JP2009281974A - 煤検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の劣化を恐れがなく、また、評価時における温度変化の影響が少なく、測定精度が高い煤検出装置を提供すること。
【解決手段】第１酸素濃度測定部２３の第１検知電極９と煤捕集層２１を、煤の侵入が可能な構成とするとともに、第２酸素濃度測定部２５の第２検知電極１１の表面に煤の侵入防止する煤制限層２７を設けた煤検出センサ３を用いる。そして、第１酸素濃度測定部２３の温度を、煤が残存し、しかも、（ポンピングによる酸素によって）煤の燃焼が可能な温度に制御し、この状態で、第１酸素濃度測定部２３の両電極９、１０間に電圧を印加して酸素のポンピングを行い、このポンピングされた酸素を用いて前記温度で煤を燃焼させる。よって、第１酸素濃度測定部２３の電極９、１０間の電流値Ｉ₁と第１酸素濃度測定部２５の電極１１、１２間の電流値Ｉ₂との差から、煤の積算量を算出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば内燃機関等において発生する粒子状物質（ＰＭ）、詳しくはカーボンからなる煤を検出する煤検出装置に関する。

従来より、例えばディーゼルエンジンの排気に含まれる煤の量を検出する装置として、酸素センサをベースとし、煤の燃焼によって減少した酸素濃度を測定することにより、排気中の煤の量を求める粒子状物質検出装置が提案されている（特許文献１参照）。

この技術は、表面に触媒層及び微細多孔体を設けた第１酸素センサと、表面に微細多孔体のみを設けた第２酸素センサとを備えた固体電解質基板を用いるものであり、第１酸素センサで検出された酸素濃度と第２酸素センサで検出された酸素濃度との間には、触媒層において煤の燃焼に消費される酸素の量だけ差が生じるので、この差から排気に含まれる煤の含有量を求める技術である。
特開２００５−３３７７８２号公報

ところが、上述した従来技術では、長期的に使用した場合には、触媒層における加熱による粒成長や被毒等によって触媒が劣化し、センサ出力が変動するという問題があった。
また、従来技術では、煤を捕集して堆積量を評価する際には、燃焼温度以下の温度で煤を捕集し評価時に温度を上げるという手法のため、堆積量を算出する際にその温度変化による影響を受けてしまい、測定精度が低いという問題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、触媒の劣化を恐れがなく、また、評価時における温度変化の影響が少なく、測定精度が高い煤検出装置を提供することである。

（１）請求項１の発明は、被測定ガス中の煤を検出する煤検出装置であって、酸素イオン導電体に設けられた一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記両電極間に印加された電圧により、一方の電極から他方の電極に、前記煤を燃焼させるための酸素を供給する酸素供給部と、前記酸素イオン導電体を加熱する加熱手段と、前記煤の燃焼によって変化した酸素濃度を測定する第１酸素濃度測定部と、を備え、前記加熱手段によって、前記酸素イオン導電体の温度を、前記電極間に電圧を印加しない場合に前記煤の少なくとも一部が残存し、且つ、前記電極間に電圧を印加した場合に前記残存した煤の燃焼が可能な温度に制御するとともに、前記電圧印加手段によって前記電極間に電圧を印加することにより、前記酸素供給部によって前記酸素を供給して煤を燃焼させ、前記第１酸素濃度測定部によって前記燃焼により変化した酸素濃度を示す信号を測定することを特徴とする。

本発明では、酸素イオン導電体の温度を、煤が残存し、且つ、ポンピングにより供給される酸素（活性酸素）によって煤の燃焼が可能な温度に制御する。そして、この状態で、酸素イオン導電体の両電極間に電圧を印加して酸素のポンピングを行い、このポンピングされた酸素を用いて前記制御温度で煤を燃焼させる。そのため、従来の様な触媒を用いなくても、第１酸素濃度測定部の酸素濃度を示す出力（例えば電流値）を用いて、煤の検出（煤の量等の算出）を行うことができる。よって、触媒劣化が無いため、長期にわたり安定した出力を得ることができる。

また、電圧印加前に、酸素イオン導電体を制御温度に保つので、従来の様な測定のためのタイムラグや温度上昇の際の測定誤差がなく、検出精度が向上するという利点がある。
（２）請求項２の発明では、前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号から、前記煤の堆積量を求める。

本発明は、酸素濃度を示す信号（例えば電流値）から、煤の堆積量を求める。例えば両電極間に流れる電流は、煤の量（堆積量）に対応しているので、この電流値から煤の量を求めることができる。

（３）請求項３の発明では、前記酸素濃度を示す信号は、前記酸素イオン導電体の一対の電極間に流れる電流であり、その電流値を積算して前記煤の堆積量を求めることを特徴とする。

両電極間に流れる電流の積算値は、煤の堆積値に対応しているので、電流の積算値から煤の堆積量を求めることができる。
（４）請求項４の発明では、前記酸素イオン導電体の温度を、前記電圧を印加しない場合に煤が自発燃焼しない温度に制御することを特徴とする。

