JP2013228231A - ガスセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
セラミックスを含むセンサ素子を有するガスセンサシステムにおいて、センサ素子に水滴等の液体が付着し、熱衝撃によりセンサ素子が破壊される事故を防止することができるガスセンサシステムを提供する。
【解決手段】
セラミックスを含むセンサ素子３を有するガスセンサシステム１において、ガスセンサシステム１が、ガスセンサ２と気体供給機構４を有しており、気体供給機構４が、気体を加圧する加圧部５と、加圧された気体をセンサ素子３の表面に吹きつける噴射部６を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の排ガス通路に設置されるＮＯｘセンサ等を含むガスセンサシステムに関するものである。

ディーゼルエンジンの排ガス中のＮＯｘ低減技術として、選択還元型触媒（以下、ＳＣＲという）やＮＯｘ吸蔵触媒システム（以下、ＬＮＴという）が実用化されている。その中で、ＳＣＲでの尿素水添加制御やＬＮＴのリーンリッチ制御等を行うため、ＮＯｘセンサを用いて排ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行っている。

図３に、ＳＣＲシステムにＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ（以下、ＰＭという）を除去するためのＤｉｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ（以下、ＤＰＦという）を併用した排ガス処理システムの一例を示す。

排ガス処理システム３０Ｘは、エンジン２０の排ガス通路２１に設置されたＤＰＦ２２と、ＳＣＲシステムを有している。ＳＣＲシステムは、ＳＣＲ２３と、排ガス通路２１に尿素水を供給するための尿素水タンク２４及び添加装置２５を有している。

また、排ガス処理システム３０Ｘは、ＳＣＲの上流側及び下流側にそれぞれＮＯｘセンサ２Ｘと温度センサ１７を有している。これらの各種センサ２Ｘ、１７は、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）１０に信号線１６で接続されている。

この排ガス処理システム３０Ｘは、ＤＰＦ２２で排ガス中のＰＭを低減し、ＳＣＲ２３でＮＯｘを低減している。ここで、添加装置２５は、ＳＣＲ２３の上流側及び下流側のＮＯｘセンサ２Ｘにより測定されるＮＯｘの濃度を元に、尿素水の添加量を制御されている。このＮＯｘセンサ２Ｘは、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム（ＩＶ））等のセンサ素子を、感度及び応答性のよい７００〜８００℃の高温に加熱し、ＮＯｘの濃度を測定する構造となっている。

図４に、ＮＯｘセンサ２Ｘの代表的な構造を示す。ＮＯｘセンサ２Ｘは、ＺｒＯ_２等で構成されたセンサ素子３と、センサ素子３を覆うように配置した外側保護カバー７及び内側保護カバー８を有している。この保護カバー７、８には、通気孔１５がそれぞれ構成されている。

このＮＯｘセンサ２Ｘのセンサ素子３は、高温に温度制御されたＺｒＯ_２等のセラミック材料で構成されている。そのため、センサ素子３に水滴等が付着した場合、急激な温度変化が起こり、熱衝撃によりセンサ素子３に亀裂や破損が発生し、ＮＯｘセンサ２Ｘが故障するという問題があった。

特に、エンジン２０始動時に排ガス通路２１に発生する凝縮水が、センサ素子３に付着するのを防止するため、保護カバー７、８の構造や、通気孔１５の構造が検討されていた。具体的には、凝縮水がＮＯｘセンサ２Ｘ内に入り、センサ素子３に付着することを防止する構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。この構成により、センサ素子３に凝縮水が付着することを抑制することができていた。

また、ＮＯｘセンサ２Ｘの外部で生成された凝縮水がＮＯｘセンサ２Ｘ内に入り込み、センサ素子３に付着する以外に、ＮＯｘセンサ２Ｘの内部で発生した結露を原因としたセ
ンサ素子３の故障が発生していた。具体的には、エンジン始動前にセンサ素子３の表面に付着していた凝縮水や、エンジン始動直後にＮＯｘセンサ２Ｘ内に発生する結露を原因とするものであった。この結露等によるセンサ素子３の割れや破損を防止するために、センサ素子３に付着した結露等が気化するのに十分な期間、センサ素子３の暖気温度制御を行った後に、測定温度へ加熱する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。

