JP2015034814A - マルチガスセンサ及びマルチガスセンサ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このマルチガスセンサによれば、測定時において第1アンモニアセンサ部と第2アンモニアセンサ部との間にアンモニアに対する感度とNOxに対する感度との比に差があるため、NOxセンサ部、第1アンモニアセンサ部および第2アンモニアセンサ部のそれぞれから異なる値の出力を得ることができる。この3つの出力を用いて演算を行うことにより、NOxおよびアンモニアの濃度を求めることができる。
そして、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部が、マルチガスセンサ素子部のうち、温度検出部の軸線方向における両端によって幅方向に区切られた第1領域に、それぞれの少なくとも一部と重なるように、NOxセンサ部の外表面上に配置されている。マルチガスセンサ素子部の温度制御が温度検出部を基準にして行われるので、この温度検出部近傍においてマルチガスセンサ素子部の温度が最も安定した値(温度推定可能な値)に保たれることになる。よって、第1アンモニアセンサ部と第2アンモニアセンサ部とが温度検出部の近傍である第1領域に配置されることで、両アンモニアセンサ部の温度が安定した値に保たれるため、上記感度比自体の温度依存性を低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部が第1領域の領域内部に、それぞれの全部位が含まれるので、第1アンモニアセンサ部の全部位と第2アンモニアセンサ部の全部位とを温度検出部に確実に近接して配置させることができ、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、温度検出部が設けられる第2領域を幅方向に挟むように両アンモニアセンサ部が配置されるので、各アンモニアセンサ部がいずれも温度検出部に隣接することとなる。その結果、温度検出部に対して両アンモニアセンサ部が幅方向の片側に配置され、一方のアンモニアセンサ部のみが温度検出部に隣接する場合に比べて、第1アンモニアセンサ部と第2アンモニアセンサ部の温度差が抑制され、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部は、それぞれ第2領域から幅方向に離間しているので、両アンモニアセンサ部の第2領域からの距離を略同距離とすることができるため、第1アンモニアセンサ部と第2アンモニアセンサ部の温度差が抑制され、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、ヒータを積層方向に挟むようにNOx検知部と、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部とが配置されるので、NOx検知部と、両アンモニアセンサ部とがいずれもヒータに隣接することとなる(ヒータから略同一距離となる)。その結果、ヒータに対してNOx検知部と両アンモニアセンサ部とが積層方向の片側に配置される場合と比較して、熱源であるヒータからの距離が略同一である温度検出部の制御温度が、両アンモニアセンサ部にも精度よく反映され、両アンモニアセンサ部の温度制御をより正確に行うことができる。
ヒータが軸線方向に発熱部とリード部とを有する場合、軸線方向にヒータの発熱に分布が生じる。そこで、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部の少なくとも一部が軸線方向に重なっていることで、当該重なり部分では両アンモニアセンサ部がヒータから軸線方向に均等に加熱されるので、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、上述のように軸線方向にヒータの発熱に分布が生じる場合に、両アンモニアセンサ部のうち一方が軸線方向に他方に完全に重なり(他方の内側に位置するか、両アンモニアセンサ部が軸線方向に一致することとなり)、当該重なり部分では両アンモニアセンサ部がヒータから軸線方向により均等に加熱されるので、上記感度比自体の温度依存性をより一層低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、固体電解質体の片面に一対の電極をそれぞれ備える場合に比べ、固体電解質体の平面寸法、ひいては第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部の寸法を小さくすることができ、両アンモニアセンサ部を小型化することで、上述のような配置構造を容易に達成できると共に、両アンモニアセンサ部の位置による温度分布を小さくして上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部の軸線方向の寸法をより小さくすることができ、センサの小型化と共に、両アンモニアセンサ部の軸線方向の温度分布を小さくして上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
