JP4950151B2 - 炭素量検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中の炭素量の検知に適した炭素量検出センサに関するものである。

近年、コモンレール式燃料噴射システム、過給器システム、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ、選択触媒還元（ＳＣＲ）システム、排気再循環（ＥＧＲ）システム等を組み合わせて、ディーゼル機関やガソリンリーンバーン機関等の燃焼排気中に含まれる窒素酸化物ＮＯｘ、粒状物質ＰＭ、未燃炭化水素ＨＣ等の環境負荷物質の低減が図られている。
このようなシステムに用いられるＤＰＦは、一般に、耐熱性に優れ、かつ、無数の細孔を有する多孔質セラミックスを素材としたハニカム構造とされ、多孔質の隔壁に存在する細孔中にＰＭを捕捉し、ＰＭが堆積して細孔に目詰まりを起こして圧力損失が高くなると、バーナやヒータ等で加熱したり、機関の燃焼爆発後に少量の燃料を噴射するポスト噴射等によりＤＰＦ内に高温の燃焼排気を導入したりして、ＤＰＦを加熱し、ＤＰＦ内に捕集されたＰＭを燃焼除去して再生できる構成とされている。
内燃機関の燃焼効率をさらに向上すべく、このようなＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの劣化、破損等を検出するＯＢＤ（オンボードダイアグノーシス、車載式故障診断装置）や、内燃機関のフィードバック制御等において、燃焼排気中に含まれるＰＭ量を高精度で連続的に検出できる検出手段が望まれている。

燃焼排気中のＰＭ量の検出手段として、特許文献１には、煤を含むガスが通過するガス流路内に設置して、前記ガスに含まれる前記煤を検出する煤検出センサであって、多孔質の導電性物質から構成された煤検出電極と、前記煤検出電極に配設され、前記煤検出電極の電気抵抗の値を測定するための少なくとも一対の導電性電極とを備えて、煤が煤検出電極に付着する際に変化する電気抵抗の値を検出することによって煤の量を検出する煤検出センサが開示されている。

また、特許文献２には、ＤＰＦの上流側と下流側とに酸化触媒と熱電対とを設けて、ＤＰＦに流入するＰＭを含んだ燃焼排気の酸化触媒反応による発熱温度とＤＰＦを通過した処理済燃焼排気の酸化触媒反応による発熱温度との差を検出して燃焼排気中のＰＭ量を検出する技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、波長可変ダイオードレーザを用いて高温プロセスガスの化学種及び温度を連続的にモニタリングする方法が開示されている。
特開２００６−２６６９６１号公報 特開２００６−３２２３８０号公報 特表２００３−５１３２７２号公報

ところが、特許文献１にあるような、煤検出電極に堆積した煤の量によって変化する抵抗値を測定する方法では、煤検出電極に所定値以上の煤が堆積した場合には検出感度が低下する虞があり、また、煤検出電極の抵抗値変化が被測定ガス中のＰＭ濃度の変化によるものなのか、長期の使用による煤検出電極上に堆積、残留した煤によるものなのか区別できない虞もある。
また、特許文献２にあるような、示差熱の検出による方法では、機関の運転状況の変化による燃焼排気温度の変化の影響やＤＰＦの目詰まりによる流量変化の影響を受けやすく、燃焼排気中のＰＭ量を正確に検出することができない虞がある。
さらに、特許文献３にあるような半導体レーザ等の光学的手段によって、燃焼排気中のＰＭ量を検出する方法では、レーザ光の授受を行う光学的開口部に燃焼排気中のＰＭが堆積して、正確なモニタリングができなくなる虞がある。

そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、簡易な構成により被測定ガス中の炭素量を高精度かつ連続的に検出できる炭素量検出センサの提供を目的とする。

請求項１の発明では、炭素成分を含む被測定ガス流路内に載置し、被測定ガス中の炭素量を検出する炭素量検出センサであって、少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン導電体と、該プロトン導電体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめる。