図５に、センサ素子３の温度制御の１例のグラフを示す。このグラフは、縦軸をセンサ素子３の温度、横軸を経過時間としている。センサ素子３は、まず、表面に付着した結露等を気化させるために加熱される（暖気温度制御期間Ｐ１）。センサ素子３は、表面の結露等が気化し、センサ素子３の割れ等が発生しないと判断された後、測定温度まで昇温される（昇温期間Ｐ２）。測定温度に達したセンサ素子３は、その温度を安定させる一定期間（安定化期間Ｐ３）経過の後、測定を開始する（測定可能期間Ｐ４）。この構成により、センサ素子３に結露等が付着していた場合であっても、この結露を十分に気化させ、センサ素子３の故障等を抑制することができていた。

しかしながら、上記のＮＯｘセンサ２Ｘはいくつかの問題点を有している。第１に、保護カバー構造や通気孔構造を工夫する構成は、保護カバー７、８の内側で発生した結露等からセンサ素子３を保護することはできないという問題を有している。つまり、この保護カバー等は、ＮＯｘセンサ２Ｘの外部の排ガス通路２１で発生した凝縮水を原因とするセンサ素子３の破損にのみ有効である。

特に、本発明に関連する実験等により、センサ素子３の亀裂や破損は、排ガス通路２１で発生した凝縮水がＮＯｘセンサ２Ｘ内に入り込んで発生するばかりでなく、排ガス中の水蒸気がＮＯｘセンサ２Ｘ内で冷却され結露して生成する水滴によっても発生することがわかった。また、ＳＣＲ２３の下流側に配置されるＮＯｘセンサ２Ｘについては、ＳＣＲ２３に大量に吸着していた吸着水が、ＳＣＲ２３から脱離して、ＮＯｘセンサ２Ｘ内の低温部で結露を生じさせ、センサ素子３を破損させるということがわかった。更に、尿素水を添加する添加装置２５に故障等が発生し、過剰に尿素水が添加された場合にも、排ガス中の水蒸気濃度が高まり、ＮＯｘセンサ２Ｘ内で結露を生じさせる可能性があることがわかった。これらの結露に対しては、保護カバー構造等の工夫では対応することができない。

第２に、ＮＯｘセンサ２Ｘ内で発生した結露等を気化させるために温度制御を行う構成は、センサ素子３が測定可能温度（測定可能期間Ｐ４）に達した後に、ＳＣＲ２３から吸着水が脱離した場合及び添加装置２５の故障により過剰な尿素水が添加された場合は、対応することができないという問題を有している。これは、一度高温の測定可能温度に達したセンサ素子３は、加熱を停止したとしても、冷却されるまでに長時間を要するからである。つまり、吸着水の脱離等を検知してから、センサ素子３の温度制御を行ったとしても、センサ素子３の熱衝撃による破損を免れることができない。

第３に、ＮＯｘセンサ２Ｘ内で発生した結露等を気化させるために温度制御を行う構成は、迅速なＮＯｘ濃度の測定に対応することができないという問題を有している。これは、エンジン始動後、センサ素子３に付着した結露等を気化させる暖気温度制御期間Ｐ１が必要となるからである。具体的には、図５で示した温度制御の場合、ＮＯｘセンサ２Ｘが測定可能となるまでには、エンジン始動から６０秒以上かかる。

特開４４６１１８５号公報 実開平５−６６５５３号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミックスを含むセンサ素子を有するガスセンサシステムにおいて、センサ素子に水滴等の液体が付着し、熱衝撃によりセンサ素子が破壊される事故を防止することができるガスセンサシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係るガスセンサシステムは、セラミックスを含むセンサ素子を有するガスセンサシステムにおいて、前記ガスセンサシステムが、ガスセンサと気体供給機構を有しており、前記気体供給機構が、気体を加圧する加圧部と、加圧された前記気体を前記センサ素子の表面に吹きつける噴射部を有していることを特徴とする。

