JP2019203836A - アンモニア濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記検出電極と前記基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記測定ガスにおける酸素濃度を受信して、前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記酸素濃度に応じた補正が行われた、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部(52)と、
通電によって発熱する発熱体を有するヒータ部(4)と、
前記検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、を備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記通電制御部による前記目標制御温度が高いほど、前記酸素濃度が所定量変化したときの前記アンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置にある。
前記検出電極と前記基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記測定ガスにおける酸素濃度を受信して、前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記酸素濃度に応じた補正が行われた、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部(52)と、
通電によって発熱する発熱体を有するヒータ部(4)と、
前記検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、
前記通電制御部によって前記発熱体への通電量が制御されるときに、前記検出電極の温度を測定又は推測する温度検知部(6A)と、を備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記温度検知部による前記検出電極の温度が高いほど、前記酸素濃度が所定量変化したときの前記アンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置にある。
前記一態様のアンモニア濃度検出装置においては、検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるようにする。目標制御温度は、400〜600℃の範囲内におけるいずれかの温度として設定することができる。目標制御温度は、アンモニア濃度検出装置が使用される環境、アンモニア濃度検出装置の使用経過時間等を考慮して、適宜変更することが可能である。
前記他の態様のアンモニア濃度検出装置においても、通電制御部により、検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるようにする。この構成による作用効果は、前記一態様のアンモニア濃度検出装置の場合と同様である。
<実施形態1>
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、図1に示すように、アンモニア素子部2、電位差検出部51、アンモニア濃度算出部52、ヒータ部4及び通電制御部58を備える。アンモニア素子部2は、酸素イオンの伝導性を有する第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガスGに晒される第1表面211に設けられた検出電極(アンモニア電極)22と、第1固体電解質体21における、第1表面211とは反対側の第2表面212に設けられた基準電極23とを有する。電位差検出部51は、検出電極22と基準電極23との間に生じる電位差ΔVを検出するよう構成されている。
(アンモニア濃度検出装置1)
図1に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置1は、電位差式としての混成電位式のものである。このアンモニア濃度検出装置1においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の測定ガスGにおけるアンモニアの濃度を検出する。本形態の電位差検出部51は、検出電極22における、酸素の電気化学的還元反応(以下、単に還元反応という。)による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応(以下、単に酸化反応という。)による酸化電流とが等しくなるときに生じる、検出電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを検出するよう構成されている。
同図に示すように、排気管71には、NOxを還元するための触媒72と、触媒72へアンモニアを含む還元剤Kを供給する還元剤供給装置73とが配置されている。触媒72は、触媒担体に、NOxの還元剤Kとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒72の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、NOxの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置73から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置73は、排気管71における、触媒72よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管71へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置73には、尿素水のタンク731が接続されている。
図6に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置1は、排気管71における、触媒72よりも下流側位置に配置される。なお、排気管71に配置されるのは、厳密には、アンモニア濃度検出装置1のセンサ素子10及びセンサ素子10を保持するセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをアンモニア濃度検出装置1ということがある。
エンジン制御ユニット50によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒72の下流側位置(触媒出口721)及びアンモニア濃度検出装置1の配置位置に存在する測定ガスGのNOx及びアンモニアの濃度領域においては、NOxがアンモニアによって適切に還元される状態と、NOxの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
第1固体電解質体21は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
