JP2019203839A - アンモニアセンサの劣化判定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記アンモニア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、を備えるアンモニアセンサ(1)に用いられ、
前記アンモニア電極と前記基準電極との間に直流電圧(E)を印加する電圧印加部(61)と、
前記アンモニア電極と前記基準電極との間に流れる直流電流を検出する電流検出部(62)と、
前記アンモニアセンサの使用初期である初期時において前記電圧印加部によって前記アンモニア電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加したときに、前記電流検出部によって検出される直流電流である第1センサ電流(I1)に基づく第1評価値(H1)と、前記アンモニアセンサの使用初期以降である評価時において前記電圧印加部によって前記アンモニア電極と前記基準電極との間に前記初期時と同じ大きさの直流電圧を印加したときに、前記電流検出部によって検出される直流電流である第2センサ電流(I2)に基づく第2評価値(H2)と、を比較して、前記評価時又は前記評価時以降に、前記アンモニア素子部に劣化が生じたか否かを判定する劣化判定部(63)と、を備えるアンモニアセンサの劣化判定装置(6)にある。
<実施形態1>
本形態のアンモニアセンサ1の劣化判定装置6は、図1〜図4に示すように、電位差式(起電力式)のアンモニアセンサ1に用いられる。アンモニアセンサ1は、アンモニア素子部2、電位差検出部51及びアンモニア濃度算出部52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。
(アンモニアセンサ1)
図1に示すように、本形態のアンモニアセンサ1は、電位差式としての混成電位式のものである。このアンモニアセンサ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、アンモニア電極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、アンモニア電極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5に示すように、本形態のアンモニアセンサ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、アンモニアセンサ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センサ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)及びアンモニアセンサ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、アンモニア電極22に混成電位が生じたときのアンモニア電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを検出する。アンモニア電極22においては、アンモニア電極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、アンモニア電極22における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、アンモニア電極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に当たり、後述する酸素濃度算出部55によって算出される酸素濃度を利用してアンモニア濃度を補正するよう構成されている。アンモニア濃度算出部52においては、酸素濃度が高くなるほど、アンモニア濃度を高くする補正が行われる。
図1に示すように、本形態のアンモニアセンサ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及びアンモニア濃度算出部52の他に、NOx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。NOx素子部3には、NOx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、NOx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。ヒータ部4は、通電によって発熱する発熱体41と、発熱体41を埋設するヒータ用絶縁体42とによって形成されている。ヒータ用絶縁体42は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
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から大気ダクト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に示すように、劣化判定装置6は、アンモニアセンサ1のアンモニア素子部2におけるアンモニア電極22の触媒性能を監視するよう構成されている。劣化判定装置6は、劣化判定部63によって判定する劣化の度合いが大きい場合には、アンモニアセンサ1に故障が生じたことを検出することができる。劣化判定装置6は、アンモニアセンサ1及びセンサ制御ユニット5に付加機能として構築される。
図1に示すように、劣化判定装置6は、劣化判定を行う際に、アンモニア電極22と基準電極23との間に、電圧印加部61及び電流検出部62を接続するための切り替え部60を有する。切り替え部60は、劣化判定装置6によって劣化判定を行うときに、アンモニア電極22と基準電極23との間に電圧印加部61及び電流検出部62を接続し、劣化判定装置6によって劣化判定を行わないときには、アンモニア電極22と基準電極23との間から電圧印加部61及び電流検出部62を切り離すスイッチング回路によって構成されている。
同図に示すように、電圧印加部61は、基準電極23をマイナス側としてアンモニア電極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アンモニア電極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の電位をアンモニア電極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。
アンモニア素子部2のアンモニア電極22の触媒性能には、アンモニアの酸化性能と、酸素の還元性能とがある。本形態の劣化判定装置6においては、主に、アンモニア電極22におけるアンモニアの酸化性能の劣化の有無又は劣化の度合いを判定する。そのため、劣化判定装置6においては、測定ガスGにアンモニアが含まれるときを初期時及び評価時として、劣化の有無又は劣化の度合いの判定を行う。
