JP4616633B2 - ガスセンサ評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる特定成分を検出するガスセンサを評価するガスセンサ評価装置に関する。

従来より、内燃機関の排気ガスに含まれる特定成分を検出するガスセンサを評価するにあたり、少なくとも特定成分を含む試料ガスをガスセンサに接触させて、試料ガスの接触時におけるガスセンサのセンサ出力に基づいて、ガスセンサを評価するガスセンサ評価装置が提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

つまり、このようなガスセンサ評価装置は、ガスセンサの測定対象ガスと略同様のガス成分を含む試料ガスをガスセンサに接触させて、実使用環境に近い条件下でガスセンサのセンサ出力を検出し、検出したセンサ出力に基づいてガスセンサを評価する。

例えば、内燃機関の排気ガス中における特定成分を検出するためのガスセンサについて評価を行うガスセンサ評価装置は、試料ガスとして内燃機関の排気ガスと同様の成分を含む試料ガスをガスセンサに接触させて、ガスセンサを評価するよう構成されている。
特許２６２４５３１号公報（第１図） 特開２００１−１４１６８５号公報（図１） 特開昭６０−９５３４１号公報（第１図） 特開２００３−１８５６２１号公報

しかし、上記従来のガスセンサ評価装置は、試料ガスの流量が少なく流速が遅いため、実際の内燃機関における排気ガスの流速と同等の流速を実現することが難しく、実際の環境と同等の条件下でのガスセンサの評価が困難であるという問題がある。

これに対して、上記従来のガスセンサ評価装置において、実際の環境と同等の流速を実現するためには、試料ガスの供給量を増大して、実際の排気ガスに相当する量の試料ガスを供給する必要がある。

なお、上記従来のガスセンサ評価装置は、試料ガスの供給量を制御するために電磁弁や液体用インジェクタを用いている。
しかし、電磁弁は、単位時間あたりに供給可能な試料ガスの量が多いものの動作応答速度が遅いことから、試料ガスの迅速な空燃比切替が困難であり、空燃比が急変する用途のガスセンサについて、空燃比変化に対する応答性を評価することが難しい。また、液体用インジェクタは、動作応答速度が速いものの、単位時間あたりに供給可能な試料ガスの量が少ないことから、実際の排気ガスに相当する量の試料ガスを供給することが難しい。

つまり、電磁弁および液体用インジェクタは、実使用環境と同等の条件を実現するにあたり、単位時間あたりのガス供給量および試料ガスの迅速な空燃比切替を両立することができないという問題がある。

そこで、本発明はこうした問題に鑑みなされたものであり、ガスセンサの実使用環境と同等のガス流速で試料ガスを供給すると共に、試料ガスに含まれるガス成分を速やかに変更して、ガスセンサを評価するガスセンサ評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる特定成分を検出するガスセンサについて、少なくとも特定成分を含む試料ガスに対するセンサ出力特性に基づきガスセンサを評価するガスセンサ評価装置であって、試料ガスのガス流路を有すると共に、ガスセンサの検知部がガス流路に配置される状態でガスセンサが取り付けられるセンサ取付部を有するガス流路形成部と、ベースガスを、試料ガスとしてガス流路形成部に供給するベースガス供給手段と、ガス流路形成部に流れるベースガスに対して、還元性雰囲気のリッチ添加ガスと酸化性雰囲気のリーン添加ガスとを一定の周期で交互に供給する添加ガス供給手段と、を備えており、ガス流路形成部は、ガス流路のうちベースガスの供給位置における断面積よりもセンサ取付部の形成位置における断面積が小さく形成され、かつ、ガス流路のうちベースガスの供給位置における断面積よりもリッチ添加ガスおよびリーン添加ガスの供給位置における断面積が小さく形成されており、添加ガス供給手段は、ガス用インジェクタを備え、ガス用インジェクタにより０．５［Ｌ／ｍｉｎ］以上の割合でリッチ添加ガスまたはリーン添加ガスを供給すること、を特徴とするガスセンサ評価装置である。