図1に示すように、本形態の電位差検出部51は、検出電極22に混成電位が生じたときの検出電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを検出する。検出電極22においては、検出電極22に接触する測定ガスG中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、2NH3+3O2-→N2+3H2O+6e-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、O2+4e-→2O2-によって表される。そして、検出電極22における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、検出電極22における、アンモニアの酸化反応(速度)と酸素の還元反応(速度)とが等しくなるときの電位として生じる。
図11に示すように、検出電極22(及びアンモニア素子部2)の温度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第1ラインL1の傾きθaが急になるとともに、酸素の還元反応を示す第2ラインL2の傾きθsも急になる。同図においては、検出電極22の温度が450℃から500℃に変化した場合を示す。そして、検出電極22の温度が高くなると、アンモニアの酸化反応による酸化電流と酸素の還元反応による還元電流とが大きくなるとともに、電位差(混成電位)ΔVは小さくなる。なお、検出電極22の温度が低くなると、これとは逆の変化が生じる。
また、検出電極22の温度は、次の理由からも400〜600℃の範囲内にすることが好ましいと言える。
本形態においては、アンモニア素子部2に相当するテストピースを用いてアンモニアの検出を行い、検出される混成電位(電位差ΔV)の温度依存性を確認した。テストピースは、イットリア安定化ジルコニア(YSZという。)によって形成した第1固体電解質体21に、Au及びYSZを含有する検出電極22と、Pt及びYSZを含有する基準電極23とを形成して作製した。また、検出電極22におけるAuとYSZとの体積混合比は、Au:YSZ=80:20とし、基準電極23におけるPtとYSZとの体積混合比は、Pt:YSZ=80:20とした。
図1に示すように、本形態のアンモニア濃度検出装置1は、マルチガスセンサを形成するために、アンモニア素子部2、電位差検出部51、アンモニア濃度算出部52、ヒータ部4及び通電制御部58の他に、酸素素子部3、ポンピング部53、ポンプ電流検出部54、酸素濃度算出部55、NOx検出部56及びNOx濃度算出部57を備える。また、酸素素子部3には、酸素素子部3及びアンモニア素子部2を加熱するヒータ部4が積層されている。
図1に示すように、ポンピング部53は、他の基準電極34をプラス側として、ポンプ電極32と他の基準電極34との間に直流電圧を印加して、測定ガス室35内の測定ガスGにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極32と他の基準電極34との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極32に接触する、測定ガス室35内の測定ガスGにおける酸素が、酸素イオンとなって第2固体電解質体31を他の基準電極34に向けて通過し、基準電極23から基準ガスダクト24へと排出される。これにより、測定ガス室35内の酸素濃度が、NOxの検出に適した濃度に調整される。
図1に示すように、NOx検出部56は、他の基準電極34をプラス側としてNOx電極33と他の基準電極34との間に直流電圧を印加して、NOx電極33と他の基準電極34との間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。NOx濃度算出部57は、NOx検出部56によって検出される直流電流に基づいて、測定ガスGにおける補正前NOx濃度を算出し、補正前NOx濃度からアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度を差し引いて補正後NOx濃度を算出するよう構成されている。NOx検出部56においては、NOxだけでなくアンモニアも検出される。そのため、NOx濃度算出部57においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のNOxの検出量が得られる。
図1及び図5に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部52は、酸素濃度算出部55による酸素濃度を受信するよう構成されている。そして、アンモニア濃度算出部52は、酸素濃度算出部55による酸素濃度と電位差検出部51による電位差ΔVとに基づいて、測定ガスGにおけるアンモニア濃度を算出する。
図1及び図2に示すように、第2固体電解質体31の、第1固体電解質体21が積層された側とは反対側には、酸素素子部3及びアンモニア素子部2を加熱するヒータ部4が積層されている。言い換えれば、ヒータ部4は、酸素素子部3に対してアンモニア素子部2が積層された側とは反対側に積層されている。
アンモニア濃度検出装置1は、通電制御部58による検出電極22の目標制御温度を設定するための温度設定部501を備える。温度設定部501においては、検出電極22の目標制御温度が、400〜600℃の温度範囲内のうちの特定の温度として設定されている。検出電極22の目標制御温度は、400〜600℃の間で適宜変更することができる。
本形態のアンモニア濃度検出装置1においては、検出電極22の温度が400〜600℃の範囲内のいずれかの目標制御温度になるようにする。目標制御温度は、アンモニア濃度検出装置1が使用される環境、アンモニア濃度検出装置1の使用経過時間等を考慮して、適宜変更することが可能である。
(温度推測部6)
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、図19及び図20に示すように、検出電極22と基準電極23との間に交流電圧を印加したときに検出されるインピーダンスZの値に基づいて、検出電極22の温度を推測する温度推測部6を更に備える。通電制御部58は、温度推測部6による検出電極22の温度が目標制御温度になるよう、発熱体41への通電量を制御するよう構成されている。検出電極22の温度が温度分布を有する場合には、検出電極22の温度は、検出電極22の重心の温度とすることができる。
(温度検知部6A)
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、図19に示すように、通電制御部58によって発熱体41への通電量が制御されるときに、検出電極22の温度を測定又は推測する温度検知部6Aを備える。そして、本形態のアンモニア濃度算出部52は、温度検知部6Aによる検出電極22の温度が高いほど、酸素濃度が所定量変化したときのアンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている。
2 アンモニア素子部
4 ヒータ部
51 電位差検出部
52 アンモニア濃度算出部
58 通電制御部
6 温度推測部
6A 温度検知部
