JP2022089378A - ガス濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、ＮＯｘ及びアンモニアの少なくとも一方の検出精度を高めることができるガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２と、ガス室２５内の排ガスＧにおける酸素を汲み出すポンピング部５１と、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる直流電流を検出するＮＯｘ検出部５２と、識別部５３とを有する。識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度を算出し、この変化速度に基づいて、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘ、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘのいずれが検出されたかを識別するよう構成されている。【選択図】図１
Description
本発明は、ガス濃度検出装置に関する。
ガス濃度検出装置は、車両の内燃機関の排気管等に配置されたガスセンサを用い、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける特定ガス濃度、酸素濃度等を検出するものである。ガス濃度検出装置には、空燃比、ＮＯｘ（窒素酸化物）等を検出するものの他に、アンモニア等を検出するものがある。アンモニアを検出するガス濃度検出装置としては、アンモニア及び酸素による混成電位を検出するものの他に、ＮＯｘを検出する電極を利用してアンモニアを検出するものがある。
ＮＯｘを検出する電極を利用してアンモニアを検出するガス濃度検出装置としては、例えば特許文献１に記載されたＮＯｘ濃度測定システムがある。このＮＯｘ濃度測定システムにおいては、ＮＯｘセンサによってＮＯｘの濃度を測定し、かつ排ガスに基づく内燃機関の空燃比、排ガスに含まれる酸素の濃度、及び排ガスに含まれる水の濃度のうちの少なくとも１つを検出し、さらに排ガスに含まれるアンモニアの濃度を推定する。また、空燃比、酸素の濃度及び水の濃度のうちの少なくとも１つと、アンモニアの濃度とに基づいて、アンモニアに由来するＮＯの濃度を算出する。そして、ＮＯｘの濃度から、アンモニアに由来するＮＯの濃度を減算する。これにより、ＮＯｘセンサにおける誤差要因である、排ガスに含まれるアンモニアが酸化して生成されたＮＯの影響を除外して、ＮＯｘの測定精度を高めている。
発明者らの研究によって、ＮＯｘセンサにおいて、排ガスに含まれるアンモニアが酸化してＮＯｘとして検出される場合の挙動と、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘが検出される場合の挙動とが異なることが見出された。アンモニアが酸化して生成されたＮＯｘは、比較的長い時間をかけて検出されることに対し、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘは、瞬間的に検出されることが判明した。特許文献１のＮＯｘ濃度測定システムにおいては、内燃機関から排ガス中に、瞬間的に多量の純ＮＯｘが排気されたときに、この純ＮＯｘの濃度が、アンモニアに由来するＮＯの濃度に上乗せされて、ＮＯｘの測定精度を悪化させるおそれがある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、ＮＯｘ及びアンモニアの少なくとも一方の検出精度を高めることができるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
イオン伝導性の固体電解質体（２１）、拡散抵抗部（２５１）を介して内燃機関（７）の排ガス（Ｇ）が導入されるガス室（２５）、前記固体電解質体の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれる酸素を分解するためのポンプ電極（２２）、前記固体電解質体における、前記ポンプ電極の下流側の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれるＮＯｘを分解するためのＮＯｘ電極（２３）、及び前記固体電解質体における、前記ポンプ電極及び前記ＮＯｘ電極が設けられた表面とは反対側の表面に設けられた基準電極（２４）を有するセンサ素子部（２）と、
前記ポンプ電極と前記基準電極との間に印加する直流電圧によって、前記ガス室内の前記排ガスにおける酸素を汲み出すポンピング部（５１）と、
前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加して、前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に流れる直流電流を検出するＮＯｘ検出部（５２）と、
前記ＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘ、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘのいずれが検出されたかを識別する識別部（５３）と、を備えるガス濃度検出装置（１）にある。
イオン伝導性の固体電解質体（２１）、拡散抵抗部（２５１）を介して内燃機関（７）の排ガス（Ｇ）が導入されるガス室（２５）、前記固体電解質体の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれる酸素を分解するためのポンプ電極（２２）、前記固体電解質体における、前記ポンプ電極の下流側の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれるＮＯｘを分解するためのＮＯｘ電極（２３）、及び前記固体電解質体における、前記ポンプ電極及び前記ＮＯｘ電極が設けられた表面とは反対側の表面に設けられた基準電極（２４）を有するセンサ素子部（２）と、
前記ポンプ電極と前記基準電極との間に印加する直流電圧によって、前記ガス室内の前記排ガスにおける酸素を汲み出すポンピング部（５１）と、
前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加して、前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に流れる直流電流を検出するＮＯｘ検出部（５２）と、
前記ＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘ、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘのいずれが検出されたかを識別する識別部（５３）と、を備えるガス濃度検出装置（１）にある。
前記一態様のガス濃度検出装置は、センサ素子部、ポンピング部及びＮＯｘ検出部の他に、識別部を備える。識別部は、ＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度を算出し、この変化速度に基づいて、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘ（純ＮＯｘという。）、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘ（アンモニアに由来するＮＯｘという。）のいずれが検出されたかを識別する。
発明者らの研究の結果、排ガスに純ＮＯｘが含まれるときには、この純ＮＯｘがＮＯｘ電極に速やかに到達することにより、ＮＯｘ検出部において、純ＮＯｘは瞬間的な直流電流の変化として検出される。そして、識別部においてＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度が算出されたときには、この変化速度が大きいことによって、識別部は、ＮＯｘ検出部において純ＮＯｘが検出されたと識別することができる。
一方、アンモニアは、吸着性の高いガスであり、排ガスにアンモニアが含まれるときには、このアンモニアは、周囲への付着・離脱を繰り返してセンサ素子部に到達すると考えられる。また、排ガスに含まれるアンモニアは、拡散抵抗部、ガス室等を通過するときにＮＯｘとなり、ＮＯｘ電極にゆっくりと到達すると考えられる。これにより、ＮＯｘ検出部において、アンモニアに由来するＮＯｘは、緩やかな直流電流の変化として検出される。そして、識別部においてＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度が算出されたときには、この変化速度が相対的に小さいことによって、識別部は、ＮＯｘ検出部においてアンモニアに由来するＮＯｘが検出されたと識別することができる。
それ故、前記一態様のガス濃度検出装置によれば、内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、ＮＯｘ及びアンモニアの少なくとも一方の検出精度を高めることができる。
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。また、「下流側」とは、ガス室内における排ガスの流れの下流側のことをいう。
