die Heizer 12 und 14 des NO_x-Sensors 2; und eine elektronische Regeleinheit 50 (nachfolgend als ECU bezeichnet), die einen Mikrocomputer umfasst zum Betreiben und Regeln des Steuerkreises 40 und des Heizerstromkreises 44 und, basierend auf einem Erfassungssignal V_IP2, das vom Meßschaltkreis 42 ausgegeben wird, zum Berechnen der NO_x-Konzentration, die in einem Meßgas enthalten ist.
Wie in 2 dargestellt, ist die poröse Elektrode 4c der ersten Pumpzelle 4 und die poröse Elektrode 6b der Vs-Zelle 6, beide sind auf der Seite des ersten Meßraumes 20 angebracht, über einen Widerstand R1 geerdet. Die anderen porösen Elektroden 4b und 6c sind mit dem Steuerkreis 40 verbunden.
Der Steuerkreis 40 umfasst einen Regelabschnitt 40a, der wiederum einen Widerstand R2 und einen Differenzverstärker AMP umfasst. Eine konstante Spannung V_CP ist an einem Ende des Widerstands R2 angelegt und das andere Ende des Widerstands R2 ist mit der porösen Elektrode 6c der Vs-Zelle 6 über einen Schalter SW1 verbunden. Die negative Eingangsklemme des Differenzverstärkers AMP ist mit der porösen Elektrode 6c der Vs-Zelle 6 über den Schalter SW1 und mit einem Ende eines Kondensators Cp verbunden. Eine Referenzspannung V_C0 ist an der positiven Eingangsklemme des Differenzverstärkers AMP angelegt. Die Ausgangsklemme des Differenzverstärkers AMP ist mit der porösen Elektrode 4b der ersten Pumpzelle 4 verbunden. Das andere Ende des Kondensators Cp ist geerdet.
Wenn der Schalter im Ein-Status ist, arbeitet der Regelabschnitt 40a auf die folgende Art und Weise.
Zuerst wird ein konstanter kleiner Strom i_CP an die Vs-Zelle 6 über den Widerstand R2 geliefert, um dadurch Sauerstoff aus dem ersten Meßraum 20 in die poröse Elektrode 6c zu pumpen. Da die poröse Elektrode 6c durch die Festelektrolytschicht 22 gekapselt bzw. versperrt ist und mit der porösen Elektrode 6b über den Leckwiderstandsabschnitt 6f kommuniziert, wird die Sauerstoffkonzentration, die im gekapselten bzw. versperrten Raum der porösen Elektrode 6c enthalten ist, durch Anlegen des kleinen Stroms i_CP an die Vs-Zelle 6 auf einem konstanten Niveau gehalten. Dadurch dient der gekapselte bzw. versperrte Raum als eine interne Referenz-Sauerstoffquelle.
Wenn die poröse Elektrode 6c der Vs-Zelle als eine interne Referenz-Sauerstoffquelle dient, wird eine elektromotorische Kraft in der Vs-Zelle 6 erzeugt, in Übereinstimmung mit dem Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen dem ersten Meßraum 20 und der internen Referenzquelle von Sauerstoff. Demzufolge korrespondiert eine Spannung Vs, die auf der Seite der porösen Elektrode 6c erzeugt wird, mit der Sauerstoffkonzentration, die im ersten Meßraum 20 enthalten ist. Da die Spannung Vs dem Eingang des Differenzverstärkers AMP zugeführt wird, gibt der Differenzverstärker AMP eine Spannung in Übereinstimmung mit der Abweichung der Eingangsspannung von der Referenzspannung V_C0 (V_C0 – Eingangsspannung) aus. Die Ausgangsspannung wird an die poröse Elektrode 4b der ersten Pumpzelle 4 angelegt.
