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JP7599398B2 - Sensor Control Device - Google Patents
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Description

本明細書によって開示される技術は、センサ制御装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a sensor control device.

内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素、窒素酸化物、アンモニア等)の濃度を検知するガスセンサが知られている(特許文献1参照)。ガスセンサに備えられるセンサ素子は、固体電解質体と、固体電解質体の表面に設けられた電極と、電極を覆う多孔質保護層とを備えている。多孔質保護層は、排気ガス中の水分や被毒物質(例えばP、Si、S、Mg等)が電極に付着して電極が劣化することを防いでいる。センサ素子は、有底筒状の保護カバー(プロテクタ)の内部に収容されて、保護されている。 A gas sensor that detects the concentration of specific components (oxygen, nitrogen oxides, ammonia, etc.) in the exhaust gas of an internal combustion engine is known (see Patent Document 1). The sensor element of the gas sensor includes a solid electrolyte body, an electrode provided on the surface of the solid electrolyte body, and a porous protective layer that covers the electrode. The porous protective layer prevents moisture and poisonous substances (e.g., P, Si, S, Mg, etc.) in the exhaust gas from adhering to the electrode and causing deterioration of the electrode. The sensor element is housed and protected inside a cylindrical protective cover (protector) with a bottom.

特開2020-165693号公報JP 2020-165693 A

プロテクタは、ステンレスなどのクロムを含む材料により形成されていることがある。このような場合には、センサ素子の周囲環境が高温になることによってプロテクタから遊離したクロムが、多孔質保護層の表面に付着することがある。多孔質保護層の表面にクロムが付着すると、クロムの作用によって排気ガス中のアンモニアが多孔質保護層の表面で酸化(燃焼)してしまい、計測制度の低下が引き起こされてしまうことがある。 The protector may be made of a material that contains chromium, such as stainless steel. In such cases, when the temperature around the sensor element rises, chromium may become liberated from the protector and adhere to the surface of the porous protective layer. When chromium adheres to the surface of the porous protective layer, the ammonia in the exhaust gas may be oxidized (burned) on the surface of the porous protective layer by the action of the chromium, causing a decrease in measurement accuracy.

本明細書によって開示されるセンサ制御装置は、アンモニアを含む計測対象ガス中の特定ガスを検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータと、を備えるセンサ素子と、クロムを含む金属により構成され、前記センサ素子を囲んで配置されるプロテクタと、を備えるガスセンサに接続されて前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、前記検知部が活性化する第1温度となるように前記ヒータを制御する通常制御と、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、前記検知部が前記第1温度よりも低い第2温度となるように前記ヒータを制御する抑制制御とを選択的に実行するヒータ制御部を備える。 The sensor control device disclosed in this specification is a sensor control device that is connected to a gas sensor including a sensor element having a detection unit that detects a specific gas in a measurement target gas containing ammonia and a heater that heats the detection unit, and a protector that is made of a metal containing chromium and is arranged surrounding the sensor element, and controls the gas sensor. The sensor control device is provided with a heater control unit that selectively executes normal control to control the heater so that the detection unit reaches a first temperature at which the detection unit is activated when it is determined that the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is equal to or greater than a predetermined value, and suppression control to control the heater so that the detection unit reaches a second temperature that is lower than the first temperature when it is determined that the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is less than a predetermined value.

本明細書によって開示されるセンサ制御装置によれば、計測対象ガス中の特定成分を精度よく計測できる。 The sensor control device disclosed in this specification can accurately measure specific components in the measurement target gas.

図1は、実施形態において、車両の排気管に接続されたガス計測装置の全体構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic diagram of an overall configuration of a gas measurement device connected to an exhaust pipe of a vehicle in an embodiment. 図2は、実施形態のガスセンサの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the gas sensor according to the embodiment. 図3は、実施形態のセンサ素子の断面、および、センサ制御装置の電気的構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a cross section of a sensor element according to the embodiment and an electrical configuration of a sensor control device. 図4は、実施形態のアンモニアセンサ部の部分拡大断面図であるFIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of an ammonia sensor unit according to an embodiment. 図5は、実施形態のガス計測装置による処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 5 is a flowchart showing a flow of processing by the gas meter device of the embodiment. 図6は、実施形態におけるヒータ制御の動作を示すタイミングチャートである。FIG. 6 is a timing chart showing the operation of the heater control in this embodiment. 図7は、変形例におけるヒータ制御の動作を示すタイミングチャートである。FIG. 7 is a timing chart showing the operation of heater control in the modified example. 図8は、試験例において、センサ素子の温度を変化させた場合の、連続計測時間とセンサ素子の出力比との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the continuous measurement time and the output ratio of the sensor element when the temperature of the sensor element is changed in a test example.

[実施形態の概要]
(1)本明細書によって開示されるセンサ制御装置は、アンモニアを含む計測対象ガス中の特定ガスを検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータと、を備えるセンサ素子と、クロムを含む金属により構成され、前記センサ素子を囲んで配置されるプロテクタと、を備えるガスセンサに接続されて前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、前記検知部が活性化する第1温度となるように前記ヒータを制御する通常制御と、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、前記検知部が前記第1温度よりも低い第2温度となるように前記ヒータを制御する抑制制御とを選択的に実行するヒータ制御部を備える。
[Overview of the embodiment]
(1) A sensor control device disclosed in this specification is a sensor control device that is connected to a gas sensor including a sensor element having a detection unit that detects a specific gas in a measurement target gas including ammonia and a heater that heats the detection unit, and a protector that is made of a metal containing chromium and is arranged to surround the sensor element, and controls the gas sensor. The sensor control device is equipped with a heater control unit that selectively executes normal control to control the heater to a first temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a first state is reached in which the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is equal to or greater than a predetermined value, and suppression control to control the heater to a second temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a second state is reached in which the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is less than a predetermined value.

アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、ガスセンサの周囲の計測対象ガスの流速が小さくなるときに、プロテクタから遊離したクロムがセンサ素子に付着してしまうことで起こると考えられる。一方、アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、センサ素子が低温で制御されていれば大幅に抑制できることが分かった。ガスセンサの周囲の計測対象ガスの流速が所定の値以上であるときには、検知部が活性化する第1温度となるようにヒータを制御して計測を行い、ガスセンサの周囲の計測対象ガスの流速が所定の値未満であるときには、検知部が第1温度よりも低い第2温度となるようにヒータを制御し、アンモニアの燃焼を抑制することによって、計測対象ガス中の特定成分を精度よく計測できる。 The decrease in measurement accuracy due to ammonia combustion is thought to occur when the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor becomes slow, and chromium liberated from the protector adheres to the sensor element. On the other hand, it has been found that the decrease in measurement accuracy due to ammonia combustion can be significantly suppressed if the sensor element is controlled at a low temperature. When the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is equal to or higher than a predetermined value, the heater is controlled to bring the temperature to a first temperature at which the detection unit is activated, and when the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is less than the predetermined value, the heater is controlled to bring the detection unit to a second temperature lower than the first temperature, suppressing the combustion of ammonia and allowing the specific component in the measurement target gas to be measured with high accuracy.

(2)上記(1)に記載のセンサ制御装置において、特定ガスがアンモニアであてあっても構わない。 (2) In the sensor control device described in (1) above, the specific gas may be ammonia.

上記(1)に記載のセンサ制御装置は、特定ガスがアンモニアである場合に、好適に適用できる。 The sensor control device described in (1) above is preferably applicable when the specific gas is ammonia.

(3)上記(1)または(2)に記載のセンサ制御装置において、ヒータ制御部が、前記ガスセンサの周囲環境が前記第1状態から前記第2状態に変化したと判断してから所定時間経過後に、前記通常制御から前記抑制制御への切り替えを実行しても構わない。 (3) In the sensor control device described in (1) or (2) above, the heater control unit may switch from the normal control to the suppression control a predetermined time after determining that the ambient environment of the gas sensor has changed from the first state to the second state.

第2状態となる時間が極めて短い場合には、計測精度への影響はほとんどないと考えられ、このような場合にまで抑制制御を行うことはかえって煩わしい。このため、ガスセンサの周囲環境が第2状態となってから所定時間経過後に、通常制御から抑制制御への切り替えを実行することで、第2状態となる時間が極めて短い場合には、抑制制御を実行しないことが好ましい。 If the time during which the second state is reached is extremely short, it is believed that there will be almost no impact on the measurement accuracy, and performing suppression control even in such a case would be rather troublesome. For this reason, it is preferable to switch from normal control to suppression control after a predetermined time has elapsed since the environment surrounding the gas sensor reached the second state, and not perform suppression control if the time during which the second state is reached is extremely short.

(4)上記(1)、(2)または(3)に記載のセンサ制御装置において、前記ヒータ制御部が、前記ガスセンサの周囲環境が前記第2状態から前記第1状態に変化したと判断してから100ms以内に、前記抑制制御から前記通常制御への切り替えを実行しても構わない。 (4) In the sensor control device described in (1), (2) or (3) above, the heater control unit may switch from the suppression control to the normal control within 100 ms after determining that the ambient environment of the gas sensor has changed from the second state to the first state.

抑制制御の必要がなくなった場合に、速やかに排気ガス中の特定ガスの計測を開始するためである。 This is to allow measurement of specific gases in exhaust gas to begin immediately when suppression control is no longer necessary.

(5)上記(1)、(2)、(3)または(4)に記載のセンサ制御装置において、前記第2温度が300℃以上740℃未満であっても構わない。あるいは、前記第2温度が300℃以上670℃以下であっても構わない。 (5) In the sensor control device described in (1), (2), (3) or (4) above, the second temperature may be equal to or higher than 300°C and lower than 740°C. Alternatively, the second temperature may be equal to or higher than 300°C and lower than 670°C.

アンモニアの燃焼を確実に抑制するために、第2温度が740℃未満であることが好ましく、670℃以下であることがさらに好ましい。また、第2温度が300℃以上であれば、ガスセンサの周囲環境が第2状態から第1状態に変化したときに、速やかに検知部を活性化し、計測を再開することができる。 To reliably suppress the combustion of ammonia, the second temperature is preferably less than 740°C, and more preferably 670°C or less. Furthermore, if the second temperature is 300°C or more, the detection unit can be quickly activated and measurement can be resumed when the ambient environment of the gas sensor changes from the second state to the first state.

