DE102018111329A1

DE102018111329A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102018111329A1
Application number: DE102018111329.3A
Authority: DE
Inventors: Junta Zushi; Makoto Ito
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2018-11-15
Also published as: CN108872345B; JP2018194341A; US20180328880A1; US11782016B2; JP6907687B2; CN108872345A

Abstract

Ein Gassensor (S), welcher eine Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, das in einem zu messenden Gas enthalten ist, ist mit einem Gassensorelement (1) vorgesehen. Das Gassensorelement (1) weist einen Ionen-leitfähigen Festelektrolytkörper (11), eine Messgas-Elektrode (2), welche auf einer Oberfläche (12) des Festelektrolytkörpers (11) montiert ist, eine Referenzgas-Elektrode (3), die auf einer Oberfläche (13) des Festelektrolytkörpers (11) montiert ist, und eine Katalysatorschicht (4), die bezüglich der Seite der Messgas-Elektrode auf einer Außenseite montiert ist, auf. Die Katalysatorschicht (4) enthält einen Metallkatalysator, der auf einen Träger aufgebracht ist. Der Metallkatalysator ist eine einzelne Substanz Pt und weist eine spezifische Oberflächenfläche auf, die durch die untenstehende Gleichung als gleich oder mehr als 0,01 bis gleich oder weniger als 23 definiert ist.Gleichung 1: Spezifische Oberflächenfläche = gesamte Oberflächenfläche eines Metallkatalysators, welcher auf einer Elektroden-Einheitsoberflächenfläche vorliegt/Ist-Oberflächenfläche einer Elektrode pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Gassensor für eine Maschine mit interner Verbrennung, zum Beispiel für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere wird ein Gassensor dazu verwendet, eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem zu messenden Gas zu erfassen.
Verwandter Stand der Technik
In jüngster Zeit achten Fahrzeughersteller darauf, effiziente Abgassysteme für Maschinen mit interner Verbrennung vorzusehen, deren Abgas, das aus der Maschine ausgestoßen wird, innerhalb von Emissionsregulierungen liegt. Abgassysteme, welche für Maschinen eingesetzt werden, die bei Fahrzeugen verwendet werden, sind jeweils mit einem Abgasreinigungssystem auf dem Abgassystem ausgestattet. Das Abgasreinigungssystem ist mit einem Katalysator zum Reinigen des Abgases und einem Gassensor, welcher zum Beispiel eine Sauerstoffkonzentration erfasst, die in dem Abgas enthalten ist, ausgestattet. Das Abgassystem ist dazu konfiguriert, auf Grundlage eines erfassten Ergebnisses von beispielsweise der Sauerstoffkonzentration einen Verbrennungszustand zu steuern und einen Katalysatorzustand zu überwachen. In diesem Fall wird ein Dreiwegekatalysator als der Katalysator bei dem Abgassystem verwendet, um effizient CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoffe) und NOx (Stickstoffoxide) zu reinigen, welche freigesetzt werden, wenn Kraftstoff bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbrannt wird, welches zum Beispiel nahe A/F=14,5 ist. Ein Gassensor des elektromotorischen Krafttyps (welcher ein Sauerstoffsensor ist) gibt allgemein ein Signal aus, welches einer Sauerstoffkonzentration bei einem späteren Zustand entspricht, nachdem das Abgas durch den Dreiwegekatalysator durchtritt.
Ein Prozesssystem überwacht nach der Reinigung des Abgases eine Zusammensetzung des Abgases, nachdem das Gas durch den Dreiwegekatalysator durchtritt, und steuert ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart, dass der Dreiwegekatalysator das Abgas in dessen optimalem Bereich reinigt. Wenn Kraftstoff sich in einem fetten Zustand des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses befindet, weist die Abgas-Zusammensetzung überschüssige CO und HC auf, und wenn der Kraftstoff sich in dessen mageren Zustand befindet, weist diese überschüssiges NOx auf. Wenn sich der Kraftstoff zum Beispiel zu entweder dem fetten Zustand oder dem mageren Zustand verändert, verändert sich auch die Zusammensetzung des Abgases, daher besteht eine erhöhte Nachfrage nach einem Gassensor, welcher dessen Veränderung genau erfassen kann.
Ein Gassensor, welcher für den vorstehend beschriebenen Zweck verwendet werden kann, ist allgemein mit einem Gassensorelement vorgesehen. Das Gassensorelement ist mit einem Festelektrolytkörper ausgestattet, der eine Oxidionen-Leitfähigkeit aufweist. Eine Elektrode, welche ein Messgas misst, ist auf einer ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen und eine Elektrode zum Messen eines Referenzgases ist auf einer zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen. Die Elektrode, die verwendet wird, um das Messgas zu messen, ist mit einer Elektroden-Schutzabdeckung abgedeckt.
Die Elektroden-Schutzschicht kann auch mit einer Katalysatorschicht vorgesehen sein, um eine Verschiebung bei einem Ausgang des Gassensorelements zu verhindern, welche durch eine Erzeugung von Wasserstoff, der im Abgas enthalten ist, verursacht wird. Zum Beispiel offenbart das japanische Patent mit der Nr. 3488818 B einen Sauerstoff-Gassensor, welcher mit einer porösen Überzugsschicht, welche eine Elektrode für ein Messgas abdeckt, und einer ersten Schutzschicht, die auf einer Außenseite der Überzugsschicht angeordnet ist, vorgesehen ist. Die erste Schutzschicht beinhaltet eine zweite Schutzschicht, welche entweder innerhalb oder zuoberst der ersten Schutzschicht vorgesehen ist. Die zweite Schutzschicht ist eine poröse Schicht, die mit einem Katalysator beladen bzw. auf die dieser aufgebracht ist. Dieser Katalysator steigert eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff.
Eine herkömmliche Katalysatorschicht ist mit einem Edelmetallkatalysator vorgesehen, der auf Trägerpartikeln aufgebracht ist. Die Edelmetallkatalysatoren sind Pt-Rh (zum Beispiel Pt:Rh=9:1), welche in Hinblick auf ihren Wärmewiderstand verwendet werden. Andererseits hat eine Verschärfung von Abgas-Emissionsregulierungen zu einer daraus folgenden Erhöhung der Anzahl an Verkehrsbereichen mit hoher Belastung und einer Tendenz zu erhöhten NOx-Emissionen in der Umwelt geführt. In Hinblick auf diese Probleme besteht eine Nachfrage nach einer störungsfreieren Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und einer verbesserten Steuerbarkeit von deren Feedback. Es wurde allerdings erkannt, dass der Sensorausgang an dem Umschaltpunkt ungenau war, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von einem fetten Kraftstoff-Zustand zu einem mageren Kraftstoff-Zustand umgeschaltet wurde. Das heißt, dass der Umschaltpunkt sich in diesem Fall zu der mageren Seite verschob, anstatt dass ein optimaler Reinigungsbereich für einen Gassensor mit einer herkömmlichen Katalysatorschicht ausgestattet war. Daher kann der Gassensor fehlerhafterweise bestimmen, dass dies ein fetter Kraftstoff-Zustand ist, und somit kann keine geeignete Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchgeführt werden, selbst wenn das Abgassystem innerhalb des optimalen Reinigungsbereichs liegt. Es besteht auch ein Problem, dass die NOx-Emissionsniveaus in Folge dessen weiter erhöht werden.
Kurzfassung
In Hinblick auf die Probleme, die hier vorstehend beschrieben werden, zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, einen Gassensor vorzusehen, der auf Grundlage des Sensorausgangs einen ungenauen Ausgang eines Gassensorelements unterdrücken, eine hohe Erfassungspräzision vorsehen und eine Verlässlichkeit des Sensors verbessern kann.
Ein Modus der vorliegenden Offenbarung ist ein Gassensor, der mit einem Gassensorelement (1) vorgesehen ist, das eine Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, das in einem Messgas enthalten ist, wobei das Gassensorelement mit einem Festelektrolytkörper (11) vorgesehen ist, der eine Oxidionen-Leitfähigkeit aufweist, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Oberfläche (12) und eine zweite Oberfläche (13) aufweist. Ebenfalls vorgesehen sind eine Messgas-Elektrode (2), die auf der ersten Oberfläche angeordnet ist, um zu dem Messgas freigelegt zu sein, und eine Referenzgas-Elektrode (3), die auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, um zu dem Referenzgas freigelegt zu sein. Das Gassensorelement ist ferner mit einer Katalysatorschicht (4) vorgesehen, welche einen Metallkatalysator enthält, der auf einen Träger aufgebracht ist. Die Katalysatorschicht weist eine Gasdurchlässigkeit auf und ist eher auf einer außenseitigen Position montiert als die Referenzgas-Elektrode.
Der Metallkatalysator ist eine einzelne Substanz und eine spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators beträgt 0,01 oder mehr und 23 oder weniger, und die spezifische Oberflächenfläche ist untenstehend in einer Gleichung 1 ausgedrückt.
Gleichung 1: Spezifische Oberflächenfläche = gesamte Oberflächenfläche eines Metallkatalysators, welcher auf einer Elektroden-Einheitsoberflächenfläche vorliegt/eine Ist-Elektroden-Oberflächenfläche pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche.
Effekte von Offenbarung 1
Das Gassensorelement gemäß der vorliegenden Offenbarung gibt eine elektromotorische Kraft aus, welche einer Differenz einer Sauerstoffkonzentration zwischen dem Messgas, welches die Messelektrode erreicht hat, und dem Referenzgas, welches mit der Referenzgas-Elektrode in Kontakt steht, entspricht. An diesem Punkt wird eine Durchdringungsmenge von NO verringert, wenn diese sich zu einer mageren Atmosphäre verändert, da der Metallkatalysator, der aus Pt-Rh besteht, der herkömmlichen Katalysatorschicht Adsorptionseinrichtungen für sowohl NO als auch CO aufweist. Das heißt, dass gilt, dass die Verringerung der Menge von NO, welches die Messgas-Elektrode erreicht, und eine Verringerung der Empfindlichkeit für NO verursachen, dass der Gassensor-Ausgang zu der mageren Seite verschoben wird. In dieser Hinsicht ist eine Adsorptionsrate von CO auf die Katalysatorschicht höher als NO, wenn der Metallkatalysator eine einzelne Substanz ist, womit das Verhältnis von NO/CO, welches durchtritt, um die Messgas-Elektrode zu erreichen, erhöht werden kann, und in Folge dessen wird ferner die NO-Empfindlichkeit gesteigert.
Dieser Effekt wird erhalten, wenn die gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators, welche mit dem Messgas in Kontakt kommt, bei der Elektroden-Flächeneinheit der Messgas-Elektrode ein konstantes Verhältnis oder größer als ein konstantes Verhältnis ist. Das heißt, dass die spezifische Oberflächenfläche, die bei der ersten Gleichung gezeigt wird, vorzugsweise gleich oder größer als 0,01 sowie gleich oder geringer als 23 ist, weshalb eine Verschlechterung der Empfindlichkeit für CO unterdrückbar ist, wenn zu einer fetten Atmosphäre umgeschaltet wird. Der Metallkatalysator liegt auf der Katalysatorschicht vor, welche bezüglich der Messgas-Elektrode weiter hin zu dessen Außenseite vorgesehen ist.
