DE19827469B4

DE19827469B4 - Gaskonzentrationsmeßverfahren und ein vorteilhafterweise bei dieser Messung verwendeter Verbundgassensor

Info

Publication number: DE19827469B4
Application number: DE19827469A
Authority: DE
Inventors: Tomio Kariya Sugiyama; Naoto Kariya Miwa; Masahiro Kariya Shibata; Hiromi Kariya Sano; Akio Kariya Tanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-20
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: DE19827469A1; JPH1172477A; US20020038761A1; US6332965B1; JP3876506B2

Abstract

Verbundgassensor mit:
sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytsubstraten (11, 12; 51, 52), die wenigstens einen Teil einer Referenzgaskammer (103) und einer Probengaskammer (100) definieren;
einem Probengaseinlaßdurchgang (110, 15), der ein Probengas in die Probengaskammer einläßt;
einer Pumpzelle (21) mit einem Paar von Pumpelektroden zum Einstellen einer in oder von der Probengaskammer eingelassenen oder ausgelassenen Sauerstoffgasmenge, wobei eine Pumpelektrode (219) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere Pumpelektrode (218) einer Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist;
einer ersten Sensorzelle (31) mit einem Paar von NOx-Meßelektroden zum Detektieren einer NOx-Konzentration in
der Probengaskammer, wobei eine NOx-Meßelektrode (318) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere NOx-Meßelektrode (319) der Referenzgaskammer zugewandt ist;
einer zweiten Sensorzelle (41) mit einem Paar von Sauerstoffmeßelektroden zum Detektieren einer
Sauerstoffkonzentration in der Probengaskammer, wobei eine Sauerstoffmeßelektrode (418) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere Sauerstoffmeßelektrode (419) der Referenzgaskammer zugewandt ist;
einem ersten Detektionsschaltkreis (32) einschließlich eines...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundgassensor, der vorteilhafterweise in einem Auslaßgasreinigungssystem verwendet wird, das in einem Verbrennungsmotor eines Automobils verwendet wird, und ein damit durchführbares Gaskonzentrationsmeßverfahren.
Von Verbrennungsmotoren bzw. Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung emittierte Auslaßgase sind Hauptursachen für die heutige ernsthafte Luftverschmutzung. Um alle in dem Auslaßgas bzw. Abgas enthaltenen schädlichen Substanzen zu unterdrücken, sind die verwandten bzw. entsprechenden Gesetze und Verordnungen von Jahr zu Jahr strenger geworden.
Angesichts des Vorhergehenden muß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Gasmischung, die einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors zugeführt wird, präzise geregelt werden. Gleichermaßen muß die Zündverstellung des Verbrennungsmotors sorgfältig geregelt werden. Weiterhin sind viele der Verbrennungsmotoren mit Katalysatoren ausgerüstet, um das Auslaßgas bzw. Abgas zu reinigen.
Gemäß der Verordnung OBD-II ist es in den Vereinigten Staaten erforderlich, daß jedes Reinigungssystem die Fähigkeit bzw. Kapazität besitzt, zu entscheiden, ob der Katalysator ordnungsgemäß arbeitet oder nicht. Zu diesem Zweck schlägt ein hochentwickeltes Auslaßgasreinigungssystem vor, die schädlichen Substanzen direkt zu messen, d.h., die NOx-Konzentration, ebenso wie die Verbrennung des Motors präzise zu regeln.
Im allgemeinen ist der Katalysator in einem Auslaßgaskanal bzw. Auslaßgasdurchgang eines Verbrennungsmotors angeordnet. Wenn der Katalysator schlechter wird, strömt eine erhöhte Menge an NOx-Gas über den Katalysator hinweg. Mit anderen Worten, die Verschlechterung des Katalysators kann durch die Zunahme der Menge des NOx-Gases, das durch den Katalysator nicht eingefangen wird, festgestellt werden. Dementsprechend wird ein geeigneter NOx-Sensor stromabwärts von dem Katalysator angeordnet, um die Änderung der NOx-Konzentration zu ermitteln bzw. zu detektieren.
EP 678 740 A1 beschreibt einen Gassensor, der von wenigstens einem Elektrolytsubstrat repräsentiert wird, in dem eine Gaskammer und eine Messgaskammer einen vorbestimmten Bezug aufweisen. US 4 472 262 beschreibt einen Sauerstoffkonzentrationssensor, bei dem der Ausgangs-fehler des Sensors, der durch die Temperatur-abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration entstanden ist, korrigiert wird. US 4 824 549 beschreibt einen Sauerstoffsensor der gekennzeichnet ist, insbesondere durch die Anordnung des internen Diffusionsraums in der Form eines dünnen und flachen Raums, der direkt oder durch eine gegebene Gaspassage mit dem äußeren Messgasraum in Verbindung steht. US 5 672 811 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente, wobei der erste und der zweite Innenraum für das Messgas einlagig angeordnet sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gaskonzentrationsmeßverfahren zum gleichzeitigen Messen von sowohl der NOx-Konzentration als auch des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Probengases bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gaskonzentrationsmeßverfahren zum gleichzeitigen Messen von sowohl der NOx-Konzentration als auch des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses als auch der Sauerstoffkonzentration des Probengases bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gaskonzentrationsmeßverfahren zum Messen einer Probengastemperatur ebenso wie der NOx-Gaskonzentration und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbundgassensor bereitzustellen, der vorteilhafterweise bei diesen Meßverfahren verwendet wird.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 9.
Um diese und andere verwandte Aufgaben zu erfüllen, stellen verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung Gaskonzentrationsmeßverfahren und zugehörige Verbundgassensoren bereit.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Verbundgassensor auf:
sauerstoffionenleitfähige Festelektrolytsubstrate, die wenigstens einen Teil einer Referenzgaskammer und einer Probengaskammer definieren;
einen Probengaseinlaßdurchgang, der ein Probengas in die Probengaskammer einläßt;
eine Pumpzelle mit einem Paar von Pumpelektroden zum Einstellen einer Sauerstoffgasmenge, die in oder von der Probengaskammer eingelassen oder ausgelassen wird, wobei eine der Pumpelektroden der Probengaskammer zugewandt ist und die andere der Pumpelektroden einer Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist;
eine erste Sensorzelle mit einem Paar von NOx-Meßelektroden zum Ermitteln bzw. Detektieren einer NOx-Konzentration in der Probengaskammer, wobei eine der NOx-Meßelektroden der Probengaskammer zugewandt ist und die andere der NOx-Meßelektroden der Referenzgaskammer zugewandt ist;
eine zweite Sensorzelle mit einem Paar von Sauerstoffmeßelektroden zum Ermitteln bzw. Detektieren einer Sauerstoffkonzentration in der Probengaskammer, wobei eine der Sauerstoffmeßelektroden der Probengaskammer zugewandt ist und die andere der Sauerstoffmeßelektroden der Referenzgaskammer zugewandt ist;
einen ersten Detektionsschaltkreis einschließlich eines ersten Strommeßgerätes und einer elektrischen Stromquelle, der mit der ersten Sensorzelle zum Messen eines Meßstromes der ersten Sensorzelle verbunden ist;
einen Pumpschaltkreis einschließlich eines zweiten Strommeßgerätes und einer variablen elektrischen Stromquelle, der mit der Pumpzelle zum Messen eines Stromes der Pumpzelle verbunden ist; und
einen zweiten Detektionsschaltkreis einschließlich eines ersten Spannungsmeßgerätes, der mit der zweiten Sensorzelle zum Messen einer Meßspannung der zweiten Sensorzelle verbunden ist;
einen Regler (251), der auf die Meßspannung der zweiten Sensorzelle reagiert und die variable elektrische Stromquelle des Pumpschaltkreises einstellt, derart, daß ein konstanter Wert von dem ersten Spannungsmeßgerät erzeugt wird;
einen NOx-Konzentrationsdetektor (3), der mit dem ersten Detektionsschaltkreis zum Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät verbunden ist; und
einen Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor (2), der mit dem Pumpschaltkreis zum Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät verbunden ist.
Unter Verwendung des oben beschriebenen Verbundgassensors weist das Gaskonzentrationsmeßverfarren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte auf:
Regeln der variablen elektrischen Stromquelle des Pumpschaltkreises, um einen konstanten Wert von dem ersten Spannungsmeßgerät zu erzeugen;
Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät; und
Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät.
Weitere Aspekte und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verbundgassensors werden in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen 2 bis 8 genannt.
Weiterhin weist das Gaskonzentrationsmeßverfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung den Schritt des Messens einer Sauerstoffkonzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch ein zweites Spannungsmeßgerät auf, das zwischen die andere Pumpelektrode, die der Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist, und der anderen Sauerstoffmeßelektrode, die der Referenzgaskammer zugewandt ist, verbunden bzw. geschaltet ist.
Weitere Ausführungsformen und Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der folgenden Beschreibung und in Anspruch 10 genannt.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, daß die Probengaskammer eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die über einen Diffusionskanal bzw. Diffusionsdurchgang miteinander verbunden sind. Der Probengaseinlaßkanal bzw. Probengaseinlaßdurchgang ist direkt mit der ersten Kammer verbunden. Die eine der Pumpelektroden ist der ersten Kammer zugewandt. Die eine der NOx-Meßelektroden ist der zweiten Kammer zugewandt. Und die eine der Sauerstoffmeßelektroden ist der zweiten Kammer zugewandt.
