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
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.
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3)。
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3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
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
The
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
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
Further, the
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
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
The
The
The spacer layers 121, 122, and 124 and the
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
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
The temperature detection means 61 is configured to measure the impedance in the
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
Here, as described above, since the
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
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
That is, the gas to be measured is introduced into the
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
The
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
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
In the
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
Therefore, in order to control the addition amount of urea to an appropriate amount, the
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
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
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
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
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
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
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
As a result, this NOx is detected in the
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
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
Moreover, the temperature detection means 61 measures the impedance in the
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
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
The sensitivity of the
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
Specifically, a temperature detection thermocouple is embedded in the
First, a mixed gas of NO
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
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
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
Furthermore, by controlling the temperature of the
(実施例1)
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
The
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
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.
(実施例2)
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
In such a configuration, the temperature of the
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
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
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.
(実施例3)
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
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2と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。
Further, in the
Others have the same configuration as that of the second embodiment, and have the same effects.
(実施例4)
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
That is, the
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
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
Here, the heater resistance is a resistance value of the
The temperature relationship between the heater resistance and the
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
Claims (3)
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 .
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.
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