このマルチガスセンサによれば、共通の保護層を用いることで、第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部をそれぞれ覆う保護層の気孔率(ガス透過率)が一定であるため、被測定ガスが同一の割合で各アンモニアセンサ部に導入されるので、保護層により両アンモニアセンサ部の感度比がずれることを低減することができる。
このマルチガスセンサ装置によれば、上記本発明のマルチガスセンサが設けられているため、NOxセンサ部、第1アンモニアセンサ部および第2アンモニアセンサ部のそれぞれから異なる値の出力に基づいて演算を行い、NOxおよびアンモニアの濃度を出力することができる。
本実施形態のマルチガスセンサ装置400は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス(被測定ガス)に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する尿素SCRシステムに用いられるものである。より具体的には、排気ガスに含まれるNOxと、アンモニア(尿素)とを反応させた後の排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2)およびアンモニアの濃度を測定するものである。
なお、本実施形態のマルチガスセンサ装置400が適用されるエンジンは、上述のディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンにも適用することができ、特にエンジンの形式を限定するものではない。
マルチガスセンサ装置400は、制御装置(コントロ−ラ)300、及びこれに接続されるマルチガスセンサ200A(マルチガスセンサ素子部100A)を備えている。制御装置300は図示しない内燃機関(エンジン)を備える車両に搭載され、制御装置300はECU220に電気的に接続されている。なお、マルチガスセンサ200Aから伸びるリード線146の端はコネクタに接続され、このコネクタを制御装置300側のコネクタに電気的に接続するようになっている。
第1測定室S1のうち入口と反対端には第2拡散抵抗体8bが配置され、第2拡散抵抗体8bを介して第1測定室S1の右側には、第1測定室S1と連通する第2測定室(本発明の「NOx測定室」に相当)S2が画成されている。第2測定室S2は、第3固体電解質体6aを貫通して第1固体電解質体2aと第2固体電解質体4aとの層間に形成されている。
各絶縁層23a、23b、23c、23d、23eはアルミナを主体とし、第1拡散抵抗体8a及び第2拡散抵抗体8bはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、発熱抵抗体21は白金等からなる。又、発熱抵抗体21の発熱部は、例えば蛇行パターン状に形成されるがこれに限られない。
又、外側第1ポンピング電極2cの上面に相当する絶縁層23eはくり抜かれて多孔質体13が充填され、外側第1ポンピング電極2cと外部とを連通させてガス(酸素)の出入を可能としている。
なお、絶縁層23cは、第3固体電解質体6aに接する基準電極6cが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室15を形成している。そして、酸素濃度検出セル6にIcp供給回路54を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第1測定室S1から基準酸素室15内に送り込み、酸素基準とする。
なお、第2ポンピング対電極4cは、第2固体電解質体4a上における絶縁層23cの切り抜き部に配置され、基準電極6cに対向して基準酸素室15に面している。
なお、NOxセンサ部30Aのうち、発熱抵抗体21、及び絶縁層23b、23aを除く部位(例えば、第1ポンピングセル2、酸素濃度検出セル6、第2ポンピングセル4等)が特許請求の範囲の「NOx検知部」に相当する。
図3に示すように、マルチガスセンサ素子部100Aは、それぞれ幅方向に離間する第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yを有している。なお、図3では、第1アンモニアセンサ部42xのみ表示されている。
但し、アンモニアセンサ部の小型化が要求されない場合等には、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yは、固体電解質体42dx、42dyの片面に各一対の電極をそれぞれ備えてもよい。
保護層23gは、第1検知電極42bx及び第2検知電極42byへの被毒物質の付着を防止すると共に、外部から第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yに流入する被測定ガスの拡散速度を調整するものである。保護層23gを形成する材料としては、アルミナ(酸化アルミニウム)、スピネル(MgAl2O4)、シリカアルミナ、および、ムライトの群から選ばれる少なくとも1種の材料を例示できる。保護層23gによる被測定ガスの拡散速度は、保護層23gの厚さや、粒径や、粒度分布や、気孔率や、配合比率などを調整することにより調整される。