Weiterhin kann der Verbundgassensor einen dritten Detektionsschaltkreis einschließlich eines zweiten Spannungsmeßgerätes aufweisen, das zwischen eine externe Elektrode, die der Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist, und der anderen Sauerstoffmeßelektrode, die der Referenzgaskammer zugewandt ist, verbunden bzw. geschaltet ist, und einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor, der mit dem dritten Detektionsschaltkreis zum Messen einer Sauerstoffkonzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Spannungsmeßgerät verbunden ist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die Probengaskammer und die Referenzgaskammer auf dem selben Oberflächenniveau bereitgestellt sind.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die andere NOx-Meßelektrode und die andere Sauerstoffmeßelektrode eine gemeinsame Elektrode sind, die der Referenzgaskammer zugewandt ist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der Probengaseinlaßkanal bzw. Probengaseinlaßdurchgang ein kleines Loch bzw. Pinhole ist. Alternativ kann der Probengaseinlaßdurchgang aus einer porösen Schicht mit einer Porosität bzw. Porigkeit gebildet sein, die größer als jene der Festelektrolytsubstrate ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Verbundgassensor einen Impedanzdetektor auf, der mit dem Pumpschaltkreis zum Messen einer Impedanz der Pumpzelle verbunden ist.
Unter Verwendung des oben beschriebenen Verbundgassensors weist das Gaskonzentrationsmeßverfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte auf:
Regeln der variablen elektrischen Stromquelle des Pumpschaltkreises, um einen konstanten Wert von dem ersten Spannungsmeßgerät zu erzeugen;
Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät;
Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät; und
Messen einer Probengastemperatur auf der Grundlage einer Messung durch den Impedanzdetektor.
Weiterhin weist der Verbundgassensor gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Temperaturdetektionszelle auf mit einem porösen Substrat, das auf bzw. an der Pumpzelle bereitgestellt ist, und einem Widerstand, der an bzw. auf einer äußeren Oberfläche des porösen Substrates bereitgestellt ist.
Unter Verwendung des oben beschriebenen Verbundgassensors weist das Gaskonzentrationsmeßverfahren gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die vorliegenden Schritte auf:
Regeln der variablen elektrischen Stromquelle des Pumpschaltkreises, um einen konstanten Wert von dem ersten Spannungsmeßgerät zu erzeugen;
Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät;
Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät; und
Messen einer Probengastemperatur auf der Grundlage eines gemessenen Widerstandswertes des Widerstandes in der Temperaturdetektionszelle.
Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnungen; es versteht sich jedoch, daß die ausführliche Beschreibung und die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen nur der Veranschaulichung dienen, da verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung für Fachleute aus dieser ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht einer modifizierten Anordnung des Verbundgassensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht einer weiteren modifizierten Anordnung des Verbundgassensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Querschnittsansicht einer Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Querschnittsansicht einer modifizierten Anordnung des Verbundgassensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht einer Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Querschnittsansicht einer modifizierten Anordnung des Verbundgassensors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine Querschnittsansicht einer weiteren modifizierten Anordnung des Verbundgassensors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Querschnittsansicht einer Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 eine Querschnittsansicht einer Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt werden. Identische Teile werden durch die Ansichten hindurch mittels derselben Bezugszeichen bezeichnet werden. In der folgenden Erklärung wird eine Auf-und-Ab-Richtung bzw. Oben-und-Unten-Richtung auf der Grundlage des in jeder Figur gezeigten Layouts definiert. Es erübrigt sich zu sagen, daß eine tatsächlich Auf-und-Ab-Richtung bzw. Oben-und-Unten-Richtung eines Gaskonzentrationssensors geändert werden kann, wenn er auf bzw. an bzw. in einem Verbrennungsmotor installiert wird.
Erste Ausführungsform
Die 1 bis 3 sind Querschnittsansichten, die vorteilhafte Anordnungen eines Verbundgassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 1 gezeigt ist, weist ein Verbundgassensor 1 der ersten Ausführungsform eine Probengaskammer 100 und eine Referenzgaskammer 103 auf. Wenigstens ein Teil der Probengaskammer 100 und der Referenzgaskammer 103 werden durch erste bzw. zweite Festelektrolytsubstrate 11 und 12 definiert. Die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 und 12 bestehen aus einem sauerstoffionenleitfähigen Material. Ein kleines Loch bzw. Pinhole 110 erstreckt sich über das erste Festelektolytsubstrat 11 hinweg von einer oberen Oberfläche zu einer unteren Oberfläche davon. Ein unteres Ende des kleinen Loches 110 steht mit der Probengaskammer 100 in Verbindung. Ein Probengas wird über das kleine Loch 110 von der Außenseite der Probengaskammer 100 eingeleitet bzw. eingelassen.
Eine Pumpzelle 21 weist ein Paar von Pumpelektroden 218 und 219 auf, die auf einer oberen Oberfläche 118 bzw. einer unteren Oberfläche 119 des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind. Das oben beschriebene kleine Loch 110 besitzt ein oberes Ende, das sich bei einem Zentrum der oberen Pumpelektrode 218 öffnet, und ein unteres Ende, das sich bei einem Zentrum der unteren Pumpelektrode 219 öffnet. Die obere Pumpelektrode 218 ist der Außenseite ausgesetzt. Die untere Oberfläche 119 des ersten Festelektrolytsubstrates 11 definiert eine Decke der Probengaskammer 100. Die untere Pumpelektrode 219 erstreckt sich entlang der Decke der Probengaskammer 100. Die Pumpzelle 21 stellt eine Menge des Sauerstoffgases ein, das in oder von der Probengaskammer 100 eingelassen oder ausgelassen wird.
Eine erste Sensorzelle 31 weist ein Paar von Meßelektroden 318 und 319 auf, die auf einer oberen Oberfläche 128 bzw. einer unteren Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind. Die obere Oberfläche 128 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 definiert einen Boden der Probengaskammer 100. Die obere Meßelektrode 318 erstreckt sich entlang des Bodens der Probengaskammer 100. Die untere Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 definiert eine Decke der Referenzgaskammer 103. Die untere Meßelektrode 319 erstreckt sich entlang der Decke der Referenzgaskammer 103. Die erste Sensorzelle 31 detektiert die Konzentration des NOx-Gases, das sich in der Probengaskammer 100 befindet.
Eine zweite Sensorzelle 41 weist ein Paar von Meßelektroden 418 und 419 auf, die auf der oberen Oberfläche 128 bzw. der unteren Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind. Die obere Meßelektrode 418 erstreckt sich entlang des Bodens der Probengaskammer 100. Die untere Meßelektrode 419 erstreckt sich entlang der Decke der Referenzgaskammer 103. Die zweite Sensorzelle 41 ermittelt bzw. detektiert die Konzentration des Sauerstoffgases, das sich in der Probengaskammer 100 befindet.
Die erste Sensorzelle 31 ist seriell bzw. in Reihe mit einem ersten Strommeßgerät 321 und einer elektrischen Stromquelle 329 verbunden, wodurch ein erster Detektionsschaltkreis 32 gebildet wird. Die Pumpzelle 21 ist seriell mit einem zweiten Strommeßgerät 221 und einer variablen elektrischen Stromquelle 229 verbunden, wodurch ein Pumpschaltkreis 22 gebildet wird. Die zweite Sensorzelle 41 ist seriell mit einem ersten Spannungsmeßgerät 421 verbunden, wodurch ein zweiter Detektionsschaltkreis 42 gebildet wird.
Ein Kontroller bzw. Regler 251 steuert rückgekoppelt bzw. regelt die variable elektrische Stromquelle 229 in Reaktion auf einen Ausgabewert des ersten Spannungsmeßgerätes 421. Mit anderen Worten, der Regler 251 und das erste Spannungsmeßgerät 421 arbeiten kooperativ als ein Rückkoppelungsschaltkreis 25 zur Regelung der variablen elektrischen Stromquelle 229 zusammen. Mit dieser rückgekoppelten Steuerung bzw. Regelung wird der Ausgabewert des ersten Spannungsmeßgerätes 421 auf einem konstanten Wert gehalten.
Ein NOx-Konzentrationsdetektor 3 ist mit dem ersten Strommeßgeräte 321 verbunden. Der NOx-Konzentrationsdetektor 3 mißt die Konzentration des in der Probengaskammer 100 befindlichen NOx-Gases auf der Grundlage eines Ausgabewertes des ersten Strommeßgerätes 321. Die Ausgabe des ersten Strommeßgerätes 321 ist zu einer Summe aus einer variablen NOx-Konzentration und einer konstanten Sauerstoffkonzentration in der Probengaskammer 100 proportional. Somit kann die NOx-Konzentration aus bzw. mit dem Ausgabewert des ersten Strommeßgerätes 321 gemessen werden.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor 2 ist mit dem zweiten Strommeßgerät 221 verbunden. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor 2 mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in der Probengaskammer 100 befindlichen Probengases auf der Grundlage eines Ausgabewertes des zweiten Strommeßgerätes 221. Der Ausgabewert des zweiten Strommeßgerätes 221 ist einem Sauerstoffgehalt bzw. einer Sauerstoffmenge, d.h., dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, des Probengases proportional.
Die Probengaskammer 100 besteht aus einer ersten Kammer 101 und einer zweiten Kammer 102, die durch ein dazwischenliegendes Substrat 132 geteilt bzw. getrennt werden. Ein Diffusionskanal bzw. Diffusionsdurchgang 104 erstreckt sich über das dazwischenliegende Substrat 132 hinweg von der ersten Kammer 101 zu der zweiten Kammer 102. Somit steht die erste Kammer 101 über den Diffusionsdurchgang 104 mit der zweiten Kammer 102 in Verbindung.
Das oben beschriebene Pinhole bzw. kleine Loch 110 und die untere Pumpelektrode 219 der Pumpzelle 21 sind der ersten Kammer 101 zugewandt. Die obere Meßelektrode 318 der ersten Sensorzelle 31 und die obere Meßelektrode 418 der zweiten Sensorzelle 41 sind der zweiten Kammer 102 zugewandt.
Das erste Festelektrolytsubstrat 11 definiert eine Decke der ersten Kammer 101. Das Substrat 132 definiert einen Boden der ersten Kammer 101. Ein Substrat 133, das zwischen dem ersten Festelektrolytsubstrat 11 und dem Substrat 132 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung, die die Seitenwände der ersten Kammer 101 definiert.
