JP2023044914A - Gas measurement device - Google Patents
Gas measurement device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023044914A JP2023044914A JP2021153031A JP2021153031A JP2023044914A JP 2023044914 A JP2023044914 A JP 2023044914A JP 2021153031 A JP2021153031 A JP 2021153031A JP 2021153031 A JP2021153031 A JP 2021153031A JP 2023044914 A JP2023044914 A JP 2023044914A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- ammonia
- cell
- gas
- oxidation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 92
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 196
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims abstract description 98
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 85
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 68
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 56
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 165
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 154
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 84
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 84
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 78
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 66
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 24
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 7
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 3
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000010531 catalytic reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- FPAFDBFIGPHWGO-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxomagnesium;hydrate Chemical compound O.[Mg]=O.[Mg]=O.[Mg]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O FPAFDBFIGPHWGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- YIXCPMSISWSKKS-FGCOXFRFSA-N ram-333 Chemical compound C1([C@]23CCN(C)[C@@H]([C@@]2(CCCC3)O)CC1=CC=C1OC)=C1OC1=CC=CC=C1 YIXCPMSISWSKKS-FGCOXFRFSA-N 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003883 substance clean up Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、ガス計測装置に関する。 The technology disclosed by this specification relates to a gas measuring device.
例えば、車両から排出される排気ガスには、窒素化合物浄化の副産物として生じるアンモニアが含まれている場合があることが、近年、明らかになってきた。環境保護への関心の高まりから、大気中に排出されるアンモニアは、今後、規制対象になると考えられる。 For example, it has recently become apparent that exhaust gases emitted from vehicles may contain ammonia, which is produced as a by-product of nitrogen compound purification. Due to growing interest in environmental protection, it is believed that ammonia discharged into the atmosphere will be subject to regulation in the future.
排気ガス中の窒素酸化物濃度とアンモニア濃度との双方を計測できるガスセンサが提案されている(特許文献1参照)。このガスセンサは、被測定ガスが導入されるガス導入口に連通する予備調整室と、第2拡散律速部を介して予備調整室に連通する酸素濃度調整室と、第3拡散律速部を介して酸素濃度調整室に連通する測定室と、予備ポンプセルと、主ポンプセルと、測定用ポンプセルとを備えている。 A gas sensor capable of measuring both the concentration of nitrogen oxides and the concentration of ammonia in exhaust gas has been proposed (see Patent Document 1). This gas sensor includes a preliminary adjustment chamber communicating with a gas introduction port into which a gas to be measured is introduced, an oxygen concentration adjustment chamber communicating with the preliminary adjustment chamber via a second diffusion rate controlling section, and a third diffusion rate controlling section. It has a measurement chamber communicating with the oxygen concentration adjustment chamber, a backup pump cell, a main pump cell, and a measurement pump cell.
予備ポンプセルは、予備調整室に面する予備ポンプ電極と、外部空間に露出する外部ポンプ電極と、固体電解質層とによって構成される。予備ポンプセルが作動すると、外部空間と予備ポンプ室との間で酸素の汲み入れ、汲み出しが行われることで予備調整室内の雰囲気中の酸素濃度が調整されるとともに、予備ポンプ電極上でアンモニアの酸化反応が起こり、アンモニアが一酸化窒素に変換される。主ポンプセルは、酸素濃度調整室に面する主内側ポンプ電極と、外部空間に露出する外部ポンプ電極と、固体電解質層とによって構成される。主ポンプセルが作動すると、外部空間と酸素濃度ポンプ室との間で酸素の汲み入れ、汲み出しが行われることで酸素濃度調整室内の雰囲気中の酸素濃度が調整されるとともに、主内側ポンプ電極上でアンモニアの酸化反応が起こり、アンモニアが一酸化窒素に変換される。測定用ポンプセルは、測定室に面する測定電極と、基準電極と、固体電解質層とによって構成される。測定用ポンプセルが作動すると、測定電極上で一酸化窒素が分解され、発生した酸素が汲み出されるとともに、その発生量に応じた測定ポンプ電流がセンサ出力として出力される。 The preliminary pump cell is composed of a preliminary pump electrode facing the preliminary adjustment chamber, an external pump electrode exposed to the external space, and a solid electrolyte layer. When the preliminary pump cell operates, oxygen is pumped in and out between the external space and the preliminary pump chamber, thereby adjusting the oxygen concentration in the atmosphere in the preliminary conditioning chamber and oxidizing ammonia on the preliminary pump electrode. A reaction occurs and ammonia is converted to nitric oxide. The main pump cell is composed of a main inner pump electrode facing the oxygen concentration adjusting chamber, an outer pump electrode exposed to the outer space, and a solid electrolyte layer. When the main pump cell operates, oxygen is pumped in and out between the outer space and the oxygen concentration pump chamber, thereby adjusting the oxygen concentration in the atmosphere in the oxygen concentration adjustment chamber and increasing the oxygen concentration on the main inner pump electrode. An oxidation reaction of ammonia occurs and ammonia is converted to nitric oxide. The measuring pump cell consists of a measuring electrode facing the measuring chamber, a reference electrode and a solid electrolyte layer. When the measuring pump cell is activated, nitric oxide is decomposed on the measuring electrode, the generated oxygen is pumped out, and a measuring pump current corresponding to the generated amount is output as a sensor output.
予備ポンプセルが駆動されている状態では、被測定ガスに含まれているアンモニアは、予備酸素室で酸化され、一酸化窒素に変換されて第2拡散律速部を通過する。予備ポンプセルが停止されている状態では、被測定ガスに含まれているアンモニアは酸化されることなくそのまま第2拡散律速部を通過する。一酸化窒素とアンモニアとは互いに異なる拡散係数を持つため、第2拡散律速部を一酸化窒素として通過するか、アンモニアとして通過するかの違いは、測定室に流れ込む一酸化窒素量の違いに相当し、測定用ポンプセルに流れる測定ポンプ電流を変化させる。したがって、予備ポンプセルの駆動時の測定ポンプ電流と、予備ポンプセルの停止時の測定ポンプ電流との差分に基づいて、窒素酸化物とアンモニアの濃度をそれぞれ算出することができる。 While the preliminary pump cell is being driven, ammonia contained in the gas to be measured is oxidized in the preliminary oxygen chamber, converted to nitrogen monoxide, and passed through the second diffusion control section. When the preliminary pump cell is stopped, the ammonia contained in the gas to be measured passes through the second diffusion control section as it is without being oxidized. Since nitrogen monoxide and ammonia have different diffusion coefficients, the difference in whether they pass through the second diffusion control section as nitrogen monoxide or as ammonia corresponds to the difference in the amount of nitrogen monoxide flowing into the measurement chamber. to change the measurement pump current flowing through the measurement pump cell. Therefore, the concentrations of nitrogen oxides and ammonia can be calculated based on the difference between the measured pump current when the standby pump cell is driven and the measured pump current when the standby pump cell is stopped.
