CN105388197A - 气体浓度检测设备 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及气体浓度检测设备。该气体浓度检测设备包括气体浓度检测元件(10；20；30)和电子控制单元(81)。气体浓度检测元件(10；20；30)包括第一电化学电池(11c)。电子控制单元(81)被配置成根据当向第一电化学电池(11c)施加第一预定电压时获得的与流过第一电化学电池(11c)的电流相关联的第一检测值，检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。第一预定电压是包含在测试气体中的水和氧化硫在第一电化学电池(11c)的第一电极(11a)中被分解的电压。
Description
技术领域
本发明涉及能够获得内燃机的废气中所含的氧化硫(SOx)的准确浓度的气体浓度检测设备。
背景技术
根据包含在废气中的氧(O2)的浓度获得燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比(A/F)，以便控制内燃机的空燃比传感器(A/F传感器)得到广泛使用。极限电流式气体传感器是这种空燃比传感器的例子。
用作上面所述的空燃比传感器的极限电流式气体传感器具备作为电化学电池的泵电池，所述电化学电池包括具有氧化物离子传导性的固体电解质体，和固定到固体电解质体的表面的一对电极。所述一对电极之一暴露在经抗扩散单元引入的作为测试气体的内燃机的废气之下，所述一对电极之中的另一个电极暴露在大气之下。当在一对电极(所述一对电极之一为阴极，所述一对电极中的另一个电极为阳极)之间施加等于或高于开始氧的分解的电压时，通过还原分解，包含在测试气体中的氧变成氧化物离子(O2-)。所述氧化物离子经固体电解质体被传导到阳极，变成氧，随后被排出到大气中。基于氧化物离子经固体电解质体从阴极侧到阳极侧的传导的这种氧移动被称为“氧泵作用”。
由氧泵作用引起的氧化物离子的传导导致所述一对电极之间的电流流动。在所述一对电极之间流动的这种电流被称为“电极电流”。随着在所述一对电极之间施加的电压(下面在一些情况下，简单地称为“施加电压”)的增大，电极电流倾向于变得更大。不过，到达电极(阴极)的测试气体的流率受抗扩散单元限制，从而由氧泵作用引起的氧的消耗速率不久就超过向阴极的供氧速率。换句话说，阴极中的氧的还原分解反应达到扩散速率控制状态。
在扩散速率控制状态下，尽管施加的电压升高，电极电流不会增大，而是保持大体恒定。该特性被称为“极限电流特性”，其中表现(观测到)极限电流特性的施加电压的范围被称为“极限电流区”。极限电流区中的电极电流被称为“极限电流”，极限电流的大小(极限电流值)与向阴极的供氧速率关联。由于如上所述，借助抗扩散单元，使到达阴极的测试气体的流率保持恒定，因此向阴极的供氧速率与包含在测试气体中的氧的浓度关联。
从而，在用作空燃比传感器的极限电流式气体传感器中，其中与施加电压被设定成“极限电流区中的预定电压”的情况相关的电极电流(极限电流)与包含在测试气体中的氧的浓度关联。通过利用上面说明的氧的极限电流特性，空燃比传感器能够检测包含在测试气体中的氧的浓度，从而根据氧的浓度，获得燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
上面说明的极限电流特性不是局限于氧气的特性。具体地，在分子中包含氧原子的一些气体(下面在一些情况下，称为“含氧气体”)中，根据施加电压和阴极结构的适当选择，可以表现极限电流特性。含氧气体的例子包括氧化硫(SOx)，水(H2O)和二氧化碳(CO2)。
内燃机的燃料(比如轻质油和汽油)包含少量的硫(S)成分。特别地，也被称为贫燃料的燃料可具有较高的硫成分含量。当燃料的硫成分含量(下面在一些情况下，简单地称为“硫含量”)较高时，发生问题的可能性增大，比如构成内燃机的部件的劣化和/或故障，废气净化催化剂的中毒，和废气中的白烟的产生。因而，理想的是获得燃料的硫成分含量，以致获得的硫含量反映在内燃机的控制中，用于发送与内燃机的故障相关的报警，或者用于改善废气净化催化剂的车载故障诊断(OBD)。
当内燃机的燃料包含硫成分时，在从燃烧室排出的废气中含有氧化硫。另外，包含在废气中的氧化硫的浓度(下面在一些情况下，简单地称为“SOx浓度”)随着燃料中的硫成分的含量(硫含量)的增大而增大。从而，认为当能够获得废气中的准确SOx浓度时，根据获得的SOx浓度，能够获得准确的硫含量。
在该技术领域，进行了通过使用利用上述氧泵作用的极限电流式气体传感器来获得包含在内燃机的废气中的氧化硫的浓度的尝试。具体地，使用极限电流式气体传感器(两电池的极限电流式气体传感器)，它具备在内燃机的废气经抗扩散单元作为测试气体被引入其中的内部空间中阴极彼此面对的串联排列的两个泵电池。
