JP7304317B2 - アンモニア濃度検出装置 - Google Patents
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Description
検出対象ガス(G)におけるアンモニアの濃度に応じたアンモニア電圧(Va)を出力する混成電位式のアンモニア検出部(2)と、
前記検出対象ガスにおける酸素の濃度に応じた酸素電流(Io)を出力する酸素検出部(3)と、
前記酸素電流に基づいて前記アンモニア電圧を補正して、補正アンモニア電圧(Vb)を求める第1補正部(54)と、
前記検出対象ガスにおけるNOxの濃度、及び前記検出対象ガスにおけるアンモニアが酸化分解されて生成されるNOxの濃度に応じたNOx電流(In)を出力する限界電流式のNOx検出部(4)と、
前記NOx電流に基づいて前記第1補正部による前記補正アンモニア電圧をさらに補正して、アンモニア出力濃度(Na)を求める第2補正部(55)と、を備え、
前記第2補正部は、前記第1補正部による前記補正アンモニア電圧が高いほど、前記NOx電流による補正割合を大きくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置(1)にある。
<実施形態1>
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、図1~図4に示すように、アンモニア検出部2、酸素検出部3、第1補正部54、NOx検出部4及び第2補正部55を備える。アンモニア検出部2は、混成電位式のものであり、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度に応じたアンモニア電圧Vaを出力するよう構成されている。酸素検出部3は、限界電流式のものであり、検出対象ガスGにおける酸素の濃度に応じた酸素電流Ioを出力するよう構成されている。
(アンモニア濃度検出装置1)
図6に示すように、アンモニア濃度検出装置1は、車両において用いられ、車両の内燃機関(エンジン)7に接続された排気管71を流れる排ガスを検出対象ガスGとして、排ガスにおけるアンモニアの濃度を検出するよう構成されている。本形態の内燃機関7は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。
図6に示すように、内燃機関7の排気管71には、アンモニアを還元剤KとしてNOxを還元する選択還元触媒(SCR)72と、選択還元触媒72の、排ガスの流れの上流側に位置する尿素水噴射装置(還元剤供給装置)73と、選択還元触媒72の、排ガスの流れの下流側に位置する複合センサ10とが配置されている。選択還元触媒72は、触媒担体に、NOxの還元剤Kとしてのアンモニアが付着されるものである。選択還元触媒72は、NOx(窒素酸化物)をアンモニア(NH3)と化学反応させて窒素(N2)及び水(H2O)に還元するものである。選択還元触媒72の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、NOxの還元反応に伴って減少する。
図7には、尿素水噴射装置73による尿素水の噴射量と、排気管71内の選択還元触媒72の出口(下流側位置)におけるアンモニアの濃度及びNOxの濃度との関係を示す。尿素水の噴射量が多くなると、選択還元触媒72の出口におけるアンモニアの濃度が増加し、尿素水の噴射量が少なくなると、選択還元触媒72の出口におけるNOxの濃度が増加する。
図1及び図5に示すように、アンモニア検出部2は、センサ素子11の一部であるアンモニアセンサ部20、及びセンサコントロールユニット5の一部であるアンモニア制御部51を有する。アンモニアセンサ部20は、第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21における外側面211に設けられて検出対象ガスGに晒されるアンモニア電極22と、第1固体電解質体21における内側面212に設けられて基準ガスAに晒される基準電極23とを有する。本形態のアンモニア濃度検出装置1のセンサは、アンモニア、酸素及びNOxの各濃度を検出する機能を有する複合センサ10として構成されている。アンモニアセンサ部20は、複合センサ10の一部として形成されている。
図1及び図5に示すように、酸素検出部3は、センサ素子11の一部である酸素センサ部30、及びセンサコントロールユニット5の一部である酸素制御部52を有する。酸素センサ部30は、第1固体電解質体21に絶縁体25を介して積層された第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31における第1表面311に設けられて検出対象ガスGに晒される酸素電極32と、第2固体電解質体31における第2表面312に設けられて基準ガスAに晒される基準電極33とを有する。酸素センサ部30は、複合センサ10の一部として形成されている。