前述したガス濃度検出装置にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図１～図３に示すように、機械的要素としての、センサ素子部２を有するガスセンサ１０と、電気的要素としての、ポンピング部５１、ＮＯｘ検出部５２及び識別部５３を有するセンサ制御ユニット５とを備える。センサ素子部２は、イオン伝導性の固体電解質体２１と、拡散抵抗部２５１を介して内燃機関７の排ガスＧが導入されるガス室２５と、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられるとともにガス室２５内の排ガスＧに含まれる酸素を分解するためのポンプ電極２２と、固体電解質体２１における、ポンプ電極２２の下流側の第１表面２０１に設けられるとともにガス室２５内の排ガスＧに含まれるＮＯｘを分解するためのＮＯｘ電極２３と、固体電解質体２１における、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３が設けられた第１表面２０１とは反対側の第２表面２０２に設けられた基準電極２４とを有する。
＜実施形態１＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図１～図３に示すように、機械的要素としての、センサ素子部２を有するガスセンサ１０と、電気的要素としての、ポンピング部５１、ＮＯｘ検出部５２及び識別部５３を有するセンサ制御ユニット５とを備える。センサ素子部２は、イオン伝導性の固体電解質体２１と、拡散抵抗部２５１を介して内燃機関７の排ガスＧが導入されるガス室２５と、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられるとともにガス室２５内の排ガスＧに含まれる酸素を分解するためのポンプ電極２２と、固体電解質体２１における、ポンプ電極２２の下流側の第１表面２０１に設けられるとともにガス室２５内の排ガスＧに含まれるＮＯｘを分解するためのＮＯｘ電極２３と、固体電解質体２１における、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３が設けられた第１表面２０１とは反対側の第２表面２０２に設けられた基準電極２４とを有する。
図１に示すように、ポンピング部５１は、ポンプ電極２２と基準電極２４との間に印加する直流電圧によって、ガス室２５内の排ガスＧにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ＮＯｘ検出部５２は、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４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。識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度を算出し、この変化速度に基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じたＮＯｘ（純ＮＯｘという。）、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘ（アンモニアに由来するＮＯｘという。）のいずれが検出されたかを識別するよう構成されている。
以下に、本形態のガス濃度検出装置１について詳説する。
（ガス濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のガス濃度検出装置１は、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ等の窒素酸化物）の検出に用いられる限界電流式のものである。本形態のガス濃度検出装置１によって検出するガスは、アンモニアガス（ＮＨ3）（単にアンモニアという。）である。換言すれば、本形態のガス濃度検出装置１は、限界電流式のＮＯｘセンサによって、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出するものである。
（ガス濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のガス濃度検出装置１は、ＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ等の窒素酸化物）の検出に用いられる限界電流式のものである。本形態のガス濃度検出装置１によって検出するガスは、アンモニアガス（ＮＨ3）（単にアンモニアという。）である。換言すれば、本形態のガス濃度検出装置１は、限界電流式のＮＯｘセンサによって、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出するものである。
（内燃機関７）
図４に示すように、ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を有するガスセンサ１０を備えており、ガスセンサ１０は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１に配置されて使用される。ガス濃度検出装置１に供給される排ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気される排ガスＧである。そして、ガスセンサ１０は、排気管７１内に配置された、ＮＯｘを還元する触媒７２の排ガスＧの流れの下流側の位置に配置されており、触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出する。本形態の内燃機関７は、車両に搭載されたものである。
図４に示すように、ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を有するガスセンサ１０を備えており、ガスセンサ１０は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１に配置されて使用される。ガス濃度検出装置１に供給される排ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気される排ガスＧである。そして、ガスセンサ１０は、排気管７１内に配置された、ＮＯｘを還元する触媒７２の排ガスＧの流れの下流側の位置に配置されており、触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出する。本形態の内燃機関７は、車両に搭載されたものである。
（触媒７２）
図４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Ｇ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を排気管７１へ供給するものである。アンモニアは、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４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Ｇ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を排気管７１へ供給するものである。アンモニアは、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。
本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ3）と化学反応させて窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。
なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ2への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。また、ガス濃度検出装置１は、ガソリンエンジンの排気管７１を流れる排ガスＧに含まれるアンモニアを検出するものとしてもよい。
（ガスセンサ１０）
ガスセンサ１０は、センサ素子部２を、ハウジングによって保持するとともに、ハウジングにセンサ素子部２を保護する先端側カバー、及びセンサ素子部２に繋がる配線部を保護する基端側カバー等を設けて構成されている。ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位に配置されており、センサ素子部２の先端側Ｘ１の部位は、ハウジングから突出した状態で、先端側カバーによって保護される。
ガスセンサ１０は、センサ素子部２を、ハウジングによって保持するとともに、ハウジングにセンサ素子部２を保護する先端側カバー、及びセンサ素子部２に繋がる配線部を保護する基端側カバー等を設けて構成されている。ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位に配置されており、センサ素子部２の先端側Ｘ１の部位は、ハウジングから突出した状態で、先端側カバーによって保護される。
（センサ素子部２）
図１～図３に示すように、センサ素子部２は、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４が設けられた固体電解質体２１と、固体電解質体２１の第１表面２０１に積層され、ガス室２５及び拡散抵抗部２５１が設けられた第１絶縁体３１と、固体電解質体２１の第２表面２０２に積層され、基準ガスダクト２６及び発熱体４１が設けられた第２絶縁体３２とを有する。センサ素子部２は、長尺形状に形成されている。センサ素子部２の先端側Ｘ１の部位は、多孔質の保護層２７によって覆われている。センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位は、先端側カバー内に収容された状態で、排気管７１内に配置される。
