JPH05157715A - 窒素酸化物の検出方法と検出装置 - Google Patents

窒素酸化物の検出方法と検出装置

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JPH05157715A
JPH05157715A JP4141657A JP14165792A JPH05157715A JP H05157715 A JPH05157715 A JP H05157715A JP 4141657 A JP4141657 A JP 4141657A JP 14165792 A JP14165792 A JP 14165792A JP H05157715 A JPH05157715 A JP H05157715A
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gas
oxygen
oxidation catalyst
measurement gas
sensor
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JP4141657A
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Eleftherios M Logothetis
エム.ロゴセティス エレフセリオス
Richard E Soltis
イー.ソルティス リチャード
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Ford Motor Co
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    • G01N27/4074Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気化学的セルを介して測定ガスに酸素を供
給し、測定ガスと酸素を酸化触媒に通してセンサーで窒
素酸化物を検出する、用途範囲の広い単純な構造をした
信頼性の高い窒素酸化物の検出方法と装置を提供するこ
と。 【構造】 ガス、例えば内燃機関の排気ガスに含まれる
窒素酸化物を検出するための装置構造ならびに方法。酸
素送込み用のソリッドステート電気化学的セルにより作
り出される酸素と共に測定ガスを酸化触媒に通し、ガス
に含まれる還元成分、例えば一酸化炭素、炭化水素およ
び水素は酸化され取り除かれる。次いで、窒素酸化物を
ガスセンサーが検知する。このガスセンサーは、状況に
よりガスに含まれる窒素酸化物と還元成分の両方に応答
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス、例えば広範囲の
比率の空気/燃料混合気を用いて運転される内燃機関の
排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検知する技術に
関する。
【0002】
【従来の技術】SnO2 を利用した様々な半導体ガスセ
ンサーが開発されてきている。こうしたガスセンサーは
窒素酸化物に対する応答性を示すが、同時に、一酸化炭
素、水素、炭化水素(HC)等の他の様々なガス分子に
も応答してしまう欠点がある。こうした選択性の欠如
は、センサーを内燃機関制御用に使用したい場合には特
に問題となる。すなわち、一酸化炭素、水素、炭化水素
およびその他の還元成分は排気ガス中に常に存在し、通
常、窒素酸化物よりも高い濃度で含まれるため、内燃機
関の排気ガスに含まれる窒素酸化物を検出することが困
難である。
【0003】Blurton氏その他の者に付与された
米国特許第4,052,268号は、リキッド電解質セ
ルを用いて窒素酸化物の測定が行なわれる。流入ガスの
一部は電解液を通じて取り込まれ、NO(またはN
X )を一定のアノード電位(1.5から1.9ボル
ト)で酸化させている。セルを流れる電流により窒素酸
化物の濃度測定が行なわれる。この液体電解質セルを用
いた運転方向およびその構造によると、特定の状況の下
ではCOおよびHCが存在してもセルに電流が流れない
