JP5058224B2 - NOx sensor - Google Patents

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Description

本発明は、被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度およびアンモニア濃度を検出するNOxセンサに関する。   The present invention relates to a NOx sensor that detects a nitrogen oxide (NOx) concentration and an ammonia concentration in a gas to be measured.

近年、車両の排気ガスに含まれるNOxを浄化するシステムとして、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)システムと呼ばれるものが開発されている。
尿素SCRシステムは、排気系に設けられた選択還元型のNOx浄化触媒(SCR触媒)の上流側において、排気系内に尿素を添加するものである。これにより、添加した尿素が分解して生じたアンモニア(NH3)が、NOx浄化触媒において、排気ガス中のNOxを選択的に還元して、排気ガスを浄化する。
In recent years, a so-called urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system has been developed as a system for purifying NOx contained in vehicle exhaust gas.
The urea SCR system adds urea into the exhaust system upstream of a selective reduction type NOx purification catalyst (SCR catalyst) provided in the exhaust system. Thereby, ammonia (NH 3 ) generated by the decomposition of the added urea selectively reduces NOx in the exhaust gas in the NOx purification catalyst and purifies the exhaust gas.

かかるシステムにおいて、尿素の添加量が不充分であるとNOxが充分に浄化されず、逆に尿素の添加量が過剰であるとアンモニアが排気ガスと共に排出されてしまう。そのため、尿素の添加量を適切な量に制御する必要があり、そのためには排気系におけるNOx濃度に加えてアンモニア濃度をも正確に測定する必要がある。
そこで、排気系には、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度およびアンモニア濃度を検出するNOxセンサが配設されている。
In such a system, if the amount of urea added is insufficient, NOx will not be sufficiently purified. Conversely, if the amount of urea added is excessive, ammonia will be discharged together with the exhaust gas. Therefore, it is necessary to control the addition amount of urea to an appropriate amount, and for this purpose, it is necessary to accurately measure the ammonia concentration in addition to the NOx concentration in the exhaust system.
Therefore, the exhaust system is provided with a NOx sensor for detecting the nitrogen oxide (NOx) concentration and the ammonia concentration in the exhaust gas.

排気ガス中のNOx濃度およびアンモニア濃度を検出する装置として、特許文献1に開示されたものがある。この装置においては、センサ素子の内部空所に導入した被測定ガス中のアンモニアを酸化してNOxを生成し、このNOx濃度をセンサ素子にて測定する。   As an apparatus for detecting NOx concentration and ammonia concentration in exhaust gas, there is one disclosed in Patent Document 1. In this apparatus, ammonia in the gas to be measured introduced into the internal space of the sensor element is oxidized to generate NOx, and this NOx concentration is measured by the sensor element.

特開平9−33512号公報JP-A-9-33512

しかしながら、上記装置においては、アンモニアが充分に酸化されずに、センサセルに達する結果、正確なアンモニア濃度を測定することが困難となる場合がある。すなわち、アンモニアに対する感度が充分に得られず、アンモニア濃度の測定精度が低いという問題がある。   However, in the above apparatus, ammonia may not be sufficiently oxidized, and as a result of reaching the sensor cell, it may be difficult to accurately measure the ammonia concentration. That is, there is a problem that sufficient sensitivity to ammonia cannot be obtained and the measurement accuracy of ammonia concentration is low.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a NOx sensor excellent in measurement accuracy of ammonia concentration in a gas to be measured.

本願の第1発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触していることを特徴とするNOxセンサにある(請求項1)。
The first invention of the present application is a gas chamber to be measured into which a gas to be measured is introduced,
A diffusion resistance portion provided in the introduction portion of the measurement gas in the measurement gas chamber;
An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a sensor, and a pair of sensor electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for the sensor, A sensor cell for detecting the NOx concentration in the gas chamber;
An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a pump, and a pair of pump electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for pump, A pump cell for adjusting the oxygen concentration in the gas chamber;
The temperature of the diffusion resistance portions have a temperature control means for controlling the above 700 ° C. during use,
The temperature control means includes a heater that generates heat when energized, and a temperature detection means that directly or indirectly detects the temperature of the diffusion resistance portion.
The temperature detecting means measures an impedance between a pair of measurement electrodes provided on the sensor solid electrolyte body or the pump solid electrolyte body, and detects the temperature of the diffusion resistance section based on the measured value. The NOx sensor is characterized in that at least one of the pair of measurement electrodes is in contact with the diffusion resistance portion .

上記NOxセンサは、使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段を有する。そのため、アンモニアを含む被測定ガスが、上記拡散抵抗部を通過する際、被測定ガス中に含まれる酸素との反応が促進されることでアンモニアが充分に酸化して、アンモニアに由来するNOxが充分に生成される。
その結果、このNOxがセンサセルにおいて検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。
The NOx sensor has a temperature control means for controlling the temperature of the diffusion resistance portion during use to 700 ° C. or higher. Therefore, when the gas to be measured containing ammonia passes through the diffusion resistance portion, the reaction with oxygen contained in the gas to be measured is promoted to sufficiently oxidize the ammonia, so that NOx derived from ammonia is reduced. Fully generated.
As a result, this NOx is detected in the sensor cell, and a sensor output corresponding to the NOx concentration, that is, a sensor output corresponding to the ammonia concentration in the gas to be measured can be obtained accurately.

また、アンモニアが酸化されるのは、被測定ガス室への被測定ガスの導入部である拡散抵抗部であるため、被測定ガス室中の酸素濃度は低く保つことが可能である。逆に言うと、被測定ガス室内の酸素濃度を高くしなくても、その導入部である拡散抵抗部において酸素が存在していればアンモニアを酸化することができる。そのため、酸素濃度に起因するセンサ出力のオフセット誤差を抑制しやすくなる。
更に、本発明においては、上記温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有する。
そのため、上記拡散抵抗部における温度制御を容易かつ正確に行うことができる。
また、上記温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触している。
そのため、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体における上記拡散抵抗部に接触した部分におけるインピーダンスを測定することができ、一層高精度な拡散抵抗部の温度測定が可能となる。
以上のごとく、第1発明によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供することができる。
In addition, since ammonia is oxidized in the diffusion resistance portion that is the introduction portion of the gas to be measured into the gas chamber to be measured, the oxygen concentration in the gas chamber to be measured can be kept low. In other words, ammonia can be oxidized if oxygen is present in the diffusion resistance portion that is the introduction portion without increasing the oxygen concentration in the measurement gas chamber. Therefore, it becomes easy to suppress the offset error of the sensor output due to the oxygen concentration.
Further, in the present invention, the temperature control means includes a heater that generates heat when energized, and a temperature detection means that directly or indirectly detects the temperature of the diffusion resistance portion.
Therefore, the temperature control in the diffusion resistance portion can be easily and accurately performed.
The temperature detection means measures the impedance between a pair of measurement electrodes provided on the sensor solid electrolyte body or the pump solid electrolyte body, and detects the temperature of the diffusion resistance unit based on the measured value. And at least one of the pair of measurement electrodes is in contact with the diffusion resistance portion.
Therefore, it is possible to measure the impedance at the portion of the solid electrolyte body for sensor or the solid electrolyte body for pump that is in contact with the diffusion resistance portion, and the temperature of the diffusion resistance portion can be measured with higher accuracy.
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a NOx sensor that is excellent in measurement accuracy of the ammonia concentration in the gas to be measured.