上記の構成では、予備ポンプセルの作動時において、予備酸素室内でアンモニアの酸化反応が生じる。しかし、予備酸素室は被測定ガスが直接流入する最も上流の部屋であるため、酸素濃度が変動しやすく、アンモニアの酸化反応のばらつきが起こりやすい。このため、精度よくアンモニアの濃度を計測するためには、さらなる改良が必要と考えられた。 In the above configuration, an oxidation reaction of ammonia occurs in the preliminary oxygen chamber during operation of the preliminary pump cell. However, since the preliminary oxygen chamber is the most upstream chamber into which the gas to be measured directly flows, the oxygen concentration tends to fluctuate, and the ammonia oxidation reaction tends to vary. Therefore, further improvement was considered necessary to measure the concentration of ammonia with high accuracy.
本明細書によって開示されるガス計測装置は、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御部とを備えてアンモニアを含む計測対象ガス中の前記アンモニアの濃度を計測するガス計測装置であって、前記センサ素子が、前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、前記制御部が、前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える。 A gas measuring device disclosed in the present specification is a gas measuring device that includes a sensor element and a control unit that controls the sensor element, and measures the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia, The sensor element comprises a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced, a first solid electrolyte body, and a first solid electrolyte body provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured. and a second electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged outside the gas space to be measured. a pump cell for pumping or pumping, a second solid electrolyte body, a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured, and the second solid electrolyte body an ammonia oxidation cell located downstream of the pump cell, a third solid electrolyte body, and a fourth electrode paired with the third electrode provided on the surface of a fifth electrode provided inside the gas space to be measured; and a sixth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and paired with the fifth electrode. a detection cell whose concentration is adjusted and which outputs a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after passing over the third electrode, wherein the control unit controls the ammonia oxidation cell and applying an oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode. a first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell; and the detection cell while the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell. and a concentration calculation unit that calculates the concentration of the ammonia based on a second current value output from the.
本明細書によって開示されるガス計測装置によれば、アンモニアの濃度を容易に、かつ、精度よく計測できる。 According to the gas measuring device disclosed by this specification, the concentration of ammonia can be measured easily and accurately.
[実施形態の概要]
(1)本明細書によって開示されるガス計測装置は、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御部とを備えてアンモニアを含む計測対象ガス中の前記アンモニアの濃度を計測するガス計測装置であって、前記センサ素子が、前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、前記制御部が、前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える。
[Overview of embodiment]
(1) A gas measuring device disclosed in the present specification is a gas measuring device that includes a sensor element and a control unit that controls the sensor element, and measures the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia. The sensor element comprises a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced, a first solid electrolyte body, and the sensor element provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured. and a second electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and arranged outside the gas space to be measured, and between the inside and the outside of the gas space to be measured. a second solid electrolyte body; a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; an ammonia oxidation cell provided on a surface of a solid electrolyte body and paired with the third electrode and positioned downstream of the pump cell; a third solid electrolyte body; and the third solid electrolyte body. and a sixth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and paired with the fifth electrode, wherein the a detection cell that outputs a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the measurement target gas after passing over the third electrode, the oxygen concentration being adjusted by the pump cell; An oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode is applied to the ammonia oxidation cell. a first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell; and a voltage application unit where the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell. and a concentration calculation unit that calculates the concentration of the ammonia based on a second current value output from the detection cell.
アンモニア酸化セルに酸化電圧が印加されている状態では、計測対象ガス中のアンモニアが第3電極上で酸化され、窒素酸化物と酸素とが生じる。したがって、検知セルから出力される第1電流値は、計測対象ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度と、アンモニアの酸化によって生じた窒素酸化物の濃度との和に対応したものとなる。アンモニア酸化セルに非酸化電圧が印加されている状態では、計測対象ガス中のアンモニアが第3電極上で酸化されない。したがって、検知セルから出力される第2電流値は、計測対象ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度に対応したものとなる。以上より、第1電流値と第2電流値とに基づいて、計測対象ガス中のアンモニア濃度を容易に、かつ、精度よく算出することができる。 When an oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell, ammonia in the gas to be measured is oxidized on the third electrode to produce nitrogen oxides and oxygen. Therefore, the first current value output from the detection cell corresponds to the sum of the concentration of nitrogen oxides originally contained in the gas to be measured and the concentration of nitrogen oxides generated by the oxidation of ammonia. . In a state in which a non-oxidizing voltage is applied to the ammonia oxidation cell, ammonia in the gas to be measured is not oxidized on the third electrode. Therefore, the second current value output from the detection cell corresponds to the concentration of nitrogen oxide originally contained in the gas to be measured. As described above, it is possible to easily and accurately calculate the concentration of ammonia in the gas to be measured based on the first current value and the second current value.
(2)上記(1)のガス計測装置において、前記第2電極が、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極であり、前記制御部が、前記被測定ガス空間内の前記計測対象ガスと前記基準ガスとの酸素濃度の差に対応して前記第1電極と前記第2電極との間に生じる起電力が一定となるように前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流を制御する電流制御部を備えていても構わない。 (2) In the gas measuring device of (1) above, the second electrode is a reference electrode exposed to a reference gas that serves as a reference for oxygen concentration, and the control section controls the measurement target in the gas space to be measured. between the first electrode and the second electrode so that the electromotive force generated between the first electrode and the second electrode is constant corresponding to the difference in oxygen concentration between the gas and the reference gas A current control section for controlling the flowing current may be provided.
このような構成によれば、酸素濃度を検知するためのセルを別途設ける必要がなく、簡易な構成で、計測対象ガス中のアンモニア濃度を精度よく算出することができる。 According to such a configuration, there is no need to separately provide a cell for detecting the oxygen concentration, and the ammonia concentration in the gas to be measured can be accurately calculated with a simple configuration.