Demzufolge fließt ein Strom I_P1 (nachstehend als erster Pumpstrom I_P1 bezeichnet) zur ersten Pumpzelle 4. Durch Regeln des ersten Pumpstroms I_P1 wird eine konstante elektromotorische Kraft in der Vs-Zelle 6 erzeugt. Das heißt, der Regelabschnitt 40a regelt das Auspumpen von Sauerstoff aus dem ersten Meßraum 20 so, dass eine vorgegebene Sauerstoff-menge aus dem ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 über die Diffusionskontrollschichten 6d und 22d, die als zweite Diffusionskontrollschichten dienen, ausgepumpt wird.
Die so geregelte Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt, wird im Wesentlichen auf null eingestellt (theoretisch ein Partialdruck von ungefähr 10^–9 atm). Die Referenzspannung V_C0, die die Sauerstoffmenge bestimmt, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt, wird näherungsweise auf 450 mV eingestellt.
Der Steuerkreis 40 umfasst außerdem einen Konstantstromschaltkreis 40b und einen Konstantstromschaltkreis 40c. Der Konstantstromschaltkreis 40b ist mit der porösen Elektrode 6c der Vs-Zelle 6 über einen Schalter SW2 verbunden und bewirkt, dass ein konstanter Strom zwischen den porösen Elektroden 6b und 6c in einer entgegengesetzten Richtung zu der des kleinen Stroms i_CP fließt. Der Konstantstromschaltkreis 40c ist mit der porösen Elektrode der Vs-Zelle 6 durch einen Schalter SW3 verbunden und bewirkt, dass ein konstanter Strom zwischen den porösen Elektroden 6b und 6c in die gleiche Richtung wie der kleine Stroms i_CP fließt.
Die Konstantstromschaltkreise 40b und 40c sind angepasst, um den Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 zu erfassen. Um der ECU 50 zu ermöglichen, den Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 durch Liefern eines konstanten Stromes an die Vs-Zelle 6 zu erfassen, wird die auf der Seite der porösen Elektrode 6c erzeugte Spannung Vs in die ECU 50 eingegeben. Die Konstantstromschaltkreise 40b und 40c liefern einen konstanten Strom des gleichen Wertes in entgegengesetzte Richtungen. Der Wert des konstanten Stroms ist höher als der des kleinen Stroms i_CP, mit dem die Vs-Zelle 6 über den Widerstand R2 versorgt wird.
Die Schalter SW1, SW2 und SW3, die zwischen der porösen Elektrode 6c, der Vs-Zelle 6 und dem Regelabschnitt 40a bzw. den Konstantstromschaltkreisen 40b bzw. 40c bereitgestellt werden, werden in Übereinstimmung mit einem Steuersignal, das durch die ECU 50 ausgegeben wird, ein- oder ausgeschaltet. Im Normalmodus, wenn die NO_x-Konzentration durch den Regelabschnitt 40a erfasst wird, ist nur der Schalter SW1 EIN. Nur wenn der Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 erfasst werden soll, ist der Schalter SW1 AUS und die Schalter SW2 und SW3 werden in dieser Reihenfolge nacheinander eingeschaltet.
Eine konstante Spannung V_P2 ist zwischen den porösen Elektroden 8b und 8c der zweiten Pumpzelle 8 des NO_x-Sensors 2 über einen Widerstand R3 angelegt, der ein Bestandteil des Mess-Schaltkreises 42 ist und als Mittel zum Anlegen konstanter Spannung dient. Die konstante Spannung V_P2 ist an die zweite Pumpzelle 8 in einer solchen Polarität angelegt, dass die porösen Elektroden 8b und 8c zu einer positiven Elektrode beziehungsweise einer negativen Elektrode werden. Demzufolge fließt Strom von der porösen Elektrode 8c zur porösen Elektrode 8b, um dadurch Sauerstoff aus dem zweiten Meßraum 26 zu pumpen. Die konstante Spannung V_P2 wird auf eine Spannung eingestellt, zum Beispiel 450 mV, so dass die NO_x Komponente, die im Meßgas enthalten ist, das vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum über die Diffusionskontrollschichten 6d und 22d strömt, im zweiten Meßraum aufgespalten wird und die entstehende Sauerstoffkomponente aus dem Meßgas ausgepumpt wird.
