JPH0373840A - 窒素酸化物排出量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〉 本発明は、窒素酸化物排出量測定装置に係り、詳しくは
、Ｎ　Ｏｘセンサから検出したＮｏＫａ度を基に、計測
時間中の全Ｎｏ、排出重量を測定する窒素酸化物排出量
測定装置に関する。

（従来の技術） 近時、エンジンへの要求が高度化しており、有害な排出
ガスの低減が強く求められている。そのため、排気中の
有害成分を触媒コンバータを通して清浄化し、無害成分
として大気に放出する装置が取り付けられており、特に
、そのうちのＮＯｘ排出量を手軽に計測する装置が望ま
れている。

すなわち、自動車エンジンにおけるガス分析は、燃焼解
析や性能解析のためだけでなく、排出ガスによる大気汚
染の抑制や防止に関係して、法的規制や基準による試験
や各種の試験・研究に広く用いられている。

従来のこの種の窒素酸化物排出量測定装置としては、例
えば「自動車工学便覧」第４編、１９８４年９月　自動
車技術全発行　第１章Ｐ１２９〜Ｐ　１３０に記載のも
のがある。この装置は定容量試料採取法（ＣＶＳ）を用
いて規定モード等を走行中の自動車エンジンにおけるＮ
　Ｏｘ排出重量を測定するもので、構成は第２１図のよ
うに示される。第２１図において、自動車排気ガスは排
気チューブ２０１からサイクロン２０２に送られ、同時
に空気（大気）が希釈空気用フィルタ２０３を通してサ
イクロン２０２に供給される。その後、熱交換器２０４
により冷却用空気又は水により冷却されて主臨界流ベン
チュリ２０５を通過してプロワ２０６から大気へ放出さ
れる。このとき、熱交換器２０４の下流側で試料採取ベ
ンチュリ２０７から排気ガスが採取され、最終的に試料
採取バッグ２０８に送られる。そして、試料採取バッグ
２０８内の試料は連続ガスを分析装置で分析される。一
方、希釈空気用フィルタ２０３を通った空気も同様に、
最終的に試料採取バッグ２０９に送られ、その後ガス分
析される。なお、２１０゜２１１はフィルタ、２１２　
、２１３はポンプ、２１４　、２１５はバルブ、２１６
〜２２１はソレノイドバルブ、２２４は温度Ｔを検出す
る温度センサ、２２５はガス圧力Ｇを検出する圧力セン
サ、２２６は演算部、２２７は積算部でソレノイドパル
プ２１６　、２１９に切換信号を出力するものである。

この装置によれば、Ｎ　Ｏｘ排出量（排出重量）が （ＮＯｘ　）ｇ＝ＱｃｐＸ　（バッグ濃度〕×密度但し
、ＱｃＦ：サンプリング流量 なる式で計算して求められる。エンジンの排気ガスｓｉ
ｔの変化にかかわらずＣＶＳでの成分濃度は単位時間の
質量排出率に比例し、定流量でサンプリングでき、バッ
グ試料濃度は運転時間内の排出質量に比例する。主に、
モード運転時の排出質量の測定に用いられるが、この試
料のｃｏ２．ｃｏ。

ＨＣの値、燃料のＣ／Ｈ比、流量から燃料消費量を求め
ることも一般化している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の窒素酸化物排出量測定
装置にあっては、ＮＯｘ排出重量を測定できるものの、
大型かつ高価であり、移動も困難であるばかりか取り扱
いも複雑であるという問題点があった。

近時は、特にＮＯｘ排出につき多大の関心が払われてい
ることから、取り扱いが簡単で小型かつ安価な移動可能
（例えば、車載可能）な装置が望まれている。

（発明の目的） そこで本発明は、取り扱いが簡単で、小型かつ安価であ
るとともに移動可能な窒素酸化物排出量測定装置を提供
することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 請求項１記載の発明による窒素酸化物排出量測窓装置は
上記目的達成のため、その基本概念図を第１図に示すよ
うに、排気系に排気浄化触媒を有するエンジンの運転状
態を検出する運転状態検出手段ａと、それぞれ酸素イオ
ン伝導性の固体電解質を挟んで電極を配設したセンシン
グセルとポンピングセルとを所定の間隙をもって積層し
、かつこの間隙に排出ガスの導かれる拡散室を形成した
センサ本体と、拡散室内のガスが常に理論空燃比相当に
なるように、ポンピングセルへの流し込ミ電流を制御す
る回路とから構成される広域空燃比センサであって、排
出ガス中のＮＯｘに感応しないものと感応するものとを
排出ガス中に設ける一方で、各センサについて酸素成分
に対する感度係数を予め設定する手段と、これら感度係
数と前記流し込み電流とを用いてＮＯｘ′ａ度を算出す
る手段とを備え、触媒後流のＮ　Ｏｘ濃度を検出するＮ
Ｏｘ濃度検出手段と、エンジンの運転状態から所定時間
内に排出される排気ガスを演算するガス量演算手段と、
前記排気ガス量とＮＯｘ度から単位時間毎のＮ　Ｏｘ排
出量を演算し、該演算値を所定時間に亘って積算してＮ
Ｏｘ排出量を演算する排出量演算手段ｄと、を備えてい
る。

また、請求項２記載の発明による窒素酸化物排出量測定
装置は上記目的を達成するため、その基本概念図を同じ
く第１図と同様に示すように、エンジンの運転状態を検
出する運転状態検出手段ａと、酸素イオン伝導性の固体
電解質と、これに接して儲けられた電極からなる電気化
学的セルに導かれたガスの酸素分圧を測定する手段を有
し、高低２つの分圧に対する電極間電流の差から触媒後
流のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段すと、エ
ンジンの運転状態から所定時間内燃機関に排出される排
気ガス量を演算するガス量演算手段Ｃと、前記排気ガス
量とＮＯ，ｅ１度から単位時間毎のＮｏ、排出量を演算
し、該演算値を所定時間に亘って積算してＮＯｘ排出量
を演算する排出量演算手段ｄと、を備えている。