(6)上記(1)、(2)、(3)、(4)または(5)に記載のセンサ制御装置において、前記計測対象ガスが、車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガスであり、前記第1状態が、前記内燃機関が駆動されている状態であり、前記第2状態が、前記内燃機関が停止した状態であっても構わない。 (6) In the sensor control device described in (1), (2), (3), (4) or (5) above, the gas to be measured may be exhaust gas discharged from an internal combustion engine mounted on a vehicle, the first state may be a state in which the internal combustion engine is driven, and the second state may be a state in which the internal combustion engine is stopped.

車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガス中の特定成分を計測する場合に、上記のセンサ制御装置を好適に適用できる。 The above sensor control device can be suitably applied when measuring specific components in exhaust gas emitted from an internal combustion engine mounted on a vehicle.

[実施形態の詳細]
本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment]
Specific examples of the technology disclosed in this specification will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these examples, but is defined by the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

<実施形態>
実施形態を、図1から図6を参照しつつ説明する。本実施形態のガス計測装置1は、自動車のディーゼルエンジン401(内燃機関の一例)から排出される排気ガス(計測対象ガスの一例)に含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する尿素SCR(Selective Catalytic Reduction:選択触媒還元)システムに用いられるものである。尿素SCRシステムは、アンモニアと窒素酸化物とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。尿素SCRシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがある。ガス計測装置1は、排気ガスに含まれる窒素酸化物およびアンモニア(特定ガスの一例)の濃度を測定する。
<Embodiment>
The embodiment will be described with reference to Figs. 1 to 6. The gas metering device 1 of the present embodiment is used in a urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system that purifies nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas (an example of a gas to be measured) discharged from a diesel engine 401 (an example of an internal combustion engine) of an automobile. The urea SCR system is a system that purifies nitrogen oxides contained in exhaust gas by chemically reacting ammonia with nitrogen oxides to reduce the nitrogen oxides to nitrogen. In the urea SCR system, if the amount of ammonia supplied to the nitrogen oxides becomes excessive, there is a risk that unreacted ammonia will be released to the outside while remaining contained in the exhaust gas. The gas metering device 1 measures the concentrations of nitrogen oxides and ammonia (an example of a specific gas) contained in the exhaust gas.

ガス計測装置1は、ガスセンサ10と、ガスセンサ10に接続されるセンサ制御装置300とを備える。図1に示すように、ディーゼルエンジン401に接続される排気管402の途中に、酸化触媒403、DPF(Diesel Particulate Filter)404、SCR触媒405が上流側から順に設けられている。ガスセンサ10は、SCR触媒405に隣接する下流側の排気管402に設置されている。 The gas measurement device 1 includes a gas sensor 10 and a sensor control device 300 connected to the gas sensor 10. As shown in FIG. 1, an oxidation catalyst 403, a DPF (Diesel Particulate Filter) 404, and an SCR catalyst 405 are provided in this order from the upstream side in an exhaust pipe 402 connected to a diesel engine 401. The gas sensor 10 is installed in the exhaust pipe 402 on the downstream side adjacent to the SCR catalyst 405.

[ガスセンサ10の全体構成]
ガスセンサ10は、図2に示すように、センサ素子100、主体金具11、外部プロテクタ12、内部プロテクタ13、外筒14、保持部材18などを備えている。センサ素子100は、軸線AX方向(図2の上下方向)に延びる細長板状をなし、主体金具11の内側に保持されている。なお、以下の説明において、図2の下側を先端側とし、図2の上側を後端側とする。
[Overall configuration of gas sensor 10]
As shown in Fig. 2, the gas sensor 10 includes a sensor element 100, a metal shell 11, an outer protector 12, an inner protector 13, an outer cylinder 14, and a holding member 18. The sensor element 100 has a narrow plate shape extending in the direction of the axis AX (the up-down direction in Fig. 2) and is held inside the metal shell 11. In the following description, the lower side in Fig. 2 will be referred to as the leading end side, and the upper side in Fig. 2 will be referred to as the rear end side.

主体金具11は、軸線AX方向に貫通する貫通孔11Aを有する筒状部材である。主体金具11は、センサ素子100の先端部を自身の先端側外部に突出させると共に、センサ素子100の後端部を自身の後端側外部に突出させた状態で、センサ素子100を貫通孔11A内に保持している。 The metal shell 11 is a cylindrical member having a through hole 11A that penetrates in the direction of the axis AX. The metal shell 11 holds the sensor element 100 in the through hole 11A with the leading end of the sensor element 100 protruding outward from its leading end side and the rear end of the sensor element 100 protruding outward from its rear end side.

主体金具11の貫通孔11Aの内部には、環状のセラミックホルダ15、滑石粉末を環状に充填してなる2つの滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が配置されている。詳細には、センサ素子100の周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ15、滑石リング16A、16B、およびセラミックスリーブ17が、この順に、主体金具11の先端側から後端側にわたって重なって配置されている。 Inside the through hole 11A of the metal shell 11, there are arranged an annular ceramic holder 15, two talc rings 16A and 16B filled with talc powder in an annular shape, and a ceramic sleeve 17. In detail, the ceramic holder 15, the talc rings 16A and 16B, and the ceramic sleeve 17 are arranged in this order, overlapping from the front end to the rear end of the metal shell 11, surrounding the periphery of the sensor element 100.

主体金具11の先端部には、センサ素子100の先端部を覆うように、複数の孔を有する外部プロテクタ12(プロテクタの一例)および内部プロテクタ13(プロテクタの一例)が、溶接によって取り付けられている。外部プロテクタ12および内部プロテクタ13は、クロムを含む金属により構成されており、例えばステンレス製である。一方、主体金具11の後端部には、外筒14が溶接によって取り付けられている。外筒14は、軸線AX方向に延びる筒状をなし、センサ素子100の後端部を包囲している。 An external protector 12 (one example of a protector) and an internal protector 13 (one example of a protector) having multiple holes are attached by welding to the tip of the metal shell 11 so as to cover the tip of the sensor element 100. The external protector 12 and the internal protector 13 are made of a metal containing chromium, for example stainless steel. Meanwhile, an outer cylinder 14 is attached by welding to the rear end of the metal shell 11. The outer cylinder 14 is cylindrical and extends in the direction of the axis AX, and surrounds the rear end of the sensor element 100.

外筒14の内部には、保持部材18が配置されている。保持部材18は、絶縁性材料(具体的にはアルミナ)からなり、軸線AX方向に貫通する挿入孔18Aを有する筒状部材である。挿入孔18A内には、センサ素子100の後端部と複数の端子部材19とが配置されている。複数の端子部材19は、センサ素子100の表面に設けられている複数の電極端子部のそれぞれが弾性的に当接して電気的に接続されている。複数の端子部材19は、複数のリード線20にそれぞれ接続されている。 A retaining member 18 is disposed inside the outer tube 14. The retaining member 18 is a cylindrical member made of an insulating material (specifically, alumina) and has an insertion hole 18A penetrating in the direction of the axis AX. The rear end of the sensor element 100 and multiple terminal members 19 are disposed inside the insertion hole 18A. The multiple terminal members 19 are electrically connected by elastic contact with multiple electrode terminal portions provided on the surface of the sensor element 100. The multiple terminal members 19 are each connected to a multiple lead wire 20.

外筒14の後端側の開口部には、フッ素ゴムからなる弾性シール部材21が配置されている。複数のリード線20が、弾性シール部材21を貫通して外部に導出されている。 An elastic seal member 21 made of fluororubber is disposed at the opening at the rear end of the outer tube 14. A number of lead wires 20 pass through the elastic seal member 21 and are led out to the outside.

[センサ素子100]
センサ素子100は、図3に示すように、NOxセンサ部101(検知部の一例)と、ヒータ170と、アンモニアセンサ部201(検知部の一例)と、を備えている。
[Sensor element 100]
As shown in FIG. 3, the sensor element 100 includes a NOx sensor portion 101 (an example of a detection portion), a heater 170, and an ammonia sensor portion 201 (an example of a detection portion).

NOxセンサ部101は、第1ポンプセル110、Vsセル120、第2ポンプセル130、第1測定室R1、第2測定室R2、基準酸素室R3を含む。 The NOx sensor section 101 includes a first pump cell 110, a Vs cell 120, a second pump cell 130, a first measurement chamber R1, a second measurement chamber R2, and a reference oxygen chamber R3.

NOxセンサ部101は、第1絶縁層141、第1固体電解質体111、第2絶縁層142、第2固体電解質体121、第3絶縁層143、および第3固体電解質体131がこの順に積層された構造を有する。 The NOx sensor section 101 has a structure in which a first insulating layer 141, a first solid electrolyte body 111, a second insulating layer 142, a second solid electrolyte body 121, a third insulating layer 143, and a third solid electrolyte body 131 are stacked in this order.

第1測定室R1は、第1固体電解質体111と第2固体電解質体121との間に設けられ、第2絶縁層142を貫通する小空間である。第1測定室R1は、ガスの通過が可能な第1拡散抵抗体151によって外部空間と隔てられている。第1拡散抵抗体151は、外部から第1測定室R1への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。 The first measuring chamber R1 is a small space provided between the first solid electrolyte body 111 and the second solid electrolyte body 121, and penetrating the second insulating layer 142. The first measuring chamber R1 is separated from the external space by a first diffusion resistor 151 through which gas can pass. The first diffusion resistor 151 limits the amount of exhaust gas flowing from the outside to the first measuring chamber R1 per unit time.

第2測定室R2は、第1固体電解質体111と第3固体電解質体131との間に設けられた小空間であって、第2絶縁層142と、第2固体電解質体121と、第3絶縁層143とを貫通している。第1測定室R1と第2測定室R2とは、ガスの通過が可能な第2拡散抵抗体152によって隔てられている。第2拡散抵抗体152は、第1測定室R1から第2測定室R2への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。 The second measurement chamber R2 is a small space provided between the first solid electrolyte body 111 and the third solid electrolyte body 131, and penetrates the second insulating layer 142, the second solid electrolyte body 121, and the third insulating layer 143. The first measurement chamber R1 and the second measurement chamber R2 are separated by a second diffusion resistor 152 that allows gas to pass through. The second diffusion resistor 152 limits the amount of exhaust gas flowing per unit time from the first measurement chamber R1 to the second measurement chamber R2.

