JP2004245772A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材の違いによる出力ずれを抑制し、排ガス中のＮＯｘ等、被測定ガス中の特定ガス成分の検出を精度よく行うことのできるガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘセンサ１０１のセンサ素子１０４は、素子内に導入されるＮＯｘおよび残留酸素を分解するセンサセル１５０と、残留酸素のみを分解するモニタセル１６０を有し、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力差からＮＯｘ濃度を検出する。センサ素子１０４の先端部を保護する素子カバー１０３に、複数の側面穴１０６ａと少なくとも１つの底穴１０６ｂを設け、これら穴径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍとするとともに、側面穴径／底面穴径を０．５〜１．５として、素子カバー１０３内の流速変動を抑制し、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力脈動を抑制してＮＯｘ出力を安定させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質体に設けた複数のセルを用いて被測定ガス中の特定ガス成分、例えば、自動車内燃機関の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、詳しくは、検出精度を向上させるための素子カバー構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境に対する関心が高まり、自動車用内燃機関から排出される排ガスに対する規制が、年々厳しくなっている。この規制に対応するため、排ガス中の有害物質、例えばＮＯｘ濃度を直接検出し、その検出結果をＥＧＲ（排気再循環）システム、触媒システム等にフィードバックすることで、より精密な制御を実現することが期待されている。
【０００３】
このようなガス濃度検出装置として、酸素イオン導電性の固体電解質体に形成した複数のセルを用い、ＮＯｘ還元に対する活性の違いを利用してＮＯｘ濃度を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。従来のガス濃度検出装置は、一般に、チャンバー内に導入される排ガス中の酸素を排出または汲み入れるポンプセルと、チャンバー内に残留する酸素濃度に応じた出力を発生するモニタセルと、チャンバー内に残留する酸素およびＮＯｘ濃度に応じた出力を発生するセンサセルにて構成され、例えば、モニタセルにより検出されるチャンバー内の酸素濃度が一定になるように、ポンプセル電圧をフィードバック制御するとともに、センサセルを流れる電流値から排ガス中のＮＯｘ濃度を検出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２５５７６号公報
【０００５】
また、チャンバー内は、通常、ポンプセルが設置される第１チャンバーと、センサセルおよびモニタセルが設置される第２チャンバーに区画され、絞り部を介して連結される。このようにすると、センサセルおよびモニタセル近傍の酸素濃度の変動を小さくすることができるが、ポンプセル電圧の変化による第１チャンバー内の酸素濃度変化が、直ちに第２チャンバー内の酸素濃度（モニタセル電流値）に反映されないため、第２チャンバー内の酸素濃度が安定しないおそれがある。そこで、センサセルとモニタセルの出力差から、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することが提案されており、第２チャンバー内の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができるので、検出精度が向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、センサセルはＮＯｘの還元分解に活性なＰｔ−Ｒｈ電極を、モニタセルはＮＯｘの還元分解に不活性なＰｔ−Ａｕ電極を、チャンバー側電極として用いており、電極材の酸素に対する反応性 （応答性） が異なっている。これは、センサセル電極に含まれるＲｈが酸素吸蔵性を有し、モニタセルより排ガス中の酸素を取り込みやすいためで、酸素変動に対する反応性が鈍くなる。このため、例えば、エンジン運転状態が変化し排ガス中の酸素濃度が変化した時や、第２チャンバー内の残存酸素濃度の僅かな変動で、センサセルとモニタセルの出力電流にずれが生じる。その結果、双方の出力差が変動し、検出したＮＯｘ値が変動してしまうことから、精度よくＮＯｘの検出ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、電極材の違いによる出力のずれを抑制し、排ガス中のＮＯｘ等、被測定ガス中の特定ガス成分の検出を精度よく行うことのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１のガス濃度検出装置は、チャンバ内に導入される被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルを有するセンサ素子を備え、被測定ガスに露出する上記センサ素子の外周囲を保護する素子カバーを設けている。上記素子カバーは有底筒状体で、被測定ガスが流通する複数の側面穴および少なくとも１つの底穴を有しており、上記側面穴および上記底穴の径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍの範囲とするとともに、これらの径の比率（側面穴径／底面穴径）を０．５〜１．５の範囲としたものである。
