JP7402786B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents
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Description
イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22A,22B)、前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23)、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体(3)に埋設されて、通電によって発熱する発熱体(41)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部(51A,51B)と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部(52)と、を備え、
複数の前記検出電極は、前記発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、
前記演算部は、複数の前記検出電極の前記加熱温度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置(1)にある。
イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22A,22B)、前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23)、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体(3)に埋設されて、通電によって発熱する発熱体(41)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部(51A,51B)と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部(52)と、を備え、
複数の前記検出電極のうちの少なくとも1つには、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度が互いに異なるよう、前記特定ガスを分解するための多孔質層(222)が設けられており、
前記演算部は、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置にある。
前記一態様のガス濃度検出装置は、検出対象ガスに晒される複数の検出電極を有するセンサ素子部と、混成電位を検出電極ごとに検出する複数の検出部と、複数の検出部における混成電位について演算処理をして、特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部とを備える。そして、複数の検出電極は、発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、演算部は、複数の検出電極の加熱温度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
前記他の態様のガス濃度検出装置は、前記一態様の場合と同様のセンサ素子部、複数の検出部及び演算部を備える。そして、複数の検出電極のうちの少なくとも1つには、複数の検出電極における特定ガスの濃度が互いに異なるよう、特定ガスを分解するための多孔質層が設けられており、演算部は、複数の検出電極における特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
<実施形態1>
本形態のガス濃度検出装置1は、図1~図3に示すように、センサ素子部2、複数の検出部51A,51B及び演算部52を備える。センサ素子部2は、イオン伝導性を有する固体電解質体21と、固体電解質体21の第1表面201に設けられて検出対象ガスGに晒される複数の検出電極22A,22Bと、固体電解質体21の第2表面202における、複数の検出電極22A,22Bに対向する位置に設けられた基準電極23と、固体電解質体21に積層された絶縁体3に埋設されて、通電によって発熱する発熱体41とを有する。
(ガス濃度検出装置1)
図1に示すように、本形態のガス濃度検出装置1は、混成電位式のものである。ガス濃度検出装置1によって検出する特定ガスは、アンモニアガス(NH3)(単にアンモニアという。)である。なお、特定ガスは、アンモニア以外にも、一酸化炭素(CO)、水(H2O)、水素(H2)、炭化水素、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2)、亜酸化窒素(N2O)としてもよい。
図4に示すように、ガス濃度検出装置1は、センサ素子部2を有するガスセンサ10を備えており、ガスセンサ10は、車両の内燃機関(エンジン)7の排気管71に配置されて使用される。ガス濃度検出装置1に供給される検出対象ガスGは、内燃機関7から排気管71へ排気される排ガスである。そして、ガス濃度検出装置1は、排気管71内に配置された、NOxを還元する触媒72の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒72から流出するアンモニアの濃度を検出する。本形態の内燃機関7は、車両に搭載されたものである。
図4に示すように、排気管71には、NOxを還元するための触媒72と、触媒72へアンモニアを含む還元剤Kを供給する還元剤供給装置73とが配置されている。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。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。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置73から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置73は、排気管71における、触媒72よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアを排気管71へ供給する。アンモニアは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置73には、尿素水のタンク731が接続されている。
図1~図3に示すように、センサ素子部2は、複数の検出電極22A,22B及び基準電極23が設けられた固体電解質体21と、発熱体41が埋設された絶縁体3とが積層されて形成されている。センサ素子部2は、長尺形状に形成されている。センサ素子部2の長手方向Xの先端側X1の部位は、ガスセンサ10を構成するカバー内に収容された状態で、排気管71内に配置される。センサ素子部2においては、長手方向Xに直交して固体電解質体21と絶縁体3とが積層された方向を積層方向Dといい、長手方向X及び積層方向Dの両方に直交する方向を幅方向Wという。
