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    • 专利摘要:
    Ein Sensorelement (104) eines NOx-Sensors (101) hat eine Sensorzelle (150) zum Zersetzen von NOx und von restlichem O¶2¶, die aufgenommen werden, innerhalb eines Elements und eine Kontrollzelle (160) zum Zersetzen von nur dem restlichen O¶2¶. Die NOx-Konzentration wird aus einer Differenz einer elektrischen Stromabgabe zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst. Die Spitze des Sensorelements ist durch eine Elementabdeckung (103) geschützt. Die Elementabdeckung hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern (106a) und zumindest eine Bodenwandloch (106b). Die Seitenwandlöcher und das Bodenwandloch haben Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 mm. Ein Verhältnis des Durchmessers der Seitenwandlöcher zu demjenigen des Bodenwandlochs liegt zwischen 0,5 und 1,5. Dieser Aufbau unterbindet Strömungsgeschwindigkeitsvariationen innerhalb der Elementabdeckung und eine Abgabepulsation der Sensorzelle und der Kontrollzelle, was eine Stabilisierung der NOx-Abgabe ergibt.
    公开号:DE102004007392A1
    申请号:DE102004007392
    申请日:2004-02-16
    公开日:2004-09-02
    发明作者:Hiroshi Haraguchi；Daisuke Kojima；Takashi Kojima
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01N27-419
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betriffteinen Gaskonzentrationsdetektor, der unter Verwendung einer Vielzahlvon Zellen, die an einem Festelektrolytelement ausgebildet sind,eine Konzentration von einem gegebenen Gas bei einer Messung vonGasen erfasst, beispielsweise eine NOx-Konzentration in abgasenvon einer Brennkraftmaschine eines Automobils. Genauer gesagt betrifftsie einen Aufbau einer Elementabdeckung des Gaskonzentrationsdetektorszum Verbessern einer Detektionsgenauigkeit.
    [0002] Derzeit wächst die Wichtigkeit des weltweitenUmweltschutzes, so dass Emissionsbestimmungen für Abgase von einer Brennkraftmaschineeines Automobils jedes Jahr strenger werden. Zur Behandlung dieser Bestimmungenwerden genaue Steuerungen fürAbgase in hohem Maßeerwartet. Beispielsweise wird erwartet, dass ein Gaskonzentrationsdetektordirekt eine Konzentration von NOx als eine gefährliche Substanz, die in denAbgasen enthalten ist, erfasst, um das Erfassungssignal zurück zu einemEGR-System (Abgasrezirkulationssystem) oder einem Katalysatorsystemzu führen.Dieser Gaskonzentrationsdetektor umfasst eine bekannte Bauart, diedie NOx-Konzentration mit einer Vielzahl von Zellen erfasst, diean einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytelement ausgebildetsind. Dabei wird die NOx-Konzentrationunter Verwendung einer Differenz der Aktivität einer NOx-Reduktion zwischenden Zellen erfasst. Das ist in JP-A-H9-288086 offenbart.
    [0003] Der vorstehend genannte herkömmlich Gaskonzentrationsdetektorweist im Allgemeinen Folgendes auf: eine Pumpzelle, die O2 in den in eine Kammer geführten Abgasenausstößt oderpumpt; und eine Sensorzelle, die eine Abgabe gemäß O2-und NOx-Konzentrationen erzeugt, die innerhalb der Kammer verbleiben. DieO2- Konzentrationin der Kammer wird nämlichbei der Kontrollzelle erfasst und durch eine Rückführregelungspumpzellenspannungkonstant gehalten, währenddie NOx-Konzentration aus einem Strom erfasst wird, der in der Sensorzellefließt.
    [0004] Bei diesem Gaskonzentrationsdetektorhat die Kammer die erste Kammer mit der Pumpzelle und die zweiteKammer mit der Sensorzelle und der Kontrollzelle, wobei die zweiKammern in Fluidverbindung über eine Öffnung stehen.Dieser Aufbau ermöglichteine Variierung der O2-Konzentration inder Näheder Sensorzelle und der Kontrollzelle, so dass diese sich verringert;jedoch kann eine Variierung der O2-Konzentration innerhalb der erstenKammer aufgrund einer Variierung der Pumpzellenspannung nicht direktauf die O2-Konzentration innerhalb der zweitenKammer oder auf den Kontrollzellenstrom wiedergegeben werden. Die O2-Konzentration innerhalb der zweiten Kammerwird dadurch wahrscheinlich schwanken. Daher wird vorgeschlagen,dass die NOx-Konzentration in den Abgasen aus einer Abgabedifferenzzwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst wird. Dasermöglicht,dass die erfasste NOx-Konzentration als eine Sensorabgabe unabhängig vonder O2-Konzentrationinnerhalb der zweiten Kammer ist, was eine Verbesserung der Erfassungsgenauigkeitergibt.
    [0005] Gemäß einem weiteren Gesichtspunkthaben die Sensorzelle und die Kontrollzelle unterschiedliche Reaktivitäten oderAnsprechverhalten hinsichtlich Sauerstoff, da ihre zur Kammer weisendenElektroden unterschiedliche Arten von Materialien verwenden, wiez.B. Pt, Rh, das beim Zersetzen beim NOx aktiv ist, bzw. Pt-Au,das inaktiv ist. Das liegt daran, dass die Sensorzellenelektrodemit Rh geeignet ist, Sauerstoff zu speichern, um O2 innerhalbder Kammer einfacher als die Kontrollzellenelektrode zu pumpen,was ein langsames Ansprechverhalten auf eine Variierung der O2-Konzentration ergibt. Eine Variierung derAbgabedifferenz zwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle wirddaher auch dann erzeugt, wenn ein Verbrennungsmotorbetriebszustandvariiert oder wenn die restliche O2-Konzentrationgeringfügigvariiert. Als Folge führtdie Schwankung der Abgabedifferenz zwischen der Sensorzelle undder Kontrollzelle zu einer Variierung des erfassten NOx-Werts,was eine Unfähigkeiteiner genauen NOx-Erfassung ergibt.
    [0006] Es ist eine Aufgabe der vorliegendenErfindung, einen Gaskonzentrationsdetektor zu schaffen, der in derLage ist, Variierungen der Abgabe aufgrund einer Materialdifferenzzwischen bei dem Detektor verwendeten Elektroden zu unterbindenund ein gegebenes Gas bei Messgasen, wie zum Beispiel Nox in denAbgasen genau zu erfassen.
    [0007] Um die vorstehend genannte Aufgabezu lösen,ist ein Gaskonzentrationsdetektor mit Folgendem versehen: der Gaskonzentrationsdetektorist in einem Raum zum Messen einer Konzentration eines gegebenen Gasesvorgesehen, das in Messgasen enthalten ist, die innerhalb des Raumsvorhanden sind. Der Gaskonzentrationsdetektor weist ein Sensorelementund eine Elementabdeckung auf. Das Sensorelement hat eine Sensorzelleund eine Kontrollzelle. Die Sensorzelle ist zum Erfassen der Konzentrationdes gegebenen Gases vorgesehen, das in den Messgasen enthalten ist,die in eine Kammer innerhalb des Sensorelements geleitet werden.Die Kontrollzelle ist zum Erfassen einer O2-Konzentrationinnerhalb der Kammer vorgesehen. Die Elementabdeckung ist ein Zylindermit einem Boden, um das Sensorelement zu umgeben. Die Elementabdeckunghat ein Gaseinlassloch, durch das die Messgase strömen. DasGaseinlassloch hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern und zumindest ein Bodenwandloch.Die Durchmesser der Seitenwandlöcherund des Bodenwandlochs liegen nämlichinnerhalb eines Bereichs zwischen 0,5 und 1,5 mm, während einVerhältnis des Durchmessersder Seitenwandlöcherzu dem Durchmesser des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereichs zwischen0,5 und 1,5 liegt.
