JP4077229B2 - ＮＯｘ測定装置及びガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘ濃度測定装置及びガス濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排ガス規制の強化に伴い、エンジン等の排ガス中のＮＯｘを直接測定し、内燃機関の制御や触媒のコントロールを行う研究が行われている。特に、ＺｒＯ₂等の酸素イオン伝導体を用い、この酸素イオン伝導体を介した酸素ポンプセルを用いて酸素を汲み出すことによりＮＯｘを分解し、この分解を電流として検知する形式のＮＯｘガスセンサは、ＨＣ、ＣＯ等の妨害ガスの影響を受けずにＮＯｘガス濃度が測定できる、と考えられることから、近年広く研究が行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘは、酸素等に比べてきわめて少量であって、その濃度はｐｐｍオーダである。そして、内燃機関の燃焼雰囲気の変化、例えば、リーン雰囲気からリッチ雰囲気（又はその逆）に変化する際、排気ガス中の酸素濃度は短い時間で大きく変動する。
【０００４】
本発明者らは、ＮＯｘセンサ素子が出力するＮＯｘガス濃度検出信号をそのまま内燃機関のコントロールユニット（以下これを「ＥＣＵ」という）に出力すると、前記酸素濃度の変動に伴って、ＮＯｘ濃度検出信号が大きく変動するため、ＥＣＵがこのＮＯｘ濃度検出信号に基づいて内燃機関の燃焼制御をする上で不都合があることを知見した。
【０００５】
本発明の目的は、ガス濃度検出信号の変動が低減されたガス濃度測定装置、特に、内燃機関の制御に好適なＮＯｘ濃度検出信号を出力するＮＯｘ測定装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の視点において、第１拡散抵抗を介して被検ガスが導入される第１測定室と、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被検ガス中の酸素濃度に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、前記酸素分圧検知セルの外側の電極上の酸素濃度を制御する酸素分圧検知セル制御手段と、前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素濃度を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、前記第２酸素ポンプセルに電気的に接続され、該第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた前記第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段としてのオペアンプと、前記第２酸素ポンプセルと前記第２酸素ポンプセル制御手段との間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流の検出手段としての検出抵抗と、前記検出抵抗の一端と前記オペアンプの反転入力端子との接続点と、前記第２酸素ポンプセルとの間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段と、を有するＮＯｘ測定装置を提供する。
【０００７】
本発明のＮＯｘ測定装置においては、オーバーシュート低減手段によって、検知ガス雰囲気、特に、酸素濃度が短時間に大きく変動した場合であっても、ＮＯｘ濃度検出信号である第２酸素ポンプ電流の過度の変動が抑制され、平均化されたＮＯｘ濃度検出信号が出力される。ＥＣＵは、この平均化されたＮＯｘ濃度検出信号に基づいて、外乱に影響されることなく、例えば、ＮＯｘ濃度を減少させるような、的確な内燃機関の燃焼制御を行うことができる。加えて、本発明のオーバーシュート低減手段は、電磁波ノイズを吸収することができるため、ＮＯｘセンサのノイズに対する耐性も向上させる。
【０００８】
本発明は、第２の視点において、第１酸素ポンプセルによって測定対象ガスを含む被検ガスから酸素濃度が制御されたガスを生成し、第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することによって前記酸素濃度が制御されたガス中に含まれる測定対象ガスを分解、解離ないし反応させることにより、該第２酸素ポンプセルに被検ガス中の該測定対象ガス濃度に応じた大きさの電流が流れるセンサ素子と、前記第２酸素ポンプセルに電気的に接続され、該第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、測定対象ガス濃度に応じた第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段としてのオペアンプと、前記第２酸素ポンプセルと前記第２酸素ポンプセル制御手段との間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流の検出手段としての検出抵抗と、前記検出抵抗の一端と前記オペアンプの反転入力端子との接続点と、前記第２酸素ポンプセルとの間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段とを有するガス濃度測定装置を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記オーバーシュート低減手段が、抵抗とコンデンサの組合わせからなるローパスフィルタである。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態に係るＮＯｘ測定装置においては、前記第２酸素ポンプセルと前記第２酸素ポンプセル制御手段との間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流の検出端子の、前記第２酸素ポンプセル側に、第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段が電気的に接続されている。
【００１１】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００１２】