Wie vorstehend beschrieben wird gemäß diesem Modus eine Verschiebung des Ausgangs des Gassensorelements unterdrückt und es wird eine hohe Erfassungspräzision erzielt. Außerdem kann ein Gassensor, der mit einem Sensorausgang vorgesehen ist, der auf einer verbesserten Verlässlichkeit basiert, vorgesehen sein.
Es ist zu beachten, dass Symbole, die in den Ansprüchen und der Kurzfassung verwendet werden, gezeigt werden, um eine Entsprechung zwischen konfigurierenden Elementen und spezifizierten Mitteln von Ausführungsformen vorzusehen, die nachfolgend beschrieben werden, und diese beschränken einen technischen Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht.
Figurenliste
Es zeigt/es zeigen:

1 eine Querschnittsansicht einer vorderen Endsektion eines Gassensorelements in einer axialen Richtung als einen Hauptteil eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs der vorderen Endsektion des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform, der in 1 gezeigt wird.
3 eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform in der axialen Richtung zeigt.
4 eine schematische Gesamtansicht eines Abgasreinigungssystems, das bei dem Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
5 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Veränderung einer NO-Konzentration oder einer CO-Konzentration in einem Abgas bei einer stromabwärtigen Seite eines Katalysators, der auf dem Abgasreinigungssystem angeordnet ist, und einem Sensorausgang einer ersten Ausführungsform zeigt.
6 eine schematische Konfiguration, welche eine Katalysatorschicht des Gassensorelements und einen Adsorptionseffekt von NO und CO gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, die im Vergleich mit einer Katalysatorschicht eines herkömmlichen Gassensors beschrieben wird.
7 eine Beziehung zwischen einer Zusammensetzung eines Abgases, das in den Gassensor eingeführt wird, und dem Ausgang des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform.
8 eine beispielhafte Simulation einer Beziehung zwischen einem Fahrmuster eines Fahrzeugs, das mit einem Abgasreinigungssystem gemäß der ersten Ausführungsform ausgestattet ist, und der NO-Konzentration in dem Abgas.
9 eine schematische Ansicht, die einen Mechanismus einer mageren Verschiebung des Sensorausgangs des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform beschreibt.
10 eine Beziehung zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den Gassensor gemäß der ersten Ausführungsform eingeführt wird, und der NO-Konzentration und CO-Konzentration, die in dem Abgas enthalten ist.
11 eine schematische Ansicht einer Adsorptionsstelle auf einer Oberfläche von Pt, welche die Katalysatorschicht des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform konfiguriert.
12 eine Adsorptions-Energie-Beziehung, die NO und CO entspricht, welche in dem Abgas enthalten sind, gemäß der ersten Ausführungsform.
13 eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des Gassensors vergrößert zeigt, und die Katalysatorschicht, die ein Berechnungsverfahren einer spezifischen Oberflächenfläche der Katalysatorschicht des Gassensorelements gemäß einem ersten Beispiel anschaulich zeigt.
14 ein Diagramm, das ein rasterelektronenmikroskopisches Bild (das im Folgenden als SEM bezeichnet werden wird) einer Elektrodenoberfläche, die verwendet wird, um die spezifische Oberflächenfläche der Katalysatorschicht des Gassensorelements gemäß der ersten Ausführungsform zu berechnen, und ein binarisiertes Bild zeigt.
15 ein Umschaltsignal, das anschaulich ein Verfahren zur Auswertung einer Empfindlichkeit des Ausgangs des Gassensors und eine Beziehung zwischen dem Sensorausgang und der Gaskonzentration gemäß dem ersten Beispiel zeigt.
16 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der spezifischen Oberflächenfläche der Katalysatorschicht des Gassensors und einer NOx-Konzentration an einem λ-Umschaltpunkt gemäß dem ersten Beispiel zeigt.
17 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der spezifischen Oberflächenfläche der Katalysatorschicht des Gassensors gemäß dem ersten Beispiel und der NOx-Konzentration an dem λ-Punkt zeigt.
18 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der spezifischen Oberflächenfläche der Katalysatorschicht des Gassensors und der CO-Konzentration an dem λ-Punkt gemäß dem ersten Beispiel zeigt, wobei ein Pfeil A einen vergrößerten Teil von 17 anzeigt.
19 ein Umschaltsignal, das ein Auswertungsverfahren einer Ausgangs-Empfindlichkeit des Gassensors und eine Beziehung zwischen dem Sensorausgang und der Gaskonzentration gemäß einer zweiten Ausführungsform beschreibt.
20 eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel der vorderen Endsektion des Gassensorelements als den Hauptteil des Gassensors in der axialen Richtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
21 eine Querschnittsansicht eines Beispiels der vorderen Endsektion des Gassensorelements als ein Hauptteil des Gassensors gemäß einer dritten Ausführungsform in der axialen Richtung.
22 eine Querschnittsansicht eines Beispiels der vorderen Endsektion des Gassensorelements als den Hauptteil des Gassensors gemäß einer vierten Ausführungsform in der axialen Richtung.
23 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Sektion der vorderen Endsektion des Gassensorelements, eine vergrößerte Ansicht entlang eines Bereichs XXIII von 22 gemäß der vierten Ausführungsform.
24 eine Querschnittsansicht einer veranschaulichten Konfiguration der vorderen Endsektion des Gassensorelements als den Hauptteil des Gassensors gemäß einer fünften Ausführungsform in der axialen Richtung.
25 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der vorderen Endsektion des Gassensorelements gemäß der fünften Ausführungsform; und
26 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der vorderen Endsektion des Gassensorelements als den Hauptteil des Sensors gemäß einer sechsten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Offenbarung
Erste Ausführungsform
Nachfolgend werden Ausführungsformen des Gassensors der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Ein Gassensorelement 1, das in 1 und 2 gezeigt wird, konfiguriert einen Hauptteil des Gassensors S, der in 3 gezeigt wird. Der Gassensor S erfasst eine Konzentration eines spezifischen Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist.
Wie in 4 gezeigt wird, kann der Gassensor S zum Beispiel als ein Sauerstoffsensor oder ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor für ein Abgasreinigungssystem einer Maschine mit interner Verbrennung eines Fahrzeugs verwendet werden. Der Sauerstoffsensor erfasst eine Sauerstoffkonzentration als ein spezifisches Gas, das in einem Abgas enthalten ist, welches in der gesamten Beschreibung ein Messgas ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor erfasst ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (welches nachfolgend auch als A/F bezeichnet wird).
Wie in 1 und 2 gezeigt wird, ist ein Gassensor 1 mit einem Festelektrolytkörper 11, welcher eine Oxidionen-Leitfähigkeit aufweist, einer Elektrode 2, welche für ein Messgas verwendet wird, die auf einer ersten Oberfläche 12 des Festelektrolytkörpers 11 angeordnet ist, einer Elektrode 3, welche für ein Referenzgas verwendet wird, die auf einer zweiten Oberfläche 13 des Festelektrolytkörpers 11 angeordnet ist, und einer Katalysatorschicht 4 ausgestattet. Die entsprechenden ersten und zweiten Oberflächen 12 und 13 sind jeweils auf einer ersten Seite eines Messgases und einer zweiten Seite eines Referenzgases vorgesehen.
Es ist zu beachten, dass im Folgenden die Elektrode 2, die für das Messgas verwendet wird, als eine Messgas-Elektrode 2 bezeichnet werden wird, und die Elektrode, die für das Referenzgas verwendet wird, wird als eine Referenzgas-Elektrode 3 bezeichnet werden. Die Katalysatorschicht 4 ist bezüglich der Messgas-Elektrode 2, welche auf der ersten Oberfläche des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, weiter hin zu einer Außenseite des Gassensors S vorgesehen. Eine Elektroden-Schutzschicht 5 ist auf einer Außenoberfläche der Messgas-Elektrode 2 vorgesehen, und die Katalysatorschicht 4 deckt eine Außenoberfläche der Elektroden-Schutzabdeckung 5 ab. Ferner ist auf einer Außenoberfläche der Katalysatorschicht 4 eine Fangschicht 6 vorgesehen.
Eine vertikale Richtung eines Gassensorelements 1 wird als eine axiale Richtung X angegeben, und eine Referenzgaskammer 31 ist auf der Innenseite des Festelektrolytkörpers 11 vorgesehen. Eine stabförmige Heizvorrichtung 10 ist innerhalb der Referenzgaskammer 31 untergebracht.
Die Katalysatorschicht 4 ist eine gasdurchlässige Schicht, welche einen Metallkatalysator beinhaltet, der auf einen Träger aufgebracht ist. Der Metall-Katalysator, der auf dem Träger aufgebracht ist, ist Pt, welches eine einzelne Substanz ist. Der Metallkatalysator Pt ist derart ausgebildet, dass dieser eine spezifische Oberflächenfläche aufweist, die gleich oder mehr als 0,01 und gleich oder weniger als 23 beträgt, wie in der untenstehenden Gleichung gezeigt wird. Die spezifische Oberflächenfläche stellt ein Überschuss-Verhältnis des Metallkatalysators pro Elektrodeneinheit (zum Beispiel die Einheit: mm²/mm²) dar.
Gleichung 1: Spezifische Oberflächenfläche = gesamte Oberflächenfläche [mm²] eines Metallkatalysators, welcher auf einer Oberfläche einer Elektrodeneinheit vorliegt/eine Ist-Elektroden-Oberflächenfläche [mm²] pro Elektroden-Flächeneinheit.
Indem der Metallkatalysator Pt als eine einzelne Substanz vorgesehen wird, wird ein Adsorptionsverhältnis von CO in die Katalysatorschicht 4 erhöht, und ein Verhältnis von NO/CO, welches durch die Katalysatorschicht 4 durchdringt und die Messgas-Elektrode 2 erreicht, kann ebenfalls erhöht werden.
Um die vorstehend beschriebenen Effekte zu erhalten, ist die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators vorzugsweise gleich oder größer als 0,01, eine Empfindlichkeit von NO des Gassensorelements 1 wird somit erhöht und eine Unterdrückung einer Verschiebung des Sensorausgangs zu einer mageren Seite kann ebenfalls erzielt werden. Das Adsorptionsverhältnis von CO wird auch nicht exzessiv erhöht, falls der Metallkatalysator Pt eine spezifische Oberfläche aufweist, welche gleich oder geringer als 23 ist, und eine CO-Empfindlichkeit kann ebenfalls erhöht werden, wenn der Kraftstoff zu einem mageren Zustand umschaltet. Es gilt allgemein, dass die Verschiebung des Sensorausgangs zu der mageren Seite in der gesamten Beschreibung aufgrund von lediglich einer kleinen Menge von NOx vorliegt, welches durch die Katalysatorschicht 4 durchtritt, um die Messelektrode 2 zu erreichen.
Eine Konfiguration des Gassensorelements 1, welches die Katalysatorschicht 4 beinhaltet, wird nachfolgend beschrieben werden.
Wie in 3 gezeigt wird, ist der Gassensor S mit einem säulenförmigen Gehäuse H, dem Gassensorelement 1, welches innerhalb des Gehäuses H eingesetzt ist, um darin beibehalten zu werden, einer Elementabdeckung C1, die an einer vorderen Endseite angebracht ist, und einer Abdeckung C2 auf der atmosphärischen Seite, die an einer Basisendseite des Gehäuses H angebracht ist, vorgesehen. Eine Spitzenendseite des Gassensorelements 1 (genauer gesagt ein unterer Teil von 3) steht ausgehend von dem Gehäuse H hervor und wird innerhalb der Elementabdeckung C1 beibehalten. Ein Spitzenendabschnitt des Gassensorelements 1 ist ein Abschnitt, welcher ausgehend von dem Gehäuse H hervorsteht. Der Spitzenendabschnitt ist mit der Messgas-Elektrode 2 und der Referenzgas-Elektrode 3 vorgesehen und ist dazu konfiguriert, als ein Erfassungsabschnitt des Gassensorelements 1 zu fungieren.