図1~図3に示すように、固体電解質体21は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオン(酸化物イオン)を伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニア(二酸化ジルコニウム)を主成分とする種々の材料によって構成される。ジルコニア材料には、イットリア(酸化イットリウム)等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いられる。
図1~図3に示すように、検出電極22A,22Bは、固体電解質体21における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスGに晒される第1表面201に設けられている。検出電極22A,22Bは、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体21と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。検出電極22A,22Bを構成する貴金属には、金(Au)、白金(Pt)-金合金、白金-パラジウム(Pd)合金、パラジウム-金合金等が用いられる。また、検出電極22A,22Bは、貴金属及びジルコニア材料の他に、あるいは貴金属に代えて、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物(ペロブスカイト型酸化物)を含有していてもよい。
図1~図3に示すように、基準電極23は、固体電解質体21における、第1表面201とは反対側の第2表面202に設けられている。第2表面202及び第2表面202に設けられた基準電極23は、基準ガスAとしての大気に晒されている。基準電極23は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体21と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極23を構成する貴金属には、白金(Pt)等を用いることができる。
図1~図3に示すように、絶縁体3は、基準ガスダクト24を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部31と、発熱体41が埋設されたヒータ絶縁体部32とによって形成されている。絶縁体3は、アルミナ(酸化アルミニウム)等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。基準ガスダクト24は、基準電極23が配置された位置から長手方向Xの基端側X2の位置まで形成されている。基準ガスダクト24内には、長手方向Xの基端側X2の位置に形成された開口部241から基準ガスAとしての大気が導入される。
図1~図3に示すように、絶縁体3のヒータ絶縁体部32には、通電によって発熱する発熱体41が埋設されている。発熱体41は、発熱部411と、発熱部411に繋がる発熱体リード部412とによって形成されている。発熱部411は、各検出電極22A,22B及び基準電極23に積層方向Dにおいて対向する位置に配置されている。発熱体41には、発熱体41に通電を行うための通電制御部53が接続されている。通電制御部53は、センサ制御ユニット5内に形成されており、発熱体41に、PWM(パルス幅変調)制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。
図1に示すように、ガス濃度検出装置1の各検出部51A,51Bは、各検出電極22A,22B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に基づいて、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度を検出する。図5に示すように、各検出部51A,51Bは、検出電極22A,22B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、各検出電極22A,22Bと基準電極23との間の電位差ΔVを検出する。各検出電極22A,22B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によって各検出電極22A,22Bに生じる混成電位を示す。
図8には、各検出電極22A,22Bの加熱温度と各検出電極22A,22Bの混成電位の感度との関係の一例を示す。図における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後のアンモニアの濃度を示す、酸素補正後の混成電位の感度とする。各検出電極22A,22Bの加熱温度は、発熱体41の発熱部411によって加熱される各検出電極22A,22Bの平均温度として示される。
図9には、低温用検出電極22Aと高温用検出電極22Bとについて、各検出電極22A,22Bに供給されるアンモニアの濃度と、各検出電極22A,22Bの混成電位の感度との関係の一例を示す。図9における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後の混成電位の感度とする。図9において、高温用検出電極22Bの混成電位の感度が良い場合は、アンモニアの濃度の変化に対する混成電位の感度の変化の幅が大きいことによって示される。また、図9においては、低温用検出電極22Aを低温用検出部51Aとして示し、高温用検出電極22Bを高温用検出部51Bとして示す。
図4に示すように、ガスセンサ10は、センサ素子部2を、ハウジングによって保持するとともに、ハウジングにセンサ素子部2を保護する先端側カバー、及びセンサ素子部2に繋がる配線部を保護する基端側カバー等を設けて構成されている。各検出電極22A,22B及び基準電極23は、センサ素子部2の長手方向Xの先端側X1の部分に配置されており、この先端側X1の部分は、ハウジングから突出した状態で、先端側カバーによって保護される。
図4に示すように、本形態の各検出部51A,51B、演算部52、通電制御部53等は、ガスセンサ10に電気接続されたセンサ制御ユニット5に形成されている。ガス濃度検出装置1は、センサ素子部2を含むガスセンサ10としての機械構成要素と、センサ制御ユニット5としての電気構成要素とによって構成されている。センサ制御ユニット5は、コンピュータ、制御回路等によって構成されている。センサ制御ユニット5は、車両のエンジン制御ユニット50に電気接続されており、エンジン制御ユニット50の指令を受けて動作可能である。
