JP5767158B2 - ガスセンサ評価方法およびガスセンサ評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）を検出するガスセンサに関し、特に、このようなガスセンサを評価する技術に関する。

ガスセンサの評価技術として、実車の排気ガスを模したモデルガスを用いてガスセンサを評価することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側に設置されるガスセンサを評価するために、浄化装置よりも排出先側の排気ガス（以下、「下流側排気ガス」ともいう）を模したモデルガスを用いてガスセンサを評価することが記載されている。

特開２００６−１７５３５号公報

モデルガスを用いたガスセンサの評価には、ガスセンサの評価精度を向上させるために、実車でのセンサ出力特性との相関を向上させることが要求されている。特に、実車の下流側排気ガスの各成分の含有量を測定し、その測定された各成分の含有量に応じて生成したモデルガスを用いた場合、理論空燃比に比べて可燃成分が少ないリーン領域において実車でのセンサ出力特性との相関が十分ではなかった。

本発明は、上述した課題を踏まえ、下流側排気ガス用のガスセンサの評価精度を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ _２ ）を検出するガスセンサを、モデルガスに対する前記ガスセンサの出力特性に基づいて評価するガスセンサ評価方法が提供される。このガスセンサ評価方法は、前記排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分であって、少なくとも酸素（Ｏ _２ ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む複数の成分について、各成分の含有量を測定し；前記サンプルガスについて測定された前記複数の成分における各成分の含有量に対して、酸素（Ｏ _２ ）の含有量の少なくとも一部を、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を上乗せ増加させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算された分に相当する酸素（Ｏ _２ ）の含有量を減少させた組成で、前記モデルガスを生成し；前記モデルガスを前記ガスセンサに供給し、該ガスセンサの出力特性を評価する。この形態によれば、下流側排気ガス用のガスセンサの評価精度を向上させることができる。

［適用例１］適用例１におけるガスセンサ評価方法は、内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）を検出するガスセンサを、モデルガスに対する前記ガスセンサの出力特性に基づいて評価するガスセンサ評価方法であって、前記排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分であって、少なくとも酸素（Ｏ₂）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む複数の成分について、各成分の含有量を測定し、前記サンプルガスについて測定された前記複数の成分における各成分の含有量に対して、酸素（Ｏ₂）の含有量の少なくとも一部を、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を上乗せ増加させると共に前記酸素（Ｏ₂）の含有量を減少させた組成で、前記モデルガスを生成し、前記モデルガスを前記ガスセンサに供給し、該ガスセンサの出力特性を評価することを特徴とする。
この適用例によれば、酸素（Ｏ₂）を窒素酸化物（ＮＯｘ）で置換したモデルガスの組成を容易に求めることができる。また、排気ガスに相当する成分を含有するサンプルガスのうち、酸素（Ｏ₂）の一部を窒素酸化物（ＮＯｘ）で置換したモデルガスを用いてガスセンサを評価することによって、リーン領域における実車でのセンサ出力特性との相関を向上させることができる。その結果、下流側排気ガス用のガスセンサの評価精度を向上させることができる。

［適用例２］適用例１のガスセンサ評価方法において、前記モデルガスの前記組成は、前記サンプルガスについて測定された前記酸素（Ｏ₂）の含有量の全てを、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算した組成であるとしても良い。
この適用例によれば、下流側排気ガスに対するセンサ出力との相関を一層向上させることができる。

［適用例３］適用例１または適用例２のガスセンサ評価方法において、前記モデルガスは、１．００００よりも大きく１．０１５０以下の空燃比で燃焼させた前記排気ガスに相当するとしても良い。
この適用例によれば、１．００００よりも大きく１．０１５０以下のリーン領域でのセンサ出力の相関を向上させることができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかのガスセンサ評価方法において、前記ガスセンサは、ジルコニア式酸素センサであるとしても良い。
この適用例によれば、下流側排気ガス用のジルコニア式酸素センサの評価精度を向上させることができる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかのガスセンサ評価方法において、前記サンプルガスに含まれる酸素（Ｏ₂）の含有量を、磁気圧法を用いて測定しても良い。
この適用例によれば、磁気圧法による酸素の測定結果に基づいて生成したモデルガスを用いた下流側排気ガス用のガスセンサの評価において、評価精度を向上させることができる。