在该传感器中，当在上游侧的泵电池的电极之间施加较低电压时，利用上游侧泵电池的氧泵作用，除去包含在测试气体中的氧。另外，当在下游侧的泵电池的电极之间施加较高电压时，利用下游侧泵电池，包含在测试气体中的氧化硫受到阴极中的还原分解，作为结果产生的氧化物离子被传导到阳极。根据可归因于氧泵作用的电极电流值的变化，获得包含在测试气体中的氧化硫的浓度(例如，参见日本专利申请公开No.11-190721)。
发明内容
如上所述，在本技术领域，进行了通过使用利用氧泵作用的极限电流式气体传感器，获得包含在内燃机的废气中的氧化硫的浓度的尝试。不过，包含在废气中的氧化硫浓度极低，从而归因于氧化硫的分解的电流(分解电流)极弱。另外，可归因于除氧化硫外的含氧气体(比如水和二氧化碳)的分解电流也会在电极之间流动。从而，难以准确地区分和只检测可归因于氧化硫的分解电流。
本发明提供一种通过利用极限电流式气体传感器，能够以可能的最高精度水平，获得包含在作为测试气体的废气中的氧化硫的浓度的气体浓度检测设备。
为了实现上述目的，发明人进行了深入研究。结果，发现与其中水和氧化硫在具有氧泵作用的电化学电池(泵电池)中的预定施加电压下被分解的情况相关的电极电流，会按照作为测试气体的内燃机的废气中的氧化硫的浓度而变化。
更具体地，具备泵电池的极限电流式气体传感器被配置成能够实现预定施加电压下的水和氧化硫分解。当在泵电池的一对电极之间施加预定施加电压时，可归因于包含在测试气体中的水和氧化硫的分解的电流在电极之间流动。换句话说，与这种情况相关的电极电流包括可归因于水的分解电流和可归因于氧化硫的分解电流。
通常，内燃机的废气中的水具有比内燃机的废气中的氧化硫高的浓度，从而电极电流大于只可归因于包含在测试气体中的氧化硫的分解电流，从而能够容易并且精确地检测出。发明人发现所述电极电流的大小按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度而变化。从而，发明人得到根据与电极电流关联的检测值的获取，能够精确地获得包含在测试气体中的氧化硫的浓度的结论。
按照本发明的一个方面，提供一种气体浓度检测设备，包括气体浓度检测元件，第一电流检测器，第一电源和电子控制单元(ECU)。
气体浓度检测元件包括第一电化学电池、致密体和抗扩散单元。第一电化学电池包括第一固体电解质体、第一电极和第二电极。第一固体电解质体具有氧化物离子传导性。第一电极和第二电极被布置在第一固体电解质体的相应表面上。第一固体电解质体、致密体和抗扩散单元被配置成限定内部空间。抗扩散单元被配置成把作为测试气体的内燃机的废气经抗扩散单元引入所述内部空间中。第一电极暴露在内部空间中。第二电极暴露在作为除内部空间外的空间的第一独立空间中。第一电极被配置成当向由第一电极和第二电极组成的第一电极对施加第一预定电压时，分解包含在测试气体中的水和氧化硫。第一电流检测器被配置成输出与流过第一电极对的电流关联的第一检测值。第一电源被配置成向第一电极对施加电压。ECU被配置成(i)控制第一电源(61)，以致向第一电极对施加第一预定电压；(ii)当第一预定电压被施加于第一电极对时，从第一电流检测器(71)获得第一检测值；和(iii)根据第一检测值，检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
按照上述方面的气体浓度检测设备，第一电极被配置成当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，能够分解包含在测试气体中的水(H2O)和氧化硫(SOx)。通过适当地选择例如构成电极材料的物质的种类，和与电极的制作有关的热处理条件，可产生如上所述的在预定施加电压下能够分解水和氧化硫的第一电极。
ECU被配置成控制第一电源，以致在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压。第一预定电压是高于“氧化硫的分解起始电压”，并且等于或高于“水的分解起始电压”的电压。从而，当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，可归因于包含在测试气体中的水和氧化硫的分解的电极电流在电极之间流动。如上所述，所述电极电流的大小按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度而变化。
在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的情况下，ECU从第一电流检测器获得第一检测值。ECU被配置成在获得第一检测值之后，根据获得的第一检测值，检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。更具体地，根据预先获得的包含在测试气体中的氧化硫的浓度(SOx浓度)和第一检测值之间的对应关系，ECU能够指定与获得的第一检测值关联的SOx浓度。按照这种方式，按照本发明的设备能够精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