    [0008] Die Erfindung ist darauf gerichtet,dass eine Differenz von Abgaben der Sensorzelle und der Kontrollzelledurch eine Gasströmunginnerhalb der Elementabdeckung beeinflusst und variiert werden.Es hat sich herausgestellt, dass der vorstehend genannte Aufbauder Elementabdeckung der vorliegenden Erfindung die Abgabedifferenzzwischen den Zellen unterbinden kann. Der vorstehend genannte Aufbauunterbindet nämlich dieVariierung die Strömungsgeschwindigkeitder Messgase innerhalb der Elementabdeckung, um die Abgabepulsationsbreiteder Sensorzelle und der Kontrollzelle zu verringern, wobei sichdie Erfassungsgenauigkeit verbessert. Die vorstehend genannten undandere Aufgaben, Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindungwerden aus der folgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme aufdie beigefügtenZeichnungen erkennbar.
    [0009] 1A isteine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Elementabdeckung alsein Hauptteil des Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung zeigt;
    [0010] 1B, 1C sind Horizontalschnittansichtender Elementabdeckung entlang einer Linie A-A in 1A;
    [0011] 1D isteine Unteransicht der Elementabdeckung;
    [0012] 2A isteine Ansicht, die einen Gesamtaufbau des Gaskonzentrationsdetektorsgemäß dem ersten Ausführungsbeispielszeigt;
    [0013] 2B isteine vergrößerte schematischeSchnittansicht, die ein Spitzenende eines Sensorelements zeigt,das von einem Kreis C in 2A entnommenist;
    [0014] 3 isteine schematische Ansicht, die einen Gesamtaufbau einer Brennkraftmaschinemit einem Gaskonzentrationsdetektor der vorliegenden Erfindung zeigt;
    [0015] 4 isteine Grafik, die eine NOx-Abgabepulsationsbreite und eine NOx-Ansprechzeitrelativ zu Lochdurchmessern in dem Gaskonzentrationsdetektor gemäß dem erstenAusführungsbeispielzeigt;
    [0016] 5 isteine Grafik, die eine NOx-Abgabepulsationsbreite relativ zu einemDurchmesserverhältnis derSeiten- und Bodenwandlöcherin dem Gaskonzentrationsdetektor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
    [0017] 6A isteine Schnittansicht, die einen Aufbau einer Elementabdeckung alsein Hauptteil eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung zeigt;
    [0018] 6B, 6C sind Horizontalschnittansichtender Elementabdeckung entlang einer Linie A-A oder B-B in 6A;
    [0019] 6D isteine Unteransicht einer äußeren Abdeckungder Elementabdeckung;
    [0020] 6E isteine Unteransicht einer inneren Abdeckung der Elementabdeckung;
    [0021] 7A bis 7C sind Grafiken, die einenKontrollzellenstrom, einen Sensorzellenstrom und eine NOx-Abgabe vor oder nach einer Gegenmaßnahme beider Elementabdeckung der vorliegenden Erfindung zeigen;
    [0022] 8A isteine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelementseines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0023] 8B isteine Schnittansicht entlang einer Linie D-D in 8A;
    [0024] 9 isteine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelementseines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem vierten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung; und
    [0025] 10 isteine schematische Schnittansicht eines Spitzenendes eines Sensorelementseines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegendenErfindung.
    [0026] Ein Gaskonzentrationsdetektor einesersten Ausführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung hat einen NOx-Sensor 101 undeinen Steuerungsschaltkreis wie in 2A gezeigtist. Beispielsweise ist der Gaskonzentrationsdetektor an einem Abgasrohr 202 beieiner Brennkraftmaschine (Dieselverbrennungsmotor) 200 zumErfassen eines gegebenen Gasbestandteils (NOx) in Messgasen (Abgasen)angeordnet, wie in 3 gezeigtist. Die Brennkraftmaschine 200 ist mit einer gemeinsamenLeitung (Common Rail) 203 zum Einspritzen eines Hochdruckkraftstoffs,der in der gemeinsamen Leitung 203 gesammelt wird, in dieentsprechenden Zylinder überdie Kraftstoffeinspritzventile 204 aufgebaut. Ein EGR-Durchgang 206 verbindetzwischen einem Abgaskrümmer 205 und einemEinlasskrümmer 207,um die Abgase zu dem Einlass teilweise zu rezirkulieren.
    [0027] Der abgaskrümmer 205 wird durchdas Abgasrohr 202 gefolgt, das mit einer Nachbehandlungseinheit 209 ausgestattetist, die einen Katalysator der NOx-Speicher-/-Reduktionsbauart undeinen Oxidationskatalysator 210 hat. Der Abgaskrümmer 205 nimmtein Abgaskraftstoffzugabeventil 208 zum Zugeben von Kraftstoff alsein Reduktionsmittel fürNOx auf. Der N0x-Sensor ist stromaufwärts von dem Oxidationskatalysator210 zum Aufnehmen der Abgase angeordnet, die durch den Katalysatorder NOx-Speicher-/-Reduktionsbauarttreten. Der Steuerungsschaltkreis 101 erfasst auf der Grundlagevon Signalen von dem NOx-Sensor 101 eine NOx-Konzentration,um diese an eine ECU 201 abzugeben. Beispielsweise diagnostiziertdie ECU 201 eine Verschlechterung des Katalysators derNOx-Speicher-/-Reduktionsbauart oder regelt das EGR-System rückgeführt.
    [0028] Wie in 2A gezeigtist, hat der NOx-Sensor 101 ein Gehäuse 105, ein Sensorelement 104,eine Elementabdeckung 103 und ein zylindrisches Element 107.Das Gehäuse 105 istan einer Wand eines Abgasrohrs 202 fixiert, wie in 3 gezeigt ist. Das Sensorelement 104 istin einem isolierten Zustand innerhalb des Gehäuses 105 gestützt. EinSpitzenende (unteres Ende in 2A)des Sensorelements 104 ist innerhalb der Elementabdeckung 103 aufgenommen,die an dem Bodenende (unteres Ende in 2A)des Gehäuses 105 fixiertist und in das Abgasrohr 202 vorsteht. Die Elementabdeckung 103 ziehtdie Abgase innerhalb des Abgasrohrs 202 über einGaseinlassloch 106 ein, das durch Seiten- und Bodenwände vondieser ausgebildet ist. Das zylindrische Element 107 istan einem oberen Ende (oberes Ende in 2A)des Gehäuses 105 fixiert undhat ein Atmosphäreneinlassloch 108,das durch eine Seitenwand von diesem ausgebildet ist. Wie in 1A gezeigt ist, ist dieElementabdeckung 103 ein Zylinder mit einem Boden, wobeidas Gaseinlassloch 106, das eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a aufweist,durch die Oberseitenwand hindurchdringt, und wobei ein Bodenwandloch 106b durchdie Mitte der Bodenwand hindurch dringt. Abmessungen und die Anordnungdes Gaseinlasslochs der Elementabdeckung 103, die Merkmaleder vorliegenden Erfindung sind, werden nachstehend beschrieben.