次に、本願の第2発明は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、  Next, the second invention of the present application is a gas chamber to be measured into which a gas to be measured is introduced,
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、  A diffusion resistance portion provided in the introduction portion of the measurement gas in the measurement gas chamber;
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、  An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a sensor, and a pair of sensor electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for the sensor, A sensor cell for detecting the NOx concentration in the gas chamber;
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、  An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a pump, and a pair of pump electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for pump, A pump cell for adjusting the oxygen concentration in the gas chamber;
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、  Temperature control means for controlling the temperature of the diffused resistor portion in use to 700 ° C. or higher,
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、  The temperature control means includes a heater that generates heat when energized, and a temperature detection means that directly or indirectly detects the temperature of the diffusion resistance portion.
該温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなることを特徴とするNOxセンサにある(請求項2)。  The temperature detecting means is a NOx sensor comprising a thermocouple arranged in contact with the diffusion resistance portion (claim 2).
上記NOxセンサは、使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段を有する。そのため、アンモニアを含む被測定ガスが、上記拡散抵抗部を通過する際、被測定ガス中に含まれる酸素との反応が促進されることでアンモニアが充分に酸化して、アンモニアに由来するNOxが充分に生成される。  The NOx sensor has a temperature control means for controlling the temperature of the diffusion resistance portion during use to 700 ° C. or higher. Therefore, when the gas to be measured containing ammonia passes through the diffusion resistance portion, the reaction with oxygen contained in the gas to be measured is promoted to sufficiently oxidize the ammonia, so that NOx derived from ammonia is reduced. Fully generated.
その結果、このNOxがセンサセルにおいて検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。  As a result, this NOx is detected in the sensor cell, and a sensor output corresponding to the NOx concentration, that is, a sensor output corresponding to the ammonia concentration in the gas to be measured can be obtained accurately.
また、アンモニアが酸化されるのは、被測定ガス室への被測定ガスの導入部である拡散抵抗部であるため、被測定ガス室中の酸素濃度は低く保つことが可能である。逆に言うと、被測定ガス室内の酸素濃度を高くしなくても、その導入部である拡散抵抗部において酸素が存在していればアンモニアを酸化することができる。そのため、酸素濃度に起因するセンサ出力のオフセット誤差を抑制しやすくなる。  In addition, since ammonia is oxidized in the diffusion resistance portion that is the introduction portion of the gas to be measured into the gas chamber to be measured, the oxygen concentration in the gas chamber to be measured can be kept low. In other words, ammonia can be oxidized if oxygen is present in the diffusion resistance portion that is the introduction portion without increasing the oxygen concentration in the measurement gas chamber. Therefore, it becomes easy to suppress the offset error of the sensor output due to the oxygen concentration.
また、上記温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなる。  The temperature detecting means is composed of a thermocouple disposed in contact with the diffusion resistance portion.
そのため、上記拡散抵抗部における温度を直接測定でき、高精度な温度測定が可能となる。  Therefore, it is possible to directly measure the temperature in the diffused resistor portion, and it is possible to measure the temperature with high accuracy.
以上のごとく、第2発明によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供することができる。  As described above, according to the second aspect of the invention, it is possible to provide a NOx sensor that is excellent in measurement accuracy of the ammonia concentration in the gas to be measured.

参考例1における、NOxセンサの縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of the NOx sensor in the reference example 1 . 参考例1における、尿素SCRシステムの説明図。The explanatory view of the urea SCR system in reference example 1 . 参考例1における、SCR触媒の下流側における排気ガス中のNOx濃度及びNH3濃度と、尿素添加量との関係を示す線図。In Reference Example 1, and the NOx concentration and NH 3 concentration in the exhaust gas downstream of the SCR catalyst, diagram showing the relationship between the urea addition amount. 実験例における、NH3/NO感度比と拡散抵抗部の温度との関係を示す線図。In experimental example graph showing the relationship of NH 3 / NO sensitivity ratio and the temperature of the diffusion resistance portion. 実施例における、NOxセンサの縦断面図。 2 is a longitudinal sectional view of a NOx sensor in Embodiment 1. FIG. 実施例における、NOxセンサの縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a NOx sensor in the second embodiment. 実施例における、NOxセンサの縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a NOx sensor in Embodiment 3 . 実施例における、NOxセンサの縦断面図。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a NOx sensor in Example 4 . 参考例2における、NOxセンサの縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of the NOx sensor in the reference example 2 .

本発明において、上記被測定ガスとしては、例えば、自動車のエンジン等、内燃機関の排気ガス等がある。   In the present invention, examples of the gas to be measured include an exhaust gas of an internal combustion engine such as an automobile engine.

また、上記温度制御手段は、使用時における上記拡散抵抗部の温度を800℃以上に制御することが好ましい(請求項)。
この場合には、被測定ガス中のアンモニアがより酸化されやすくなり、NOxセンサのアンモニア感度を一層向上させることができる。
Further, the temperature control means preferably controls the temperature of the diffused resistor portion above 800 ° C. during use (claim 3).
In this case, ammonia in the gas to be measured is more easily oxidized, and the ammonia sensitivity of the NOx sensor can be further improved.

また、上記温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有する。
そのため、上記拡散抵抗部における温度制御を容易かつ正確に行うことができる。
Further, the temperature control means, that Yusuke a heater for generating heat by energization, and a temperature detection means for detecting directly or indirectly the temperature of the diffusion resistance portion.
Therefore , the temperature control in the diffusion resistance portion can be easily and accurately performed.

なお、上記温度検出手段は、上記センサセル又は上記ポンプセルにおけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出することもできる
この場合には、温度によって変化するセンサセル又はポンプセルのインピーダンスを測定することによって、これらと直接的或いは間接的に接触する拡散抵抗部の温度を間接的に測定することができる。また、この場合には、上記センサ用電極あるいは上記ポンプ用電極を、上記温度検出手段の一部として利用することができるため、NOxセンサの簡素化、小型化、低コスト化を容易に実現することができる。
In addition , the said temperature detection means can also measure the impedance in the said sensor cell or the said pump cell, and can also detect the temperature of the said diffused resistance part based on the measured value.
In this case, by measuring the impedance of the sensor cell or the pump cell that changes depending on the temperature, the temperature of the diffusion resistance portion that directly or indirectly contacts these can be measured indirectly. In this case, since the sensor electrode or the pump electrode can be used as a part of the temperature detecting means, the NOx sensor can be easily simplified, reduced in size, and reduced in cost. be able to.

また、上記温度検出手段は、上記ポンプセルにおけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出することもできる
この場合には、上記拡散抵抗部の温度をより正確に測定することができる。すなわち、ポンプセルは、被測定ガス室中の酸素濃度を調整するため、センサセルよりも被測定ガスの導入部すなわち拡散抵抗部に近い位置に配置することが望ましい。かかる観点から、より拡散抵抗部の近くに配置されやすいポンプセルにおいて、インピーダンスを測定することで、拡散抵抗部の温度をより高精度に測定することができる。
Further, the temperature detecting means measures the impedance in the pumping cell, it is also possible to detect the temperature of the diffusion resistance section based on the measured value.
In this case, the temperature of the diffused resistor portion can be measured more accurately. In other words, the pump cell is preferably arranged at a position closer to the measurement gas introduction portion, that is, the diffusion resistance portion than the sensor cell, in order to adjust the oxygen concentration in the measurement gas chamber. From this point of view, the temperature of the diffused resistor portion can be measured with higher accuracy by measuring the impedance in the pump cell that is more easily disposed near the diffused resistor portion.

上記第1発明において、上記温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触している。
そのため、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体における上記拡散抵抗部に接触した部分におけるインピーダンスを測定することができ、一層高精度な拡散抵抗部の温度測定が可能となる。
In the first invention, the temperature detecting means measures an impedance between a pair of measurement electrodes provided in the sensor solid electrolyte body or the pump solid electrolyte body, and based on the measured value, the diffusion resistance section configured to detect a temperature, at least one of the pair of measurement electrodes that are in contact with the diffusion resistance portion.
Therefore, Ki out to measure the impedance at the portion in contact with the diffusion resistance portion in the solid electrolyte body or for the pump solid electrolyte body for the sensor, it is possible to more precise temperature measurement diffusion resistance portion.