図１～図３に示すように、センサ素子部２は、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４が設けられた固体電解質体２１と、固体電解質体２１の第１表面２０１に積層され、ガス室２５及び拡散抵抗部２５１が設けられた第１絶縁体３１と、固体電解質体２１の第２表面２０２に積層され、基準ガスダクト２６及び発熱体４１が設けられた第２絶縁体３２とを有する。センサ素子部２は、長尺形状に形成されている。センサ素子部２の先端側Ｘ１の部位は、多孔質の保護層２７によって覆われている。センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位は、先端側カバー内に収容された状態で、排気管７１内に配置される。
センサ素子部２が長尺形状に延びる方向を長手方向Ｘという。また、センサ素子部２において、長手方向Ｘに直交して固体電解質体２１と各絶縁体３１，３２とが積層された方向を積層方向Ｄといい、長手方向Ｘ及び積層方向Ｄの両方に直交する方向を幅方向Ｗという。
（固体電解質体２１）
図１～図３に示すように、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（酸化物イオン）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（二酸化ジルコニウム）を主成分とする種々の材料によって構成される。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が用いられる。
図１～図３に示すように、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（酸化物イオン）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（二酸化ジルコニウム）を主成分とする種々の材料によって構成される。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が用いられる。
ポンプ電極２２は、ガス室２５内に収容される状態で、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられている。ポンプ電極２２は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。ポンプ電極２２を構成する貴金属には、白金、パラジウム、金等が用いられる。
ＮＯｘ電極２３は、ガス室２５内に収容される状態で、固体電解質体２１の第１表面２０１における、ポンプ電極２２の長手方向Ｘの基端側Ｘ２に隣接して設けられている。ＮＯｘ電極２３は、ガス室２５内のポンプ電極２２に対する、排ガスＧの流れの下流側に配置されている。ＮＯｘ電極２３は、ＮＯｘ及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。ＮＯｘ電極２３を構成する貴金属には、白金－ロジウム（Ｒｈ）合金等が用いられる。
基準電極２４は、基準ガスダクト２６内に収容される状態で、固体電解質体２１の第２表面２０２における、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３に固体電解質体２１を介して対向する位置に設けられている。本形態の基準電極２４は、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３に対して共通して設けられている。基準電極２４は、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３に対して個別に設けてもよい。基準電極２４は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極２４を構成する貴金属には、白金、パラジウム、金等が用いられる。
（各絶縁体３１，３２）
図１～図３に示すように、第１絶縁体３１は、アルミナ等の絶縁性の緻密なセラミックス材料によって構成されている。ガス室２５は、第１絶縁体３１に形成された切欠き部の一部が、拡散抵抗部２５１を構成する多孔質体によって閉塞された状態で形成されている。ガス室２５は、固体電解質体２１、第１絶縁体３１及び拡散抵抗部２５１によって囲まれている。拡散抵抗部２５１は、アルミナ等の多孔質のセラミックス材料によって構成されている。拡散抵抗部２５１は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端部に設けられており、ガス室２５内に導入される排ガスＧの流速を制限するものである。拡散抵抗部２５１は、ポンプ電極２２の幅方向Ｗの両側に位置する側部に形成してもよい。また、拡散抵抗部２５１は、第１絶縁体３１に設けられたピンホールによって形成してもよい。
図１～図３に示すように、第１絶縁体３１は、アルミナ等の絶縁性の緻密なセラミックス材料によって構成されている。ガス室２５は、第１絶縁体３１に形成された切欠き部の一部が、拡散抵抗部２５１を構成する多孔質体によって閉塞された状態で形成されている。ガス室２５は、固体電解質体２１、第１絶縁体３１及び拡散抵抗部２５１によって囲まれている。拡散抵抗部２５１は、アルミナ等の多孔質のセラミックス材料によって構成されている。拡散抵抗部２５１は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端部に設けられており、ガス室２５内に導入される排ガスＧの流速を制限するものである。拡散抵抗部２５１は、ポンプ電極２２の幅方向Ｗの両側に位置する側部に形成してもよい。また、拡散抵抗部２５１は、第１絶縁体３１に設けられたピンホールによって形成してもよい。
第２絶縁体３２は、アルミナ等の絶縁性の緻密なセラミックス材料によって構成されている。第２絶縁体３２には、切欠き部によって、基準ガスＡとしての大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２６が形成されている。基準ガスダクト２６は、基準電極２４が配置された位置から、センサ素子部２の長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置まで形成されている。第２絶縁体３２には、通電によって発熱する発熱体４１が埋設されている。
（発熱体４１）
図１～図３に示すように、発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がる発熱体リード部４１２とによって形成されている。発熱部４１１は、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５４が接続されている。通電制御部５４は、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５４は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
図１～図３に示すように、発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がる発熱体リード部４１２とによって形成されている。発熱部４１１は、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３及び基準電極２４に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５４が接続されている。通電制御部５４は、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５４は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
発熱部４１１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する導体によって形成されている。本形態の発熱部４１１の直線部分及び発熱体リード部４１２は、長手方向Ｘに平行な導体によって形成されている。発熱部４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体４１は、導電性を有する金属材料を含有している。一対の発熱体リード部４１２に電圧が印加されると、発熱部４１１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３、基準電極２４、及び各電極２２，２３，２４の周辺に位置する固体電解質体２１の部分が加熱される。
（センサ制御ユニット５）
図１及び図４に示すように、本形態のポンピング部５１、ＮＯｘ検出部５２、識別部５３、通電制御部５４等は、ガスセンサ１０に電気接続されたセンサ制御ユニット５に形成されている。センサ制御ユニット５は、コンピュータ、制御回路等によって構成されている。センサ制御ユニット５は、車両のエンジン制御ユニット５０に電気接続されており、エンジン制御ユニット５０の指令を受けて動作可能である。
図１及び図４に示すように、本形態のポンピング部５１、ＮＯｘ検出部５２、識別部５３、通電制御部５４等は、ガスセンサ１０に電気接続されたセンサ制御ユニット５に形成されている。センサ制御ユニット５は、コンピュータ、制御回路等によって構成されている。センサ制御ユニット５は、車両のエンジン制御ユニット５０に電気接続されており、エンジン制御ユニット５０の指令を受けて動作可能である。
（ポンピング部５１）
