JP5746991B2 - 煤 Detection device - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中に含まれるカーボンからなる煤を主成分とする粒子状物質(PM)を検出する煤検出装置に関する。 The present invention relates to a soot detection device that is used in an exhaust system of an internal combustion engine for automobiles and that detects particulate matter (PM) mainly composed of soot made of carbon contained in a gas to be measured.
自動車用ディーゼルエンジン等において、燃焼排気に含まれる環境汚染物質、特に煤粒子(Soot)及び可溶性有機成分(SOF)を主体とする粒子状物質(Particulate Matter;PM)を捕集するために、排気通路にディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)を設置することが行われている。DPFは、耐熱性に優れる多孔質セラミックスからなり、多数の細孔を有する隔壁に燃焼排気を通過させて粒子状物質を捕捉する。
DPFは、粒子状物質捕集量が許容量を超えると、目詰まりが生じて圧力損失が増大したり、粒子状物質のすり抜けが増加したりする恐れがあり、定期的に再生処理を行って捕集能力を回復させている。
DPFの再生時期は、一般的には、粒子状物質捕集量の増加によりDPF前後の差圧が増大することを利用しており、このため、DPFの上流及び下流の圧力差を検出する差圧センサが設置される。
DPFの再生処理は、ヒータ加熱あるいはポスト噴射等により高温の燃焼排気をDPF内に導入により、粒子状物質を燃焼除去して行う。
In order to collect environmental pollutants contained in combustion exhaust, particularly particulate matter (PM) mainly composed of soot particles and soluble organic components (SOF) in automobile diesel engines, etc. A diesel particulate filter (DPF) is installed in the passage. The DPF is made of porous ceramics having excellent heat resistance, and captures particulate matter by passing combustion exhaust gas through a partition wall having a large number of pores.
If the amount of collected particulate matter exceeds the permissible amount, DPF may cause clogging and increase pressure loss or increase the slipping of particulate matter. The collection ability is restored.
The regeneration timing of the DPF generally uses the fact that the differential pressure before and after the DPF increases due to an increase in the amount of collected particulate matter. For this reason, the difference in detecting the pressure difference between the upstream and downstream of the DPF is used. A pressure sensor is installed.
The regeneration process of the DPF is performed by burning and removing particulate matter by introducing high-temperature combustion exhaust gas into the DPF by heater heating or post injection.
一方、燃焼排気中の粒子状物質を直接検出可能なセンサとして、例えば、特許文献1には、第1酸素濃度測定部の第1検知電極と煤捕集層を、煤の侵入が可能な構成とすると共に、第2酸素濃度測定部の第2検知電極の表面に煤の侵入防止する煤制限層を設けた煤検出センサを用いて、第1酸素濃度測定部の温度を、煤が残存し、しかも、ポンピングによる酸素によって煤の燃焼が可能な温度に制御し、この状態で、第1酸素濃度測定部の両電極間に電圧を印加して酸素のポンピングを行い、このポンピングされた酸素を用いて前記温度で煤を燃焼させて、第1酸素濃度測定部の電極間の電流値I1と第2酸素濃度測定部の電極間の電流値I2との差(ΔI=I1−I2)から、煤の積算量を算出できることが記載されている。 On the other hand, as a sensor capable of directly detecting particulate matter in combustion exhaust gas, for example, in Patent Document 1, the first detection electrode and the soot trapping layer of the first oxygen concentration measurement unit are configured to allow soot to enter. In addition, the temperature of the first oxygen concentration measurement unit remains at the temperature of the first oxygen concentration measurement unit using a soot detection sensor provided with a soot restriction layer that prevents intrusion of soot on the surface of the second detection electrode of the second oxygen concentration measurement unit. In addition, the temperature is controlled so that soot can be combusted by oxygen generated by pumping. In this state, a voltage is applied between both electrodes of the first oxygen concentration measuring unit to pump oxygen, and the pumped oxygen is reduced. The soot is burned at the temperature using the difference between the current value I1 between the electrodes of the first oxygen concentration measurement unit and the current value I2 between the electrodes of the second oxygen concentration measurement unit (ΔI = I1−I2), It describes that the total amount of soot can be calculated.
また、このセンサを、DPFの下流に設置した場合には、DPFをすり抜ける粒子状物質を測定し、車載式故障診断装置(OBD:On Board Diagnosis)において、DPFの作動状態の監視、例えば亀裂や破損といった異常の検出に利用することができる。あるいはDPFの上流に設置して、DPFに流入する粒子状物質量を測定し、差圧センサに代えて再生時期の判断に利用することも検討されている。 In addition, when this sensor is installed downstream of the DPF, the particulate matter passing through the DPF is measured, and the on-board diagnosis (OBD) monitoring of the operating state of the DPF, for example, cracking or It can be used to detect abnormalities such as breakage. Alternatively, it has been studied to install upstream of the DPF, measure the amount of particulate matter flowing into the DPF, and use it to determine the regeneration timing instead of the differential pressure sensor.
ところが、特許文献1にあるように、第1酸素濃度測定部の電極間の電流値I1と、第1酸素濃度測定部の電極間の電流値I2との差ΔI=I1−I2を用いて煤を検出しても、第1酸素濃度測定部の電極間の電流値I1には、煤の燃焼に用いられる電流以外に、煤の燃焼のみならず、単なる酸素ポンピングのための電流が含まれているため、第1酸素濃度検出部と中間室との酸素濃度の違いが重畳的に検出され、検出誤差が大きくなる虞があった。 However, as disclosed in Patent Document 1, the difference ΔI = I1−I2 between the current value I1 between the electrodes of the first oxygen concentration measurement unit and the current value I2 between the electrodes of the first oxygen concentration measurement unit is , The current value I1 between the electrodes of the first oxygen concentration measuring unit includes not only the soot combustion but also the current for simple oxygen pumping in addition to the soot combustion. Therefore, the difference in oxygen concentration between the first oxygen concentration detector and the intermediate chamber is detected in a superimposed manner, and there is a possibility that the detection error increases.