次に、上記第2発明において、上記温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなる。
この場合には、上記拡散抵抗部における温度を直接測定できるため、高精度な温度測定が可能となる。
Then, in the second invention, the temperature detecting means, ing from the thermocouple in contact disposed on the diffusion resistance portion.
In this case, since the temperature in the diffused resistor portion can be directly measured, highly accurate temperature measurement is possible.

なお、上記温度検出手段は、上記ヒータの抵抗値を測定し、その測定値に基づいて、上記拡散抵抗部の温度を検出することもできる。 Incidentally, the temperature detecting means measures the resistance of the heater, may be based on the measurement value, to detect the temperature of the diffusion resistance portion.

参考例1
本発明の参考例にかかるNOxセンサにつき、図1〜図を用いて説明する。
本例のNOxセンサ1は、図1に示すごとく、被測定ガスが導入される被測定ガス室2と、被測定ガス室2における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部3と、被測定ガス室2内のNOx濃度を検出するセンサセル4と、被測定ガス室2内の酸素濃度を調整するポンプセル5と、使用時における拡散抵抗部3の温度を700℃以上に制御する温度制御手段6とを有する。
( Reference Example 1 )
Per according NOx sensor to a reference example of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the NOx sensor 1 of this example includes a measurement gas chamber 2 into which a measurement gas is introduced, a diffusion resistance portion 3 provided in a measurement gas introduction portion in the measurement gas chamber 2, and A sensor cell 4 for detecting the NOx concentration in the gas chamber 2 to be measured, a pump cell 5 for adjusting the oxygen concentration in the gas chamber 2 to be measured, and a temperature control for controlling the temperature of the diffusion resistance unit 3 during use to 700 ° C. or higher. Means 6.

センサセル4は、酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体41と該センサ用固体電解質体41における被測定ガス室2に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極421、422とを備えている。
ポンプセル5は、酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体51と該ポンプ用固体電解質体51における被測定ガス室2に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極521、522とを備えている。
The sensor cell 4 includes a pair of sensor electrodes 421 disposed on the surface opposite to the surface facing the gas chamber 2 to be measured in the sensor solid electrolyte body 41 having oxygen ion conductivity. 422.
The pump cell 5 includes a pair of pump electrodes 521 disposed on an oxygen ion conductive solid electrolyte body 51 for pumping and a surface opposite to the surface facing the gas chamber 2 to be measured in the solid electrolyte body 51 for pumping. 522.

センサ用固体電解質体41及びポンプ用固体電解質体51は、例えばイットリア安定化ジルコニアからなる。また、センサ用電極421、422、及びポンプ用電極521、522は、例えば白金合金にジルコニア成分を含有したサーメット材料からなる。そして、特に、被測定ガス室2に面するセンサ用電極421は、Pt−Rh(白金−ロジウム)合金等からなるNOx活性の電極材料からなり、被測定ガス室2に面するポンプ用電極521は、Pt−Au(白金−金)合金等からなるNOx不活性の電極材料からなる。   The sensor solid electrolyte body 41 and the pump solid electrolyte body 51 are made of, for example, yttria-stabilized zirconia. The sensor electrodes 421 and 422 and the pump electrodes 521 and 522 are made of, for example, a cermet material containing a zirconia component in a platinum alloy. In particular, the sensor electrode 421 facing the measured gas chamber 2 is made of a NOx active electrode material made of a Pt—Rh (platinum-rhodium) alloy or the like, and the pump electrode 521 facing the measured gas chamber 2. Is made of a NOx inactive electrode material made of a Pt—Au (platinum-gold) alloy or the like.

被測定ガス室2は、センサ用固体電解質体41とポンプ用固体電解質体51との間に形成されている。すなわち、センサ用固体電解質体41とポンプ用固体電解質体51との間には、開口部を設けたスペーサ層121を介在させており、このスペーサ層121の開口部において、センサ用固体電解質体41とポンプ用固体電解質体51との間に被測定ガス室2が形成されている。
また、被測定ガス室2の先端側(図1の左側)におけるスペーサ層121の一部に拡散抵抗部3が配設されている。拡散抵抗部3は、多孔質のアルミナセラミックスからなり、NOxセンサ1の先端部において、被測定ガス室2とNOxセンサ1の外部とを連通させている。
The gas chamber 2 to be measured is formed between the sensor solid electrolyte body 41 and the pump solid electrolyte body 51. That is, a spacer layer 121 having an opening is interposed between the sensor solid electrolyte body 41 and the pump solid electrolyte body 51, and the sensor solid electrolyte body 41 is provided in the opening of the spacer layer 121. The gas chamber 2 to be measured is formed between the pump and the solid electrolyte body 51 for a pump.
Further, the diffusion resistance portion 3 is disposed on a part of the spacer layer 121 on the distal end side (left side in FIG. 1) of the gas chamber 2 to be measured. The diffusion resistance unit 3 is made of porous alumina ceramics, and communicates the measured gas chamber 2 and the outside of the NOx sensor 1 at the tip of the NOx sensor 1.

また、センサ用固体電解質体41における被測定ガス室2とは反対側の面には、大気を導入する第1大気室111が形成されている。第1大気室111にセンサセル4の一方のセンサ用電極422が面している。そして、第1大気室111は、センサ用固体電解質体41と、これに積層されたスペーサ層122及びカバー層123とによってこれらの間に形成されている。   A first atmosphere chamber 111 for introducing the atmosphere is formed on the surface of the sensor solid electrolyte body 41 opposite to the gas chamber 2 to be measured. One sensor electrode 422 of the sensor cell 4 faces the first atmospheric chamber 111. The first atmospheric chamber 111 is formed between the sensor solid electrolyte body 41 and the spacer layer 122 and the cover layer 123 laminated thereon.

また、ポンプ用固体電解質体51における被測定ガス室2とは反対側の面には、大気を導入する第2大気室112が形成されている。第2大気室112にポンプセル5の一方のポンプ用電極522が面している。
そして、ポンプ用固体電解質体51には、スペーサ層124を介してセラミックヒータ13が積層されている。セラミックヒータ13は、アルミナからなる一対のヒータ基板131の間に、通電によって発熱する発熱部132と該発熱部132に通電するためのリード部133とを設けることによって構成されている。
発熱部132は、例えば白金又は白金合金からなる。
また、スペーサ層121、122、124、カバー層123は、アルミナからなる。
Further, a second atmosphere chamber 112 for introducing the atmosphere is formed on the surface of the pump solid electrolyte body 51 opposite to the gas chamber 2 to be measured. One pump electrode 522 of the pump cell 5 faces the second atmosphere chamber 112.
The ceramic heater 13 is laminated on the pump solid electrolyte body 51 via a spacer layer 124. The ceramic heater 13 is configured by providing, between a pair of heater substrates 131 made of alumina, a heat generating portion 132 that generates heat by energization and a lead portion 133 for supplying current to the heat generating portion 132.
The heat generating part 132 is made of, for example, platinum or a platinum alloy.
The spacer layers 121, 122, and 124 and the cover layer 123 are made of alumina.

なお、センサ用固体電解質体41には、被測定ガス室2内の酸素濃度をモニタリングするためのモニタセルが設けてあってもよい。この場合、例えばNOxに不活性なPt−Au(白金−金)合金からなるモニタ用電極を被測定ガス室2に面するようにセンサ用固体電解質体41に設ける(図示略)。   The sensor solid electrolyte body 41 may be provided with a monitor cell for monitoring the oxygen concentration in the measured gas chamber 2. In this case, for example, a monitoring electrode made of a Pt—Au (platinum-gold) alloy inert to NOx is provided on the sensor solid electrolyte body 41 so as to face the gas chamber 2 to be measured (not shown).

