JP4311145B2 - Concentration detector - Google Patents
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Description
本発明は濃度検出装置に関する。 The present invention relates to concentration detector.
特許文献1に、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物(NOx)の濃度を検出するNOxセンサが開示されている。特許文献1記載のNOxセンサは、一対の電極(特許文献1では、それぞれ、参照符号8a、8bが付されている)を具備する。そして、これら電極間に電圧が印加されると、一方の電極周辺のNOxが窒素(N2)と酸素(O2)とに分解されると共に、当該一方の電極周辺のO2濃度に比例した電流が電極間に流れる。特許文献1では、このときに電極間に流れる電流の値からNOx濃度を算出(検出)するようにしている。
ところで、特許文献1記載のNOxセンサでは、排気ガス中のNOx濃度が零であるときに上記電極間を流れる電流の値を基準電流値として予め求めておき、排気ガス中のNOx濃度の検出中に電極間を流れる電流の値から基準電流値を差し引いた値に基づいて、排気ガス中のNOx濃度を検出するようにしている。ところが、NOxセンサの電極やその他の構成要素の特性は経時的に変化することがあり、この場合、予め求めておいた上記基準電流値がNOx濃度が零であるときに電極間を流れる電流値に一致しなくなることがある。
By the way, in the NOx sensor described in
そこで、特許文献1では、排気ガス中のNOx濃度が零となっている間(例えば、内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射されず、したがって、燃焼室内にて燃焼が行われない間)に、電極間に流れる電流の値を新たな基準電流値とするようにしている。
Therefore, in
ところが、排気ガス中のNOx濃度が零となっているものとして電極間に流れる電流の値を検出したとしても、排気ガス中のNOx濃度が零になっていないことも少なくないので、新たに基準電流値として採用された電流値もNOx濃度が零であるときに電極間を流れる電流値に一致しない。この場合、NOxセンサのNOx濃度検出精度は高くはない。 However, even if the value of the current flowing between the electrodes is detected on the assumption that the NOx concentration in the exhaust gas is zero, the NOx concentration in the exhaust gas is often not zero. The current value adopted as the current value does not match the current value flowing between the electrodes when the NOx concentration is zero. In this case, the NOx concentration detection accuracy of the NOx sensor is not high.
このことは、一般的に、特許文献1記載のNOxセンサと同様な手法を用いて、ガス中の酸素化合物の濃度を検出する装置に対しても当てはまる。そこで、本発明の目的は、濃度検出装置の濃度検出精度を高く維持することにある。
In general, this applies also to an apparatus that detects the concentration of an oxygen compound in a gas using a method similar to the NOx sensor described in
上記課題を解決するために、1番目の発明では、ガス中の窒素酸化物又は硫黄酸化物又はアンモニアからなる検出対象の濃度を検出する装置において、酸素イオン伝導性を備えた第1固体電解質層及び第2固体電解質層と、上記第1固体電解質層と第2固体電解質層とで形成されガスが導入されるガス室と、上記第2固体電解質層によって上記ガス室から隔離され大気に連通している大気室と、一方を上記第1固体電解質層の上記ガス室側に他方をその裏側に配置した一対のポンプ電極と、上記第1固体電解質層を介して上記ガス室内の酸素を外部に汲み出す酸素ポンピング手段であって、上記ガス室内のガス中の酸素濃度がほぼ零となるように上記ポンプ電極間の電圧を制御する酸素ポンピング手段と、一方を上記第2固体電解質層の上記ガス室側に他方を大気室側に配置した一対のセンサ電極と、一方のセンサ電極周辺の前記検出対象を分解して酸素を生成し始める値以上の電圧を上記センサ電極間に印加したときに上記一方のセンサ電極周辺の酸素の量に応じて上記センサ電極間に流れる電流値を検出する第1電流検出手段と、上記一方のセンサ電極周辺の前記検出対象を分解して酸素を生成し始める値以下の電圧を上記センサ電極間に印加したときに上記一方のセンサ電極周辺の酸素の量に応じて上記センサ電極間に流れる電流値を検出する第2電流検出手段とを具備し、上記酸素ポンピング手段による酸素のポンピング中に上記第1電流検出手段により検出された電流値から、上記酸素ポンピング手段による酸素のポンピング中に上記第2電流検出手段により検出された電流値を差し引いた値に基づいてガス中の前記検出対象の濃度を検出する。