請求項１の発明によれば、上記電源から上記電極間への通電により上記測定電極上で被測定ガス中の炭素成分を電気化学反応により酸化しつつ炭素量の検出が可能となる。したがって、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

請求項２の発明では、上記電源から上記電極間への通電により、被測定ガス中に存在する炭素成分と水蒸気とを上記測定電極上において電気化学反応せしめる。

請求項２の発明によれば、被測定ガス中に存在する水蒸気の電気分解によって発生した極めて酸化力の強い活性酸素によって被測定ガス中の炭素成分を酸化することができる。したがって、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

具体的には、請求項３の発明のように、上記電極対に所定の電流を流し、上記電極対間に発生する電位を測定する電位計測手段を具備する構成とするのが望ましい。

請求項３の発明によれば、電位を常時モニタリングすることにより、所定の電流値に対する電位の変化によって、被測定ガス中の炭素量を正確に算出することができる。したがって、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

また、請求項４の発明のように、上記電極対に所定の電圧を印加し、上記電極対間に流れる電流を測定する電流計測手段を具備する構成としても良い。

請求項４の発明によれば、被測定中の炭素成分を酸化しつつ、検出された電流値により炭素量を算出することができる。したがって、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

さらに、具体的には、請求項５の発明のように、上記プロトン導電体は、４価の金属カチオン又はその一部を遷移金属によって置換したＭＰ_２Ｏ_７型ピロリン酸塩によって構成するのが望ましい。

請求項５の発明によれば、上記プロトン導電体は、１００℃以上５００℃以下のいわゆる中温域でプロトン活性を示すので、被測定ガスとして内燃機関の燃焼排気等の高温流体中の炭素量を検出するために上記プロトン導電体を活性化するために発熱部を設ける必要がなく、簡易な構成により、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

また、請求項６の発明のように、上記プロトン導電体は、ＺｒＯ_２又はＣｅＯ_２のいずれかを主成分とし、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかを含みペロブスカイト構造を有するＡＢＯ_３型遷移金属酸化物からなる構成としても良い。

請求項６の発明によれば、上記プロトン導電体は、５００℃以上の高温域でプロトン活性を示し、機械的強度にも優れているので、ディーゼル機関等の燃焼排気中に含まれる粒子状物質を除去するディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦに設けた場合、ＤＰＦ再生時に６００℃以上の高温環境下に晒された場合にも安定した検出が可能となり、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

さらに、請求項７の発明のように、上記プロトン導電体は、安定化ジルコニアを基体として用い、その表面の一部をリン酸処理してピロリン酸ジルコニウム層となした構成としても良い。

請求項７の発明によれば、易焼結性の安定化ジルコニアの一部をピロリン酸化して、難焼結性のＭＰ_２Ｏ_７型ピロリン酸塩と同等のプロトン伝導性を得ることができ、測定電極上に被測定ガス中に含まれる炭素成分が堆積することがなく、長期に渡って信頼性を高く維持できる炭素量検出センサが実現できる。

さらに、具体的には、請求項８の発明のように、上記測定電極及び上記基準電極は、金Ａｕ、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、炭化珪素ＳｉＣのいずれかを含む多孔質金属電極、又は、多孔質サーメット電極によって構成することができる。