本発明は、温度制御による好適な温度範囲を示している。つまり、煤を検知する部分は、自然発火しない温度に制御されているので、煤が付着しており、よって、電圧を印加することにより、付着している煤を燃焼させることができる。

（５）請求項５の発明では、前記酸素イオン導電体の温度を、３００〜５００℃の温度範囲に制御することを特徴とする。
本発明は、温度制御による好適な温度範囲を示している。この温度に制御することにより、煤の少なくとも一部が残存しているので、両電極間に電圧を印加することにより、残存している煤の（ポンピングされた酸素による）燃焼が可能である。

（６）請求項６の発明では、電流密度が０．１〜５００ｍＡ／ｃｍ²の範囲となるように、前記電極間に電圧を印加することを特徴とする。
本発明は、電極間に流す電流の電流密度の好ましい範囲を示している。つまり、この範囲であれば、十分な感度（センサ出力）が得られ、且つ、酸素イオン導電体にブラックニングが発生することを防止できる。

（７）請求項７の発明では、前記酸素を供給する先の電極側に、前記煤を捕集する煤捕集部を備えたことを特徴とする。
従って、この煤捕集部で捕集した煤を、ポンピングされた酸素によって燃焼させることができる。

（８）請求項８の発明では、前記煤捕集部は、気孔率２０〜９０％の多孔質電極であることを特徴とする。
この気孔率とすることにより、多孔質電極の内部に煤を流入させて、煤を容易に捕集することができる。

（９）請求項９の発明では、前記煤捕集部は、前記電極上に形成された気孔率２０〜９０％の多孔質セラミック層であることを特徴とする。
この気孔率の多孔質セラミック層とすることにより、煤捕集部の内部に煤を流入させて、煤を容易に捕集することができる。

（１０）請求項１０の発明では、前記第１酸素濃度測定部が前記酸素供給部を兼ねる構成であることを特徴とする。
本発明としては、酸素イオン導電体に設けた一対の電極間に電圧を印加することにより酸素のポンピングを行うとともに、そのポンピングの際に流れる電流を測定する構成が挙げられる。

（１１）請求項１１の発明では、前記被測定ガス中の酸素濃度を測定する第２酸素濃度測定部を備え、前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号を、前記第２酸素濃度測定部から得られた酸素濃度を示す信号によって補正することを特徴とする。

第１酸素濃度測定部の電圧印加によって得られた酸素濃度を示す信号は、被測定ガス中の酸素濃度の影響を受ける。従って、本発明の様な補正を行うことにより、煤の検出を精度良く行うことができる。

（１２）請求項１２の発明では、前記第２酸素濃度測定部は、酸素イオン導電体と、該酸素イオン導電体に形成された検知電極及び基準電極と、前記検知電極の表面に形成されて煤の侵入を防止する煤制限層と、を備え、前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号を、前記第２酸素濃度測定部の両電極間に電圧を印加することによって得られた酸素濃度を示す信号によって補正することを特徴とする。

第１酸素濃度測定部によって、主として、両電極に印加した電圧に対応した信号（例えば電流）と、ポンピングされた酸素によって煤を燃焼させた場合（混成電位反応及び／又は気相酸素反応）に生じる信号（例えば電流）とが得られる。一方、第２酸素濃度測定部では、主として、両電極に印加した電圧に対応した信号（例えば電流）が得られる。

よって、両信号を用いることにより、煤の検出が可能である。例えば第１酸素濃度測定部によって得られた両電極間の電流値と、第２酸素濃度測定部によって得られた両電極間の電流値との差から、煤の堆積量等を求めることができる。

（１３）請求項１３の発明では、前記第２酸素濃度測定部は、前記第１酸素濃度測定部とは別体に設けられた酸素センサであることを特徴とする。
第１酸素濃度測定部の電圧印加によって得られた酸素濃度を示す信号は、被測定ガス中の酸素濃度の影響を受ける。従って、本発明の様に、酸素センサによって検出した測定ガスの酸素濃度を用いて補正を行うことにより、煤の検出を精度良く行うことができる。

なお、この酸素センサとしては、周知の限界電流式酸素センサや全領域空燃比センサを用いることができる。
（１４）請求項１４の発明では、酸素イオン導電体に、第１検知電極と、第１検知電極に近接した第２検知電極と、を設けるとともに、前記両検知電極の対極となる共通基準電極を設け、前記第１検知電極と共通基準電極との間に電圧を印加して第１検知電極側の煤を燃焼させるとともに、前記第２検知電極と共通基準電極との間に発生する起電力によって前記煤を検出することを特徴とする。

つまり、第１検知電極と共通基準電極との間のポンピングによって、第１検知電極側にて煤の燃焼が行われて酸素濃度が低下するので、第１検知電極に近接した第２検知電極側の酸素濃度も低下する。よって、この酸素濃度を第２検知電極と共通基準電極との間の起電力によって検出する。この起電力は、煤の量に対応したものであるので、起電力から煤の量を求めることができる。