【０００９】
本発明は、センサセルとモニタセルの出力が、上記素子カバー内のガス流れの影響を受けて変動すること、その変動の大きさがセンサセルとモニタセルとで異なるために出力のずれを生じることに着目し、上記素子カバーの構成、特に、被測定ガスが流通する穴の配置や大きさを規定することで、出力ずれを抑制できることを見出したものである。具体的には、上記素子カバーに複数の側面穴と少なくとも１つの底穴を設けて、側面穴から底穴へ至るガス流れを形成し、これら穴径および径の比率を上記範囲とすると、上記素子カバー内の被測定ガスの流速変動が抑制され、その結果、センサセル、モニタセルの出力脈動を抑制して、検出精度を大きく向上することができる。
【００１０】
請求項２の装置では、上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる。
【００１１】
本発明はＮＯｘ濃度の検出に好適に利用され、例えば、上記センサセルの電極をＮＯｘ分解活性な電極とし、上記モニタセルの電極をＮＯｘ分解不活性な電極として、両セルの出力差からＮＯｘ濃度を、精度よく検出することができる。ただし、これら電極材の違いにより、センサセルとモニタセルの出力にずれが生じやすい問題があり、上記素子カバー構成を適用することで、検出精度を向上させる効果が高い。そして、その結果を用いてＥＧＲ、触媒システム等を効果的に制御することができる。
【００１２】
請求項３の装置では、上記複数の側面穴の数を４〜６個とした。上記側面穴を４〜６個とすることで、被測定ガス存在空間内の被測定ガスに対する方向性がなくなり、上記側面穴の向きにより応答性が悪化するのを防止できる。
【００１３】
請求項４の装置では、上記複数の側面穴は、周方向に同一面内となるように配置する。このようにすると、上記センサ素子の近傍のガス流れが安定し、流速変動等が生じにくいので、より精度よい検出が可能になる。
【００１４】
請求項５の装置のように、上記素子カバーを、それぞれ複数の側面穴および少なくとも１つの底穴を有するインナカバーおよびアウタカバーからなる二重構造とすることもできる。この場合は、上記インナカバーの上記側面穴および上記底穴の径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍの範囲とするとともに、これらの径の比率（側面穴径／底面穴径）を０．５〜１．５の範囲とすることで、上記効果が得られる。
【００１５】
この時、請求項６の装置のように、上記アウタカバーの上記側面穴および上記底穴の径を上記インナカバーの上記側面穴および上記底穴の径以上とすると好ましい。これにより、上記インナカバーへのガス流入が妨げられず、上記効果が得やすい。
【００１６】
請求項７の装置では、上記アウタカバー体の上記複数の側面穴を、上記インナカバーの上記複数の側面穴よりも底面側に設ける。このようにすると、被測定ガス中の水分が上記インナカバー内に入るのを防止し、上記センサ素子の被水を防止することができる。
【００１７】
請求項８の装置は、上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える。
【００１８】
上記ポンプセルを用いると、例えば、上記チャンバ内の被測定ガス中の酸素を外部に排出し、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。よって、被測定ガス中の酸素濃度の変化等の影響を受けにくくなり、被測定ガス中の特定ガス成分の検出が容易になる。
【００１９】
請求項９の装置では、上記センサセルおよび上記モニタセルの出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する。
【００２０】
上記センサセルからは特定ガス成分および残留酸素濃度に応じた出力が、上記モニタセルからは残留酸素濃度に応じた出力が得られるので、その出力の差をとることで、酸素濃度に依存しない出力が得られ、精度よい検出が可能である。この時、両セルの酸素に対する応答性に差があると、出力の差が変動し、検出値が変動するおそれがあるが、本発明では、上記素子カバー構成を採用することにより、これらセルの出力ずれを抑制することができるので、検出精度がさらに向上する。
【００２１】
請求項１０の装置では、上記チャンバ内において、上記センサセルおよび上記モニタセルを近接させて配置する。
【００２２】
上記モニタセルと上記センサセルとを近接位置に配置すると、上記チャンバ内に酸素分布が生じても、上記モニタセルで検出される酸素濃度は、上記センサセル上における酸素濃度をほぼ正確に反映する。よって、上記チャンバ内の酸素分布の影響を小さくすることができ、より精度よい検出が可能となる。
【００２３】
請求項１１の装置では、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極をＰｔ−Ｒｈ電極とし、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極をＰｔ−Ａｕ電極とする。
【００２４】
上記センサセル電極に含まれるＲｈは酸素吸蔵性を有し、上記モニタセル電極より酸素変動に対して鈍感となる。このような電極の組み合わせの場合、両者の出力ずれによる検出精度の低下が生じやすく、本発明を適用する効果が高い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を基に説明する。図２（ａ）に示すように、本発明のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ１０１と制御回路１０２で構成されており、例えば、図３に示す内燃機関（ディーゼルエンジン）２００の排気管２０２に設置されて、排ガス（被測定ガス）中のＮＯｘ（特定ガス成分）濃度を検出する。内燃機関２００は、各気筒に共通のコモンレール２０３を有し、該コモンレール２０３に蓄圧される高圧燃料を、燃料噴射弁２０４により対応する気筒内に噴射する構成となっている。また、排気マニホールド２０５と吸気マニホールド２０７を連結するＥＧＲ通路２０６が設けられ、該ＥＧＲ通路２０６を介して、排ガスの一部が吸気へ還流されるようになっている。