また、2番目の発明では、ガス中の窒素酸化物又は硫黄酸化物又はアンモニアからなる検出対象の濃度を検出する装置において、酸素イオン伝導性を備えた第1固体電解質層及び第2固体電解質層と、上記第1固体電解質層と第2固体電解質層とで形成されガスが導入されるガス室と、上記第2固体電解質層によって上記ガス室から隔離され大気に連通している大気室と、一方を上記第1固体電解質層の上記ガス室側に他方をその裏側に配置した一対のポンプ電極と、上記第1固体電解質層を介して上記ガス室内の酸素を外部に汲み出す酸素ポンピング手段であって、上記ガス室内のガス中の酸素濃度がほぼ零となるように上記ポンプ電極間の電圧を制御する酸素ポンピング手段と、一方を上記第2固体電解質層の上記ガス室側に他方を大気室側に配置した一対のセンサ電極と、一方のセンサ電極周辺の前記検出対象を分解して酸素を生成し始める値以上の電圧を上記センサ電極間に印加したときに上記一方のセンサ電極周辺の酸素の量に応じて上記センサ電極間に流れる電流値を検出する第1電流検出手段と、上記一方のセンサ電極周辺の前記検出対象を分解して酸素を生成し始める値以下の電圧を上記センサ電極間に印加したときに上記一方のセンサ電極周辺の酸素の量に応じて上記センサ電極間に流れる電流値を検出する第2電流検出手段と、該第2電流検出手段による電流値の検出をすべきか否かを判断し、該電流値の検出をすべきときであると判断されたとき、該電流値の検出を行うと共に検出された該電流値を記憶する第2電流記憶手段とを具備し、上記第1電流検出手段により検出された電流値から上記第2電流記憶手段により記憶された電流値を差し引いた値に基づいてガス中の前記検出対象の濃度を検出する。
In order to solve the above-mentioned problem, in the first invention, in the apparatus for detecting the concentration of the detection target made of nitrogen oxide, sulfur oxide or ammonia in the gas, the first solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity And a second solid electrolyte layer, a gas chamber formed by the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer, into which gas is introduced, and separated from the gas chamber by the second solid electrolyte layer and communicated with the atmosphere. An air chamber, a pair of pump electrodes, one on the gas chamber side of the first solid electrolyte layer and the other on the back side, and oxygen in the gas chamber to the outside via the first solid electrolyte layer Oxygen pumping means for pumping out oxygen pumping means for controlling the voltage between the pump electrodes so that the oxygen concentration in the gas in the gas chamber becomes substantially zero, and one of the oxygen pumping means in the second solid electrolyte layer A pair of sensor electrodes and the other disposed on the air chamber side to the scan chamber side, when one of the detection target decompose voltage above start generating values of oxygen around the sensor electrode is applied between the sensor electrodes First current detecting means for detecting a current value flowing between the sensor electrodes in accordance with the amount of oxygen around the one sensor electrode, and decomposing the detection target around the one sensor electrode to start generating oxygen A second current detecting means for detecting a current value flowing between the sensor electrodes in accordance with the amount of oxygen around the one sensor electrode when a voltage equal to or lower than the value is applied between the sensor electrodes; Detected by the second current detection means during the oxygen pumping by the oxygen pumping means from the current value detected by the first current detection means during the oxygen pumping by the pumping means. Detecting the concentration of the detection target in the gas based on a value obtained by subtracting the current values.