（１５）請求項１５の発明では、前記酸素イオン導電体が、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウム添加セリア）、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）、ＬＳＧＭ（ストロンチウムマグネシウム複合ランタンガレート）の少なくとも1種からなることを特徴とする。

本発明は酸素イオン導電体の材料を例示したものである。なお、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭ等を使用すると、作動温度を低くすることができる。
（１６）請求項１６の発明では、前記煤の検出後、定期的に煤を除去するためのヒートクリーニング処理（例えば６５０〜７５０℃に加熱する処理）を実施することを特徴とする。

これにより、電極等に残存した煤を十分に除去できるので、次回の煤の検出を精度良く行うことができる。
（１７）請求項１７の発明では、前記煤の検出を、酸素ポンピングにより酸素濃度一定した環境で行うことを特徴とする。

測定ガスの酸素濃度が変化すると煤の検出に影響を及ぼすので、酸素ポンピングによって、測定環境を一定化する。なお、酸素ポンピングによって、酸素濃度を小さくした方が感度が高まり、測定精度が高くなるので好適である。

（１８）請求項１８の発明では、前記煤を燃焼させる電極（例えば検知電極）側とは対極の電極（例えば基準電極）側に、被測定ガス中の煤が前記対極の電極側に到達することを防止する煤制限部を備えたことを特徴とする。

これにより、例えば基準電極側に煤が付着することを防止できるので、付着した煤に起因する測定誤差を防止できる。
なお、この煤制限部は、例えば基準電極の表面を覆う様に設けてもよく、或いは、基準電極を覆う空間（例えば中間室）と外部雰囲気との間に設けてもよい。

（１９））請求項１９の発明では、前記煤の燃焼により変化した酸素濃度を示す信号に基づいて、前記煤の堆積量を求める演算処理装置を備えたことを特徴とする。
この演算処理装置としては、周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御装置が挙げられる。

次に、本発明の最良の形態の煤検出装置について説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、煤検出装置の構成について説明する。

図１に示す様に、本実施形態の煤検出装置１は、例えばディーゼルエンジンの排気流路に取り付けられる煤検出センサ３と、この煤検出センサ３を制御する電子制御装置５とから構成されている。

前記煤検出センサ３は、酸素イオン導電体である固体電解質基板７の表面に２組の電極９〜１２が形成された測定素子１３と、この測定素子１３と間隙（中間室）１５を介して平行に配置されたヒータ１７と、前記中間室１５と外部（被測定ガス雰囲気）との間に配置された煤制限部１９とからなる。

このうち、前記測定素子１３としては、例えばＹＳＺからなる固体電解質基板７の外側（同図上方）に、例えば銀からなる第１検知電極９が形成されるとともに、中間室１５側に、例えば白金からなる第１基準電極１０が形成され、更に、第１検知電極９の表面を覆うように、煤を捕集する例えばゼオライトからなる煤捕集層２１が形成されている。

詳しくは、前記第１検知電極９は、煤の透過が可能な細孔を有する例えば気孔率が２０〜９０％の多孔質電極であり、煤捕集層２１は、煤の透過が可能な細孔を有する例えば気孔率が２０〜９０％の多孔質層である。なお、第１基準電極１０は、Ｏ₂ガスが透過できる電極であれば特に限定はない。

従って、この煤捕集層２１、第１検知電極９、固体電解質基板７、第１基準電極１０からなる積層部分により、第１検知電極９側の酸素濃度を測定する第１酸素濃度測定部２３が構成されている。

同様に、第１酸素濃度測定部２３と並列に第２酸素濃度測定部２５が形成されている。具体的には、同じ固体電解質基板７の外側に、例えば白金からなる第２検知電極１１が形成されるとともに、中間室１５側には、例えば白金からなる第２基準電極１２が形成されている。更に、第２検知電極１１の表面を覆って、ガスの透過は可能であるが煤の透過を阻止するように、例えば気孔率１０％のゼオライトからなる多孔質の煤制限層２７が形成されている。なお、第２検知電極１１及び第２基準電極１２は、Ｏ₂ガスが透過できる電極であれば特に限定はない。

従って、この煤制限層２７、第２検知電極１１、固体電解質基板７、第２基準電極１２からなる積層部分により、第２検知電極１２側の酸素濃度を検出する第２酸素濃度測定部２５が構成されている。

そして、第１酸素濃度測定部２３の両電極９、１０間には、第１検知電極９側が正極側となるように、例えば１Ｖの直流電源２９が接続されており、この回路には、スイッチＳＷ１と、回路に流れる電流Ｉ₁を検出する電流計３１が接続されている。

同様に、第２酸素濃度測定部２５の両電極１１、１２間には、第２検知電極１１側が正極側となるように、例えば１Ｖの直流電源３３が接続されており、この回路には、スイッチＳＷ２と、回路に流れる電流Ｉ₂を検出する電流計３５が接続されている。

また、前記煤制限部１９は、ガスの透過は可能であるが煤の透過を阻止する細孔をするものであり、その気孔率が例えば１０％のアルミナからなる多孔体である。なお、気孔率は、センサ素子の断面ＳＥＭ写真数枚から、気孔部分を実測し、算出するものとする。

