JP2014169912A - Sensor system and gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定物質濃度を測定するガスセンサ、及び当該ガスセンサを用いたセンサシステムに関する。 The present invention relates to a gas sensor for measuring a concentration of a measurement substance and a sensor system using the gas sensor.
従来より、測定物質の濃度を計測するために分光法を利用した検出装置が広く利用されている。該装置では、例えば試料を透過した透過光を検出器によって検出し、試料に吸収された光の波長に基づき試料に含まれる物質を特定するとともに、吸収強度(透過率、吸光度)を演算して物質の濃度を演算する。 2. Description of the Related Art Conventionally, detection devices that use spectroscopy are widely used to measure the concentration of a measurement substance. In this apparatus, for example, the transmitted light that has passed through the sample is detected by a detector, the substance contained in the sample is specified based on the wavelength of the light absorbed by the sample, and the absorption intensity (transmittance, absorbance) is calculated. Calculate the concentration of the substance.
実験レベルでは、FT−IR等の既存の装置を使用できるが、これらの装置は広範囲の物質を測定し且つ多様な測定方式に対応するために、干渉計等が大きく、光路長を確保するために大型及び重量が大きい。従ってこれらの装置を例えば自動車等の移動体に搭載されるセンサとして用いることは実用的ではない。 At the experimental level, existing devices such as FT-IR can be used, but these devices measure a wide range of substances and are compatible with various measurement methods, so that the interferometer is large and the optical path length is secured. Large and heavy. Therefore, it is not practical to use these devices as sensors mounted on a moving body such as an automobile.
小型化を図ったセンサとして、例えば特許文献1には可搬型NOx検出装置が開示されている。このNOx検出装置は、多数の反射ミラーによって光が周回し得る閉光路が形成される光学リングセルを設けることで光路長を確保し、装置の大型化を抑制している。 For example, Patent Document 1 discloses a portable NOx detection device as a sensor that is miniaturized. This NOx detection device secures the optical path length by providing an optical ring cell in which a closed optical path through which light can circulate by a large number of reflecting mirrors, and suppresses the enlargement of the device.
上記したNOx検出装置は、光学リングセルを用いることで装置を小型化できるものの、光学リングセルを多数設ける構成であるため、重量が大きくなると予想される。従ってNOx検出装置を車両に搭載した場合には燃費に悪影響を及ぼす可能性がある。このため、車両に搭載しても燃費を著しく低下させない小型且つ軽量のガスセンサが要請されていた。尚、こうした問題は、車両に搭載されるセンサに限らず、実験室以外で用いるセンサにおいては概ね共通したものである。 Although the above-described NOx detection device can be downsized by using an optical ring cell, it is expected to increase in weight because it is configured to provide a large number of optical ring cells. Therefore, when the NOx detection device is mounted on a vehicle, there is a possibility of adversely affecting fuel consumption. For this reason, there has been a demand for a small and lightweight gas sensor that does not significantly reduce fuel consumption even when mounted on a vehicle. Such problems are not limited to sensors mounted on vehicles, but are generally common to sensors used outside the laboratory.
本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、軽量及び小型のガスセンサ及び該ガスセンサを利用したセンサシステムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a lightweight and small gas sensor and a sensor system using the gas sensor.
上記課題を解決するセンサシステムは、エンジンの排気浄化システムに搭載されるセンサシステムにおいて、測定物質を測定するガスセンサは、測定室を有するケースと、前記測定室へ測定物質を含有するガスを供給する導入路と、前記測定室に収容され、前記測定物質を吸着する粒状の多孔質体と、前記測定室を通過したガスを排出する導出路と、前記多孔質体を加熱するヒーターと、前記多孔質体へ特定波長域の測定光を照射する光源装置と、前記多孔質体に反射し前記測定室内を拡散した拡散反射光を受けて特定波長域における吸収強度を検出して測定物質濃度を算出する検出装置とを備えた。 A sensor system that solves the above problem is a sensor system that is mounted on an exhaust gas purification system of an engine. A gas sensor that measures a measurement substance supplies a case having a measurement chamber and a gas containing the measurement substance to the measurement chamber. An introduction path, a granular porous body accommodated in the measurement chamber and adsorbing the measurement substance, a lead-out path for discharging the gas that has passed through the measurement chamber, a heater for heating the porous body, and the porous A light source device that irradiates the measurement material in a specific wavelength range to the material, and diffused reflected light that is reflected by the porous material and diffused in the measurement chamber, detects the absorption intensity in the specific wavelength region, and calculates the concentration of the measurement substance And a detecting device.
上記課題を解決するガスセンサは、測定室を有するケースと、前記測定室へ測定物質を含有するガスを供給する導入路と、前記測定室に収容され、前記測定物質を吸着する粒状の多孔質体と、前記測定室を通過したガスを排出する導出路と、非測定時に前記多孔質体を加熱するヒーターと、前記多孔質体へ特定波長域の測定光を照射する光源装置と、前記多孔質体に反射し前記測定室内を拡散した拡散反射光を受けて特定波長域における吸収強度を検出して測定物質濃度を算出する検出装置とを備えた。 A gas sensor that solves the above problems includes a case having a measurement chamber, an introduction path for supplying a gas containing a measurement substance to the measurement chamber, and a granular porous body that is accommodated in the measurement chamber and adsorbs the measurement substance A discharge path for discharging the gas that has passed through the measurement chamber, a heater that heats the porous body during non-measurement, a light source device that irradiates the porous body with measurement light in a specific wavelength range, and the porous body And a detection device that receives the diffusely reflected light reflected from the body and diffused in the measurement chamber, detects the absorption intensity in a specific wavelength region, and calculates the concentration of the measurement substance.