そこで、かかる実情に鑑み、本発明は、検知電極と基準電極との間の電圧を所定の値に制御することで、検知電極上に堆積した煤量を高精度に検出可能な煤検出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, in view of such circumstances, the present invention provides a soot detection device capable of detecting the soot amount deposited on the sensing electrode with high accuracy by controlling the voltage between the sensing electrode and the reference electrode to a predetermined value. The purpose is to provide.
請求項1の発明(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g)では、少なくとも、酸素イオン導電性の固体電解質体(4)の表面において、被測定ガス空間(11)内に存在し、煤を含む被測定ガスに面する第1の検知電極(22、22b、22f)と、前記被測定ガス空間(11)とは別に区画した基準ガス空間(51、51a、51c、51g)内に存在し、又は、前記被測定ガス空間(11)と同一の空間とした基準ガス空間(51f)内に存在し、煤を含まない基準ガスに面する第1の基準電極(21、21b、21f)とからなる一対の電極(21、22、21b、22b、21f、22f)を有し、これらの一対の電極(21、22、21b、22b、21f、22f)間への通電により前記第1の基準電極(21、21b、21f)から前記第1の検知電極(22、22b、22f)に向かって前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤を酸化させるための酸素を供給する第1の電気化学セル(2、2b、2f)と、前記固体電解質体(4)を加熱する加熱手段(9)とを備えた煤検出素子(10、10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g)を被測定ガス中に配設して、前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤を酸化させたときの電気化学的変化を検出して、被測定ガス空間(11)内に存在する煤を検出する煤検出装置であって、前記第1の検知電極(22、22b、22f)と前記第1の基準電極(21、21b、21f)との間に印加する検知電圧(VD)と、煤が堆積していない状態における電圧閾値(VREF)とが等しくなるように電圧制御することにより、前記第1の基準電極(21、21b、21f)から前記第1の検知電極(22、22b、22f)に煤を酸化させるための酸素を供給して、前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤を酸化させたときに、前記第1の電気化学セル(2、2b、2f)に流れる酸素イオン電流信号(IPM)から前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤量を検出する手段を有する。
In the first aspect of the invention (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g), at least the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body (4) is in the measured gas space (11). A first detection electrode (22, 22b, 22f) that exists and faces the measurement gas including soot, and a reference gas space (51, 51a, 51c , 51g) separately from the measurement gas space (11) ) Or in a reference gas space (51f) that is the same space as the measured gas space (11) and faces the reference gas that does not contain soot (21, 21b, 21f) and a pair of electrodes (21, 22, 21b, 22b, 21f , 22f ), and energization between these pair of electrodes (21, 22, 21b, 22b, 21f , 22f ) The first reference electrode (21, 2 1b, 21f) supplies oxygen for oxidizing the soot deposited on the surface of the first detection electrode (22, 22b, 22f) toward the first detection electrode (22, 22b, 22f). A soot detecting element (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e) comprising a first electrochemical cell (2, 2b, 2f) and a heating means (9) for heating the solid electrolyte body (4), 10f, 10g) is disposed in the gas to be measured, and an electrochemical change when the soot deposited on the surface of the first sensing electrode (22, 22b, 22f) is oxidized is detected, A soot detecting device for detecting soot existing in a gas space (11) to be measured, the first sensing electrode (22, 22b, 22f) and the first reference electrode (21, 21b, 21f ), The detection voltage (V D ) applied between By controlling the voltage so as to be equal to the voltage threshold value (V REF ) in the non-connected state, the first reference electrode (21, 21b, 21f) is changed to the first detection electrode (22, 22b, 22f). by supplying oxygen for the oxidation of soot, the first sensing electrode (22, 22b, 22f) when to oxidize the soot deposited on the surface of said first electrochemical cell (2 and
請求項2の発明(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g)では、前記手段が、前記第1の電気化学セル(2、2b、2f)に流れる酸素イオン電流信号(IPM)の積算値(ISUM)から前記第1検知電極(22、22b)の表面上に堆積した煤量を検出することを特徴とする。 In the invention of claim 2 (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g), the means is an oxygen ion current signal (I) flowing through the first electrochemical cell (2, 2b, 2f). and detecting the deposited soot amount on the surface of the first sensing electrode from the integrated value (I SUM) (22,22b) of PM).
請求項3の発明(1a、1b、1c、1e、1f、1g)では、前記基準ガス空間(51a、51c、51g)と前記被測定ガス空間(11)とが連通し、又は、前記基準ガス空間(51f)と前記被測定ガス空間(11)とを同一の空間とし、かつ、前記被測定ガス空間(11)内の被測定ガスを被測定ガス中に存在する煤は透過せず、気体は透過する多孔質セラミック層(100a、100c、100f)を透過させて、煤を含まない前記基準ガスとして、前記第1の基準電極(21、21b)が接していることを特徴とする。 In the invention of claim 3 (1a, 1b, 1c, 1e, 1f, 1g), the reference gas space (51a , 51c, 51g ) and the measured gas space (11) communicate with each other, or the reference gas. The space (51 f) and the measured gas space (11) are the same space, and the soot existing in the measured gas does not pass through the measured gas in the measured gas space (11). Gas is transmitted through the porous ceramic layers (100a , 100c, 100f ), and the first reference electrode (21, 21b) is in contact as the reference gas containing no soot. .