Die Elementabdeckung C1 weist einen doppelten Boden auf, von welchen jeder im Wesentlichen eine Säulenform vorweist, der auf einer entsprechenden innenseitigen Abdeckung C11 und außenseitigen Abdeckung C12 konfiguriert ist. Die Elementabdeckung C1 ist derart angeordnet, dass diese den vorderen Endabschnitt des Gassensorelements 1 umgibt. Durchgangslöcher C13 und C14 sind Einlass-/Auslasslöcher des Abgases, welche auf einer bodenseitigen Oberfläche und einer Bodenoberfläche von jeweils der innenseitigen Abdeckung C11 und der außenseitigen Abdeckung C12 vorgesehen sind. Sobald das Abgas, welches durch die Durchgangslöcher C13 und C14 durchgetreten ist, eine Oberfläche des Gassensorelements 1 erreicht hat, wird das Abgas durch die Fangschicht 6 gefangen, welche die äußerste Schicht ist, und innerhalb des Gassensorelements 1 aufgenommen. Eine Basisendseite des Gassensorelements 1 (genauer gesagt ein oberer Teil von 3) ist dazu konfiguriert, sich ausgehend von dem Gehäuse H zu erstrecken und innerhalb der atmosphärischen Abdeckung C2 untergebracht zu sein. Auf der säulenförmigen Abdeckung C2 auf der Seite der Atmosphäre ist ein Durchgangsloch 21 als eine Öffnung für atmosphärische Luft vorgesehen. Die atmosphärische Luft ist das Referenzgas, welches darin eingeschlossen ist.
Eine Mehrzahl von Anschlussleitungen H1 und H2 sind mit einer (nicht näher dargestellten) externen Maschinen-Steuer-Sektion verbunden und werden auf einer offenen Sektion bei einem Basisende der Abdeckung C2 auf der Seite der Atmosphäre isoliert gehalten. Anschluss-Sektionen H11 und H21 sind auf einer Spitzenendseite der jeweiligen Anschlussleitungen H1 und H2 vorgesehen und elektrisch mit einer Elektroden-Anschluss-Sektion verbunden, welche in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Die Elektroden-Anschluss-Sektionen H11 und H21 sind bei dem Basisendteil des Gassensorelements 1 angeordnet. Die Elektroden-Anschluss-Sektion des Gassensorelements 1 verbindet durch ein Anschlussleitungs-Bauteil einen Spitzenendabschnitt der Messgas-Elektrode 2 und der Referenzgas-Elektrode. An diesem Punkt wird auf Grundlage einer Sauerstoffpartialdruck-Differenz zwischen der Messgas-Elektrode 2 und der Referenzgas-Elektrode 3 eine elektromotorische Kraft erzeugt. Ein Sensorsignal, das einer Sauerstoffkonzentration entspricht, die in dem Abgas enthalten ist, kann somit unter Verwendung der elektromotorischen Kraft erhalten werden.
Eine große radiale Mittelsektion wird auf einem Abschnitt des Gehäuses H gelagert, welches einen Niveauunterschied aufweist. Eine Pulversubstanz H3, welche hauptsächlich aus Talkum besteht, ist zwischen einer Außenoberfläche der radialen Mittelsektion und einer Innenoberfläche des Gehäuses H eingefüllt. Das Sensorelement 1 ist über ein säulenförmiges Isolationsbauteil H4 an der radialen Mittelsektion befestigt, indem eine dünne Sektion des Basisendes des Gehäuses H befestigt wird.
Der Gassensor S ist unter Verwendung von zum Beispiel einem Gewindebauteil, das auf einer Außenseite eines Spitzenendabschnitts des Gehäuses H vorgesehen ist, an einer Wand eines Abgasrohrs EX montiert, das in 4 gezeigt wird. Der Gassensor S konfiguriert einen Teil des Abgasreinigungssystems. Die Fahrzeugmaschine E ist zum Beispiel eine Benzinmaschine, und ein Katalysator 100, welcher verwendet wird, um Abgas zu reinigen, ist auf dem Abgasrohr EX angeordnet, das stromabwärts der Maschine positioniert ist. Der Katalysator 100 ist zum Beispiel ein bekannter Dreiwegekatalysator, und der Sauerstoffsensor S1 und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor S2 sind jeweils derart montiert, dass diese stromabwärts und stromaufwärts des Katalysators 100 positioniert sind.
Erfassungsergebnisse des Sauerstoffsensors S1 und des Luft-Kraftstoff-VerhältnisSensors S2 werden an den Maschinen-Controller ausgegeben, welcher in den Diagrammen nicht näher dargestellt ist. Der Maschinen-Controller steuert eine Verbrennung in einer Brennkammer derart, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Beispiel ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis nahe A/F = 14,5 ist.
Nun wird ein Fall beschrieben werden, bei welchem der Gassensor S als ein Sauerstoffsensor verwendet wird. Nachdem das Abgas durch den Katalysator 100 gereinigt wird, erreicht nachbehandeltes Abgas den Sauerstoffsensor S1, welcher sich stromabwärts des Katalysators 100 befindet. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zum Beispiel zu dem mageren Kraftstoff-Zustand umgeschaltet wird, wird NO, das in dem Abgas ausgehend vom mageren Kraftstoff reichlich vorhanden ist, stromabwärts des Katalysators 100 ausgestoßen und die NO-Konzentration erhöht, wie in 5 gezeigt wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis andererseits zu dem fetten Zustand umgeschaltet wird, wird CO, das in dem Abgas ausgehend vom fetten Kraftstoff reichlich vorhanden ist, stromabwärts des Katalysators 100 ausgestoßen und die CO-Konzentration erhöht.
Der Maschinen-Controller steuert auf Grundlage von erfassten Ergebnissen der NO- und CO-Konzentrationen ein Feedback eines Verbrennungs-Pumpvolumens ausgehend von dem Injektor I, der in 4 gezeigt wird. Im Ergebnis ist der Sauerstoffsensor S1 erforderlich, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist, wenn das A/F-Verhältnis zu entweder dem mageren Zustand oder dem fetten Zustand umgeschaltet wird.
Wie in 1 gezeigt wird, ist das Gassensorelement 1 des vorliegenden Modus als ein becherförmiges Element konfiguriert, welches den Festelektrolytkörper 11 beinhaltet, der in einer hohlen Becherform ausgebildet ist, die mit einem Boden vorgesehen ist. Der Elektrolytkörper 11 ist aus einem Festelektrolyt-Material mit Zirconiumdioxid ausgebildet, welches als eine Hauptkomponente zum Beispiel Zirconiumdioxid (genauer gesagt ZrO₂) aufweist. Die Messgas-Elektrode 2 ist auf der außenseitigen Oberfläche ausgebildet, die namentlich die Oberfläche 12 ist, und die Referenzgas-Elektrode 3, die der Messgas-Elektrode 2 gegenüberliegt, ist auf einer innenseitigen Oberfläche ausgebildet, die namentlich die Oberfläche 13 ist. Es ist zu beachten, dass die Außenoberfläche und die Innenoberfläche Oberflächen auf jeweils einer Außenseite bzw. Innenseite des Festelektrolytkörpers 11 bezeichnen. Ein innerer Raum des Elektrolytkörpers 11, der die Referenzgaskammer 31 ausbildet, ist mit einem inneren Raum der Abdeckung 2 auf der Seite der Atmosphäre verbunden, welche auf der Basisendseite des Gassensorelements 1 vorgesehen ist. Ein teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid, welches einen Yttriumoxid-Stabilisator aufweist, der zum Beispiel zu Zirconiumdioxid hinzugegeben wird, kann als das Festelektrolyt-Material mit Zirconiumdioxid verwendet werden.
Die Messgas-Elektrode 2 und die Referenzgas-Elektrode 3 sind gasdurchlässige Elektroden, die aus Elektroden-Materialien konfiguriert sind, die zum Beispiel Edelmetallelemente beinhalten. Es wird bevorzugt Platin (Pt) als ein Edelmetallelement verwendet. Zusätzlich kann auch Pt verwendet werden, welches kleine Mengen von zumindest einem ausgewählt aus Pd (Palladium), Rh (Rhodium) und Au (Gold) aufweist, die zu diesem hinzugegeben werden. Die Außenoberfläche der Messgas-Elektrode 2 wird durch die Elektroden-Schutzabdeckung 5 abgedeckt, welche eine poröse Schicht ist. Eine poröse Keramikschicht, die aus einer Oxidverbindung oder einem Oxid besteht, welches zum Beispiel Magnesium (Mg), Aluminium (Al) und Thallium (Ti) enthält, kann als die Elektroden-Schutzschicht 5 verwendet werden. Genauer gesagt kann die Elektroden-Schutzschicht zum Beispiel aus Magnesium-Aluminiumoxid-Spinell (MgO·Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂) und Aluminiumoxid (AlO₂) konfiguriert sein.
Die Außenoberfläche der Elektroden-Schutzschicht 5 ist durch die Katalysatorschicht 4 abgedeckt und es wird Abgas eingeführt, welches durch die Fangschicht 6 durchtritt, die auf der Außenseite der Katalysatorschicht 4 vorgesehen ist. Die Fangschicht 6 fängt toxische Substanzen ein, die in dem Abgas enthalten sind, und ist aus einer porösen Keramikschicht konfiguriert, die zum Beispiel aus γ-Aluminiumoxid besteht.
Die Katalysatorschicht 4 wird aus einer großen Anzahl von Katalysatorpartikeln 43 konfiguriert, welche zusammengesetzt werden, wie in 6 gezeigt wird. Die Katalysatorpartikel 43 sind die Pt-Partikel 42, die auf porösen Trägerpartikeln 41 aufgebracht sind. Die Trägerpartikel 41 können als poröse Keramikschichten konfiguriert sein, die zum Beispiel aus Aluminiumoxid bestehen. Das heißt, dass zum Beispiel θ-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid und α-Aluminiumoxid verwendet werden können, allerdings wird vorzugsweise θ-Aluminiumoxid verwendet, da eine Ausgangs-Variation, welche durch eine Verschlechterung, beispielsweise aufgrund einer Langzeit-Verwendung, verursacht wird, effektiv unterdrückt wird.