【００２６】
排気マニホールド２０５に続く排気管２０２には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持した後処理装置２０９と酸化触媒２１０が配設してあり、排気マニホールド２０５には、ＮＯｘ還元剤となる燃料を排気に添加するための排気燃料添加弁２０８が設けられる。本発明のＮＯｘセンサ１０１は、酸化触媒２１０の上流位置に設置されて、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒通過後の排ガスを取り込み、制御回路１０２は、ＮＯｘセンサ１０１からの信号を基にＮＯｘ濃度を検出して、その検出値をＥＣＵ２０１に出力する。ＥＣＵ２０１は、例えば、検出されたＮＯｘ濃度から、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の劣化診断を行う、あるいは、ＥＧＲシステムのフィードバック制御を行う。
【００２７】
図２（ａ）において、ＮＯｘセンサ１０１は、図２の排気管２０２壁に固定される筒状ハウジング１０５と、ハウジング１０５内に絶縁保持されるセンサ素子１０４を有し、センサ素子１０４の先端部（図の下端部）は、ハウジング１０５下端に固定されて排気管２０２内に突出する素子カバー１０３内に収容されている。素子カバー１０３は、側面および底面に設けたガス流通穴から、排気管２０２内の排ガスを取り込むようになっている。ハウジング１０５上端には、側壁に大気口１０８を有する筒状部材１０７が固定される。図１（ａ）のように、素子カバー１０３は有底円筒状で、ガス流通穴は、上部側面に貫設した複数の側面穴１０６ａと底面中央に貫設した底穴１０６ｂからなる。この素子カバー１０３の側面穴１０６ａおよび底穴１０６ｂの大きさや配置は、本発明の特徴に関するものであり、詳細を後述する。
【００２８】
図２（ｂ）は、センサ素子１０４の先端部を拡大して示すもので、センサ素子１０４は、排ガスが導入される第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１と、大気に連通する大気通路１３０、１３１と、第１チャンバ１２０側に設けられるポンプセル１４０と、第２チャンバ１２１側に設けられるセンサセル１５０およびモニタセル１６０とを有している。センサセル１５０とモニタセル１６０はセンサ素子１０４の長手方向に隣接して配されている。第１チャンバ１２０は第２チャンバ１２１と絞り１１０を介して連通しており、第１チャンバ１２０には、多孔質拡散層１０９およびピンホール１１１を介して排ガスが導入される。
【００２９】
センサ素子１０４は、センサセル１５０およびモニタセル１６０を構成するシート状の固体電解質体１７１の下方に、第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１を構成するスペーサ１７２を介して、ポンプセル１４０を構成するシート状の固体電解質体１７３を積層し、さらに大気通路１３０を構成するスペーサ１７４およびシート状のヒータ１１２を積層してなる。固体電解質体１７１の上方には、多孔質拡散層１０９および大気通路１３１を構成するスペーサ１７５が積層される。固体電解質体１７１、１７３は、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する固体電解質からなり、スペーサ１７２、１７４、１７５は、アルミナ等の絶縁材料で構成される。多孔質拡散層１０９は多孔質アルミナ等からなる。
【００３０】
ポンプセル１４０は、固体電解質体１７３とその上下表面に対向配置された一対の電極１４１、１４２からなり、第１チャンバ１２０内に導入された排ガス中の酸素を大気通路１３０に排出または汲み入れて、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を調整する。一対の電極のうち第１チャンバ１２０側の電極１４１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３０側の電極１４２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に使用される。なお、多孔質サーメット電極は、金属成分とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成することにより形成される。
【００３１】
モニタセル１６０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１６１、１６２からなり、第１チャンバ１２０から絞り１１０を経て第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中の残留酸素濃度を検出する。一対の電極のうち第２チャンバ１２１側の電極１６１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３１側の電極１６２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が用いられ、これら電極１６１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００３２】