（作用） 本発明では、エンジンの運転状態から排気ガス量が演算
され、一方、ＮＯｘ濃度検出手段により排気ガス中のＮ
Ｏｘ度が検出される。その後、排気ガス量とＮＯｘ濃度
から単位時間毎のＮ　Ｏｘ排出量が演算され、積算され
て所定時間におけるＮＯｘ排出量が測定される。この場
合、ＮＯｘ濃度検出手段は先願発明に係るもので、小型
軽量であり、かつ上記演算処理はマイクロコンピュータ
により可能である。

したがって、小型軽量、安価でかつ取り扱いも簡単とな
る。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２図は本発明に係る窒素酸化物排出量測定装置を適用
したエンジンの全体構成図である。第２図において、ｌ
はＶ型のエンジンであり、吸入空気は矢印で示すように
エアクリーナ２より吸気管３を通して各気筒に供給され
、燃料は噴射信号Ｓｉに基づきインジェクタ４により噴
射される。各気筒には点火プラグ５が装着されており、
点火プラグ５はパワートランジスタユニット６からの高
圧パルスＰｉに基づき気筒内の混合気を爆発させる。燃
焼後の排気は排気管７を通して三元触媒を備えた触媒コ
ンバータ８に導入され、触媒コンバータ８内で排気中の
有害成分を清浄化した後、マフラ９から大気に排出され
る。

吸入空気の流量Ｑａはエアフローメータ１０により検出
され、吸気管３内のスロットルバルブ１１によって制御
される。吸気管３内の吸入負圧（ブースト）は吸気圧セ
ンサ１２により検出され、吸入空気の温度は吸気温セン
サ１３により検出される。エンジンｌの回転数Ｎはクラ
ンク角センサ１４により検出され、ウォータジャケット
を流れる冷却水の温度Ｔｗは水温センサ１５により検出
される。また、排気中の酸素濃度は酸素センサ１６によ
り検出され、Ｎ０１１濃度はＮ　Ｏｘセンサ１７、ＮＯ
ｘ？１Ｍ度検出装置１８およびＮＯｘセンサ制御装置１
９からなるＮＯｘ′ａ度検出手段２０により検出される
。ＮＯｘ濃度検出手段２０は本出願人が先に提案してい
るもので（特願昭６３−１２２７０７号参照）、新規技
術であるから後に詳述する。

上記エアフロメータ１０、吸気圧センサ１２、吸気温セ
ンサ１３、クランク角センサ１４、水温センサ１５およ
び酸素センサ１６は運転状態検出手段２１を構成してお
り、運転状態検出手段２１からの出力はコントロールユ
ニット２２に入力される。コントロールユニット２２は
ガス量演算手段としての機能を有し、主にマイクロコン
ピュータにより構成され、内部のメモリに書き込まれて
いるプログラムに従ってエンジン１の燃焼状態を制御す
る処理値や所定時間内に排出される排気ガス量の演算に
必要な処理値を演算し、各種制御信号を出力するととも
に、ＮＯｘ排出量演算装置２３に排気ガス量の演算値を
出力する。ＮｏＸ排出量演算装置２３は排出量演算手段
としての機能を有し、同様に主にマイクロコンピュータ
により構成され、コントロールユニット２２およびＮｏ
Ｘｅｉ度検出装置１８からの出力に基づいてＮｏ、排出
量を演算し、その演算結果を表示装置２４に出力し、表
示装置２４はＮＯｘ排出量をオンボードで表示する。表
示装置２４としては、例えばＣＲＴデイスプレィやプリ
ンタ等が用いられる。

ここで、本実施例のもととなった窒素酸化物の計測理論
を第３図ないし第９図を参照して説明する。

なお、センサの基本的構成は従来の広域空燃比センサ（
以下センサでも略称する）に負うところが大きい。ここ
に、広域空燃比センサの基本的な動作原理、基本特性等
については、論文（「広域空燃比センサを用いた小型高
応答空燃止針の開発」、自動車技術Ｖｏ１．４１．　Ｎ
ｏ、１２．１９８７．　　第１４１４頁ないし１４１８
頁）に詳しい。このため、以下には一酸化窒素Ｎｏを中
心にして話を進めるのであるが、その際に関係する部分
についてこの論文を適宜引用するものとする。

（ｉ）センサの動作原理 センサ本体１１１の構造とセンサ制御回路１２５とを第
３図に示すと、酸素イオン伝導性の固体電解質（ＯＸを
選択的に透過する特性を有するジルコニア）１１３を挟
んで一対のリング状電極１１４．１１５を配設した電気
化学的セル（ポンピングセルともいう）１１２が層状に
形成され、固体電解質１１３の中央において上下方向に
孔１１７を貫通させることで、拡散室１１６を上部のセ
ル外側と連通させている。ここに、被測定ガス（排出ガ
ス）はこの導入孔１１７を介してポンピングセル１１２
の一方の電極１１４に導かれるのであり、導入孔１１７
が所定のガス拡散抵抗を有する拡散律速部として構成さ
れている。

１２６はポンピングセル１１２の画電極１１４．１１５
間に電流を流し込む手段（電流供給手段）で、この電流
値（センサ出力ともいう）ＩＰにて電極１１４近傍の酸
素分圧を自由に設定することができる。たとえば、理論
空燃比の酸素分圧とするためには、希薄燃焼時（過剰０
２が存在する）に、電流を実線矢印の方向に流すことに
より、過剰の０２をセル外側に汲み出し、この逆に過濃
燃焼時（可熱成分Ｃｏ、Ｈｚが存在する）には、破線矢
印の方向に電流を流すことにより、セル外側の排出ガス
中から過剰燃料分の０２を拡散室１１６内に汲み入れる
（主にＣＯｚを還元して得られる）ことができるからで
ある。