Der Widerstand R3 ist angepasst, um den durch die zweite Pumpzelle 8 infolge des Anlegens der konstanten Spannung V_P2 fließenden zweiten Pumpstrom I_P2 in eine Spannung V_IP2 umzuwandeln, und ist angepasst, die Spannung V_IP2 der ECU 50 als ein Erfassungssignal, das mit dem zweiten Pumpstrom I_P2 korrespondiert, einzugeben.
In dem NO_x-Nachweisgerät mit dem oben beschriebenen Aufbau kann der Regelabschnitt 40a durch Stellen des Schalters SW1 auf EIN und der Schalter SW2 und SW3 auf AUS die Sauerstoffmenge, die im Meßgas enthalten ist, im Wesentlichen auf Null regeln, wenn das Meßgas vom ersten Meßraum 20 über die Diffusionskontrollschichten 6d und 22d (zweite Diffusionskontrollschicht) in den zweiten Meßraum 26 strömt. Das Meßgas strömt zunächst über die Diffusionskontrollschicht 4d (erste Diffusionskontrollschicht) in den ersten Meßraum 20. Demgemäß schwankt der zweite Pumpstrom I_P2, der durch die zweite Pumpzelle 8 strömt, in Übereinstimmung mit der NO_x-Konzentration, während die Sauerstoffkonzentration, die in einem umgebenden Meßgas enthalten ist, den zweiten Pumpstrom I_P2 kaum beeinflußt. Deshalb kann die ECU 50 durch Auslesen des Erfassungssignals V_IP2, das dem zweiten Pumpstrom I_P2 entspricht, und durch Ausführen einer vorgegebenen Berechnung, die auf dem gelesenen Signal beruht, vom Erfassungssignal V_IP2 (in anderen Worten dem zweiten Pumpstrom I_P2) die Konzentration von NO_x, das im Meßgas enthalten ist, bestimmen.
Um die NO_x-Konzentration genau zu messen, wird die Temperatur der Zellen 4, 6 und 8 und besonders die Temperatur der Vs-Zelle 6, die angepasst ist, die Sauerstoffkonzentration zu erfassen, die im ersten Messraum 20 enthalten ist, vorzugsweise auf einen konstanten Wert geregelt. Also muss die Menge des Stroms, der an die Heizer 12 und 14 durch den Heizerstromkreis 44 angelegt wird, so geregelt werden, dass die Temperatur der Vs-Zelle 6 einen Zielwer erreicht. Um dieses Ziel zu erreichen, führt die ECU 50 sowohl eine Heizenergieregelungsverarbeitung in vorgegebenen Intervallen T0 als auch NO_x-Konzentrationsmessprozesse durch. Beim NO_x-Konzentrationsmessprozess stellt die ECU 50 den Schalter SW1 auf EIN und die Schalter SW2 und SW3 auf AUS und liest dann das mit dem zweiten Pumpstrom I_P2 korrespondierende Erfassungssignal V_IP2, um die NO_x-Konzentration, die Meßgas enthalten ist, zu messen. Bei der Heizenergieregelungsverarbeitung stellt die ECU 50 den Schalter SW1 auf AUS und die Schalter SW2 und SW3 auf EIN/AUS, um die Sensortemperatur zu erfassen, die auf dem Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 basiert, und regelt die Strommenge, die vom Heizerstromkreis 44 an die Heizer 12 und 14 geliefert wird, so dass die erfaßte Sensortemperatur einen Zielwert (z.B. 850°C) erreicht.
