JP2015161570A - gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor for detecting concentration of a plurality of gas components, by means of a single sensor, in a simple configuration.SOLUTION: A gas sensor 1 for detecting concentration of gas components included in a gas to be inspected includes: an oxygen supply section 10 for supplying oxygen; a first electrode 11 arranged on the side of the gas including the oxygen and disposed at one end of the oxygen supply section 10; a second electrode 12 arranged on the side of the gas to be inspected and disposed at the other end of the oxygen supply section 10; a power source 13 connected between the first electrode 11 and the second electrode 12; and temperature adjustment sections 15, 16, 21 for adjusting temperature of the oxygen supply section 10. The temperature of the oxygen supply section 10 is adjusted by the temperature adjustment sections 15, 16, 21 sequentially so as to facilitate reaction between oxygen and the gas components included in the gas to be inspected. The concentration of the gas components is detected at each of the adjusted temperatures.

Description

本発明は、被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor that detects the concentrations of a plurality of gas components contained in a test gas.

自動車のエンジン制御等の各種制御を高精度に行うためには、燃料として用いるガスや排気されるガス等に含まれる特定のガス成分の濃度を検出するガスセンサが必要となり、各種ガスセンサが開発されている。例えば、特許文献1には、ジルコニア(固体電解質)の一端側に大気にさらされる基準電極が配置され、他端側に被検ガスにさらされる高温側検出電極と低温側検出電極が配置されるガス成分センサにより、2つの検出電極で測定される各電流データから2種の特定のガス成分の濃度を検出することが開示されている。   In order to perform various controls such as engine control of automobiles with high accuracy, a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas component contained in gas used as fuel or exhausted gas is required, and various gas sensors have been developed. Yes. For example, in Patent Document 1, a reference electrode exposed to the atmosphere is arranged on one end side of zirconia (solid electrolyte), and a high temperature side detection electrode and a low temperature side detection electrode exposed to a test gas are arranged on the other end side. It is disclosed that a gas component sensor detects the concentrations of two specific gas components from current data measured by two detection electrodes.

特開平9−189679号公報JP-A-9-189679

自動車のエンジンや火力発電の燃料等として、石油等よりも燃焼時の二酸化炭素等の排出量が少ないクリーンエネルギーである天然ガスが利用されている。天然ガスは、炭素と水素からなる多種のガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン等)が含まれている。これらの多種のガス成分を含む天然ガスは、ガス成分の構成や濃度比率が産地等によって異なっている。天然ガスを燃料としたエンジン制御等を行う場合、ガス成分の構成や濃度比率が判らないと、最適な燃焼を行えず、排気ガスや燃費等に影響を及ぼす。そのため、天然ガスの燃焼を効率良く行うためには、使用している天然ガスのガス成分の各濃度を高精度に検出する必要がある。   Natural gas, which is clean energy that emits less carbon dioxide during combustion than oil or the like, is used as a fuel for automobile engines or thermal power generation. Natural gas contains various gas components (methane, ethane, propane, butane, etc.) composed of carbon and hydrogen. Natural gas containing these various gas components has different gas component configurations and concentration ratios depending on the production area. When performing engine control using natural gas as fuel, unless the composition and concentration ratio of gas components are known, optimal combustion cannot be performed, which affects exhaust gas and fuel consumption. Therefore, in order to efficiently burn natural gas, it is necessary to detect each concentration of the gas component of the natural gas used with high accuracy.

しかし、特許文献1に開示されるガス成分センサでは2種のガス成分の濃度しか検出できず、天然ガスに含まれる多種のガス成分の各濃度を検出することができない。また、従来の周知のガスセンサは、その殆どが1種のガス成分を検出するセンサである。そのため、多種のガス成分の濃度を検出するためには、複数のガスセンサが必要となったり、センサの構成が複雑となり、高コストとなる。   However, the gas component sensor disclosed in Patent Document 1 can detect only the concentrations of two types of gas components, and cannot detect the concentrations of various gas components contained in natural gas. Moreover, most of the known conventional gas sensors are sensors that detect one kind of gas component. Therefore, in order to detect the concentrations of various gas components, a plurality of gas sensors are required, the sensor configuration is complicated, and the cost is high.

そこで、本技術分野においては、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できるガスセンサが要請されている。   Therefore, in this technical field, there is a demand for a gas sensor that can detect the concentrations of a plurality of gas components with a simple configuration using a single sensor.

本発明の一側面に係るガスセンサは、被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサであって、酸素を供給する酸素供給部と、酸素を含むガス側に配置され、酸素供給部の一端側に設けられる第1電極と、被検ガス側に配置され、酸素供給部の他端側に設けられる第2電極と、第1電極と第2電極との間に接続される電源と、酸素供給部の温度を調整する温度調整部とを備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された各温度のときにガス成分の濃度を検出する。   A gas sensor according to one aspect of the present invention is a gas sensor that detects the concentrations of a plurality of gas components contained in a test gas, and is provided on an oxygen supply unit that supplies oxygen and a gas side that contains oxygen. A first electrode provided on one end side of the supply unit, a second electrode disposed on the test gas side and provided on the other end side of the oxygen supply unit, and connected between the first electrode and the second electrode. A power supply and a temperature adjustment unit that adjusts the temperature of the oxygen supply unit are provided, and the temperature of the oxygen supply unit is sequentially adjusted to each temperature at which multiple gas components contained in the test gas and oxygen easily react with each other. The concentration of the gas component is detected at each adjusted temperature.

このガスセンサは、酸素供給部の両端部に電極がそれぞれ設けられ、その一方の端部の第1電極側が酸素を含むガス(例えば、大気)にさらされ、他方の端部の第2電極側が被検ガスにさらされている。その電極間に電源から電圧が印加されると、酸素供給部では、酸素を含むガスにさらされている第1電極(マイナス極)側から第2電極(プラス極)側へ酸素(特に、第1電極で電子を受け取って酸素イオンになった状態)が移動し、第2電極側に酸素を供給する。第2電極側では、その酸素と被検ガスに含まれるガス成分とが化学反応し、発熱する。各ガス成分は、この酸素との反応において反応し易い温度をそれぞれ有している。このガス成分毎の反応し易い各温度を利用することにより、各温度における各ガス成分の酸素との反応によって変化する様々な量から各ガス成分の濃度を検出することが可能である。そこで、ガスセンサでは、温度調整部によって、酸素供給部の温度をガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整する。そして、ガスセンサでは、その各温度になる毎に、反応によって変化する量(例えば、酸素供給部で供給された酸素量、反応で発生した熱量)から反応で消費されたガス量(すなわち、ガス成分の濃度)を検出する。この検出を、被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素と反応し易い各温度について繰り返し行う。この温度を順次変化させる際に、高い温度から低い温度の順に行ってもよいしあるいは低い温度から高い温度の順に行ってもよい。このように、このガスセンサは、被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素と反応し易い各温度に順次変えて、その各温度における化学反応から各ガス成分の濃度を順次検出することにより、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できる。   In this gas sensor, electrodes are provided at both ends of the oxygen supply section, the first electrode side at one end thereof is exposed to a gas containing oxygen (for example, the atmosphere), and the second electrode side at the other end is covered. Exposed to gas detection. When a voltage is applied between the electrodes from the power source, the oxygen supply unit supplies oxygen (particularly, first electrode) from the first electrode (minus electrode) side exposed to the gas containing oxygen to the second electrode (plus electrode) side. The state in which electrons are received by one electrode to become oxygen ions) moves to supply oxygen to the second electrode side. On the second electrode side, the oxygen and a gas component contained in the test gas chemically react to generate heat. Each gas component has a temperature at which it easily reacts in this reaction with oxygen. By using each temperature at which each gas component easily reacts, it is possible to detect the concentration of each gas component from various amounts that change due to the reaction of each gas component with oxygen at each temperature. Therefore, in the gas sensor, the temperature adjusting unit sequentially adjusts the temperature of the oxygen supply unit to each temperature at which the gas component and oxygen easily react. In the gas sensor, the amount of gas consumed in the reaction (that is, the gas component) from the amount changed by the reaction (for example, the amount of oxygen supplied by the oxygen supply unit, the amount of heat generated by the reaction) at each temperature. ) Is detected. This detection is repeatedly performed for each temperature at which it easily reacts with oxygen of a plurality of gas components contained in the test gas. When the temperature is sequentially changed, the temperature may be changed from the highest temperature to the lowest temperature, or may be changed from the lowest temperature to the highest temperature. In this way, this gas sensor sequentially changes to each temperature that easily reacts with oxygen of a plurality of gas components contained in the test gas, and sequentially detects the concentration of each gas component from the chemical reaction at each temperature, Each concentration of a plurality of gas components can be detected with a simple configuration by a single sensor.

なお、被検ガスは、複数のガス成分(不純物となるガス成分の場合もある)を含むガスであり、例えば、天然ガス、排気ガスである。但し、本発明に係るガスセンサによって濃度を検出可能なガス成分は、酸素と化学反応して発熱し、その化学反応において反応し易い温度を有するガスである。酸素供給部は、電圧を付加すると酸素(特に、酸素イオン)が移動し、酸素を供給できるものであり、例えば、固体電解質(ジルコニア等)である。   The test gas is a gas containing a plurality of gas components (which may be gas components that become impurities), and is, for example, natural gas or exhaust gas. However, the gas component whose concentration can be detected by the gas sensor according to the present invention is a gas that generates heat by chemically reacting with oxygen and has a temperature at which the chemical reaction easily occurs. The oxygen supply unit can supply oxygen by applying a voltage to move oxygen (particularly oxygen ions), for example, a solid electrolyte (zirconia or the like).

一形態のガスセンサでは、第1電極と第2電極との間に流れる電流を検出する電流検出部を備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに電流検出部で検出した電流値に基づいて酸素供給部で供給された酸素量を順次し、当該導出された酸素量からガス成分の濃度を検出する。   In one embodiment of the gas sensor, the gas sensor includes a current detection unit that detects a current flowing between the first electrode and the second electrode, and the temperature of the oxygen supply unit is adjusted by the temperature adjustment unit to include a plurality of gas components and oxygen Are sequentially adjusted to each temperature at which they are likely to react, and the oxygen amount supplied by the oxygen supply unit is sequentially determined based on the current value detected by the current detection unit at the adjusted temperature, and the derived oxygen amount From this, the concentration of the gas component is detected.