In the second invention, in the apparatus for detecting the concentration of the detection target comprising nitrogen oxide, sulfur oxide or ammonia in the gas, the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity A gas chamber formed by the first solid electrolyte layer and the second solid electrolyte layer and into which gas is introduced; an air chamber isolated from the gas chamber by the second solid electrolyte layer and communicating with the atmosphere; A pair of pump electrodes, one on the gas chamber side of the first solid electrolyte layer and the other on the back side thereof, and oxygen pumping means for pumping oxygen in the gas chamber to the outside through the first solid electrolyte layer And oxygen pumping means for controlling the voltage between the pump electrodes so that the oxygen concentration in the gas in the gas chamber becomes substantially zero, one side being the gas chamber side of the second solid electrolyte layer and the other being the atmosphere. A pair of sensor electrodes disposed on the side, the oxygen near one of the sensor electrodes above when applied between one of the sensor electrodes around the detection target decomposed above value oxygen begins to produce the voltage to the sensor electrode A first current detecting means for detecting a current value flowing between the sensor electrodes in accordance with the amount of the sensor electrode, and a voltage equal to or lower than a value at which the detection object around the one sensor electrode is decomposed to start generating oxygen A second current detecting means for detecting a current value flowing between the sensor electrodes in accordance with the amount of oxygen around the one sensor electrode when applied in between, and detection of the current value by the second current detecting means. Second current storage means for detecting the current value and storing the detected current value when it is determined that the current value should be detected. The first current detection Detecting the concentration of the detection target in the gas based on a value obtained by subtracting the current value stored by the second current memory means from the detected current value by the step.
1番目又は2番目の発明によれば、第2電流検出手段により検出される電流には、窒素酸化物又は硫黄酸化物又はアンモニアからなる検出対象から分解され生成された酸素に起因して発生した電流は含まれていない。すなわち、第2電流検出手段により検出される電流値は、ガス中に元々存在した酸素の濃度のみを表していることになる。言い換えれば、第2電流検出手段により検出される電流値は、ガス中の検出対象の濃度が零であるときの値に一致する。そして、1番目又は2番目の発明によれば、この第2電流検出手段により検出された電流値又は予め記憶されている第2電流検出手段により検出された電流値を第1電流検出手段により検出された電流値(これには、ガス中に元々存在した酸素に起因して発生した電流と、ガス中の検出対象から分解生成された酸素に起因して発生した電流とが含まれている)から差し引いた値に基づいてガス中の検出対象の濃度が検出される。したがって、本発明によれば、濃度検出精度が高く維持される。
また、本発明によれば、電極間に印加する電圧を、検出対象を分解して酸素を生成し始める値以下とすることにより、簡単に(したがって、数多く)、ガス中の検出対象の濃度が零であるときの電流値を検出することができる。したがって、本発明によれば、濃度検出精度が高く維持される。
According to the first or second invention, the current detected by the second current detecting means is generated due to oxygen generated by being decomposed from a detection target made of nitrogen oxide, sulfur oxide, or ammonia . Current is not included. That is, the current value detected by the second current detection means represents only the concentration of oxygen originally present in the gas. In other words, the current value detected by the second current detection means matches the value when the concentration of the detection target in the gas is zero. According to the first or second invention, the current value detected by the second current detection means or the current value detected by the second current detection means stored in advance is detected by the first current detection means. Current value (this includes the current generated due to the oxygen originally present in the gas and the current generated due to the oxygen generated by decomposition from the detection target in the gas) The concentration of the detection target in the gas is detected based on the value subtracted from. Therefore, according to the present invention, the concentration detection accuracy is maintained high.
In addition, according to the present invention, the concentration of the detection target in the gas can be easily (and therefore many) reduced by setting the voltage applied between the electrodes to be equal to or less than a value at which the detection target is decomposed to start generating oxygen. The current value when it is zero can be detected. Therefore, according to the present invention, the concentration detection accuracy is maintained high.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、ガス(例えば、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス)中のNOxの濃度を検出するNOxセンサのセンサ部の断面図である。例えば、内燃機関の燃料室から排出される排気ガス中のNOx濃度を検出する場合には、NOxセンサは燃料室に接続された排気管に取り付けられる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a sensor portion of a NOx sensor that detects the concentration of NOx in gas (for example, exhaust gas discharged from a combustion chamber of an internal combustion engine). For example, when detecting the NOx concentration in the exhaust gas discharged from the fuel chamber of the internal combustion engine, the NOx sensor is attached to an exhaust pipe connected to the fuel chamber.
