技術文書: デジタル複合センサ

TRICAN センサはシステム レベルの妥当性診断を行うため、別の外部センサとの双方向通信をサポートします。このデジタル出力は J1939、CAN 2.0 に準拠しており、ユーザーのニーズに合わせてカスタマイズできます (CAN フレーム)。

TRICAN は要求に応じて相対湿度、比湿、露点を計測します。また、図 4 に示すとおり、空気温度と吸気圧も計測します。

• 相対湿度 (RH) は、特定の温度における水蒸気の分圧と水の平衡蒸気圧の比です。
• 比湿 (Sh) は、湿潤空気塊の全質量に対する水蒸気の質量の割合です。
• 露点 (DP) は、空気を冷却することで、空気中の水蒸気が飽和に達した温度です。さらに冷却を進めると、水蒸気は凝結して水滴となります。

TE の湿度セルは、精度、堅牢性、応答時間、回復時間において突出した性能を誇る独自のセンサです。上下の電極の間に、薄い誘電性ポリマが挟み込まれています。誘電容量は、計測された湿度に比例します。湿度セルは、結露後も短時間で回復できる位置に設置され、同時に汚染物質に対する強力な保護機能も果たします。TE の湿度センサは、現在市販されている製品の中でもヒステリシスがきわめて低く、応答時間も最速レベルです。

TE の圧力センサは、ICT 吸気に合わせて特別に開発されています。使用温度範囲は -40°C ～ +125°C、圧力範囲は最大 250 kPa であり、高速な応答時間を実現します。

温度センサは、PCBA にはんだ付けされた負温度係数 (NTC) 型のセンサです。温度計測範囲は -40°C ～ 105°C、精度は ±0.5 °C となります。

湿度は吸気密度に影響し、ひいては燃焼にも影響を与えることはよく知られています [3、4]。EGR ループにより、吸気湿度はさらに上昇します。湿度・温度・圧力センサは、性能の強化、および燃料消費の最適化を可能にします。利点は以下のとおりです。

• 燃料噴射の調整
• 噴射タイミングの 調整
• EGR 結露のモニタリングによる シリンダの寿命低下の阻止
• NOx 排出量の 低減
• EGR ループ制御の 最適化

天然ガス エンジンが最大限に発揮できるパワーは、吸気湿度に依存します。これには、リーンバーン エンジンにおける空燃比の正確な計測が欠かせません。

空気の過剰供給により燃焼温度が低下し、従来の天然ガス エンジンに比べ、酸化窒素排出量が半減します。酸素の量が多くなるということは、同じ量の燃料でより多くのパワーが生成されることを意味し、燃費の向上につながります。

リーンバーンの限界は湿度に依存するため、リアルタイムに対処することで、以下を実現できます。

• 燃費の向上
• NOx 排出量、ノッキング、ミスファイヤの低減

NOx 排出量を仮想的に推定することで、上流側の NOx センサが不要になるため、コストを大幅に削減できます。TRICAN センサの大きな利点の 1 つとして、その高い精度はコールド スタートの条件下でも維持されます。コールド スタートの場合、走行サイクル中の排出ガスの 50% がコールド スタート中に生成されます。つまりこの間、NOx センサが少なくとも 20 分程度は非効率化することを意味します。このような特殊な条件下では、排出量は最大となり、相応の戦略が必要となります。

さらに、吸気部の温度および圧力センサを TRICAN センサに置き換えることで、さらなるコスト削減が可能になります。

TE の湿度・圧力・温度複合センサは、上流の NOx センサを補完あるいは置換します。センサのライフタイム全般にわたって高い精度と信頼性が維持され、ドリフトが制限されます。このセンサは、上流 NOx センサと組み合わせたエンジン モデルに使用することもでき、この場合はシステム診断機能を提供し、ライフタイム全般にわたって NOx の精度をモニタリングします。

燃料電池の性能を最適化するには、高い相対湿度、またはほぼ飽和状態の湿度 (Rh>80%) が必要です。プロトン交換膜の透磁率は、燃料電池の含水量に依存します。したがって相対湿度は、スタックのライフタイム全般にわたって燃料電池の性能と効率性に影響を与える、非常に重要な動作条件の 1 つとなります。

湿度を修正するため、燃料セルのインレットでは加湿器が使用されます。センサの大きな課題の 1 つが、結露の発生する可能性があるコールド スタート時です。トラック、建設機械、オフロード用途など、TE の湿度セルが使用されている過酷な環境での現場経験は、信頼性の高いソリューションとなることが確認されており、結露後の迅速な回復時間、高速な応答時間が実証されています。電力密度の制御においては、圧力も重要なパラメータです。このように TRICAN センサは、湿度と温度の高い環境に適します。また、センシング素子は化学的汚染から保護されています。

比湿が高くなると、燃焼速度が低下するため、シリンダの最大圧力も低下します。図 9 に示すように、比湿が 10 g/kg から 40 g/kg に上昇すると、最大圧力が低下するため、エンジン トルクが 5.5% 低下します。比湿が 15 g/kg となる環境では、測定値が 5 g/kg 変化すると、エンジン トルクは 1% 低下します。

炭化水素の排出は、壁面の消炎現象による未燃焼粒子が原因です。この排出量は、空気の湿度上昇に比例して増加します。一方、二酸化炭素と酸化窒素は、空気の湿度上昇とともに低下します。

比湿が 15 g/kg となる条件下では、測定値が 5 g/kg ずつ変化することで、排出ガスに次のような影響が生じます。炭化水素の排出量は 1.5% 増加、酸化窒素の排出量は 7.2% 増加、二酸化炭素の排出量は 5.4% 増加。

燃焼終了時の断熱温度は、燃焼中に放出される熱量に影響するため、ピストンの仕事量、ひいてはエンジン パワーにも影響を与えます。