図１に示すように、ポンピング部５１は、ポンプ電極２２と基準電極２４との間に所定の直流電圧を印加する電圧印加部５１１を有する。ポンピング部５１は、センサ制御ユニット５内に形成されている。ポンプ電極２２と基準電極２４との間に所定の直流電圧が印加されるときには、排ガスＧに含まれる酸素が分解される。このとき、排ガスＧに含まれる酸素は、イオン化してポンプ電極２２から固体電解質体２１を介して基準電極２４へ移動し、基準ガスダクト２６へ排出される。ポンピング部５１によって、排ガスＧに含まれる酸素を除去して、ＮＯｘ電極２３において酸素が分解されないようにする。
図１に示すように、ポンピング部５１は、ポンプ電極２２と基準電極２４との間に所定の直流電圧を印加する電圧印加部５１１を有する。ポンピング部５１は、センサ制御ユニット５内に形成されている。ポンプ電極２２と基準電極２４との間に所定の直流電圧が印加されるときには、排ガスＧに含まれる酸素が分解される。このとき、排ガスＧに含まれる酸素は、イオン化してポンプ電極２２から固体電解質体２１を介して基準電極２４へ移動し、基準ガスダクト２６へ排出される。ポンピング部５１によって、排ガスＧに含まれる酸素を除去して、ＮＯｘ電極２３において酸素が分解されないようにする。
（ＮＯｘ検出部５２）
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５２は、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に所定の直流電圧を印加する電圧印加部５２１と、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる電流を検出する電流検出部５２２とを有する。ＮＯｘ検出部５２は、センサ制御ユニット５内に形成されている。ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に所定の直流電圧が印加されるときには、排ガスＧに含まれるＮＯｘが分解される。このとき、ＮＯｘの分解によって生じる酸化物イオンは、ポンプ電極２２から固体電解質体２１を介して基準電極２４へ移動する。そして、ＮＯｘ検出部５２の電流検出部５２２によって、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる直流電流が検出される。
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５２は、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に所定の直流電圧を印加する電圧印加部５２１と、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる電流を検出する電流検出部５２２とを有する。ＮＯｘ検出部５２は、センサ制御ユニット５内に形成されている。ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に所定の直流電圧が印加されるときには、排ガスＧに含まれるＮＯｘが分解される。このとき、ＮＯｘの分解によって生じる酸化物イオンは、ポンプ電極２２から固体電解質体２１を介して基準電極２４へ移動する。そして、ＮＯｘ検出部５２の電流検出部５２２によって、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる直流電流が検出される。
ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる直流電流は、拡散抵抗部２５１によって排ガスＧの流速が制限されていることにより、直流電圧が変動しても一定値を保つ限界電流特性を示す。そして、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に流れる直流電流は、ＮＯｘの濃度に応じた値としてＮＯｘ検出部５２の電流検出部５２２によって検出される。ＮＯｘ検出部５２において検出されるＮＯｘには、内燃機関７の燃焼によって生じて排ガスＧに含まれる純ＮＯｘの他にも、排ガスＧに含まれるアンモニアが、保護層２７、拡散抵抗部２５１及びガス室２５において酸化・分解されて生じる、アンモニア由来のＮＯｘも含まれる。
アンモニアが保護層２７及び拡散抵抗部２５１を介してガス室２５内に導入されるときには、排ガスＧに含まれる酸素、並びに保護層２７及び拡散抵抗部２５１の熱等を利用して、アンモニアがＮＯｘに酸化される。この酸化反応は、４ＮＨ3＋５Ｏ2→４ＮＯ＋６Ｈ2Ｏ、又は４ＮＨ3＋７Ｏ2→４ＮＯ2＋６Ｈ2Ｏの反応式によって表される。また、アンモニアは、保護層２７及び拡散抵抗部２５１において酸化されなくても、ガス室２５内のポンプ電極２２等においてＮＯｘに酸化されることもある。
拡散抵抗部２５１、又はガス室２５内のいずれかの部位には、アンモニアを分解して酸化するためのアンモニア酸化触媒が配置されていてもよい。アンモニア酸化触媒には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）等が用いられる。
（識別部５３）
図１に示すように、本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流（検出電流）の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、この変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている。本形態においては、直流電流の変化速度は、直流電流の微分値ΔＩによって示し、変化速度の閾値は、微分値の閾値αによって示す。
図１に示すように、本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流（検出電流）の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、この変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている。本形態においては、直流電流の変化速度は、直流電流の微分値ΔＩによって示し、変化速度の閾値は、微分値の閾値αによって示す。
内燃機関７の燃焼によって生じ、内燃機関７から排気管７１に排気された純ＮＯｘは、ＮＯｘ検出部５２によって直流電流のスパイク等として検出され、直流電流の変化速度が大きい。これに対し、アンモニアが酸化されることによって生じる、アンモニアに由来するＮＯｘは、直流電流の変化速度が相対的に小さい。本形態の識別部５３は、ガス濃度検出装置１によってアンモニアセンサを構成するために、純ＮＯｘを誤差要因（ノイズ）として扱い、アンモニアに由来するＮＯｘの濃度に基づいて、アンモニアの濃度を求める。
ＮＯｘ検出部５２は、所定の時間間隔（サンプリング間隔）で直流電流を検出するよう構成されている。識別部５３は、直流電流の微分値ΔＩに基づいて直流電流の変化速度を算出するよう構成されている。微分値ΔＩを用いることによって、変化速度の算出が容易になる。直流電流は、離散値である検出値（サンプリング値）としてＮＯｘ検出部５２に取り込まれる。直流電流の検出値Ｉは、直流電流の変化速度が大きくなると、前後のサンプリング時の検出値における差分が大きくなる。そして、識別部５３は、この前後のサンプリング時の検出値における差分を、直流電流の微分値ΔＩとして検出する。直流電流の微分値ΔＩは、単位時間当たりの直流電流の変化量を示す。なお、直流電流の微分値ΔＩがゼロに対して所定の誤差範囲内の値を有する場合には、直流電流の微分値ΔＩをゼロとしてもよい。
図５には、排気管７１を流れる排ガスＧに、内燃機関７の燃焼時に生じた純ＮＯｘが含まれる場合に、ガス濃度検出装置１のＮＯｘ検出部５２によって検出される直流電流の検出値Ｉ［μＡ］について、実線によって模式的に示す。ＮＯｘ検出部５２において、純ＮＯｘが検出されるときには、突発的（瞬間的）に増加する直流電流が生じることが分かっている。換言すれば、ＮＯｘ検出部５２において、純ＮＯｘが検出されるときには、直流電流のスパイクが生じることが分かっている。
図５には、排ガスＧに純ＮＯｘが含まれる場合に、識別部５３において、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを前後のサンプリング時において微分した、直流電流の微分値ΔＩ［μＡ／ｓｅｃ］について、波線によって模式的に示す。直流電流を微分することにより、直流電流の変化速度の速さが検知される。直流電流の検出値Ｉが増加する場合には、直流電流の微分値ΔＩがプラス側になり、直流電流の検出値Ｉが減少する場合には、直流電流の微分値ΔＩがマイナス側になる。本形態の識別部５３においては、直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合のみを使用する。純ＮＯｘが検出されたときの直流電流の微分値ΔＩは大きいことが分かる。
図６には、排気管７１を流れる排ガスＧにアンモニアが含まれる場合に、ガス濃度検出装置１のＮＯｘ検出部５２によって検出される直流電流Ｉ［μＡ］について、実線によって模式的に示す。排ガスＧに含まれるアンモニアは、排気管７１内及びガスセンサ１０への付着及び離脱を繰り返し、保護層２７、拡散抵抗部２５１、ガス室２５内等において酸化されて、ＮＯｘ電極２３に到達すると考えられる。そして、ＮＯｘ検出部５２において、アンモニアの酸化によって生じた、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されるときには、純ＮＯｘの場合と比べて、相対的に緩やかに増加する直流電流が生じることが分かっている。