又、図3に示すように、保護層23gが、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yの両方を一体で覆っていると、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yをそれぞれ覆う保護層23gの気孔率(ガス透過率)が一定であるため、被測定ガスが同一の割合で各アンモニアセンサ部に導入されるので、保護層23gにより両アンモニアセンサ部42x、42yの感度比がずれることを低減することができ、NOxおよびアンモニアの濃度をより正確に求めることができる。
なお、上述の実施形態のように保護層23gを設けてもよいし、保護層23gを設けることなく第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yなどを露出させてもよく、特に限定するものではない。また、保護層23gにより第1アンモニアセンサ部42xと第2アンモニアセンサ部42yとの感度比を調整する場合には、上述の実施形態ではなく、それぞれに保護層を設けても良い。
第1固体電解質体42dx、第2固体電解質体42dyは、例えば部分安定化ジルコニア(YSZ)で構成されている。又、第1基準電極42ax及び第2基準電極42ayは基準電極42aと同様な組成とすることができ、第1検知電極42bx及び第2検知電極42byは検知電極42bと同様な組成とすることができる。
このようなことから、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yが、酸素濃度検出セル6の軸線O方向における両端によって幅方向に区切られた第1領域6sに、それぞれの少なくとも一部が重なるように配置されていると、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yの温度が所定範囲内で一定に保たれ、アンモニアの測定精度が向上する。
なお、第1領域6sとは、酸素濃度検出セル6を構成する検知電極6b及び基準電極6cのうち、軸線O方向における先端側(図2参照)と後端側(図2参照)とによって幅方向に区切られた(図4に示す点線)領域をいう。又、後述する第2領域6xとは、第1領域6sのうち、酸素濃度検出セル6の幅方向における両端によって軸線方向に区切られた領域であり、具体的には酸素濃度検出セル6を構成する検知電極6b及び基準電極6cの幅方向における両端によって軸線方向に区切られた(図4に示す二点鎖線)領域をいう。
又、例えば、酸素濃度検出セル6を構成する検知電極6b及び基準電極6cの寸法が異なる場合、または検知電極6b及び基準電極6cがずれて配置されている場合は、マルチガスセンサ素子部100Aを積層方向に見たときに(具体的には、図4のように見たときに)、両電極が配置された部位の軸線方向先端側、軸線方向後端側、及び幅方向両端を、第1領域6s、第2領域6xの境界の基準として採用する。
つまり、検知電極6b及び基準電極6cのうち、軸線O方向先端側に配置された電極の先端と軸線O方向後端側に配置された電極の後端とを第1領域の境界の基準とし、検知電極6b及び基準電極6cのうち、幅方向外側に配置された電極の幅方向の端を第2領域の境界の基準とする。
また、各アンモニアセンサ部が、固体電解質体の一方の表面に検知電極及び基準電極が形成されている場合においても、両電極が配置された部位の軸線O方向先端側、軸線O方向後端側、及び幅方向両端を、各アンモニアセンサ部の位置の基準として採用する。
また、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yは、第1領域6sに、それぞれの全部位が重なっているので、第1アンモニアセンサ部42xの全部位及び第2アンモニアセンサ部42yの全部位を酸素濃度検出セル6に確実に近接して配置させることができ、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
また、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yは、第2領域6xを挟んで幅方向の両側に配置されるので、各アンモニアセンサ部42x、42yがいずれも酸素濃度検出セル6に隣接することとなる。その結果、酸素濃度検出セル6に対して両アンモニアセンサ部42x、42yが幅方向の片側に配置され、一方のアンモニアセンサ部のみが酸素濃度検出セル6に隣接する場合に比べて両アンモニアセンサ部42x、42yの温度差が抑制され、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
さらに、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yは、それぞれ第2領域6xから幅方向に離間しているので、両アンモニアセンサ部42x、42yの第2領域からの距離を略同距離とすることができるため、両アンモニアセンサ部42x、42yの温度差が抑制され、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