    [0029] Das vergrößerte Spitzenende 104 istin 2B gezeigt. Das Sensorelement 104 weistfolgendes auf: eine erste und eine zweite Kammer 120, 121,bei denen die Abgase aufgenommen werden; Atmosphärenleitungen 130, 131,die in Fluidverbindung mit der Atmosphäre stehen; eine Pumpzelle 140 inder ersten Kammer 120; und eine Sensorzelle 150 sowieeine Kontrollzelle 160 in der zweiten Kammer 121.Die Sensorzelle und die Kontrollzelle 150, 160 sindin einer Längsrichtungdes Sensorelements 104 ausgerichtet (in eine seitliche Richtungin 2B). Die erste Kammer 120 stehtin Fluidverbindung mit der zweiten Kammer 121 über eine Öffnung 110,um die Abgase übereine poröseDiffusionsschicht 109 und ein Stiftloch 111 aufzunehmen.
    [0030] Das Sensorelement 101 istein mehrschichtiger Aufbau, der folgendes aufweist (von oben nachunten in 2B): die poröse Diffusionsschicht 109 undeinen Abstandhalter 175 zur Bildung der Atmosphärenleitung 131;ein blattartiges Festelektrolytelement, das die Sensorzelle 150 unddie Kontrollzelle 160 bildet; einen Abstandshalter 172,der die erste und die zweite Kammer 120, 121 bildet;ein blattartiges Festelektrolytelement 173, das die Pumpzelle 140 bildet;einen Abstandshalter 174, der die Atmosphärenleitung 130 bildet;und eine blattartige Heizvorrichtung 112. Die Festelektrolytelemente 171, 173 sindaus einem Festelektrolyt ausgebildet, das Sauerstoffionen-leitendist, wie z.B. aus Zirkonium, währenddie Abstandhalter 172, 174, 175 aus Isolationsmaterialausgebildet sind, wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Die poröse Diffusionsschicht 109 istbeispielsweise aus porösemAluminiumoxid ausgebildet.
    [0031] Die Pumpzelle 140 ist ausdem Festelektrolytelement 173 und einem gegenüberliegendenPaar Elektroden 141, 142 ausgebildet, die dasFestelektrolytelement 173 dazwischen enthalten. Die Pumpzelle 140 ist zumAusstoßenoder zum Pumpen von Sauerstoff in die oder aus der Atmosphärenleitung 130 vorgesehen, umdadurch die O2-Konzentration innerhalb derersten Kammer 120 zu steuern. Von dem Paar Elektroden 141, 142 istdie Elektrode 141, die zu der ersten Kammer 120 weist,eine Elektrode, die beim Zersetzen von NOX inaktivist, wie beispielsweise eine porösePt-Au-Cermet-Elektrode.Dagegen ist die Elektrode 142, die zu der Atmosphärenleitung 130 weist,beispielsweise eine porösePt-Cermet-Elektrode.Die poröseCermet-Elektrode wird durch Backen bzw. Brennen einer Pastenformvon Metall und Keramik ausgebildet, wie z.B. Aluminiumoxid und Zirkonium.
    [0032] Die Kontrollzelle 160 istaus dem Festelektrolytelement 171 und einem gegenüberliegendenPaar Elektroden 161, 162 ausgebildet, die dasFestelektrolytelement 171 dazwischen enthalten. Die Kontrollzelle 160 istzum Erfassen der restlichen O2-Konzentration innerhalbder zweiten Kammer 121 vorgesehen, die von der ersten Kammer 120 über die Öffnung 110 aufgenommenwird. Von dem Paar Elektroden 161, 162 ist die Elektrode 161,die zu der zweiten Kammer 121 weist, eine Elektrode, diebeim Zersetzen von NOx inaktiv ist, wie beispielsweise eine poröse Pt-Au-Cermet-Elektrode.Dagegen ist die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist,beispielsweise eine Pt-Cermet-Elektrode.Wenn eine gegebene Spannung zwischen die Elektroden 161, 162 angelegtwird, wird eine Stromabgabe (Kontrollzellenstrom) Im auf der Grundlageder restlichen O2-Konzentration erhalten.
    [0033] Die Sensorzelle 150 istaus dem Festelektrolytelement 171 und einem gegenüberliegendenPaar von Elektroden 151, 162 ausgebildet, diedas Festelektrolytelement 171 dazwischen enthalten. DieSensorzelle 150 grenzt an die Kontrollzelle 160.Von dem Paar Elektroden 151, 162 wird die Elektrode 162,die zu der Atmosphärenleitung 131 weist, üblicherWeise bei der Kontrollzelle 160 verwendet. Die Sensorzelle 150 istzum Erfassen der NOx- und der restlichen O2-Konzentrationinnerhalb der zweiten Kammer 121 vorgesehen, die von derersten Kammer 120 aufgenommen werden. Von dem Paar Elektroden 151, 162 istdie Elektrode 151, die zu der zweiten Kammer 121 weist,eine Elektrode, die beim Zersetzen von NOx aktiv ist, wie zum Beispiel eineporösePt-Rh-Cermet-Elektrode. Wenn eine gegebene Spannung zwischen dieElektroden 151, 162 angelegt wird, wird eine Stromabgabe(Sensorzellenstrom) Is auf der Grundlage der NOx- und der restlichen O2-Konzentration erhalten.
    [0034] Die Heizvorrichtung 112 istein Blatt, das aus einem Isolationsmaterial ausgebildet ist, wiezum Beispiel Aluminiumoxid, und das eine Heizelektrode enthält. DieHeizelektrode wird dadurch erwärmt,dass ihr ein elektrischer Strom zugeführt wird, um die Zellen 140, 150, 160 aufeine Aktivierungstemperatur oder darüber hinaus durch Aufheizendes gesamten Elements zu halten.
    [0035] Ein Betriebsprinzip des vorstehendgenannten NOx-Sensors 101 wirdnachstehend beschrieben. In 2B werdendie Abgase als Messgase in die erste Kammer 120 über dieporöseDiffusionsschicht 109 und das Stiftloch 111 aufgenommen.Eine Strömungsmengeder aufgenommenen Abgase hängtvon dem Diffusionswiderstand der porösen Diffusionsschicht 109 unddes Stiftlochs 111 ab. Wenn eine Spannung zwischen dieElektroden 141, 142 der Pumpzelle 140 angelegtwird, wobei die Elektrode 142, die zu der Atmosphärenleitung 130 weist,positiv ist, wird nämlichO2 reduziert und zersetzt, so dass sie Sauerstoffionenan der Elektrode 141 werden, die zu der ersten Kammer 120 weist.
    [0036] Die Sauerstoffionen werden dann inRichtung auf die Elektrode 142 durch eine Pumpfunktionabgegeben (siehe ein Pfeil innerhalb der Pumpzelle 140).Wenn die Spannung umgekehrt angelegt wird, wird Sauerstoff umgekehrtvon der Atmosphärenleitung 130 zuder ersten Kammer 120 überführt.