これらの態様によれば、測定室に入射した測定光は、測定物質を吸着した多孔質体の粒の間を繰り返し反射しながら拡散するので測定光の光路は長くなる。このため、検出濃度範囲が同じであって多孔質体が収容されていないガスセンサに比べ、測定室自体の長さを短くすることができるため、ガスセンサの占有スペースを縮小できる。さらにガスセンサは、非測定時に多孔質体を加熱して吸着した測定物質や水を脱離させるヒータを備えるので、再生を逐次行うことにより繰り返し測定することができる。また検出装置は、物質固有の吸収波長における吸収強度を検出するので、例えば排気に含まれる特定の物質の濃度や、排気通路に添加するオゾン等の濃度を検出することができる。 According to these aspects, the measurement light incident on the measurement chamber is diffused while being repeatedly reflected between the particles of the porous body adsorbing the measurement substance, so that the optical path of the measurement light becomes long. For this reason, since the length of the measurement chamber itself can be shortened compared with a gas sensor having the same detection concentration range and not containing a porous body, the space occupied by the gas sensor can be reduced. Further, the gas sensor includes a heater that desorbs the measurement substance and water adsorbed by heating the porous body at the time of non-measurement, so that it can be repeatedly measured by sequentially performing regeneration. Moreover, since the detection device detects the absorption intensity at the absorption wavelength inherent to the substance, for example, it is possible to detect the concentration of a specific substance contained in the exhaust gas or the concentration of ozone added to the exhaust passage.
上記センサシステムについて、前記ガスセンサは、始端及び終端が前記排気通路に接続するバイパス路に設けられ、ゼオライトからなる前記多孔質体が前記測定室に収容され、前記光源装置は赤外域の測定光を前記測定室に出射し、前記検出装置は前記測定光を受けてアンモニアの吸収波長域又は二酸化窒素の吸収波長域における光強度を検出することが好ましい。 In the sensor system, the gas sensor is provided in a bypass passage having a start end and a termination end connected to the exhaust passage, the porous body made of zeolite is accommodated in the measurement chamber, and the light source device emits infrared measurement light. Preferably, the light is emitted to the measurement chamber, and the detection device receives the measurement light and detects the light intensity in the absorption wavelength region of ammonia or the absorption wavelength region of nitrogen dioxide.
この態様によれば、吸着性の高いゼオライトを多孔質体として用いるので、排気に含まれるアンモニア又は二酸化窒素が低濃度であっても、ゼオライトにおける吸着量が大きくなるために測定可能となる。また、検出装置は、アンモニア分子の伸縮運動、変角運動に基づく固有の吸収波長域、二酸化窒素分子の伸縮運動等に基づく固有の吸収波長域における光強度を検出するので、排気に含まれるアンモニア又は二酸化窒素の濃度を個別に検出することができる。 According to this aspect, since zeolite with high adsorptivity is used as the porous body, even if ammonia or nitrogen dioxide contained in the exhaust gas has a low concentration, the amount of adsorption on the zeolite becomes large, so that measurement is possible. In addition, the detection device detects the light intensity in the specific absorption wavelength range based on the stretching motion of the ammonia molecule, the bending motion, the stretching motion of the nitrogen dioxide molecule, etc., so the ammonia contained in the exhaust gas Alternatively, the concentration of nitrogen dioxide can be detected individually.
上記センサシステムについて、前記ガスセンサは、前記排気通路及び該排気通路にオゾンを添加するオゾン発生器の間に設けられた連通路、又は該連通路を迂回するバイパス路に設けられ、ゼオライトからなる前記多孔質体が前記測定室に収容され、前記光源装置は紫外域の測定光を前記測定室に出射し、前記検出装置は前記測定光を受けてオゾンの吸収波長域における光強度を検出することが好ましい。 In the sensor system, the gas sensor is provided in a communication passage provided between the exhaust passage and an ozone generator for adding ozone to the exhaust passage, or a bypass passage that bypasses the communication passage, and is made of zeolite. A porous body is accommodated in the measurement chamber, the light source device emits ultraviolet measurement light to the measurement chamber, and the detection device receives the measurement light and detects light intensity in an absorption wavelength region of ozone. Is preferred.
この態様によれば、吸着性の高いゼオライトを多孔質体として用いるので、オゾンが低濃度であっても、ゼオライトにおける吸着量が大きくなるために測定可能となる。また、検出装置は、オゾン固有の吸収波長域における強度を検出するので、オゾン濃度を個別に検出することができる。 According to this aspect, since zeolite with high adsorptivity is used as the porous body, even if ozone is at a low concentration, the amount of adsorption on the zeolite becomes large, so that measurement is possible. Moreover, since a detection apparatus detects the intensity | strength in the absorption wavelength range peculiar to ozone, it can detect ozone concentration separately.
上記センサシステムについて、排気通路に接続するバイパス路、又は排気通路及びオゾン発生器の間に設けられた連通路には前記測定室へのガスの供給を停止する開閉弁が設けられたことが好ましい。 In the sensor system, it is preferable that a bypass passage connected to the exhaust passage or a communication passage provided between the exhaust passage and the ozone generator is provided with an opening / closing valve for stopping gas supply to the measurement chamber. .
この態様によれば、開閉弁を閉じてガスセンサのヒータを駆動させることにより多孔質体の再生を行うことができる。このため、測定及び多孔質体の再生を繰り返すことによって連続的にガスセンサを利用することができる。 According to this aspect, the porous body can be regenerated by closing the on-off valve and driving the heater of the gas sensor. For this reason, a gas sensor can be utilized continuously by repeating measurement and regeneration of a porous body.
上記センサシステムについて、前記ガスセンサは、前記ケースに透光性を有する一対の窓材を備え、前記一方の窓材は測定光を前記多孔質体に入射し、前記他方の窓材は、前記一方の窓材と平行に設けられ、前記多孔質体の間を拡散した光を前記ケース外へ出射することが好ましい。 In the sensor system, the gas sensor includes a pair of light-transmitting window members in the case, the one window member allows measurement light to enter the porous body, and the other window member includes the one window member. It is preferable that the light diffused between the porous bodies is emitted out of the case.