包含在从内燃机排出的废气中的水的浓度按照在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比而变化。当包含在作为测试气体的内燃机的废气中的水的浓度变化时，根据第一检测值检测的氧化硫的浓度的精度会被降低。从而，为了根据第一检测值精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度，理想的是当在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比被保持为预定值时(其例子包括在内燃机的稳定运转期间)，检测第一检测值。
在如上所述在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的情况下获得的第一检测值按照测试气体中的氧化硫的浓度而变化的机制的细节未知。不过，当如上所述在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，不仅包含在测试气体中的水被分解，而且包含在测试气体中的氧化硫也被分解。结果，认为氧化硫的分解产物(例子包括硫(S)和硫化合物)吸附到作为阴极的第一电极上，并减小能够有助于水的分解的第一电极的面积。从而，认为与和第一电极和第二电极之间的第一预定电压的施加有关的电极电流关联的第一检测值按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度而变化。
按照上述机制，当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的时期延长时，数量增多的氧化硫的分解产物吸附到第一电极上，并且与第一检测值关联的电极电流的减小率增大。换句话说，与第一检测值关联的电极电流的减小率按照在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的时期的长度而变化。从而，为了根据第一检测值精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度，理想的是在持续预先确定的预定时期，在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的时间点，检测第一检测值。另外，理想的是利用在持续预先确定的预定时期在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压的时间点的第一检测值，获得上面说明的SOx浓度和第一检测值之间的对应关系。
另外，在重新使用用于检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度的所述气体浓度检测设备，再次检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度的情况下，需要除去吸附在第一电极上的分解产物。除去吸附在第一电极上的分解产物的方法没有特别的限制，其例子包括重新氧化分解产物，以致分解产物重新变成氧化硫。通过以第一电极为阳极，第二电极为阴极(与氧化硫的还原分解的情况相反)，在第一电极和第二电极之间施加使分解产品可被重新氧化的预定电压，可以进行这种重新氧化。
当第一电极和第二电极之间的施加电压变成等于或大于水的极限电流区的下限电压的电压时，第一电极中的水的分解速率超过经抗扩散单元到达第一电极(阴极)的水的供给速率。换句话说，表现出水的极限电流特性。这种情况下，难以根据第一检测值，准确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。另外，当第一电极和第二电极之间的施加电压超过水的极限电流区，并进一步增大时，可归因于包含在测试气体中的另一个成分(比如二氧化碳(CO2))的分解的电极电流开始流动。另外，过高的施加电压会导致固体电解质体的分解。这种情况下，电极电流会由于除可归因于水和氧化硫的分解电流外的因素而变化。结果，难以根据第一检测值，精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
从而，在按照上述方面的气体浓度检测设备中，第一预定电压可被设定成低于水的极限电流区的下限电压的预定电压。换句话说，第一预定电压可被设定成比其中表现出(观测到)水的极限电流特性的电压范围的下限低的预定电压。从而，ECU可被配置成控制第一电源，以致施加比水的极限电流区的下限电压低的预定电压，作为第一预定电压。从而，由除可归因于水和氧化硫的分解电流外的因素引起的电极电流的变化的可能性被降低，并且能够更可靠和精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。水的极限电流区的下限电压约为2.0V，不过取决于例如包含在测试气体中的水的浓度和测量条件，见到轻微的波动。