図1及び図9に示すように、本形態の演算部52は、アンモニアの濃度が、例えば100ppm未満として示される低濃度である場合には、低温用検出電極22Aに電気接続された低温用検出部51Aによる混成電位に基づいてセンサ出力Asを求め、アンモニアの濃度が、例えば100ppm以上200ppm未満として示される中濃度である場合には、高温用検出電極22Bに電気接続された高温用検出部51Bによる混成電位に基づいてセンサ出力Asを求める。さらに、演算部52は、アンモニアの濃度が、例えば200ppm以上として示される高濃度である場合には、低温用検出部51A及び高温用検出部51Bの少なくともいずれかにおける混成電位に基づいてセンサ出力Asを求める。
次に、ガス濃度検出装置1によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図11のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関7が起動されるとともにガス濃度検出装置1が起動された後には、センサ制御ユニット5の低温用検出部51A及び高温用検出部51Bが、低温用検出電極22A及び高温用検出電極22Bに検出対象ガスGが供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する(ステップS101)。また、センサ制御ユニット5の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスGにおける酸素の濃度を受信する(ステップS102)。次いで、センサ制御ユニット5の演算部52は、高温用検出部51Bによる混成電位が切替閾値v1以上であるか否かを判定する(ステップS103)。
本形態のガス濃度検出装置1においては、発熱体41による加熱温度が互いに異なる位置に配置された低温用検出電極22A及び高温用検出電極22Bによる各混成電位A1,A2を低温用検出部51A及び高温用検出部51Bによってそれぞれ検出し、演算部52によって、各検出部51A,51Bによる混成電位A1,A2を適切に組み合わせて、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Asを求める。
本形態は、複数の検出電極22A,22Bの加熱温度を異ならせる代わりに、2つの検出電極22C,22Dのうちのいずれかにアンモニアを分解するための多孔質層222を設け、各検出電極22C,22Dにおけるアンモニアの濃度が互いに異なるようにしたガス濃度検出装置1について示す。実施形態1においては、検出電極22C,22Dの加熱温度が高くなると、検出電極22C,22Dの表面においてアンモニアの一部が分解(酸化)されて消失することを利用した。このアンモニアの一部が分解されて消失する現象は、検出電極22C,22Dの付近にアンモニアが滞在する時間を長くすることによっても得られる。本形態においては、検出電極22C,22Dの1つに多孔質層222を設けることにより、この多孔質層222においてアンモニアが分解されて消失することを利用する。
図12及び図13に示すように、本形態の2つの検出電極22C,22Dは、固体電解質体21の第1表面201において、幅方向Wに並んで配置されている。そして、発熱体41の発熱部411の発熱中心から2つの検出電極22C,22Dの中心までの距離はほぼ同じである。本形態の2つの検出電極22C,22Dは、多孔質層222が表面に設けられていない第1検出電極22Cと、多孔質層222が表面に設けられた第2検出電極22Dとによって構成されている。
図13に示すように、本形態の2つの検出部51C,51Dは、多孔質層222が設けられていない第1検出電極22Cに対応する第1検出部51Cと、多孔質層222が設けられた第2検出電極22Dに対応する第2検出部51Dとによって構成されている。第1検出電極22Cにおいては、低温用検出電極22Aと同様に、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が高い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が低くなる。第2検出電極22Dにおいては、高温用検出電極2Bと同様に、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が低い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が高くなる。
図14に示すように、本形態の演算部52は、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度未満である第1濃度領域N1と、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度以上である第2濃度領域N2との2つの濃度領域N1,N2において、センサ出力Asの求め方を異ならせている。2つの濃度領域N1,N2は、ガス濃度検出装置1によるアンモニアの濃度の検出レンジを広くするために設定される。本形態の演算部52は、アンモニアの濃度が所定の低濃度以上であるか否かを、第2検出部51Dにおける混成電位が切替閾値v1以上か否かによって求める。
次に、本形態のガス濃度検出装置1によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図15のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関7が起動されるとともにガス濃度検出装置1が起動された後には、センサ制御ユニット5の第1検出部51C及び第2検出部51Dが、検出対象ガスGが第1検出電極22C及び第2検出電極22Dに供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する(ステップS201)。また、センサ制御ユニット5の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスGにおける酸素の濃度を受信する(ステップS202)。次いで、センサ制御ユニット5の演算部52は、第2検出部51Dによる混成電位が切替閾値v1以上であるか否かを判定する(ステップS203)。
本形態のガス濃度検出装置1においては、第2検出電極22Dには、第1検出電極22Cにおけるアンモニアの濃度と第2検出電極22Dにおけるアンモニアの濃度とが互いに異なるよう、アンモニアを分解するための多孔質層222が設けられている。演算部52は、各検出電極22C,22Dにおけるアンモニアの濃度の違いによって異なる、各検出部51C,51Dにおける混成電位A1,A2を組み合わせて、センサ出力Asを求める。