図６には、排ガスＧにアンモニアが含まれる場合に、識別部５３において、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを前後のサンプリング時において微分した、直流電流の微分値ΔＩ［μＡ／ｓｅｃ］について、波線によって模式的に示す。本形態の識別部５３においては、直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合のみを使用する。この場合の直流電流の微分値ΔＩは、純ＮＯｘの場合と比べて小さくなる。そして、この場合には、識別部５３において、相対的に小さな値の直流電流の変化速度が得られる。
図７には、排気管７１を流れる排ガスＧに、純ＮＯｘ及びアンモニアが含まれる場合に、ガス濃度検出装置１のＮＯｘ検出部５２によって検出される直流電流の検出値Ｉ［μＡ］について、実線によって模式的に示す。この場合には、ＮＯｘ検出部５２において、純ＮＯｘ、及びアンモニアに由来するＮＯｘの両方が混ざった状態で検出される。
図７には、排ガスＧに純ＮＯｘ及びアンモニアが含まれる場合に、識別部５３において、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを前後のサンプリング時において微分した、直流電流の微分値ΔＩ［μＡ／ｓｅｃ］について、波線によって模式的に示す。この場合の直流電流の微分値ΔＩは、純ＮＯｘが検出されるときに閾値α以上となり、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されるときにゼロを超えて閾値α未満となる。アンモニアに由来するＮＯｘが検出されるときの直流電流の微分値ΔＩは小さい。一方、純ＮＯｘが検出されるとき、及び純ＮＯｘ及びアンモニアに由来するＮＯｘが重畳して検出されるときの直流電流の微分値ΔＩは大きい。微分値ΔＩの閾値αは、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されるときの直流電流の微分値ΔＩの範囲と、純ＮＯｘが検出されるときの直流電流の微分値ΔＩの範囲との中間の値として設定される。
各サンプリング時におけるＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉは、各サンプリング時における直流電流の微分値ΔＩと一対一で関連付けされている。識別部５３においては、各サンプリング時（各経過時間）における直流電流の微分値ΔＩが算出されるときに、この微分値ΔＩが各サンプリング時（各経過時間）と関連付けされる。そして、識別部５３においては、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を求めるために、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となるサンプリング時の直流電流の検出値Ｉにフィルタリング（マスキング）をし、このフィルタリングしたサンプリング時の直流電流の検出値Ｉを、サンプリング時の全体における直流電流の検出値Ｉから除外するよう構成されている。
そして、図８に示すように、識別部５３においては、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを除外し、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉに基づいてアンモニアの濃度［ｐｐｍ］が求められる。換言すれば、本形態の識別部５３においては、純ＮＯｘが検出されたと考えられるサンプリング時においては、アンモニアの濃度を求めないようにする。なお、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時は、直流電流の微分値ΔＩがゼロを超えて閾値α未満となるサンプリング時とすればよい。
識別部５３においては、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉ［μＡ］と、アンモニアの濃度［ｐｐｍ］との関係が、関係マップとして設定されている。本形態の識別部５３においては、微分値ΔＩが閾値未満となるサンプリング時における直流電流の検出値Ｉが関係マップに照合されて、このサンプリング時におけるアンモニアの濃度が求められる。
また、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉには、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されたことによる直流電流の検出値Ｉも含まれる場合がある。識別部５３は、アンモニアの濃度を求める際に、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉを除外するときに、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時の前後において、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉを加味してもよい。
具体的には、識別部５３は、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉを、アンモニアに由来するＮＯｘによる直流電流の推定検出値に置き換えてもよい。アンモニアに由来するＮＯｘによる直流電流の推定検出値は、種々の方法によって推定される。
例えば、図８の二点鎖線に示すように、識別部５３は、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉを、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時の前における、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉに置き換えてもよい。これにより、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉに基づくアンモニアの濃度が常にゼロになることが避けられる。なお、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時は、直流電流の微分値ΔＩがゼロを超えて閾値α未満となるサンプリング時とすればよい。
（他の識別部５３の構成）
識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の微分値ΔＩの絶対値を用いてもよい。この場合には、図９及び図１０に示すように、識別部５３においては、直流電流の検出値Ｉが増加して直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合と、直流電流の検出値Ｉが減少して直流電流の微分値ΔＩがマイナス側になる場合との両方が使用されて、アンモニアの濃度が求められる。
識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の微分値ΔＩの絶対値を用いてもよい。この場合には、図９及び図１０に示すように、識別部５３においては、直流電流の検出値Ｉが増加して直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合と、直流電流の検出値Ｉが減少して直流電流の微分値ΔＩがマイナス側になる場合との両方が使用されて、アンモニアの濃度が求められる。
（ガス濃度検出装置１によるガス濃度の検出方法）
次に、ガス濃度検出装置１によってアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１１のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、ポンピング部５１によってガス室２５内の酸素濃度が調整され、ＮＯｘ検出部５２によってガス室２５内のＮＯｘの濃度が検出される（図１１のステップＳ１０１）。ＮＯｘの濃度は、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に直流電圧が印加されたときの直流電流の検出値Ｉとして検出される。
次に、ガス濃度検出装置１によってアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１１のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、ポンピング部５１によってガス室２５内の酸素濃度が調整され、ＮＯｘ検出部５２によってガス室２５内のＮＯｘの濃度が検出される（図１１のステップＳ１０１）。ＮＯｘの濃度は、ＮＯｘ電極２３と基準電極２４との間に直流電圧が印加されたときの直流電流の検出値Ｉとして検出される。
次いで、識別部５３によって、１つ前又は２つ以上前のサンプリング時における直流電流の検出値Ｉと、現サンプリング時における直流電流の検出値Ｉとの差分に基づいて、直流電流の微分値ΔＩが算出される（ステップＳ１０２）。起動初期において、１つ前又は２つ以上前のサンプリング時における直流電流の検出値Ｉがない場合には、この検出値Ｉはゼロとすればよい。微分値ΔＩがマイナスとなる場合には、微分値ΔＩをゼロとする。
次いで、識別部５３によって、現サンプリング時における直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０３）。直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上である場合には、識別部５３は、現サンプリング時においては、ＮＯｘ検出部５２によって純ＮＯｘが検出されたと識別する（ステップＳ１０４）。この場合には、現サンプリング時における直流電流の検出値Ｉは、アンモニアの濃度を算出するために用いられない。
