JP7261184B2 - gas sensor - Google Patents

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Description

本開示は、ガスセンサに関する。 The present disclosure relates to gas sensors.

従来、排気中のアンモニア濃度を検出することが可能なガスセンサとしては、下記の特許文献1に記載のガスセンサがある。特許文献1に記載のガスセンサは、センサ素子と、制御装置とを備えている。
センサ素子は混成電位セルを有している。混成電位セルは、固体電解質体と、固体電解質体の一方の表面に配置される検知電極と、固体電解質体の他方の表面に配置される参照電極とにより構成されている。混成電位セルでは、検知電極、固体電解質体、及び排気との三相界面において排気中のアンモニアの酸化及び酸素のイオン化などの電気化学反応が生じることにより、検知電極に混成電位が生じる。そのため、検知電極と参照電極との間には、排気中のアンモニア濃度及び酸素濃度に応じた起電力が発生する。
Conventionally, as a gas sensor capable of detecting the concentration of ammonia in exhaust gas, there is a gas sensor described in Patent Document 1 below. The gas sensor disclosed in Patent Literature 1 includes a sensor element and a control device.
The sensor element has a mixed potential cell. A mixed potential cell is composed of a solid electrolyte body, a sensing electrode arranged on one surface of the solid electrolyte body, and a reference electrode arranged on the other surface of the solid electrolyte body. In a mixed potential cell, electrochemical reactions such as oxidation of ammonia and ionization of oxygen in the exhaust occur at the three-phase interface between the sensing electrode, the solid electrolyte, and the exhaust, resulting in a mixed potential at the sensing electrode. Therefore, an electromotive force corresponding to the concentrations of ammonia and oxygen in the exhaust gas is generated between the detection electrode and the reference electrode.

制御装置は、起電力取得部と、酸素濃度取得部と、アンモニア濃度導出部とを備えている。起電力取得部は、混成電位セルに発生する起電力を取得する。酸素濃度取得部は、排気中の酸素濃度を取得する。アンモニア濃度導出部は、起電力取得部により取得された起電力と、酸素濃度取得部により取得された排気中の酸素濃度とから以下の式f1に基づいて排気中のアンモニア濃度を導出する。なお、式f1において、「EMF」は混成電位セルの起電力であり、「α」、「β」、及び「B」は定数であり、「a」及び「b」は任意の底であり、「pNH3」は排気中のアンモニア濃度であり、「p02」は排気中の酸素濃度である。 The control device includes an electromotive force acquisition section, an oxygen concentration acquisition section, and an ammonia concentration derivation section. The electromotive force acquisition unit acquires an electromotive force generated in the mixed potential cell. The oxygen concentration acquisition unit acquires the oxygen concentration in exhaust gas. The ammonia concentration derivation unit derives the concentration of ammonia in the exhaust based on the following equation f1 from the electromotive force obtained by the electromotive force obtaining unit and the oxygen concentration in the exhaust obtained by the oxygen concentration obtaining unit. Note that in formula f1, “EMF” is the electromotive force of the mixed potential cell, “α”, “β”, and “B” are constants, “a” and “b” are arbitrary bases, “p NH3 ” is the concentration of ammonia in the exhaust, and “p 02 ” is the concentration of oxygen in the exhaust.

EMF=αloga(pNH3)-βlog(pO2)+B (f1) EMF=αlog a (p NH3 )−βlog b (p O2 )+B (f1)

特開2018-173397号公報JP 2018-173397 A

ところで、発明者らが行った実験やシミュレーション等によると、排気中のアンモニア濃度が低い場合、上記の式f1に基づいてアンモニア濃度を演算すると、その演算精度が悪化することが確認されている。これは、検知電極の表面でアンモニアが熱分解及び酸化されることによりアンモニアの一部が消失することが理由であると考えられる。より詳しくは、一部のアンモニアが検知電極の表面で消失すると、混成電位セルにより検出されるアンモニア濃度と、実際の排気中のアンモニア濃度とに誤差が生じる。この誤差がガスセンサのアンモニアの検出精度に影響を与えることとなるが、その影響は排気中のアンモニア濃度が低濃度であるほど大きくなる。そのため、上記の式(1)を用いた場合、特に排気中のアンモニア濃度が低濃度である場合に、アンモニア濃度の演算精度を確保することができないおそれがある。 By the way, according to the experiments and simulations conducted by the inventors, it has been confirmed that when the concentration of ammonia in the exhaust gas is low, the accuracy of calculation of the concentration of ammonia deteriorates when the concentration of ammonia is calculated based on the above equation f1. The reason for this is thought to be that part of the ammonia disappears due to thermal decomposition and oxidation of the ammonia on the surface of the sensing electrode. More specifically, if some of the ammonia disappears on the surface of the sensing electrode, there will be an error between the ammonia concentration detected by the mixed potential cell and the actual ammonia concentration in the exhaust gas. This error affects the ammonia detection accuracy of the gas sensor, and the lower the concentration of ammonia in the exhaust gas, the greater the effect. Therefore, when the above equation (1) is used, especially when the concentration of ammonia in the exhaust gas is low, there is a possibility that the accuracy of calculation of the concentration of ammonia cannot be ensured.

なお、このような課題は、排気中のアンモニアを検出するガスセンサに限らず、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を検出するガスセンサに共通する課題である。
本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を、より高い精度で検出することが可能なガスセンサを提供することにある。
This problem is not limited to gas sensors that detect ammonia in exhaust gas, but is common to gas sensors that detect the concentration of a target gas component contained in a gas to be measured.
The present disclosure has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a gas sensor capable of detecting with higher accuracy the concentration of a detection target gas component contained in a gas to be measured. .

上記課題を解決するガスセンサは、酸素濃度検出部(41)と、混成電位セル(44)と、ガス濃度演算部(226)と、を備える。酸素濃度検出部は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する。混成電位セルは、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分及び酸素を検知してそれらの濃度に応じた電位である混成電位が発生する検知電極(65)と、大気に接触可能に設けられる基準電極(66)とを有し、被測定ガス中の検知対象ガス成分の濃度及び酸素の濃度に応じた起電力が検知電極と基準電極との間に発生する。ガス濃度演算部は、検知対象ガス成分の濃度が所定濃度以上であるときに対応した検知対象ガス成分の濃度と混成電位セルの起電力との関係を示し、且つ酸素濃度に応じた複数の第1演算式と、検知対象ガス成分の濃度が所定濃度未満であるときに対応した検知対象ガス成分の濃度と混成電位セルの起電力との関係を示すとともに、第1演算式とは異なる相関を有し、且つ酸素濃度に応じた複数の第2演算式とを有し、複数の第1演算式及び複数の第2演算式から、酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に対応した第1演算式及び第2演算式を選定し、選定された第1演算式及び第2演算式から混成電位セルの起電力に基づいて被測定ガス中の検知対象ガス成分の濃度を演算する
上記課題を解決する他のガスセンサは、酸素濃度検出部(41)と、混成電位セル(44)と、ガス濃度演算部(226)と、を備える。酸素濃度検出部は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する。混成電位セルは、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分及び酸素を検知してそれらの濃度に応じた電位である混成電位が発生する検知電極(65)と、大気に接触可能に設けられる基準電極(66)とを有し、被測定ガス中の検知対象ガス成分の濃度及び酸素の濃度に応じた起電力が検知電極と基準電極との間に発生する。ガス濃度演算部は、検知対象ガス成分の濃度が所定濃度以上であるときに対応した検知対象ガス成分の濃度と混成電位セルの起電力との関係を示し、且つ酸素濃度に応じた複数の第1マップと、検知対象ガス成分の濃度が所定濃度未満であるときに対応した検知対象ガス成分の濃度と混成電位セルの起電力との関係を示すとともに、第1マップとは異なる相関を有し、且つ酸素濃度に応じた複数の第2マップとを有し、複数の第1マップ及び複数の第2マップから、酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に対応した第1マップ及び第2マップを選定し、選定された第1マップ及び第2マップから混成電位セルの起電力に基づいて被測定ガス中の検知対象ガス成分の濃度を演算する。
A gas sensor that solves the above problems comprises an oxygen concentration detector (41), a mixed potential cell (44), and a gas concentration calculator (226). The oxygen concentration detector detects the concentration of oxygen contained in the gas to be measured. The mixed potential cell includes a detection electrode (65) that detects a gas component to be detected and oxygen contained in the gas to be measured and generates a mixed potential that is a potential corresponding to their concentrations, and a reference that is provided so as to be in contact with the atmosphere. An electromotive force is generated between the detection electrode and the reference electrode according to the concentration of the gas component to be detected and the concentration of oxygen in the gas to be measured. The gas concentration calculator indicates the relationship between the concentration of the gas component to be detected and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the gas component to be detected is equal to or higher than a predetermined concentration, and calculates a plurality of second values corresponding to the oxygen concentration. 1 calculation formula and the relationship between the concentration of the detection target gas component and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the detection target gas component is less than the predetermined concentration, and a correlation different from the first calculation formula is shown. and a plurality of second arithmetic expressions corresponding to the oxygen concentration, and from the plurality of first arithmetic expressions and the plurality of second arithmetic expressions, a first first arithmetic expression corresponding to the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit An arithmetic expression and a second arithmetic expression are selected, and the concentration of the gas component to be detected in the gas to be measured is calculated based on the electromotive force of the mixed potential cell from the selected first arithmetic expression and second arithmetic expression .
Another gas sensor that solves the above problem comprises an oxygen concentration detector (41), a mixed potential cell (44), and a gas concentration calculator (226). The oxygen concentration detector detects the concentration of oxygen contained in the gas to be measured. The mixed potential cell includes a detection electrode (65) that detects a gas component to be detected and oxygen contained in the gas to be measured and generates a mixed potential that is a potential corresponding to their concentrations, and a reference that is provided so as to be in contact with the atmosphere. An electromotive force is generated between the detection electrode and the reference electrode according to the concentration of the gas component to be detected and the concentration of oxygen in the gas to be measured. The gas concentration calculator indicates the relationship between the concentration of the gas component to be detected and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the gas component to be detected is equal to or higher than a predetermined concentration, and calculates a plurality of second values corresponding to the oxygen concentration. 1 map and the relationship between the concentration of the detection target gas component and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the detection target gas component is less than the predetermined concentration, and has a different correlation from the first map. and a plurality of second maps corresponding to the oxygen concentration, the first map and the second map corresponding to the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit from the plurality of first maps and the plurality of second maps is selected, and the concentration of the gas component to be detected in the gas to be measured is calculated based on the electromotive force of the mixed potential cell from the selected first map and second map.