温度制御手段6は、上記セラミックヒータ13と、拡散抵抗部3の温度を間接的に検出する温度検出手段61とを有する。
温度検出手段61は、ポンプセル5におけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出するよう構成されている。すなわち、温度測定手段61は、ポンプセル5における一対のポンプ用電極521、522の間のインピーダンスを測定する。ポンプセル5のインピーダンスは、ポンプセル5の温度が高くなるほど高くなる。そして、ポンプセル5と拡散抵抗部3とは互いに近接していると共に、ポンプセル5を構成するポンプ用固体電解質体51と拡散抵抗部3とは互いに接触しているため、多少の温度差はあってもポンプセル5の温度と拡散抵抗部3の温度とは近似している。
The temperature control unit 6 includes the ceramic heater 13 and a temperature detection unit 61 that indirectly detects the temperature of the diffusion resistance unit 3.
The temperature detection means 61 is configured to measure the impedance in the pump cell 5 and detect the temperature of the diffusion resistance unit 3 based on the measured value. That is, the temperature measuring unit 61 measures the impedance between the pair of pump electrodes 521 and 522 in the pump cell 5. The impedance of the pump cell 5 increases as the temperature of the pump cell 5 increases. The pump cell 5 and the diffusion resistance unit 3 are close to each other, and the solid electrolyte body for pump 51 and the diffusion resistance unit 3 constituting the pump cell 5 are in contact with each other, so there is a slight temperature difference. Also, the temperature of the pump cell 5 and the temperature of the diffused resistor 3 are approximated.

すなわち、ポンプセル5のインピーダンスと温度との間、及びポンプセル5の温度と拡散抵抗部3の温度との間には、それぞれ所定の関係があるため、ポンプセル5のインピーダンスと拡散抵抗部3の温度との間にも所定の関係がある。この関係を予め把握しておくことによって、ポンプセル5のインピーダンスの測定値に基づいて、拡散抵抗部3の温度を検出することができる。ポンプセル5のインピーダンスと拡散抵抗部3の温度との関係は、拡散抵抗部3に熱電対を配置した同仕様の他のNOxセンサを用いて予め測定しておくことができる。
ここで、上記のごとく、ポンプセル5が拡散抵抗部3に近いため、両者の温度が近似しており、その結果、ポンプセル5におけるインピーダンスを用いることにより、拡散抵抗部3の温度を精度よく推定することができる。
That is, since there is a predetermined relationship between the impedance and temperature of the pump cell 5 and between the temperature of the pump cell 5 and the temperature of the diffusion resistance unit 3, the impedance of the pump cell 5 and the temperature of the diffusion resistance unit 3 are There is also a predetermined relationship between the two. By grasping this relationship in advance, the temperature of the diffused resistor portion 3 can be detected based on the measured value of the impedance of the pump cell 5. The relationship between the impedance of the pump cell 5 and the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be measured in advance using another NOx sensor of the same specification in which a thermocouple is arranged in the diffusion resistance unit 3.
Here, as described above, since the pump cell 5 is close to the diffusion resistance unit 3, the temperatures of both are approximated. As a result, the temperature of the diffusion resistance unit 3 is accurately estimated by using the impedance in the pump cell 5. be able to.

このようにして検出した拡散抵抗部3の温度を、700℃以上の所定温度(例えば750℃±20℃)に保つよう、温度制御手段6によって制御する。すなわち、温度制御手段6は、温度検出手段61とセラミックヒータ13とからなり温度検出手段61の測定結果に基づいて、セラミックヒータ13(発熱体132)への通電、非通電の制御を行うべく、ヒータ電源134に制御信号を送る。   The temperature control means 6 controls the temperature of the diffused resistor section 3 detected in this way so as to maintain a predetermined temperature of 700 ° C. or higher (for example, 750 ° C. ± 20 ° C.). That is, the temperature control unit 6 includes the temperature detection unit 61 and the ceramic heater 13, and controls energization and non-energization of the ceramic heater 13 (heating element 132) based on the measurement result of the temperature detection unit 61. A control signal is sent to the heater power supply 134.

上記のごとく、拡散抵抗部3の温度を700℃以上の所定温度に保ちながら、センサセル4によって被測定ガス中のNOx及びアンモニアの濃度を測定する。
すなわち、700℃以上の高温に保たれた拡散抵抗部3を通じて、被測定ガスを被測定ガス室2に導入する。このとき、被測定ガス中に含まれるアンモニアは、拡散抵抗部3において酸化して、NOxを生成する。したがって、被測定ガス室2に導入される被測定ガス中には、元来被測定ガス中に含有していたNOxと、アンモニア由来のNOxとが存在しうることとなる。
As described above, the concentration of NOx and ammonia in the gas to be measured is measured by the sensor cell 4 while maintaining the temperature of the diffusion resistance unit 3 at a predetermined temperature of 700 ° C. or higher.
That is, the gas to be measured is introduced into the gas chamber 2 to be measured through the diffusion resistance unit 3 maintained at a high temperature of 700 ° C. or higher. At this time, ammonia contained in the gas to be measured is oxidized in the diffusion resistance unit 3 to generate NOx. Therefore, in the measurement gas introduced into the measurement gas chamber 2, NOx originally contained in the measurement gas and NOx derived from ammonia may exist.

また、被測定ガスには酸素も含まれうるが、この酸素濃度が変化すると、センサセル4における出力が変動してしまうため、被測定ガス室2における酸素濃度を一定に保つために、ポンプセル5によって被測定ガス室2と第2大気室112との間で酸素のポンピングを行う。ここで、酸素濃度は0%に保つことが好ましい。
ポンプセル5は、センサセル4よりも、拡散抵抗部3すなわち被測定ガス室2への被測定ガスの導入部に近い位置に形成されている。そのため、ポンプセル5によって酸素濃度を所定の値に整えた状態の被測定ガスがセンサセル4へ導かれることとなる。
The gas to be measured may contain oxygen, but if this oxygen concentration changes, the output in the sensor cell 4 will fluctuate, so that the oxygen concentration in the gas chamber 2 to be measured is kept constant by the pump cell 5. Oxygen pumping is performed between the measured gas chamber 2 and the second atmospheric chamber 112. Here, the oxygen concentration is preferably kept at 0%.
The pump cell 5 is formed at a position closer to the diffusion resistance portion 3, that is, the introduction portion of the measured gas into the measured gas chamber 2 than the sensor cell 4. Therefore, the gas to be measured in a state where the oxygen concentration is adjusted to a predetermined value by the pump cell 5 is guided to the sensor cell 4.

そして、センサセル4のセンサ用電極421において、被測定ガス中のNOxが分解されて酸素イオンが生成される。一対のセンサ用電極421、422の間には所定の電圧が印加されており、センサ用電極421において生成された酸素イオンがセンサ用固体電解質体41を伝導して他方のセンサ用電極422へ移動することにより、NOx濃度に基づくセンサ出力が得られる。   Then, in the sensor electrode 421 of the sensor cell 4, NOx in the measurement gas is decomposed to generate oxygen ions. A predetermined voltage is applied between the pair of sensor electrodes 421 and 422, and oxygen ions generated in the sensor electrode 421 are conducted through the sensor solid electrolyte body 41 and move to the other sensor electrode 422. By doing so, a sensor output based on the NOx concentration is obtained.