このガスセンサでは、酸素供給部の温度がガス成分と酸素とが反応し易い各温度になる毎に、電流検出部によって電極間を流れた電流値を検出する。この電流値に応じた電子を受け取って酸素から酸素イオンになるので、ガスセンサでは、検出した電流値から酸素供給部で供給された酸素量を導出し、その酸素量から化学反応で消費されたガス量(すなわち、ガス成分の濃度)を検出する。このように、ガスセンサは、酸素供給部から供給される酸素量に対応する電流値を用いることにより、化学反応で使われた酸素量(ひいては、ガス成分の濃度)を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、ガス成分の濃度を検出する過程で環境における影響を受け易い熱量を用いていないので、検出精度が高い。   In this gas sensor, each time the temperature of the oxygen supply unit becomes a temperature at which the gas component and oxygen easily react, the current value flowing between the electrodes is detected by the current detection unit. Since the electrons corresponding to the current value are received and oxygen is converted into oxygen ions, the gas sensor derives the amount of oxygen supplied by the oxygen supply unit from the detected current value, and the gas consumed by the chemical reaction from the amount of oxygen. The amount (ie, the concentration of the gas component) is detected. Thus, the gas sensor can easily detect the amount of oxygen used in the chemical reaction (and hence the concentration of the gas component) by using the current value corresponding to the amount of oxygen supplied from the oxygen supply unit. . In particular, in the case of this detection method, since the amount of heat that is easily affected by the environment is not used in the process of detecting the concentration of the gas component, the detection accuracy is high.

一形態のガスセンサでは、ガス成分と酸素との反応で増加する熱量を検出する熱量検出部を備え、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに熱量検出部で検出した熱量からガス成分の濃度を検出する。   The gas sensor according to one aspect includes a calorific value detection unit that detects an amount of heat that increases due to a reaction between a gas component and oxygen, and the temperature of the oxygen supply unit is adjusted by the temperature adjustment unit so that a plurality of gas components and oxygen contained in the test gas It adjusts to each temperature which is easy to react, and detects the density | concentration of a gas component from the calorie | heat amount detected by the calorie | heat amount detection part at the said adjusted temperature.

このガスセンサでは、酸素供給部の温度がガス成分と酸素とが反応し易い各温度になる毎に、熱量検出部によって化学反応での発熱で増加する熱量を検出する。そして、ガスセンサでは、その増加した熱量から化学反応で消費されたガス量(すなわち、ガス成分の濃度)を検出する。このように、ガスセンサは、化学反応で増加した熱量を用いることにより、化学反応で消費されたガス成分の濃度を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、熱量検出部としては温度調整部で用いる温度センサ等を共用できるので、より簡易な構成が可能となる。   In this gas sensor, every time the temperature of the oxygen supply unit becomes a temperature at which the gas component and oxygen easily react, the calorific value detection unit detects the amount of heat that increases due to heat generated by the chemical reaction. The gas sensor detects the amount of gas consumed by the chemical reaction (that is, the concentration of the gas component) from the increased amount of heat. Thus, the gas sensor can easily detect the concentration of the gas component consumed by the chemical reaction by using the amount of heat increased by the chemical reaction. In particular, in the case of this detection method, since the temperature sensor used in the temperature adjustment unit can be shared as the heat quantity detection unit, a simpler configuration is possible.

一形態のガスセンサでは、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素との反応し易い各温度のうちの高温側から低温側の各温度に順次調整する。このように、このガスセンサは、温度を順次変化させる際に高温側から低温側の各温度に順次変えることにより、ガス成分と酸素の反応で発生する熱による温度上昇による影響をガス成分の濃度を検出する際に受け難くなり、検出精度が向上する。   In one aspect of the gas sensor, the temperature of the oxygen supply unit is sequentially adjusted from the high temperature side to the low temperature side among the temperatures easily reacting with oxygen of a plurality of gas components contained in the test gas by the temperature adjustment unit. . As described above, this gas sensor changes the concentration of the gas component by changing the temperature from the high temperature side to the low temperature side in order to change the concentration of the gas component due to the heat generated by the reaction between the gas component and oxygen. It becomes difficult to receive the detection, and the detection accuracy is improved.

一形態のガスセンサでは、酸素供給部の温度を温度調整部によって被検ガスに含まれる任意のガス成分と酸素とが反応し易い温度に調整する毎に電源による電圧の印加を開始し、当該任意のガス成分の濃度の検出が終了する毎に電源による電圧の印加を終了する。このように、このガスセンサは、各ガス成分の反応し易い温度に調整されて濃度検出をする毎に電源による電圧の印加開始/印加停止することにより、ガスセンサによる消費電力を低減できる。   In one embodiment of the gas sensor, the application of a voltage by the power source is started each time the temperature of the oxygen supply unit is adjusted to a temperature at which any gas component contained in the test gas and oxygen easily react with the temperature adjusting unit. Each time the detection of the concentration of the gas component is completed, the application of the voltage by the power supply is terminated. Thus, this gas sensor can reduce the power consumption by the gas sensor by adjusting the temperature at which each gas component easily reacts and starting / stopping the application of the voltage by the power source every time the concentration is detected.

一形態のガスセンサでは、ガスセンサによる検出中は電源によって電圧を印加し続ける。このように、このガスセンサは、検出中は電源によって電圧を印加し続けることにより、各ガス成分の反応し易い温度の前後の温度領域についても検出できるので、それらの温度領域での濃度も加味して各ガス成分の濃度をより高精度に検出でき、検出精度が向上する。   In one form of gas sensor, voltage is continuously applied by the power source during detection by the gas sensor. In this way, this gas sensor can detect the temperature range before and after the temperature at which each gas component easily reacts by continuously applying a voltage from the power source during detection, so the concentration in those temperature ranges is also taken into account. Thus, the concentration of each gas component can be detected with higher accuracy, and the detection accuracy is improved.

本発明によれば、単一のセンサにより複数のガス成分の各濃度を簡易な構成で検出できる。   According to the present invention, each concentration of a plurality of gas components can be detected with a simple configuration by a single sensor.

第1の実施の形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the gas sensor which concerns on 1st Embodiment. 天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素との反応し易い温度を示す図である。It is a figure which shows the temperature which is easy to react with oxygen of each gas component contained in natural gas. ガス濃度−発熱量マップの一例である。It is an example of a gas concentration-calorific value map. 第1の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the gas concentration ratio detection by the gas sensor which concerns on 1st Embodiment. 第2、3の実施の形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the gas sensor which concerns on 2nd, 3rd embodiment. 酸素量−電流値マップの一例である。It is an example of an oxygen amount-current value map. ガス濃度−酸素量マップの一例である。It is an example of a gas concentration-oxygen amount map. 第2の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the gas concentration ratio detection by the gas sensor which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施の形態に係るガスセンサによるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the gas concentration ratio detection by the gas sensor which concerns on 3rd Embodiment.

以下、図面を参照して、本発明に係るガスセンサの実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, an embodiment of a gas sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the element which is the same or it corresponds in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施の形態では、本発明に係るガスセンサを、天然ガス(特に、圧縮天然ガス(CNG[CompressedNatural Gas]))を燃料とする天然ガス自動車において用いられるガスセンサに適用する。本実施の形態に係るガスセンサは、燃料として用いられる天然ガスに含まれる各ガス成分の濃度を検出し、これらの各濃度からガス成分の濃度比率を導出する。本実施の形態に係るガスセンサは、エンジンで使用される前の燃料となるガスを被検ガスとする場合でもよいし、エンジンで使用された後の排気となるガスを被検ガスとする場合(排気の場合は燃焼されずに残った未燃焼のガス成分の濃度を検出することになる)でもよいし、そのいずれの場合でもよい。したがって、本実施の形態に係るガスセンサは、天然ガス(CNG)を蓄える燃料タンクや天然ガスをエンジンに供給する配管、排気管等における所定箇所に取付けられる。   In the present embodiment, the gas sensor according to the present invention is applied to a gas sensor used in a natural gas vehicle using natural gas (particularly, compressed natural gas (CNG)) as fuel. The gas sensor according to the present embodiment detects the concentration of each gas component contained in natural gas used as fuel, and derives the concentration ratio of the gas component from these concentrations. The gas sensor according to the present embodiment may be a case where the gas used as fuel before being used in the engine is a test gas, or a case where the gas used as exhaust after being used in the engine is a test gas ( In the case of exhaust, the concentration of the unburned gas component remaining without being burned may be detected), or in either case. Therefore, the gas sensor according to the present embodiment is attached to a predetermined location in a fuel tank for storing natural gas (CNG), a pipe for supplying natural gas to the engine, an exhaust pipe, or the like.

本実施の形態では、天然ガスに含まれるガス成分としてメタン(CH)、エタン(C)、プロパン(C)、ブタン(C10)の4種の濃度検出を行うものとする。但し、天然ガスに含まれるこの4種以外のガス成分の濃度も検出することも可能であり、あるいは、この4種のうちの3種又は2種を検出するだけでもよい。また、本実施の形態では、ガス濃度比率(各ガス成分のガス濃度)を検出するタイミングとしては、エンジン始動時のみに行ってもよいし、エンジンの作動中は常時行ってもよいし、あるいは、タンクへのCNG補給時、複数本のタンクにCNGを蓄えている場合には燃料で使用するタンクを切り替る時などの天然ガスに含まれるガス成分のガス濃度比率が変わる可能性があるタイミングのときに行ってもよい。 In the present embodiment, four types of concentration detection of methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), and butane (C 4 H 10 ) are detected as gas components contained in natural gas. Assumed to be performed. However, it is also possible to detect the concentration of gas components other than the four types contained in natural gas, or only three or two of these four types may be detected. In the present embodiment, the timing for detecting the gas concentration ratio (the gas concentration of each gas component) may be performed only when the engine is started, or may be always performed while the engine is operating, or When the CNG is supplied to the tank, when CNG is stored in multiple tanks, the gas concentration ratio of the gas component contained in the natural gas may change, such as when the tank used for fuel is switched You may go at the time.

本実施の形態には、3つの形態があり、第1の実施の形態が低い温度側から高い温度側の各温度に順次調整しかつ熱量から濃度を検出する形態であり、第2の実施の形態が低い温度側から高い温度側の各温度に順次調整しかつ電流値から濃度を検出する形態であり、第3の実施の形態が高い温度側から低い温度側の各温度に順次調整しかつ電流値から濃度を検出する形態である。   There are three forms in the present embodiment. The first embodiment is a form in which the temperature is adjusted from the low temperature side to the high temperature side sequentially and the concentration is detected from the amount of heat. The third embodiment is a mode in which the temperature is sequentially adjusted from the low temperature side to the high temperature side and the concentration is detected from the current value, and the third embodiment sequentially adjusts from the high temperature side to each temperature on the low temperature side, and In this form, the concentration is detected from the current value.