Das Substrat 132 definiert eine Decke der zweiten Kammer 102. Das zweite Festelektrolytsubstrat 12 definiert einen Boden der zweiten Kammer 102. Ein Substrat 131, das zwischen dem Substrat 132 und dem zweiten Festelektrolytsubstrat 12 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung, die die Seitenwände der zweiten Kammer 102 definiert.
Ein Boden der Referenzgaskammer 103 wird durch eine obere Oberfläche eines Heizers 19 definiert, der integral bei dem unteren Ende des Verbundgassensors 1 bereitgestellt ist. Ein Substrat 141, das zwischen dem zweiten Festelektrolytsubstrat 12 und dem Heizer 19 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung (Schlitz), die die Seitenwände der Referenzgaskammer 103 definiert.
Der Heizer 19 weist ein Heizersubstrat 191 auf. Ein Heizerelement 190 ist auf diesem Heizersubstrat 191 als eine Wärmeerzeugungsquelle angebracht. Das Heizerelement 190 wird von einer Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 bedeckt.
Wie oben beschrieben wurde, regelt der Regler 251 rückgekoppelt die variable elektrische Stromquelle 229, um eine konstante Ausgabe von dem ersten Spannungsmeßgerät 421 zu erzeugen.
Mit dieser Anordnung mißt der Verbundgassensor 1 die NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage des Ausgabewertes des ersten Strommeßgerätes 321 und mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases auf der Grundlage des Ausgabewertes des zweiten Strommeßgerätes 221.
Wie in 1 gezeigt ist, weist der Verbundgassensor 1 einen Vielschichtkörper auf, der die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 bis 12, die Substrate 131 bis 133, 141 und den Heizer 19 umfaßt. Die Substrate 131, 132 und 133 bestehen aus dem selben Material wie jenes der ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 und 12. Das Substrat 141 besteht aus dem selben Material wie jenes des Heizersubstrates 191 und der Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192.
Die Pumpelektroden 218 und 219 der Pumpzelle 21 sind über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt), die auf den Oberflächen des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind, mit dem Pumpschaltkreis 22 verbunden.
Die untere Pumpelektrode 219 besteht aus Pt mit einem Zusatz bzw. Additiv an Au und ist gegenüber NOx inaktiv. Die obere Pumpelektrode 218 besteht aus Pt.
Die Meßelektroden 318 und 319 der ersten Sensorzelle 31 sind mit dem ersten Detektionsschaltkreis 32 über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt), die auf den Oberflächen des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind, verbunden.
Die obere Meßelektrode 318 besteht aus Pt oder Pt/Rh und ist gegenüber NOx aktiv. Die obere Meßelektrode 318 zerlegt bzw. zersetzt NOx in Stickstoffionen und Sauerstoffionen. Die untere Meßelektrode 319 besteht aus Pt.
Die Meßelektroden 418 und 419 der zweiten Sensorzelle 41 sind mit dem zweiten Detektionsschaltkreis 42 über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt), die auf den Oberflächen des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind, verbunden.
Die obere Meßelektrode 418 besteht aus Pt mit einem Zusatz bzw. Additiv an Au und ist gegenüber NOx inaktiv. Die untere Meßelektrode 419 besteht aus Pt.
Das Heizerelement 190 ist entlang der Oberfläche des Heizersubstrates 191 in einem Bereich gemustert, der sowohl die Pumpzelle 21 als auch die erste Sensorzelle 31 als auch die zweite Sensorzelle 41 bedeckt bzw. überdeckt, wenn man diese in einer Oben-und-Unten-Richtung bzw. Auf-und-Ab-Richtung sieht. Das Heizerelement 190 ist mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt), die auf der Oberfläche des Heizersubstrates 191 ausgebildet sind, verbunden. Das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 bestehen aus Aluminiumoxid.
Ein Herstellungsverfahren des oben beschriebenen Verbundgassensors 1 wird im folgenden erklärt werden.
Als erstes wird ein Herstellungsverfahren einer Zirkoniumoxid-Grünplatte erklärt. Die Zirkoniumoxid-Grünplatte wird verwendet, um die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 bis 12 und die Substrate 131 bis 133 zu bilden. Ein Hauptmaterial der Zirkoniumoxid-Grünplatte ist ein yttriumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 μm. Dieses yttriumoxid-teilstabilisierte Zirkoniumoxid weist 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkoniumoxid auf. Die Gewichtskapazität des yttriumoxid-teilstabilisierten Zirkoniumoxids beträgt 100 Gewichtsteile. Als zusätzliche Materialien gibt es einen Gewichtsteil α-Aluminiumoxid, fünf Gewichtsteile PVB (Polyvinylbutyral), 10 Gewichtsteile DBP (Dibutylphthalat), 10 Gewichtsteile Ethanol und 10 Gewichtsteile Toluen.
Dann werden das präparierte yttriumoxid-teilstabilisierte Zirkoniumoxid, das α-Aluminiumoxid, das PVB, das DBP, das Ethanol und das Toluen in einer Kugelmühle gemischt, um aus ihnen einen Brei bzw. eine fest-flüssige Dispersion zu erhalten. Die erhaltene fest-flüssige Dispersion wird mittels Verwendung eines Rakelmesserverfahrens in einen ebenen Plattenkörper gestaltet. Der hergestellte Plattenkörper ist in einem getrockneten Zustand 0,3 mm dick. Ein rechteckiges Stück von 5 mm × 70 mm wird aus dieser Platte für jedes der obigen fünf Substrate (d.h., das erste und zweite Festelektrolytsubstrat 11 bis 12 und die Substrate 131 bis 133) herausgeschnitten.
Als nächstes, um die Pumpelektrode 218 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des ersten Festelektrolytsubstrates 11 aufgedruckt. Weiterhin, um die Pumpelektrode 219 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 1–10 Gew.% Au auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des ersten Festelektrolytsubstrates 11 aufgedruckt.
Die Substrate 133 und 131 sind jeweils mit rechteckigen Öffnungen von 2 mm × 15 mm ausgestattet, die den ersten und zweiten Kammern 101 und 102 entsprechen. Das Substrat 132 ist mit dem Pinhole bzw. kleinen Loch ausgestattet, das als der Diffusionsdurchgang bzw. Diffusionskanal 104 fungiert.
Um die Meßelektrode 318 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 0 bis 10 Gew.% Rh auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt. Um die Meßelektrode 319 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt.
Um die Meßelektrode 418 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 1–10 Gew.% Au auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt. Um die Meßelektrode 419 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren einer Aluminiumoxid-Grünplatte erklärt. Die Aluminiumoxid-Grünplatte wird verwendet, um das Substrat 141, das Heizer substrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 auszubilden. Ein Hauptmaterial der Aluminiumoxid-Grünplatte ist ein α-Aluminiumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 μm. Die Gewichtskapazität dieses α-Aluminiumoxids beträgt 98 Gewichtsteile. Als zusätzliche Materialien, das yttriumoxid-teilstabilisierte Zirkoniumoxid, mit 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkoniumoxid, gibt es drei Gewichtsteile. Weiterhin gibt es 10 Gewichtsteile PVB, 10 Gewichtsteile DBP, 30 Gewichtsteile Ethanol und 30 Gewichtsteile Toluen.
Dann werden das präparierte α-Aluminiumoxid, das yttriumoxid-teilstabilisierte Zirkoniumoxid, das PVB, das DBP, das Ethanol und das Toluen in einer Kugelmühle gemischt, um einen Brei bzw. eine fest-flüssige Dispersion aus ihnen zu erhalten. Die erhaltene fest-flüssige Dispersion wird unter Verwendung des Rakelmesserverfahrens in einen ebenen Plattenkörper gestaltet. Der hergestellte Plattenkörper ist in einem getrockneten Zustand 0,3 mm dick. Ein rechteckiges Stück von 5 mm × 70 mm wird jeweils für das Substrat 141, das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 aus diesem Plattenkörper herausgeschnitten.
Der hergestellte rechteckige Plattenkörper des Substrates 141 wird mit einem Schlitz von 2 mm × 65 mm versehen, der der Referenzgaskammer 103 entspricht.
Um das Heizerelement 190 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 10 Gew.% Aluminiumoxid auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des Heizersubstrates 191 aufgedruckt.
Als nächstes werden die so hergestellten rechteckigen Plattenkörper individuell bzw. einzeln in der vorbestimmten Reihenfolge gestapelt oder akkumuliert und dann bei 80°C unter Druck gesetzt bzw. zusammengepreßt, um die in 1 gezeigte Vielschichtanordnung zu bilden. Die Vielschichtanordnung wird dann in einer Freiluftumgebung bei 1500°C gesintert. Der erhaltene gesinterte Vielschichtkörper bzw. Vielschichtsinterkörper wird mit dem Pumpschaltkreis 22, dem ersten Detektionsschaltkreis 32 und dem zweiten Detektionsschaltkreis 42 verbunden, wodurch der Verbundgassensor 1 erhalten wird.
Der Verbundgassensor 1 wird auf die folgende Art und Weise verwendet, um die Gaskonzentration zu messen.
Ein Probengas wird in die erste Kammer 101 über das kleine Loch 110 eingeleitet bzw. eingelassen. Das eingelassene Probengas diffundiert über den Diffusionskanal bzw. Diffusionsdurchgang 104 in die zweite Kammer 102.
Die zweite Sensorzelle 41 überwacht die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102. Die zweite Sensorzelle 41 fungiert als eine Sauerkonzentrationszelle, die dazu geeignet ist, eine elektromotorische Kraft als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 zu erzeugen. Das erste Spannungsmeßgerät 421 delektiert die erzeugte elektromotorische Kraft der zweiten Sensorzelle 41.