上記NOxセンサ1は、図2に示すごとく、車両の排気ガスに含まれるNOxを浄化するための、尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)システム7において使用される。
尿素SCRシステム7においては、排気系に設けられた、排気ガス中のPM(粒状物質)を除去するためのパティキュレートフィルタ71の下流側であって、選択還元型のNOx浄化触媒(SCR触媒72)の上流側において、排気系内に尿素を添加する。これにより、添加した尿素が分解して生じたアンモニアが、SCR触媒72において、排気ガス中のNOxを選択的に還元して、排気ガスを浄化する。装置的には、尿素タンク74に貯蔵された尿素水をポンプ75にてインジェクタ76へ送り、インジェクタ76からSCR触媒72の上流側において排気ガス中に尿素水を噴射する。
As shown in FIG. 2, the NOx sensor 1 is used in a urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system 7 for purifying NOx contained in vehicle exhaust gas.
In the urea SCR system 7, a selective reduction type NOx purification catalyst (SCR catalyst 72) is provided downstream of the particulate filter 71 provided in the exhaust system for removing PM (particulate matter) in the exhaust gas. ), Urea is added into the exhaust system. As a result, ammonia generated by the decomposition of the added urea selectively reduces NOx in the exhaust gas in the SCR catalyst 72 to purify the exhaust gas. In terms of apparatus, the urea water stored in the urea tank 74 is sent to the injector 76 by the pump 75, and the urea water is injected into the exhaust gas from the injector 76 on the upstream side of the SCR catalyst 72.

かかるシステムにおいて、尿素の添加量が不充分であるとNOxが充分に浄化されず、尿素の添加量が過剰であるとアンモニアが排気ガスと共に排出されてしまう。なお、SCR触媒72の下流側には、アンモニアを酸化して無害化するための酸化触媒73が配置されている。ただし、この酸化触媒73が無害化できるアンモニアの量には限界があるため、SCR触媒72において余剰のアンモニアが排出されないようにする必要はある。
そのため、尿素の添加量を適切な量に制御するために、SCR触媒72の下流側に本例のNOxセンサ1を配設し、アンモニアにてNOxの浄化を行った後の排気ガス中のアンモニア濃度を、NOx濃度に加えて測定する。
In such a system, if the amount of urea added is insufficient, NOx will not be sufficiently purified, and if the amount of urea added is excessive, ammonia will be discharged together with the exhaust gas. An oxidation catalyst 73 for oxidizing and detoxifying ammonia is disposed on the downstream side of the SCR catalyst 72. However, since the amount of ammonia that can be rendered harmless by the oxidation catalyst 73 is limited, it is necessary to prevent excess ammonia from being discharged from the SCR catalyst 72.
Therefore, in order to control the addition amount of urea to an appropriate amount, the NOx sensor 1 of this example is disposed on the downstream side of the SCR catalyst 72, and the ammonia in the exhaust gas after the NOx purification is performed with ammonia. Concentration is measured in addition to NOx concentration.

すなわち、尿素SCRシステム7においてNOxの浄化を行った後の排気ガス(被測定ガス)を、上述のごとく、NOxセンサ1の被測定ガス室2へ、拡散抵抗部3を通して導入する。
ここで、尿素の添加量が適正である場合には、アンモニアが余ることなくNOxを浄化することとなるため、アンモニア濃度も、NOx濃度も略0となる。
しかし、尿素の添加量が少なすぎる場合には、NOxを浄化しきれず、排気ガス(被測定ガス)中にNOxが残ることとなる。このNOx濃度が、NOxセンサ1のセンサセル4において測定される。この場合、尿素の添加量を増やすよう、フィードバックする。
That is, the exhaust gas (gas to be measured) after purification of NOx in the urea SCR system 7 is introduced into the gas chamber 2 to be measured of the NOx sensor 1 through the diffusion resistance unit 3 as described above.
Here, if the amount of urea added is appropriate, ammonia will purify NOx without any excess, so both the ammonia concentration and the NOx concentration become substantially zero.
However, when the amount of urea added is too small, NOx cannot be completely purified, and NOx remains in the exhaust gas (measured gas). This NOx concentration is measured in the sensor cell 4 of the NOx sensor 1. In this case, feedback is made so as to increase the amount of urea added.

一方、尿素の添加量が多すぎる場合には、排気ガス(被測定ガス)中のNOxの略全量を浄化し切ることはできるが、NOxと反応できなかった余剰のアンモニアが残ることとなる。このアンモニアがNOxセンサ1における700℃以上の高温に保たれた拡散抵抗部3を通過する際に、酸化してNOxを生成する。このNOxを含有した被測定ガスがセンサセル4において測定される。すなわち、このときセンサ出力として測定されるNOx濃度の大部分は、アンモニア由来のNOxの濃度であるといえる。
そして、このアンモニア濃度に基づいて尿素の添加量を減らすようフィードバックする。
On the other hand, when the amount of urea added is too large, substantially the entire amount of NOx in the exhaust gas (measured gas) can be purified, but excess ammonia that could not react with NOx remains. When this ammonia passes through the diffusion resistance part 3 maintained at a high temperature of 700 ° C. or higher in the NOx sensor 1, it is oxidized to generate NOx. The measurement gas containing NOx is measured in the sensor cell 4. That is, it can be said that most of the NOx concentration measured as the sensor output at this time is the concentration of ammonia-derived NOx.
Then, feedback is performed so as to reduce the amount of urea added based on the ammonia concentration.

なお、NOxセンサ1において測定されるNOx濃度は、NOxセンサ1に導入される前の被測定ガス中のNOx(窒素酸化物)とNH3(アンモニア)の濃度の総量であるといえる。そして、この総量が最小となるように尿素添加量の調整にフィードバックすればよい。 Note that the NOx concentration measured in the NOx sensor 1 can be said to be the total amount of NOx (nitrogen oxide) and NH 3 (ammonia) in the gas to be measured before being introduced into the NOx sensor 1. Then, it may be fed back to the adjustment of the urea addition amount so that the total amount is minimized.

すなわち、NOx濃度とアンモニア(NH3)濃度とは、尿素添加量によって、図3に示すように変化する。すなわち、尿素添加量が少ないとNOx濃度が高く、尿素添加量が多いとアンモニア濃度が高い。そして、尿素添加量が適正量xであるとき、NOxとアンモニアとの濃度の総量は、最小となる。この適正量xを目指して尿素添加量を調整するようフィードバックすればよい。
そのため、必ずしも、NOxセンサ1におけるNOx濃度とアンモニア濃度とを区別する必要はない。
That is, the NOx concentration and the ammonia (NH 3 ) concentration change as shown in FIG. 3 depending on the amount of urea added. That is, when the urea addition amount is small, the NOx concentration is high, and when the urea addition amount is large, the ammonia concentration is high. When the urea addition amount is an appropriate amount x, the total concentration of NOx and ammonia is minimized. What is necessary is just to feed back adjusting the urea addition amount aiming at this appropriate amount x.
Therefore, it is not always necessary to distinguish between the NOx concentration and the ammonia concentration in the NOx sensor 1.

ただし、NOxセンサ1に導入される前の被測定ガス中のNOxの濃度であるか、アンモニア由来のNOxの濃度であるかは、尿素添加量を増やしたときのセンサ出力の増減によって識別することは可能である。すなわち、尿素添加量を増やしたときセンサ出力が増えた場合、測定されるNOx濃度はアンモニア由来のものであり、逆に尿素添加量を増やしたときセンサ出力が減った場合、測定されるNOx濃度は、NOxセンサ1に導入される前の被測定ガス中のNOxに由来する。   However, whether it is the concentration of NOx in the gas to be measured before being introduced into the NOx sensor 1 or the concentration of NOx derived from ammonia is identified by the increase or decrease of the sensor output when the urea addition amount is increased. Is possible. That is, when the sensor output increases when the urea addition amount is increased, the measured NOx concentration is derived from ammonia, and conversely, when the sensor output decreases when the urea addition amount is increased, the measured NOx concentration. Is derived from NOx in the gas to be measured before being introduced into the NOx sensor 1.