Die Katalysatorschicht 4 weist derart eine Permeabilität auf, dass das Abgas durch Spalte durchtritt, welche zwischen den Katalysatorpartikeln 43 ausgebildet sind, und das NO und CO, welches in dem Abgas enthalten ist, wird durch Kontakt des Abgases mit Pt-Partikeln auf einer Oberfläche der Trägerpartikel 41 teilweise adsorbiert. An diesem Punkt ist der Metallkatalysator, der auf die Katalysatorpartikel 43 aufgebracht wird, eine einzelne Substanz Pt und weist keine andere Metallkatalysator-Komponente auf, die darin enthalten ist. Falls der Metallkatalysator als eine einzelne Substanz Pt vorgesehen ist, besteht eine Differenz bzw. ein Unterschied zwischen der Adsorption von NO und CO, das heißt, NO durchdringt durch die Katalysatorpartikel 43, wohingegen CO größtenteils auf die Katalysatorpartikel 43 adsorbiert wird. Auf diese Weise erhöht das Priorisieren einer CO-Adsorption das NO/CO-Verhältnis. Genauer gesagt wird das NO/CO-Verhältnis, das durch die Katalysatorschicht 4 durchdringt, erhöht, womit das Niveau von NOx, das die Messgas-Elektrode 2 erreicht, ebenfalls erhöht ist, und die NOx-Empfindlichkeit kann ebenfalls gesteigert werden.
Im Gegensatz dazu wird mit einer herkömmlichen Katalysatorschicht 40, die in 6 gezeigt wird, falls eine Anordnung von Katalysatorpartikeln 45, welche zusätzlich zu Pt-Partikeln 42 Rh- (Rhodium) Partikel 44 als einen Metallkatalysator, der darauf aufgebracht ist, aufweist, für sowohl NO als auch CO eine Adsorption erleichtert, weshalb nicht nur CO, sondern auch NOx adsorbiert wird, weshalb NO im Ergebnis mit Schwierigkeiten durch die Katalysatorschicht 40 durchdringt. In diesem Fall gilt, dass die Empfindlichkeit für NO verringert wird, da das NO/CO-Verhältnis, das die Messgas-Elektrode 2 erreicht, niedrig ist.
Als nächstes wird eine Beziehung zwischen der Abnahme bzw. Verringerung einer NO-Empfindlichkeit und dem Ausgang des Gassensorelements 1 beschrieben werden. Wie in 7 gezeigt wird, ist der Sensorausgang des Gassensorelements 1 theoretisch höher als eine Spannung, welche in dem fetten Zustand einer Verbrennung bestimmt wird, und niedriger als eine Spannung, welche in dem mageren Zustand einer Verbrennung bestimmt wird. Der Sensorausgang weist ebenfalls ein Merkmal auf, das sich bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F = 14,5) plötzlich verändert (wie insbesondere mit der gestrichelten Linie in dem Graphen gezeigt wird, der in 7 gezeigt wird). Dies liegt an einer Optimierung einer Reinigungsperformance von NO und CO, welche nahe an dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch den Dreiwegekatalysator durchgeführt wird. Falls der optimale Reinigungsbereich allerdings verfehlt wird, werden in Folge dessen zum Beispiel Emissionsniveaus von CO auf der Seite der fetten Verbrennung erhöht und die Emissionsniveaus von NO auf der Seite der mageren Verbrennung werden erhöht.
Das Abgasreinigungssystem, das in 4 gezeigt wird, verwendet diese Theorie als ein Anzeichen, das Feedback des A/F-Verhältnisses durchzuführen. Genauer gesagt führt das Abgasreinigungssystem eine Feedback- bzw. Rückkopplungssteuerung derart durch, dass magerer Kraftstoff durchgeführt wird, falls der Ausgang des Gassensorelements 1 anzeigt, dass das A/F-Verhältnis sich in dem fetten Kraftstoff-Zustand befindet. Im Gegensatz dazu wird das A/F-Verhältnis-Feedback anschließend zu dem fetten Kraftstoff-Zustand gesteuert, falls der Gassensor-Ausgang den mageren Kraftstoff-Zustand anzeigt.
Allerdings weisen NOx-Emissionsniveaus aufgrund der Umsetzung neuer Regulierungen für Abgas, die bei dem Fahrmuster von 8 veranschaulicht werden, eine Tendenz dazu auf, mit einer Zunahme bzw. Erhöhung einer Anzahl von Verkehrsbereichen mit mittlerer und hoher Belastung zuzunehmen. Es wurde erkannt, dass der Sensorausgang allmählich verringert wird, wie mit einer durchgehenden Linie in 7 gezeigt wird, wenn das Gassensorelement mit der herkömmlichen Schicht 40 ausgestattet war. In diesem Fall zeigt der Ausgang ausgehend von dem Gassensorelement 1 einen fetten Kraftstoff-Zustand an, wenn das A/F-Verhältnis sich tatsächlich in dem mageren Kraftstoff-Zustand befindet, wenn sich ein A/F-Verhältnis von dem fetten Kraftstoff zu dem mageren Kraftstoff verändert, da ein Umschaltpunkt (nachfolgend als ein λ-Punkt des Sensorausgangs definiert) sich von dem optimalen Reinigungsbereich zu dessen magerem Kraftstoff-Zustand verschiebt. In diesem Fall werden Emissionsniveaus von NOx in Folge dessen erhöht, womit sich deren Steuerbarkeit verschlechtert, falls die Rückkopplungssteuerung derart durchgeführt wird, dass das A/F-Verhältnis sich auf Grundlage des bestimmten Ausgangs des Gassensorelements 1 in dem mageren Zustand befindet.
Wie in 9 gezeigt wird, können die Emissionsniveaus von NOx weiter erhöht werden, wenn die Messgas-Elektrode 2 hauptsächlich aus Pt besteht. Wie in 10 gezeigt wird, weist die Zusammensetzung des Abgases auf der stromabwärtigen Seite des Dreiwegekatalysators zum Beispiel einen kombinierten Überschuss von CO und NO auf, wenn das A/F in den Verkehrsbereichen mit mittlerer bis hoher Belastung nahe 14,5 ist. Im Gegensatz dazu tritt die Adsorption von CO und NO auf einer Pt- (111) Oberfläche auf einer oberseitigen Stelle auf, welche auf einer hohlen Stelle einer sechseckigen, dicht gepackten Struktur (hcp) und auf einer hohlen Stelle einer flächenzentrierten kubischen Form fcc direkt zuoberst der Oberfläche (oberhalb) vorliegt, wie in 11 und 12 gezeigt wird. Genauer gesagt tritt die Adsorption von CO und NO auf einer beliebigen der vorstehend dargelegten Stellen auf der Oberfläche von Pt auf. An diesem Punkt wird sich eine Adsorptions-Energie abhängig von einer Art von Gas und der Stelle, in welche das CO und NO adsorbiert werden, unterscheiden. Allerdings wird aufgrund der Adsorptions-Energie jede der Stellen stabil werden, da ein Wert einer Energie einen negativen Wert beträgt (genauer gesagt eine Wärmeerzeugungsreaktion). Insbesondere ist auf der oberseitigen Stelle die Differenz der Adsorptions-Energie zwischen CO und NO groß, und da ein absoluter Wert der adsorbierten Energie von CO größer als NO ist, wird die Adsorption von CO priorisiert.
In dieser Hinsicht wird die Adsorption von CO auf der Oberfläche von Pt der Messgas-Elektrode aufgrund der Differenz hinsichtlich der adsorbierten Energie selbst in einer Situation priorisiert (vergleiche eine mittlere Zeichnung von 9), in welcher in dem Abgas, welches in die Messgas-Elektrode eingeführt wird (vergleiche eine linke Zeichnung von 9), die gleiche Menge von CO und NO enthalten ist. Wenn die Zusammensetzung des Abgases nahe an dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, treten auf der Messgas-Elektrode 2 die folgenden Reaktionen (1) und (2) auf, die untenstehend gezeigt werden. Falls ein CO-Überschuss vorliegt, wird ein Ausgang produziert, der den fetten Kraftstoff anzeigt, und im Gegensatz dazu wird ein magerer Ausgang produziert, der den mageren Zustand anzeigt, wenn ein NO-Überschuss vorliegt. Fett (Pt): CO ad + O ad→CO2 (1) Mager (Pt): NO ad +→N2+O ad (2)
Im Ergebnis gibt das Gassensorelement 1 einen Wert aus, der einen fetten Kraftstoff anzeigt, wie in der Zeichnung auf der rechten Seite von 9 gezeigt wird, falls die Adsorption von CO auf Pt priorisiert wird, und daher war ein Auftreten des Punkts γ, der sich zu der mageren Seite verschiebt, ein Problem bei der herkömmlichen Katalysatorschicht.
Gemäß dem vorliegenden Modus wird die Katalysatorschicht 4, welche bezüglich der Messgas-Elektrode 2 auf der Außenseite vorgesehen ist, unter Verwendung der einzelnen Substanz Pt ausgebildet, daher ist die Empfindlichkeit des Sensors für NO gesteigert. So wie die herkömmliche Katalysatorschicht 40 Edelmetalle, wie beispielsweise Rh und Pd enthält, welche hohe Adsorptionsfunktionen für NO aufweisen, wie vorstehend beschrieben, kann die Adsorption von lediglich CO nicht verwirklicht werden. Allerdings kann eine Teiladsorption von nur CO erzielt werden, indem die Katalysatorschicht 4 mit der einzelnen Substanz Pt ausgebildet wird. Außerdem wird die Menge an CO, das die Messgas-Elektrode 2 erreicht, verringert, und durch Erhöhen der relativen Menge an NO kann die Verschiebung des λ-Punkts von dem optimalen Reinigungsbereich zu dem mageren Zustand unterdrückt werden.
Wie in 13 gezeigt wird, ist die Katalysatorschicht 4 über die Elektroden-Schutzschicht 5 zuoberst der Oberfläche der Messgas-Elektrode 2 angeordnet. Die Adsorption von CO verändert sich gemäß einer Menge der Pt-Partikel 42, die in der Katalysatorschicht 4 enthalten sind. Genauer gesagt wird es umso einfacher, dass das CO, das in dem Abgas enthalten ist, Kontakt mit den Pt-Partikeln herstellt, je größer die gesamte Oberflächenfläche der Pt-Partikel 42 ist, und die Adsorptionsfähigkeit von CO (welche nachfolgend als CO-Adsorptionsfähigkeit bezeichnet wird) wird erhöht. Die Pt-Partikel 42 liegen zuoberst einer Einheitsoberflächenfläche der Messgas-Elektrode 2 vor (vergleiche das vergrößerte Diagramm in 13). Wie in einer Gleichung in 13 (genauer gesagt Gleichung 1) gezeigt wird, ist die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators der Katalysatorschicht 4 wie folgt definiert; ein Anteil der gesamten Oberflächenfläche der Pt-Partikel 42, die in der Katalysatorschicht 4 enthalten sind, welche zuoberst der Elektroden-Einheitsoberflächenfläche vorliegt, welche relativ zu der Ist-Elektroden-Oberflächenfläche pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche ist. Der Bereich der spezifischen Oberflächenfläche ist derart konfiguriert, dass dieser 0,01 oder mehr und 23 oder weniger beträgt.