センサセル１５０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１５１、１６２からなる。センサセル１５０は、モニタセル１６０に隣接して設けられ、一対の電極のうち大気通路１３１側の電極１６２はモニタセル１６０と共通電極となっている。センサセル１５０は、第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中のＮＯｘ濃度および残留酸素濃度を検出するもので、第２チャンバ１２１側の電極１５１には、ＮＯｘの還元分解に対して活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメット電極が用いられる。これら電極１５１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度および残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００３３】
ヒータ１１２は、アルミナ等の絶縁材料からなるシート内に、ヒータ電極を埋設してなる。ヒータ電極は、外部からの給電により発熱し、素子全体を加熱して、上記各セル１４０、１５０、１６０を活性化温度以上に保持する。
【００３４】
上記構成のＮＯｘセンサ１０１の動作原理を説明する。図２（ｂ）において、被測定ガスである排ガスは、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１を通過して第１チャンバ１２０に導入される。導入されるガス量は、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１の拡散抵抗により決定される。ここで、ポンプセル１４０の電極１４１、１４２に、大気通路１３０側の電極１４２が＋極となるように電圧を印加すると、第１チャンバ１２０側の電極１４１上で排ガス中の酸素が還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１４２側へ排出される （図の矢印の方向）。印加電圧の向きを逆にすると、大気通路１３０側から第１チャンバ１２０側へ酸素が導入される。
【００３５】
ポンプセル１４０では、この酸素ポンプ作用を利用し、印加電圧の大きさと向きを調整して酸素を出し入れすることにより、チャンバ内の酸素濃度を制御することができる。通常は、ＮＯｘ検出時の酸素の影響を小さくするために、第１チャンバ１２０に導入される酸素を排出して、第２チャンバ１２１内を所定の低酸素濃度に保持する。なお、第１チャンバ１２０側の電極１４１はＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１４０において排ガス中のＮＯｘが分解することはない。
【００３６】
本実施の形態では、ポンプセル１４０の制御を、電流検出器１８１で測定されるポンプセル電流Ｉｐに応じて予め定められた印加電圧マップを用いて行う。ポンプセル１４０は、酸素濃度に対して限界電流特性を有し、ポンプセル印加電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐの関係を示すＶ−Ｉ特性図において、限界電流検出域はＶ軸に略平行な直線部分からなり、酸素濃度が高いほど電圧値が大きくなる方向にシフトする。従って、ポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを可変制御することにより、第１チャンバ１２０に導入された酸素を速やかに排出し、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度に制御する。これにより、特定ガスであるＮＯｘを検出する際の妨害ガスとなる酸素の影響を小さくできる。
【００３７】
ポンプセル１４０近傍を通過した排ガスは、絞り１１０を介して第１チャンバ１２０と連通する第２チャンバ１２１に流入する。排ガス中に残留する微量の酸素は、モニタセル１６０の電極１６１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１６１上で還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される （図の矢印の方向）。電極１６１はＮＯｘ不活性電極であるため、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流Ｉｍは、第２チャンバ１２１内の電極１６１に到達する酸素量に依存し、ＮＯｘ量には依存しない。従って、モニタセル電流Ｉｍを検出することで、残留酸素濃度を検出することができる。
【００３８】
一方、センサセル１５０では、第２チャンバ１２１側の電極１５１がＮＯｘ活性電極であるため、電極１５１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１６１上で排ガス中の残留酸素およびＮＯｘが還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される （図の矢印の方向）。従って、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流Ｉｓは、第２チャンバ１２１に到達する酸素量およびＮＯｘ量に依存したものとなる。センサセル１５０とモニタセル１６０は第２チャンバ１２１内で隣接しており、第２チャンバ１２１側の電極１５１、１６１に到達する酸素量はほぼ等しいので、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍ（酸素量分）を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００３９】
