JP7502910B2 - ガスセンサおよびガスセンサの動作制御方法 - Google Patents
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Description
<ガスセンサの概略構成>
初めに、本発明の第1の実施の形態に係るセンサ素子101を含む、ガスセンサ100の概略構成について説明する。本実施の形態において、ガスセンサ100は、センサ素子101によってNOxを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のNOxセンサである。また、ガスセンサ100は、各部の動作を制御するとともに、センサ素子101を流れるNOx電流に基づいてNOx濃度を特定するコントローラ110をさらに備える。
次に、コントローラ110の機能についてより詳細に説明する。図2は、ガスセンサ100に備わるコントローラ110の機能的構成を示す図である。
図4は、状態の異なる2つのガスセンサ100により、NO濃度が500ppmで一定である一方で酸素濃度が0%、5%、10%、18%の4水準に違えられた4つのモデルガス(いずれも残余はN2)を対象とする測定(以下、モデルガス測定と称する)を行うことで、それぞれの場合について得られたNOx電流Ip2を、モデルガスの酸素濃度に対してプロットした図である。なお、センサ素子駆動温度は800℃であった。
図6は、ガスセンサ100における制御状況診断処理の流れを示す図である。制御状況診断処理は概略、コントローラ110によるセンサ素子101の動作制御が、被測定ガス中の酸素濃度が大きいときの主ポンプ電圧Vp0の値が過度に大きくなり、主ポンプセル21においてNOxの分解が生じるような不適正な状況のもとでなされているか否かを診断し、そのような状況にある場合、主ポンプ電圧Vp0の値が抑制されるよう、制御条件を調整する処理である。
上述した第1の実施の形態では、制御状況診断処理において制御状況診断部117が主ポンプ電圧Vp0が診断閾値以上であると判定した場合、ヒータ温度(素子駆動温度)の上昇、制御電圧(起電力Vp1)の増大、および制御電流(補助ポンプ電流Ip1)の増大の少なくとも1つが行われるが、このうち、ヒータ温度と、制御電流については、オフセット電流の大きさと相関があることがわかっている。
上述の実施の形態においては、測定電極44が、多孔質の保護膜として機能するとともに被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第4拡散律速部45に被覆される態様にて第2内部空所40に配置されてなり、該第4拡散律速部45によって、測定電極44に流入するNOxの量が制限されていたが、これに代わり、被測定ガスに対し第4拡散律速部45と同等の拡散抵抗を付与する、例えばスリット状のあるいは多孔質の拡散律速部にて第2内部空所40と連通する第3内部空所を設け、該第3内部空所に測定電極44を設けるようにしてもよい。
11 第1拡散律速部
12 緩衝空間
13 第2拡散律速部
20 第1内部空所
21 主ポンプセル
22 内側ポンプ電極
23 外側ポンプ電極
30 第3拡散律速部
40 第2内部空所
41 測定ポンプセル
42 基準電極
43 基準ガス導入空間
44 測定電極
45 第4拡散律速部
48 大気導入層
50 補助ポンプセル
51 補助ポンプ電極
70 ヒータ部
71 ヒータ電極
72 ヒータエレメント
72a ヒータリード
73 スルーホール
74 ヒータ絶縁層
80 主センサセル
81 補助センサセル
82 測定センサセル
100 ガスセンサ
101 センサ素子
110 コントローラ
Claims (10)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のNOxの濃度を測定する限界電流型のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第1の内部空所と、
前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第2の内部空所と、
前記第1の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第1の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、
前記第2の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、
前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第2の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有する測定電極と、
前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、
前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を有してなり、
かつ、
前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に主ポンプ電圧を印加する第1の可変電源と、
前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第2の可変電源と、
前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に測定ポンプ電圧を印加する第3の可変電源と、
前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、
を備え、少なくとも、
前記ヒータ部が前記センサ素子を所定の素子駆動温度に加熱し、
前記第1の可変電源が、前記第1の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプセルに主ポンプ電圧を印加し、
前記第2の可変電源が、前記第2の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、
前記第3の可変電源が、前記測定電極におけるNOxの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプセルに測定ポンプ電圧を印加することで、
前記センサ素子がNOx濃度を測定可能な動作状態とされ、
前記コントローラは、
前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定処理を行う判定手段と、
前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断処理を行う診断手段と、
前記診断処理における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整処理を行う調整手段と、
を備え、
前記診断手段は前記診断処理において、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてNOxの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、
前記調整手段は、
前記調整処理として温度調整処理を行う温度調整手段と、
前記調整処理として起電力調整処理を行う起電力調整手段と、
前記調整処理として補助ポンプ電流調整処理を行う補助ポンプ電流調整手段と、
を備え、
前記温度調整処理は、前記診断処理において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、
前記起電力調整処理は、前記第2の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、
前記補助ポンプ電流調整処理は、前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、
前記調整手段は、前記調整処理として、前記温度調整手段による前記温度調整処理を優先的に行い、かつ、前記起電力調整手段による前記起電力調整処理と前記補助ポンプ電流調整手段による前記補助ポンプ電流調整処理の少なくとも一方を行う、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1に記載のガスセンサであって、