Die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 wird durch den Rückkoppelungsschaltkreis 25 auf eine vorbestimmte Referenzkonzentration eingestellt. Genauer gesagt, weist der Regler 251 einen mit einem Operationsverstärker kombinierten Komparator auf. Die variable elektrische Stromquelle 229 des Pumpschaltkreises 22 wird gemäß einer Ausgabe des Komparators geregelt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 größer als die Referenzkonzentration ist, erzeugt das erste Spannungsmeßgerät 421 einen Ausgabewert, der niedriger als die die Referenzkonzentration repräsentierenden 0,4 V ist. Das Ausgabesignal des ersten Spannungsmeßgerätes 421 wird in den Regler 251 eingegeben, um die Spannung der variablen elektrischen Stromquelle 229 zu erhöhen. Als Reaktion auf eine erhöhte Spannung unterstützt die Pumpzelle 21 den Ausstoß bzw. Auslaß des Sauerstoffgases.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 niedriger als die Referenzkonzentration ist, erzeugt das erste Spannungsmeßgerät 421 einen Ausgabewert höher als 0,4 V (d.h., Zielwert). Als Reaktion auf das Ausgabesignal des ersten Spannungsmeßgerätes 421 verringert der Regler 251 die Spannung der variablen elektrischen Stromquelle 229. Die Pumpzelle 21 unterdrückt den Ausstoß bzw. Auslaß des Sauerstoffgases oder läßt das Sauerstoffgas ein.
Durch die oben beschriebene Regelung konvergiert die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 101 auf den Referenzkonzentrationswert. Das eingestellte bzw. eingeregelte Probengas strömt in die zweite Kammer 102. Die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 wird zum Referenzkonzentrationswert.
Gemäß der Nernst'schen Gleichung beträgt der Referenzkonzentrationswert, der den 0,4 V des ersten Spannungsmeßgerätes entspricht, 1 ppm oder weniger, in Begriffen der O₂-Konzentration.
Die erste Sensorzelle 31 desoxidiert das NOx in Sauerstoffionen, wenn das NOx in der zweiten Kammer 102 in Kontakt mit der Meßelektrode 318 gebracht wird. Gleichermaßen wird der in der zweiten Kammer 102 befindliche Sauerstoff in Sauerstoffionen desoxidiert.
Im ersten Detektionsschaltkreis 32 legt die elektrische Stromquelle 329 immer eine konstante Spannung (d.h., 0,45 V) zwischen den Meßelektroden 318 und 319 an. Folglich mißt das erste Strommeßgerät 321 einen Grenzstrom, der auf die Sauerstoffionenkonzentration reagiert.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 konstant ist, sind die von dem Restsauerstoff herrührenden Sauerstoffionen konstant. Ein auf das Strommeßgerät 321 wirkender Einfluß ist konstant. Dementsprechend kann die Variation der NOx-Konzentration aus bzw. mit dem gemessenen Grenzstrom ermittelt werden.
Der NOx-Konzentrationsdetektor 3 empfängt die Ausgabe des ersten Strommeßgerätes 321, um die NOx-Konzentration zu ermitteln bzw. zu detektieren.
Da die Pumpzellenspannung variabel geregelt wird, um eine konstante Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 beizubehalten, ist der Pumpstrom proportional zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases, d.h., der Sauerstoffmenge. Das zweite Strommeßgerät 221, das mit der Pumpzelle 21 verbunden ist, mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases in der zweiten Kammer 102.
Wie in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, mißt der Verbundgassensor 1 die NOx-Konzentration ebenso wie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dies bedeutet, daß der Verbundgassensor 1 der ersten Ausführungsform als ein Vielzweckgassensor arbeitet, der die Verschlechterung eines Katalysators in dem Auslaßgasdurchgang detektiert und elektronisch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Gasmischung regelt, die in die Verbrennungskammer der Maschine eingelassen wird.
2 ist eine modifizierte Anordnung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Gemäß der modifizierten Anordnung von 2 wird die obere Pumpelektrode 218 der Pumpzelle 21 vollständig von einer Elektrodenschutzschicht 182 bedeckt. Eine Einfangschicht 181 ist auf der Elektrodenschutzschicht 182 angebracht. Die Einfangschicht 181 fängt giftige in dem Probengas eingeschlossene bzw. enthaltene Substanzen ein. Mit dieser Anordnung ist die obere Pumpelektrode 218 der Pumpzelle 21 sicher vor den giftigen Substanzen geschützt.
3 ist eine weitere modifizierte Anordnung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Gemäß der modifizierten Anordnung von 3 ist, anstatt das kleine Loch 110 zu öffnen, eine poröse Schicht 15 bei der Seitenwand des Verbundgassensors 1 bereitgestellt. Die poröse Schicht 15 läßt das Probengas in die erste Kammer 101 der Probengaskammer 100 ein. Die poröse Schicht 15 ist mit dem kleinen Loch 110 funktional identisch.
Zweite Ausführungsform
Die 4 und 5 sind Querschnittsansichten, die bevorzugte bzw. vorteilhafte Anordnungen eines Verbundgassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Wie in 4 gezeigt ist, weist ein Verbundgassensor 10 der zweiten Ausführungsform eine Probengaskammer 100 und eine Referenzgaskammer 103 auf. Wenigstens ein Teil der Probengaskammer 100 und der Referenzgaskammer 103 werden jeweils durch erste bzw. zweite Festelektrolytsubstrate 11 und 12 definiert. Die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 und 12 bestehen aus einem sauerstoffionenleitfähigen Material. Ein Pinhole bzw. kleines Loch 110 erstreckt sich über das erste Festelektrolytsubstrat 11 hinweg von einer oberen Oberfläche zu einer unteren Oberfläche davon. Ein unteres Ende des kleinen Loches 110 steht mit der Probengaskammer 100 in Verbindung. Ein Probengas wird von der Außenseite der Probengaskammer 100 über das kleine Loch 110 eingeleitet bzw. eingelassen.
Die Probengaskammer 100 besteht aus einer ersten Kammer 101 und einer zweiten Kammer 102, die miteinander über einen Diffusionsdurchgang 104 in Verbindung stehen. Eine Schutzschicht 18 bedeckt vollständig eine Pumpelektrode 218 und eine später beschriebene externe Elektrode 410, die auf der oberen Oberfläche des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind.
Der Verbundgassensor 10 weist eine Pumpzelle 21, eine erste Sensorzelle 31 und eine zweite Sensorzelle 41 auf. Die Pumpzelle 21 weist ein Paar von Pumpelektroden 218 und 219 auf, die auf der oberen bzw. unteren Oberfläche des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind. Die erste Sensorzelle 31 weist ein Paar von Meßelektroden 318 und 319 auf, die auf der oberen bzw. unteren Oberfläche des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind.
Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sensorzelle 41 mit einem dritten Detektionsschaltkreis 43 ebenso wie mit dem zweiten Detektionsschaltkreis 42 verbunden ist.
Die zweite Sensorzelle 41 weist ein Paar von Meßelektroden 418 und 419 auf, die jeweils auf der oberen bzw. unteren Oberfläche des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind. Die obere Meßelektrode 418 ist auf bzw. an dem Boden der zweiten Kammer 102 angeordnet, und die untere Meßelektrode 419 ist auf bzw. an der Decke der Referenzgaskammer 103 angeordnet.
Die zweite Sensorzelle 41 weist des weiteren die externe Elektrode 410 auf, die an bzw. auf der oberen (d.h., äußeren) Oberfläche des ersten Festelektrolytsubstrates 11 bereitgestellt ist. Die Meßelektroden 418 und 419 sind in Reihe bzw. seriell mit einem ersten Spannungsmeßgerät 421 verbunden, wodurch der zweite Detektionsschaltkreis 42 gebildet wird. Die Meßelektrode 419 und die externe Elektrode 410 sind seriell mit einem zweiten Spannungsmeßgerät 431 verbunden, wodurch der dritte Detektionsschaltkreis 43 gebildet wird. Ein Sauerstoffkonzentrationsdetektor 4 ist mit dem zweiten Spannungsmeßgerät 431 verbunden, um die Sauerstoffkonzentration des in der zweiten Kammer 102 befindlichen Probengases zu messen.
Der Rest der Anordnung ist die selbe wie bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
Der Verbundgassensor 10 ist ein Vielzweckgassensor, der dazu geeignet bzw. in der Lage ist, die NOx-Konzentration und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die selbe Weise wie der oben beschriebene Verbundgassensor 1 der ersten Ausführungsform zu ermitteln bzw. zu detektieren.
Die Meßelektrode 419 und die externe Elektrode 410 funktionieren kooperativ als eine Sauerstoffkonzentrationszelle, die eine elektromotorische Kraft als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration in dem Probengas, das außerhalb des Verbundgassensors 10 strömt, erzeugt. Das zweite Spannungsmeßgerät 431 erzeugt eine Ausgabe, die die erzeugte elektromotorische Kraft repräsentiert. Der Sauerstoffkonzentrationsdetektor 4 detektiert die Sauerstoffkonzentration in dem Probengas, das außerhalb des Verbundgassensors 10 strömt, auf der Grundlage des Ausgabesignals des zweiten Spannungsmeßgerätes 431.
Der Verbundgassensor 10 mißt des weiteren die NOx-Konzentration mittels des ersten Strommeßgerätes 321 und mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mittels des zweiten Strommeßgerätes 221.
Dementsprechend arbeitet der Verbundgassensor 10 der zweiten Ausführungsform als ein Vielzweckgassensor, der die Verschlechterung eines Katalysators in dem Auslaßgasdurchgang detektiert, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Gasmischung, die in die Verbrennungskammer der Maschine eingelassen wird, elektronisch regelt und die Sauerstoffkonzentration in dem Auslaßgasdurchgang detektiert.
5 ist eine modifizierte Anordnung der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform. Gemäß der modifizierten Anordnung von 5 ist, anstatt das kleine Loch 110 zu öffnen, eine poröse Schicht 15 bei der Seitenwand des Verbundgassensors 10 bereitgestellt. Die poröse Schicht 15 läßt das Probengas in die erste Kammer 101 der Probengaskammer 100 ein. Die poröse Schicht 15 ist mit dem kleinen Loch 110 funktional identisch.
