JP2019203837A - Multi-gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンモニア濃度及びNOx濃度を検出可能なマルチガスセンサに関する。 The present invention relates to a multi-gas sensor capable of detecting ammonia concentration and NOx concentration.
例えば、車両においては、内燃機関としてのディーゼルエンジン等から排気される排ガス中のNO、NO2等のNOx(窒素酸化物)を浄化するための触媒が、排気管内に配置される。触媒の一つとしての選択式還元触媒(SCR)においては、NOxを還元するために、尿素水等に含まれるアンモニア(NH3)が触媒担体に付着され、触媒担体においてアンモニアとNOxとを化学反応させて、NOxを窒素(N2)及び水(H2O)に還元することが行われている。 For example, in a vehicle, a catalyst for purifying NOx (nitrogen oxides) such as NO and NO 2 in exhaust gas exhausted from a diesel engine or the like as an internal combustion engine is disposed in the exhaust pipe. In the selective reduction catalyst (SCR) as one of the catalysts, ammonia (NH 3 ) contained in urea water or the like is attached to the catalyst carrier in order to reduce NOx, and the ammonia and NOx are chemically treated in the catalyst carrier. The reaction is performed to reduce NOx to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O).
また、排気管内における、選択式還元触媒よりも排ガスの流れの上流側位置には、還元剤としてのアンモニアを、選択式還元触媒へ供給する還元剤供給装置が配置される。また、例えば、排気管内における、選択式還元触媒の排ガスの流れの下流側位置には、排ガスにおけるNOx濃度を検出するNOxセンサと、排ガスにおけるアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサとが配置される。そして、NOxセンサ及びアンモニアセンサを用いることにより、選択式還元触媒からのアンモニアの流出を抑えつつ、アンモニアによるNOxの浄化率を向上させる工夫がなされている。 In addition, a reducing agent supply device that supplies ammonia as a reducing agent to the selective reduction catalyst is disposed upstream of the selective reduction catalyst in the exhaust pipe in the flow of the exhaust gas. Further, for example, a NOx sensor that detects the NOx concentration in the exhaust gas and an ammonia sensor that detects the ammonia concentration in the exhaust gas are disposed in the exhaust pipe at the downstream side of the exhaust gas flow of the selective reduction catalyst. And the device which improves the purification rate of NOx by ammonia is made, suppressing the outflow of ammonia from a selective reduction catalyst by using a NOx sensor and an ammonia sensor.
また、アンモニアを検出するためのアンモニアセンサ部とNOxを検出するためのNOxセンサ部とを一つのガスセンサにおいて複合的に形成して、マルチガスセンサとすることもある。 In addition, an ammonia sensor unit for detecting ammonia and a NOx sensor unit for detecting NOx may be combined in one gas sensor to form a multi-gas sensor.
また、アンモニアセンサに経年劣化が生じるとアンモニア濃度を精度良く検出することができなくなる。そのため、例えば、特許文献1の診断装置においては、アンモニアセンサの経年劣化を、排気浄化装置における窒素酸化物センサ(NOxセンサ)を利用して診断することが行われている。具体的には、エンジンが燃料無噴射状態にある場合に、窒素酸化物センサの検出値とアンモニアセンサの検出値とを比較することによって、アンモニアセンサの検出値の妥当性を診断している。
Further, if the ammonia sensor deteriorates over time, the ammonia concentration cannot be accurately detected. Therefore, for example, in the diagnostic device of
特許文献1の診断装置においては、窒素酸化物センサの検出値が第1規定値よりも大きく、かつアンモニアセンサの検出値が第2規定値よりも大きい場合であって、かつこれらの検出値の差分が第3規定値よりも大きい場合に、アンモニアセンサの検出値が妥当でないと判定している。しかし、燃料無噴射状態においては、エンジンの排気管に排気される排ガスの組成が大気に近い状態になり、窒素酸化物センサ及びアンモニアセンサへNOx及びアンモニアがほとんど供給されなくなると考えられる。
In the diagnostic device of
また、窒素酸化物センサにおいては、NOx及びアンモニアの両方が反応し、NOx及びアンモニアの両方による検出値が検出されると考えられる。そのため、NOx及びアンモニアがある程度検出される状態においては、窒素酸化物センサの検出値がアンモニアの検出量を示しているとは限らない。従って、マルチガスセンサ等におけるアンモニアセンサ部の性能劣化の有無もしくは度合いを適切に判定するため、又はアンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正するためには、更なる工夫が必要とされる。 Further, in the nitrogen oxide sensor, it is considered that both NOx and ammonia react and a detection value by both NOx and ammonia is detected. Therefore, in a state where NOx and ammonia are detected to some extent, the detection value of the nitrogen oxide sensor does not always indicate the detected amount of ammonia. Therefore, in order to appropriately determine the presence or absence or degree of performance deterioration of the ammonia sensor unit in a multi-gas sensor or the like, or to correct the ammonia concentration in consideration of the performance deterioration amount of the ammonia sensor unit, further contrivance is required. Is done.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無もしくは度合いを適切に判定することができる、又はアンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができるマルチガスセンサを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of such a problem, and can appropriately determine the presence or absence or degree of performance degradation of the ammonia sensor unit, or correct the ammonia concentration in consideration of the performance degradation amount of the ammonia sensor unit. It was obtained in an attempt to provide a multi-gas sensor that can be used.
本発明の一態様は、酸素イオンの伝導性を有する第1固体電解質体(21)、及び前記第1固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極(22)及び第1基準電極(23)を有し、前記アンモニア電極と前記第1基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス(G)におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部(11)と、
酸素イオンの伝導性を有する第2固体電解質体(31)、前記第2固体電解質体を介して配置されたNOx電極(32)及び第2基準電極(34A)、及び前記NOx電極を収容するとともに拡散抵抗部(351)を介して測定ガスが導入される測定ガス室(35)を有し、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前NOx濃度を算出し、前記補正前NOx濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてNOx濃度を算出するよう構成されたNOxセンサ部(12)と、
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が前記NOxセンサ部によるNOx濃度よりも所定濃度(Δn2)以上高い場合を、認定時として認定する認定部(61)と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記NOxセンサ部による補正前NOx濃度が、前記NOx電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度とを比較して、前記アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する劣化判定部(62)と、を備えるマルチガスセンサ(1)にある。
One aspect of the present invention includes a first solid electrolyte body (21) having oxygen ion conductivity, and an ammonia electrode (22) and a first reference electrode (23) disposed via the first solid electrolyte body. And an ammonia sensor unit (11) configured to detect a potential difference (ΔV) generated between the ammonia electrode and the first reference electrode and calculate an ammonia concentration in the measurement gas (G) based on the potential difference. )When,
The second solid electrolyte body (31) having conductivity of oxygen ions, the NOx electrode (32) and the second reference electrode (34A) disposed through the second solid electrolyte body, and the NOx electrode are accommodated. A measurement gas chamber (35) into which a measurement gas is introduced via a diffusion resistance portion (351), and in a state where a voltage is applied between the NOx electrode and the second reference electrode, A current generated between the second reference electrode and the second reference electrode is detected, a pre-correction NOx concentration in the measurement gas is calculated based on the current, and a NOx concentration is calculated by subtracting the ammonia concentration from the pre-correction NOx concentration. The NOx sensor section (12),
An accreditation unit (61) for authorizing a case where the ammonia concentration by the ammonia sensor unit is higher than the NOx concentration by the NOx sensor unit by a predetermined concentration (Δn2) or more;
When the recognition unit recognizes the time of recognition, the presumed NOx concentration by the NOx sensor unit indicates an estimated ammonia concentration that is the concentration of ammonia in contact with the NOx electrode, and the estimated ammonia concentration and the ammonia sensor A multi-gas sensor (1) comprising a deterioration determination unit (62) for comparing the ammonia concentration by the unit and determining the presence or absence or degree of performance deterioration of the ammonia sensor unit.
本発明の他の態様は、酸素イオンの伝導性を有する第1固体電解質体(21)、及び前記第1固体電解質体を介して配置されたアンモニア電極(22)及び第1基準電極(23)を有し、前記アンモニア電極と前記第1基準電極との間に生じる電位差(ΔV)を検出し、前記電位差に基づいて測定ガス(G)におけるアンモニア濃度を算出するよう構成されたアンモニアセンサ部(11)と、
酸素イオンの伝導性を有する第2固体電解質体(31)、前記第2固体電解質体を介して配置されたNOx電極(32)及び第2基準電極(34A)、及び前記NOx電極を収容するとともに拡散抵抗部(351)を介して測定ガスが導入される測定ガス室(35)を有し、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前NOx濃度を算出し、前記補正前NOx濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてNOx濃度を算出するよう構成されたNOxセンサ部(12)と、
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が前記NOxセンサ部によるNOx濃度よりも所定濃度(Δn2)以上高い場合を、認定時として認定する認定部(61)と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記NOxセンサ部による補正前NOx濃度が、前記NOx電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度との差に基づいて、前記アンモニアセンサ部の性能劣化量(R)を算出する劣化量算出部(63)と、
前記性能劣化量に基づいて、前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度を補正するアンモニア濃度補正部(64)と、を備えるマルチガスセンサ(1)にある。
Another aspect of the present invention includes a first solid electrolyte body (21) having oxygen ion conductivity, and an ammonia electrode (22) and a first reference electrode (23) disposed via the first solid electrolyte body. An ammonia sensor unit configured to detect a potential difference (ΔV) generated between the ammonia electrode and the first reference electrode and calculate an ammonia concentration in the measurement gas (G) based on the potential difference ( 11) and
The second solid electrolyte body (31) having conductivity of oxygen ions, the NOx electrode (32) and the second reference electrode (34A) disposed through the second solid electrolyte body, and the NOx electrode are accommodated. A measurement gas chamber (35) into which a measurement gas is introduced via a diffusion resistance portion (351), and in a state where a voltage is applied between the NOx electrode and the second reference electrode, A current generated between the second reference electrode and the second reference electrode is detected, a pre-correction NOx concentration in the measurement gas is calculated based on the current, and a NOx concentration is calculated by subtracting the ammonia concentration from the pre-correction NOx concentration. The NOx sensor section (12),
An accreditation unit (61) for authorizing a case where the ammonia concentration by the ammonia sensor unit is higher than the NOx concentration by the NOx sensor unit by a predetermined concentration (Δn2) or more;
When the recognition unit recognizes the time of recognition, the NOx concentration before correction by the NOx sensor unit indicates an estimated ammonia concentration that is the concentration of ammonia in contact with the NOx electrode, and the estimated ammonia concentration and the ammonia sensor A deterioration amount calculation unit (63) for calculating a performance deterioration amount (R) of the ammonia sensor unit based on a difference from the ammonia concentration by the unit;
The multi-gas sensor (1) includes an ammonia concentration correction unit (64) that corrects the ammonia concentration by the ammonia sensor unit based on the performance deterioration amount.