一般に、ガス流路形成部を流れる試料ガスのガス流速は、ガス流路の断面積が大きい箇所よりもガス流路の断面積が小さい箇所の方が速くなる。
そして、ガス流路形成部は、ガス流路のうちベースガスの供給位置における断面積よりもセンサ取付部の形成位置における断面積が小さく形成されている。このことから、ガス流路のうちセンサ取付部の形成位置における試料ガスの流速は、ベースガスの供給位置における試料ガスの流速に比べて速くなる。

これにより、ガスセンサに接触する試料ガスの流速を実使用環境での流速に近づけることができ、実使用環境に近い条件下でガスセンサのセンサ出力を検出することができる。
また、添加ガス供給手段は、ガス用インジェクタによりリッチ添加ガスまたはリーン添加ガスを供給する。なお、ガス用インジェクタは、液体用インジェクタと同様に、動作応答速度が速いことから、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる迅速な空燃比切替が可能である。また、ガス用インジェクタは、電磁弁と同様に、単位時間あたりのガス供給量が多いことから、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる単位時間あたりのガス供給量を供給することができ、少なくとも０．５［Ｌ／ｍｉｎ］以上（より好ましくは、１．０［Ｌ／ｍｉｎ］以上）の割合で添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）を供給する。

つまり、添加ガス供給手段は、単位時間あたりのガス供給量および空燃比切替速度について、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる単位時間あたりのガス供給量を供給できると共に、使用環境と同等の条件を実現するために必要となる動作応答速度での試料ガスの空燃比切替が可能となる。

よって、本発明によれば、実際のセンサの使用環境と同等の条件のガス流速で試料ガスをガスセンサに接触させることができ、実使用環境と同等の条件下でガスセンサの評価を実施することができる。

そして、上述のガスセンサ評価装置においては、例えば、請求項２に記載のように、ガス流路形成部は、ガス流路のうちセンサ取付部の断面が内径寸法３．０［ｃｍ］以下の円形に形成されているとよい。

このように、センサ取付部の形成位置におけるガス流路の断面形状を規定することで、ガスセンサに接触する試料ガスの流速を確実に実使用環境での流速に近づけることができる。

よって、本発明によれば、実際のセンサの使用環境と同等の条件のガス流速を実現でき、実使用環境と同等の条件下でガスセンサの評価を実施することができる。
なお、ガス流路のうちセンサ取付部の断面を内径寸法２．５［ｃｍ］以下の円形に形成することで、ガスセンサに接触する試料ガスの流速をさらに高速化できる。

ところで、ガスセンサに接触する試料ガスの温度が低くなると、試料ガスの影響によりガスセンサの温度が低下してしまい、ガスセンサの活性化状態が不良となる可能性がある。このように活性化状態が不良となると、ガスセンサは特定成分が存在する場合であってもセンサ出力を発生しないないしセンサ出力が低下するため、ガスセンサの評価が適切に行われない虞がある。

そこで、上述のガスセンサ評価装置においては、請求項３に記載のように、リッチ添加ガスまたはリーン添加ガスを加熱する添加ガス加熱手段を備えるとよい。
このように、添加ガス加熱手段を備えることで、添加ガスの影響による試料ガスの温度低下を防止できる。この結果、ガスセンサに接触する試料ガスの温度が低いことに起因して、ガスセンサの温度が大幅に低下するのを防止できる。

よって、本発明によれば、添加ガスの影響による試料ガスの温度低下に伴いガスセンサの活性化状態が不良となるのを防止でき、ガスセンサを適切に評価することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

図１は、本発明のガスセンサ評価装置１の概略構成を示す構成図である。
ガスセンサ評価装置１は、試料ガス供給部１１と、センサ反応部１３と、装置制御部１５と、試料ガス分析部１７と、添加ガス供給部６１と、を備えて構成されている。

試料ガス供給部１１は、第１ガス（Ｎ₂ 、ＣＯ₂ 、Ｏ₂ ）と第２ガス（ＣＯ、Ｈ₂ 、Ｃ₃Ｈ₈、ＮＯ、ＮＯ₂ 、ＨＣ）とを貯蔵するガス貯蔵部２１と、各ガスの供給量を調整する流量調整部２３（マスフローコントローラ（ＭＦＣ））と、試料ガスに水分を添加する水分添加部１９と、を備えている。そして、試料ガス供給部１１は、装置制御部１５からの指令に応じて、第１ガスを第１ガス供給経路３１を介してセンサ反応部１３に供給し、第２ガスを第２ガス供給経路３３を介してセンサ反応部１３に供給する。なお、各ガスの供給量は、装置制御部１５からの指令に基づき設定される。