Dritte Ausführungsform
Die 6 bis 8 sind Querschnittsansichten, die vorteilhafte Anordnungen eines Verbundgassensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der Verbundgassensor der dritten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Probengaskammer und die Referenzgaskammer auf dem selben Oberflächenniveau angeordnet sind.
Wie in 6 gezeigt ist, weist ein Verbundgassensor 5 der dritten Ausführungsform eine Probengaskammer 100 und eine Referenzgaskammer 103 auf, die durch erste und zweite Festelektrolytsubstrate 51 und 52 definiert werden. Ein Pinhole bzw. kleines Loch 110 erstreckt sich über das erste Festelektrolytsubstrat 51 hinweg von einer oberen Oberfläche zu einer unteren Oberfläche davon. Ein unteres Ende des kleinen Loches 110 steht mit der Probengaskammer 100 in Verbindung. Ein Probengas wird von der Außenseite der Probengaskammer 100 über das kleine Loch 110 eingelassen. Die Probengaskammer 100 weist eine erste Kammer 101 und eine zweite Kammer 102 auf, die miteinander über einen Diffusionskanal bzw. Diffusionsdurchgang 104 in Verbindung stehen.
Der Verbundgassensor 5 weist eine Pumpzelle 21, eine erste Sensorzelle 31 und eine zweite Sensorzelle 41 auf. Die Pumpzelle 21 weist ein Paar von Pumpelektroden 218 und 219 auf, die auf der oberen bzw. unteren Oberfläche des ersten Festelektrolytsubstrates 51 ausgebildet sind. Die erste Sensorzelle 31 weist ein Paar von Meßelektroden 318 und 519 auf, die auf der selben oberen Oberfläche des zweiten Festelektrolytsubstrates 52 ausgebildet sind. Die zweite Sensorzelle 41 weist Paar von Meßelektroden 418 und 519 auf, die auf der selben oberen Oberfläche des zweiten Festelektrolytsubstrates 52 ausgebildet sind. Die Meßelektroden 318 und 418 erstrecken sich entlang des Bodens der zweiten Kammer 102 der Probengaskammer 100. Die Meßelektrode 519 ist eine gemeinsame Elektrode, die sich entlang des Bodens der Referenzgaskammer 103 erstreckt.
Das heißt, gemäß der Anordnung der dritten Ausführungsform sind die Meßelektroden 318, 418 und 519 der ersten und zweiten Sensorzellen 31 und 41 auf dem selben Oberflächenniveau (d.h., der oberen Oberfläche des zweiten Festelektrolytsubstrates 52) angeordnet.
Die Pumpzelle 21 ist mit dem Pumpschaltkreis 22 verbunden. Die erste Sensorzelle 31 ist mit dem ersten Detektionsschaltkreis 32 verbunden. Die zweite Sensorzelle 41 ist mit dem zweiten Detektionsschaltkreis 42 verbunden. Der erste Detektionsschaltkreis 32 und der zweite Detektionsschaltkreis 42 besitzen einen gemeinsamen Schaltkreis 55, der mit der gemeinsamen Elektrode 519 verbunden ist.
Ein Isoliersubstrat 531 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Festelektrolytsubstrat 51 und 52 angeordnet. Das Isoliersubstrat 531 besitzt eine Öffnung, die die Probengaskammer 100 definiert, und eine weitere Öffnung, die die Referenzgaskammer 103 definiert. Ein Isoliersubstrat 532 ist unter dem zweiten Festelektrolytsubstrat 52 angeordnet. Ein ebener Heizer 19 ist in einer Aussparung angeordnet, die an bzw. auf der oberen Oberfläche des Isoliersubstrates 532 bereitgestellt ist.
Der Rest der Anordnung ist die selbe wie jene, die bei der ersten Ausführungsform offenbart worden ist. Der Verbundgassensor der dritten Ausführungsform arbeitet auf die selbe Weise wie der Verbundgassensor der ersten Ausführungsform bei der Messung der NOx-Konzentration und der Detektion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
Gemäß der Anordnung der dritten Ausführungsform kann eine Gesamtdicke des Verbundgassensors 5 verringert werden. Die flache Anordnung der Probengaskammer 100 und der Referenzgaskammer 103, die auf dem selben Niveau angeordnet sind, ist vorteilhaft in der Hinsicht, daß der Heizer 19 in der Nähe der Pumpzelle 21, der ersten Sensorzelle 31 und der zweiten Sensorzelle 41 angeordnet werden kann. Dies verbessert die Aufwärmfähigkeit bzw. das Aufwärmvermögen des Verbundgassensors 5.
Weiterhin ist die Anordnung der dritten Ausführungsform einfach und kompakt. Die in der Referenzgaskammer 103 bereitgestellte Elektrode 519 wird gemeinschaftlich als die gemeinsame Elektrode für die erste Sensorzelle 31 und die zweite Sensorzelle 41 verwendet. Der erste Detektionsschaltkreis 32 und der zweite Detektionsschaltkreis 42 besitzten den gemeinsamen Schaltkreis 55, der mit dieser gemeinsamen Elektrode 519 verbunden ist. Dies verringert die gesamte Menge oder Länge der Zuleitungen, die erforderlich sind, um die Sensorsignale herauszunehmen bzw. aufzunehmen. Weiterhin kann der Herstellungsprozeß vereinfacht werden.
7 ist eine modifizierte Anordnung der in 6 gezeigten dritten Ausführungsform. Gemäß der modifizierten Anordnung von 7 ist, anstatt das kleine Loch 110 zu öffnen, eine poröse Schicht 15 bei der Seitenwand des Verbundgassensors 5 bereitgestellt. Die poröse Schicht 15 läßt das Probengas in die erste Kammer 101 der Probengaskammer 100 ein. Die poröse Schicht 15 ist mit dem kleinen Loch 110 funktional identisch.
8 ist eine weitere modifizierte Anordnung der in 6 gezeigen dritten Ausführungsform. Gemäß der modifizierten Anordnung von 8 wird das kleine Loch 110 bei einer verschiedenen bzw. anderen Position, versetzt von bzw. neben der Pumpzelle 21, bereitgestellt.
Vierte Ausführungsform
9 ist eine Querschnittsansicht, die eine vorteilhafte Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Verbundgassensor 1' der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Verbundgassensor 1 der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, daß zusätzlich ein Impedanzdetektor 6 in dem Pumpschaltkreis 22 bereitgestellt ist.
Die vierte Ausführungsform stellt eine Anordnung zum Detektieren bzw. Ermitteln der Temperatur des Probengases bereit. Der Impedanzdetektor 6 mißt die Impedanz der Pumpzelle 21. Allgemein ist die Impedanz proportional zu der Temperatur. Die Pumpzelle 21 besitzt die Funktion, das Probengas in und von der ersten Kammer 101 der Probengaskammer 100 einzulassen und auszulassen. Die Temperatur der Pumpzelle 21 ist im wesentlichen die selbe wie die Temperatur des Probengases.
Dementsprechend kann die Probengastemperatur durch Messen der Impedanz der Pumpzelle 21 detektiert werden.
Kurz gesagt, die vierte Ausführungsform stellt einen Vielzweckverbundgassensor bereit, der dazu in der Lage ist, die NOx-Konzentration, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Probengastemperatur zu ermitteln bzw. zu detektieren.
Wenn der Verbundgassensor 1' in dem Auslaßgasdurchgang eines Verbrennungsmotors installiert ist, detektiert der Verbundgassensor 1' eine unerwünschte Verringerung der Auslaßgastemperatur. Wenn der Motor Zündaussätze hat, nimmt die Auslaßgastemperatur ab. Um solch eine Fehlfunktion zu verhindern, macht es die vierte Ausführungsform möglich, die Verbrennung der Maschine auf der Grundlage des Ausgabesignals des Verbundgassensors 1' sorgfältig rückkoppelnd zu steuern bzw. zu regeln.
Weiterhin macht es die vierte Ausführungsform möglich, eine anormale Wärmeerzeugung in dem Katalysator zu überwachen und seine Verschlechterung zu detektieren.
Fünfte Ausführungsform
10 ist eine Querschnittsansicht, die eine vorteilhafte Anordnung eines Verbundgassensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 10 gezeigt ist, weist ein Verbundgassensor 7 der fünften Ausführungsform eine Probengaskammer 100 und ein Referenzgaskammer 103 auf. Wenigstens ein Teil der Probengaskammer 100 und der Referenzgaskammer 103 werden durch erste bzw. zweite Festelektrolytsubstrate 11 und 12 definiert. Die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 und 12 bestehen aus einem sauerstoffionenleitfähigen Material. Ein kleines Loch 110 erstreckt sich über das erste Festelektrolytsubstrat 11 hinweg von einer oberen Oberfläche zu einer unteren Oberfläche davon. Ein unteres Ende des kleinen Loches 110 steht mit der Probengaskammer 100 in Verbindung. Ein Probengas wird von der Außenseite der Probengaskammer 100 über das kleine Loch 110 eingeleitet bzw. eingelassen.
Eine Pumpzelle 21 weist ein Paar von Pumpelektroden 218 und 219 auf, die auf einer oberen Oberfläche 118 bzw. einer unteren Oberfläche 119 des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind. Das oben beschriebene kleine Loch 110 besitzt ein oberes Ende, das sich bei einem Zentrum der oberen Pumpelektrode 218 öffnet, und ein unteres Ende, das sich bei einem Zentrum der unteren Pumpelektrode 219 öffnet. Die obere Pumpelektrode 218 ist der Außenseite ausgesetzt. Die untere Oberfläche 119 des ersten Festelektrolytsubstrates 11 definiert eine Decke der Probengaskammer 100. Die untere Pumpelektrode 219 erstreckt sich entlang der Decke der Probengaskammer 100. Die Pumpzelle 21 stellt eine Menge des Sauerstoffgases ein, das in oder von der Probengaskammer 100 eingelassen oder ausgelassen wird.