この態様によれば、一対の窓材は平行に設けられるので、検出装置はケースを透過した光を受ける。即ち、検出装置は拡散反射光を受光するのではないため、ケースからの光を検出装置に導く反射ミラー等の光学系が不要となる。 According to this aspect, since the pair of window members are provided in parallel, the detection device receives light transmitted through the case. That is, since the detection device does not receive diffusely reflected light, an optical system such as a reflection mirror that guides light from the case to the detection device is not necessary.
上記センサシステムについて、前記ヒーターは、少なくとも測定工程で前記多孔質体を100℃以上に加熱することが好ましい。
この態様によれば多孔質体は、測定物質の吸着開始から吸収強度を検出するまでの測定工程において100℃以上に加熱される。このため、多孔質体の水の吸着を抑制することができる。
In the sensor system, it is preferable that the heater heats the porous body to 100 ° C. or higher at least in a measurement process.
According to this aspect, the porous body is heated to 100 ° C. or higher in the measurement process from the start of adsorption of the measurement substance until the absorption intensity is detected. For this reason, adsorption | suction of the water of a porous body can be suppressed.
以下、ガスセンサ及びセンサシステムの一実施形態を説明する。本実施形態では、ガスセンサ及びセンサシステムを、車両の排気浄化システムの一部を構成するものとして説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gas sensor and a sensor system will be described. In this embodiment, a gas sensor and a sensor system will be described as constituting a part of a vehicle exhaust purification system.
図1に示すようにエンジン11は、吸気マニホールドに接続された吸気通路13を備え、吸気通路13の途中にはターボ過給機16のコンプレッサ17が設けられている。また排気マニホールドには排気通路15が接続され、その途中にはターボ過給機16のタービン18が設けられている。
As shown in FIG. 1, the engine 11 includes an intake passage 13 connected to an intake manifold, and a
(排気浄化システムの構成)
排気通路15のうちタービン18よりも下流には、排気浄化システム20が設けられている。排気浄化システム20は、NOを酸化する酸化触媒及び粒子状物質を捕捉するDPF(Diesel Particulate Filter)を備えている(いずれも図示略)。また排気浄化システム20は、NOxをN2に還元する選択還元型触媒21を備えている。選択還元型触媒21は、排気通路15のうち酸化触媒及びDPFよりも下流側に設けられている。この選択還元型触媒21は公知の触媒であって、例えばハニカム担体にジルコニア等を担持させたものである。
(Configuration of exhaust purification system)
An
排気浄化システム20は、排気通路15のうちDPF及び選択還元型触媒21の間に設けられた第1センサユニット41を備えている。第1センサユニット41は、排気に含まれる二酸化窒素(NO2)の濃度を測定する。また排気浄化システム20は、第1センサユニット41の近傍にNOxセンサ63を備えている。NOxセンサ63は、抵抗変化式等の公知の構成のセンサであって、NO及びNO2の総濃度を測定するセンサである。
The
また排気浄化システム20は、尿素水供給装置22、オゾン生成装置30及びこれらの装置を駆動するECU19を備えている。オゾン生成装置30は空気からオゾンを生成し、生成したオゾンを排気通路15の選択還元型触媒21よりも上流側に供給する。排気にオゾンを添加することによって、NOからNO2への酸化反応を促すことができる。
The
尿素水供給装置22は、尿素系流体としての尿素水を貯留するとともに、尿素水を排気通路15の選択還元型触媒21よりも上流側に供給する。尿素水は、排気の熱で加水分解されてアンモニアとなる。下式のように、加水分解されたアンモニアは、排気に含まれる一酸化窒素及び二酸化窒素と反応して、一酸化窒素及び二酸化窒素を窒素に還元する。
The urea
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
上記式で示される反応において、NO:NO2の濃度比が1:1に近づくとN2への還元が促進される。このためECU19は、第1センサユニット41及びNOxセンサ63からそれぞれ受信した各測定信号等に基づき、NO:NO2の比を算出し、この比に応じてオゾンを添加する。
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O
In the reaction represented by the above formula, when the concentration ratio of NO: NO 2 approaches 1: 1, reduction to N 2 is promoted. Therefore, the
(尿素水供給装置)
尿素水供給装置22は、尿素水を貯留した尿素水タンク23、尿素水を選択還元型触媒21の上流に添加する尿素水供給ノズル24、及び尿素水タンク23及び尿素水供給ノズル24を接続する尿素水供給路25を備えている。尿素水供給路25の途中には、尿素水を尿素水タンク23から尿素水供給ノズル24に圧送するポンプ26、及び尿素水の供給量を調整する流量調整弁27が設けられている。ECU19は、ポンプ26を駆動するとともに、流量調整弁27の開度を制御する。またECU19は、駆動パルスを尿素水供給ノズル24に印加する。駆動パルスを受信した尿素水供給ノズル24は開弁して排気通路15に尿素水を噴射する。