水分添加部１９は、水（Ｈ₂Ｏ ）を貯蔵する水貯蔵部３５と、水分の供給量を調整する水流量調整部３７とを備えており、第１ガス供給経路３１を流れる第１ガスに対して、装置制御部１５からの指令に応じた量の水分を供給することにより、試料ガスの水分含有量を調整する。

添加ガス供給部６１は、リーン空燃比の排気ガスに含まれるリーン排気ガス成分、即ち酸化性雰囲気のガス（Ｎ₂ 、Ｏ₂ 、ＮＯ、ＮＯ₂ ）およびリッチ空燃比の排気ガスに含まれるリッチ排気ガス成分、即ち還元性雰囲気のガス（ＣＯ、Ｈ₂ 、ＨＣ、Ｎ₂ ）を貯蔵する添加ガス貯蔵部６３と、各ガスの供給量を調整する添加量調整部６５（マスフローコントローラ（ＭＦＣ））と、各ガスを噴射する複数のガス用インジェクタ６７と、を備えている。なお、ガス用インジェクタ６７は、例えば、天然ガスを噴射する公知のインジェクタを用いることができ、詳細な説明は省略する。

そして、添加ガス供給部６１は、装置制御部１５からの指令に応じて、酸化性雰囲気のリーン添加ガスをリーン添加ガス供給経路６９を介してセンサ反応部１３に供給し、または、還元性雰囲気のリッチ添加ガスをリッチ添加ガス供給経路７１を介してセンサ反応部１３に供給する。なお、各ガスの供給量は、装置制御部１５からの指令に基づき設定される。

センサ反応部１３は、試料ガスの流路になるとともに評価対象ガスセンサ５１が設置される反応部ガス配管４１と、反応部ガス配管４１における試料ガスを加熱するガス加熱部４３と、を備えている。

反応部ガス配管４１は、上流から下流にかけて、第１ガス導入部４５、第２ガス導入部４７、添加ガス導入部４８、評価対象ガスセンサ設置部４９を備えている。
また、反応部ガス配管４１のガス流路は、第１ガス導入部４５の形成位置における断面積に比べて、評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における断面積が小さく形成されている。具体的には、第１ガス導入部４５の形成位置におけるガス流路の断面形状は直径６．０［ｃｍ］の円形状であり、評価対象ガスセンサ設置部４９におけるガス流路の断面形状は直径２．０［ｃｍ］の円形状である。

そして、反応部ガス配管４１は、添加ガス導入部４８として、リーン添加成分導入部７３およびリッチ添加成分導入部７５を備えており、ベースガスに対して添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）を添加するよう構成されている。

また、反応部ガス配管４１の評価対象ガスセンサ設置部４９におけるガス流路の直径寸法Ｌ１は、２．０［ｃｍ］である。
ガス加熱部４３は、反応部ガス配管４１のうち第１ガス導入部４５と第２ガス導入部４７との間の部位を取り囲むように配置されて、反応部ガス配管４１を加熱することで、第１ガス温度を調整している。なお、ガス加熱部４３は、反応部ガス配管４１の内部温度を図示しない温度センサを用いて検知してフィードバック制御を行うことで、ガス温度を目標温度に制御する。このとき、ガス加熱部４３は、評価対象ガスセンサ設置部４９における試料ガスの温度がセンサ活性化温度（本実施形態では、４５０［℃］）となるように、試料ガス（ベースガス）を加熱する。

添加ガス加熱部７７は、リーン添加ガス供給経路６９の一部およびリッチ添加ガス供給経路７１の一部を取り囲むように配置されており、リーン添加ガス供給経路６９およびリッチ添加ガス供給経路７１を加熱することで、リーン添加ガスおよびリッチ添加ガスの温度を添加ガス目標温度（本実施形態では、１２０［℃］）に調整している。なお、添加ガス加熱部７７は、反応部ガス配管４１の内部温度を図示しない温度センサを用いて検知してフィードバック制御を行うことで、添加ガス温度を目標温度に制御する。