なお、ガスセンサで検出されるガス成分の濃度比率は、天然ガス自動車のエンジン制御(例えば、最適な燃焼条件(燃料噴射量等)の設定、フィードバック制御、エンジンの故障診断)に用いられる。燃料として用いる天然ガスのガス成分の濃度比率が変わると、シリンダ内での燃焼状態が変わり、シリンダ内の圧力が変化する。また、その燃焼状態が悪化すると、排気ガス、燃費、エンジン出力、エンジンの耐久性等に影響を及ぼすので、燃料として使用中の天然ガスのガス成分の濃度比率を把握しておくことは、エンジン制御において非常に重要である。   The concentration ratio of the gas component detected by the gas sensor is used for engine control (for example, setting of optimum combustion conditions (fuel injection amount, etc.), feedback control, engine failure diagnosis) of a natural gas vehicle. When the concentration ratio of the gas component of natural gas used as fuel changes, the combustion state in the cylinder changes, and the pressure in the cylinder changes. In addition, if the combustion state deteriorates, it will affect exhaust gas, fuel consumption, engine output, engine durability, etc. Therefore, it is important to know the concentration ratio of the gas components of natural gas used as fuel. Very important in control.

図1〜図3を参照して、第1の実施の形態に係るガスセンサ1について説明する。図1は、第1の実施の形態に係るガスセンサ1の構成を模式的に示す図である。図2は、天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素との反応し易い温度を示す図である。図3は、ガス濃度−発熱量マップの一例である。   With reference to FIGS. 1-3, the gas sensor 1 which concerns on 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the gas sensor 1 according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing temperatures at which each gas component contained in natural gas easily reacts with oxygen. FIG. 3 is an example of a gas concentration-heat generation amount map.

ガスセンサ1は、天然ガスに含まれるガス成分の濃度を検出するために、ガス成分と酸素(酸素イオン)との化学反応を利用する。特に、ガスセンサ1は、4種のガス成分の濃度を順次検出するために、各ガス成分が酸素と反応して酸化・燃焼し易い温度を低い温度から順に高い温度に変化させ、その温度毎に反応熱で増加する熱量を導出し、その増加熱量からガス成分の濃度を検出する。そのために、ガスセンサ1は、酸素ポンプ10、基準電極11、電極12、電源13、スイッチ14、ヒータ15、温度センサ16、制御部21を備えている。   The gas sensor 1 uses a chemical reaction between a gas component and oxygen (oxygen ions) in order to detect the concentration of the gas component contained in natural gas. In particular, in order to sequentially detect the concentrations of the four gas components, the gas sensor 1 changes the temperature at which each gas component reacts with oxygen and easily oxidizes and burns from a low temperature to a high temperature in order. The amount of heat increased by reaction heat is derived, and the concentration of the gas component is detected from the increased amount of heat. For this purpose, the gas sensor 1 includes an oxygen pump 10, a reference electrode 11, an electrode 12, a power source 13, a switch 14, a heater 15, a temperature sensor 16, and a control unit 21.

なお、第1の実施の形態では、酸素ポンプ10が特許請求の範囲に記載する酸素供給部に相当し、基準電極11が特許請求の範囲に記載する第1電極に相当し、電極12が特許請求の範囲に記載する第2電極に相当し、電源13が特許請求の範囲に記載する電源に相当し、ヒータ15、温度センサ16及び制御部21での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当し、温度センサ16及び制御部21での処理が特許請求の範囲に熱量検出部に相当する。   In the first embodiment, the oxygen pump 10 corresponds to the oxygen supply unit described in the claims, the reference electrode 11 corresponds to the first electrode described in the claims, and the electrode 12 corresponds to the patent. It corresponds to the second electrode described in the claims, the power source 13 corresponds to the power source described in the claims, and the processing in the heater 15, the temperature sensor 16 and the control unit 21 is the temperature described in the claims. It corresponds to the adjustment unit, and the processing in the temperature sensor 16 and the control unit 21 corresponds to the heat quantity detection unit in the claims.

酸素ポンプ10は、一方側で酸素と電子を受け取り、一方側から他方側に酸素イオンを移動させ、他方側に酸素イオンを供給するポンプである。酸素ポンプ10は、固体電解質のジルコニアからなる。ジルコニア(固体電解質)は、外部から加えられた電場によってイオンを移動させることができる固体であり、イオンの移動によって電流が流れる。特に、ジルコニアに電圧が印加され、ジルコニアの一方側に酸素が存在すると、酸素が電子と結合して酸素イオンとなり、酸素イオンが他方側に移動し、他方側に酸素イオンを供給できる。酸素ポンプ10は、例えば、直方体や立方体の形状である。   The oxygen pump 10 is a pump that receives oxygen and electrons on one side, moves oxygen ions from one side to the other side, and supplies oxygen ions to the other side. The oxygen pump 10 is made of solid electrolyte zirconia. Zirconia (solid electrolyte) is a solid that can move ions by an electric field applied from the outside, and a current flows by the movement of the ions. In particular, when a voltage is applied to zirconia and oxygen is present on one side of zirconia, oxygen is combined with electrons to form oxygen ions, oxygen ions move to the other side, and oxygen ions can be supplied to the other side. The oxygen pump 10 has, for example, a rectangular parallelepiped shape or a cubic shape.

基準電極11は、酸素ポンプ10の一方の端面に設けられる電極であり、電子を受け取るマイナス極となる。基準電極11は、酸素ポンプ10の一方の端面の全面又は一部に取付けられ、全面の場合には酸素が通過できるように多孔質の物質がよく、一部の場合には多孔質の物質でなくてもよい。酸素ポンプ10の一方の端面に取付けられる基準電極11側は、図1に示すように、酸素(O)を含むガス(例えば、大気)にさらされるように、酸素を含むガス中に配置されたり、配管で酸素を含むガスが導入されたりする。 The reference electrode 11 is an electrode provided on one end face of the oxygen pump 10 and serves as a negative electrode for receiving electrons. The reference electrode 11 is attached to the entire surface or a part of one end surface of the oxygen pump 10 and is preferably a porous material so that oxygen can pass through the entire surface. In some cases, the reference electrode 11 is a porous material. It does not have to be. As shown in FIG. 1, the reference electrode 11 side attached to one end face of the oxygen pump 10 is disposed in a gas containing oxygen so as to be exposed to a gas containing oxygen (O 2 ) (for example, the atmosphere). Or a gas containing oxygen is introduced through a pipe.

電極12は、酸素ポンプ10の他方の端面に設けられる電極であり、電子を放出するプラス極となる。電極12は、酸素ポンプ10の他方の端面(基準電極11が取り付けられている一方の端面に対向する面)の全面又は一部に取付けられ、全面の場合には酸素イオンや天然ガスに含まれるガス成分が通過できるように多孔質の物質がよく、一部の場合には多孔質の物質でなくてもよい。酸素ポンプ10の他方の端面に取付けられる電極12側は、図1に示すように、4種のガス成分(メタン(CH)、エタン(C)、プロパン(C)、ブタン(C10))を含む天然ガスにさらされるように、天然ガスが蓄えられる燃料タンク内に配置されたり、天然ガス(あるいは排気ガス)が流れる配管内に配置されたりする。 The electrode 12 is an electrode provided on the other end face of the oxygen pump 10 and serves as a positive electrode that emits electrons. The electrode 12 is attached to the entire surface or a part of the other end surface of the oxygen pump 10 (the surface opposite to the one end surface to which the reference electrode 11 is attached). In the case of the entire surface, the electrode 12 is included in oxygen ions or natural gas. A porous material is preferable so that a gas component can pass through, and in some cases, the material may not be a porous material. As shown in FIG. 1, the electrode 12 side attached to the other end face of the oxygen pump 10 has four types of gas components (methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), It is arranged in a fuel tank in which natural gas is stored so as to be exposed to natural gas containing butane (C 4 H 10 )) or in a pipe through which natural gas (or exhaust gas) flows.

電源13は、基準電極11と電極12との間(ひいては、酸素ポンプ10)に直流の電圧を印加する電源である。電源13は、マイナス側が基準電極11に接続され、プラス側がスイッチ14を介して電極12に接続される。電源13の電圧値は、酸素ポンプ10に用いられるジルコニアの特性に応じて決められる。   The power source 13 is a power source that applies a DC voltage between the reference electrode 11 and the electrode 12 (and thus the oxygen pump 10). The power source 13 has a negative side connected to the reference electrode 11 and a positive side connected to the electrode 12 via the switch 14. The voltage value of the power source 13 is determined according to the characteristics of zirconia used in the oxygen pump 10.

スイッチ14は、電源13による電圧の印加/印加停止を行うためのスイッチである。スイッチ14は、電源13のプラス側と電極12との間に接続される。スイッチ14は、制御部21によってON/OFFされる。   The switch 14 is a switch for applying / stopping voltage application by the power supply 13. The switch 14 is connected between the positive side of the power supply 13 and the electrode 12. The switch 14 is turned on / off by the control unit 21.

なお、スイッチ14がONし、電源13から基準電極11と電極12との間(酸素ポンプ10)に電圧が印加されると、電子(e―1)が流れる。基準電極11側では、下記の式(1)に示すように、酸素(O)が電子(e―1)を受け取り、酸素イオン(O2−)となる。酸素ポンプ10では、この酸素イオン(O2−)を電極12側に移動させる。電極12側では、例えば、下記の式(2)に示すように、メタン(CH)の場合、メタン(CH)が酸素(O)と反応して酸化・燃焼することにより、二酸化炭素(CO)と水(HO)に変化するとともに反応熱が発生する。この反応熱により周囲の温度が上昇する。この際、電極12側では、式(1)に示すように、酸素イオン(O2−)が酸素(O)と電子(e―1)になり、電子(e―1)を放出する。

Figure 2015161570
When the switch 14 is turned on and a voltage is applied from the power source 13 to the reference electrode 11 and the electrode 12 (oxygen pump 10), electrons (e- 1 ) flow. On the reference electrode 11 side, as shown in the following formula (1), oxygen (O 2 ) receives electrons (e −1 ) and becomes oxygen ions (O 2− ). In the oxygen pump 10, the oxygen ions (O 2− ) are moved to the electrode 12 side. The electrode 12 side, for example, as shown in the following formula (2) in the case of methane (CH 4), by methane (CH 4) is oxidized and burnt by reacting with oxygen (O 2), carbon dioxide While changing into (CO 2 ) and water (H 2 O), reaction heat is generated. This reaction heat raises the ambient temperature. At this time, on the electrode 12 side, as shown in the formula (1), oxygen ions (O 2− ) become oxygen (O 2 ) and electrons (e −1 ), and electrons (e −1 ) are emitted.
Figure 2015161570

ヒータ15は、酸素ポンプ10を加熱するヒータである。ヒータ15は、酸素ポンプ10内に設けてもよいしあるいは酸素ポンプ10外に設けてもよい。ヒータ15としては、従来の周知のものが適用されるが、ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)のうちの酸素と反応し易い温度の中で最も高い温度よりも高い温度まで温度上昇させることができるヒータを適用する。ヒータ15は、制御部21によってON(電力供給)/OFFされる。   The heater 15 is a heater that heats the oxygen pump 10. The heater 15 may be provided inside the oxygen pump 10 or outside the oxygen pump 10. A conventionally well-known heater is used as the heater 15, and the temperature is increased to a temperature higher than the highest temperature among the gas components (methane, ethane, propane, butane) that easily react with oxygen. Apply a heater that can. The heater 15 is turned ON (power supply) / OFF by the control unit 21.