この構成によれば、検知対象ガス成分の濃度が高い場合に用いられる第1演算式又は第1マップのみを用いて検知対象ガス成分の濃度を演算する場合と比較すると、検知対象ガス成分の濃度が低い場合に、その濃度をより高い精度で演算することが可能となる。
なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
According to this configuration, compared to the case of calculating the concentration of the detection target gas component using only the first arithmetic expression or the first map used when the concentration of the detection target gas component is high, the concentration of the detection target gas component is low, the concentration can be calculated with higher accuracy.
It should be noted that the means described above and the reference numerals in parentheses described in the claims are examples showing the corresponding relationship with specific means described in the embodiments described later.

本開示のガスセンサによれば、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を、より高い精度で検出することができる。 According to the gas sensor of the present disclosure, the concentration of the detection target gas component contained in the gas under measurement can be detected with higher accuracy.

図1は、実施形態の車両の排気浄化システムの概略構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an exhaust purification system for a vehicle according to an embodiment. 図2は、実施形態のガスセンサのセンサ素子の断面構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the sensor element of the gas sensor of the embodiment. 図3は、図2のIII-III線に沿った断面構造を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along line III--III in FIG. 図4は、実施形態のガスセンサのSCUの概略構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of the SCU of the gas sensor of the embodiment. 図5は、保護層を有していないガスセンサにおける混成電位セルの起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the mixed potential cell electromotive force V NH3 and the ammonia concentration p NH3 in a gas sensor without a protective layer. 図6は、保護層を有していないガスセンサによるアンモニア濃度の演算値と実際のアンモニア濃度との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the ammonia concentration calculated by a gas sensor that does not have a protective layer and the actual ammonia concentration. 図7は、保護層を有するガスセンサにおける混成電位セルの起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the mixed potential cell electromotive force V NH3 and the ammonia concentration p NH3 in a gas sensor having a protective layer. 図8は、保護層を有するガスセンサによるアンモニア濃度の演算値と実際のアンモニア濃度との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the ammonia concentration calculated by the gas sensor having the protective layer and the actual ammonia concentration. 図9は、実施形態のガスセンサにより用いられる、混成電位セルの起電力VNH3からアンモニア濃度pNH3を求めるための演算式を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing an arithmetic expression for obtaining the ammonia concentration p NH3 from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell, which is used by the gas sensor of the embodiment.

以下、ガスセンサの一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
はじめに、実施形態のガスセンサが搭載される車両の排気浄化システムの概要について説明する。
An embodiment of the gas sensor will be described below with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same constituent elements in each drawing are denoted by the same reference numerals as much as possible, and overlapping descriptions are omitted.
First, an outline of an exhaust purification system for a vehicle in which the gas sensor of the embodiment is mounted will be described.

図1に示されるように、本実施形態の車両の排気浄化システム1は、ディーゼルエンジンであるエンジン10の排気を浄化するシステムである。エンジン10には排気通路を形成する排気管11が接続されており、その排気管11には、エンジン10側から順に酸化触媒コンバータ12と選択還元触媒コンバータ(以下、「SCR触媒コンバータ」と称する)13とが設けられている。酸化触媒コンバータ12は、ディーゼル酸化触媒14と、DPF(Diesel Particulate Filter)15とを有している。SCR触媒コンバータ13は、選択還元型の触媒としてSCR触媒16を有している。また、排気管11における酸化触媒コンバータ12とSCR触媒コンバータ13との間には、還元剤としての尿素水(尿素水溶液)を排気管11内に添加供給するための尿素水添加弁17が設けられている。 As shown in FIG. 1, a vehicle exhaust purification system 1 of the present embodiment is a system for purifying exhaust from an engine 10, which is a diesel engine. An exhaust pipe 11 forming an exhaust passage is connected to the engine 10. The exhaust pipe 11 is connected to an oxidation catalytic converter 12 and a selective reduction catalytic converter (hereinafter referred to as "SCR catalytic converter") in order from the engine 10 side. 13 are provided. The oxidation catalyst converter 12 has a diesel oxidation catalyst 14 and a DPF (Diesel Particulate Filter) 15 . The SCR catalytic converter 13 has an SCR catalyst 16 as a selective reduction type catalyst. A urea water addition valve 17 is provided between the oxidation catalyst converter 12 and the SCR catalyst converter 13 in the exhaust pipe 11 for adding and supplying urea water (urea aqueous solution) as a reducing agent into the exhaust pipe 11 . ing.

ディーゼル酸化触媒14は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物と、白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属触媒とで構成されている。ディーゼル酸化触媒14は、排気に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等を酸化させて浄化する。 The diesel oxidation catalyst 14 is mainly composed of a ceramic carrier, an oxide mixture containing aluminum oxide, cerium dioxide and zirconium dioxide as components, and a noble metal catalyst such as platinum, palladium and rhodium. The diesel oxidation catalyst 14 oxidizes and purifies hydrocarbons, carbon monoxide, nitrogen oxides, etc. contained in the exhaust.

DPF15は、ハニカム構造体により形成され、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持されることで構成されている。DPF15は、排気中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させることで捕集する。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒14における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。 The DPF 15 is formed of a honeycomb structure, and is configured by supporting a platinum group catalyst such as platinum or palladium on a porous ceramic. The DPF 15 collects particulate matter contained in the exhaust gas by depositing it on the partition walls of the honeycomb structure. Accumulated particulate matter is oxidized and purified by combustion. This combustion utilizes the temperature rise in the diesel oxidation catalyst 14 and the decrease in the combustion temperature of the particulate matter due to the additive.

SCR触媒コンバータ13は、酸化触媒コンバータ12の後処理装置としてNOxを窒素と水に還元する装置である。SCR触媒16としては、例えばゼオライト又はアルミナなどの基材表面に白金などの貴金属を担持した触媒が用いられる。SCR触媒16は、触媒温度が活性温度域にある場合に、還元剤としての尿素が添加されることによりNOxを還元して浄化する。 The SCR catalytic converter 13 is a device for reducing NOx to nitrogen and water as a post-treatment device for the oxidation catalytic converter 12 . As the SCR catalyst 16, for example, a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on the surface of a base material such as zeolite or alumina is used. The SCR catalyst 16 reduces and purifies NOx by adding urea as a reducing agent when the catalyst temperature is in the activation temperature range.

排気浄化システム1は、排気中のNOx濃度及びアンモニア(NH)濃度を検出するためのガスセンサ20を備えている。ガスセンサ20は、センサ素子21とSCU(Sensor Control Unit)22とを有している。センサ素子21は、排気管11におけるSCR触媒コンバータ13の下流側に配置されている。センサ素子21は、その検出位置における排気中のNOx濃度及びアンモニア濃度を検出する。センサ素子21にはSCU22が接続されている。センサ素子21の検出信号はSCU22に入力される。SCU22は、CPUや各種メモリを有するマイクロコンピュータとその周辺回路とを有する電子制御装置であり、センサ素子21の検出信号に基づいて排気中の酸素濃度やNOx濃度、アンモニア濃度等を演算する。本実施形態では、排気が被測定ガスに相当する。 The exhaust purification system 1 includes a gas sensor 20 for detecting NOx concentration and ammonia (NH 3 ) concentration in the exhaust. The gas sensor 20 has a sensor element 21 and an SCU (Sensor Control Unit) 22 . The sensor element 21 is arranged downstream of the SCR catalytic converter 13 in the exhaust pipe 11 . The sensor element 21 detects NOx concentration and ammonia concentration in the exhaust gas at the detection position. An SCU 22 is connected to the sensor element 21 . A detection signal from the sensor element 21 is input to the SCU 22 . The SCU 22 is an electronic control unit having a microcomputer having a CPU and various memories and its peripheral circuits. In this embodiment, exhaust corresponds to the gas to be measured.

SCU22は、CANバス等の通信線31を介してエンジンECU30等の各種ECUに接続されている。SCU22及びエンジンECU30は通信線31を用いて相互に情報の授受が可能となっている。SCU22からエンジンECU30に対しては、例えば排気中の酸素濃度やNOx濃度、アンモニア濃度の情報が送信される。エンジンECU30は、CPUや各種メモリを有するマイクロコンピュータとその周辺回路とを有する電子制御装置であり、エンジン10や排気系の各種装置を制御する。エンジンECU30は、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいて燃料噴射制御等を実施する。また、エンジンECU30は、ガスセンサ20により検出されるNOx濃度及びアンモニア濃度に基づいて、尿素水添加弁17による尿素水添加の制御を実施する。 The SCU 22 is connected to various ECUs such as an engine ECU 30 via a communication line 31 such as a CAN bus. The SCU 22 and the engine ECU 30 can exchange information with each other using a communication line 31 . Information on, for example, oxygen concentration, NOx concentration, and ammonia concentration in the exhaust gas is transmitted from the SCU 22 to the engine ECU 30 . The engine ECU 30 is an electronic control device having a CPU, a microcomputer having various memories, and peripheral circuits thereof, and controls the engine 10 and various devices in the exhaust system. The engine ECU 30 performs fuel injection control and the like based on, for example, the accelerator opening and the engine rotation speed. Further, the engine ECU 30 controls addition of urea water by the urea water addition valve 17 based on the NOx concentration and the ammonia concentration detected by the gas sensor 20 .

次に、ガスセンサ20の構成について説明する。図2及び図3はガスセンサ20のセンサ素子21の内部構造を示す図である。なお、図の左右方向がセンサ素子21の長手方向であり、図の左側が素子先端側である。
センサ素子21は、ポンプセル41と、センサセル42と、モニタセル43と、混成電位セル44と、第1固体電解質体51と、第2固体電解質体52と、基板部53と、拡散抵抗体54と、ヒータ59と、保護層70とを備えている。
Next, the configuration of the gas sensor 20 will be described. 2 and 3 are diagrams showing the internal structure of the sensor element 21 of the gas sensor 20. FIG. The horizontal direction of the drawing is the longitudinal direction of the sensor element 21, and the left side of the drawing is the element tip side.
The sensor element 21 includes a pump cell 41, a sensor cell 42, a monitor cell 43, a mixed potential cell 44, a first solid electrolyte body 51, a second solid electrolyte body 52, a substrate portion 53, a diffusion resistor 54, A heater 59 and a protective layer 70 are provided.

第1固体電解質体51、第2固体電解質体52、及び基板部53は、板状に形成されるとともに、この順で厚さ方向に所定の隙間を有して並べて配置されている。基板部53と第2固体電解質体52との間に形成される隙間は第1基準ガス室64を形成している。第1固体電解質体51と第2固体電解質体52との間に形成される隙間は測定ガス室61及び第2基準ガス室62を形成している。測定ガス室61及び第2基準ガス室62は、隔壁63により、それぞれ独立した空間として区画されている。第1基準ガス室64及び第2基準ガス室62には、基準酸素濃度ガスとしての大気が導入されている。 The first solid electrolyte body 51, the second solid electrolyte body 52, and the substrate portion 53 are formed in a plate shape and arranged side by side in this order with a predetermined gap in the thickness direction. A gap formed between the substrate portion 53 and the second solid electrolyte body 52 forms a first reference gas chamber 64 . A gap formed between the first solid electrolyte body 51 and the second solid electrolyte body 52 forms a measurement gas chamber 61 and a second reference gas chamber 62 . The measurement gas chamber 61 and the second reference gas chamber 62 are partitioned as independent spaces by partition walls 63 . The atmosphere as a reference oxygen concentration gas is introduced into the first reference gas chamber 64 and the second reference gas chamber 62 .