このように、隣接配置したセンサセル１５０とモニタセル１６０の出力差を用いてＮＯｘ濃度を検出すると、チャンバ内の酸素量に依存しない出力が得られる。ただし、実際には、センサセル１５０の電極１５１（Ｐｔ−Ｒｈ）とモニタセル１６０の第２チャンバ１２１側の電極１６１（Ｐｔ−Ａｕ）の材質が異なるため、酸素に対する反応性 （応答性）に差が生ずる。特に、センサセル１５０では、Ｒｈの酸素吸蔵性により酸素を取り込みやすく、酸素変動に対して鈍感となる。逆に、モニタセル１６０では、チャンバ内の酸素濃度分布等による酸素変動により敏感に反応し、出力脈動が生じやすくなる。このため、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力差であるＮＯｘ出力が安定しない問題があった。
【００４０】
そこで、本発明では、素子カバー１０３の構造を工夫することにより、素子カバー１０３内における排ガスの流速変動を抑制し、ＮＯｘ出力の変動を抑制する。具体的には、素子カバー１０３に複数の側面穴１０６ａと、少なくとも１つの底穴１０６ｂを設け、これら側面穴１０６ａの径および底穴１０６ｂの径と、両者の径の比率を所定範囲に規定することで、これを実現することができる。本実施の形態では、図１（ａ）のように、複数の側面穴１０６ａを、素子カバー１０３の上端部近傍に設けられ、少なくとも１つの底穴１０６ｂは底面中央部に設けられる。この時、図に矢印で示すように、複数の側面穴１０６ａから素子カバー１０３内部に流入し、底穴１０６ｂへ向かう被測定ガスの流れが形成される。このように、複数の側面穴１０６ａは、センサ素子１０４の検知部となる先端部より上方に配設するとよい。これは、図２に示したように、平板状のセンサ素子１０４の片面側に排ガスを導入するためのピンホール１１１を有し方向性が発生するためで、この影響を小さくするために、基本的には検知部に対して軸方向（上下方向）の流れを形成することが望ましい。
【００４１】
複数の側面穴１０６ａは、図１（ｂ）のように、周方向の同一面内に配置され、例えば、周方向の４箇所に略等間隔で設けられる。側面穴１０６ａの数は特に限定されないが、好ましくは４〜６個とすることが望ましい。側面穴１０６ａが４個より少ないと、排気管２０２にＮＯｘセンサ１０１を装着した時に（図３）、排気管２０２内の排ガスの流れに対して方向性が発生し、側面穴１０６ａ穴の向きによって応答性が悪化するおそれがあるが、４個以上とすることでこれを防止できる。一方、側面穴１０６ａを６個より多くしても効果に大きな違いはなく、隣接する穴が近接すると加工が難しくなる。図１（ｃ）は、複数の側面穴１０６ａを、周方向の６箇所に略等間隔で設けた例である。なお、複数の側面穴１０６ａを同一面内に略等間隔で配置すると、ＮＯｘセンサ１０１を装着する際に方向性を有さないので好ましい。側面穴１０６ａを６個より多くしても効果に大きな違いはなく、隣接する穴が近接すると加工が難しくなる。
【００４２】
底穴１０６ｂの数は、複数とすることも可能であるが、図１（ｄ）に示すように、好ましくは素子カバー１０３の底面中央に１個とする。底穴１０６ｂの数を１つとすると穴加工が容易になり、後述する穴径の規定により、素子カバー１０３内の流速変動を抑制する効果が容易に得られる。
【００４３】
ここで、素子カバー１０３の側面穴１０６ａの径、および底穴１０６ｂの径について検討する。図４は、図１（ａ）の素子カバー１０３構成で、側面穴１０６ａを４個、底穴１０６ｂを１個設けた時の、穴径とセンサ素子１０４の出力特性の関係を示したものである。この時、側面穴１０６ａと底穴１０６ｂは同じ径とし（側面穴径／底穴径＝１）、それぞれφ０．３〜２ｍｍの範囲で変化させて、ＮＯｘ出力の脈動幅と応答時間を測定した。図４に示されるように、側面穴１０６ａおよび底穴１０６ｂの径が大きくなるほど応答時間は短くなるが、逆に、出力脈動幅は大きくなっている。具体的には、側面穴１０６ａおよび底穴１０６ｂの径がφ０．５ｍｍより小さいと応答性が急激に悪化し、また、径がφ１．５ｍｍを超えると出力脈動幅が増大する。図中に、例えば排ガス中のＮＯｘを所望の精度で検出するために必要な出力脈動幅と応答性の限界値を示しており、従って、これらを両立させるには、側面穴１０６ａおよび底穴１０６ｂの径をφ０．５〜１．５ｍｍの範囲とするとよいことが分かる。
【００４４】
次に、側面穴１０６ａと底穴１０６ｂの径の比率について検討する。図５は、図１（ａ）の素子カバー１０３構成で、側面穴１０６ａを４個、底穴１０６ｂを１個設け、それぞれの穴径を下記表１のように変更した時のＮＯｘ出力の脈動幅を測定したものである。側面穴１０６ａおよび底穴１０６ｂの径の比率（側面穴径／底穴径）と出力脈動幅の関係は、図５に示される通りであり、径の比率が約１．０の付近で出力脈動幅が最も低減し、それより小さくても大きくても出力脈動幅が増加している。従って、図中に示すＮＯｘ出力脈動幅の限界値から、（側面穴径／底穴径）を０．５〜１．５の範囲に規定するとよいことが分かる。
【００４５】
【表１】

【００４６】
従来のガスセンサに用いられる素子カバーは、カバー内外のガス交換を速やかに行い、高応答性を得るためにガスが流通する穴径を大きく設定する傾向があった（例えば、側面穴の径をφ２．５ｍｍ、底穴の径をφ２ｍｍ程度）。ところが、従来の素子カバー構成では、素子カバー内に流速変動が生じやすく、ＮＯｘセンサのようにセンサセルとモニタセルの出力応答性が異なる場合には、センサセルに比べてモニタセルの出力脈動が大きくなるために、ＮＯｘ出力が変動する。これに対し、本発明では、側面穴１０６ａと底穴１０６ｂの径および径の比率を適正範囲とすることで、素子カバー１０３内部へ導入される排ガスの流れに急激な変化が生じるのを抑制できる。すなわち、素子カバー１０３内の流速変動が抑制される結果、センサ素子１０３のセンサセル１５０とモニタセル１６０の出力脈動が抑制され、これらの差として求められるＮＯｘ出力の検出精度が向上するものと考えられる。
【００４７】