Das heißt, wie in 3 dargestellt, zu Beginn der Heizenergieregelungsoperationsverarbeitung (zur Zeit t1) Liest die ECU 50 die Spannung Vs, die durch die poröse Elektrode 6c der Vs-Zelle 6 erzeugt wird, und stellt den Schalter SW1 auf AUS und den Schalter SW2 auf EIN, um dadurch zu bewirken, dass ein konstanter Strom in der Vs-Zelle 6 fließt in entgegengesetzter Richtung zu der des kleinen Stroms i_CP. Anschließend, nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit T1 (z.B. 60 μsek), d.h. zur Zeit t2, liest die ECU 50 die Spannung Vs erneut. Nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit T2 (z.B. 100 μsek) des Regelungsprozesses, d.h. zur Zeit t3, stellt die ECU 50 den Schalter SW2 auf AUS und den Schalter SW3 auf EIN, um dadurch zu bewirken, dass ein konstanter Strom in der Vs-Zelle 6 fließt in gleicher Richtung, wie der des kleinen Stroms i_CP (d.h. in einer Richtung, in der Sauerstoff vom ersten Meßraum 20 in einen gekapselten bzw. versperrten Raum gepumpt wird ). Dann nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeit T3 (z.B. 200 μsek) des Regelungsprozess, d.h. zur Zeit t4, stellt die ECU 50 den Schalter SW3 auf AUS. Darüberhinaus stellt die ECU 50 nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeit T4 (z.B. 500 μsek) des Regelungsprozess den Schalter SW1 auf EIN und kehrt so zum NO_x-Konzentrationsmessprozess zurück.
Während der Durchführung der Heizenergieregelungsoperationsverarbeitung berechnet die ECU 50 den Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 aus der Differenzspannung Δ Vs zwischen der durch die poröse Elektrode 6c erzeugten und zur Zeit t1 und zur Zeit t2 erfaßten Spannung Vs. Die ECU 50 regelt die Strommenge, die vom Heizerstromkreis 44 an die Heizer 12 und 14 geliefert wird so, dass der berechnete Innenwiderstand R_VS einen Zielwert erreicht. Demzufolge wird die Strommenge, die an die Heizer 12 und 14 geliefert wird, so geregelt, dass der Innenwiderstand R_VS der Vs-Zelle 6 (d.h. die Sensortemperatur) bei einem konstanten Wert gehalten wird. Dementsprechend wird die Temperatur des NO_x-Sensors 2 konstant.
Wie oben beschrieben, ist die poröse Elektrode 6b der Vs-Zelle 6 im NO_x-Nachweisgerät der vorliegenden Ausführungsform, die auf der Seite der ersten Pumpzelle 4 angebracht ist, innerhalb eines sehr engen Abschnittes entlang des Umfangs der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet. Demgemäß kann die Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt, genau gemessen werden. Ferner wird, wenn die NO_x-Konzentration gemessen werden soll, der erste Pumpstrom I_P1 so geregelt, dass eine Ausgangsspannung vom Vs-Sensor 6 zur Referenzspannung V_C0 wird. Demzufolge wird die Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt, im Wesentlichen null.
Deshalb kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, die NO_x-Konzentration aus dem zweiten Pumpstrom I_P2 genau erfasst werden, ohne durch die Sauerstoffkonzentration, die im Meßgas enthalten ist, beeinflußt zu werden. Auch kann, weil es nicht notwendig ist, die aus dem zweiten Pumpstrom I_P2 ermittelte NO_x-Konzentration in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration, die im Meßgas enthalten ist, abzugleichen, das Nachweisgerät einfach gestaltet werden.
In der obigen Ausführungsform ist die Diffusionskontrollschicht 4d (erste Diffusionskontrollschicht) in der Mitte der Elektroden 4b und 4c der ersten Pumpzelle 4 ausgebildet, um dem Heizer 12 (besonders der Mitte des Heizdrahtes 12b) gegenüberzuliegen. Jedoch können, wie zum Beispiel in den 4 und 5 dargestellt, Diffusionskontrollschichten 20a und 20b, die als die erste Diffusionskontrollschicht dienen, an den seitlichen Abschnitten der Festelektrolytschicht 18, die den ersten Meßraum 20 begrenzt, ausgebildet sein, um dadurch das Meßgas durch die seitlichen Abschnitte des NO_x-Sensors 2 einzupumpen.