さらに本実施形態では、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yの軸線方向の長さは、第1領域6sの軸線方向の長さよりも小さく、両アンモニアセンサ部42x、42yは軸線方向に第1領域6sの内側に位置する。このように、両アンモニアセンサ部42x、42yの軸線方向の寸法を小さくすることで、センサの小型化と共に、両アンモニアセンサ部42x、42yの軸線方向の温度分布を小さくして上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
制御回路59は、詳しくは後述する基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57、それぞれ第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yの起電力を検出する第1起電力検出回路58a及び第2起電力検出回路58bを備える。
制御回路59は、NOxセンサ部30Aを制御し、NOxセンサ部30Aに流れる第1ポンピング電流Ip1、第2ポンピング電流Ip2を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
第1起電力検出回路58a及び第2起電力検出回路58bは、第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yの各電極間のアンモニア濃度出力(起電力)を検出してマイクロコンピュータ60に出力する。
又、第1アンモニアセンサ部42xの一対の電極42ax、42bxがそれぞれ第1起電力検出回路58aに接続されている。同様に、第2アンモニアセンサ部42yの一対の電極42ay、42byがそれぞれ第2起電力検出回路58bに接続されている。
Ip1ドライブ回路52は、内側第1ポンピング電極2b及び外側第1ポンピング電極2cの間に第1ポンピング電流Ip1を供給しつつ、その際の第1ポンピング電流Ip1を検出する。
Vs検出回路53は、検知電極6b及び基準電極6cの間の電圧Vsを検出し、検出結果を基準電圧比較回路51に出力する。
基準電圧比較回路51は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路53の出力(電圧Vs)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路52に出力する。そして、Ip1ドライブ回路52は、電圧Vsが上記基準電圧に等しくなるようにIp1電流の流れる向き及び大きさを制御し、第1測定室S1内の酸素濃度をNOxが分解しない程度の所定値に調整する。
Icp供給回路54は、検知電極6b及び基準電極6cの間に微弱な電流Icpを流し、酸素を第1測定室S1から基準酸素室15内に送り込み、基準電極6cを基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Vp2印加回路56は、内側第2ポンピング電極4b及び第2ポンピング対電極4cの間に、被測定ガス中のNOxガスが酸素とN2ガスに分解する程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、NOxを窒素と酸素に分解する。
Ip2検出回路55は、NOxの分解により生じた酸素が第2測定室S2から第2固体電解質体4aを介して第2ポンピング対電極4c側に汲み出される際に、第2ポンピングセル4に流れる第2ポンピング電流Ip2を検出する。
A/Dコンバータ65はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部64を介してCPU61に出力する。
又、ヒータによってNOxセンサ部30Aが適温まで加熱されると、それに伴ってNOxセンサ部30A上の第1アンモニアセンサ部42x及び第2アンモニアセンサ部42yも所望の温度に昇温される。
このとき、第1測定室S1内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル6の電極間電圧(端子間電圧)Vsに対応したものとなるため、この電極間電圧Vsが上記基準電圧になるように、Ip1ドライブ回路52が第1ポンピングセル2に流れる第1ポンピング電流Ip1を制御し、第1測定室S1内の酸素濃度をNOxが分解しない程度に調整する。
まず、第1アンモニアセンサ部42x、第2アンモニアセンサ部42yの2つのアンモニアセンサ部を設けた理由は以下のとおりである。すなわち、アンモニアセンサ部は、アンモニアだけでなく、NO2をも検出してしまうので、被検出ガス中にアンモニア以外のNO2ガスが含まれているとアンモニアの検出精度が低下する。そこで、アンモニアに対する感度とNOxに対する感度との比がそれぞれ異なるアンモニアセンサ部を2つ設けると、アンモニアガスとNO2ガスの2つの未知濃度に対し、2つのアンモニアセンサ部から別々の感度による値を検出するので、アンモニアガスとNO2の濃度を算出できることになる。ここで、特許請求の範囲の「アンモニアセンサ部のアンモニアに対する感度とNOxに対する感度との比」とは、そのアンモニアセンサ部が検出する全感度(アンモニア、及びNOx)に対する、アンモニアの検出感度の比をいう。なお、本実施例においては、アンモニアセンサ部はNOガスを検出しないので、「アンモニアセンサ部のアンモニアに対する感度とNOxに対する感度の比」=「アンモニアセンサ部のアンモニアに対する感度とNO2に対する感度の比」として判断している。また、アンモニアセンサ部がNO2ガスを検出しない場合には、アンモニアセンサ部のアンモニアに対する感度とNOxに対する感度の比」=「アンモニアセンサ部のアンモニアに対する感度とNOに対する感度の比」として判断してもよい。