請求項９の発明では、通電により上記プロトン導電体を所定の温度に加熱する発熱部を具備する。

請求項９の発明によれば、上記プロトン導電体の温度が安定し、さらに精度良く被測定ガス中の炭素量を検出できる。

本発明の第１の実施形態における炭素量検出素子１０及びこれを含む炭素量検出センサ１について図を参照して説明する。本実施形態における炭素量検出センサ１は、内燃機関の燃焼排気中のＰＭに由来する炭素量を正確に検出して、ＤＰＦの再生時期の判断や、ＤＰＦの性能劣化、破損等を検知するＯＢＤや、燃焼排気中に燃料を噴射して、ＰＭやＮＯｘの低減を図るリッチスパイク制御等に利用することができる。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサ１は、図略の内燃機関から排出される燃焼排気を被測定ガスとして、被測定ガス流路壁２に固定され、被測定ガス流路２００内に炭素量検出素子１０の測定部が載置される。
炭素量検出素子１０は、プロトン伝導性の固体電解質材料を用いて板状に形成されたプロトン導電体１００の一方の表面には測定電極１１０が形成され、他方の表面には測定電極１１０に対向して基準電極１２０が形成され、電極対を構成している。
測定電極１１０は、被測定ガス中に晒されている。一方、基準電極１２０は、プロトン排出路１３０を形成するプロトン排出路形成層１３１によって覆われ、被測定ガスから離隔されている。
測定電極１１０と基準電極１２０とには、測定電極１１０側を正極として直流電源１４１が接続され、電極対間に所定の直流電圧を印加したときに電極対間に発生する電流を検出する電流検出手段１４２又は、電極対間に発生する電圧を検出する電圧検出手段１４３が接続され、さらに、電流検出手段１４２又は電圧検出手段１４３の検出結果に基づいて被測定ガス中の炭素量を算出する演算装置１４０が接続されている。
被測定ガスである図略の内燃機関の燃焼排気中には、煤や未燃焼炭化水素（ＨＣ）、可溶性有機成分（ＳＯＦ）、イオウ酸化物等からなる粒子状物質ＰＭの他、燃料の燃焼生成物である水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が存在する。
測定電極１１０と基準電極１２０とからなる電極対間に所定の直流電圧を印加すると、下記式１に示す反応が起こり、測定電極１１０上では、水蒸気の電気化学反応によって活性酸素が生成され、この活性酸素によってＰＭ中の炭素が燃焼し二酸化炭素を生成する。
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ−・・・式１
この際、プロトン導電体１００内を水素イオンが移動するのに伴って、上記電極対間に流れる電流I又は、上記電極対間に発生する電圧Ｖは、測定電極１１０表面上で分解される炭素量と相関があることが判明した。

したがって、電流検出手段１４２又は電圧検出手段１４３によって検出された電極対間に流れる電流Ｉ又は、電極対間に発生する電圧Ｖから測定電極１１０上で分解される炭素量、即ち、被測定ガス中に存在するＰＭの濃度を検出することができる。
また。水蒸気の電気化学反応によって、生成された水素イオンは、プロトン導電体１００内を移動して、基準電極１２０側に移動し、プロトン排出流路１３０内に導入されている大気中の酸素と反応し、Ｈ_２Ｏとなって外部に排出される。
本実施形態における炭素量検出センサ１では、測定電極１１０表面に接触するＰＭに含まれる炭素が電気化学反応によって発生する極めて酸化力の強い活性酸素種Ｏ^＊によって酸化されるので、従来のＰＭセンサのようにセンサ表面にＰＭが堆積してセンサ機能を低下する虞がない。

図２を参照して、本発明の第１の実施形態における炭素量検出素子１０のより具体的な構成並びに製造方法の概要について説明する。
本実施形態において、プロトン導電体１００は、ピロリン酸塩ＭＰ_２Ｏ_７（Ｍは４価のカチオン）が好適であり、より具体的には、インジウムをドープしたピロリン酸スズＳｎ_０．９Ｉｎ_０．１Ｐ_２Ｏ_７を用いた。
Ｓｎ_０．９Ｉｎ_０．１Ｐ_２Ｏ_７は、プロトン欠陥濃度が高く、５００℃以下のいわゆる中温領域で高いプロトン伝導性を示し、炭素量検出素子１０を内燃機関の燃焼排気流路に設けた場合、燃焼排気温度によって容易に活性化されるので、特にプロトン導電体１００を加熱する手段を設けずともプロトン伝導性が得られ、素子の簡素化を図ることができる。
なお、プロトン導電体１００は、ドクターブレード法や加圧成型法等の公知のセラミック成形方法により略平板状に形成されている。