(Urea water supply device)
The urea
また排気通路15のうち尿素水供給ノズル24の下流には、該ノズル24の下流におけるアンモニア濃度を測定する第2センサユニット42が設けられている。第2センサユニット42はNH3濃度をECU19に送信する。ECU19は、受信したNH3濃度等に基づき尿素水供給量を調整する。
A
(オゾン生成装置)
次にオゾン生成装置30について説明する。オゾン生成装置30を構成するオゾン発生器31は、公知の構成の装置であって、無声放電式、電子線照射式、放射線照射式、光照射式、電解式等を用いることができる。オゾン発生器31は無声放電式である場合、オゾン発生空間を介して設けられた一対の電極板、電極板の間に介在する誘電体、及び交流高圧電源等を備えている。交流高圧電源により電極間に高電圧を印加することによってオゾン発生空間の酸素からオゾンを発生する。
(Ozone generator)
Next, the
オゾン発生器31の上流側には図示しない空気導入路が連結され、その始端は大気に開放されて外部空気を吸入する。空気導入路の途中には、図示しないコンプレッサ、ドライヤ等が設けられている。
An air introduction path (not shown) is connected to the upstream side of the
オゾン発生器31の下流には、オゾン供給路33が設けられ、オゾン供給路33の途中には、流量調整弁34が設けられている。ECU19は、流量調整弁34の開度やオゾン発生器31へ供給される空気流量等を制御して、排気通路15に供給されるオゾン量を調整する。オゾン供給路33の先端には、オゾン供給ノズル32が設けられている。オゾン供給ノズル32の吐出口は、排気通路15のうち尿素水供給ノズル24よりも上流側に設けられている。ECU19は、駆動パルスをオゾン供給ノズル32に印加し、駆動パルスを受信したオゾン供給ノズル32は開弁して排気通路15にオゾンを供給する。
An
オゾン供給路33の途中には、オゾン濃度を測定する第3センサユニット43が設けられている。オゾンは自己分解しやすく、温度変化に応じて濃度が変化しやすい。このため、第3センサユニット43によりオゾン濃度を測定し、ECU19は測定値に基づきオゾン発生器31の空気流量等を調整する。
A
またECU19は、排気通路15のうち選択還元型触媒21よりも上流側に設けられた圧力センサ61及び温度センサ62から、圧力測定信号及び温度測定信号を受信する。圧力センサ61及び温度センサ62は、排気通路15内の圧力及び温度をそれぞれ測定する。
Further, the
(センサユニットの構成)
次に、各センサユニット41〜43の構成について説明する。尚、NO2濃度を測定する第1センサユニット41、NH3濃度を測定する第2センサユニット42は同じ構成であるため、第1センサユニット41の構成についてのみ説明する。
(Configuration of sensor unit)
Next, the structure of each sensor unit 41-43 is demonstrated. Since the
図2に示すように、第1センサユニット41は、排気通路15から分岐するバイパス路15aに設けられている。第1センサユニット41は、NO2を測定するセンサ本体50、吸引ポンプ51及び圧力センサ52を備えている。バイパス路15aは排気通路15よりも内径が小さいため、吸引ポンプ51を駆動することによりバイパス路15a内に流入する排気量を安定させることができる。圧力センサ52はバイパス路15a内の圧力を測定し、圧力測定値をECU19に送信する。ECU19はこの圧力測定値に基づき、吸引ポンプ51を駆動してバイパス路15aの圧力を目標圧力に近づける。このためバイパス路15a内の圧力は目標圧力又はそれに近い圧力に保持される。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すようにセンサ本体50は、シングルビーム式の装置であって、光源装置53、分光器54、測定部55及び検出装置56を備えている。第1センサユニット41及び第2センサユニット42が備える光源装置53は、赤外域の波長の光を出射可能な公知の光源であって、例えばセラミックス光源、タングステンランプ等がある。分光器54は、小型且つ軽量のものであって、例えばグレーティング、スリット等を組み合わせて構成された公知の分光器である。これらの光源装置53及び分光器54が出射可能な光の波長域は、NO2分子の伸縮運動や変角運動等のエネルギー準位の遷移に基づく吸収波長を少なくとも一つ含んでいればよく、それ以外の波長域には対応していなくてもよい。尚、図3に示す光源装置53、分光器54、測定部55及び検出装置56の配置は一例であって、当該配置パターンに限定されない。
As shown in FIG. 3, the
例えば第1センサユニット41においては、光源装置53及び分光器54は、4672nm(2140cm−1)、6042〜6116nm(1655〜1653cm−1)、10695〜11049nm(935〜905cm−1)の少なくとも一つの波長域の測定光を出射できればよい。また、第2センサユニット42においては、光源装置53及び分光器54は、赤外波長域におけるNH3の吸収バンドに対応する3030〜3300nm(3300〜3030cm−1)、4545〜5882nm(2200〜1700cm−1)、6993〜7194nm(1430〜1390cm−1)の少なくとも一つの波長域の測定光を出射できればよい。尚、これらの波長域(波数範囲)は、装置の仕様によって前後する。
For example, in the
図4に示すように、測定部55は、直方体形状のケース55aを備えている。ケース55aは、上壁部55b、下壁部55c、側壁部55d,55e、前壁部55f及び背壁部(図示せず)を備え、各壁部55b〜55fの内側には測定室55gが区画形成されている。また、上壁部55b及び下壁部55cには、バイパス路15aの上流側及び下流側に接続される導入路55h及び導出路55iが設けられている。導入路55h及び導出路55iは測定室55gに連通され、バイパス路15aの排気を測定室55gに供給及び排出する。
As shown in FIG. 4, the
測定室55gには多孔質体60が充填されている。多孔質体60は、NO2吸着量の大きい材料からなり、例えばゼオライトから構成されている。ゼオライトは表面及び内部に細孔を有しており、水等の分子に対して吸着性が高い。NOxに関しては、ゼオライトはNOよりもNO2に対する吸着性が高いものが多い。多孔質体60は、粒状に形成され、粒径は、測定室55g全体に多孔質体60を充填した状態で測定光が測定室55gを通過できる程度の大きさである。粒径はおよそ数mm〜十数mmである。尚、多孔質体60が粉体であると、光透過量が少なくなり、導出路55iから排気と共に排出される可能性があり、圧力損失も大きくなる。導入路55hから測定室55gに導入された排気は、多孔質体60の間隙を通りながら導出路55iから排出される。このとき多孔質体60は、排気中のNO2だけでなく、水等の他の物質も吸着する。
