JP2014215069A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスセンサ素子を保護するカバーに開設されているガス流通孔のPMによる目詰まりを解消し、このことによるセンサ応答性低下を効果的に抑制することのできるガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子１と、ガスセンサ素子１を保持するハウジング２と、ハウジング２に保持されてガスセンサ素子１の周囲に配設されているインナーカバー４と、ハウジング２に保持されてインナーカバー４の周囲に隙間Ｇを介して配設されているアウターカバー３と、を備え、アウターカバー３に開設されている第１のガス流通孔３ａを介し、隙間Ｇを介し、インナーカバー４に開設されている第２のガス流通孔４ａを介して流通してきたガスがガスセンサ素子１に提供されるようになっているガスセンサ１０において、インナーカバー４の隙間Ｇに対向する外面４ｂのうち、少なくとも第２のガス流通孔４ａの周囲に酸化触媒５が担持されている。
【選択図】図１
【解決手段】ガスセンサ素子１と、ガスセンサ素子１を保持するハウジング２と、ハウジング２に保持されてガスセンサ素子１の周囲に配設されているインナーカバー４と、ハウジング２に保持されてインナーカバー４の周囲に隙間Ｇを介して配設されているアウターカバー３と、を備え、アウターカバー３に開設されている第１のガス流通孔３ａを介し、隙間Ｇを介し、インナーカバー４に開設されている第２のガス流通孔４ａを介して流通してきたガスがガスセンサ素子１に提供されるようになっているガスセンサ１０において、インナーカバー４の隙間Ｇに対向する外面４ｂのうち、少なくとも第２のガス流通孔４ａの周囲に酸化触媒５が担持されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、排ガス中の粒子状物質を燃焼除去可能なガスセンサに関するものである。
各種産業界においては、環境影響負荷低減に向けた様々な取り組みが世界規模でおこなわれており、中でも、自動車産業においては、燃費性能に優れたガソリンエンジン車は勿論のこと、ハイブリッド車や電気自動車等のいわゆるエコカーの普及とそのさらなる性能向上に向けた開発が日々進められている。
ここで、ディーゼル車を取り挙げた場合に、ディーゼル車から発せられる排ガス中には、煤を主成分とする多量の粒子状物質(PM: Particulate Matter)が含まれており、ガスセンサを構成するカバーに開設されたガス流通孔にこのPMが堆積して孔を塞ぎ、ガスセンサの応答遅れが発生することが問題となっている。
ここで、ガスセンサの一般的な構成を特許文献１を参照して説明すると、ガスセンサ素子をインナーカバーが包囲して被測定ガス室を構成し、インナーカバーをアウターカバーが包囲する構成において、アウターカバーとインナーカバーの双方にガス流通孔が開設されていて、これらのガス流通孔を介してガスセンサ素子に被測定ガスが提供される構成となっている。ガスセンサの中央に配設されたガスセンサ素子はガス濃度測定のために排ガスに接触しなければならない一方で、ガスセンサ素子を排ガスからの被毒による特性悪化や被水による素子割れから保護する必要がある。そのために、ガスセンサ素子を覆うようにインナーカバーとアウターカバーが設けられている。
このようにガスセンサ素子を被毒による特性悪化や被水による素子割れから保護するインナーカバーとアウターカバーにおいては、それらの有するガス流通孔を順次介して被測定ガス室に排ガスが繰り返し流通する過程で、上記するようにPMが堆積して孔を塞いでしまうというものである。
ところで、インナーカバーのガス流通孔付近の温度に関し、通常の走行モードではPMの燃焼温度である600℃以上にまで上昇することは少なく、このことから、流通する排ガスの温度でPMを燃焼させて除去し、ガス流通孔のPMによる目詰まりを防止するのは難しい。
そこで、排ガスの温度を上昇させ、強制的にPMの燃焼をおこなう制御も考えられるが、排ガスの温度を過度に上昇させることは燃費悪化やエミッション悪化の要因となりかねず、得策とは言い難い。
そこで、上記課題を解消するべく、特許文献２には、触媒を担持した金属繊維不織布を保護カバーとしてガスセンサ素子を覆う構成のガスセンサが開示されている。
しかしながら、金属繊維不織布を用いた保護カバーにおいては、カバーの目が細かいためにアッシュやデポジットなどの排ガス中に含まれる難燃性固体の固着による目詰まりが想定され、目詰まりによって排ガス通過が阻害される恐れがある。
また、保護カバーの熱伝導度が大きいことから、排ガスとの接触による熱放出が大きく、ガスセンサ素子を加熱するためのヒータの消費電力が大きくなる恐れもある。さらに、セラミックス粒子からなる触媒と金属繊維の濡れ性の低さから、触媒の剥離による性能低下の可能性を否定できない。
