JP5101446B2 - 粒子状物質検出センサ - Google Patents
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第1測定素子11及び第2測定素子12としては、多孔質体であることが好ましく、本実施形態では、少なくともAl2O3、SiO2、MgO、及びCaOを含む天草陶土から形成された多孔質体が用いられている。天草陶土は、天草地方で産出される陶器の原料である。天草陶土を用いて形成された多孔質体は、排ガス流路での使用に際し、排ガスで想定される温度域(最高で800℃)において、十分な耐熱性及び機械的強度を有する。これは、天草陶土に含まれるSiO2がバインダー的な役割を担い、排ガス流路での使用に耐え得る強度を発現するためであると考えられる。
第1熱起電力発生部材13及び第2熱起電力発生部材14を構成する部材は、PMの燃焼により生じる熱により起電力を発生するものであればよく、本実施形態では、一般的な熱起電力発生部材である熱電対が用いられている。また、第1熱起電力発生部材13と第2熱起電力発生部材14とでは、同一の材質からなる熱電対が用いられている。
検出手段15では、第1熱起電力発生部材13で発生した熱起電力と第2熱起電力発生部材14で発生した熱起電力との差に基づいて、PM量が検出される。各熱起電力発生部材で生じた熱起電力は、各測定素子で発生したPM燃焼熱に比例することから、両熱起電力の差分を求めることにより、PM量を検出することができる。
また、検出手段15では、PMを構成するSootを燃焼させずにSOFを燃焼させる第1燃焼領域、並びにSoot及びSOFを燃焼させる第2燃焼領域それぞれにおいて、第1熱起電力発生部材13で発生した熱起電力と、第2熱起電力発生部材14で発生した熱起電力の差分を求め、それら差分に基づいて、Soot及びSOFそれぞれの量を検出することができる。PM、Soot、及びSOFそれぞれの量を検出可能な理由の詳細については、後述する。
本実施形態に係るPMセンサ10を内燃機関の排気流路20内に設置すると、第1測定素子11及び第2測定素子12に排ガス中のPMが付着する。PMを燃焼させる酸化能を有する第1測定素子11は、PMが自然燃焼する温度である600℃よりも低い温度でPMを燃焼する。これに対して、第2測定素子12は第1測定素子11よりも酸化能が低く、図2に示されるように、第1測定素子11上ではPMが燃焼し、第2測定素子12上ではPMは燃焼しないような温度下では、両者間にPM燃焼熱の差が生じる。発生したPM燃焼熱は、第1測定素子11及び第2測定素子12のそれぞれに接続されている第1熱起電力発生部材13及び第2熱起電力発生部材14に作用し、それぞれ異なる熱起電力が発生する。具体的には、第1熱起電力発生部材13で発生する熱起電力Aは、第2熱起電力発生部材14で発生する熱起電力Bよりも大きい。これらの熱起電力の差はPM量に比例することから、この熱起電力差A−Bを捉えることにより、精度良くPM量を検出することができる。
例えば、SOFの検出は、T0以下の領域で、HCを十分に酸化できる温度(T1:300℃程度)で検出でき、PMの検出は、T0以上の領域でCB50%減少温度(T2:500℃程度)で検出できる。ここで、CB50%減少としたのは、CB減少率が50%のときにPM燃焼速度が最も大きいからである。
例えば、同一の多孔質体上に第1測定素子11及び第2測定素子12を設けることができる。具体的には、天草陶土から形成された多孔質体の一部を、硝酸銀水溶液中に浸漬させることにより、一部にAgを担持させることができ、第1測定素子11及び第2測定素子12を同一の多孔質体上に設けることができる。この変形例によれば、PMセンサを小型化でき、レイアウト上有利であるとともに、材料費を削減できる。
天草陶土から形成した多孔質体からなる素子(以下、セラミックス多孔質体素子という)、及びこれにAgを担持させた素子(以下、Ag担持セラミックス多孔質体素子という)について、従来よりPM燃焼活性を有する多孔質体として知られているLa0.9K0.1CoO3多孔質体(以下、LKC多孔質体素子という)とのPM燃焼活性の比較を行った。各素子の作製、及び評価方法は以下の通りとした。