次に、本参考例1の作用効果につき説明する。
上記NOxセンサ1は、使用時における拡散抵抗部3の温度を700℃以上に制御する温度制御手段6を有する。そのため、アンモニアを含む被測定ガスが、拡散抵抗部3を通過する際、被測定ガス中に含まれる酸素との反応が促進されることでアンモニアが充分に酸化して、アンモニアに由来するNOxが充分に生成される。
その結果、このNOxがセンサセル4において検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。
Next, the effect of the reference example 1 will be described.
The NOx sensor 1 has temperature control means 6 for controlling the temperature of the diffusion resistance unit 3 during use to 700 ° C. or higher. Therefore, when the gas to be measured containing ammonia passes through the diffusion resistance portion 3, the reaction with oxygen contained in the gas to be measured is promoted to sufficiently oxidize the ammonia, so that NOx derived from ammonia is reduced. Fully generated.
As a result, this NOx is detected in the sensor cell 4, and a sensor output corresponding to the NOx concentration, that is, a sensor output corresponding to the ammonia concentration in the gas to be measured can be obtained accurately.

また、アンモニアが酸化されるのは、被測定ガス室2への被測定ガスの導入部である拡散抵抗部3であるため、被測定ガス室2中の酸素濃度は低く保つことが可能である。逆に言うと、被測定ガス室2内の酸素濃度を高くしなくても、その導入部である拡散抵抗部3において酸素が存在していればアンモニアを酸化することができる。そのため、酸素濃度に起因するセンサ出力のオフセット誤差を抑制しやすくなる。   In addition, since ammonia is oxidized in the diffusion resistance portion 3 that is the introduction portion of the gas to be measured into the gas chamber 2 to be measured, the oxygen concentration in the gas chamber 2 to be measured can be kept low. . In other words, even if the oxygen concentration in the gas chamber 2 to be measured is not increased, ammonia can be oxidized if oxygen is present in the diffusion resistance portion 3 that is the introduction portion. Therefore, it becomes easy to suppress the offset error of the sensor output due to the oxygen concentration.

また、温度制御手段6は、セラミクヒータ13と温度検出手段61とを有するため、拡散抵抗部3における温度制御を容易かつ正確に行うことができる。
また、温度検出手段61は、ポンプセル5におけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出する。そのため、温度によって変化するポンプセル5のインピーダンスを測定することによって、これらと直接的或いは間接的に接触する拡散抵抗部3の温度を間接的に測定することができる。また、この場合には、ポンプ用電極521、522を、温度検出手段61の一部として利用することができるため、NOxセンサ1の簡素化、小型化、低コスト化を容易に実現することができる。
Moreover, since the temperature control means 6 has the ceramic heater 13 and the temperature detection means 61, the temperature control in the diffusion resistance part 3 can be performed easily and accurately.
Moreover, the temperature detection means 61 measures the impedance in the pump cell 5, and detects the temperature of the diffusion resistance part 3 based on the measured value. Therefore, by measuring the impedance of the pump cell 5 that varies depending on the temperature, it is possible to indirectly measure the temperature of the diffusion resistance unit 3 that directly or indirectly contacts these. In this case, since the pump electrodes 521 and 522 can be used as a part of the temperature detection means 61, the NOx sensor 1 can be easily simplified, downsized, and reduced in cost. it can.

特に、温度検出手段61は、センサセル4ではなくポンプセル5におけるインピーダンスを測定するものであるため、拡散抵抗部3の温度をより正確に測定することができる。すなわち、ポンプセル5は、被測定ガス室2中の酸素濃度を調整するため、センサセル4よりも被測定ガスの導入部すなわち拡散抵抗部3に近い位置に配置されている。それゆえ、拡散抵抗部3の温度をより高精度に測定することができる。   In particular, since the temperature detecting means 61 measures the impedance in the pump cell 5 instead of the sensor cell 4, the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be measured more accurately. That is, the pump cell 5 is arranged closer to the measurement gas introduction part, that is, the diffusion resistance part 3 than the sensor cell 4 in order to adjust the oxygen concentration in the measurement gas chamber 2. Therefore, the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be measured with higher accuracy.

以上のごとく、本参考例1によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供することができる。 As described above, according to the present reference example 1 , it is possible to provide a NOx sensor having excellent measurement accuracy of the ammonia concentration in the gas to be measured.

実験例
本例は、図4に示すごとく、拡散抵抗部3の温度と、NOxセンサ1のアンモニアに対する感度との関係を調べた例である。
NOxセンサ1のアンモニアに対する感度は、下記の「NH3/NO感度比」という指標にて評価した。上記「NH3/NO感度比」は、NOxセンサ1に、同じ濃度のNOとアンモニア(NH3)とをそれぞれ含有する2種類の被測定ガスを供給したときに得られるセンサ出力の比である。この比は、拡散抵抗部3において酸化するアンモニアの割合と同じ値となる。すなわち、例えば、拡散抵抗部3においてアンモニアがすべて酸化してNOを生成する場合に「NH3/NO感度比」は100%となり、半分が酸化してNOを生成する場合に「NH3/NO感度比」は50%となり、酸化せずNOを生成しない場合に0%となる。
( Experimental example )
In this example, as shown in FIG. 4, the relationship between the temperature of the diffusion resistance unit 3 and the sensitivity of the NOx sensor 1 to ammonia is examined.
The sensitivity of the NOx sensor 1 to ammonia was evaluated by the following index “NH 3 / NO sensitivity ratio”. The “NH 3 / NO sensitivity ratio” is a ratio of sensor outputs obtained when two types of gas to be measured containing NO and ammonia (NH 3 ) of the same concentration are supplied to the NOx sensor 1. . This ratio has the same value as the ratio of ammonia oxidized in the diffusion resistance portion 3. That is, for example, when all ammonia is oxidized in the diffusion resistance unit 3 to generate NO, the “NH 3 / NO sensitivity ratio” is 100%, and when half is oxidized to generate NO, “NH 3 / NO The “sensitivity ratio” is 50%, and 0% when NO is not generated without oxidation.

この「NH3/NO感度比」が、拡散抵抗部3の温度によってどのように変化するかを調べた。
具体的には、参考例1のNOxセンサ1の拡散抵抗部3に温度検出用の熱電対を埋め込み、NOxセンサ1のセラミックヒータ13への投入電力を変えることで拡散抵抗部3の温度を変化させ、拡散抵抗部3の温度に対するNOガスとNH3ガスに対するセンサ出力(センサセル4に流れる電流)を測定した。
まず、NOガス濃度100ppm、O2濃度5%、バランスガスN2の混合ガスを調製し、この混合ガス(NO混合ガス)を被測定ガスとしてセンサ出力を計測した。
同様に、NH3ガス濃度100ppm、O2濃度5%、バランスガスN2の混合ガスを調製し、この混合ガス(NH3混合ガス)を測定ガスとしてセンサ出力を計測した。
It was examined how this “NH 3 / NO sensitivity ratio” changes depending on the temperature of the diffusion resistance section 3.
Specifically, a temperature detection thermocouple is embedded in the diffusion resistance portion 3 of the NOx sensor 1 of Reference Example 1 , and the temperature of the diffusion resistance portion 3 is changed by changing the input power to the ceramic heater 13 of the NOx sensor 1. The sensor output (current flowing through the sensor cell 4) for NO gas and NH 3 gas with respect to the temperature of the diffusion resistance unit 3 was measured.
First, a mixed gas of NO gas concentration 100 ppm, O 2 concentration 5% and balance gas N 2 was prepared, and the sensor output was measured using this mixed gas (NO mixed gas) as a measurement gas.
Similarly, a mixed gas of NH 3 gas concentration of 100 ppm, O 2 concentration of 5% and balance gas N 2 was prepared, and the sensor output was measured using this mixed gas (NH 3 mixed gas) as a measurement gas.