第1固体電解質体51の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体54が配置されている。測定ガス室61には、排気管11を流れる排気が保護層70及び拡散抵抗体54を通じて導入される。拡散抵抗体54は、アルミナ等の多孔質部材や、細孔を有する部材からなる。拡散抵抗体54は、測定ガス室61内に導入される排気量を制限するために設けられている。 One side of the first solid electrolyte body 51 is open, and a diffusion resistor 54 is arranged on the open side. Exhaust gas flowing through the exhaust pipe 11 is introduced into the measurement gas chamber 61 through the protective layer 70 and the diffusion resistor 54 . The diffusion resistor 54 is made of a porous member such as alumina or a member having pores. A diffusion resistor 54 is provided to limit the amount of exhaust introduced into the measurement gas chamber 61 .

ポンプセル41は、センサセル42及びモニタセル43よりも拡散抵抗体54に近い位置に配置されている。ポンプセル41は、拡散抵抗体54から導入される排気中の酸素を除去する。
ポンプセル41は、第2固体電解質体52と、第2固体電解質体52における測定ガス室61側の表面に配置されるポンプ電極55と、第2固体電解質体52における第1基準ガス室64側の表面に配置される共通電極58とにより構成されている。ポンプ電極55は、NOxを分解し難いNOx不活性電極、例えばPt-Au(白金-金)合金により形成される電極からなる。共通電極58は、センサセル42及びポンプセル41に対応する領域まで延びるように配置されている。ポンプ電極55と共通電極58との間には、SCU22によりポンプ電圧Vpが印加されている。
The pump cell 41 is arranged closer to the diffusion resistor 54 than the sensor cell 42 and monitor cell 43 . The pump cell 41 removes oxygen from the exhaust introduced from the diffusion resistor 54 .
The pump cell 41 includes a second solid electrolyte body 52, a pump electrode 55 arranged on the surface of the second solid electrolyte body 52 on the side of the measurement gas chamber 61, and an electrode on the side of the first reference gas chamber 64 in the second solid electrolyte body 52. and a common electrode 58 arranged on the surface. The pump electrode 55 is a NOx-inactive electrode that hardly decomposes NOx, such as an electrode made of a Pt--Au (platinum--gold) alloy. The common electrode 58 is arranged to extend to regions corresponding to the sensor cells 42 and the pump cells 41 . A pump voltage Vp is applied between the pump electrode 55 and the common electrode 58 by the SCU 22 .

ポンプ電極55には、拡散抵抗体54を通じて測定ガス室61に導入される排気が接触する。ポンプ電極55に排気中の酸素が接触すると、ポンプ電極55において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、第2固体電解質体52内を共通電極58に向かって流れ、共通電極58において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、第1基準ガス室64から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてポンプ電極55と共通電極58との間にポンプ電流Ipが流れる。したがって、ポンプ電流Ipは、ポンプセル41における酸素の除去量、換言すれば排気中の酸素濃度に応じた値を示す。本実施形態では、ポンプセル41が、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部に相当する。 The exhaust gas introduced into the measuring gas chamber 61 through the diffusion resistor 54 contacts the pump electrode 55 . When oxygen in the exhaust contacts the pump electrode 55 , oxygen ions are generated at the pump electrode 55 . The oxygen ions flow through the second solid electrolyte body 52 toward the common electrode 58 and release charges at the common electrode 58 to become oxygen. This oxygen is released to the atmosphere from the first reference gas chamber 64 . A pump current Ip flows between the pump electrode 55 and the common electrode 58 according to the charge flow at this time. Therefore, the pump current Ip indicates a value corresponding to the amount of oxygen removed in the pump cell 41, in other words, the oxygen concentration in the exhaust. In this embodiment, the pump cell 41 corresponds to an oxygen concentration detector that detects the concentration of oxygen contained in the gas to be measured.

図3に示されるように、センサセル42は、ポンプセル41よりも拡散抵抗体54から離間した位置に配置されている。センサセル42は、ポンプセル41を通過した排気中のNOx濃度及び残留酸素の濃度を検出する。
図2に示されるように、センサセル42は、第2固体電解質体52と、第2固体電解質体52における測定ガス室61側の表面に配置されるセンサ電極56と、共通電極58とにより構成されている。センサ電極56は、NOxを分解し易いNOx活性電極、例えばPt-Rh(白金-ロジウム)合金により形成される電極からなる。センサ電極56と共通電極58との間には、SCU22によりセンサ電圧Vsが印加されている。
As shown in FIG. 3 , the sensor cell 42 is located farther from the diffused resistor 54 than the pump cell 41 is. The sensor cell 42 detects the NOx concentration and residual oxygen concentration in the exhaust that has passed through the pump cell 41 .
As shown in FIG. 2, the sensor cell 42 includes a second solid electrolyte body 52, a sensor electrode 56 arranged on the surface of the second solid electrolyte body 52 on the side of the measurement gas chamber 61, and a common electrode 58. ing. The sensor electrode 56 is a NOx active electrode that easily decomposes NOx, such as an electrode made of a Pt--Rh (platinum-rhodium) alloy. A sensor voltage Vs is applied between the sensor electrode 56 and the common electrode 58 by the SCU 22 .

センサ電極56には、ポンプ電極55を通過した排気、すなわち酸素が除去された排気が接触する。センサ電極56に排気中のNOxが接触することにより、センサ電極56においてNOxが窒素及び酸素に分解される。また、ポンプ電極55により除去することができなかった残留酸素が排気中に存在する場合、この残留酸素もセンサ電極56に接触する。センサ電極において分解された酸素、及び排気中の残留酸素がセンサ電極56に接触することにより、センサ電極56において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、第2固体電解質体52内を共通電極58に向かって流れ、共通電極58において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、第1基準ガス室64から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてセンサ電極56と共通電極58との間にセンサ電流Isが流れる。したがって、センサ電流Isは排気中のNOx濃度及び残留酸素の濃度に応じた値を示す。 The sensor electrode 56 is contacted by the exhaust gas that has passed through the pump electrode 55, that is, the exhaust gas from which oxygen has been removed. When NOx in the exhaust comes into contact with the sensor electrode 56 , the NOx is decomposed into nitrogen and oxygen at the sensor electrode 56 . Also, if there is residual oxygen in the exhaust that has not been removed by the pump electrode 55 , this residual oxygen also contacts the sensor electrode 56 . Oxygen ions are generated at the sensor electrode 56 when the oxygen decomposed at the sensor electrode and the residual oxygen in the exhaust come into contact with the sensor electrode 56 . The oxygen ions flow through the second solid electrolyte body 52 toward the common electrode 58 and release charges at the common electrode 58 to become oxygen. This oxygen is released to the atmosphere from the first reference gas chamber 64 . A sensor current Is flows between the sensor electrode 56 and the common electrode 58 according to the charge flow at this time. Therefore, the sensor current Is indicates a value corresponding to the concentration of NOx and residual oxygen in the exhaust gas.

図3に示されるように、モニタセル43は、センサセル42と並ぶように配置されている。モニタセル43は、ポンプセル41を通過した排気中の残留酸素の濃度を検出する。
図2に示されるように、モニタセル43は、第2固体電解質体52と、第2固体電解質体52における測定ガス室61側の表面に配置されるモニタ電極57と、共通電極58とにより構成されている。モニタ電極57は、NOxを分解し難いNOx不活性電極、例えばPt-Au(白金-金)合金により形成される電極からなる。モニタ電極57と共通電極58との間には、SCU22によりモニタ電圧Vmが印加されている。
As shown in FIG. 3 , the monitor cell 43 is arranged side by side with the sensor cell 42 . A monitor cell 43 detects the concentration of residual oxygen in the exhaust that has passed through the pump cell 41 .
As shown in FIG. 2, the monitor cell 43 includes a second solid electrolyte body 52, a monitor electrode 57 arranged on the surface of the second solid electrolyte body 52 on the side of the measurement gas chamber 61, and a common electrode 58. ing. The monitor electrode 57 is a NOx inert electrode that is difficult to decompose NOx, such as an electrode made of a Pt--Au (platinum--gold) alloy. A monitor voltage Vm is applied between the monitor electrode 57 and the common electrode 58 by the SCU 22 .

モニタ電極57には、ポンプ電極55により酸素が除去された排気が接触する。排気中に残留酸素が存在する場合、残留酸素がモニタ電極57に接触することにより、モニタ電極57において酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、第2固体電解質体52内を共通電極58に向かって流れ、共通電極58において電荷を放出して酸素となる。この酸素は、第1基準ガス室64から大気に放出される。この際の電荷の流れに応じてモニタ電極57と共通電極58との間にモニタ電流Imが流れる。したがって、モニタ電流Imは排気中の残留酸素の濃度に応じた値を示す。 Exhaust gas from which oxygen has been removed by the pump electrode 55 contacts the monitor electrode 57 . If residual oxygen is present in the exhaust gas, oxygen ions are generated at the monitor electrode 57 due to contact of the residual oxygen with the monitor electrode 57 . The oxygen ions flow through the second solid electrolyte body 52 toward the common electrode 58 and release charges at the common electrode 58 to become oxygen. This oxygen is released to the atmosphere from the first reference gas chamber 64 . A monitor current Im flows between the monitor electrode 57 and the common electrode 58 according to the charge flow at this time. Therefore, the monitor current Im indicates a value corresponding to the concentration of residual oxygen in the exhaust gas.

ヒータ59は基板部53の内部に設けられている。ヒータ59は、通電に基づき発熱することにより固体電解質体51,52を加熱し、固体電解質体51,52の温度を活性化温度に保持する。
混成電位セル44は、センサ素子21において第2基準ガス室62が設けられる部分に配置されている。混成電位セル44は、センサ素子21の外部に存在する排気中の酸素及びアンモニアを検出する。
The heater 59 is provided inside the substrate portion 53 . The heater 59 heats the solid electrolyte bodies 51 and 52 by generating heat when energized, and maintains the temperatures of the solid electrolyte bodies 51 and 52 at the activation temperature.
The mixed potential cell 44 is arranged in a portion of the sensor element 21 where the second reference gas chamber 62 is provided. The mixed potential cell 44 detects oxygen and ammonia present in the exhaust outside the sensor element 21 .