［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかのガスセンサ評価方法において、前記サンプルガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を、化学発光法を用いて測定しても良い。
この適用例によれば、化学発光法による窒素酸化物の測定結果に基づいて生成したモデルガスを用いた下流側排気ガス用のガスセンサの評価において、評価精度を向上させることができる。

［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかのガスセンサ評価方法において、前記サンプルガスにおける含有量の測定対象となる前記複数の成分は、酸素（Ｏ₂）および窒素酸化物（ＮＯｘ）に加え、更に、二酸化炭素（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ₂）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、プロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）、メタン（ＣＨ₄）、水（Ｈ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）の少なくとも１つを含むとしても良い。
この適用例によれば、モデルガスによる下流側排気ガスの再現性を向上させることができる。

［適用例８］適用例８のガスセンサ評価装置は、内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）を検出するガスセンサを、モデルガスに対する前記ガスセンサの出力特性に基づいて評価するガスセンサ評価装置であって、前記排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分であって、少なくとも酸素（Ｏ₂）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む複数の成分、について測定された各成分の含有量に対して、酸素（Ｏ₂）の含有量の少なくとも一部を、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を上乗せ増加させると共に前記酸素（Ｏ₂）の含有量を減少させた組成で、前記モデルガスを生成するガス生成部と、前記モデルガス生成部によって生成した前記モデルガスを前記ガスセンサに供給するガス供給部とを備えることを特徴とする。
この適用例によれば、酸素（Ｏ₂）を窒素酸化物（ＮＯｘ）で置換したモデルガスの組成を容易に求めることができる。また、排気ガスに相当する成分を含有するサンプルガスのうち、酸素（Ｏ₂）の一部を窒素酸化物（ＮＯｘ）で置換したモデルガスを用いてガスセンサを評価することによって、リーン領域における実車でのセンサ出力特性との相関を向上させることができる。その結果、下流側排気ガス用のガスセンサの評価精度を向上させることができる。

［適用例９］適用例９のガスセンサ評価装置において、前記モデルガスの前記組成は、前記サンプルガスについて測定された前記酸素（Ｏ₂）の含有量の全てを、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算した組成であるとしても良い。
この適用例によれば、下流側排気ガスに対するセンサ出力との相関を一層向上させることができる。

本発明の形態は、ガスセンサ評価方法およびガスセンサ評価装置の形態に限るものではなく、例えば、ガスセンサ評価用コンピュータの制御方法、ガスセンサの製造方法、ガスセンサなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

評価対象の一例であるガスセンサの断面構成を示す説明図である。 ガスセンサの使用態様の一例を示す説明図である。 ガスセンサ評価装置の構成を示す説明図である。 ガスセンサ評価処理を示す説明図である。 サンプルガスに含まれる各成分の含有量を測定した結果の一例を示す表である。 モデルガスの設定に利用する組成の一例を示す表である。 モデルガスの設定に利用する組成の一例を示す表である。 本実施形態の評価に使用するモデルガスの組成の一例を示す表である。 モデルガスの比較試験の結果を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．ガスセンサの構成：
図１は、評価対象の一例であるガスセンサ１０の断面構成を示す説明図である。図２は、ガスセンサ１０の使用態様の一例を示す説明図である。図１には、ガスセンサ１０の中心軸である軸線ＣＡに沿って切断したガスセンサ１０の断面を図示した。本実施形態の説明では、ガスセンサ１０の紙面下方側を「先端側」といい、ガスセンサ１０の紙面上方側を「後端側」という。

ガスセンサ１０は、内燃機関の排気系９００に装着され、排気ガスに含まれる酸素（Ｏ₂）を検知する酸素センサである。本実施形態では、ガスセンサ１０は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂））を利用したジルコニア式酸素センサである。