NOxセンサのセンサ部は、互いに積層された5つの酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなり、これら5つの固体電解質層を、以下、上から順に、第1層L1、第2層L2、第3層L3、第4層L4、第5層L5と称する。 The sensor part of the NOx sensor is composed of five oxygen ion conductive solid electrolyte layers such as zirconia oxide laminated on each other. These five solid electrolyte layers are hereinafter referred to as a first layer L 1 and a second layer in order from the top. These are referred to as L 2 , third layer L 3 , fourth layer L 4 , and fifth layer L 5 .
第1層L1と第3層L3との間の第2層L2内には、ガスが導入される室(以下「ガス室」という)1が形成されている。また、第3層L3と第5層L5との間の第4層L4内には、大気に連通している室(以下「大気室」という)2が形成されている。 In the second layer L 2 between the first layer L 1 and the third layer L 3 , a chamber (hereinafter referred to as “gas chamber”) 1 into which a gas is introduced is formed. Further, in the fourth layer L 4 between the third layer L 3 and the fifth layer L 5 , a chamber 2 (hereinafter referred to as “atmosphere chamber”) 2 communicating with the atmosphere is formed.
また、第1層L1には、ガス室1内にガスを導入するための開口3が設けられている。また、第1層L1の外壁面上には、上記開口3を覆うように、例えば、多孔質材料からなる(または、細孔が形成されている)拡散律速部材4が配置されている。したがって、ガスは、拡散律速部材4を介して開口3からガス室1内に流入し、斯くして、ガス室1内はガスで満たされる。
The first layer L 1 is provided with an
また、第1層L1の外壁面(ガス室1に面している側の第1層L1の壁面とは反対側の壁面)上には、電極5が配置されている。一方、第1層L1の内壁面(ガス室1に面している側の第1層L1の壁面)上にも、電極6が配置されている。これら電極5,6は、後述するように、ガス室1内のガスから酸素を外部に汲み出す(ポンピングする)働きをする。そして、第1層L1の外壁面に配置された電極5は、電圧源(以下「ポンプ電圧源」という)7の陽極に接続されており、以下、陽極側ポンプ電極と称する。一方、第1層L1の内壁面に配置された電極6は、ポンプ電圧源7の陰極に接続されており、以下、陰極側ポンプ電極と称する。なお、陰極側ポンプ電極6は、NOxに対しては還元性の低い材料(例えば、金(Au)と白金(Pt)との合金)から形成されている。
Further, the electrode 5 is disposed on the outer wall surface of the first layer L 1 (the wall surface opposite to the wall surface of the first layer L 1 facing the gas chamber 1). On the other hand, on the inner wall surface of the first layer L 1 (first layer L 1 of the wall surface of the side facing the gas chamber 1), the
ガス室1に面している側の第3層L3の壁面上には、電極8が配置されている。一方、大気室2に面している側の第3層L3の壁面上にも、電極9が配置されている。これら電極8,9は、後述するように、ガス室1内のガス中のNOx濃度を検出する(センシングする)働きをする。そして、ガス室1に面している側の第3層L3の壁面上に配置された電極8は、電圧源(以下「センサ電圧源」という)10の陰極に接続されており、以下、陰極側センサ電極と称する。一方、大気室2に面している側の第3層L3の壁面上に配置された電極9は、センサ電圧源10の陽極に接続されており、以下、陽極側センサ電極と称する。なお、陰極側センサ電極8は、NOxに対して強い還元性を有する材料(例えば、ロジウム(Rh)や白金(Pt))から形成されている。
On the wall surface of the third layer L3 facing the