基準酸素室R3は、第2固体電解質体121と第3固体電解質体131との間に設けられた小空間であって、第3絶縁層143を貫通している。基準酸素室R3の内部には、ガスの通過が可能な多孔質体161が充填されている。 The reference oxygen chamber R3 is a small space provided between the second solid electrolyte body 121 and the third solid electrolyte body 131, and penetrates the third insulating layer 143. The inside of the reference oxygen chamber R3 is filled with a porous body 161 that allows gas to pass through.

第1ポンプセル110は、第1固体電解質体111と、第1固体電解質体111の表面(図3の下面)に配置された第1電極112と、第1固体電解質体111の他の表面(図3の上面)に配置されて第1電極112と対極となる第2電極113とを備える。第1電極112は、第1測定室R1の内部に配置されており、第2電極113は、第1測定室R1の外部に配置されている。第1電極112の表面は、ガスの通過が可能な多孔質体162で覆われている。第2電極113は、第1絶縁層141に設けられた開口内に配置されている。この開口は、センサ素子100の外部と連通しており、開口内には、ガスの通過が可能な多孔質体163が充填されている。 The first pump cell 110 includes a first solid electrolyte body 111, a first electrode 112 arranged on the surface of the first solid electrolyte body 111 (the lower surface in FIG. 3), and a second electrode 113 arranged on the other surface of the first solid electrolyte body 111 (the upper surface in FIG. 3) and serving as a counter electrode to the first electrode 112. The first electrode 112 is arranged inside the first measurement chamber R1, and the second electrode 113 is arranged outside the first measurement chamber R1. The surface of the first electrode 112 is covered with a porous body 162 through which gas can pass. The second electrode 113 is arranged in an opening provided in the first insulating layer 141. This opening is connected to the outside of the sensor element 100, and the opening is filled with a porous body 163 through which gas can pass.

Vsセル120は、第2固体電解質体121と、第2固体電解質体121の表面(図3の上面)に配置された第3電極122と、第2固体電解質体121の他の表面(図3の下面)に配置された第4電極123とを備えている。第3電極122は、第1測定室R1の内部に配置されている。第4電極123は、基準酸素室R3の内部に配置されている。 The Vs cell 120 includes a second solid electrolyte body 121, a third electrode 122 arranged on a surface of the second solid electrolyte body 121 (upper surface in FIG. 3), and a fourth electrode 123 arranged on another surface of the second solid electrolyte body 121 (lower surface in FIG. 3). The third electrode 122 is arranged inside the first measurement chamber R1. The fourth electrode 123 is arranged inside the reference oxygen chamber R3.

第2ポンプセル130は、第3固体電解質体131と、第3固体電解質体131の表面(図3の上面)に配置された第5電極132と、第3固体電解質体131の表面(図3の上面)に配置されて第5電極132と対極となる第6電極133とを備えている。第5電極132は、第2測定室R2の内部に配置されている。第6電極133は、基準酸素室R3の内部に、第4電極123に対向して配置されている。 The second pump cell 130 includes a third solid electrolyte body 131, a fifth electrode 132 arranged on the surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 3), and a sixth electrode 133 arranged on the surface of the third solid electrolyte body 131 (upper surface in FIG. 3) and serving as a counter electrode to the fifth electrode 132. The fifth electrode 132 is arranged inside the second measurement chamber R2. The sixth electrode 133 is arranged inside the reference oxygen chamber R3, facing the fourth electrode 123.

第1電極112、第3電極122、第5電極132はそれぞれ基準電位に接続されている。 The first electrode 112, the third electrode 122, and the fifth electrode 132 are each connected to a reference potential.

ヒータ170は、第3固体電解質体131に積層された第4絶縁層171と、第4絶縁層171に積層された第5絶縁層172と、第4絶縁層171と第5絶縁層172の間に埋設され、通電することで発熱する抵抗発熱体173とを備えている。 The heater 170 includes a fourth insulating layer 171 laminated on the third solid electrolyte body 131, a fifth insulating layer 172 laminated on the fourth insulating layer 171, and a resistive heating element 173 embedded between the fourth insulating layer 171 and the fifth insulating layer 172 and generating heat when electricity is passed through it.

固体電解質体111、121、131は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする。絶縁層141、142、143、171、172、多孔質体161、162、163、および、拡散抵抗体151、152は、アルミナを主成分とする。電極112、113、122、123、132、133および抵抗発熱体173は、白金を主成分とする。主成分とは、含有量が50質量%以上であることを意味する。 The solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 are mainly composed of zirconia, which has oxygen ion conductivity. The insulating layers 141, 142, 143, 171, and 172, the porous bodies 161, 162, and 163, and the diffusion resistors 151 and 152 are mainly composed of alumina. The electrodes 112, 113, 122, 123, 132, and 133, and the resistive heating element 173 are mainly composed of platinum. "Mainly composed" means that the content is 50% by mass or more.

アンモニアセンサ部201は、図3に示すように、第5絶縁層172の表面に形成されている。アンモニアセンサ部201は、図4に示すように、第1アンモニアセンサ部201Aと、第2アンモニアセンサ部201Bとを備えている。第1アンモニアセンサ部201Aおよび第2アンモニアセンサ部201Bは、混成電位式のセンシング部として機能する。 As shown in FIG. 3, the ammonia sensor section 201 is formed on the surface of the fifth insulating layer 172. As shown in FIG. 4, the ammonia sensor section 201 includes a first ammonia sensor section 201A and a second ammonia sensor section 201B. The first ammonia sensor section 201A and the second ammonia sensor section 201B function as a mixed potential type sensing section.

第1アンモニアセンサ部201Aは、図4に示すように、第5絶縁層172の表面に形成された第1基準電極202Aと、第1基準電極202Aを覆うように形成された第4固体電解質体203Aと、第4固体電解質体203Aの表面に形成された第1検知電極204Aとを備えている。また同様に、第2アンモニアセンサ部201Bは、第5絶縁層172上に形成された第2基準電極202Bと、第2基準電極202Bを覆うように形成された第5固体電解質体203Bと、第5固体電解質体203Bの表面に形成された第2検知電極204Bとを備えている。 As shown in FIG. 4, the first ammonia sensor unit 201A includes a first reference electrode 202A formed on the surface of the fifth insulating layer 172, a fourth solid electrolyte body 203A formed to cover the first reference electrode 202A, and a first detection electrode 204A formed on the surface of the fourth solid electrolyte body 203A. Similarly, the second ammonia sensor unit 201B includes a second reference electrode 202B formed on the fifth insulating layer 172, a fifth solid electrolyte body 203B formed to cover the second reference electrode 202B, and a second detection electrode 204B formed on the surface of the fifth solid electrolyte body 203B.

第1アンモニアセンサ部201Aおよび第2アンモニアセンサ部201Bは、多孔質体からなる保護層205によって一体的に覆われている。保護層205は、第1検知電極204Aおよび第2検知電極204Bへの被毒物質の付着を防止すると共に、外部から第1アンモニアセンサ部201Aおよび第2アンモニアセンサ部201Bに流入する排気ガスの拡散速度を調整する。 The first ammonia sensor part 201A and the second ammonia sensor part 201B are integrally covered by a protective layer 205 made of a porous material. The protective layer 205 prevents the adhesion of poisonous substances to the first detection electrode 204A and the second detection electrode 204B, and adjusts the diffusion speed of exhaust gas flowing from the outside into the first ammonia sensor part 201A and the second ammonia sensor part 201B.

第1検知電極204Aおよび第2検知電極204Bは、Auを主成分としており、第1基準電極202Aおよび第2基準電極202Bは、Pt単体、またはPtを主成分としている。第1検知電極204Aおよび第2検知電極204Bを構成する電極材は、アンモニアに対する感度と窒素酸化物に対する感度との比が第1アンモニアセンサ部201Aおよび第2アンモニアセンサ部201Bにおいて異なるように選択されている。保護層205を形成する材料としては、アルミナ(酸化アルミニウム)、スピネル(MgAl)、シリカアルミナおよびムライトの群から選ばれる少なくとも1種の材料を例示できる。保護層205による排気ガスの拡散速度は、保護層205の厚さ、粒径、粒度分布、気孔率、配合比率等の諸条件を適宜、設定することで調整される。 The first detection electrode 204A and the second detection electrode 204B are mainly made of Au, and the first reference electrode 202A and the second reference electrode 202B are made of Pt alone or mainly made of Pt. The electrode materials constituting the first detection electrode 204A and the second detection electrode 204B are selected so that the ratio of the sensitivity to ammonia to the sensitivity to nitrogen oxides is different in the first ammonia sensor part 201A and the second ammonia sensor part 201B. The material forming the protective layer 205 can be at least one material selected from the group consisting of alumina (aluminum oxide), spinel (MgAl 2 O 4 ), silica alumina, and mullite. The diffusion speed of the exhaust gas through the protective layer 205 is adjusted by appropriately setting various conditions such as the thickness, particle size, particle size distribution, porosity, and compounding ratio of the protective layer 205.

ヒータ170は、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201を、固体電解質体111、121、131、203A、203Bが活性化する温度となるように加熱し、固体電解質体111、121、131、203A、203Bの酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。 The heater 170 is used to heat the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 to a temperature at which the solid electrolyte bodies 111, 121, 131, 203A, and 203B are activated, thereby increasing the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte bodies 111, 121, 131, 203A, and 203B and stabilizing their operation.

センサ素子100において、主体金具11から突出されているNOxセンサ部101およびヒータ170の一部分と、アンモニアセンサ部201とは、図2に示すように、ガスの通過が可能な多孔質体からなる保護コートCによって覆われている。保護コートCは、例えば、アルミナを主成分とする。 In the sensor element 100, the NOx sensor portion 101 and a portion of the heater 170 protruding from the metal shell 11, and the ammonia sensor portion 201 are covered with a protective coat C made of a porous material that allows gas to pass through, as shown in FIG. 2. The protective coat C is mainly composed of alumina, for example.