[実施形態の詳細]
本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of embodiment]
A specific example of the technology disclosed in this specification will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
<実施形態>
実施形態を、図1から図5を参照しつつ説明する。本実施形態のガス計測装置1は、自動車のディーゼルエンジンから排出される排気ガス(計測対象ガスの一例)に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する尿素SCR(Selective Catalytic Reduction:選択触媒還元)システムに用いられるものである。尿素SCRシステムは、アンモニアと窒素酸化物とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。尿素SCRシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがある。ガス計測装置1は、排気ガスに含まれる窒素酸化物およびアンモニアの濃度を測定する。
<Embodiment>
An embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. The gas measuring device 1 of the present embodiment uses urea SCR (Selective Catalytic Reduction) to purify nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas (an example of gas to be measured) emitted from a diesel engine of an automobile. It is used in the system. The urea SCR system is a system that purifies nitrogen oxides contained in exhaust gas by chemically reacting ammonia and nitrogen oxides to reduce the nitrogen oxides to nitrogen. In the urea SCR system, if the amount of ammonia supplied to nitrogen oxides becomes excessive, there is a risk that unreacted ammonia contained in the exhaust gas will be released to the outside. The gas measuring device 1 measures the concentrations of nitrogen oxides and ammonia contained in the exhaust gas.
ガス計測装置1は、ガスセンサ10と、ガスセンサ10に接続されるセンサ制御装置300(制御部の一例)とを備える。ガスセンサ10は、ディーゼルエンジンに接続される排気管において、SCR触媒装置の下流側に設置されている。
The gas measuring device 1 includes a
[ガスセンサ10の全体構成]
ガスセンサ10は、図1に示すように、センサ素子100、主体金具11、外部プロテクタ12、内部プロテクタ13、外筒14、保持部材18などを備えている。センサ素子100は、軸線AX方向(図1の上下方向)に延びる細長板状をなし、主体金具11の内側に保持されている。なお、以下の説明において、図1の下側を先端側とし、図1の上側を後端側とする。
[Overall Configuration of Gas Sensor 10]
As shown in FIG. 1, the
主体金具11は、軸線AX方向に貫通する貫通孔11Aを有する筒状部材である。主体金具11は、センサ素子100の先端部を自身の先端側外部に突出させると共に、センサ素子100の後端部を自身の後端側外部に突出させた状態で、センサ素子100を貫通孔11A内に保持している。
The
主体金具11の貫通孔11Aの内部には、環状のセラミックホルダ15、滑石粉末を環状に充填してなる2つの滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が配置されている。詳細には、センサ素子100の周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ15、滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が、この順に、主体金具11の先端側から後端側にわたって重なって配置されている。
Inside the through
主体金具11の先端部には、センサ素子100の先端部を覆うように、複数の孔を有する金属製の外部プロテクタ12および内部プロテクタ13が、溶接によって取り付けられている。一方、主体金具11の後端部には、外筒14が溶接によって取り付けられている。外筒14は、軸線AX方向に延びる筒状をなし、センサ素子100の後端部を包囲している。
An
外筒14の内部には、保持部材18が配置されている。保持部材18は、絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、軸線AX方向に貫通する挿入孔18Aを有する筒状部材である。挿入孔18A内には、センサ素子100の後端部と複数の端子部材19とが配置されている。複数の端子部材19は、センサ素子100の表面に設けられている複数の電極端子部のそれぞれが弾性的に当接して電気的に接続されている。複数の端子部材19は、複数のリード線20にそれぞれ接続されている。
A holding
外筒14の後端側の開口部には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材21が配置されている。複数のリード線20が、弾性シール部材21を貫通して外部に導出されている。
An elastic sealing
[センサ素子100]
センサ素子100は、図2および図3に示すように、ポンプセル110、Vsセル120(アンモニア酸化セルの一例)、検知セル130、第1測定室R1(被測定ガス空間の一例)、第2測定室R2(被測定ガス空間の一例)、基準酸素室R3、およびヒータ170を含む。ポンプセル110、Vsセル120、及び検知セル130は、センサ素子100の内部に設けられた排気ガスの流路の上流側から、この順に配置されている。
[Sensor element 100]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
センサ素子100は、第3緻密層141C、第2緻密層141B、第1緻密層141A、第5絶縁層144、第1絶縁層142、第6絶縁層145、第2絶縁層143、第7絶縁層146、第3絶縁層171、および第4絶縁層172がこの順に積層された構造を有する。第5絶縁層144は、貫通孔H1を有しており、この貫通孔H1の内部には、第1固体電解質体111が埋め込まれている。第6絶縁層145は、貫通孔H2を有しており、この貫通孔H2の内部には、第2固体電解質体121が埋め込まれている。第7絶縁層146は、第3貫通孔H3を有しており、この第3貫通孔H3の内部には、第3固体電解質体131が埋め込まれている。
The
第1測定室R1は、第4絶縁層144と第1固体電解質体111とにより構成される層と、第5絶縁層145と第2固体電解質体121とにより構成される層との間に設けられ、第1絶縁層142を貫通する小空間である。第1測定室R1は、ガスの通過が可能な第1拡散抵抗体151によって外部空間と隔てられている。第1拡散抵抗体151は、外部から第1測定室R1への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
The first measurement chamber R1 is provided between a layer composed of the fourth insulating
第2測定室R2は、第4絶縁層144と第1固体電解質体111とにより構成される層と、第7絶縁層146と第3固体電解質体131とにより構成される層との間に設けられた小空間であって、第1絶縁層142と、第5絶縁層145と、第2絶縁層143とを貫通している。第1測定室R1と第2測定室R2とは、ガスの通過が可能な第2拡散抵抗体152によって隔てられている。第2拡散抵抗体152は、第1測定室R1から第2測定室R2への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。
The second measurement chamber R2 is provided between a layer composed of the fourth insulating
基準酸素室R3は、第5絶縁層145と第2固体電解質体121とにより構成される層と、第7絶縁層146と第3固体電解質体131とにより構成される層との間に設けられた小空間であって、第2絶縁層143を貫通している。基準酸素室R3の内部には、ガスの通過が可能な多孔質体161が配置されている。
The reference oxygen chamber R3 is provided between a layer composed of the fifth insulating
第2緻密層141Bは、空隙100Gを有している。空隙100Gは、第1緻密層141Aと第3緻密層141Cとの間に設けられ、第2緻密層141Bを貫通する小空間である。第3緻密層141Cは、空隙100Gとセンサ素子100の外部空間とを連通する大気導入口100hを有している。大気導入口100hを通って空隙100G内に、基準ガスとなる大気が導入されるようになっている。第1緻密層141Aは、空隙10Gに連通する貫通孔H4を有しており、この貫通孔H4の内部には、ガスの通過が可能な多孔質体162が充填されている。
The second