(一態様のマルチガスセンサ)
前記一態様のマルチガスセンサは、アンモニア濃度を検出可能なアンモニアセンサ部と、NOx濃度を検出可能なNOxセンサ部とを備え、NOxセンサ部による補正前NOx濃度を利用して、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定するものである。また、マルチガスセンサは、性能劣化の有無又は度合いを判定するために、認定部及び劣化判定部を備える。認定部においては、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度とNOxセンサ部によるNOx濃度とを比較し、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度以上高い場合を特定条件として認定する。
(One aspect of multi-gas sensor)
The multi-gas sensor according to the one aspect includes an ammonia sensor unit capable of detecting an ammonia concentration and a NOx sensor unit capable of detecting a NOx concentration, and the performance of the ammonia sensor unit using the NOx concentration before correction by the NOx sensor unit. The presence or degree of deterioration is determined. In addition, the multigas sensor includes an authorization unit and a degradation determination unit in order to determine the presence or absence or degree of performance degradation. In the certification unit, the ammonia concentration by the ammonia sensor unit and the NOx concentration by the NOx sensor unit are compared, and the case where the ammonia concentration is higher than the NOx concentration by a predetermined concentration or more is certified as the specific condition.
アンモニア濃度とNOx濃度とを比較する知見は、本願発明者らによって初めて見出されたものである。マルチガスセンサによってアンモニア濃度及びNOx濃度の検出が行われる環境下においては、アンモニアは、選択式還元触媒等におけるNOxを還元するために用いられる。そして、本願発明者らは、この環境下においては、アンモニアセンサ部によって検出されるアンモニア濃度が、NOxセンサ部によって検出されるNOx濃度(補正後NOx濃度)よりも、低くなる場合と高くなる場合とが異なるタイミングで生じることに着目している。そして、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度以上高い場合を特定条件として認定する。 The knowledge for comparing the ammonia concentration and the NOx concentration was first discovered by the present inventors. In an environment where ammonia concentration and NOx concentration are detected by a multi-gas sensor, ammonia is used to reduce NOx in a selective reduction catalyst or the like. In this environment, the inventors of the present application have a case where the ammonia concentration detected by the ammonia sensor unit is lower or higher than the NOx concentration (corrected NOx concentration) detected by the NOx sensor unit. Note that this occurs at different timings. Then, the specific condition is recognized when the ammonia concentration is higher than the NOx concentration by a predetermined concentration or more.
この特定条件において、NOxセンサ部のNOx電極においては、測定ガス中のNOxはほとんど検出されず、測定ガス中のアンモニアがNOxに酸化されてNOx濃度として検出される。アンモニアは、アンモニアセンサ部に比べて高い温度に加熱されるNOxセンサ部の付近に存在するとき、NOxに酸化されやすくなる。そのため、特定条件においては、NOxセンサ部による補正前NOx濃度を推定アンモニア濃度とする。この推定アンモニア濃度は、測定ガス中のアンモニア濃度に近い値を示すと考えられる。 Under this specific condition, almost no NOx in the measurement gas is detected at the NOx electrode of the NOx sensor unit, and ammonia in the measurement gas is oxidized to NOx and detected as the NOx concentration. Ammonia tends to be oxidized to NOx when present in the vicinity of the NOx sensor unit heated to a higher temperature than the ammonia sensor unit. Therefore, under specific conditions, the NOx concentration before correction by the NOx sensor unit is set as the estimated ammonia concentration. This estimated ammonia concentration is considered to show a value close to the ammonia concentration in the measurement gas.
そして、アンモニアセンサ部のアンモニア電極に性能劣化がない場合には、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度と、NOxセンサ部による推定アンモニア濃度とに大きな違いは生じない。換言すれば、これらのアンモニア濃度の差が所定の誤差範囲内になる。一方、アンモニアセンサ部のアンモニア電極に性能劣化が生じた場合には、アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が、NOxセンサ部による推定アンモニア濃度よりも所定の誤差範囲を超えて低くなる。従って、この場合には、アンモニアセンサ部に性能劣化が生じたと判定することができる。 When there is no performance deterioration in the ammonia electrode of the ammonia sensor unit, there is no significant difference between the ammonia concentration by the ammonia sensor unit and the estimated ammonia concentration by the NOx sensor unit. In other words, the difference between these ammonia concentrations falls within a predetermined error range. On the other hand, when performance degradation occurs in the ammonia electrode of the ammonia sensor unit, the ammonia concentration by the ammonia sensor unit becomes lower than the estimated ammonia concentration by the NOx sensor unit beyond a predetermined error range. Therefore, in this case, it can be determined that performance degradation has occurred in the ammonia sensor unit.
これにより、マルチガスセンサにおいては、測定ガスにおけるアンモニアが占める割合が、測定ガスにおけるNOxが占める割合よりも多く、NOxがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定することができる。 As a result, in the multi-gas sensor, the ratio of ammonia in the measurement gas is larger than the ratio of NOx in the measurement gas, and the performance of the ammonia sensor unit is deteriorated under the condition that NOx does not significantly affect the detection of ammonia. The presence or absence or degree can be determined.
それ故、前記一態様のマルチガスセンサによれば、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを適切に判定することができる。 Therefore, according to the multi-gas sensor of the above aspect, it is possible to appropriately determine the presence or absence or degree of performance deterioration of the ammonia sensor unit.
なお、認定時における推定アンモニア濃度を示す補正前NOx濃度は、純粋なアンモニア濃度を示すのではなく、NOx濃度が加算されたアンモニア濃度を示すことになる。しかし、認定時における補正前NOx濃度は、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度以上高い場合のものであり、認定時における実際のNOx濃度は、低くかつ推定アンモニア濃度の誤差範囲内に含まれる。 Note that the pre-correction NOx concentration indicating the estimated ammonia concentration at the time of certification does not indicate a pure ammonia concentration, but indicates an ammonia concentration obtained by adding the NOx concentration. However, the NOx concentration before correction at the time of certification is that when the ammonia concentration is higher than the NOx concentration by a predetermined concentration or more, and the actual NOx concentration at the time of certification is low and included in the error range of the estimated ammonia concentration.
(他の態様のマルチガスセンサ)
前記他の態様のマルチガスセンサにおいては、アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する代わりに、アンモニアセンサ部に生じた性能劣化量に応じて、アンモニアセンサ部によって算出されるアンモニア濃度を補正する。
(Multi-gas sensor of other embodiment)
In the multi-gas sensor according to the other aspect, instead of determining the presence or absence or degree of performance degradation of the ammonia sensor unit, the ammonia concentration calculated by the ammonia sensor unit is corrected according to the performance degradation amount generated in the ammonia sensor unit. To do.
前記他の態様のマルチガスセンサによれば、前記一態様のマルチガスセンサの場合と同様にして、NOxがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニアセンサ部の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができる。 According to the multi-gas sensor of the other aspect, in the same manner as the multi-gas sensor of the one aspect, the performance degradation amount of the ammonia sensor part is taken into account under the condition that NOx does not greatly affect the detection of ammonia. The ammonia concentration can be corrected.
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 Note that the reference numerals in parentheses of the constituent elements shown in one embodiment of the present invention indicate the correspondence with the reference numerals in the drawings in the embodiment, but the constituent elements are not limited only to the contents of the embodiments.
前述したマルチガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態のマルチガスセンサ1は、図1〜図4に示すように、アンモニアセンサ部11、NOxセンサ部12、認定部61及び劣化判定部62を備える。アンモニアセンサ部11は、酸素イオンの伝導性を有する第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21を介して配置されたアンモニア電極(検出電極)22及び第1基準電極23とを有する。アンモニアセンサ部11は、アンモニア電極22と第1基準電極23との間に生じる電位差ΔVを検出し、電位差ΔVに基づいて測定ガスGにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。
A preferred embodiment of the multi-gas sensor described above will be described with reference to the drawings.