在按照上述方面的气体浓度检测设备中，如上所述，第一预定电压可被设定成等于或高于水的分解起始电压的预定电压。水的分解起始电压约为0.6V，不过取决于例如包含在测试气体中的氧的浓度和测量条件，见到轻微的波动。从而，第一预定电压可被设定成等于或高于0.6V的预定电压。从而，ECU单元可被配置成控制第一电源，以致施加至少0.6V的预定电压，作为第一预定电压。这允许容易地设定第一电极和第二电极之间的施加电压，以致不仅包含在测试气体中的水，而且包含在测试气体中的氧化硫都能够确保被分解。
如上所述，所述气体浓度检测设备能够根据与当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，在第一电极和第二电极之间流动的电极电流关联的第一检测值，精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。所述第一检测值无特别限制，只要第一检测值是与电极电流关联的任何信号的值(例子包括电压值、电流值和电阻值)即可。一般，第一检测值可以是当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，在第一电极和第二电极之间流动的电流的大小。换句话说，ECU可被配置成获得当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，在第一电极和第二电极之间流动的电流的大小，作为第一检测值。
如上所述，当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，在第一电极和第二电极之间流动的电极电流的大小按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度而变化。具体地，如后所述，电极电流随着包含在测试气体中的氧化硫的浓度增大而减小。从而，在当如上所述在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，在电极之间流动的电流的大小是第一检测值的情况下，ECU可被配置成随着第一检测值减小而检测到越高的包含在测试气体中的氧化硫(SOx)的浓度的浓度值。
如上所述，第一电极被配置成当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时，能够分解包含在测试气体中的水和氧化硫。通过适当选择例如构成电极材料的物质的种类，和与电极的制作有关的热处理条件，可产生如上所述在预定的施加电压下，能够分解水和氧化硫的第一电极。构成第一电极的材料的例子包括具有活性、以致当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时包含在测试气体中的水和氧化硫能够被分解的物质(比如贵金属)。一般，第一电极可包含选自铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)中的至少一种。
通常，电化学电池中的氧的分解起始电压低于水的分解起始电压。从而，与第一检测值关联的电极电流包括可归因于氧的分解电流，以及可归因于水的分解电流和可归因于氧化硫的分解电流。从而，当包含在测试气体中的氧的浓度变化时，根据第一检测值检测的氧化硫的浓度的精度会被降低。
在按照上述方面的气体浓度检测设备中，气体浓度检测元件可包括第二电化学电池。第二电化学电池可包括第二固体电解质体、第三电极和第四电极。第二固体电解质体具有氧化物离子传导性。第三电极和第四电极被布置在第二固体电解质体的相应表面上。第三电极暴露在内部空间中。第四电极暴露在作为除内部空间外的空间的第二独立空间中。第三电极被布置在内部空间中比第一电极更靠近抗扩散单元的位置。第三电极被配置成当向由第三电极和第四电极组成的第二电极对施加第二预定电压时，从内部空间排出氧，或者把氧引入内部空间中。
可以设置向第二电极对施加电压的第二电源。电子控制单元被配置成控制第二电源，以致向第二电极对施加第二预定电压。电子控制单元(81)被配置成当在向第二电极对施加第二预定电压的情况下内部空间中的氧的浓度被调整到预定浓度时，并且当向第一电极对施加第一预定电压时，从第一电流检测器(71)获得第一检测值。