ここに、ネルンストの式によれば電極１１４近傍の酸素
分圧に応じて次式で示す起電力（Ｅ）が発生することが
知られている。

Ｅ＝（ＲＴ／４　Ｆ）ｊ！　ｎ　（（基準極の酸素分圧
）／（測定極の酸素分圧）〕 ・・・（１） ただし、Ｒは気体定数、Ｆはファラデ一定数、Ｔは素子
の絶対温度、ｌｎは自然対数である。

間代（１）によれば基準極と測定極との酸素分圧比に応
じた出力が得られることを意味する。たとえば、基準極
の酸素分圧を大気中の酸素分圧（ホホ０．２０９気圧）
、温度を１０７３　Ｋ　ニとると、測定極の酸素分圧に
対する起電力Ｅの関係は第４図に示すところとなり、同
図によれば測定極の酸素分圧が起電力Ｅに変換されるこ
とが分かる。

このため、同じく酸素イオン伝導性の固体電解質１２０
を挟んで一対の電極１２１Ｓ１２２を配設した層状の第
２の電気化学的セル（センシングセルともいう）１１９
を前記電気化学的セル１１２と積層して形成する一方で
、電極１２１を電極１１４の近傍に設け、大気導入室１
２３に大気を導入すれば、一方の電極１２１が測定極、
他方の電極１２２が基準極となり、ここに第２の電気化
学的セル１１９とこの電気化学的セルの２ｉｔ量電極１
２１．１２２間の電圧（■Ｓ）を測定する手段とから酸
素分圧測定手段が構成される。

次に、センサ出力１．の絶対値（図では単にＩ。

で示す）と電圧Ｖｓとの間には、第５図に示す関係が得
られる。この場合、電極１１４の近傍に存在する被測定
ガス中の酸素分圧が低い領域ではＮＯを分解し、この逆
に酸素分圧が高い領域ではＮＯを分解しなくなる特性を
有する触媒１１８を電極１１４に近接して設けておくと
、電極１１４近傍のＮｏ濃度が増すほどＩ２が増大する
。つまり、Ｎ。

濃度と■、とが対応するのである。

なお、Ｎｏを分解する触媒は公知の白金（Ｐｔ）やロジ
ウム（Ｒｈ）があり、白金のように電極材を兼ねる触媒
でしれば、電極１１４あるいは１２１を白金で形成すれ
ば良く、改めて触媒を設ける必要はない。

いま、Ｖｓとして、酸素分圧が低い領域での値（たとえ
ば０．４Ｖ）と、酸素分圧が高い領域での値（たとえば
０．ＩＶ）を選び、Ｎｏ濃度を横軸として描き直せば、
第６図に示す関係が得られる。

同図より、Ｖｓ＝０．４Ｖの場合は、■、がＮｏ濃度に
比例して大きくなるのに対して、Ｖｓ＝０．１■の場合
にはＮｏ濃度に関係なく横軸に平行な直線となる。後者
の場合にＮ０４度に対して反応しなくなる理由は、触媒
が周囲の酸素分圧によってＮｏを分解（つまりＮｏを還
元）できなくなるためで、白金であれば、第７図に示す
ように、１０−２程度（Ｖ　ｓ　＝　０．ＩＶに相当す
る）を越える高い酸素分圧になると、還元効率が零とな
っている。なお、１０４〜１０−９程度の低い酸素分圧
がＶ　ｓ　＝　０．４■に相当する。

したがって、第５図と第６図より分かることは、Ｖｓが
０．４Ｖ　Ｃ一定値）を維持するように１．を変化させ
ると、平衡状態でのＩ、の値がＮｏ濃度に比例するとい
うことである。なお、一定値として選択する値は、第５
図においてＶｓが変化してもＩ、が殆ど変化しない領域
であれば良く、０８４Ｖに限定される訳ではない。

ここに、Ｖｓを一定値に保つには、一定値制御系を構成
すれば良く、第３図においては、維持すべき一定値を基
準電圧（Ｖ、）として、このＶＥとＶｓと比較器として
の差動アンプ１２７に入力し、ＶＥとＶｓの差を電流供
給手段１２６にフィードバックしてＩ、を増減させるこ
とで、ＶｓがＶＥと一致するように制御される。そして
、平衡値に落ち着いたＩ、が電流測定手段１２８にて測
定される。

一方、センサ出力ＩＦとガス成分濃度との関係を、ネル
ンストの式を用いて表せば、次式（２）となる。

ＩＰ　＝（ｎ　Ｆ／ＲＴ）Ｐ−Ｄ　・（Ａ／ｆｆ１）Ｘ
−（２）ここで、ｎは電極反応おける電荷の数、Ｐはガ
ス圧力、Ａは拡散室１１６の拡散有効断面積、ｌは拡散
室１１６の拡散有効距離、Ｄは導入孔１１７にて定まる
燃焼成分の拡散係数、Ｘはガス成分の濃度である。なお
、Ｆ、Ｒ，Ｔの意味は式（１）と同じである。

この式（２）によってもセンサ出力Ｉ、がガス成分濃度
（Ｘ）に比例する特性をもって動作することがわかる。

つまり、第６図はガス成分としてＮｏを選んだ場合の特
性であった。

（ｉｉ　）排出ガス組成とセンサ出力特性エンジンの排
出ガス組成は、理論上は燃料の組成が定まれば燃焼反応
式（水性ガス反応を含む）で求められる。ここに、燃焼
反応式で求められる成分のモデルガスを用いて、ガス成
分（Ｏ，、ＣＯＨ，、Ｎｏ、ＨＣ）の濃度とセンサ出力
の関係を実験すると、センサ出力ＩＰ　（正しくは絶対
値）は、第８図に示すように、それぞれのガス濃度に比
例した出力として得られる（温度、圧カ一定）。