図1及び図5に示すように、NOx検出部4は、センサ素子11の一部であるNOxセンサ部40、及びセンサコントロールユニット5の一部であるNOx制御部53を有する。NOxセンサ部40は、第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31における第1表面311に設けられて検出対象ガスGに晒されるNOx電極42と、第2固体電解質体31における第2表面312に設けられて基準ガスAに晒される基準電極43とを有する。NOxセンサ部40は、複合センサ10の一部として形成されている。NOx電極42は、第2固体電解質体31の第1表面311における、酸素電極32が設けられた位置よりも検出対象ガスGの流れの下流側の位置に配置されている。NOxセンサ部40の基準電極43は、酸素センサ部30の基準電極43と一体化されていてもよい。
図1及び図5に示すように、第1補正部54は、混成電位式のアンモニア検出部2によって検出されるアンモニア電圧Vaが、検出対象ガスGに含まれる酸素の濃度の違いによって受ける影響を補正するものである。補正アンモニア電圧Vbは、酸素電流Ioの大きさに応じて補正されたアンモニア電圧を示す。第1補正部54は、センサコントロールユニット5に構築されている。第1補正部54による補正アンモニア電圧Vbは、酸素検出部3による酸素電流Ioが多くなるほど高く補正される。
図1及び図5に示すように、第2補正部55は、アンモニア濃度検出装置1のセンサ出力であるアンモニア出力濃度Naを、検出対象ガスGに含まれるNOxの濃度を利用して補正するものである。第2補正部55は、センサコントロールユニット5に構築されている。第2補正部55は、アンモニアが酸化分解されて生成されるNOxの濃度もNOx検出部4が検出する性質を利用し、検出対象ガスGに含まれるアンモニアの濃度が高くなるほど、アンモニア出力濃度NaにNOx検出部4によるNOx電流Inを反映させる割合を大きくするよう構成されている。
図1及び図6に示すように、センサ素子11は、ハウジングに保持されており、ハウジングに取り付けられた複数のカバーによって覆われている。アンモニアセンサ部20、酸素センサ部30及びNOxセンサ部40は、排気管71内に配置される、センサ素子11の先端側部位に形成されている。センサ素子11の先端側部位は、多孔質の保護層によって覆われている。
図1に示すように、アンモニア検出部2によるアンモニア電圧Vaは、アンモニア電極22と基準電極23との間に生じる、混成電位としての電位差(電圧)ΔVによって検出される。図12に示すように、アンモニア検出部2は、アンモニア電極22における、酸素の還元反応による還元電流とアンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極22と基準電極23との間の電位差ΔVを検出する。アンモニア電極22と基準電極23との間に生じる電位差ΔVは、アンモニア及び酸素が含まれる検出対象ガスGによってアンモニア電極22に生じる混成電位を示す。
次に、アンモニア濃度検出装置1を用いたアンモニアの濃度の検出方法について、図15のフローチャートを参照して説明する。
アンモニア濃度検出装置1は、内燃機関(ディーゼルエンジン)7の排気管71に排気される排ガスに含まれるNOxを浄化する際に、選択還元触媒72から流出するアンモニアの濃度及びNOxの濃度を検出するために用いられる。内燃機関7が始動されるときには、エンジンコントロールユニット6、センサコントロールユニット5も起動され、アンモニア濃度検出装置1による検出が開始される。
本形態のアンモニア濃度検出装置1は、アンモニアの濃度を検出するためにNOxの濃度を利用し、かつアンモニアの濃度が連続的に変化するようNOxの濃度による補正割合を変化させるようにしたものである。具体的には、アンモニア濃度検出装置1の第2補正部55は、第1補正部54による補正アンモニア電圧Vbが高いほど、補正アンモニア電圧Vbの利用割合を小さくするとともに、NOx電流Inによる補正割合を大きくして、アンモニア出力濃度Naを求める。
本形態は、第2補正部55によるアンモニア出力濃度Naの算出の仕方が、実施形態1と異なる場合について示す。
本形態の第2補正部55は、アンモニア出力濃度Naを、Na=Oa+An×On+Dの補正関数に基づいて算出するよう構成されている。ここで、補正アンモニア電圧Vbに基づく補正アンモニア濃度をOa、NOx電流Inに基づくNOx濃度をOn、NOx濃度Onをアンモニア出力濃度Naに反映する比率を示すNOx補正比率をAnとし、Dは定数項とする。
図16に示すように、アンモニア濃度検出装置1は、選択還元触媒72の、検出対象ガスGとしての排ガスの流れの下流側の位置には、複合センサ10を備える代わりに、別々に構成されたアンモニアセンサ13及びNOxセンサ14を備えていてもよい。アンモニアセンサ13は、排ガスに含まれるアンモニアの濃度を検出する機能を有する。NOxセンサ14は、検出対象ガスGに含まれるNOxの濃度及び酸素の濃度を検出する機能を有する。そして、アンモニア検出部2は、アンモニアセンサ13を用いて構成され、酸素検出部3及びNOx検出部4は、NOxセンサ14を用いて構成される。この場合には、既設のNOxセンサを用いてアンモニア濃度検出装置1を構成できる場合がある。また、この場合にも、実施形態1と同様の作用効果が得られる。また、酸素検出部3は、NOxセンサ14とは別の酸素センサを用いて構成されていてもよい。