按照上述方面的气体浓度检测设备，即使当包含在测试气体中的氧的浓度由于在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比的变化而变化时，利用第二电化学电池的氧泵作用，也能够把包含在到达内部空间中的第一电极的测试气体中的氧的浓度调整到预定浓度。结果，能够更可靠和精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
如上所述，第二预定电压是当在第三电极和第四电极之间施加电压时，允许从内部空间排出氧(O2)，或者把氧(O2)引入内部空间中的电压。具体地，当在第三电极为阴极，而第四电极为阳极的情况下，第二预定电压是施加于第三电极和第四电极之间时，允许利用氧泵作用把包含在测试气体中的氧从内部空间排出到第二独立空间中的预定电压。或者，当在第三电极为阳极，而第四电极为阴极的情况下，第二预定电压是施加于第三电极和第四电极之间时，允许利用氧泵作用把包含在第二独立空间中的氧从大气引入内部空间中的预定电压(这种情况下，存在于第二独立空间中的气体需要含有氧)。换句话说，第二预定电压可以是等于或高于氧的分解起始电压的预定电压。
在例如第三电极是阴极，而第四电极是阳极的情况下，当第三电极和第四电极之间的施加电压变成等于或高于水的分解起始电压时，包含在测试气体中的水被第二电化学电池分解。这种情况下，包含在到达与第二电化学电池相比，在更下游侧的第一电化学电池的第一电极(所述第一电极是阴极)的测试气体中的水的浓度降低。结果，第一检测值变化，从而变得难以利用所述气体浓度检测设备，根据第一检测值，精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。从而，第二预定电压可以是低于水的分解起始电压的预定电压。
如上所述，第二预定电压是等于或高于氧的分解起始电压并且低于水的分解起始电压的预定电压。从而，ECU可被配置成控制第二电源，以致施加等于或高于氧的分解起始电压并且低于水的分解起始电压的预定电压，作为第二预定电压。这种情况下，包含在到达第一电化学电池的第一电极(所述第一电极是阴极)的测试气体中的氧的浓度可被调整到预定浓度，并且可以避免包含在到达第一电化学电池的第一电极(所述第一电极是阴极)的测试气体中的水的浓度的变化。结果，能够更可靠和精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
在按照上述方面的气体浓度检测设备中，气体浓度检测元件可包括第三电化学电池。第三电化学电池可包括第三固体电解质体、第五电极和第六电极。第三固体电解质体可具有氧化物离子传导性。第五电极和第六电极可被布置在第三固体电解质体的相应表面上。第五电极可暴露在内部空间中。第六电极可暴露在作为除内部空间外的空间的第三独立空间中。
这种情况下，第五电极被配置成以致第二分解速率小于第一分解速率，所述第二分解速率是向由第五电极和第六电极组成的第三电极对施加第三预定电压的情况下的借助第三电化学电池的氧化硫分解的速率，所述第一分解速率是向第一电极对施加第一预定电压的情况下的借助第一电化学电池的氧化硫分解的速率。另外，可以设置输出与流过第三电极对的电流关联的第三检测值的第三电流检测器。可以设置向第三电极对施加电压的第三电源。最好，第二分解速率可大体为0。如上所述，电极相对于氧化硫的分解的活性(分解速率)取决于各种因素，比如构成电极材料的物质的种类、与电极的制作有关的热处理条件、施加电压和电极温度。
ECU可被配置成控制第三电源，以致在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压。另外，ECU可被配置成获得与在第五电极和第六电极之间流动的电流关联的第二检测值。ECU可被配置成根据当在第一电极和第二电极之间施加第一预定电压时获得的第一检测值，与当在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压时获得的第二检测值之差，检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
如上所述，第三电化学电池的第五电极(它是阴极)中的氧化硫分解的速率小于第一电化学电池的第一电极(它是阴极)中的氧化硫分解的速率(第二分解速率<第一分解速率)。从而，在测试气体中包含氧化硫的情况下，与在第一电极中相比，在第五电极中，氧化硫的分解产物的吸附速率较低，从而与在第一电极中相比，在第五电极中，电极的能够有助于水的分解的面积较大。结果，第一检测值和第二检测值之差按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度变化。换句话说，根据第一检测值与第二检测值之差，和第一分解速率与第二分解速率之差，能够精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