請求項4の発明(1、1a、1d)では、前記固体電解質体(4)の表面に、前記第1の検知電極(22)と同じ被測定ガス空間(11)に対して、被測定ガス中に存在する煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層(100)を介して面する、第2の検知電極(32)と、前記第1の基準電極(21)と同じ、前記基準ガス空間(51、51a)に面して設けた第2の基準電極(31)とからなる一対の電極(31、32)を有し、これら一対の電極(31、32)間の起電力を測定する第2の電気化学セル(3)を備え、前記第2の電気化学セル(3)の電極(31、32)間の電圧を、前記電圧閾値(VREF)として、前記第1の電気化学セル(2)の電極(21、22)間に前記検知電圧(VD)を印加することを特徴とする。
In the invention (1, 1a, 1d) of
請求項5の発明(1b、1c、1e、1f、1g)では、前記第1の基準電極(21b、21f)が被測定ガス中の煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層(100a、100c、100f)を介して、前記第1の検知電極(22b、22f)が面する被測定ガス空間(11)に存在する被測定ガスと同一の気体が存在する基準ガス空間(51a、51c、51f)に面すると共に、前記第1の電気化学セル(2b、2f)の一対の電極(21b、22b、21f、22f)間を短絡させて、前記電圧閾値(VREF)、即ち、前記検知電圧(VD)を0とすることを特徴とする。 In the invention of claim 5 (1b, 1c, 1e, 1f, 1g), the first reference electrode (21b, 21f) is a porous ceramic layer ( 100a ) that does not transmit soot in the gas to be measured but does not transmit gas. , 100c , 100f), the reference gas space (51a, 51c) in which the same gas as the gas to be measured exists in the gas space to be measured (11) facing the first detection electrodes (22b, 22f ). , 51f) and short-circuiting between the pair of electrodes (21b, 22b , 21f, 22f ) of the first electrochemical cell (2b , 2f ), the voltage threshold (V REF ), that is, the The detection voltage (V D ) is set to 0.
請求項6の発明(1d、1e、1g)では、前記第1の検知電極(22、22b、22f)に対向して絶縁体(14)を介して設けた静電場印加電極(15)を有し、前記第1の検知電極(22、22b、22f)と前記静電場印加電極(15)との間に電圧(VST)を印加して静電場を形成することにより前記第1の検知電極の表面上に煤を捕集することを特徴とする。
The invention (1d, 1e, 1g) of
本発明によれば、被検出ガス空間(11)中に存在する気体の酸素濃度と煤量とが重畳的に変化しても、前記基準電極(21、21b、21f)と前記検知電極(22、22b。22f)との間の電圧(VD)を所定の電圧(VREF)に制御することで、被検出ガス空間(11)内の酸素濃度の変化による影響を相殺して、酸素ポンピングによる電流の影響を受けることなく、前記基準電極(21、21b、21f)から前記検知電極(22、22b、22f)に向かって前記検知電極(22、22b、22f)の表面上で煤の酸化に利用される酸素イオンのみがポンピングされ、この酸素イオン電流を測定することで前記検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤量を高精度に検出可能な、極めて信頼性の高い煤検出装置(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g)が実現できる。 According to the present invention, the reference electrode (21, 21b, 21f) and the detection electrode (22) even if the oxygen concentration and the soot amount of the gas existing in the detection gas space (11) change in a superimposed manner. , 22b, 22f) by controlling the voltage (V D ) to a predetermined voltage (V REF ), offsetting the influence of the change in the oxygen concentration in the detected gas space (11), and oxygen pumping Oxidation of soot on the surface of the detection electrode (22, 22b, 22f) from the reference electrode (21, 21b, 21f) to the detection electrode (22, 22b, 22f) without being affected by the current due to Only oxygen ions used in the pump are pumped, and by measuring this oxygen ion current, the amount of soot deposited on the surface of the sensing electrodes (22, 22b, 22f) can be detected with high accuracy. High wrinkle detection equipment (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g) can be realized.
図1、図2を参照して、本発明の第1の実施形態における煤検出装置1について説明する。
煤検出装置1は、少なくとも、酸素イオン導電性の固体電解質体4の表面において、被測定ガスの流れる被測定ガス空間11に面する第1の検知電極22と、第1の検知電極22の面する前記被測定ガス空間11とは別に区画した基準ガス空間51に面する第1の基準電極21とからなる一対の電極21、22を有し、これらの一対の電極21、22間への通電により第1の基準電極21から第1の検知電極22に向かって第1の検知電極22の表面上に堆積した煤を酸化させるための酸素を供給する第1の電気化学セル2と、固体電解質体4を加熱する加熱手段9とを備えた煤検出素子10を被測定ガス中に配設して、第1の検知電極22の表面上に堆積した煤を酸化させたときの電気化学的変化を検出して、被測定ガス空間11内に存在する煤を検出する煤検出装置1であって、第1の検知電極22と第1の基準電極21との間に印加する検知電圧VDと、煤が堆積していない状態における電圧閾値VREFとが等しくなるように電圧制御することにより、第1の基準電極21から前記第1の検知電極22に煤を酸化させるための酸素を供給して、第1の検知電極22の表面上に堆積した煤を酸化させ、このとき前記第1の電気化学セル2に流れる酸素イオン電流信号Iから第1の検知電極22の表面上に堆積した煤量を検出することを特徴とするものである。
With reference to FIG. 1, FIG. 2, the wrinkle detection apparatus 1 in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The soot detection device 1 includes at least a surface of the oxygen ion conductive
加えて、本実施形態においては、固体電解質体4の表面に、第1の検知電極22と同じ被測定ガス空間11に対して、被測定ガス中に存在する煤は透過せず気体は透過する多孔質セラミック層100を介して面する、第2の検知電極32と、第1の基準電極21と同じ、基準ガス空間51に面して設けた第2の基準電極31とからなる一対の電極31、32を有し、これら一対の電極31、32間の起電力を測定する第2の電気化学セル3を備え、第2の電気化学セル3の電極31、32間の電圧VREFを、電圧閾値VREFとして、第1の電気化学セル2の電極21、22間に検知電圧VDを印加することを特徴とする。
In addition, in the present embodiment, the soot existing in the measurement gas does not permeate the gas to be measured on the surface of the