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサ素子を保護するカバーに開設されているガス流通孔のPMによる目詰まりを解消し、このことによるセンサ応答性低下を効果的に抑制することのできるガスセンサを提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明によるガスセンサは、ガスセンサ素子と、ガスセンサ素子を保持するハウジングと、ハウジングに保持されてガスセンサ素子の周囲に配設されているインナーカバーと、ハウジングに保持されてインナーカバーの周囲に隙間を介して配設されているアウターカバーと、を備え、アウターカバーに開設されている第１のガス流通孔を介し、前記隙間を介し、インナーカバーに開設されている第２のガス流通孔を介して流通してきたガスがガスセンサ素子に提供されるようになっているガスセンサにおいて、インナーカバーの前記隙間に対向する外面のうち、少なくとも第２のガス流通孔の周囲に酸化触媒が担持されているものである。
本発明のガスセンサは、特にガスセンサ素子を包囲するインナーカバーにおいて、アウターカバーと対向する外面のうち、少なくともガス流通孔の周囲に酸化触媒が担持されていることにより、このガス流通孔を排ガスが流通する過程でそこに含まれるPMを補足することができ、補足されたPMを酸化触媒で燃焼させることでガス流通孔のPMによる目詰まりを解消することのできるものである。
ここで、「酸化触媒」とは、PM燃焼触媒、炭素系物質燃焼触媒と称することもでき、PMを600℃以下（好ましくは500℃以下）の温度で燃焼可能な触媒が好ましい。
この酸化触媒に関し、一般にPM燃焼触媒として適用されるPt/Pd系触媒では、PMの燃焼温度が550〜600℃程度であり、記述するように通常の走行モードではPMを燃焼させることが難しく、PMを完全に燃焼除去するにはヒータによる加熱が必要となる。PMを350〜500℃程度で燃焼可能な酸化触媒として、アルカリ金属やアルカリ土類金属を含んでいる酸化触媒を適用した場合に、通常の走行モードにおいても排ガスの熱で効率的にPMを燃焼除去することが可能となり、ヒータ加熱による電力消費を抑制できる。
このような酸化触媒としては、アルミノケイ酸塩（ソーダライト）と、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を溶媒中で混合し、混合液を加熱して水分を蒸発させて固形分を得た後、600℃以上で焼成等して形成された酸化触媒が好適である。
この酸化触媒は、排ガス中の水分への触媒成分の溶出による劣化を防止することもでき、長期安定的にPMの燃焼除去をおこなうことができる。
また、「少なくとも第２のガス流通孔の周囲に酸化触媒が担持されている」とは、インナーカバーの外面において、ガス流通孔の周囲のみに酸化触媒が担持されている形態のほか、インナーカバーの外面の全域に酸化触媒が担持されている形態なども含む意味である。
また、本発明によるガスセンサの好ましい実施の形態は、インナーカバーがFe-Cr-Al系メタル担体から形成されているものである。
一般に使用される酸化触媒としては、アルミナ等のセラミックス粒子に貴金属触媒が担持されたものであるが、インナーカバーがSUS等の金属素材で形成されている場合、このようにセラミックス粒子を担体に持つ酸化触媒に対する濡れ性が悪く、長期間のガスセンサの供用によって酸化触媒の剥離が生じる恐れがある。
そこで、セラミックスとの濡れ性が良好なFe-Cr-Al系メタル担体から形成されているインナーカバーを適用することで、酸化触媒を担持するセラミックス担体の剥離を抑制でき、長期安定的にPMの燃焼除去をおこなうことができる。
また、本発明によるガスセンサの好ましい実施の形態は、酸化触媒の担持厚さが前記隙間の高さの1/3以下となっているものである。
酸化触媒の活性や耐久性の観点で言えば、可能な限り多くの酸化触媒をインナーカバーの外面に担持するのが好ましいものの、酸化触媒が厚くなり過ぎると、酸化触媒自体がガス流れを阻害してしまい、ガスセンサの応答性が悪化させる恐れがある。そこで、本発明者等による検証の結果、酸化触媒の好ましい担持厚さを、インナーカバーとアウターカバーの間の隙間の高さの1/3以下に規定したものである。
以上の説明から理解できるように、本発明のガスセンサによれば、インナーカバーの隙間に対向する外面のうち、少なくともガス流通孔の周囲に酸化触媒が担持されており、好ましくはPMを600℃以下の温度で燃焼可能な酸化触媒が担持されていることにより、このガス流通孔を排ガスが流通する過程でそこに含まれるPMを補足することができ、補足されたPMを酸化触媒によって通常走行モードでの排ガス温度にて燃焼除去することができ、ガス流通孔のPMによる目詰まりを効果的に解消することができる。
