JP2020112388A - ガス濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】少なくとも2種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第2ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができるガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】ガス濃度検出装置1は、第1素子部2、第1検出部51、第2素子部3、第2検出部52及び感度補正部54を備える。感度補正部54は、検出対象ガスGに含まれる、第1検出部51及び第2検出部52の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、第1検出部51及び第2検出部52によって検出されるときの、第1検出部51による第1応答時間と第2検出部52による第2応答時間との時間差に基づいて、第2検出部52による第2ガス成分濃度を補正するよう構成されている。【選択図】図1
Description
本発明は、少なくとも2種類のガス成分の濃度を検出可能なガス濃度検出装置に関する。
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とが化学反応して、NOxが窒素(N2)及び水(H2O)に還元される。
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てNOx及びアンモニアの量を検出することにより、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ている。
また、例えば、特許文献1のマルチガスセンサにおいては、被測定ガスにおけるNOx濃度を検出するNOxセンサ部と、被測定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部とが一体的に設けられている。アンモニアセンサ部は、被測定ガスが十分に接触するように、NOxセンサ部の外表面に配置されている。
ガス濃度検出装置において、検出対象ガスに含まれるアンモニアを検出する場合には、アンモニア検出部の電極に十分な流量の検出対象ガスを衝突させることによって、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度を高めることができる。そのため、アンモニアを検出する場合には、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極を、直方体状のセンサ素子の片側の外表面に設けることが行われる。また、センサ素子は、ハウジングによって保持されており、ハウジングのおねじ部が排気管の取付口のめねじ部に螺合されることによって、ガス濃度検出装置におけるセンサ本体が排気管に取り付けられる。
ところが、センサ素子及びハウジングを有するセンサ本体を排気管に取り付けたときには、センサ本体が排気管の取付口に対して回転することにより、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極が位置するセンサ素子の外表面が、排気管におけるどちらの方向に向けられるかが定まらない。そして、例えば、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極が位置するセンサ素子の外表面が、排気管における検出対象ガスの流れの上流側に向けられた場合と、排気管における検出対象ガスの流れの下流側に向けられた場合とにおいては、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度に違いが生じることが見出された。
つまり、発明者の研究により、センサ素子におけるアンモニア検出部の感度は、センサ本体が排気管に取り付けられた使用場面において指向性を有することが見出された。そして、ガス濃度検出装置によって検出されるアンモニア濃度には、指向性による感度の低下を受けた誤差が含まれることが分かった。
特許文献1のマルチガスセンサにおいては、アンモニア検出部の感度が指向性を有することについては何ら考慮されていない。一方、一般的なガスセンサにおいては、ハウジングに、センサ素子を覆うカバーを取り付け、カバーに、検出対象ガスが流通する流通孔を設けることが行われている。そして、この流通孔の形成の仕方により、センサ素子に衝突する検出対象ガスの流れをある程度は調整することができる。しかし、カバーを使用することによっては、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度の低下を若干緩和することができるにすぎず、感度のずれを十分に補正することはできない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、少なくとも2種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第2ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができるガス濃度検出装置を提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、イオン伝導性の第1固体電解質体(21)、前記第1固体電解質体に設けられた一対の第1電極(22,23,24)、及び拡散抵抗部(251)を介して検出対象ガス(G)が導入されるとともに一対の前記第1電極の一方を収容するガス室(25)を有する第1素子部(2)と、
前記拡散抵抗部によって前記ガス室への前記検出対象ガスの流量が律速されるとともに一対の前記第1電極間に直流電圧が印加される状態において、一対の前記第1電極間に流れる直流電流に基づいて前記検出対象ガスにおける第1ガス成分濃度を検出する第1検出部(51)と、
前記第1固体電解質体に絶縁体(35)を介して積層されたイオン伝導性の第2固体電解質体(31)、及び前記第2固体電解質体に設けられた一対の第2電極(32,33)を有する第2素子部(3)と、
前記第2固体電解質体の前記検出対象ガスに晒される外表面(311)に一対の前記第2電極の少なくとも一方が設けられた状態において、一対の前記第2電極間に生じる電位差(ΔV)に基づいて前記検出対象ガスにおける第2ガス成分濃度を検出する第2検出部(52)と、
前記検出対象ガスに含まれる、前記第1検出部及び前記第2検出部の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、前記第1検出部及び前記第2検出部によって検出されるときの、前記第1検出部による第1出力変化時(B1)と前記第2検出部による第2出力変化時(B2)との時間差(ΔT)、前記第1検出部による第1応答時間(T1)と前記第2検出部による第2応答時間(T2)との時間差(ΔT)、又は前記第1検出部による第1応答速度(U1)と前記第2検出部による第2応答速度(U2)との速度差(ΔU)に基づいて、前記第2検出部による前記第2ガス成分濃度を補正する感度補正部(54)と、を備えるガス濃度検出装置(1)にある。
前記拡散抵抗部によって前記ガス室への前記検出対象ガスの流量が律速されるとともに一対の前記第1電極間に直流電圧が印加される状態において、一対の前記第1電極間に流れる直流電流に基づいて前記検出対象ガスにおける第1ガス成分濃度を検出する第1検出部(51)と、
前記第1固体電解質体に絶縁体(35)を介して積層されたイオン伝導性の第2固体電解質体(31)、及び前記第2固体電解質体に設けられた一対の第2電極(32,33)を有する第2素子部(3)と、
前記第2固体電解質体の前記検出対象ガスに晒される外表面(311)に一対の前記第2電極の少なくとも一方が設けられた状態において、一対の前記第2電極間に生じる電位差(ΔV)に基づいて前記検出対象ガスにおける第2ガス成分濃度を検出する第2検出部(52)と、
前記検出対象ガスに含まれる、前記第1検出部及び前記第2検出部の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、前記第1検出部及び前記第2検出部によって検出されるときの、前記第1検出部による第1出力変化時(B1)と前記第2検出部による第2出力変化時(B2)との時間差(ΔT)、前記第1検出部による第1応答時間(T1)と前記第2検出部による第2応答時間(T2)との時間差(ΔT)、又は前記第1検出部による第1応答速度(U1)と前記第2検出部による第2応答速度(U2)との速度差(ΔU)に基づいて、前記第2検出部による前記第2ガス成分濃度を補正する感度補正部(54)と、を備えるガス濃度検出装置(1)にある。
前記一態様のガス濃度検出装置においては、その使用場面において、電位差を利用する第2検出部の、第2ガス成分に対する感度を補正して、第2検出部による第2ガス成分濃度に誤差が生じにくくする工夫をしている。より具体的には、ガス濃度検出装置は、限界電流に基づいて第1ガス成分濃度を検出する第1検出部と、電位差に基づいて第2ガス成分濃度を検出する第2検出部とを備え、第1検出部及び第2検出部が共通ガス成分を検出する際の、第1検出部と第2検出部とにおける出力変化時、応答時間又は応答速度の差を利用して、第2検出部による第2ガス成分濃度を補正するものである。
第1検出部は、検出対象ガスの流量が律速(制限)されるとともに一対の第1電極間に直流電圧が印加される状態において検出される限界電流を利用するものであり、第1検出部による第1ガス成分濃度の検出には、第1電極の触媒性能はほとんど影響しない。そして、第1検出部による第1ガス成分濃度の検出には、第1電極の触媒性能による誤差がほとんど生じない。
一方、第2検出部は、検出対象ガスが第2電極に接触するときに検出される電位差を利用するものであり、第2検出部による第2ガス成分濃度の検出には、第2電極の触媒性能が大きく影響する。そして、第2検出部による第2ガス成分濃度の検出には、第2電極の触媒性能による誤差が生じやすい。
そこで、感度補正部においては、第1検出部によって共通ガス成分を検出する際の第1出力変化時、第1応答時間又は第1応答速度を基準とする。そして、この第1出力変化時、第1応答時間又は第1応答速度に対して、第2検出部によって共通ガス成分を検出する際の第2出力変化時、第2応答時間又は第2応答速度がどれだけ異なるかを検知して、第2検出部による第2ガス成分濃度を補正する量を求める。
より具体的には、感度補正部においては、第1素子部における第1電極及び第2素子部における第2電極に接触する共通ガス成分の濃度が基準変化量以上変化したときの第1出力変化時及び第2出力変化時、第1応答時間及び第2応答時間、又は第1応答速度及び第2応答速度を測定する。第2検出部において第2ガス成分濃度の変化を検出する際の第2出力変化時、第2応答時間又は第2応答速度、及び第2ガス成分濃度を検出する感度は、いずれも第2電極の触媒性能の影響を受けるものである。そして、第1出力変化時及び第2出力変化時における時間差、第1応答時間及び第2応答時間における時間差又は第1応答速度及び第2応答速度における速度差と、第2検出部が第2ガス成分濃度を検出する感度とは互いに関連している。
前記一態様のガス濃度検出装置の感度補正部においては、この時間差又は速度差と第2検出部の感度との関係性を利用する。そして、感度補正部においては、この時間差又は速度差は、第2検出部の感度を反映するものとして、この時間差を第2検出部による第2ガス成分濃度の補正に利用する。これにより、ガス濃度検出装置の使用場面において、ガス濃度検出装置の組付状態等の影響を受けて、第2ガス成分に対する第2検出部の感度の低下が生じている場合でも、感度補正部によって第2ガス成分濃度を補正し、ガス濃度検出装置から出力される第2ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができる。
それ故、前記一態様のガス濃度検出装置によれば、少なくとも2種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第2ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができる。
感度補正部は、第1応答時間と第2応答時間との時間差等に基づいて、第2検出部による電位差又は第2ガス成分濃度を補正するための感度補正係数を求めることができる。そして、感度補正部は、電位差又は第2ガス成分濃度に感度補正係数を乗算することによって、第2ガス成分濃度を補正することができる。なお、電位差を補正することと、第2ガス成分濃度を補正することとは同義である。また、第1出力変化時と第2出力変化時との時間差、又は第1応答速度と第2応答速度との速度差を求める場合についても同様である。
感度補正部は、ガス濃度検出装置の使用初期において、1回又は数回、第1応答時間と第2応答時間との時間差等を測定し、感度補正係数を求めることができる。この場合には、感度補正部は、一旦求められた感度補正係数を、第2検出部によって逐次検出される電位差又は第2ガス成分濃度に乗算することによって、第2ガス成分濃度を逐次補正することができる。なお、第1出力変化時と第2出力変化時との時間差、又は第1応答速度と第2応答速度との速度差を求める場合についても同様である。
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。
前述したガス濃度検出装置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>
本形態のガス濃度検出装置1は、図1及び図5に示すように、第1素子部(酸素素子部)2、第1検出部51、第2素子部(アンモニア素子部)3、第2検出部52及び感度補正部54を備える。第1素子部2は、イオン伝導性の第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21に設けられた一対の第1電極22,24と、拡散抵抗部251を介して検出対象ガスGが導入されるとともに一方の第1電極22,24を収容するガス室25とを有する。第1検出部51は、拡散抵抗部251によってガス室25への検出対象ガスGの流量が律速されるとともに一対の第1電極22,24間に直流電圧が印加される状態において、一対の第1電極22,24間に流れる限界電流に基づいて検出対象ガスGにおける第1ガス成分濃度を検出するよう構成されている。
<実施形態1>
本形態のガス濃度検出装置1は、図1及び図5に示すように、第1素子部(酸素素子部)2、第1検出部51、第2素子部(アンモニア素子部)3、第2検出部52及び感度補正部54を備える。第1素子部2は、イオン伝導性の第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21に設けられた一対の第1電極22,24と、拡散抵抗部251を介して検出対象ガスGが導入されるとともに一方の第1電極22,24を収容するガス室25とを有する。第1検出部51は、拡散抵抗部251によってガス室25への検出対象ガスGの流量が律速されるとともに一対の第1電極22,24間に直流電圧が印加される状態において、一対の第1電極22,24間に流れる限界電流に基づいて検出対象ガスGにおける第1ガス成分濃度を検出するよう構成されている。
第2素子部3は、第1固体電解質体21にダクト用絶縁体35を介して積層されたイオン伝導性の第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31に設けられた一対の第2電極32,33とを有する。第2検出部52は、第2固体電解質体31の検出対象ガスGに晒される外表面に一方の第2電極32が設けられた状態において、一対の第2電極32,33間に生じる電位差ΔVに基づいて検出対象ガスGにおける第2ガス成分濃度を検出するよう構成されている。