この構成により、センサ素子に水滴等の液体が付着することを防止できる。そのため、熱衝撃によりセンサ素子に亀裂や破損が生じてガスセンサが故障する事故を防止できる。これは、気体供給機構が、センサ素子に加圧した気体（例えば圧縮空気）を供給し、水滴等の液体が付着することを防止できるからである。また、気体供給機構が、センサ素子に既に付着している水滴等の液体を吹き飛ばし、除去することができるからである。

上記のガスセンサシステムにおいて、前記ガスセンサが、前記センサ素子を覆う保護カバーを有し、前記噴射部が前記センサ素子と前記保護カバーの間に設置された噴射ノズルを有していることを特徴とする。

この構成により、保護カバーの内側に結露が発生するような条件下であっても、センサ素子に水滴等の液体が付着することを防止できる。そのため、熱衝撃によりセンサ素子に亀裂や破損が生じてガスセンサが故障する事故を防止できる。

上記のガスセンサシステムにおいて、前記ガスセンサシステムが、制御装置を有しており、前記制御装置が、前記センサ素子近傍において液体が発生する発生条件を判定し、発生条件が満たされる場合に、前記センサ素子に加圧された気体を供給する制御を行う構成を有することを特徴とする。

この構成により、加圧された気体を必要に応じて噴射するため、センサ素子への水滴等の付着を効率的に防止することができる。

上記のガスセンサシステムにおいて、前記ガスセンサシステムが、内燃機関の排ガス通路に設置されたガスセンサを含むガスセンサシステムであって、前記発生条件が、前記内燃機関における吸入空気温度、冷却水温度、外気温度、排ガス温度、又は排ガス通路に供給される尿素水量の変化速度の少なくとも１つに基づいて判定されることを特徴とする。

この構成により、排ガス通路内で発生した凝縮水や、ガスセンサ内や保護カバー内で発生する結露や、尿素水の過剰添加による凝縮水又は結露が、センサ素子に付着することを防止できる。

上記のガスセンサシステムにおいて、前記ガスセンサシステムがＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘセンサを有しており、前記ＮＯｘセンサのセンサ素子に加圧した気体を供給する制御を行う際、前記ガスセンサシステムは、前記ＮＯｘセンサにより得られる測定値の代わりに前記内燃機関の運転条件から予測した仮想のＮＯｘの濃度を出力する制御を行う構
成を有することを特徴とする。

この構成により、センサ素子が、加圧した気体を噴射され正確な測定値を得られない場合であっても、仮想のＮＯｘの濃度に基づいて、内燃機関等の運転制御を継続して行うことができる。

本発明に係るガスセンサシステムによれば、セラミックスを含むセンサ素子を有するガスセンサシステムにおいて、センサ素子に水滴等の液体が付着し、熱衝撃によりセンサ素子が破壊される事故を防止することができるガスセンサシステムを提供することができる。

本発明に係る実施の形態のガスセンサシステムの概略を示した図である。 ガスセンサシステムを採用した排ガス処理システムの概略である。 従来の排ガス処理システムの概略を示した図である。 従来のガスセンサの概略を示した図である。 従来のガスセンサの温度制御の概略を示したグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態のガスセンサシステムについて、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態のガスセンサシステム１の概略を示す。ガスセンサシステム１は、ガスセンサ２と気体供給機構４を有している。気体供給機構４は、気体を加圧する加圧部５と、加圧部５で加圧された気体（以下、圧縮空気という）をセンサ素子３の表面に吹きつける噴射部６を有している。つまり、噴射部６は、ガスセンサ２におけるセンサ素子３と内側保護カバー８の間に配置されている。また、気体供給機構４は、圧縮空気を供給する供給管１３と、供給管１３上に設置されたバルブ１４を有している。このバルブ１４及びガスセンサ２は、信号線１６で図示しない制御装置に接続されている。

このガスセンサシステム１は、加圧部５で生成した圧縮空気を、バルブ１４の開閉により、センサ素子３に吹き付けることができる。この構成により、センサ素子３への水滴等の付着を防止し、また、既に付着した水滴等を除去することができる。

なお、ガスセンサシステム１のガスセンサ２は、外側保護カバー７と内側保護カバー８を有しているが、どちらか一方のみを設置する構成としてもよく、保護カバー７、８を設置しない構成としてもよい。また、図１には、噴射部６の２つの噴射ノズルを示しているが、本発明はこの構成に限られない。噴射ノズルは、センサ素子３に付着した水滴等の除去、及び付着を防止できれば、１つとしてもよく、その他の構成を採用してもよい。