<
As shown in FIGS. 1 to 4, the
NOxセンサ部12は、酸素イオンの伝導性を有する第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31を介して配置されたNOx電極32及び第2基準電極34Aと、NOx電極32を収容するとともに拡散抵抗部351を介して測定ガスGが導入される測定ガス室35とを有する。NOxセンサ部12は、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に電圧が印加された状態において、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に生じる電流を検出し、この電流に基づいて測定ガスGにおける補正前NOx濃度を算出し、補正前NOx濃度からアンモニア濃度を差し引いてNOx濃度(補正後NOx濃度)を算出するよう構成されている。
The
図5に示すように、認定部61は、アンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度がNOxセンサ部12による補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合を、認定時として認定するよう構成されている。劣化判定部62は、認定部61が認定時を認定した場合において、NOxセンサ部12による補正前NOx濃度が、NOx電極32に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度とを比較して、アンモニアセンサ部11の性能劣化の有無又は度合いを判定するよう構成されている。
As shown in FIG. 5, the
NOxセンサ部12によるNOx濃度は、2種類あるものとする。NOxセンサ部12に生じる電流に基づくNOx濃度を補正前NOx濃度とする。補正前NOx濃度においては、NOx電極32において反応するアンモニアによるアンモニア濃度が含まれる。一方、NOxセンサ部12による補正前NOx濃度からアンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度を差し引いた濃度を、補正後NOx濃度とする。補正後NOx濃度は、アンモニアによる影響が除外されたNOx濃度を示す。アンモニア濃度とNOx濃度とが比較される場合には、補正後NOx濃度が用いられる。
There are two types of NOx concentration by the
以下に、本形態のマルチガスセンサ1について詳説する。
(マルチガスセンサ1)
図1に示すように、本形態のマルチガスセンサ1は、電位差式としての混成電位式のものである。このマルチガスセンサ1においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の測定ガスGにおけるアンモニアの濃度を検出する。本形態のアンモニアセンサ部11は、アンモニア電極22における、酸素の電気化学的還元反応(以下、単に還元反応という。)による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応(以下、単に酸化反応という。)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と第1基準電極23との間の電位差ΔVを検出するよう構成されている。
Hereinafter, the
(Multi gas sensor 1)
As shown in FIG. 1, the
図6に示すように、マルチガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)7の排気管71において、NOxを還元する触媒72から流出するアンモニアの濃度を検出するものである。測定ガスGは、内燃機関7から排気管71へ排気された排ガスである。排ガスの組成は、内燃機関7における燃焼状態によって変化する。内燃機関7における、空気と燃料との質量比である空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リッチな状態にあるときには、排ガスの組成においては、未燃ガスに含まれるHC(炭化水素)、CO(一酸化炭素)、H2(水素)等の割合が多くなる一方、NOxの割合が少なくなる。内燃機関7における空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リーンな状態にあるときには、排ガスの組成においては、HC、CO等の割合が少なくなる一方、NOxの割合が多くなる。また、燃料リッチな状態においては、測定ガスGに酸素(空気)がほとんど含まれず、燃料リーンな状態においては、測定ガスGに酸素(空気)がより多く含まれる。
As shown in FIG. 6, the
(触媒72)
同図に示すように、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ガスを排気管71へ供給するものである。アンモニアガスは、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。
(Catalyst 72)
As shown in the figure, the
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。また、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)に還元する選択式還元触媒(SCR)である。
The
なお、図示は省略するが、排気管71における、触媒72の上流側位置には、NOのNO2への変換(酸化)、CO、HC(炭化水素)等の低減を行う酸化触媒(DOC)、微粒子を捕集するフィルタ(DPF)等が配置されていてもよい。
Although not shown, an oxidation catalyst (DOC) that converts NO into NO 2 (oxidation), reduces CO, HC (hydrocarbon), etc., is located upstream of the
(マルチガスセンサ1)
図6に示すように、本形態のマルチガスセンサ1は、排気管71における、触媒72よりも下流側位置に配置される。なお、排気管71に配置されるのは、厳密には、マルチガスセンサ1のセンサ素子10及びセンサ素子10を保持するセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをマルチガスセンサ1ということがある。
(Multi gas sensor 1)
As shown in FIG. 6, the
本形態のマルチガスセンサ1は、アンモニア濃度の検出だけでなく、酸素濃度及びNOx濃度の検出も可能なマルチガスセンサ1(複合センサ)として形成されている。そして、酸素濃度は、アンモニア濃度を補正するために使用される。また、マルチガスセンサ1によるアンモニア濃度及びNOx濃度は、内燃機関7の制御装置としてのエンジン制御ユニット(ECU)50によって、還元剤供給装置73から排気管71へ還元剤Kとしてのアンモニアを供給する時期を決定するために使用される。
The
なお、制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット(ECU)50、マルチガスセンサ1を制御するセンサ制御ユニット(SCU)5の他、種々の電子制御ユニットがある。制御装置とは、種々のコンピュータ(処理装置)のことをいう。
The control device includes an engine control unit (ECU) 50 that controls the engine, a sensor control unit (SCU) 5 that controls the
エンジン制御ユニット50は、マルチガスセンサ1によって、測定ガスG中にNOxが存在することが検出されるときには、触媒72においてアンモニアが不足していると検知し、還元剤供給装置73から尿素水を噴射し、触媒72へアンモニアを供給するよう構成されている。一方、エンジン制御ユニット50は、マルチガスセンサ1によって、測定ガスG中にアンモニアが存在することが検出されるときには、触媒72においてアンモニアが過剰に存在していると検知し、還元剤供給装置73からの尿素水の噴射を停止し、触媒72へのアンモニアの供給を停止するよう構成されている。触媒72においては、NOxを還元するためのアンモニアが過不足なく供給されることが好ましい。
When the
(触媒出口721のアンモニア濃度とNOx濃度との関係)
エンジン制御ユニット50によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒72の下流側位置(触媒出口721)及びマルチガスセンサ1の配置位置に存在する測定ガスGのNOx及びアンモニアの濃度領域においては、NOxがアンモニアによって適切に還元される状態と、NOxの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
(Relationship between ammonia concentration at
When the supply of ammonia by the
より具体的には、図7に示すように、エンジン制御ユニット50においては、アンモニア(NH3)濃度とNOx濃度との関係を示す濃度領域は、NOx濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度(第1濃度差Δn1)以上高い第1濃度領域N1と、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度(第2濃度差Δn2)以上高い第3濃度領域N3と、第1濃度領域N1と第3濃度領域N3との間の第2濃度領域N2とに区分される。この濃度領域は、マルチガスセンサ1によって検出されるNOx濃度(補正後NOx濃度)とアンモニア濃度とを比較し、測定ガスGにおいていずれの濃度が高いかを示すものである。
More specifically, as shown in FIG. 7, in the
ここで、NOx濃度がアンモニア濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、NOx濃度がアンモニア濃度よりも高く、かつNOx濃度とアンモニア濃度との差が第1濃度差Δn1以上である場合を示す。また、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度以上高い場合とは、アンモニア濃度がNOx濃度よりも高く、かつアンモニア濃度とNOx濃度との差が第2濃度差Δn2以上である場合を示す。 Here, the case where the NOx concentration is higher than the ammonia concentration by a predetermined concentration or more indicates a case where the NOx concentration is higher than the ammonia concentration and the difference between the NOx concentration and the ammonia concentration is the first concentration difference Δn1 or more. The case where the ammonia concentration is higher than the NOx concentration by a predetermined concentration or more indicates a case where the ammonia concentration is higher than the NOx concentration and the difference between the ammonia concentration and the NOx concentration is the second concentration difference Δn2 or more.
同図において、NOx濃度が高い第1濃度領域N1においては、測定ガスG中にアンモニアが少量存在し、アンモニア濃度が高い第3濃度領域N3においては、測定ガスG中にNOxが少量存在すると仮定している。触媒72におけるNOxの還元反応がより適切に行われる場合には、第1濃度領域N1においては、アンモニアがほとんど存在せず、第3濃度領域N3においては、NOxがほとんど存在しなくなる状態が形成されると考えられる。
In the figure, it is assumed that a small amount of ammonia exists in the measurement gas G in the first concentration region N1 where the NOx concentration is high, and a small amount of NOx exists in the measurement gas G in the third concentration region N3 where the ammonia concentration is high. doing. When the reduction reaction of NOx in the
濃度領域の区分において、アンモニア濃度及びNOx濃度は、いずれも体積%(ppm)で表されることとする。濃度領域を区分する際のアンモニア濃度は、酸素濃度に応じて補正したアンモニア濃度とすることができる。エンジン制御ユニット50は、アンモニア濃度とNOx濃度との関係が、第2濃度領域N2内になるよう、還元剤供給装置73から触媒72へ供給する還元剤Kの量を調整するよう構成することができる。
In the concentration region section, the ammonia concentration and the NOx concentration are both expressed by volume% (ppm). The ammonia concentration at the time of classifying the concentration region can be an ammonia concentration corrected according to the oxygen concentration. The
第1濃度領域N1と第2濃度領域N2とを区分する所定濃度としての、NOx濃度とアンモニア濃度との第1濃度差Δn1は、10〜50ppmとすることができる。そして、NOx濃度がアンモニア濃度よりも10〜50ppm以上高い場合に、アンモニア濃度とNOx濃度との関係が第1濃度領域N1にあると判定することができる。第1濃度差Δn1は、マルチガスセンサ1の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
The first concentration difference Δn1 between the NOx concentration and the ammonia concentration as a predetermined concentration for distinguishing the first concentration region N1 and the second concentration region N2 can be 10 to 50 ppm. When the NOx concentration is higher than the ammonia concentration by 10 to 50 ppm or more, it can be determined that the relationship between the ammonia concentration and the NOx concentration is in the first concentration region N1. The first concentration difference Δn1 can be changed as appropriate according to the specifications of the
また、第2濃度領域N2と第3濃度領域N3とを区分する所定濃度としての、アンモニア濃度とNOx濃度との第2濃度差Δn2は、50〜100ppmとすることができる。そして、アンモニア濃度がNOx濃度よりも50〜100ppm以上高い場合に、アンモニア濃度とNOx濃度との関係が第3濃度領域N3にあると判定することができる。第2濃度差Δn2は、マルチガスセンサ1の仕様、搭載環境等に応じて、適宜変更することができる。
Further, the second concentration difference Δn2 between the ammonia concentration and the NOx concentration as a predetermined concentration for distinguishing the second concentration region N2 and the third concentration region N3 can be set to 50 to 100 ppm. When the ammonia concentration is 50 to 100 ppm or more higher than the NOx concentration, it can be determined that the relationship between the ammonia concentration and the NOx concentration is in the third concentration region N3. The second concentration difference Δn2 can be appropriately changed according to the specifications of the