図15及び図18に示すように、感度補正部54は、検出対象ガスGに含まれる、第1検出部51及び第2検出部52の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、第1検出部51及び第2検出部52によって検出されるときの、第1検出部51による第1応答時間T1と第2検出部52による第2応答時間T2との時間差ΔTに基づいて、第2検出部52による第2ガス成分濃度を補正するよう構成されている。
以下に、本形態のガス濃度検出装置1について詳説する。
(ガス濃度検出装置1)
図1に示すように、本形態のガス濃度検出装置1は、検出対象ガスGに含まれる2種類以上のガス成分濃度を検出するよう構成されている。ガス濃度検出装置1は、いわゆるマルチガスセンサとして機能する。本形態においては、検出対象ガスGは、内燃機関7から排気される排ガスであり、第1ガス成分はNOx(窒素酸化物)であり、第2ガス成分はアンモニア(NH3)である。
(ガス濃度検出装置1)
図1に示すように、本形態のガス濃度検出装置1は、検出対象ガスGに含まれる2種類以上のガス成分濃度を検出するよう構成されている。ガス濃度検出装置1は、いわゆるマルチガスセンサとして機能する。本形態においては、検出対象ガスGは、内燃機関7から排気される排ガスであり、第1ガス成分はNOx(窒素酸化物)であり、第2ガス成分はアンモニア(NH3)である。
図6に示すように、ガス濃度検出装置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、NOx及びアンモニアの濃度を検出するものである。検出対象ガスGは、内燃機関7から排気管71へ排気される排ガスである。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、NO、NO2、N2O等のNOx(窒素酸化物)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、検出対象ガス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、検出対象ガスGに酸素(空気)がより多く含まれる。
(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。
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。
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。
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。
(マルチガスセンサ)
図6に示すように、本形態のガス濃度検出装置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、ガス濃度検出装置1におけるセンサ本体100であり、ガス濃度検出装置1における制御部分としてのセンサ制御ユニット(SCU)5は、排気管71の外部に配置される。便宜上、本形態においては、センサ本体100のことをガス濃度検出装置1ということがある。
図6に示すように、本形態のガス濃度検出装置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、ガス濃度検出装置1におけるセンサ本体100であり、ガス濃度検出装置1における制御部分としてのセンサ制御ユニット(SCU)5は、排気管71の外部に配置される。便宜上、本形態においては、センサ本体100のことをガス濃度検出装置1ということがある。
本形態のガス濃度検出装置1は、アンモニア濃度、酸素濃度及びNOx濃度の検出が可能なマルチガスセンサ(複合センサ)として形成されている。そして、ガス濃度検出装置1において、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、ガス濃度検出装置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。
なお、内燃機関7の制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット50、ガス濃度検出装置1を制御するセンサ制御ユニット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。
エンジン制御ユニット50は、ガス濃度検出装置1によって、検出対象ガス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、ガス濃度検出装置1によって、検出対象ガス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。
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)及びガス濃度検出装置1の配置位置に存在する検出対象ガスG中の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。
(センサ本体100)
図7に示すように、ガス濃度検出装置1のセンサ本体100は、第1素子部(酸素素子部)2、第2素子部(アンモニア素子部)3等が形成されたセンサ素子10と、センサ素子10を保持して、配管としての排気管71の取付口711に螺合されるハウジング61と、ハウジング61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62と、ハウジング61の基端側D2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63とを備える。
図7に示すように、ガス濃度検出装置1のセンサ本体100は、第1素子部(酸素素子部)2、第2素子部(アンモニア素子部)3等が形成されたセンサ素子10と、センサ素子10を保持して、配管としての排気管71の取付口711に螺合されるハウジング61と、ハウジング61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62と、ハウジング61の基端側D2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63とを備える。
ハウジング61は、検出対象ガスGが流れる排気管71の取付口711のめねじ部712に螺合されるおねじ部611を有する。先端側カバー62は、ハウジング61に取り付けられた円筒部621と、円筒部621の先端側を閉塞する底部622とを有する。円筒部621及び底部622には、検出対象ガスGが流通する流通孔623が形成されている。円筒部621に形成された流通孔623は、円筒部621の周方向の複数箇所に形成されている。
図7のガス濃度検出装置1は模式的に示すものである。先端側カバー62及び先端側カバー62に設ける流通孔623は、種々の形態にすることができる。例えば、先端側カバー62は、内側カバーと、内側カバーの外周側に配置された外側カバーとの二重カバー構造としてもよい。
(センサ素子10)
図1及び図2に示すように、センサ素子10は、酸素濃度及びNOx濃度を検出するための第1素子部(酸素素子部)2、並びにアンモニア濃度を検出するための第2素子部(アンモニア素子部)3を有する。また、センサ素子10は、第1素子部2を形成するための第1固体電解質体21、及び第2素子部3を形成するための第2固体電解質体31を有する。また、図1〜図3に示すように、センサ素子10には、第1素子部2及び第2素子部3を加熱するヒータ部4が設けられている。
図1及び図2に示すように、センサ素子10は、酸素濃度及びNOx濃度を検出するための第1素子部(酸素素子部)2、並びにアンモニア濃度を検出するための第2素子部(アンモニア素子部)3を有する。また、センサ素子10は、第1素子部2を形成するための第1固体電解質体21、及び第2素子部3を形成するための第2固体電解質体31を有する。また、図1〜図3に示すように、センサ素子10には、第1素子部2及び第2素子部3を加熱するヒータ部4が設けられている。
本形態のセンサ素子10は、一方向に長い長尺形状に形成されている。センサ素子10の長尺方向の先端部には、後述する拡散抵抗部251が設けられている。図1においては、長尺方向を矢印Dによって示し、長尺方向Dの先端側を矢印D1によって示し、長尺方向Dの基端側を矢印D2によって示す。
第1固体電解質体21及び第2固体電解質体31は、直方体状であって板形状に形成されている。第1固体電解質体21及び第2固体電解質体31には、板状の絶縁体26,35,42が積層されている。第1固体電解質体21と第2固体電解質体31との間に位置するダクト用絶縁体35には、第2基準電極33が収容された基準ガスダクト34が形成されている。アンモニア電極32は、第2固体電解質体31の外表面311に設けられている。第2固体電解質体31の外表面311は、センサ素子10の片側の外表面(最表面)となり、検出対象ガスGが所定の流速で衝突する表面となる。
(第1素子部2,第2素子部3)
図1〜図4に示すように、第1固体電解質体21における、ガス室25が隣接する外表面211には、ガス室25内に収容された状態で、ガス室25内の検出対象ガスGにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極22と、ポンプ電極22によって酸素濃度が調整された後のガス室25内の検出対象ガスGにおけるNOx濃度を検出するためのNOx電極23とが設けられている。第1固体電解質体21における、ガス室25が隣接する表面と反対側の内表面212には、基準ガスAが導入される基準ガスダクト34が隣接して形成されるとともに、基準ガスダクト34内に収容された第1基準電極24が設けられている。一対の第1電極22,24は、ポンプ電極22と第1基準電極24とによって構成されている。第1検出部51は、第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されている。
図1〜図4に示すように、第1固体電解質体21における、ガス室25が隣接する外表面211には、ガス室25内に収容された状態で、ガス室25内の検出対象ガスGにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極22と、ポンプ電極22によって酸素濃度が調整された後のガス室25内の検出対象ガスGにおけるNOx濃度を検出するためのNOx電極23とが設けられている。第1固体電解質体21における、ガス室25が隣接する表面と反対側の内表面212には、基準ガスAが導入される基準ガスダクト34が隣接して形成されるとともに、基準ガスダクト34内に収容された第1基準電極24が設けられている。一対の第1電極22,24は、ポンプ電極22と第1基準電極24とによって構成されている。第1検出部51は、第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されている。
第1素子部2としての酸素素子部2は、第1固体電解質体21、ポンプ電極22、NOx電極23、第1基準電極24、ガス室25及び拡散抵抗部251によって形成されている。本形態においては、一対の第1電極22,24のうち、ガス室25内に収容されて検出対象ガスGに晒される第1電極はポンプ電極22とし、基準ガスダクト34内に配置されて基準ガスAに晒される第1電極は第1基準電極24とする。なお、ガス室25内に収容されて検出対象ガスGに晒される第1電極は、NOx電極23とする場合もある。
第2固体電解質体31の外表面311には、検出対象ガスGに含まれる酸素の電気化学的還元反応と検出対象ガスGに含まれるアンモニアの電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極としてのアンモニア電極32が設けられている。第2固体電解質体31における、基準ガスダクト34が隣接する内表面312には、基準ガスダクト34内に収容された第2基準電極33が設けられている。
第2素子部3としてのアンモニア素子部3は、第2固体電解質体31、アンモニア電極32及び第2基準電極33によって形成されている。一対の第2電極32,33のうち、検出対象ガスGに晒される第2電極はアンモニア電極(混成電位電極)32とし、基準ガスダクト34内に配置されて基準ガスAに晒される第2電極は第2基準電極33とする。
(第1検出部51,第2検出部52)
図1及び図5に示すように、本形態の第1検出部51は、第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するものである。第1検出部51は、後述するポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成されている。本形態の第2検出部52は、第2ガス成分濃度としてのアンモニア濃度を検出するものである。第2検出部52は、後述する電位差検出部521及びアンモニア濃度算出部522によって構成されている。本形態の感度補正部54は、共通ガス成分としての酸素の濃度の変化を利用するものである。
図1及び図5に示すように、本形態の第1検出部51は、第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するものである。第1検出部51は、後述するポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成されている。本形態の第2検出部52は、第2ガス成分濃度としてのアンモニア濃度を検出するものである。第2検出部52は、後述する電位差検出部521及びアンモニア濃度算出部522によって構成されている。本形態の感度補正部54は、共通ガス成分としての酸素の濃度の変化を利用するものである。
なお、後述する実施形態2に示すが、第1検出部51は、第1ガス成分濃度としてのNOx濃度を検出するものとすることもできる。この場合には、第1検出部51は、後述するNOx検出部514及びNOx濃度算出部515によって構成される。
ポンピング部511においては、検出対象ガスGにおける酸素がガス室25から排出される。ポンプ電流検出部512においてはポンプ電極22と第1基準電極24との間に生じる限界電流が検出され、酸素濃度算出部513においては、限界電流に基づいて酸素濃度が算出される。
電位差検出部521においてはアンモニア電極32と第2基準電極33との間に生じる混成電位(電位差ΔV)が検出され、アンモニア濃度算出部522においては、混成電位に基づいてアンモニア濃度が算出される。
(センサ制御ユニット5)
図1及び図5に示すように、第1検出部51及び第2検出部52は、ガス濃度検出装置1のセンサ制御ユニット5に形成されている。また、センサ制御ユニット5は、第2検出部52によるアンモニアの感度のずれによって生じる電位差ΔV又は第2ガス成分濃度の誤差を補正する感度補正部54を有する。また、センサ制御ユニット5は、ヒータ部4を構成する発熱体41に通電を行う通電制御部53を有する。
図1及び図5に示すように、第1検出部51及び第2検出部52は、ガス濃度検出装置1のセンサ制御ユニット5に形成されている。また、センサ制御ユニット5は、第2検出部52によるアンモニアの感度のずれによって生じる電位差ΔV又は第2ガス成分濃度の誤差を補正する感度補正部54を有する。また、センサ制御ユニット5は、ヒータ部4を構成する発熱体41に通電を行う通電制御部53を有する。
(第2素子部としてのアンモニア素子部3の詳細)
図1及び図2に示すように、第2素子部としてのアンモニア素子部3は、アンモニア濃度を検出するためのセンサ素子10の部分である。アンモニア素子部3は、酸素イオン伝導性の第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31の外表面311に設けられて、検出対象ガスGに晒されるアンモニア電極32と、第2固体電解質体31の内表面312に設けられて、基準ガスAに晒される第2基準電極33を有する。一対の第2電極32,33は、アンモニア電極32と第2基準電極33とからなる。