混成電位セル44は、第1固体電解質体51と、第1固体電解質体51の外面510に配置される検知電極65と、第1固体電解質体51における第2基準ガス室62側の内面に配置される基準電極66とにより構成されている。検知電極65は、貴金属である白金や金、パラジウム等を主成分とする電極からなる。 The mixed potential cell 44 includes the first solid electrolyte body 51, the detection electrode 65 arranged on the outer surface 510 of the first solid electrolyte body 51, and the inner surface of the first solid electrolyte body 51 on the second reference gas chamber 62 side. and a reference electrode 66 that The detection electrode 65 is made of an electrode whose main component is noble metal such as platinum, gold, palladium, or the like.

検知電極65には、第1固体電解質体51の外面510付近に存在する排気が接触する。検知電極65では、センサ素子21の外部に存在する排気中のアンモニア及び酸素が接触することにより、以下の(f2)に示されるアノード反応と、以下の式(f3)に示されるカソード反応とが生じる。 The exhaust gas present near the outer surface 510 of the first solid electrolyte body 51 contacts the sensing electrode 65 . In the sensing electrode 65, the ammonia and oxygen in the exhaust gas existing outside the sensor element 21 come into contact with each other, whereby an anodic reaction represented by (f2) below and a cathodic reaction represented by the following formula (f3) occur. occur.

2NH+3O2-→N+3HO+6e (f2)
+4e→2O2- (f3)
式f2に示されるアノード反応及び式f3に示されるカソード反応が一つの検知電極65の三相界面で同時に発生することにより、排気に含まれるアンモニア濃度及び酸素濃度に応じた電位である混成電位が検知電極65に発生する。これにより、検知電極65と、大気に接触可能に設けられる基準電極66との間に、排気中のアンモニア濃度及び酸素濃度に応じた起電力VNH3が発生する。起電力VNH3は、検知電極65と基準電極66との間の電位差である。本実施形態では、アンモニアが、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分に相当する。
2NH 3 +3O 2− →N 2 +3H 2 O+6e (f2)
O 2 +4e →2O 2− (f3)
The anodic reaction represented by the formula f2 and the cathodic reaction represented by the formula f3 occur simultaneously at the three-phase interface of one detection electrode 65, so that a mixed potential, which is a potential corresponding to the concentrations of ammonia and oxygen contained in the exhaust gas, is generated. It occurs at the sensing electrode 65 . As a result, an electromotive force VNH3 corresponding to the concentrations of ammonia and oxygen in the exhaust gas is generated between the detection electrode 65 and the reference electrode 66 provided so as to be in contact with the atmosphere. The electromotive force V NH3 is the potential difference between the sensing electrode 65 and the reference electrode 66 . In this embodiment, ammonia corresponds to the detection target gas component contained in the measurement target gas.

保護層70は、センサ素子21の外面を覆うように設けられている。保護層70により混成電位セル44の検知電極65も覆われている。保護層70は、Alを主成分とし、気孔率が「20[%]~60[%]」の範囲で成形された多孔質体からなる。保護層70の厚さは約50[μm]である。保護層70は、センサ素子21の外部の排気を測定ガス室61及び検知電極65に導入することが可能でありながら、センサ素子21を外部環境から保護する。 The protective layer 70 is provided so as to cover the outer surface of the sensor element 21 . Protective layer 70 also covers sensing electrode 65 of mixed potential cell 44 . The protective layer 70 is made of a porous body containing Al 2 O 3 as a main component and having a porosity in the range of “20[%] to 60[%]”. The thickness of the protective layer 70 is about 50 [μm]. The protective layer 70 protects the sensor element 21 from the external environment while allowing exhaust gas outside the sensor element 21 to enter the measuring gas chamber 61 and the sensing electrode 65 .

図4に示されるように、SCU22は、ヒータ制御部220と、ポンプ電流検出部221と、センサ電流検出部222と、モニタ電流検出部223と、混成電位検出部224と、電圧調整部225と、ガス濃度演算部226と、通信部227とを備えている。
ヒータ制御部220は、ヒータ59に印加される電圧を制御することにより、ヒータ59の発熱量を制御する。
As shown in FIG. 4, the SCU 22 includes a heater control section 220, a pump current detection section 221, a sensor current detection section 222, a monitor current detection section 223, a mixed potential detection section 224, and a voltage adjustment section 225. , a gas concentration calculation unit 226 and a communication unit 227 .
The heater control unit 220 controls the amount of heat generated by the heater 59 by controlling the voltage applied to the heater 59 .

ポンプ電流検出部221は、ポンプ電極55と共通電極58との間に流れるポンプ電流Ipを検出する。
センサ電流検出部222は、センサ電極56と共通電極58との間に流れるセンサ電流Isを検出する。
Pump current detector 221 detects pump current Ip flowing between pump electrode 55 and common electrode 58 .
The sensor current detector 222 detects a sensor current Is flowing between the sensor electrode 56 and the common electrode 58 .

モニタ電流検出部223は、モニタ電極57と共通電極58との間に流れるモニタ電流Imを検出する。
混成電位検出部224は、混成電位セル44の検知電極65と基準電極66との間に発生する混成電位セル44の起電力VNH3を検出する。
A monitor current detector 223 detects a monitor current Im flowing between the monitor electrode 57 and the common electrode 58 .
The mixed potential detector 224 detects the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 generated between the detection electrode 65 and the reference electrode 66 of the mixed potential cell 44 .

電圧調整部225は、ポンプ電極55と共通電極58との間にポンプ電圧Vpを印加するとともに、センサ電極56と共通電極58との間にセンサ電圧Vsを印加し、さらにモニタ電極57と共通電極58との間にモニタ電圧Vmを印加する。なお、電圧調整部225は、混成電位セル44の検知電極65と基準電極66との間には電圧を印加していない。 The voltage adjuster 225 applies a pump voltage Vp between the pump electrode 55 and the common electrode 58, applies a sensor voltage Vs between the sensor electrode 56 and the common electrode 58, and further applies a sensor voltage Vs between the monitor electrode 57 and the common electrode. 58, a monitor voltage Vm is applied. Note that the voltage adjustment unit 225 does not apply a voltage between the detection electrode 65 and the reference electrode 66 of the mixed potential cell 44 .

通信部227は、通信線31を介してSCU22とエンジンECU30との間で各種通信を行う部分である。
ガス濃度演算部226は、ポンプ電流検出部221により検出されるポンプ電流Ip、センサ電流検出部222により検出されるセンサ電流Is、及びモニタ電流検出部223により検出されるモニタ電流Imに基づいて排気中の酸素濃度検出値及びNOx濃度検出値を演算する。具体的には、ポンプ電流Ipは排気中の酸素濃度と相関関係がある。また、センサ電流Isは排気中のNOx濃度及び残留酸素と相関関係がある。さらに、モニタ電流Imは排気中の残留酸素と相関関係がある。これらの関係を利用し、ガス濃度演算部226は、ポンプ電流Ipに基づいて排気中の酸素濃度検出値を演算式やマップ等を用いて演算する。また、ガス濃度演算部226は、センサ電流Isからモニタ電流Imを減算することにより、NOx濃度に相関する電流値「Is-Im」を求めるとともに、求めた電流値「Is-Im」から演算式やマップ等を用いて排気中のNOx濃度検出値を演算する。
The communication unit 227 is a part that performs various communications between the SCU 22 and the engine ECU 30 via the communication line 31 .
The gas concentration calculation unit 226 detects the pump current Ip detected by the pump current detection unit 221, the sensor current Is detected by the sensor current detection unit 222, and the monitor current Im detected by the monitor current detection unit 223. The oxygen concentration detection value and the NOx concentration detection value are calculated. Specifically, the pump current Ip has a correlation with the oxygen concentration in the exhaust. Also, the sensor current Is has a correlation with the NOx concentration and residual oxygen in the exhaust. Furthermore, the monitor current Im is correlated with the residual oxygen in the exhaust. Using these relationships, the gas concentration calculator 226 calculates the oxygen concentration detection value in the exhaust gas based on the pump current Ip using an arithmetic expression, map, or the like. Further, the gas concentration calculation unit 226 subtracts the monitor current Im from the sensor current Is to obtain a current value “Is-Im” that correlates with the NOx concentration, and uses the calculated current value “Is-Im” to calculate , a map, or the like is used to calculate the NOx concentration detection value in the exhaust gas.

また、ガス濃度演算部226は、混成電位検出部224により検出される混成電位セル44の起電力VNH3に基づいて排気中のアンモニア濃度検出値を演算する。具体的には、混成電位セル44の起電力VNH3は排気中の酸素濃度及びアンモニア濃度と相関関係がある。これを利用し、ガス濃度演算部226は、ポンプ電流Ipに基づいて演算される酸素濃度検出値と混成電位セル44の起電力VNH3とから演算式やマップ等を用いて排気中のアンモニア濃度検出値pNH3を演算する。本実施形態では、アンモニア濃度pNH3が検知対象ガス成分の濃度pGasに相当する。また、起電力VNH3が、検知対象ガス成分の濃度に応じて混成電位セル44に発生する起電力VGasに相当する。 Further, the gas concentration calculation unit 226 calculates the ammonia concentration detection value in the exhaust based on the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 detected by the mixed potential detection unit 224 . Specifically, the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 is correlated with the oxygen concentration and ammonia concentration in the exhaust. Using this, the gas concentration calculation unit 226 calculates the concentration of ammonia in the exhaust gas from the oxygen concentration detection value calculated based on the pump current Ip and the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 using a calculation formula, map, or the like. Calculate the detected value pNH3 . In this embodiment, the ammonia concentration p NH3 corresponds to the concentration p Gas of the gas component to be detected. Further, the electromotive force VNH3 corresponds to the electromotive force VGas generated in the mixed potential cell 44 according to the concentration of the gas component to be detected.

ガス濃度演算部226は、演算された酸素濃度検出値、NOx濃度検出値、及びアンモニア濃度検出値の情報を、通信部227を介してエンジンECU30に送信する。
次に、ガス濃度演算部226によるアンモニア濃度の演算手順について具体的に説明する。
The gas concentration calculation unit 226 transmits information on the calculated oxygen concentration detection value, NOx concentration detection value, and ammonia concentration detection value to the engine ECU 30 via the communication unit 227 .
Next, a procedure for calculating the concentration of ammonia by the gas concentration calculating section 226 will be specifically described.

発明者らは混成電位セル44の起電力VNH3と排気中のアンモニア濃度との関係を実験的に求めた。図5は、センサ素子21に保護層70が設けられていない場合における混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を実験的に求めたデータを、対数グラフを用いてグラフ化したものである。 The inventors experimentally determined the relationship between the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 and the concentration of ammonia in the exhaust. FIG. 5 is a logarithmic graph showing experimentally obtained data of the relationship between the electromotive force V NH3 and the ammonia concentration p NH3 of the mixed potential cell 44 when the protective layer 70 is not provided on the sensor element 21 . It has become.