更に、前記ヒータ１７は、例えばアルミナ基板３７の内部に発熱体３９が配置されたものである。このヒータ１７により、測定素子１３の温度は、煤捕集層２１や第１検知電極９に付着した煤が自然に燃焼することがないように、例えば３００〜５００℃の温度範囲に加熱される。なお、この温度範囲であれば、後述する酸素イオン（活性酸素：Ｏ^2-）のポンピングが可能である。

上述した煤検出装置１は、マイクロコンピュータ（図示せず）を備えた電子制御装置５により制御される。具体的には、電子制御装置５には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、電流計３１、３５、発熱体３９等が接続されており、例えば発熱体３９への通電を制御することによって、煤検出センサ３の温度制御を行ったり、後述する様に、電流計３１から得られた電流値Ｉ₁、Ｉ₂を用いて、煤の堆積量を求める演算を行う。

ｂ）次に、本実施形態の煤堆積量を測定する原理について説明する。
煤検知センサ３を、ディーゼルエンジンの排気中の様な煤が含まれる被測定ガス中に配置した場合には、第１酸素濃度測定部２３の煤捕集層２１は、気孔率が大きく煤が透過するため、（同様に煤が透過する）第１検知電極９やその三相界面（検知電極と固体電解質と気相の界面）に煤が堆積する。

これに対し、第２酸素濃度測定部２５の煤制限層２７は、気孔率が低いため、煤は煤制限層２７の表面に堆積しているだけで、第２検知電極１１上やその三相界面には到達しない。

ここで、第１酸素濃度測定部２３の電極９、１０間と第２酸素濃度測定部２５の電極１１、１２間に電圧を印加し、煤捕集層２１や第１検知電極９に付着した煤を強制的に燃焼させる。これにより、第１酸素濃度測定部２３の電極９、１０間には、印加した電圧により流れる電流（ベース電流）に加えて、煤燃焼時の酸素濃淡差に基づいた電流が流れる。

詳しくは、第１酸素濃度測定部２３に印加された電圧により、第１基準電極１０側から第１検知電極９側に活性酸素（Ｏ^2-）がポンピングされ、第１検知電極９側の三相界面では、この活性酸素と三相界面近傍の煤とが反応（混成電位反応）し燃焼するので、第１検知電極９側の酸素濃度は、煤が無い場合に比べて低下する。

従って、この反応よる酸素濃度の差（即ち第１検知電極９側と第１基準電極１０側との酸素濃度差）によって生じる電流とベース電流との合計の電流値Ｉ₁が、電流計３１によって測定される。

これに対し、第２酸素濃度測定部２７では、第２検知電極１１には煤は到達しないので、混成電位反応は発生せず、よって、印加した電圧により流れる電流値Ｉ₂のみが電流計３５によって検出される。

よって、第１酸素濃度測定部２３の電極９、１０間に流れる電流値Ｉ₁と第２酸素濃度測定部２５の電極間１１、１２に流れる電流値Ｉ₂の差（ΔＩ＝Ｉ₁−Ｉ₂）を感度とすれば、この感度は、煤の多さ（従って煤の堆積量）に対応した値となるので、この感度の積分値を求めることにより、煤堆積量を求めることができる。

この煤堆積量は、例えば排気中に含まれる煤の量（ＰＭ量）や煤濃度に対応しているので、煤堆積量から排気ガス中のＰＭ量や煤濃度を推定することができる。
なお、被測定ガス中に可燃性ガスが含まれている場合には、両検知電極９、１１にて可燃性ガスが燃焼して酸素濃度がやや低下することがあるが、この酸素濃度の変化は両検知電極９、１１で、ほぼ同様に現れると考えられるので、前記電流値の差ΔＩを取ることにより、可燃性ガスの影響を排除できる。

ｃ）次に、電子制御装置５にて行われる煤堆積量の算出の処理等について説明する。
この処理は、ディーゼルエンジンの排気流路に取り付けられ煤が堆積した煤検出センサ３に対して、その煤堆積量を求めるために、所定期間毎に実施されるものである。なお、本処理は、例えばディーゼルエンジンの作動中や停止中に行うことができる。

図２のフローチャートに示す様に、ステップ（Ｓ）１００では、煤堆積量を求めるタイミングであるか否かを判定し、そのタイミングである場合には、ステップ１１０に進む。
ステップ１１０では、発熱体３９に通電し、煤検出センサ３を所定の作動温度に制御する。なお、煤の捕集時には、常にこの様なヒータ制御を行ってもよい。

続くステップ１２０では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンし、第１酸素濃度測定部２３と第１酸素濃度測定部２５に所定電圧を印加する。
続くステップ１３０では、第１酸素濃度測定部２３に流れる電流（第１電流）Ｉ₁と第２酸素濃度測定部２５に流れる電流（第２電流）Ｉ₂を測定する。