温度センサ16は、酸素ポンプ10の温度を検出するヒータである。温度センサ16は、酸素ポンプ10内(特に、電極12の周辺)に設けられる。但し、温度センサ16が温度調整用と熱量検出用の2個ある場合、温度調整用の温度センサを酸素ポンプ10内に設け、熱量検出用の温度センサを電極12の近傍の酸素ポンプ10内又は酸素ポンプ10外に設ける。温度センサ16としては、従来の周知のものが適用されるが、ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)うちの酸素と反応し易い温度の中で最も高い温度よりも高い温度まで検出可能な温度センサを適用する。温度センサ16は、検出した温度の情報を制御部21に出力する。   The temperature sensor 16 is a heater that detects the temperature of the oxygen pump 10. The temperature sensor 16 is provided in the oxygen pump 10 (particularly, around the electrode 12). However, when there are two temperature sensors 16 for temperature adjustment and heat quantity detection, the temperature sensor for temperature adjustment is provided in the oxygen pump 10 and the temperature sensor for heat quantity detection is provided in the oxygen pump 10 near the electrode 12 or Provided outside the oxygen pump 10. As the temperature sensor 16, a conventional well-known sensor is applied, and it is possible to detect a temperature higher than the highest temperature among the temperatures easily reacting with oxygen among gas components (methane, ethane, propane, butane). Apply temperature sensor. The temperature sensor 16 outputs the detected temperature information to the control unit 21.

なお、電極12で酸素イオンが供給され、電極12側で酸素と各ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)とが化学反応するので、酸素ポンプ10内でも電極12の周辺の温度を上昇させ、電極12の周辺の温度(ひいては、熱量)を検出する必要がある。   Since oxygen ions are supplied from the electrode 12 and oxygen and each gas component (methane, ethane, propane, butane) chemically react on the electrode 12 side, the temperature around the electrode 12 is raised even in the oxygen pump 10. It is necessary to detect the temperature around the electrode 12 (and hence the amount of heat).

制御部21は、ガスセンサ1の制御部であり、エンジンのECU[Electronic Control Unit]等における1つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ1専用の制御装置でもよい。制御部21で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。   The control unit 21 is a control unit of the gas sensor 1 and may be configured as one function in an engine ECU (Electronic Control Unit) or the like, or may be a control device dedicated to the gas sensor 1. The processing performed by the control unit 21 includes temperature adjustment processing, gas concentration derivation processing, and gas concentration ratio derivation processing.

温度調整処理について説明する。4種のガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)は、酸素と反応し易い温度(反応温度)がそれぞれ異なっている。図2には、4種のガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)の酸素と反応し易い温度のピークをそれぞれ示しており、ブタンのピークの温度T1<プロパンのピークの温度T2<エタンのピークの温度T3<ブタンのピークの温度T4となる。各ガス成分は、このピークの温度T1,T2,T3,T4で酸素と最も反応し易く、このピークの温度T1,T2,T3,T4から離れるほど反応し難くなり、温度T1,T2,T3,T4をピークとする反応温度領域を有している。したがって、酸素ポンプ10(特に、反応が起こる電極12の周辺)の温度が各温度T1,T2,T3,T4になると、ブタン、プロパン、エタン、ブタンが酸素と最も反応し易くなり、その反応を利用してガス濃度を検出することができる。   The temperature adjustment process will be described. The four gas components (methane, ethane, propane, and butane) have different temperatures (reaction temperatures) at which they easily react with oxygen. FIG. 2 shows peak temperatures at which the four gas components (methane, ethane, propane, and butane) easily react with oxygen. Butane peak temperature T1 <propane peak temperature T2 <ethane Peak temperature T3 <butane peak temperature T4. Each gas component is most likely to react with oxygen at the peak temperatures T1, T2, T3, and T4, and is less likely to react with the distance from the peak temperatures T1, T2, T3, and T4. The reaction temperature region has a peak at T4. Therefore, when the temperature of the oxygen pump 10 (especially around the electrode 12 where the reaction takes place) reaches the respective temperatures T1, T2, T3, and T4, butane, propane, ethane, and butane are most easily reacted with oxygen. The gas concentration can be detected by using it.

制御部21では、検出開始時に、ヒータ15をON(電力供給)し、ヒータ15による加熱を開始する。制御部21では、温度センサ16から酸素ポンプ10内の温度の情報を取得する。温度Tを取得する毎に、制御部21では、温度Tが上記の各温度Tx(x=1,2,3,4)になったか否かを順に判定し、酸素ポンプ10内の温度を各温度Txに調整する。まず、最も低い温度T1になったかを判定し、その後は、T2,T3,T4の順に判定していく。この際、制御部21では、最も高い温度T4になるまでヒータ15による加熱を続け、検出が終了するとヒータ15をOFF(電力供給停止)する。なお、酸素ポンプ10内の温度が各温度T1,T2,T3,T4に調整され、そのときに各ガス成分の濃度を検出している間は、ヒータ15の加熱による温度上昇を一時的に抑えるために、ヒータ15による加熱を一時的に停止あるいはヒータ15の出力を調整できる場合には出力を抑制するようにしてもよい。   The control unit 21 turns on the heater 15 (power supply) at the start of detection, and starts heating by the heater 15. The control unit 21 acquires temperature information in the oxygen pump 10 from the temperature sensor 16. Each time the temperature T is acquired, the control unit 21 sequentially determines whether or not the temperature T has reached each of the temperatures Tx (x = 1, 2, 3, 4), and sets the temperature in the oxygen pump 10 to each of the temperatures Tx. Adjust to temperature Tx. First, it is determined whether the lowest temperature T1 has been reached, and thereafter, the determination is made in the order of T2, T3, and T4. At this time, the control unit 21 continues heating by the heater 15 until the highest temperature T4 is reached, and when the detection is completed, the heater 15 is turned off (power supply is stopped). In addition, while the temperature in the oxygen pump 10 is adjusted to each temperature T1, T2, T3, T4 and the concentration of each gas component is detected at that time, the temperature rise due to heating of the heater 15 is temporarily suppressed. Therefore, when the heating by the heater 15 is temporarily stopped or the output of the heater 15 can be adjusted, the output may be suppressed.

ガス濃度導出処理について説明する。各ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)は酸素と反応して熱を発生させるので、反応で消費されたガスの量(ガス濃度)に応じてその発熱量が変化する。図3には、メタンの場合のガス濃度と発熱量との関係(ガス濃度の発熱量依存性)を示すマップを示しており(酸素と天然ガスとの空燃比が一定であり、メタンが酸素と反応して完全燃焼した場合のマップ)、ガス濃度と発熱量との間には比例関係がある。メタン以外のエタン、プロパン、ブタンもガス濃度と発熱量との間には比例関係がある。このようなガス濃度−発熱量マップを各ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)について実験等で予め求めておき、制御部21に記憶させておく。   The gas concentration derivation process will be described. Since each gas component (methane, ethane, propane, butane) reacts with oxygen to generate heat, its calorific value changes according to the amount of gas consumed in the reaction (gas concentration). FIG. 3 shows a map showing the relationship between the gas concentration and the calorific value in the case of methane (depending on the calorific value of the gas concentration) (the air-fuel ratio of oxygen and natural gas is constant, and methane is oxygen ), The gas concentration and the calorific value are proportional to each other. Ethane other than methane, propane, and butane also have a proportional relationship between the gas concentration and the calorific value. Such a gas concentration-calorific value map is obtained in advance for each gas component (methane, ethane, propane, butane) through experiments or the like, and is stored in the control unit 21.

各温度Tx(x=1,2,3,4)に調整される毎に、制御部21では、温度センサ16からの温度の情報により、酸素ポンプ10内の温度が各温度Txになる前(各ガス成分の反応前)の電極12の周辺の温度TAを取得するとともに、各温度Txになった後(各ガス成分の反応後)の電極12の近傍の温度TBを取得する。そして、制御部21では、反応前の温度TAと反応後の温度TBから反応前後の温度差(TB−TA)を算出する。この温度差(TB−TA)は、ガス成分の酸素との反応によって発生した熱によって上昇した温度分に相当すると考えられる。制御部21では、この温度差(TB−TA)から反応前後で増加した熱量(反応による発熱量)を算出する。そして、制御部21では、温度Txに対応するガス成分のガス濃度−発熱量マップに基づいて、その増加熱量(発熱量)に応じたガス濃度[ppm]を導出する。なお、ヒータ15によって加熱している場合、ヒータ15による加熱でも温度上昇するので、上記したようにヒータ15による加熱を一時的に抑えたほうがよい。   Every time the temperature is adjusted to each temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4), the control unit 21 uses the temperature information from the temperature sensor 16 before the temperature in the oxygen pump 10 reaches each temperature Tx ( The temperature TA around the electrode 12 before the reaction of each gas component is acquired, and the temperature TB in the vicinity of the electrode 12 after each temperature Tx (after the reaction of each gas component) is acquired. And the control part 21 calculates the temperature difference (TB-TA) before and behind reaction from temperature TA before reaction, and temperature TB after reaction. This temperature difference (TB-TA) is considered to correspond to the temperature increased by the heat generated by the reaction of the gas component with oxygen. In the control unit 21, the amount of heat increased before and after the reaction (the amount of heat generated by the reaction) is calculated from this temperature difference (TB-TA). Then, the control unit 21 derives the gas concentration [ppm] corresponding to the increased heat amount (heat generation amount) based on the gas concentration-heat generation amount map of the gas component corresponding to the temperature Tx. Note that when heating is performed by the heater 15, the temperature rises even by heating by the heater 15, so it is better to temporarily suppress the heating by the heater 15 as described above.

ガス濃度比率導出処理について説明する。4種のガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)の全てのガス濃度を導出すると、制御部21では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度から、そのガス濃度比率を算出する。このガス濃度比率が、エンジンの制御に用いられる。   The gas concentration ratio derivation process will be described. When all the gas concentrations of the four types of gas components (methane, ethane, propane, butane) are derived, the control unit 21 calculates the gas concentration ratio from each gas concentration of methane, ethane, propane, and butane. This gas concentration ratio is used for engine control.