[センサ制御装置300]
次いで、センサ制御装置300の構成の一例について説明する。センサ制御装置300は、図3に示すように、電気回路部310とマイクロコンピュータ320とを備えている。
[Sensor control device 300]
Next, a description will be given of an example of the configuration of the sensor control device 300. The sensor control device 300 includes an electric circuit section 310 and a microcomputer 320, as shown in FIG.

電気回路部310は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。電気回路部310は、基準電圧比較回路311、Ip1ドライブ回路312、Vs検出回路313、Icp供給回路314、Ip2検出回路315、Vp2印加回路316、ヒータ駆動回路317、抵抗検出回路318、第1起電力検出回路319Aおよび第2起電力検出回路319Bを備える。 The electric circuit section 310 is an analog circuit arranged on a circuit board. The electric circuit section 310 includes a reference voltage comparison circuit 311, an Ip1 drive circuit 312, a Vs detection circuit 313, an Icp supply circuit 314, an Ip2 detection circuit 315, a Vp2 application circuit 316, a heater drive circuit 317, a resistance detection circuit 318, a first electromotive force detection circuit 319A, and a second electromotive force detection circuit 319B.

Ip1ドライブ回路312は、第1電極112-第2電極113間に電流Ip1を供給し、供給した電流Ip1の値をマイクロコンピュータ320に出力する。 The Ip1 drive circuit 312 supplies a current Ip1 between the first electrode 112 and the second electrode 113, and outputs the value of the supplied current Ip1 to the microcomputer 320.

Vs検出回路313は、第3電極122-第4電極123間の電圧Vsを検知し、基準電圧比較回路311に出力する。 The Vs detection circuit 313 detects the voltage Vs between the third electrode 122 and the fourth electrode 123 and outputs it to the reference voltage comparison circuit 311.

基準電圧比較回路311は、基準電圧(例えば、425mV)とVs検出回路313の出力(電圧Vs)とを比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に出力する。そして、Ip1ドライブ回路312は、電圧Vsが上記基準電圧に等しくなるようにIp1電流の流れる向きおよび大きさを制御し、第1測定室R1内の酸素濃度を、第2測定室R2内の窒素酸化物測定に影響が出ず、なおかつ窒素酸化物が分解しない程度の所定値に調整する。 The reference voltage comparison circuit 311 compares a reference voltage (e.g., 425 mV) with the output (voltage Vs) of the Vs detection circuit 313, and outputs the comparison result to the Ip1 drive circuit 312. The Ip1 drive circuit 312 then controls the direction and magnitude of the Ip1 current so that the voltage Vs is equal to the reference voltage, and adjusts the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 to a predetermined value that does not affect the nitrogen oxide measurement in the second measurement chamber R2, and does not decompose the nitrogen oxides.

Icp供給回路314は、第3電極122-第4電極123間に微弱な電流Icpを流し、酸素の第1測定室R1から基準酸素室R3への汲み出しを行い、第4電極123を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。 The Icp supply circuit 314 passes a weak current Icp between the third electrode 122 and the fourth electrode 123, pumping oxygen from the first measurement chamber R1 to the reference oxygen chamber R3 and exposing the fourth electrode 123 to a predetermined reference oxygen concentration.

Vp2印加回路316は、第5電極132-第6電極133間に、排気ガス中の窒素酸化物が窒素と酸素とに分解される程度の一定電圧Vp2(例えば、450mV)を印加し、窒素酸化物を窒素と酸素に分解する。 The Vp2 application circuit 316 applies a constant voltage Vp2 (e.g., 450 mV) between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133, sufficient to decompose the nitrogen oxides in the exhaust gas into nitrogen and oxygen, thereby decomposing the nitrogen oxides into nitrogen and oxygen.

Ip2検出回路315は、第5電極132上での窒素酸化物の分解により生じた酸素が第3固体電解質体131を介して第6電極133側に汲み出される際に第5電極132-第6電極133間に流れる電流Ip2を検知し、検知結果をマイクロコンピュータ320に出力する。 The Ip2 detection circuit 315 detects the current Ip2 that flows between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133 when oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides on the fifth electrode 132 is pumped to the sixth electrode 133 side through the third solid electrolyte body 131, and outputs the detection result to the microcomputer 320.

ヒータ駆動回路317は、ヒータ170が有する抵抗発熱体173に、ヒータ電圧Vhを印加することで、抵抗発熱体173を発熱させ、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201の加熱を行う。抵抗発熱体173は一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路317に接続されている。 The heater driving circuit 317 applies a heater voltage Vh to the resistive heating element 173 of the heater 170, causing the resistive heating element 173 to generate heat, thereby heating the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201. The resistive heating element 173 is a single electrode pattern, one end of which is grounded and the other end of which is connected to the heater driving circuit 317.

抵抗検出回路318は、定期的に、予め規定された値を有する電流をVsセル120にパルス状に通電し、その通電に応答して得られる電圧変化量(電圧Vsの変化量)を検知してマイクロコンピュータ320に出力する。 The resistance detection circuit 318 periodically passes a pulse of a current having a predetermined value through the Vs cell 120, detects the amount of voltage change (amount of change in voltage Vs) obtained in response to the current, and outputs the result to the microcomputer 320.

第1起電力検出回路319Aは、第1基準電極202Aと第1検知電極204Aとの間の起電力(以下、第1アンモニア起電力EMF1)を検知してマイクロコンピュータ320に出力する。第2起電力検出回路319Bは、第2基準電極202Bと第2検知電極204Bとの間の起電力(以下、第2アンモニア起電力EMF2)を検知してマイクロコンピュータ320に出力する。 The first electromotive force detection circuit 319A detects the electromotive force between the first reference electrode 202A and the first detection electrode 204A (hereinafter, the first ammonia electromotive force EMF1) and outputs it to the microcomputer 320. The second electromotive force detection circuit 319B detects the electromotive force between the second reference electrode 202B and the second detection electrode 204B (hereinafter, the second ammonia electromotive force EMF2) and outputs it to the microcomputer 320.

マイクロコンピュータ320は、センサ制御装置300全体を制御するものであり、CPU(中央演算処理装置)321、RAM322、ROM323、信号入出力部324、A/Dコンバータ325等を備えている。CPU321は、ROM323に格納されたプログラムに基づいて、センサ素子100を制御するための処理を実行する。CPU321は、図3に示すように、信号入出力部324を介してECU(エンジンコントロールユニット)400に接続されている。ECU400は、車両のディーゼルエンジン401の駆動等を電子的に制御するための装置であって、ディーゼルエンジン401の駆動状態等の情報をCPU321に出力する。 The microcomputer 320 controls the entire sensor control device 300, and includes a CPU (Central Processing Unit) 321, a RAM 322, a ROM 323, a signal input/output unit 324, an A/D converter 325, etc. The CPU 321 executes processing for controlling the sensor element 100 based on a program stored in the ROM 323. As shown in FIG. 3, the CPU 321 is connected to an ECU (Engine Control Unit) 400 via the signal input/output unit 324. The ECU 400 is a device for electronically controlling the drive of the vehicle's diesel engine 401, etc., and outputs information such as the drive state of the diesel engine 401 to the CPU 321.

A/Dコンバータ325は、Ip1ドライブ回路312、Vs検出回路313、Ip2検出回路315、抵抗検出回路318、第1起電力検出回路319A、および第2起電力検出回路319Bからの出力値をデジタル変換し、信号入出力部324を介してCPU321に出力する。CPU321は、ROM323から各種データを読み込み、電流Ip1の値、電流Ip2の値、第1アンモニア起電力EMF1の値及び第2アンモニア起電力EMF2の値から種々の演算処理を行う。 The A/D converter 325 digitally converts the output values from the Ip1 drive circuit 312, the Vs detection circuit 313, the Ip2 detection circuit 315, the resistance detection circuit 318, the first electromotive force detection circuit 319A, and the second electromotive force detection circuit 319B, and outputs the digital values to the CPU 321 via the signal input/output unit 324. The CPU 321 reads various data from the ROM 323, and performs various calculations from the values of the current Ip1, the current Ip2, the first ammonia electromotive force EMF1, and the second ammonia electromotive force EMF2.

また、CPU321は、信号入出力部324およびA/Dコンバータ325を介してヒータ駆動回路317へ駆動信号を出力することにより、ヒータ170に供給する電力をパルス幅変調により通電制御して、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201(より具体的には固体電解質体111、121、131、203A、203B)が目標の温度になるようにしている。ヒータ170の通電制御は、抵抗検出回路318によって検知された電圧Vsの変化量を示す値と、ROM323に記憶されている電圧Vsの変化量とVsセル120の内部抵抗値とが予め関連付けられたテーブルに基づいて、Vsセル120の内部抵抗(インピーダンス)を求め、インピーダンスが目標値となるように供給電力量を制御する公知の手法によって実現することができる。CPU321とヒータ駆動回路317とは、ヒータ制御部の一例である。 The CPU 321 also controls the power supplied to the heater 170 by pulse width modulation by outputting a drive signal to the heater drive circuit 317 via the signal input/output unit 324 and the A/D converter 325, so that the NOx sensor unit 101 and the ammonia sensor unit 201 (more specifically, the solid electrolyte bodies 111, 121, 131, 203A, and 203B) reach the target temperature. The control of the power supply to the heater 170 can be realized by a known method of calculating the internal resistance (impedance) of the Vs cell 120 based on a value indicating the change in the voltage Vs detected by the resistance detection circuit 318 and a table in which the change in the voltage Vs and the internal resistance value of the Vs cell 120 stored in the ROM 323 are previously associated, and controlling the amount of power supply so that the impedance becomes the target value. The CPU 321 and the heater drive circuit 317 are an example of a heater control unit.