図5に示されるように、保護層70が設けられていない場合には、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上である高濃度領域A11と、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満である低濃度領域A10とで、アンモニア濃度pNH3の単位変化量に対する混成電位セル44の起電力VNH3の変化傾向が異なる。具体的には、高濃度領域A11よりも低濃度領域A10の方がアンモニア濃度pNH3の単位変化量に対する混成電位セル44の起電力VNH3の変化量が小さい。 As shown in FIG. 5, when the protective layer 70 is not provided, the high-concentration region A11 where the ammonia concentration pNH3 is equal to or higher than the predetermined concentration p10 and the low-concentration region A11 where the ammonia concentration pNH3 is less than the predetermined concentration p10 The change tendency of the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 with respect to the unit change amount of the ammonia concentration pNH3 differs between the region A10 and the region A10. Specifically, the change amount of the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 with respect to the unit change amount of the ammonia concentration pNH3 is smaller in the low concentration region A10 than in the high concentration region A11.

図5に示されるグラフに基づけば、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係は、低濃度領域A10では以下の式f4に示される近似式で表すことができ、高濃度領域A11では以下の式f5に示される近似式で表すことができる。なお、式f4,f5において、「A」,「B」,「C」,及び「D」は所定の定数である。定数A,Cとの間には「A<C」なる関係が成立し、定数B,Dとの間には「B>D」なる関係が成立する。 Based on the graph shown in FIG. 5, the relationship between the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration p NH3 can be expressed by the approximate expression shown in the following formula f4 in the low concentration region A10. The density region A11 can be represented by the following approximation formula f5. In formulas f4 and f5, "A 1 ", "B 1 ", "C 1 ", and "D 1 " are predetermined constants. A relationship of “A 1 <C 1 ” is established between the constants A 1 and C 1 , and a relationship of “B 1 >D 1 ” is established between the constants B 1 and D 1 .

NH3=A×ln(pNH3)+B (f4)
NH3=C×ln(pNH3)+D (f5)
このように、アンモニア濃度pNH3が低濃度の領域A10と高濃度の領域A11とでアンモニア濃度pNH3の変化に対する混成電位セル44の起電力VNH3の変化傾向が異なる理由は以下の通りであると考えられる。
VNH3 = A1 *ln( pNH3 )+ B1 (f4)
V NH3 =C 1 ×ln(p NH3 )+D 1 (f5)
The reason why the change tendency of the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 with respect to the change of the ammonia concentration p NH3 differs between the region A10 where the ammonia concentration p NH3 is low and the region A11 where the ammonia concentration p NH3 is high is as follows. it is conceivable that.

混成電位セル44の検知電極65では、上述したf2及びf3に示される反応が発生するだけでなく、実際には検知電極65の表面においてアンモニアの熱分解による消失現象が発生する。具体的には、混成電位セル44の検知電極65では、以下の式f6に示されるようにアンモニアが熱分解される。 At the sensing electrode 65 of the mixed potential cell 44, not only the above-described reactions f2 and f3 occur, but also a disappearance phenomenon due to thermal decomposition of ammonia actually occurs on the surface of the sensing electrode 65. FIG. Specifically, ammonia is thermally decomposed at the sensing electrode 65 of the mixed potential cell 44 as shown in the following formula f6.

2NH→N+3H (f6)
式f6に示されるような現象が生じてアンモニアが熱分解されると、その分だけ混成電位セル44の検知電極65により検出されるアンモニア濃度が減少する。これが、実際の排気中のアンモニア濃度に対して混成電位セル44に発生すべき起電力の理論値から実際の混成電位セル44の起電力VNH3が乖離する要因となる。このようなアンモニアの熱分解に起因する混成電位セル44の起電力VNH3の理論値と実値との乖離は排気中のアンモニア濃度が低いほど顕著に表れることとなる。そのため、上記の特許文献1に記載のガスセンサのように、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を一つの上記の式f1で近似すると、排気中のアンモニア濃度が低い状況において、式f1により演算されるアンモニア濃度pNH3と実際のアンモニア濃度との乖離が大きくなり、精度良くアンモニア濃度pNH3を検出できない。
2NH3N2 + 3H2 (f6)
When the phenomenon shown in formula f6 occurs and ammonia is thermally decomposed, the concentration of ammonia detected by the detection electrode 65 of the mixed potential cell 44 decreases accordingly. This causes the actual electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 to deviate from the theoretical value of the electromotive force that should be generated in the mixed potential cell 44 with respect to the ammonia concentration in the actual exhaust gas. The deviation between the theoretical value and the actual value of the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 due to the thermal decomposition of ammonia becomes more pronounced as the concentration of ammonia in the exhaust gas becomes lower. Therefore, if the relationship between the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration p NH3 is approximated by the above equation f1 as in the gas sensor described in Patent Document 1, the concentration of ammonia in the exhaust gas is low. Under such circumstances, the difference between the ammonia concentration pNH3 calculated by the formula f1 and the actual ammonia concentration becomes large, and the ammonia concentration pNH3 cannot be detected with high accuracy.

図6は、保護層70を有していないガスセンサ20によるアンモニア濃度pNH3の演算値と実際のアンモニア濃度との相関について、上記の式f4,f5の二つの演算式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合と、上記の式f5のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合とを比較して示したものである。図6では、二つの演算式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合の相関関係が実線で示され、上記の式f5のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合の相関関係が二点鎖線で示されている。 FIG. 6 shows the correlation between the calculated value of the ammonia concentration p NH3 by the gas sensor 20 that does not have the protective layer 70 and the actual ammonia concentration, using the above two arithmetic expressions f4 and f5 . is compared with the case where the ammonia concentration pNH3 is calculated using only the above equation f5. In FIG. 6, the correlation when the ammonia concentration p NH3 is calculated using two calculation formulas is indicated by a solid line, and the correlation when the ammonia concentration p NH3 is calculated using only the above formula f5 is two points. indicated by dashed lines.

図6に示されるように、上記の式f5のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合、高濃度領域A11ではアンモニア濃度pNH3の演算値が実際のアンモニア濃度と略一致する。しかしながら、低濃度領域A10ではアンモニア濃度pNH3の演算値と実際のアンモニア濃度との乖離が大きくなる。すなわち、アンモニア濃度pNH3の演算精度が低下する。 As shown in FIG. 6, when the ammonia concentration pNH3 is calculated using only the above equation f5, the calculated value of the ammonia concentration pNH3 approximately matches the actual ammonia concentration in the high concentration region A11. However, in the low concentration region A10, the difference between the calculated value of the ammonia concentration pNH3 and the actual ammonia concentration becomes large. That is, the calculation accuracy of the ammonia concentration pNH3 is lowered.

これに対して、上記の式f4,f5の二つの式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算すると、高濃度領域A11だけでなく低濃度領域A10でもアンモニア濃度pNH3の演算値が実際のアンモニア濃度に略一致する。したがって、アンモニア濃度pNH3の演算精度を確保することができる。 On the other hand, when the ammonia concentration p NH3 is calculated using the above two equations f4 and f5, the calculated value of the ammonia concentration p NH3 is the actual ammonia concentration not only in the high concentration region A11 but also in the low concentration region A10. approximately match. Therefore, it is possible to ensure the calculation accuracy of the ammonia concentration pNH3 .

一方、図7は、センサ素子21に保護層70が設けられている場合における混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を実験的に求めたデータを、対数グラフを用いてグラフ化したものである。図7に示されるように、保護層70が設けられている場合でも、同様に、低濃度領域A10と高濃度領域A11とで、アンモニア濃度pNH3の単位変化量に対する混成電位セル44の起電力VNH3の変化傾向が異なる。図7に示されるグラフに基づけば、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係は、低濃度領域A10では以下の式f7に示される近似式で表すことができ、高濃度領域A11では以下の式f8に示される近似式で表すことができる。なお、式f7,f8において、「A」,「B」,「C」,「D」は所定の定数である。定数A,Cとの間には「A<C」なる関係が成立し、定数B,Dとの間には「B>D」なる関係が成立する。 On the other hand, FIG. 7 shows, using a logarithmic graph, experimentally determined data of the relationship between the electromotive force V NH3 and the ammonia concentration p NH3 of the mixed potential cell 44 when the protective layer 70 is provided on the sensor element 21. is a graph. As shown in FIG. 7, even when the protective layer 70 is provided, the electromotive force of the mixed potential cell 44 with respect to the unit change amount of the ammonia concentration p NH3 is similarly in the low-concentration region A10 and the high-concentration region A11. The change trend of VNH3 is different. Based on the graph shown in FIG. 7, the relationship between the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration pNH3 can be expressed by the approximate expression shown in the following equation f7 in the low-concentration region A10. The density region A11 can be represented by the following approximation formula f8. In formulas f7 and f8, " A2 ", " B2 ", " C2 ", and " D2 " are predetermined constants. A relationship of “A 2 <C 2 ” is established between the constants A 2 and C 2 , and a relationship of “B 2 >D 2 ” is established between the constants B 2 and D 2 .

NH3=A×ln(pNH3)+B (f7)
NH3=C×ln(pNH3)+D (f8)
図5及び図7を比較して明らかなように、保護層70が設けられている場合には、保護層70が設けられていない場合よりも、低濃度領域A10において、アンモニア濃度pNH3の単位変化量に対する混成電位セル44の起電力VNH3の変化量が小さくなる。このように保護層70の有無で混成電位セル44の起電力VNH3の変化傾向が異なる理由は以下の通りであると考えられる。
V NH3 = A 2 × ln(p NH3 ) + B 2 (f7)
VNH3 = C2 *ln( pNH3 )+ D2 (f8)
5 and 7, when the protective layer 70 is provided, the unit of the ammonia concentration p NH3 in the low-concentration region A10 is higher than when the protective layer 70 is not provided. The amount of change in the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 with respect to the amount of change is reduced. The reason why the change tendency of the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 differs depending on the presence or absence of the protective layer 70 is considered as follows.

保護層70が設けられている場合、上記の式f6に示されるアンモニアの熱分解の現象に加え、保護層70に吸着されるアンモニアが酸素と反応して酸化されることにより、更に多くのアンモニアが消失する。具体的には、保護層70では、以下の式f9~f11に示されるようなアンモニアの酸化反応が生じる。 When the protective layer 70 is provided, in addition to the phenomenon of thermal decomposition of ammonia shown in the above formula f6, the ammonia adsorbed on the protective layer 70 reacts with oxygen and is oxidized, thereby increasing the amount of ammonia. disappears. Specifically, in the protective layer 70, oxidation reactions of ammonia occur as represented by the following formulas f9 to f11.

4NH+5O→4NO+6HO (f9)
4NH+6NO→5N+6HO (f10)
4NH+4NO+O→4N+6HO (f11)
式f9~f11に示されるようなアンモニアの酸化反応が保護層70で発生することにより、保護層70が設けられていない場合と比較すると、より多くのアンモニアが消失する。これが、混成電位セル44の起電力VNH3の理論値と実値とを更に乖離させる要因となる。
4NH3 + 5O2 →4NO+ 6H2O (f9)
4NH3 +6NO→ 5N2 + 6H2O (f10)
4NH3 +4NO+ O24N2 + 6H2O (f11)
Due to the oxidation reactions of ammonia occurring in the protective layer 70 as shown by the formulas f9 to f11, more ammonia is lost compared to the case where the protective layer 70 is not provided. This causes the theoretical value and the actual value of the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 to diverge further.