図２に、ガスセンサシステム１を採用した排ガス処理システム３０の概略を示す。排ガス処理システム３０は、ＮＯｘセンサ２ａを有するガスセンサシステム１を採用している。このＮＯｘセンサ２ａは、ＳＣＲ２３の上流側及び下流側の排ガス通路２１に設置されている。このＮＯｘセンサ２ａ及びバルブ１４は、制御装置として使用されるＥＣＵ１０に信号線１６で接続されている。

次に、ガスセンサシステム１の作動について説明する。まず、内燃機関（以下、エンジンという）２０を始動すると、制御装置として使用するＥＣＵ１０において、ＮＯｘセンサ２ａ内への凝縮水浸入判定をスタートする。ＥＣＵ１０は、エンジン２０への吸入空気温度、冷却水温、外気温度、排ガス通路２１の各所における排ガス温度等のデータから、
排ガス通路２１に凝縮水が発生しＮＯｘセンサ２ａ内に進入する可能性があるか否か、またＮＯｘセンサ２ａ内に結露が発生する可能性があるか否かを判定する（判定ステップ）。ＥＣＵ１０は、上記の判定ステップで可能性ありと判定した場合、バルブ１４を開とする信号を送り、ＮＯｘセンサ２ａ内に、圧縮空気を供給する（供給ステップ）。その後、上記の判定ステップで可能性なしと判定した場合、バルブ１４を閉とする信号を送り、ＮＯｘセンサ２ａへの圧縮空気の供給を停止する（停止ステップ）。

ここで、ＮＯｘセンサ２ａの温度制御は、エンジン２０の始動と共に、予め定めた条件（経過時間等）を満たしたら暖気運転を開始するように構成しておく（センサ素子暖気ステップ）。このセンサ素子３の暖機運転制御は、上記の圧縮空気の供給の有無とは独立して制御される。

具体的には、例えばセンサ素子３に水滴等が付着している場合は、一方で圧縮空気による除去が行われ、他方でセンサ素子３の加熱により水滴等の気化が促進される（供給ステップ、センサ素子暖気ステップ）。また、例えばセンサ素子３に水滴等が付着していない場合は、圧縮空気の供給は行われず、センサ素子３の暖機運転制御のみが実行される（センサ素子暖気ステップ）。本発明のガスセンサシステム１は、圧縮空気により水滴等の除去が行われるため、従来に比べ短時間でセンサ素子３の暖機運転を完了することができる。ここで、暖機運転制御は、センサ素子３の破損が起こらない１００℃程度とすることが望ましい。暖気運転制御の後、図５に示すように、センサ素子３は、測定温度まで加熱される（加熱制御）。

また、ＥＣＵ１０は、尿素水量の変化速度等の情報から、尿素水供給量が多く結露が発生する可能性があるか否かを判定する（尿素水量判定ステップ）。ＥＣＵ１０は、尿素水量判定ステップで可能性ありと判定した場合、バルブ１４を開放し、ＮＯｘセンサ２ａ内に圧縮空気を供給する（供給ステップ）。

更に、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲの触媒の温度等の情報から、吸着水脱離により結露が発生する可能性があるか否かを判定する（脱離判定ステップ）。ＥＣＵ１０は、脱離判定ステップで可能性ありと判定した場合、バルブ１４を開放し、ＮＯｘセンサ２ａ内に圧縮空気を供給する（供給ステップ）。なお、上記の場合であっても、結露の可能性がなくなったと判定した場合は、圧縮空気の供給を停止する（停止ステップ）。停止ステップ後は、ＮＯｘセンサ２ａに排ガスが供給されＮＯｘ濃度の測定を即再開することができる。これは、温度制御等により、センサ素子３の温度低下等が生じないからである。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、センサ素子に水滴等の液体が付着し、熱衝撃によりセンサ素子が破壊される事故を防止することができる。特に、ＮＯｘセンサ内で結露が発生するような条件下であっても、センサ素子に水滴等が付着すること防止できる。つまり、排ガス中の水蒸気濃度が高く、ＮＯｘセンサ内で結露が発生する可能性が高い場合であっても、圧縮空気により、ＮＯｘセンサ内への水蒸気の進入を防止し、センサ素子の破壊を防止することができる。