図1及び図2に示すように、第2素子部としてのアンモニア素子部3は、アンモニア濃度を検出するためのセンサ素子10の部分である。アンモニア素子部3は、酸素イオン伝導性の第2固体電解質体31と、第2固体電解質体31の外表面311に設けられて、検出対象ガスGに晒されるアンモニア電極32と、第2固体電解質体31の内表面312に設けられて、基準ガスAに晒される第2基準電極33を有する。一対の第2電極32,33は、アンモニア電極32と第2基準電極33とからなる。
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。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。
アンモニア電極32は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する金(Au)を含有する貴金属材料を用いて構成されている。アンモニア電極32の貴金属材料は、Pt(白金)−Au(金)合金、Pt−Pd(パラジウム)合金、Au−Pd合金等によって構成することができる。第2基準電極33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32及び第2基準電極33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。
第2固体電解質体31の、検出対象ガスGに晒される外表面311は、ガス濃度検出装置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、外表面311に設けられたアンモニア電極32には、検出対象ガス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32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32には、検出対象ガスGが拡散律速されずに接触する。なお、アンモニア電極32の表面には、検出対象ガス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。
第2固体電解質体31の内表面312に設けられた第2基準電極33は、基準ガスAとしての大気に晒されている。第2固体電解質体31の内表面312には、大気が導入される基準ガスダクト(大気ダクト)34が隣接して形成されている。
(電位差検出部521及び電位差ΔV)
図1に示すように、第2検出部52を構成する電位差検出部521における電位差ΔVは、第2固体電解質体31の外表面311に設けられたアンモニア電極32における、検出対象ガスGに含まれる酸素の電気化学的還元反応(以下、単に還元反応という。)と検出対象ガスGに含まれる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。)とが釣り合うときに生じる混成電位である。第2検出部52は、電位差ΔV式としての混成電位式のものである。電位差検出部521は、アンモニア電極32における、還元反応による還元電流と、アンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極32と第2基準電極33との間の電位差ΔVを検出するよう構成されている。
図1に示すように、第2検出部52を構成する電位差検出部521における電位差ΔVは、第2固体電解質体31の外表面311に設けられたアンモニア電極32における、検出対象ガスGに含まれる酸素の電気化学的還元反応(以下、単に還元反応という。)と検出対象ガスGに含まれる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。)とが釣り合うときに生じる混成電位である。第2検出部52は、電位差ΔV式としての混成電位式のものである。電位差検出部521は、アンモニア電極32における、還元反応による還元電流と、アンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極32と第2基準電極33との間の電位差ΔVを検出するよう構成されている。
本形態の電位差検出部521は、アンモニア電極32に混成電位が生じたときのアンモニア電極32と第2基準電極33との間の電位差ΔVを検出する。アンモニア電極32においては、アンモニア電極32に接触する検出対象ガス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32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32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。
図8は、アンモニア電極32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2基準電極33に対するアンモニア電極32の電位(電位差ΔV)をとり、縦軸に、アンモニア電極32と第2基準電極33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32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32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。
電位差ΔVが0(ゼロ)の場合は、アンモニア電極32の電位が第2基準電極33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32における混成電位は、第2基準電極33に対してマイナス側の電位として検出される。
また、図9に示すように、検出対象ガス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。この場合には、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2基準電極33に対するアンモニア電極32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32と第2基準電極33との電位差ΔV(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、検出対象ガス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。
また、図10に示すように、検出対象ガス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。この場合には、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、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2基準電極33に対するアンモニア電極32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32と第2基準電極33との電位差ΔV(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。
(第1素子部としての酸素素子部2の詳細)
図1及び図2に示すように、第1素子部としての酸素素子部2は、酸素濃度及びNOx濃度を検出するためのセンサ素子10の部分である。酸素素子部2は、酸素イオン伝導性の第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21の外表面211に設けられて、検出対象ガスGに晒されるポンプ電極22及びNOx電極23と、第1固体電解質体21の内表面212に設けられて、基準ガスAに晒される第1基準電極24とを有する。一対の第1電極22,24は、ポンプ電極22と第1基準電極24とからなる。また、酸素素子部2は、ポンプ電極22及びNOx電極23を収容するガス室25を有し、ガス室25には、拡散抵抗部251を介して検出対象ガスGが導入される。
図1及び図2に示すように、第1素子部としての酸素素子部2は、酸素濃度及びNOx濃度を検出するためのセンサ素子10の部分である。酸素素子部2は、酸素イオン伝導性の第1固体電解質体21と、第1固体電解質体21の外表面211に設けられて、検出対象ガスGに晒されるポンプ電極22及びNOx電極23と、第1固体電解質体21の内表面212に設けられて、基準ガスAに晒される第1基準電極24とを有する。一対の第1電極22,24は、ポンプ電極22と第1基準電極24とからなる。また、酸素素子部2は、ポンプ電極22及びNOx電極23を収容するガス室25を有し、ガス室25には、拡散抵抗部251を介して検出対象ガスGが導入される。
第1固体電解質体21は、基準ガスダクト34を介して第2固体電解質体31に対向して配置されている。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。このジルコニア材料は、第2固体電解質体31の場合と同様である。
図1、図2及び図4に示すように、ガス室25は、第1固体電解質体21の外表面211に接して形成されている。ガス室25は、ガス室用絶縁体26によって形成されている。ガス室用絶縁体26は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部251は、多孔質のセラミックス層として形成されており、ガス室25へ拡散速度を制限して検出対象ガスGを導入するための部分である。
ポンプ電極22は、ガス室25内に収容された状態で第1固体電解質体21の外表面211に設けられており、ガス室25内の検出対象ガスGに晒される。NOx電極23は、ガス室25内に収容された状態で第1固体電解質体21の外表面211に設けられており、ポンプ電極22によって酸素濃度が調整された後の検出対象ガスGに晒される。第1基準電極24は、第1固体電解質体21における、外表面211とは反対側の内表面212に設けられている。
ポンプ電極22は、酸素に対する触媒活性を有する一方、NOxに対する触媒活性を有しない貴金属材料を用いて構成されている。ポンプ電極22の貴金属材料は、Pt−Au合金、又はPt及びAuを含有する材料から構成することができる。NOx電極23は、NOx及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属材料を用いて構成されている。NOx電極23の貴金属材料は、Pt−Rh(ロジウム)合金、又はPt及びRhを含有する材料から構成することができる。第1基準電極24は、酸素に対する触媒活性を有するPt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22、NOx電極23及び第1基準電極24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。
本形態の第1基準電極24は、第1固体電解質体21を介して、ポンプ電極22と対向する位置及びNOx電極23と対向する位置のそれぞれに設けられている。なお、第1基準電極24は、ポンプ電極22及びNOx電極23と対向する位置の全体に1つ設けられていてもよい。
図1〜図3に示すように、第1固体電解質体21の内表面212に設けられた第1基準電極24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34を形成するダクト用絶縁体35を介して積層されている。ダクト用絶縁体35は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
基準ガスダクト34は、第1固体電解質体21の内表面212における第1基準電極24と、第2固体電解質体31の内表面312における第2基準電極33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24及び第2基準電極33は、基準ガスダクト34内に収容されている。基準ガスダクト34は、センサ素子10の基端からガス室25に対向する位置まで形成されている。
図7に示すように、センサ本体100の基端側カバー63に形成された大気導入孔から基端側カバー63内に導入された基準ガスAは、基準ガスダクト34の基端側の開口部から基準ガスダクト34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34を有することにより、第1基準電極24及び第2基準電極33の全体をまとめて大気に接触させることができる。
(ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513)
図1及び図5に示すように、ポンピング部511は、第1基準電極24をプラス側として、ポンプ電極22と第1基準電極24との間に直流電圧を印加して、ガス室25内の検出対象ガス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22と第1基準電極24との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極22に接触する、ガス室25内の検出対象ガスGにおける酸素が、酸素イオンとなって第1固体電解質体21を第1基準電極24に向けて通過し、第1基準電極24から基準ガスダクト34へと排出される。これにより、ガス室25内の酸素濃度が、NOxの検出に適した濃度に調整される。
図1及び図5に示すように、ポンピング部511は、第1基準電極24をプラス側として、ポンプ電極22と第1基準電極24との間に直流電圧を印加して、ガス室25内の検出対象ガス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22と第1基準電極24との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極22に接触する、ガス室25内の検出対象ガスGにおける酸素が、酸素イオンとなって第1固体電解質体21を第1基準電極24に向けて通過し、第1基準電極24から基準ガスダクト34へと排出される。これにより、ガス室25内の酸素濃度が、NOxの検出に適した濃度に調整される。
ポンプ電流検出部512は、ポンピング部511によってポンプ電極22と第1基準電極24との間に直流電圧が印加されるときに、ポンプ電極22と第1基準電極24との間に流れる直流電流(ポンプ電流)としての限界電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部513は、ポンプ電流検出部512によって検出された限界電流に基づいて、検出対象ガス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512においては、ポンピング部511によってガス室25内から基準ガスダクト34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。
また、ポンピング部511は、ガス室25内の検出対象ガスGにおける酸素濃度が所定の濃度になるまで、ガス室25内から基準ガスダクト34へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部513は、ポンプ電流検出部512によって検出される限界電流を監視することにより、酸素素子部2及びアンモニア素子部3に到達する検出対象ガスGにおける酸素濃度を算出することができる。
酸素濃度算出部513によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部522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。
(NOx検出部514及びNOx濃度算出部515)