ポンプセル110は、第1固体電解質体111と、第1固体電解質体111の表面(図2の下面)に配置された第1電極112と、第1固体電解質体111の他の表面(図2の上面)に配置されて第1電極112と対極となる第2電極113とを備える。第1電極112は、第1測定室R1の内部に配置されており、第2電極113は、第1測定室R1の外部に配置されて、多孔質体162に接している。
The
Vsセル120は、第2固体電解質体121と、第2固体電解質体121の表面(図2の上面)に配置された第3電極122と、第2固体電解質体121の他の表面(図2の下面)に配置された第4電極123とを備えている。第3電極122は、第1測定室R1の内部に配置されている。第4電極123は、基準酸素室R3の内部に配置されている。第1電極112は、第1測定室R1の内部において、外部からの排気ガスの入口(第1拡散抵抗体151)に近い位置、つまり排気ガスの流路の上流側に配されており、第3電極122は、第1測定室R1の内部において、第1電極112よりも第2拡散抵抗体152に近い位置、つまり、排気ガスの流路の下流側に配置されている。言い換えると、Vsセル120は、ポンプセル110よりも排気ガスの流路の下流側に配置されており、第1拡散抵抗体151を通って外部から導入された排気ガスは、先にポンプセル110の第1電極112に接し、その後にVsセル120の第3電極122に接するようになっている。
The
検知セル130は、第3固体電解質体131と、第3固体電解質体131の表面(図2の上面)に配置された第5電極132と、第3固体電解質体131の表面(図2の上面)に配置されて第5電極132と対極となる第6電極133とを備えている。第5電極132は、第2測定室R2の内部に配置されている。第6電極133は、基準酸素室R3の内部に、第4電極123に対向して配置されている。第5電極132は、第3電極122よりも排気ガスの流路の下流側に配置されている。すなわち、検知セル130は、Vsセル120よりも下流側に配置されている。排気ガスは、Vsセル120の第3電極122に接した後、第2拡散抵抗体152を通過して第2測定室R2に導入され、検知セル130の第5電極132に接するようになっている。
The detection cell 130 includes a third solid electrolyte body 131, a fifth electrode 132 arranged on the surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 2), and a surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 2). ) and is provided with a fifth electrode 132 and a sixth electrode 133 serving as a counter electrode. The fifth electrode 132 is arranged inside the second measurement chamber R2. The sixth electrode 133 is arranged facing the
図2および図3に示されるように、第1電極112、第3電極122、第5電極132はそれぞれ基準電位に接続されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ヒータ170は、第3絶縁層171と、第4絶縁層172と、第3絶縁層171と第4絶縁層172の間に埋設され、通電することで発熱する抵抗発熱体173とを備えている。ヒータ170は、固体電解質体111、121、131が活性化する温度となるように加熱し、固体電解質体111、121、131の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
The heater 170 includes a third insulating layer 171, a fourth insulating layer 172, and a resistance heating element 173 that is embedded between the third insulating layer 171 and the fourth insulating layer 172 and generates heat when energized. . The heater 170 is used to heat the
固体電解質体111、121、131は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする。絶縁層142、143、144、145、146、171、172、多孔質体161、162、および、拡散抵抗体151、152は、アルミナを主成分とする。電極112、113、122、123、132、133および抵抗発熱体173は、白金を主成分とする。主成分とは、含有量が50質量%以上であることを意味する。
[センサ制御装置300]
次いで、センサ制御装置300の構成の一例について説明する。センサ制御装置300は、図2および図3に示すように、電気回路部310とマイクロコンピュータ330とを備えている。ガスセンサ10は、センサ制御装置300によって、排気ガスに含まれる窒素酸化物を計測するNOx計測モード、および排気ガスに含まれるアンモニアを計測するアンモニア計測モードの2つのモードで制御される。
[Sensor control device 300]
Next, an example of the configuration of the
マイクロコンピュータ330は、センサ制御装置300全体を制御するものであり、CPU(中央演算処理装置)331、RAM332、ROM333、信号入出力部334、A/Dコンバータ335等を備えている。CPU331は、ROM333に格納されたプログラムに基づいて、センサ素子100を制御するための処理を実行する。
The
電気回路部310は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。電気回路部310は、図2および図3に示すように、基準電圧比較回路311、Ip1ドライブ回路312、Vs1検知回路313、Icp供給回路314、Ip2検知回路315、Vp2印加回路316、ヒータ駆動回路317、抵抗検知回路318、Ip3検知回路321、Vs2印加・検知回路322、およびVp3印加回路323を備える。基準電圧比較回路311、Icp供給回路314、Ip2検知回路315、Vp2印加回路316、ヒータ駆動回路317、および抵抗検知回路318は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を計測するNOx計測モード、および排気ガスに含まれるアンモニアを計測するアンモニア計測モードの双方で使用される。Ip1ドライブ回路312およびVs1検知回路313は、NOx計測モードで使用される。Ip3検知回路321、Vs2印加・検知回路322、およびVp3印加回路323は、アンモニア計測モードで使用される。
The
Ip1ドライブ回路312は、第1電極112-第2電極113間に電流Ip1を供給し、供給した電流Ip1の値をマイクロコンピュータ330に出力する。
The
Vs1検知回路313は、第3電極122-第4電極123間の電圧Vs1を検知し、基準電圧比較回路311に出力する。基準電圧比較回路311は、基準電圧(例えば、425mV)とVs1検知回路313の出力(電圧Vs1)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に出力する。そして、Ip1ドライブ回路312は、電圧Vs1が上記基準電圧に等しくなるように電流Ip1の流れる向きおよび大きさを制御し、第1測定室R1内の酸素濃度を窒素酸化物が分解しない程度の所定値に調整する。
The
Icp供給回路314は、第3電極122-第4電極123間に微弱な電流Icpを流し、酸素の第1測定室R1から基準酸素室R3への汲み出しを行う。
The
Vp2印加回路316は、第5電極132-第6電極133間に、排気ガス中の窒素酸化物が酸素と窒素とに分解される程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、窒素酸化物を窒素と酸素に分解する。
The
Ip2検知回路315は、第5電極132上で窒素酸化物の分解により生じた酸素が第3固体電解質体131を介して第6電極133側に汲み出される際に第5電極132-第6電極133間に流れる電流Ip2の値を検知し、マイクロコンピュータ330に出力する。
The
ヒータ駆動回路317は、ヒータ170が有する抵抗発熱体173に、ヒータ電圧Vhを印加することで、抵抗発熱体173を発熱させ、センサ素子100の加熱を行う。抵抗発熱体173は一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路317に接続されている。
The
Ip3検知回路321は、第1電極112-第2電極113間に流れる電流Ip3の値を検知し、マイクロコンピュータ330に出力する。
The
Vs2印加・検知回路322は、第1電極112-第2電極113間の電圧Vs2を検知し、基準電圧比較回路311に出力する。基準電圧比較回路311は、基準電圧(例えば、425mV)とVs2印加・検知回路322の出力(電圧Vs2)とを比較し、比較結果をVs2印加・検知回路322に出力する。そして、Vs2印加・検知回路322は、電圧Vs2が上記基準電圧の付近で一定となるように制御し、第1測定室R1内の酸素濃度を窒素酸化物が分解しない程度の所定値に調整する。Vs2印加・検知回路322と基準電圧比較回路311とが電流制御部の一例である。
The Vs2 application/
CPU331は、信号入出力部334およびA/Dコンバータ335を介してVp3印加回路323へ駆動信号を出力することにより、Vsセル120の第3電極122-第4電極123間に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31を印加する酸化制御と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32を印加する非酸化制御とを選択的に実行する。CPU331とVp3印加回路323とが電圧印加部の一例である。
The
A/Dコンバータ335は、Ip2検知回路315およびIp3検知回路321からの出力値をデジタル変換し、信号入出力部334を介してCPU331に出力する。CPU331は、ROM333から各種データを読み込み、演算処理を行って、電流Ip2の値から排気ガス中の窒素酸化物の濃度を、電流Ip3の値から排気ガス中の酸素の濃度を算出する。CPU331は、濃度算出部の一例である。