Ferner ist in der obigen Ausführungsform die poröse Elektrode 6b der Vs-Zelle 6, die auf der Seite der ersten Pumpzelle 4 angebracht ist, an der Peripherie der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet, um die Sauerstoffmenge genau zu erfassen, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt. Jedoch, wie zum Beispiel in 6 dargestellt, ist die poröse Elektrode 6b gemäß der Erfindung auf der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet. In diesem Fall muß, um eine Spannung zwischen den Elektroden 6b und 6c in Übereinstimmung mit der Sauerstoffmenge, die in den zweiten Meßraum 26 strömt, zu erzeugen, die Diffusionskontrollschicht 6d aus einem poröse Festelektrolyten (Zirkoniumoxid oder dergleichen) gebildet sein, der geeignet ist, die Diffusion eines Meßgases zu regeln.
Bis auf die oben erwähnten Abschnitte hat der NO_x-Sensor, der in den 4–6 gezeigt ist, einen ähnlichen Aufbau wie der NO_x-Sensor 2, der in den 1 und 2 dargestellt ist. Daher entfällt eine genaue Beschreibung des NO_x-Sensors der 4–6.
Beispiele
Als Nächstes wird unten stehend der Verbesserungsgrad der Genauigkeit der NO_x-Konzentrationsmessung dargestellt, als eine Funktion der Lage der porösen Elektrode 6b der Vs-Zelle 6 und besonders einer Lage um den Umfang der Diffusionskontrollschicht 6d oder auf der Diffusionskontrollschicht 6d unter Bezugnahme auf die folgenden Versuchsergebnisse. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht als darauf beschränkt interpretiert werden.
Das Experiment umfasste zwei Typen von NO_x-Sensoren, nämlich den NO_x-Sensor der ersten Ausführungsform, der in den 1 und 2 (ein NO_x-Sensor, in dem die erste Diffusionskontrollschicht dem Heizer 12 zugewandt ist) dargestellt ist, und den NO_x-Sensor der zweiten Ausführungsform, der in den 4 und 5 (ein NO_x-Sensor in dem die erste Diffusionskontrollschicht an den Seitenkanten des NO_x-Sensors angebracht ist) dargestellt ist. Für jeden Typen wurde ein NO_x-Sensor, der eine poröse Elektrode 6b mit einem Durchmesser von 2 mm hat, ein NO_x-Sensor, der eine poröse Elektrode 6b mit einem Durchmesser von 1 mm hat und ein NO_x-Sensor, der eine poröse Elektrode 6b, die auf der zweiten Diffusionskontrollschicht, wie in 6 dargestellt, ausgebildet ist, hat, angefertigt. Die so angefertigten sechs Arten von NO_x-Sensoren wurden am Auspuff einer Verbrennungskraftmaschine angebracht. Die durchschnittliche Zeit ΔT, die verstrich, bis die gemessene NO_x-Konzentration (d.h. der gemessene zweite Pumpstrom I_P2) stabil wurde, wurde während der Beschleunigung und Verlangsamung der Verbrennungskraftmaschine (7) gemessen.