第2の電気化学セル3において、第2の検知電極32は、被測定ガス空間11内を流れる気体は通すが、煤は通さない多孔質セラミック層100が形成されているため、煤が堆積していない状態において、被測定ガス空間11と基準ガス空間51との酸素濃度の差によって生じる起電力に基づく電圧VREFが検出され、第1の電気化学セル2に印加する検知電圧VDを、煤が堆積していない状態における電圧閾値VREFとして、第2の電気化学セル3で検出された電圧VREFに等しくなるようにフィードバック制御(F/B)している。
なお、後述する、本発明の煤検出装置を用いた試験により、被測定ガス中に存在する酸素濃度が変化したときでも、第1の検知電極22の表面上に堆積した既知量の煤に対して検出された積算電流ISUMが極めて高い精度で相関性を示すことが確認され、本発明においては、第1の電気化学セル2に流れる酸素イオン電流信号を所定の時間だけ積算した積算値ISUMから第1検知電極22の表面上に堆積した煤量を検出するようにするのが望ましいことが判明した。
本発明の煤検出装置を内燃機関の燃焼排気流路に設けて、いわゆるオンボードで使用する場合には、被測定ガスである燃焼排気中に含まれる煤量は未知であり、第1の検知電極22の表面上に堆積した煤は連続的に酸化され続けられることになる。
したがって、実際の検出制御においては、例えば、1sないし10s程度の一定時間に第1の電気化学セル2で検出される酸素イオン電流信号を積算し、その時間当たりに堆積・酸化された煤量を検出することとする。
In the second
Note that, even when the oxygen concentration present in the gas to be measured is changed by a test using the soot detection device of the present invention, which will be described later, a known amount of soot deposited on the surface of the
When the soot detection device of the present invention is provided in the combustion exhaust flow path of an internal combustion engine and used on a so-called onboard, the amount of soot contained in the combustion exhaust as the gas to be measured is unknown, and the first detection The soot deposited on the surface of the
Therefore, in the actual detection control, for example, the oxygen ion current signal detected by the first
煤検出装置1においては、第1の電気化学セル2及び第2の電気化学セル3を構成するためのシート状の固体電解質体4と、基準ガス空間51を形成するためのシート状のスペーサ5と、これらを加熱するヒータ9とが、順次積層されて煤検出素子10を構成している。より具体的な煤検出素子10の構成については、図2を参照して後述する。
本実施形態においては、第1の電気セル2に流れる電流IPMを検出する電流検出手段Aと、第2の電気セル3の電極31、32間の電圧VREFを検出する電圧検出手段Vとを具備し、電圧検出手段Vによって検出した被測定ガス空間11内の酸素濃度と基準ガス空間51の酸素濃度の差によって生じた電圧VREFと等しくなるように電流検出手段Aの検知電圧VDを制御することによって、酸素濃度の差に起因する第1の電気セル2の検出誤差を相殺し、第1の検知電極22の表面上に堆積した煤を酸化したときに流れる酸素イオン電流のみを電流検出手段Aによって精度良く検出できるようにしたものである。
なお、電圧検出手段Vは、第2の電気セルの第2の基準電極31と第2の検知電極32との間に任意の電圧を印加する電圧印加手段を含むものでも良い。
In the soot detecting device 1, a sheet-like
In this embodiment, a current detecting means A for detecting a current I PM flowing in the first
The voltage detection means V may include voltage application means for applying an arbitrary voltage between the
本実施形態における基準ガス空間51には、一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとしての大気が導入される。
基準ガス空間51は、図2に示すように、固体電解体4の下方に積層したスペーサ5に設けた抜き穴51にて形成される。さらに、この抜き穴51は、煤検出装置1の長手方向に伸びる溝としての通路部52を有し、この通路部52を通して大気が導入される。なお、スペーサ5は、公知のアルミナ等の絶縁材料よりなる。
第1の電気化学セル2、第2の電気化学セル3を構成するための固体電解質体4は、公知のジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有する電解質材料よりなる。
第1の電気化学セル2は、固体電解質体4と、固体電解質体4を挟むように対向配置された一対の第1の検知電極22と第1の基準電極21とにより構成される。
一対の電極21、22のうち、一方の第1の検知電極22は、被測定ガス空間11に対向する側の固体電解質体4の表面に設けられ、他方の第1の基準電極21は、基準ガス空間51に対向する側の固体電解質体4の表面に設けられている。
In the
As shown in FIG. 2, the
The
The first
Of the pair of
第2の電気化学セル3は、固体電解質体4と、固体電解質体4を挟むように対向配置された一対の第2の検知電極32、第2の基準電極31とにより構成される。
一対の電極31、32のうち、一方の第2の検知電極32は、被測定ガス空間11に対向する側の固体電解質体4の表面に設けられ、他方の第2の基準電極31は、基準ガス空間51に対向する側の固体電解質体4の表面に設けられている。
さらに検知電極32は煤の侵入は阻止し気体は透過する煤フィルタ層として設けた多孔質セラミック層100により被覆されている。
多孔質セラミック層100は、アルミナ等の絶縁材料からなり、被測定ガス空間11内を流れる気体は透過できるが、煤は透過できない程度の細孔を有する多孔質体である。
なお、本実施形態における多孔質セラミック層100の細孔は、自由な気体の移動を妨げるものではなく、酸素の拡散抵抗とはならない。
多孔質セラミック層100の気孔率は、具体的には、5〜30%、より好ましくは、10〜20%程度であることが望ましい。
第1の電気化学セル2、第2の電気化学セル3を構成する各電極21、22、31、32には、例えば、Pt、Au等の公知の多孔質サーメット電極が好適に用いられる。
The second
Of the pair of
Further, the
The porous
Note that the pores of the porous
Specifically, the porosity of the porous
For each of the
また、図2に示すように、各電極21、22、31、32には、これらから電気信号を取り出すためのリード210、220、310、320が一体に形成されている。
各電極21、22、31、32及びリード210、220、310、320は、Pt等の貴金属とジルコニア等のセラミックを主成分としたサーメット材料で構成される。
ここで、固体電解質体4の表面上に形成した電極21、22、31、32以外の部位、特にリード210、220、310、320の形成部位には、固体電解質体4とリード210、220、310、320の間に、図略のアルミナ等の絶縁層を形成しておくことが好ましい。
Further, as shown in FIG. 2, the
Each of the
Here, the portions other than the
加熱手段として設けたヒータ9は、アルミナ等からなる絶縁層7の上面に、通電発熱するヒータ電極8をパターニング形成し、このヒータ電極8の上面(スペーサ5側の面)に、アルミナ等からなる絶縁層6を形成してなる。
ヒータ電極8は、通常、Ptとアルミナ等のセラミックスとのサーメットが用いられる。
このヒータ9は、ヒータ電極8を外部に設けた図略のヒータ通電制御装置からの給電により発熱させ、煤は酸化しないが、前記各セル2、3を活性化可能な温度まで加熱する。
さらに、煤検出装置1の温度を煤の燃焼温度以上に上昇させることにより、煤検出素子10の被測定ガス空間11内に露出した煤検知部22、多孔質セラミック層100の表面やリード220、320を覆う絶縁層等に余分に堆積した煤を燃焼除去する。
The heater 9 provided as a heating means is formed by patterning a