以下、図面を参照して本発明のガスセンサの実施の形態を説明する。図１は、本発明のガスセンサを説明した模式図であってその横断面を示したものであり、図２は図１中のII部の矢視図である。
図１で示すガスセンサ１０は、内燃機関に適用する酸素センサであって、被測定ガスと接触するガスセンサ素子１と、このガスセンサ素子１を防護するインナーカバー４とアウターカバー３と、これらのカバー３，４とガスセンサ素子１を保持するハウジング２と、から大略構成されている。
ガスセンサ素子１を防護するカバーはアウターカバー３とインナーカバー４の二重構造となっており、双方の間には一定幅の隙間Ｇが設けてあり、それぞれのカバー３，４には被測定ガスが流通するガス流通孔３ａ、４ａが開設されている。外部からガスセンサ１０へ流通してきた排ガスは、ガス流通孔３ａを介し、隙間Ｇを介し、ガス流通孔４ａを介してガスセンサ素子１に提供されるようになっている（Ｘ１方向）。
このガスセンサ１０において、インナーカバー４の隙間Ｇに対向する外面４ｂのうち、ガス流通孔４ａの周囲には酸化触媒５が担持されている。
ここで、この酸化触媒（の特に担体に担持される触媒）としては、アルミノケイ酸塩（ソーダライト）と、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を溶媒中で混合し、混合液を加熱して水分を蒸発させて固形分を得た後、600℃以上で焼成して形成された酸化触媒が適用される。
アルカリ金属としては、Na、K、Rb、およびCsから選ばれる一種以上が適用され、アルカリ土類金属としては、Ca、Sr、およびBaから選ばれる一種以上が適用される。
これらアルカリ金属やアルカリ土類金属は、それぞれ炭酸塩や硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩、有機酸塩、ハロゲン化物、酸化物、もしくは水酸化物であってもよい。
また、アルミノケイ酸塩としては、ソーダライトを用いることができ、このソーダライトは、一般式3(Na2O・Al2O3・2SiO2)・2NaXで表される。ここで、Xは、一価の陰イオンとなる原子または原子団であり、たとえばF、Cl、Br、I等のハロゲンもしくはOH等である。
また、この酸化触媒の形成において使用される溶媒（極性溶媒）としては、水のほか、メタノール、エタノール等のアルコールを用いることができ、中でも水よりも揮発し易い溶媒を用いるのがよい。
この種の酸化触媒（炭素系物質燃焼触媒）が優れた触媒活性を発揮する理由は、原料であるアルミノケイ酸塩（ソーダライト）中のNa、アルカリ金属やアルカリ土類金属が触媒活性に寄与していると考えられる。すなわち、この種の酸化触媒においては、ソーダライト中のNaと、アルカリ金属やアルカリ土類金属が炭素系物質の燃焼促進特性を発揮していると考えられる。また、この種の酸化触媒は、その構造中に比較的強い結合力でアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を保持しており、水分の存在下においてもこれらの金属元素が溶出し難くなっているため、触媒活性の低下を抑制することができる。
図示する酸化触媒５は、コージェライトやアルミナ、チタン酸アルミ、SiC、チタニア等の担体に、上記するアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を含む触媒が担持されて形成されている。
インナーカバー４の隙間Ｇに対向する外面４ｂのうち、ガス流通孔４ａの周囲に酸化触媒が担持されていることにより、ガス流通孔４ａを排ガスが流通する過程でそこに含まれるPMは酸化触媒５で補足される。そして、補足されたPMは排ガス中の酸素やNOx等の酸化性ガスによって酸化触媒５にて燃焼され、結果としてガス流通孔４ａのPMによる目詰まりが効果的に解消される。
図示例では、アルミノケイ酸塩（ソーダライト）と、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属からなる酸化触媒を使用することで、PMを350〜500℃程度で燃焼させることができる。すなわち、通常の走行モードにおいても排ガスの熱で効率的にPMを燃焼除去することができ、ヒータ加熱による電力消費の抑制が可能となる。
ここで、インナーカバー４の外面４ｂへの酸化触媒５の担持方法は、触媒含有スラリーのはけ等による塗布のほか、触媒含有スラリーへのインナーカバー４の浸漬、触媒含有スラリーのスプレー塗布、プラズマ溶射等が適用できる。なお、図示例以外にも、インナーカバー４の外面４ｂの全面に酸化触媒５が形成されている実施の形態であってもよい。また、インナーカバー４は、Fe-Cr-Al系メタル担体（たとえば新日鉄住金マテリアルズ（株）社製）から形成されている。