図1及び図5に示すように、NOx検出部514は、第1基準電極24をプラス側としてNOx電極23と第1基準電極24との間に直流電圧を印加して、NOx電極23と第1基準電極24との間に流れる直流電流(センサ電流)としての限界電流を検出するよう構成されている。NOx濃度算出部515は、NOx検出部514によって検出される限界電流に基づいて、検出対象ガス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算出部522による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514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515においては、NOxの検出量から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。
図1及び図5に示すように、NOx検出部514は、第1基準電極24をプラス側としてNOx電極23と第1基準電極24との間に直流電圧を印加して、NOx電極23と第1基準電極24との間に流れる直流電流(センサ電流)としての限界電流を検出するよう構成されている。NOx濃度算出部515は、NOx検出部514によって検出される限界電流に基づいて、検出対象ガス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算出部522による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514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515においては、NOxの検出量から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。
NOx濃度算出部515によるNOx濃度は、2種類あるものとする。NOx検出部514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23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濃度算出部515による補正前NOx濃度からアンモニア濃度算出部522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。
NOx電極23には、ポンプ電極22によって酸素濃度が調整された後の検出対象ガスGが接触する。そして、NOx検出部514において、NOx電極23と第1基準電極24との間に直流電圧が印加されるときには、NOx電極23に接触する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1固体電解質体21を第1基準電極24に向けて通過し、第1基準電極24から基準ガスダクト34へと排出される。また、NOx電極23には、アンモニアが酸化されて生成されたNOxも到達し、このNOxも窒素と酸素に分解される。そして、NOx濃度算出部515は、NOx検出部514によって検出される限界電流を監視することにより、酸素素子部2に到達する検出対象ガス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濃度を補正後NOx濃度として算出する。
ガス濃度検出装置1を、アンモニア濃度だけでなく酸素濃度及びNOx濃度も検出するマルチガスセンサとしたことにより、アンモニア濃度及びNOx濃度を検出する際に、排気管71に配置するガス濃度検出装置1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22及びポンピング部511を利用して、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって酸素濃度を検出することができる。
ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及びNOx検出部514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513及びNOx濃度算出部515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。
なお、図1においては、便宜的に、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512、NOx検出部514及び電位差検出部521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。また、図示は省略するが、各電極22,23,24,32,33には、電気接続用のリード部が、発熱体41のリード部412と同様に、センサ素子10の基端側D2の位置まで形成されている。
(アンモニア濃度算出部522)
図1及び図5に示すように、アンモニア濃度算出部522は、酸素濃度算出部513による酸素濃度と電位差検出部521による電位差ΔVとに基づいて、酸素濃度に応じた補正が行われた、検出対象ガス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。
図1及び図5に示すように、アンモニア濃度算出部522は、酸素濃度算出部513による酸素濃度と電位差検出部521による電位差ΔVとに基づいて、酸素濃度に応じた補正が行われた、検出対象ガス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。
図11は、混成電位式の第2検出部52において、検出対象ガス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521によるアンモニア電極32と第2基準電極33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521によって検出される電位差ΔV(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。
図12に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部522においては、検出対象ガスGにおける酸素濃度をパラメータとして、電位差検出部521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(酸素補正前のアンモニア濃度C0)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522は、検出対象ガスGにおける酸素濃度及び電位差検出部521による電位差ΔVを関係マップM1に照合して、検出対象ガス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。
より具体的には、アンモニア濃度算出部522は、酸素濃度算出部513による酸素濃度と、電位差検出部521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522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、図5に示すように、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、ガス濃度検出装置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。
図12においては、検出対象ガス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、ガス濃度検出装置1の試作・実験時等において求めておくことができる。
また、同図の関係マップM1は、アンモニア電極32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32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32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。
電位差検出部521及びアンモニア濃度算出部522は、ガス濃度検出装置1に電気接続されたセンサ制御ユニット(SCU)5内に形成されている。電位差検出部521は、アンモニア電極32と第2基準電極33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522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。
なお、アンモニア濃度算出部522は、酸素濃度に応じたアンモニア濃度の補正を行う際には、NOx検出部514による補正前NOx濃度又は補正後NOx濃度も加味してアンモニア濃度を補正することもできる。酸素素子部2におけるNOx電極23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23において、補正前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522においては、酸素濃度及び補正前NOx濃度に基づいて、電位差ΔVによるアンモニア濃度を補正することもできる。
(ヒータ部4及び通電制御部53)
図1〜図4に示すように、第1固体電解質体21における、第2固体電解質体31が積層された側とは反対側には、第1固体電解質体21及び第2固体電解質体31を加熱するヒータ部4が積層されている。換言すれば、ヒータ部4は、酸素素子部2に対して、アンモニア素子部3が積層された側とは反対側に積層されている。
図1〜図4に示すように、第1固体電解質体21における、第2固体電解質体31が積層された側とは反対側には、第1固体電解質体21及び第2固体電解質体31を加熱するヒータ部4が積層されている。換言すれば、ヒータ部4は、酸素素子部2に対して、アンモニア素子部3が積層された側とは反対側に積層されている。
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。基準ガスAが導入される基準ガスダクト34は、酸素素子部2とアンモニア素子部3との間に形成されている。第1基準電極24及び第2基準電極33は、基準ガスダクト34内に収容されている。
図1〜図4に示すように、発熱体41は、発熱部411と、発熱部411に繋がるリード部412とによって形成されており、発熱部411は、各固体電解質体21,31と各絶縁体26,35,42とが積層された方向において、各電極22,23,24,32,33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53が接続されている。通電制御部53による発熱体41への通電量は、発熱体41へ印加する電圧を変化させることによって調整することができる。通電制御部53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53は、センサ制御ユニット5内に形成されている。
アンモニア素子部3とヒータ部4との距離は、酸素素子部2とヒータ部4との距離よりも大きい。そして、ヒータ部4によって酸素素子部2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3を加熱する温度は低い。酸素素子部2のポンプ電極22及びNOx電極23は、600〜900℃の作動温度範囲内において使用され、アンモニア素子部3のアンモニア電極32は、400〜600℃の作動温度範囲内において使用される。
アンモニア電極32の温度は、ヒータ部4の加熱によって、400〜600℃の作動温度範囲内のいずれかの温度を目標として制御される。通電制御部53は、アンモニア電極32の温度を目標制御温度に制御するときには、NOx電極23を、600〜900℃の作動温度範囲内に加熱するよう構成されている。この構成により、通電制御部53によるヒータ部4の加熱制御によって、アンモニア素子部3のアンモニア電極32及び酸素素子部2のNOx電極23のそれぞれを、アンモニアの検出及びNOxの検出に適切な温度に加熱することができる。
また、酸素素子部2とアンモニア素子部3との間に基準ガスダクト34が形成されていることにより、ヒータ部4によって酸素素子部2及びアンモニア素子部3を加熱する際に、基準ガスダクト34を断熱層として作用させることができる。これにより、酸素素子部2のポンプ電極22及びNOx電極23の温度に比べて、アンモニア素子部3のアンモニア電極32の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部53による通電制御を行うことにより、酸素素子部2及びアンモニア素子部3の温度を目標とする温度に制御する。
(感度補正部54)
図7に示すように、センサ素子10及びハウジング61を有するセンサ本体100を排気管71の取付口711に取り付けたときには、センサ本体100がハウジング61のおねじ部611によって排気管71の取付口711に対して回転することにより、アンモニア電極32が位置するセンサ素子10の外表面311が、排気管71におけるどちらの方向に向けられるかが定まらない。感度補正部54は、センサ本体100が排気管71の取付口711に取り付けられた状態において、検出対象ガスGの流れの上流側方向Jと、第2固体電解質体31の外表面311の面方向Eとの間の角度の違いを受けて第2検出部52に生じる誤差を補正するよう構成されている。
図7に示すように、センサ素子10及びハウジング61を有するセンサ本体100を排気管71の取付口711に取り付けたときには、センサ本体100がハウジング61のおねじ部611によって排気管71の取付口711に対して回転することにより、アンモニア電極32が位置するセンサ素子10の外表面311が、排気管71におけるどちらの方向に向けられるかが定まらない。感度補正部54は、センサ本体100が排気管71の取付口711に取り付けられた状態において、検出対象ガスGの流れの上流側方向Jと、第2固体電解質体31の外表面311の面方向Eとの間の角度の違いを受けて第2検出部52に生じる誤差を補正するよう構成されている。
換言すれば、本形態の感度補正部54は、センサ本体100を排気管71の取付口711に取り付けた際に、アンモニア電極32が設けられた第2固体電解質体31の外表面311が、検出対象ガスGの流れの上流側方向Jに対してどちら側に向けられたかによって、アンモニア電極32を有する第2素子部としてのアンモニア素子部3がアンモニアを検出する感度が変化するといった知見に基づき、感度の変化による検出誤差を補正するものである。
アンモニア素子部3におけるアンモニア電極32は、アンモニア電極32に接触する検出対象ガスGの流れ、換言すれば、アンモニア電極32に供給される検出対象ガスGの流量がある程度確保されることによって、センサ出力としての混成電位(電位差ΔV)を出力する。センサ本体100を排気管71の取付口711に取り付ける際には、センサ本体100のハウジング61のおねじ部611を、取付口711のめねじ部712に締め付ける。このとき、センサ本体100が、おねじ部611の中心及びセンサ素子10の中心を通る中心軸線の回りに回転し、おねじ部611がめねじ部712に締め付けられたところで、排気管71内の検出対象ガスGとしての排ガスの流れの上流側方向Jに対するセンサ素子10の向きが決まる。
(センサ素子10の向きとセンサ出力との関係)
排気管71の取付口711に取り付けられたセンサ本体100のセンサ素子10の向き(角度)によって、排ガスの流れの上流側に対するアンモニア電極32の向きは異なる。図13には、排ガスの流れの上流側方向Jに対する、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度(向き)を異ならせた場合に、アンモニア電極32及び第2基準電極33を用いた第2検出部52の混成電位(電位差ΔV)によるセンサ出力がどれだけ変化するかを示す。また、この場合に、ポンプ電極22及び第1基準電極24を用いた第1検出部51の限界電流によるセンサ出力がどれだけ変化するかも示す。