つまり、アンモニアセンサ部のセンサ出力は、x:アンモニア濃度、y:NO2ガス濃度、D:O2濃度に対し、F(x、y、D)で表されるが、上記感度比が異なる2つのNO2センサ部を用いると、F1(mx、ny、D)、F2(sx、ty、D)(m、n、s、tは係数)の2つの式が得られる。F1、F2、Dはセンサ出力から得られるので、2つの式から2つの未知数(x、y)を解けばよいことになる。具体的には、上記二つの式からyを除去し、後述の式(1)〜(3)のようにxの式を得ることによって計算できる。
第1アンモニアセンサ部42xの第1基準電極42axと第1検知電極42bxとの間には、被測定ガスに含まれるアンモニア濃度に応じて起電力が発生する。第1起電力検出回路58aは、第1基準電極42axと第1検知電極42bxとの間の起電力を第1アンモニア起電力として検出する。同様に、第2アンモニアセンサ部42yの第2基準電極42ayと第2検知電極42byとの間にも、アンモニア濃度に応じて起電力が発生する。第2起電力検出回路58bは、第2基準電極42ayと第2検知電極42byとの間の起電力を第2アンモニア起電力として検出する。
ここで、ROM63には、「第1アンモニア起電力−第1アンモニア濃度出力関係式」、「第2アンモニア起電力−第2アンモニア濃度出力関係式」、「第1ポンピング電流Ip1−O2濃度出力関係式」、「第2ポンピング電流Ip2−NOx濃度出力関係式」、「第1アンモニア濃度出力&第2アンモニア濃度出力&O2濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」(補正式(1):下記参照)、「第1アンモニア濃度出力&第2アンモニア濃度出力&O2濃度出力−補正NO2濃度出力関係式」(補正式(2))、「NOx濃度出力&補正アンモニア濃度出力&補正NO2濃度出力-補正NOx濃度出力関係式」(補正式(3))が格納されている。
なお、各種データは、上述のように所定の関係式として設定されていてもよいし、センサの出力から各種ガス濃度を算出するものであればよく、例えばテーブルとして設定されていてもよい。その他にも、予めガス濃度が既知のガスモデルを用いて得られた値(関係式やテーブルなど)とされていてもよい。
「第1ポンピング電流Ip1−O2濃度出力関係式」は、第1ポンピング電流Ip1と、被測定ガスのO2濃度との関係を表す式である。
「第2ポンピング電流Ip2−NOx濃度出力関係式」は、第2ポンピング電流Ip2と、被測定ガスのNOx濃度との関係を表す式である。
「第1アンモニア濃度出力&第2アンモニア濃度出力&O2濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」は、酸素濃度及びNO2濃度の影響を受けたアンモニア濃度出力(第1、第2)と、酸素濃度及びNO2濃度の影響を除去した補正アンモニア濃度出力の関係を表す式である。
「第1アンモニア濃度出力&第2アンモニア濃度出力&O2濃度出力−補正NO2濃度出力関係式」は、酸素濃度及びアンモニア濃度の影響を受けたNO2濃度出力と、酸素濃度及びアンモニア濃度の影響を除去した補正NO2濃度出力の関係を表す式である。
「NOx濃度出力&補正アンモニア濃度出力&補正NO2濃度出力-補正NOx濃度出力関係式」は、アンモニア濃度及びNO2濃度の影響を受けたNOx濃度出力と、アンモニア濃度及びNO2濃度の影響を除去、修正した正確な補正NOx濃度出力の関係を表す式である。
CPU61は、第1ポンピング電流Ip1、第2ポンピング電流Ip2、第1アンモニア起電力および第2アンモニア起電力が入力されると、O2濃度出力、NOx濃度出力、第1アンモニア濃度出力および第2アンモニア濃度出力、を求める演算処理を行う。具体的には、ROM63から「第1アンモニア起電力−第1アンモニア濃度出力関係式」、「第2アンモニア起電力−第2アンモニア濃度出力関係式」、「第1ポンピング電流Ip1−O2濃度出力関係式」、「第2ポンピング電流Ip2−NOx濃度出力関係式」を呼び出し、当該関係式を用いて各濃度出力を算出する処理を行う。
尚、「第1アンモニア起電力−第1アンモニア濃度出力関係式」、「第2アンモニア起電力−第2アンモニア濃度出力関係式」は、第1アンモニアセンサ部42xと第2アンモニアセンサ部42yが使用環境中で出力し得るEMFの全範囲において、被測定ガス中のアンモニア濃度とセンサのアンモニア濃度換算出力とが概ね直線関係になるように設定された式である。このような換算式でもって換算することによって、後の補正式において、傾き及びオフセットの変化を利用した計算を可能とする。