図６に、本発明の第２の実施の形態として示すように、素子カバー１０３を二重構造とすることもできる。図６（ａ）において、素子カバー１０３は、インナカバー１０３ａと、その外周囲を覆うアウタカバー１０３ｂとからなる。インナカバー１０３ａは、上記第１の実施の形態における素子カバー１０３と同一構成で、上端部近傍に複数の側面穴１０６ａと、底面中央部に少なくとも１つの底穴１０６ｂを有している。側面穴１０６ａの径と底穴１０６ｂの径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍとし、径の比率（側面穴径／底穴径）を０．５〜１．５の範囲とする点も同様とする。
【００４８】
アウタカバー１０３ｂは、インナカバー１０３ａよりやや大径の有底筒状体からなり、複数の側面穴１０６ｃと少なくとも１つの底穴１０６ｄを有している。複数の側面穴１０６ｃは、アウタカバー１０３ｂの下端部近傍の側面に設けられ、少なくとも１つの底穴１０６ｂは底面中央部に設けられる。これら穴径は、インナカバー１０３ａの複数の側面穴１０６ａまたは底穴１０６ｂの径と同等以上、好ましくはインナカバー１０３ａの径より大きくする。これにより、インナカバー１０３ａ内へのガス流れが妨げられず、インナカバー１０３ａの穴径および径の比率を規制することにより、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。複数の側面穴１０６ｃをアウタカバー１０３ｂの下端部に設けるのは、センサへの被水を考慮したためで、インナカバー１０３ａの複数の側面穴１０６ａよりも素子先端側に設けると、図６（ａ）に示すようにアウタカバー１０３ｂ内のガス流れが上向きとなるので、インナカバー１０３ａ内に水分が侵入するのを防止できる。
【００４９】
インナカバー１０３ａの複数の側面穴１０６ａおよびアウタカバー１０３ｂの複数の側面穴１０６ｃの数は、第１の実施の形態と同様、好ましくは４〜６個とする。図６（ｂ）、（ｃ）は、側面穴１０６ａまたは側面穴１０６ｃの数を４個ないし６個とした例で、このように複数の側面穴を同一面内に均等配置すると好ましい。インナカバー１０３ａの複数の側面穴１０６ａとアウタカバー１０３ｂの複数の側面穴１０６ｃの数は、好ましくは同数とする。インナカバー１０３ａの底穴１０６ｂおよびアウタカバー１０３ｂの底穴１０６ｄの数も、第１の実施の形態と同様で、図６（ｄ）、（ｅ）のように、好ましくは底面中央に１個設けるのがよい。
【００５０】
本実施の形態におけるＮＯｘセンサ１０１の構成と基本作動は、上記第１の実施の形態と同様であり、インナカバー１０３ａの穴径と径の比率およびアウタカバー１０３ｂの穴径を適切に設定することで、ＮＯｘセンサ１０１の被水を防止し、応答性を悪化させることなくＮＯｘ検出精度を向上することができる。
【００５１】
図７に本発明の効果を示す。上記図６の第２の実施の形態の構成において、インナカバー１０３ａおよびアウタカバー１０３ｂの穴径を以下のようにし、モデルガスを用いたＮＯｘ検出試験を行った。図７（ａ）、（ｂ）に、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍを、図７（ｃ）にＮＯｘ出力（＝センサセル電流Ｉｓ−モニタセル電流Ｉｍ）をそれぞれ示す（対策後）。
インナカバー１０３ａ 側面穴１０６ａ：φ１．０ｍｍ×４個
底穴１０６ｂ：φ１．０ｍｍ×１個
アウタカバー１０３ｂ 側面穴１０６ｃ：φ１．５ｍｍ×４個
底穴１０６ｄ：φ１．５ｍｍ×１個
また、比較のため、従来の素子カバー構成によるセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流ＩｍとＮＯｘ出力を、図７（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ併記した（対策前）。従来の素子カバーのインナカバーおよびアウタカバーの穴径は以下のようにした。
インナカバー 側面穴：φ２．５ｍｍ×４個
底穴：φ２．０ｍｍ×１個
アウタカバー 側面穴：φ２．５ｍｍ×４個
底穴：φ２．０ｍｍ×１個
【００５２】
図７（ａ）、（ｂ）に示されるように、対策前においては、センサセル電流Ｉｓに対してモニタセル電流Ｉｍが大きく変動しており、そのため、ＮＯｘ出力も変動が大きい。これに対し、素子カバー１０３の穴径および径の比率を適正範囲とした場合（対策後）は、図のようにモニタセル１６０の出力脈動が抑制されるために、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍの差で表されるＮＯ出力の脈動幅が小さくなり、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できることがわかる。
【００５３】
以上のように、センサセル１５０とモニタセル１６０の酸素反応性が異なるＮＯｘセンサ１０１において、素子カバー１０３の穴径と径の比率、穴の配置等を最適化することで、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力応答を略一致させ、ＮＯｘの検出精度を大きく向上できる。特に、上記各実施の形態のように、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力差を検出値とするセンサに適用すると、応答性の違いによる出力ずれの解消により効果的である。
【００５４】
ここで、ＮＯｘセンサ１０１構成は、上記第１、第２の各実施の形態の構成（図１）に限るものではなく、例えば、図８に第３の実施の形態として示す構成とすることもできる。上記第１、第２の各実施の形態では、センサセル１５０とモニタセル１６０を素子の長手方向に隣合うように配設したが、図８（ａ）、（ｂ）のように、本実施の形態におけるセンサ素子１０４は、センサセル１５０とモニタセル１６０が、素子の長手方向の同等位置に、略対称に配置してある。その他の構成および基本的な作動は上記第１、第２の各実施の形態と同様である。