Claims (8)
- 酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガス(G)に晒される第1表面(211)に設けられた検出電極(22)、及び前記固体電解質体における、前記第1表面とは反対側の第2表面(212)に設けられた基準電極(23)を有するアンモニア素子部(2)と、
前記検出電極と前記基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記測定ガスにおける酸素濃度を受信して、前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記酸素濃度に応じた補正が行われた、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部(52)と、
通電によって発熱する発熱体を有するヒータ部(4)と、
前記検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、を備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記通電制御部による前記目標制御温度が高いほど、前記酸素濃度が所定量変化したときの前記アンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置。 - 酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体における、酸素及びアンモニアが含まれる測定ガス(G)に晒される第1表面(211)に設けられた検出電極(22)、及び前記固体電解質体における、前記第1表面とは反対側の第2表面(212)に設けられた基準電極(23)を有するアンモニア素子部(2)と、
前記検出電極と前記基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記測定ガスにおける酸素濃度を受信して、前記電位差検出部による電位差に基づいて、前記酸素濃度に応じた補正が行われた、前記測定ガスにおけるアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出部(52)と、
通電によって発熱する発熱体を有するヒータ部(4)と、
前記検出電極の温度が400〜600℃の範囲内の目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、
前記通電制御部によって前記発熱体への通電量が制御されるときに、前記検出電極の温度を測定又は推測する温度検知部(6A)と、を備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記温度検知部による前記検出電極の温度が高いほど、前記酸素濃度が所定量変化したときの前記アンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置。 - 前記アンモニア濃度算出部においては、前記測定ガスにおける酸素濃度をパラメータとして、前記電位差検出部による電位差と、前記測定ガスにおける酸素補正後のアンモニア濃度(C1)との関係が関係マップ(M1)として設定されており、
前記アンモニア濃度算出部は、前記測定ガスにおける酸素濃度及び前記電位差検出部による電位差を前記関係マップに照合して、前記測定ガスにおける酸素補正後のアンモニア濃度を算出するよう構成されている、請求項1又は2に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記アンモニア濃度検出装置は、
前記固体電解質体に対向して配置された、酸素イオンの伝導性を有する他の固体電解質体(31)、前記他の固体電解質体における、前記測定ガスに晒される第3表面(311)に設けられたポンプ電極(32)、及び前記他の固体電解質体における、前記第3表面とは反対側の第4表面(312)に設けられた他の基準電極(34)を有する酸素素子部(3)と、
前記他の基準電極をプラス側として前記ポンプ電極と前記他の基準電極との間に直流電圧を印加して、前記測定ガスにおける酸素を汲み出すポンピング部(53)と、
前記ポンプ電極と前記他の基準電極との間に流れる直流電流を検出するポンプ電流検出部(54)と、
前記ポンプ電流検出部によって検出された直流電流に基づいて、前記測定ガスにおける酸素濃度を算出する酸素濃度算出部(55)と、を更に備え、
前記アンモニア濃度算出部は、前記酸素濃度算出部による酸素濃度を受信するよう構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記他の固体電解質体の前記第3表面には、前記ポンプ電極によって酸素が汲み出された後の前記測定ガスに晒されるNOx電極(33)が設けられており、
前記アンモニア濃度検出装置は、
前記他の基準電極をプラス側として前記NOx電極と前記他の基準電極との間に直流電圧を印加して、前記NOx電極と前記他の基準電極との間に流れる直流電流を検出するNOx検出部(56)と、
前記NOx検出部によって検出される直流電流に基づいて、前記測定ガスにおけるNOx濃度を算出するNOx濃度算出部(57)と、を更に備える、請求項4に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記アンモニア素子部と前記酸素素子部とは、基準ガス(A)が導入される基準ガスダクト(24)を介して積層されており、
前記基準電極及び前記他の基準電極は、前記基準ガスダクト内に収容されており、
前記ヒータ部は、前記酸素素子部に対して前記アンモニア素子部が積層された側とは反対側に積層されており、
前記通電制御部は、前記検出電極の温度を前記目標制御温度に制御するときには、前記NOx電極を、600℃以上の温度に加熱するよう構成されている、請求項5に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記アンモニア濃度検出装置は、前記検出電極と前記基準電極との間に交流電圧を印加したときに検出されるインピーダンス(Z)の値に基づいて、前記検出電極の温度を推測する温度推測部(6)を更に備えており、
前記通電制御部は、前記温度推測部による前記検出電極の温度が前記目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御するよう構成されている、請求項1に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記温度検知部は、前記検出電極と前記基準電極との間に交流電圧を印加したときに検出されるインピーダンスの値に基づいて、前記検出電極の温度を推測するよう構成されており、
前記通電制御部は、前記温度検知部による前記検出電極の温度が前記目標制御温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御するよう構成されている、請求項2に記載のアンモニア濃度検出装置。
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