マルチガスセンサ1は、還元剤供給装置73が、後述するアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度と後述するNOx濃度算出部57によるNOx濃度(補正後NOx濃度)とが第2濃度領域N2内になるよう、触媒72への還元剤Kの供給量を調整するために用いられる。エンジン制御ユニット50は、マルチガスセンサ1によるアンモニア濃度とNOx濃度との関係が、第2濃度領域N2内になるよう、還元剤供給装置73から触媒72への還元剤Kの供給量を調整するよう構成されている。マルチガスセンサ1を用いることにより、アンモニア濃度とNOx濃度とを監視して触媒72への還元剤Kの供給量を決定することができ、触媒72におけるNOxの還元反応を、アンモニアの流出を抑えつつ、より最適に行うことができる。
In the
図示は省略するが、マルチガスセンサ1は、アンモニア濃度及びNOx濃度を検出するためのセンサ素子10と、センサ素子10を保持して排気管71に取り付けるためのハウジングと、ハウジングの先端側に取り付けられてセンサ素子10を保護する先端側カバーと、ハウジングの基端側に取り付けられてセンサ素子10の電気配線部分を保護する基端側カバーとを備える。図1及び図2に示すように、センサ素子10は、後述するアンモニア素子部2及び後述するNOx素子部3に対して、後述するヒータ部4を積層して形成されている。
Although not shown, the
(アンモニアセンサ部11)
アンモニアセンサ部11は、機械的構成部位であるアンモニア素子部2と、電気的構成部位である電位差検出部51及びアンモニア濃度算出部52とによって構成されている。アンモニア素子部2は、第1固体電解質体21、アンモニア電極22及び第1基準電極23を有する。
(Ammonia sensor unit 11)
The
(アンモニア素子部2)
第1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、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。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ることができる。
(Ammonia element part 2)
The first
アンモニア電極22は、第1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測定ガスGに晒される第1表面211に設けられている。第1基準電極23は、第1固体電解質体21における、第1表面211とは反対側の第2表面212に設けられている。第2表面212及び第2表面212に設けられた第1基準電極23は、基準ガスAとしての大気に晒されている。第1固体電解質体21の第2表面212には、大気が導入される基準ガスダクト24が隣接して形成されている。
The
アンモニア電極22は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する金(Au)、白金−金合金、白金−パラジウム合金、パラジウム−金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。第1基準電極23は、酸素に対する触媒活性を有する白金(Pt)等の貴金属材料を用いて構成されている。また、アンモニア電極22及び第1基準電極23は、第1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てもよい。
The
図1及び図2に示すように、第1固体電解質体21の、測定ガスGに晒される第1表面211は、マルチガスセンサ1のセンサ素子10における最も外側の表面を形成する。そして、第1表面211に設けられたアンモニア電極22には、測定ガスGが接触しやすい状態が形成されている。本形態のアンモニア電極22の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そして、アンモニア電極22には、測定ガスGが拡散律速されずに接触する。なお、アンモニア電極22の表面には、測定ガスGの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第1固体電解質体21の第2表面212及び第2表面212に設けられた第1基準電極23は、基準ガスAとしての大気に晒されている。第1固体電解質体21の第2表面212には、大気が導入される基準ガスダクト(大気ダクト)24が隣接して形成されている。
The
(電位差検出部51)
図1に示すように、本形態の電位差検出部51は、アンモニア電極22に混成電位が生じたときのアンモニア電極22と第1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においては、アンモニア電極22に接触する測定ガスG中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、2NH3+3O2-→N2+3H2O+6e-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、O2+4e-→2O2-によって表される。そして、アンモニア電極22における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、アンモニア電極22における、アンモニアの酸化反応(速度)と酸素の還元反応(速度)とが等しくなるときの電位として生じる。
(Potential difference detector 51)
As shown in FIG. 1, the potential
図8は、アンモニア電極22において生じる混成電位を説明するための図である。同図においては、横軸に、第1基準電極23に対するアンモニア電極22の電位(電位差ΔV)をとり、縦軸に、アンモニア電極22と第1基準電極23との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、同図においては、アンモニア電極22においてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第1ラインL1と、アンモニア電極22において酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第2ラインL2とを示す。第1ラインL1及び第2ラインL2は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。
FIG. 8 is a diagram for explaining the mixed potential generated in the
電位(電位差ΔV)が0(ゼロ)の場合は、アンモニア電極22の電位が第1基準電極23の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第1ラインL1上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第2ラインL2上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、アンモニア電極22における混成電位は、第1基準電極23に対してマイナス側の電位として検出される。
When the potential (potential difference ΔV) is 0 (zero), it indicates that the potential of the
また、図9に示すように、測定ガスGにおけるアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第1ラインL1の傾きθaが急になる。このとき、第1ラインL1上のプラス側の電流と、第2ラインL2上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニア濃度が高くなるほど、第1基準電極23に対するアンモニア電極22の電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニア濃度が高くなるほど、アンモニア電極22と第1基準電極23との電位差(混成電位)ΔVが大きくなる。そのため、アンモニア濃度が高くなるほど電位差ΔVが大きくなり、電位差ΔVを検出することにより、測定ガスGにおけるアンモニア濃度を検出することが可能になる。
As shown in FIG. 9, when the ammonia concentration in the measurement gas G increases, the slope θa of the first line L1 indicating the oxidation reaction of ammonia becomes steep. At this time, the potential at which the plus current on the first line L1 and the minus current on the second line L2 are balanced shifts further to the minus side. Thereby, as the ammonia concentration increases, the potential of the
また、図10に示すように、測定ガスGにおける酸素濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第2ラインL2の傾きθsが急になる。このとき、第1ラインL1上のプラス側の電流と、第2ラインL2上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素濃度が高くなるほど、第1基準電極23に対するアンモニア電極22のマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素濃度が高くなるほど、アンモニア電極22と第1基準電極23との電位差(混成電位)ΔVが小さくなる。そのため、酸素濃度が高くなるほど、電位差ΔV又はアンモニア濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。
As shown in FIG. 10, when the oxygen concentration in the measurement gas G increases, the slope θs of the second line L2 indicating the oxygen reduction reaction becomes steep. At this time, the potential at which the plus current on the first line L1 and the minus current on the second line L2 are balanced shifts to a position closer to zero on the minus side. Thereby, the higher the oxygen concentration, the smaller the negative potential of the
(アンモニア濃度算出部52)
図1に示すように、アンモニア濃度算出部52は、電位差検出部51による電位差ΔVに基づいて、測定ガスGにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。アンモニア濃度算出部52は、測定ガスGにおけるアンモニア濃度を算出するに当たり、後述する酸素濃度算出部55によって酸素濃度を算出し、算出した酸素濃度における電位差ΔVを、電位差ΔVと酸素補正後のアンモニア濃度との関係マップM1に照合して、酸素補正後のアンモニア濃度C1を算出するように構成されている。
(Ammonia concentration calculator 52)
As shown in FIG. 1, the ammonia
図11は、混成電位式のアンモニア素子部2において、測定ガスGにおけるアンモニア濃度の変化に応じて検出される、電位差検出部51によるアンモニア電極22と第1基準電極23との間の電位差(混成電位)ΔVが、酸素濃度の影響を受けて変化することを示す。同図に示すように、電位差検出部51によって検出される電位差(混成電位)ΔVは、酸素濃度が高くなるほど小さく検出される(マイナス側のゼロに近い位置で検出される)。この理由は、図10における傾きθsによって説明したとおりである。
FIG. 11 shows a potential difference (hybridization) between the
図12に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部52においては、測定ガスGにおける酸素濃度をパラメータとして、電位差検出部51による電位差ΔVと、酸素濃度に応じた補正が行われた酸素補正後のアンモニア濃度C1との関係を示す関係マップM1が設定されている。この関係マップM1は、酸素濃度が所定の値にあるときの電位差ΔVと酸素補正後のアンモニア濃度C1との関係として作成されている。アンモニア濃度算出部52は、測定ガスGにおける酸素濃度及び電位差検出部51による電位差ΔVを関係マップM1に照合して、測定ガスGにおける酸素補正後のアンモニア濃度C1を算出するよう構成されている。
As shown in FIG. 12, in the ammonia
より具体的には、アンモニア濃度算出部52は、酸素濃度算出部55による酸素濃度と、電位差検出部51による電位差ΔVとを、関係マップM1の酸素濃度及び電位差ΔVにそれぞれ照合する。そして、関係マップM1から、電位差ΔVのときの酸素補正後のアンモニア濃度C1を読み取る。そして、アンモニア濃度算出部52は、酸素濃度が高いほど、酸素補正後のアンモニア濃度C1が高くなるように補正する。こうして、酸素補正後のアンモニア濃度C1は、酸素濃度に応じて補正された、マルチガスセンサ1から出力されるアンモニア出力濃度となる。なお、関係マップM1においては、電位差ΔVを、酸素補正前のアンモニア濃度C0としてもよい。
More specifically, the ammonia
同図においては、測定ガスG中の酸素濃度が、例えば、5[体積%]、10[体積%]、20[体積%]である場合の関係マップM1を示す。この関係マップM1を用いることにより、酸素濃度に応じたアンモニア濃度C1又は電位差ΔVの補正を容易にすることができる。電位差ΔVと酸素補正後のアンモニア濃度C1との関係マップM1は、マルチガスセンサ1の試作・実験時等において求めておくことができる。
In the same figure, the relationship map M1 when the oxygen concentration in the measurement gas G is, for example, 5 [volume%], 10 [volume%], and 20 [volume%] is shown. By using this relationship map M1, it is possible to easily correct the ammonia concentration C1 or the potential difference ΔV according to the oxygen concentration. The relationship map M1 between the potential difference ΔV and the ammonia concentration C1 after oxygen correction can be obtained in the trial production / experiment of the
また、図12の関係マップM1は、アンモニア電極22の温度ごとに設定することができる。そして、アンモニア電極22の温度の違いを反映して、酸素濃度に応じた酸素補正後のアンモニア濃度C1を算出することができる。また、関係マップM1から算出された酸素補正後のアンモニア濃度C1を、アンモニア電極22の温度に応じて定められた温度補正係数を用いて補正することもできる。
12 can be set for each temperature of the
なお、アンモニア濃度算出部52は、酸素濃度及びNOx濃度に基づいてアンモニア濃度を算出するよう構成することもできる。後述するNOx素子部3におけるNOx電極32は、NOxに対する触媒活性を有するだけでなく、アンモニアに対する触媒活性も有する。そのため、アンモニア濃度は、NOx電極32において、NOx濃度として検出することが可能である。これにより、アンモニア濃度算出部52においては、アンモニア濃度とNOx濃度とを比較して、アンモニア濃度がより正しい値を示すよう補正することができる。
The ammonia
電位差検出部51及びアンモニア濃度算出部52は、マルチガスセンサ1に電気接続されたセンサ制御ユニット5(SCU)内に形成されている。電位差検出部51は、アンモニア電極22と第1基準電極23との電位差ΔVを測定するアンプ等を用いて形成されている。アンモニア濃度算出部52は、コンピュータ等を用いて形成されている。また、センサ制御ユニット5は、内燃機関7のエンジン制御ユニット(ECU)50に接続されており、エンジン制御ユニット50による、内燃機関7、還元剤供給装置73等の動作の制御に利用される。
The
(NOxセンサ部12)
図1に示すように、NOxセンサ部12は、機械的構成部位であるNOx素子部3と、電気的構成部位であるポンピング部53、ポンプ電流検出部54、酸素濃度算出部55、NOx検出部56及びNOx濃度算出部57とによって構成されている。NOx素子部3は、第2固体電解質体31、NOx電極32、第2基準電極34A、ポンプ電極33及び第3基準電極34Bを有する。NOx素子部3は、第2固体電解質体31、NOx電極32及び第2基準電極34A、測定ガス室35の他に、第2固体電解質体31を介して配置されたポンプ電極33及び第3基準電極34Bを更に有する。