これらの計測を、拡散抵抗部3の温度を500〜900℃の範囲で変えて実施した。このようにして計測した、拡散抵抗部3の各温度における上記NO混合ガス及び上記NH3混合ガスに対するセンサ出力を基に、O2濃度5%でのNH3感度のNO感度に対する比率であるNH3/NO感度比(%)と拡散抵抗部3の温度との関係を求めた。その結果を図4に示す。なお、図4はO2濃度を5%としたときのデータであるが、被測定ガス中のO2濃度を1〜20%の範囲で変化させた場合にも、その変化はほとんど影響がなかった。 These measurements were performed by changing the temperature of the diffused resistor portion 3 in the range of 500 to 900 ° C. NH 3 is the ratio of the NH 3 sensitivity to the NO sensitivity at an O 2 concentration of 5% based on the sensor output for the NO mixed gas and the NH 3 mixed gas at each temperature of the diffusion resistance unit 3 measured in this way. The relationship between the 3 / NO sensitivity ratio (%) and the temperature of the diffusion resistance portion 3 was determined. The result is shown in FIG. FIG. 4 shows data when the O 2 concentration is 5%. However, even when the O 2 concentration in the gas to be measured is changed in the range of 1 to 20%, the change has almost no effect. It was.

図4においては、実測値を「□」にてプロットし、これらを繋げる近似曲線Lを描いた。同図から分かるように、拡散抵抗部3の温度が高いほど、NH3/NO感度比が高くなる。そして、拡散抵抗部3の温度が700℃以上となると、NH3/NO感度比が50%を超えて急激に高くなる。さらに、拡散抵抗部3の温度が800℃以上となると、NH3/NO感度比は85%以上と高い値を示すと共にほぼ飽和した。 In FIG. 4, the actual measurement values are plotted with “□”, and an approximate curve L connecting them is drawn. As can be seen from the figure, the higher the temperature of the diffused resistor portion 3, the higher the NH 3 / NO sensitivity ratio. When the temperature of the diffused resistor portion 3 is 700 ° C. or higher, the NH 3 / NO sensitivity ratio exceeds 50% and rapidly increases. Furthermore, when the temperature of the diffused resistor portion 3 was 800 ° C. or higher, the NH 3 / NO sensitivity ratio showed a high value of 85% or higher and was almost saturated.

この結果から、拡散抵抗部3の温度を700℃以上に制御することによって、拡散抵抗部3においてアンモニアの半分以上を酸化してNOxとすることができるため、NOxセンサ1のアンモニアに対する感度を充分に得ることができることが分かる。
さらに、拡散抵抗部3の温度を800℃以上に制御することによって、拡散抵抗部3においてアンモニアの大部分を酸化してNOxとすることができ、NOxセンサのアンモニアに対する感度をさらに高めることができることが分かる。したがって、使用時における拡散抵抗部3の温度を800℃以上の所定温度(例えば850℃±20℃)に制御することが、アンモニア検出精度の観点から、より望ましいといえる。
From this result, by controlling the temperature of the diffusion resistance unit 3 to 700 ° C. or higher, it is possible to oxidize more than half of ammonia in the diffusion resistance unit 3 to make NOx, so that the NOx sensor 1 has sufficient sensitivity to ammonia. It can be seen that can be obtained.
Furthermore, by controlling the temperature of the diffusion resistance unit 3 to 800 ° C. or more, most of the ammonia can be oxidized to NOx in the diffusion resistance unit 3 and the sensitivity of the NOx sensor to ammonia can be further increased. I understand. Therefore, it can be said that it is more desirable from the viewpoint of ammonia detection accuracy to control the temperature of the diffusion resistance unit 3 during use to a predetermined temperature of 800 ° C. or higher (for example, 850 ° C. ± 20 ° C.).

(実施例
本例は、図5に示すごとく、温度検出手段61の構成を実施例1に対して変更した例である。すなわち、温度検出手段61は、ポンプ用固体電解質体51に設けた一対の測定電極611、612の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出するよう構成され、一方の測定電極611が拡散抵抗部3と接触している。
なお、他方の測定電極612は、被測定ガス室2に面したポンプ用電極521と共通の電極からなる。
その他は、参考例1と同様である。
(Example 1 )
In this example, as shown in FIG. 5, the configuration of the temperature detecting means 61 is changed from that of the first embodiment. That is, the temperature detection means 61 is configured to measure the impedance between the pair of measurement electrodes 611 and 612 provided on the solid electrolyte body 51 for the pump, and detect the temperature of the diffusion resistance unit 3 based on the measured value. One measurement electrode 611 is in contact with the diffused resistor portion 3.
The other measurement electrode 612 is an electrode common to the pump electrode 521 facing the gas chamber 2 to be measured.
Others are the same as in Reference Example 1 .

本例の場合には、ポンプ用固体電解質体51における拡散抵抗部3に接触した部分におけるインピーダンスを測定することができるため、一層高精度な拡散抵抗部3の温度測定が可能となる。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, since the impedance at the portion in contact with the diffusion resistance portion 3 in the solid electrolyte body 51 for pump can be measured, the temperature of the diffusion resistance portion 3 can be measured with higher accuracy.
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.

(実施例
本例は、図6に示すごとく、温度検出手段61を、一対の測定電極621、622とポンプ用固体電解質体51とから構成される温度検出セル62によって構成した例である。一方の測定電極621は拡散抵抗部3に接触して形成され、他方の測定電極622はポンプ用固体電解質体51を挟んで一方の測定電極621の反対側に形成されている。
かかる構成において、温度検出セル62のインピーダンスを測定することによって、拡散抵抗部3の温度を検出する。
(Example 2 )
In this example, as shown in FIG. 6, the temperature detection means 61 is configured by a temperature detection cell 62 including a pair of measurement electrodes 621 and 622 and a pump solid electrolyte body 51. One measurement electrode 621 is formed in contact with the diffused resistor portion 3, and the other measurement electrode 622 is formed on the opposite side of the one measurement electrode 621 with the pump solid electrolyte body 51 interposed therebetween.
In such a configuration, the temperature of the diffusion resistance unit 3 is detected by measuring the impedance of the temperature detection cell 62.

本例においても、温度検出セル62のインピーダンスと拡散抵抗部3の温度との関係を、拡散抵抗部3に温度検出用の熱電対を配置した同仕様の別の素子を用いて予め測定しておく。その上で、温度検出セル4のインピーダンスから拡散抵抗部3の温度を推定し、拡散抵抗部3が所望の温度となるようにセラミックヒータ13を制御することができる。
その他は、参考例1と同様である。
Also in this example, the relationship between the impedance of the temperature detection cell 62 and the temperature of the diffusion resistance unit 3 is measured in advance using another element of the same specification in which a thermocouple for temperature detection is arranged in the diffusion resistance unit 3. deep. Then, the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be estimated from the impedance of the temperature detection cell 4, and the ceramic heater 13 can be controlled so that the diffusion resistance unit 3 has a desired temperature.
Others are the same as in Reference Example 1 .

本例の場合には、温度検出セル4を拡散抵抗部3に接触して形成しているので、より正確に拡散抵抗部3の温度を制御可能である。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, since the temperature detection cell 4 is formed in contact with the diffusion resistance unit 3, the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be controlled more accurately.
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.