As the
The heater 9 generates heat by power supply from a heater energization control device (not shown) provided with a
Further, by raising the temperature of the soot detection device 1 to be equal to or higher than the soot combustion temperature, the
また、図2に示すように、各セル2、3、ヒータ電極8は、絶縁層7等に形成されたスルーホールSHを通して、センサ基部の端子Pまで接続されている。
そして、この端子Pにはコネクタを介して圧着やろう付け等により、リード線が接続され、外部に設けた電流検出手段Aと第1の電気化学セル2と、電圧検出手段Vと第2の電気化学セル3と、図略のヒータ通電制御装置とヒータ9との電気信号のやり取りが可能となっている。
Further, as shown in FIG. 2, the
Then, a lead wire is connected to the terminal P through a connector by crimping, brazing, or the like, and the current detecting means A, the first
なお、固体電解質体4、スペーサ5、絶縁層6、7は、ドクターブレード法や押し出し成形法等の公知の製法により、シート形状に成形することができる。
また、前記の各電極21等、リード210等及び端子Pは、スクリーン印刷等により形成することができる。
そして、各シートは積層して焼成することにより、一体化される。
The
Further, each of the
And each sheet | seat is integrated by laminating | stacking and baking.
次に、前記構成のガスセンサ素子の動作原理を説明する。図1において、被測定ガス空間11内を流れる燃焼排気などの被測定ガス中に存在する煤は、第1の電気化学セル2に設けた第1の検知電極22の表面上に堆積する。
一方、第2の電気化学セル3に設けた第2の検知電極32は煤フィルタ層100に被覆されているため煤は煤フィルタ層100の表面上に堆積し、第2の検知電極32には被測定ガスは到達するが、煤は到達しない。
第1の基準電極21及び第2の基準電極31は基準酸素濃度ガスとしての大気に接しており、それぞれの電極電位は一定に保たれる。
第2の電気化学セル3の電極31、32間には両電極間の酸素濃度差に基づく起電力が発生する。
Next, the principle of operation of the gas sensor element having the above configuration will be described. In FIG. 1, soot existing in a measurement gas such as combustion exhaust flowing in the
On the other hand, since the
The
An electromotive force is generated between the
一方、第1の電気化学セル2の電極21、22間には両電極間の酸素濃度差に基づく起電力に加えて、第1の検知電極22の表面上に煤が堆積することによる起電力が発生する。
煤の堆積による起電力は、第1の検知電極22の表面上で下記の反応がバランスする混成電位メカニズムに起因するものと推定される。
C(煤) + 2O2− → CO2 + 4e− ・・・式1
O2 + 4e− → 2O2− ・・・式2
On the other hand, between the
The electromotive force due to soot deposition is presumed to be due to a mixed potential mechanism that balances the following reactions on the surface of the
C (煤) + 2O 2− → CO 2 + 4e − Formula 1
O 2 + 4e − → 2O 2 ... 2
図3は、図1の煤検出装置1において、煤検出素子10の検知部に意図的に煤を堆積させたときのセル電流Iとセル電圧Vの関係を示したものである。
このときの被測定ガス空間11は、大気(酸素濃度約21%)、素子温度(第1の電気化学セル2、及び、第2の電気化学セル3の温度)は、400℃であり、第1の電気化学セル2、及び、第2の電気化学セル3の表面上には十分な量の煤(約0.1g)が堆積してある。
また、第2の電気化学セル3の第2の検知電極32は、煤フィルタ層100に被覆されているため、第2の電気化学セル3の第2の検知電極32にはガスのみが接触している。
第1の検知電極22、第1の基準電極21、第2の検知電極32、第2の基準電極31は、いずれも、大気雰囲気であるため、各セル2、3に酸素濃度差による起電力は発生しない。
FIG. 3 shows a relationship between the cell current I and the cell voltage V when the soot is intentionally deposited on the detection unit of the
The
In addition, since the
Since each of the
第2の電気化学セル3の一対の電極31、32に、第2の検知電極32が+極となるように電圧Vを印加すると、第2の基準電極31の表面上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第2の検知電極32側に排出される。
これとは逆に、第2の基準電極31が+極となるように電圧Vを印加すると、第2の検知電極32の表面上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第2の基準電極31側に排出される。
When a voltage V is applied to the pair of
On the contrary, when the voltage V is applied so that the
一方、第1の電気化学セルの2の第1の検知電極22は直接被測定ガス空間11に曝されているため、被測定ガス(大気)だけでなく煤も接触し、これにともない起電力が発生する。
このときのメカニズムは、必ずしも明確にはなっていないが、第1の検知電極22の表面上では、上述の式1に示す反応による電流が流れようとするため、この電流を相殺するように上述の式2の反応が起こり、その結果、起電力が発生すると考えられる。
したがって、図3に示すように、第1の電気化学セル2の電流−電圧曲線(実線)は第2の電気化学セル3の電流−電圧曲線(一点破線)に比べて上述の式1の電流分だけ上方にシフトした曲線になる。
On the other hand, since the second
Although the mechanism at this time is not necessarily clarified, a current due to the reaction shown in the above-described equation 1 tends to flow on the surface of the
Therefore, as shown in FIG. 3, the current-voltage curve (solid line) of the first
図4は、同様の実験を被測定ガス空間11の酸素濃度を1%として実施した結果である。
大気が導入されている基準ガス空間51との酸素濃度の違いによる酸素濃淡電池の起電力分だけ、電流−電圧曲線が左側にシフトしている。
原理的には、第1の電気化学セル2の第1の基準電極21と第1の検知電極22との間の電圧を、第2の電気化学セル3の第2の基準電極31と第2の検知電極32との間の電圧に等しくなるように電圧制御し、第1の電気化学セル2の電流値I1と第2の電気化学セル3の電流値I2の差ΔIを測定すれば、上述の式1による煤の電気化学的酸化電流を検出でき、これを積算することで煤の堆積量を求めることができると考えられる。
FIG. 4 shows the result of a similar experiment conducted with the oxygen concentration in the
The current-voltage curve is shifted to the left by the electromotive force of the oxygen concentration cell due to the difference in oxygen concentration from the
In principle, the voltage between the
しかし、実際には、第2の電気化学セル3の電流が0となる電圧以外では、第1の電気化学セル2の電流I1、及び、第2の電気化学セル3の電流I2には、前記式1による煤の電気化学的酸化電流以外に、酸素のポンピング電流が流れており、第1の電気化学セル2の電流値I1と第2の電気化学セル3の電流値I2の差(ΔI=I1−I2)をとっても測定バラツキがあるため完全には、濃淡電池による起電力をキャンセルできず、検出誤差要因となる。