    [0037] Die Pumpzelle 140 stößt somitSauerstoff durch Einstellen einer Größe und einer Richtung der angelegtenSpannung unter Verwendung der Sauerstoffpumpfunktion zum Steuerneiner O2 Konzentration innerhalb einer Kammeraus oder pumpt diesen. Typischer Weise wird zum Verringern der Wirkungdes Sauerstoffs beim Erfassen von NOx der Sauerstoff innerhalb derersten Kammer 120 ausgestoßen, so dass die O2-Konzentrationinnerhalb der zweiten Kammer 121 auf einer gegebenen niedrigenKonzentration gehalten wird. Die Elektrode 141, die zuder ersten Kammer 120 weist, ist nämlich beim Zersetzen von demNOx inaktiv, so dass das NOx in den Abgasen nicht durch die Pumpzelle 140 zersetztwird.
    [0038] In dem Ausführungsbeispiel wird die Pumpzelle 140 durchVerwendung einer Abbildung der angelegten Spannung gesteuert, dieim voraus gemäß dem PumpzellenstromIp spezifiziert wird. Die Pumpzelle 140 hat eine Grenzstromcharakteristikmit Bezug auf eine O2-Konzentration. Ineiner V-I-Charakteristik-Abbildung, die eine Beziehung zwischeneiner angelegten Pumpzellenspannung Vp und einem PumpzellenstromIp zeigt, ist der Grenzstromerfassungsbereich in einem linearenAbschnitt im Wesentlichen parallel zu einer Achse der Spannung gelegen.Unter Erhöhungder Sauerstoffkonzentration erhöhtsich der Spannungswert. Durch variables Steuern der angelegten PumpzellenspannungVp gemäß dem PumpzellenstromIp wird der in die erste Kammer 120 aufgenommene Sauerstoffdadurch rasch ausgestoßen,um die erste Kammer 120 auf einer gegebenen niedrigen Sauerstoffkonzentrationzu halten. Das führtzu einer Verringerung der Wirkung des Sauerstoffs als störendes Gasmit Bezug auf die Erfassung des NOx, das ein gegebener Gasbestandteilist.
    [0039] Die Abgase, die die Pumpzelle 140 passieren,treten in die zweite Kammer 121 über die Öffnung 110 ein. Wenndie Spannung zwischen die Elektroden 161, 162 derKontrollzelle 160 angelegt wird, wobei die Elektrode 162,die zu der Atmosphärenleitung 131 weist,positiv ist, wird ein geringer Betrag der restlichen O2 Konzentrationin den Abgasen verringert und zersetzt, so dass er zu Sauerstoffionenan der Elektrode 161 wird, die zu der zweiten Kammer 121 weist.Die Sauerstoffionen werden dann in Richtung auf die Elektrode 162 durchdie Pumpfunktion abgegebne (siehe ein Pfeil unter der Elektrode 162).Die Elektrode 161 ist inaktiv beim Zersetzen von NOx, sodass der Kontrollzellenstrom Im, der durch einen Stromdetektor 183 gemessenwird, nicht abhängigvon der NOx-Konzentration, sondern abhängig von dem Sauerstoff ist,der die zweite Kammer 121 erreicht. Die O2 Restkonzentrationwird dadurch durch Erfassen des Kontrollzellenstroms Im erfasst.
    [0040] Dagegen ist mit Bezug auf die Sensorzelle 150 dieElektrode 151, die zu der zweiten Kammer 121 weist,beim Zersetzen von NOx inaktiv. Wenn eine Spannung zwischen dieElektroden 151, 162 der Sensorzelle 150 angelegtwird, wobei die Elektrode 162, die zu der Atmosphärenleitung 131 weist,positiv ist, werden das restliche O2 undNOx in den Abgasen verringert und zersetzt, so dass sie zu Sauerstoffionenan der Elektrode 161 werden, die zu der zweiten Kammer 121 weist.Die Sauerstoffionen werden dann in Richtung auf die Elektrode 162 durchdie Pumpfunktion abgegeben (siehe den Pfeil unter der Elektrode 162).Der Sensorzellenstrom Is, der durch einen Stromdetektor 182 gemessenwird, ist abhängigvon dem O2 und von dem NOx, die die zweiteKammer 121 erreichen. Die Kontrollzelle 160 unddie Sensorzelle 150 grenzen aneinander an, so dass dieO2-Konzentration, die die Elektroden 151, 162 erreicht,die zu der zweiten Kammer 121 weisen, nahezu gleich ist.Die NOx-Konzentration kann dadurch durch Ableiten des KontrollzellenstromsIm (entsprechend der Sauerstoffkonzentration) von dem SensorzellenstromIs erfasst werden.
    [0041] Wie vorstehend erklärt ist,kann die NOx-Konzentration ohne Abhängigkeit von der Sauerstoffmenge innerhalbder Kammer unter Verwendung einer Abgabedifferenz zwischen den angrenzendenSensor- und Kontrollzellen 150, 160 erfasst werden.Jedoch entwickelt ein Werkstoffunterschied der kammerseitigen Elektrodezwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle tatsächlich eineDifferenz des Ansprechverhaltens auf Sauerstoff. Die Elektrode 151 derSensorzelle 150 verwendet nämlich Pt-Rh, während dieElektrode 161 der Kontrollzelle 160 Pt-Au verwendet.Insbesondere ist das Rh in der Sensorzelle 150 geeignet,Sauerstoff aufgrund seiner Sauerstoffspeichercharakteristik zu pumpen,so dass die Elektrode 151 ein geringes Ansprechverhaltenauf eine Sauerstoffvariation zeigt. Dagegen reagiert die Kontrollzelle 160 empfindlichauf eine Sauerstoffvariation, beispielsweise aufgrund einer Sauerstoffkonzentrationsverteilunginnerhalb einer Kammer, was einfach die Erzeugung einer Abgabepulsationergibt. Dadurch entwickelt sich ein Problem dahingehend, dass dieNOx-Abgabe, die eine Abgabendifferenz ist, dadurch unstabil werdenkann.
    [0042] Um das vorstehend genannte Problemzu behandeln, unterbindet die vorliegende Erfindung eine Strömungsgeschwindigkeitsvariationder Abgase innerhalb der Elementabdeckung 103 und einerVariation der NOx-Abgabe durch Vorsehen eines Aufbaus der Elementabdeckung 103.
    [0043] Genauer gesagt weist die Elementabdeckung 103 eineVielzahl von Seitenwandabdeckungen 106a und zumindest einBodenwandloch 106b auf. Ein Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a undein Durchmesser des Bodenwandlochs 103b sind spezifiziert.Des weiteren ist ein Verhältnisdes Durchmessers der Seitenwandlöcher 106a zudemjenigen des Bodenwandlochs 106b ebenso spezifiziert.
    [0044] In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 1A gezeigt ist, ist dieVielzahl der Seitenwandlöcher 106a inder Nähedes oberen Endes der Elementabdeckung 103 angeordnet, während dasBodenwandloch 106b an dem Mittenabschnitt des Bodens derElementabdeckung 103 angeordnet ist. Hier wird eine Strömung von Messgasenausgebildet, wie es durch einen in 1A gezeigtenPfeil angedeutet ist. Somit sind die Seitenwandlöcher 106a vorzugsweisean dem oberen Bereich als an dem Spitzenende des Sensorelements 104 angeordnet,das ein Erfassungsabschnitt ist. Das Stiftloch 111, dasdie Abgase aufnimmt, ist an der Seite des tafelförmigen Sensorelements 104 gelegen,so dass das Sensorelement 104 eine Direktionalität bzw. eineGerichtetheit aufweist, wie in 2B gezeigtist. Um die Wirkung der Gerichtetheit zu verringern, wird eine axiale Strömung (vertikaleStrömungin 1A) mit Bezug aufden Erfassungsabschnitt grundsätzlichbevorzugt.