なお、制御部21では、スイッチ14に対するON/OFFを行って、電源13からの基準電極11と電極12との間(酸素ポンプ10)への電圧の印加開始/印加終了させている。このスイッチ14に対するON/OFFについては、ガス濃度の検出を行っている間は常時ONし、全ての検出が終了するとOFFするようにしてもよい。このように電圧を常時印加した場合(つまり、酸素ポンプ10で酸素を常時供給可能な状態とした場合)、各ガス成分の反応し易い温度の前後の温度領域についても各ガス成分の濃度を検出できるので、それらの温度領域でのガス濃度も加味して各ガス成分のガス濃度をより高精度に導出することも可能となり、検出精度を向上させることができる。あるいは、各温度Tx(x=1,2,3,4)に調整する毎にスイッチ14をONし、各ガス濃度の検出が終了する毎にスイッチ14をOFFするようにしてもよい。このように各ガス成分の反応し易い各温度Txに調整される毎に電源13による電圧の印加開始/印加停止を行う場合(つまり、各温度Txに調整されてガス濃度を検出するときだけ酸素ポンプ10で酸素を供給可能な状態とした場合)、ガスセンサ1による消費電力を低減できる。   Note that the control unit 21 performs ON / OFF of the switch 14 to start / stop application of voltage from the power source 13 to the reference electrode 11 and the electrode 12 (oxygen pump 10). The ON / OFF for the switch 14 may be always turned on while the gas concentration is being detected, and may be turned off when all the detections are completed. In this way, when the voltage is constantly applied (that is, when oxygen can be constantly supplied by the oxygen pump 10), the concentration of each gas component is detected even in the temperature range before and after the temperature at which each gas component easily reacts. Therefore, it is possible to derive the gas concentration of each gas component with higher accuracy in consideration of the gas concentration in those temperature regions, and the detection accuracy can be improved. Alternatively, the switch 14 may be turned on each time the temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) is adjusted, and the switch 14 may be turned off every time the detection of each gas concentration is completed. As described above, when the application of voltage is started / stopped by the power source 13 every time the temperature is adjusted to each temperature Tx at which each gas component easily reacts (that is, oxygen is adjusted only when the gas concentration is detected by adjusting to each temperature Tx). When the pump 10 can supply oxygen), the power consumption by the gas sensor 1 can be reduced.

図1〜図3を参照して、ガスセンサ1によるガス濃度比率検出する際の動作について図4のフローチャートに沿って説明する。図4は、ガスセンサ1によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。   With reference to FIGS. 1-3, the operation | movement at the time of detecting the gas concentration ratio by the gas sensor 1 is demonstrated along the flowchart of FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a flow of gas concentration ratio detection by the gas sensor 1.

ガス濃度比率検出が開始すると、まず、制御部21では、変数xを1に初期化する(S10)。変数xは、各ガス成分の酸素と反応し易いピークの温度Tx(x=1,2,3,4)のxに対応した変数である。この例では、変数xは1,2,3,4であるが、検出するガス成分の数に応じて変わる。最も低い温度T1(ブタン)から検出するので、xを1で初期化している。この際、スイッチ14は制御部21によってONされ、電源13から基準電極11と電極12との間(酸素ポンプ10)に電圧が印加される。ヒータ15では、制御部21によってON(電力が供給)され、酸素ポンプ10を加熱する。温度センサ16では、酸素ポンプ10の温度を検出し、その温度の情報を制御部21に出力する。   When the gas concentration ratio detection starts, first, the control unit 21 initializes a variable x to 1 (S10). The variable x is a variable corresponding to x of the peak temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) that easily reacts with oxygen of each gas component. In this example, the variable x is 1, 2, 3, 4 but varies depending on the number of gas components to be detected. Since x is detected from the lowest temperature T1 (butane), x is initialized to 1. At this time, the switch 14 is turned on by the control unit 21, and a voltage is applied from the power source 13 between the reference electrode 11 and the electrode 12 (oxygen pump 10). In the heater 15, the controller 21 is turned on (power is supplied) to heat the oxygen pump 10. The temperature sensor 16 detects the temperature of the oxygen pump 10 and outputs the temperature information to the control unit 21.

制御部21では、一定時間(例えば、制御部21の制御周期)毎に、温度センサ16から酸素ポンプ10の温度Tを取得する(S11)。そして、制御部21では、その取得した温度Tが各ガス成分の酸素と反応し易い温度Tx(x=1,2,3,4)になったか否かを判定する(S12)。この判定では、まず、最も低い温度T1について判定し、温度T1になった後は次の温度T2について判定し、温度T2になった後は次の温度T3について判定し、温度T3になった後は次の温度T4について判定し、温度T4になった場合にはこの温度判定は終了となる。S12の判定で温度Tが温度Txになっていないと判定すると、ヒータ15による加熱が続けられ(S13)、酸素ポンプ10の温度が上昇する。   In the control part 21, the temperature T of the oxygen pump 10 is acquired from the temperature sensor 16 every fixed time (for example, control period of the control part 21) (S11). Then, the control unit 21 determines whether or not the acquired temperature T has become a temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) that easily reacts with oxygen of each gas component (S12). In this determination, first, the lowest temperature T1 is determined. After the temperature T1, the next temperature T2 is determined. After the temperature T2, the next temperature T3 is determined and the temperature T3 is reached. Is determined for the next temperature T4. When the temperature T4 is reached, the temperature determination ends. If it is determined in S12 that the temperature T is not equal to the temperature Tx, heating by the heater 15 is continued (S13), and the temperature of the oxygen pump 10 is increased.

S12の判定で温度Tが温度Txになったと判定すると、制御部21では、温度センサ16から反応後の温度TBを取得する(S14)。また、制御部21では、温度センサ16から反応前の温度TAも既に取得している(S11)。そして、制御部21では、反応前の温度TAと反応後の温度TBから反応前後の温度差(TB−TA)を算出し、この温度差(TB−TA)から増加熱量(発熱量)を算出する(S15)。さらに、制御部21では、このときの温度Txに対応するガス成分のガス濃度−発熱量マップにより、発熱量に応じたガス濃度を導出する(S16)。   If it determines with temperature T having become temperature Tx by determination of S12, the control part 21 will acquire temperature TB after reaction from the temperature sensor 16 (S14). Further, the control unit 21 has already acquired the temperature TA before the reaction from the temperature sensor 16 (S11). And in the control part 21, the temperature difference (TB-TA) before and behind reaction is calculated from temperature TA before reaction, and temperature TB after reaction, and calorie | heat amount (calorific value) is calculated from this temperature difference (TB-TA). (S15). Further, the control unit 21 derives the gas concentration corresponding to the heat generation amount from the gas concentration-heat generation amount map of the gas component corresponding to the temperature Tx at this time (S16).

制御部21では、変数xが4か否かを判定する(S17)。S17の判定で変数xが4ではないと判定した場合、制御部21では、変数xに1を加算する(S18)。そして、次に反応し易い温度が高い温度Txのガス成分のガス濃度を検出するために、上記のS11〜S17の動作が繰り返される。   The control unit 21 determines whether or not the variable x is 4 (S17). If it is determined in S17 that the variable x is not 4, the control unit 21 adds 1 to the variable x (S18). Then, in order to detect the gas concentration of the gas component having the temperature Tx that is the next highest temperature at which reaction is likely to occur, the operations of S11 to S17 are repeated.

S17の判定で変数xが4と判定した場合、制御部21では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度からガス濃度比率を算出する(S19)。これで、ガス濃度比率の検出が終了する。この際、スイッチ14は制御部21によってOFFされ、電源13からの電圧印加が終了する。ヒータ15は、制御部21によってOFFされ、加熱が終了する。   When the variable x is determined to be 4 in the determination of S17, the control unit 21 calculates a gas concentration ratio from each gas concentration of methane, ethane, propane, and butane (S19). This completes the detection of the gas concentration ratio. At this time, the switch 14 is turned off by the control unit 21 and the voltage application from the power supply 13 is finished. The heater 15 is turned off by the control unit 21 and the heating ends.

このガスセンサ1によれば、天然ガスに含まれる各ガス成分の酸素と反応し易い各温度に順次変えて、その各温度での化学反応から各ガス成分の濃度を順次検出することにより、単一のセンサにより複数のガス成分の各ガス濃度(ひいては、複数のガス成分のガス濃度比率)を簡易な構成で検出できる。このガス濃度比率を用いてエンジン制御を行うことにより、最適なエンジン制御ができ、シリンダ内での燃焼状態が良好となり、排気ガス、燃費、エンジン出力、エンジンの耐久性等に好影響を及ぼす。また、一つの簡易な構成のガスセンサ1によって多種のガス成分の濃度を検出できるので、コストを低減できる。   According to the gas sensor 1, the temperature of each gas component contained in natural gas is changed to each temperature that easily reacts with oxygen, and the concentration of each gas component is sequentially detected from the chemical reaction at each temperature. With this sensor, each gas concentration of the plurality of gas components (and consequently the gas concentration ratio of the plurality of gas components) can be detected with a simple configuration. By performing engine control using this gas concentration ratio, optimum engine control can be performed, the combustion state in the cylinder becomes good, and the exhaust gas, fuel consumption, engine output, engine durability, etc. are positively affected. Moreover, since the concentration of various gas components can be detected by the gas sensor 1 having a simple configuration, the cost can be reduced.

また、ガスセンサ1によれば、ガス濃度を導出するために酸素との反応で増加した熱量を用いることにより、ガス成分の濃度を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、増加熱量を検出するために温度調整で用いる温度センサ16を共用できるので、より簡易な構成が可能となる。   Further, according to the gas sensor 1, the concentration of the gas component can be easily detected by using the amount of heat increased by the reaction with oxygen in order to derive the gas concentration. In particular, in the case of this detection method, since the temperature sensor 16 used for temperature adjustment to detect the increased heat quantity can be shared, a simpler configuration is possible.

図5〜図7を参照して、第2の実施の形態に係るガスセンサ2について説明する。図5は、第2の実施の形態に係るガスセンサ2の構成を模式的に示す図である。図6は、酸素量−電流値マップの一例である。図7は、ガス濃度−酸素量マップの一例である。   A gas sensor 2 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the gas sensor 2 according to the second embodiment. FIG. 6 is an example of an oxygen amount-current value map. FIG. 7 is an example of a gas concentration-oxygen amount map.

