JP6655522B2 - ガスセンサ、触媒診断システム、および、触媒診断方法 - Google Patents
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Description
本実施の形態に係るガスセンサ100の概略構成について説明する。図1は、ガスセンサ100の主たる構成要素であるセンサ素子101の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示す図である。センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
Au存在比=Au検出値/Pt検出値・・・(1)
なる式にてAu存在比を算出する。Ptが露出している部分の面積と、Auによって被覆されてなる部分の面積が等しいときに、Au存在比は1となる。
次に、図1に例示するセンサ素子101を製造するプロセスについて説明する。概略的にいえば、図1に例示するセンサ素子101は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含むグリーンシートからなる積層体を形成し、該積層体を切断・焼成することによって作製される。酸素イオン伝導性固体電解質としては、例えば、ジルコニアに3mol%以上の比率でイットリアが内添加されたイットリウム部分安定化ジルコニア(YSZ)などが例示される。
次に、上述したガスセンサ100を、ディーゼル酸化触媒(DOC、以下、酸化触媒とも称する)を含むディーゼルエンジンシステム(以下、単にエンジンシステムとも称する)に適用した例について説明する。
本実施例では、外側ポンプ電極23を混成電位セル61の検知電極としても機能するように設けることに起因した、外側ポンプ電極23を含む各ポンプセルにおける酸素ポンピング能への影響の有無を確認した。
流量:200L/min;
ガス温度:120℃;
ガス組成:
O2=10%;
H2O=5%;
NO=0ppm、100ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm;
N2=残余。
本実施例では、ガスセンサ100を備えた酸化触媒診断システムDS1を用いて行う、酸化触媒600のライトオフ温度に基づく酸化触媒600の劣化診断の可否を確認した。
2 第2基板層
3 第3基板層
4 第1固体電解質層
5 スペーサ層
6 第2固体電解質層
10 ガス導入口
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
24 可変電源
40 第2内部空所
41 測定用ポンプセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 測定電極
45 拡散律速部
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
61 混成電位セル
70 ヒータ部
71 ヒータ電極
72 ヒータ
100 ガスセンサ
101 センサ素子
102 コントローラ
110 温度センサ
200 電子制御装置
300 エンジン本体部
301 燃料噴射弁
400 燃料噴射指示部
500 排気管
510 排気口
600 酸化触媒
700 浄化装置
1000 エンジンシステム
DS1 酸化触媒診断システム
G 排ガス
Claims (6)
- 被測定ガス中の所定ガス成分を検出するガスセンサであって、
複数の酸素イオン伝導性固体電解質層を積層して構成されてなるセンサ素子と、
前記センサ素子の内部に備わり、前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入される少なくとも1つの内部空所と、
前記少なくとも1つの内部空所に面して形成されたNOx測定電極と、
前記センサ素子の表面に形成された外側ポンプ電極と、
前記複数の酸素イオン伝導性固体電解質層のうちの2つの間に、基準ガスに接触するように配置された基準電極と、
を備え、前記NOx測定電極と、前記外側ポンプ電極と、前記NOx測定電極と前記外側ポンプ電極との間の固体電解質とによって電気化学的ポンプセルである測定用ポンプセルが構成されてなるNOxセンサ部、
を有するとともに、
前記外側ポンプ電極の炭化水素ガスおよび一酸化炭素に対する触媒活性が不能化されてなることで、前記センサ素子が、前記外側ポンプ電極と、前記基準電極と、前記外側ポンプ電極と前記基準電極との間の固体電解質とによって構成される混成電位セルを備えるHCセンサ部、
をさらに有してなり、
前記センサ素子の少なくとも前記HCセンサ部を前記ヒータによって400℃以上650℃以下の第1の温度に加熱したときに、前記混成電位セルにおいて前記外側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる電位差に基づいて、前記被測定ガス中のHC濃度を特定するHCモードと、
前記センサ素子の少なくとも前記NOxセンサ部を600℃以上900℃以下であって第1の温度よりも高い第2の温度に加熱し、かつ、前記NOx測定電極と前記基準電極との間における電位差が一定に保たれるように前記NOx測定電極と前記外側ポンプ電極との間に印加される電圧を制御した状態において、前記NOx測定電極と前記外側ポンプ電極の間に流れるポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中のNOx濃度を特定するNOxモードと、