ナオ、（ＮＯ）　Ａ、（Ｎｏ）ｍはそれぞれＶＥ＝０、
ＩＶ、０．４Ｖとした場合の特性である。

ここに、各ガス成分濃度に対するセンサ出力Ｉ２の傾き
（この傾きを以下「感度係数」と称す）は、旧式（２）
に基づくガス成分固有の値を持つことになる。たとえば
、（ＮＯ）ｍに対してはＯ８のほぼ１／２の出力が得ら
れている。なお、感度係数は、単位濃度当たりの電流出
力の形で示し、ｍＡ／％の単位を用いる。

また、計算で求められる上記以外のガス成分（ＮＺ　、
ＣＯｚ　、Ｈｚ　Ｏ）については、旧式（２）において
ｎ（電極反応における電荷の数）が零であるため、セン
サ出力に関与しない。この結果から、センサ出力は、排
出ガスｌ戒（希薄空燃比領域では０２．ＨＣ，Ｎｏ濃度
、過濃領域ではＣｏ。

Ｈ２，ＨＣｌＮ０濃度）と一定の関係があることが分か
る。

以上、センサの基本特性から、センサ出力■。

は空燃比の全域にわたり次式（３）で表すことができる
。

Ｉ　ｐ　−Ｔ　ｏｚＸ　ｏｚ＋γｃｏＸｅ。

十ＴＨ２ＸＨ２＋γＨｃＬｃ ＋ＴＮｏＸＮｏ＋α　　　・・・・・・（３）ここで、
Ｘ　０２１　　Ｘ　ｃｏ　　Ｘ　１４１　　Ｘ　ＨＣＩ
　　Ｘ　Ｈｏは各ガス成分（０，、Ｃｏ、Ｈ，、ＨＣ，
Ｎｏ）の濃度（％）、γ。２．γｃｏ＋　　Ｔ　Ｈｌ、
γＮｅｔ　　Ｔｓｏは各ガス成分（Ｏｚ　、Ｃｏ、Ｈｚ
　、ＨＣ，Ｎｏ）に対する感度係数（ｍＡ／％）、αは
各ガス成分がゼロの場合のセンサ出力（このセンサ出力
を以下「ゼロ出力という）である。この前代（３）は■
、−〇、４　Ｖとした場合の式であり、ＶＥ−０，ｌＶ
とした場合には第５項目はない。

（ｉｉｉ）Ｎｏ濃度の算出 第３図おいて、■えを０．１■に設定したセンサと、０
．４Ｖに設定した一対のセンサを用意する。

この場合に、一対のセンサを区別するため改めてセンサ
Ａ、センサＢと略称することにし、各センサ出力には添
字Ａ、Ｂを付して区別すると、センサＡ　（ＶｉＡ＝　
０．ＩＶＯもの）についてのセンサ出力（ＩＰ（Ａ、）
は次式（４）で与えられる。

Ｉ　Ｐ　　く。　　−Ｔｏｚ＜。　　Ｘ　ｏｚ＋γ０．
。Ｘ、。

＋γＨ２（Ａｌ　　ｘｏｚ ＋γ）Ｉｃ（Ａ）　　ＸＨｃ ＋α（Ａ）　　　　　　　　・・・（４）ココで、ＸＯ
２，ＸＣ，、Ｘ）１２．　Ｘ）ｌｃハｌＦ出カス中の各
ガス成分（Ｏｔ、Ｃｏ、Ｈ，、ＨＣ）の濃度（％）　、
Ｔ　ｏｚｔｈｒ、　Ｔ　Ｃ０（Ａｌｌγ）１２（Ａ）、
γＨｃ　（Ａ）　　はガス成分に対応するセンサＡにつ
いての感度係数（ｍＡ／％）、α（Ａ）　はセンサＡに
ついてのゼロ出力である。

同様にして、センサＢ　（Ｖｔｇ＝　０．４Ｖのもの）
についてのセンサ出力（Ｉ　Ｐ　（１）　）は次式（５
）で与えられる。

ＩＰ、。−Ｔａ２゜）Ｘ、２ ＋　７　ｃｏ　＋１）　　Ｘ　ｃ。

＋ｒＨｚ＋ａ＋　　Ｘｎｚ ＋　Ｔ　ＤＣ（１）　　Ｘ）ｌｃ ＋　Ｔ　Ｎｏ（ＭＩ　　ＸＮＯ ＋α（、）　　　　　　　　　・・・（５）ここでＳＴ
　Ｏ！（１）＋　Ｔ　ｃｏ（１）＋７８２（１）＋　Ｔ
　Ｈｅ（１＞＋　７８゜（１は各ガス成分（Ｏｘ　、Ｃ
ｏ、Ｈｚ　、ＨＣ。

Ｎｏ）に対応するセンサＢについての感度係数（ａ＋Ａ
／％）、α、。はセンサＢについてのゼロ出力である。

また、ＸＮＯはＮｏｆｉ度（％）である。

ここに、式（４）、（５）の相違は式（５）にはＸ、０
の項（第５項目）がある点とゼロ出力値（α。、とα。

、）である。ただ、α、。とα。。

については予め求めておけば良い。

したがって、式（４）、（５）の差をとれば、Ｎｏ濃度
（Ｘ、４゜）が定量されるように見える。ところが、各
センサＡ、Ｂの０□、Ｃｏ、Ｈ，、ＩＣ，ＮＯに対する
感度係数は概ね第９図に示すレベルであるため、Ｎｏに
対する感度係数（ＴＮｏ（！ｌ、）は小さく、かつ排出
ガス中のＮ０４度もＯｚ、Ｃ０，１１□などに比して低
い（数百〜数千ｐｐｍ）ので、実Ｉに得られる電流レベ
ルはセンサ毎のバラツキの中に入ってしまう。このため
、単なるセンサ出力差（■□。−ＩＦ（。）では、Ｎｏ
濃度を定量することができない。