【００５５】
第２チャンバ１２１内の酸素濃度分布は、排ガスの導入経路に沿った方向、ここでは素子の長手方向で生じやすいが、本実施の形態の配置とすると、第２チャンバ２０１のガス流れに対してセンサセル１５０とモニタセル１６０が同等位置となる。このため、酸素濃度分布によらず、センサセル１５０の電極１５１とモニタセル１６０の電極１６１上の酸素濃度が同じになる。従って、第２チャンバ１２１内の残留酸素に対するセンサセル１５０とモニタセル１６０の感度を同じくすることができ、より精度の高い検出が可能になる。
【００５６】
また、上記各実施の形態では、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力の差からＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ１０１を用いたが、本発明を、それ以外のＮＯｘセンサ１０１に適用することもできる。これを、図９に第４の実施の形態として示す。
【００５７】
図９において、センサ素子１０４は、ジルコニア等の固体電解質体１７６、１７７、１７８を順に積層して、その内部に第１チャンバ１２０、第２チャンバ１２１を形成しており、多孔質抵抗層１１７、１１８を通って排ガスが導入されるようになっている。第１チャンバ１２０には、第１ポンプセル１４３とモニタセル１６０が、第２チャンバ１２１には、センサセル１５０と第２ポンプセル１４６が設けられる。第１ポンプセル１４３は固体電解質体１７６の上下表面に一対の電極１４４、１４５を有し、モニタセル１６０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１６１、１１６を有する。電極１１６は大気通路１３２に面する大気電極で、センサセル１５０、第２ポンプセル１４６と共通電極となっている。センサセル１５０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１５１、１１６を有し、第２ポンプセル１４６は、固体電解質体１７６下面の電極１４７と大気電極１１６からなる。大気通路１３２の下方にはヒータ１１２が設けられる。
【００５８】
上記構成において、排ガスは多孔質抵抗層１１７を通って第１チャンバ１２０に導入され、ガス中の大部分の酸素は、第１ポンプセル１４３によって排気側へ排出される。この時、第１チャンバ１２０内の酸素濃度は、モニタセル１６０の電極１６１、１１６間に生じる起電力Ｖｍによって検出され、この検出値が所定の一定値になるように、第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ１ を制御することで、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度とする。排ガスは、さらに多孔質抵抗層１１８を通って第２チャンバ１２１に導入され、ガス中の残留酸素は、第２ポンプセル１４６により分解されて大気通路１３２へ排出される。第２ポンプセル１４６の印加電圧Ｖｐ２は、第２ポンプセル１４６を流れる電流Ｉｐ２ に応じて制御される。ＮＯｘは、センサセル１５０に所定の電圧Ｖｓを印加することにより、チャンバ側の電極１５１上で分解されて大気通路１３２へ排出される。その際、センサセル１５０に流れる電流ＩｓがＮＯｘ濃度として検出される。
【００５９】
このように、モニタセル１６０の電圧出力（Ｖｍ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ１ を制御する構成においても、上記第１、第２の実施の形態で示した素子カバー１０３を用いることができる。ここで、本実施の形態では、モニタセル１６０の電圧出力（Ｖｍ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ１ を制御するように構成されており、センサセル１５０との出力差を算出してＮＯｘ濃度とする上記第１、第２の実施の形態とは異なるが、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力特性（例えば、酸素濃度を縦軸、時間を横軸とする）は、上記図７とほぼ同じになる。つまり、モニタセル１６０の酸素に対する反応性が大きいために、これを基に第１ポンプセル１４３を制御すると、第１チャンバ１２０内の酸素濃度が安定せず、結果的にセンサセル１５０の出力に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施の形態においても、上記第１、第２の実施の形態で示した素子カバー１０３構成を採用することにより、同様の効果が得られる。
【００６０】
図１０に本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態の構成は、上記第４の実施の形態とほぼ同様であり、第１チャンバ１２０に、第１モニタセル１６３を設けるとともに、第２チャンバ１２１に、第２モニタセル１６４を設けた点でのみ異なっている。第１モニタセル１６３の電極は、第１ポンプセル１４３と共通の電極１４４と大気電極１１６からなり、第２モニタセル１６４の電極は、第２ポンプセル１４６と共通の電極１４７と大気電極１１６からなる。
【００６１】
この構成では、第１モニタセル１６３の電極１４４、１１６間に生じる起電力Ｖｍ１ によって、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を検出し、第１ポンプセル１４３への印加電圧Ｖｐ１ を制御するとともに、第２モニタセル１６４の電極１４７、１１６間に生じる起電力Ｖｍ２ によって、第２チャンバ１２１内の酸素濃度を検出し、第２ポンプセル１４６への印加電圧Ｖｐ２ を制御するようになっている。この構成においても、上記第１、第２の実施の形態の素子カバー１０３構成を採用することにより、同様の効果が得られる。