一方、直流電流の微分値ΔＩが閾値α未満である場合には、識別部５３は、現サンプリング時においては、ＮＯｘ検出部５２によってアンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたと識別する（ステップＳ１０５）。そして、識別部５３は、現サンプリング時における直流電流の検出値Ｉが関係マップに照合されて、このサンプリング時におけるアンモニアの濃度が求められる（ステップＳ１０６）。
なお、直流電流の微分値ΔＩがゼロ以下になるときには、アンモニアの濃度が０ｐｐｍとなる。また、例えば、識別部５３は、複数のサンプリング時の直流電流の検出値Ｉの平均値を関係マップに照合して、アンモニアの濃度を求めてもよい。
次いで、ＮＯｘ検出部５２によってガス室２５内のＮＯｘの濃度が再び検出され（ステップＳ１０１）、直流電流の微分値ΔＩが再び算出される（ステップＳ１０２）。また、ステップＳ１０３～Ｓ１０６が適宜実行される。その後、エンジン制御ユニット５０からセンサ制御ユニット５に検出停止信号が送られるまで（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１～Ｓ１０６が繰り返される。
（作用効果）
本形態のガス濃度検出装置１は、センサ素子部２、ポンピング部５１及びＮＯｘ検出部５２の他に、識別部５３を備える。識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度を算出し、この変化速度に基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘ、又は保護層２７、拡散抵抗部２５１及びガス室２５において分解されたアンモニアによるＮＯｘのいずれが検出されたかを識別する。
本形態のガス濃度検出装置１は、センサ素子部２、ポンピング部５１及びＮＯｘ検出部５２の他に、識別部５３を備える。識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度を算出し、この変化速度に基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘ、又は保護層２７、拡散抵抗部２５１及びガス室２５において分解されたアンモニアによるＮＯｘのいずれが検出されたかを識別する。
発明者らの研究の結果、排ガスＧに純ＮＯｘが含まれるときには、この純ＮＯｘがＮＯｘ電極２３に速やかに到達することにより、ＮＯｘ検出部５２において、純ＮＯｘは瞬間的な直流電流の変化として検出される。そして、識別部５３においてＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が算出されたときには、この変化速度が大きいことによって、識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２において純ＮＯｘが検出されたと識別することができる。
一方、アンモニアは吸着性の高いガスであり、排ガスＧにアンモニアが含まれるときには、このアンモニアは、排気管７１内の各部への付着・離脱を繰り返してセンサ素子部２に到達すると考えられる。また、排ガスＧに含まれるアンモニアは、保護層２７、拡散抵抗部２５１、ガス室２５等を通過するときに、排ガスＧに含まれる酸素、発熱体４１による熱等を受けて、ＮＯｘに酸化され、ＮＯｘ電極２３にゆっくりと到達すると考えられる。
これにより、ＮＯｘ検出部５２において、アンモニアに由来するＮＯｘは、緩やかな直流電流の変化として検出される。そして、識別部５３においてＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が算出されたときには、この変化速度が、純ＮＯｘが検出される場合に比べて相対的に小さいことによって、識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２においてアンモニアに由来するＮＯｘが検出されたと識別することができる。
そして、本形態の識別部５３においては、直流電流の微分値ΔＩがゼロを超えて閾値α未満となったサンプリング時の直流電流の検出値Ｉに基づいて、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出することができる。それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、アンモニアの検出精度を高めることができる。
＜実施形態２＞
本形態は、識別部５３によって、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度の代わりに、排ガスＧに含まれるＮＯｘとして、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度を求める場合について示す。本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、この変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、内燃機関７から排気管７１に排気された純ＮＯｘの濃度を求めるよう構成されている。
本形態は、識別部５３によって、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度の代わりに、排ガスＧに含まれるＮＯｘとして、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度を求める場合について示す。本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、この変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、内燃機関７から排気管７１に排気された純ＮＯｘの濃度を求めるよう構成されている。
本形態の識別部５３においては、排ガスＧに含まれる、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度を求めるために、直流電流の変化速度を示す直流電流の微分値ΔＩが閾値α未満となるサンプリング時の直流電流の検出値Ｉにフィルタリング（マスキング）をし、このフィルタリングしたサンプリング時の直流電流の検出値Ｉを、サンプリング時の全体における直流電流の検出値Ｉから除外するよう構成されている。
そして、図１２に示すように、識別部５３においては、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを除外し、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉに基づいて純ＮＯｘの濃度［ｐｐｍ］が求められる。換言すれば、本形態の識別部５３においては、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたと考えられるサンプリング時においては、純ＮＯｘの濃度を求めないようにする。なお、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時は、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となるサンプリング時とすればよい。
本形態の識別部５３においては、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉ［μＡ］と、純ＮＯｘの濃度［ｐｐｍ］との関係が、関係マップとして設定されている。本形態の識別部５３においては、微分値ΔＩが閾値α以上となるサンプリング時における直流電流の検出値Ｉが関係マップに照合されて、このサンプリング時における純ＮＯｘの濃度が求められる。
また、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉには、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されたことによる直流電流の検出値Ｉも含まれる場合がある。識別部５３は、ＮＯｘの濃度を求める際に、アンモニアに由来するＮＯｘが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを除外するときに、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時の前後において、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時における、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の検出値Ｉを加味してもよい。
具体的には、識別部５３は、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉから、アンモニアに由来するＮＯｘによる直流電流の推定検出値を差し引いてもよい。アンモニアに由来するＮＯｘによる直流電流の推定検出値は、種々の方法によって推定される。