図8は、保護層70を有しているガスセンサ20によるアンモニア濃度pNH3の演算値と実際のアンモニア濃度との相関について、上記の式f7,f8の二つの演算式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合と、上記の式f8のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合とを比較して示したものである。図8では、上記の式f7,f8の二つの演算式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合の相関関係が実線で示され、上記の式f8のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算した場合の相関関係が二点鎖線で示されている。 FIG. 8 shows the correlation between the ammonia concentration p NH3 calculated by the gas sensor 20 having the protective layer 70 and the actual ammonia concentration, using the above two calculation formulas f7 and f8 . is compared with the case where the ammonia concentration pNH3 is calculated using only the above equation f8. In FIG. 8, the solid line indicates the correlation when the ammonia concentration p NH3 is calculated using the two equations f7 and f8 above, and the ammonia concentration p NH3 is calculated using only the above equation f8. The correlation between the cases is indicated by a two-dot chain line.

図8に示されるように、ガスセンサ20に保護層70が設けられている場合、上記の式f8のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算すると、低濃度領域A10においてアンモニア濃度pNH3の演算値と実際のアンモニア濃度との乖離が非常に大きくなる。すなわち、アンモニア濃度pNH3の演算精度が大きく低下する。 As shown in FIG. 8, when the gas sensor 20 is provided with the protective layer 70, if the ammonia concentration p NH3 is calculated using only the above equation f8, the calculated value of the ammonia concentration p NH3 in the low concentration region A10 and The deviation from the actual ammonia concentration becomes very large. That is, the calculation accuracy of the ammonia concentration pNH3 is greatly reduced.

これに対し、上記の式f7,f8の二つの演算式を用いてアンモニア濃度pNH3を演算すると、高濃度領域A11だけでなく低濃度領域A10でもアンモニア濃度pNH3の演算値が実際のアンモニア濃度に略一致する。したがって、アンモニア濃度pNH3の演算精度を確保することができる。 On the other hand, when the ammonia concentration p NH3 is calculated using the two equations f7 and f8 above, the calculated value of the ammonia concentration p NH3 is the actual ammonia concentration not only in the high concentration region A11 but also in the low concentration region A10. approximately match. Therefore, it is possible to ensure the calculation accuracy of the ammonia concentration pNH3 .

以上のように、保護層70の有無に関わらず、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を示す演算式として、2つの演算式を用いれば、アンモニア濃度pNH3の演算精度を確保することができる。2種類の演算式とは、具体的には、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上である場合に対応した第1演算式、及びアンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満である場合に対応した第2演算式である。第1演算式及び第2演算式は異なる相関を有する。 As described above, irrespective of the presence or absence of the protective layer 70, if two computational equations are used as computational equations showing the relationship between the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration pNH3 , the ammonia concentration pNH3 Arithmetic accuracy can be ensured. Specifically, the two types of arithmetic expressions are a first arithmetic expression corresponding to the case where the ammonia concentration pNH3 is equal to or greater than the predetermined concentration p10, and a second arithmetic expression corresponding to the case where the ammonia concentration pNH3 is less than the predetermined concentration p10. 2 is an arithmetic expression. The first arithmetic expression and the second arithmetic expression have different correlations.

以上を踏まえ、本実施形態のガス濃度演算部226は、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を示す演算式として、図9に示されるような演算式を用いる。図9に示されるように、ガス濃度演算部226は、酸素濃度pO2が「5[%]」、「10[%]」、「15[%]」、及び「20[%]」のそれぞれの場合に対応した演算式m1~m4を有している。各演算式m1~m4は、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満である場合に対応する低濃度用近似式m11,m21,m31,m41と、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上である場合に対応する高濃度用近似式m12,m22,m32,m42とから構成されている。 Based on the above, the gas concentration calculator 226 of the present embodiment uses an arithmetic expression as shown in FIG. 9 as an arithmetic expression representing the relationship between the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration p NH3 . As shown in FIG. 9, the gas concentration calculation unit 226 calculates the oxygen concentration pO2 for each of "5 [%]", "10 [%]", "15 [%]", and "20 [%]". It has arithmetic expressions m1 to m4 corresponding to the case of . Each of the arithmetic expressions m1 to m4 includes low-concentration approximate expressions m11, m21, m31, and m41 corresponding to the case where the ammonia concentration pNH3 is less than the predetermined concentration p10, and m11, m21, m31, and m41 for the case where the ammonia concentration pNH3 is the predetermined concentration p10 or more. It is composed of corresponding high-density approximation formulas m12, m22, m32, and m42.

なお、高濃度用近似式m12は、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上であるときに、アンモニア濃度pNH3に対する起電力VNH3の値が低濃度用近似式m11よりも大きく演算される演算式からなる。これに対し、低濃度用近似式m11は、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満であるときに、アンモニア濃度pNH3に対する起電力VNH3の値が高濃度用近似式m12よりも大きく演算される演算式からなる。他の低濃度用近似式m21,m31,m41と高濃度用近似式m22,m32,m42との関係性も同様である。 Note that the high-concentration approximation formula m12 is an arithmetic expression in which the value of the electromotive force V NH3 with respect to the ammonia concentration p NH3 is larger than the low-concentration approximation formula m11 when the ammonia concentration p NH3 is equal to or higher than the predetermined concentration p10. consists of On the other hand, in the low-concentration approximation formula m11, when the ammonia concentration p NH3 is less than the predetermined concentration p10, the value of the electromotive force V NH3 with respect to the ammonia concentration p NH3 is calculated to be larger than the high-concentration approximation formula m12. Consists of arithmetic expressions. The same applies to the relationships between other low-density approximation formulas m21, m31, m41 and high-density approximation formulas m22, m32, m42.

図2に示されるように、本実施形態のガスセンサ20は保護層70を有しているため、低濃度用近似式m11,m21,m31,m41は上記の式f7に示されるような演算式からなり、高濃度用近似式m12,m22,m32,m42は上記の式f8に示されるような演算式からなる。本実施形態では、高濃度用近似式m12,m22,m32,m42が第1演算式に相当し、低濃度用近似式m11,m21,m31,m41が第2演算式に相当する。 As shown in FIG. 2, since the gas sensor 20 of the present embodiment has the protective layer 70, the approximate expressions m11, m21, m31, and m41 for low concentration can be obtained from the arithmetic expression shown in the above expression f7. Thus, the high-concentration approximation formulas m12, m22, m32, and m42 are calculated as shown in the above formula f8. In the present embodiment, the high-concentration approximation formulas m12, m22, m32, and m42 correspond to the first calculation formula, and the low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, and m41 correspond to the second calculation formula.

なお、発明者らは各演算式m1~m4を次のような手法で取得した。まず、酸素濃度pO2が「5[%]」、「10[%]」、「15[%]」、及び「20[%]」である場合のそれぞれについて、混成電位セル44の起電力VNH3とアンモニア濃度pNH3との関係を実験的に測定した。それらの関係を、アンモニア濃度pNH3が「1[ppm]」、「10[ppm]」、「50[ppm]」、「100[ppm]」、「200[ppm]」、「500[ppm]」である場合のそれぞれについて測定した。 The inventors obtained each of the arithmetic expressions m1 to m4 by the following method. First, the electromotive force V of the mixed potential cell 44 is The relationship between NH3 and ammonia concentration pNH3 was experimentally determined. The relationship between them, ammonia concentration p NH3 is "1 [ppm]", "10 [ppm]", "50 [ppm]", "100 [ppm]", "200 [ppm]", "500 [ppm] ” was measured in each case.

そして、酸素濃度pO2が「5[%]」である場合に測定された混成電位セル44の起電力VNH3及びアンモニア濃度pNH3との関係を示すデータのうち、「1[ppm]」、「10[ppm]」、「50[ppm]」のデータの対数近似線を求めることにより低濃度用近似式m11を取得した。また、「100[ppm]」、「200[ppm]」、「500[ppm]」のデータの対数近似線を求めることにより高濃度用近似式m12を取得した。そして、取得した低濃度用近似式m11及び高濃度用近似式m12のうち、アンモニア濃度pNH3に対する起電力VNH3の値が大きい方の近似式を用いることにより、酸素濃度pO2が「5[%]」である場合の演算式m1を作成した。例えば、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満である場合には、高濃度用近似式m12よりも低濃度用近似式m11の方が、アンモニア濃度pNH3に対する起電力VNH3の値が大きい。そのため、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満である場合には、演算式m1として低濃度用近似式m11を選択した。また、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上である場合には、低濃度用近似式m11よりも高濃度用近似式m12の方が、アンモニア濃度pNH3に対する起電力VNH3の値が大きい。そのため、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上である場合には、演算式m1として高濃度用近似式m12を選択した。以上により、酸素濃度pO2が「5[%]」である場合に対応する演算式m1の作成が完了する。同様の手法を用いて、酸素濃度pO2が「10[%]」、「15[%]」、及び「20[%]」である場合に対応する演算式m2~m4も作成した。 Then, among the data showing the relationship between the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 and the ammonia concentration p NH3 measured when the oxygen concentration p O2 is “5 [%]”, “1 [ppm]”, A low-concentration approximation formula m11 was obtained by obtaining a logarithmic approximation line for the data of "10 [ppm]" and "50 [ppm]". Also, a high-concentration approximation formula m12 was obtained by obtaining a logarithmic approximation line for the data of "100 [ppm]", "200 [ppm]", and "500 [ppm]". Then, out of the obtained low-concentration approximation formula m11 and high-concentration approximation formula m12, by using the approximation formula with the larger value of the electromotive force V NH3 with respect to the ammonia concentration p NH3 , the oxygen concentration p O2 is "5 [ %]” was created. For example, when the ammonia concentration p NH3 is less than the predetermined concentration p10, the value of the electromotive force V NH3 with respect to the ammonia concentration p NH3 is greater in the low-concentration approximation formula m11 than in the high-concentration approximation formula m12. Therefore, when the ammonia concentration pNH3 is less than the predetermined concentration p10, the low-concentration approximation formula m11 is selected as the calculation formula m1. Further, when the ammonia concentration p NH3 is equal to or higher than the predetermined concentration p10, the value of the electromotive force V NH3 with respect to the ammonia concentration p NH3 is larger in the high concentration approximation formula m12 than in the low concentration approximation formula m11. Therefore, when the ammonia concentration pNH3 is equal to or higher than the predetermined concentration p10, the high-concentration approximation formula m12 is selected as the calculation formula m1. As described above, the creation of the computational expression m1 corresponding to the case where the oxygen concentration pO2 is "5 [%]" is completed. Using a similar method, calculation formulas m2 to m4 corresponding to the cases where the oxygen concentration p O2 is "10 [%]", "15 [%]", and "20 [%]" were also created.