図２に示すように、本実施形態では、ガスセンサ１０は、排気系９００における浄化装置９２０よりも排出先側（排気ガスの流れの下流側）に位置する排気管９３０に装着され、浄化装置９２０よりも排出先側の排気ガス（下流側排気ガス）に含まれる酸素を検出する。本実施形態では、ガスセンサ１０の先端側は、排気管９３０の内側に挿入され、ガスセンサ１０の後端側は、排気管９３０の外側に配置される。本実施形態では、排気系９００の浄化装置９２０は、排気マニホールド９１０の下流側に設けられた三元触媒であり、浄化装置９２０の下流側には、順に、排気管９３０、消音器９４０、排気管９５０が設けられている。

図１に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子１００と、発熱体１５０と、主体金具２００と、プロテクタ３００と、外筒４１０と、第１出力端子５２０と、第２出力端子５３０と、第１リード線５７０と、第２リード線５８０、第３リード線５９０とを備える。

ガスセンサ１０のセンサ素子１００は、酸素分圧に応じた起電力を出力する酸素濃淡電池を構成する。センサ素子１００は、固体電解質体１１０と、内側電極１２０と、外側電極１３０とを備える。

センサ素子１００の固体電解質体１１０は、酸化物イオン伝導性（酸素イオン伝導性）を有する材料からなり、軸線ＣＡに沿って延伸し先端側が閉塞した有底筒状に形成されている。本実施形態では、固体電解質体１１０の材料は、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を添加した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、すなわち、イットリア部分安定化ジルコニアである。他の実施形態では、固体電解質体１１０の材料は、酸化カルシウム（ＣａＯ）や、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等から選択される酸化物を添加した部分安定化ジルコニアであっても良い。

センサ素子１００の内側電極１２０は、固体電解質体１１０の内側を覆うように形成されている。センサ素子１００の外側電極１３０は、固体電解質体１１０の外側を覆うように形成されている。本実施形態では、内側電極１２０および外側電極１３０の材料は、白金（Ｐｔ）であるが、他の実施形態では、白金合金であっても良いし、他の貴金属や、他の貴金属合金であっても良い。本実施形態では、内側電極１２０および外側電極１３０は、無電解メッキによって形成されている。

ガスセンサ１０の発熱体１５０は、センサ素子１００の内側に設けられ、第３リード線５９０を介した電力に基づいて発熱し、センサ素子１００を加熱する。本実施形態では、ガスセンサ１０の精度を向上させるために、第３リード線５９０から発熱体１５０に供給される電力を調整することによって、センサ素子１００の温度は一定に維持される。

ガスセンサ１０の主体金具２００は、円筒状の金属部材である。主体金具２００の内側には、センサ素子１００が保持される。主体金具２００の外周には、ネジ部２１０が形成されており、ガスセンサ１０は、ネジ部２１０を介して排気管９３０に取り付けられる。

ガスセンサ１０のプロテクタ３００は、有底円筒状の金属部材である。プロテクタ３００は、主体金具２００の先端側から突出したセンサ素子１００を覆うように主体金具２００の先端側に固設され、センサ素子１００を保護する。プロテクタ３００には、センサ素子１００へと排気ガスを導入可能に貫通孔３１１，３１２が形成されている。

ガスセンサ１０の外筒４１０は、円筒状の金属部材である。外筒４１０は、主体金具２００の後端側から突出したセンサ素子１００、発熱体１５０、第１出力端子５２０および第２出力端子５３０を覆うように、主体金具２００の後端側に固設され、センサ素子１００、発熱体１５０、第１出力端子５２０および第２出力端子５３０を保護する。

本実施形態では、センサ素子１００は、センサ素子１００の内側に外気を導入可能に構成されている。センサ素子１００の内側に導入された外気は、ガスセンサ１０が排気ガスから酸素を検知するための基準となる基準ガスとして利用される。

ガスセンサ１０の第１出力端子５２０は、センサ素子１００に形成された内側電極１２０と、第１リード線５７０との間を、電気的に接続する導体である。ガスセンサ１０の第２出力端子５３０は、センサ素子１００に形成された外側電極１３０と、第２リード線５８０との間を、電気的に接続する導体である。ガスセンサ１０の第１リード線５７０および第２リード線５８０は、ガスセンサ１０からのセンサ出力を処理する処理回路（図示しない）へと電気的に接続される。