例えば、図１２の二点鎖線に示すように、識別部５３は、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉは、この検出値Ｉから、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時の前における、アンモニアに由来するＮＯｘのみが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉを差し引いたものとしてもよい。これにより、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時における直流電流の検出値Ｉに基づくＮＯｘの濃度が、本来の濃度よりも高くなることが回避される。なお、純ＮＯｘが検出されたサンプリング時は、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となるサンプリング時とすればよい。
また、識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合のみを用いてＮＯｘの濃度を求めてもよく、直流電流の微分値ΔＩの絶対値を用いてＮＯｘの濃度を求めてもよい。
本形態の識別部５３においては、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となったサンプリング時の直流電流の検出値Ｉに基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じたＮＯｘの濃度を検出することができる。それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、ＮＯｘの検出精度を高めることができる。
本形態のガス濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の構成、作用効果等と同様である。本形態においても、ガス濃度検出装置１によるガス濃度の検出方法については、実施形態１と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。
＜実施形態３＞
本形態は、識別部５３によって、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度と、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度との両方を求める場合について示す。本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度を求めるとともに、変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている。
本形態は、識別部５３によって、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度と、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度との両方を求める場合について示す。本形態の識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘの濃度を求めるとともに、変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている。
純ＮＯｘは、瞬間的な直流電流として短時間に検出される一方、アンモニアに由来するＮＯｘは、相対的に長い時間に亘って検出される。そのため、本形態の識別部５３は、直流電流の変化速度を示す直流電流の微分値ΔＩが、閾値α以上であるサンプリング時と、閾値未満であるサンプリング時とを切り分け、排ガスＧにおける、純ＮＯｘの濃度とアンモニアの濃度とを検出する。
本形態の識別部５３においては、図１３の実線に示すように、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となるサンプリング時の直流電流の検出値Ｉに基づいてＮＯｘの濃度が求められる。また、本形態の識別部５３においては、図１３の破線に示すように、直流電流の微分値ΔＩがゼロを超えて閾値α未満となるサンプリング時の直流電流の検出値Ｉに基づいてアンモニアの濃度が求められる。
本形態の識別部５３においては、直流電流の微分値ΔＩが閾値α以上となる場合の直流電流の検出値Ｉと、純ＮＯｘの濃度との関係を示す関係マップと、直流電流の微分値ΔＩがゼロを超えて閾値α未満となる場合の直流電流の検出値Ｉと、アンモニアに由来するＮＯｘの濃度との関係を示す関係マップとが設定されている。本形態の識別部５３においては、各関係マップを用いて、純ＮＯｘの濃度及びアンモニアに由来するＮＯｘの濃度が求められる。
また、識別部５３は、ＮＯｘ検出部５２による直流電流の微分値ΔＩがプラス側になる場合のみを用いてＮＯｘの濃度及びアンモニアの濃度を求めてもよく、直流電流の微分値ΔＩの絶対値を用いてＮＯｘの濃度及びアンモニアの濃度を求めてもよい。
本形態の識別部５３においては、内燃機関７の燃焼によって生じたＮＯｘの濃度と、アンモニアに由来するＮＯｘの濃度との両方を検出することができる。それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、内燃機関７の燃焼によって生じた純ＮＯｘと、アンモニアに由来するＮＯｘとを適切に区別して、ＮＯｘの検出精度及びアンモニアの検出精度を高めることができる。
本形態のガス濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の構成、作用効果等と同様である。本形態においても、ガス濃度検出装置１によるガス濃度の検出方法については、実施形態１，２と同様である。また、本形態においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１，２の構成要素と同様である。
＜実施形態４＞
本形態は、識別部５３によって求められるアンモニアの濃度と、他の検出手段によって求められるアンモニアの濃度とを利用して、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出する場合について示す。本形態のセンサ素子部２は、図１４及び図１５に示すように、固体電解質体２１に対向して配置されたイオン伝導性の他の固体電解質体２１Ｘと、排ガスＧに晒される状態で他の固体電解質体２１Ｘの表面２０１Ｘに設けられたアンモニア電極２８と、他の固体電解質体２１Ｘにおける、アンモニア電極２８が設けられた表面２０１Ｘとは反対側の表面２０２Ｘに設けられた他の基準電極２４Ｘとをさらに有する。
本形態は、識別部５３によって求められるアンモニアの濃度と、他の検出手段によって求められるアンモニアの濃度とを利用して、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出する場合について示す。本形態のセンサ素子部２は、図１４及び図１５に示すように、固体電解質体２１に対向して配置されたイオン伝導性の他の固体電解質体２１Ｘと、排ガスＧに晒される状態で他の固体電解質体２１Ｘの表面２０１Ｘに設けられたアンモニア電極２８と、他の固体電解質体２１Ｘにおける、アンモニア電極２８が設けられた表面２０１Ｘとは反対側の表面２０２Ｘに設けられた他の基準電極２４Ｘとをさらに有する。
本形態においては、ガス室２５が形成された絶縁体３３に発熱体４１が埋設されている。また、基準ガスダクト２６Ｘは、固体電解質体２１と他の固体電解質体２１Ｘとの間に配置された絶縁体３４によって、固体電解質体２１と他の固体電解質体２１Ｘとの間に形成されている。
本形態のガス濃度検出装置１は、ポンピング部５１、ＮＯｘ検出部５２、識別部５３の他に、アンモニア検出部５５及び濃度補正部５６を備える。アンモニア検出部５５は、アンモニア電極２８と他の基準電極２４Ｘとの間に生じる、排ガスＧに含まれるアンモニア及び酸素による混成電位を検出するよう構成されている。濃度補正部５６は、識別部５３によるアンモニアの濃度と、アンモニア検出部５５の混成電位に基づくアンモニアの濃度とを用いて、補正されたアンモニア濃度を求めるよう構成されている。
他の固体電解質体２１は、センサ素子部２における積層方向Ｄの最も外側に配置されており、アンモニア電極２８には、排ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。アンモニア検出部５５は、酸素の電気化学的還元反応による還元電流と、アンモニアの電気化学的酸化反応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２８と他の基準電極２４Ｘとの間の電位差を、アンモニアの混成電位として検出するよう構成されている。アンモニアの混成電位は、排ガスＧにおける酸素の濃度によって変化するため、この酸素の濃度によって補正して用いられる。
本形態のポンピング部５１においては、ポンプ電極２２と基準電極２４との間に直流電圧が印加されるときに、ポンプ電極２２と基準電極２４との間に流れる直流電流が検出される。この直流電流は、排ガスＧに含まれる酸素の濃度を求めるために用いられる。そして、アンモニア検出部５５においては、アンモニアの混成電位が、ポンピング部５１による酸素の濃度によって補正される。
本形態の濃度補正部５６は、識別部５３によるアンモニアの濃度を、アンモニア検出部５５の混成電位に基づくアンモニアの濃度によって補正して、補正アンモニア濃度を求める。この補正アンモニア濃度は、種々の方法によって求められる。補正アンモニア濃度は、例えば、識別部５３によるアンモニアの濃度と、アンモニア検出部５５の混成電位に基づくアンモニアの濃度との差が、誤差の許容範囲を超えている場合に、補正アンモニア濃度が両濃度の平均値となるようにしてもよい。