ポンプ電極5,6間にポンプ電圧源7により電圧が印加されると、ガス室1内のガス中の酸素が陰極側ポンプ電極6と接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、第1層L1内を陽極側ポンプ電極5に向かって流れる。これにより、ガス室1内のガス中の酸素は、第1層L1内を移動して外部に汲み出される。このとき、外部に汲み出される酸素の量は、ポンプ電圧源7の電圧が高くなるほど多くなる。したがって、ポンプ電圧源7の電圧を適切に制御すれば、酸素をほとんど含んでいないガスを陰極側センサ電極8に供給することができる。本実施形態では、ガス中の酸素濃度がほぼ零となるようにポンプ電圧源7の電圧が制御される。
When a voltage is applied between the
なお、上述したように、陰極側ポンプ電極6は、NOxに対しては還元性の低い材料から形成されているが、ポンプ電極5,6間にポンプ電圧源7により電圧が印加されると、ガス室1内のガス中のNO2をNOに還元する働きはある。したがって、陰極側センサ電極8周辺に到来するガス中のNOxのほとんどは、NOの形となっている。
As described above, the cathode-
また、センサ電極8,9間にセンサ電圧源10により電圧が印加されると、ガス室1内のガス中のNOが陰極側センサ電極8に接触してN2とO2とに分解生成され、ここで分解生成されたO2はさらに酸素イオンとされる。この酸素イオンは、第3層L3内を陽極側センサ電極9に向かって移動する。このとき、これらセンサ電極8,9間には、第3層L3内を陽極側センサ電極9に向かって移動する酸素イオンの量に比例した符号11で示した電流(以下「センサ電流」という)Isが流れる。
When a voltage is applied between the
上述したように、陰極側ポンプ電極6では、ほとんどの酸素がガスから排出され、NOxはほとんど還元されない(あるいは、還元されたとしてもNOにまでしか還元されない)ので、陰極側センサ電極8周りには、酸素をほとんど含んでおらずNOxのみを含むガスが到来することになる。したがって、センサ電流Isは、ガス中に含まれているNOx濃度に比例することになり、このセンサ電流Isを利用すれば、ガス中のNOx濃度を知ることができる。
As described above, in the cathode
なお、第5層L5と第6層L6との間には、NOxセンサのセンサ部を加熱するための電気ヒータ12が配置されている。この電気ヒータ12によってNOxセンサのセンサ部は、700℃から800℃に加熱される。
Incidentally, the fifth layer L 5 represents between sixth layer L 6, the
ところで、上述したように、本実施形態では、ガス室1に流入したガスから、ポンプ電極5,6によって、全ての酸素を排出するようにしている。ところが、実際には、ポンプ電極5,6が経時的に劣化したりするとガス中に酸素が残ってしまうし、あるいは、ポンプ電極5,6が劣化していなかったとしても僅かな量の酸素はガス中に残ってしまう。この場合、ガス中に残っている酸素(以下「残存酸素」という)はセンサ電極8,9により酸素イオンとされ、第3層L3を陽極側センサ電極9に向かって移動することになる。このため、このときに流れる符号11で示したセンサ電流Isには、残存酸素に起因する電流が含まれていることになり、残存酸素の量が零であることを前提にしてセンサ電流Isから求められたNOx濃度は真のNOx濃度ではないことになる。
Incidentally, as described above, in the present embodiment, all oxygen is discharged from the gas flowing into the
また、残存酸素量が常に一定であれば、残存酸素量を実験等により予め求め、この予め求めた残存酸素量に基づいて、センサ電流Isから算出されるNOx濃度が真のNOx濃度となるように、センサ電流Isを補正するための補正値(または、センサ電流Isから求められたNOx濃度を補正するための補正値)を予め求めておき、これら補正値を用いてNOx濃度を求めれば、求められたNOx濃度は真のNOx濃度であるはずである。しかしながら、上述したように、残存酸素量はポンプ電極5,6の経時的な劣化によって異なる。
If the residual oxygen amount is always constant, the residual oxygen amount is obtained in advance by experiments or the like, and the NOx concentration calculated from the sensor current Is based on the preliminarily obtained residual oxygen amount becomes the true NOx concentration. If a correction value for correcting the sensor current Is (or a correction value for correcting the NOx concentration obtained from the sensor current Is) is obtained in advance, and the NOx concentration is obtained using these correction values, The determined NOx concentration should be a true NOx concentration. However, as described above, the residual oxygen amount varies depending on the deterioration of the