多孔質層222は第1検出電極22C及び第2検出電極22Dのそれぞれに、気孔率が互いに異なる状態で設けられていてもよい。例えば、第1検出電極22Cには、気孔率が大きな多孔質層222が設けられ、第2検出電極22Dには、第1検出電極22Cに設けられた多孔質の気孔率よりも気孔率が小さな多孔質層222が設けられる。この場合において、第1検出電極22Cによる混成電位の感度は、図14における、波線による他の第2検出部51Dによって示され、第2検出電極22Dによる混成電位の感度は、図14における、実線による第2検出部51Dによって示される。
2 センサ素子部
21 固体電解質体
22A,22B 検出電極
23 基準電極
3 絶縁体
41 発熱体
51A,51B 検出部
52 演算部
Claims (9)
- イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22A,22B)、前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23)、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体(3)に埋設されて、通電によって発熱する発熱体(41)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部(51A,51B)と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部(52)と、を備え、
複数の前記検出電極は、前記発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、
前記演算部は、複数の前記検出電極の前記加熱温度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置(1)。 - 前記演算部は、
複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値(v1)未満となる第1濃度領域(N1)においては、加熱温度が最も低い位置に配置された前記検出電極である低温用検出電極(22A)に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となり、複数の前記検出部における混成電位の差が切替差分値(Δs)以上となる第2濃度領域(N2)においては、前記低温用検出電極よりも加熱温度が高い位置に配置された前記検出電極である高温用検出電極(22B)に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項1に記載のガス濃度検出装置。 - 前記演算部は、前記第1濃度領域と前記第2濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項2に記載のガス濃度検出装置。
- 前記演算部は、
複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となり、かつ複数の前記検出部における混成電位の差が切替差分値未満となる第3濃度領域(N3)においては、前記低温用検出電極に対応した前記検出部及び前記高温用検出電極に対応した前記検出部の少なくとも一方における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項2に記載のガス濃度検出装置。 - 前記演算部は、前記第1濃度領域と前記第2濃度領域との境界、及び前記第2濃度領域と前記第3濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項4に記載のガス濃度検出装置。
- イオン伝導性を有する固体電解質体(21)、前記固体電解質体の第1表面(201)に設けられて検出対象ガス(G)に晒される複数の検出電極(22A,22B)、前記固体電解質体の第2表面(202)における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極(23)、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体(3)に埋設されて、通電によって発熱する発熱体(41)を有するセンサ素子部(2)と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部(51A,51B)と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部(52)と、を備え、
複数の前記検出電極のうちの少なくとも1つには、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度が互いに異なるよう、前記特定ガスを分解するための多孔質層(222)が設けられており、
前記演算部は、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置。 - 前記演算部は、
複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値(v1)未満となる第1濃度領域(N1)においては、前記多孔質層が設けられていない前記検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となる第2濃度領域(N2)においては、前記多孔質層が設けられた前記検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項6に記載のガス濃度検出装置。 - 前記多孔質層は複数の前記検出電極のそれぞれに設けられており、複数の前記多孔質層における気孔率は互いに異なっており、
前記演算部は、
複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値(v1)未満となる第1濃度領域(N1)においては、気孔率が最も大きい前記多孔質層が設けられた前記検出電極である第1検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となる第2濃度領域(N2)においては、前記第1検出電極に設けられた前記多孔質層の気孔率よりも小さな気孔率の前記多孔質層が設けられた前記検出電極である第2検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項6に記載のガス濃度検出装置。 - 前記演算部は、前記第1濃度領域と前記第2濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項7又は8に記載のガス濃度検出装置。
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