Demzufolge wies, wie in Tabelle 1 dargestellt, unter den NO_x-Sensoren, in denen die poröse Elektrode 6b um den Umfang der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet war, der NO_x-Sensor mit der kleineren porösen Elektrode 6b ein kürzeres ΔT unter schwankenden Verhältnissen des Meßgases auf (unter schwankenden Verhältnissen können sowohl die Temperatur als auch die Sauerstoffkonzentration schwanken). Auch die NO_x-Sensoren, in welchen die poröse Elektrode 6b auf der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet war, wiesen ein kürzeres ΔT auf, gegenüber den NO_x-Sensoren, in welchen die poröse Elektrode 6b um den Umfang der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet war. Dies ist so, weil, wenn die poröse Elektrode näher bei der Diffusionskontrollschicht 6d angeordnet ist, die Sauerstoffmenge, die vom ersten Meßraum 20 in den zweiten Meßraum 26 strömt, genauer erfasst werden kann. Demzufolge ist die Messung der NO_x-Konzentration weniger durch Schwankungen der Sauerstoffkonzentration im Meßgas beeinflußt.
Auch wiesen die NO_x-Sensoren der ersten Ausführungsform, in welchen die erste Diffusionskontrollschicht dem Heizer 12 zugewandt ist, ein kürzeres ΔT unter schwankenden Meßgasverhältnissen gegenüber den NO_x-Sensoren der zweiten Ausführungsform auf, in welchen die erste Diffusionskontrollschicht an den Seitenkanten des NO_x-Sensors angebracht waren, wie aus Tabelle 1 zu sehen. Dies ist so weil dadurch, dass die erste Diffusionskontrollschicht und der Heizer 12 einander zugewandt sind, das Meßgas, das in den ersten Meßraum 20 strömt, durch den Heizer 12 erhitzt werden kann. Demzufolge ist die Messung der NO_x-Konzentration weniger durch Schwankungen der Temperatur des Meßgases beeinflußt.
Tabelle 1 (Messung der Fluktuationszeit ΔT von I_P2 unter schwankenden Verhältnissen)
Wie in 8A dargestellt, waren die Abmessungen der NO_x-Sensoren der ersten Ausführungsform, wie sie im oben stehenden Experiment verwendet wurden, wie folgt: Die Stärke A der Heizer 12 und 14 und die Stärke A der Festelektrolytschichten 4a, 6a, 8a, 18, 22 und 24, die die erste Pumpzelle 4, die Vs-Zelle 6, die zweite Pumpzelle 8, den ersten Meßraum 20, die Diffusionskontrollschicht 22d bzw. den zweiten Meßraum 26 bilden, betrug jeweils 0,25 mm. Die Stärke B der Abstandhalter 28 und 29, die den Zwischenraum zwischen dem Heizer 12 und der ersten Pumpzelle 4 und zwischen dem Heizer 14 und der zweiten Pumpzelle 8 bestimmen, betrug 0,1 mm. Dementsprechend betrug die Dicke D des NO_x-Sensorkörpers ohne die Heizer 12 und 14 1,5 mm. Ebenfalls betrug die Stärke C der zweiten Diffusionskontrollschicht umfassend die Diffusionskontrollschichten 6d und 22d 0,5 mm.
Der Durchmesser der Diffusionskontrollschichten 4d, 6d und 22d betrug 0,5 mm; die Breite F der ersten und zweiten Meßräume 20 bzw. 26, gemessen in Querrichtung des NO_x-Sensors, betrug 2,5 mm; und die Breite G des NO_x-Sensors betrug 3,5 mm. Wie in 8B dargestellt, betrug die Breite I der porösen Elektroden 4b und 4c, die um die Diffusionskontrollschicht (erste Diffusionskontrollschicht) herum ausgebildet sind, 2,4 mm; und die Länge H der porösen Elektroden 4b und 4c, gemessen in Längsrichtung des NO_x-Sensors, betrug 3,0 mm.
Wie in 8c dargestellt, war das rechtwinklige Loch, das als erster Meßraum 20 dient, so in der Festelektrolytschicht 18 ausgebildet, dass der Abstand K vom oberen Ende des NO_x-Sensors 0,5 mm betrug und der Abstand J von beiden Seitenkanten des NO_x-Sensors 0,5 mm betrug. Die poröse Elektrode 6b, die um den Umfang der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet war, hatte einen Durchmesser L von 2 mm oder 1 mm. Die poröse Elektrode 6b, die auf der Diffusionskontrollschicht 6d ausgebildet war, hatte einen Durchmesser von 0,4 mm.