(NOx sensor unit 12)
As shown in FIG. 1, the
NOx素子部3には、NOx素子部3及びアンモニア素子部2を加熱するヒータ部4が積層されている。NOxセンサ部12は、NOx濃度を検出する機能の他に、酸素濃度を検出する機能も備える。具体的には、NOxセンサ部12は、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に電圧を印加して、ポンプ電極33が収容された測定ガス室35における酸素を汲み出すとともに、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に流れる電流に基づいて測定ガスGにおける酸素濃度を算出するようにも構成されている。
In the
(NOx素子部3)
NOx素子部3は、第2固体電解質体31、測定ガス室35、拡散抵抗部351、ポンプ電極33、NOx電極32、第2基準電極34A及び第3基準電極34Bを有する。第2固体電解質体31は、第1固体電解質体21に対向して配置されている。第2固体電解質体31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。このジルコニア材料は、第1固体電解質体21の場合と同様である。
(NOx element part 3)
The
図1、図2及び図4に示すように、測定ガス室35は、第2固体電解質体31の第3表面311に接して形成されている。測定ガス室35は、ガス室用絶縁体36によって形成されている。ガス室用絶縁体36は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部351は、多孔質のセラミックス層として形成されており、測定ガス室35へ拡散速度を制限して測定ガスGを導入するための部分である。
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the
ポンプ電極33は、第3表面311における測定ガス室35内に収容されており、測定ガス室35内の測定ガスGに晒される。NOx電極32は、第3表面311における測定ガス室35内に収容されており、ポンプ電極33によって酸素濃度が調整された後の測定ガスGに晒される。第3基準電極34Bは、第2固体電解質体31における、第3表面311とは反対側の第4表面312に設けられている。
The
ポンプ電極33は、酸素に対する触媒活性を有する白金−金合金等の貴金属材料を用いて構成されている。NOx電極32は、NOx及び酸素に対する触媒活性を有する白金−ロジウム合金等の貴金属材料を用いて構成されている。第2基準電極34A及び第3基準電極34Bは、酸素に対する触媒活性を有する白金等の貴金属材料を用いて構成されている。また、ポンプ電極33、NOx電極32、第2基準電極34A及び第3基準電極34Bは、第2固体電解質体31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てもよい。
The
本形態の第2基準電極34Aは、第2固体電解質体31を介してNOx電極32と対向する位置に設けられており、本形態の第3基準電極34Bは、第2固体電解質体31を介してポンプ電極33と対向する位置に設けられている。なお、第2基準電極34A及び第3基準電極34Bは、ポンプ電極33及びNOx電極32と対向する位置の全体に1つ設けられていてもよい。
The
図1〜図3に示すように、第2固体電解質体31の第4表面312及び第4表面312に設けられた第2基準電極34A及び第3基準電極34Bは、基準ガスAとしての大気に晒されている。第1固体電解質体21と第2固体電解質体31とは、基準ガスダクト24を形成するダクト用絶縁体25を介して積層されている。ダクト用絶縁体25は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the second reference electrode 34 </ b> A and the third reference electrode 34 </ b> B provided on the
基準ガスダクト24は、第1固体電解質体21の第2表面212及び第1基準電極23と、第2固体電解質体31の第4表面312、第2基準電極34A及び第3基準電極34Bとに大気を接触させる状態で形成されている。第1基準電極23、第2基準電極34A及び第3基準電極34Bは、基準ガスダクト24内に収容されている。基準ガスダクト24は、センサ素子10の基端から測定ガス室35に対向する位置まで形成されている。
The
マルチガスセンサ1の基端側カバー内に導入された基準ガスAは、基準ガスダクト24の基端側の開口部から基準ガスダクト24内に導入される。本形態のセンサ素子10は、第1固体電解質体21と第2固体電解質体31との間に基準ガスダクト24を有することにより、第1〜第3基準電極23,34A,34Bの全体をまとめて大気に接触させることができる。
The reference gas A introduced into the base end side cover of the
(ヒータ部4)
図1及び図2に示すように、第2固体電解質体31の、第1固体電解質体21が積層された側とは反対側には、NOx素子部3及びアンモニア素子部2を加熱するヒータ部4が積層されている。ヒータ部4は、通電によって発熱する発熱体41と、発熱体41を埋設するヒータ用絶縁体42とによって形成されている。ヒータ用絶縁体42は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
(Heater part 4)
As shown in FIGS. 1 and 2, on the side of the second
発熱体41は、発熱部と、発熱部に繋がるリード部とによって形成されており、発熱部が各電極22,23,32,33,34A,34Bに対向する位置に形成されている。発熱体41には、発熱体41に通電を行うための通電制御部58が接続されている。通電制御部58は、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。通電制御部58は、センサ制御ユニット5内に形成されている。
The
通電制御部58による発熱体41の通電量を制御する際には、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に交流電圧を印加したときのインピーダンスを測定し、このインピーダンスが目標とする値になるように通電量を調整することができる。これにより、アンモニア素子部2及びNOx素子部3の温度が目標とする温度になるようにする。なお、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間のインピーダンスと、アンモニア電極22等の温度との関係は、関係マップとして求めておく。また、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間のインピーダンスを測定する代わりに、発熱体41のインピーダンス又はアンモニア電極22と基準電極との間のインピーダンスを測定することもできる。
When controlling the energization amount of the
アンモニア素子部2及びNOx素子部3は、通電制御部58によるインピーダンス制御が行われる、同じ発熱体41によって加熱される。そのため、仮に、アンモニア電極22の温度及びNOx電極32の温度に、通電制御部58によるインピーダンス制御を行う際の変動が生じた場合であっても、アンモニア電極22の温度及びNOx電極32の温度が同様の変動を受ける。そのため、NOx濃度算出部57による推定アンモニア濃度と、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度との間に、温度の変動に伴う濃度誤差が生じにくくすることができる。
The
アンモニア素子部2とヒータ部4との距離は、NOx素子部3とヒータ部4との距離よりも大きい。そして、ヒータ部4によってNOx素子部3を加熱する温度に比べて、ヒータ部4によってアンモニア素子部2を加熱する温度は低い。NOx素子部3のポンプ電極33及びNOx電極32は、600〜900℃の温度において使用され、アンモニア素子部2のアンモニア電極22は、400〜600℃の温度において使用される。アンモニア電極22の温度は、ヒータ部4の加熱によって、400〜600℃の温度範囲内のいずれかの温度を目標として制御される。
The distance between the
また、NOx素子部3とアンモニア素子部2との間に基準ガスダクト24が形成されていることにより、ヒータ部4によってNOx素子部3及びアンモニア素子部2を加熱する際に、基準ガスダクト24を断熱層として作用させることができる。これにより、NOx素子部3のポンプ電極33及びNOx電極32の温度に比べて、アンモニア素子部2のアンモニア電極22の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部58による通電制御を行うことにより、NOx素子部3及びアンモニア素子部2の温度を目標とする温度に制御する。
In addition, since the
(ポンピング部53、ポンプ電流検出部54及び酸素濃度算出部55)
図1に示すように、ポンピング部53は、第3基準電極34Bをプラス側として、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に直流電圧を印加して、測定ガス室35内の測定ガスGにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極33に接触する、測定ガス室35内の測定ガスGにおける酸素が、酸素イオンとなって第2固体電解質体31を第3基準電極34Bに向けて通過し、第3基準電極34Bから基準ガスダクト24へと排出される。これにより、測定ガス室35内の酸素濃度が、NOxの検出に適した濃度に調整される。
(Pumping
As shown in FIG. 1, the
ポンプ電流検出部54は、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部55は、ポンプ電流検出部54によって検出された直流電流に基づいて、測定ガスGにおける酸素濃度を算出するよう構成されている。ポンプ電流検出部54においては、ポンピング部53によって測定ガス室35内から基準ガスダクト24へ排出される酸素の量に比例した直流電流が検出される。
The pump
また、ポンピング部53は、測定ガス室35内の測定ガスGにおける酸素濃度が所定の濃度になるまで、測定ガス室35内から基準ガスダクト24へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部55は、ポンプ電流検出部54によって検出される直流電流を監視することにより、アンモニア素子部2及びNOx素子部3に到達する測定ガスGにおける酸素濃度を算出することができる。
Further, the
酸素濃度算出部55によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度を補正するための酸素濃度として利用される。
The oxygen concentration calculated by the oxygen
(NOx検出部56及びNOx濃度算出部57)
図1に示すように、NOx検出部56は、第2基準電極34Aをプラス側としてNOx電極32と第2基準電極34Aとの間に直流電圧を印加して、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。NOx濃度算出部57は、NOx検出部56によって検出される直流電流に基づいて、測定ガスGにおける補正前NOx濃度を算出し、補正前NOx濃度からアンモニア濃度を差し引いて補正後NOx濃度を算出するよう構成されている。NOx検出部56においては、NOxだけでなくアンモニアも検出される。そのため、NOx濃度算出部57においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のNOxの検出量が得られる。
(
As shown in FIG. 1, the
NOx電極32には、ポンプ電極33によって酸素濃度が調整された後の測定ガスGが接触する。そして、NOx検出部56においては、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に直流電圧が印加されるときには、NOx電極32に接触する、測定ガス室35内の測定ガスGにおけるNOxが窒素と酸素に分解され、酸素が酸素イオンとなって第2固体電解質体31を第2基準電極34Aに向けて通過し、第2基準電極34Aから基準ガスダクト24へと排出される。また、NOx検出部56にアンモニアが到達するときには、アンモニアが酸化されて生成されたNOxも同様に窒素と酸素に分解される。そして、NOx濃度算出部57は、NOx検出部56によって検出される直流電流を監視することにより、NOx素子部3に到達する測定ガスGにおける補正前NOx濃度を算出し、補正前NOx濃度からアンモニア濃度を差し引いて補正後NOx濃度を算出する。
The measurement gas G after the oxygen concentration is adjusted by the
また、マルチガスセンサ1におけるNOxセンサ部12は、いわゆる限界電流式のセンサとして機能する。すなわち、NOxセンサ部12は、拡散抵抗部351によって測定ガス室35への測定ガスGの流れが制限される際に、限界電流特性を示すための直流電圧を印加したときに、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に生じる直流電流を検出するものである。
The
ポンピング部53、ポンプ電流検出部54及びNOx検出部56は、アンプ等を用いてセンサ制御ユニット5内に形成されている。酸素濃度算出部55及びNOx濃度算出部57は、コンピュータ等を用いてセンサ制御ユニット5内に形成されている。
The
なお、図1においては、便宜的に、電位差検出部51、ポンピング部53、ポンプ電流検出部54及びNOx検出部56を、センサ制御ユニット5と区別して記載する。実際には、これらは、センサ制御ユニット5内に構築されている。
In FIG. 1, for the sake of convenience, the potential
図7において、触媒出口721のアンモニア濃度とNOx濃度との関係を示す濃度領域におけるNOx濃度は、NOx濃度算出部57によって算出される補正後NOx濃度とすることができる。また、この濃度領域におけるアンモニア濃度は、アンモニア濃度算出部52によって算出されるアンモニア濃度とすることができる。
In FIG. 7, the NOx concentration in the concentration region indicating the relationship between the ammonia concentration at the
マルチガスセンサ1によれば、アンモニア濃度及びNOx濃度を検出するためのガスセンサの使用数を減らすことができる。また、NOx濃度を検出するために使用されるポンプ電極33及びポンピング部53を利用して、ポンプ電流検出部54及び酸素濃度算出部55によって酸素濃度を検出することができる。
According to the
(認定部61)
図5及び図7に示すように、認定部61は、アンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度と、NOxセンサ部12による補正後NOx濃度とを比較して、アンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度がNOxセンサ部12による補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合を、認定時として認定する。この場合において、アンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度は、酸素濃度算出部55による酸素濃度に応じて補正を行った、酸素補正後のアンモニア濃度C1とすることができる。
(Authorization Department 61)
5 and 7, the
認定時における推定アンモニア濃度を示す補正前NOx濃度は、純粋なアンモニア濃度を示すのではなく、NOx濃度が加算されたアンモニア濃度を示すことになる。しかし、認定時における補正前NOx濃度は、アンモニア濃度がNOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合のものであり、認定時における実際のNOx濃度は、低くかつ推定アンモニア濃度の誤差範囲内に含まれる。 The pre-correction NOx concentration indicating the estimated ammonia concentration at the time of certification does not indicate a pure ammonia concentration, but indicates an ammonia concentration obtained by adding the NOx concentration. However, the NOx concentration before correction at the time of certification is that when the ammonia concentration is higher than the NOx concentration by a predetermined concentration Δn2 or more, and the actual NOx concentration at the time of certification is low and included in the error range of the estimated ammonia concentration. .