しかしながら、次に示す理論に基づけば、Ｎ。

に対する感度係数を測定しなくとも、両センサ出力を用
いて、Ｎｏ：ａ度を計測することができる。

この理論を述べると、センサＡ、Ｂの特性として、次式
（６Ａ）〜（６Ｃ）の関係があることが分かっている。

ただし、開式において、ηは各ガス成分（Ｃｏ、Ｈ，、
ＨＣ）に対する感度係数とＯ２に対する感度係数との比
で、無名数である。

７　ｃｏ（＾）／　Ｔ　ｏｘ＜ｈ）＝γｃｏ　＋１１　
／　Ｔ　０２　（Ｉ１１＝Ｔｃ０（一定値）・・・（６
Ａ） ｒ　Ｍｚｔａ＋　　／　Ｔ　０！（Ａｌ　　＝　Ｔ　ｏ
ｚ＋ａ＋　　／γ０２＋ｌ１ｌ−Ｔｏｚ（一定値）・・
・（６Ｂ） Ｔ　Ｉ４ｃ　（Ａｌ　　／　Ｔ　ｏｘ　（Ａｌ　　’　
Ｔ　ＨＣ（１）　　／　ｒ　０２　（Ｉ１１＝ｙｎｃ（
一定値）・・・（６Ｃ） そこで、これらの式を前代（４）、（５）に代入すると
、 ＩＰ（Ａ）＝　Ｔｏｚ＋ａ＋（Ｘｏｚ＋ＸｃｏηＣｏ＋
ＸＨ２ηＨ２＋ＸＨＣη１．）＋α。、・・・（７）Ｉ
ｐｔｍ＋＝Ｔｏｚ＋ａ＋（Ｘｏｚ＋Ｘｃｏη、ｏ＋ＸＨ
ｚηＨ２＋Ｘ、、ηＨｃ）　　＋ ＮＮ０ＴＮＯ＋α（ｍｌ　　−（８） となるので、 Ｋ　＝　Ｘ　ｏ　ｚ　＋　Ｘ　ｃ　ｏηＣＯ＋ＸＨ！η
Ｈ２＋Ｘｌ４Ｃη）Ｉｃと置くと、次式（９）、（１０
）が得られる。

Ｉ　Ｐ　（Ａ）−γ。２□、・Ｋ十α。、・・・（９）
Ｉ　Ｐ　（１）　＝　Ｔ　ｏｚ　（１）・Ｋ　＋Ｘ　Ｎ
ｏ　Ｔ　Ｎｏ＋α（Ｉｌｌ　−（１０）式（９）、（１
０）よりＫを消去して、ＸＮＯについて整理する。

ＸＮ０＝　［（ＩＰ（−＞−α（Ｂ））（Ｔ　ｏｚｔａ
＋／　Ｔ　０２（Ａ）×（■、。、−α。））　）　／
　ＴＮｏ　　・・・（１１）ここでも、 γ８゜〈旧／　Ｔ　ｏｚ　（１）　　＝η８゜（一定値
）・・・（１２）であることを考慮して、これを式（１
１）に代入すると、次式（１３）が最終的に得られる。

ＸＨｏ＝　（ＣＩＦ＋１１−α（Ｂ）　　（Ｔ　ｏｚ　
（１）　／　Ｔ　０２　（Ａ）Ｘ（ＩＰ（Ａ）−α（Ａ
）））／ηＮＯ’　Ｔ　ｏｚ　（８１・・・（１３） 式（１３）は、センサＡ、Ｂについて０２に対する感度
係数（ＴＯ２（Ａ）ｌ　Ｔｏｚｕ＋＋　　）とゼロ出力
（α（＾）。

α、〉）を予め求めておけば（なお、ηＮｏは固有の値
）、センサＡ、Ｂで実際に測定されるＩ　Ｐ　＜Ａ）　
ＩＩ　Ｐ　（８１を用いて、ＸＮＯつまりＮｏ濃度が計
算で求められることを示している。したがって、この弐
（１３）によれば、Ｎｏ濃度のような微量成分（数千ｐ
ｐｍ）であっても確実に計測することができる。しかも
、感度係数も各センサに対し０２についてだけ予め求め
ておくだけで良く、極めて簡単である。

なお、センサＢは低い酸素分圧（１０−８〜１０−９気
圧）であるため、センサＢについてのゼロ出力（α、Ｂ
、）は理論的にはほぼゼロであり、α、□−〇としても
良い。

これで、理論的な説明を終え、次にＮＯ，ｉｆｉ度検出
手段の実施例を説明する。この場合、実施例としては、
最終的にＩＦ＋。とＩ　Ｐ　（ＩＩ＞が得られる構成で
あれば良いので、様々なタイプが考え得るが、以下には
３つの実施例を挙げるに止どめる。

第１０図〜第１３図は請求項１記載の発明に係るＮＯｘ
濃度検出手段２０の第１実施例である。第１１図と第１
２図は、一対のセンサ本体１１１Ａ、　　ＩＩＩＢの構
造を示し、触媒の特性以外はぼ特性の揃ったものを用意
している。触媒については、一方のセンサ１４２　Ｂに
ついて測定極の酸素分圧が低い領域でＮＯを分解する特
性を有するものであるのに対し、他方のセンサ１４２Ａ
については測定極の酸素分圧に関係なくＮｏを分解しな
いものとしている。つまり；第３図のところで説明した
ように、酸素分圧が低い領域でＮＯを分解する触媒１１
８を一対のセンサＡ、Ｂの双方とも設けておき、そのう
ち−方のセンサＡについての基準電圧ＶｔＡを高くする
ことでＮｏ濃度に感応させないようにするのではなく、
この実施例では触媒自体のほうでＮｏ濃度に感応させな
いようにするのである。言い替えると、一方のセンサＡ
については酸素分圧測定手段にて測定される酸素分圧を
所定値にするものであるともいえる。