Die NO_x-Sensoren der zweiten Ausführungsform, die in dem Experiment angewendet wurden, hatten Abmessungen identisch mit denen der NO_x-Sensoren der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der folgenden Abmessungen. Die Diffusionskontrollschichten 20a und 20b (erste Diffusionskontrollschicht), die an den Seitenabschnitten des NO_x-Sensors ausgebildet waren hatten eine Länge von 1 mm, gemessen in der Längsrichtung des NO_x-Sensors. Die porösen Elektroden 4b und 4c der ersten Pumpzelle maßen 2,4 mm × 3,0 mm und wurden in fester Weise gebildet.
Ferner sollte für Fachleute ersichtlich sein, dass viele Änderungen hinsichtlich Gestalt und Detail der Erfindung, wie oben dargestellt und beschrieben, gemacht werden können. Es ist angestrebt, dass solche Änderungen innerhalb des Umfangs der hier beiliegenden Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

Ein No_x-Sensor zum Messen der NO_x-Konzentration eines Messgases, aufweisend: einen ersten Messraum (20), der eine erste Sauerstoffpumpzelle (4) und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) umfasst, wobei der erste Messraum (20) mit dem Messgas über eine erste Diffusionskontrollschicht (4d) kommuniziert, wobei die erste Sauerstoffpumpzelle (4) eine Sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht (4a) und poröse Elektroden (4b, 4c) aufweist, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht (4a) angeordnet sind, und wobei die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) eine Sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht (6a) und poröse Elektroden (6b, 6c) aufweist, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht (6a) angeordnet sind; und einen zweiten Messraum (26), der eine zweite Sauerstoffpumpzelle (8) umfasst und mit dem ersten Messraum (20) über eine zweite Diffusionskontrollschicht (6d) kommuniziert, wobei die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) eine Sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytschicht (8a) und poröse Elektroden (8b, 8c) aufweist, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytschicht (8a) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Diffusionskontrollschicht (6d) eine poröse Festelektrolytschicht aufweist, welche zur Kontrolle der Diffusion des Messgases geeignet ist, und dass die Elektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6), welche auf der Seite des ersten Messraums (20) angeordnet ist, auf einem Abschnitt der zweiten Diffusionskontrollschicht (6d) gebildet ist.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 1, wobei die Festelektrolytschichten (4a, 6a, 8a) in Form eines Schichtenstapels angeordnet sind, der eine Stapelrichtung hat und zumindest eine innere Schicht umfasst, wobei der erste Messraum (20) durch einen Zwischenraum definiert ist, der zwischen der Festelektrolytschicht (4a), welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4) bildet, und einer inneren Schicht des Schichtenstapels vorgesehen ist, und wobei der zweite Messraum (26) durch einen Zwischenraum definiert ist, der zwischen der Festelektrolytschicht (8a), welche die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) bildet, und einer inneren Schicht des Schichtenstapels vorgesehen ist.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend ein Heizsubstrat (12a, 12c, 14a, 14c) aufweisend einen Heizer (12, 14), der auf einer oder beiden Seiten des Schichtenstapels angeordnet ist.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 3, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Heizsubstrat (12c, 14a) und dem Schichtenstapel vorhanden ist.
Der NO_x-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Diffusionskontrollschicht (4d) in der Festelektrolytschicht (4a) gebildet ist, welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4) bildet, wobei die zweite Diffusionskontrollschicht (6d) in der Festelektrolytschicht (6a) gebildet ist, welche die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) bildet, wobei der erste Messraum (20) durch einen Zwischenraum definiert ist, der zwischen der Festelektrolytschicht (4a), welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4) bildet, und der Festelektrolytschicht (6a), welche die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) bildet, vorgesehen ist, und wobei zumindest ein Abschnitt der ersten Diffusionskontrollschicht (4d) der zweiten Diffusionskontrollschicht (6d) gegenüberliegt.