O2濃度出力、NOx濃度出力、第1アンモニア濃度出力および第2アンモニア濃度出力が求められると、CPUは、以下に説明する補正式を用いた演算を行うことで、被測定ガスのアンモニア濃度及びNOx濃度を求める。
= (eA-c)*(jB-h-fA+d)/(eA-c-iB+g) + fA-d
補正式(2):y = F'(A、B、D)
= (jB-h-fA+d)/(eA-c-iB+g)
補正式(3):z = C - ax + by
ここで、xはアンモニア濃度であり、yはNO2濃度であり、zはNOx濃度である。また、Aは第1アンモニア濃度出力であり、Bは第2アンモニア濃度出力であり、CはNOx濃度出力であり、DはO2濃度出力である。そして、式(1),(2)のF及びF'は、xが(A,B、D)の関数であることを表す。さらに、a, bは補正係数、c, d, e, f, g, h, i, j はO2濃度出力Dを用いて計算される係数である(Dによって決まる係数)。
上述の補正式(1)〜(3)に、第1アンモニア濃度出力(A)、第2アンモニア濃度出力(B)、NOx濃度出力(C)およびO2濃度出力(D)、を各代入して演算することによって、被測定ガスのアンモニア濃度及びNOx濃度を求める。
なお、補正式(1)及び(2)は第1アンモニアセンサ部42x、第2アンモニアセンサ部42yの特性に基づいて定まる式であり、補正式(3)はNOxセンサ部の特性に基づいて定まる式である。なお、式(1)〜(3)は、あくまでも補正式の一例を示したものであり、ガス検知特性に応じて、他の補正式や、係数等を適宜変更しても良い。
図5(a)は、O2=2, 7, 15%、NO2=0, 20, 50, 100ppmの条件下で、アンモニア=0-150ppm投入した際の第1アンモニアセンサ部、第2アンモニアセンサ部の、補正処理前のアンモニア濃度換算出力をプロットしたグラフである。NO2濃度とO2濃度の影響により、第1アンモニアセンサ、第2アンモニアセンサ共に濃度換算出力が大きくばらついた。
一方、図5(b)は、アンモニア濃度出力、及びO2濃度出力の値を補正式(1)に代入して得られた補正アンモニア濃度出力を、アンモニア投入濃度に対してプロットしたグラフである。NO2とO2の影響を除去し正確なアンモニア濃度を算出できることがわかった。
図7に示すように、第1アンモニアセンサ部42xと第2アンモニアセンサ部42yのいずれかを、酸素濃度検出セル6の第1領域6sと重ならないように配置すると、外部温度(HEX温度)の変動によって補正アンモニア濃度出力がアンモニア投入濃度に比例せずにずれ、アンモニア濃度の測定精度が低下することがわかった。これは、第2アンモニアセンサ部42yが第1領域6sから外れたために、第2アンモニアセンサ部42yの温度が変化し、EMF出力も変化したためと考えられる。
つまり、本発明においては、アンモニアに対する感度比をそれぞれ異ならせることでアンモニアとNOxを分離して検出するため、感度比自体の温度依存性をなるべく低減する必要がある。
上記実施形態では、制御装置300内に設けられたマイクロコンピュータ60にてNO濃度、及びNO2比率を算出し、算出したNO2比率をECU220内の劣化判定手段221に出力していたが、これに限られることなく、ECU220内にNO濃度算出手段を設け、マイクロコンピュータ60にて算出されたO2濃度補正後のNO2濃度及びNOx濃度をECU220内のNO濃度算出手段に出力し、ECU220内にてNO濃度、及びNO2比率を算出してもよい。また、ECU220内にNO濃度算出手段を設け、マイクロコンピュータ60にてNO濃度を算出し、その後、ECU220内のNO濃度算出手段にNO濃度を出力し、ECU220内にてNO2比率を算出してもよい。
例えば図10のように、第1アンモニアセンサ部42x2及び第2アンモニアセンサ部42y2は、第2領域6xを挟んで幅方向の両側に配置されつつ、第2領域6xにそれぞれ重なっていてもよい。図10の実施形態においても、各アンモニアセンサ部42x2、42y2がいずれも酸素濃度検出セル6に隣接するので、酸素濃度検出セル6に対して両アンモニアセンサ部42x2、42y2が幅方向の片側に配置され、一方のアンモニアセンサ部のみが酸素濃度検出セル6に隣接する場合に比べて両アンモニアセンサ部42x2、42y2の温度差が抑制され、上記感度比自体の温度依存性をさらに低減することができる。
なお、図10、図11の実施形態では、第1アンモニアセンサ部42x2(42x3)及び第2アンモニアセンサ部42y2(42y3)の軸線方向の長さは、第1領域6sの軸線方向の長さよりも小さく、両アンモニアセンサ部42x2、42y2(42x3、42y3)は軸線方向に第1領域6sの内側に位置する。
さらに、図12、図13の例では、いずれも第1アンモニアセンサ部42x4(42x5)及び第2アンモニアセンサ部42y4(42y5)は、第2領域6xを挟んで幅方向の両側に配置されている。
なお、図14の実施形態では、第1アンモニアセンサ部42x6の先端側が第1領域6sより先端にはみ出し、第2アンモニアセンサ部42y6の後端側が第1領域6sより後端にはみ出している。