装置制御部１５（ＣＰＵ１５）は、試料ガスの供給時に評価対象ガスセンサ５１が出力するセンサ出力に基づいて、評価対象ガスセンサ５１が内燃機関の排気系統に設置されて、排気ガスに含まれる特定成分を検出するガスセンサ（排気ガスセンサ）に適しているか否かを判定するためのセンサ評価処理を行う。

センサ評価処理では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対して指令信号を出力し、試料ガスに含まれる各ガス成分の供給量を制御することで、任意の空燃比λに相当する試料ガスを評価対象ガスセンサ５１に対して供給する処理や、試料ガス供給時における評価対象ガスセンサのセンサ出力を検出する処理を行う。なお、装置制御部１５で実行される評価判定処理の詳細な処理内容は、後述する。

試料ガス分析部１７は、センサ反応部１３のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の近傍における試料ガスに含まれる成分を分析し、評価対象ガスセンサ５１に対して実際に供給される試料ガス成分の分析結果を装置制御部１５に対して出力するよう構成されている。なお、装置制御部１５は、試料ガス分析部１７からの分析結果に基づき、評価対象ガスセンサ５１に供給されている試料ガスの空燃比λの値がいくつに相当するのかを判定する。

次に、評価対象ガスセンサ５１の一例として、内燃機関の排気管等に装着されて排気ガス中の酸素を検出するガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）について、図２を用いて説明する。なお、図２は、ガスセンサ１０１の全体構成を示す断面図である。また、図２に示すガスセンサ１０１のうち、図中の下側を「ガスセンサの先端側」として、図中の上側を「ガスセンサの後端側」として説明する。

図２に示すように、ガスセンサ１０１は、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）を主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質体により先端部が閉じた中空軸状に形成された検出素子１０２、検出素子１０２の内部に配置された軸状のセラミックヒータ１０３、検出素子１０２を収容するケーシング１０４などから構成されている。

検出素子１０２は、測定対象ガスを検出するための検出部１２５を先端部（図における下側端部）に備えると共に、検出部１２５にて検出される測定対象ガスに応じたガス検出信号を出力するための一対の信号出力電極（外側信号出力電極１２６および内側信号出力電極１２７）を備えて構成されている。なお、外側信号出力電極１２６および内側信号出力電極１２７は、例えば、ＰｔあるいはＰｔ合金により形成された多孔質電極として構成される。

セラミックヒータ１０３は、棒状形状に形成されると共に、内部に抵抗発熱線（図示せず）を有する発熱部１４２を備えており、ヒータ用リード線１１９，１２２を経て通電されることにより発熱部１４２が発熱して、検出素子１０２の先端部（検出部１２５）を加熱する。

ケーシング１０４は、検出素子１０２を保持すると共にその検出部１２５を排気管等の内部に突出させる主体金具１０５と、主体金具１０５の後端側開口部に接続される筒状形状の内筒部材１１４と、内筒部材１１４の後端側開口部に接続される筒状形状の外筒部材１１６と、を備えて構成されている。主体金具１０５、内筒部材１１４および外筒部材１１６が接続されてケーシング１０４が形成されると、ケーシング１０４の内部に、ガス検知（本実施形態では、酸素検知）に用いる基準ガス（大気）を蓄積するための基準ガス空間１５８（内部空間）が形成される。

素子用リード線１２０，１２１およびヒータ用リード線１１９，１２２は、シール部材１１１のシール部材リード線挿通孔１１７、セパレータ１０７のセパレータリード線挿通孔１７１を通じて、外部からケーシング１０４の内部に設けられる基準ガス空間１５８に向けて配設される。素子用リード線１２０は、素子外面固定金具１４３を経て、検出素子１０２の外側信号出力電極１２６と電気的に接続されている。他方の素子用リード線１２１は、素子内面固定金具１４４を経て検出素子１０２の内側信号出力電極１２７と電気的に接続されている。