    [0045] Die Vielzahl der Seitenwandlöcher 106a ist,wie in den 1A, 1B, 1C gezeigt ist, in der im Wesentlichengleichen Umfangslinie mit Bezug auf die Elementabdeckung 103 angeordnet.Die Vielzahl der Seitenwandlöcherist nämlichentlang der Umfangsschnittlinie, die zwischen der Seitenwand derElementabdeckung 103 und einer gedachten Ebene senkrechtzu einer Achse des Sensorelements 104 oder der Elementabdeckung 103 ausgebildetist, angeordnet. Beispielsweise sind, wie in 1B gezeigt ist, vier Seitenwandlöcher 106a anden im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Die Anzahlder Seitenwandlöcher 106a istnicht auf die bestimmte Anzahl beschränkt, sondern sie ist vorzugsweisevier oder sechs. Wenn die Anzahl der Seitenwandlöcher 106a wenigerals 4 beträgt,hat der NOx-Sensor 101, der an dem Abgasrohr 202 installiertist, eine Gerichtetheit mit Bezug auf die Abgasströmung. EinAnsprechverhalten wird dadurch merklich durch die Richtungen derLöcher 106a beeinflusst.Die Anzahl, die nicht geringer als vier ist, kann nicht durch dieRichtungen beeinflusst werden. Dagegen erzeugt eine Anzahl von Seitenwandlöchern 106a,die mehr als sechs beträgt,keinen zusätzlichenVorteil sondern bildet die Schwierigkeit beim Herstellen von mehrals sechs Löchern,da sie sehr nah zu dem nächstensind. 1C zeigt ein Beispielvon sechs Seitenwandlöchern 106a. Dahier die Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a in dergleichen Umfangslinie mit Bezug auf die Elementabdeckung 103 mitden im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet ist, wird dieGerichtetheit nicht erzeugt, wenn der NOx-Sensor 101 andem Abgasrohr 202 eingebaut ist.
    [0046] Die Anzahl des Bodenwandlochs 106a kannmehr als eins sein; jedoch beträgtdie Anzahl vorzugsweise eins an der Mitte des Bodens der Elementabdeckung 103.Die Anzahl des Bodenwandlochs 106b, die nur eins beträgt, machtdie Herstellung des Lochs einfach. Dadurch ergibt sich, dass einVorteil zum Unterbinden einer Variation einer Strömungsgeschwindigkeitinnerhalb der Elementabdeckung 103 auf der Grundlage der Angabeneines Lochdurchmessers einfach erhalten wird, was nachstehend beschriebenwird.
    [0047] Die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a unddes Bodenwandlochs 106b der Elementabdeckung 103 werdennachstehend beschrieben. 4 zeigteine Beziehung zwischen dem Lochdurchmesser und der Abgabecharakteristikdes Sensorelements 104, wenn die Elementabdeckung 103 einenin 1A gezeigten Aufbaumit vier Seitenwandlöchern 106a undeinem Bodenwandloch 106b hat. Hier wird ein Verhältnis des Durchmessersder Seitenwandlöcherzu demjenigen des Bodenwandlochs 106b auf dem gleichenbeibehalten. Die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und desBodenwandlochs 106b sind nämlich der gleiche gemeinsameDurchmesser. Der gemeinsame Durchmesser (von den Seitenwandlöchern 106a undvon dem Bodenwandloch 106b) wird von 0,3 bis 2 mm variiert.Wie in 4 gezeigt ist,verringert sich mit einer Vergrößerung desgemeinsamen Durchmessers die Ansprechzeit und vergrößert sichdie Abgabepulsationsbreite. Wenn genauer gesagt der gemeinsame Durchmessergeringer als 0,5 mm beträgt,wird die Ansprechzeit merklich verschlechtert. Wenn dagegen dergemeinsame Durchmesser größer als1,5 mm beträgt,erhöhtsich die Pulsationsbreite merklich. 4 zeigtdes weiteren Grenzwerte fürdie Abgabepulsationsbreite und die Ansprechzeit, die zum Erfassenvon NOx in den Abgasen mit einer vorbestimmten Erfassungsgenauigkeitnotwendig sind. Als Folge schafft der gemeinsame Durchmesser, dervon 0,5 bis 1,5 mm beträgt,eine Vereinbarkeit zwischen der Ansprechzeit und der Pulsationsbreite.
    [0048] Als Nächstes wird das Verhältnis desDurchmessers der Seitenwandlöcher 106a zudemjenigen des Bodenwandlochs 106b nachstehend beschrieben. 5 zeigt eine NOx-Abgabepulsationsbreitegemäß einemVerhältnisvon Lochdurchmessern, die in der Tabelle 1 nachstehend aufgelistetsind, wenn die Elementabdeckung 103 einen in 1A gezeigten Aufbau mitvier Seitenwandlöchern 106a undeinem Bodenwandloch 106b hat. Hier ist das Verhältnis derLochdurchmesser [Seitenwandlochdurchmesser]/[Bodenwandlochdurchmesser]. [Tabelle1]
    [0049] Die Abgabepulsationsbreite ist amengsten bei ungefähr1,0 von diesem Verhältnisund erhöhtsich entweder bei einem niedrigeren Verhältnis oder bei dem höheren Verhältnis als1,0 von dem Verhältnis.Demgemäß wird dasVerhältnisder Lochdurchmesser vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 1,5auf der Grundlage des Grenzwerts der in 5 gezeigten NOx-Abgabepulsationsbreite angegeben.
    [0050] Eine herkömmliche Elementabdeckung einesGassensors neigt dazu, größere Lochdurchmesserzu haben (beispielsweise Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm, Bodenwandloch: ⌀ 2 mm), um ein rasches Ansprechverhalten durch Vereinfachen eines Gasaustauschszwischen dem Äußeren unddem Inneren von der Elementabdeckung zu erhalten. Jedoch neigt dieherkömmlicheElementabdeckung dazu, Strömungsgeschwindigkeitsvariationenzu unterliegen. Bei einem solchen NOx-Sensor, bei dem die Sensorzelleund die Kontrollzelle unterschiedliche Abgabeansprechverhalten haben,wird die Abgabepulsation einer Kontrollzelle dadurch größer alsdiejenige einer Sensorzelle, was Variationen der NOx-Abgabe ergibt.Dagegen unterbindet die Elementabdeckung 103 des Ausführungsbeispiels,das mit Bezug auf die Anzahlen und die Durchmesser der Löcher spezifiziertist, die Strömungsgeschwindigkeitsvariationeninnerhalb der Elementabdeckungen 103. Das führt zu einerUnterbindung der Abgabepulsation der Sensor- und Kontrollzellen 150, 160 desSensorelements 104, was eine Verbesserung der Erfassungsgenauigkeitder NOx-Abgabe ergibt, die von einer Abgabedifferenz zwischen denZellen 150, 160 erhalten wird.
    [0051] Eine Elementabdeckung 103 einesGaskonzentrationsdetektors gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung hat einen Doppelaufbau, der in 6A gezeigt ist. Die Elementabdeckung 103 hateine innere Abdeckung 103a und eine äußere Abdeckung 103b,die die innere Abdeckung 103a umgibt. Die innere Abdeckung 103a hatden gleichen Aufbau wie die Elementabdeckung 103 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,die eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a in derNähe vonseinem oberen Ende und zumindest ein Bodenwandloch 106b hat.In ähnlicherWeise wie bei dem ersten Ausführungsbeispielliegen die Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a und derDurchmesser des Bodenwandlochs 106b in einem Bereich zwischen0,5 und 1,5 mm, währendein Verhältnisdes Durchmessers der Seitenwandlöcher 106a zudem Durchmesser des Bodenwandlochs 106b in einem Bereichvon 0,5 bis 1,5 liegt.