このようにして求められた各演算式m1~m4はSCU22のメモリに予め記憶されている。ガス濃度演算部226は、演算式m1~m4のうち、ポンプ電流Ipに基づいて演算される酸素濃度検出値pO2に対応する演算式を選択する。また、ガス濃度演算部226は、選択された演算式に基づいて、混成電位検出部224により検出される混成電位セル44の起電力VNH3から排気中のアンモニア濃度検出値pNH3を演算する。 The arithmetic expressions m1 to m4 obtained in this manner are stored in the memory of the SCU 22 in advance. The gas concentration calculation unit 226 selects, from the calculation formulas m1 to m4, the calculation formula corresponding to the oxygen concentration detection value pO2 calculated based on the pump current Ip. Further, the gas concentration calculation unit 226 calculates the ammonia concentration detection value p NH3 in the exhaust from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 detected by the mixed potential detection unit 224 based on the selected calculation formula.

この際、酸素濃度検出値pO2が「5[%]」、「10[%]」、「15[%]」、及び「20[%]」のそれぞれの中間の値である場合には、酸素濃度検出値pO2に対応する演算式が存在しない。この場合、ガス濃度演算部226は、演算式m1~m4から、酸素濃度検出値pO2に対応する演算式を作成する。例えば酸素濃度検出値pO2が「17.5[%]」である場合、ガス濃度演算部226は、「15[%]」に対応する演算式m3と、「20[%]」に対応する演算式m4とを合成することで、酸素濃度検出値pO2が「17.5[%]」である場合に対応する演算式を求める。具体的には、ガス濃度演算部226は、低濃度用演算式m31及びm41を合成して低濃度用合成演算式を作成するとともに、高濃度用演算式m32及びm42を合成して高濃度用合成演算式を作成する。この場合、高濃度用合成演算式が第1合成演算式に相当し、低濃度用合成演算式が第2合成演算式に相当する。ガス濃度演算部226は、それらの合成演算式を利用して、混成電位セル44の起電力VNH3からアンモニア濃度検出値pNH3を演算する。 At this time, when the oxygen concentration detection value p O2 is an intermediate value among "5 [%]", "10 [%]", "15 [%]", and "20 [%]", There is no arithmetic expression corresponding to the detected oxygen concentration value pO2 . In this case, the gas concentration calculator 226 creates an arithmetic expression corresponding to the detected oxygen concentration value p O2 from the arithmetic expressions m1 to m4. For example, when the oxygen concentration detection value p O2 is "17.5 [%]", the gas concentration calculation unit 226 calculates the calculation formula m3 corresponding to "15 [%]" and the calculation formula m3 corresponding to "20 [%]". By synthesizing the arithmetic expression m4 and the arithmetic expression m4, an arithmetic expression corresponding to the case where the detected oxygen concentration value pO2 is "17.5 [%]" is obtained. Specifically, the gas concentration calculator 226 synthesizes the low-concentration arithmetic expressions m31 and m41 to create a low-concentration synthetic arithmetic expression, and synthesizes the high-concentration arithmetic expressions m32 and m42 to create a high-concentration arithmetic expression Create a compositing expression. In this case, the high-concentration synthesis arithmetic expression corresponds to the first synthesis arithmetic expression, and the low-concentration synthesis arithmetic expression corresponds to the second synthesis arithmetic expression. The gas concentration calculation unit 226 calculates the detected ammonia concentration value p NH3 from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 using these combined calculation expressions.

以上説明した本実施形態のガスセンサ20によれば、以下の(1)~(6)に示される作用及び効果を得ることができる。
(1)ガス濃度演算部226は、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10以上であるとき、高濃度用近似式m12,m22,m32,m42を用いて混成電位セル44の起電力VNH3からアンモニア濃度pNH3を演算する。ガス濃度演算部226は、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満であるとき、高濃度用近似式m12,m22,m32,m42とは異なる相関を有する低濃度用近似式m11,m21,m31,m41を用いて混成電位セル44の起電力VNH3からアンモニア濃度pNH3を演算する。このような構成によれば、高濃度用近似式m12,m22,m32,m42のみを用いてアンモニア濃度pNH3を演算する場合と比較すると、アンモニア濃度pNH3が低い場合に、より高い精度でアンモニア濃度pNH3を演算することができる。
According to the gas sensor 20 of the present embodiment described above, it is possible to obtain the actions and effects shown in (1) to (6) below.
(1) When the ammonia concentration p NH3 is equal to or higher than the predetermined concentration p10, the gas concentration calculation unit 226 calculates the ammonia concentration from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 using the high-concentration approximate expressions m12, m22, m32, and m42. Calculate pNH3 . When the ammonia concentration pNH3 is less than the predetermined concentration p10, the gas concentration calculator 226 calculates low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, and m41 that have different correlations from the high-concentration approximation formulas m12, m22, m32, and m42. is used to calculate the ammonia concentration p NH3 from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 . According to such a configuration, when the ammonia concentration p NH3 is low, the ammonia concentration p NH3 can be calculated with higher accuracy than when the ammonia concentration p NH3 is calculated using only the high concentration approximation formulas m12, m22, m32, and m42. The concentration pNH3 can be calculated.

(2)ガス濃度演算部226は、低濃度用近似式m11,m21,m31,m41として、上記の式f7を用いる。この構成によれば、アンモニア濃度pNH3が所定濃度p10未満であるときに、高い精度でアンモニア濃度pNH3を演算することができる。 (2) The gas concentration calculator 226 uses the above formula f7 as the low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, and m41. According to this configuration, the ammonia concentration p NH3 can be calculated with high accuracy when the ammonia concentration p NH3 is less than the predetermined concentration p10.

(3)ガス濃度演算部226は、酸素濃度pO2に応じた複数の低濃度用近似式m11,m21,m31,m41及び高濃度用近似式m12,m22,m32,m42を有する。ガス濃度演算部226は、それらの演算式のうち、ポンプセル41により検出される酸素濃度pO2に対応した低濃度用近似式及び高濃度用近似式を選定して、選定された低濃度用近似式及び高濃度用近似式を用いて混成電位セル44の起電力VNH3からアンモニア濃度pNH3を演算する。ガス濃度演算部226は、酸素濃度pO2に対応した低濃度用近似式及び高濃度用近似式が存在しない場合、低濃度用近似式m11,m21,m31,m41及び高濃度用近似式m12,m22,m32,m42を合成して合成演算式を作成するとともに、作成した合成演算式を用いて混成電位セル44の起電力VNH3からアンモニア濃度pNH3を演算する。このような構成によれば、酸素濃度pO2が「5[%]」、「10[%]」、「15[%]」、及び「20[%]」でない場合であっても、アンモニア濃度pNH3を精度良く演算することが可能となる。 (3) The gas concentration calculator 226 has a plurality of low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, m41 and high-concentration approximation formulas m12, m22, m32, m42 corresponding to the oxygen concentration pO2 . The gas concentration calculation unit 226 selects a low-concentration approximation formula and a high-concentration approximation formula corresponding to the oxygen concentration pO2 detected by the pump cell 41 from those calculation formulas, and calculates the selected low-concentration approximation The ammonia concentration p NH3 is calculated from the electromotive force V NH3 of the mixed potential cell 44 using the formula and the approximate formula for high concentration. If there are no low-concentration approximation formulas and high-concentration approximation formulas corresponding to the oxygen concentration pO2 , the gas concentration calculation unit 226 calculates the low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, and m41 and the high-concentration approximation formulas m12, A synthetic arithmetic expression is prepared by synthesizing m22, m32, and m42, and the ammonia concentration pNH3 is calculated from the electromotive force VNH3 of the mixed potential cell 44 using the prepared synthetic arithmetic expression. According to such a configuration, even if the oxygen concentration p O2 is not "5 [%]", "10 [%]", "15 [%]", or "20 [%]", the ammonia concentration It becomes possible to calculate pNH3 with high accuracy.

(4)本実施形態のガスセンサ20が検知対象とするガスはアンモニアである。上述の通り、アンモニアは特に熱分解及び酸化し易いガスであるため、本実施形態のような構成を採用することの意義は大きい。
(5)混成電位セル44の検知電極65は貴金属を主成分に形成されている。このような構成によれば、貴金属の触媒作用によりアンモニアの化学反応が促進されるため、アンモニアの検出精度を大きく改善することができる。
(4) The gas to be detected by the gas sensor 20 of this embodiment is ammonia. As described above, since ammonia is a gas that is particularly susceptible to thermal decomposition and oxidation, it is of great significance to employ the configuration of this embodiment.
(5) The detection electrode 65 of the mixed potential cell 44 is mainly composed of noble metal. According to such a configuration, the chemical reaction of ammonia is promoted by the catalytic action of the noble metal, so that the detection accuracy of ammonia can be greatly improved.

(6)ガスセンサ20は、混成電位セル44の検知電極65を保護する保護層70を更に備える。上述の通り、ガスセンサ20に保護層70が設けられている場合には、アンモニアが酸化して消失し易いため、本実施形態のような構成を採用することの意義は大きい。
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
(6) The gas sensor 20 further includes a protective layer 70 that protects the sensing electrode 65 of the mixed potential cell 44 . As described above, when the gas sensor 20 is provided with the protective layer 70, ammonia is likely to be oxidized and disappear.
The above embodiment can also be implemented in the following forms.

・ガス濃度演算部226は、低濃度用近似式m11として複数の演算式を用いたり、高濃度用近似式m12として複数の演算式を用いるものであってもよい。他の低濃度用近似式m21,m31,m41及び高濃度用近似式m22,m32,m42に関しても同様である。 The gas concentration calculation unit 226 may use a plurality of calculation formulas as the low concentration approximation formula m11, or may use a plurality of calculation formulas as the high concentration approximation formula m12. The same applies to other low-density approximation formulas m21, m31, m41 and high-density approximation formulas m22, m32, m42.

・ガス濃度演算部226は、低濃度用近似式m11,m21,m31,m41及び高濃度用近似式m12,m22,m32,m42に代えて、高濃度用近似式に対応する第1マップと、低濃度用近似式に対応する第2マップとを用いてもよい。
・ガスセンサ20には保護層70が設けられていなくてもよい。
The gas concentration calculation unit 226 replaces the low-concentration approximation formulas m11, m21, m31, m41 and the high-concentration approximation formulas m12, m22, m32, m42 with a first map corresponding to the high-concentration approximation formulas, A second map corresponding to the low-density approximation formula may also be used.
- The protective layer 70 may not be provided on the gas sensor 20 .