ことがある。Blurton氏その他の者の特許に記載
された形式の液体電解質セルは、自動車に固有の高温度
および振動等の条件を克服しなければならないため内燃
機関には不向きである。
【0004】Noda氏その他の者に付与された米国特
許第4,770,760号では、2つの酸素センサーを
用いて内燃機関から出る排気ガス中の窒素酸化物の濃度
を測定している。これらのセンサーは、酸素送込み装置
として機能するソリッドステート電気化学的セルを備え
ている。第1の酸素センサーは、ZrO2 ソリッドステ
ート電気化学的セルに電流を流しガスに連絡している定
量室の外に酸素を送出すことにより、ガスに含まれる酸
素の濃度を測定している。電流の強さは酸素濃度に比例
している。第2の酸素センサーも同じように機能する
が、このセンサーは特殊な触媒電極を備えている。触媒
電極はこの電極を納めた定量室(定量室は測定ガスにも
連絡している)の外に酸素を送り出すことに加えて、窒
素酸化物を窒素と酸素中に解離させることができる。2
つの酸素センサーから得た2つの電流を差し引きして窒
素酸化物の濃度を測定する。内燃機関から出る排気ガス
中の窒素酸化物濃度は、酸素濃度に比べて非常に小さ
い。従って、Noda氏その他の者の特許に記載の形式
のセンサーを使用して求めたほぼ等しい桁の大きな2つ
の数字を差し引き計算して窒素酸化物濃度を求めても、
正確な値は得られず実用に供することができない。
【0005】本件出願人と同一人の米国特許第4,84
0,913号は、炭化水素(HC)や一酸化炭素(C
O)等の還元成分が介在した状態で窒素酸化物を測定す
る自動車用センサーを明らかにしている。内燃機関から
でる排気ガス等の測定ガスは、還元成分を酸化させて取
り除く酸化触媒を先ず通り抜ける。酸化触媒により生成
したガスは非選択性ソリッドステートセンサー(具体的
には、窒素酸化物と還元ガスに応答するセンサー)によ
り捕捉される。センサーは窒素酸化物にだけ応答して出
力信号を発生する。装置を適切に作動させるには、測定
ガスは酸素を必要としている。内燃機関の制御に使用す
る場合、酸素が存在しているケースでは装置の有用性に
問題が残る。自動車エンジンを薄い空気/燃料混合気で
運転する場合、排気ガスは常に多くの酸素を含有してお
り、酸素濃度は空気/燃料比が高まるにつれ増加してい
く。他方、燃料を多く含む空気/燃料混合気でエンジン
を運転する場合、排気ガス中に含まれる酸素量は極く僅
かであるか、または酸素はほとんど存在しない。従っ
て、前記特許に記載のように、この種のセンサーは、薄
い空気/燃料混合気を使用したり排気ガス中に補助空気
を供給する等して排気ガスに多量の酸素を残している状
況の下でエンジンを制御するのには使用することができ
る。しかしながら、センサーにとって望ましいのは、循
環空気からセンサー用の酸素を取り出す必要がなく、燃
料に富む混合気を用いて運転されるエンジンの排気ガス
から窒素酸化物を測定できることである。すなわち、排
気ガスだけを使用してセンサーを効果的に機能させるこ
とが望まれている。この種のセンサーは、循環空気を使
用する場合、添加する酸素量を正確に制御できることが
望まれている。前述した装置には使用に制約があるが、
これら問題点は本発明により解消される。
【0006】本発明は、還元ガスを含むことのある測定
ガスから窒素酸化物を検知する方法に関係している。こ
の方法は、支持母材内に分散させた酸化触媒を前記測定
ガスと窒素酸化物半導体センサーの間に配置する段階
と、前記窒素酸化物半導体センサーを測定ガスから遮断
する段階とを備えている。さらにこの方法は、酸素送込
み用のソリッドステート電気化学的セルにより、酸化触
媒を含む母材内に拡散させる酸素を供給する段階を有し
ている。この方法の別の段階では、酸化触媒を含む母材
を測定ガスと酸素に晒し、さらに存在するNO2 に影響
を及ぼすことなく、還元ガスを酸化させる酸化触媒に測
定ガスを通すことが行なわれる。次いで、酸化触媒から
出てくるガス状生成物を窒素酸化物半導体センサーに送
り、センサーの抵抗変化を検知して窒素酸化物の量を検
出する段階とを有する測定ガスに含まれる窒素酸化物を