Die Ist-Elektroden-Oberflächenfläche ist bei der Einheitsoberflächenfläche 21 eine Elektroden-Oberflächenfläche, auf welcher der Metallkatalysator tatsächlich vorliegt. Bei der Messgas-Elektrode 2 liegt ein Hohlraum (winzige Poren) vor. Da der Metallkatalysator nicht auf den Leerteilen ausgebildet ist, ist die Ist-Oberflächenfläche pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche die Oberflächenfläche der Elektrode mit den Leerteilen, welche die winzigen Poren sind, die davon subtrahiert werden, pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche. Eine Berechnung kann zum Beispiel unter Verwendung von rasterelektronenmikroskopischen Bildern (SEM) durchgeführt werden. Die gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist eine Summierung der Oberflächenfläche von Pt-Partikeln 42 im obersten Teil der Einheitsoberflächenfläche 21. Die gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators, der auf der Elektroden-Einheitsoberflächenfläche vorliegt, wird erhalten, indem die Oberflächenfläche für einen Einzel-Metallkatalysator für alle Metallkatalysatoren auf der Elektroden-Einheitsoberflächenfläche berechnet wird. Es kann eine beliebige der Berechnungsgleichungen (A) bis (C) verwendet werden, um die gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators zu definieren. $\begin{array}{l} (A) {[1 \times Schichtdicke einer Katalysatorschicht \times (1 - Porosität einer Katalysator- \\ schicht) \times Trägerdichte \times Anteil an aufgebrachten Pt-Partikeln (Massengewicht %)] / \\ Massengewicht pro 1 Pt-Partikel} \times Oberflächenfläche pro 1 Pt-Partikel . \end{array}$
$\begin{array}{l} (B) dispergierte Menge eines Katalysators ({Anzahl/m}^{2}) pro Elektroden-Einheits- \\ oberflächenfläche \times Oberflächenfläche pro einem1 Pt-Partikel . \end{array}$
$\begin{array}{l} (C) [dispergierte Menge eines Katalysators ({Massengewicht/m}^{2}) pro Elektroden- \\ Einheitsoberflächenfläche/Massengewicht pro 1 Pt-Partikel] \times Oberflächenfläche pro 1 \\ Pt-Partikel . \end{array}$
Auf diese Weise wird die definierte spezifische Oberflächenfläche nicht durch beispielsweise die Dicke der Katalysatorschicht 4 oder eine Größe der Katalysatorpartikel 43 beeinflusst und kann auch als ein Indikator verwendet werden, der die Adsorptionsfähigkeit von CO ausdrückt. Zusätzlich ist die NOx-Empfindlichkeit gesteigert und ein Unterdrückungseffekt der Verschiebung des Sensorausgangs wird ebenfalls erhalten, indem die spezifische Oberflächenfläche innerhalb des hier vorstehend beschriebenen Bereichs liegt, falls die Katalysatorschicht 4 Pt-Partikel 42 enthält.
Die Katalysatorschicht 4 weist vorzugsweise eine Porosität zwischen 20 und 60 % auf. Falls die Porosität weniger als 20 % beträgt, nimmt eine Diffusionsrate von Gas ab, womit eine Reaktion des Sensors in einfacher Weise verringert wird. Im Gegensatz dazu treten große Volumen von Gas durch den Katalysatorfilter 4 und die Pt-Partikel sind zu diesen großen Mengen freigelegt, falls die Porosität größer als 60 % ist. Als eine Konsequenz schreiten eine Aggregation und Transpiration des Metallkatalysators auf den Trägerpartikeln rasch fort, und die Adsorptionsfähigkeit von CO kann in Folge dessen abnehmen. Falls die Katalysatorschicht 4 allerdings derart ausgebildet ist, dass die Porosität zwischen 20 und 60 % der Sensorreaktion beträgt, wird die Sensorreaktion wie gewünscht beibehalten und die Ausgangs-Variation des Sensors kann ebenfalls verhindert werden.
Die Katalysatorschicht 4 weist eine Dicke auf, welche vorzugsweise zwischen 10 µm und 60 µm beträgt. Falls die Dicke allerdings dünner als 10 µm ist, kann eine ausreichende spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators nicht erzielt werden, und eine Steigerung der NOx-Empfindlichkeit kann ebenfalls nicht verwirklicht werden. Im Gegensatz dazu besteht ein Problem darin, dass die Reaktion des Sensors sich aufgrund einer längeren Dispersionsdauer von NO und CO innerhalb der Katalysatorschicht 4 verschlechtern wird, fall die Dicke der Katalysatorschicht 4 größer als 60 µm ist. Indem die Schichtdicke zwischen 10 µm und 60 µm vorgesehen wird, wird daher deren ausreichende spezifische Oberflächenfläche sichergestellt, die NOx-Empfindlichkeit gesteigert und eine beibehaltene Ansprechempfindlichkeit des Sensors kann ebenfalls zu der gleichen Zeit erhalten werden. Da die Dicke 10 µm oder mehr beträgt, kann in einfacher Weise eine gleichmäßige Dicke der Katalysatorschicht 4 erzielt werden, und es können zum Beispiel eine Verformung oder Beschädigung, Fehlausrichtung, Bewegung oder Reißen der Katalysatorschicht 4 verhindert werden.
Die Katalysatorschicht 4 ist derart konfiguriert, dass diese ein Katalysator-Beladungs-Verhältnis aufweist, das vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 3 % Massengewicht liegt. Das Katalysator-Beladungs-Verhältnis ist der Massengewichts-Anteil des Metallkatalysators (genauer gesagt Pt), der in der Katalysatorschicht 4 enthalten ist, relativ zu einem gesamten Massengewicht der Katalysatorschicht. Bei mageren Kraftstoff-Umgebungen mit hoher Temperatur tritt eine Transpiration von Pt-Partikeln auf, und bei reichen Kraftstoff-Umgebungen mit hoher Temperatur schreitet die Aggregation der Pt-Partikel fort. Falls das Katalysator-Beladungs-Verhältnis kleiner als 0,1 % Massengewicht ist, verschlechtert sich daher anschließend die CO-Adsorptionsfähigkeit der Katalysatorschicht 4, und es besteht ein Problem, dass die NOx-Empfindlichkeit in Folge der Transpiration und/oder Aggregation des Metallkatalysators ebenfalls abnehmen kann. Falls ein Katalysator derart aufgebracht ist, dass dieser höher als 3 % Massengewicht ist, schreitet die Aggregation des Metallkatalysators unter fetten Umgebungsbedingungen außerdem in einfacher Weise fort, da ein Abstand zwischen den Metallkatalysator-Abschnitten unzureichend ist. Indem der Katalysator-Beladungs-Anteil zwischen 0,1 und 3 % Massengewicht vorgesehen wird, wird somit entweder eine Transpiration oder Aggregation des Metallkatalysators unterdrückt, welche die Verringerung der CO-Adsorption verursacht, und eine Ausgangs-Variabilität des Sensors wird verhindert. Zudem kann eine gesteigerte Haltbarkeit des Sensors erzielt werden.
Die Katalysatorpartikel 43, welche die Katalysatorschicht 4 ausbilden, sind derart konfiguriert, dass diese einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweisen, der vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 0,8 µm beträgt. Falls zum Beispiel der durchschnittliche Partikeldurchmesser kleiner als 0,1 µm ist, bewegen sich die Pt-Partikel 43 in einfacher Weise und eine Aggregation schreitet ebenfalls in einfacher Weise unter hohen Temperaturbedingungen fort. Im Gegensatz dazu wird kein ausreichender Abstand zwischen den Partikeln sichergestellt und eine Aggregation der Katalysatorpartikel schreitet bei hohen Temperaturen in einfacher Weise fort, falls der durchschnittliche Partikeldurchmesser größer als 0,8 µm ist. Daher wird ein Fortschritt der Aggregation der Partikel unterdrückt, eine Ausgangs-Variation aufgrund einer Verringerung der CO-Adsorption verhindert und eine Haltbarkeit des Sensors kann gesteigert werden, falls die durchschnittliche Partikelgröße der Katalysatorpartikel zwischen 0,1 µm und 0,8 µm beträgt.
Die Elektroden-Schutzschicht 5 weist vorzugsweise eine Dicke von 60 µm oder mehr auf. Im Ergebnis wird das Freiliegen der Messgas-Elektrode 2 zu dem Gas mit hoher Temperatur verhindert, womit eine Aggregation und Transpiration von Edelmetallen, welche die Messgas-Elektrode 2 ausbilden, verhindert wird. Im Ergebnis können die Variationskennlinien aufgrund einer Verschlechterung der Messgas-Elektrode 2 unterdrückt werden.
Die Porosität der Elektroden-Schutzabdeckung 5 ist vorzugsweise niedriger als die Porosität der Katalysatorschicht 4. Im Ergebnis verbleibt das Messgas in einfacher Weise innerhalb der Katalysatorschicht 4 und die Empfindlichkeit von NOx kann gesteigert werden, so wie CO ausreichend durch die Katalysatorschicht 4 adsorbiert wird.
Erstes Beispiel
Als nächstes wurde das Gassensorelement 1, das mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration vorgesehen ist, konstruiert und zur Auswertung als ein Gassensor verwendet. Die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators auf der Katalysatorschicht 4 wurde bestätigt. Das Gassensorelement 1 ist aus dem Festelektrolytkörper-Bauteil 11 konfiguriert, welches erhalten wird, indem teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid in eine Becherform ausgebildet und dieses gesintert wird. Die Messgas-Elektrode 2, die aus Pt besteht, ist auf einer Außenoberfläche des Festelektrolytkörpers 11 ausgebildet und die Elektroden-Schutzschicht 5, welche aus MgO Al₂O-Spinell besteht, ist unter Verwendung von Plasmapulverspritzen auf der Außenseite der Messgas-Elektrode 2 angeordnet. Die Referenzgas-Elektrode 3, die aus einer Pt-Elektrode gebildet ist, wurde auf einer Innenoberfläche des Festelektrolytkörpers 11 ausgebildet. Zusätzlich ist die Katalysatorschicht 4 dazu konfiguriert, die Elektroden-Schutzschicht 5 abzudecken, und die Fangschicht 6, die aus γ-Aluminiumoxid besteht, ist derart angeordnet, dass diese die Katalysatorschicht 4 abdeckt.
Die Katalysatorschicht 4 wurde durch 0-Aluminiumoxid-Partikel ausgebildet, zu denen Pt hinzugegeben wurde. Der Pt-Partikel 42 wurde auf den Trägerpartikel 41 aufgebracht und dieser wurde als der Katalysatorpartikel 43 vorgesehen. Der Festelektrolytkörper 11, der mit der Elektroden-Schutzschicht vorgesehen ist, die darauf ausgebildet ist, wurde anschließend in eine im Wasser aufgelöste Katalysatorlösung eingetaucht, welche die Katalysatorpartikel 43 enthielt, und anschließend bei einer hohen Temperatur (zum Beispiel 1000 °C oder höher) mit Wärme behandelt, wodurch die Katalysatorschicht 4 ausgebildet wird.
Das Gassensorelement 1 war innerhalb des Gehäuses H untergebracht und die Elementabdeckung C1 und eine atmosphärische Abdeckung C2 waren daran montiert. Das konfigurierte Gassensorelement 1 wurde verwendet, um Effekte auf die Ausgangs-Empfindlichkeit des Gassensors S zu untersuchen, und auf Grundlage der Gleichung 1 wurde die jeweilige Oberflächenfläche verändert. An diesem Punkt wurde zum Beispiel die gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators in der Gleichung 1 verändert, indem eine Schichtdicke, eine Porosität und ein Beladungs-Anteil der Pt-Partikel des Katalysators 4 in der Berechnungsgleichung (A) verändert werden. Die Dicke der Katalysatorschicht 4 wurde abgestimmt, indem eine Eintauchbehandlungsbedingung der Katalysator-Wasser-Lösung verändert wurde, und deren Porosität wurde abgestimmt, indem der Partikeldurchmesser der 0-Aluminiumoxid-Partikel verändert wurde. Somit wurde die spezifische Oberflächenfläche des Gassensorelements 1 erhalten, die in einem Bereich von 0 mm²/mm² bis 30 mm²/mm² abgestimmt wird.
