JP2019203838A - アンモニア濃度検出装置 - Google Patents
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前記検出電極と前記基準電極との間の電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記電位差検出部による電位差に基づいて、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、
前記基準電極をマイナス側として前記検出電極と前記基準電極との間に直流電圧(E)を印加し、前記基準電極から前記固体電解質体を介して前記検出電極へ酸素イオンを送り込んで、前記検出電極におけるアンモニアの酸化反応を促進させるための電圧印加部(61)と、
前記電圧印加部によって直流電圧を印加する電圧印加期間を決定し、前記電圧印加期間には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、前記電圧印加期間以外には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を有効にする出力制御部(6)と、を備えるアンモニア濃度検出装置(1)にある。
<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、電圧印加部61及び出力制御部6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(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。アンモニア濃度算出部52は、電位差検出部51による電位差ΔV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、電位差検出部51による電位差ΔVを、後述する酸素濃度算出部55による酸素濃度を用いて補正して、測定ガスGにおけるアンモニア濃度を算出する。なお、電位差ΔVはアンモニア濃度を示すため、電位差ΔVを補正することと、アンモニア濃度を補正することとは同じである。
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等の他に、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。
図1に示すように、本形態の電圧印加部61は、基準電極23をマイナス側として検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加するよう構成されている。「基準電極23をマイナス側として検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加すること」は、基準電極23の電位を検出電極22の電位よりも低くして電圧を印加することを意味する。
図1に示すように、アンモニア濃度検出装置1は、検出電極22に吸着したアンモニアを離脱する際に、検出電極22と基準電極23との間に、電圧印加部61を接続するための切り替え部60を備える。切り替え部60は、電圧印加部61によって直流電圧Eを印加するときには、検出電極22と基準電極23との間に電圧印加部61を接続する接続位置と、電圧印加部61によって直流電圧Eを印加しないときには、検出電極22と基準電極23との間から電圧印加部61を切り離す切離位置とに切り替え可能なスイッチング回路によって構成されている。
測定ガスGとしての排ガスには、酸素、アンモニア、NOxの他に、未燃ガス成分としてのCO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)等が混在する場合もある。検出電極22において検出される混成電位は、アンモニア濃度及び酸素濃度によって変化するだけでなく、他ガスとしてのNOx、CO、HC等の濃度によっても変化することが確認された。ただし、この他ガスによる混成電位の変化は、測定ガスG中にアンモニアが含まれている場合には、あまり生じないことが確認された。
図5に示すように、出力制御部6は、電圧印加部61によって検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eが印加されている電圧印加期間内に算出されたアンモニア濃度を無効化するものである。出力制御部6は、電圧印加期間内におけるアンモニア濃度は正しい値を示さないとして、アンモニア出力濃度がアンモニア濃度検出装置1の出力として使用されないようにする種々の構成とすることができる。
図1及び図5に示すように、アンモニア濃度検出装置1は、具体的には、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量を算出する変化算出部62を更に備える。アンモニア濃度が高い状態から低い状態に変化するときには、アンモニア濃度が低下する幅が大きく、単位時間当たりの低下変化量が大きくなる。
また、出力制御部6は、電圧印加開始時点からの経過時間が所定の設定時間になったときを、電圧印加期間における電圧印加終了時点とするよう構成することもできる。この場合には、電圧印加部61によって検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加する電圧印加期間を、決められた一定の時間とすることができ、出力制御部6による制御が簡単になる。所定の設定時間は適宜変更することができる。
次に、アンモニア濃度検出装置1を用いたアンモニア濃度検出方法の一例を、図15〜図17のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、アンモニア濃度検出装置1、還元剤供給装置73等が動作する。アンモニア濃度検出装置1においては、電位差検出部51によって、検出電極22と基準電極23との間に生じる電位差ΔVが検出されるとともに、ポンプ電流検出部54によって、ポンプ電極32と他の基準電極34との間に流れる直流電流が検出される。
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、検出電極22におけるアンモニアの酸化反応を促進させるために、電圧印加部61によって、検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加することが可能である。そして、検出電極22にアンモニアが吸着した状態が維持されていると考えられるときには、電圧印加部61によって検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加することによって、検出電極22から迅速にアンモニアを離脱させることができる。そのため、検出電極22にアンモニアが残留しにくくし、アンモニア濃度検出装置1によるアンモニア濃度に検出誤差が生じにくくすることができる。
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、電圧印加部61によって検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加する電圧印加期間において、アンモニア素子部2の加熱温度を通常時としての濃度検出時よりも高くする構成を有する。