(劣化判定部62)
劣化判定部62は、認定部61が認定時を認定した場合を条件として、アンモニアセンサ部11の性能劣化の有無又は度合いを判定する判定時期を決定することができる。判定時期は、例えば、車両の走行距離が所定の設定距離以上になり、かつ認定時が認定された場合とすることができる。そして、車両の走行距離が設定距離になるごとに、判定時期が決定される。
(Deterioration determination unit 62)
The
劣化判定部62は、NOxセンサ部12による推定アンモニア濃度からアンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度を差し引いた差分値が、所定値を超えたときに、アンモニアセンサ部11に性能劣化が生じたと判定することができる。この所定値は、アンモニアセンサ部11及びNOxセンサ部12における検出精度を考慮して、決定することができる。
The
劣化判定部62は、アンモニアセンサ部11の性能劣化の度合いである性能劣化量を算出するよう構成することもできる。NOxセンサ部12による推定アンモニア濃度からアンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度を差し引いた差分値に基づいて性能劣化量を求めることができる。性能劣化量Rは、推定アンモニア濃度をD、酸素補正後のアンモニア濃度をC1としたとき、R=(D−C1)/D×100[%]として求めることができる。
The
混成電位式のマルチガスセンサ1のアンモニア素子部2においては、アンモニア電極22が測定ガスGに直接晒されており、アンモニア電極22が被毒物質によって被毒しやすい環境にある。そして、アンモニア電極22が被毒すると、特に、アンモニア電極22におけるアンモニアの酸化反応を示す触媒性能が劣化する。また、アンモニア電極22の被毒によって、アンモニア電極22における酸素の還元反応を示す触媒性能も劣化する。アンモニアセンサ部11の性能劣化の多くはアンモニア電極22の性能劣化であると考えられる。
In the
(アンモニア出力濃度及びNOx出力濃度)
マルチガスセンサ1から出力するアンモニア出力濃度は、酸素濃度算出部55の酸素濃度を用いて補正された、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度とする。また、アンモニア出力濃度は、酸素濃度を用いて補正するだけでなく、NOx濃度算出部57による補正後NOx濃度を用いて補正することもできる。
(Ammonia output concentration and NOx output concentration)
The ammonia output concentration output from the
マルチガスセンサ1から出力するNOx出力濃度は、NOx濃度算出部57による補正後NOx濃度とする。また、NOx出力濃度は、アンモニア濃度算出部52のアンモニア濃度を用いて補正された、NOx濃度算出部57による補正後NOx濃度とすることもできる。
The NOx output concentration output from the
(認定時)
劣化判定部62は、アンモニア濃度がNOx濃度に比べて所定濃度Δn2以上高い場合に、劣化の判定を行う。そして、マルチガスセンサ1においてアンモニアがある程度検出される場合に、アンモニア素子部2の劣化の有無又は度合いを判定する。また、認定時を普遍的に決定するためには、認定部61は、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度がNOx濃度算出部57による補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合であって、かつ内燃機関がフューエルカット運転を行うとともに還元剤供給装置が触媒へ還元剤Kを供給している場合を、認定時として認定することができる。
(At the time of certification)
The
フューエルカット運転時には、内燃機関7における燃料の燃焼が停止され、内燃機関7か排気管71へのNOxの排出がほとんどなくなる。そして、触媒72には大気中の酸素が充満する。この状況において、還元剤供給装置73から触媒72へ還元剤Kとしてのアンモニアが供給されると、触媒72からマルチガスセンサ1へアンモニアが到達しやすくなる。この場合には、マルチガスセンサ1にNOxがほとんど到達せず、NOxセンサ部12による推定アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。これに伴い、マルチガスセンサ1の劣化判定の精度を高めることができる。
During the fuel cut operation, combustion of the fuel in the
また、認定時は、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度[ppm]が、NOxセンサ部12によるNOxの検出精度[ppm]の少なくとも2倍以上検出されていることを条件として決定することもできる。また、認定時を決定する際のアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度[ppm]は、より高い方が判定精度の観点から好ましい。
At the time of authorization, it can also be determined on the condition that the ammonia concentration [ppm] by the ammonia
図13においては、NOxセンサ部12による推定アンモニア濃度[ppm]が算出される際に、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部11によるアンモニア濃度とを比較して劣化判定を行う際に生じ得る誤差範囲について示す。アンモニアセンサ部11及びNOxセンサ部12の検出精度は、±10ppmであるとする。
In FIG. 13, when the estimated ammonia concentration [ppm] by the
この場合において、例えば、推定アンモニア濃度が10ppmであるときには、誤差範囲は、アンモニアセンサ部11及びNOxセンサ部12の検出精度が影響して、最大で0〜30ppmの範囲内で変動するおそれがある。また、例えば、推定アンモニア濃度が100ppmであるときには、誤差範囲は、アンモニアセンサ部11及びNOxセンサ部12の検出精度が影響して、最大で80〜120ppmの範囲内で変動するおそれがある。
In this case, for example, when the estimated ammonia concentration is 10 ppm, the error range may vary within a range of 0 to 30 ppm at the maximum due to the detection accuracy of the
つまり、推定アンモニア濃度が10ppmであるときには、最大で300%の誤差が生じる可能性がある。一方、推定アンモニア濃度が100ppmであるときには、最大で20%の誤差が生じる可能性がある。そのため、アンモニア濃度がより高い場合には、劣化判定を行う際に生じ得る誤差範囲が狭くなり、劣化判定を行う精度が向上することが分かる。 That is, when the estimated ammonia concentration is 10 ppm, a maximum error of 300% may occur. On the other hand, when the estimated ammonia concentration is 100 ppm, an error of up to 20% may occur. Therefore, it can be seen that when the ammonia concentration is higher, an error range that can occur when performing the deterioration determination is narrowed, and the accuracy of performing the deterioration determination is improved.
(他ガスの影響)
測定ガスGとしての排ガスには、酸素、アンモニア、NOxの他に、未燃ガス成分としてのCO(一酸化炭素)、HC(炭化水素)等が混在する場合もある。アンモニア電極22において検出される混成電位は、アンモニア濃度及び酸素濃度によって変化するだけでなく、他ガスとしてのNOx、CO、HC等の濃度によっても変化することが確認された。ただし、この他ガスによる混成電位の変化は、測定ガスG中にアンモニアが含まれている場合には、あまり生じないことが確認された。
(Influence of other gases)
In addition to oxygen, ammonia, and NOx, CO (carbon monoxide), HC (hydrocarbon), and the like as unburned gas components may be mixed in the exhaust gas as the measurement gas G. It has been confirmed that the hybrid potential detected at the
本形態の劣化判定部62は、測定ガスGにアンモニアが含まれる場合に、アンモニア素子部2における性能劣化の判定を行う。これにより、他ガスが性能劣化量の算出に与える影響を少なくすることができる。
The
(センサ素子10の酸化触媒)
センサ素子10には、図14及び図15に示すように、NOx検出部56によるアンモニアの検出を容易にするために、アンモニアを酸化させてNOxに変換させる酸化触媒37を設けることができる。酸化触媒37は、アンモニア電極22の近くに配置すると、アンモニア電極22及び電位差検出部51によって検出されるべきアンモニアの濃度が低下してしまう。そのため、酸化触媒37は、アンモニア電極22からできるだけ離れた位置に配置することが望ましい。
(Oxidation catalyst of sensor element 10)
As shown in FIGS. 14 and 15, the
また、酸化触媒37は、アンモニアから変換されたNOxを、NOx電極32に接触させるために、センサ素子10の周囲から、NOx電極32が配置された測定ガス室35までの測定ガスGの流れの経路に配置する。酸化触媒37は、図14に示すように、測定ガス室35における測定ガスGの入口に配置された拡散抵抗部351に設けることができる。酸化触媒37は、例えば、NiO(酸化ニッケル)等とすることができる。酸化触媒37は、拡散抵抗部351を形成するアルミナ等の多孔質の金属酸化物に担持させることができる。
In addition, the
また、酸化触媒37は、図15に示すように、センサ素子10における、各電極22,23、32,33,34A,34B及び発熱体41が設けられた先端部の外側面に設けることもできる。この場合には、酸化触媒37は、センサ素子10の先端部に設ける、アルミナ等の金属酸化物による多孔質の保護層38に担持させることができる。この場合には、酸化触媒37は、第2固体電解質体31に積層された各絶縁体25,36,42の表面に配置されることになる。
Further, as shown in FIG. 15, the
また、酸化触媒37は、保護層38における、拡散抵抗部351の周囲に位置する部分にのみ担持させることもできる。また、酸化触媒37は、測定ガス室35内における、第2固体電解質体31の表面又は各絶縁体36,42の表面に配置することもできる。
Further, the
本形態のマルチガスセンサ1においては、測定ガスGにおけるアンモニア濃度とNOx濃度との関係が第3濃度領域N3にある場合において、NOx電極32に接触するアンモニアをNOxに積極的に変換することができる。そのため、劣化判定部62が、第3濃度領域N3において、NOxセンサ部12による補正前NOx濃度によって、測定ガスGにおける推定アンモニア濃度が算出される場合に、この推定アンモニア濃度の算出精度を高めることができる。
In the
(劣化判定方法)
次に、マルチガスセンサ1を用いた劣化判定方法の一例について、図16のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ1、還元剤供給装置73、センサ制御ユニット5、エンジン制御ユニット50等が動作する。マルチガスセンサ1においては、電位差検出部51によって、アンモニア電極22と第1基準電極23との間に生じる電位差ΔVが検出される(図16のステップS101)。また、ポンプ電流検出部54によって、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に流れる直流電流(ポンプ電流)が検出される(ステップS101)。また、NOx検出部56によって、NOx電極32と第2基準電極34Aとの間に流れる直流電流(センサ電流)が検出される(ステップS101)。
(Degradation judgment method)
Next, an example of the deterioration determination method using the
When the combustion operation of the
そして、酸素濃度算出部55によって、ポンプ電流検出部54による直流電流に基づいて測定ガスGにおける酸素濃度が算出される(ステップS102)。また、アンモニア濃度算出部52によって、電位差検出部51による電位差ΔVと酸素濃度とが関係マップM1に照合され、測定ガスGにおける、酸素補正後のアンモニア濃度C1が算出される(ステップS102)。また、NOx濃度算出部57によって、NOx検出部56による直流電流に基づいて測定ガスGにおける補正前NOx濃度が算出され、補正前NOx濃度からアンモニア濃度C1が差し引かれて補正後NOx濃度が算出される(ステップS102)。
Then, the oxygen
また、マルチガスセンサ1からは、酸素濃度に応じて補正されたアンモニア濃度がアンモニア出力濃度として出力され(ステップS103)、補正後NOx濃度がNOx出力濃度として出力される(ステップS103)。次いで、マルチガスセンサ1の使用が開始されてからの経過期間が、劣化の判定を行うための所定の設定期間を経過したか否かを判定する(ステップS104)。この所定の設定期間の経過の有無は、車両の走行距離が所定の距離に達したか否かによって判定することができる。所定の設定期間が経過するまでは、ステップS101〜S104が繰り返し実行される。
Further, the
一方、ステップS104において所定の設定期間が経過したときには、認定部61は、アンモニアセンサ部11においてアンモニアがある程度検出される場合を選定するために、酸素補正後のアンモニア濃度C1がNOx濃度算出部57による補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高いか否かを判定する(ステップS105)。アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも低い場合、又はアンモニア濃度C1と補正後NOx濃度との差が所定濃度Δn2未満である場合には、ステップS101に戻る。
On the other hand, when the predetermined setting period has elapsed in step S104, the certifying
アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合には、認定部61は、劣化判定を行うための認定時を認定する(ステップS106)。この場合には、劣化判定部62は、NOx濃度算出部57によって算出された補正前NOx濃度が推定アンモニア濃度を示すこととし、推定アンモニア濃度からアンモニア濃度C1を差し引いた差分値を求める(ステップS107)。そして、劣化判定部62は、差分値が、所定の故障検出値以上であるか否かを判定する(ステップS108)。
If the ammonia concentration C1 is higher than the corrected NOx concentration by a predetermined concentration Δn2 or more, the
差分値が故障検出値未満である場合には、劣化判定部62は、アンモニアセンサ部11が故障を検知するまでは性能劣化していないと特定し(ステップS109)、ステップS101に戻る。また、このときには、ステップS104における経過期間をゼロにリセットし(ステップS110)、再び、経過期間が所定の設定期間を経過するまでステップS101〜S104が繰り返し実行される。また、差分値が故障検出値以上となるまで、ステップS101〜S109が繰り返し実行される。
When the difference value is less than the failure detection value, the
一方、ステップS109において差分値が故障検出値以上となった場合には、劣化判定部62は、アンモニアセンサ部11が故障していると検知されるまで性能劣化したと特定し、マルチガスセンサ1の故障が認定される(ステップS110)。こうして、アンモニアセンサ部11の劣化によって、マルチガスセンサ1の故障が認定されたときには、センサ制御ユニット5においては、マルチガスセンサ1の交換を促すための信号を発することができる。
On the other hand, when the difference value is equal to or greater than the failure detection value in step S109, the
(作用効果)
本形態のマルチガスセンサ1においては、認定部61は、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度C1とNOx濃度算出部57による補正後NOx濃度とを比較し、アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合を特定条件として認定する。マルチガスセンサ1によってアンモニア濃度及びNOx濃度の検出が行われる環境下においては、アンモニアはNOxを還元するために用いられる。そして、本願発明者らは、この環境下においては、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度C1が、NOx濃度算出部57による補正後NOx濃度よりも、低くなる場合と高くなる場合とが異なるタイミングで生じることに着目している。そして、アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合を特定条件として認定する。
(Function and effect)
In the
この特定条件において、NOx濃度算出部57のNOx電極32においては、測定ガスG中のNOxはほとんど検出されず、測定ガスG中のアンモニアがNOxに酸化されてNOx濃度として検出される。アンモニアは、アンモニア素子部2に比べて高い温度に加熱されるNOx素子部3の付近に存在するとき、NOxに酸化されやすくなる。このアンモニアがNOxに酸化される反応式は、代表的には、4NH3+5O2→4NO+6H2Oによって表される。そのため、特定条件においては、NOx濃度算出部57による補正前NOx濃度を推定アンモニア濃度とする。この推定アンモニア濃度は、測定ガスG中のアンモニア濃度に近い値を示すと考える。
Under this specific condition, the
そして、アンモニア素子部2のアンモニア電極22に性能劣化がない場合には、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度C1と、NOx濃度算出部57による推定アンモニア濃度とに大きな違いは生じない。換言すれば、これらのアンモニア濃度の差が所定の誤差範囲内になる。一方、アンモニア素子部2のアンモニア電極22に性能劣化が生じた場合には、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度C1が、NOx濃度算出部57による推定アンモニア濃度よりも所定の誤差範囲を超えて低くなる。従って、この場合には、アンモニア素子部2に性能劣化が生じたと判定することができる。
When there is no performance degradation in the
これにより、マルチガスセンサ1においては、測定ガスGにおけるアンモニアが占める割合が、測定ガスGにおけるNOxが占める割合よりも多く、NOxがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニア素子部2の性能劣化の有無又は度合いを判定することができる。
Thus, in the
それ故、本形態のマルチガスセンサ1によれば、アンモニア素子部2の性能劣化の有無又は度合いを適切に判定することができる。
Therefore, according to the
<実施形態2>
本形態のマルチガスセンサ1は、アンモニア素子部2に生じた性能劣化量に応じてアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
具体的には、図17に示すように、本形態のマルチガスセンサ1は、実施形態1の劣化判定部62の代わりに、劣化量算出部63及びアンモニア濃度補正部64を備える。劣化量算出部63は、認定部61が認定時を認定した場合において、NOxセンサ部12(NOx濃度算出部57)による補正前NOx濃度が、NOx電極32に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、推定アンモニア濃度とアンモニアセンサ部11(アンモニア濃度算出部52)によるアンモニア濃度との差に基づいて、アンモニア素子部2の性能劣化量を算出するよう構成されている。アンモニア濃度補正部64は、性能劣化量に基づいて、アンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度を補正するよう構成されている。
<
The
Specifically, as shown in FIG. 17, the
劣化量算出部63による性能劣化量は、実施形態1に示した性能劣化量Rと同様にして求めることができる。また、アンモニア濃度補正部64は、例えば、性能劣化量R[%]が算出され、酸素補正後のアンモニア濃度C1[ppm]が算出されたとき、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度C2[ppm]を、C2=C1×100/(100−R)として求めることができる。
The performance deterioration amount by the deterioration
(制御方法)
本形態のマルチガスセンサ1の制御方法の一例を、図18のフローチャートを参照して説明する。
内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、マルチガスセンサ1、還元剤供給装置73、センサ制御ユニット5、エンジン制御ユニット50等が動作する。また、本形態においては、マルチガスセンサ1の使用初期において、アンモニア素子部2の性能劣化量Rを0(ゼロ)にする(ステップS201)。次いで、実施形態1のステップS101と同様にして、アンモニア電極22と第1基準電極23との間に生じる電位差ΔV、ポンプ電極33と第3基準電極34Bとの間に流れるポンプ電流、及びNOx電極32と第2基準電極34Aとの間に流れるセンサ電流が検出される(ステップS202)。
(Control method)
An example of the control method of the
When the combustion operation of the
また、実施形態1のステップS102と同様にして、測定ガスGにおける酸素濃度、測定ガスGにおける、酸素補正後のアンモニア濃度C1、及び測定ガスGにおける補正前NOx濃度が算出され、補正前NOx濃度からアンモニア濃度C1が差し引かれて補正後NOx濃度が算出される(ステップS203)。また、アンモニア素子部2の性能劣化量Rがゼロである状態においては、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度C2は、酸素補正後のアンモニア濃度C1となる(ステップS204)。
Similarly to step S102 of the first embodiment, the oxygen concentration in the measurement gas G, the ammonia concentration C1 after oxygen correction in the measurement gas G, and the NOx concentration before correction in the measurement gas G are calculated, and the NOx concentration before correction is calculated. The ammonia concentration C1 is subtracted from the calculated NOx concentration after correction (step S203). Further, in a state where the performance deterioration amount R of the
次いで、また、マルチガスセンサ1からは、酸素補正後のアンモニア濃度C1がアンモニア出力濃度として出力され(ステップS205)、NOx濃度がNOx出力濃度として出力される(ステップS205)。また、ステップS205の後には、マルチガスセンサ1の制御を終了する信号があるか否かを判定する(ステップS206)。制御を終了する信号がある場合には、マルチガスセンサ1の制御を終了する。一方、制御を終了する信号がない場合には、マルチガスセンサ1の使用が開始されてからの経過期間が、劣化の判定を行うための所定の設定期間を経過したか否かを判定する(ステップS207)。この所定の設定期間の経過の有無は、車両の走行距離が所定の距離に達したか否かによって判定することができる。所定の設定期間が経過するまでは、ステップS202〜S207が繰り返し実行される。
Next, from the
一方、ステップS207において所定の設定期間が経過したときには、認定部61は、酸素補正後のアンモニア濃度C1がNOx濃度算出部57による補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高いか否かを判定する(ステップS208)。アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも低い場合、又はアンモニア濃度C1と補正後NOx濃度との差が所定濃度Δn2未満である場合には、ステップS202に戻る。
On the other hand, when the predetermined set period has elapsed in step S207, the
アンモニア濃度C1が補正後NOx濃度よりも所定濃度Δn2以上高い場合には、認定部61は、性能劣化量Rを算出するための認定時を認定する(ステップS209)。次いで、劣化量算出部63は、NOx濃度算出部57によって算出された補正前NOx濃度が推定アンモニア濃度Dを示すこととし、アンモニア素子部2の性能劣化量Rを、推定アンモニア濃度D及び酸素補正後のアンモニア濃度C1を用いて、R=(D−C1)/D×100[%]として求める(ステップS210)。そして、性能劣化量Rを初期時のゼロから、算出した性能劣化量Rに変更する(ステップS211)。また、ステップS207における経過時間をゼロにリセットする(ステップS212)。
If the ammonia concentration C1 is higher than the corrected NOx concentration by a predetermined concentration Δn2 or more, the
その後、性能劣化量Rが変更された後に、ステップS204が実行されるときには、アンモニア濃度補正部64は、性能劣化量R[%]及び酸素補正後のアンモニア濃度C1[ppm]を用いて、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度C2[ppm]を、C2=C1×100/(100−R)として求める(ステップS204)。そして、マルチガスセンサ1からは、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度C2がアンモニア出力濃度として出力され(ステップS205)。
Thereafter, when step S204 is executed after the performance deterioration amount R has been changed, the ammonia
こうして、ステップS202〜S212が繰り返し実行され、性能劣化量Rが所定の設定期間が経過するごとに変更(更新)されて、酸素・劣化補正後のアンモニア濃度C2がアンモニア出力濃度として出力される。 Thus, steps S202 to S212 are repeatedly executed, and the performance deterioration amount R is changed (updated) every time a predetermined set period elapses, and the oxygen concentration / degradation corrected ammonia concentration C2 is output as the ammonia output concentration.
本形態のマルチガスセンサ1においては、劣化量算出部63によって、アンモニア素子部2における性能劣化量を算出し、アンモニア濃度補正部64によって、性能劣化量に応じてアンモニア濃度算出部52によるアンモニア濃度C1を補正する。これにより、NOxがアンモニアの検出にあまり影響を与えない条件下において、アンモニア素子部2の性能劣化量を加味してアンモニア濃度を補正することができる。
In the
本形態のマルチガスセンサ1における、その他の構成、作用効果等については、実施形態1の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1の場合と同様である。
Other configurations, operational effects, and the like in the
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。 The present invention is not limited only to each embodiment, and further different embodiments can be configured without departing from the scope of the invention. Further, the present invention includes various modifications, modifications within an equivalent range, and the like.