続くステップ１４０では、第１電流Ｉ₁と第２電流Ｉ₂の差（ΔＩ＝Ｉ₁−Ｉ₂）を求める。
続くステップ１５０では、第１電流Ｉ₁と第２電流Ｉ₂の差（ΔＩ）の積分値を求める。

続くステップ１６０では、第１電流Ｉ₁と第２電流Ｉ₂の差（ΔＩ）の積分値と煤堆積量との関係から、煤堆積量を求める。例えば予め実験等によって求めておいたΔＩの積分値と煤堆積量との関係を示すマップや演算式等から、煤堆積量を求める。

続くステップ１７０では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフする。
続くステップ１８０では、ヒータ１７の温度を６５０〜７５０℃に制御し、煤検出センサ３に付着した全ての煤を燃焼させるヒートクリーニング処理を実施し、一旦本処理を終了する。

ｄ）この様に本実施形態では、第１酸素濃度測定部２３の第１検知電極９と煤捕集層２１を、煤の侵入が可能な構成とするとともに、第２酸素濃度測定部２５の第２検知電極１１の表面に煤の侵入防止する煤制限層２７を設けた煤検出センサ３を用いる。

そして、第１酸素濃度測定部２３の温度を、煤が残存し、しかも、（ポンピングにより供給される活性酸素によって）煤の燃焼が可能な温度に制御し、この状態で、第１酸素濃度測定部２３の両電極９、１０間に電圧を印加して酸素のポンピングを行い、このポンピングされた酸素を用いて前記温度で煤を燃焼させる。

よって、従来の様な触媒を用いなくても、第１酸素濃度測定部２３の電極９、１０間の電流値Ｉ₁と第１酸素濃度測定部２５の電極１１、１２間の電流値Ｉ₂との差から、煤の検出（煤の積算量の算出）を行うことができる。また、触媒劣化が無いため、長期にわたり安定した出力を得ることができる。

また、電圧印加前に、第１酸素濃度測定部２３を制御温度に保つので、従来の様な測定のためのタイムラグや温度上昇の際の測定誤差がなく、検出精度が向上するという利点がある。

更に、煤制限部１９によって、中間室１５内への煤の侵入が防止されているので、煤が第１基準電極１０や第２基準電極１２に付着することによって生ずる電流値の変動を抑制することができる。

その上、本実施形態では、両電流値の差ΔＩを用いるので、被測定ガス中に煤以外の成分（例えば水素や炭化水素等の可燃性ガス）が含まれていても、支障なく煤の堆積量を求めることができる。

次に、上述した煤検出装置を用いて、その効果を確認した実施例について説明する。
ａ）まず、実施例の煤検出センサの製造方法について説明する。
(1)ヒータ
まず、アルミナ等の絶縁性セラミックシートを積層してなる基体内部に、ヒータパターンを埋設してヒータ用基体を形成した。次に、両基準電極が位置する中間室を形成するために、ヒータ用基体の表面に、カーボンペーストをスクリーン印刷した。また、煤制限部を形成するために、ヒータ用基体の表面に、多孔質アルミナペーストをスクリーン印刷した。その後、この印刷したヒータ用基体を乾燥した。

(2)固体電解質基板
ＹＳＺ等の固体電解質シート上に、両基準電極を形成するために、Ｐｔペーストをスクリーン印刷した。その後、この印刷した固体電解質基板用基体を乾燥した。

(3)母体基板焼成
前記(1)のヒータ用基体の表面にアルミナペーストをスクリーン印刷し、前記(2)の固体電解質基板用基体と貼り合せ、乾燥した後、１３５０℃〜１６００℃で焼成し、母体基板を得た。

(4)第２酸素濃度測定部の第２検知電極
第２検知電極を形成するために、母体基板上に、Ｐｔペーストを印刷し、乾燥後、１５００℃で焼成した。

(5)第２酸素濃度測定部の煤制限部（多孔セラミック）
煤制限層を形成するために、前記(4)で得た母体基板の第２検知電極上に、ゼオライトスラリーをスクリーン印刷し、乾燥後、１０００℃で焼成した。

(6)第１酸素濃度測定部の第１検知電極
第１検知電極を形成するために、Ａｇ粉末とポーラスにするための有機ビーズ（粒径約５０μｍ）を、ｖｏｌ％で１：１となるように混合したスラリーを準備し、上記(3)で得た母体基板上にスクリーン印刷し、乾燥後、１０００℃にて１時間焼成した。

(7)第１酸素濃度測定部の煤捕集層（多孔セラミック）
煤捕集層を形成するために、ゼオライトとポーラスにするための有機ビーズ（粒径約５０μｍ）を、ｖｏｌ％で１：１となるように混合したスラリーを準備し、前記(4)で得た母体基板の第１検知電極上にスクリーン印刷し、乾燥後、７５０℃で焼成した。

これらの工程により、煤検出センサを完成した。
ｂ）次に、上記の様にして製造した煤検出センサを用いた実験例について説明する。
（１）煤燃焼試験
煤検出センサを、実車（２Ｌ：ディーゼルターボ）に取り付け、アイドリングと２０００ｒｐｍの運転条件で、それぞれ１時間運転して、煤検出センサに煤を堆積させた。