プロトン導電体１００の一方の面には、測定電極１１０、測定電極リード部１１１、測定電極端子部１１２、基準電極端子部１２２が形成され、他方の面には、基準電極1２０、基準電極リード部１２１が形成され、基準電極リード部１２１と基準電極端子部１２２とはプロトン導電体１００を貫通するスルーホール電極１２３を介して接続されている。なお、測定電極１１０及び基準電極１２０は、金Ａｕ、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、炭化珪素ＳｉＣのいずれかを含む多孔質金属電極、又は、サーメット電極からなり、厚膜印刷、蒸着、メッキ等の公知の電極形成方法によって形成することができる。
測定電極リード部１１１、測定電極端子部１１２、基準電極リード部１２１、基準電極端子部１２２、スルーホール電極１２３は、電気伝導性の良好な金属を含み厚膜印刷、蒸着、メッキ等の公知の導体形成方法によって形成することができる。

プロトン導電体１００の基準電極１２０の形成された側に積層して、プロトン排出経路形成層１３１と基底層１３２とが形成されている。
プロトン排出経路形成層１３１と基底層１３２とは、例えば、アルミナＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁性セラミックスが用いられ、ドクターブレード法や加圧成型法等の公知のセラミック成形方法により平板状に形成されている。プロトン排出経路形成層１３１は、平板の一部を切り欠いた略コ字型に形成され、プロトン排出経路１３０が形成されている。
測定電極１１０、基準電極１２０等を形成したプロトン導電体１００とプロトン排出経路形成層１３１と基底層１３２とを積層、焼成することにより一体の炭素量検出素子１０を形成することができる。
なお、本実施形態において、プロトン伝導性固体電解質のドーパントとしてインジウムを用いたが、アルミニウムを用いても同様のプロトン伝導性固体電解質が得られるものと推察される。

図３を参照して、本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサを用いた試験結果について説明する。
内燃機関の燃焼排気を模した被測定ガスとして、３％の水蒸気と１０％の酸素を含む湿潤ヘリウムを用い、所定の温度（例えば２００℃）で測定電極１１０側に供給し、直流電源１４１から所定の電流Ｉ（例えば１０ｍＶ）を通電し、電極対間に発生する電位Ｖの測定と、測定電極１１０側に生成される気体の成分をガスクロマトグラフィで分析した。
測定電極１１０表面にカーボンを塗布したものとカーボンを塗布しないものを用意して、被測定ガス中のＰＭの有無による電位Ｖ及び生成気体の違いを比較した。
本図（a）に示すように、被測定ガス中に炭素が存在しない場合には、本発明の炭素量検出センサ１によって検出される電位Ｖは高い値を示し、測定電極１１０側で二酸化炭素は検出されず酸素のみが検出された。一方、被測定ガス中に炭素が存在する場合には、低い電位Ｖを示し、測定電極１１０側では、塗布したカーボンに対して相当量の二酸化炭素と少量の酸素が検出されカーボンが完全に酸化されていることが判明した。
被測定ガス中に炭素が存在しない場合、本図（ｂ）に示すように、測定電極１１０上では、電気分解反応によって水蒸気Ｈ_２Ｏが酸素イオンＯ^２−と水素イオンＨ^＋とに分解され、酸素イオンＯ^２−は直ちに酸素分子Ｏ_２となり、水素イオンＨ^＋はプロトン導電体１００内を移動し、基準電極１２０側上でプロトン排出路１３０内の酸素Ｏ_２と反応して水Ｈ_２Ｏとなって排出されるものと推察される。

一方、被測定ガス中に炭素が存在する場合、本図（ｃ）に示すように、測定電極１１０上では、電気分解反応によって水蒸気Ｈ_２Ｏが活性酸素種Ｏ^＊と水素イオンＨ^＋とに分解され、強い酸化力を持つ活性酸素種Ｏ^＊は、測定電極１１０表面に塗布されたカーボンＣを酸化して二酸化炭素ＣＯ_２を生成し、水素イオンＨ^＋はプロトン導電体１００内を移動し、基準電極１２０側上でプロトン排出路内の酸素Ｏ_２と反応して水Ｈ_２Ｏとなって排出されるものと推察される。
なお、ラマン分光分析によって、測定電極１１０上における炭素の酸化過程を直接観察し、電流Ｉの通電により約９００ｃｍ^−１にＯ_２ ^２−に帰属される吸収が現れるのが確認された。これは、測定電極１１０上に発生する表面活性酸素種がＯ_２ ^２−であることを示唆している。
電極対間に所定値の電流Ｉを通電した場合、被測定ガス中の炭素の有無によって検出される電位Ｖが大きく変化することから、本発明の炭素量検出センサを用いれば、電位の測定によって被測定ガス中のＰＭ量の変化を監視できる。