第２に、ＮＯｘの濃度測定を短時間で開始することが可能となる。これは、エンジン始動前に、センサ素子に水滴等が付着している場合であっても、圧縮空気により、水滴等を短時間で取り除くことができるからである。

第３に、尿素水を添加する添加装置の故障や、ＳＣＲの触媒から吸着水の脱離等により排ガス中の水蒸気濃度が急激に上昇した場合であっても、圧縮空気の供給により、ＮＯｘセンサ内への水蒸気の進入を防止し、センサ素子の破壊を防止することができる。更に、排ガス中の水蒸気濃度の急激な上昇の後であっても、ＮＯｘの濃度測定を早期に再開する
ことができる。これは、圧縮空気の供給を停止するとすぐに、測定温度を維持したセンサ素子に排ガスが供給されるからである。

なお、ＮＯｘセンサ２ａに圧縮空気が供給される供給ステップの間は、ＮＯｘ濃度を測定することができないため、エンジン２０の運転条件から予測した仮想のＮＯｘの濃度を出力するように構成することが望ましい。この構成により、ＮＯｘ濃度に依存して制御される他の機器の動作を継続することが可能となるからである。

また、ガスセンサシステム１を採用する排ガス処理システム３０は、図２の構成に限られない。例えば、ＬＮＴ（ＮＯｘ吸蔵触媒システム）等、他の排ガス処理システムにおいても適用可能であり、ＤＰＦやＳＣＲを採用した排ガス処理システムに限定されない。このとき、ガスセンサシステムの制御装置は、別途設置するか、又はＥＣＵのように、既存の制御装置を利用することができる。

更に、本発明のガスセンサシステム１の構成は、ＮＯｘセンサへの適用に限られない。例えば、酸素センサ等、セラミックスを含むセンサ素子を有する他のガスセンサであっても適用することができる。

１ ガスセンサシステム
２ ガスセンサ
２ａ ＮＯｘセンサ
３ センサ素子
４ 気体供給機構
５ 加圧部
６ 噴射部（噴射ノズル）
７ 外側保護カバー
８ 内側保護カバー
１０ 制御装置（ＥＣＵ）
１３ 供給管
１４ バルブ
２０ 内燃機関（エンジン）
２１ 排ガス通路

Claims (5)

1. セラミックスを含むセンサ素子を有するガスセンサシステムにおいて、
   前記ガスセンサシステムが、ガスセンサと気体供給機構を有しており、前記気体供給機構が、気体を加圧する加圧部と、加圧された前記気体を前記センサ素子の表面に吹きつける噴射部を有していることを特徴とするガスセンサシステム。
2. 前記ガスセンサが、前記センサ素子を覆う保護カバーを有し、前記噴射部が前記センサ素子と前記保護カバーの間に設置された噴射ノズルを有していることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサシステム。
3. 前記ガスセンサシステムが、制御装置を有しており、
   前記制御装置が、前記センサ素子近傍において液体が発生する発生条件を判定し、発生条件が満たされる場合に、前記センサ素子に加圧された気体を供給する制御を行う構成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサシステム。
4. 前記ガスセンサシステムが、内燃機関の排ガス通路に設置されたガスセンサを含むガスセンサシステムであって、
   前記発生条件が、前記内燃機関における吸入空気温度、冷却水温度、外気温度、排ガス温度、又は排ガス通路に供給される尿素水量の変化速度の少なくとも１つに基づいて判定されることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサシステム。
5. 前記ガスセンサシステムがＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘセンサを有しており、前記ＮＯｘセンサのセンサ素子に加圧した気体を供給する制御を行う際、
   前記ガスセンサシステムは、前記ＮＯｘセンサにより得られる測定値の代わりに前記内燃機関の運転条件から予測した仮想のＮＯｘの濃度を出力する制御を行う構成を有することを特徴とする請求項４に記載のガスセンサシステム。

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