Eine Temperaturdetektionszelle 50 ist integral auf bzw. an der Pumpzelle 21 angebracht. Die Temperaturdetektionszelle 50 ist mit einem Widerstandsdetektor 504 verbundfen. Die Temperaturdetektionszelle 50 weist ein poröses Substrat 501 auf. Das Probengas geht durch dieses poröse Substrat 501 hindurch. Ein Widerstand 505 und eine Zuleitung 501 sind auf bzw. an einer oberen Oberfläche (d.h., Außenseite) des porösen Substrates 501 bereitgestellt.
Eine erste Sensorzelle 31 weist ein Paar von Meßelektroden 318 und 319 auf, die auf einer oberen Oberfläche 128 bzw. einer unteren Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind. Die obere Oberfläche 128 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 definiert einen Boden der Probengaskammer 100. Die obere Meßelektrode 318 erstreckt sich entlang des Bodens der Probengaskammer 100. Die untere Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 definiert eine Decke der Referenzgaskammer 103. Die untere Meßelektrode 319 erstreckt sich entlang der Decke der Referenzgaskammer 103. Die erste Sensorzelle 31 detektiert die Konzentration des in der Probengaskammer 100 befindlichen NOx-Gases.
Eine zweite Sensorzelle 41 weist ein Paar von Meßelektroden 418 und 419 auf, die auf der oberen Oberfläche 128 bzw. der unteren Oberfläche 129 des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind. Die obere Meßelektrode 418 erstreckt sich entlang des Bodens der Probengaskammer 100. Die untere Meßelektrode 419 erstreckt sich entlang der Decke der Referenzgaskammer 103. Die zweite Sensorzelle 41 detektiert die Konzentration des in der Probengaskammer 100 enthaltenen Sauerstoffgases.
Die erste Sensorzelle 31 ist in Reihe bzw. seriell mit einem ersten Strommeßgerät 321 und einer elektrischen Stromquelle 329 verbunden, wodurch ein erster Detektionsschaltkreis 32 gebildet wird. Die Pumpzelle 21 ist seriell mit einem zweiten Strommeßgerät 221 und einer variablen elektrischen Stromquelle 229 verbunden, wodurch ein Pumpschaltkreis 22 gebildet wird. Die zweite Sensorzelle 41 ist seriell mit einem ersten Spannungsmeßgerät 421 verbunden, wodurch ein zweiter Detektionsschaltkreis 42 gebildet wird.
Ein Regler 251 steuert rückkoppelnd bzw. regelt die variable elektrische Stromquelle 229 als Reaktion auf einen Ausgabewert des ersten Spannungsmeßgerätes 421. Mit anderen Worten, der Kontroller bzw. Regler 251 und das erste Spannungsmeßgerät 421 arbeiten kooperativ als ein Rückkoppelungsschaltkreis 25 zur Regelung der variablen elektrischen Stromquelle 229 zusammen. Mit dieser rückgekoppelten Steuerung bzw. Regelung wird der Ausgabewert des ersten Spannungsmeßgerätes 421 auf einem konstanten Wert gehalten. Ein NOx-Konzentrationsdetektor 3 ist mit dem ersten Strommeßgerät 321 verbunden. Der NOx-Konzentrationsdetektor 3 mißt die Konzentration des in der Probengaskammer 100 befindlichen NOx-Gases auf der Grundlage eines Ausgabewertes des ersten Strommeßgerätes 321. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor 2 ist mit dem zweiten Strommeßgerät 221 verbunden. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor 2 mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in der Probengaskammer 100 befindlichen Probengases auf der Grundlage eines Ausgabewertes des zweiten Strommeßgerätes 221.
Die Probengaskammer 100 weist eine erste Kammer 101 und eine zweite Kammer 102 auf, die mittels eines dazwischenliegenden Substrates 132 geteilt bzw. getrennt werden. Ein Diffusionskanal bzw. Diffusionsdurchgang 104 erstreckt sich über das dazwischenliegende Substrat 132 hinweg von der ersten Kammer 101 zu der zweiten Kammer 102. Folglich steht die erste Kammer 101 mit der zweiten Kammer 102 über den Diffusionsdurchgang 104 in Verbindung.
Das oben beschriebene kleine Loch 110 und die untere Pumpelektrode 219 der Pumpzelle 21 sind der ersten Kammer 101 zugewandt. Die obere Meßelektrode 318 der ersten Sensorzelle 31 und die obere Meßelektrode 418 der zweiten Sensorzelle 41 sind der zweiten Kammer 102 zugewandt.
Das erste Festelektrolytsubstrat 11 definiert eine Decke der ersten Kammer 101. Das Substrat 132 definiert einen Boden der ersten Kammer 101. Ein Substrat 133, das zwischen dem ersten Festelektrolytsubstrat 11 und dem Substrat 132 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung, die die Seitenwände der ersten Kammer 101 definiert.
Das Substrat 132 definiert eine Decke der zweiten Kammer 102. Das zweite Festelektrolytsubstrat 12 definiert einen Boden der zweiten Kammer 102. Ein Substrat 131, das zwischen dem Substrat 132 und dem zweiten Festelektrolytsubstrat 12 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung, die die Seitenwände der zweiten Kammer 102 definiert.
Ein Boden der Referenzgaskammer 103 wird durch eine obere Oberfläche eines Heizers 19 definiert, der integral bei dem unteren Ende des Verbundgassensors 7 bereitgestellt ist. Ein Substrat 141, das zwischen dem zweiten Festelektrolytsubstrat 12 und dem Heizer 19 angeordnet ist, besitzt eine Öffnung (Schlitz), die die Seitenwände der Referenzgaskammer 103 definiert.
Der Heizer 19 weist ein Heizersubstrat 191 auf. Ein Heizerelement 190 ist auf diesem Heizersubstrat 191 als eine Wärmeerzeugungsquelle angebracht. Das Heizerelement 190 wird von einer Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 bedeckt bzw. überdeckt.
Wie oben beschrieben wurde, regelt der Regler 251 die variable elektrische Stromquelle 229 rückkoppelnd, um eine konstante Ausgabe von dem ersten Spannungsmeßgerät 421 zu erzeugen.
Mit dieser Anordnung mißt der Verbundgassensor 7 die NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage des Ausgabewertes des ersten Strommeßgerätes 321 und mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases auf der Grundlage des Ausgabewertes des zweiten Strommeßgerätes 221.
Weiterhin mißt der Widerstandsdetektor 504 der Temperaturdetektionszelle 50 die Probengastemperatur auf der Grundlage des Widerstandswertes des Widerstands 503.
Wie in 10 gezeigt ist, besitzt der Verbundgassensor 7 einen Vielschichtkörper, der das poröse Substrat 501, die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 bis 12, die Substrate 131 bis 133, 141 und den Heizer 19 umfaßt. Die Substrate 131, 132 und 133 bestehen aus dem selben Material wie die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 und 12. Das Substrat 141 besteht aus dem selben Material wie das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192. Das poröse Substrat ist vom Material her identisch mit dem Heizersubstrat 191 und der Überzugsplatte 192, besitzt aber eine andere Porosität bzw. Porigkeit.
Die Pumpelektroden 218 und 219 der Pumpzelle 21 sind mit dem Pumpschaltkreis 22 über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt) verbunden, die auf bzw. an den Oberflächen des ersten Festelektrolytsubstrates 11 ausgebildet sind.
Die untere Pumpelektrode 219 besteht aus Pt mit einem Au-Zusatz und ist gegenüber NOx inaktiv. Die obere Pumpelektrode 218 besteht aus Pt.
Die Meßelektroden 318 und 319 der ersten Sensorzelle 31 sind mit dem ersten Detektionsschaltkreis 32 über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt) verbunden, die auf den Oberflächen des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind.
Die obere Meßelektrode 318 besteht aus Pt oder Pt/Rh und ist gegenüber NOx aktiv. Die obere Meßelektrode 318 zersetzt NOx in Stickstoffionen und Sauerstoffionen. Die untere Meßelektrode 319 besteht aus Pt.
Die Meßelektroden 418 und 419 der zweiten Sensorzelle 41 sind mit dem zweiten Detektionsschaltkreis 42 über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt) verbunden, die auf den Oberflächen des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 ausgebildet sind.
Die obere Meßelektrode 418 besteht aus Pt mit einem Au-Additiv und ist gegenüber NOx inaktiv. Die untere Meßelektrode 419 besteht aus Pt.
Das Heizerelement 190 ist entlang der Oberfläche des Heizersubstrates 191 in einem Bereich gemustert, der sowohl die Pumpzelle 21 als auch die erste Sensorzelle 31 als auch die zweite Sensorzelle 41 bedeckt bzw. überdeckt, wenn diese in einer Auf-und-Ab-Richtung bzw. Oben-und-Unten-Richtung gesehen werden. Das Heizerelement 190 ist mit einer Stromquelle (nicht gezeigt) über Zuleitungen (nicht gezeigt) und Anschlüsse (nicht gezeigt) verbunden, die auf der Oberfläche des Heizersubstrates 191 ausgebildet sind. Das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 bestehen aus Aluminiumoxid.
Das poröse Substrat 501 der Temperaturdetektionszelle 50 ist eine isolierende Substanz, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht. Die Porosität des porösen Substrates 501 liegt in einem Bereich von 5 bis 15%. Ein Widerstand-Temperatur-Koeffizient des Widerstandes 503 ist größer als ein Widerstand-Temperatur-Koeffizient der Zuleitung 502. Der Widerstandswert des Widerstandes 503 beträgt das Zehnfache oder mehr des Widerstandswertes der Zuleitung 502.
Ein Herstellungsverfahren des oben beschriebenen Verbundgassensors 7 wird im folgenden erklärt werden.