図４を参照して本実施形態における炭素量検出センサ１の電極対間に通電する電流Ｉと測定電極１１０表面のカーボン量とを変化させた場合の電位Ｖの変化について説明する。
本図（ａ）に示すように、電流Ｉによってカーボンの酸化が瞬時に起こり急激に電位Ｖが上昇し高い電位（高抵抗）を示す炭素量領域とカーボンの酸化に時間が掛かり低い電位（低抵抗）を維持する炭素領域が存在することが判明した。
また、測定電極１１０上に炭素が存在しない場合の電位Ｖは高い電位を示し、本図（ｂ）に示すように、電流Ｉによって検出限界が異なることが判明した。
したがって、より高い検出精度と応答性とを備えた炭素量検出センサの実現を図るべく、燃焼排気中に存在するＰＭの量に応じて電流Ｉを調整して炭素量検出センサ１の検出結果を補正し、得られた検出結果に基づいて、内燃機関の燃焼制御の更なる高精度化やＤＰＦの再生時期の判定等に利用できると期待される。

図５に本発明の第２の実施形態における炭素量検出素子１０ａを示す。上記実施形態においては、プロトン導電体として、１００℃以上５００℃以下の中温域でプロトン活性を示すＭＰ_２Ｏ_７型の固体電解質を用いたが、本実施形態においては、プロトン導電体１００ａとして、５００℃以上の高温域でもプロトン活性を示すペロブスカイト構造のＡＢＯ_３型属遷移金属酸化物を用いた構成とし、プロトン電導体１００ａを加熱するためのヒータ部を設けたことを特徴とする。上記実施形態と同一の構成については同じ符号を付したので説明を省略する。

本実施形態におけるプロトン導電体１００ａは、ＺｒＯ_２又はＣｅＯ_２のいずれかを主成分とし、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかを含みペロブスカイト構造を有するＡＢＯ_３型遷移金属酸化物によって形成することができる。例えば、ＳｒＺｒＯ_３等が好適であり、プロトン導電体１００は、このようなプロトン伝導性固体電解質材料を用いて、シート状に形成されている。なお、プロトン導電体１００は、ドクターブレード法、プレス成形法等の公知のセラミック製造方法により形成することができる。

ヒータ基体１７０と、ヒータ基体１７０のプロトン導電体１００ａ側の表面に形成された発熱体１６０及び、発熱体リード部１６１ａ、１６１ｂと、ヒータ基体１７０の対向する表面に形成された発熱体端子部１６２ａ、１６２ｂと、ヒータ基体１７０を貫通して発熱体リード部１６１ａ、１６１ｂと発熱体端子部１６２ａ、１６２ｂとを接続する発熱体スルーホール１６３ａ、１６３ｂとによってヒータ部が構成され、電極対の形成されたプロトン導電体１００及びプロトン排出路１３０を構成する基底部１３２の下面側に積層、焼成され、一体の炭素量検出素子１０ａを形成している。

本実施形態によれば、通電によって発熱体１６０が高温に発熱し、プロトン導電体１００ａを活性化するので、高温タイプのプロトン伝導性固体電解質を用いても上記実施例と同様に安定して炭素量を検出できる。