    [0052] Die äußere Abdeckung 103b miteiner zylindrischen Gestalt, die einen Boden hat, hat einen geringfügig größeren Durchmesserals die innere Abdeckung 103a, die eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106c und zumindestein Bodenwandloch 106d hat. Die Vielzahl der Seitenwandlöcher 106c istan der Seite in der Nähe desunteren Endes angeordnet, währenddas zumindest eine Bodenwandloch an der Mitte des Bodens angeordnetist. Der Durchmesser des Bodenwandlochs 106d der äußeren Abdeckung 103b istvorzugsweise äquivalentoder größer alsder Durchmesser des Bodenwandlochs 106b der inneren Abdeckung 103a.Der Durchmesser der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sindvorzugsweise äquivalentzu oder größer alsdie Durchmesser der Seitenwandlöcher 106a derinneren Abdeckung 103a. Zusätzlich sind die Durchmesserder Löcher 106c, 106d vorzugsweisenicht geringer als alle Durchmesser der Löcher 106a, 106b der innerenAbdeckung 103a. Dieser Aufbau verhindert nicht, dass eineGasströmungdas Innere der inneren Abdeckung 103a erreicht. Das führt dazu,dass die gleiche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wird,durch Spezifizieren bei der inneren Abdeckung 103a vonden Durchmessern der Löcher 106a, 106b unddem Verhältnisder Durchmesser der Löcher 106a, 106b,wie vorstehend beschrieben ist. Die Anordnung der Vielzahl der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b inder Nähedes unteren Endes der äußeren Abdeckung 103b lässt erwarten,dass verhindert wird, dass Wasser anhaftet. Wenn die Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b aneinem Abschnitt angeordnet sind, der niedriger als die Seitenwandlöcher 106a derinneren Abdeckung 103a liegt, verläuft die Gasströmung, diein 6A gezeigt ist, nachoben innerhalb der äußeren Abdeckung103b, um zu unterbinden, dass Wasser in das Innere der inneren Abdeckung 103a eintritt.
    [0053] Die Anzahlen der Seitenwandlöcher 106a derinneren Abdeckung 103a und der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sindvorzugsweise vier bis sechs in ähnlicherWeise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.Die 6B, 6C zeigen Beispiele von Elementabdeckungen,die vier und sechs Seitenwandlöcherhaben, die vorzugsweise entlang der gleichen Umfangslinie mit Bezugauf die Elementabdeckung 103 angeordnet sind. Die Anzahlender Seitenwandlöcher 106a derinneren Abdeckung 103a und der Seitenwandlöcher 106c der äußeren Abdeckung 103b sindvorzugsweise gleich. Die Anzahl des Bodenwandlochs 106b derinneren Abdeckung 103a und des Bodenwandlochs 106d der äußeren Abdeckung 103b beträgt vorzugsweiseeins an den Mitten der Böden,wie in den 6D, 6E gezeigt ist, in ähnlicherWeise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
    [0054] Der grundlegende Betrieb des NOx-Sensors 101 gemäß diesemAusführungsbeispielist der gleiche wie derjenige des ersten Ausführungsbeispiels. Des weiterenunterbindet eine geeignete Spezifizierung der Lochdurchmesser unddes Verhältnissesder Lochdurchmesser der inneren Abdeckung 103a und derLochdurchmesser der äußeren Abdeckung 103b,dass Wasser den NOx-Sensor 101 beschädigt. Dasführt zueiner Verbesserung der NOx-Erfassungsgenauigkeitohne eine Verschlechterung der Ansprechcharakteristik.
    [0055] Die 7A bis 7C zeigen Wirkungen des zweitenAusführungsbeispielsder vorliegenden Erfindung bei einem Kontrollzellenstrom Im, einemSensorzellenstrom Is und einer NOx-Abgabe (= Is – Im) von NOx-Erfassungsversuchenunter Verwendung eines Modellgases im Vergleich mit „vor" und „nach" Gegenmaßnahmen.Hier deutet „nachden Gegenmaßnahmen" das zweite Ausführungsbeispielan wie folgt. InnereAbdeckung 103a- Seitenwandloch106a: ⌀ 1,0mm × 4 Bodenwandloch106b: ⌀ 1,0mm × 1 Äußere Abdeckung103b- Seitenwandloch106a: ⌀ 1,5mm × 4 Bodenwandloch106b: ⌀ 1,5mm × 1
    [0056] Dagegen deutet „vor den Gegenmaßnahmen" die herkömmlicheElementabdeckung an wie folgt. InnereAbdeckung – Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm × 4 Bodenwandloch: ⌀ 2,0 mm × 1 Äußere Abdeckung – Seitenwandloch: ⌀ 2,5 mm × 4 Bodenwandloch: ⌀ 2,0 mm × 1
    [0057] Wie in den 7A, 7B gezeigtist, schwankt der Kontrollzellenstrom Im vor der Gegenmaßnahme (hat einegroßePulsationsbreite) mit Bezug auf den Sensorzellenstrom Is, was zu einerSchwankung der NOx-Abgabe führt,wie in 7C gezeigt ist.Dagegen ist bei dem Kontrollzellenstrom Im nach der Gegenmaßnahme, insbesonderefür einenFall, bei dem die Elementabdeckung 103 mit der Gegenmaßnahme desgeeigneten Spezifizierens der Lochdurchmesser und des Verhältnissesder Lochdurchmesser versehen ist, die Pulsationsbreite des Kontrollzellenstromsunterbunden, wie in 7A gezeigtist. Das ermöglicht,dass die Pulsationsbreite der NOx-Abgabe, die eine Differenz zwischendem Sensorzellenstrom Is und dem Kontrollzellenstrom Im ist, unterbundenwird, was zu einer Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentrationführt.
    [0058] Wie vorstehend mit Bezug auf einenNOx-Sensor 101 mit unterschiedlichen Sauerstoffansprechverhaltenzwischen einer Sensorzelle 150 und einer Kontrollzelle 160 erklärt ist,werden die Lochdurchmesser und ein Verhältnis der Durchmesser einerElementabdeckung 103 geeignet spezifiziert oder optimiert.Das ermöglicht,dass Abgabeansprechverhalten der Sensor- und Kontrollzellen 150,160 im Wesentlichen übereinstimmen,was zu einer Verbesserung der NOx-Erfassungsgenauigkeit führt. Wenndies insbesondere auf das Ausführungsbeispielgerichtet wird, bei dem ein Erfassungswert eine Abgabedifferenzzwischen der Sensorzelle 150 und der Kontrollzelle 160 ist,ist diese Erfindung wirksam beim Ausgleichen einer Variation desErfassungswerts aufgrund einer Ansprechdifferenz.