天草陶土粉末に、孔形成剤としてPVAを所定量添加して混合した。混合粉末を、錠剤成型器を用いて、20MPaで10分間の成型処理を行った。成型後、800℃で焼成することにより、PVAが揮発して形成された気孔を有するセラミックス多孔質体素子を得た。
また、得られたセラミックス多孔質体素子を、硝酸銀水溶液に浸漬(ディップコート法)させることにより、Agを5重量%担持させ、Ag担持セラミックス多孔質体素子を得た。
作製した各素子に対して、PMの代替物としてCBを5.0重量%担持させた。CBを担持させた各素子について、以下の条件でTG測定を行い、それらの熱重量変化を比較することにより、PM燃焼活性の評価を行った。なお、評価に際しては、スパチュラを用いて一定時間、素子にCBを振りかけて付着させるLC法(loose contact法)により、排ガス中でのPMと素子との接触状態を模擬的に再現した。
サンプル:5.0重量%CB/素子(約10mg)
雰囲気:空気中
昇温速度:10℃/分で800℃まで
接触状態:スパチュラで一定時間混合(loose contact、以下LCという)
本発明の効果を、市販のディーゼル発電機から排出される排ガスを用いて検証した。検証には、図8に示されるテスト装置50を用いた。具体的には、ディーゼル発電機60から排出される排ガスの全量を、テスト装置50に取り込み、PM検出テストを実施した。テスト部は、石英ガラス管61内(内径φ50mm)で、その外側に電気ヒータ56を設置し、雰囲気温度を所定の温度に調節した。温度は、上述したように図3を参考にして設定した。
原料は、天草地方で産出された陶器の原料となる天草陶土粉末を用いた。多孔質体とするために、孔形成剤としてPVAを天草陶土に対して体積比で1:3となるように添加した。添加後、混練し、該粉末を金型に充填して20MPaで10分間、一軸加圧成型した。成型体を空気中で800℃×5時間の焼成を行い、多孔質体を作製した。センサ素子51とする多孔質体については、さらに硝酸銀水溶液に浸漬してAgを担持させた。Agの担持量は5重量%とした。
石英ガラス管61内に、センサ素子51及び参照素子52を設置し、電気ヒータ56で温度を500℃に安定させた。次いで、無負荷の状態でディーゼル発電機60を起動し、排ガスをテスト部に導入した。一定時間、排ガスを流通させた後、ディーゼル発電機60を停止した。その間、センサ素子51及び参照素子52からの熱起電力出力をモニターし、その差分を計算した。なお、排ガス中のPM濃度は、テストラインから一定流量のガスをポンプ57で取り出し、そのガスをテフロン(登録商標)フィルタ58に通してPMを濾過し、フィルタの前後重量差からPM濃度を算出した。
電気ヒータ56の設定温度を、500℃ではなく350℃に設定した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
ディーゼル発電機60に、定格出力の31%に相当する抵抗を接続した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
ディーゼル発電機60に、定格出力の44%に相当する抵抗を接続した以外は、実施例1と同様の操作を行った。
実施例1のPM検出テストにおける時間と熱起電力差との関係を図9に、時間とセンサ温度との関係を図10に示す。
図9及び10に示されるように、ディーゼル発電機60の始動前は、センサ素子51及び参照素子52からの熱起電力が同じであるため、熱起電力の差分は発生しない。ディーゼル発電機60を始動し、排ガスをテスト部に導入すると、センサ素子51に付着したPM(SOF+Soot)が酸化燃焼するため、参照素子52との熱起電力差が生じる。時間の経過とともに熱起電力差は減少し、あるところで一定になる。これは、電気ヒータ56で500℃に加温しているものの、それよりも温度の低い排ガスが流入することによりテスト部の温度が低下し、センサ温度が250℃程度で安定した結果、PM中のSOFのみが酸化燃焼して生じた熱起電力の差を示しているためである。