Die Ist-Oberflächenfläche der Elektrode pro Elektroden-Einheitsoberflächenfläche ist die Oberfläche der Messgas-Elektrode 2, wobei die Leerflächen der Elektroden-Einheitsoberflächenfläche von dieser entfernt wurden. Das heißt, dass die Ist-Oberflächenfläche gemäß den Schritten (1) bis (3) berechnet wurde, die untenstehend beschrieben werden.

(1) Das SEM-Bild der Messgas-Elektrode 2 wird erhalten (zum Beispiel ist das SEM-Bild, welches auf einer linken Seite von 14 gezeigt wird, um das 4000-fache vergrößert).
(2) Es wird unter Verwendung von Bildanalyse-Software eine Binarisierung des SEM-Bildes der Messgas-Elektrode durchgeführt, und es wird ein binarisiertes Bild (wie zum Beispiel in einem Bild auf der rechten Seite von 14 gezeigt wird) verwendet, um die Oberflächenfläche der Elektrode mit den Nestsektionen zu berechnen, die davon abgezogen werden.
(3) Die Elektroden-Oberflächenfläche, die in (3) und (2) berechnet wird, wird pro Einheitsoberflächenfläche neu berechnet, und dieser Wert wird als die Ist-Elektroden-oberflächenfläche vorgesehen.

Die Ausgangs-Empfindlichkeit des Gassensors S wurde unter Verwendung einer Testmaschine ausgewertet, welche als äquivalent zu dem Abgasreinigungssystem gilt, das in 4 gezeigt wird. Der Gassensor S war auf der stromabwärtigen Seite des Katalysators 100 montiert, der auf dem Abgasrohr EX angeordnet war, und ein Testgas, das NOx und CO enthält, wurde in dieses eingeführt. Wie in 15 gezeigt wird, wurde ein A/F-Verhältnis des Testgases, das eingeführt wurde, kontinuierlich umgeschaltet (zum Beispiel: A/F 14 bis 15) und die NO-Konzentration oder die CO-Konzentration wurde ausgewertet, wenn der Sensorausgang die bestimmte Spannung erreichte. Bedingungen der Auswertung werden untenstehend gezeigt.

Anzahl an Maschinenumdrehungen: 3000 rpm (engl. revolutions per minute; Umdrehungen pro Minute)
Abgasvolumen: 2,5 L
Betrag eines Luft-Kraftstoff-Eingangs: 25 g / Sekunde

Wie in 16 gezeigt wird, nimmt die NOx-Konzentration an dem λ-Punkt bei einem Anstieg bzw. Erhöhung der spezifischen Oberflächenfläche plötzlich ab, wenn der Kraftstoff von dem fetten Zustand zu dem mageren Zustand umschaltet. Wie in 17 gezeigt wird, ist bei einer spezifischen Oberflächenfläche von 0,01 mm²/mm² oder mehr ein Effekt der CO-Adsorptionsfähigkeit der Katalysatorschicht 4 ersichtlich. Das heißt, wenn die spezifische Oberflächenfläche vorzugsweise auf 0,05mm²/mm² oder mehr erhöht wird, besteht eine relative Erhöhung beim NOx, das durch die Katalysatorschicht 4 durchtritt, und die Verhinderung der Verschiebung bei dem Ausgang des Gassensors wird durch die Erhöhung der NOx-Empfindlichkeit der Messgas-Elektrode 2 effektiv gesteigert.
Die NOx-Empfindlichkeit des Gassensors S, wie dieser in 16 gezeigt wird, liegt mehr oder weniger stabil bei 0,1 mm²/mm² oder mehr. Falls die spezifische Oberflächenfläche allerdings relativ groß ist, wird die CO-Adsorptionsfähigkeit der Katalysatorschicht 4 ebenfalls weiter erhöht werden, und die CO-Empfindlichkeit wird bei dem Umschaltpunkt ausgehend von der mageren Seite zu der fetten Seite bewirkt. In diesem Fall steigt die CO-Konzentration an dem λ-Punkt, wenn die spezifische Oberflächenfläche 23 mm²/mm² überschreitet, wie in 18 gezeigt wird. Daher kann die Ausgangs-Empfindlichkeit des Gassensors S wie gewünscht beibehalten werden, indem die Katalysatorschicht 4 derart konfiguriert wird, dass die spezifische Oberflächenfläche 0,01 mm²/mm² oder mehr und 23 mm²/mm² oder weniger beträgt.
Zweites Beispiel
Die folgenden Parameter wurden ausgewertet, wenn der Gaselementsensor 1, der mit der gleichen grundlegenden Konfiguration vorgesehen ist, die vorstehend beschrieben wird, und verschiedene Veränderungen, welche in Tabelle 1 gezeigt werden (vergleiche die Proben 1 bis 22 in Tabelle 1), verwendet werden. Die Parameter waren genauer gesagt eine Porosität (die in Tabelle 1 als Kat.-Por. gezeigt wird) und Dicke (Kat.-Dicke) der Katalysatorschicht 4, ein Verhältnis von Pt-Partikeln auf der Katalysatorschicht 4 (genauer gesagt ein Katalysator-Beladungs-Verhältnis (K.-Belad.-Verhältnis)), ein durchschnittlicher Durchmesser des Katalysatorpartikels (durchschnittlicher Partikeldurchmesser (Durchschnittl. Part.-Durchm.)) und eine Dicke (Part.-Dicke) und Porosität (Part.-Por.) der Elektroden-Schutzschicht 5. Die konstruierten Gassensoren S der Proben 1 bis 22 wurden jeweils verwendet, um die Ansprechempfindlichkeit des Gassensors S (Reaktion von Gassensor S) und dessen NOx-Empfindlichkeit zu bestimmen. Die Reaktion des Gassensors S wurde bestimmt, indem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Testgases, das auf eine schrittartige Weise (zum Beispiel von A/F = 14 bis A/F 15) dorthinein eingeführt wurde, umgeschaltet wurde, und durch eine Zeit, bis der Sensorausgang ausgehend von einem Punkt, bei welchem ein Signal umgeschaltet wurde, eine vorgegebene Spannung erreichte.
Die Auswertungsbedingungen waren wie folgt. Der Gassensor S war stromaufwärts des Katalysators 100 angeordnet und an der gleichen Position wurde eine Abgastemperatur gemessen.

Anzahl an Maschinenumdrehungen: 1500 rpm
Abgasvolumen: 2,0 L
Lufteingangsvolumen: 8 g / Sekunde
Abgastemperatur: 350 °C

Eine Reaktion des Gassensors S wurde durch eine Bestimmungsreferenz, die als eine anfängliche Reaktion angegeben wurde, welche gleich oder niedriger als eine Zeit des herkömmlichen Sensors war, sowie eine Reaktion, welche eine Variablen-Reaktionszeit aufwies, welche gleich oder niedriger als eine Soll-Variablen-Reaktions-Auswertung nach einer Langzeitverhaltensbestimmung war, bestimmt. Die Soll-Variablen-Reaktions-Auswertung wird als eine Soll-Variablen-Reaktion bezeichnet. Falls die beiden vorstehenden Bedingungen erfüllt wurden, war die Auswertung des Gassensors gut (G), und wenn keine dieser Bedingungen erfüllt wurde, war die Auswertung fehlgeschlagen (F), wie bei den Ergebnissen in Tabelle 1 gezeigt wird. Zudem wurde die NOx-Empfindlichkeit auf die gleiche Weise ausgewertet wie bei dem ersten Beispiel und unter Verwendung des Sollwerts einer Auswertungs-Differenz als eine Referenz nach einer Langzeitverhaltensbestimmung wurde eine Variablen-Empfindlichkeit von NOx bestimmt. Das heißt, falls der Wert der Variablen-Empfindlichkeit des Sensors S gleich oder niedriger war als der angegebene Sollwert, wurde die Probe als gut (G) ausgewertet, allerdings wurde die Auswertung in einem Fall, bei welchem der vorstehende Wert (Referenzwert) nicht erfüllt wurde, nicht bestanden (Fail). Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	Kat.-Por.	Kat.-Dicke	K.-Belad.-Verhältnis	Durchschnittl. Part.-Durchm.	Part.-Dicke	Part.-Por.	Reakt.	NOx-Sensor
	%	µm	%	µm	µm	%	Reakt.	NOx-Sensor
1	10	20	2	0,5	100	5	F	G
2	20	20	2	0,5	100	5	G	G
3	40	20	2	0,5	100	5	G	G
4	60	20	2	0,5	100	5	G	G
5	70	20	2	0,5	100	5	G	F
6	40	5	2	0,5	100	5	F	F
7	40	10	2	0,5	100	5	G	G
8	40	20	2	0,5	100	5	G	G
9	40	60	2	0,5	100	5	G	G
10	40	70	2	0,5	100	5	F	G
11	40	20	2	0,05	100	5	F	F
12	40	20	2	0,1	100	5	G	G
13	40	20	2	0,8	100	5	G	G
14	40	20	2	0,9	100	5	F	F
15	40	20	0,05	0,5	100	5	F	F
16	40	20	0,1	0,5	100	5	G	G
17	40	20	3	0,5	100	5	G	G
18	40	20	4	0,5	100	5	F	F
19	20	20	2	0,5	50	5	F	F
20	20	20	2	0,5	60	5	G	G
21	20	20	2	0,5	100	20	G	G
22	20	20	2	0,5	100	30	G	F

Wie bei den Ergebnissen von Tabelle 1 gezeigt wird, wurden bei den Gassensoren S der Proben 2 bis 4, welchen jeweils mit der Katalysatorschicht 4 vorgesehen sind, die eine Porosität zwischen 20 und 60 % aufweist, für sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit wünschenswerte Ergebnisse erhalten, die durch G (gut) angezeigt werden.
Im Gegensatz dazu wurde die Gassensor-Reaktion bei dem Gassensor S von Probe 1, welche mit einer Katalysatorschicht 4 ausgestattet war, die eine Porosität von 10 % aufweist, derart ausgewertet, dass diese fehlgeschlagen (F) ist. Es galt, dass die Reaktion des Sensors aufgrund einer Abnahme der Dispergiergeschwindigkeit von Gas in der Katalysatorschicht fehlschlug, was verursachte, dass die Reaktion des Sensors in einfacher Weise abnahm. Zudem schlug die NOx-Empfindlichkeit bei dem Gassensor S von Probe 5 fehl, die mit einer Porosität von 70 % vorgesehen ist. Da ein großes Volumen von Gas vorlag, das durch die Katalysatorschicht 4 durchtrat, verringerte sich die Adsorption von CO aufgrund von Aggregation und Transpiration von beispielsweise den Pt-Partikeln 42, womit im Ergebnis in einfacher Weise eine Variabilität des Sensorausgangs auftrat.
Bei den Gassensoren S der Proben 7 bis 9, die mit einer Katalysatorschichtdicke (Kat.-Dicke) zwischen 10 µm und 60 µm vorgesehen waren, wurde für sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit ein wünschenswertes Ergebnis erhalten. Allerdings schlugen sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit bei dem Gassensor von Probe 6 fehl, die mit einer Katalysatorschichtdicke von 10 µm vorgesehen ist. In diesem Fall galt, dass aufgrund der Dicke der Schicht, welche relativ dünn war, keine ausreichende spezifische Fläche erhalten werden konnte.