The A/
また、CPU331は、信号入出力部334およびA/Dコンバータ335を介してヒータ駆動回路317へ駆動信号を出力することにより、ヒータ170に供給する電力をパルス幅変調により通電制御して、センサ素子100(より具体的には固体電解質体111、121、131)が活性化温度になるようにしている。ヒータ170の通電制御は、抵抗検知回路318によって検知された電圧変化量を示す値と、ROM333に記憶されている電圧Vs1の変化量とVsセル120の内部抵抗値とが予め関連付けられたテーブルに基づいて、Vsセル120の内部抵抗(インピーダンス)を求め、インピーダンスが目標値となるように供給電力量を制御する公知の手法によって実現することができる。
Further, the
[ガス計測装置1の動作態様]
上記のガス計測装置1によって、車両の排気ガス中の窒素酸化物およびアンモニア濃度を計測する処理について、図4および図5を参照しつつ説明する。
[Operation Mode of Gas Measuring Device 1]
The process of measuring the concentration of nitrogen oxides and ammonia in the exhaust gas of a vehicle using the gas measuring device 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
ディーゼルエンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ駆動回路317が抵抗発熱体173に駆動電流を流す(ステップS10)。抵抗発熱体173が昇温し、固体電解質体111、121、131が加熱され、活性化される。
When the diesel engine is started and power is supplied from the external power supply, the
排気ガスは、第1拡散抵抗体151による流通量の制限を受けつつ第1測定室R1内に導入される。
Exhaust gas is introduced into the first measurement chamber R1 while being restricted in the flow rate by the
次に、Icp供給回路314が、Vsセル120において、第4電極123から第3電極122へ微弱な電流Icpを流す(ステップS20)。これにより、排気ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室R1内の第3電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって第2固体電解質体121内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。つまり、第3電極122と第4電極123との間で電流Icpが流されることによって、第1測定室R1内の酸素が基準酸素室R3内に送り込まれる。
Next, the
次に、CPU331は、Vs1検知回路313により検知される電圧Vs1が所定値(1.5V)以下であるか否かを判断する(ステップS30)。CPU331は、電圧Vs1が所定値以下ではないと判断した場合には、電圧Vs1が所定値以下となるまで待機する。
Next, the
CPU331は、電圧Vs1が所定値以下であると判断すると、続いて、アンモニア測定モードに切り替える必要があるか否かを判断する(ステップS40)。この判断は、例えば、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知したか否かを判定することにより行われる。
When the
CPU331は、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知しない場合には、アンモニア測定モードに切り替える必要がないと判断し、NOx計測モードで排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する(ステップS50)。計測は、例えば以下に示す公知の手順によって行うことができる。
When the injection of the aqueous urea solution into the exhaust gas by the SCR catalyst device is not detected, the
Vs1検知回路313は、第3電極122と第4電極123との間の電圧Vs1を検知する。電圧Vs1は、第1測定室R1内と基準酸素室R3内との酸素濃度差に対応した電圧である。Vs1検知回路313は、検知した電圧Vs1を、基準電圧比較回路311を用いて基準電圧(425mV)と比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に対し出力する。ここで、電圧Vs1が425mV付近で一定となるように、第1測定室R1内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室R1内の排気ガス中の酸素濃度は所定値(例えば10-8~10-9atm)に近づくこととなる。
A
Ip1ドライブ回路312は、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、第2電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip1を流し、空隙100Gから第1測定室R1内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路312は、第1電極112側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip1を流し、第1測定室R1内から空隙100Gへ酸素の汲み出しを行う。すなわち、ポンプセル110は、第1測定室R1内の酸素濃度が一定となるように第1測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。
When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is lower than a predetermined value, the
第1測定室R1において酸素濃度が調整された排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入される。第2測定室R2内で第5電極132と接触した排気ガス中の窒素酸化物は、Vp2印加回路316により第5電極132と第6電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、第5電極132上で窒素と酸素とに分解される。分解された酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体131内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip2は、窒素酸化物濃度に応じた値を示す。CPU331は、電流Ip2の値に基づいて排気ガス中の窒素酸化物の濃度を算出する。
The exhaust gas, the oxygen concentration of which has been adjusted in the first measurement chamber R1, is introduced into the second measurement chamber R2 while being restricted by the
CPU331は、SCR触媒装置による排気ガス中への尿素水溶液の噴射を検知した場合には、アンモニア測定モードに切り替える必要があると判断し、アンモニア計測モードで排気ガス中のアンモニア濃度を計測する(ステップS60)。計測の手順は、以下のようである。
When the injection of the urea aqueous solution into the exhaust gas by the SCR catalyst device is detected, the
アンモニア測定モードにおいて、第2電極113は、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極となる。基準ガスとしての大気が、大気導入口100hを通って空隙100G内に導入され、多孔質体162を通過して第2電極113に接する。Vs2印加・検知回路322はポンプセル110の第1電極112-第2電極113間に電圧Vs2を印加する。電圧Vs2は被測定ガス中の窒素酸化物が実質的に解離せず、かつ第1測定室R1中の酸素濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値(例えば、280mV)に設定される。そして、Ip3検知回路321は第1電極112-第2電極113間を流れる電流Ip3を測定する。第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値よりも薄い場合、第2電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip3が流れ、空隙100Gから第1測定室R1内へ酸素の汲み入れが行われる。一方、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値よりも濃い場合、第1電極113側が負極となるようにポンプセル110に電流Ip3が流れ、第1測定室R1内から空隙100Gへ酸素の汲み出しが行われる。すなわち、ポンプセル110は、第1測定室R1内の酸素濃度が一定となるように第1 測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行う(ステップS61)。
In the ammonia measurement mode, the
第1測定室R1の内部でポンプセル110により酸素濃度が調整された後の排気ガスは、第2拡散抵抗体152に向かって流れ、第3電極122に接する。CPU331は、Vp3印加回路323へ駆動信号を出力し、Vsセル120の第3電極122-第4電極123間に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31を印加する酸化制御と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32を印加する非酸化制御とを選択的に実行する。