具体的には一方のセンサ１４２Ｂについての電極１２１
Ｂを白金で形成するのに対し、他方のセンサ１４２Ａの
電極１２１　Ａについては測定極の酸素分圧に関係な（
Ｎｏを分解しない電極材を採用する。

このような電極材には、公知のペロブスカイト型複合酸
化物（たとえばランタンストロンチウム鉄酸化物Ｌａｔ
−）（３ｒｘＦｅＯ，、−）やホタル石型酸化物（たと
えばセリア系（ＣｅＯ，）。、ａ（ＬａＯ＋、ｓ）。、
４）などがある。

この結果、センサ１４２Ａについての基準電圧Ｖハはセ
ンサ１４２Ｂの基準電圧Ｖ　Ｅｌｆ（０，４Ｖ　）と同
じで良いことになる。よって前述のごとく、この場合両
センサとも低い酸素分圧であるため、ゼロ出力（α（Ａ
）、α（、））は式（１３〉において、α、Ａ、−〇、
α（ａ）”Ｏとしても良い。

なお、一対のセンサ本体１１１Ａ、　　ＩＩＩＢは第２
図のＮｏＸセンサ１７を構成し、第１０図で示すように
排気管７に対して連続して設けられる。また、第１１．
１２図に示すように１３１Ａ、１３１Ｂはヒーター１３
２Ａ、　　１３２Ｂはヒーター用電源である。センサ制
御回路１２５Ａ、１２５Ｂは第２図のＮｏ、センサ制御
装置を構成し、センサ感度設定器１４３　Ａ　、　１４
３　Ｂ、演算装置１４５、出力装置１４６、ゼロ出力設
定器１４４Ａ、１４４Ｂは第２図（７）Ｎｏ、４度検出
装置１８ヲ構威している。また、ＮｏＸセンサ１７およ
びＮＯ。

濃度検出装置１８はＮ０Ｘｉ４度検出手段２０を構成し
ている。

第１０図において１４３Ａ、１４３Ｂはセンサ感度設定
器で、各センサ１４２Ａ、１４２Ｂについて予め求めた
７（１２（Ａ）＋γ。１．）を設定する。また、１４４
Ａ、１４４Ｂはゼロ出力設定器で、各センサ１４２Ａ、
１４２Ｂについて予め求めたα（Ａ１．α。、を設定す
る。センサ感度設定器１４３Ａ、１４３Ｂからの信号と
、一対のセンサ１４２Ａ　、　１４２　ＢからのＩＰ（
Ａ）、　　ＩＦ（。とをマイクロコンピュータからなる
演算装置１４５に入力させ、演算装置１４５において、
第１３図に示す動作を行わなせてＸＨＯを計算させる。

求めたＸＮＯは出力装置１４６にてアナグロ表示部（ま
たはデジタル表示器）に出力させる。

この例によれば、予め設定すべきは０２に対する感度係
数およびゼロ出力だけあり、いかなる感度係数およびゼ
ロ出力を持つ一対のセンサ１４２　Ａ　。

１４２Ｂ間においても、触媒以外の特性が揃っていれば
、予め設定したセンサ枚の感度係数（Ｔ０２□、。

Ｔｏｚ。）　）およびゼロ出力（αく。、α（１）　）
と各センサ出力（ＩＦＩＡ）ｌ　　ＩＰ（ｍｌ）　とを
使って演算することで、Ｎｏｆｉ度が精度良く定量され
表示される（ステップ１５１〜１５６）。

この場合に、全体の構成は、第１０図に示す通り一対の
センサ１４２Ａ　、　１４２　Ｂとセンサ１４２Ａ、１
４２Ｂからの信号を処理する装置（センサ感度設定器１
４３Ａ、１４３Ｂ、ゼロ出力設定器１４４Ａ、１４４Ｂ
、演算装置１４５　Ａ　、　１４５　Ｂ、出力装置１４
６）とからなるのみであり、装置全体が可搬性を有して
コンパクトにまとまり、前記実施例と同様にかつ極めて
安価なものとすることができる。

また、第１１図、第１２図に示すセンサ本体構造とする
のであれば、電極１２１　Ａ　、　１２１　Ｂ部分の変
更をするだけで済み、後は従来の広域空燃比センサを製
造するのと同じ工程で製作することがてきる。

つまり、従来の広域空燃比センサを殆ど変更することな
く用いることで、Ｎｏを計測することができるので、コ
ストアップを招かずに済む。

さらに、一方のセンサ本体１１１Ａについてはその電極
１２１　Ａに高価な白金触媒を採用しないで済むので、
コスト低減を図ることができる。

また、酸素分圧が両方ともより安定な低い酸素分布で良
く、計測精度の向上が図れる。

次に、作用を第２図をもとに説明する。

コントロールユニット２２およびＮＯｘ排出量演算装置
２３により実行される動作は次の通りである。

エンジン１の運転中に、まずエアフローメータ１０の出
力から吸入空気量Ｑａｉｒを検出し、このＱａｉｒとク
ランク角センサ１４の出力に基づいて算出されるエンジ
ン回転数Ｎから基本噴射ＮＴｐを但し、ＫＩ　：定数 なる弐で演算して求め、これから最終的な燃料噴射量Ｑ
７．．を Ｑｙｕａｔ　−Ｋ　ｔ　Ｘ　Ｔ　ｐ 但し、Ｋ２　：定数 として算出する。次いで、Ｑ、ム、を吸気温センサ１３
の出力である吸気温度によって補正してＱ□。