このように構成されたガスセンサ１０１は、先端部が測定対象ガスに晒されると、測定対象ガス中の酸素濃度に応じたガス検出信号（センサ出力信号）を出力することにより、測定対象ガス中の酸素濃度を検出するよう構成されている。

そのため、ガスセンサ１０１をガスセンサ評価装置１で評価する際には、ガスセンサ１０１の先端側が評価対象ガスセンサ設置部４９から反応部ガス配管４１の内部に配置される状態で、ガスセンサ１０１を評価対象ガスセンサ５１としてセンサ反応部１３に取り付けて試料ガスを供給することで、ガスセンサ１０１の評価を行う。

なお、ガスセンサ１０１の先端側が、特許請求の範囲に記載の検知部に相当する。
次に、装置制御部１５が実行する評価判定処理の処理内容を表すフローチャートを図３に示すとともに、評価判定処理の処理内容について説明する。

評価判定処理が起動されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す。以下同様。）では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対してガス供給開始指令信号を出力する。これにより、試料ガス供給部１１は、センサ反応部１３に対してベースガス（第１ガス、第２ガス、水分）の供給を開始し、添加ガス供給部６１は、センサ反応部１３に対して添加ガス（還元性ガス成分または酸化性ガス成分）の供給を開始する。

なお、本実施形態では、評価対象ガスセンサ５１に対する試料ガスのガス供給量は、６０［Ｌ／ｍｉｎ］に設定されている。
次のＳ１２０では、空燃比の変更に応じた試料ガスの成分制御を行うとともに評価対象ガスセンサ５１のセンサ出力を検出し、試料ガスの空燃比に対するセンサ出力結果を装置制御部１５の記憶部（メモリなど）に記憶することで、空燃比変化に対する評価対象ガスセンサ５１のセンサ出力特性を検出する処理を行う。

なお、Ｓ１２０では、還元性ガス成分と酸化性ガス成分とを一定の周期で交互に供給するように添加ガス供給部６１を制御することで、リーン空燃比（λ＝１．０５）の排気ガスに相当するリーン添加ガスとリッチ空燃比（λ＝０．９５）の排気ガスに相当するリッチ添加ガスとを交互にベースガスに対して供給する処理を行う。

次のＳ１３０では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対して、ガス供給停止指令信号を出力する。これにより、試料ガス供給部１１は、センサ反応部１３に対するベースガス（第１ガス、第２ガス、水分）の供給を停止し、添加ガス供給部６１は、センサ反応部１３に対する添加ガス（還元性ガス成分または酸化性ガス成分）の供給を停止する。

続くＳ１４０では、Ｓ１２０で記憶したセンサ出力結果に基づいて、試料ガスの成分変化（空燃比変化）に対する評価対象ガスセンサ５１のセンサ出力の応答遅れ時間を演算する処理を行う。なお、応答遅れ時間は、試料ガスの空燃比切替時期を起点として、ガスセンサのセンサ出力が変化する時点までの時間である。

また、Ｓ１４０では、応答遅れ時間として、試料ガスの成分がリーンからリッチへ変化するときのリッチ変化応答遅れ時間と、試料ガスの成分がリッチからリーンへの変化に対するリーン変化応答遅れ時間と、をそれぞれ演算する処理を行う。

次のＳ１５０では、Ｓ１４０での演算結果である応答遅れ時間が正常判定基準範囲に含まれるか否かを判定しており、応答遅れ時間が正常判定基準範囲に含まれる場合（肯定判定する場合）にはＳ１６０に移行し、応答遅れ時間が正常判定基準範囲に含まれない場合（否定判定する場合）にはＳ１７０に移行する。

このとき、リッチ変化応答遅れ時間およびリーン変化応答遅れ時間のそれぞれについて正常判定基準範囲に含まれるか否かの判定を行い、両方の応答遅れ時間が正常判定基準範囲に含まれる場合に肯定判定し、一方でも応答遅れ時間が正常判定基準範囲に含まれない場合には否定判定する。

なお、正常判定基準範囲としては、試料ガスの成分がリーンからリッチへ変化するときのリッチ変化正常判定基準範囲と、試料ガスの成分がリッチからリーンへ変化するときのリーン変化正常判定基準範囲と、が予め設定されている。つまり、正常判定基準範囲は、あらかじめ実使用環境下で使用可能なガスセンサを用いてセンサ出力特性の実測データを採取して、上述したリッチ変化応答遅れ時間およびリーン変化応答遅れ時間に相当する実測データを採取し、この実測データに基づいて設定されている。

Ｓ１５０で肯定判定されてＳ１６０に移行すると、Ｓ１６０では評価対象ガスセンサ５１が排気ガスセンサに適すると判定し、判定結果を外部に出力する。また、Ｓ１５０で否定判定されてＳ１７０に移行すると、Ｓ１７０では評価対象ガスセンサ５１が排気ガスセンサに適さないと判定し、判定結果を外部に出力する。

なお、外部への判定結果の出力形態としては、ＬＥＤあるいは液晶表示ディスプレイなどからなる表示装置に判定結果を表示する出力形態や、プリンタなどの印刷装置により印刷媒体（記録紙など）に判定結果を印字する出力形態や、スピーカなどの音声出力装置により判定結果を音声出力する出力形態などを採ることができる。

Ｓ１６０またはＳ１７０での処理が終了すると、評価判定処理が終了する。
以上説明したように、本実施形態のガスセンサ評価装置１は、反応部ガス配管４１のガス流路のうち第１ガス導入部４５の形成位置における断面積よりも、評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における断面積が小さく形成されている。このことから、ガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における試料ガスの流速は、ベースガスの供給位置である第１ガス導入部４５における試料ガスの流速に比べて速くなる。

これにより、評価対象ガスセンサ５１に接触する試料ガスの流速を実使用環境での流速に近づけることができ、実使用環境に近い条件下でガスセンサのセンサ出力を検出することができる。

また、添加ガス供給部６１は、ガス用インジェクタ６７により添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）を噴射して、リーン添加ガス供給経路６９またはリッチ添加ガス供給経路７１を介して、反応部ガス配管４１に対して添加ガスを供給する。

なお、ガス用インジェクタ６７は、液体用インジェクタと同様に、動作応答速度が速いことから、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる迅速な空燃比切替が可能である。また、ガス用インジェクタ６７は、電磁弁と同様に、単位時間あたりのガス供給量が多いことから、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる単位時間あたりのガス供給量を供給することができ、少なくとも０．５［Ｌ／ｍｉｎ］以上の割合で添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）を供給する。

つまり、添加ガス供給部６１は、単位時間あたりのガス供給量および空燃比切替速度について、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる単位時間あたりのガス供給量を供給できると共に、使用環境と同等の条件を実現するために必要となる動作応答速度での試料ガスの空燃比切替が可能となる。

よって、ガスセンサ評価装置１によれば、従来に比べてガス流速が大きいことから、実際のセンサの使用環境と同等の条件のガス流速で試料ガスを評価対象ガスセンサ５１に接触させることができ、実使用環境と同等の条件下で評価対象ガスセンサ５１の評価を実施することができる。

ここで、ガス流速を２パターン（ガス流速：小、ガス流速：大）に設定した場合のそれぞれについて、試料ガスの空燃比切替に対するガスセンサのセンサ出力を測定した測定結果を、図４に示す。なお、図４では、試料ガスの空燃比を設定するための指令信号をインジェクタ信号として表している。

測定結果によれば、インジェクタ信号の切替タイミングからセンサ出力が応答するまでの応答遅れ時間に関して、ガス流速が小さい場合よりもガス流速が大きい場合の方が、応答遅れ時間が小さくなることが判る。また、ガス流速を大きく設定することで、空燃比切替タイミングから次の空燃比切替タイミングまでの時間間隔を短くすることができる。

つまり、ガス流速を大きく設定することで、応答遅れ時間を短縮できるため、評価対象ガスセンサに対し空燃比切替後の試料ガスを速やかに接触させることができ、また、空燃比切替タイミング間の時間間隔を短縮することで、空燃比が急変する環境を実現することができる。

よって、ガスセンサ評価装置１は、従来に比べて、応答遅れ時間を短縮できるとともに、空燃比切替タイミング間の時間間隔を短縮できることから、空燃比が急変する用途のガスセンサについて、空燃比変化に対する応答性を評価することが可能となる。

また、ガスセンサ評価装置１は、リッチ添加ガスまたはリーン添加ガスを加熱する添加ガス加熱部７７を備えている。
このように、添加ガス加熱部７７を備えることで、評価対象ガスセンサ５１の活性化温度に比べて添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）の温度が著しく低くなるのを防止でき、添加ガスの影響による試料ガスの温度低下を防止できる。この結果、評価対象ガスセンサ５１に接触する試料ガスの温度が低いことに起因して、評価対象ガスセンサ５１の温度が大幅に低下するのを防止できる。

よって、ガスセンサ評価装置１によれば、試料ガスの温度低下に伴い評価対象ガスセンサ５１の活性化状態が不良となるのを防止でき、評価対象ガスセンサ５１を適切に評価することができる。

また、反応部ガス配管４１の添加ガス導入部４８は、評価対象ガスセンサ設置部４９に近い位置に形成されている。このため、添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）の切替によって試料ガスの空燃比（リッチ、リーン）切替を行う際に、切り替え後の添加ガスが添加された試料ガスが評価対象ガスセンサに到達するまでの時間を短縮することができる。

これにより、評価対象ガスセンサに接触させる試料ガスの空燃比切替（リッチ・リーンの切替）を非常に速く実行できることから、空燃比が急変する用途のガスセンサについて、空燃比変化に対する応答性を評価することが可能となる。

なお、本実施形態のガスセンサ評価装置１においては、反応部ガス配管４１が特許請求の範囲に記載のガス流路形成部に相当し、評価対象ガスセンサ設置部４９がセンサ取付部に相当し、試料ガス供給部１１がベースガス供給手段に相当し、添加ガス供給部６１が添加ガス供給手段に相当し、添加ガス加熱部７７が添加ガス加熱手段に相当する。

ここで、上記実施形態のガスセンサ評価装置１において、反応部ガス配管４１を取り替えて、ガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における断面積を変更することにより、断面積の変化に対する評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における試料ガスのガス流速の変化を測定した測定結果について説明する。

図５に、ガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における内径寸法（ガス管内直径）の変化に対する試料ガスのガス流速の変化を測定した測定結果を示す。
なお、測定は、評価対象ガスセンサ５１に接触する試料ガスの温度を一定（４５０［℃］）とし、単位時間あたりの試料ガス供給量を３パターン（４０［Ｌ／ｍｉｎ］、５０［Ｌ／ｍｉｎ］、６０［Ｌ／ｍｉｎ］）に設定して、それぞれのガス流速を検出することで実施した。

測定結果によれば、ガス供給量が６０［Ｌ／ｍｉｎ］で、ガス管内直径が３０［ｍｍ］以下である場合には、ガス流速が２．５［ｍ／ｓｅｃ］以上となることが判る。また、上記実施形態のガスセンサ評価装置１は、ガス供給量が６０［Ｌ／ｍｉｎ］で、ガス管内直径が２０［ｍｍ］であることから、ガス流速が７．５［ｍ／ｓｅｃ］程度となる。

なお、実使用環境としては、例えば、内燃機関の回転速度が１０００［ｒｐｍ］であるときの排気ガスのガス流速は、約８．０［ｍ／ｓｅｃ］であり、上記実施形態のガスセンサ評価装置１は、回転速度が１０００［ｒｐｍ］であるときの内燃機関の排気ガスと同等のガス流速を実現できる。

また、従来のガスセンサ評価装置は、一般に、ガス管内直径が４０［ｍｍ］以上に設定されると共に、ガス供給量は最大で４０［Ｌ／ｍｉｎ］であることから、ガス流速が１．２［ｍ／ｓｅｃ］程度となる。

これより、本実施形態のガスセンサ評価装置１は、従来のガスセンサ評価装置にくらべて、ガス流速が大幅に増大しており、実使用環境に近い条件下でガスセンサのセンサ出力を検出し、検出したセンサ出力に基づいてガスセンサを評価できることが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、種々の態様をとることができる。
例えば、反応部ガス配管４１のガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における断面形状は、円形状に限られることはなく、楕円形状や多角形形状などであってもよい。また、ガス流路の断面形状が円形状である場合には、その直径寸法は２．０［ｃｍ］の円形状に限られることはなく、直径３．０［ｃｍ］以下であればよい。

また、評価対象ガスセンサへの試料ガスのガス供給量は、６０［Ｌ／ｍｉｎ］に限られることはなく、実使用環境と同等の条件を実現するために必要となる単位時間あたりのガス供給量であればよい。例えば、反応部ガス配管４１のガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の形成位置における断面積を小さく設定することで、評価対象ガスセンサへの試料ガスのガス供給量を４０［Ｌ／ｍｉｎ］に設定した場合であっても、実使用環境と同等の条件を実現することは可能である。

なお、添加ガスの供給量は、少なくとも０．５［Ｌ／ｍｉｎ］以上（より好ましくは、１．０［Ｌ／ｍｉｎ］以上）に設定することで、試料ガスの空燃比切替を適切に実行することができる。

さらに、評価対象となるガスセンサは、上述したガスセンサ１０１に限られることはなく、例えば、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層の表裏面に検知電極と基準電極とを設けた素子部を少なくとも有する板状の検出素子を備えたガスセンサや、チタニア（ＴｉＯ₂ ）等の半導体性の金属酸化物からなるガス検出部を有する検出素子を備えたガスセンサであっても良い。

ガスセンサ評価装置の概略構成を示す構成図である。 ガスセンサの全体構成を示す断面図である。 評価判定処理の処理内容を表すフローチャートである。 ガス流速を２パターン（ガス流速：小、ガス流速：大）に設定した場合のそれぞれについて、試料ガスの空燃比切替に対するガスセンサのセンサ出力を測定した測定結果である。 ガス流路のうち評価対象ガスセンサ設置部の形成位置における内径寸法（ガス管内直径）の変化に対する試料ガスのガス流速の変化を測定した測定結果である。

符号の説明

１…ガスセンサ評価装置、１１…試料ガス供給部、１３…センサ反応部、１５…装置制御部、１７…試料ガス分析部、２３…流量調整部、４１…反応部ガス配管、４８…添加ガス導入部、４９…評価対象ガスセンサ設置部、５１…評価対象ガスセンサ、６１…添加ガス供給部、６７…ガス用インジェクタ、７３…リーン添加成分導入部、７５…リッチ添加
成分導入部、７７…添加ガス加熱部。

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスに含まれる特定成分を検出するガスセンサについて、少なくとも前記特定成分を含む試料ガスに対するセンサ出力特性に基づき前記ガスセンサを評価するガスセンサ評価装置であって、
   前記試料ガスのガス流路を有すると共に、前記ガスセンサの検知部が前記ガス流路に配置される状態で前記ガスセンサが取り付けられるセンサ取付部を有するガス流路形成部と、
   ベースガスを、前記試料ガスとして前記ガス流路形成部に供給するベースガス供給手段と、
   前記ガス流路形成部に流れる前記ベースガスに対して、還元性雰囲気のリッチ添加ガスと酸化性雰囲気のリーン添加ガスとを一定の周期で交互に供給する添加ガス供給手段と、
   を備えており、
   前記ガス流路形成部は、前記ガス流路のうち前記ベースガスの供給位置における断面積よりも前記センサ取付部の形成位置における断面積が小さく形成され、かつ、前記ガス流路のうち前記ベースガスの供給位置における断面積よりも前記リッチ添加ガスおよび前記リーン添加ガスの供給位置における断面積が小さく形成されており、
   前記添加ガス供給手段は、ガス用インジェクタを備え、前記ガス用インジェクタにより０．５［Ｌ／ｍｉｎ］以上の割合で前記リッチ添加ガスまたは前記リーン添加ガスを供給すること、
   を特徴とするガスセンサ評価装置。
2. 前記ガス流路形成部は、前記ガス流路のうち前記センサ取付部の断面が内径寸法３．０［ｃｍ］以下の円形に形成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ評価装置。
3. 前記リッチ添加ガスまたは前記リーン添加ガスを加熱する添加ガス加熱手段を備えること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスセンサ評価装置。

Images