The exhaust gas after the oxygen concentration has been adjusted by the
CPU331は、まず、酸化制御を実行する(ステップS62)。第3電極122-第4電極123間に酸化電圧Vp31が印加されると、排気ガスに含まれるアンモニアが第3電極122上で酸化され、一酸化窒素と水とが生成される。第3電極122によるアンモニア酸化処理を受けた後の排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入され、第5電極132と接する。Vp2印加回路316により第5電極132と第6電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、排気ガス中の窒素酸化物は、第5電極132上で窒素と酸素とに分解される。分解により生成した酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体131内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip21の値(第1電流値の一例)は、窒素酸化物濃度に応じた値を示す。
The
酸化制御下において、第5電極132上で分解された窒素酸化物は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物と、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素(アンモニアが第3電極122上で酸化されることによって生成した一酸化窒素)とを含む。従って、電流Ip21の値は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物と、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素との合計量に対応した値となる。 Under oxidation control, the nitrogen oxides decomposed on the fifth electrode 132 are composed of nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas and nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas (ammonia is added to the third electrode 122). Nitric oxide produced by being oxidized above). Therefore, the value of the current Ip21 becomes a value corresponding to the total amount of nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas and nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas.
次に、CPU331は、非酸化制御を実行する(ステップS63)。第3電極122-第4電極123間に非酸化電圧Vp32が印加された状態では、アンモニアが酸化されず、そのまま排気ガス中に含まれる。第3電極122上を通過した排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入される。排気ガス中の窒素酸化物は、酸化制御の場合と同様に、第5電極132上で窒素と酸素とに分解され、分解により生成した酸素は、酸素イオンとなって基準酸素室R3内に移動する。このとき検知セル130を流れる電流Ip22が流れる。
Next, the
非酸化制御下において、第5電極132上で分解された窒素酸化物は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物を含むが、排気ガス中のアンモニア由来の一酸化窒素を含まない。従って、検知セル130を流れる電流Ip22の値(第2電流値の一例)は、排気ガス中にもともと含まれていた窒素酸化物の量に対応した値となる。 Under non-oxidizing control, the nitrogen oxides decomposed on the fifth electrode 132 contain nitrogen oxides originally contained in the exhaust gas, but do not contain nitrogen monoxide derived from ammonia in the exhaust gas. Therefore, the value of the current Ip22 flowing through the sensing cell 130 (an example of the second current value) corresponds to the amount of nitrogen oxide originally contained in the exhaust gas.
CPU331は、電流Ip22の値に基づいて、排気ガス中の窒素酸化物濃度を算出し、電流Ip21の値と電流Ip22の値との差分に基づいて、排気ガス中に含まれるアンモニアの濃度を算出する(ステップS64)。
The
ステップS50またはステップS60の後、CPU331は、計測処理の終了要求があるか否かを判別する(ステップS70)。終了要求がないと判断した場合には、ステップS40からステップS60までの処理が繰り返される。終了要求があったと判断した場合には、計測処理を終了する。
After step S50 or step S60, the
[作用効果]
以上のように本実施形態によれば、ガス計測装置1は、センサ素子100と、センサ素子100を制御するセンサ制御装置300とを備えてアンモニアを含む排気ガス中のアンモニアの濃度を計測する装置であって、センサ素子100が、排気ガスが導入される第1測定室R1および第2測定室R2と、第1固体電解質体111と、第1固体電解質体111の表面に設けられて第1測定室R1の内部に配される第1電極112と、第1固体電解質体111の表面に設けられて第1測定室R1の外部に配される第2電極113と、を備え、第1測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセル110と、第2固体電解質体121と、第2固体電解質体121の表面に設けられて第1測定室R1の内部に配される第3電極122と、第2固体電解質体121の表面に設けられて第3電極122と対となる第4電極123とを備え、ポンプセル110よりも下流に位置するVsセル120と、第3固体電解質体131と、第3固体電解質体131の表面に設けられて第2測定室R2の内部に配される第5電極132と、第3固体電解質体131の表面に設けられて第5電極132と対となる第6電極133とを備え、ポンプセル110によって酸素濃度が調整され、第3電極122上を通過した後の排気ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セル130と、を備え、センサ制御装置300が、Vsセル120に、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧Vp31と、酸化電圧Vp31よりも小さく、第3電極122上でアンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧Vp32とを印加するCPU331およびVp3印加回路323と、Vsセル120に酸化電圧Vp31が印加されている状態で検知セル130から出力される電流Ip21の値と、Vsセル120に非酸化電圧Vp32が印加されている状態で検知セル130から出力される電流Ip22の値と、に基づいてアンモニアの濃度を算出するCPU331と、を備える。
[Effect]
As described above, according to the present embodiment, the gas measuring device 1 includes the
Vsセル120に酸化電圧Vp31が印加されている状態では、排気ガス中のアンモニアが第3電極122上で酸化され、窒素酸化物と酸素とが生じる。したがって、検知セル130から出力される電流Ip21の値は、排気ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度と、アンモニアの酸化によって生じた窒素酸化物の濃度との和に対応したものとなる。Vsセル120に非酸化電圧Vp32が印加されている状態では、排気ガス中のアンモニアが第3電極122上で酸化されない。したがって、検知セル130から出力される電流Ip22の値は、排気ガスにもともと含まれている窒素酸化物の濃度に対応したものとなる。以上より、電流Ip21の値と電流Ip22の値とに基づいて、排気ガス中のアンモニア濃度を容易に、かつ、精度よく算出することができる。
When the oxidation voltage Vp31 is applied to the
また、第2電極113が、酸素濃度の基準となる基準ガスに晒される基準電極であり、センサ制御装置300が、第1測定室R1内の排気ガスと基準ガスとの酸素濃度の差に対応して第1電極112と第2電極113との間に生じる起電力が一定となるように第1電極112と第2電極113との間に流れる電流Ip1を制御するVs2印加・検知回路322と基準電圧比較回路311とを備える。
Further, the
このような構成によれば、酸素濃度を検知するためのセルを別途設ける必要がなく、簡易な構成で、排気ガス中のアンモニア濃度を精度よく算出することができる。 According to such a configuration, there is no need to separately provide a cell for detecting the oxygen concentration, and the ammonia concentration in the exhaust gas can be accurately calculated with a simple configuration.