図６を参照して、本発明の第３の実施形態における炭素量検出素子１０ｂについて説明する。本実施形態においては、上記第１の実施形態における炭素量検出素子１０又は第２の実施形における炭素量検出素子１０ａの測定電極１１０側に積層して、測定電極１１０上に導入される被測定ガスの流量を規制する拡散抵抗層１８１を有する拡散抵抗形成層１８０を設けたことを特徴とする。本実施形態においては測定電極端子部１１２ｂと基準電極端子部１２２ｂとが拡散抵抗形成層１８０の表面に形成され、これに合わせて測定電極リード部１１１と測定電極端子部１１２ｂとを接続するスルーホール電極１１３ｂ及び基準電極リード部１２１と基準電極端子部１２２ｂとを接続するスルーホール電極１２３ｂが形成されている。
測定電極１１０表面に流入する被測定ガスの流量を規制することによって、測定電極１１０上で酸化されるＰＭ量が規制されるため、いわゆる限界電流測定型の炭素量検出素子１０ｂを構成することによってさらに精度の高い炭素量検出を実現できると期待される。

図７を参照して、本発明の第３の実施形態における炭素量検出素子１０ｃについて説明する。本図は、本実施形態における炭素量検出素子１０ｃの被測定ガス内に配設される測定部の断面図である。上記第１の実施形態においては、プロトン導電体１００を挟んで電極対が形成されているが、ＭＰ_２Ｏ_７型のプロトン伝導性電解質は、難焼結性であるため、上記第１の実施形態に示したような板状の焼結体を得るのが容易ではなく、製造コストの増加を招く虞がある。そこで、本実施形態においては、酸素伝導性固体電解質として知られ、機械的強度に優れた安定化ＺｒＯ２を基体１９０として用い、その表面の一部をリン酸処理することによりピロリン酸ジルコニウム層１００ｃを形成し、さらに、その表面に測定電極１１０ｃと基準電極１２０ｃとを形成し、測定電極１１０ｃのみが被測定ガスに晒されるように。基準電極１１０を覆いつつ、プロトン排出流路１３０ｃを形成するプロトン排出路形成層１３１ｃを形成したことを特徴とする。
このような構成とすることによって、基体１９０の表面に形成したピロリン酸ジルコニウム層１００ｃがプロトン導電体を示し、上記実施形態と同様に高精度な炭素量検出素子１０ｃが実現可能となる。なお、本実施形態において、第２の実施形態と同様、ヒータ部を設けた構成としても良い。

図８を参照して、本発明の炭素量検出センサを設けたディーゼルエンジンＥ／Ｇの排ガス浄化システムの概要について説明する。ディーゼルエンジンＥ／Ｇは高圧ポンプＰＭＰ_ＦＬによって高圧に昇圧され、コモンレールＲ内に蓄圧された高圧燃料がインジェクタＩＮＪによって燃焼室内に直接噴射される直設噴射式ディーゼルエンジンである。
ディーゼルエンジンＥ／Ｇの排気マニホールドＭＨ_ＥＸには、タービンＴＲＢが設けられ、タービンＴＲＢに連動して過給器ＴＲＢ_ＣＧＲが回転し、過給器ＴＲＢ_ＣＧＲによって圧縮され、インタクーラＣＬＲ_ＴＲＢを介して冷却された空気が吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに送られる。排気マニホールドＭＨ_ＥＸから排出される燃焼排気の一部はＥＧＲバルブＶ_ＥＧＲを介して吸気マニホールドＭＨ_ＩＮに還流し、燃焼効率を向上させている。
排気マニホールドＭＨ_ＥＸから排出された燃焼排気は、酸化触媒ＤＯＣを通過することにより未燃焼の炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ及び一酸化窒素ＮＯが酸化され、ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦを通過することにより粒状物質ＰＭが除去され、さらに、図略の選択触媒還元ＳＣＲを通過することによってＮＯｘが無害のＮ_２とＨ_２Ｏとに還元され排出される。
ＤＰＦの入り口及び出口に本発明の炭素検出素子１０が載置され、エンジンＥ／Ｄから排出された燃焼排気中に含まれるＰＭの量を常時監視し、ＤＰＦの再生制御やＯＢＤ（車載式故障自己診断装置）に利用できる。