2 アンモニア検出部
3 酸素検出部
4 NOx検出部
5 センサコントロールユニット
54 第1補正部
55 第2補正部
Claims (7)
- 検出対象ガス(G)におけるアンモニアの濃度に応じたアンモニア電圧(Va)を出力する混成電位式のアンモニア検出部(2)と、
前記検出対象ガスにおける酸素の濃度に応じた酸素電流(Io)を出力する酸素検出部(3)と、
前記酸素電流に基づいて前記アンモニア電圧を補正して、補正アンモニア電圧(Vb)を求める第1補正部(54)と、
前記検出対象ガスにおけるNOxの濃度、及び前記検出対象ガスにおけるアンモニアが酸化分解されて生成されるNOxの濃度に応じたNOx電流(In)を出力する限界電流式のNOx検出部(4)と、
前記NOx電流に基づいて前記第1補正部による前記補正アンモニア電圧をさらに補正して、アンモニア出力濃度(Na)を求める第2補正部(55)と、を備え、
前記第2補正部は、前記第1補正部による前記補正アンモニア電圧が高いほど、前記NOx電流による補正割合を大きくするよう構成されている、アンモニア濃度検出装置(1)。 - 前記第2補正部は、
前記補正アンモニア電圧に基づく補正アンモニア濃度をOa、前記補正アンモニア濃度を前記アンモニア出力濃度に反映する比率を示すアンモニア補正比率をAa、前記NOx電流に基づくNOx濃度をOn、前記NOx濃度を前記アンモニア出力濃度に反映する比率を示すNOx補正比率をAnとしたとき、
前記アンモニア出力濃度Naを、Na=Aa×Oa+An×Onの補正関数に基づいて算出するよう構成されており、
前記アンモニア補正比率Aaは、前記補正アンモニア電圧が高いほど小さく設定されており、
前記NOx補正比率Anは、前記補正アンモニア電圧が高いほど大きく設定されている、請求項1に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記第2補正部は、
前記補正アンモニア電圧に基づく補正アンモニア濃度をOa、前記NOx電流に基づくNOx濃度をOn、前記NOx濃度を前記アンモニア出力濃度に反映する比率を示すNOx補正比率をAnとしたとき、
前記アンモニア出力濃度Naを、Na=Oa+An×Onの補正関数に基づいて算出するよう構成されており、
前記NOx補正比率Anは、前記補正アンモニア電圧が高いほど大きく設定されている、請求項1に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記第2補正部は、前記補正アンモニア濃度と前記アンモニア補正比率との関係がアンモニア関係マップ(Ma)として設定されるとともに、前記補正アンモニア濃度と前記NOx補正比率との関係がNOx関係マップ(Mn)として設定された設定部(56)を有しており、
前記第2補正部は、前記補正アンモニア濃度を前記アンモニア関係マップに照合して前記アンモニア補正比率を決定するとともに、前記補正アンモニア濃度を前記NOx関係マップに照合して前記NOx補正比率を決定するよう構成されている、請求項2に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記第2補正部は、前記補正アンモニア濃度と前記NOx補正比率との関係がNOx関係マップ(Mn)として設定された設定部(56)を有しており、
前記第2補正部は、前記補正アンモニア濃度を前記NOx関係マップに照合して前記NOx補正比率を決定するよう構成されている、請求項3に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記検出対象ガスは、内燃機関(7)に接続された排気管(71)を流れる排ガスであり、
前記排気管には、アンモニアを還元剤(K)としてNOxを還元する選択還元触媒(72)と、前記選択還元触媒の、前記排ガスの流れの上流側に位置する尿素水噴射装置(73)と、前記選択還元触媒の、前記排ガスの流れの下流側に位置する複合センサ(10)とが配置されており、
前記アンモニア検出部、前記酸素検出部及び前記NOx検出部は、前記複合センサを用いて構成されている、請求項1~5のいずれか1項に記載のアンモニア濃度検出装置。 - 前記検出対象ガスは、内燃機関(7)に接続された排気管(71)を流れる排ガスであり、
前記排気管には、アンモニアを還元剤(K)としてNOxを還元する選択還元触媒(72)と、前記選択還元触媒の、前記排ガスの流れの上流側に位置する尿素水噴射装置(73)と、前記選択還元触媒の、前記排ガスの流れの下流側に位置するアンモニアセンサ(13)及びNOxセンサ(14)とが配置されており、
前記アンモニア検出部は、前記アンモニアセンサを用いて構成されており、
前記酸素検出部及び前記NOx検出部は、前記NOxセンサを用いて構成されている、請求項1~5のいずれか1項に記載のアンモニア濃度検出装置。
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