とし、空気重量を算出する際の精度を上げる。その後、
単位時間当りの排気ガス量（重量）をＱａ！ｒ’　＋Ｑ
ｙｕａｔ ｍ、、＠ 但し、ｍＧ□　：排気ガスの平均分子量なる式で演算し
、さらにこれにＮＯ，４度（ＰＰＭ）を乗じて として単位時間当りのＮＯｘ排出量（重量）を演算する
。次いで、ｔ、からｔ２までの所定時間におけるＮＯ９
排出量（同じく重量）　ＧＮｏｘを次式に従って積算し
て求める。

求めたＮＯｘ排出量Ｇ　ＮＯｘはＮＯｘ排出量演算装置
２３から表示装置２４に出力され、外部にオンボードで
表示される。

このように、本実施例ではＮＯｘ濃度検出手段２０とし
て先願発明に係るものを使用しており、この装置は小型
、軽量で可搬性を有する移動可能なものであるとともに
、ＮＯｘ排出量ＧＮｏｘの演算に際しては既設のコント
ロールユニット２２を適切に利用でき、しかもＮ　ＯＸ
排出量演算装置２３もコントロールユニット２２と同様
のパーツで簡単に構成できるから、安価で取り扱いが簡
単な窒素酸化物排出量測定装置を実現することができる
。

次に、第１４図ないし第１８図は請求項２記載の発明に
係るＮＯｘ濃度検出手段２０の第２実施例である。第１
４図は一対のセンサ本体の構成図、第１５図は一対のセ
ンサ本体を構成する各部の上下に離して示した斜視図、
第１６図は一対のセンサ本体に対応するセンサ制御回路
の構成図、第１６図は演算装置の構成図である。

この例は、第１４図、第１５図に示すように一対のセン
サ本体１１１Ａ、ＩＩＩＢを１つのアルミナ基板１５１
上に一体に構成したものである。一対のセンサ本体１１
１Ａ、ＩＩＩＢを別個に設ける構成であると、同じよう
な特性のものを揃えていても、センサ本体の晒される雰
囲気温度や、被測定ガスの温度、圧力、流速などがセン
サ出力に大きく影響するため、これらの条件が同一でな
い場合に計測精度が低下することがあるからである。例
えば、被測定ガス温度を相違させた場合の測定極近傍の
酸素分布と起電力Ｅの関係を第１８図に示すと、特に酸
素分布が高い領域においてガス温度に対する変化が大き
く、これによって高い酸素分圧のときのセンサ出力Ｉ、
がＮｏ濃度に関係なく変化している。

つまり、一対のセンサ本体の晒されるガス温度が違えば
両者の酸素分圧にずれが生じ、このずれ分が計測精度の
誤差となるのである。

これに対して、一対のセンサ本体１１１Ａ、ＩＩＩＢを
第１４図に示すように一体に構成すれば、センサ本体の
特性を揃えることができるばかりか、被測定ガスについ
ての条件をほぼ同じにすることができるので、Ｎｏ濃度
の計測精度をさらに高めることができるのである。また
、第１実施例よりも装置を小型化することができる。

なお、この例では第１実施例と相違して、一対のセンサ
本体の各電極１２１Ａ、１２１Ｂとも測定極の酸素分圧
が低い領域でＮｏを分解する電極材（白金）を用いてい
る。したがって、第１６図では一方のセンサについての
基準電圧■、に高い電圧（０，４■）を与えているのに
対し、他方のセンサについての基準電圧Ｖ□には低い電
圧（０，ＩＶ）を与えている。なお、両基準電圧ＶＥＡ
、ＶＥＩの向きが第１実施例と相違するが、要は基準電
圧が差動アンプ１２７Ａ、１２７Ｂにマイナス入力とし
て入れば構わない。

また、この例では、第１６図に示すように、各検出抵抗
（Ｒ１）とこの抵抗間の電圧を測定する手段１５５Ａ、
１５５Ｂとから一対の電流測定手段を構成し、ＩＰ（Ａ
）、　　Ｉ□、）の代わりに電圧値Ｖ　ｉＡ＋　　Ｖｉ
ａとして扱っている。第１５図において、１３１はヒー
ター　１５２は大気導入板、１５３はスペーサーである
。

また、酸素分圧を一定に保つ手段としては、（イ）排気
温度が２００〜９００°Ｃと変化してもヒータ１３１へ
の供給電圧を制御してセンサ本体温度を一定に保つ、（
ロ）センサ本体温度を測定し、測定したセンサ本体温度
に応じて基準電圧を変化させるなどが考えられる。

次に、第１９図、第２０図は請求項２記載の発明に係る
Ｎｏ、：ａ度検出手段２０の第３実施例である。

この例はセンサ本体１１１およびセンサ制御回路をｌづ
つしか設けていなくとも、２つのセンサ出力ＩＰ（Ａｌ
＋　　Ｌ（１）が得られるようにしたものである。

例えば、第１９図に示すように、２つの基準電圧■□ａ
（０，ＩＶ）とＶＥＩ　（０，４Ｖ）をそれぞれ設定す
る設定器１６１，１６２と、ＣＰＵ１６７からの信号に
て駆動され所定時間毎に切換えされるスイッチ１６３と
を設けておくと、切換スイッチ１６３が図示の位置にあ
る場合にｌ□、）が出力され、スイッチ１６３が切換え
られることによりＩＰ（。が出力されることになる。こ
の様子を第２０図に示す。

つまり、この例は時分割方式であり、この例によればセ
ンサ本体１１１、センサ制御回路が各１個でよく、セン
サ本体１１１の固体差に基づくＩ□７．。

Ｉ　Ｐ　（Ｉｌｌへの影響が低減されるので、Ｆｌ実施
例や第２実施例よりも計測精度がさらに高まる。また、
センサ本体１１１についての小型化の程度は第２実施例
の場合よりも大きい。