【００６２】上記各実施の形態では、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の検出に本発明を適用する構成について説明したが、本発明は、ＮＯｘ以外の特定ガス成分を検出するガス濃度検出装置にも適用可能である。また、内燃機関の排ガス以外のガスを被測定ガスとすることもできる。
【００６３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）はガス濃度検出装置の主要部断面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図で素子カバーの横断面図、（ｄ）は素子カバーを底面から見た図である。
【図２】（ａ）は第１の実施の形態におけるガス濃度検出装置の全体構成図、（ｂ）は（ａ）のＣ部拡大図でセンサ素子先端部の模式的断面図である。
【図３】本発明のガス濃度検出装置を適用した内燃機関の概略構成図である。
【図４】第１の実施の形態のガス濃度検出装置における側面穴、底穴径とＮＯｘ出力脈動幅およびＮＯｘ応答時間との関係を示す図である。
【図５】側面穴径／底穴径とＮＯｘ出力脈動幅の関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）はガス濃度検出装置の主要部断面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のＡ−ＡまたはＢ−Ｂ線断面図でインナカバーまたはアウタカバーの横断面図、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれアウタカバー、インナカバーを底面から見た図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の素子カバーによる対策前と対策後のモニタセル電流、センサセル電流およびＮＯｘ出力をそれぞれ示す図である。
【図８】第３の実施の形態におけるガス濃度検出装置構成を示し、（ａ）はＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図９】第４の実施の形態におけるＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図、である。
【図１０】第５の実施の形態におけるＮＯｘセンサのセンサ素子先端部の模式的断面図、である。
【符号の説明】
１０１ ＮＯｘセンサ
１０２ 制御回路
１０３ 素子カバー
１０３ａ インナカバー
１０３ｂ アウタカバー
１０４ ガスセンサ素子
１０６ａ、１０６ｃ 側面穴
１０６ｂ、１０６ｄ 底穴
１１０ 絞り
１１１ ピンホール
１２０ 第１チャンバ
１２１ 第２チャンバ
１３０、１３１ 大気通路
１４０ ポンプセル
１５０ センサセル
１６０ モニタセル

Claims (11)

1. チャンバ内に導入される被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルを有するセンサ素子を備え、被測定ガス存在空間に位置する上記センサ素子の外周囲を保護する素子カバーを設けたガス濃度検出装置において、上記素子カバーが有底筒状体で、被測定ガスが流通する複数の側面穴および少なくとも１つの底穴を有しており、上記側面穴および上記底穴の径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍの範囲とするとともに、これらの径の比率（側面穴径／底面穴径）を０．５〜１．５の範囲としたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 上記複数の側面穴の数を４〜６個とした請求項１または２記載のガス濃度検出装置。
4. 上記複数の側面穴は、周方向に同一面内に位置するように設けた請求項３記載のガス濃度検出装置。
5. 上記素子カバーが、それぞれ複数の側面穴および少なくとも１つの底穴を有するインナカバーおよびアウタカバーからなる二重構造で、上記インナカバーの上記側面穴および上記底穴の径をそれぞれφ０．５〜１．５ｍｍの範囲とするとともに、これらの径の比率（側面穴径／底面穴径）を０．５〜１．５の範囲とした請求項１ないし４のいずれか記載のガス濃度検出装置。
6. 上記アウタカバーの上記側面穴および上記底穴の径を上記インナカバーの上記側面穴および上記底穴の径以上とした請求項５記載のガス濃度検出装置。
7. 上記アウタカバー体の上記複数の側面穴を、上記インナカバーの上記複数の側面穴よりも底面側に設けた請求項５または６記載のガス濃度検出装置。
8. 上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える請求項１ないし７のいずれか記載のガス濃度検出装置。
9. 上記センサセルおよび上記モニタセルの出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する請求項１ないし８のいずれか記載のガス濃度検出装置。
10. 上記チャンバ内において、上記センサセルおよび上記モニタセルを近接させて配置する１ないし９のいずれか記載のガス濃度検出装置。
11. 上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＰｔ−Ｒｈ電極であり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＰｔ−Ａｕ電極である請求項１ないし１０のいずれか記載のガス濃度検出装置。

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