いずれにしても、NOx濃度を正確に検出するためには、センサ電極8,9に到来するガス中の残存酸素量を知り、この残存酸素量に応じて、センサ電流Is(または、センサ電流Isから求められたNOx濃度)を補正する必要がある。そこで、本実施形態では、以下のようにして、NOx濃度を求める。
In any case, in order to accurately detect the NOx concentration, the amount of oxygen remaining in the gas arriving at the
センサ電極8,9に到来するガス中の酸素濃度とNOx濃度とがそれぞれ或る濃度である場合、センサ電圧源10の電圧Vsとセンサ電流Isとの関係は、図2に示したようになる。すなわち、電圧Vsが或る値V1よりも低い間はセンサ電流Isは零であるが、電圧Vsが値V1を超えると、値V1よりも大きい値V2を超えるまでは、電圧Vsが大きくなるほどセンサ電流Isも大きくなる。そして、電圧Vsが値V2を超えて該値V2よりも大きい値V3を超えるまでは、電圧Vsに係わらず、センサ電流Isは略一定となる。さらに、電圧Vsが値V3を超えて該値V3よりも大きい値V4を超えるまでは、電圧Vsが大きくなるほどセンサ電流Isも大きくなる。さらに、電圧Vsが値V4を超えて該値V4よりも大きい値V5を超えるまでは、電圧Vsに係わらず、センサ電流Isは略一定である。そして、電圧Vsが値V5を超えると、電圧Vsが大きくなるほどセンサ電流Isも大きくなる。
When the oxygen concentration and the NOx concentration in the gas arriving at the
電圧Vsによってセンサ電流Isがこのように推移するのは、陰極側センサ電極8において以下のような現象が生じているからである。すなわち、電圧Vsが値V1よりも低いときには、ガス中の残存酸素からもNOxからも酸素イオンは生成されないので、センサ電流Isは零である。そして、電圧Vsが値V1と値V3との間にあるときには、ガス中の残存酸素から酸素イオンが生成されるようになるので、センサ電流Isが零よりも大きくなる。しかしながら、このとき、ガス中の残存酸素からしか酸素イオンは生成されず、ガス中のNOxからは酸素イオンは生成されないので、センサ電流Isは比較的小さな値である。さらに、電圧Vsが値V3よりも高くなると、ガス中の残存酸素からもNOxからも酸素イオンが生成されるので、センサ電流Isは比較的大きな値となるのである。
The reason why the sensor current Is changes in this way by the voltage Vs is because the following phenomenon occurs in the cathode-
このように、電圧Vsが値V1と値V3との間にあるときには、残存酸素からしか酸素イオンは生成されないのであるから、電圧Vsが値V1と値V3との間の一定の値に保たれていれば、このときのセンサ電流Isは残存酸素に起因して発生する電流である。一方、電圧Vsが値V3よりも高いときには、残存酸素からもNOxからも酸素イオンが生成されるのであるから、電圧Vsが値V3よりも大きい一定の値に保たれていれば、このときのセンサ電流Isは残存酸素とNOxとに起因して発生する電流である。 As described above, when the voltage Vs is between the value V1 and the value V3, oxygen ions are generated only from the remaining oxygen, so the voltage Vs is kept at a constant value between the value V1 and the value V3. If so, the sensor current Is at this time is a current generated due to residual oxygen. On the other hand, when the voltage Vs is higher than the value V3, oxygen ions are generated from the residual oxygen and NOx. Therefore, if the voltage Vs is kept at a constant value larger than the value V3, The sensor current Is is a current generated due to residual oxygen and NOx.