Der NO_x-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend eine innere Festelektrolytschicht (22), die eine darin geformte dritte Diffusionskontrollschicht (22d) aufweist, die zwischen der Festelektrolytschicht (6a), welche die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) bildet, und der Festelektrolytschicht (8a), welche die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) bildet, angeordnet ist, und wobei der zweite Messraum (26) durch einen Zwischenraum definiert ist, der zwischen der Festelektrolytschicht (8a), welche die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) bildet, und der inneren Festelektrolytschicht vorgesehen ist.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 6, wobei die erste, zweite und dritte Diffusionskontrollschichten (4d, 6d, 22d) sich zumindest teilweise einander in Stapelrichtung des Schichtenstapels überlappen.
Der NO_x-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin aufweisend Mittel zur Aufrechterhaltung einer Ausgangsspannung der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) auf einem konstanten Wert, wobei die Mittel die erste Sauerstoffpumpzelle (4) zum Auspumpen von Sauerstoff aus dem ersten Messraum (20) aufweisen; und Mittel zum Anlegen einer konstanten Spannung an die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) zum Auspumpen von Sauerstoff aus dem zweiten Messraum (26), wodurch die Konzentration von NO_x, das im Messgas enthalten ist, durch Messen des Stroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) fließt, bestimmt werden kann.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 1 weiterhin aufweisend Mittel zur Aufrechterhaltung einer Ausgangsspannung der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) auf einem konstanten Wert, wobei die Mittel die erste Sauerstoffpumpzelle (4) zum Pumpen von Sauerstoff aus dem ersten Messraum (20) aufweisen; und Mittel zum Anlegen eine konstanten Spannung an die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) zum Pumpen von Sauerstoff aus dem zweiten Messraum (26), wodurch die Konzentration von NO_x, das im Messgas enthalten ist, durch Messen des Stroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) fließt, bestimmt werden kann.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 9, wobei die Festelektrolytschichten (4a, 6a, 8a), welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4), die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (6) und die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) bilden, folienähnliche Festelektrolytschichten aufweisen, welche einen Schichtenstapel formen, der eine Stapelrichtung hat, wobei die Festelektrolytschicht (4a), welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4) bildet, und die Festelektrolytschicht (8a), welche die zweite Sauerstoffpumpzelle (8) bildet, als jeweils äußere Schichten des Schichtenstapels angeordnet sind, und ein vorbestimmter Zwischenraum zwischen jeder der äußeren Festelektrolytschichten und der inneren Festelektrolytschicht bzw. Festelektrolytschichten vorgesehen ist, um dadurch die ersten und zweiten Messräume (20, 26) zu definieren; wobei der NO_x-Sensor weiterhin ein folienähnliches Heizsubstrat (12a, 12c, 14a, 14) aufweist, das einen Heizer (12, 14) aufweist, der so auf einer oder beiden Seiten des Schichtenstapels in Stapelrichtung angeordnet ist, dass ein vorbestimmter Zwischenraum zwischen dem Heizsubstrat (12c, 14a) und den Festelektrolytschichten (4a, 8a) geformt ist; und wobei die erste Diffusionskontrollschicht (4d) in der Festelektrolytschicht (4a), welche die erste Sauerstoffpumpzelle (4) bildet, an einer Position gegenüber einen Zentralabschnitt des im Heizsubstrat (12a, 12c) geformten Heizers (12) geformt ist.
Der NO_x-Sensor nach Anspruch 10, wobei die zweite Diffusionskontrollschicht (6d) zumindest teilweise die erste Diffusionskontrollschicht (4d) in Stapelrichtung des Schichtenstapels überlappt.