ガスセンサ１０では、内側電極１２０は、基準ガスである外気に曝される基準電極として機能し、外側電極１３０は、排気ガスに曝される検出電極として機能する。これによって、センサ素子１００には、基準ガスと排気ガスとの間の酸素濃度差に応じた起電力が発生する。このセンサ素子１００の起電力は、第１リード線５７０および第２リード線５８０を介してガスセンサ１０の外部へと、センサ出力として出力される。

Ａ−２．ガスセンサ評価装置の構成：
図３は、ガスセンサ評価装置６０の構成を示す説明図である。ガスセンサ評価装置６０は、排気ガスを模したモデルガスに対するガスセンサ１０のセンサ出力特性に基づいてガスセンサ１０を評価する。本実施形態では、ガスセンサ評価装置６０は、ガスセンサ１０による酸素の検出対象である排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分について測定された各成分の含有量のうち、酸素（Ｏ₂）の含有量を減少させると共に窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を増加させた組成で、モデルガスを生成可能に構成されている。

ガスセンサ評価装置６０は、評価制御部６１０と、ガス分析部６３０と、結果出力部６８０と、ガス生成部７００と、ガス供給部８００とを備える。ガスセンサ評価装置６０では、ガス生成部７００によって生成されたモデルガスが、ガス供給部８００に取り付けられた評価対象となるガスセンサ１０に供給される。

ガスセンサ評価装置６０のガス生成部７００は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいてモデルガスを生成する。ガス生成部７００は、貯蔵部７１１〜７１９と、流量調整部７３１〜７３９とを備える。

ガス生成部７００の貯蔵部７１１は、窒素（Ｎ₂）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３１は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１１からのガス供給部８００へと供給される窒素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１２は、二酸化炭素（ＣＯ₂）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３２は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１２からガス供給部８００へと供給される二酸化炭素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１３は、酸素（Ｏ₂）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３３は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１３からガス供給部８００へと供給される酸素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１４は、一酸化炭素（ＣＯ）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３４は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１４からガス供給部８００へと供給される一酸化炭素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１５は、水素（Ｈ₂）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３５は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１５からガス供給部８００へと供給される水素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１６は、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３６は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１６からガス供給部８００へと供給されるプロパンの流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１７は、メタン（ＣＨ₄）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３７は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１７からガス供給部８００へと供給されるメタンの流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１８は、一酸化窒素（ＮＯ）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３８は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１８からガス供給部８００へと供給される一酸化窒素の流量を調整する。

ガス生成部７００の貯蔵部７１９は、水（Ｈ₂Ｏ）を貯蔵するタンクである。ガス生成部７００の流量調整部７３９は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、貯蔵部７１９からガス供給部８００へと供給される水分量を調整する。本実施形態では、流量調整部７３１，７３２，７３３から供給される窒素、二酸化炭素、酸素の少なくとも一つを含むガスに対して、流量調整部７３９によって水分を加える。

ガスセンサ評価装置６０のガス供給部８００は、ガス生成部７００によって生成されたモデルガスを、評価対象となるガスセンサ１０に供給する。ガス供給部８００は、評価用排気管８１０と、発熱部８２０とを備える。

ガス供給部８００の評価用排気管８１０は、実車の排気管９３０を模した金属製の筒状体であり、評価用排気管８１０の中にはモデルガスが流される。評価用排気管８１０におけるモデルガスの流れの上流側には、発熱部８２０が設けられている。評価用排気管８１０におけるモデルガスの流れの下流側は、評価対象となるガスセンサ１０を取付可能に構成されている。

本実施形態では、ガス生成部７００における流量調整部７３１〜７３９から供給される窒素、二酸化炭素、酸素、一酸化炭素、水素、プロパン、メタン、一酸化窒素、水の少なくとも一つを含むガスは、発熱部８２０よりも上流側から評価用排気管８１０に導入される。

ガス供給部８００の発熱部８２０は、評価制御部６１０からの制御信号に基づいて、モデルガスの温度を調整する。本実施形態では、発熱部８２０は、評価用排気管８１０の外周に設けられ、評価用排気管８１０を加熱することによってモデルガスの温度を調整する。