CPU321は、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201(より具体的には、固体電解質体111、121、131、203A、203B)が活性化する第1温度となるようにヒータ170を制御する通常制御と、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201が第1温度よりも低い第2温度となるようにヒータ170を制御する抑制制御とを選択的に実行する 。 When the CPU 321 determines that the gas sensor 10 is in a first state where the flow rate of the gas to be measured around the gas sensor 10 is equal to or greater than a predetermined value, the CPU 321 selectively executes normal control to control the heater 170 to a first temperature at which the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 (more specifically, the solid electrolyte bodies 111, 121, 131, 203A, 203B) are activated, and when the CPU 321 determines that the gas sensor 10 is in a second state where the flow rate of the gas to be measured around the gas sensor 10 is less than a predetermined value, the CPU 321 selectively executes suppression control to control the heater 170 to a second temperature at which the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 are activated, which is lower than the first temperature.

[ガス計測装置1の動作態様]
上記のガス計測装置1によって、車両の排気ガス中の窒素酸化物およびアンモニア濃度を計測する処理について説明する。
[Operational Mode of Gas Measuring Device 1]
A process for measuring the concentrations of nitrogen oxides and ammonia in the exhaust gas of a vehicle using the above-mentioned gas measurement device 1 will now be described.

ディーゼルエンジン401が始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ駆動回路317が抵抗発熱体173に駆動電流を流す(ステップS11)。抵抗発熱体173が昇温し、固体電解質体111、121、131、203A、203Bが加熱され、活性化される。 When the diesel engine 401 is started and receives power from an external power source, the heater drive circuit 317 passes a drive current through the resistance heating element 173 (step S11). The resistance heating element 173 rises in temperature, and the solid electrolyte bodies 111, 121, 131, 203A, and 203B are heated and activated.

排気ガスは、第1拡散抵抗体151による流通量の制限を受けつつ第1測定室R1内に導入される。 The exhaust gas is introduced into the first measurement chamber R1 while the flow rate is restricted by the first diffusion resistor 151.

次に、Icp供給回路314が、Vsセル120において、第4電極123から第3電極122へ微弱な電流Icpを流す(ステップS12)。これにより、排気ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室R1内の第3電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって第2固体電解質体121内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。つまり、第3電極122と第4電極123との間で電流Icpが流されることによって、第1測定室R1内の酸素が基準酸素室R3内に送り込まれる。 Next, the Icp supply circuit 314 passes a weak current Icp from the fourth electrode 123 to the third electrode 122 in the Vs cell 120 (step S12). This allows the oxygen in the exhaust gas to receive electrons from the third electrode 122 in the first measurement chamber R1, which is the negative electrode, and becomes oxygen ions that flow through the second solid electrolyte body 121 and move into the reference oxygen chamber R3. In other words, by passing the current Icp between the third electrode 122 and the fourth electrode 123, the oxygen in the first measurement chamber R1 is sent into the reference oxygen chamber R3.

次に、CPU321は、Vs検知回路313により検知される電圧Vsが所定値(1.5V)以下であるか否かを判断する(ステップS13)。CPU321は、電圧Vsが所定値以下ではないと判断した場合には、電圧Vsが所定値以下となるまで待機する。 Next, the CPU 321 determines whether the voltage Vs detected by the Vs detection circuit 313 is equal to or lower than a predetermined value (1.5 V) (step S13). If the CPU 321 determines that the voltage Vs is not equal to or lower than the predetermined value, it waits until the voltage Vs becomes equal to or lower than the predetermined value.

CPU321は、電圧Vsが所定値以下であると判断すると、続いて、ガスセンサ10の周囲環境が、排気ガスの流速が所定の値以上である第1状態であるか、排気ガスの流速が所定の値未満である第2状態であるかを判断する(ステップS14)。この判断は、例えば、ディーゼルエンジン401が駆動されている状態であるか、一時停止(アイドリングストップ)された状態であるかを指標として行われる。ディーゼルエンジン401が駆動されていれば、ガスセンサ10の周囲に排気ガスがある程度の流速で流れていると考えられ、ディーゼルエンジン401が停止されていれば、ガスセンサ10の周囲の排気ガスの流速が小さいか、ほとんど0になっていると考えられるため、ディーゼルエンジン401が駆動されているかアイドリングストップ状態であるかを指標とすることで、ガスセンサ10の周囲環境が第1状態であるか第2状態であるかを容易に判断できる。 When the CPU 321 determines that the voltage Vs is equal to or lower than the predetermined value, it then determines whether the surrounding environment of the gas sensor 10 is in a first state in which the flow rate of the exhaust gas is equal to or higher than a predetermined value, or in a second state in which the flow rate of the exhaust gas is lower than a predetermined value (step S14). This determination is made, for example, using as an indicator whether the diesel engine 401 is in a driven state or in a stopped (idling-stop) state. If the diesel engine 401 is driven, it is considered that the exhaust gas is flowing around the gas sensor 10 at a certain flow rate, and if the diesel engine 401 is stopped, it is considered that the flow rate of the exhaust gas around the gas sensor 10 is small or almost zero. Therefore, by using as an indicator whether the diesel engine 401 is driven or in an idling-stop state, it is possible to easily determine whether the surrounding environment of the gas sensor 10 is in the first state or the second state.

ディーゼルエンジン401がアイドリングストップ中であるか否かは、例えば、ディーゼルエンジン401の運転を自動的に停止させる指示と、自動運転停止後にディーゼルエンジン401の運転を自動的に再開させる指示とによって更新されるアイドリングストップフラグ(ISF)に基づいて判断される。具体的には、例えばオートマチック車においては、ブレーキペダルを踏んだまま減速し、停車状態(例えば車速がゼロ)になったときなどに、アイドリングストップに適した状態であると判定され、アイドリングストップフラグがセット(オン)され、何かしらのアイドリングストップに適さない条件(例えばアクセルペダルを踏んだ時)が成立した場合には、アイドリングストップフラグがオフされる。CPU321は、ECU400からの出力信号に基づいて、アイドリングストップフラグがオン、オフいずれであるかを検知する。 Whether the diesel engine 401 is in an idling stop state is determined based on an idling stop flag (ISF) that is updated by, for example, an instruction to automatically stop the operation of the diesel engine 401 and an instruction to automatically resume the operation of the diesel engine 401 after the automatic operation is stopped. Specifically, for example, in an automatic vehicle, when the vehicle decelerates with the brake pedal depressed and comes to a stop (for example, when the vehicle speed is zero), it is determined that the state is suitable for idling stop and the idling stop flag is set (on), and when any condition that is not suitable for idling stop (for example, when the accelerator pedal is depressed) is established, the idling stop flag is turned off. The CPU 321 detects whether the idling stop flag is on or off based on an output signal from the ECU 400.

CPU321は、ステップS14において、アイドリングストップフラグがオフとなっていること、すなわち、ディーゼルエンジン401が駆動されていることを検知すると、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断し、NOxセンサ部101とアンモニアセンサ部201とが第1温度となるように、ヒータ駆動回路317に駆動信号を出力し、ヒータ170を制御する(通常制御:ステップS15)。第1温度は、例えば、750℃以上である。 When the CPU 321 detects in step S14 that the idling stop flag is off, i.e., that the diesel engine 401 is being driven, it determines that the state is a first state in which the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is equal to or greater than a predetermined value, and outputs a drive signal to the heater drive circuit 317 to control the heater 170 so that the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 are at a first temperature (normal control: step S15). The first temperature is, for example, 750°C or higher.

CPU321は、NOxセンサ部101とアンモニアセンサ部201とが第1温度となるようにヒータ170が制御された状態で、排気ガス中の窒素酸化物濃度およびアンモニア濃度の計測を行う(ステップS17)。計測は、公知の手順によって行うことができる。具体的な手順は、例えば以下のようである。 The CPU 321 measures the nitrogen oxide concentration and ammonia concentration in the exhaust gas while the heater 170 is controlled so that the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 are at the first temperature (step S17). The measurements can be performed by a known procedure. A specific procedure is, for example, as follows.

Vs検出回路313は、第3電極122と第4電極123との間の電圧Vsを検知する。電圧Vsは、第1測定室R1内と基準酸素室R3内との酸素濃度差に対応した電圧である。Vs検出回路313は、検知した電圧Vsの値を、基準電圧比較回路311を用いて基準電圧(425mV)と比較し、比較結果をIp1ドライブ回路312に対し出力する。ここで、電圧Vsが425mV付近で一定となるように、第1測定室R1内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室R1内の排気ガス中の酸素濃度は所定値(例えば10-8~10-9atm)に近づくこととなる。 The Vs detection circuit 313 detects the voltage Vs between the third electrode 122 and the fourth electrode 123. The voltage Vs corresponds to the difference in oxygen concentration between the first measurement chamber R1 and the reference oxygen chamber R3. The Vs detection circuit 313 compares the detected voltage Vs with a reference voltage (425 mV) using the reference voltage comparison circuit 311, and outputs the comparison result to the Ip1 drive circuit 312. If the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is adjusted so that the voltage Vs is constant at around 425 mV, the oxygen concentration in the exhaust gas in the first measurement chamber R1 will approach a predetermined value (for example, 10 −8 to 10 −9 atm).

Ip1ドライブ回路312は、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、第2電極113側が負極となるように第1ポンプセル110に電流Ip1を流し、センサ素子100の外部から第1測定室R1内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室R1内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路312は、第1電極112側が負極となるように第1ポンプセル110に電流Ip1を流し、第1測定室R1内からセンサ素子100の外部へ酸素の汲み出しを行う。すなわち、第1ポンプセル110は、第1測定室R1内の酸素濃度が一定となるように第1測定室R1の内部と外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行う。なお、Ip1ドライブ回路312により検出された電流Ip1に基づいて、第1測定室R1に流入した排気ガス中の酸素濃度を把握することができる。その酸素濃度は、アンモニアの濃度の検出に利用される。 When the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is lower than a predetermined value, the Ip1 drive circuit 312 passes a current Ip1 through the first pump cell 110 so that the second electrode 113 side becomes negative, and pumps oxygen from the outside of the sensor element 100 into the first measurement chamber R1. On the other hand, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber R1 is higher than a predetermined value, the Ip1 drive circuit 312 passes a current Ip1 through the first pump cell 110 so that the first electrode 112 side becomes negative, and pumps oxygen from the inside of the first measurement chamber R1 to the outside of the sensor element 100. In other words, the first pump cell 110 pumps or pumps oxygen between the inside and outside of the first measurement chamber R1 so that the oxygen concentration in the first measurement chamber R1 is constant. In addition, the oxygen concentration in the exhaust gas that flows into the first measurement chamber R1 can be determined based on the current Ip1 detected by the Ip1 drive circuit 312. The oxygen concentration is used to detect the ammonia concentration.