検出することが行われる。
【0007】本発明の他の実施例によれば、還元ガスを
含有することのある測定ガスに含まれる窒素酸化物を検
知する装置が得られる。この装置は、酸素イオン伝達ソ
リッド電解質部材の相対する2つの側部の各々に電極層
を備えた、酸素を供給することのできる酸素送込み用の
ソリッドステート電気化学的セルを有している。さらに
装置は、多孔質母材内に分散させてあり、しかも酸素送
込み用のソリッドステート電気化学的セルに隣接して配
置してある、測定ガスと酸素を受け入れ、存在するNO
2 に影響を及ぼすことなく測定ガスに含まれる何れかの
還元成分を酸化させることのできる酸化触媒手段を有し
ている。半導体センサー手段は酸化触媒手段に隣接して
配置され、事実上、酸化触媒手段を通り抜けてきた酸化
ガスにだけ晒されるが測定ガスに含まれる還元成分から
事実上遮断されるように測定ガスに対し遮蔽されてい
る。半導体センサー手段は酸化ガスに含まれる窒素酸化
物に応答して出力信号を発生する。この出力は窒素酸化
物の関数である。装置には加熱用のヒーターを設けてお
くこともできる。
【0008】
【実施例】図1を参照する。本発明の一実施例に係る図
示の装置1は、壁3を通り抜けて測定ガス2の中に挿入
されている。壁3は、循環空気4から測定ガスを遮断す
る一方の壁である。測定ガス2は、一般的には、窒素酸
化物と共にCOやHC等の還元ガスおよび窒素(N2
等の不活性ガスを含有している。また測定ガスは酸素を
含有していることもある。具体的には、こうして測定ガ
スにはエンジンから排出される排気ガスがある。この排
気ガスは、主要なガス成分として様々な量のN2 、CO
2 、H2 O、CO、H2 、NOx および種々の炭化水素
を含有している。装置1は、酸化触媒手段17と定量室
18内に配置した非選択性窒素酸化物センサー19とを
備えている。酸化触媒手段17はガスの通り抜け可能な
多孔質微細構造からなり、例えば、プラチナやパラジウ
ム等の酸化触媒材料を含浸させたアルミナやスピネルの
ような母材から作られている。非選択性窒素酸化物セン
サー19には、抵抗型SnO2 センサーまたはSAW
(表面音響波)式センサーのような承知の非選択性窒素
酸化物センサーが使われる。非選択性窒素酸化物センサ
ー19は、信号情報をセンサー19から装置1のオペレ
ーターに送るリード線21を備えている。酸化触媒1
7、定量室18および非選択性窒素酸化物センサー19
は、構造体20の内部に収容されている。この構造体2
0は通路16を備え、この通路を通じて測定ガスの一部
は装置1に流入することができる。センサー19は構造
体20の外部から測定ガス2を遮断するように構造体内
にセンサー19を収め、酸化触媒手段17を配置してい
る。
【0009】また装置1は、構造体20およびハウジン
グ14に取り付けたソリッドステート電気化学的セル1
0を備えている。ハウジング14は、装置1を壁3に装
着する手段としての役割を果たしている。電気化学的セ
ル10は、酸化イットリウムを含有するZrO2 のよう
な酸素イオン伝達ソリッド電解質11からなる部材と、
このソリッド電解質の両側に位置する2つの電極12、
13から構成されている。電極12、13は、例えば、
内燃機関の空気/燃料制御用に広く用いられている周知
技術のソリッド電解質酸素センサーを参考にして作られ
ている。電極12、13には、例えば、厚層フィルム形
成技術を用いて多孔質プラチナ層を付着させることがで
きる。この実施例では、電極12は循環空気に晒されて
いるが、電極13は通路16に隣接した装置1の容積室
15内に露出している。ハウジング14と構造体20は
アルミナのような不活性材料から作ることができ、また
はソリッド電気化学的セル(例えば、ZrO2 )と同じ
材料から作ることもできる。装置1は、この装置の一部
のエレメントを適当な温度、好ましくは約200℃より
も高い温度、より好ましくは約200℃から800℃の
温度範囲に維持しておくヒーターを備えている。ただ
し、エレメントの全てを同じ温度に維持することもでき
る。例えば、酸化触媒17をプラチナから作り、非選択