ガスセンサ評価装置６０の評価制御部６１０は、ガス供給部８００に取り付けられた評価対象のガスセンサ１０が出力するセンサ出力に基づいて、その評価対象のガスセンサ１０を評価する。本実施形態では、評価制御部６１０は、モデルガスの組成毎にセンサ出力の許容範囲を設定したデータベースを予め記憶しており、そのデータベースを参照することによって、評価対象のガスセンサ１０の良否を判断する。

ガスセンサ評価装置６０のガス分析部６３０は、評価用排気管８１０に取り付けられた評価対象のガスセンサ１０の近傍におけるモデルガスを分析する。本実施形態では、ガス分析部６３０は、評価対象のガスセンサ１０の近傍からモデルガスを取り込み、そのモデルガスに含まれる成分を分析する。本実施形態では、ガス分析部６３０は、モデルガスの分析結果を評価制御部６１０に出力可能に構成されている。

ガスセンサ評価装置６０の結果出力部６８０は、評価制御部６１０による評価結果を出力可能に構成されている。本実施形態では、結果出力部６８０は、画像によって評価結果を出力する表示装置である。他の実施形態では、結果出力部６８０は、評価制御部６１０による評価結果を示すデータを他の処理装置に出力するインターフェースであっても良い。

Ａ−３．ガスセンサ評価処理：
図４は、ガスセンサ評価処理を示す説明図である。図４のガスセンサ評価処理は、ガスセンサ評価装置６０を用いてガスセンサ１０を評価するための処理である。

ガスセンサ評価処理では、まず、ガスセンサ１０による酸素の検出対象である排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる各成分の含有量を測定する（工程Ｐ１１０）。具体的には、実車の排気系９００の排気管９３０に装着したガスセンサ１０の近傍である位置ＳＰ（図２を参照）から排気ガスをサンプルガスとして取得し、そのサンプルガスに含まれる各成分の含有量を測定する。

図５は、サンプルガスに含まれる各成分の含有量を測定した結果の一例を示す表である。図５には、ガスセンサ１０のセンサ出力Ｖｏｕｔと共に、そのセンサ出力Ｖｏｕｔが出力されている状態で測定されたサンプルガスの各成分の含有量を表した。

図５の試験では、センサ出力Ｖｏｕｔが０．０７〜０．７３Ｖ（ボルト）となる１８種類のサンプルガスについて各成分の含有量を測定した。図５に示した値のうち、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．６０（Ｖ）における各成分の値は、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．５５（Ｖ）における各成分の値と、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．６６（Ｖ）における各成分の値と、の間の関係から推定した値である。本実施形態では、ガスセンサ１０は、空気過剰率λ＝１．００００の場合にセンサ出力Ｖｏｕｔが０．６０Ｖになるように設計されている。

図５の試験では、２００８年式ホンダ・アコードＳＵＬＥＶ（Super Ultra Low Emission Vehicle）の内燃機関について、回転数２０００ｒｐｍ（回毎分）、吸気量０．３ｇ／ｃｙｌ（グラム毎シリンダ）、触媒使用履歴１５０ｋｍｉｌｅ（キロマイル）の条件下で、排気ガスの空気過剰率λを変化させて運転を行った。図５の試験では、ガスセンサ１０の近傍である位置ＭＰ（図２を参照）において空気過剰率λを測定した。図５の試験では、サンプルガスの成分のうち、二酸化炭素（ＣＯ₂）、酸素（Ｏ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ₂）、全炭化水素（ＴＨＣ）、メタン（ＣＨ₄）、一酸化窒素（ＮＯ）、水（Ｈ₂Ｏ）の各成分について測定した。

本実施形態では、水素炎イオン化法（ＦＩＤ）を用いてサンプルガス中の全炭化水素（ＴＨＣ）を検出し、磁気圧法（ＭＰＤ）を用いてサンプルガス中の酸素（Ｏ₂）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製の自動車排ガス測定装置ＭＥＸＡ−７４００ＷＢＳに搭載された分析計ＦＭＡ−７２０を用いて、全炭化水素（ＴＨＣ）および酸素（Ｏ₂）の各含有量を測定した。