The
ケース55aの前壁部55f及び背壁部は、石英ガラス等の耐熱性を有する透光性材料からなる窓材Wから構成される。これらの窓材Wは平行に設けられ、入射側の窓材Wは測定光を透過させ、出射側の窓材Wは測定室55gを通過した光を透過する。測定室55gに入射した測定光は、多孔質体60の表面に反射し、多孔質体60の隙間や他の多孔質体60の表面に再入射する等して測定室55g内を拡散していく。このため多孔質体60にNO2が吸着していると、測定光の一部が反射を繰り返す過程でNO2に吸収され、背壁部より検出装置56側へ透過光として出射される。このように測定部55からは特定波長の光が繰り返しNO2に吸収された透過光が得られるので、光路長が短くても検出装置56によりNO2濃度を検出可能となる。
The
また側壁部55d,55eは、ヒータHを兼ねている。ヒータHは、例えば板状の絶縁体に発熱体を埋設した構成であって、ECU19によって駆動される。またケース55aには、温度センサ55tが設けられている。ECU19は温度センサ55tの測定温度に基づき、ヒータHを所定温度に駆動する。例えばヒータHは、測定工程において多孔質体60を100℃に加熱し、多孔質体60に吸着する水分量を極力低減する。また、多孔質体60を100℃以上の再生温度で加熱することによって、多孔質体60に吸着したNO2の脱離を促す。
The
測定部55の上流及び下流には開閉弁57,58がそれぞれ設けられている。測定室55gに光を透過させて測定を行う時には一時的に開閉弁57,58を閉じて、測定室55g内の測定物質の濃度変動やガスの流動に起因するノイズを抑制する。
On-off
検出装置56は、透過光を電気信号に変換する光電子増倍管、半導体素子等、公知の検出器を用いることができる。検出装置56は、特定波長域の光強度を電気信号に変換してECU19に出力する。ECU19は検出装置56から測定信号を受信して、吸収強度として透過率又は吸光度を算出する。
As the
ECU19は、バックグラウンドデータと、NO2濃度及びNH3濃度を算出するための検量マップを格納している。バックグラウンドデータは、測定部55に例えば乾燥空気等を流して測定したデータであり、ゼオライト自体の光吸収強度等が反映されている。該データと検出装置56から受信した測定信号とを比較することにより、排ガスに含まれる物質の吸収強度を算出する。また、検量マップは、例えば透過率とNO2濃度とを関連付けた検量線をマップにしたものであり、検量線は同じ温度条件及び圧力条件で予め実験等によって求められている。またECU19は、第2センサユニット42及び第3センサユニットに対しても同様のバックグラウンドデータ及び検量マップをそれぞれ備えている。
The
次に、第3センサユニット43の構成について説明する。図5に示すように、第3センサユニット43は、センサ本体50及びオリフィスプレート59を備えている。センサ本体50は、第1及び第2センサユニット41,42に備えられたセンサ本体50と同じ構成である。測定部55は、オゾン供給路33から分岐したバイパス路33aに連通されている。バイパス路33aの始端及び終端はオゾン供給路33に連結されている。また第3センサユニット43の光源装置53及び分光器54は、第1センサユニット41とほぼ同じ構成であるが、紫外域の光を出射する点で第1センサユニット41と異なる。
Next, the configuration of the
また、オリフィスプレート59は、オゾン供給路33のうちバイパス路33aの始端及び終端の間に設けられている。オリフィスプレート59の中央には、円形状の貫通孔59aが形成されている。オゾン供給路33にはオゾン発生器31が発生するオゾンが正圧で供給される一方、オリフィスプレート59によってオゾン供給路33の流路抵抗が高められるので、バイパス路33aにもオゾンを安定して供給することができる。これらの光源装置53及び分光器54が出射可能な光の波長域は、例えば200nm〜300nm等、O3分子の伸縮運動や変角運動等のエネルギー準位の遷移に基づく吸収波長を少なくとも一つ含んでいればよく、それ以外の波長域には対応していなくてもよい。
The
(動作)
次に、排気浄化システム20の動作について説明する。ECU19は、所定のサンプリング間隔毎等に各センサユニット41〜43を駆動して測定を行う。各センサユニット41〜43の測定タイミングは同期していることが好ましい。
(Operation)
Next, the operation of the
またECU19は、所定期間毎、又は測定が終了した直後等のタイミングで、第1〜第3センサユニット41〜43のヒータHを駆動して多孔質体60を再生させる。このときECU19は、吸引ポンプ51を駆動して脱離した物質を排出する。多孔質体60の再生は、光源装置53及び検出装置56の駆動を停止させた状態で行われる。このとき、上流側の開閉弁57のみ閉じて、下流側の開閉弁58を開き、多孔質体60から脱離した物質を測定部55から排出する。再生が完了すると、吸引ポンプ51を停止するとともに開閉弁57,58を閉じて多孔質体60への水分等の吸着を抑制する。このため測定室55g内は負圧状態となる。
Further, the
測定は多孔質体60の再生が完了した状態で行われる。この際ECU19は、ヒータHを駆動するとともに、開閉弁57,58を開き、測定室55gに排ガスを供給する。測定室55gは負圧であり多孔質体60内の水分は少ないため、NO2が多孔質体60に吸着する。またECU19は、圧力センサ52及び温度センサ55tから圧力測定値及び温度測定値を受信する。そして、吸引ポンプ51を駆動してバイパス路15aの圧力を目標圧力に近づけ、ヒータHを駆動して多孔質体60を100℃に加熱する。
The measurement is performed in a state where the regeneration of the
そしてNO2の吸着に要する所定時間が経過すると、上流側の開閉弁57及び下流側の開閉弁58を閉じる。このため、排気の流入によるNO2濃度の変化、ガス流動によるノイズを極力排除できる。またECU19は、光源装置53及び検出装置56を駆動する。分光器54が移動ミラー等を有するものであれば分光器54も駆動する。光源装置53から出射された測定光は測定部55内を拡散した後、窓材Wから出射され、検出装置56に入射する。検出装置56は光強度を測定信号に変換してECU19に出力する。測定が終了すると、再びヒータH及び吸引ポンプ51が駆動して、多孔質体60に吸着した物質を脱離させて再生させる。多孔質体60の再生が完了し次の測定まで待機時間が設けられるときは、開閉弁57,58を閉じたままにする。尚、開閉弁57,58を閉じたままにするときはヒータHは駆動させず、開閉弁57,58を開く場合には多孔質体60を100℃に加熱する。