<他の実施形態>
(1)ポンプセルとアンモニア酸化セルとの位置関係は、ポンプセルによって酸素濃度を調整された後の排気ガスが、アンモニア酸化セルの第3電極に接するような関係となっていればよい。上記実施形態では、図2および図3に示すように、センサ素子100の板厚方向から(図2および図3の上側または下側から)見て第2電極113と第3電極122とが重なっていないが、例えば、センサ素子の板厚方向から見て、第3電極が第2電極よりも下流側にずれて位置していれば足り、第2電極と第3電極の一部がオーバーラップしていても構わない。
(2)上記実施形態では、非酸化制御が酸化制御の後に実行されたが、酸化制御と非酸化制御との順序は任意であり、酸化制御が非酸化制御の後に実行されても構わない。
(3)上記実施形態では、第1測定室R1と第2測定室R2とが第2拡散抵抗体152によって隔てられていたが、拡散抵抗体によって隔てられていない1つの被測定ガス空間の内部に第1電極と第3電極と第5電極とが配置されていても構わない。
<Other embodiments>
(1) The positional relationship between the pump cell and the ammonia oxidation cell should be such that the exhaust gas after the oxygen concentration has been adjusted by the pump cell is in contact with the third electrode of the ammonia oxidation cell. In the above embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
(2) In the above embodiment, non-oxidation control is performed after oxidation control, but the order of oxidation control and non-oxidation control is arbitrary, and oxidation control may be performed after non-oxidation control.
(3) In the above embodiment, the first measurement chamber R1 and the second measurement chamber R2 are separated by the
1:ガス計測装置
10:ガスセンサ
11:主体金具
11A:貫通孔
12:外部プロテクタ
13:内部プロテクタ
14:外筒
15:セラミックホルダ
16A、16B:滑石リング
17:セラミックスリーブ
18:保持部材
18A:挿入孔
19:端子部材
20:リード線
21:弾性シール部材
100:センサ素子
100G:空隙
100h:大気導入口
110:ポンプセル
111:第1固体電解質体
112:第1電極
113:第2電極
120:Vsセル(アンモニア酸化セル)
121:第2固体電解質体
122:第3電極
123:第4電極
130:検知セル
131:第3固体電解質体
132:第5電極
133:第6電極
141A:第1緻密層
141B:第2緻密層
141C:第3緻密層
142:第1絶縁層
143:第2絶縁層
144:第3絶縁層
145:第4絶縁層
146:第5絶縁層
151:第1拡散抵抗体
152:第2拡散抵抗体
161:多孔質体
162:多孔質体
170:ヒータ
171:第3絶縁層
172:第4絶縁層
173:抵抗発熱体
300:センサ制御装置(制御部)
310:電気回路部
311:基準電圧比較回路(電流制御部)
312:Ip1ドライブ回路
313:Vs1検知回路
314:Icp供給回路
315:Ip2検知回路
316:Vp2印加回路
317:ヒータ駆動回路
318:抵抗検知回路
321:Ip3検知回路
322:Vs2印加・検知回路(電流制御部)
323:Vp3印加回路(電圧印加部)
330:マイクロコンピュータ
331:CPU(電圧印加部、濃度算出部)
332:RAM
333:ROM
334:信号入出力部
335:A/Dコンバータ
AX:軸線
H1、H2、H3,H4:貫通孔
R1:第1測定室(被測定ガス空間)
R2:第2測定室(被測定ガス空間)
R3:基準酸素室
1: Gas measuring device 10: Gas sensor 11:
121: Second solid electrolyte body 122: Third electrode 123: Fourth electrode 130: Detection cell 131: Third solid electrolyte body 132: Fifth electrode 133:
310: Electric circuit section 311: Reference voltage comparison circuit (current control section)
312: Ip1 drive circuit 313: Vs1 detection circuit 314: Icp supply circuit 315: Ip2 detection circuit 316: Vp2 application circuit 317: Heater drive circuit 318: Resistance detection circuit 321: Ip3 detection circuit 322: Vs2 application/detection circuit (current control part)
323: Vp3 application circuit (voltage application unit)
330: Microcomputer 331: CPU (voltage application section, density calculation section)
332: RAM
333: ROM
334: Signal input/output unit 335: A/D converter AX: Axis lines H1, H2, H3, H4: Through hole R1: First measurement chamber (gas space to be measured)
R2: Second measurement chamber (measured gas space)
R3: Reference oxygen chamber
Claims (2)
前記センサ素子が、
前記計測対象ガスが導入される被測定ガス空間と、
第1固体電解質体と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第1電極と、前記第1固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の外部に配される第2電極と、を備え、前記被測定ガス空間の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンプセルと、
第2固体電解質体と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第3電極と、前記第2固体電解質体の表面に設けられて前記第3電極と対となる第4電極とを備え、前記ポンプセルよりも下流に位置するアンモニア酸化セルと、
第3固体電解質体と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記被測定ガス空間の内部に配される第5電極と、前記第3固体電解質体の表面に設けられて前記第5電極と対となる第6電極とを備え、前記ポンプセルによって酸素濃度が調整され、前記第3電極上を通過した後の前記計測対象ガス中の窒素酸化物の濃度に対応した電流値を出力する検知セルと、を備え、
前記制御部が、
前記アンモニア酸化セルに、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせる酸化電圧と、前記酸化電圧よりも小さく、前記第3電極上で前記アンモニアの酸化反応を生じさせない非酸化電圧とを印加する電圧印加部と、
前記アンモニア酸化セルに前記酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第1電流値と、前記アンモニア酸化セルに前記非酸化電圧が印加されている状態で前記検知セルから出力される第2電流値と、に基づいて前記アンモニアの濃度を算出する濃度算出部と、を備える、ガス計測装置。 A gas measuring device for measuring the concentration of ammonia in a measurement target gas containing ammonia, comprising a sensor element and a control unit for controlling the sensor element,
The sensor element is
a gas space to be measured into which the gas to be measured is introduced;
a first solid electrolyte body; a first electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and disposed inside the gas space to be measured; and a first electrode provided on the surface of the first solid electrolyte body and the measurement subject a pump cell for pumping oxygen between the inside and outside of the gas space to be measured, and a second electrode arranged outside the gas space;
a second solid electrolyte body; a third electrode provided on the surface of the second solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; an ammonia oxidation cell located downstream of the pump cell, comprising a fourth electrode paired with an electrode;
a third solid electrolyte body; a fifth electrode provided on the surface of the third solid electrolyte body and arranged inside the gas space to be measured; An electrode and a sixth electrode paired with each other are provided, and the oxygen concentration is adjusted by the pump cell, and a current value corresponding to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after passing over the third electrode is output. a sensing cell;
The control unit
The ammonia oxidation cell is provided with an oxidation voltage that causes an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode and a non-oxidation voltage that is lower than the oxidation voltage and does not cause an oxidation reaction of the ammonia on the third electrode. a voltage applying unit that applies
A first current value output from the detection cell while the oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell and a first current value output from the detection cell while the non-oxidation voltage is applied to the ammonia oxidation cell and a concentration calculator that calculates the concentration of the ammonia based on the second current value.