これに対し、本発明では図1に示すように第2の電気化学セル3の電極31、32間の電圧VREF(すなわち、第2の電気化学セル3の電流が0となる電圧)を測定し、この電圧と同じになるように第2の電気化学セル2の電極21、22間の検知電圧VDを制御する。
このとき、第1の電気化学セル2に流れる電流Iは、前記式1による煤の電気化学的酸化電流IPMのみとなる。
この電流を測定し、積算することで、被測定ガス空間11の酸素濃度の影響を受けることなく、煤量を正確に測定することができる。
However, actually, the current I1 of the first
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1, the voltage V REF between the
At this time, the current I flowing through the first
By measuring and accumulating this current, the amount of soot can be accurately measured without being affected by the oxygen concentration of the
図5は、本発明における図1の煤検出装置について煤堆積量Qと積算電流ISUMの関係を示したものであり、被測定ガス空間11中の酸素濃度が変化しても精度よく煤堆積量を検出できることがわかる。
本図は、図3、図4に示した異なる酸素濃度において、第1の電気化学セル2で検出された電圧電流特性を示すもので、被測定ガス中の酸素濃度によらず、精度良く、粒子状物質の堆積量を検出することができることが分かる。
Figure 5 is for the soot detecting apparatus of FIG. 1 in the present invention showing the relationship of the integrated current I SUM soot deposition amount Q, also accurately soot deposition vary the oxygen concentration in the
This figure shows the voltage-current characteristics detected by the first
図6、図7、図8は本発明における、他の実施形態を示した図である。
なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、類似の構成についてはアルファベットの枝番を付して区別したので、詳細な説明を省略し、各実施形態の特徴的な点、他の実施形態との相違点を中心に説明する。また、他の実施形態においても同様である。
図6に示す本発明の第2の実施形態における煤検出装置1aにおいては、図7に示すように、煤検出素子10aを構成するアルミナ等の絶縁性材料からなるスペーサ5aの基準ガス空間51aを区画する絶縁体壁面の少なくとも一部が多孔質セラミック層100aとなっている。
ここで、スペーサ5aの多孔質セラミック層100aは、上述の多孔質セラミック層100と同様、被測定ガス空間11内の気体は透過できるが、煤は透過できない細孔を有する。
したがって基準ガス空間51aのガス成分は、被測定ガス空間11のガス成分とほぼ等しくなる。
6, 7 and 8 are diagrams showing another embodiment of the present invention.
In the following description of the embodiments, the same components as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and similar components are distinguished by adding alphabetical branch numbers. Description will be made centering on characteristic features of the embodiment and differences from the other embodiments. The same applies to other embodiments.
In the soot detecting device 1a in the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, as shown in FIG. 7, the
Here, the porous
Therefore, the gas component in the
すなわち、図6の実施例1aでは煤を除いた被測定ガス空間11内のガスと同じ気体成分のガスを基準ガスとして用いる。このため、本実施形態においては、基準ガス空間51a内に大気を導入する必要がないので、スペーサ5aには、通路部52を設ける必要はない。
原理的には、このとき被測定ガス空間11の酸素濃度と基準ガス空間51aの酸素濃度とは同じであるので、第2の電気化学セル3には起電力が発生しない(電極31、32間の電圧VREFが0になる)ため、第1の電気化学セル2に印加される電圧VDは0となり、電極21、22間を短絡したものと同じ状態になる。
That is, in Example 1a of FIG. 6, a gas having the same gas component as the gas in the measured
In principle, since the oxygen concentration in the measured
一方、酸素センサ等の一般的なガスセンサにおいて慣用されているように、煤検出装置1においても、基準ガスとして大気を用いる場合、煤検出素子10を略筒状のハウジングに保持し、各種の信号線を引き出しつつ、基端側を封止する構造が取られ、その封止部分に大気導入するための通気孔を設けて、さらに、その通気孔に多孔質のフッ素樹脂等からなる撥水フィルタを設けて、通気孔から水分が侵入するのを防ぐ必要があり、センサとしての構造が複雑となっていた。
本実施形態によれば、前記実施形態と同様に、被測定ガス中の酸素濃度の如何に拘わらず、第1の検知電極22の表面上に堆積した煤量を精度良く検出することができるのに加えて、基準ガスとしての大気を導入するための構成を設ける必要がないので、従来行われているような水分の侵入を阻止しつつ大気をセンサ内に導入するための複雑な構造を取る必要がなく、極めて簡素な構造となるだけでなく、通気孔が存在しないので基端側からの浸水を完全に遮断し、煤検出装置1aのさらなる信頼性、耐久性の向上を図ることも可能となる。
On the other hand, as commonly used in general gas sensors such as oxygen sensors, in the soot detection device 1, when air is used as a reference gas,
According to the present embodiment, as in the above-described embodiment, the amount of soot accumulated on the surface of the
また、被測定ガス空間11と基準ガス空間51aのガス成分濃度が同じとなる構成であれば、第1の電気化学セル2の電極21、22間の電圧を0に制御することで、図8に示す本発明の第3の実施形態における煤検出装置1bのような第2の電気化学セル3を省略すした構造の煤検出素子10bを用いることが可能になる。
第3の実施形態における煤検出装置1bにおいても、第2の実施形態における煤検出装置1aと同様、高い精度で煤検出が可能で、かつ、基準ガスとしての大気を導入するための構造を省略できる効果が発揮されるのに加え、煤検出素子10bの構造が極めて簡単で、製造コストの削減を図ることも可能となる。
Further, if the gas component concentration in the gas space to be measured 11 and the
In the
さらに、図9に示す第4の実施形態における煤検出装置1cのように、スペーサ5cに被測定ガス空間11と連通し、煤もガスも通過できる連通孔12を形成し、第1の基準電極21bを被覆するように、ガスは透過できるが煤は透過できない細孔を有する多孔質セラミック層100cを形成した煤検出素子10cを用いた場合でも同様の効果が得られる。
Further, as in the soot detecting device 1c in the fourth embodiment shown in FIG. 9, a
図10、図11は、本発明における、他の実施形態を示した図である。
図10に示す本発明の第5の実施形態における煤検出装置1dは、図1の実施例の煤検出装置1の第1の検知電極22、及び、第2の検知電極32が形成される側の面に、アルミナ等の絶縁性材料によりなるスペーサ14と遮蔽板13とを形成した煤検出素子10dが用いられている。