したがって、値V3よりも高い値の電圧をセンサ電極8,9に印加したときに検出されるセンサ電流Isから、値V1と値V3との間の値の電圧をセンサ電極8,9に印加したときに検出されるセンサ電流Isを差し引いた値が、NOxのみに起因する電流値であって、この電流値から求められるNOx濃度は真のNOx濃度である。
Therefore, a voltage having a value between the value V1 and the value V3 is applied to the
そこで、本実施形態では、予め定められた時間間隔でもって、残存酸素から酸素イオンを生成するがNOxからは酸素イオンを生成しない電圧範囲(図2に示した例では、値V1と値V3との間であり、精度上の観点から好ましくは、値V2と値V3との間)の予め定められた一定の値にセンサ電圧源10の電圧Vsを保ち、このときのセンサ電流Isを残存酸素に起因するセンサ電流Isoとして記憶する。そして、NOx濃度を検出すべきときには、残存酸素からもNOxからも酸素イオンを生成する電圧範囲(図2に示した例では、値V3以上であり、精度上の観点から好ましくは、値V3と値V5との間であり、精度上の観点からさらに好ましくは、値V4と値V5との間)の予め定められた一定の値にセンサ電圧源10の電圧Vsを保ち、このときのセンサ電流Isから上記残存酸素に起因するセンサ電流Isoを差し引いた値を、NOxにのみ起因するセンサ電流Isnoxとする。そして、このNOxにのみ起因するセンサ電流IsnoxからNOx濃度を検出する。
Therefore, in the present embodiment, a voltage range in which oxygen ions are generated from residual oxygen but oxygen ions are not generated from NOx at a predetermined time interval (in the example shown in FIG. 2, values V1 and V3 From the viewpoint of accuracy, preferably, the voltage Vs of the
これによれば、NOx濃度を検出すべきとき(すなわち、センサ電極8,9に値V3以上(好ましくは、値V4と値V5との間)の値の電圧が印加されているとき)に検出されるセンサ電流Isが、定期的に更新される補正値(すなわち、予め定められた時間間隔でもって更新される上記残存酸素にのみ起因するセンサ電流Iso)によって補正されることになるので、正確なNOx濃度が検出されることになる。
According to this, it is detected when the NOx concentration is to be detected (that is, when a voltage having a value equal to or higher than the value V3 (preferably between the values V4 and V5) is applied to the
図3は、上述した実施形態に従ってNOx濃度を検出するためのルーチンの一例を示したフローチャートである。図3に示した例では、始めに、ステップ10において、カウンタC(これは、ステップ13で、残存酸素に起因する電流の値Isoが前回算出されて更新されてから経過した時間を示すものである)が予め定められた値Cth以上である(C≧Cth)か否かが判別される。ここで、C<Cthであると判別されたとき(すなわち、残存酸素に起因する電流の値Isoが前回更新されてから一定の時間が経過していないとき)には、ルーチンはステップ16に進んで、次式(1)に従って、NOx濃度Cnoxが算出される。
Cnox=(Is−Iso)×K …(1)
ここで、Isは、センサ電極8,9間を流れる電流の値であり、Isoは、残存酸素に起因する電流の値であり、Kは、センサ電極8,9間を流れる電流の値をNOx濃度に変換するための係数である。
次いで、ステップ17では、カウンタCがカウントアップされる(C←C+1)。
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a routine for detecting the NOx concentration according to the above-described embodiment. In the example shown in FIG. 3, first, in
Cnox = (Is−Iso) × K (1)
Here, Is is the value of the current flowing between the
Next, at
一方、ステップ10において、C≧Cthであると判別されたとき(すなわち、残存酸素に起因する電流の値Isoが前回更新されてから一定の時間が経過したとき)には、ルーチンはステップ11に進んで、センサ電極8,9間に印加されている電圧Vsが、残存酸素からのみ酸素イオンを生成する値VL(図2の例の値V1と値V3の間の値であって、好ましくは、値V2と値V3との間の値)に設定されている(Vs=VL)か否かが判別される。ここで、Vs=VLとなっていなければ、ルーチンはステップ19に進んで、電圧Vsが値VLに設定される。