Als erstes wird ein Herstellungsverfahren einer Zirkoniumoxid-Grünplatte erklärt werden. Die Zirkoniumoxid-Grünplatte wird verwendet, um die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 bis 12 und die Substrate 131 bis 133 auszubilden. Ein Hauptmaterial der Zirkoniumoxid-Grünplatte ist yttriumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,5 μm. Dieses yttriumoxid-teilstabilisiertes Zirkoniumoxid weist 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkoniumoxid auf. Die Gewichtskapazität des yttriumoxid-teilstabilisierten Zirkoniumoxids beträgt 100 Gewichtsteile. Als zusätzliche Materialien gibt es einen Gewichtsteil α-Aluminiumoxid, 5 Gewichtsteile PVB, 10 Gewichtsteile DBP, 10 Gewichtsteile Ethanol und 10 Gewichtsteile Toluen.
Dann wird das präparierte Yttriumoxid-teilstabilsierte Zirkoniumoxid, das α-Aluminiumoxid, das PVB, das DBP, das Ethanol und das Toluen in einer Kugelmühle gemischt um einen Brei aus ihnen bzw. eine fest-flüssige Dispersion aus ihnen zu erhalten. Die erhaltene fest-flüssige Dispersion wird mittels Verwendung des Rakelmesserverfahrens in einen ebenen Plattenkörper gestaltet. Der hergestellte Plattenkörper besitzt in einem getrockneten Zustand eine Dicke von 0,3 mm. Ein rechteckiges Stück von 5 mm × 70 mm wird aus dieser Platte für jedes der obigen fünf Substrate (d.h., die ersten und zweiten Festelektrolytsubstrate 11 bis 12 und die Substrate 131 bis 133) herausgeschnitten.
Als nächstes wird, um die Pumpelektrode 218 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des ersten Festelektrolytsubstrates 11 aufgedruckt. Weiterhin wird, um die Pumpelektrode 219 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 1–10 Gew.% Au auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des ersten Festelektrolytsubstrates 11 aufgedruckt.
Die Substrate 133 und 131 werden mit rechteckigen Öffnungen von 2 mm × 15 mm versehen, die der ersten bzw. zweiten Kammer 101 bzw. 102 entsprechen. Das Substrat 132 wird mit dem kleinen Loch versehen, das als der Diffusionsdurchgang 104 fungiert.
Um die Meßelektrode 318 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 0–10 Gew.% Rh auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt. Um die Meßelektrode 319 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt.
Um die Meßelektrode 418 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 1–10 Gew.% Au auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt. Um die Meßelektrode 419 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste auf der unteren Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des zweiten Festelektrolytsubstrates 12 aufgedruckt.
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren einer ersten Aluminiumoxid-Grünplatte erklärt. Die erste Aluminiumoxid-Grünplatte wird verwendet, um das Substrat 141, das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 auszubilden. Ein Hauptmaterial der Alumiumoxid-Grünplatte ist α-Aluminiumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 μm. Die Gewichtskapazität dieses α-Aluminiumoxids beträgt 98 Gewichtsteile. Als zusätzliche Materialien, das yttriumoxid-teilstabilisierte Zirkoniumoxid, mit 6 Mol% Yttriumoxid und 94 Mol% Zirkoniumoxid, sind 3 Gewichtsteile vorhanden. Weiterhin sind 10 Gewichtsteile PVB, 10 Gewichtsteile DBP, 30 Gewichtsteile Ethanol und 30 Gewichtsteile Toluen vorhanden.
Dann werden das präparierte α-Aluminiumoxid, das yttriumoxid-teilstabilsierte Zirkoniumoxid, das PVB, das DBP, das Ethanol und das Toluen in einer Kugelmühle gemischt um einen Brei aus ihnen bzw. eine fest-flüssige Dispersion aus ihnen zu erhalten. Die erhaltene festflüssige Dispersion wird mittels Verwendung des Rakelmesserverfahrens in einen ebenen Plattenkörper gestaltet. Der hergestellte Plattenkörper ist in einem getrockneten Zustand 0,3 mm dick. Ein rechteckiges Stück von 5 mm × 70 mm wird aus diesem Plattenkörper jeweils für das Substrat 141, das Heizersubstrat 191 und die Überzugsplatte bzw. Deckplatte 192 herausgeschnitten.
Der hergestellte rechteckige Plattenkörper des Substrates 141 wird mit einem Schlitz von 2 mm × 65 mm versehen, der der Referenzgaskammer 103 entspricht.
Um das Heizerelement 190 und die assoziierten Zuleitungen und Anschlüsse auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Zusatz bzw. Additiv von 10 Gew.% Aluminiumoxid auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des Heizersubstrates 191 aufgedruckt.
Als nächstes wird eine zweite Aluminiumoxid-Grünplatte, die zum Bilden des porösen Substrates 501 verwendet wird, erklärt werden. Ein Hauptmaterial der zweiten Aluminiumoxid-Grünplatte ist ein α-Aluminiumoxid mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,4 μm. Die Gewichtskapazität dieses α-Aluminiumoxides beträgt 100 Gewichtsteile. Als zusätzliche Materialien gibt es 10 Gewichtsteile PVB, 10 Gewichtsteile DBP, 30 Gewichtsteile Ethanol und 30 Gewichtsteile Toluen.
Dann werden das präparierte α-Aluminiumoxid, das PVB, das DBP, das Ethanol und das Toluen in einer Kugelmühle gemischt, um eine fest-flüssige Dispersion aus ihnen zu erhalten. Die erhaltene fest-flüssige Dispersion wird mittels Verwendung des Rakelmesserverfahrens in einem ebenen Plattenkörper gestaltet. Der hergestellte Plattenkörper ist in einem getrockneten Zustand 0,3 mm dick. Ein rechteckiges Stück von 5 mm × 70 mm wird aus diesem Plattenkörper für das poröse Substrat 501 herausgeschnitten.
Um den Widerstand 503 auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt-Paste mit einem Additiv von 10 Gew.% Aluminiumoxid auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des porösen Substrates 501 aufgedruckt. Um die Zuleitung 502 auszubilden, wird eine elektrisch leitfähige Pt/Rh-Paste mit einem Zusatz von 10 Gew.% Aluminiumoxid auf der oberen Oberfläche des hergestellten rechteckigen Plattenkörpers des porösen Substrates 501 aufgedruckt.
Als nächstes werden die so hergestellten rechteckigen Plattenkörper individuell bzw. einzeln in der vorbestimmten Reihenfolge gestapelt oder akkumuliert und dann bei 80°C unter Druck gesetzt bzw. zusammengepreßt, um die in 10 gezeigte Vielschichtanordnung auszubilden. Die Vielschichtanordnung wird dann in einer Freiluftumgebung von 1500°C gesintert. Der erhaltene Vielschichtsinterkörper wird dann mit dem Pumpschaltkreis 22, dem ersten Detektionsschaltkreis 32 und dem zweiten Detektionschaltkreis 42 verbunden, wodurch der Verbundgassensor 7 erhalten wird.
Der Verbundgassensor 7 wird auf die folgende Weise verwendet, um die Gaskonzentration zu bestimmen.
Ein Probengas wird in die erste Kammer 101 über das kleine Loch 110 eingelassen. Das eingelassene Probengas diffundiert über den Diffusionsdurchgang 104 in die zweite Kammer 102.
Die zweite Sensorzelle 41 überwacht die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102. Die zweite Sensorzelle 41 fungiert als eine Sauerstoffkonzentrationszelle, die in der Lage ist, eine elektromotorische Kraft als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 zu erzeugen. Das erste Spannungsmeßgerät 421 detektiert die erzeugte elektromotorische Kraft der zweiten Sensorzelle 41.
Die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 wird mittels des Rückkopplungsschaltkreises 25 auf eine vorbestimmte Referenzkonzentration eingestellt. Genauer gesagt, weist der Kontroller bzw. Regler 251 einen mit einem Operationsverstärker kombinierten Komparator auf. Die variable elektrische Stromquelle 229 des Pumpschaltkreises 22 wird gemäß einer Ausgabe des Komparators geregelt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 größer als die Referenzkonzentration ist, erzeugt das erste Spannungsmeßgerät 421 einen Ausgabewert, der niedriger als die die Referenzkonzentration repräsentierenden 0,4 V ist. Das Ausgabesignal des ersten Spannungsmeßgerätes 421 wird in den Regler 251 eingegeben, um die Spannung der variablen elektrischen Stromquelle 229 zu erhöhen. Als Reaktion auf eine erhöhte Spannung unterstützt die Pumpzelle 21 den Auslaß bzw. Ausstoß des Sauerstoffgases.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 niedriger als die Referenzkonzentration ist, erzeugt das erste Spannungsmeßgerät 421 einen Ausgabewert, der höher als 0,4 V (d.h. Zielwert) ist. Als Reaktion auf das Ausgabesignal des ersten Spannungsmeßgerätes 421 verringert der Regler 251 die Spannung der variablen elektrischen Stromquelle 229. Die Pumpzelle 21 unterdrückt den Auslaß bzw. Ausstoß des Sauerstoffgases oder läßt das Sauerstoffgas ein.
Durch die oben beschriebene Regelung konvergiert die Sauerstoffkonzentration in der ersten Kammer 101 auf den Referenzkonzentrationswert. Das eingestellte bzw. eingeregelte Probengas strömt in die zweite Kammer 102. Die Sauerstoffkonzentration der zweiten Kammer 102 wird zum Referenzkonzentrationswert.
Gemäß der Nernst'schen Gleichung beträgt der Referenzkonzentrationswert, der den 0,4 V des ersten Spannungsmeßgerätes entspricht, 1 ppm oder weniger, in Begriffen der O₂-Konzentration.
Die erste Sensorzelle 31 desoxidiert das NOx in Sauerstoffionen, wenn das NOx in der zweiten Kammer 102 in Kontakt mit der Meßelektrode 318 gebracht wird. Gleichermaßen wird der in der zweiten Kammer 102 befindliche Sauerstoff in Sauerstoffionen desoxidiert.