さらに、固体電解質体4の表面と、スペーサ14と、遮蔽板13とにより、煤捕集空間16が区画され、スペーサ14に形成された切り欠き部により煤捕集空間16と被測定ガス空間11が連通するようになっている。
遮蔽板13の煤捕集空間16に面する側には、静電場を印加するための静電場印加電極15が、第1の検知電極22及び第2の検知電極32と対向するように形成されている。
10 and 11 are diagrams showing another embodiment of the present invention.
The
Furthermore, the
An electrostatic
一般に内燃機関の燃焼排気中に含まれる煤粒子は+に帯電しているため、静電場印加電極15と第1の検知電極22との間に第1の検知電極22が負極となるように電圧を印加すると、静電場印加電極15と第1の検知電極22との間の空間に静電場が形成され、+に帯電した煤粒子はこの静電場の影響を受けて負極である第1の検知電極22の表面上に捕集される。
これにより、被測定ガス空間11内に浮遊する煤をより効果的に捕集することが可能になり、煤検出装置1dの検出感度が向上する。
さらに、図11に示す本発明の第6の実施形態における煤検出装置1eは、図8の実施例の煤検出装置1bについて、煤捕集空間16及び静電場印加電極15を設けた煤検出素子10eを用いるもので、図10の実施例と同様の効果を有する。
In general, the soot particles contained in the combustion exhaust gas of the internal combustion engine are charged positively, so that a voltage is applied so that the
Thereby, it becomes possible to collect the soot floating in the
Furthermore, the
図12を参照して、本発明の第7の実施形態における煤検出装置1fについて説明する。
上記実施形態においては、固体電解質体4の対向する表面にそれぞれ第1の基準電極21、21fと第1の検知電極22、22bとを設け、第1の基準電極21、21bを被測定ガス空間11とは別に区画した基準ガスを導入する基準ガス空間51、51a、51cに対向させ、第1の検知電極22、22bを被測定ガス空間に対向させて第1の電気化学セル2、2bを固体電解質体4を挟み込むようにして形成した例を示したが、本実施形態においては、被測定ガス空間11と同一の空間を基準ガス空間51fとして利用し、被測定ガス空間11に面する固体電解質体4の片側の表面にのみ、第1の基準電極21fと第1の検知電極22fとの両方を形成し、かつ、第1の基準電極21fの表面を、被測定ガス中に存在する煤は透過せず、気体のみを透過する多孔質セラミック層100fによって覆い、第1の電気化学セル2fとし、第1の基準電極21fと第1の検知電極22fとを短絡させ、第1の電気化学セル2fに印加される電圧を0として、第1の電気化学セル2fに流れる酸素イオン電流を検出するようにした点が相違する。
本実施形態においては、図8に示した本発明の第3の実施形態と同様の効果に加え、被測定ガス空間11とは別の基準ガス空間51を区画する必要がなく、基準ガス空間51fとして被測定ガス空間11を利用している構造であるため、煤検出素子10fのさらなる簡素化を図ることもできる。
With reference to FIG. 12, a wrinkle detection device 1f according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
In the said embodiment, the
In the present embodiment, in addition to the same effects as those of the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8, there is no need to divide the
図13に示す本発明の第8の実施形態における煤検出装置1gでは、第8の実施形態と同様に、第1の基準電極21f、及び、第1の検知電極22fを固体電解質体4の被測定ガス空間11に対向する側の表面に形成し、第1の基準電極21fは、多孔質セラミック層100fに被覆されている。
さらに、これらの電極21f、22fが形成される側の面に、アルミナ等の絶縁性材料によりなるスペーサ14gと遮蔽板13が形成されて、スペーサ14gと、遮蔽板13とにより、煤捕集空間16が基準ガス空間51gを兼用して区画され、スペーサ14gに形成された切り欠き部により煤捕集空間16と被被測定ガス空間11とが連通するようになっている。
遮蔽板13の煤捕集空間16に面する側には、静電場を印加するための静電場印加電極15が、第1の基準電極21f及び第1の検知電極22fと対向するように形成され、煤検出素子10gが構成されている。
本実施形態においても、上記実施形態と同様、高い精度で煤検出を実施できるのに加えて、静電場印加電極15によって、第1の検知電極22fと静電場印加電極15と間に、煤を捕集する静電場を作用させ、被測定ガス空間11内に浮遊する煤をより効果的に捕集することが可能になり、煤検出装置1gの検出感度を向上させることできる。
In the wrinkle detection device 1g according to the eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 13, the
Further, a spacer 14g made of an insulating material such as alumina and a shielding
On the side of the shielding
Also in the present embodiment, in addition to being able to detect wrinkles with high accuracy, in the same manner as in the above embodiment, a wrinkle is formed between the
1 煤検出装置
2 第1の電気化学セル
3 第2の電気化学セル
4 固体電解質体
5、14 スペーサ
51 基準ガス空間
9 加熱手段(ヒータ)
100 多孔質セラミック層
12 スリット
13 遮蔽層
16 煤捕集空間
11 被測定ガス空間
15、21、22、31、32 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の検知電極(22、22b、22f)と前記第1の基準電極(21、21b、21f)との間に印加する検知電圧(VD)と、煤が堆積していない状態における電圧閾値(VREF)とが等しくなるように電圧制御することにより、
前記第1の基準電極(21、21b、21f)から前記第1の検知電極(22、22b、22f)に煤を酸化させるための酸素を供給して、前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤を酸化させたときに、前記第1の電気化学セル(2、2b、2f)に流れる酸素イオン電流信号(IPM)から前記第1の検知電極(22、22b、22f)の表面上に堆積した煤量を検出する手段を有することを特徴とする煤検出装置(1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g)。 First detection electrodes (22, 22b, 22f) that are present in the measured gas space (11) and face the measured gas including soot at least on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body (4). When the reference gas space and the measurement gas space (11) which is partitioned separately (51, 51a, 51c, 51 g) present in, or reference gas with the same space as the measurement gas space (11) A pair of electrodes (21, 22, 21b, 22b, 21f, 22f) comprising a first reference electrode (21, 21b, 21f) that exists in the space (51f) and faces the reference gas that does not contain soot. And the first reference electrode (21, 21b, 21f) to the first detection electrode (22, 22b) by energization between the pair of electrodes (21, 22, 21b, 22b, 