【自動車用語辞典:センサー「排ガス制御用センサー」】排ガス規制や燃費規制に欠かせないガス濃度センサー

■排ガス規制の強化とともに増えていく排ガス制御用センサー

●酸素センサーまたは空燃比センサーは、排ガス成分から空燃比(燃料濃度)を計測

自動車用の酸素(O2)センサーまたは空燃比センサーは、ガソリンエンジンの三元触媒による排出ガス浄化にとって不可欠な存在で、ほぼすべてのガソリンエンジンに装着されています。

酸素センサーとそれを応用したその他のガス検出センサーについて、解説していきます。

●酸素センサーの必要性

ガソリンエンジンのほぼすべてが、三元触媒を使って排出ガス規制に適合しています。

三元触媒は、エンジンの空燃比(吸入空気重量/燃料重量)を理論空燃比(14.7)に設定することによって、CO、HC、NOxを同時に浄化します。そのためには、排気管に装着した酸素センサーを使って、空燃比を精度良く制御する必要があります。

三元触媒は、空燃比を理論空燃比近傍に設定すれば、COとHCは酸化反応、NOxは還元反応で有害3成分を同時に浄化できます。

・COの酸化  2CO + O2 → 2CO2

・HCの酸化  4CxHy + (4x + y)O2 → 4xCO2 + 2yH2O

・NOxの還元 2NOx → xO2 + N2

三元触媒の浄化効率
三元触媒の浄化効率

●酸素センサーの作動原理

酸素センサーは、排ガス中の酸素濃度を計測する固体電解質型のセンサーで、固体電解質の酸化物ジルコニアの酸素イオン導電性を利用しています。

ジルコニアセラミックの両側面に多孔質電極を設け、片側を大気、もう一方を排気ガスに晒すと、酸素圧差により化学反応を起こし、排気ガス中の酸素濃度に応じて起電力が発生します。

起電力は、理論空燃比を境に出力が急変します。この出力によって、空燃比が理論空燃比に対してリッチ(濃い)かリーン(薄い)かを判定し、燃料噴射量を増減して空燃比を微調整します。

酸素センサー
酸素センサー

●その他のガスセンサー

・空燃比センサー

最近のガソリンエンジンの空燃比制御は、制御精度を上げるため酸素センサーと酸素濃度に対してリニアにセンサー出力が変化する空燃比(A/F)センサーと併用するシステムが一般的です。

空燃比センサーの基本構成は酸素センサーと類似していますが、酸素センサーの多孔質電極の代わりに排気の拡散を律速する多孔層を組み込んでいます。その他、酸素センサーではほとんど使わなかった大気側の酸素を、空燃比センサーでは未燃成分を酸化するために大気電極側から排気側電極にポンピングします。

・NOxセンサー

検知極にNiO系の材料を用いたジルコニア固体電解質NOxセンサーも実用化されています。

NOの電気化学的還元で発生した酸素イオンのポンプ電流を応答信号とする電流検出型です。ディーゼルエンジンの排出ガス低減のためやNOx規制の厳しい市場で採用され始めました。

・PMセンサー

ディーゼルエンジンでは、NOxとPMの同時低減はハードルの高い課題です。

PMセンサーは、瞬時のPM排出量を計測するのではなく、排出ガスの流れの中に挿入した抵抗体に付着したPM量を、抵抗値変化によって計測します。

PM排出の積算量が規制値を超えたどうかの、判断材料として使います。


ガソリンエンジンにとって、三元触媒は画期的な触媒であり、それを有効活用するための酸素センサーや空燃比センサーは重要な役割を果たしています。

厳しい燃費と排ガス規制に適合するためには、精度の高い燃焼制御と排出ガス制御が不可欠であり、今後もガスセンサーの重要性は増すと思われます。

(Mr.ソラン)