酸化触媒を構成する担体がアルミナ等のセラミックス粒子からなる場合に、インナーカバーがSUS等の金属素材で形成されているとセラミックス担体との濡れ性が悪く、長期間のガスセンサの供用によって酸化触媒の剥離が生じる恐れがある。そこで、セラミックスとの濡れ性が良好なFe-Cr-Al系メタル担体から形成されているインナーカバー４を適用することで、酸化触媒を担持するセラミックス担体の剥離を抑制でき、長期安定的にPMの燃焼除去をおこなうことができる。
また、酸化触媒５の担持厚さt2は、隙間Ｇの高さt1の1/3以下に調整されている。酸化触媒５の厚みが厚くなり過ぎると酸化触媒自体がガス流れを阻害してしまい、ガスセンサの応答性が悪化する恐れがあるため、酸化触媒５の好ましい担持厚さt2をこの範囲に規定したものである。
[酸化触媒の有無によるガスセンサのPM堆積後のセンサ応答性を検証する実験とその結果]
本発明者等は、酸化触媒の有無によるガスセンサのPM堆積後のセンサ応答性を検証する実験をおこなった。試験体として、インナーカバーのガス流通孔の周囲に酸化触媒を担持させたガスセンサ（実施例）と酸化触媒が担持されていないガスセンサ（比較例）を製作し、同条件にてPM堆積させた後に、NEDCモードで走行させた後のガスセンサのセンサ応答性（63%応答時間）を評価した。
本発明者等は、酸化触媒の有無によるガスセンサのPM堆積後のセンサ応答性を検証する実験をおこなった。試験体として、インナーカバーのガス流通孔の周囲に酸化触媒を担持させたガスセンサ（実施例）と酸化触媒が担持されていないガスセンサ（比較例）を製作し、同条件にてPM堆積させた後に、NEDCモードで走行させた後のガスセンサのセンサ応答性（63%応答時間）を評価した。
ここで、PM堆積条件に関し、エンジンの運転条件は1074rpmで40Nm、油水温40℃、BTDC330、A/F=14.0、運転時間は8時間とし、モード走行条件はNEDC（新欧州ドライビングサークル）とし、酸化触媒にはアルカリ系PM燃焼触媒を使用し、その担持量は1.0gとした。なお、このアルカリ系PM燃焼触媒は、アルミノケイ酸塩（ソーダライト）と、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を溶媒中で混合し、混合液を加熱して水分を蒸発させて固形分を得た後、600℃以上で焼成して形成したものである。試験結果を図３に示す。
同図より、PM堆積後の63%応答時間は620msecから1250msecと約2倍となっており、酸化触媒を担持しない比較例の63%応答時間は、モード走行後にほとんど変化がなかった（1250msec→1180msec）のに対し、酸化触媒を担持した実施例の63%応答時間はモード走行後に1250msecから680msecと、応答性が大幅に改善することが分かった。
これは、モード走行中の排ガス温度によっても、ガス流通孔付近に堆積したPMが十分に燃焼除去され、排ガスの流通性が良好になっているためであると考えられる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１…ガスセンサ素子、２…ハウジング、３…アウターカバー、３ａ…ガス流通孔（第１のガス流通孔）、４…インナーカバー、４ａ…ガス流通孔（第２のガス流通孔）、４ｂ…外面、５…酸化触媒、１０…ガスセンサ、Ｇ…隙間
Claims (4)
- ガスセンサ素子と、
ガスセンサ素子を保持するハウジングと、
ハウジングに保持されてガスセンサ素子の周囲に配設されているインナーカバーと、
ハウジングに保持されてインナーカバーの周囲に隙間を介して配設されているアウターカバーと、を備え、
アウターカバーに開設されている第１のガス流通孔を介し、前記隙間を介し、インナーカバーに開設されている第２のガス流通孔を介して流通してきたガスがガスセンサ素子に提供されるようになっているガスセンサにおいて、
インナーカバーの前記隙間に対向する外面のうち、少なくとも第２のガス流通孔の周囲に酸化触媒が担持されているガスセンサ。 - インナーカバーがFe-Cr-Al系メタル担体から形成されている請求項１に記載のガスセンサ。
- 酸化触媒がアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属を含んでいる請求項１または２に記載のガスセンサ。
- 酸化触媒の担持厚さが前記隙間の高さの1/3以下である請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
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