性窒素酸化物センサーをSnO2 基センサーとする場
合、300℃から400℃の温度範囲が望ましい。材料
の種類および電解質11の寸法に合わせ、セル10を適
切に作動させる新たな温度範囲を設定することもでき
る。
【0010】操作に際し、測定ガスの一部は通路16か
ら装置1の容積室15に流入する。外部電圧V、一般的
には0.5から1.0ボルトの範囲の電圧が、電極12
をマイナス、電極13をプラスにして電気化学的セル1
0の両側にかけられる。電圧Vを加えることにより電流
Iがセル10を流れ、酸素は循環空気4から容積室15
内に移送される(送り込まれる)。酸素移送量Fは電流
Iに比例する。通路16を通じて装置1に流入する測定
ガスは、電気化学的セル10により容積室15内に供給
された酸素とこの容積室内で混合することができる。混
合ガスは酸化触媒17に入る。その際、セル10により
酸素が十分に供給されていれば、酸化触媒を通るCO、
2 および炭化水素は完全に酸化され、CO2 とH2
に変化する。しかしながら、NO2 はそのまま残り、混
合ガス中に存在するNOはNO2 に変化するか、または
NOとして残留する。このため、触媒17を通り定量室
18に侵入するガスはNO2 を含み、しかも「活性」成
分としてNOを含有することがある。これらが非選択性
窒素酸化物センサー19により検知される窒素酸化物、
NO2 とNOである。従って、測定ガス2が酸化触媒を
通り抜ける以前にこの測定ガスには還元ガスが介在する
が、センサー19の信号出力から測定ガスに含まれる窒
素酸化物の濃度を直接に測定できる。
【0011】本発明の装置を排気ガス用に使用すれば、
循環空気を取り扱わなくとも操作でき都合がよい。自動
車の排気ガスは、酸素の供給源として使える多量のCO
2 とH2 Oを含んでいる。この場合、本発明の装置は、
循環空気がハウジング14を通過することがなく、完全
に測定ガス(自動車の排気ガス)内に配置されている。
排気システム内に装置を装着できるようにハウジングに
改造を施すことができる。適当な両極セル10を用いて
1.2ボルトを上回る電圧をかければ、電極12に位置
でその付近の排気ガスからCO2とH2 Oの分子が電気
的に解離し、酸素が容積室15内に送り込まれる。
【0012】装置1の構造は様々に変更でき、また装置
1の操作方法についても色々と工夫することができる。
例えば、構造体20には必要に応じてセンサー19の左
側の壁に(図面には示されていない)後方開口を設置
し、ガスが装置を通り抜けるようにもできる。図1に示
した実施例では測定ガスの一部分が拡散作用により通路
16を通じて装置に流入するため、後方開口は不要であ
る。装置を加熱し、装置の後方部分(図1で見て装置1
の左側端部)が前方部分よりも高温となるように設置し
ておけば、後方開口を設置している場合、ガスは対流作
用により(前方に位置する開口)通路16から後方開口
へと装置1を通り抜けて移動していく。操作に際し、こ
のガス流により測定ガスが後方開口に侵入するのを事実
上防ぐことができる。測定ガスの全てが通路16を通り
抜けるように装置1の構造体20がガス流容器を構成し
ていれば、ガスが通り抜けられるように後方開口を設け
ておく必要がる。
【0013】本発明の装置のさらに他の実施例として、
酸素送込み用の電気化学的セル10による酸素濃度が一
定になるように装置を手直しすることもできる。状況次
第では、酸化触媒手段17の内部にある酸化可能なすべ
ての分子を酸化させるのに必要な酸素量よりも多い量の
酸素を供給することが望ましいこともある。こうした状
況の下では、図1の装置が適している。他方、酸化触媒
17の効率を最適な状態にする、または非選択性窒素酸
化物センサー19の働きを最適な状態にするには、状況
により酸素の濃度を所定濃度に保つことが特に必要とさ
れることがある。装置に必要な手直しを行なうにあた
り、検知セルとして機能する新たな電気化学的セル、例
えば新たなZrO2 セルを設置することができる。この
検知セルは、定量室18に対面した一方の電極と循環空
気に面した他方の電極を備えている。従来から周知のソ
リッドステート酸素検知セルによれば、セルの2つの電