    [0059] Ein NOx-Sensor 101 kannStrukturen haben, die andere als die Strukturen des ersten und zweiten Ausführungsbeispielssind, und er kann eine Struktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispielsein, wie in den 8A, 8B gezeigt ist. In dem erstenund in dem zweiten Ausführungsbeispielsind eine Sensorzelle 150 und eine Kontrollzelle 160 ineiner Längsrichtungdes Sensorelements ausgerichtet; jedoch sind die Zellen 150, 160 desdritten Ausführungsbeispielsangeordnet, so dass sie parallel zueinander in die Längsrichtung desSensorelements 104 entgegengesetzt sind. Der andere Aufbauund der grundlegende Betrieb des dritten Ausführungsbeispiels sind der gleichewie derjenige von dem ersten und von dem zweiten Ausführungsbeispiel.
    [0060] Eine Verteilung einer Sauerstoffkonzentrationinnerhalb der zweiten Kammer 121 neigt dazu, entlang einemPfad aufzutreten, durch den die Abgase verlaufen, insbesondere entlangeiner Längsrichtungdes Sensorelements 104. Mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispielist die Sauerstoffkonzentration einer Elektrode 151 derSensorzelle 150 die gleiche wie die an der Elektrode 161 derKontrollzelle 160 ungeachtet der Verteilung der Sauerstoffkonzentration.Dem gemäß werdendie Empfindlichkeiten der Sensor- und der Kontrollzelle 150, 160 mitBezug auf den Restsauerstoff innerhalb der zweiten Kammer 121 gleich,was eine höchstgenaue Erfassungermöglicht.
    [0061] In dem ersten und in dem zweitenAusführungsbeispielerfassen die NOx-Sensoren das NOx aus der Stromabgabedifferenz zwischender Sensor- und der Kontrollzelle 150, 160; jedochkann das dritte Ausführungsbeispielauf andere Bauarten von dem NOx-Sensor 101 gerichtetwerden.
    [0062] Ein Sensorelement 104 gemäß einemvierten Ausführungsbeispiel,das in 9 gezeigt ist,ist ein Mehrschichtaufbau mit Festelektrolytelementschichten 176, 177, 178,die aus einem Festelektrolytelement ausgebildet sind, wie zum BeispielZirkonium. Das Sensorelement 104 nimmt eine erste und einezweite Kammer 120, 121 auf, in die Abgase über poröse Widerstandsschichten 117, 118 aufgenommenwerden. Die erste Kammer 120 weist eine erste Pumpzelle 143 undeine Kontrollzelle 160 auf, während die zweite Kammer 121 eineSensorzelle 150 und eine zweite Pumpzelle 146 aufweist.Die erste Pumpzelle 143 hat ein entgegengesetztes PaarElektroden 144, 145, zwischen denen die Festelektrolytelementschicht 176 schichtweiseeingefasst ist. Die Kontrollzelle 160 hat ein Paar Elektroden 161, 116,zwischen denen die Festelektrolytelementschicht 178 schichtweiseeingefasst ist. Die Elektrode 161 weist zu einer Atmosphärenleitung 132 (atmosphärenseitigeElektrode 161), die eine gemeinsame Elektrode der Sensorzelle 150 undder zweiten Pumpzelle 146 ist. Die Sensorzelle 150 hatein Paar Elektroden 151, 116, zwischen denen dieFestelektrolytelementschicht 178 schichtweise eingefasstist, währenddie zweite Pumpzelle 146 ein Paar Elektroden 147 hat,die an einer unteren Flächeder Festelektrolytelementschicht 176 und der atmosphärenseitigenElektrode 116 ausgebildet ist. Des weiteren ist eine Heizvorrichtung 112 unterder Atmosphärenleitung 132 vorgesehen.
    [0063] In dem vorstehend genannten Aufbauwerden die Abgase in die erste Kammer 120 durch die poröse Widerstandsschicht 117 aufgenommen,währendfast der gesamte Sauerstoff in den Abgasen in die Abgasseite durchdie erste Pumpzelle 143 ausgestoßen wird. Hier wird die Sauerstoffkonzentrationinnerhalb der ersten Kammer 120 aus einer elektromotorischenKraft Vm erfasst, die zwischen den Elektroden 161, 116 derKontrollzelle 160 erzeugt wird. Um diese erfasste Konzentrationin einen gegebenen Wert zu konvergieren, wird die angelegte SpannungVpl an der ersten Pumpzelle 143 geregelt, was verursacht,dass die erste Pumpkammer 120 eine niedrige Sauerstoffkonzentrationaufnimmt. Die Abgase werden weitergehend in die zweite Kammer 121 über dieporöseWiderstandsschicht 118 aufgenommen, während der Restsauerstoff inden Abgasen zersetzt wird und in die Atmosphärenleitung 132 durchdie zweite Pumpzelle 146 ausgestoßen wird. Die angelegte SpannungVp2 auf die zweite Pumpzelle 146 wird gemäß dem StromIp2 geregelt, der durch die zweite Pumpzelle 146 strömt. DasNOx wird an der kammerseitigen Elektrode 151 zersetzt undin die Atmosphärenleitung 132 durchAnlegen einer gegebenen Spannung Vs an die Sensorzelle 150 ausgestoßen.
    [0064] Auch bei dem Aufbau, bei dem dieangelegte Spannung Vp1 an die erste Pumpzelle 143 durchdie Spannungsabgabe Vm der Kontrollzelle 160 geregelt wird,kann die Elementabdeckung 103, die in den ersten und zweitenAusführungsbeispielengezeigt ist, verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.Hier wird bei dem vierten Ausführungsbeispiel,wie vorstehend beschrieben ist, die angelegte Spannung Vp1 an die erstePumpzelle 143 durch die Spannungsabgabe Vm der Kontrollzelle 160 gesteuert,währendbei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielendie NOx-Konzentrationdurch Berechnen einer Abgabedifferenz mit der Sensorzelle 150 erhaltenwird. Jedoch sind die Abgabecharakteristiken (beispielsweise O2-Konzentration: Längsachse, Zeit: Querachse)der Sensor- und der Kontrollzelle ähnlich zu denjenigen, die inden 7A bis 7C gezeigt sind. Die Kontrollzellehat nämlicheine schnellere Ansprechcharakteristik auf die Sauerstoffkonzentration,so dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Kammer 120 schwankt,was zu der Möglichkeitführt,dass die Abgabe der Sensorzelle 150 beeinflusst wird. Auchbei diesem Ausführungsbeispiel kanndaher die Elementabdeckung 103, die in den ersten und zweitenAusführungsbeispielengezeigt ist, die gleiche Wirkung erzielen, wenn diese angenommenwird.
    [0065] Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegendenErfindung ist in 10 gezeigt.Die Struktur dieses Ausführungsbeispielist fast die gleiche wie diejenige des vierten Ausführungsbeispiels.Jedoch unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel von dem viertenAusführungsbeispieldadurch, dass es eine erste Kontrollzelle 163 innerhalbeiner ersten Kammer 120 und eine zweite Kontrollzelle 164 innerhalbeiner zweiten Kammer 121 hat. Die erste Kontrollzelle 163 hateine Elektrode 144, die von der ersten Pumpzelle 143 undeiner atmosphärenseitigenElektrode 116 geteilt wird. Die zweite Kontrollzelle 164 hateine Elektrode 147, die von der zweiten Pumpzelle 146 undvon einer atmosphärenseitigenElektrode 116 geteilt wird.