6s 第1領域
6x 第2領域
21 発熱抵抗体
23g 保護層
30A NOxセンサ部
42x〜42x6 第1アンモニアセンサ部
42y〜42y6 第2アンモニアセンサ部
42dx、42dx1、42dy、42dy1 固体電解質体
60 演算部(マイクロコンピュータ)
100A、100A1 マルチガスセンサ素子部
200A マルチガスセンサ
400,402 マルチガスセンサ装置
O 軸線方向
Claims (11)
- 被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ部と、
前記被測定ガス中のアンモニア濃度を検出する2つのアンモニアセンサ部であって、それぞれアンモニアに対する感度とNOxに対する感度との比が異なる第1アンモニアセンサ部及び第2アンモニアセンサ部と、
を有するマルチガスセンサ素子部を含むマルチガスセンサであって、
前記マルチガスセンサ素子部は、軸線方向に延びる板形状であり、かつ前記マルチガスセンサ素子部には、前記NOxセンサ部の温度を制御するために用いられる温度検出部が設けられ、
前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、前記マルチガスセンサ素子部のうち、前記温度検出部の前記軸線方向における両端によって幅方向に区切られた第1領域に、それぞれの少なくとも一部が重なるように、前記NOxセンサ部の外表面上に配置されるマルチガスセンサ。 - 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、前記第1領域に、それぞれの全部位が重なる請求項1記載のマルチガスセンサ。
- 前記温度検出部は、前記マルチガスセンサ素子部の前記幅方向における中央部に配置され、
前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、前記第1領域内のうち、前記温度検出部の前記幅方向における両端によって前記軸線方向に区切られた第2領域を挟んで前記幅方向の両側に配置される請求項1又は2記載のマルチガスセンサ。 - 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、それぞれ前記第2領域からずれて配置される請求項3記載のマルチガスセンサ。
- 前記NOxセンサ部は、前記温度検出部が設けられたNOx検知部と、該NOx検知部を加熱するためのヒータと、が積層されてなり、
前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、前記マルチガスセンサ素子部の積層方向における前記ヒータ側の前記NOxセンサ部の外表面上に配置される請求項1〜4のいずれか一項に記載のマルチガスセンサ。 - 前記NOxセンサ部は、前記温度検出部が設けられたNOx検知部と、該NOx検知部を加熱するためのヒータと、が積層されてなり、
前記ヒータは、前記軸線方向の先端側に発熱部が設けられると共に、該発熱部から前記軸線方向の後端側に向かって一対のリード部が設けられており、
前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、前記第1領域内において、少なくとも一部が前記軸線方向に重なる請求項1〜5のいずれか一項に記載のマルチガスセンサ。 - 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部の一方は、前記第1領域内において、他方に対して全部位が前記軸線方向に重なる請求項6記載のマルチガスセンサ。
- 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部は、それぞれ固体電解質体と該固体電解質体の対向する両表面にそれぞれ設けられた一対の電極とを備えており、
前記一対の電極のうち、一方の電極が前記NOxセンサ部の前記外表面上に配置されている請求項6または7記載のマルチガスセンサ。 - 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部の前記軸線方向の長さは、前記第1領域の前記軸線方向の長さよりも小さい請求項1〜8のいずれか一項に記載のマルチガスセンサ。
- 前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部には、自身を覆う保護層が設けられており、
該保護層は、前記第1アンモニアセンサ部及び前記第2アンモニアセンサ部の両方を一体で覆う請求項1〜9のいずれか一項に記載のマルチガスセンサ。 - 請求項1〜10のいずれか一項に記載のマルチガスセンサと、
前記NOxセンサ部の出力、前記第1アンモニアセンサ部の出力、および、前記第2アンモニアセンサ部の出力に基づいて、前記被測定ガスに含まれる一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を算出する演算部と、
が設けられているマルチガスセンサ装置。
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