極間の酸素分圧差により、この検知セルの両側に発生す
る開回路電圧(emf)から定量室18内の酸素濃度が
測定される。このような改良型の装置を使用する際、セ
ル10を流れる供給電流を調節して検知セルのemfは
一定値に保たれる。こうして定量室18内の酸素は一定
の濃度に維持され、また必要に応じて酸素量を増やすこ
ともできる。
【0014】図2は本発明の第2に実施例を示してい
る。図示の装置200は、図1の装置の集積フィルムタ
イプの変更例に係り、非選択性窒素酸化物センサー22
0、酸化触媒手段230および電気化学的酸素供給セル
240を備えている。基板210は装置200の支持体
としての働きをし、一般には酸化アルミニウム等の材料
から作られている。2つの金属フィルム電極221、2
22は、例えば金または白金から作られている。これら
電極は基板210に堆積させてあり、例えばSnO2
たはZnOの金属酸化フィルム225を電極上に堆積さ
せ非選択性窒素酸化物センサー220を構成している。
多孔質酸化触媒手段230をセンサー220と基板21
0の一部に直接に堆積させてある。酸化触媒手段はアル
ミナやスピネル等の多孔質母材からなり、例えば白金や
パラジウムのような酸化触媒材料を含浸させて作られて
いる。センサー220上の酸化触媒手段230の一部分
は、ガラス、アルミナまたは石英等の不活性材料から作
られたガス不透過性フィルム235により覆われてい
る。例えば白金から作られた多孔質電極241が、酸化
触媒手段230の露出した部分の上部に堆積している。
高密度ソリッド電解質(例えば、Yドーピング処理した
ZrO2 )の層245を電極241(および不活性層2
35)の上部に堆積させている。最後に、例えば白金か
らなる第2の多孔質電極242がソリッド電解質層24
5の上部に堆積している。ソリッド電解質層245と白
金電極241、242は酸素送込み用の電気化学的セル
240を構成している。
【0015】使用に際し、電気化学的セル240に適当
な極性の電圧を加え、排気ガスに含まれる酸素、または
排気ガス中に存在するCO2 およびH2 Oの解離作用に
より酸化触媒手段230内に酸素が送り込まれる。酸化
触媒手段230に送り込まれた酸素は、酸化触媒手段2
30の露出部分から内部に拡散する測定ガスに含まれた
還元成分と反応しこの還元成分を取り除かれる。こうし
て酸化測定ガスに残留するNO2 はセンサー220によ
り検知される。
【0016】図3は、本発明の第3の実施例を示してい
る。この実施例の装置は、積層し互いに焼き付けられる
複数のセラミックシートを用いて作られた平坦な形態を
している。図4は、箇々のセラミックシートを示す図3
の装置の分解斜視図である。セラミックシート4は、イ
ットリウム・ドーピング処理したZrO2 等の酸素イオ
ン伝達ソリッド電解質から作られている。また他のシー
トもZrO2 、あるいはアルミナのようなその他の不活
性構造セラミック材料から作ることができる。シート1
は、例えばシート上にスクリーン印刷したヒーターを備
えている。シート2はソリッドプレートであり、シート
3はU字形のスペーサの形態をしている。例えば、装置
を用いてH2 OとCO2 を解離させ排気ガスから酸素を
取り出す場合、シート3の開口がシート5の通路と装置
の同じ端部側に位置するように逆向きにすることができ
る。例えば、Yドーピング処理したZrO2 から作られ
たシート4は両側に(例えば、白金製の)多孔質プリン
ト電極を備え、酸素送込み用の電気化学的セルを構成し
ている。シート2、3、4により、循環空気に連絡した
構造体が形作られる。シート5はスペーサとして機能
し、容積室を形作る穴および装置外部の測定ガスに連絡
する通路を備えている。シート6は、例えばPtまたは
Pd等の酸化触媒材料を含浸したアルミナのような多孔
質材料の充填された穴を備えている。シート7は別のス
ペーサであり、定量室の一部を形作っている。さらにシ
ート8は、SnO2 等の非選択性窒素酸化物センサーの
取り付けられる定量室を形作っている。最後のシート9
は、定量室の上部を測定ガスから遮断するソリッドプレ