第1測定室R1において酸素濃度が調整された排気ガスは、第2拡散抵抗体152による流通量の制限を受けつつ第2測定室R2内に導入される。第2測定室R2内で第5電極132と接触した排気ガス中の窒素酸化物は、Vp2印加回路316により第5電極132と第6電極133との間に電圧Vp2が印加されることで、第5電極132上で窒素と酸素とに分解される。分解により生成した酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体131内を流れ、基準酸素室R3内に移動する。このとき第2ポンプセル130を流れる電流Ip2は、窒素酸化物濃度に応じた値を示す。 The exhaust gas whose oxygen concentration has been adjusted in the first measurement chamber R1 is introduced into the second measurement chamber R2 while the flow rate is restricted by the second diffusion resistor 152. Nitrogen oxides in the exhaust gas that come into contact with the fifth electrode 132 in the second measurement chamber R2 are decomposed into nitrogen and oxygen on the fifth electrode 132 by applying a voltage Vp2 between the fifth electrode 132 and the sixth electrode 133 by the Vp2 application circuit 316. The oxygen generated by the decomposition becomes oxygen ions and flows through the third solid electrolyte body 131 and moves into the reference oxygen chamber R3. At this time, the current Ip2 flowing through the second pump cell 130 indicates a value corresponding to the nitrogen oxide concentration.

また、第1アンモニアセンサ部201Aの第1基準電極202Aと第1検知電極204Aとの間には、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度に応じて起電力が発生する。第1起電力検出回路319Aは、第1基準電極202Aと第1検知電極204Aとの間の起電力を第1アンモニア起電力EMF1として検知する。同様に、第2アンモニアセンサ部201Bの第2基準電極202Bと第2検知電極204Bとの間にも、排気ガス中のアンモニアの濃度に応じて起電力が発生する。第2起電力検出回路319Bは、第2基準電極202Bと第2検知電極204Bとの間の起電力を第2アンモニア起電力EMF2として検知する。 In addition, an electromotive force is generated between the first reference electrode 202A and the first detection electrode 204A of the first ammonia sensor part 201A according to the concentration of ammonia contained in the exhaust gas. The first electromotive force detection circuit 319A detects the electromotive force between the first reference electrode 202A and the first detection electrode 204A as a first ammonia electromotive force EMF1. Similarly, an electromotive force is generated between the second reference electrode 202B and the second detection electrode 204B of the second ammonia sensor part 201B according to the concentration of ammonia in the exhaust gas. The second electromotive force detection circuit 319B detects the electromotive force between the second reference electrode 202B and the second detection electrode 204B as a second ammonia electromotive force EMF2.

CPU321は、電流Ip1、電流Ip2、第1アンモニア起電力EMF1および第2アンモニア起電力EMF2の値、および、電流Ip1に基づいて求められた排気ガス中の酸素濃度に基づいて、ROM323に記憶されている各種の関係式を用いて排気ガス中の窒素酸化物濃度およびアンモニア濃度を算出する。 The CPU 321 calculates the nitrogen oxide concentration and ammonia concentration in the exhaust gas using various relational expressions stored in the ROM 323 based on the values of the current Ip1, the current Ip2, the first ammonia electromotive force EMF1, and the second ammonia electromotive force EMF2, and the oxygen concentration in the exhaust gas calculated based on the current Ip1.

なお、アンモニアセンサ部201は、アンモニアだけでなく、窒素酸化物をも検知してしまうため、排気ガス中に窒素酸化物が含まれているとアンモニアの検出精度が低下するおそれがある。そのため、アンモニアセンサ部201として、アンモニアに対する感度と窒素酸化物に対する感度との比がそれぞれ異なるアンモニアセンサ部201A、201Bを2つ利用することで、アンモニアと窒素酸化物の各濃度が算出されている。 The ammonia sensor unit 201 detects not only ammonia but also nitrogen oxides, so there is a risk that the accuracy of detecting ammonia may decrease if nitrogen oxides are contained in the exhaust gas. Therefore, the ammonia sensor unit 201 uses two ammonia sensor units 201A and 201B, each of which has a different ratio of sensitivity to ammonia and sensitivity to nitrogen oxides, to calculate the concentrations of ammonia and nitrogen oxides.

CPU321は、ステップS14において、アイドリングストップフラグがオンとなったこと、すなわち、ディーゼルエンジン401がアイドリングストップ状態となったことを検知すると、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断し、NOxセンサ部101とアンモニアセンサ部201とが第1温度よりも低い第2温度となるように、ヒータ駆動回路317に駆動信号を出力し、ヒータ170を制御する(抑制制御:ステップS17)。CPU321は、抑制制御中は、排気ガス中のアンモニア濃度の計測を行わず、アイドリングストップフラグがオフとなるまで待機する。 When the CPU 321 detects in step S14 that the idling stop flag has been turned on, i.e., that the diesel engine 401 has entered an idling stop state, it determines that the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is less than a predetermined value, and outputs a drive signal to the heater drive circuit 317 to control the heater 170 so that the NOx sensor section 101 and the ammonia sensor section 201 reach a second temperature that is lower than the first temperature (suppression control: step S17). During the suppression control, the CPU 321 does not measure the ammonia concentration in the exhaust gas, and waits until the idling stop flag is turned off.

CPU321は、アイドリングストップフラグが再びオフとなったこと、すなわち、ディーゼルエンジン401の駆動が再開されたことを検知すると、ガスセンサ10の周囲環境が再び第1状態となったと判断し、ステップS15およびステップS16の処理を繰り返す。本実施形態では、図6に示すように、ガスセンサ10の周囲環境が第2状態から第1状態に変化したと判断したのち速やかに(例えば100ms以内に)、抑制制御から通常制御への切り替えが実行される。これにより、抑制制御の必要がなくなった場合に、速やかに排気ガス中のアンモニア濃度の計測を開始することができる。なお、図6において、濃い網掛けの領域は第1状態、薄い網掛けの領域は第2状態を示す。 When the CPU 321 detects that the idling stop flag has been turned off again, i.e., that the operation of the diesel engine 401 has been resumed, it determines that the ambient environment of the gas sensor 10 has returned to the first state, and repeats the processing of steps S15 and S16. In this embodiment, as shown in FIG. 6, the suppression control is switched to normal control promptly (for example, within 100 ms) after it is determined that the ambient environment of the gas sensor 10 has changed from the second state to the first state. This makes it possible to promptly start measuring the ammonia concentration in the exhaust gas when the suppression control is no longer necessary. In FIG. 6, the darkly shaded area indicates the first state, and the lightly shaded area indicates the second state.

CPU321は、ステップS16の終了後、計測処理の終了要求があるか否かを判別する(ステップS18)。終了要求がないと判断した場合には、ステップS14に戻って処理が繰り返される。終了要求があったと判断した場合には、計測処理を終了する。 After step S16 is completed, the CPU 321 determines whether or not there is a request to end the measurement process (step S18). If it is determined that there is no request to end the measurement process, the process returns to step S14 and is repeated. If it is determined that there is a request to end the measurement process, the measurement process is terminated.

アンモニアの燃焼を確実に抑制するために、第2温度が740℃未満であることが好ましく、670℃以下であることがさらに好ましい。また、第2温度が300℃以上であることが好ましい。第2温度が300℃以上であれば、ガスセンサ10の周囲環境が第2状態から第1状態に変化したときに、速やかにセンサ素子100を活性化し、計測を再開することができる。 To reliably suppress the combustion of ammonia, the second temperature is preferably less than 740°C, and more preferably 670°C or less. Also, the second temperature is preferably 300°C or more. If the second temperature is 300°C or more, the sensor element 100 can be quickly activated and measurement can be resumed when the ambient environment of the gas sensor 10 changes from the second state to the first state.

ここで、保護層205や保護コートCは、排気ガス中の酸素、窒素酸化物、アンモニア等の通過を許容し、水分や、検知電極202A、202Bをはじめとする各種電極に悪影響を与える被毒物質(例えばP、Si、S、Mg等)をトラップする。排気ガスに含まれるアンモニアは、本来、保護層205や保護コートCを通り抜けて検知電極202A、202Bをはじめとする各種電極の表面に到達する。しかし、センサ素子100の周囲環境が高温になることによって外部プロテクタ12および内部プロテクタ13から遊離したクロムが、保護層205や保護コートCの表面に付着すると、排気ガス中のアンモニアが保護層205や保護コートCの表面で燃焼してしまう。これにより、検知電極202A、202Bをはじめとする各種電極に到達するアンモニアの量が変化することで、計測制度の低下が引き起こされてしまうと考えられる。 Here, the protective layer 205 and the protective coat C allow oxygen, nitrogen oxides, ammonia, etc. in the exhaust gas to pass through, and trap moisture and poisonous substances (e.g., P, Si, S, Mg, etc.) that adversely affect various electrodes including the detection electrodes 202A and 202B. The ammonia contained in the exhaust gas would normally pass through the protective layer 205 and the protective coat C and reach the surfaces of various electrodes including the detection electrodes 202A and 202B. However, if the chromium liberated from the external protector 12 and the internal protector 13 due to the high temperature surrounding the sensor element 100 adheres to the surfaces of the protective layer 205 and the protective coat C, the ammonia in the exhaust gas will burn on the surfaces of the protective layer 205 and the protective coat C. This is thought to cause a decrease in the measurement accuracy due to a change in the amount of ammonia that reaches the various electrodes including the detection electrodes 202A and 202B.