本実施形態では、非分散型赤外吸収法（ＮＤＩＲ）を用いてサンプルガス中の一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化炭素（ＣＯ₂）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製の自動車排ガス測定装置ＭＥＸＡ−７４００ＷＢＳに搭載された分析計ＡＩＡ−７２３を用いて、一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化炭素（ＣＯ₂）の各含有量を測定した。

本実施形態では、化学発光法（ＣＬＤ）を用いてサンプルガス中の一酸化窒素（ＮＯ）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製の自動車排ガス測定装置ＭＥＸＡ−７４００ＷＢＳに搭載された分析計ＣＬＡ−７２０Ａを用いて、一酸化窒素（ＮＯ）の含有量を測定した。

本実施形態では、ガスクロマトグラフ法（ＧＣ）および水素炎イオン化法（ＦＩＤ）を用いてサンプルガス中のメタン（ＣＨ₄）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製の自動車排ガス測定装置ＭＥＸＡ−７４００ＷＢＳに搭載された分析計ＧＦＡ−７２０を用いて、メタン（ＣＨ₄）の含有量を測定した。

本実施形態では、セクタ型質量分析法を用いてサンプルガス中の水素（Ｈ₂）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製のセクタ型質量分析計ＭＳＨＡ−１０００ＷＳＬを用いて、水素（Ｈ₂）の含有量を測定した。

本実施形態では、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を用いてサンプルガス中の水（Ｈ₂Ｏ）を検出した。具体的には、株式会社堀場製作所製のエンジン排ガス分析計ＭＥＸＡ−６０００ＦＴを用いて、水（Ｈ₂Ｏ）の含有量を測定した。

図４の説明に戻り、サンプルガスの各成分の含有量を測定した後（工程Ｐ１１０）、サンプルガスについて測定された各成分の含有量のうち、酸素（Ｏ₂）の含有量を減少させると共に窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を増加させたモデルガスの組成を設定する（工程Ｐ１２０）。

図６は、モデルガスの設定に利用する組成の一例を示す表である。図６の各段の組成は、図５の各段の組成にそれぞれ対応し、モデルガス用に一部の値が変更されている。図６には、次の数式１を用いて変更後の各組成から求めた空気過剰率λおよびその逆数Ｒ（１／λ）を表した。

数式１における［化学式］は、各組成において対応する化学式で表される成分の含有量（濃度）を示す値である。数式１における定数βは、燃焼前の窒素（Ｎ₂）と酸素（Ｏ₂）の比を示す値であり、本実施形態では、窒素（Ｎ₂）の濃度を７９．０１％とし、酸素（Ｏ₂）の濃度を２０．９％として、β＝３．７６４とした。数式１における定数β以降の分子項は、燃焼前の窒素（Ｎ₂）の分量を示し、定数β以降の分母項は、燃焼できなかった燃料の分量を示す。

図６の各組成では、二酸化炭素（ＣＯ₂）の値を１３．３８％に固定し、水（Ｈ₂Ｏ）の値を１１．８％に固定した。図６の各組成では、図５の試験結果における全炭化水素（ＴＨＣ）の値に相当するプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）の含有量を設定した。

図６の各組成では、ガスセンサ評価装置６０で調整可能な各成分の上限値および下限値に応じて、各成分の値を変更した。具体的には、酸素（Ｏ₂）については、供給下限値を０．００３０％に設定した。一酸化炭素（ＣＯ）については、供給下限値を０．００１０％に設定した。水素（Ｈ₂）については、供給上限値を０．０１７０％に設定し、供給下限値を０．００１５％に設定した。メタン（ＣＨ₄）については、供給上限値を１５ｐｐｍに設定した。

このように設定した各種成分（二酸化炭素（ＣＯ₂）、酸素（Ｏ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ₂）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、メタン（ＣＨ₄）、一酸化窒素（ＮＯ）、水（Ｈ₂Ｏ））以外の残余成分を窒素（Ｎ₂）とし、図６の各組成における窒素（Ｎ₂）の含有量を設定した。

図７は、図６に示したモデルガスの設定に利用する組成のうち、１．００００から±０．１０％、±０．２０％、±０．３０％、±０．５０％、±１．００％、±１．５０％の各変化率で変化させた空気過剰率λの各々に対応する各成分の含有量を示す表である。