実施形態1のアンモニア濃度検出装置1は、内燃機関7の燃焼運転時にアンモニア濃度の検出を行う際に、アンモニア濃度が高くなった後に検出電極22に残留するアンモニアを離脱させる(除去する)構成を有する。一方、本形態のアンモニア濃度検出装置1は、内燃機関7の燃焼運転が定常状態にあるときに、検出電極22に残留するアンモニアを離脱させる構成を有する。
本形態のアンモニア濃度検出装置1においては、アンモニア濃度検出装置1の起動時に電圧印加期間が設定されている。
本形態の出力制御部6は、通電制御部58が発熱体41への通電を開始して、検出電極22が活性温度になった直後の所定期間を、電圧印加期間として、電圧印加部61によって検出電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加し、検出電極22に吸着(残留)するアンモニアを離脱させる。検出電極22が活性温度に活性されるときには、固体電解質体及び基準電極23も活性温度に活性される。
次に、本形態のアンモニア濃度検出装置1を用いたアンモニア濃度検出方法の一例を、図18のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、アンモニア濃度検出装置1が起動され(図18のステップS201)、検出電極22の温度が電圧印加時の目標温度になるよう、通電制御部58による発熱体41への通電が開始される(ステップS202)。
2 アンモニア素子部
51 電位差検出部
52 アンモニア濃度算出部
6 出力制御部
61 電圧印加部
62 変化算出部
Claims (10)
- 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の電位差(ΔV)を検出する電位差検出部(51)と、
前記電位差検出部による電位差に基づいて、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、
前記基準電極をマイナス側として前記検出電極と前記基準電極との間に直流電圧(E)を印加し、前記基準電極から前記固体電解質体を介して前記検出電極へ酸素イオンを送り込んで、前記検出電極におけるアンモニアの酸化反応を促進させるための電圧印加部(61)と、
前記電圧印加部によって直流電圧を印加する電圧印加期間を決定し、前記電圧印加期間には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を無効にする一方、前記電圧印加期間以外には、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度の出力を有効にする出力制御部(6)と、を備えるアンモニア濃度検出装置(1)。 - 前記アンモニア濃度検出装置は、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が低下するときの単位時間当たりの低下変化量を算出する変化算出部(62)を更に備え、
前記出力制御部は、前記変化算出部による前記低下変化量が変化基準量を超えたときを、前記電圧印加期間における電圧印加開始時点と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。 - 前記出力制御部は、前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が、所定の閾値濃度未満になったときを、前記電圧印加期間における電圧印加終了時点と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。
- 前記出力制御部は、前記電圧印加開始時点からの経過時間が所定の設定時間になったときを、前記電圧印加期間における電圧印加終了時点と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。
- 前記アンモニア濃度検出装置は、NOxを還元する触媒(72)及び前記触媒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)が配置された、内燃機関(7)の排気管(71)において、前記触媒から流出するアンモニアの濃度を検出するものであり、
前記出力制御部は、前記内燃機関がアイドリング運転を行っているとき、前記内燃機関がフューエルカット運転を行っているとき、又は前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が所定の閾値濃度未満であるときの所定期間を、前記電圧印加期間と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。 - 前記アンモニア濃度検出装置は、
通電することによって発熱する発熱体(41)を有し、前記アンモニア素子部を加熱するためのヒータ部(4)と、
前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、を更に備える、請求項1〜5のいずれか1項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、
通電することによって発熱する発熱体(41)を有し、前記アンモニア素子部を加熱するためのヒータ部(4)と、
前記発熱体への通電量を制御する通電制御部(58)と、を更に備え、
前記出力制御部は、前記通電制御部が前記発熱体への通電を開始して、前記検出電極が活性温度になった後の所定期間を、前記電圧印加期間と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。 - 前記通電制御部は、前記電圧印加期間以外の期間において、前記検出電極の温度が濃度検出時の目標温度になるよう、前記発熱体への通電量を制御する一方、前記電圧印加期間において、前記検出電極の温度が、前記濃度検出時の目標温度よりも高い電圧印加時の目標温度になるよう、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6又は7に記載のアンモニア濃度検出装置。
- 前記電圧印加部によって前記検出電極と前記基準電極との間に印加される直流電圧の大きさは、0.1〜1[V]の範囲内に設定されている、請求項1〜8に記載のアンモニア濃度検出装置。
- 前記電位差検出部は、
前記アンモニア電極における、酸素の還元反応とアンモニアの酸化反応とが等しくなるときに生じる、前記アンモニア電極と前記基準電極との間の電位差を検出するよう構成されており、
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の第3表面(311)に接して形成された測定ガス室(35)、前記測定ガス室へ拡散速度を制限して前記測定ガスを導入する拡散抵抗部(351)、前記第3表面における前記測定ガス室内の位置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、前記測定ガス室内の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に基づいて、前記アンモニア濃度を補正するよう構成されている、請求項1〜9のいずれか1項に記載のアンモニア濃度検出装置。
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