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。アンモニア電極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。
劣化判定部63は、電圧印加部61によってアンモニア電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加する直前に、アンモニア電極22と基準電極23との間に生じている混成電位(電位差ΔV)を考慮して、劣化の判定を行う。具体的には、図10に示すように、劣化判定部63は、第1評価値H1を、初期時に電圧印加部61によって印加する直流電圧Eである印加電圧値から、初期時に電圧印加部61によって直流電圧Eを印加する直前に電位差検出部51によって検出される電位差ΔVである検出電圧値を差し引いた第1差分ΔEと、第1センサ電流I1と、に基づいて求める。本形態の劣化判定部63は、第1評価値H1を、第1センサ電流I1を第1差分ΔEによって除算した傾きθ1(I1/ΔE)として求める。傾きθ1は、θ1=I1/(E−ΔV)として求められる。
本形態の劣化判定部63における初期時は、アンモニアセンサ1の使用初期であってアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度がアンモニアの検出を示す濃度である場合として設定する。また、劣化判定部63における評価時は、アンモニアセンサ1の使用初期以降であってアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度がアンモニアの検出を示す濃度である場合として設定する。図6のアンモニア濃度とNOx濃度との関係を示す濃度領域を利用する場合には、第2濃度領域N2又は第3濃度領域N3にある場合に、初期時及び評価時を設定する。
劣化判定部63は、初期時及び評価時を、還元剤供給装置73が触媒72へ還元剤Kを供給している期間を条件として決定することができる。還元剤供給装置73から触媒72へ還元剤Kが供給される場合には、触媒72において、NOxを還元するために使用されないアンモニアが増加することが想定される。この場合には、アンモニアセンサ1においてアンモニアが検出されることが想定される。そのため、当該期間に初期時及び評価時を設定することができる。
次に、劣化判定装置6を用いた劣化判定制御を行う方法の一例を、図13及び図14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、アンモニアセンサ1、還元剤供給装置73、劣化判定装置6等が動作する。アンモニアセンサ1においては、電位差検出部51によって、アンモニア電極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センサ1の劣化判定装置6は、混成電位式のアンモニアセンサ1に用いられ、アンモニアセンサ1のアンモニア素子部2に、直流電圧Eの印加によって流れるセンサ電流I1,I2を利用して、アンモニア素子部2に劣化が生じたか否かを判定するものである。
本形態は、初期時の第1評価値H1が、劣化判定装置6に記憶された関係マップMによって決定される場合について示す。
図1及び図15に示すように、本形態の劣化判定装置6は、電位差ΔVと第1評価値H1との関係が関係マップMとして求められたマップ部59を更に備える。関係マップMは、アンモニアセンサ1の初期時として、アンモニアセンサ1が実際に使用される前の試験時に、電位差検出部51による電位差ΔVが異なる複数の場合の第1評価値H1に基づいて作成されたものである。
次に、本形態の劣化判定装置6を用いた劣化判定制御を行う方法を、図16のフローチャートを参照して説明する。
電位差ΔVと第1評価値H1との関係マップMを求める際には、電位差検出部51によって検出される電位差ΔVが適宜異なる複数の時点において、電圧印加部61によってアンモニア電極22と基準電極23との間に直流電圧Eを印加して、電流検出部62によって第1センサ電流I1を検出する。印加する直流電圧Eは、複数の大きさの電位差ΔVが検出される場合において常に一定とする。
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 劣化判定装置
61 電圧印加部
62 電流検出部
63 劣化判定部
Claims (11)
- 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)に設けられたアンモニア電極(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、
前記アンモニア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、を備えるアンモニアセンサ(1)に用いられ、
前記アンモニア電極と前記基準電極との間に直流電圧(E)を印加する電圧印加部(61)と、
前記アンモニア電極と前記基準電極との間に流れる直流電流を検出する電流検出部(62)と、
前記アンモニアセンサの使用初期である初期時において前記電圧印加部によって前記アンモニア電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加したときに、前記電流検出部によって検出される直流電流である第1センサ電流(I1)に基づく第1評価値(H1)と、前記アンモニアセンサの使用初期以降である評価時において前記電圧印加部によって前記アンモニア電極と前記基準電極との間に前記初期時と同じ大きさの直流電圧を印加したときに、前記電流検出部によって検出される直流電流である第2センサ電流(I2)に基づく第2評価値(H2)と、を比較して、前記評価時又は前記評価時以降に、前記アンモニア素子部に劣化が生じたか否かを判定する劣化判定部(63)と、を備えるアンモニアセンサの劣化判定装置(6)。 - 前記電圧印加部は、
前記基準電極をマイナス側として前記アンモニア電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加するよう構成されており、
前記劣化判定部における前記初期時は、前記アンモニアセンサの使用初期であって前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度がアンモニアの検出を示す濃度である場合として設定し、