Bei dem Gassensor S von Probe 10, welcher eine Schichtdicke von 70 µm aufweist, wurde die Sensorreaktion als Fail (F) ausgewertet. In diesem Fall gilt, dass eine Verringerung einer Gasdiffusionsrate in Folge einer exzessiven Dicke einer Katalysatorschicht 4 des Gassensors S die Ursache der fehlgeschlagenen Reaktion war.
Andererseits wurde bei sowohl der Sensorreaktion als auch der NOx-Empfindlichkeit der Gassensoren S der Proben 12 und 13 ein wünschenswertes Ergebnis erhalten. Diese Proben sind mit einer Katalysatorschicht 4 vorgesehen, die Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von jeweils 0,1 µm und 0,8 µm aufweist. Sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit des jeweiligen Gassensors S der Proben 11 und 14, welche einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von jeweils 0,05 und 0,9 µm aufwiesen, schlugen fehl. Es gilt, dass dies einer Verringerung der CO-Adsorption zuzuschreiben ist. Es gilt, dass die Aggregation der Pt-Partikel 42 in Folge davon, dass sich entweder die Pt-Partikel in einfacher Weise bewegen oder zwischen den Partikeln kein unzureichender Abstand sichergestellt wird, in einfacher Weise fortschreitet.
Bei sowohl der Sensorreaktion als auch der NOx-Empfindlichkeit der Gassensoren S der Proben 16 und 17, von welchen jede mit einem Katalysator-Beladungs-Anteil von 0,1 bis 3 % Massengewicht auf der Katalysatorschicht 4 vorgesehen war, wurde ein wünschenswertes Ergebnis erhalten. Allerdings schlugen bei den Gassensoren S der Proben 15 und 18, welche einen Katalysator-Beladungs-Anteil von jeweils 0,05 % bzw. 4 % aufwiesen, sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit fehl. Es gilt, dass die CO-Adsorption aufgrund von entweder einer Transpiration oder Aggregation der Pt-Partikel 42 verringert wurde.
Bei sowohl der Sensorreaktion als auch der NOx-Empfindlichkeit der Gassensoren S der Proben 20 und 21, die mit einer Elektroden-Schutzschicht 5 vorgesehen sind, die eine Dicke von 60 µm oder mehr aufweist, wurde ein wünschenswertes Ergebnis erhalten. Allerdings wurden sowohl die Sensorreaktion als auch die NOx-Empfindlichkeit bei dem Gassensor S von Probe 19, welche eine Schutzschicht 5 beinhaltet, die eine Schichtdicke von weniger als 60 µm aufweist, als fehlgeschlagen ausgewertet. Es gilt, dass ein Freiliegen der Elektrode 2 auf der Seite des Abgases zu dem Gas mit hoher Temperatur dessen Verschlechterung verursachte, und somit trat in einfacher Weise die Variationskennlinie auf. Die NOx-Empfindlichkeit schlug bei dem Gassensor von Probe 22, welcher die Elektroden-Schutzschicht 5 mit einer größeren Porosität als die Katalysatorschicht 4 aufwies, fehl. Es gilt, dass das Abgas, das in der Katalysatorschicht verbleibt, unzureichend war, womit die Adsorption von CO verringert wurde.
Auf diese Weise können die Sensorreaktion und die NOx-Empfindlichkeit durch eine geeignete Abstimmung der Porosität und Dicke der Katalysatorschicht 4, des Katalysator-Beladungs-Anteils und des durchschnittlichen Partikeldurchmessers zusätzlich zu der Porosität und Dicke der Elektroden-Schutzschicht 5 wie gewünscht beibehalten werden und zudem kann die Haltbarkeit des Gassensors gesteigert werden.
Zweite Ausführungsform
Bei der ersten Ausführungsform wurde der Gassensor S beschrieben, der mit einem becherförmigen Gassensorelement 1 ausgestattet ist. Es kann auch ein Element mit einem laminierten Keramikblatt als das Gaselement 1 verwendet werden. Die unterschiedlichen Punkte zwischen der ersten Ausführungsform und einer zweiten Ausführungsform werden beschrieben werden, wenn bei der zweiten Ausführungsform das Element 1 vom laminierten Typ verwendet wird. Es ist zu beachten, dass Symbole, die bei der zweiten Ausführungsform und den nachfolgenden Ausführungsformen verwendet werden, welche die gleichen sind wie die bei der ersten Ausführungsform, ein gleiches konfigurierendes Element darstellen, sofern dies nicht anderweitig angegeben ist.
Wie in 20 gezeigt wird, weist das Gassensorelement 1 einen blattartigen Festelektrolytkörper 11 auf. Der Festelektrolytkörper 11 ist konfiguriert, wobei die Messgas-Elektrode 2 auf der Oberfläche 12 von dessen erster Seite (genauer gesagt einer oberen Oberfläche in 20) angeordnet ist und die Referenzgas-Elektrode 3 auf der Oberfläche 13 von dessen zweiter Seite (genauer gesagt einer unteren Oberfläche in 20) angeordnet ist. Die ersten und zweiten Seiten sind Seiten, auf welche die Messgas-Elektrode 2 und die Referenzgas-Elektrode jeweils zu dem Messgas bzw. dem Referenzgas freigelegt sind. Die Elektroden-Schutzschicht 5 ist derart angeordnet, dass diese die Messgas-Elektrode 2 und die obere Oberfläche 12 des Festelektrolytkörpers 11 abdeckt. Die Katalysatorschicht 4 ist auf einer Oberfläche der Elektroden-Schutzschicht 5 ausgebildet und die Fangschicht 6 deckt eine Außenoberfläche der Katalysatorschicht 4 ab.
Die Messgas-Elektrode 2, die Referenzgas-Elektrode 3, die Elektroden-Schutzschicht 5, die Katalysatorschicht 4 und die Fangschicht 6 sind jeweils auf die gleiche Weise konfiguriert wie bei der Ausführungsform 1, womit eine detaillierte Beschreibung weggelassen wird. Eine Keramikbasis 14, welche die Referenzgaskammer 31 konfiguriert, ist auf der unterseitigen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 11 laminiert, und eine Heizvorrichtung 10 ist durch die Heizvorrichtungs-Elektroden 15 in einem unteren Ende der Keramikbasis 14 eingebettet.
Der Gassensor S ist derart konfiguriert, dass das Gassensorelement 1 der zweiten Ausführungsform auf der Keramikschicht 4 ebenfalls den Metallkatalysator als die einzelne Substanz Pt aufweist. Die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist innerhalb eines vorgegebenen Bereichs konfiguriert, um die gleichen Effekte zu erhalten wie bei der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Wie in 21 gezeigt wird, kann eine gesamte Außenoberfläche des Gassensorelements 1 mit der Fangschicht 6 abgedeckt sein, die aus einer porösen Keramikschicht besteht, falls das Sensorelement 1 vom laminierten Typ angepasst wird. Andere konfigurierende Elemente sind grundsätzlich die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform, somit wird eine detaillierte Beschreibung weggelassen. Das Gassensorelement 1 der dritten Ausführungsform weißt auf der Keramikschicht 4 ebenfalls den Metallkatalysator als die einzelne Substanz Pt auf. Die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist innerhalb des vorgegebenen Bereichs konfiguriert, um die gleichen Effekte zu erhalten wie bei der ersten Ausführungsform.
Die Messtheorie, welche das Gassensorelement 1 von jeweils den zweiten bzw. dritten Ausführungsformen verwendet, ist die gleiche wie die bei der ersten Ausführungsform, das heißt, unter Verwendung der elektromotorischen Kraft, welche durch die Sauerstoff-Druckdifferenz zwischen der Messgas-Elektrode 2 und der Referenzgas-Elektrode 3 erzeugt wird. Auf diese Weise kann der Gassensor S, der mit dem Gassensorelement 1 vom laminierten Typ konfiguriert ist, ebenfalls verhindern, dass der λ-Punkt sich zu dem mageren Zustand verschiebt, indem dieser relativ zu der Messgas-Elektrode 2 auf dessen Außenseite die Katalysatorschicht 4 vorsieht, welche die CO-Adsorptionsfähigkeit aufweist, wobei ein gleicher Effekt wie bei dem Gassensorelement 1 von anderen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhalten werden kann. Das heißt, dass das Verhältnis von NO/CO, welches die Abgas-Elektrode 2 erreicht, erhöht ist, womit die Verschiebung zu dem mageren Zustand unterdrückt werden kann.
Vierte Ausführungsform
Wie in den 22 und 23 gezeigt wird, kann bei dem Gassensorelement 1 vom laminierten Typ eine Elektrode, welche den Festelektrolytkörper 11 ausbildet, derart angeordnet sein, dass diese innerhalb der Keramikbasis 14 eingebettet ist, welche die Referenzgaskammer 31 konfiguriert. Bei der vierten Ausführungsform ist das Gassensorelement 1 mit dem blattförmigen Festelektrolytkörper 11 vorgesehen, welcher innerhalb eines Raumbauteils untergebracht ist, das in der Keramikbasis 14 und der Elektroden-Schutzschicht 5, die eine Schicht ausbildet, welche das Raumbauteil der Keramikbasis 14 füllt, vorgesehen ist. Die Messgas-Elektrode 2 ist auf der Oberflächenseite 12 (genauer gesagt einer oberen Oberfläche in der Figur) des Festelektrolytkörpers 11 angeordnet, und die Referenzgas-Elektrode 3 ist auf der Oberflächenseite 13 (genauer gesagt der unteren Oberfläche in der Figur) des Festelektrolytkörpers 11 angeordnet. Die Oberflächenseite 12 ist für das Messgas vorgesehen und die Oberflächenseite 13 ist für das Referenzgas vorgesehen. Die Referenzgas-Elektrode 3 liegt der Referenzgaskammer 31 gegenüber, welche innerhalb des Raumbauteils der Keramikbasis 14 konfiguriert ist.
Die Katalysatorschicht 4 ist auf der Oberfläche der Elektroden-Schutzschicht 5 ausgebildet. Die Heizelektroden 15 und die Heizvorrichtung 10, die in der Keramikbasis 14 konfiguriert sind, sind derart angeordnet, dass diese einer Seite der Elektroden-Schutzschicht 5 (genauer gesagt der unteren Seitenoberfläche in der Figur) gegenüberliegen. Eine Überzugsschicht 61 deckt die Außenoberfläche der Katalysatorschicht 4 und die Keramikbasis 14 ab und die Fangschicht 6 ist derart angeordnet, dass diese deren gesamte Außenoberfläche abdeckt. Die Konfiguration der Katalysatorschicht 4 und der Elektroden-Schutzschicht 5 ist die gleiche wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Die Überzugsschicht 61 ist eine poröse Keramikschicht, die zum Beispiel aus Aluminiumoxid ausgebildet ist, allerdings kann die Überzugsschicht 61 auch weggelassen werden.
Der Gassensor S, der mit dem Gassensorelement 1 der vierten Ausführungsform ausgestattet ist, ist auch mit dem Metallkatalysator Pt als der einzelnen Substanz auf der Katalysatorschicht 4 vorgesehen, und die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist innerhalb des vorgegebenen Bereichs konfiguriert, um die gleichen Effekte zu erhalten wie bei der ersten Ausführungsform.