21f , 22f ). , 22f) A first electrochemical cell (2, 2b, 2f) for supplying oxygen for oxidizing soot deposited on the surface of the first sensing electrode (22, 22b, 22f), and the solid electrolyte body ( 4) A soot detecting element (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g) provided with a heating means (9) for heating the gas is measured in the gas to be measured, and the first detection It is a soot detection device that detects soot existing in the gas space to be measured (11) by detecting an electrochemical change when soot deposited on the surface of the electrodes (22, 22b, 22f) is oxidized. And
The detection voltage (V D ) applied between the first detection electrode (22, 22b, 22f) and the first reference electrode (21, 21b, 21f ), and the voltage when no soot is deposited By controlling the voltage so that the threshold value (V REF ) is equal,
Oxygen for oxidizing soot is supplied from the first reference electrode (21, 21b, 21f) to the first detection electrode (22, 22b, 22f), and the first detection electrode (22, 22b) is supplied. , when to oxidize the soot deposited on the surface of 22f), said first electrochemical cell (2 and 2b, the first sensing electrode of an oxygen ion current signal flowing through 2f) (I PM) (22 , 22b, 22f), a soot detecting device (1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g) having means for detecting the soot amount accumulated on the surface of the soot.
前記第1の基準電極(21)と同じ、前記基準ガス空間(51、51a)に面して設けた第2の基準電極(31)とからなる一対の電極(31、32)を有し、
これら一対の電極(31、32)間の起電力を測定する第2の電気化学セル(3)を備え、前記第2の電気化学セル(3)の電極(31、32)間の電圧を、前記電圧閾値(VREF)として、前記第1の電気化学セル(2)の電極(21、22)間に前記検知電圧(VD)を印加することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の煤検出装置(1、1a、1d)。 On the surface of the solid electrolyte body (4), a porous material that does not permeate the soot existing in the measurement gas but permeates the gas to the measurement gas space (11) that is the same as the first detection electrode (22). A second sensing electrode (32) facing through the porous ceramic layer (100);
A pair of electrodes (31, 32) consisting of a second reference electrode (31) provided facing the reference gas space (51 , 51a ), the same as the first reference electrode (21);
A second electrochemical cell (3) for measuring the electromotive force between the pair of electrodes (31, 32) is provided, and the voltage between the electrodes (31, 32) of the second electrochemical cell (3) is The detection voltage (V D ) is applied between the electrodes (21, 22) of the first electrochemical cell (2) as the voltage threshold (V REF ). The wrinkle detection device according to claim 1 (1, 1a, 1d).
前記第1の電気化学セル(2b、2f)の一対の電極(21b、22b、21f、22f)間を短絡させて、前記電圧閾値(VREF)、即ち、前記検知電圧(VD)を0とすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の煤検出装置(1b、1c、1e、1f、1g)。 The first reference electrodes (21b, 21f) pass through the first sensing electrodes (22b, 21f) via the porous ceramic layers ( 100a, 100c , 100f) that do not transmit soot in the gas to be measured but transmit gas. 22f ) faces the reference gas space (51a, 51c, 51f) where the same gas as the gas to be measured exists in the gas space to be measured (11) facing
The pair of electrodes (21b, 22b , 21f, 22f ) of the first electrochemical cell (2b , 2f ) is short-circuited, and the voltage threshold (V REF ), that is, the detection voltage (V D ) is set to 0. The wrinkle detection device (1b, 1c, 1e, 1f, 1g) according to any one of claims 1 to 3.
前記第1の検知電極(22、22b、22f)と前記静電場印加電極(15)との間に電圧(VST)を印加して静電場を形成することにより前記第1の検知電極の表面上に煤を捕集することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の煤検出装置(1d、1e、1g)。 An electrostatic field application electrode (15) provided via an insulator (14) facing the first detection electrode (22 , 22b , 22f );
The surface of the first sensing electrode is formed by applying a voltage (V ST ) between the first sensing electrode (22 , 22b , 22f ) and the electrostatic field applying electrode (15) to form an electrostatic field. The soot detecting device (1d, 1e, 1g) according to any one of claims 1 to 5, wherein soot is collected on the top.
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