In dem ersten Detektionsschaltkreis 32 legt die elektrische Stromquelle 329 immer eine konstante Spannung (d.h. 0,45 V) zwischen den Meßelektroden 318 und 319 an. Somit mißt das erste Strommeßgerät 321 einen Grenzstrom, der auf die Sauerstoffionenkonzentration reagiert bzw. dieser entspricht.
Wenn die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 konstant ist, ist die Menge der von dem Restsauerstoff herrührenden Sauerstoffionen konstant. Ein auf das Strommeßgerät 321 wirkender Einfluß ist konstant. Dementsprechend kann die Variation der NOx-Konzentration aus dem gemessenen Grenzstrom ermittelt werden bzw. ist bekannt.
Der NOx-Konzentrationsdetektor 3 empfängt die Ausgabe des ersten Strommeßgerätes 321, um die NOx Konzentration zu detektieren bzw. zu ermitteln.
Da die Pumpzellenspannung variabel geregelt wird, um in der zweiten Kammer 102 eine konstante Sauerstoffkonzentration beizubehalten, ist der Pumpstrom proportional zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases, d.h. dem Sauerstoffgehalt bzw. der Sauerstoffmenge. Das zweite Strommeßgerät 221, das mit der Pumpzelle 21 verbunden ist, mißt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases in der zweiten Kammer 102.
Wie in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, mißt der Verbundgassensor 7 die NOx-Konzentration ebenso wie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Dies bedeutet, daß der Verbundgassensor 7 der fünften Ausführungsform als ein Vielzweckgassensor arbeitet, der die Verschlechterung eines Katalysators im Auslaßgasdurchgang detektiert und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Gasmischung, die in die Verbrennungskammer der Maschine eingeleitet bzw. eingelassen wird, elektronisch regelt.
Weiterhin ist gemäß der fünften Ausführungsform der Widerstand 503 der Temperaturdetektionszelle 50 variabel in Reaktion auf die Probengastemperatur. Somit kann die Probengastemperatur mittels Detektion bzw. Erfassung des Widerstandswertes des Widerstandes 503 mittels des Widerstanddetektors 504 gemessen werden.
Mit anderen Worten, die fünfte Ausführungsform stellt einen Vielzweckverbundgassensor bereit, der dazu geeignet bzw. in der Lage ist, die NOx-Konzentration des Probengases, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Probengastemperatur zu detektieren.
Zusammengefaßt, ein Verbundgassensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpzelle, eine NOx-Sensorzelle und eine Sauerstoffsensorzelle auf. Die NOx-Sensorzelle ist mit einem ersten Strommeßgerät und einer Konstantstromquelle verbunden, um die NOx-Konzentration eines Probengases zu messen. Die Pumpzelle ist mit einem zweiten Strommeßgerät und einer variablen Stromquelle verbunden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Probengases zu messen. Die Sauerstoffsensorzelle ist mit einem Spannungsmeßgerät verbunden. Ein Regler stellt die variable Stromquelle ein, so daß das Spannungsmeßgerät einen konstanten Wert liefert.
Die vorliegende Erfindung kann durch verschiedene Formen verkörpert werden ohne von ihren wesentlichen Prinzipien und Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegenden beschriebenen Ausführungsformen sind nur dazu gedacht, der Veranschaulichung zu dienen und sind nicht einschränkend gemeint, da der Anwendungsbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorhergehende Beschreibung definiert wird. Alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb der Grenzen der Ansprüche liegen, oder äquivalent zu diesen Grenzen sind, sind folglich dazu gedacht, zum Umfang der Ansprüche zu gehören.

Claims

Verbundgassensor mit: sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolytsubstraten (11, 12; 51, 52), die wenigstens einen Teil einer Referenzgaskammer (103) und einer Probengaskammer (100) definieren; einem Probengaseinlaßdurchgang (110, 15), der ein Probengas in die Probengaskammer einläßt; einer Pumpzelle (21) mit einem Paar von Pumpelektroden zum Einstellen einer in oder von der Probengaskammer eingelassenen oder ausgelassenen Sauerstoffgasmenge, wobei eine Pumpelektrode (219) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere Pumpelektrode (218) einer Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist; einer ersten Sensorzelle (31) mit einem Paar von NOx-Meßelektroden zum Detektieren einer NOx-Konzentration in der Probengaskammer, wobei eine NOx-Meßelektrode (318) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere NOx-Meßelektrode (319) der Referenzgaskammer zugewandt ist; einer zweiten Sensorzelle (41) mit einem Paar von Sauerstoffmeßelektroden zum Detektieren einer Sauerstoffkonzentration in der Probengaskammer, wobei eine Sauerstoffmeßelektrode (418) der Probengaskammer zugewandt ist und die andere Sauerstoffmeßelektrode (419) der Referenzgaskammer zugewandt ist; einem ersten Detektionsschaltkreis (32) einschließlich eines ersten Strommeßgerätes (321) und einer elektrischen Stromquelle (329), der mit der ersten Sensorzelle zum Messen eines Meßstromes der ersten Sensorzelle verbunden ist; einem Pumpschaltkreis (22) einschließlich eines zweiten Strommeßgerätes (221) und einer variablen elektrischen Stromquelle (229), der mit der Pumpzelle zum Messen eines Stromes der Pumpzelle verbunden ist; einem zweiten Detektionsschaltkreis (42) einschließlich eines ersten Spannungsmeßgerätes (421), der mit der zweiten Sensorzelle zum Messen einer Meßspannung der zweiten Sensorzelle verbunden ist; einem Regler (251), der auf die Meßspannung der zweiten Sensorzelle reagiert und die variable elektrische Stromquelle des Pumpschaltkreises einstellt, derart, daß ein konstanter Wert von dem ersten Spannungsmeßgerät erzeugt wird; einem NOx-Konzentrationsdetektor (3), der mit dem ersten Detektionsschaltkreis zum Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät verbunden ist; und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektor (2), der mit dem Pumpschaltkreis zum Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät verbunden ist.
Verbundgassensor nach Anspruch 1, worin die Probengaskammer eine erste Kammer (101) und eine zweite Kammer (102) aufweist, die miteinander über einen Diffusionsdurchgang (104) in Verbindung stehen, der Probengaseinlaßdurchgang (110) direkt mit der ersten Kammer verbunden ist, die eine Pumpelektrode (219) der ersten Kammer zugewandt ist, die eine NOx-Meßelektrode (318) der zweiten Kammer zugewandt ist, und die eine Sauerstoffmeßelektrode (418) der zweiten Kammer zugewandt ist.
Verbundgassensor nach Anspruch 1 oder 2, der des weiteren aufweist: einen dritten Detektionsschaltkreis (43) einschließlich eines zweiten Spannungsmeßgerätes (431), das zwischen einer externen Elektrode (410), die der Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist, und der anderen Sauerstoffmeßelektrode (419), die der Referenzgaskammer zugewandt ist, geschaltet ist; und einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor (4), der mit dem dritten Detektionsschaltkreis zum Messen einer Sauerstoffkonzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Spannungsmeßgerät verbunden ist.
Verbundgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Probengaskammer und die Referenzgaskammer auf demselben Oberflächenniveau bereitgestellt sind.
Verbundgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die andere NOx-Meßelektrode und die andere Sauerstoffmeßelektrode eine gemeinsame Elektrode (519) sind, die der Referenzgaskammer zugewandt ist.
Verbundgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin der Probengaseinlaßdurchgang durch eine poröse Schicht (15) gebildet ist, die eine Porosität besitzt, die größer ist als jene der Festelektrolytsubstrate.
Verbundgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Pumpschaltkreis mit einem Impedanzdetektor (6) verbunden ist, der eine Impedanz der Pumpzelle detektiert, um eine Probengastemperatur zu messen.
Verbundgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der des weiteren eine Temperaturdetektionszelle (50) mit einem porösen Substrat (501), das auf der Pumpzelle bereitgestellt ist, und einem Widerstand (503), der auf einer äußeren Oberfläche des porösen Substrates bereitgestellt ist, zum Messen einer Probengastemperatur auf der Grundlage eines Widerstandswertes des Widerstandes aufweist.
Gaskonzentrationsmeßverfahren unter Verwendung eines Verbundgassensors insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gaskonzentrationsmeßverfahren die Schritte aufweist: Regeln der variablen elektrischen Stromquelle (229) des Pumpschaltkreises (22), um einen konstanten wert von dem ersten Spannungsmeßgerät (421) zu erzeugen; Messen der NOx-Konzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das erste Strommeßgerät (321); und Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch das zweite Strommeßgerät (221).
Gaskonzentrationsmeßverfahren nach Anspruch 9, das des weiteren den Schritt des Messens einer Sauerstoffkonzentration des Probengases auf der Grundlage einer Messung durch ein zweites Spannungsmeßgerät (431) aufweist, das zwischen der anderen Pumpelektrode (218), die der Außenseite des Verbundgassensors zugewandt ist, und der anderen Sauerstoffmeßelektrode (319), die der Referenzgaskammer (103) zugewandt ist, geschaltet ist.
Gaskonzentrationsmeßverfahren nach Anspruch 9 oder 10, das des weiteren den Schritt des Messens einer Probengastemperatur auf der Grundlage einer Messung durch einen Impedanzdetektor (6) aufweist, der mit dem Pumpschaltkreis zum Messen einer Impedanz der Pumpzelle verbunden ist.
Gaskonzentrationsmeßverfahren nach Anspruch 9 oder 10, das des weiteren den Schritt des Messens einer Probengastemperatur auf der Grundlage eines Widerstandswertes eines Widerstandes (503) in einer Temperaturdetektionszelle (50) aufweist, wobei der Widerstand an einer äußeren Oberfläche eines porösen Substrates (501) bereitgestellt ist, das auf der Pumpzelle bereitgestellt ist.