排気管71の取付口711に取り付けられたセンサ本体100のセンサ素子10の向き(角度)によって、排ガスの流れの上流側に対するアンモニア電極32の向きは異なる。図13には、排ガスの流れの上流側方向Jに対する、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度(向き)を異ならせた場合に、アンモニア電極32及び第2基準電極33を用いた第2検出部52の混成電位(電位差ΔV)によるセンサ出力がどれだけ変化するかを示す。また、この場合に、ポンプ電極22及び第1基準電極24を用いた第1検出部51の限界電流によるセンサ出力がどれだけ変化するかも示す。
同図において、第2検出部52の混成電位を検出する際に、センサ本体100に供給される検出対象ガスGは、窒素中に、アンモニアが100ppm、酸素が10体積%含まれるものとした。第1検出部51の限界電流を検出する際に、センサ本体100に供給される検出対象ガスGは、窒素中に、NOxが100ppm、酸素が10体積%含まれるものとした。第1検出部51及び第2検出部52のセンサ出力においては、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が90°である場合を基準値とし、角度が90°から変化するに連れてセンサ出力が基準値からどれだけ低下するかを示す。なお、アンモニア電極32の面方向Eの角度を変化させたそれぞれの状態において、検出対象ガスGの流速及び温度は一定になるようにした。
ここで、図14aには、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が90°である場合を示す。この場合には、アンモニア電極32に対して排ガスが正面から衝突しやすく、アンモニア電極32に排ガスが供給されやすい状態が形成される。面方向Eの角度が450°の場合は、90°の場合と同じとする。
また、図14bには、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が135°である場合を示す。図14cには、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が180°である場合を示す。これらの場合には、アンモニア電極32に対して排ガスが斜め方向又は横方向から衝突しやすい状態が形成される。面方向Eの角度が360°の場合は、180°の場合と同じとし、面方向Eの角度が405°の場合は、135°の場合と同じとする。
また、図14dには、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が225°である場合を示す。また、図14eには、排ガスの流れの上流側方向Jに対して、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度が270°である場合を示す。これらの場合には、アンモニア電極32に対して排ガスが衝突しにくい状態が形成される。特に、270°の場合には、アンモニア電極32に排ガスが供給されにくい状態が形成される。面方向Eの角度が315°の場合は、270°の場合と同じとする。
図13において、アンモニア電極32の面方向Eの角度が変化した場合でも、第1検出部51の限界電流によるセンサ出力にはほとんど変化がない。このことは、第1検出部51の酸素濃度を示すセンサ出力としての感度には、センサ素子10の向きによる指向性がほとんどないことを意味する。そして、第1検出部51の酸素濃度を示すセンサ出力は、第2検出部52のセンサ出力としての感度の変化を測定する際の基準となることが分かる。なお、第1検出部51を、NOx電極23と第1基準電極24との間に生じる限界電流からNOx濃度を検出するものとした場合にも、同様の結果となる。
同図に示すように、第2検出部52の混成電位によるセンサ出力は、アンモニア電極32の面方向Eの角度が135°及び180°の場合には、基準値となる90°の場合と比べて、ほとんど変化していないことが分かる。これらの場合には、アンモニア電極32に対して検出対象ガスGが十分に供給され、第2検出部52による混成電位が十分に得られたためである。
一方、アンモニア電極32の面方向Eの角度が225°及び270°の場合の第2検出部52の混成電位によるセンサ出力は、基準値となる90°の場合と比べて、低下していることが分かる。これらの場合には、アンモニア電極32に対して検出対象ガスGが十分に供給されず、アンモニアに対するアンモニア電極32の感度が低下したためである。
第2検出部52によるアンモニア濃度を示すセンサ出力の低下は、検出対象ガスGが、センサ素子10を回り込んでアンモニア電極32に到達することによって生じる。そして、第2検出部52のセンサ出力が低下する際には、第2検出部52がアンモニア濃度の変化を検出するための応答時間に遅れが生じる。換言すれば、第2検出部52のセンサ出力と第2検出部52の応答時間との間には密接な関係がある。そのため、感度補正部54は、第2検出部52の応答時間の遅れを検出し、これに基づいて、第2検出部52のセンサ出力に生じる低下量を補正する。
(感度補正係数K)
感度補正部54は、第2検出部52の指向性によって第2検出部52のセンサ出力に生じる低下量を、センサ出力の低下がない状態に補正するための感度補正係数Kとして記憶することができる。そして、感度補正部54は、電位差検出部521によって検出される電位差ΔVに感度補正係数Kを乗算して、補正後電位差ΔVを算出することができる。そして、アンモニア濃度算出部522は、補正後電位差ΔV及び酸素濃度に基づいて、補正後アンモニア濃度を算出することができる。感度補正係数Kは、後述する図18の補正マップによって説明する。
感度補正部54は、第2検出部52の指向性によって第2検出部52のセンサ出力に生じる低下量を、センサ出力の低下がない状態に補正するための感度補正係数Kとして記憶することができる。そして、感度補正部54は、電位差検出部521によって検出される電位差ΔVに感度補正係数Kを乗算して、補正後電位差ΔVを算出することができる。そして、アンモニア濃度算出部522は、補正後電位差ΔV及び酸素濃度に基づいて、補正後アンモニア濃度を算出することができる。感度補正係数Kは、後述する図18の補正マップによって説明する。
(共通ガス成分を酸素とした場合の、センサ素子10の向きと第1応答時間T1及び第2応答時間T2との関係)
図15には、排ガスの流れの上流側方向Jに対する、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度(向き)を異ならせた場合に、第2検出部52が、酸素濃度の変化を混成電位(電位差ΔV)によって検出するために要する第2応答時間T2を示す。また、この場合に、ポンプ電極22及び第1基準電極24を用いた、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513による第1検出部51が、酸素濃度の変化を限界電流によって検出するために要する第1応答時間T1も示す。
図15には、排ガスの流れの上流側方向Jに対する、センサ素子10のアンモニア素子部3におけるアンモニア電極32の面方向Eの角度(向き)を異ならせた場合に、第2検出部52が、酸素濃度の変化を混成電位(電位差ΔV)によって検出するために要する第2応答時間T2を示す。また、この場合に、ポンプ電極22及び第1基準電極24を用いた、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513による第1検出部51が、酸素濃度の変化を限界電流によって検出するために要する第1応答時間T1も示す。
第1検出部51の第1応答時間T1及び第2検出部52の第2応答時間T2においては、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度が90°である場合を基準値とし、角度が90°から変化するに連れて各応答時間T1,T2が基準値からどれだけ長くなるかを示す。使用する検出対象ガスGの組成、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度は、図13の場合と同様である。
図16に示すように、第1応答時間T1及び第2応答時間T2は、検出対象ガスGにおける酸素濃度が変化する際に、センサ出力が、濃度変化後の最終出力の10%になった時点から、濃度変化後の最終出力の90%になった時点までの時間として表す。各応答時間T1,T2は、第1検出部51及び第2検出部52の各センサ出力における変化前出力及び変化後出力を検出した後に求める。各応答時間T1,T2は、変化後出力から変化前出力を差し引いた出力変化量に対して10%出力になった時点と、出力変化量に対して90%出力になった時点との時間差ΔTから求めることができる。なお、各応答時間T1,T2を求める際の出力変化量に対する出力時点は、適宜変更することができる。
同図に示すように、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度を変更した場合においても、第1検出部51が酸素濃度の変化を検出するために要する第1応答時間T1はほとんど変化しない。ガス室25内へ検出対象ガスGを導入する拡散抵抗部251はセンサ素子10の先端部に形成されていることにより、第1検出部51のセンサ出力及び第1検出部51の第1応答時間T1は、排ガスの流れの上流側方向Jに対するセンサ素子10の配置角度の影響を受けないと考える。また、第1検出部51は、限界電流を利用するものであるため、排ガスの流れの上流側方向Jに対するセンサ素子10の配置角度の影響を受けないと考える。
また、第2検出部52がアンモニア濃度の変化を検出する際の第2応答時間T2は、アンモニア電極32の面方向Eの角度が135°及び180°の場合には、基準値となる90°の場合と比べて、ほとんど変化していないことが分かる。一方、アンモニア電極32の面方向Eの角度が225°及び270°の場合の第2検出部52の第2応答時間T2は、基準値となる90°の場合と比べて、長くなっていることが分かる。これらの場合の理由については、図13の場合と同様である。
感度補正部54によって第2検出部52のセンサ出力としてのアンモニア濃度を補正する際には、第2検出部52の第2応答時間T2と第1検出部51の第1応答時間T1との時間差ΔTを利用する。第1検出部51の第1応答時間T1は、アンモニア電極32の面方向Eの角度による影響を受けないため、第2検出部52に生じる第2応答時間T2の遅れを求める際の基準となる。
また、各検出部51,52によるセンサ出力の変化は、図16に示すように、増加する場合だけでなく、図17に示すように、減少する場合もある。図17においても、図16の場合と同様に、第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTを求めることができる。
(共通ガス成分を酸素とする場合の関係グラフN1及び補正マップN2)
ガス濃度検出装置1の使用前の試験時においては、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第2検出部52のセンサ出力の低下量との関係を求める。ここで、第1検出部51は、ポンプ電極22及び第1基準電極24を利用する、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成する。また、ポンプ電極22及びアンモニア電極32に供給する共通ガス成分は酸素とする。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTとの関係を求める。
ガス濃度検出装置1の使用前の試験時においては、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第2検出部52のセンサ出力の低下量との関係を求める。ここで、第1検出部51は、ポンプ電極22及び第1基準電極24を利用する、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成する。また、ポンプ電極22及びアンモニア電極32に供給する共通ガス成分は酸素とする。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTとの関係を求める。
この場合には、図15に示すように、第2検出部52の応答速度が、酸素濃度を検出する第1検出部51の応答速度よりも遅い関係により、第2応答時間T2が第1応答時間T1よりも大きな値として測定される。第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTは、絶対値として扱うことができる。つまり、時間差ΔTは、ΔT=|T1−T2|によって求めることができる。そして、図18に示すように、試験時において、アンモニア電極32の面方向Eが複数の角度である場合について、センサ出力と時間差ΔTとの関係を関係グラフN1として求める。この関係グラフN1は、時間差ΔTが長いほどセンサ出力が小さい関係として求められる。
また、図18に示すように、試験時において、関係グラフN1におけるセンサ出力が最大であるときを基準とし、時間差ΔTが短くなるに連れて補正係数が大きくなる補正マップN2を、関係グラフN1の逆数の関係として求める。この補正マップN2は、ガス濃度検出装置1の使用時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度が180°を超えて大きくなった場合に生じる第2検出部52のセンサ出力の低下量分を、面方向Eの角度が90°である場合の、基準となるセンサ出力の大きさに合わせるためのものである。
また、ガス濃度検出装置1の試験時において、補正マップN2を感度補正部54に記憶する。感度補正係数Kは、ガス濃度検出装置1の使用時において求められた時間差ΔTを、ガス濃度検出装置1の使用前の試験時において求められた補正マップN2に照合したときに、所定の係数として得られる。
同図に示すように、ガス濃度検出装置1の使用時においては、感度補正部54は、第1応答時間T1と第2応答時間T2とから求まる時間差ΔTを補正マップN2に代入して、第2検出部52のセンサ出力としてのアンモニア濃度を補正する。これにより、センサ本体100が排気管71の取付口711に取り付けられたときに、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度が180°を超えて大きくなった場合であっても、感度補正部54によって、第2検出部52によるアンモニア濃度を示すセンサ出力が補正される。そのため、排気管71に対するセンサ本体100の組付状態によって、第2検出部52によって検出されるアンモニア濃度にばらつきが生じることを防止することができる。
なお、センサ素子10において、ポンプ電流検出部512によるポンプ電流の検出の応答速度は、電位差検出部521による電位差ΔVの検出の応答速度よりも速く、電位差検出部521による電位差ΔVの検出の応答速度は、NOx検出部514によるNOxの検出の応答速度よりも速い関係にある。
(第1出力変化時B1及び第2出力変化時B2)
感度補正部54は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTを利用する代わりに、種々の時間差ΔTを利用することができる。例えば、図19に示すように、感度補正部54は、第1検出部51による第1出力変化時B1と第2検出部52による第2出力変化時B2との時間差ΔTを利用することもできる。第1出力変化時B1と第2出力変化時B2との時間差ΔTは、絶対値として扱うことができる。つまり、時間差ΔTは、ΔT=|C1−C2|によって求めることができる。各出力変化時B1,C2は、各検出部51,52のセンサ出力の変化が開始する時とすることができる。この場合の時間差ΔTは、第1検出部51の第1出力変化開始時と第2検出部52の第2出力変化開始時との時間差ΔTとすることができる。