前記劣化判定部における前記評価時は、前記アンモニアセンサの使用初期以降であって前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度がアンモニアの検出を示す濃度である場合として設定する、請求項1に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定装置は、前記初期時において、前記電位差検出部による電位差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異なる複数の場合の前記第1センサ電流に基づいて、前記電位差又は前記アンモニア濃度と前記第1センサ電流との関係が関係マップ(M)として求められたマップ部(59)を更に備え、
前記劣化判定部は、
前記評価時に前記電圧印加部によって直流電圧を印加する直前に、前記電位差検出部によって検出された電位差又は前記アンモニア濃度算出部によって算出されたアンモニア濃度を、前記関係マップに照合して、前記関係マップから当該電位差又は当該アンモニア濃度における前記第1センサ電流を読み取って前記第1評価値を求め、
かつ、前記第1評価値と、前記第2センサ電流に基づく前記第2評価値と、を比較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センサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定装置は、前記初期時において、前記電位差検出部による電位差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異なる複数の場合の前記第1評価値に基づいて、前記電位差又は前記アンモニア濃度と前記第1評価値との関係が関係マップ(M)として求められたマップ部(59)を更に備え、
前記劣化判定部は、
前記評価時に前記電圧印加部によって直流電圧を印加する直前に、前記電位差検出部によって検出された電位差又は前記アンモニア濃度算出部によって算出されたアンモニア濃度を、前記関係マップに照合して、前記関係マップから当該電位差又は当該アンモニア濃度における前記第1評価値を読み取り、
かつ、前記第1評価値と、前記第2センサ電流に基づく前記第2評価値と、を比較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センサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定部は、
前記第1評価値を、前記初期時に前記電圧印加部によって印加する直流電圧である印加電圧値から、前記初期時に前記電圧印加部によって直流電圧を印加する直前に前記電位差検出部によって検出される電位差である検出電圧値を差し引いた第1差分(ΔE)と、前記第1センサ電流と、に基づいて求め、
かつ、前記第2評価値を、前記評価時に前記電圧印加部によって印加する直流電圧である印加電圧値から、前記評価時に前記電圧印加部によって直流電圧を印加する直前に前記電位差検出部によって検出される電位差である検出電圧値を差し引いた第2差分(ΔE)と、前記第2センサ電流と、に基づいて求めるよう構成されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定部は、
前記第1評価値を、前記第1センサ電流を前記第1差分によって除算した傾き(θ1)、又は前記第1センサ電流と前記第1差分との乗算による面積(S1)に基づいて求め、
かつ、前記第2評価値を、前記第2センサ電流を前記第2差分によって除算した傾き(θ2)、又は前記第2センサ電流と前記第2差分との乗算による面積(S2)に基づいて求めるよう構成されている、請求項5に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定部は、
前記アンモニア濃度算出部によるアンモニア濃度が異なる複数の時点を前記評価時として、複数の前記第2評価値を求め、
かつ、前記第1評価値と複数の前記第2評価値の各々とを順次比較して、前記アンモニア素子部に劣化が生じたか否かを判定するよう構成されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 前記劣化判定部は、前記初期時及び前記評価時を、前記アンモニア濃度算出部によって算出されたアンモニア濃度が、アンモニアの検出を示す濃度であって200ppm以下の濃度である場合を条件として決定する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。
- 前記アンモニアセンサは、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、
前記劣化判定部は、前記初期時及び前記評価時を、前記還元剤供給装置が前記触媒へ前記還元剤を供給している期間を条件として決定する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 前記アンモニアセンサは、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、
前記劣化判定部は、前記初期時及び前記評価時を、前記内燃機関がフューエルカット運転を行っている期間であって前記還元剤供給装置が前記触媒へ前記還元剤を供給している期間を条件として決定する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。 - 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、
前記アンモニアセンサは、
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)、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NOx電極(33)、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1つ又は複数の他の基準電極(34)を有するNOx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、
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、
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及び前記NOx濃度算出部によるNOx濃度の少なくとも一方に基づいて、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1〜10のいずれか1項に記載のアンモニアセンサの劣化判定装置。
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