ガスセンサ10の周囲に計測対象ガスがある程度の流速で流れている場合には、センサ素子100の周囲が換気された状態となっており、プロテクタ12、13から遊離したクロムは、排気ガスの流れに乗ってセンサ素子100の周囲環境から排出されるため、保護層205や保護コートCにあまり付着しないと考えられる。しかし、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が低下すると、遊離したクロムがセンサ素子100の周囲環境から排出されずに保護層205や保護コートCに付着し、計測制度の低下が起こると考えられる。 When the gas to be measured flows around the gas sensor 10 at a certain flow rate, the area around the sensor element 100 is ventilated, and chromium released from the protectors 12 and 13 is carried by the exhaust gas flow and discharged from the environment surrounding the sensor element 100, so it is thought that it does not adhere to the protective layer 205 or protective coating C very much. However, when the flow rate of the gas to be measured around the gas sensor 10 decreases, the released chromium is not discharged from the environment surrounding the sensor element 100, but adheres to the protective layer 205 or protective coating C, which is thought to cause a decrease in measurement accuracy.

一方、アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、センサ素子100が低温で制御されていれば大幅に抑制されることがわかった。 On the other hand, it was found that the decrease in measurement accuracy due to ammonia combustion can be significantly suppressed if the sensor element 100 is controlled at a low temperature.

アンモニアの燃焼による計測精度の低下のメカニズムは、以下のようであると推測される。
(A)プロテクタ12、13からクロムが揮発し、センサ素子100(例えば保護層205や保護コートC)に吸着される。
(B)吸着されたクロムと何らかの物質(例えば、保護層205や保護コートCに含まれるアルミナ、あるいは酸素)が反応し、化合物や錯体が生成される。
(C)生成された化合物や錯体が触媒となってアンモニアが燃焼する。
The mechanism by which measurement accuracy decreases due to ammonia combustion is presumed to be as follows.
(A) Chromium volatilizes from the protectors 12 and 13 and is adsorbed onto the sensor element 100 (for example, the protective layer 205 or the protective coat C).
(B) The adsorbed chromium reacts with some substance (for example, alumina contained in the protective layer 205 or protective coat C, or oxygen) to produce a compound or complex.
(C) The compounds and complexes produced act as catalysts to burn ammonia.

ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が低下した時に、センサ素子100が低温で制御されることで、クロムがセンサ素子100に吸着されたとしても、上記(B)の反応を抑制できると考えられる。なお、上記(B)の反応に至らなかったクロムは、計測対象ガスの流速が大きくなると容易にセンサ素子100から遊離するため、計測対象ガスの流速が回復した時には、センサ素子100の温度を上げてもほとんど影響はないと考えられる。 When the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 decreases, the sensor element 100 is controlled at a low temperature, so that it is believed that the reaction (B) above can be suppressed even if chromium is adsorbed to the sensor element 100. Note that chromium that does not undergo the reaction (B) above is easily released from the sensor element 100 when the flow rate of the measurement target gas increases, so that when the flow rate of the measurement target gas recovers, raising the temperature of the sensor element 100 is thought to have little effect.

[作用効果]
以上のように本実施形態によれば、センサ制御装置300は、計測対象ガス中の窒素酸化物を検知するNOxセンサ部101と、計測対象ガス中のアンモニアを検知するアンモニアセンサ部201と、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201を加熱するヒータ170と、を備えるセンサ素子100と、クロムを含む金属により構成され、センサ素子100を囲んで配置されるプロテクタ12、13と、を備えるガスセンサ10に接続されてガスセンサ10を制御するセンサ制御装置300であって、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201が活性化する第1温度となるようにヒータ170を制御する通常制御と、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201が第1温度よりも低い第2温度となるようにヒータ170を制御する抑制制御とを選択的に実行するCPU321およびヒータ駆動回路317を備える。
[Action and Effect]
As described above, according to this embodiment, the sensor control device 300 is connected to and controls the gas sensor 10, the gas sensor 10 including the sensor element 100 including the NOx sensor portion 101 that detects nitrogen oxides in a gas to be measured, the ammonia sensor portion 201 that detects ammonia in the gas to be measured, and the heater 170 that heats the NOx sensor portion 101 and the ammonia sensor portion 201, and the protectors 12, 13 that are made of a metal containing chromium and are arranged to surround the sensor element 100. The gas sensor 321 and the heater driving circuit 317 selectively execute a normal control for controlling the heater 170 to a first temperature at which the NOx sensor portion 101 and the ammonia sensor portion 201 are activated when it is determined that the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is equal to or higher than a predetermined value, and a suppression control for controlling the heater 170 to a second temperature at which the NOx sensor portion 101 and the ammonia sensor portion 201 are activated when it is determined that the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is lower than a predetermined value.

アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、例えばアイドリングストップ時においてガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が小さくなるときに、プロテクタ12、13から遊離したクロムがセンサ素子100に付着してしまうことで起こると考えられる。一方、アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、センサ素子100が低温で制御されていれば大幅に抑制できることが分かった。ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値以上であるときには、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201が活性化する第1温度となるようにヒータ170を制御して計測を行い、ガスセンサ10の周囲の計測対象ガスの流速が所定の値未満であるときには、NOxセンサ部101およびアンモニアセンサ部201が第1温度よりも低い第2温度となるようにヒータ170を制御してアンモニアの燃焼を抑制することによって、計測対象ガス中の特定成分を精度よく計測できる。 It is believed that the decrease in measurement accuracy due to the combustion of ammonia occurs when the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 decreases, for example, during idling stop, and chromium released from the protectors 12 and 13 adheres to the sensor element 100. On the other hand, it has been found that the decrease in measurement accuracy due to the combustion of ammonia can be significantly suppressed if the sensor element 100 is controlled at a low temperature. When the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is equal to or higher than a predetermined value, the heater 170 is controlled to make the NOx sensor portion 101 and the ammonia sensor portion 201 reach a first temperature at which they are activated, and when the flow rate of the measurement target gas around the gas sensor 10 is less than the predetermined value, the heater 170 is controlled to make the NOx sensor portion 101 and the ammonia sensor portion 201 reach a second temperature lower than the first temperature, thereby suppressing the combustion of ammonia, thereby enabling accurate measurement of a specific component in the measurement target gas.

<変形例>
変形例では、図7に示すように、CPU321は、ガスセンサ10の周囲環境が第1状態から第2状態に変化したと判断してから所定時間経過後に、通常制御から抑制制御への切り替えを実行する。例えば、短時間のアイドルストップのように、第2状態となる時間が極めて短い場合には、計測精度への影響はほとんどないと考えられ、このような場合にまでセンサ素子100の温度を低下させることはかえって煩わしい。このため、ガスセンサ10の周囲環境が第2状態となってから所定時間経過後に、通常制御から抑制制御への切り替えを実行することで、第2状態となる時間が極めて短い場合には、抑制制御を実行しないことが好ましい。「所定時間」とは、例えば、10s以上であることが好ましい。なお、図7において、濃い網掛けの領域は第1状態、薄い網掛けの領域は第2状態を示す。
<Modification>
In the modified example, as shown in FIG. 7, the CPU 321 executes switching from normal control to suppression control after a predetermined time has elapsed since it was determined that the ambient environment of the gas sensor 10 has changed from the first state to the second state. For example, when the time during which the gas sensor 10 is in the second state is extremely short, such as in a short-term idle stop, it is considered that there is almost no effect on the measurement accuracy, and lowering the temperature of the sensor element 100 in such a case is rather troublesome. For this reason, it is preferable not to execute suppression control by executing switching from normal control to suppression control after a predetermined time has elapsed since the ambient environment of the gas sensor 10 is in the second state, in the case where the time during which the gas sensor 10 is in the second state is extremely short. The "predetermined time" is preferably, for example, 10 s or more. In FIG. 7, the darkly shaded area indicates the first state, and the lightly shaded area indicates the second state.

<試験例>
上記実施形態と同様の構成のガスセンサを準備し、排気ガス雰囲気中に設置した。ガスセンサの周囲環境を無風状態(排気ガスの流速がほとんど0の状態)として、排気ガス中のアンモニア濃度に対応するガスセンサからの出力値を連続的に取得した。計測開始時のガスセンサからの出力値に対する特定時間後のガスセンサからの出力値の比を算出し、出力比とした。
<Test Example>
A gas sensor having the same configuration as the above embodiment was prepared and placed in an exhaust gas atmosphere. The surrounding environment of the gas sensor was in a windless state (a state in which the flow rate of the exhaust gas was almost zero), and the output value from the gas sensor corresponding to the ammonia concentration in the exhaust gas was continuously obtained. The ratio of the output value from the gas sensor after a specific time to the output value from the gas sensor at the start of measurement was calculated to obtain the output ratio.

図8に示すように、センサ素子の温度が740℃に制御されている場合、出力比は測定開始直後から急速に低下し、600時間後の出力比は10%以下であった。センサ素子の温度が700℃に制御されている場合、600時間後の出力比は、20%以下であった。出力比の低下は、740℃の場合よりも緩やかであった。センサ素子の温度が680℃に制御されている場合、600時間後の出力比は50%以下であり、1200時間後の出力比は20%以下であった。出力比の低下は、740℃および700℃の場合よりもさらに緩やかであった。センサ素子の温度が662℃に制御されている場合、出力比はほとんど低下せず、600時間後の出力比は90%以上であり、1200時間後であっても出力比は80%以上であった。以上のように、アンモニアの燃焼による計測精度の低下は、センサ素子の温度が低いほど抑制されることが確認された。 As shown in FIG. 8, when the temperature of the sensor element was controlled at 740°C, the output ratio dropped rapidly immediately after the start of the measurement, and the output ratio after 600 hours was 10% or less. When the temperature of the sensor element was controlled at 700°C, the output ratio after 600 hours was 20% or less. The drop in the output ratio was more gradual than in the case of 740°C. When the temperature of the sensor element was controlled at 680°C, the output ratio after 600 hours was 50% or less, and the output ratio after 1200 hours was 20% or less. The drop in the output ratio was even more gradual than in the cases of 740°C and 700°C. When the temperature of the sensor element was controlled at 662°C, the output ratio hardly dropped, and the output ratio after 600 hours was 90% or more, and even after 1200 hours, the output ratio was 80% or more. As described above, it was confirmed that the lower the temperature of the sensor element, the more the decrease in measurement accuracy due to the combustion of ammonia is suppressed.