感度補正部54は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTを利用する代わりに、種々の時間差ΔTを利用することができる。例えば、図19に示すように、感度補正部54は、第1検出部51による第1出力変化時B1と第2検出部52による第2出力変化時B2との時間差ΔTを利用することもできる。第1出力変化時B1と第2出力変化時B2との時間差ΔTは、絶対値として扱うことができる。つまり、時間差ΔTは、ΔT=|C1−C2|によって求めることができる。各出力変化時B1,C2は、各検出部51,52のセンサ出力の変化が開始する時とすることができる。この場合の時間差ΔTは、第1検出部51の第1出力変化開始時と第2検出部52の第2出力変化開始時との時間差ΔTとすることができる。
また、例えば、各出力変化時B1,C2は、各検出部51,52のセンサ出力の変化が終了する時とすることもできる。この場合の時間差ΔTは、第1検出部51の第1出力変化終了時と第2検出部52の第2出力変化終了時との時間差ΔTとすることができる。さらに、例えば、各出力変化時B1,C2は、各検出部51,52のセンサ出力が変化後の最終出力の50%に到達した時点とすることもできる。この場合の時間差ΔTは、第1検出部51の出力が50%に到達した時点と、第2検出部52の出力が50%に到達した時点との時間差ΔTとすることができる。
(第1応答速度U1及び第2応答速度U2)
また、感度補正部54は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTに代えて、図20に示すように、第1検出部51による第1応答速度U1と第2検出部52による第2応答速度U2との速度差ΔUを利用することもできる。各応答速度U1,U2は、各検出部51,52のセンサ出力が変化するときの変化量を時間で割った値、換言すれば、時間とセンサ出力との関係グラフN1における傾きとすることができる。第1応答速度U1と第2応答速度U2との速度差ΔUは、絶対値として扱うことができる。つまり、速度差ΔUは、ΔU=|U1−U2|によって求めることができる。各応答速度U1,U2を用いる場合にも、各応答時間T1,T2を用いる場合と同様に、関係グラフN1及び補正マップN2を形成することができる。
また、感度補正部54は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTに代えて、図20に示すように、第1検出部51による第1応答速度U1と第2検出部52による第2応答速度U2との速度差ΔUを利用することもできる。各応答速度U1,U2は、各検出部51,52のセンサ出力が変化するときの変化量を時間で割った値、換言すれば、時間とセンサ出力との関係グラフN1における傾きとすることができる。第1応答速度U1と第2応答速度U2との速度差ΔUは、絶対値として扱うことができる。つまり、速度差ΔUは、ΔU=|U1−U2|によって求めることができる。各応答速度U1,U2を用いる場合にも、各応答時間T1,T2を用いる場合と同様に、関係グラフN1及び補正マップN2を形成することができる。
第1出力変化時B1及び第2出力変化時B2、又は第1応答速度U1及び第2応答速度U2を求める場合においても、各検出部51,52によるセンサ出力の変化は、増加する場合だけでなく、減少する場合であってもよい。
(共通ガス成分としての酸素濃度が基準変化量以上変化する変化形成時期)
基準変化量以上の、共通ガス成分の濃度の変化が形成される変化形成時期は、次の種々のタイミングとすることができる。例えば、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513による、酸素濃度を検出する第1検出部51を用い、共通ガス成分として酸素を用いる場合には、車両の内燃機関7のフューエルカット運転の開始時又は終了時を変化形成時期とすることができる。
基準変化量以上の、共通ガス成分の濃度の変化が形成される変化形成時期は、次の種々のタイミングとすることができる。例えば、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513による、酸素濃度を検出する第1検出部51を用い、共通ガス成分として酸素を用いる場合には、車両の内燃機関7のフューエルカット運転の開始時又は終了時を変化形成時期とすることができる。
フューエルカット運転の開始時においては、燃料噴射装置等から内燃機関7の各気筒に供給するための燃料の噴射が停止される。このとき、内燃機関7の各気筒から排気管71に排気される、検出対象ガスGとしての排ガスの組成は、酸素濃度が低い状態から酸素濃度が高い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が高くなる方向に基準変化量以上変化し、この変化のタイミングを感度補正部54に利用することができる。
また、フューエルカット運転の停止時においては、燃料噴射装置等から内燃機関7の各気筒に供給するための燃料の噴射が再開される。このとき、内燃機関7の各気筒から排気管71に排気される、検出対象ガスGとしての排ガスの組成は、酸素濃度が高い状態から酸素濃度が低い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化し、この変化のタイミングを感度補正部54に利用することができる。
また、例えば、ポンプ電極22、第1基準電極24、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513による、酸素濃度を検出する第1検出部51を用い、共通ガス成分として酸素を用いる場合には、車両の内燃機関7のアイドリング運転の終了時を変化形成時期とすることができる。アイドリング運転の終了時においては、車両の運転手等によってアクセルペダルが踏み込まれ、燃料噴射装置等から内燃機関7の各気筒に供給される燃料の噴射量が増加する。このとき、内燃機関7の各気筒から排気管71に排気される、検出対象ガスGとしての排ガスの組成は、酸素濃度が高い状態から酸素濃度が低い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化することがある。そして、この変化のタイミングを感度補正部54に利用することができる。
(感度補正係数Kを求めるタイミング)
センサ制御ユニット5においては、電位差検出部521による電位差ΔV、ポンプ電流検出部512によるポンプ電流(限界電流)、及びNOx検出部514によるセンサ電流(限界電流)を、これらの検出が行われるごとに適宜保存することができる。センサ制御ユニット5は、エンジン制御ユニット50からフューエルカット運転の開始時又は停止時、アイドリング運転の終了時を示す感度補正信号を受け取ることができる。そして、感度補正部54は、感度補正信号を受け取った後、記憶した過去の所定期間内の電位差ΔV、ポンプ電流及びセンサ電流のデータを用いて、第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTを求めることができる。そして、この時間差ΔTに基づいて、電位差ΔV又はアンモニア濃度を補正するための感度補正係数Kを求めることができる。
センサ制御ユニット5においては、電位差検出部521による電位差ΔV、ポンプ電流検出部512によるポンプ電流(限界電流)、及びNOx検出部514によるセンサ電流(限界電流)を、これらの検出が行われるごとに適宜保存することができる。センサ制御ユニット5は、エンジン制御ユニット50からフューエルカット運転の開始時又は停止時、アイドリング運転の終了時を示す感度補正信号を受け取ることができる。そして、感度補正部54は、感度補正信号を受け取った後、記憶した過去の所定期間内の電位差ΔV、ポンプ電流及びセンサ電流のデータを用いて、第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTを求めることができる。そして、この時間差ΔTに基づいて、電位差ΔV又はアンモニア濃度を補正するための感度補正係数Kを求めることができる。
この感度補正係数Kの求め方は、第1出力変化時B1及び第2出力変化時B2、又は第1応答速度U1及び第2応答速度U2を求める場合においても同様である。
(ガス濃度検出装置1の制御方法)
次に、本形態のガス濃度検出装置1の制御方法の一例を、図21のフローチャートを参照して説明する。
車両の内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、ガス濃度検出装置1、還元剤供給装置73等が動作する。また、ガス濃度検出装置1における通電制御部53によって発熱体41が通電され、センサ素子10が活性温度になるまで加熱される。そして、センサ素子10が活性化された後、ガス濃度検出装置1による、アンモニア濃度、NOx濃度、酸素濃度の検出が開始される(ステップS101)。
次に、本形態のガス濃度検出装置1の制御方法の一例を、図21のフローチャートを参照して説明する。
車両の内燃機関7の燃焼運転が開始されたときには、ガス濃度検出装置1、還元剤供給装置73等が動作する。また、ガス濃度検出装置1における通電制御部53によって発熱体41が通電され、センサ素子10が活性温度になるまで加熱される。そして、センサ素子10が活性化された後、ガス濃度検出装置1による、アンモニア濃度、NOx濃度、酸素濃度の検出が開始される(ステップS101)。
具体的には、ガス濃度検出装置1においては、電位差検出部521によって、アンモニア電極32と第2基準電極33との間に生じる電位差ΔVが検出されるとともに、ポンプ電流検出部512によって、ポンプ電極22と第1基準電極24との間に流れるポンプ電流が検出される。また、NOx検出部514によってNOx電極23と第1基準電極24との間に生じるセンサ電流が検出される(ステップS102)。
また、酸素濃度算出部513によって、ポンプ電流検出部512によるポンプ電流に基づいて、検出対象ガスGにおける酸素濃度が算出される(ステップS103)。また、アンモニア濃度算出部522によって、電位差検出部521による電位差ΔVに感度補正係数Kが乗算されて、酸素濃度及び感度補正係数Kによって補正された、検出対象ガスGにおける補正後アンモニア濃度が算出される(ステップS104)。感度補正係数Kの変更がなされていない初期時においては、感度補正係数Kは、補正がないことを示す1とする。また、NOx濃度算出部515によって、NOx検出部514によるセンサ電流に基づいて、検出対象ガスGにおける補正前NOx濃度が算出され、補正前NOx濃度から補正後アンモニア濃度が差し引かれて補正後NOx濃度が算出される(ステップS105)。
また、センサ制御ユニット5においては、電位差ΔV及びポンプ電流の検出時から遡った所定期間における、電位差検出部521による電位差ΔV(混成電位)及びポンプ電流検出部512によるポンプ電流(限界電流)が記憶される(ステップS106)。次いで、アンモニア濃度を検出する第2検出部52による感度を補正する条件としての感度補正条件が満たされたか否かが判定される(ステップS107)。具体的には、感度補正条件は、例えば、共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化が形成されるフューエルカット運転の開始時が検出された時とする。
そして、感度補正条件が満たされたとき、すなわち、センサ制御ユニット5が、エンジン制御ユニット50からフューエルカット運転が開始されたことの情報を受信したときには、感度補正部54によって、記憶した所定期間におけるポンプ電流のデータから第1応答時間T1が求められるとともに、記憶した所定期間における電位差ΔVのデータから第2応答時間T2が求められる(ステップS108)。また、感度補正部54によって、第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTから、電位差ΔVを補正するための補正係数が求められ、この補正係数によって感度補正係数Kを変更する(ステップS109)。感度補正係数Kは、感度補正部54によって、時間差ΔTが補正マップN2に代入されたときに求められる。
次いで、再び、ステップS104において、アンモニア濃度算出部522によって、電位差検出部521による電位差ΔVに基づいて、検出対象ガスGにおけるアンモニア濃度が算出されるときには、感度補正部54によって、電位差ΔVに感度補正係数Kが乗算されて、電位差ΔVが補正される。これにより、排ガスの流れの上流側方向Jに対するセンサ素子10の向きによって生じる第2検出部52の感度のずれ(低下)によるアンモニア濃度の誤差が補正される。以後、ステップS102〜S106が繰り返し実行されてアンモニア濃度が算出されるごとに、感度補正係数Kによるアンモニア濃度の補正がなされる。
感度補正係数Kは、ステップS107の感度補正条件が複数回満たされたときに求められる値の平均値としてもよい。また、適宜タイミングで、内燃機関7の燃焼運転が停止されたときには、ガス濃度検出装置1による、アンモニア濃度、NOx濃度、酸素濃度の検出が終了される。
(作用効果)
本形態のガス濃度検出装置1は、限界電流(ポンプ電流)に基づいて酸素濃度を検出する第1検出部51と、電位差ΔV(混成電位)に基づいてアンモニア濃度を検出する第2検出部52とを備える場合に、第1検出部51及び第2検出部52が共通ガス成分としての酸素を検出する際の、第1検出部51の第1応答時間T1と第2検出部52の第2応答時間T2との時間差ΔTを利用して、第2検出部52によるアンモニア濃度を補正するものである。
第1検出部51を構成するポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513は、検出対象ガスGの流量が律速(制限)されるとともにポンプ電極22と第1基準電極24との間に直流電圧が印加される状態において検出される限界電流を利用するものである。そのため、ポンプ電流検出部512によるポンプ電流の検出にポンプ電極22の触媒性能はほとんど影響しない。そして、酸素濃度算出部513による酸素濃度の検出には誤差がほとんど生じない。
一方、第2検出部52を構成する電位差検出部521及びアンモニア濃度算出部522は、検出対象ガスGがアンモニア電極32に接触するときに検出される電位差ΔVを利用するものであり、電位差検出部521による電位差ΔVの検出にアンモニア電極32の触媒性能が大きく影響する。そして、アンモニア濃度算出部522によるアンモニア濃度の検出には誤差が生じやすい。
感度補正部54においては、第1検出部51によって共通ガス成分としての酸素の濃度を検出する際の第1応答時間T1を、第2検出部52の感度の補正を行うための基準とする。そして、感度補正部54は、第1応答時間T1に対して、第2検出部52によって共通ガス成分としての酸素の濃度を検出する際の第2応答時間T2がどれだけ異なるかを検知して、第2検出部52によるアンモニア濃度を補正する量を求める。
より具体的には、感度補正部54においては、ポンプ電極22及びアンモニア電極32に接触する共通ガス成分としての酸素の濃度が基準変化量以上変化したときの第1応答時間T1及び第2応答時間T2を求める。アンモニアに対する電位差検出部521の感度は、アンモニア電極32の触媒性能の影響を受ける。そして、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTと、電位差検出部521がアンモニアを検出する感度とは互いに関連している。
本形態のガス濃度検出装置1の感度補正部54においては、時間差ΔTと、アンモニアに対する電位差検出部521の感度との関係性を利用する。そして、感度補正部54においては、時間差ΔTは、アンモニアに対する電位差検出部521の感度を反映するものとして、アンモニア濃度算出部522によるアンモニア濃度の補正に利用する。
これにより、アンモニアに対する電位差検出部521の感度が、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度の影響を受けて変化する、指向性を有していても、感度補正部54によって、アンモニア濃度算出部522によるアンモニア濃度を補正し、ガス濃度検出装置1から出力されるアンモニア出力濃度に誤差が生じにくくすることができる。