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置の基本的構成及び測定原理を説明するための図である。なお、このＮＯｘ測定装置によるＮＯｘ測定原理については、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）に示すとおりであるから、これらの図を参照することとする。
【００１３】
図１（Ａ）を参照すると、ＮＯｘセンサ素子は、主として、第１酸素ポンプセル１、第２酸素ポンプセル２及び酸素分圧検知セル３、さらにＮＯｘセンサ素子を所定の作動温度に加熱するヒータ４から構成されている。第１酸素ポンプセル１と酸素分圧検知セル３の間には、第１測定室５が形成されている。第１測定室５には、第１拡散孔７を介して、被検ガスが導入される。第１測定室５は、第２拡散孔８を通じて、第２測定室６と連通している。
【００１４】
第１酸素イオンポンプセル１は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成され、第１測定室５の外側と内側にそれぞれ設けられた一対の電極９，１０から構成されている。電極１０は第１測定室５に面して配置され、電極９は外部に面して配置されている。電極１０上で第１測定室５内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが、一対の電極９，１０を介し固体電解質を通って電極９上から外部へ導出され、このとき該固体電解質を通じて流れる電流が第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１である。
【００１５】
第２酸素イオンポンプセル２は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成され、第２測定室６の内側と外側にそれぞれ設けられた一対の電極１３，１４から構成されている。電極１３は第２測定室６に面して配置され、電極１４は第２測定室６外に配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極１３上で第２測定室６内のＮＯｘ等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極１４上から外部へ導出され、このとき固体電解質を通じて流れる電流が第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２である。
【００１６】
酸素分圧検知セル３は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１１，１２から構成されている。電極１１は第１測定室５に面して配置され、電極１２は酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。したがって、電極１１と電極１２の間に発生する電位差に基づいて、第１測定室５内の酸素濃度、結局、被検ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００１７】
図１（Ａ）を参照すると、ＮＯｘセンサ素子には、酸素分圧検知セル３に現れる第１測定室５内の酸素濃度を検出すると共に、第１測定室５外に設けられた電極１２上の酸素濃度を制御する酸素分圧セル制御手段２１と、酸素分圧検知セル３の検出出力に基づいて所定の電圧を第１酸素ポンプセル１に印加して第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室５内の酸素濃度を可及的に一定に制御する第１酸素ポンプセル制御手段２０と、第２酸素ポンプセル２に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が流れるように第２酸素ポンプセル２を制御する第２酸素ポンプセル制御手段（第２酸素ポンプセル駆動手段、Ｉｐ２ドライバ）２２と、がそれぞれ接続されている。第２酸素ポンプセル２と第２酸素ポンプセル制御手段２２との間には、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２の検出手段である検出抵抗４２が、電気的に接続されている。検出抵抗４２に流れる第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２を検出することにより、被検ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。なお、検出抵抗２０ａに流れる第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１より、被検ガス中の酸素濃度も検出することができる。
【００１８】
図２は、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示したＮＯｘ測定装置に適用される第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート低減手段４０を説明するための図である。
【００１９】
図２を参照すると、第２酸素ポンプセル２（図１（Ａ）参照）と第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２の検出手段である検出抵抗４２との間には、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート低減手段４０が電気的に接続されている。オーバーシュート低減手段４０は、抵抗４０ａとコンデンサ４０ｂとからなるＣＲフィルタ（ローパスフィルタ）から構成されている。すなわち、ＮＯｘコントローラのＩｐ２端子へ、ＣＲフィルタが取付けられている。このオーバーシュート低減手段４０によって、検知ガス雰囲気、特に酸素濃度が短時間に大きく変動した場合であっても、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２の過度の変動が抑制され、平均化された第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が検出抵抗４２に流れる。加えて、オーバーシュート低減手段４０は、Ｉｐ２制御線に重畳される電磁波ノイズを吸収することができるため、ＮＯｘセンサのノイズに対する耐性も向上させる機能も有する。
【００２０】