例如，在第五电极中的氧化硫分解的速率(第二分解速率)大体为0(零)的情况下，在第五电极中不出现氧化硫的分解产物的实质吸附，从而根据从第三电化学电池获得的第二检测值，能够检测包含在测试气体中的水的浓度。这种情况下，根据第一检测值与第二检测值之差，能够更简单和精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
如上所述，在第三电化学电池中，还获得与包括可归因于水的分解电流的电极电流关联的第二检测值。从而，和第一预定电压的情况一样，第三预定电压可以是等于或高于水的分解起始电压并且低于水的极限电流区的下限电压的预定电压。从而，ECU可被配置成控制第三电源，以致施加等于或高于水的分解起始电压并且低于水的极限电流区的下限电压的预定电压，作为第三预定电压。按照这种方式，即使在第五电极中，包含在测试气体中的水也能够被可靠地分解。
为了如上所述使包含在测试气体中的氧化硫的浓度得以根据第一检测值和第二检测值之差被精确检测，如果可能的话，可在相同条件下获得第一检测值和第二检测值，唯一的例外在于相应阴极中的氧化硫分解速率彼此不同。例如，第三预定电压可等于第一预定电压。从而，ECU可被配置成施加和第一预定电压相同的电压，作为第三预定电压。
当如上所述根据第一检测值和第二检测值之差计算包含在测试气体中的氧化硫的浓度时，不必考虑第一电化学电池和第三电化学电池之间的施加电压差，从而能够减轻计算负荷。另外，由于第三预定电压等于第一预定电压，可允许用于向相应电极施加所述施加电压的电源被第一电化学电池和第三电化学电池共用。结果，能够减小按照本发明的气体浓度检测设备的制造成本和/或尺寸和重量。
为了如上所述使包含在测试气体中的氧化硫的浓度得以根据第一检测值和第二检测值之差被精确检测，理想的是到达第一电化学电池的第一电极的测试气体，和到达第三电化学电池的第五电极的测试气体具有相同的组成。从而，可在由包含浓度与包含在到达第一电极的测试气体中的水的浓度相同的水的测试气体到达的区域中，形成第五电极。在这种情况下，一般可在第一电极附近形成第五电极。
当如上所述根据第一检测值和第二检测值之差计算包含在测试气体中的氧化硫的浓度时，不必考虑第一电化学电池和第三电化学电池之间的测试气体组成差异，从而可以减轻计算负荷。
和第一检测值的情况一样，第二检测值无特别限制，只要第二检测值是与当在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压时，在第五电极和第六电极之间流动的电流关联的任何信号的值(例子包括电压值、电流值和电阻值)即可。一般，第二检测值可以是当在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压时，在第五电极和第六电极之间流动的电流的大小。这种情况下，ECU可被配置成获得当在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压时，在第五电极和第六电极之间流动的电流的大小，作为第二检测值。
如上所述，第二分解速率低于第一分解速率，作为其结果获得的第一检测值和第二检测值之差按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度变化。具体地，当包含在测试气体中的氧化硫的浓度增大时，第一检测值和第二检测值之差增大。从而，在如上所述，和在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压的情况有关的、在第五电极和第六电极之间流动的电流的大小是第二检测值的情况下，ECU可被配置成随着第一检测值和第二检测值之差的绝对值增大而检测到越高的包含在测试气体中的氧化硫(SOx)的浓度值。
如上所述，第五电极被配置成当在第五电极和第六电极之间施加第三预定电压时，能够至少分解包含在测试气体中的水。通过适当选择例如构成电极材料的物质的种类，和与电极的制作有关的热处理条件，可产生如上所述在预定的施加电压下能够分解水的第五电极。一般，第五电极可包含选自铂(Pt)、金(Au)、铅(Pb)和银(Ag)中的至少一种。
如在本说明书的开头部分中所述，根据包含在废气中的氧的浓度获得在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比，以便控制内燃机的空燃比传感器得到广泛使用。极限电流式气体传感器是这种空燃比传感器的例子。从而，按照本发明的设备可用作空燃比传感器，只要通过利用所述气体浓度检测设备能够检测氧的极限电流值即可。
具体地，在上述第一电化学电池、第二电化学电池(在气体浓度检测元件具备第二电化学电池的情况下)和第三电化学电池(在气体浓度检测元件具备第三电化学电池的情况下)中的任意一个或多个中，可设定与氧的极限电流区关联的施加电压。根据和关于这种情况的电极电流关联的检测值，可以检测包含在作为测试气体的内燃机的废气中的氧的浓度。根据按照这种方式检测的废气中的氧的浓度，可以检测与测试气体关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