前記起電力調整処理においてはさらに、前記第1の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1または請求項2に記載のガスセンサであって、
前記コントローラが、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのNOx濃度値を求める濃度演算手段、
をさらに備え、
前記濃度演算手段は、前記温度調整処理による上昇後の前記素子駆動温度と、前記補助ポンプ電流調整処理による増大後の前記補助ポンプ電流との少なくとも一方に基づいて、前記濃度演算手段によって求められるNOx濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項3に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガスがNOxを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、
前記コントローラが、あらかじめ特定された、前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップを記憶しており、
前記濃度演算手段は、前記補正マップに基づいて前記NOx濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記素子駆動温度が700℃~900℃の範囲で設定され、
前記条件判定処理においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気であるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、
前記診断閾値が750mV~950mVの範囲で設定される、
ことを特徴とするガスセンサ。 - 酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のNOxの濃度を測定する限界電流型のガスセンサの、動作制御方法であって、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第1の内部空所と、
前記第1の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第2の内部空所と、
前記第1の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第1の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、
前記第2の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、
前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第2の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有する測定電極と、
前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、
前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を有してなり、
かつ、
前記ガスセンサは、少なくとも、
前記センサ素子が前記ヒータ部によって所定の素子駆動温度に加熱され、
前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に、前記第1の内部空所における酸素濃度を一定にするように主ポンプ電圧が印加され、
前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に、前記測定電極におけるNOxの分解により生じた酸素を汲み出すように測定ポンプ電圧が印加されることで、
NOx濃度を測定可能な動作状態とされ、
前記動作状態においてはさらに、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に、前記第2の内部空所における酸素濃度を一定にするように補助ポンプ電圧が印加され、
前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定工程と、
前記条件判定工程において前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断工程と、
前記診断工程における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整工程と、
を備え、
前記診断工程においては、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてNOxの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、
前記調整工程においては、
前記診断工程において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、温度調整処理を優先的に行い、かつ、
前記第2の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、起電力調整処理と、
前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、補助ポンプ電流調整処理と、
の少なくとも一方を行う、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。 - 請求項6に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記起電力調整処理においてはさらに、前記第1の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。 - 請求項6または請求項7に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記ガスセンサは、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのNOx濃度値を求めるようになっており、
かつ、
前記ガスセンサは、前記温度調整処理が行われた場合には少なくとも上昇後の前記素子駆動温度に基づいて、前記補助ポンプ電流調整処理が行われた場合には少なくとも増大後の前記補助ポンプ電流に基づいて、前記NOx濃度を補正する、
ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。 - 請求項8に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記被測定ガスがNOxを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、
前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップがあらかじめ特定されており、
前記ガスセンサは、前記補正マップに基づいて前記NOx濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。 - 請求項6ないし請求項9のいずれかに記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記素子駆動温度が700℃~900℃の範囲で設定され、
前記条件判定工程においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気であるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、
前記診断閾値が750mV~950mVの範囲で設定される、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。
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