それ故、本形態のガス濃度検出装置1によれば、酸素濃度及びアンモニア濃度を検出する場合に、電位差ΔVに基づくアンモニア出力濃度に誤差が生じにくくすることができる。
なお、第2検出部52によって検出する第2ガス成分は、アンモニアとする以外にも、二酸化窒素(NO2)とすることもできる。この場合には、第2素子部の混成電位電極には、二酸化窒素に対する触媒活性を有する電極を用いる。また、この場合には、混成電位電極においては、検出対象ガスGに含まれる酸素の電気化学的還元反応と検出対象ガスGに含まれる二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位が検出される。この場合においても、アンモニア濃度を検出する場合と同様の作用効果が得られる。
<実施形態2>
本形態は、図22に示すように、第1検出部51をNOx検出部514及びNOx濃度算出部515によって構成し、かつ第1検出部51を第1ガス成分濃度としてのNOx濃度を検出するものとしたガス濃度検出装置1について示す。本形態のガス濃度検出装置1は、第2検出部52による第2ガス成分濃度の補正に利用する第1検出部51を、NOx濃度を検出するものに変更したものである。本形態のセンサ素子10の基本的な構造は、実施形態1の場合と同様である。
本形態は、図22に示すように、第1検出部51をNOx検出部514及びNOx濃度算出部515によって構成し、かつ第1検出部51を第1ガス成分濃度としてのNOx濃度を検出するものとしたガス濃度検出装置1について示す。本形態のガス濃度検出装置1は、第2検出部52による第2ガス成分濃度の補正に利用する第1検出部51を、NOx濃度を検出するものに変更したものである。本形態のセンサ素子10の基本的な構造は、実施形態1の場合と同様である。
本形態の感度補正部54において用いる共通ガス成分は、NOx検出部514及び電位差検出部521に対する感度を有するアンモニアとする。アンモニアは、例えば600℃以上の高い温度に晒されたときに酸化し、NOxを生成することが知られている。そして、アンモニアは、600℃以上に加熱された第1固体電解質体21、ポンプ電極22、拡散抵抗部251等によってNOxに変換された状態でNOx電極23に到達すると考えられる。そのため、NOx検出部514及び電位差検出部521に対して感度を有する共通ガス成分はアンモニアとすることができる。
共通ガス成分をアンモニアとする場合には、第1応答時間T1は、第1検出部51が、NOx電極23、第1基準電極24、NOx検出部514及びNOx濃度算出部515を用いて、アンモニア濃度を検出するために要する時間とする。この場合に、第1検出部51は、アンモニアの酸化によって生成されたNOxの濃度を検出することになる。また、第2応答時間T2は、第2検出部52が、アンモニア濃度の変化を混成電位(電位差ΔV)によって検出するために要する時間とする。
(共通ガス成分をアンモニアとする場合の関係グラフN1及び補正マップN2)
本形態のガス濃度検出装置1の使用前の試験時においても、排気管71における排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第2検出部52のセンサ出力の低下量との関係を求める。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTとの関係を求める。
本形態のガス濃度検出装置1の使用前の試験時においても、排気管71における排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第2検出部52のセンサ出力の低下量との関係を求める。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度と、第1応答時間T1及び第2応答時間T2における時間差ΔTとの関係を求める。
この場合には、図23に示すように、アンモニアが変換されて生成されたNOxを検出する第1検出部51の応答速度が、第2検出部52の応答速度よりも遅い関係により、第1応答時間T1が第2応答時間T2よりも大きな値として測定される。第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTは、絶対値として扱うことができる。そして、図24に示すように、試験時において、アンモニア電極32の面方向Eが複数の角度である場合について、センサ出力と時間差ΔTとの関係を関係グラフN1として求める。この関係グラフN1は、時間差ΔTが長いほどセンサ出力が大きい関係として求められる。
また、図24に示すように、関係グラフN1におけるセンサ出力が最大であるときを基準とし、時間差ΔTが短くなるに連れて補正係数が大きくなる補正マップN2を、関係グラフN1の逆数の関係として求める。この補正マップN2は、ガス濃度検出装置1の使用時において、排ガスの流れの上流側方向Jに対するアンモニア電極32の面方向Eの角度が180°を超えて大きくなった場合に生じる第2検出部52のセンサ出力の低下量分を、基準となるセンサ出力の大きさに合わせるためのものである。また、ガス濃度検出装置1の試験時において、補正マップN2を感度補正部54において記憶する。
(共通ガス成分としてのアンモニア濃度が基準変化量以上変化する変化形成時期)
NOx検出部514及びNOx濃度算出部515による、アンモニア濃度を検出する第1検出部51を用い、共通ガス成分としてアンモニアを用いる場合には、感度補正部54が利用する変化形成時期は、車両の内燃機関7のフューエルカット運転時又はアイドリング運転時に、共通ガス成分としてのアンモニアの濃度が基準変化量以上変化する場合を変化形成時期とすることができる。
NOx検出部514及びNOx濃度算出部515による、アンモニア濃度を検出する第1検出部51を用い、共通ガス成分としてアンモニアを用いる場合には、感度補正部54が利用する変化形成時期は、車両の内燃機関7のフューエルカット運転時又はアイドリング運転時に、共通ガス成分としてのアンモニアの濃度が基準変化量以上変化する場合を変化形成時期とすることができる。
還元剤供給装置73から内燃機関7の排気管71に供給される還元剤Kとしてのアンモニアは、触媒72に付着されなくなったときには、触媒72から排気管71へ流出する。このとき、第2検出部52においては、共通ガス成分としてのアンモニア濃度が高くなる方向に基準変化量以上変化することがある。また、触媒72から排気管71へ流出するアンモニアの量が減少するとき、第2検出部52においては、共通ガス成分としてのアンモニア濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化することがある。そして、この変化のタイミングを感度補正部54に利用することができる。
また、共通ガス成分として利用する、検出対象ガスG中のアンモニアは、還元剤供給装置73から噴射する尿素水によって、触媒72に付着されるよりも若干過剰に存在して、触媒72から流出するアンモニアとすることができる。この場合には、アンモニアを意図的に発生させ、検出対象ガスGにおけるアンモニア濃度が基準変化量以上変化する状態を形成することができる。
本形態のガス濃度検出装置1の制御方法は、実施形態1の場合と同様である。本形態においては、図21のステップS107における感度補正条件が満たされる変化形成時期は、フューエルカット運転時又はアイドリング運転時に設定することができる。
なお、アンモニア電極32においては、検出対象ガスGにおけるNOxを検出することができる場合もある。この場合には、感度補正部54において利用する共通ガス成分を、NOxとしてもよい。
本形態のガス濃度検出装置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。
<実施形態3>
本形態のガス濃度検出装置1は、図25に示すように、感度補正部54等の他に、第2素子部としてのアンモニア素子部3における劣化の有無又は劣化度合を判定する劣化判定部55を備える。劣化判定部55は、内燃機関7から排気管71へ排気される検出対象ガスGとしての排ガスの組成が変化しにくい状態において、ガス濃度検出装置1の使用初期において求めた初期時間差ΔTaと、ガス濃度検出装置1の使用開始後の所定時間経過後において求めた使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcを判定する。
本形態のガス濃度検出装置1は、図25に示すように、感度補正部54等の他に、第2素子部としてのアンモニア素子部3における劣化の有無又は劣化度合を判定する劣化判定部55を備える。劣化判定部55は、内燃機関7から排気管71へ排気される検出対象ガスGとしての排ガスの組成が変化しにくい状態において、ガス濃度検出装置1の使用初期において求めた初期時間差ΔTaと、ガス濃度検出装置1の使用開始後の所定時間経過後において求めた使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcを判定する。
初期時間差ΔTaは、ガス濃度検出装置1の使用初期において、第1検出部51による第1応答時間T1と第2検出部52による第2応答時間T2との時間差ΔTとして求める。使用後時間差ΔTbは、ガス濃度検出装置1の所定時間経過後において、第1検出部51による第1応答時間T1と第2検出部52による第2応答時間T2との時間差ΔTとして求める。
そして、劣化判定部55は、初期時間差ΔTaと使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcが所定の時間差ΔT0を超えた場合には、アンモニア素子部3に劣化が生じたと判定することができる。また、劣化判定部55は、初期時間差ΔTaと使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcが所定の時間差ΔT0以内の場合には、アンモニア素子部3には劣化が生じていない又はアンモニア素子部3に生じた劣化は許容できるものと判定することができる。時間差ΔTcは、絶対値として、ΔTc=|ΔTa−ΔTb|によって求めることができる。
使用後時間差ΔTbを求める時期を決定する所定時間は、ガス濃度検出装置1が搭載された車両の走行距離が所定の走行距離になったときとすることができる。また、劣化判定部55は、初期時間差ΔTaと使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTc、初期時間差ΔTaに対する使用後時間差ΔTbの比等に基づいて、アンモニア素子部3における劣化度合を判定することもできる。
また、劣化判定部55は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2の代わりに、実施形態1の場合と同様に、第1出力変化時B1及び第2出力変化時B2を用いることもできる。この場合には、劣化判定部55は、ガス濃度検出装置1の使用初期において求めた、第1検出部51による第1出力変化時B1と第2検出部52による第2出力変化時B2との初期時間差ΔTaと、ガス濃度検出装置1の使用開始後の所定時間経過後において求めた、第1検出部51による第1出力変化時B1と第2検出部52による第2出力変化時B2との使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcに基づいて劣化の有無又は劣化度合を判定することができる。
また、劣化判定部55は、第1応答時間T1及び第2応答時間T2の代わりに、実施形態1の場合と同様に、第1応答速度U1及び第2応答速度U2を用いることもできる。この場合には、劣化判定部55は、ガス濃度検出装置1の使用初期において求めた、第1検出部51による第1応答速度U1と第2検出部52による第2応答速度U2との初期速度差ΔUaと、ガス濃度検出装置1の使用開始後の所定時間経過後において求めた、第1検出部51による第1応答速度U1と第2検出部52による第2応答速度U2との使用後速度差ΔUbとの速度差ΔUcに基づいて劣化の有無又は劣化度合を判定することができる。
また、第1検出部51は、共通ガス成分を酸素とする場合には、実施形態1の場合と同様に、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成することができる。また、第1検出部51は、共通ガス成分をアンモニアとする場合には、実施形態2の場合と同様に、NOx検出部514及びNOx濃度算出部515によって構成することができる。
(ガス濃度検出装置1の制御方法)
次に、本形態のガス濃度検出装置1の制御方法の一例を、図26及び図27のフローチャートを参照して説明する。
本形態においても、実施形態1の図21のステップS101と同様に、センサ素子10が活性化された後、ガス濃度検出装置1による、アンモニア濃度、NOx濃度、酸素濃度の検出が開始される(図26のステップS201)。次いで、検出ルーチン(ステップS202)として、実施形態1の図21のステップS102〜S106と同様にして、図27のステップS251〜S255が実行される。
次に、本形態のガス濃度検出装置1の制御方法の一例を、図26及び図27のフローチャートを参照して説明する。
本形態においても、実施形態1の図21のステップS101と同様に、センサ素子10が活性化された後、ガス濃度検出装置1による、アンモニア濃度、NOx濃度、酸素濃度の検出が開始される(図26のステップS201)。次いで、検出ルーチン(ステップS202)として、実施形態1の図21のステップS102〜S106と同様にして、図27のステップS251〜S255が実行される。
次いで、ガス濃度検出装置1の動作を開始した後、劣化判定を行うための所定時間が経過したか否かを判定する(ステップS203)。所定時間が経過する前においては、アンモニア濃度を検出する第2検出部52による感度を補正する条件としての感度補正条件が満たされたか否かが判定される(ステップS204)。そして、感度補正条件が満たされたときには、実施形態1の図21のステップS108及びS109と同様にして、図26のステップS205及びS206が実行される。ステップS205及びS206においては、感度補正部54によって求められた第1応答時間T1と第2応答時間T2との時間差ΔTを、初期時間差ΔTaとする。
一方、ステップS203において、所定時間が経過したと判定されたときには、感度補正部54は、使用後時間差ΔTbを、第1検出部51による第1応答時間T1と第2検出部52による第2応答時間T2との時間差ΔTとして求める(ステップS207)。次いで、劣化判定部55は、初期時間差ΔTaと使用後時間差ΔTbとの時間差ΔTcが所定の時間差ΔT0を超えたか否かを判定する(ステップS208)。ΔTcは、ΔTc=|ΔTa−ΔTb|によって求める。
ステップS208において、時間差ΔTcが所定の時間差ΔT0以内にある場合には、劣化判定部55は、アンモニア素子部3に劣化が生じていないことを検知する(ステップS209)。そして、劣化判定を行う時期を決定するための所定時間をリセットし(ステップS210)、ステップS202の検出ルーチンが再び繰り返し行われるようにする。
ステップS208において、時間差ΔTcが所定の時間差ΔT0を超えた場合には、劣化判定部55は、アンモニア素子部3に劣化が生じたことを検知する(ステップS211)。そして、劣化判定部55は、ランプ表示等によって、劣化が発生したことを警告することができる(ステップS212)。この場合にも、劣化判定を行う時期を決定するための所定時間をリセットし(ステップS210)、ステップS202の検出ルーチンが再び繰り返し行われるようにする。
(作用効果)