    [0066] Hier wird die Sauerstoffkonzentrationinnerhalb der ersten Kammer 120 aus einer elektromotorischen KraftVm1 erfasst, die zwischen den Elektroden 144, 116 derersten Kontrollzelle 163 erzeugt wird, um die angelegteSpannung Vp1 an der ersten Pumpzelle 143 zu regeln. DieSauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Kammer 121 wirdaus einer elektromotorischen Kraft Vm2 erfasst, die zwischen denElektroden 147, 116 der zweiten Kontrollzelle 164 erzeugtwird, um die angelegte Spannung Vp2 an der zweiten Pumpzelle 146 zuregeln. Auch bei diesem Aufbau kann die Elementabdeckung 103,die bei den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gezeigt ist,die gleiche Wirkung erzielen, wenn sie angenommen wird.
    [0067] Bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielenist die vorliegende Erfindung auf die Erfassung von einer NOx-Konzentration inAbgasen gerichtet; jedoch kann sie auf andere Gaskonzentrationsdetektoren gerichtetsein, die Gase behandeln, die andere als NOx sind. Des weiterenkann die vorliegende Erfindung nicht nur auf ein Ausführungsbeispielgerichtet sein, das Abgase als Messgase von einer Brennkraftmaschine behandelt,sondern sie kann auch auf ein Ausführungsbeispiel zur Behandlunganderer Messgase gerichtet sein.
    [0068] Es ist dem Fachmann offensichtlich,dass verschiedenartige Änderungenbei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegendenErfindung ausgeführtwerden können.Jedoch sollte der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung durchdie beigefügtenAnsprüchebestimmt werden.
    [0069] Somit hat das Sensorelement 104 desNOx-Sensors 101 hat die Sensorzelle 150 zum Zersetzen von NOxund von restlichem O2, die aufgenommen werden,innerhalb des Elements und eine Kontrollzelle 160 zum Zersetzenvon nur dem restlichen O2. Die NOx-Konzentrationwird aus einer Differenz einer elektrischen Stromabgabe zwischender Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst. Die Spitze des Sensorelementsist durch eine Elementabdeckung 103 geschützt. DieElementabdeckung hat eine Vielzahl von Seitenwandlöchern 106a undzumindest ein Bodenwandloch 106b. Die Seitenwandlöcher unddas Bodenwandloch haben Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 mm. EinVerhältnisdes Durchmessers der Seitenwandlöcherzu demjenigen des Bodenwandlochs liegt zwischen 0,5 und 1,5. DieserAufbau unterbindet Strömungsgeschwindigkeitsvariationeninnerhalb der Elementabdeckung und eine Abgabepulsation der Sensorzelleund der Kontrollzelle, was eine Stabilisierung der NOx-Abgabe ergibt.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Gaskonzentrationsdetektor, der in einem Raum(202) zum Messen einer Konzentration eines gegebenen inMessgasen enthaltenen Gases vorgesehen ist, die innerhalb des Raumsvorhanden sind, wobei der Gaskonzentrationsdetektor Folgendes aufweist: einSensorelement (104) mit einer Sensorzelle (150)zum Erfassen der Konzentration des gegebenen Gases, das in den Messgasenenthalten ist, die in eine Kammer (121) innerhalb des Sensorelementesaufgenommen werden, und einer Kontrollzelle (160, 164)zum Erfassen einer O2-Konzentration innerhalbder Kammer; und eine Elementabdeckung (103, 103a),die ein Zylinder ist, der einen Boden hat, um das Sensorelementzu umgeben, wobei die Elementabdeckung ein Gaseinlassloch (106a, 106b)hat, durch das die Messgase strömen, wobeider Gaskonzentrationsdetektor dadurch gekennzeichnet ist,dass das Gaseinlassloch eine Vielzahl von Seitenwandlöchern (106a)und zumindest ein Bodenwandloch (106b) aufweist, wobeiDurchmesser der Seitenwandlöcherund des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereiches von 0,5 und 1,5mm liegen, und wobei ein Verhältnis des Durchmessers derSeitenwandlöcherzu dem Durchmesser des Bodenwandlochs innerhalb eines Bereichs zwischen0,5 und 1,5 liegt.
    [2] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 1, wobei das gegebeneGas NOx aufweist und wobei die Sensorzelle eine Elektrode (151)aufweist, die zu der Kammer weist und die beim Zersetzen des NOxaktiv ist, währenddie Kontrollzelle eine Elektrode (161, 147) aufweist,die zu der Kammer weist und die beim Zersetzen des NOx inaktiv ist.
    [3] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobeidie Vielzahl der Seitenwandlöchervier, fünfoder sechs Seitenwandlöcheraufweist.
    [4] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 3, wobei alle vonder Vielzahl der Seitenwandlöcherim Wesentlichen an einer gleichen gedachten Ebene angeordnet sind,die senkrecht zu einer Achse des Zylinders ist.
    [5] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis4, des weiteren mit: einer äußeren Abdeckung(103b), die die Elementabdeckung umgibt, um eine doppeltstrukturierte Abdeckung dadurch auszubilden, dass sie mit der Elementabdeckungkombiniert wird.
    [6] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5, wobei die äußeren Seitenwandlöcher der äußeren Abdeckungnäher andem Boden der Elementabdeckung und dem äußeren Boden der äußeren Abdeckungals die Seitenwandlöcherder Elementabdeckung angeordnet sind.
    [7] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5 oder 6, wobeidie äußere Abdeckungein äußeres Gaseinlassloch(106c, 106d) hat, das zumindest ein äußeres Bodenwandloch(106d) aufweist, und wobei ein Durchmesser des äußeren Bodenwandlochsder äußeren Abdeckungnicht geringer als der Durchmesser des Bodenwandlochs der Elementabdeckungist.
    [8] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 5 bis7, wobei die äußere Abdeckungein äußeres Gaseinlassloch(106c, 106d) hat, das eine Vielzahl von äußeren Seitenwandlöchern (106c)aufweist, und wobei Durchmesser der äußeren Seitenwandlöcher der äußeren Abdeckungnicht geringer als die Durchmesser der Seitenwandlöcher derElementabdeckung sind.
    [9] Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 5 oder 6, wobeidie äußere Abdeckungein äußeres Gaseinlassloch(106c, 106d) hat, das eine Vielzahl von äußeren Seitenwandlöchern (106c)und zumindest ein äußeres Bodenwandloch(106d) aufweist, und wobei Durchmesser der äußeren Seitenwandlöcher unddes äußeren Bodenwandlochsder äußeren Abdeckungnicht geringer als alle Durchmesser der Seitenwandlöcher unddes Bodenwandlochs der Elementabdeckung sind.
    [10] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis9, wobei das Sensorelement des weiteren Folgendes aufweist: einePumpzelle (140, 143, 146) zum Einstellender O2-Konzentration innerhalb der Kammerdurch Ausführenvon zumindest entweder Ausstoßenvon O2 nach außen oder Pumpen von O2 von außen.
    [11] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis10, wobei die Konzentration des gegebenen Gases aus einer Abgabedifferenzzwischen der Sensorzelle und der Kontrollzelle erfasst wird.
    [12] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis11, wobei die Sensorzelle und die Kontrollzelle nahe aneinanderinnerhalb der Kammer angeordnet sind.
    [13] Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis12, wobei die Sensorzelle eine Elektrode (151), die ausPt-Rh ausgebildet ist, die zu der Kammer weist, aufweist, während dieKontrollzelle eine Elektrode (161, 147), die ausPt-Au ausgebildet ist, die zu der Kammer weist, aufweist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP2004245772A|2004-09-02|
    US20040159547A1|2004-08-19|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2008-12-24| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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