・ガスセンサ20の混成電位セル44は、アンモニアを検知対象ガス成分とするものに限らず、例えば可燃性ガスである炭化水素(HC)を検知対象ガス成分とするものであってもよい。
・ガスセンサ20の構造は適宜変更可能である。上記実施形態のガスセンサ20の構成は、混成電位セル44を有する任意のガスセンサに適用可能である。
The mixed-potential cell 44 of the gas sensor 20 is not limited to using ammonia as a detection target gas component, and may use, for example, hydrocarbon (HC), which is a combustible gas, as a detection target gas component.
- The structure of the gas sensor 20 can be changed as appropriate. The configuration of the gas sensor 20 of the above embodiment is applicable to any gas sensor having a mixed potential cell 44 .

・本開示に記載のSCU22及びその制御方法は、コンピュータプログラムにより具体化された1つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された1つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載のSCU22及びその制御方法は、1つ又は複数の専用ハードウェア論理回路を含むプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。本開示に記載のSCU22及びその制御方法は、1つ又は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと1つ又は複数のハードウェア論理回路を含むプロセッサとの組み合わせにより構成された1つ又は複数の専用コンピュータにより、実現されてもよい。コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。専用ハードウェア論理回路及びハードウェア論理回路は、複数の論理回路を含むデジタル回路、又はアナログ回路により実現されてもよい。 - The SCU 22 and its control method described in this disclosure are provided by configuring a processor and memory programmed to perform one or more functions embodied by a computer program. It may also be implemented by a dedicated computer. The SCU 22 and its control methods described in this disclosure may be implemented by a dedicated computer provided by configuring a processor that includes one or more dedicated hardware logic circuits. The SCU 22 and its control method described in this disclosure are configured by a combination of a processor and memory programmed to perform one or more functions and a processor including one or more hardware logic circuits. It may be implemented by one or more special purpose computers. The computer program may be stored as computer-executable instructions on a computer-readable non-transitional tangible storage medium. Dedicated hardware logic circuits and hardware logic circuits may be implemented by digital circuits containing multiple logic circuits or by analog circuits.

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。 - The present disclosure is not limited to the above specific examples. Appropriate design changes made by those skilled in the art to the above specific examples are also included in the scope of the present disclosure as long as they have the features of the present disclosure. Each element included in each specific example described above, and its arrangement, conditions, shape, etc., are not limited to those illustrated and can be changed as appropriate. As long as there is no technical contradiction, the combination of the elements included in the specific examples described above can be changed as appropriate.

20:ガスセンサ
41:ポンプセル(酸素濃度検出部)
44:混成電位セル
70:保護層
65:検知電極
66:基準電極
226:ガス濃度演算部
20: Gas sensor 41: Pump cell (oxygen concentration detector)
44: mixed potential cell 70: protective layer 65: detection electrode 66: reference electrode 226: gas concentration calculator

Claims (8)

被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部(41)と、
前記被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分及び酸素を検知してそれらの濃度に応じた電位である混成電位が発生する検知電極(65)と、大気に接触可能に設けられる基準電極(66)とを有し、前記被測定ガス中の前記検知対象ガス成分の濃度及び酸素の濃度に応じた起電力が前記検知電極と前記基準電極との間に発生する混成電位セル(44)と、
前記検知対象ガス成分の濃度が所定濃度以上であるときに対応した前記検知対象ガス成分の濃度と前記混成電位セルの起電力との関係を示し、且つ前記酸素濃度に応じた複数の第1演算式と、前記検知対象ガス成分の濃度が前記所定濃度未満であるときに対応した前記検知対象ガス成分の濃度と前記混成電位セルの起電力との関係を示すとともに、前記第1演算式とは異なる相関を有し、且つ前記酸素濃度に応じた複数の第2演算式とを有し、複数の前記第1演算式及び複数の前記第2演算式から、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に対応した前記第1演算式及び前記第2演算式を選定し、選定された前記第1演算式及び前記第2演算式から前記混成電位セルの起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記検知対象ガス成分の濃度を演算するガス濃度演算部(226)と、を備え
ガスセンサ。
an oxygen concentration detector (41) for detecting the concentration of oxygen contained in the gas to be measured;
A detection electrode (65) for detecting a detection target gas component and oxygen contained in the gas to be measured and generating a mixed potential, which is a potential corresponding to their concentrations, and a reference electrode (66) provided so as to be in contact with the atmosphere. and a mixed potential cell (44) in which an electromotive force corresponding to the concentration of the gas component to be detected and the concentration of oxygen in the gas to be measured is generated between the detection electrode and the reference electrode;
showing a relationship between the concentration of the detection target gas component and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the detection target gas component is equal to or higher than a predetermined concentration, and a plurality of first calculations corresponding to the oxygen concentration; and the relationship between the concentration of the gas component to be detected and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the gas component to be detected is less than the predetermined concentration. having different correlations and having a plurality of second arithmetic expressions corresponding to the oxygen concentration, and detected by the oxygen concentration detection unit from the plurality of the first arithmetic expressions and the plurality of the second arithmetic expressions The first arithmetic expression and the second arithmetic expression corresponding to the oxygen concentration are selected, and from the selected first arithmetic expression and the second arithmetic expression, based on the electromotive force of the mixed potential cell, and a gas concentration calculation unit (226) for calculating the concentration of the detection target gas component of
gas sensor.
前記ガス濃度演算部は、前記混成電位セルの起電力を「VGas」とし、前記検知対象ガス成分の濃度を「pGas」とし、所定の定数を「A」,「B」とするとき、前記第2演算式として、次式
Gas=A×ln(pGas)+B
を用いる
請求項1に記載のガスセンサ。
When the electromotive force of the mixed potential cell is "V Gas ", the concentration of the detection target gas component is "p Gas ", and predetermined constants are "A" and "B", As the second arithmetic expression, the following formula V Gas =A x ln (p Gas ) + B
The gas sensor according to claim 1.
前記第1演算式は、前記検知対象ガス成分の濃度が前記所定濃度以上であるときに、前記検知対象ガス成分の濃度に対する前記混成電位セルの起電力の値が前記第2演算式よりも大きく演算される演算式からなり、
前記第2演算式は、前記検知対象ガス成分の濃度が前記所定濃度未満であるときに、前記検知対象ガス成分の濃度に対する前記混成電位セルの起電力の値が前記第1演算式よりも大きく演算される演算式からなる
請求項1又は2に記載のガスセンサ。
According to the first arithmetic expression, when the concentration of the gas component to be detected is equal to or higher than the predetermined concentration, the value of the electromotive force of the mixed potential cell with respect to the concentration of the gas component to be detected is larger than that of the second arithmetic expression. consists of an arithmetic expression to be operated on,
The second calculation formula is such that when the concentration of the detection target gas component is less than the predetermined concentration, the value of the electromotive force of the mixed potential cell with respect to the concentration of the detection target gas component is larger than that of the first calculation formula. The gas sensor according to claim 1 or 2, comprising an arithmetic expression to be calculated.
前記ガス濃度演算部は
複数の前記第1演算式及び複数の前記第2演算式の中に、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に対応した第1演算式及び第2演算式が存在しない場合、複数の前記第1演算式を合成して、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に応じた第1合成演算式を作成するとともに、複数の前記第2演算式を合成して、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に応じた第2合成演算式を作成し、前記第1合成演算式及び前記第2合成演算式を用いて前記混成電位セルの起電力から前記検知対象ガス成分の濃度を演算する
請求項1~3のいずれか一項に記載のガスセンサ。
The gas concentration calculation unit
If the first arithmetic expression and the second arithmetic expression corresponding to the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit do not exist among the plurality of first arithmetic expressions and the plurality of second arithmetic expressions, the plurality of the Synthesizing a first arithmetic expression to create a first synthetic arithmetic expression corresponding to the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit, and synthesizing a plurality of the second arithmetic expressions to form the oxygen concentration detection unit A second synthetic arithmetic expression corresponding to the oxygen concentration detected by is created, and the concentration of the detection target gas component is calculated from the electromotive force of the mixed potential cell using the first synthetic arithmetic expression and the second synthetic arithmetic expression The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, which calculates.
前記検知対象ガス成分はアンモニアである
請求項1~4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection target gas component is ammonia.
前記検知電極は貴金属を主成分に形成されている
請求項1~5のいずれか一項に記載のガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the detection electrode is mainly composed of a noble metal.
前記検知電極を保護する保護層(70)を更に備える
請求項1~6のいずれか一項に記載のガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 6, further comprising a protective layer (70) that protects the sensing electrode.
被測定ガスに含まれる酸素の濃度を検出する酸素濃度検出部(41)と、 an oxygen concentration detector (41) for detecting the concentration of oxygen contained in the gas to be measured;
前記被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分及び酸素を検知してそれらの濃度に応じた電位である混成電位が発生する検知電極(65)と、大気に接触可能に設けられる基準電極(66)とを有し、前記被測定ガス中の前記検知対象ガス成分の濃度及び酸素の濃度に応じた起電力が前記検知電極と前記基準電極との間に発生する混成電位セル(44)と、 A detection electrode (65) for detecting a detection target gas component and oxygen contained in the gas to be measured and generating a mixed potential, which is a potential corresponding to their concentrations, and a reference electrode (66) provided so as to be in contact with the atmosphere. and a mixed potential cell (44) in which an electromotive force corresponding to the concentration of the gas component to be detected and the concentration of oxygen in the gas to be measured is generated between the detection electrode and the reference electrode;
前記検知対象ガス成分の濃度が所定濃度以上であるときに対応した前記検知対象ガス成分の濃度と前記混成電位セルの起電力との関係を示し、且つ前記酸素濃度に応じた複数の第1マップと、前記検知対象ガス成分の濃度が前記所定濃度未満であるときに対応した前記検知対象ガス成分の濃度と前記混成電位セルの起電力との関係を示すとともに、前記第1マップとは異なる相関を有し、且つ前記酸素濃度に応じた複数の第2マップとを有し、複数の前記第1マップ及び複数の前記第2マップから、前記酸素濃度検出部により検出される酸素濃度に対応した前記第1マップ及び前記第2マップを選定し、選定された前記第1マップ及び前記第2マップから前記混成電位セルの起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記検知対象ガス成分の濃度を演算するガス濃度演算部(226)と、を備える a plurality of first maps showing the relationship between the concentration of the detection target gas component and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the detection target gas component is equal to or higher than a predetermined concentration, and corresponding to the oxygen concentration; and shows the relationship between the concentration of the detection target gas component and the electromotive force of the mixed potential cell corresponding to when the concentration of the detection target gas component is less than the predetermined concentration, and a correlation different from the first map and a plurality of second maps corresponding to the oxygen concentration, and corresponding to the oxygen concentration detected by the oxygen concentration detection unit from the plurality of first maps and the plurality of second maps selecting the first map and the second map, and determining the concentration of the detection target gas component in the gas under measurement based on the electromotive force of the mixed potential cell from the selected first map and the second map; a gas concentration calculation unit (226) that calculates
ガスセンサ。 gas sensor.
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