その後、煤検出センサを取り外し、大気中で２００℃から１０℃ずつ昇温させながら、５ｍｉｎ後の煤の堆積状態の変化を観察した。
その結果、アイドリング条件で使用した煤検出センサは、５７０℃まで変化が無く、５８０℃から徐々に燃焼が始まり６３０℃で完全に燃焼した。また、２０００回転で使用した煤検出センサは、５００℃まで変化が無く、５１０℃から徐々に燃焼が始まり６００℃で完全に燃焼した。

本発明では、ポンピングで供給した酸素によって、意図的に燃焼させた煤の量を測定するため、自発燃焼が起こらない温度域で制御することがより好ましい。よって、いずれの運転条件においても、煤の自発燃焼が起こらない５００℃以下の温度で制御することがより好ましいことがわかる。

（２）検出装置評価
評価装置としてモデルガス発生装置を使用し、煤検出装置の特性の評価を行った。
＜測定条件＞
ガス温 ：２８０℃
酸素イオン導電体の制御温度：４５０℃
ガス流速：１ｍ／ｓ
ガス組成：Ｏ₂＝１０％ ＣＯ₂＝５％ Ｈ₂Ｏ＝５％ Ｎ₂＝ｂａｌ．
煤濃度 ：１０ｍｇ／ｍ³
そして、モデルガス発生装置のガス流中に煤検出センサを配置し、この煤検出センサに前記第１実施形態の様に電気制御回路を接続し、下記の測定手順で、煤検出センサにおける煤堆積量から、被測定ガス中の煤濃度を測定した。

＜測定手順＞
まず、ヒータ制御無しの状態（ガス温度）で、煤を５５ｍｉｎ堆積させた後、測定準備のため、４５０℃となるようにヒータ制御した状態で、煤を５ｍｉｎ堆積させた。なお、４５０℃制御のため、電圧を印加しなければ煤は堆積していくので、捕集時は常にヒータ制御しても良い。

このとき、第１酸素濃度測定部の捕集部は、気孔率が大きく煤が透過するため、電極、或いは三相界面にも煤が堆積している。これに対し、第２酸素濃度測定部の煤制限層は、気孔率が低いため、煤は煤制限層の表面に堆積しているだけで、電極上、三相界面には到達しない。

次に、第１酸素濃度測定部、第２酸素濃度測定部のそれぞれの電極間に、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ²となるように電圧を印加し、強制的に煤を燃焼させた。
この時、第１酸素濃度測定部には、印加した電圧により流れる電流（ベース電流）に加えて、煤燃焼時の酸素濃淡差に基づき電流が流れる。これに対し、第２酸素濃度測定部には、印加した電圧により流れる電流のみが検出される。

なお、第１酸素濃度測定部の電極間に流れる電流値と第２酸素濃度測定部の電極間に流れる電流値の差ΔＩ（＝Ｉ₁−Ｉ₂）を感度とした。
ここでは、酸素濃度測定部を２つ設けることで、モデルガスの酸素濃度を変更した時も、ベース電流値を補正することができる。なお、個別に設けられた酸素濃度検出器（酸素センサ）と組合せて絶対濃度を算出し、補正することも可能である。

（３）感度測定結果
図３に、前記実施例の煤検出装置を用いて得られた感度測定結果を示す。
この図３は、縦軸に感度（ΔＩ）をとり、横軸に時間を取ったものであり、このグラフの斜線で示す総面積（積算感度ＳΔＩ：１秒毎の感度ΔＩを積算した値）が、煤堆積量を示している。

図４は、前記積算感度と煤堆積量の関係を示したものであり、図４に示す様に、積算感度と煤堆積量とには相関関係があるので、積算感度から煤堆積量を求めることができる。
（４）電流密度と感度及び耐久性の関係
次に、電流密度と感度及び耐久性との関係を示す実験例について説明する。

ここでは、前記実施例の煤検出装置を用い、第１酸素濃度測定部、第２酸素濃度測定部のそれぞれの電極間に流す電流の電流密度を、０．００１〜１０００ｍＡ／ｃｍ²の間で数点ふって試験を行った。

その結果を、図５に示す。ここで、煤検出感度規格値は、下記式のように定義した。なお、５００回繰返し後感度規格値とは、５００回繰返し後の煤検出感度規格値のことである。

煤検出感度規格値＝（条件変更時の感度）×１００／（規定条件での測定時の感度）
但し、規定条件とは、「第１検知電極と煤捕集層の気孔率５０％、１時間捕集後に、 １０ｍＡ／ｃｍ²で電圧印加」の条件である

この図５から明かな様に、電流密度が低い場合、堆積させた煤が完全に燃焼しないため、感度が小さくなる。また、電流密度が、大きい場合、酸素イオン導電体がブラックニングし、出力が変動する。よって、電流密度は、０．１〜５００ｍＡ／ｃｍ²の範囲が好適である。