ただし、応答性の点では、ＩＦ（Ａ）、　　ＩＰ（ＩＩ
）を連続して検出する第１実施例や第２実施例のほうが
優る。センサ出力は正確には第２０図に示すように１次
の応答遅れ曲線で立ち上がるものだからである。なお、
センサ出力が平衡値に達するまでの時間は、エンジン負
荷とエンジン回転数に応して変化するので、切換時間（
たとえばＬｌやｔｚ）を負荷と回転数に応じて可変とす
ることもできる。

第１９図において、１６５は電流電圧変換器、１６６は
Ａ／Ｄ変換器、１６８は感度計数設定器、１６９はゼロ
出力設定器、１７０は発光ダイオードを用いた表示器、
１７１はＤ／Ａ変換器である。

ここでは、−例としてＮＯを挙げて説明したが、他の窒
素酸化物（Ｎｏ□、ＮＯｌ等）についても触媒を相違さ
せることで同様に適用することができる。

（効果） 本発明によれば、ＮＯｘ濃度検出装置を用いて簡単な構
成でＮＯｘ排出量を演算しているので、小型、軽量で移
動可能であるとともに、安価で取り扱いの簡単な窒素酸
化物排出量測定装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２図は本発明に係る窒
素酸化’Ｔｈ排出量測定装置を適用したエンジンの全体
構成図、第３〜９図は窒素酸化物の計測理論を説明する
ための図であり、第３図はそのセンサの作動原理を説明
するための概略図、第４図はその測定極の酸素分圧に対
する起電力Ｅの特性図、第５図はその測定極で測定され
る重圧Ｖｓに対するセンサ出力１ｐの特性図、第６図は
そのＮｏ濃度に対するセンサ出力ｒｐの特性図、第７図
はその白金についてのＮｏ還元効率を示す特性図、第８
図はその各ガス成分温度に対するセンサ出力ｒｐの特性
図、第９図はその各ガス成分に対する感度係数の実測値
の一例を示す表図、第１Ｏ〜１３図は請求項１記載の発
明に係るＮＯｘ濃度検出手段の第１実施例を示す図であ
り、第１０図はその装置全体図、第１１図と第１２図は
その一対のセンサ本体の構造とセンサ制御回路を示す概
略図、第１３図はその制御動作を説明するための流れ図
、第１４〜１８図は請求項２記載の発明に係るＮＯｘ濃
度検出手段の第２実施例を示す図であり、第１４図はそ
のセンサ本体の構造を示す概略図、第１５図はそのセン
サ本体を構成する各部を離して示した斜視図、第１６図
はそのセンサ制御回路を示す概略図、第１７図はその演
算装置を示すブロック図、第１８図はそのガス温度を相
違させた場合の起電力Ｅの特性図、第１９．２０図は請
求項２記載の発明に係るＮｏ、４度検出手段の第３実施
例を示す図であり、第１９図はその装置全体図、第２０
図はその作用を説明するための波形図、第２１図は従来
の窒素酸化物排出量測定装置の構成を示す図である。 ■・・・・・・エンジン、 ７・・・・・・排気管、 １０・・・・・・エアフロメータ、 １２・・・・・・吸気圧センサ、 １３・・・・・・吸気温センサ、 １４・・・・・・クランク角センサ、 １５・・・・・・水温センサ、 １６・・・・・・酸素センサ、 １７・・・・・・Ｎｏにセンサ、 １８・・・・・・ＮＯｘ濃度検出装置、１９・・・・・
・ＮＯｘセンサ制御装置、２０・・・・・・ＮＯｘ濃度
検出手段、２１・・・・・・運転状態検出手段、 ２２・・・・・・コントロールユニント（ガス量演算手
段）２３・・・・・・ＮＯｘ排出量演算装置（排出量演
算手段）２４・・・・・・表示装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出
   手段と、 ｂ）それぞれ酸素イオン伝導性の固体電解質を挟んで電
   極を配設したセンシングセルとポンピングセルとを所定
   の間隙をもって積層し、かつこの間隙に排出ガスの導か
   れる拡散室を形成したセンサ本体と、拡散室内のガスが
   常に理論空燃比相当になるように、ポンピングセルへの
   流し込み電流を制御する回路とから構成される広域空燃
   比センサであって、排出ガス中のＮＯｘに感応しないも
   のと感応するものとを排出ガス中に設ける一方で、各セ
   ンサについて酸素成分に対する感度係数を予め設定する
   手段と、これら感度係数と前記流し込み電流とを用いて
   ＮＯｘ濃度を算出する手段とを備え、触媒後流のＮＯｘ
   濃度を検出するＮＯｘ濃度検出手段と、 ｃ）エンジンの運転状態から所定時間内に排出される排
   気ガス量を演算するガス量演算手段と、 ｄ）前記排気ガス量とＮＯｘ濃度から単位時間毎のＮＯ
   ｘ排出量を演算し、該演算値を所定時間に亘って積算し
   てＮＯｘ排出量を演算する排出量演算手段と、 を備えたことを特徴とする窒素酸化物排出量測定装置。
2. （２）ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出
   手段と、 ｂ）酸素イオン伝導性の固体電解質と、これに接して設
   けられた電極からなる電気化学的セルに導かれたガスの
   酸素分圧を測定する手段を有し、高低２つの分圧に対す
   る電極間電流の差から触媒後流のＮＯｘ濃度を検出する
   ＮＯｘ濃度検出手段と、 ｃ）エンジンの運転状態から所定時間内燃機関に排出さ
   れる排気ガス量を演算するガス量演算手段と、 ｄ）前記排気ガス量とＮＯｘ濃度から単位時間毎のＮＯ
   ｘ排出量を演算し、該演算値を所定時間に亘って積算し
   てＮＯｘ排出量を演算する排出量演算手段と、 を備えたことを特徴とする窒素酸化物排出量測定装置。