その後、ディーゼル発電機60を停止すると、再び熱起電力差が上昇してピークを迎えた後、減少に転じ、熱起電力差が消失する。これは、排ガスが流入しなくなったため電気ヒータ56により再び500℃に加温される結果、排ガス流入中に酸化燃焼できずに堆積したSootが酸化燃焼されることにより、熱起電力差が生じたためである。従って、センサ温度を所定の温度に制御することにより、PM中のSootとSOFとを分離して検出することができることが分かった。
比較例1のPM検出テストにおける時間と熱起電力差との関係を図11に、時間とセンサ温度との関係を図12に示す。
図11及び12に示されるように、ディーゼル発電機60の始動前は、センサ素子51及び参照素子52からの熱起電力が同じであるため、熱起電力の差分は発生しない。ディーゼル発電機60を始動して排ガスをテスト部に導入すると、電気ヒータ56の設定温度が350℃であることから、センサ素子51にPMが付着するときの温度も350℃と低いため、SOFのみが燃焼し、その差分の熱起電力差が生じる。しかしながら、排ガス流入によりセンサ温度が200℃以下まで下がるため、SOFも酸化燃焼できなくなり、参照素子52との熱起電力差は生じない。
その後、ディーゼル発電機60を停止し、テスト部へ排ガスが流入しなくなると、電気ヒータ56により加温されても、付着したSootの酸化燃焼が生じないため、熱起電力差は発生しない。この結果から、センサ温度を、Sootを酸化燃焼できる温度で制御しないと、正確なPM検出を行うことができないことが分かった。
実施例1〜3のPM検出テストにおける時間と熱起電力差との関係を図13に、時間とセンサ温度との関係を図14に、発生したPM濃度と熱起電力差との関係をプロットした図を図15に示す。また、ディーゼル発電機60始動直後(図13のPの部分)におけるPM濃度と熱起電力差を表1に示す。
11 第1測定素子
12 第2測定素子
13 第1熱起電力発生部材
14 第2熱起電力発生部材
15 検出手段
Claims (5)
- 内燃機関から排出される排ガス中に含まれる粒子状物質を検出するための検出センサであって、
前記粒子状物質を燃焼させる酸化能を有する第1測定素子と、
前記粒子状物質を燃焼させる酸化能が前記第1測定素子より低い第2測定素子と、
前記第1測定素子及び前記第2測定素子のそれぞれに接続され、前記粒子状物質の燃焼熱により起電力を発生する第1熱起電力発生部材及び第2熱起電力発生部材と、
前記第1熱起電力発生部材で発生した熱起電力と前記第2熱起電力発生部材で発生した熱起電力との差に基づいて、前記粒子状物質の量を検出する検出手段と、を備え、
前記検出手段は、前記粒子状物質を構成する煤は燃焼しないが可溶性有機物が燃焼する温度領域である第1燃焼領域、並びに前記煤及び前記可溶性有機物が燃焼する温度領域である第2燃焼領域の各温度領域における、前記第1熱起電力発生部材で発生した熱起電力と前記第2熱起電力発生部材で発生した熱起電力との差に基づいて、前記煤及び前記可溶性有機物それぞれの量を検出することを特徴とする粒子状物質検出センサ。 - 前記第1測定素子及び前記第2測定素子は、同一の多孔質体上に設けられていることを特徴とする請求項1記載の粒子状物質検出センサ。
- 前記第1測定素子及び前記第2測定素子は、少なくともAl2O3、SiO2、MgO、及びCaOを含む天草陶土から形成された多孔質体であることを特徴とする請求項1又は2記載の粒子状物質検出センサ。
- 前記第1測定素子及び前記第2測定素子は、孔形成剤としてポリビニルアルコールを用いて形成された多孔質体であることを特徴とする請求項3記載の粒子状物質検出センサ。
- 前記第1測定素子は、少なくともAgを含むことを特徴とする請求項1から4いずれか記載の粒子状物質検出センサ。
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