（５）第１酸素濃度測定部の煤捕集層の気孔率と感度の関係
次に、第１酸素濃度測定部の煤捕集層の気孔率と感度の関係を示す実験例について説明する。

ここでは、前記実施例の煤検出装置を用い、多孔体である第１検知電極及び煤捕集層の気孔率を１０〜９０％で数点ふって試験を行った。その結果を、図６に示す。
図６から明かな様に、気孔率が低い場合、煤が三相界面に到達できなくなり、煤の燃焼が十分に起こらなくなる。また、気孔率が高い場合、作成が困難であり、強度も弱くなってしまう。よって、第１検知電極及び煤捕集層の気孔率は、２０〜９０％が好ましい。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図７に示す様に、本実施形態の煤検出装置５１は、煤検出センサ５３の測定素子５５として、固体電解質基板５７の両側に検知電極５９と基準電極６１を備えるとともに、検知電極５９の表面に煤捕集層６３を備えている。なお、検知電極５９や煤捕集層６３は、煤の透過が可能な様に、前記第１実施形態と同様な気孔率を有している。

また、同図下方には、測定素子５５に対向するように、中間室６５を介してヒータ６７が配置されており、中間室６５と外部との間には煤制限部６９が配置されている。
更に、同図上方には、測定素子５５に対向するように、測定ガスの酸素濃度を測定する酸素センサ７１が配置されている。なお、この酸素センサ７１としては、周知の限界電流式酸素センサや全領域空燃比センサなどを採用できる。

本実施形態では、ヒータ６７により測定素子５５を所定の制御温度に制御するとともに、測定素子５５の両電極５９、６１間に電圧を印加し、酸素（活性酸素）を基準電極６１側から検知電極５９側にポンピングする。このポンピングされた酸素により、検知電極５９や煤捕集層６３に捕集された煤が燃焼する。

従って、このとき、両電極５９、６１間に流れた電流値を測定し、図８に示す様に、その積分値（斜線部分）を求めることにより、煤の堆積量を求めることができる。
なお、両電極５９、６１間に流れる電流値には、測定ガス中の酸素濃度による影響分（図８に示すオフセット）が含まれているが、この測定ガス中の酸素濃度は、酸素センサ７１によって求めることができるので、このオフセット分を考慮する（差し引く）ことにより、正確に煤の堆積量を求めることができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図９に示す様に、本実施形態の煤検出装置７１は、煤検出センサ７３の測定素子７５として、固体電解質基板７７の一方の表面（図９（ｂ）の上面）に、四角枠状に第１検知電極７９を備えるとともに、第１検知電極７９に囲まれた中央に、第２検知電極８１を備えており、更に、両検知電極７９、８１を覆うように煤捕集層８３を備えている。一方、固体電解質基板７７の他方の表面（図９（ｂ）の下面）には、両検知電極７９、８１の対極として共通の基準電極（共通基準電極）８５を備えている。なお、第１検知電極７９や煤捕集層８３は、煤の透過が可能な様に、前記第１実施形態と同様な気孔率を有している。

また、図９（ｂ）の下方には、測定素子７５に対向するように、中間室８７を介してヒータ８９が配置されており、中間室８７と外部との間には煤制限部９１が配置されている。

本実施形態では、ヒータ８９により測定素子７５を所定の制御温度に制御するとともに、第１検知電極７９と共通基準電極８５との間に電圧を印加し、酸素（活性酸素）を共通基準電極８５側から第１検知電極７９側にポンピングする。このポンピングされた酸素により、第１検知電極７９や煤捕集層８３に捕集された煤が燃焼するので、第１検知電極７９側の酸素濃度が低下する。

従って、このとき、第２検知電極８１と共通基準電極８５との間の酸素濃度の差によって発生する起電力を測定し、図１０に示す様に、その積分値（斜線部分）を求めることにより、煤の堆積量を求めることができる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば第１実施形態の煤検出センサを測定ガスや煤が透過可能な容器に収容し、酸素ポンピングにより、その容器内の酸素濃度を調節してもよい。例えば容器内の酸素濃度が低くなるようにポンピングすることにより、煤検出センサの感度を高めることができる。

（２）また、例えば第１実施形態において、第１酸素濃度測定部と第２濃度測定部の酸素イオン導電体としては、同一の部材でも異なる部材（別体）でも使用することができる。

また、第１基準電極と第２基準電極を共通の基準電極としてもよい。
（３）更に、煤を燃焼させる検知電極の材料としては、Ｐｔを用いることができるが、制御温度が５００℃に近い場合、電極表面で触媒作用が起こり、煤が三相界面に到達しない恐れがあるため、Ａｇを使用することが望ましい。

第１実施形態の煤検出装置を示す説明図である。 第１実施形態の煤検出装置における煤堆積量の算出処理を示すフローチャートである。 感度の時間変化から煤堆積量を求める方法を示すグラフである。 積算感度と煤量との関係を示すグラフである。 電流密度をと煤検出感度規格値との関係を示すグラフである。 気孔率と煤検出感度規格値との関係を示すグラフである。 第２実施形態の煤検出装置を示す説明図である。 第２実施形態における煤堆積量の手法を示すグラフである。 第３実施形態の煤検出装置を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 第３実施形態における煤堆積量の手法を示すグラフである。