ガスセンサ2は、第1の実施の形態に係るガスセンサ1と比較すると、ガス成分の濃度の導出方法が異なる。ガスセンサ2は、各ガス成分の酸素と反応し易い温度毎に反応中に流れた電流値を計測することにより、その電流値から反応中に供給された酸素量を導出し、その供給酸素量からガス成分の濃度を検出する。そのために、ガスセンサ2は、酸素ポンプ10、基準電極11、電極12、電源13、スイッチ14、ヒータ15、温度センサ16、電流センサ17、制御部22を備えている。   The gas sensor 2 differs from the gas sensor 1 according to the first embodiment in the method for deriving the concentration of the gas component. The gas sensor 2 derives the amount of oxygen supplied during the reaction from the current value by measuring the current value flowing during the reaction for each temperature at which the gas component 2 easily reacts with oxygen, and from the supplied oxygen amount. Detect the concentration of gas components. For this purpose, the gas sensor 2 includes an oxygen pump 10, a reference electrode 11, an electrode 12, a power source 13, a switch 14, a heater 15, a temperature sensor 16, a current sensor 17, and a control unit 22.

なお、酸素ポンプ10、基準電極11、電極12、電源13、スイッチ14、ヒータ15、温度センサ16については第1の実施の形態で説明したので、電流センサ17、制御部22についてのみ説明する。第2の実施の形態では、ヒータ15、温度センサ16及び制御部22での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当し、電流センサ17が特許請求の範囲に電流検出部に相当する。   Since the oxygen pump 10, the reference electrode 11, the electrode 12, the power supply 13, the switch 14, the heater 15, and the temperature sensor 16 have been described in the first embodiment, only the current sensor 17 and the control unit 22 will be described. In the second embodiment, the processing in the heater 15, the temperature sensor 16, and the control unit 22 corresponds to the temperature adjustment unit described in the claims, and the current sensor 17 corresponds to the current detection unit in the claims. To do.

電流センサ17は、基準電極11と電極12との間に流れる電流値を検出するセンサである。電流センサ17は、スイッチ14と電極12との間に接続される。電流センサ17としては、従来の周知のものが適用される。電流センサ17は、検出した電流値の情報を制御部22に出力する。   The current sensor 17 is a sensor that detects a current value flowing between the reference electrode 11 and the electrode 12. The current sensor 17 is connected between the switch 14 and the electrode 12. As the current sensor 17, a conventionally known one is applied. The current sensor 17 outputs information on the detected current value to the control unit 22.

制御部22は、ガスセンサ2の制御部であり、エンジンのECU等における1つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ2専用の制御装置でもよい。制御部22で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。温度調整処理とガス濃度比率導出処理については第1の実施の形態に係る制御部21での各処理と同様の処理であるので、ガス濃度導出処理についてのみ説明する。   The control unit 22 is a control unit of the gas sensor 2 and may be configured as one function in an ECU or the like of the engine or may be a control device dedicated to the gas sensor 2. Processing performed by the control unit 22 includes temperature adjustment processing, gas concentration derivation processing, and gas concentration ratio derivation processing. Since the temperature adjustment process and the gas concentration ratio deriving process are the same as the processes in the control unit 21 according to the first embodiment, only the gas concentration deriving process will be described.

ガス濃度導出処理について説明する。基準電極11側では、上記の式(1)で示すように、酸素(O)が酸素イオン(O2−)になるために電子(e―1)を受け取っており、この受け取られた電子(e―1)の量が電流値に相当する。電極12側では、この電子(e―1)に対応する酸素イオン(O2−)の量に応じて酸素(O)を供給し、その供給した酸素(O)の量に応じたガス量のガス成分が反応している。したがって、電流値に応じて供給した酸素量を導出でき、その酸素量に応じて反応で消費されたガス量(すなわち、ガス成分の濃度)を導出することができる。 The gas concentration derivation process will be described. On the reference electrode 11 side, as shown in the above formula (1), oxygen (O 2 ) is converted to oxygen ions (O 2− ), so that electrons (e −1 ) are received. The amount of (e −1 ) corresponds to the current value. Gas in the electrode 12 side, that the electronic in accordance with the amount of oxygen ions (O 2-) which corresponds to (e -1) supplying oxygen (O 2), in accordance with the amount of supplied oxygen (O 2) The amount of gas component is reacting. Therefore, the amount of oxygen supplied according to the current value can be derived, and the amount of gas consumed in the reaction (that is, the concentration of the gas component) can be derived according to the amount of oxygen.

図6には、流れた電流値と供給した酸素量との関係(酸素量の電流値依存性)を示すマップを示しており、電流値と酸素量との間には比例関係がある。このような酸素量−電流値マップを実験等で予め求めておき、制御部22に記憶させておく。また、図7には、メタンの場合のガス濃度と酸素量との関係(ガス濃度の酸素量依存性)を示すマップを示しており(酸素と天然ガスとの空燃比が一定であり、メタンが酸素と反応して完全燃焼した場合)、ガス濃度と酸素量との間には比例関係がある。メタン以外のエタン、プロパン、ブタンもガス濃度と酸素量との間には比例関係がある。このようなガス濃度−酸素量マップを各ガス成分(メタン、エタン、プロパン、ブタン)について実験等で予め求めておき、制御部22に記憶させておく。   FIG. 6 shows a map showing the relationship between the flowing current value and the supplied oxygen amount (current value dependency of the oxygen amount), and there is a proportional relationship between the current value and the oxygen amount. Such an oxygen amount-current value map is obtained in advance through experiments or the like and stored in the control unit 22. FIG. 7 shows a map showing the relationship between the gas concentration and the oxygen amount (the oxygen amount dependency of the gas concentration) in the case of methane (the air-fuel ratio of oxygen and natural gas is constant, and methane Is completely combusted by reaction with oxygen), there is a proportional relationship between gas concentration and oxygen content. Ethane, propane and butane other than methane also have a proportional relationship between the gas concentration and the oxygen content. Such a gas concentration-oxygen amount map is obtained in advance for each gas component (methane, ethane, propane, butane) through experiments or the like and stored in the control unit 22.

各温度Tx(x=1,2,3,4)に調整される毎に、制御部22では、電流センサ17から電流値を取得する。そして、制御部22では、酸素量−電流値マップに基づいて、その電流値に応じて供給されている酸素量を導出する。さらに、制御部22では、温度Txに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップに基づいて、その酸素量に応じたガス濃度[ppm]を導出する。   Each time the temperature is adjusted to each temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4), the control unit 22 acquires a current value from the current sensor 17. Then, the control unit 22 derives the oxygen amount supplied according to the current value based on the oxygen amount-current value map. Further, the control unit 22 derives the gas concentration [ppm] corresponding to the oxygen amount based on the gas concentration-oxygen amount map of the gas component corresponding to the temperature Tx.

図5〜図7を参照して、ガスセンサ2によるガス濃度比率検出する際の動作について図8のフローチャートに沿って説明する。図8は、ガスセンサ2によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。   With reference to FIGS. 5 to 7, the operation when the gas concentration ratio is detected by the gas sensor 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. 8. FIG. 8 is a flowchart showing a flow of gas concentration ratio detection by the gas sensor 2.

ガス濃度比率検出が開始すると、第2の実施の形態に係るガスセンサ2では、第1の実施の形態に係るガスセンサ1の動作で説明したS10〜S13と同様に、S20〜S23の動作を行う。   When the gas concentration ratio detection starts, the gas sensor 2 according to the second embodiment performs the operations of S20 to S23 in the same manner as S10 to S13 described in the operation of the gas sensor 1 according to the first embodiment.

S22の判定で温度Tが温度Tx(x=1,2,3,4)になったと判定すると、制御部22では、電流センサ17から電流値を取得する(S24)。そして、制御部22では、酸素量−電流値マップにより、その電流値に応じた供給酸素量を導出する(S25)。さらに、制御部22では、このときの温度Txに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップにより、供給酸素量に応じたガス濃度を導出する(S26)。   If it determines with temperature T having become temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) by determination of S22, the control part 22 will acquire an electric current value from the current sensor 17 (S24). Then, the control unit 22 derives the supply oxygen amount corresponding to the current value from the oxygen amount-current value map (S25). Further, the control unit 22 derives a gas concentration corresponding to the supplied oxygen amount from the gas concentration-oxygen amount map of the gas component corresponding to the temperature Tx at this time (S26).

これ以降、第2の実施の形態に係るガスセンサ2では、第1の実施の形態に係るガスセンサ1の動作で説明したS17〜S19と同様に、S27〜S29の動作を行う。この際、S27の判定で変数xが4ではないと判定された場合、S21〜S27の動作が繰り返される。   Thereafter, in the gas sensor 2 according to the second embodiment, the operations of S27 to S29 are performed in the same manner as S17 to S19 described in the operation of the gas sensor 1 according to the first embodiment. At this time, if it is determined in S27 that the variable x is not 4, the operations in S21 to S27 are repeated.

このガスセンサ2は、第1の実施に係るガスセンサ1と同様の効果(ガス濃度を導出するために熱量を用いることによる効果を除く)を有しており、以下の効果も有している。ガスセンサ2によれば、酸素ポンプ10から供給される酸素量に対応する電流値を用いることにより、化学反応で使われた酸素量(ひいては、ガス成分の濃度)を簡単に検出することができる。特に、この検出方法の場合、ガス成分の濃度検出過程で環境における影響を受け易い熱量を用いていないので、検出精度が高い。   This gas sensor 2 has the same effects as the gas sensor 1 according to the first embodiment (excluding the effect of using the amount of heat to derive the gas concentration), and also has the following effects. According to the gas sensor 2, by using the current value corresponding to the amount of oxygen supplied from the oxygen pump 10, the amount of oxygen used in the chemical reaction (and consequently the concentration of the gas component) can be easily detected. In particular, in the case of this detection method, since the amount of heat that is easily affected by the environment is not used in the gas component concentration detection process, the detection accuracy is high.

図5〜図7を参照して、第3の実施の形態に係るガスセンサ3について説明する。図5は、第3の実施の形態に係るガスセンサ3の構成を模式的に示す図である。   A gas sensor 3 according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the gas sensor 3 according to the third embodiment.

ガスセンサ3は、第2の実施の形態に係るガスセンサ2と比較すると、温度の調整方法が異なる。ガスセンサ3は、各ガス成分が酸素と反応し易い温度のうちの最も高い温度よりも上昇させ、高い温度から順に低い温度に変化させる。そのために、ガスセンサ3は、酸素ポンプ10、基準電極11、電極12、電源13、スイッチ14、ヒータ15、温度センサ16、電流センサ17、制御部23を備えている。   The gas sensor 3 is different in temperature adjustment method from the gas sensor 2 according to the second embodiment. The gas sensor 3 raises each gas component from the highest temperature among the temperatures at which it easily reacts with oxygen, and changes the temperature from the highest temperature to the lowest temperature. For this purpose, the gas sensor 3 includes an oxygen pump 10, a reference electrode 11, an electrode 12, a power supply 13, a switch 14, a heater 15, a temperature sensor 16, a current sensor 17, and a control unit 23.