When a predetermined time required for NO 2 adsorption elapses, the upstream side open /
一方ECU19は、排気温度に基づいてオゾン生成装置30の駆動を開始する。例えば温度センサ62から取得した排気温度が200℃以下の低温であるとき、ECU19はオゾン生成装置30を駆動し、排気温度が200℃超の高温であるときオゾン生成装置30を停止する。排気温度が200℃超のとき、排気に含まれるNOの一部をNO2に変換しなくても、NOxが選択還元型触媒21でアンモニアと反応してN2に速やかに還元されるためである。従って、ECU19は排気温度が200℃を超えるとき、第1センサユニット41及び第3センサユニット43の駆動を停止する。
On the other hand, the
ECU19は、第1センサユニット41から受信した測定信号と、バックグラウンドデータ及び検量マップに基づき、上述したようにセンサ本体50におけるNO2濃度を算出する。さらにECU19は、算出したNO2濃度、NOxセンサ63から受信した測定信号に基づきNO:NO2の比を算出する。また、バイパス路15aの圧力、排気通路15に設けられた圧力センサ61から受信した圧力、算出したNO:NO2に基づき、排気通路15におけるNOの流量を演算する。そしてECU19は、NO流量と同量、又はNO流量よりも所定量だけ多い量を、オゾン供給量として算出する。そしてECU19は、オゾン供給量に基づき、オゾン発生器31に供給する空気流量、出力パワー等の放電条件を設定する。
The
またECU19は、オゾン発生器31の空気流量を取得するとともに第3センサユニット43の検出装置56から測定信号を受信する。そしてECU19は、測定信号に基づき吸収強度を求めた後、検量マップを用いてオゾン濃度を算出する。さらにECU19は、NO:NO2の比に基づき算出されたオゾン供給量に対し過不足を判断する。オゾン供給量に不足があれば放電条件を変更したりオゾン発生器31の冷却を促進する等の動作を行い、オゾン供給量が過剰であればパルス周波数を低減する等、放電条件を変更する。その結果、NO:NO2の比は1:1に近づく。
The
ECU19は、図示しない負荷センサ等に基づき尿素水供給量を演算する。同時にECU19は第2センサユニット42の検出装置56から測定信号を受信し、NH3濃度を算出する。このとき、ECU19は、NH3濃度が第1センサユニット41に基づき算出したNO流量の2倍に相当する目標濃度に近づくように尿素水供給量を調整してもよい。或いは第2センサユニット42が選択還元型触媒21近傍に設けられている場合には、NH3濃度によってのNH3の消費状態が予測できるため、NH3濃度が「0」に等しい場合には、尿素水供給量を若干量増加させながら、調整を行うようにしてもよい。尿素水供給量が決定すると、ECU19は、ポンプ26を駆動するとともに流量調整弁27の開度をその噴射量に応じて制御し、尿素水供給ノズル24に駆動パルスを印加する。その結果、尿素水供給ノズル24が駆動パルスに応じて開き、尿素水が排気通路15に噴射される。
The
以上説明したように、本実施形態のセンサシステムによれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
(1)上記実施形態によれば、センサ本体50の測定部55に収容された多孔質体60は粒状であるので、測定物質を吸着しつつ測定光を透過させる。即ちセンサ本体50の測定室55gに入射した測定光は、測定物質を吸着した多孔質体60の粒の間を繰り返し反射しながら拡散するので測定光が進む光路は長くなる。このため、同じ検出濃度範囲が設定され且つ多孔質体60が収容されていないセンサに比べ、測定室自体の長さを短くすることができる。換言すると同じ大きさの測定部55を有し且つ多孔質体60が収容されていないセンサに比べ、検出可能な濃度の下限値を小さくすることができる。従って、エンジン周辺の限られた空間におけるガスセンサの占有スペースを縮小できる。さらにセンサ本体50は多孔質体60を加熱するヒータHを備えるので、多孔質体60への水の吸着を抑制するとともに再生を行うことができる。また検出装置56は、物質固有の吸収波長における光強度を検出するので、排気に含まれる特定の物質の濃度を検出することができる。
As described above, according to the sensor system of the present embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) According to the above embodiment, the
(2)上記実施形態によれば、排気浄化システム20は、NO2を測定する第1センサユニット41、及びNH3を測定する第2センサユニットを備える。また、各センサ本体50は吸着性の高いゼオライトを多孔質体60として用いるので、排気に含まれるNH3及びNO2が低濃度であっても、ゼオライトにおける吸着量が大きくなるために測定可能となる。また、検出装置56は、NH3固有の吸収波長域又はNO2固有の吸収波長域における強度を検出するので、排気に含まれるNH3又はNO2の濃度を独立して検出することができる。
(2) According to the above embodiment, the
(3)上記実施形態によれば、排気浄化システム20は、O3を測定する第3センサユニット43を備える。また吸着性の高いゼオライトを多孔質体として用いるので、オゾンが低濃度であっても、ゼオライトにおける吸着量が大きくなるために測定可能となる。また、検出装置は、オゾン固有の吸収波長域における強度を検出するので、オゾン濃度を独立して検出することができる。
(3) According to the above embodiment, the
(4)上記実施形態によれば、測定室55gへのガスの供給及び測定室55gからのガスの排出を停止する開閉弁57,58を、センサ本体50の上流側及び下流側に備えた。このため開閉弁57,58を閉じることにより、測定室55gに一時的に排気を封入して測定条件を安定させることができる。また、上流側の開閉弁57を閉じてヒータHを駆動することにより多孔質体60の再生を行うことができる。このため、測定及び多孔質体の再生を繰り返すことによって連続的にセンサを利用することができる。
(4) According to the above embodiment, the on-off
(5)上記実施形態によれば、センサ本体50は、ケース55aに透光性を有する一対の窓材を備えた。一方の窓材は測定光を多孔質体60に入射し、他方の窓材は、一方の窓材と平行に設けられ、多孔質体60の間を拡散した光を前記ケース外へ出射する。このため検出装置56は、測定部55からの反射光を測定するのではないため、反射ミラー等の光学系が不要となる。
(5) According to the embodiment, the