を、前記センサ素子の温度に応じて選択的に実行可能である、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記外側ポンプ電極が、貴金属と酸素イオン伝導性を有する固体電解質とのサーメットからなり、
前記貴金属がPt−Au合金であり、前記外側ポンプ電極を構成する貴金属粒子の表面のうち前記Ptが露出している部分に対する前記Auが被覆している部分の面積比率であるAu存在比が0.25以上2.30以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記少なくとも1つの内部空所が第1の内部空所と第2の内部空所であり、
前記NOx測定電極が前記第2の内部空所に設けられており、かつ、NOx還元能を有してなり、
前記外部空間から前記センサ素子の内部に前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記第1の内部空所に面して形成された内側ポンプ電極と、
前記第2の内部空所に面して形成された補助ポンプ電極と、
をさらに備え、
前記ガス導入口と前記第1の内部空所、および、前記第1の内部空所と前記第2の内部空所はそれぞれ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する拡散律速部を介して連通しており、
前記内側ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間の固体電解質とによって、前記第1の内部空所と外部空間との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う主ポンプセルが構成されてなり、
前記補助ポンプ電極と、前記外側ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記外側ポンプ電極との間の固体電解質とによって前記第2の内部空所から外部空間へと酸素の汲み出しを行う電気化学的ポンプセルである補助ポンプセルが構成されてなり、
前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルによって酸素分圧が制御された前記被測定ガス中のNOxを前記NOx測定電極が還元することによって生じる酸素が前記測定用ポンプセルによって汲み出されることにより、前記NOx測定電極と前記外側ポンプ電極の間に前記ポンプ電流が流れる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の状態を診断する、触媒診断システムであって、
前記排気経路において前記触媒よりも下流側に設けられた、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のガスセンサと、
前記触媒の温度を出力する温度センサと、
前記触媒診断システムを制御する制御手段と、
を備え、
前記触媒の劣化診断に用いる閾値条件を記述してなる閾値データが、あらかじめ定められたうえで所定の記憶部に保持されてなり、
前記内燃機関を始動させた時点から、前記センサ素子の少なくとも前記HCセンサ部を前記ヒータによって前記第1の温度に加熱した状態で、前記混成電位セルにおいて前記外側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる電位差を経時的に測定し、前記電位差に前記閾値条件をみたす減少が生じたときの、前記温度センサから出力される前記触媒の温度を、前記触媒についてのライトオフ温度として認定し、
前記ライトオフ温度に基づいて、前記触媒の劣化の程度を診断する、
ことを特徴とする触媒診断システム。 - 請求項4に記載の触媒診断システムであって、
前記ライトオフ温度の認定後、前記センサ素子の少なくとも前記NOxセンサ部が前記第2の温度となるように前記ヒータによって前記センサ素子が加熱された状態において、前記NOx測定電極と前記外側ポンプ電極の間に流れる前記ポンプ電流に基づいて、前記内燃機関が定常動作しているときの前記触媒の下流側におけるNOx濃度をモニタできる、
ことを特徴とする触媒診断システム。 - 内燃機関の排気経路に設けられて前記内燃機関からの排ガスに含まれる炭化水素ガスおよび一酸化炭素ガスの少なくとも一方を含む対象ガスを酸化もしくは吸着する触媒の状態を診断する方法であって、
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のガスセンサを、前記排気経路の前記触媒よりも下流側に設けておき、
前記内燃機関を始動させた時点から、前記センサ素子の少なくとも前記HCセンサ部を前記ヒータによって前記第1の温度に加熱した状態で、前記混成電位セルにおいて前記外側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる電位差を経時的に測定し、前記電位差にあらかじめ定めた閾値条件をみたす減少が生じたときの前記触媒の温度を、前記触媒についてのライトオフ温度として認定し、
前記ライトオフ温度に基づいて、前記触媒の劣化の程度を診断する、
ことを特徴とする触媒診断方法。
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