図８は、本実施形態の評価に使用するモデルガスの組成の一例を示す表である。図８の各段の組成は、図７の各段の組成にそれぞれ対応し、酸素（Ｏ₂）の含有量を減少させると共に窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を増加させるために一部の値が変更されている。図８の例では、空気過剰率λが１．００１０〜１．０１５０までのリーン領域において、酸素（Ｏ₂）の含有量の全てを、同数の酸素原子を有する一酸化窒素（ＮＯ）の含有量として、前述の数式１を用いて換算した組成とした。

図４の説明に戻り、モデルガスの組成を設定した後（工程Ｐ１２０）、評価対象のガスセンサ１０を用意し（工程Ｐ１３０）、そのガスセンサ１０をガスセンサ評価装置６０に取り付ける（工程Ｐ１４０）。その後、設定した組成に従って生成したモデルガスをガスセンサ１０に供給して、モデルガスに対するセンサ出力特性に基づいてガスセンサ１０を評価する（工程Ｐ１５０）。そのガスセンサ１０について評価を終えた後、他の評価対象のガスセンサ１０について評価を行う場合には、他の評価対象のガスセンサ１０をガスセンサ評価装置６０に取り付け（工程Ｐ１４０）、同様に評価を行う（工程Ｐ１５０）。

Ａ−４．モデルガスの比較試験：
図９は、モデルガスの比較試験の結果を示すグラフである。図９には、横軸に空気過剰率λをとり、縦軸にセンサ出力Ｖｏｕｔをとって、各種のガスに対するガスセンサ１０のセンサ出力特性を図示した。図９の比較試験では、酸素（Ｏ₂）の全てを一酸化窒素（ＮＯ）で置換した図８のモデルガスである置換モデルガスによるセンサ出力特性と、サンプルガスを再現した図７のモデルガスである再現モデルガスによるセンサ出力特性とを測定し、実車（図５の試験と同様の車両）に装着した場合のセンサ出力特性と比較した。

図９の比較試験において、置換モデルガスおよび再現モデルガスによるセンサ出力特性を測定する際には、ガスセンサ評価装置６０にガスセンサ１０を取り付け、モデルガスの温度を４５０℃とし、モデルガスの流量を４０Ｌ／ｍｉｎ（リットル毎分）とした条件で、異なる空気過剰率λとなる各組成のモデルガス毎に、ガスセンサ１０のセンサ出力Ｖｏｕｔが安定した静的状態で、センサ出力Ｖｏｕｔの値を測定した。図９の比較試験では、置換モデルガスおよび再現モデルガスの各々について、ガスセンサ１０のセンサ素子１００を６００℃に加熱した状態と、ガスセンサ１０のセンサ素子１００を８００℃に加熱した状態とでセンサ出力特性を測定した。

図９の比較試験において、実車によるセンサ出力特性を測定する際には、図５の試験と同様の条件で、ガスセンサ１０のセンサ出力Ｖｏｕｔが安定した静的状態で、ガスセンサ１０のセンサ出力Ｖｏｕｔの値を測定すると共に、ガスセンサ１０の近傍である位置ＭＰ（図２を参照）において排気ガスの空気過剰率λを測定した。

図９に示すように、空気過剰率λが１．００００よりも大きいリーン領域において、置換モデルガスによるセンサ出力特性は、再現モデルガスによるセンサ出力特性と比較して、実車でのセンサ出力特性に近い値となり、実車でのセンサ出力特性との相関に優れている。

Ａ−５．効果：
以上説明した実施形態によれば、酸素（Ｏ₂）を一酸化窒素（ＮＯ）で置換した置換モデルガス（図８の組成）を用いてガスセンサ１０を評価することによって、図９に示すように、リーン領域における実車でのセンサ出力特性との相関を向上させることができる。その結果、下流側排気ガス用のガスセンサ１０の評価精度を向上させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

例えば、図８のモデルガスの組成のように、酸素（Ｏ₂）の含有量の全量を、同数の酸素原子を有する一酸化窒素（ＮＯ）の含有量として換算するのではなく、酸素（Ｏ₂）の含有量の一部を、同数の酸素原子を有する一酸化窒素（ＮＯ）の含有量として換算しても良い。