なお、酸素ポンプ10、基準電極11、電極12、電源13、スイッチ14、ヒータ15、温度センサ16、電流センサ17については第1、第2の実施の形態で説明したので、制御部23についてのみ説明する。第3の実施の形態では、ヒータ15、温度センサ16及び制御部23での処理が特許請求の範囲に記載する温度調整部に相当する。   Since the oxygen pump 10, the reference electrode 11, the electrode 12, the power source 13, the switch 14, the heater 15, the temperature sensor 16, and the current sensor 17 have been described in the first and second embodiments, only the control unit 23 is described. explain. In 3rd Embodiment, the process in the heater 15, the temperature sensor 16, and the control part 23 is equivalent to the temperature adjustment part described in a claim.

制御部23は、ガスセンサ3の制御部であり、エンジンのECU等における1つの機能として構成されてもよいしあるいはガスセンサ3専用の制御装置でもよい。制御部23で行う処理としては、温度調整処理、ガス濃度導出処理、ガス濃度比率導出処理がある。ガス濃度導出処理とガス濃度比率導出処理については第2の実施の形態に係る制御部22での各処理と同様の処理であるので、温度調整処理についてのみ説明する。   The control unit 23 is a control unit of the gas sensor 3 and may be configured as one function in the engine ECU or the like, or may be a control device dedicated to the gas sensor 3. Processing performed by the control unit 23 includes temperature adjustment processing, gas concentration derivation processing, and gas concentration ratio derivation processing. Since the gas concentration derivation process and the gas concentration ratio derivation process are the same as the processes in the control unit 22 according to the second embodiment, only the temperature adjustment process will be described.

温度調整処理について説明する。制御部23では、検出開始時に、ヒータ15をON(電力供給)し、ヒータ15による加熱を開始する。制御部23では、温度センサ16から酸素ポンプ10内の温度の情報を取得する。温度Tを取得する毎に、制御部23では、温度Tが温度Tx(x=1,2,3,4)の中で最も高い温度T4より高くなったか否かを判定する。この際、制御部22では、最も高い温度T4よりも高くなるまでヒータ15による加熱を続け、温度T4よりも高くなるとヒータ15をOFF(電力供給停止)する。この後、自然に温度が低下していくので、温度Tを取得する毎に、制御部23では、温度Tが温度Tx(x=1,2,3,4)になったか否かを順に判定し、酸素ポンプ10内の温度を各温度Txに調整する。まず、最も高い温度T4になったかを判定し、その後は、T3,T2,T1の順に判定していく。このように、第1、第2の実施の形態に係るガスセンサ1,2とは逆方向に、高い温度側から低い温度側に温度調整する。   The temperature adjustment process will be described. The control unit 23 turns on the heater 15 (power supply) at the start of detection, and starts heating by the heater 15. In the control unit 23, information on the temperature in the oxygen pump 10 is acquired from the temperature sensor 16. Each time the temperature T is acquired, the control unit 23 determines whether or not the temperature T is higher than the highest temperature T4 among the temperatures Tx (x = 1, 2, 3, 4). At this time, the control unit 22 continues heating by the heater 15 until the temperature becomes higher than the highest temperature T4, and when the temperature becomes higher than the temperature T4, the heater 15 is turned off (power supply is stopped). Thereafter, since the temperature naturally decreases, each time the temperature T is acquired, the control unit 23 sequentially determines whether or not the temperature T has become the temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4). Then, the temperature in the oxygen pump 10 is adjusted to each temperature Tx. First, it is determined whether or not the highest temperature T4 has been reached, and thereafter, the determination is made in the order of T3, T2, and T1. As described above, the temperature is adjusted from the high temperature side to the low temperature side in the opposite direction to the gas sensors 1 and 2 according to the first and second embodiments.

図5〜図7を参照して、ガスセンサ3によるガス濃度比率検出する際の動作について図9のフローチャートに沿って説明する。図9は、ガスセンサ3によるガス濃度比率検出の流れを示すフローチャートである。   With reference to FIGS. 5 to 7, the operation when the gas concentration ratio is detected by the gas sensor 3 will be described with reference to the flowchart of FIG. 9. FIG. 9 is a flowchart showing a flow of gas concentration ratio detection by the gas sensor 3.

ガス濃度比率検出が開始すると、まず、制御部23では、変数xを4に初期化する(S30)。最初に、最も高い温度T4よりも高い温度まで上昇させるので、xを4で初期化している。スイッチ14は制御部23によってONされ、電源13から基準電極11と電極12との間(酸素ポンプ10)に電圧が印加される。ヒータ15では、制御部23によってON(電力が供給)され、酸素ポンプ10を加熱する。温度センサ16では、酸素ポンプ10の温度を検出し、その温度の情報を制御部23に出力する。   When the gas concentration ratio detection starts, first, the control unit 23 initializes the variable x to 4 (S30). First, since the temperature is raised to a temperature higher than the highest temperature T4, x is initialized with 4. The switch 14 is turned on by the control unit 23, and a voltage is applied from the power source 13 between the reference electrode 11 and the electrode 12 (oxygen pump 10). The heater 15 is turned on (power is supplied) by the control unit 23 to heat the oxygen pump 10. The temperature sensor 16 detects the temperature of the oxygen pump 10 and outputs information on the temperature to the control unit 23.

制御部23では、一定時間毎に、温度センサ16から酸素ポンプ10の温度Tを取得する(S31)。そして、制御部23では、その取得した温度Tが温度T4よりも高くなったか否かを判定する(S32)。   The controller 23 acquires the temperature T of the oxygen pump 10 from the temperature sensor 16 at regular time intervals (S31). Then, the control unit 23 determines whether or not the acquired temperature T is higher than the temperature T4 (S32).

S32の判定で温度Tが温度T4よりも高くなっていないと判定すると、ヒータ15による加熱が続けられ(S33)、酸素ポンプ10の温度が上昇する。S32の判定で温度Tが温度T4よりも高くなったと判定すると、ヒータ15は制御部23によってOFF(電力が供給停止)される(S34)。これ以降、酸素ポンプ10の温度は自然に低下していく。   If it is determined in S32 that the temperature T is not higher than the temperature T4, heating by the heater 15 is continued (S33), and the temperature of the oxygen pump 10 is increased. If it is determined in S32 that the temperature T is higher than the temperature T4, the heater 15 is turned off (power supply is stopped) by the control unit 23 (S34). Thereafter, the temperature of the oxygen pump 10 naturally decreases.

制御部23では、一定時間毎に、温度センサ16から酸素ポンプ10の温度Tを取得する(S35)。そして、制御部23では、その取得した温度Tが温度Tx(x=1,2,3,4)になったか否かを判定する(S36)。この判定では、まず、温度T4について判定し、温度T4になった後は次の温度T3について判定し、温度T3になった後は次の温度T2について判定し、温度T2になった後は次の温度T1について判定し、温度T1になった場合にはこの温度判定は終了となる。S36の判定で温度Tが温度Txになっていないと判定すると、次回の判定まで待つ。   The controller 23 acquires the temperature T of the oxygen pump 10 from the temperature sensor 16 at regular time intervals (S35). Then, the control unit 23 determines whether or not the acquired temperature T has become the temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) (S36). In this determination, first, the temperature T4 is determined. After the temperature T4 is reached, the next temperature T3 is determined. After the temperature T3 is reached, the next temperature T2 is determined. When the temperature T1 is reached and the temperature T1 is reached, the temperature determination is finished. If it is determined in S36 that the temperature T is not equal to the temperature Tx, the process waits until the next determination.

S36の判定で温度Tが温度Txになったと判定すると、制御部23では、電流センサ17から電流値を取得する(S37)。そして、制御部23では、酸素量−電流値マップにより、その電流値に応じた供給酸素量を導出する(S38)。さらに、制御部23では、このときの温度Txに対応するガス成分のガス濃度−酸素量マップにより、供給酸素量に応じたガス濃度を導出する(S39)。   If it determines with temperature T having become temperature Tx by determination of S36, the control part 23 will acquire an electric current value from the current sensor 17 (S37). Then, the control unit 23 derives the supply oxygen amount corresponding to the current value from the oxygen amount-current value map (S38). Further, the control unit 23 derives the gas concentration corresponding to the supplied oxygen amount from the gas concentration-oxygen amount map of the gas component corresponding to the temperature Tx at this time (S39).

制御部23では、変数xが1か否かを判定する(S40)。S40の判定で変数xが1ではないと判定した場合、制御部23では、変数xから1を減算する(S41)。そして、次に反応し易い温度が低い温度Txのガス成分のガス濃度を検出するために、上記のS35〜S40の動作が繰り返される。   The control unit 23 determines whether or not the variable x is 1 (S40). If it is determined in S40 that the variable x is not 1, the control unit 23 subtracts 1 from the variable x (S41). And in order to detect the gas density | concentration of the gas component of the temperature Tx with the low temperature which is easy to react next, operation | movement of said S35-S40 is repeated.

S40の判定で変数xが1と判定した場合、制御部23では、メタン、エタン、プロパン、ブタンの各ガス濃度からガス濃度比率を算出する(S42)。これで、ガス濃度比率の検出が終了する。この際、スイッチ14は制御部23によってOFFされ、電源13からの電圧印加が終了する。   When the variable x is determined to be 1 in the determination in S40, the control unit 23 calculates a gas concentration ratio from each gas concentration of methane, ethane, propane, and butane (S42). This completes the detection of the gas concentration ratio. At this time, the switch 14 is turned off by the control unit 23 and the voltage application from the power source 13 is completed.