符号の説明

１、５１、７１…煤検出装置
３、５３、７３…煤検出センサ
５…電子制御装置
７、５７、７７…固体電解質基板
９、１１、５９、７９、８１…検知電極
１０、１２、６１、８５…基準電極
１３、５５、７５…測定素子
１７、６７、８９…ヒータ
１９、６９、９１…煤制限部
２１、６３、８３…煤捕集層
２３…第１酸素濃度測定部
２５…第２酸素濃度測定部
２７…煤制限層
７１…酸素センサ

Claims (19)

1. 被測定ガス中の煤を検出する煤検出装置であって、
   酸素イオン導電体に設けられた一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記両電極間に印加された電圧により、一方の電極から他方の電極に、前記煤を燃焼させるための酸素を供給する酸素供給部と、
   前記酸素イオン導電体を加熱する加熱手段と、
   前記煤の燃焼によって変化した酸素濃度を測定する第１酸素濃度測定部と、
   を備え、
   前記加熱手段によって、前記酸素イオン導電体の温度を、前記電極間に電圧を印加しない場合に前記煤の少なくとも一部が残存し、且つ、前記電極間に電圧を印加した場合に前記残存した煤の燃焼が可能な温度に制御するとともに、
   前記電圧印加手段によって前記電極間に電圧を印加することにより、前記酸素供給部によって前記酸素を供給して煤を燃焼させ、前記第１酸素濃度測定部によって前記燃焼により変化した酸素濃度を示す信号を測定することを特徴とする煤検出装置。
2. 前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号から、前記煤の堆積量を求めることを特徴とする請求項１に記載の煤検出装置。
3. 前記酸素濃度を示す信号は、前記酸素イオン導電体の一対の電極間に流れる電流であり、その電流値を積算して前記煤の堆積量を求めることを特徴とする請求項２に記載の煤検出装置。
4. 前記酸素イオン導電体の温度を、前記電圧を印加しない場合に煤が自発燃焼しない温度に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の煤検出装置。
5. 前記酸素イオン導電体の温度を、３００〜５００℃の温度範囲に制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の煤検出装置。
6. 電流密度が０．１〜５００ｍＡ／ｃｍ²の範囲となるように、前記電極間に電圧を印加することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の煤検出装置。
7. 前記酸素を供給する先の電極側に、前記煤を捕集する煤捕集部を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の煤検出装置。
8. 前記煤捕集部は、気孔率２０〜９０％の多孔質電極であることを特徴とする請求項７に記載の煤検出装置。
9. 前記煤捕集部は、前記電極上に形成された気孔率２０〜９０％の多孔質セラミック層であることを特徴とする請求項７に記載の煤検出装置。
10. 前記第１酸素濃度測定部が前記酸素供給部を兼ねる構成であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の煤検出装置。
11. 前記被測定ガス中の酸素濃度を測定する第２酸素濃度測定部を備え、
    前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号を、前記第２酸素濃度測定部から得られた酸素濃度を示す信号によって補正することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の煤検出装置。
12. 前記第２酸素濃度測定部は、酸素イオン導電体と、該酸素イオン導電体に形成された検知電極及び基準電極と、前記検知電極の表面に形成されて煤の侵入を防止する煤制限層と、を備え、
    前記第１酸素濃度測定部によって得られた酸素濃度を示す信号を、前記第２酸素濃度測定部の両電極間に電圧を印加することによって得られた酸素濃度を示す信号によって補正することを特徴とする請求項１１に記載の煤検出装置。
13. 前記第２酸素濃度測定部は、前記第１酸素濃度測定部とは別体に設けられた酸素センサであることを特徴とする請求項１１に記載の煤検出装置。
14. 酸素イオン導電体に、第１検知電極と、第１検知電極に近接した第２検知電極と、を設けるとともに、前記両検知電極の対極となる共通基準電極を設け、
    前記第１検知電極と共通基準電極との間に電圧を印加して第１検知電極側の煤を燃焼させるとともに、前記第２検知電極と共通基準電極との間に発生する起電力によって前記煤を検出することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の煤検出装置。
15. 前記酸素イオン導電体が、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭの少なくとも1種からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の煤検出装置。
16. 前記煤の検出後、定期的に煤を除去するためのヒートクリーニング処理を実施することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の煤検出装置。
17. 前記煤の検出を、酸素ポンピングにより酸素濃度一定した環境で行うことを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の煤検出装置。
18. 前記煤を燃焼させる電極側とは対極の電極側に、被測定ガス中の煤が前記対極の電極側に到達することを防止する煤制限部を備えたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の煤検出装置。
19. 前記煤の燃焼により変化した酸素濃度を示す信号に基づいて、前記煤の堆積量を求める演算処理装置を備えたことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の煤検出装置。

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