アンモニア素子部3におけるアンモニア電極32は、混成電位を検出するものであり、その触媒性能の劣化が検出精度に影響を与えやすい。アンモニア電極32は、加熱されることによって劣化するとともに、検出対象ガスGとしての排ガスに含まれる被毒物質等の影響を受けても劣化する。アンモニア素子部3を用いた第2検出部52によるアンモニア濃度の検出においては、アンモニア電極32の触媒能力による影響を受けて誤差が生じやすい。
アンモニア素子部3におけるアンモニア電極32は、混成電位を検出するものであり、その触媒性能の劣化が検出精度に影響を与えやすい。アンモニア電極32は、加熱されることによって劣化するとともに、検出対象ガスGとしての排ガスに含まれる被毒物質等の影響を受けても劣化する。アンモニア素子部3を用いた第2検出部52によるアンモニア濃度の検出においては、アンモニア電極32の触媒能力による影響を受けて誤差が生じやすい。
そこで、本形態のガス濃度検出装置1においては、感度補正部54による第2検出部52の感度の補正を行うとともに、劣化判定部55によるアンモニア素子部3の劣化の有無を判定する。これにより、アンモニア素子部3に、アンモニア濃度の検出精度を悪化させる程度の劣化が生じた場合には、車両の乗員に警告をし、ガス濃度検出装置1のメンテナンスを行うことを促すことができる。
本形態のガス濃度検出装置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1,2の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態1,2に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1,2の場合と同様である。
<実施形態4>
本形態は、酸素濃度及びアンモニア濃度を検出する機能を有する一方、NOxを検出する機能を有しないセンサ素子10について示す。図28及び図29に示すように、第1固体電解質体21には、ポンプ電極22及び第1基準電極24が形成されており、NOx電極23は形成されていない。酸素素子部2は、第1固体電解質体21、ポンプ電極22、第1基準電極24、ガス室25及び拡散抵抗部251によって形成されている。本形態のアンモニア素子部3の構成は、実施形態1の場合と同様である。
本形態は、酸素濃度及びアンモニア濃度を検出する機能を有する一方、NOxを検出する機能を有しないセンサ素子10について示す。図28及び図29に示すように、第1固体電解質体21には、ポンプ電極22及び第1基準電極24が形成されており、NOx電極23は形成されていない。酸素素子部2は、第1固体電解質体21、ポンプ電極22、第1基準電極24、ガス室25及び拡散抵抗部251によって形成されている。本形態のアンモニア素子部3の構成は、実施形態1の場合と同様である。
本形態の第1検出部51は、検出対象ガスGにおける酸素濃度を検出するよう、ポンピング部511、ポンプ電流検出部512及び酸素濃度算出部513によって構成されている。本形態における感度補正部54の構成は、実施形態1の場合と同様である。本形態のガス濃度検出装置1の構成は、NOxを検出する機能を有していない点以外は、実施形態1の場合と同様である。
本形態のガス濃度検出装置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1〜3の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態1〜3に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1〜3の場合と同様である。
実施形態1〜4のガス濃度検出装置1のセンサ素子10において、基準ガスダクト34は形成しないこともできる。
また、アンモニア素子部3の第2基準電極33は、基準ガスダクト34内に配置しないこともできる。この場合には、アンモニア電極32及び第2基準電極33を、センサ素子10の外側表面を構成する第2固体電解質体31の外表面311に配置することができる。この場合には、アンモニア電極32と第2基準電極33とのアンモニアに対する触媒活性の違いに基づき、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度を検出することができる。
また、アンモニア素子部3の第2基準電極33は、基準ガスダクト34内に配置しないこともできる。この場合には、アンモニア電極32及び第2基準電極33を、センサ素子10の外側表面を構成する第2固体電解質体31の外表面311に配置することができる。この場合には、アンモニア電極32と第2基準電極33とのアンモニアに対する触媒活性の違いに基づき、検出対象ガスGにおけるアンモニアの濃度を検出することができる。
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。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
1 ガス濃度検出装置
2 酸素素子部(第1素子部)
21 第1固体電解質体
22,23,24 第1電極
25 ガス室
3 アンモニア素子部(第2素子部)
31 第2固体電解質体
32,33 第2電極
51 第1検出部
52 第2検出部
2 酸素素子部(第1素子部)
21 第1固体電解質体
22,23,24 第1電極
25 ガス室
3 アンモニア素子部(第2素子部)
31 第2固体電解質体
32,33 第2電極
51 第1検出部
52 第2検出部
Claims (9)
- イオン伝導性の第1固体電解質体(21)、前記第1固体電解質体に設けられた一対の第1電極(22,23,24)、及び拡散抵抗部(251)を介して検出対象ガス(G)が導入されるとともに一対の前記第1電極の一方を収容するガス室(25)を有する第1素子部(2)と、
前記拡散抵抗部によって前記ガス室への前記検出対象ガスの流量が律速されるとともに一対の前記第1電極間に直流電圧が印加される状態において、一対の前記第1電極間に流れる直流電流に基づいて前記検出対象ガスにおける第1ガス成分濃度を検出する第1検出部(51)と、
前記第1固体電解質体に絶縁体(35)を介して積層されたイオン伝導性の第2固体電解質体(31)、及び前記第2固体電解質体に設けられた一対の第2電極(32,33)を有する第2素子部(3)と、
前記第2固体電解質体の前記検出対象ガスに晒される外表面(311)に一対の前記第2電極の少なくとも一方が設けられた状態において、一対の前記第2電極間に生じる電位差(ΔV)に基づいて前記検出対象ガスにおける第2ガス成分濃度を検出する第2検出部(52)と、
前記検出対象ガスに含まれる、前記第1検出部及び前記第2検出部の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、前記第1検出部及び前記第2検出部によって検出されるときの、前記第1検出部による第1出力変化時(B1)と前記第2検出部による第2出力変化時(B2)との時間差(ΔT)、前記第1検出部による第1応答時間(T1)と前記第2検出部による第2応答時間(T2)との時間差(ΔT)、又は前記第1検出部による第1応答速度(U1)と前記第2検出部による第2応答速度(U2)との速度差(ΔU)に基づいて、前記第2検出部による前記第2ガス成分濃度を補正する感度補正部(54)と、を備えるガス濃度検出装置(1)。 - 前記第1素子部及び前記第2素子部は、センサ素子(10)を構成しており、
前記ガス濃度検出装置は、前記センサ素子を保持して、前記検出対象ガスが流れる配管(71)に螺合されるおねじ部(611)を有するハウジング(61)をさらに備え、
前記感度補正部は、
前記ハウジングが前記おねじ部によって前記配管に取り付けられた状態において、前記検出対象ガスの流れの上流側方向(J)と、前記第2固体電解質体の前記外表面の面方向(E)との間の角度の違いを受けて前記第2検出部に生じる誤差を補正するよう構成されている、請求項1に記載のガス濃度検出装置。 - 前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第1検出部による第1出力変化時と前記第2検出部による第2出力変化時との初期時間差(ΔTa)と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第1検出部による第1出力変化時と前記第2検出部による第2出力変化時との使用後時間差(ΔTb)との違い、
前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第1検出部による第1応答時間と前記第2検出部による第2応答時間との初期時間差(ΔTa)と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第1検出部による第1応答時間と前記第2検出部による第2応答時間との使用後時間差(ΔTb)との違い、
又は前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第1検出部による第1応答速度と前記第2検出部による第2応答速度との初期速度差(ΔUa)と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第1検出部による第1応答速度と前記第2検出部による第2応答速度との使用後速度差(ΔUb)との違いに基づいて、
前記第2素子部における劣化の有無又は劣化度合を判定する劣化判定部(55)をさらに備える、請求項1又は2に記載のガス濃度検出装置。 - 前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極(22)と、前記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の前記ガス室内の前記検出対象ガスにおけるNOx濃度を検出するためのNOx電極(23)とが設けられており、
前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス(A)が導入される基準ガスダクト(34)が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第1基準電極(24)が設けられており、
一対の前記第1電極は、前記ポンプ電極と前記第1基準電極とによって構成されており、
前記第1検出部は、前記第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されており、
前記第2固体電解質体の前記外表面には、前記検出対象ガスに含まれる酸素の電気化学的還元反応と前記検出対象ガスに含まれるアンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極(32)が設けられており、
前記第2固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第2基準電極(33)が設けられており、
一対の前記第2電極は、前記混成電位電極と前記第2基準電極とによって構成されており、
前記第2検出部は、前記第2ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス濃度検出装置。 - 前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極(22)と、前記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の前記ガス室内の前記検出対象ガスにおけるNOx濃度を検出するためのNOx電極(23)とが設けられており、
前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス(A)が導入される基準ガスダクト(34)が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第1基準電極(24)が設けられており、
一対の前記第1電極は、前記NOx電極と前記第1基準電極とによって構成されており、
前記第1検出部は、前記第1ガス成分濃度としてのNOx濃度を検出するよう構成されており、
前記第2固体電解質体の前記外表面には、前記検出対象ガスに含まれる酸素の電気化学的還元反応と前記検出対象ガスに含まれるアンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極(32)が設けられており、
前記第2固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第2基準電極(33)が設けられており、
一対の前記第2電極は、前記混成電位電極と前記第2基準電極とによって構成されており、
前記第2検出部は、前記第2ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としてのアンモニア又は二酸化窒素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス濃度検出装置。 - 前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極(22)が設けられており、
前記第1固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス(A)が導入される基準ガスダクト(34)が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第1基準電極(24)が設けられており、
一対の前記第1電極は、前記ポンプ電極と前記第1基準電極とによって構成されており、
前記第1検出部は、前記第1ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されており、
前記第2固体電解質体の前記外表面には、前記検出対象ガスに含まれる酸素の電気化学的還元反応と前記検出対象ガスに含まれるアンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極(32)が設けられており、
前記第2固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第2基準電極(33)が設けられており、
一対の前記第2電極は、前記混成電位電極と前記第2基準電極とによって構成されており、
前記第2検出部は、前記第2ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガス濃度検出装置。 - 前記ガス濃度検出装置は、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)において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のフューエルカット運転の開始時又は終了時に、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項4又は6に記載のガス濃度検出装置。 - 前記ガス濃度検出装置は、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)において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のアイドリング運転の終了時に、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項4又は6に記載のガス濃度検出装置。 - 前記ガス濃度検出装置は、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)において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のフューエルカット運転時又はアイドリング運転時に、前記共通ガス成分としてのアンモニアの濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項5に記載のガス濃度検出装置。
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