前記制御部が、前記被測定ガス空間内の前記計測対象ガスと前記基準ガスとの酸素濃度の差に対応して前記第1電極と前記第2電極との間に生じる起電力が一定となるように前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流を制御する電流制御部を備える、請求項1に記載のガス計測装置。 wherein the second electrode is a reference electrode exposed to a reference gas serving as a reference for oxygen concentration;
The control unit makes the electromotive force generated between the first electrode and the second electrode constant corresponding to the difference in oxygen concentration between the measurement object gas and the reference gas in the gas space to be measured. 2. The gas measuring device according to claim 1, further comprising a current control section for controlling current flowing between said first electrode and said second electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021153031A JP7551587B2 (en) | 2021-09-21 | 2021-09-21 | Gas Measuring Devices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021153031A JP7551587B2 (en) | 2021-09-21 | 2021-09-21 | Gas Measuring Devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023044914A true JP2023044914A (en) | 2023-04-03 |
JP7551587B2 JP7551587B2 (en) | 2024-09-17 |
Family
ID=85776806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021153031A Active JP7551587B2 (en) | 2021-09-21 | 2021-09-21 | Gas Measuring Devices |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7551587B2 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023053388A (en) * | 2018-03-08 | 2023-04-12 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023053387A (en) * | 2022-02-04 | 2023-04-12 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054223A (en) * | 2019-03-28 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054226A (en) * | 2017-12-29 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054227A (en) * | 2018-02-15 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054224A (en) * | 2019-04-11 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054225A (en) * | 2019-04-11 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054222A (en) * | 2019-03-28 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023060269A (en) * | 2022-04-01 | 2023-04-27 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023060270A (en) * | 2022-04-01 | 2023-04-27 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023063369A (en) * | 2022-01-07 | 2023-05-09 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023071934A (en) * | 2019-02-15 | 2023-05-23 | 株式会社三洋物産 | game machine |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008191043A (en) | 2007-02-06 | 2008-08-21 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Gas sensor |
JP6311686B2 (en) | 2015-10-08 | 2018-04-18 | トヨタ自動車株式会社 | Multi gas detector |
US10634641B2 (en) | 2017-03-02 | 2020-04-28 | Delphi Technologies Ip Limited | Combination NOx and Oxygen sensor with common gas chamber |
CN112683979A (en) | 2020-11-19 | 2021-04-20 | 苏州禾苏传感器科技有限公司 | Electrochemical ammonia gas sensor chip and use method thereof |
-
2021
- 2021-09-21 JP JP2021153031A patent/JP7551587B2/en active Active
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2023054226A (en) * | 2017-12-29 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054227A (en) * | 2018-02-15 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023053388A (en) * | 2018-03-08 | 2023-04-12 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023071934A (en) * | 2019-02-15 | 2023-05-23 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054223A (en) * | 2019-03-28 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054222A (en) * | 2019-03-28 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054224A (en) * | 2019-04-11 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023054225A (en) * | 2019-04-11 | 2023-04-13 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023063369A (en) * | 2022-01-07 | 2023-05-09 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023053387A (en) * | 2022-02-04 | 2023-04-12 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023060269A (en) * | 2022-04-01 | 2023-04-27 | 株式会社三洋物産 | game machine |
JP2023060270A (en) * | 2022-04-01 | 2023-04-27 | 株式会社三洋物産 | game machine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7551587B2 (en) | 2024-09-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2023044914A (en) | Gas measurement device | |
JP6390560B2 (en) | Gas concentration detector | |
JP5204160B2 (en) | Multigas sensor control method and multigas sensor control apparatus | |
EP2463648B1 (en) | Multigas sensor | |
JP5209401B2 (en) | Multi-gas sensor and gas sensor control device | |
JP5215500B2 (en) | Multi-gas sensor and gas sensor control device | |
CN110161104B (en) | Specific gas concentration measuring device and specific gas concentration measuring system | |
JPWO2019131776A1 (en) | Gas sensor | |
JP5058224B2 (en) | NOx sensor | |
JP7152210B2 (en) | Method for deriving correspondence for measurement, method for manufacturing specific gas concentration measuring device, and specific gas concentration measuring device | |
JP2018077067A (en) | Sensor control device, internal combustion engine control device and internal combustion engine control system | |
WO2016052707A1 (en) | Gas concentration detection device | |
JP7075818B2 (en) | Multi gas sensor | |
JP2016223445A (en) | Ammonia occlusion amount estimation device, clarification control device, ammonia occlusion amount estimating method and clarification control method | |
JP2019174154A (en) | Ammonia concentration detection device | |
JP2019174146A (en) | Ammonia sensor element and gas sensor | |
CN112505127B (en) | Gas sensor control device, gas sensor device, and internal combustion engine control device | |
US10532316B2 (en) | Concentration computation apparatus | |
JP2022089378A (en) | Gas concentration detection device | |
JP6943575B2 (en) | Gas sensor | |
WO2024057699A1 (en) | Gas sensor and method for controlling gas sensor | |
JP6581013B2 (en) | Gas detector | |
JP2019174147A (en) | Ammonia sensor element and gas sensor | |
JP6753786B2 (en) | Concentration calculator and gas detector | |
US11391194B2 (en) | Gas sensor control apparatus, gas sensor apparatus, and internal combustion engine control apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240402 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240816 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240827 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240904 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7551587 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |