JP5058224B2 - NOxセンサ - Google Patents
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Description
尿素SCRシステムは、排気系に設けられた選択還元型のNOx浄化触媒(SCR触媒)の上流側において、排気系内に尿素を添加するものである。これにより、添加した尿素が分解して生じたアンモニア(NH3)が、NOx浄化触媒において、排気ガス中のNOxを選択的に還元して、排気ガスを浄化する。
そこで、排気系には、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度およびアンモニア濃度を検出するNOxセンサが配設されている。
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触していることを特徴とするNOxセンサにある(請求項1)。
その結果、このNOxがセンサセルにおいて検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。
更に、本発明においては、上記温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有する。
そのため、上記拡散抵抗部における温度制御を容易かつ正確に行うことができる。
また、上記温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触している。
そのため、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体における上記拡散抵抗部に接触した部分におけるインピーダンスを測定することができ、一層高精度な拡散抵抗部の温度測定が可能となる。
以上のごとく、第1発明によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供することができる。
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなることを特徴とするNOxセンサにある(請求項2)。
上記NOxセンサは、使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段を有する。そのため、アンモニアを含む被測定ガスが、上記拡散抵抗部を通過する際、被測定ガス中に含まれる酸素との反応が促進されることでアンモニアが充分に酸化して、アンモニアに由来するNOxが充分に生成される。
その結果、このNOxがセンサセルにおいて検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。
また、アンモニアが酸化されるのは、被測定ガス室への被測定ガスの導入部である拡散抵抗部であるため、被測定ガス室中の酸素濃度は低く保つことが可能である。逆に言うと、被測定ガス室内の酸素濃度を高くしなくても、その導入部である拡散抵抗部において酸素が存在していればアンモニアを酸化することができる。そのため、酸素濃度に起因するセンサ出力のオフセット誤差を抑制しやすくなる。
また、上記温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなる。
そのため、上記拡散抵抗部における温度を直接測定でき、高精度な温度測定が可能となる。
以上のごとく、第2発明によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度の測定精度に優れたNOxセンサを提供することができる。
この場合には、被測定ガス中のアンモニアがより酸化されやすくなり、NOxセンサのアンモニア感度を一層向上させることができる。
そのため、上記拡散抵抗部における温度制御を容易かつ正確に行うことができる。
この場合には、温度によって変化するセンサセル又はポンプセルのインピーダンスを測定することによって、これらと直接的或いは間接的に接触する拡散抵抗部の温度を間接的に測定することができる。また、この場合には、上記センサ用電極あるいは上記ポンプ用電極を、上記温度検出手段の一部として利用することができるため、NOxセンサの簡素化、小型化、低コスト化を容易に実現することができる。
この場合には、上記拡散抵抗部の温度をより正確に測定することができる。すなわち、ポンプセルは、被測定ガス室中の酸素濃度を調整するため、センサセルよりも被測定ガスの導入部すなわち拡散抵抗部に近い位置に配置することが望ましい。かかる観点から、より拡散抵抗部の近くに配置されやすいポンプセルにおいて、インピーダンスを測定することで、拡散抵抗部の温度をより高精度に測定することができる。
そのため、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体における上記拡散抵抗部に接触した部分におけるインピーダンスを測定することができ、一層高精度な拡散抵抗部の温度測定が可能となる。
この場合には、上記拡散抵抗部における温度を直接測定できるため、高精度な温度測定が可能となる。
本発明の参考例にかかるNOxセンサにつき、図1〜図3を用いて説明する。
本例のNOxセンサ1は、図1に示すごとく、被測定ガスが導入される被測定ガス室2と、被測定ガス室2における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部3と、被測定ガス室2内のNOx濃度を検出するセンサセル4と、被測定ガス室2内の酸素濃度を調整するポンプセル5と、使用時における拡散抵抗部3の温度を700℃以上に制御する温度制御手段6とを有する。
ポンプセル5は、酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体51と該ポンプ用固体電解質体51における被測定ガス室2に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極521、522とを備えている。
また、被測定ガス室2の先端側(図1の左側)におけるスペーサ層121の一部に拡散抵抗部3が配設されている。拡散抵抗部3は、多孔質のアルミナセラミックスからなり、NOxセンサ1の先端部において、被測定ガス室2とNOxセンサ1の外部とを連通させている。
そして、ポンプ用固体電解質体51には、スペーサ層124を介してセラミックヒータ13が積層されている。セラミックヒータ13は、アルミナからなる一対のヒータ基板131の間に、通電によって発熱する発熱部132と該発熱部132に通電するためのリード部133とを設けることによって構成されている。
発熱部132は、例えば白金又は白金合金からなる。
また、スペーサ層121、122、124、カバー層123は、アルミナからなる。
温度検出手段61は、ポンプセル5におけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出するよう構成されている。すなわち、温度測定手段61は、ポンプセル5における一対のポンプ用電極521、522の間のインピーダンスを測定する。ポンプセル5のインピーダンスは、ポンプセル5の温度が高くなるほど高くなる。そして、ポンプセル5と拡散抵抗部3とは互いに近接していると共に、ポンプセル5を構成するポンプ用固体電解質体51と拡散抵抗部3とは互いに接触しているため、多少の温度差はあってもポンプセル5の温度と拡散抵抗部3の温度とは近似している。
ここで、上記のごとく、ポンプセル5が拡散抵抗部3に近いため、両者の温度が近似しており、その結果、ポンプセル5におけるインピーダンスを用いることにより、拡散抵抗部3の温度を精度よく推定することができる。
すなわち、700℃以上の高温に保たれた拡散抵抗部3を通じて、被測定ガスを被測定ガス室2に導入する。このとき、被測定ガス中に含まれるアンモニアは、拡散抵抗部3において酸化して、NOxを生成する。したがって、被測定ガス室2に導入される被測定ガス中には、元来被測定ガス中に含有していたNOxと、アンモニア由来のNOxとが存在しうることとなる。
ポンプセル5は、センサセル4よりも、拡散抵抗部3すなわち被測定ガス室2への被測定ガスの導入部に近い位置に形成されている。そのため、ポンプセル5によって酸素濃度を所定の値に整えた状態の被測定ガスがセンサセル4へ導かれることとなる。
尿素SCRシステム7においては、排気系に設けられた、排気ガス中のPM(粒状物質)を除去するためのパティキュレートフィルタ71の下流側であって、選択還元型のNOx浄化触媒(SCR触媒72)の上流側において、排気系内に尿素を添加する。これにより、添加した尿素が分解して生じたアンモニアが、SCR触媒72において、排気ガス中のNOxを選択的に還元して、排気ガスを浄化する。装置的には、尿素タンク74に貯蔵された尿素水をポンプ75にてインジェクタ76へ送り、インジェクタ76からSCR触媒72の上流側において排気ガス中に尿素水を噴射する。
そのため、尿素の添加量を適切な量に制御するために、SCR触媒72の下流側に本例のNOxセンサ1を配設し、アンモニアにてNOxの浄化を行った後の排気ガス中のアンモニア濃度を、NOx濃度に加えて測定する。
ここで、尿素の添加量が適正である場合には、アンモニアが余ることなくNOxを浄化することとなるため、アンモニア濃度も、NOx濃度も略0となる。
しかし、尿素の添加量が少なすぎる場合には、NOxを浄化しきれず、排気ガス(被測定ガス)中にNOxが残ることとなる。このNOx濃度が、NOxセンサ1のセンサセル4において測定される。この場合、尿素の添加量を増やすよう、フィードバックする。
そして、このアンモニア濃度に基づいて尿素の添加量を減らすようフィードバックする。
そのため、必ずしも、NOxセンサ1におけるNOx濃度とアンモニア濃度とを区別する必要はない。
上記NOxセンサ1は、使用時における拡散抵抗部3の温度を700℃以上に制御する温度制御手段6を有する。そのため、アンモニアを含む被測定ガスが、拡散抵抗部3を通過する際、被測定ガス中に含まれる酸素との反応が促進されることでアンモニアが充分に酸化して、アンモニアに由来するNOxが充分に生成される。
その結果、このNOxがセンサセル4において検出され、NOx濃度に応じたセンサ出力、すなわち被測定ガス中のアンモニア濃度に応じたセンサ出力を正確に得ることができる。
また、温度検出手段61は、ポンプセル5におけるインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出する。そのため、温度によって変化するポンプセル5のインピーダンスを測定することによって、これらと直接的或いは間接的に接触する拡散抵抗部3の温度を間接的に測定することができる。また、この場合には、ポンプ用電極521、522を、温度検出手段61の一部として利用することができるため、NOxセンサ1の簡素化、小型化、低コスト化を容易に実現することができる。
本例は、図4に示すごとく、拡散抵抗部3の温度と、NOxセンサ1のアンモニアに対する感度との関係を調べた例である。
NOxセンサ1のアンモニアに対する感度は、下記の「NH3/NO感度比」という指標にて評価した。上記「NH3/NO感度比」は、NOxセンサ1に、同じ濃度のNOとアンモニア(NH3)とをそれぞれ含有する2種類の被測定ガスを供給したときに得られるセンサ出力の比である。この比は、拡散抵抗部3において酸化するアンモニアの割合と同じ値となる。すなわち、例えば、拡散抵抗部3においてアンモニアがすべて酸化してNOを生成する場合に「NH3/NO感度比」は100%となり、半分が酸化してNOを生成する場合に「NH3/NO感度比」は50%となり、酸化せずNOを生成しない場合に0%となる。
具体的には、参考例1のNOxセンサ1の拡散抵抗部3に温度検出用の熱電対を埋め込み、NOxセンサ1のセラミックヒータ13への投入電力を変えることで拡散抵抗部3の温度を変化させ、拡散抵抗部3の温度に対するNOガスとNH3ガスに対するセンサ出力(センサセル4に流れる電流)を測定した。
まず、NOガス濃度100ppm、O2濃度5%、バランスガスN2の混合ガスを調製し、この混合ガス(NO混合ガス)を被測定ガスとしてセンサ出力を計測した。
同様に、NH3ガス濃度100ppm、O2濃度5%、バランスガスN2の混合ガスを調製し、この混合ガス(NH3混合ガス)を測定ガスとしてセンサ出力を計測した。
さらに、拡散抵抗部3の温度を800℃以上に制御することによって、拡散抵抗部3においてアンモニアの大部分を酸化してNOxとすることができ、NOxセンサのアンモニアに対する感度をさらに高めることができることが分かる。したがって、使用時における拡散抵抗部3の温度を800℃以上の所定温度(例えば850℃±20℃)に制御することが、アンモニア検出精度の観点から、より望ましいといえる。
本例は、図5に示すごとく、温度検出手段61の構成を実施例1に対して変更した例である。すなわち、温度検出手段61は、ポンプ用固体電解質体51に設けた一対の測定電極611、612の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて拡散抵抗部3の温度を検出するよう構成され、一方の測定電極611が拡散抵抗部3と接触している。
なお、他方の測定電極612は、被測定ガス室2に面したポンプ用電極521と共通の電極からなる。
その他は、参考例1と同様である。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図6に示すごとく、温度検出手段61を、一対の測定電極621、622とポンプ用固体電解質体51とから構成される温度検出セル62によって構成した例である。一方の測定電極621は拡散抵抗部3に接触して形成され、他方の測定電極622はポンプ用固体電解質体51を挟んで一方の測定電極621の反対側に形成されている。
かかる構成において、温度検出セル62のインピーダンスを測定することによって、拡散抵抗部3の温度を検出する。
その他は、参考例1と同様である。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図7に示すごとく、温度検出手段61を、一対の測定電極631、632とセンサ用固体電解質体41とから構成される温度検出セル63によって構成した例である。一方の測定電極631は拡散抵抗部3に近接して形成され、他方の測定電極632はセンサ用固体電解質体41を挟んで一方の測定電極631の反対側に形成されている。
その他は、実施例2と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。
本例では、図8に示すごとく、温度検出手段61を、拡散抵抗部3に接触配置した熱電対64によって構成した例である。
すなわち、拡散抵抗部3に熱電対64を配置し、これにより拡散抵抗部3の温度を直接計測して、拡散抵抗部3が所望の温度となるようにセラミックヒータ13を制御する。熱電対64には、例えばPt、Pt−Rhの組み合わせを用いることができる。
その他は、参考例1と同様である。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図9に示すごとく、温度検出手段61を、セラミックヒータ13のヒータ抵抗を測定することによって拡散抵抗部3の温度を検出するヒータ抵抗検出手段によって構成した例である。
ここで、ヒータ抵抗は、セラミックヒータ13における発熱体132の抵抗値である。
ヒータ抵抗と拡散抵抗部3との温度の関係を、拡散抵抗部3に温度検出用の熱電対を配置した同仕様の別の素子を用いて予め測定しておく。その上で、各NOxセンサ1におけるヒータ抵抗を測定することにより、ヒータ抵抗から拡散抵抗部3の温度を推定し、拡散抵抗部3の温度を把握することができる。そして、この拡散抵抗部3の温度が所望の温度となるようにセラミックヒータ13を制御することができる。
その他は、参考例1と同様である。
2 被測定ガス室
3 拡散抵抗部
4 センサセル
41 センサ用固体電解質体
421、422 センサ用電極
5 ポンプセル
51 ポンプ用固体電解質体
521、522 ポンプ用電極
6 温度制御手段
Claims (3)
- 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記センサ用固体電解質体又は上記ポンプ用固体電解質体に設けた一対の測定電極の間のインピーダンスを測定し、その測定値に基づいて上記拡散抵抗部の温度を検出するよう構成され、上記一対の測定電極のうち少なくとも一方は上記拡散抵抗部と接触していることを特徴とするNOxセンサ。 - 被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
該被測定ガス室における被測定ガスの導入部に設けられた拡散抵抗部と、
酸素イオン伝導性のセンサ用固体電解質体と該センサ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のセンサ用電極とを備え、上記被測定ガス室内のNOx濃度を検出するセンサセルと、
酸素イオン伝導性のポンプ用固体電解質体と該ポンプ用固体電解質体における上記被測定ガス室に面する面と反対側の面とに配設された一対のポンプ用電極とを備え、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
使用時における上記拡散抵抗部の温度を700℃以上に制御する温度制御手段とを有し、
かつ、該温度制御手段は、通電により発熱するヒータと、上記拡散抵抗部の温度を直接的または間接的に検出する温度検出手段とを有し、
該温度検出手段は、上記拡散抵抗部に接触配置した熱電対からなることを特徴とするNOxセンサ。 - 請求項1又は2において、上記温度制御手段は、使用時における上記拡散抵抗部の温度を800℃以上に制御することを特徴とするNOxセンサ。
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