本発明は上記実施形態に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、自動車エンジン等の内燃機関に搭載される炭素量検出センサを例に説明したが、本発明の炭素量検出センサは、車載用に限定されるものではなく、火力発電所等の大規模プラントにおける炭素量検出の用途にも利用可能である。
また、電極対間に流れる電流を周期的に変化させたパルス電流として通電制御することにより、さらなる検出精度や応答性の向上も期待できる。
加えて、上記実施形態においては、いわゆる積層型のセンサ素子構造を例として説明したが、プロトン電導体を有底筒状に形成し、その外側と内側と電極層を設けたいわゆるコップ型のセンサ素子構造としても良い。

本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサの概要を示す模式図。 本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサに用いられる炭素量検出素子の構成例を示す展開斜視図。 本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサの試験結果を示し、（ａ）は炭素の有無による電位とＣＯ_２濃度の変化を示す特性図、（ｂ）は、被測定ガス中に炭素が存在しない場合の電気分解反応を示す模式図、（ｃ）は、被測定ガス中に炭素が存在する場合の電気分解反応を示す模式図。 本発明の第１の実施形態における炭素量検出センサの検出結果を示し、（ａ）は、印加電流を変化させたときの炭素濃度と出力電位との相関を示す特性図、（ｂ）は、印加電流値と検出限界との相関を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における炭素量検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第３の実施形態における炭素量検出素子の概要を示す展開斜視図。 本発明の第４の実施形態における炭素量検出センサの概要を示す断面模式図。 本発明の炭素量検出センサを用いた内燃機関の燃焼排気浄化システムの概要を示す模式図。

符号の説明

１ 炭素量検出センサ
１０ 炭素量検出素子
１００ プロトン導電体
１１０ 測定電極
１２０ 基準電極
１３０ プロトン排出路
１３１ プロトン排出路形成層
１４０ 演算装置
１４１ 直流電源
１４２ 電流検出手段
１４３ 電圧検出手段
２ 被測定ガス流路壁
２００ 被測定ガス流路

Claims (9)

1. 炭素成分を含む被測定ガス流路内に載置し、被測定ガス中の炭素量を検出する炭素量検出センサであって、
   少なくとも、プロトン伝導性の固体電解質からなるプロトン導電体と、該プロトン導電体の表面に形成した測定電極と基準電極とからなる電極対と、該電極対間に所定の電流又は電圧を印加する電源とを具備し、
   上記測定電極を被測定ガスに対向せしめ、かつ、上記基準電極を被測定ガスから隔離せしめたことを特徴とする炭素量検出センサ。
2. 上記電源から上記電極間への通電により、被測定ガス中に存在する炭素成分と水蒸気とを上記測定電極上において電気化学反応せしめることを特徴とする請求項１に記載の炭素量検出センサ。
3. 上記電極対に所定の電流を流し、上記電極対間に発生する電位を測定する電位計測手段を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素量検出センサ。
4. 上記電極対に所定の電圧を印加し、上記電極対間に流れる電流を測定する電流計測手段を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素量検出センサ。
5. 上記プロトン導電体は、４価の金属カチオン又はその一部を遷移金属によって置換したＭＰ_２Ｏ_７型ピロリン酸塩からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の炭素量検出センサ。
6. 上記プロトン導電体は、ＺｒＯ_２又はＣｅＯ_２のいずれかを主成分とし、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかを含みペロブスカイト構造を有するＡＢＯ_３型遷移金属酸化物からなる請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭素量検出センサ。
7. 上記プロトン導電体は、安定化ジルコニアを基体として用い、その表面の一部をリン酸処理してピロリン酸ジルコニウム層となしたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の炭素量検出センサ。
8. 上記測定電極及び上記基準電極は、金Ａｕ、白金Ｐｔ、パラジウムＰｄ、炭化珪素ＳｉＣのいずれかを含む多孔質金属電極、又は、サーメット電極からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の炭素量検出センサ。
9. 通電により上記プロトン導電体を所定の温度に加熱する発熱部を具備することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の炭素量検出センサ。

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