本形態のガス濃度検出装置１においては、アンモニアの濃度の検出精度を、より高めることができる。また、ガス濃度検出装置１の識別部５３によるアンモニアの濃度は、外部のアンモニアセンサによるアンモニアの濃度を補正するために用いてもよい。
本形態のガス濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１～３の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１～３に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１～３の構成要素と同様である。
＜実施形態５＞
本形態も、識別部５３によって求められるアンモニアの濃度と、他の検出手段によって求められるアンモニアの濃度とを利用して、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出する場合について示す。本形態のガス濃度検出装置１は、図１６に示すように、アンモニア検出部５５を備える代わりに、濃度受信部５５Ｘを備えていてもよい。濃度受信部５５Ｘは、ガス濃度検出装置１の外部に配置された、あるいはガスセンサ１０とは別に配置されたアンモニアセンサ１１による、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度のデータを受信するよう構成されている。
本形態も、識別部５３によって求められるアンモニアの濃度と、他の検出手段によって求められるアンモニアの濃度とを利用して、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度を検出する場合について示す。本形態のガス濃度検出装置１は、図１６に示すように、アンモニア検出部５５を備える代わりに、濃度受信部５５Ｘを備えていてもよい。濃度受信部５５Ｘは、ガス濃度検出装置１の外部に配置された、あるいはガスセンサ１０とは別に配置されたアンモニアセンサ１１による、排ガスＧに含まれるアンモニアの濃度のデータを受信するよう構成されている。
アンモニアセンサ１１は、内燃機関７の排気管７１における、ガスセンサ１０の配置箇所の周辺に配置されたものとすればよい。この場合にも、ガス濃度検出装置１は、識別部５３によるアンモニアの濃度と、濃度受信部５５Ｘによるアンモニアの濃度とを用いて、補正アンモニア濃度を求める濃度補正部５６Ｘを備える。この場合についても、アンモニア検出部５５を備える場合と同様の作用効果が得られる。
本形態のガス濃度検出装置１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１～４の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１～４に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１～４の構成要素と同様である。
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
１ ガス濃度検出装置
２ センサ素子部
２１ 固体電解質体
２２ ポンプ電極
２３ ＮＯｘ電極
２４ 基準電極
２５ ガス室
５１ ポンピング部
５２ ＮＯｘ検出部
５３ 識別部
２ センサ素子部
２１ 固体電解質体
２２ ポンプ電極
２３ ＮＯｘ電極
２４ 基準電極
２５ ガス室
５１ ポンピング部
５２ ＮＯｘ検出部
５３ 識別部
Claims (7)
- イオン伝導性の固体電解質体（２１）、拡散抵抗部（２５１）を介して内燃機関（７）の排ガス（Ｇ）が導入されるガス室（２５）、前記固体電解質体の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれる酸素を分解するためのポンプ電極（２２）、前記固体電解質体における、前記ポンプ電極の下流側の表面に設けられるとともに前記ガス室内の前記排ガスに含まれるＮＯｘを分解するためのＮＯｘ電極（２３）、及び前記固体電解質体における、前記ポンプ電極及び前記ＮＯｘ電極が設けられた表面とは反対側の表面に設けられた基準電極（２４）を有するセンサ素子部（２）と、
前記ポンプ電極と前記基準電極との間に印加する直流電圧によって、前記ガス室内の前記排ガスにおける酸素を汲み出すポンピング部（５１）と、
前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に直流電圧を印加して、前記ＮＯｘ電極と前記基準電極との間に流れる直流電流を検出するＮＯｘ検出部（５２）と、
前記ＮＯｘ検出部による直流電流の変化速度を算出し、前記変化速度に基づいて、前記内燃機関の燃焼によって生じたＮＯｘ、又はアンモニアの酸化によって生じたＮＯｘのいずれが検出されたかを識別する識別部（５３）と、を備えるガス濃度検出装置（１）。 - 前記識別部は、前記変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、前記変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、前記排ガスに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
- 前記識別部は、前記変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、前記変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、前記排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を求めるよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
- 前記識別部は、前記変化速度が閾値以上であるか否かを判定し、前記変化速度が閾値以上である直流電流に基づいて、前記排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を求めるとともに、前記変化速度がゼロを超えて閾値未満である直流電流に基づいて、前記排ガスに含まれるアンモニアの濃度を求めるよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
- 前記ＮＯｘ検出部は、所定の時間間隔で前記直流電流を検出するよう構成されており、
前記識別部は、前記直流電流の微分値に基づいて前記変化速度を算出するよう構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。 - 前記センサ素子部は、
前記固体電解質体に対向して配置されたイオン伝導性の他の固体電解質体（２１Ｘ）、前記排ガスに晒される状態で前記他の固体電解質体の表面に設けられたアンモニア電極（２８）、及び前記固体電解質体における、前記アンモニア電極が設けられた表面とは反対側の表面に設けられた他の基準電極（２４Ｘ）をさらに有しており、
前記ガス濃度検出装置は、
前記アンモニア電極と前記他の基準電極との間に生じる、前記排ガスに含まれるアンモニア及び酸素による混成電位を検出するアンモニア検出部（５５）と、
前記識別部によるアンモニアの濃度と、前記アンモニア検出部の混成電位に基づくアンモニアの濃度とを用いて、補正アンモニア濃度を求める濃度補正部（５６）と、をさらに備えている、請求項２に記載のガス濃度検出装置。 - 前記ガス濃度検出装置は、
外部に配置されたアンモニアセンサ（１１）による、前記排ガスに含まれるアンモニアの濃度のデータを受信する濃度受信部（５５Ｘ）と、
前記識別部によるアンモニアの濃度と、前記濃度受信部によるアンモニアの濃度とを用いて、補正アンモニア濃度を求める濃度補正部（５６Ｘ）と、をさらに備えている、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
Priority Applications (2)
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| JP2020201738A JP2022089378A (ja) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | ガス濃度検出装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2020201738A JP2022089378A (ja) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | ガス濃度検出装置 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2020201738A Pending JP2022089378A (ja) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | ガス濃度検出装置 |
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2021
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Also Published As
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| DE102021128064A1 (de) | 2022-06-09 |
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