このガスセンサ3は、第2の実施に係るガスセンサ2と同様の効果を有しており、以下の効果も有している。ガスセンサ3によれば、温度を順次変化させる際に高温側から低温側の各温度に順次変えることにより、ガス成分と酸素の反応で発生する熱による温度上昇の影響をガス濃度検出する際に受け難くなり、検出精度が向上する。ちなみに、低温側から高温側の各温度に順次変える場合、あるガス成分のガス濃度を検出している際に反応温度が近いガス成分が存在すると、ヒータ15による加熱に加えて反応熱(外乱)によって温度が上昇するとその反応温度が近いガス成分も酸素と反応するので、高精度な検出が難しくなる可能性がある。しかし、高温側から低温側の各温度に順次変える場合、あるガス成分のガス濃度を検出している際に反応温度が近いガス成分が存在しても、反応温度が高い側のガス成分のガス濃度は既に検出されているので、反応熱(外乱)による影響を受け難く、高精度な検出が可能性となる。また、既に検出されている反応温度が高い側のガス成分の濃度を考慮して、ガス成分の濃度を精度良く検出することも可能となる。   This gas sensor 3 has the same effect as the gas sensor 2 according to the second embodiment, and also has the following effects. According to the gas sensor 3, when the temperature is sequentially changed, the temperature is gradually changed from the high temperature side to the low temperature side, thereby receiving the influence of the temperature rise due to the heat generated by the reaction between the gas component and oxygen when detecting the gas concentration. It becomes difficult and detection accuracy improves. Incidentally, in the case of sequentially changing from the low temperature side to the high temperature side, if there is a gas component having a similar reaction temperature when detecting the gas concentration of a certain gas component, in addition to the heating by the heater 15, reaction heat (disturbance) When the temperature rises due to the above, gas components having a reaction temperature close to that react with oxygen, which may make detection with high accuracy difficult. However, when changing from the high temperature side to the low temperature side sequentially, even if there is a gas component with a close reaction temperature when detecting the gas concentration of a certain gas component, the gas of the gas component with the higher reaction temperature is present. Since the concentration has already been detected, it is difficult to be affected by heat of reaction (disturbance), and highly accurate detection is possible. In addition, it is possible to accurately detect the concentration of the gas component in consideration of the concentration of the gas component on the higher reaction temperature side that has already been detected.

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。   As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.

例えば、本実施の形態では被検ガスとして天然ガスを適用したが、酸素と化学反応して発熱しかつ化学反応し易い各温度を有する複数のガス成分を含む被検ガスであれば適用可能であり、不純物となるガス成分を含む被検ガスにも適用可能である。   For example, in this embodiment, natural gas is applied as the test gas. However, the present invention is applicable to a test gas that includes a plurality of gas components each having a temperature that easily generates a chemical reaction due to a chemical reaction with oxygen. Yes, it can also be applied to a test gas containing a gas component that becomes an impurity.

また、本実施の形態では天然ガス自動車で用いるガスセンサに適用したが、火力発電等の自動車以外の天然ガスを用いる各用途で適用できる。   Moreover, although applied to the gas sensor used with a natural gas vehicle in this Embodiment, it is applicable by each use using natural gas other than vehicles, such as thermal power generation.

また、本実施の形態では酸素ポンプ(酸素供給部)としてジルコニアを適用したが、電圧を付加すると電極間で酸素イオンが移動し、酸素イオンを供給できる物質であれば他の物質(ジルコニア以外の固体電解質等)を適用してもよい。   In this embodiment, zirconia is applied as an oxygen pump (oxygen supply unit). However, when a voltage is applied, oxygen ions move between the electrodes, and other substances (other than zirconia) can be used as long as they can supply oxygen ions. A solid electrolyte or the like may be applied.

また、本実施の形態では各ガス成分の濃度から濃度比率まで導出する構成としたが、濃度比率まで導出しない構成でもよい。あるガス成分の濃度が0の場合、そのガス成分は天然ガスに含まれないことになるので、各ガス成分の濃度が0か否かにより、天然ガスに含まれるガス成分構成を導出することも可能である。   In the present embodiment, the concentration is derived from the concentration of each gas component to the concentration ratio. However, a configuration that does not derive the concentration ratio may be used. When the concentration of a certain gas component is 0, the gas component is not included in the natural gas. Therefore, the gas component configuration included in the natural gas can be derived depending on whether the concentration of each gas component is 0 or not. Is possible.

また、本実施の形態では各ガス成分のピークの温度Tx(x=1,2,3,4)に調整されると、その温度Txで酸素と反応し易いガス成分のみを考慮して熱量や電流値からガス濃度を導出したが、温度Txのときでも、温度Txに近い反応温度である他のガス成分も酸素と反応している可能性があるので(酸素と反応する温度領域が複数のガス成分で重なる場合があるので)、反応温度の近い他のガス成分も考慮して、各ガス成分の濃度を導出するようにしてもよい。そのために、各ガス成分のピークの温度Tx(あるいは、その周辺の温度領域も含めて)において、酸素と反応している全てのガス成分の割合等を実験等で予め求めておき、その割合等を加味してガス濃度を導出するようにするとよい。これによって、より検出精度が向上する。   In this embodiment, when the peak temperature Tx (x = 1, 2, 3, 4) of each gas component is adjusted, only the gas component that easily reacts with oxygen at the temperature Tx is considered. Although the gas concentration is derived from the current value, there is a possibility that other gas components having a reaction temperature close to the temperature Tx may also react with oxygen even at the temperature Tx (there are a plurality of temperature regions that react with oxygen). Since gas components may overlap each other), the concentration of each gas component may be derived in consideration of other gas components having a close reaction temperature. Therefore, at the peak temperature Tx of each gas component (or including the surrounding temperature region), the ratio of all gas components reacting with oxygen is obtained in advance through experiments, etc. It is advisable to derive the gas concentration in consideration of the above. This further improves the detection accuracy.

また、第1の実施の形態では各ガス成分が酸素と反応し易い温度の低温側から高温側に温度を変化させて、各温度での熱量からガス成分の濃度を検出する構成としたが、第3の実施の形態のように、高温側から低温側に温度を変化させて、各温度での熱量からガス成分の濃度を検出する構成としてもよい。この場合も、反応熱による温度上昇の影響を抑えることができるので、検出精度が向上する。   In the first embodiment, each gas component is configured to detect the concentration of the gas component from the amount of heat at each temperature by changing the temperature from the low temperature side to the high temperature side at which the gas component easily reacts with oxygen. It is good also as a structure which detects the density | concentration of a gas component from the calorie | heat amount in each temperature by changing temperature from the high temperature side to the low temperature side like 3rd Embodiment. Also in this case, the influence of temperature rise due to reaction heat can be suppressed, so that the detection accuracy is improved.

また、第3の実施の形態では最初に各ガス成分の酸素と反応し易い温度のうちの最も高い温度よりも高い温度まで上昇させ、自然に温度が下がるのを待って各温度に調整する構成としたが、水冷や空冷等の冷却手段を用いて温度を下げる構成としてもよい。   In the third embodiment, the temperature is first raised to a temperature higher than the highest temperature among the temperatures easily reacting with oxygen of each gas component, and is adjusted to each temperature after waiting for the temperature to drop naturally. However, the temperature may be lowered using a cooling means such as water cooling or air cooling.

1,2,3…ガスセンサ、10…酸素ポンプ、11…基準電極、12…電極、13…電源、14…スイッチ、15…ヒータ、16…温度センサ、17…電流センサ、21,22,23…制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2, 3 ... Gas sensor, 10 ... Oxygen pump, 11 ... Reference electrode, 12 ... Electrode, 13 ... Power supply, 14 ... Switch, 15 ... Heater, 16 ... Temperature sensor, 17 ... Current sensor 21, 22, 23 ... Control unit.

Claims (6)

被検ガスに含まれる複数のガス成分の各濃度を検出するガスセンサであって、
酸素を供給する酸素供給部と、
酸素を含むガス側に配置され、前記酸素供給部の一端側に設けられる第1電極と、
被検ガス側に配置され、前記酸素供給部の他端側に設けられる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に接続される電源と、
前記酸素供給部の温度を調整する温度調整部と、
を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された各温度のときにガス成分の濃度を検出する、ガスセンサ。
A gas sensor for detecting each concentration of a plurality of gas components contained in a test gas,
An oxygen supply section for supplying oxygen;
A first electrode disposed on a gas side containing oxygen and provided on one end side of the oxygen supply unit;
A second electrode disposed on the test gas side and provided on the other end side of the oxygen supply unit;
A power source connected between the first electrode and the second electrode;
A temperature adjusting unit for adjusting the temperature of the oxygen supply unit;
With
The temperature of the oxygen supply unit is sequentially adjusted to each temperature at which the plurality of gas components contained in the test gas and oxygen easily react by the temperature adjusting unit, and the concentration of the gas component is adjusted at each adjusted temperature. Gas sensor to detect.
前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流を検出する電流検出部を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに前記電流検出部で検出した電流値に基づいて前記酸素供給部で供給された酸素量を導出し、当該導出された酸素量からガス成分の濃度を検出する、請求項1に記載のガスセンサ。
A current detection unit for detecting a current flowing between the first electrode and the second electrode;
The temperature adjusting unit sequentially adjusts the temperature of the oxygen supply unit to each temperature at which a plurality of gas components contained in the test gas and oxygen easily react with each other, and is detected by the current detection unit at the adjusted temperature. 2. The gas sensor according to claim 1, wherein an oxygen amount supplied by the oxygen supply unit is derived based on the obtained current value, and a concentration of a gas component is detected from the derived oxygen amount.
ガス成分と酸素との反応で増加する熱量を検出する熱量検出部を備え、
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分と酸素とが反応し易い各温度に順次調整し、当該調整された温度のときに前記熱量検出部で検出した熱量からガス成分の濃度を検出する、請求項1に記載のガスセンサ。
With a calorific value detection unit that detects the amount of heat that increases due to the reaction between the gas component and oxygen,
The temperature adjustment unit sequentially adjusts the temperature of the oxygen supply unit to each temperature at which a plurality of gas components contained in the test gas and oxygen easily react, and the calorific value detection unit detects the adjusted temperature. The gas sensor according to claim 1, wherein the concentration of the gas component is detected from the amount of heat generated.
前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる複数のガス成分の酸素との反応し易い各温度のうちの高温側から低温側の各温度に順次調整する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のガスセンサ。   The temperature of the oxygen supply unit is sequentially adjusted by the temperature adjusting unit from a high temperature side to a low temperature side among temperatures easily reacting with oxygen of a plurality of gas components contained in a test gas. The gas sensor according to any one of claims 3 to 4. 前記酸素供給部の温度を前記温度調整部によって被検ガスに含まれる任意のガス成分と酸素とが反応し易い温度に調整する毎に前記電源による電圧の印加を開始し、当該任意のガス成分の濃度の検出が終了する毎に前記電源による電圧の印加を終了する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のガスセンサ。   Every time the temperature of the oxygen supply unit is adjusted to a temperature at which any gas component contained in the test gas and oxygen can easily react with the temperature adjusting unit, voltage application by the power source is started, and the arbitrary gas component The gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the application of the voltage by the power source is terminated each time detection of the concentration of is terminated. 前記ガスセンサによる検出中は前記電源によって電圧を印加し続ける、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 1, wherein a voltage is continuously applied by the power source during detection by the gas sensor.
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