On the other hand, when it is determined in
一方、ステップ11において、Vs=VLとなっていれば、ルーチンはステップ12に進んで、時間T(これは、ステップ11において、電圧Vsが値VLに設定されてから経過した時間である)が予め定められた時間Tth以上となっている(T≧Tth)か否かが判別される。すなわち、ステップ11において、電圧Vsが値VLに設定されてから実際に電圧Vsが値VLとなるまでには、一定の時間がかかることから、本ルーチンでは、ステップ12が設けられているのである。
On the other hand, if Vs = VL in
ステップ12において、T<Tthであると判別されたとき(すなわち、電圧Vsが値VLとなっていないと判断されたとき)には、ルーチンはステップ18に進んで、時間Tがインクリメントされる(T←T+1)。一方、ステップ12において、T≧Tthであると判別されたときには、ルーチンはステップ13に進んで、このときにセンサ電極8,9間に流れるセンサ電流Isを、残存酸素にのみ起因する電流値Isoとして記憶する(すなわち、更新する)。これ以後、この新たに更新された値Isoがステップ16における上式(1)に従ったNOx濃度の算出に使用される。
When it is determined in
次いで、ステップ14において、センサ電極8,9間に印加される電圧Vsが、残存酸素からもNOxからも酸素イオンを生成する値VH(図2の例の値V3以上の値であって、好ましくは、値V3と値V5との間の値であって、さらに好ましくは、値V4と値V5との間の値)に設定される。次いで、ステップ15において、カウンタCがリセットされる(C←0)。
Next, in
なお、上述では、ガス中のNOx濃度を検出する場合を例に挙げて本発明を説明したが、本発明は、ガス中の硫黄酸化物(SOx)といった酸素化合物の濃度を検出する場合にも適用可能である。 In the above description, the present invention has been described by taking the case of detecting the NOx concentration in the gas as an example. However, the present invention also applies to the case of detecting the concentration of an oxygen compound such as sulfur oxide (SOx) in the gas. Applicable.
また、本発明は、ガス中のアンモニア濃度を検出する場合にも適用可能である。すなわち、ガス中に含まれているアンモニア(NH3)は、陰極側ポンプ電極6において、NOとH2Oとに分解され(4NH3+5O2→4NO+6H2O)、この分解されたNOは、陰極側センサ電極8に到来する。このNOは、陰極側センサ電極8上において、N2とO2とに分解され、分解生成されたO2は、酸素イオンとなって第3層L3内を陽極側センサ電極9に向けて移動する。このときにも、センサ電流Isはガス中に含まれているNH3濃度に比例する。図4は、センサ電流Isとガス中のNOx濃度およびNH3濃度との関係を示しており、この図4から、センサ電流Isはガス中のNOx濃度およびNH3濃度に比例していることが判る。したがって、センサ電流Isを利用してガス中のNH3濃度をも検出できるのである。
The present invention is also applicable when detecting the ammonia concentration in the gas. That is, ammonia (NH 3 ) contained in the gas is decomposed into NO and H 2 O (4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O) at the cathode-
また、特許文献1に関連して説明したように、排気ガス中のNOx濃度が零となっている間に電極間に流れる電流の値を新たな基準電流値とするようにしている場合において、排気ガス中のNOx濃度が零となる機会が少なければ、基準電流値の更新回数も少なく、したがって、NOx濃度が零であるときに電極間を流れる電流値に一致していない基準電流値が用いられる期間が長くなってしまう。この場合、NOxセンサのNOx濃度検出精度は高いとは言えない。しかしながら、本発明によれば、残存酸素にのみ起因するセンサ電流(上記基準電流値に相当)が定期的に更新されるので、NOxセンサのNOx濃度検出精度が高いと言える。
Further, as described in connection with
1…ガス室
2…大気室
5,6…ポンプ電極
7…ポンプ電圧源
8,9…センサ電極
10…センサ電圧源
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