ートである。これとは別に、シート8はシート7に面す
る側にフィルムタイプのSnO2 センサーを堆積させた
ソリッドプレートとすることもできる。この例ではシー
ト9は不要である。必要に応じ、シート1のヒーターに
似た第2のヒーターをシート9の上部にラミネートする
こともできる。
【0017】本発明に関係した様々な技術分野における
当業者であれば、種々の改善を加えたり変更するは容易
である。例えば、装置構成要素の相対的な寸法および形
状を変化させたり、図示のものとは異なる触媒、電気化
学的セルおよびセンサーを使用することもできる。従来
技術をリードする本明細書に記載の技術思想に基づく様
々な変更は、本発明の範囲内に当然に含まれるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る装置の概略図。
【図2】集積フィルム装置の形態をした本発明の第2の
実施例の概略図。
【図3】セラミックプレートを積層して平板状の装置を
構成した、本発明の第3の実施例の概略図。
【図4】セラミックプレートの各々の構造を示す、図3
の装置の分解斜視図。
【符号の説明】
10 電気化学的セル 11 電解質 12 電極 13 電極 14 ハウジング 15 容積室 16 通路 17 酸化触媒 18 定量室 19 非選択性窒素酸化物センサー 20 構造体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 27/419 29/02 6928−2J

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 還元ガスを含有することのある測定ガス
    に含まれる窒素酸化物を検知する方法にして、 支持母材内に分散させた酸化触媒を前記測定ガスと窒素
    酸化物半導体センサーの間に配置する段階と、 前記窒素酸化物半導体センサーを測定ガスから遮断する
    段階と 酸素送込み用のソリッドステート電気化学的セルによ
    り、酸化触媒を含む母材内に拡散させる酸素を供給する
    段階と、 酸化触媒を測定ガスと酸素に晒す段階と、 存在するNO2 に影響を及ぼすことなく、還元ガスを酸
    化する酸化触媒に測定ガスを通す段階と、 酸化触媒から窒素酸化物半導体センサーにガス状生成物
    を送り、センサーの抵抗変化を検知して窒素酸化物の量
    を検出する段階とを有する測定ガスに含まれる窒素酸化
    物を検出する方法。
  2. 【請求項2】 還元ガスを含有することのある測定ガス
    に含まれる窒素酸化物を検知する装置にして、 酸素イオン伝達ソリッド電解質部材の相対する2つの側
    部の各々に電極層を備えた、酸素を供給することのでき
    る酸素送込み用のソリッドステート電気化学的セルと、 多孔質母材内に分散させてあり、しかも酸素送込み用の
    ソリッドステート電気化学的セルに隣接して配置してあ
    る、測定ガスと酸素を受け入れて通過させ、存在するN
    2 に影響を及ぼすことなく測定ガスに含まれる何らか
    の還元成分を酸化させることのできる酸化触媒手段と、 酸化触媒手段に隣接して配置され、酸化触媒手段を通り
    抜けてきた酸化ガスに晒されるよう測定ガスから遮断さ
    れていて、しかも酸化ガスに含まれる窒素酸化物に応答
    して出力信号を発生する半導体センサー手段とを有し、
    センサー手段が測定ガスに含まれる還元成分から実質的
    に遮断され、出力が窒素酸化物の関数であるような測定
    ガスに含まれる窒素酸化物を測定する装置。
JP4141657A 1991-06-07 1992-06-02 窒素酸化物の検出方法と検出装置 Pending JPH05157715A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US712306 1985-03-15
US71230691A 1991-06-07 1991-06-07

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