図３は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置を内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）に適用した結果を説明するための図である。
【００２１】
図３を参照すると、ＥＣＵがフューエルカットを行った際、すなわち、大気雰囲気が形成された際、第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１は大気相当の電流レベルとなる。本発明のオーバーシュート低減手段４０（図２参照）がＮＯｘコントローラのＩｐ２端子に接続されていない場合には、実際のＮＯ濃度にはほとんど変動がないにもかかわらず、図３中実線で示すように、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２は大きく変動する。一方、本発明のオーバーシュート低減手段４０（図２参照）がＮＯｘコントローラのＩｐ２端子に接続されている場合には、図３中点線で示すように、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２の変動は小さく速やかに収束する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス濃度検出信号の変動が低減されたガス濃度測定装置、特に、内燃機関の制御に好適なＮＯｘ濃度検出信号を出力するＸＮＯｘ測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置の構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【図２】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示したＮＯｘ測定装置に適用される第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置を内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）に適用した結果を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 第１酸素ポンプセル
２ 第２酸素ポンプセル
３ 酸素分圧検知セル
４ ヒータ
５ 第１測定室
６ 第２測定室
７ 第１拡散孔（第１拡散抵抗）
８ 第２拡散孔（第２拡散抵抗）
９ 電極
１０ 電極
１１ 電極
１２ 電極
１３ 電極
１４ 電極
２０ 第１酸素ポンプセル制御手段
２０ａ 検出抵抗
２１ 酸素分圧検知セル制御手段
２２ 第２酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ２ドライバ）
４０ オーバーシュート低減手段
４０ａ 抵抗（Ｉｐ１検出手段）
４０ｂ コンデンサ
４２ 検出抵抗（Ｉｐ２検出手段）

Claims (3)

1. 第１拡散抵抗を介して被検ガスが導入される第１測定室と、
   前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、
   前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被検ガス中の酸素濃度に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、
   前記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、
   前記第２測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、
   前記酸素分圧検知セルの外側の電極上の酸素濃度を制御する酸素分圧検知セル制御手段と、
   前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素濃度を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、
   前記第２酸素ポンプセルに電気的に接続され、該第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた前記第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段としてのオペアンプと、
   前記第２酸素ポンプセルと前記第２酸素ポンプセル制御手段との間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流の検出手段としての検出抵抗と、
   前記検出抵抗の一端と前記オペアンプの反転入力端子との接続点と、前記第２酸素ポンプセルとの間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段と
   を有することを特徴とするＮＯｘ測定装置。
2. 前記オーバーシュート低減手段が、抵抗とコンデンサの組合わせからなるローパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ測定装置。
3. 第１酸素ポンプセルによって測定対象ガスを含む被検ガスから酸素濃度が制御されたガスを生成し、第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することによって前記酸素濃度が制御されたガス中に含まれる測定対象ガスを分解、解離ないし反応させることにより、該第２酸素ポンプセルに被検ガス中の該測定対象ガス濃度に応じた大きさの電流が流れるセンサ素子と、
   前記第２酸素ポンプセルに電気的に接続され、該第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、測定対象ガス濃度に応じた第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段としてのオペアンプと、
   前記第２酸素ポンプセルと前記第２酸素ポンプセル制御手段との間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流の検出手段としての検出抵抗と、
   前記検出抵抗の一端と前記オペアンプの反転入力端子との接続点と、前記第２酸素ポンプセルとの間に電気的に接続された前記第２酸素ポンプ電流のオーバーシュート低減手段と
   を有することを特徴とするガス濃度測定装置。

Images