(実施例
本例は、図7に示すごとく、温度検出手段61を、一対の測定電極631、632とセンサ用固体電解質体41とから構成される温度検出セル63によって構成した例である。一方の測定電極631は拡散抵抗部3に近接して形成され、他方の測定電極632はセンサ用固体電解質体41を挟んで一方の測定電極631の反対側に形成されている。
(Example 3 )
In this example, as shown in FIG. 7, the temperature detecting means 61 is configured by a temperature detecting cell 63 including a pair of measuring electrodes 631 and 632 and a sensor solid electrolyte body 41. One measurement electrode 631 is formed in the vicinity of the diffused resistor portion 3, and the other measurement electrode 632 is formed on the opposite side of the one measurement electrode 631 across the sensor solid electrolyte body 41.

さらに、本例のNOxセンサ1においては、基準酸素濃度ガスとしての大気に曝されるセンサ用電極422と被測定ガスに曝される測定電極632とセンサ用固体電解質体41とから構成される酸素センサセル14が構成される。センサ用電極422と測定電極632との間にはネルンスト式に基づいて酸素濃淡電池による起電力が発生し、これにより被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
その他は、実施例と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。
Further, in the NOx sensor 1 of the present example, oxygen composed of the sensor electrode 422 exposed to the atmosphere as the reference oxygen concentration gas, the measurement electrode 632 exposed to the gas to be measured, and the sensor solid electrolyte body 41. A sensor cell 14 is configured. An electromotive force generated by the oxygen concentration cell is generated between the sensor electrode 422 and the measurement electrode 632 based on the Nernst equation, whereby the oxygen concentration in the gas to be measured can be detected.
Others have the same configuration as that of the second embodiment, and have the same effects.

(実施例
本例では、図8に示すごとく、温度検出手段61を、拡散抵抗部3に接触配置した熱電対64によって構成した例である。
すなわち、拡散抵抗部3に熱電対64を配置し、これにより拡散抵抗部3の温度を直接計測して、拡散抵抗部3が所望の温度となるようにセラミックヒータ13を制御する。熱電対64には、例えばPt、Pt−Rhの組み合わせを用いることができる。
その他は、参考例1と同様である。
(Example 4 )
In this example, as shown in FIG. 8, the temperature detecting means 61 is an example configured by a thermocouple 64 arranged in contact with the diffused resistor portion 3.
That is, the thermocouple 64 is arranged in the diffusion resistance unit 3, thereby directly measuring the temperature of the diffusion resistance unit 3 and controlling the ceramic heater 13 so that the diffusion resistance unit 3 has a desired temperature. For the thermocouple 64, for example, a combination of Pt and Pt-Rh can be used.
Others are the same as in Reference Example 1 .

本例の場合には、熱電対64により拡散抵抗部3における温度を直接測定できるため、高精度な温度測定が可能となり、より正確に拡散抵抗部3の温度を制御可能となる。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
In the case of this example, since the temperature in the diffusion resistance unit 3 can be directly measured by the thermocouple 64, it is possible to measure the temperature with high accuracy and to control the temperature of the diffusion resistance unit 3 more accurately.
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.

参考例2
本例は、図9に示すごとく、温度検出手段61を、セラミックヒータ13のヒータ抵抗を測定することによって拡散抵抗部3の温度を検出するヒータ抵抗検出手段によって構成した例である。
ここで、ヒータ抵抗は、セラミックヒータ13における発熱体132の抵抗値である。
ヒータ抵抗と拡散抵抗部3との温度の関係を、拡散抵抗部3に温度検出用の熱電対を配置した同仕様の別の素子を用いて予め測定しておく。その上で、各NOxセンサ1におけるヒータ抵抗を測定することにより、ヒータ抵抗から拡散抵抗部3の温度を推定し、拡散抵抗部3の温度を把握することができる。そして、この拡散抵抗部3の温度が所望の温度となるようにセラミックヒータ13を制御することができる。
その他は、参考例1と同様である。
( Reference Example 2 )
In this example, as shown in FIG. 9, the temperature detection unit 61 is configured by a heater resistance detection unit that detects the temperature of the diffusion resistance unit 3 by measuring the heater resistance of the ceramic heater 13.
Here, the heater resistance is a resistance value of the heating element 132 in the ceramic heater 13.
The temperature relationship between the heater resistance and the diffusion resistance unit 3 is measured in advance using another element of the same specification in which a thermocouple for temperature detection is arranged in the diffusion resistance unit 3. Then, by measuring the heater resistance in each NOx sensor 1, the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be estimated from the heater resistance, and the temperature of the diffusion resistance unit 3 can be grasped. Then, the ceramic heater 13 can be controlled so that the temperature of the diffusion resistance unit 3 becomes a desired temperature.
Others are the same as in Reference Example 1 .

また参考例1と同様の作用効果を有する。 Moreover , it has the same effect as Reference Example 1 .

1 NOxセンサ
2 被測定ガス室
3 拡散抵抗部
4 センサセル
41 センサ用固体電解質体
421、422 センサ用電極
5 ポンプセル
51 ポンプ用固体電解質体
521、522 ポンプ用電極
6 温度制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 NOx sensor 2 Gas chamber to be measured 3 Diffusion resistance part 4 Sensor cell 41 Sensor solid electrolyte body 421, 422 Sensor electrode 5 Pump cell 51 Pump solid electrolyte body 521, 522 Pump electrode 6 Temperature control means

Claims (3)

被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触していることを特徴とするNOxセンサ。
A gas chamber to be measured into which the gas to be measured is introduced;
A diffusion resistance portion provided in the introduction portion of the measurement gas in the measurement gas chamber;
An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a sensor, and a pair of sensor electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for the sensor, A sensor cell for detecting the NOx concentration in the gas chamber;
An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a pump, and a pair of pump electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for pump, A pump cell for adjusting the oxygen concentration in the gas chamber;
The temperature of the diffusion resistance portions have a temperature control means for controlling the above 700 ° C. during use,
The temperature control means includes a heater that generates heat when energized, and a temperature detection means that directly or indirectly detects the temperature of the diffusion resistance portion.
The temperature detecting means measures an impedance between a pair of measurement electrodes provided on the sensor solid electrolyte body or the pump solid electrolyte body, and detects the temperature of the diffusion resistance section based on the measured value. A NOx sensor comprising: a pair of measurement electrodes, at least one of which is in contact with the diffusion resistance portion .
被測定ガスが導入される被測定ガス室と、  A gas chamber to be measured into which the gas to be measured is introduced;
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、  A diffusion resistance portion provided in the introduction portion of the measurement gas in the measurement gas chamber;
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、  An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a sensor, and a pair of sensor electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for the sensor, A sensor cell for detecting the NOx concentration in the gas chamber;
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、  An oxygen ion conductive solid electrolyte body for a pump, and a pair of pump electrodes disposed on a surface opposite to the surface facing the gas chamber to be measured in the solid electrolyte body for pump, A pump cell for adjusting the oxygen concentration in the gas chamber;
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、  Temperature control means for controlling the temperature of the diffused resistor portion in use to 700 ° C. or higher,
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、  The temperature control means includes a heater that generates heat when energized, and a temperature detection means that directly or indirectly detects the temperature of the diffusion resistance portion.
該温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなることを特徴とするNOxセンサ。  The NOx sensor, wherein the temperature detecting means comprises a thermocouple disposed in contact with the diffusion resistance portion.
請求項1又は2において、上記温度制御手段は、使用時における上記拡散抵抗部の温度を800℃以上に制御することを特徴とするNOxセンサ。 3. The NOx sensor according to claim 1 or 2, wherein the temperature control means controls the temperature of the diffused resistor portion during use to 800 ° C. or higher.
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