Fünfte Ausführungsform
Das Gassensorelement 1 vom laminierten Typ kann mit der Referenzgaskammer 31 und einer Heizvorrichtung 10 ausgestattet sein, die bei einem Festelektrolytkörper 16 eine Keramikbasis ausbilden, wie in den 24 und 25 gezeigt wird. Bei der fünften Ausführungsform weist das Gassensorelement 1 den Festelektrolytkörper 16 auf, welcher auf die gleiche Weise wie der Festelektrolytkörper 11 aus einem Material mit Zirconiumdioxid ausgebildet ist. Die Referenzgaskammer 31 ist in einem Raumbauteil ausgebildet, das in dem Festelektrolytkörper 16 vorgesehen ist. Die Messgas-Elektrode 2 ist auf der Oberfläche 12 (genauer gesagt einer oberen Oberfläche in der Figur) des Festelektrolytkörpers 11 angeordnet, und die Referenzgas-Elektrode 3 ist auf der Oberfläche 13 (genauer gesagt einer unteren Oberfläche in der Figur) angeordnet. Die Oberfläche 12 und die Oberfläche 13 sind jeweils auf der jeweiligen Seite für das Messgas bzw. das Referenzgas vorgesehen. Die Referenzgas-Elektrode 3 ist der Referenzgaskammer 31 zugewandt, indem das Laminieren des Festelektrolytkörpers 16 auf dem Festelektrolytkörper 11 konfiguriert wird.
Die Elektroden-Schutzschicht 5 ist derart ausgebildet, dass diese die Messgas-Elektrode 2 und die Oberfläche 12 des Elektrolytkörpers 11 abdeckt, und zusätzlich ist die Katalysatorschicht 4 derart ausgebildet, dass diese die Oberfläche der Elektroden-Schutzschicht 5 abdeckt. Die Heizvorrichtung 15 ist auf einer Seite gegenüber der Elektroden-Schutzabdeckung 5 (genauer gesagt der unteren Seitenoberfläche in der Figur) in dem Festelektrolytkörper 16 eingebettet, um die Heizvorrichtung 10 auszubilden. Die Katalysatorschicht 4 und die Elektroden-Schutzschicht 5 sind auf die gleiche Weise konfiguriert wie vorstehend beschrieben, und die Fangschicht 6 kann ebenfalls derart ausgebildet sein, dass diese die Katalysatorschicht 4 abdeckt, so wie dies auch bei den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Der Gassensor S, der mit dem Gassensorelement 1 der fünften Ausführungsform ausgestattet ist, ist ebenfalls mit dem Metallkatalysator Pt als einer einzelnen Substanz auf der Katalysatorschicht 4 vorgesehen, und die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist innerhalb des vorgegebenen Bereichs konfiguriert, um die gleichen Effekte zu erhalten wie bei der ersten Ausführungsform.
Das Gassensorelement 1 gemäß der vierten und fünften Ausführungsformen setzt die gleiche Messtheorie ein wie die ersten bis dritten Ausführungsformen, das heißt, die elektromotorische Kraft, welche durch die Sauerstoff-Druckdifferenz zwischen der Messgas-Elektrode und der Referenzgas-Elektrode 3 erzeugt wird. Es gibt auch ein Gassensorelement 1, welches dazu konfiguriert ist, einen Sauerstoffdruck der Referenzgas-Elektrode 3 durch Anlegung einer Spannung an die Referenzgas-Elektrode 3 abzustimmen und ausgehend von der Messgas-Elektrode Sauerstoff zu pumpen. Als nächstes wird diese Art von Gassensorelement 1 bei einer sechsten Ausführungsform beschrieben werden.
Sechste Ausführungsform
Wie in 26 gezeigt wird, kann das Gassensorelement 1 vom laminierten Typ auch ohne die Referenzgaskammer 31 konfiguriert sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Gassensorelement 1 derart konfiguriert, dass dieses ausgehend von dem Festelektrolytkörper 11 auf dem Festelektrolytkörper 16 laminiert ist. Der Festelektrolytkörper 11 weist die Messgas-Elektrode 2, die auf der Oberfläche 12 angeordnet ist, die auf der ersten Seite für das Messgas (genauer gesagt der oberen Oberfläche in der Figur) vorgesehen ist, und die Referenzgas-Elektrode 3 (genauer gesagt die untere Oberfläche in der Figur), die auf der Oberfläche 13 auf der zweiten Seite für das Referenzgas angeordnet ist, auf. Der Festelektrolytkörper 16, welcher die Keramikbasis ausbildet, ist auf eine untere Oberfläche des Festelektrolytkörpers 16 laminiert, und die Heizvorrichtungen 15 sind innerhalb des Festelektrolytkörpers 16 eingebettet, um die Heizvorrichtung 10 zu konfigurieren.
Die Elektroden-Schutzschicht 5 ist derart ausgebildet, dass diese die Messgas-Elektrode 2 auf der ersten Seite des Festelektrolytkörpers 11 abdeckt. Die Katalysatorschicht 4 ist derart angeordnet, dass diese die Oberfläche der Elektroden-Schutzschicht 5 abdeckt. Die Katalysatorschicht 4 und die Elektroden-Schutzschicht 5 sind auf die gleiche Weise konfiguriert, die bei den anderen Ausführungsformen beschrieben wird, und die Fangschicht 6 kann auch ausgebildet sein, um die Katalysatorschicht 4 abzudecken, wie auch bei den vorherigen Ausführungsformen beschrieben wurde.
Der Gassensor S, der mit dem Gassensorelement 1 der sechsten Ausführungsform ausgestattet ist, ist auch mit dem Metallkatalysator Pt als der einzelnen Substanz auf der Katalysatorschicht 4 vorgesehen, und die spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators ist innerhalb des vorgegebenen Bereichs konfiguriert, um die gleichen Effekte zu erhalten wie bei der ersten Ausführungsform.
Allerdings weist das Gassensorelement gemäß der sechsten Ausführungsform einen anderen Mechanismus zum Erzeugen der elektromotorischen Kraft auf als die anderen Ausführungsformen, die hierin vorstehend beschrieben wurden. Das heißt, dass die Ausgangsspannung einen Gesamtwert der elektromotorischen Kraft zwischen der Messgas-Elektrode 2 und der Referenzgas-Elektrode 3 und der Pumpspannung beträgt, wenn der Sauerstoffdruck der Referenzgas-Elektrode erhalten wird, indem die Spannung an die Referenzgas-Elektrode angelegt wird, die ausgehend von der Seite des Messgases Sauerstoff pumpt. Auf diese Weise tritt bei dem Gassensor 1, welcher die vorstehend beschriebene Messtheorie einsetzt, an dem λ-Punkt die gleiche Verschiebung auf.
Das Gassensorelement 1 gemäß einer beliebigen der Ausführungsformen 4 bis 6 weist die Verschiebung auf, die an dem λ-Punkt auftritt, daher können durch Konfigurieren der Katalysatorschicht 4 auf der Außenseite relativ zu der Messgas-Elektrode 2 die gleichen Effekte erhalten werden wie bei der ersten Ausführungsform. Das heißt, dass die magere Verschiebung bei dem λ-Punkt unterdrückt werden kann, indem das NO/CO-Verhältnis erhöht wird, welches die Abgas-Elektrode 2 des Gassensors S erreicht.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, das heißt, verschiedene Modifikationen davon können angenommen werden, ohne sich von dem Umfang der Ansprüche zu entfernen. Es wird zum Beispiel bei jeder der Ausführungsformen ein Gassensor S veranschaulicht, der auf einer stromabwärtigen Seite des Katalysators für das Abgasreinigungssystem einer Maschine für ein Fahrzeug konfiguriert ist, allerdings ist dieser nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Das heißt, dass ein Gassensor S stromaufwärts des Katalysators angeordnet sein kann. Außerdem ist der Katalysator nicht auf einen Dreiwegekatalysator beschränkt, und es können auch andere Katalysatoren oder Feinstaub-Filter verwendet werden.
Zusätzlich ist die Konfiguration des Gassensors S nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und die Elementabdeckung und andere konfigurierende Elemente können geeignet modifiziert werden. Der Gassensor kann an eine Maschine mit interner Verbrennung angepasst werden, welche eine andere ist als ein Fahrzeug.
Bezugszeichenliste

1: Gassensorelement
11: Festelektrolytkörper
12: Messgas-Seitenoberfläche
13: Referenzgas-Seite
2: Messgas-Elektrode
3: Referenzgas-Elektrode
4: Katalysatorschicht
5: Elektroden-Schutzschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3488818 B [0005]

Claims

Gassensor, aufweisend; ein Gassensorelement (1), das eine Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, das in einem Messgas enthalten ist; wobei das Gassensorelement mit dem Folgenden vorgesehen ist einem Festelektrolytkörper (11), der eine Oxidionen-Leitfähigkeit aufweist, wobei der Festelektrolytkörper eine erste Oberfläche (12) und eine zweite Oberfläche (13) aufweist; einer Messgas-Elektrode (2), die auf der ersten Oberfläche der Messgas-Elektrode angeordnet ist, die zu dem Messgas freigelegt ist; einer Referenzgas-Elektrode (31), die auf der zweiten Oberfläche des Festelektrolytkörpers angeordnet ist, wobei die Referenzgas-Elektrode zu dem Referenzgas freigelegt ist; und einer Katalysatorschicht (4), welche einen Metallkatalysator enthält, der auf einen Träger aufgebracht ist; wobei die Katalysatorschicht eine Gasdurchlässigkeit aufweist und bezüglich der Referenzgas-Elektrode auf einer außenseitigen Position montiert ist, wobei der Metallkatalysator eine einzelne Substanz ist und eine spezifische Oberflächenfläche des Metallkatalysators 0,01 oder mehr und 23 oder weniger beträgt, und die spezifische Oberflächenfläche untenstehend in einer Gleichung 1 ausgedrückt ist. Gleichung 1: spezifische Oberflächenfläche = gesamte Oberflächenfläche des Metallkatalysators, welcher zuoberst einer Elektroden-Einheitsoberflächenfläche vorliegt/eine Ist-Elektroden-Oberflächenfläche pro Elektroden-Oberflächenfläche.
Gassensor gemäß Anspruch 1, wobei die Katalysatorschicht eine Anordnung von Katalysatorpartikeln (CP) ist, wobei die Katalysatorpartikel auf dem Metallkatalysator ausgebildet sind, welcher auf Partikel der Träger aufgebracht ist, wobei ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser der Katalysatorpartikel in einem Bereich von 0,1 µm bis 0,8 µm liegt und ein aufgebrachtes Verhältnis des Metallkatalysators in einem Bereich von 0,1 bis 3 % Massengewicht liegt.
Gassensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Katalysatorschicht eine Schichtdicke, die in einem Bereich von 10 µm bis 60 µm liegt, und eine Porosität, die in einem Bereich von 20 % bis 60 % liegt, aufweist.
Gassensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend; eine Elektroden-Schutzschicht (5), die zwischen der Katalysatorschicht und der Messgas-Elektrode angeordnet ist.
Gassensor gemäß Anspruch 4, wobei die Elektroden-Schutzschicht eine Schichtdicke, welche gleich oder größer als 60 µm ist, und eine Porosität, welche gleich oder geringer als die Porosität der Katalysatorschicht ist, aufweist.