<他の実施形態>
(1)上記実施形態では、ガスセンサ10がアンモニアセンサであったが、ガスセンサの種類は上記実施形態の限りではなく、例えば、酸素センサであっても構わない。アンモニア酸化反応により酸素も消費され、計測に影響が出るためである。
(2)上記実施形態では、ディーゼルエンジン401のアイドリングストップ条件を用いて、ガスセンサ10の周囲環境が第1状態であるか第2状態であるかを判断したが、第1状態であるか第2状態であるかの判断に用いられる条件は上記実施形態の限りではなく、例えば、エンジンの回転数が所定の値以上である場合を第1状態、所定の値未満である場合を第2状態と判断しても構わない。あるいは、車両の速度が所定の値以上である場合を第1状態、所定の値未満である場合を第2状態と判断しても構わない。あるいは、排気管内に流速計を取り付け、流速計により計測された流速が所定の値以上である場合を第1状態、所定の値未満である場合を第2状態と判断しても構わない。
<Other embodiments>
(1) In the above embodiment, the gas sensor 10 is an ammonia sensor. However, the type of the gas sensor is not limited to the above embodiment and may be, for example, an oxygen sensor. This is because oxygen is also consumed in the ammonia oxidation reaction, which affects the measurement.
(2) In the above embodiment, the idling stop condition of the diesel engine 401 is used to determine whether the ambient environment of the gas sensor 10 is in the first state or the second state, but the conditions used to determine whether the ambient environment of the gas sensor 10 is in the first state or the second state are not limited to those in the above embodiment. For example, the engine speed may be determined to be the first state when it is equal to or greater than a predetermined value, and the engine speed may be determined to be the second state when it is less than the predetermined value. Alternatively, the vehicle speed may be determined to be the first state when it is equal to or greater than a predetermined value, and the vehicle speed may be determined to be the second state when it is less than the predetermined value. Alternatively, a flow velocity meter may be attached in the exhaust pipe, and the flow velocity measured by the flow velocity meter may be determined to be equal to or greater than a predetermined value, and the flow velocity measured by the flow velocity meter may be determined to be the first state when it is equal to or greater than a predetermined value, and the flow velocity measured by the flow velocity meter may be determined to be the second state when it is less than the predetermined value.

1:ガス計測装置
10:ガスセンサ
11:主体金具
11A:貫通孔
12:外部プロテクタ(プロテクタ)
13:内部プロテクタ(プロテクタ)
14:外筒
15:セラミックホルダ
16A、16B:滑石リング
17:セラミックスリーブ
18:保持部材
18A:挿入孔
19:端子部材
20:リード線
21:弾性シール部材
100:センサ素子
101:NOxセンサ部(検知部)
110:第1ポンプセル
111:第1固体電解質体
112:第1電極
113:第2電極
120:Vsセル
121:第2固体電解質体
122:第3電極
123:第4電極
130:第2ポンプセル
131:第3固体電解質体
132:第5電極
133:第6電極
141:第1絶縁層
142:第2絶縁層
143:第3絶縁層
151:第1拡散抵抗体
152:第2拡散抵抗体
161:多孔質体
162:多孔質体
163:多孔質体
170:ヒータ
171:第4絶縁層
172:第5絶縁層
173:抵抗発熱体
201:アンモニアセンサ部(検知部)
201A:第1アンモニアセンサ部
201B:第2アンモニアセンサ部
202A:第1基準電極
202B:第2基準電極
203A:第4固体電解質体
203B:第5固体電解質体
204A:第1検知電極
204B:第2検知電極
205:保護層
300:センサ制御装置
310:電気回路部
311:基準電圧比較回路
312:Ip1ドライブ回路
313:Vs検出回路
314:Icp供給回路
315:Ip2検出回路
316:Vp2印加回路
317:ヒータ駆動回路(ヒータ制御部)
318:抵抗検出回路
319A:第1起電力検出回路
319B:第2起電力検出回路
320:マイクロコンピュータ
321:CPU(ヒータ制御部)
323:RAM
323:ROM
324:信号入出力部
325:A/Dコンバータ
400:ECU
401:ディーゼルエンジン(内燃機関)
402:排気管
403:酸化触媒
404:DPF
405:SCR触媒
AX:軸線
C:保護コート
R1:第1測定室
R2:第2測定室
R3:基準酸素室
1: Gas measuring device 10: Gas sensor 11: Metal shell 11A: Through hole 12: External protector (protector)
13: Internal protector (protector)
14: Outer cylinder 15: Ceramic holder 16A, 16B: Talcum ring 17: Ceramic sleeve 18: Holding member 18A: Insertion hole 19: Terminal member 20: Lead wire 21: Elastic seal member 100: Sensor element 101: NOx sensor portion (detection portion)
110: first pump cell 111: first solid electrolyte body 112: first electrode 113: second electrode 120: Vs cell 121: second solid electrolyte body 122: third electrode 123: fourth electrode 130: second pump cell 131: third solid electrolyte body 132: fifth electrode 133: sixth electrode 141: first insulating layer 142: second insulating layer 143: third insulating layer 151: first diffusion resistor 152: second diffusion resistor 161: porous body 162: porous body 163: porous body 170: heater 171: fourth insulating layer 172: fifth insulating layer 173: resistance heating element 201: ammonia sensor section (detection section)
201A: First ammonia sensor section 201B: Second ammonia sensor section 202A: First reference electrode 202B: Second reference electrode 203A: Fourth solid electrolyte body 203B: Fifth solid electrolyte body 204A: First detection electrode 204B: Second detection electrode 205: Protective layer 300: Sensor control device 310: Electric circuit section 311: Reference voltage comparison circuit 312: Ip1 drive circuit 313: Vs detection circuit 314: Icp supply circuit 315: Ip2 detection circuit 316: Vp2 application circuit 317: Heater drive circuit (heater control section)
318: Resistance detection circuit 319A: First electromotive force detection circuit 319B: Second electromotive force detection circuit 320: Microcomputer 321: CPU (heater control unit)
323: RAM
323: ROM
324: Signal input/output unit 325: A/D converter 400: ECU
401: Diesel engine (internal combustion engine)
402: Exhaust pipe 403: Oxidation catalyst 404: DPF
405: SCR catalyst AX: axis C: protective coat R1: first measuring chamber R2: second measuring chamber R3: reference oxygen chamber

Claims (7)

アンモニアを含む計測対象ガス中の特定ガスを検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータと、を備えるセンサ素子と、クロムを含む金属により構成され、前記センサ素子を囲んで配置されるプロテクタと、を備えるガスセンサに接続されて前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、前記検知部が活性化する第1温度となるように前記ヒータを制御する通常制御と、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、前記検知部が前記第1温度よりも低い第2温度となるように前記ヒータを制御する抑制制御とを選択的に実行するヒータ制御部を備え
前記ヒータ制御部が、前記ガスセンサの周囲環境が前記第1状態から前記第2状態に変化したと判断してから所定時間経過後に、前記通常制御から前記抑制制御への切り替えを実行する、センサ制御装置。
A sensor control device is connected to a gas sensor including a sensor element having a detection unit that detects a specific gas in a measurement target gas containing ammonia and a heater that heats the detection unit, and a protector that is made of a metal containing chromium and is disposed to surround the sensor element, the sensor control device controlling the gas sensor,
a heater control unit selectively executing a normal control for controlling the heater to have a first temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a first state is reached in which a flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is equal to or higher than a predetermined value, and a suppression control for controlling the heater to have a second temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a second state is reached in which a flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is less than a predetermined value ,
The sensor control device is configured to switch from the normal control to the suppression control after a predetermined time has elapsed since the heater control unit determined that the ambient environment of the gas sensor has changed from the first state to the second state .
前記第2温度が300℃以上740℃未満である、請求項1に記載のセンサ制御装置。 The sensor control device according to claim 1 , wherein the second temperature is equal to or higher than 300° C. and lower than 740° C. アンモニアを含む計測対象ガス中の特定ガスを検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータと、を備えるセンサ素子と、クロムを含む金属により構成され、前記センサ素子を囲んで配置されるプロテクタと、を備えるガスセンサに接続されて前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値以上である第1状態と判断したときに、前記検知部が活性化する第1温度となるように前記ヒータを制御する通常制御と、前記ガスセンサの周囲の前記計測対象ガスの流速が所定の値未満である第2状態と判断したときに、前記検知部が前記第1温度よりも低い第2温度となるように前記ヒータを制御する抑制制御とを選択的に実行するヒータ制御部を備え、
前記第2温度が300℃以上740℃未満である、センサ制御装置。
A sensor control device is connected to a gas sensor including a sensor element having a detection unit that detects a specific gas in a measurement target gas containing ammonia and a heater that heats the detection unit, and a protector that is made of a metal containing chromium and is disposed to surround the sensor element, the sensor control device controlling the gas sensor,
a heater control unit selectively executing a normal control for controlling the heater to have a first temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a first state is reached in which a flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is equal to or higher than a predetermined value, and a suppression control for controlling the heater to have a second temperature at which the detection unit is activated when it is determined that a second state is reached in which a flow rate of the measurement target gas around the gas sensor is less than a predetermined value,
The second temperature is equal to or higher than 300°C and lower than 740°C.
前記第2温度が300℃以上670℃以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。 The sensor control device according to claim 1 , wherein the second temperature is equal to or higher than 300° C. and equal to or lower than 670° C. 前記特定ガスがアンモニアである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。 The sensor control device according to claim 1 , wherein the specific gas is ammonia. 前記ヒータ制御部が、前記ガスセンサの周囲環境が前記第2状態から前記第1状態に変化したと判断してから100ms以内に、前記抑制制御から前記通常制御への切り替えを実行する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。 6. The sensor control device according to claim 1, wherein the heater control unit executes switching from the suppression control to the normal control within 100 ms after determining that the ambient environment of the gas sensor has changed from the second state to the first state. 前記計測対象ガスが、車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガスであり、
前記第1状態が、前記内燃機関が駆動されている状態であり、前記第2状態が、前記内燃機関が停止した状態である、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のセンサ制御装置。
the measurement target gas is exhaust gas discharged from an internal combustion engine mounted on a vehicle,
7. The sensor control device according to claim 1, wherein the first state is a state in which the internal combustion engine is driven, and the second state is a state in which the internal combustion engine is stopped.
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