1 マルチガスセンサ
11 アンモニアセンサ部
12 NOxセンサ部
61 認定部
62 劣化判定部
63 劣化量算出部
64 アンモニア濃度補正部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
酸素イオンの伝導性を有する第2固体電解質体(31)、前記第2固体電解質体を介して配置されたNOx電極(32)及び第2基準電極(34A)、及び前記NOx電極を収容するとともに拡散抵抗部(351)を介して測定ガスが導入される測定ガス室(35)を有し、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前NOx濃度を算出し、前記補正前NOx濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてNOx濃度を算出するよう構成されたNOxセンサ部(12)と、
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が前記NOxセンサ部によるNOx濃度よりも所定濃度(Δn2)以上高い場合を、認定時として認定する認定部(61)と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記NOxセンサ部による補正前NOx濃度が、前記NOx電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとして、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度とを比較して、前記アンモニアセンサ部の性能劣化の有無又は度合いを判定する劣化判定部(62)と、を備えるマルチガスセンサ(1)。 A first solid electrolyte body (21) having conductivity of oxygen ions, an ammonia electrode (22) and a first reference electrode (23) disposed through the first solid electrolyte body, and the ammonia electrode; An ammonia sensor section (11) configured to detect a potential difference (ΔV) generated between the first reference electrode and calculate an ammonia concentration in the measurement gas (G) based on the potential difference;
The second solid electrolyte body (31) having conductivity of oxygen ions, the NOx electrode (32) and the second reference electrode (34A) disposed through the second solid electrolyte body, and the NOx electrode are accommodated. A measurement gas chamber (35) into which a measurement gas is introduced via a diffusion resistance portion (351), and in a state where a voltage is applied between the NOx electrode and the second reference electrode, A current generated between the second reference electrode and the second reference electrode is detected, a pre-correction NOx concentration in the measurement gas is calculated based on the current, and a NOx concentration is calculated by subtracting the ammonia concentration from the pre-correction NOx concentration. The NOx sensor section (12),
An accreditation unit (61) for authorizing a case where the ammonia concentration by the ammonia sensor unit is higher than the NOx concentration by the NOx sensor unit by a predetermined concentration (Δn2) or more;
When the recognition unit recognizes the time of recognition, the presumed NOx concentration by the NOx sensor unit indicates an estimated ammonia concentration that is the concentration of ammonia in contact with the NOx electrode, and the estimated ammonia concentration and the ammonia sensor A multi-gas sensor (1) comprising: a deterioration determination unit (62) that compares the ammonia concentration by the unit and determines the presence or absence or degree of performance deterioration of the ammonia sensor unit.
酸素イオンの伝導性を有する第2固体電解質体(31)、前記第2固体電解質体を介して配置されたNOx電極(32)及び第2基準電極(34A)、及び前記NOx電極を収容するとともに拡散抵抗部(351)を介して測定ガスが導入される測定ガス室(35)を有し、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に電圧が印加された状態において、前記NOx電極と前記第2基準電極との間に生じる電流を検出し、前記電流に基づいて測定ガスにおける補正前NOx濃度を算出し、前記補正前NOx濃度から前記アンモニア濃度を差し引いてNOx濃度を算出するよう構成されたNOxセンサ部(12)と、
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が前記NOxセンサ部によるNOx濃度よりも所定濃度(Δn2)以上高い場合を、認定時として認定する認定部(61)と、
前記認定部が前記認定時を認定した場合において、前記NOxセンサ部による補正前NOx濃度が、前記NOx電極に接触するアンモニアの濃度である推定アンモニア濃度を示すとし、前記推定アンモニア濃度と前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度との差に基づいて、前記アンモニアセンサ部の性能劣化量(R)を算出する劣化量算出部(63)と、
前記性能劣化量に基づいて、前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度を補正するアンモニア濃度補正部(64)と、を備えるマルチガスセンサ(1)。 A first solid electrolyte body (21) having conductivity of oxygen ions, an ammonia electrode (22) and a first reference electrode (23) disposed through the first solid electrolyte body, and the ammonia electrode; An ammonia sensor section (11) configured to detect a potential difference (ΔV) generated between the first reference electrode and calculate an ammonia concentration in the measurement gas (G) based on the potential difference;
The second solid electrolyte body (31) having conductivity of oxygen ions, the NOx electrode (32) and the second reference electrode (34A) disposed through the second solid electrolyte body, and the NOx electrode are accommodated. A measurement gas chamber (35) into which a measurement gas is introduced via a diffusion resistance portion (351), and in a state where a voltage is applied between the NOx electrode and the second reference electrode, A current generated between the second reference electrode and the second reference electrode is detected, a pre-correction NOx concentration in the measurement gas is calculated based on the current, and a NOx concentration is calculated by subtracting the ammonia concentration from the pre-correction NOx concentration. The NOx sensor section (12),
An accreditation unit (61) for authorizing a case where the ammonia concentration by the ammonia sensor unit is higher than the NOx concentration by the NOx sensor unit by a predetermined concentration (Δn2) or more;
When the recognition unit recognizes the time of recognition, the NOx concentration before correction by the NOx sensor unit indicates an estimated ammonia concentration that is the concentration of ammonia in contact with the NOx electrode, and the estimated ammonia concentration and the ammonia sensor A deterioration amount calculation unit (63) for calculating a performance deterioration amount (R) of the ammonia sensor unit based on a difference from the ammonia concentration by the unit;
A multi-gas sensor (1) comprising: an ammonia concentration correction unit (64) that corrects the ammonia concentration by the ammonia sensor unit based on the performance deterioration amount.
前記第2固体電解質体を介して配置されたポンプ電極(33)及び第3基準電極(34B)を更に有し、前記ポンプ電極と前記第3基準電極との間に電圧を印加して、前記ポンプ電極が収容された前記測定ガス室における酸素を汲み出すとともに、前記ポンプ電極と前記第3基準電極との間に流れる電流に基づいて測定ガスにおける酸素濃度を検出するようにも構成されており、
前記アンモニアセンサ部は、
前記アンモニア電極における、酸素の還元反応とアンモニアの酸化反応とが等しくなるときに生じる、前記アンモニア電極と前記第1基準電極との間の電位差を検出するよう構成されており、かつ、前記NOxセンサ部による酸素濃度に応じた補正を行ってアンモニア濃度を算出するよう構成されている、請求項1又は2に記載のマルチガスセンサ。 The NOx sensor unit is
And further comprising a pump electrode (33) and a third reference electrode (34B) disposed via the second solid electrolyte body, applying a voltage between the pump electrode and the third reference electrode, The pump is configured to pump oxygen in the measurement gas chamber in which the pump electrode is accommodated, and to detect the oxygen concentration in the measurement gas based on a current flowing between the pump electrode and the third reference electrode. ,
The ammonia sensor unit is
The NOx sensor is configured to detect a potential difference between the ammonia electrode and the first reference electrode, which is generated when an oxygen reduction reaction and an ammonia oxidation reaction at the ammonia electrode become equal. The multi-gas sensor according to claim 1, wherein the multi-gas sensor is configured to calculate the ammonia concentration by performing correction according to the oxygen concentration by the unit.
前記第1基準電極、前記第2基準電極及び前記第3基準電極は、前記基準ガスダクト内に収容されており、
前記第2固体電解質体に対して前記第1固体電解質体が積層された側とは反対側には、前記第2固体電解質体及び前記第1固体電解質体を加熱するヒータ部(4)が積層されている、請求項3に記載のマルチガスセンサ。 The first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body are laminated via a reference gas duct (24) into which a reference gas (A) is introduced,
The first reference electrode, the second reference electrode, and the third reference electrode are accommodated in the reference gas duct,
A heater section (4) for heating the second solid electrolyte body and the first solid electrolyte body is laminated on the side opposite to the side on which the first solid electrolyte body is laminated with respect to the second solid electrolyte body. The multi-gas sensor according to claim 3, wherein
NOxを還元する触媒(72)及び前記触媒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)が配置された、内燃機関(7)の排気管(71)において、前記触媒から流出するアンモニア及びNOxの濃度を検出するものである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のマルチガスセンサ。 The multi-gas sensor
In an exhaust pipe (71) of an internal combustion engine (7), a catalyst (72) for reducing NOx and a reducing agent supply device (73) for supplying a reducing agent (K) containing ammonia to the catalyst are disposed. The multi-gas sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the multi-gas sensor detects the concentration of ammonia and NOx flowing out of the gas.
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度が前記NOxセンサ部によるNOx濃度よりも所定濃度以上高い場合であって、かつ前記内燃機関がフューエルカット運転を行うとともに前記還元剤供給装置が前記触媒へ前記還元剤を供給している場合を、前記認定時として認定するよう構成されている、請求項5に記載のマルチガスセンサ。 The certification unit
When the ammonia concentration by the ammonia sensor unit is higher than the NOx concentration by the NOx sensor unit by a predetermined concentration or more, and the internal combustion engine performs a fuel cut operation and the reducing agent supply device applies the reducing agent to the catalyst. The multi-gas sensor according to claim 5, wherein the multi-gas sensor is configured to certify a supply case as the qualification time.
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度と前記NOxセンサ部によるNOx濃度との関係を示す濃度領域を、前記NOx濃度が前記アンモニア濃度よりも所定濃度(Δn1)以上高い第1濃度領域(N1)、前記アンモニア濃度が前記NOx濃度よりも所定濃度(Δn2)以上高い第3濃度領域(N3)、及び前記第1濃度領域と前記第3濃度領域との間の第2濃度領域(N2)に区分したとき、
前記アンモニアセンサ部によるアンモニア濃度と前記NOxセンサ部によるNOx濃度とが前記第2濃度領域内になるよう、前記還元剤供給装置が前記触媒への前記還元剤の供給量を調整するために用いられるものである、請求項5又は6に記載のマルチガスセンサ。 The multi-gas sensor
A concentration region indicating a relationship between ammonia concentration by the ammonia sensor unit and NOx concentration by the NOx sensor unit is a first concentration region (N1) in which the NOx concentration is higher than the ammonia concentration by a predetermined concentration (Δn1), the ammonia When the concentration is divided into a third concentration region (N3) higher than the NOx concentration by a predetermined concentration (Δn2) or more and a second concentration region (N2) between the first concentration region and the third concentration region,
The reducing agent supply device is used to adjust the supply amount of the reducing agent to the catalyst so that the ammonia concentration by the ammonia sensor unit and the NOx concentration by the NOx sensor unit are within the second concentration region. The multi-gas sensor according to claim 5 or 6, wherein the multi-gas sensor is.
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