また、本発明の実施形態では、不活性ガスとして窒素（Ｎ₂）を使用したが、これに限定されず、アルゴン（Ａｒ）等を使用してもよい。また、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）に変えてプロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）等を使用してもよい。

１０…ガスセンサ
６０…ガスセンサ評価装置
１００…センサ素子
１１０…固体電解質体
１２０…内側電極
１３０…外側電極
１５０…発熱体
２００…主体金具
２１０…ネジ部
３００…プロテクタ
３１１，３１２…貫通孔
４１０…外筒
５２０…第１出力端子
５３０…第２出力端子
５７０…第１リード線
５８０…第２リード線
５９０…第３リード線
６１０…評価制御部
６３０…ガス分析部
６８０…結果出力部
７００…ガス生成部
７１１〜７１９…貯蔵部
７３１〜７３９…流量調整部
８００…ガス供給部
８１０…評価用排気管
８２０…発熱部
９００…排気系
９１０…排気マニホールド
９２０…浄化装置
９３０…排気管
９４０…消音器
９５０…排気管
ＣＡ…軸線
ＭＰ…位置
ＳＰ…位置

Claims (9)

1. 内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ_２）を検出するガスセンサを、モデルガスに対する前記ガスセンサの出力特性に基づいて評価するガスセンサ評価方法であって、
   前記排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分であって、少なくとも酸素（Ｏ_２）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む複数の成分について、各成分の含有量を測定し、
   前記サンプルガスについて測定された前記複数の成分における各成分の含有量に対して、酸素（Ｏ_２）の含有量の少なくとも一部を、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を上乗せ増加させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算された分に相当する酸素（Ｏ_２）の含有量を減少させた組成で、前記モデルガスを生成し、
   前記モデルガスを前記ガスセンサに供給し、該ガスセンサの出力特性を評価することを特徴とするガスセンサ評価方法。
2. 前記モデルガスの前記組成は、前記サンプルガスについて測定された前記酸素（Ｏ₂）の含有量の全てを、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算した組成であることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ評価方法。
3. 前記モデルガスは、１．００００よりも大きく１．０１５０以下の空燃比で燃焼させた前記排気ガスに相当することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ評価方法。
4. 前記ガスセンサは、ジルコニア式酸素センサであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサ評価方法。
5. 前記サンプルガスに含まれる酸素（Ｏ₂）の含有量を、磁気圧法を用いて測定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサ評価方法。
6. 前記サンプルガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を、化学発光法を用いて測定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサ評価方法。
7. 前記サンプルガスにおける含有量の測定対象となる前記複数の成分は、酸素（Ｏ₂）および窒素酸化物（ＮＯｘ）に加え、さらに、二酸化炭素（ＣＯ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ₂）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、プロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）、メタン（ＣＨ₄）、水（Ｈ₂Ｏ）、窒素（Ｎ₂）、アルゴン（Ａｒ）の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のガスセンサ評価方法。
8. 内燃機関の排気系における浄化装置よりも排出先側の排気ガスに含まれる酸素（Ｏ_２）を検出するガスセンサを、モデルガスに対する前記ガスセンサの出力特性に基づいて評価するガスセンサ評価装置であって、
   前記排気ガスに相当するサンプルガスに含まれる複数の成分であって、少なくとも酸素（Ｏ_２）および窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む複数の成分、について測定された各成分の含有量に対して、酸素（Ｏ_２）の含有量の少なくとも一部を、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量を上乗せ増加させると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算された分に相当する前記酸素（Ｏ_２）の含有量を減少させた組成で、前記モデルガスを生成するガス生成部と、
   前記モデルガス生成部によって生成した前記モデルガスを前記ガスセンサに供給するガス供給部と
   を備えることを特徴とするガスセンサ評価装置。
9. 前記モデルガスの前記組成は、前記サンプルガスについて測定された前記酸素（Ｏ₂）の含有量の全てを、同数の酸素原子を有する窒素酸化物（ＮＯｘ）に換算した組成であることを特徴とする請求項８に記載のガスセンサ評価装置。

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