尚、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、センサ本体50のケース55aの窓材Wを平行に設けて、測定光が一方の窓材Wから入射し他方の窓材Wから出射するようにした。これ以外に、直方体形状のケース55aの一面のみに窓材を設け、この窓材から測定光を入射させるとともに、測定室55g内で拡散反射した光を出射してもよい。この場合、ケース55aに対して入射側又は反射側に、入射光の角度又は反射光の角度を調整する光学系が必要となる。
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
In the above embodiment, the window material W of the
・上記実施形態では、センサ本体50を、シングルビーム式のセンサとしたが、ダブルビーム式のセンサとしてもよい。ダブルビーム式の場合参照用のセルが必要になるため、排気等を供給するセンサ本体50と参照用のセンサ本体50とを設ける。ダブルビーム式の場合には、熱や振動の影響を極力省きやすくなる。
In the above embodiment, the
・上記実施形態では、多孔質体60の再生が完了し次の測定まで待機時間が設けられるときは、開閉弁57,58を閉じた状態に維持したが、再生と測定の制御パターンはこれに限定されない。例えば、再生時以外には、開閉弁57,58を開いた状態として測定部55に所定時間排ガスを流し、その間排ガス量を加算してもよい。
In the above embodiment, when the regeneration of the
・上記実施形態では、第1センサユニット41及びNOxセンサ63を用いてNO:NO2の比を算出したが、NOxセンサ63の代わりにNO濃度を検出するセンサユニットを設けてもよい。このセンサユニットは、各センサユニット41〜42と同一の構成でもよく、異なっていても良い。
In the above embodiment, the NO: NO 2 ratio is calculated using the
・上記実施形態では、センサ本体50は一定の温度条件及び圧力条件で測定物質の濃度を測定したが、温度及び圧力が変化する状況で測定してもよい。この場合にはECU19は、温度及び圧力に応じて検量線を変化させた検量マップを格納する。
In the above embodiment, the
・上記実施形態では、ヒータHは測定工程において多孔質体60を常時100℃に加熱するようにしたが、測定時にヒータHの加熱を停止してもよい。この場合には熱によるノイズを極力低下させることができる。
In the above embodiment, the heater H constantly heats the
・図6に示すように、センサ本体50は、一つの開閉弁57を設けた構成であってもよい。この構成であっても開閉弁57を閉じることにより多孔質体60の再生を行うことができる。
As shown in FIG. 6, the sensor
・光源装置53、分光器54、測定部55及び検出装置56は、上述したように図3の配置パターンに限定されない。例えば光源装置53及び分光器54と測定部55とが接触していてもよく、測定部55及び検出装置56が接触していてもよい。この場合には、測定部55の熱の影響を軽減するために分光器54や検出装置56等との間に冷却器や断熱材を設けることが好ましい。
-The
・上記実施形態では、排気浄化システム20に第1〜第3センサユニット41〜43を設けたが、少なくとも一つのセンサユニットが設けられていればよい。例えば第1センサユニット41だけでもNO:NO2の比を算出できるので、オゾン供給量を最適化することができる。
In the above embodiment, the first to
・上記実施形態では、測定対象を、NO2、NH3、O3としたが、多孔質体60に吸着可能な物質であれば他の物質でもよい。例えばホルムアルデヒド、トルエン等の揮発性有機化合物、アミン系化合物等でもよい。又はガス中の水分量を測定するセンサ及びセンサシステムとして利用してもよい。
In the above embodiment, the measurement object is NO 2 , NH 3 , O 3 , but other substances may be used as long as they can be adsorbed on the
・上記実施形態では、ガスセンサ及びセンサシステムをエンジンに搭載し、排気の含有物質を測定する目的で使用したが、この用途に限られず、他の装置や移動体に搭載してもよい。
・第3センサユニット43は、オゾン供給路33に直接設けてもよい。
In the above embodiment, the gas sensor and the sensor system are mounted on the engine and used for the purpose of measuring the content of exhaust gas. However, the present invention is not limited to this application, and may be mounted on other devices or moving bodies.
The
・上記実施形態では尿素水供給装置22は、尿素水を添加する構成としたが、尿素水を霧状にした後アンモニアに変換する尿素水改質器を備えた構成としてもよい。
・上記実施形態ではセンサシステムを、エンジン11のうち排気浄化システム20に適用したが、他の機構に設けてもよい。
In the above embodiment, the urea
In the above embodiment, the sensor system is applied to the
・上記実施形態では、センサシステムをターボ過給機付きのエンジンに搭載したが、自然吸気型エンジンに適用してもよく、スーパーチャージャー付のエンジンに搭載してもよく、エンジンの構成は特に限定されない。また、センサシステムが適用されるエンジンを車両のエンジンとしたが、船舶、航空機のエンジンであってもよい。 In the above embodiment, the sensor system is mounted on an engine with a turbocharger. However, the sensor system may be applied to a naturally aspirated engine or an engine with a supercharger, and the configuration of the engine is particularly limited. Not. Moreover, although the engine to which the sensor system is applied is the engine of the vehicle, it may be an engine of a ship or an aircraft.
11…エンジン、15…排気通路、15a,33a…バイパス路、20…排気浄化システム、31…オゾン発生器、33…連通路としてのオゾン供給路、41…センサシステムを構成する第1センサユニット、42…センサシステムを構成する第2センサユニット、43…センサシステムを構成する第3センサユニット、53…光源装置、55a…ケース、55e…ヒーター、55g…測定室、55h…導入路、55i…導出路、56…検出装置、57,58…開閉弁、60…多孔質体、W…窓材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Engine, 15 ... Exhaust passage, 15a, 33a ... Bypass passage, 20 ... Exhaust purification system, 31 ... Ozone generator, 33 ... Ozone supply passage as communication passage, 41 ... 1st sensor unit which comprises a sensor system, 42 ... a second sensor unit constituting the sensor system, 43 ... a third sensor unit constituting the sensor system, 53 ... a light source device, 55a ... a case, 55e ... a heater, 55g ... a measurement chamber, 55h ... an introduction path, 55i ... a derivation. Road, 56 ... detecting device, 57, 58 ... open / close valve, 60 ... porous body, W ... window material.
Claims (7)
測定物質を測定するガスセンサは、
測定室を有するケースと、
前記測定室へ測定物質を含有するガスを供給する導入路と、
前記測定室に収容され、前記測定物質を吸着する粒状の多孔質体と、
前記測定室を通過したガスを排出する導出路と、
前記多孔質体を加熱するヒーターと、
前記多孔質体へ特定波長域の測定光を照射する光源装置と、
前記多孔質体に反射し前記測定室内を拡散した拡散反射光を受けて特定波長域における吸収強度を検出して測定物質濃度を算出する検出装置とを備えたことを特徴とするセンサシステム。 In the sensor system installed in the engine exhaust purification system,
The gas sensor that measures the measurement substance is
A case having a measurement chamber;
An introduction path for supplying a gas containing a measurement substance to the measurement chamber;
A granular porous body accommodated in the measurement chamber and adsorbing the measurement substance;
A lead-out path for discharging the gas that has passed through the measurement chamber;
A heater for heating the porous body;
A light source device that irradiates the porous body with measurement light in a specific wavelength range; and
A sensor system comprising: a detection device that receives diffusely reflected light reflected by the porous body and diffused in the measurement chamber to detect an absorption intensity in a specific wavelength region and calculate a measurement substance concentration.
始端及び終端が前記エンジンの排気通路に接続するバイパス路に設けられ、
ゼオライトからなる前記多孔質体が前記測定室に収容され、
前記光源装置は赤外域の測定光を前記測定室に出射し、
前記検出装置は前記測定光を受けてアンモニアの吸収波長域又は二酸化窒素の吸収波長域における光強度を検出する請求項1に記載のセンサシステム。 The gas sensor
A starting end and a terminating end are provided in a bypass path connected to the exhaust passage of the engine;
The porous body made of zeolite is accommodated in the measurement chamber,
The light source device emits measurement light in the infrared region to the measurement chamber,
The sensor system according to claim 1, wherein the detection device receives the measurement light and detects light intensity in an absorption wavelength region of ammonia or an absorption wavelength region of nitrogen dioxide.
前記エンジンの排気通路及び該排気通路にオゾンを添加するオゾン発生器の間に設けられた連通路、又は該連通路を迂回するバイパス路に設けられ、
ゼオライトからなる前記多孔質体が前記測定室に収容され、
前記光源装置は紫外域の測定光を前記測定室に出射し、
前記検出装置は前記測定光を受けてオゾンの吸収波長域における光強度を検出する請求項1又は2に記載のセンサシステム。 The gas sensor
Provided in a communication passage provided between an exhaust passage of the engine and an ozone generator for adding ozone to the exhaust passage, or a bypass passage that bypasses the communication passage;
The porous body made of zeolite is accommodated in the measurement chamber,
The light source device emits ultraviolet measurement light to the measurement chamber,
The sensor system according to claim 1, wherein the detection device receives the measurement light and detects light intensity in an absorption wavelength region of ozone.
前記ケースに透光性を有する一対の窓材を備え、前記一方の窓材は測定光を前記多孔質体に入射し、前記他方の窓材は、前記一方の窓材と平行に設けられ、前記多孔質体の間を拡散した光を前記ケース外へ出射する請求項1〜4のいずれか1項に記載のセンサシステム。 The gas sensor
The case includes a pair of light-transmitting window members, the one window member makes measurement light incident on the porous body, and the other window member is provided in parallel with the one window member, The sensor system according to claim 1, wherein light diffused between the porous bodies is emitted out of the case.
前記測定室へ測定物質を含有するガスを供給する導入路と、
前記測定室に収容され、前記測定物質を吸着する粒状の多孔質体と、
前記測定室を通過したガスを排出する導出路と、
非測定時に前記多孔質体を加熱するヒーターと、
前記多孔質体へ特定波長域の測定光を照射する光源装置と、
前記多孔質体に反射し前記測定室内を拡散した拡散反射光を受けて特定波長域における吸収強度を検出して測定物質濃度を算出する検出装置とを備えたガスセンサ。 A case having a measurement chamber;
An introduction path for supplying a gas containing a measurement substance to the measurement chamber;
A granular porous body accommodated in the measurement chamber and adsorbing the measurement substance;
A lead-out path for discharging the gas that has passed through the measurement chamber;
A heater for heating the porous body during non-measurement;
A light source device that irradiates the porous body with measurement light in a specific wavelength range; and
A gas sensor comprising: a detection device that receives diffusely reflected light reflected on the porous body and diffused in the measurement chamber to detect an absorption intensity in a specific wavelength range and calculate a measurement substance concentration.
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