更具体地，在气体浓度检测元件具备所有第一电化学电池、第二电化学电池和第三电化学电池的情况下，ECU可被配置成向由第一电极和第二电极组成的第一电极对、由第三电极和第四电极组成的第二电极对、由第五电极和第六电极组成的第三电极对至少之一，施加第四预定电压，所述第四预定电压是低于水的分解起始电压的预定电压。换句话说，可至少在第一电化学电池、第二电化学电池和第三电化学电池任意之一中，施加与氧的极限电流区关联的施加电压。
这种情况下，ECU可被配置成根据与流过被施加第四预定电压的第一电极对、第二电极对和/或第三电极对的电流关联的检测值，检测与测试气体关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比(A/F)。
在气体浓度检测元件具备上述第一电化学电池和第二电化学电池、但不具备第三电化学电池的情况下，ECU可被配置成向由第一电极和第二电极组成的第一电极对和由第三电极和第四电极组成的第二电极对至少之一，施加第四预定电压，所述第四预定电压是低于水的分解起始电压的预定电压。换句话说，至少可在第一电化学电池和第二电化学电池任意之一中，施加与氧的极限电流区关联的施加电压。这种情况下，ECU可被配置成根据与流过被施加第四预定电压的第一电极对和/或第二电极对的电流关联的检测值，检测与测试气体关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比(A/F)。
在气体浓度检测元件具备上述第一电化学电池、但不具备第二电化学电池和第三电化学电池的情况下，ECU可被配置成向由第一电极和第二电极组成的第一电极对施加第四预定电压，所述第四预定电压是低于水的分解起始电压的预定电压。换句话说，可在第一电化学电池中，施加与氧的极限电流区关联的施加电压。这种情况下，ECU可被配置成根据与流过被施加第四预定电压的第一电极对的电流关联的检测值，检测与测试气体关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比(A/F)。
在任意上述情况下，在事先实验等中，获得关于例如施加电压是低于水的分解起始电压的预定电压的情况的检测值(比如电极电流的大小)与和测试气体关联的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比之间的对应关系。表示所述对应关系的数据表(比如数据映象)可被保存在ECU的数据存储设备(比如ROM)中，以致在检测期间，CPU可参照所述数据表。按照这种方式，能够根据检测值指定空气-燃料混合物的空燃比。另一方面，在暂时从检测值获得测试气体中的氧的浓度并且CPU参照测试气体中的氧的浓度与空气-燃料混合物的空燃比之间的对应关系的情况下，可根据测试气体中的氧的浓度，指定空气-燃料混合物的空燃比。
根据附图，在本发明的各个实施例的以下说明中，本发明的其它目的、特征和附加优点将变得明显。
附图说明
下面参考附图，说明本发明的例证实施例的特征、优点以及技术和产业意义，附图中，相似的附图标记表示相似的元件，其中：
图1是图解说明按照本发明的第一实施例的气体浓度检测设备(第一设备)的气体浓度检测元件的结构的例子的示意剖视图；
图2是图解说明在构成第一设备的第一电化学电池的第一电极和第二电极之间施加的电压(施加电压)Vm，与在所述电极之间流动的电极电流Im之间的关系的示意图；
图3是图解说明在第一设备中，施加电压Vm为1.0V的情况的电极电流Im的大小与包含在测试气体中的二氧化硫(SO2)的浓度之间的关系的示意图；
图4是图解说明由第一设备的获取单元执行的“SOx浓度获取处理例程”的流程图；
图5是图解说明按照本发明的第二实施例的气体浓度检测设备(第二设备)的气体浓度检测元件的结构的例子的示意剖视图；
图6A是图解说明按照本发明的第三实施例的气体浓度检测设备(第三设备)的气体浓度检测元件的结构的例子的示意剖视图；
图6B是沿图6A中的线6B-6B获得的示意剖视图，图解说明按照本发明的第三实施例的气体浓度检测设备(第三设备)的气体浓度检测元件的结构的例子。
具体实施方式
下面参考附图，说明按照本发明的第一实施例的气体浓度检测设备(下面在一些情况下，称为“第一设备”)。
如图1中图解所示，第一设备的气体浓度检测元件10具备固体电解质体11s，第一氧化铝层21a，第二氧化铝层21b，第三氧化铝层21c，第四氧化铝层21d，第五氧化铝层21e，抗扩散单元(扩散速率控制层)32和加热器41。固体电解质体11s是包含氧化锆等并具有氧化物离子传导性的薄板体。构成固体电解质体11s的氧化锆可包含诸如钪(Sc)和钇(Y)之类的元素。第一到第五氧化铝层21a-21e是含氧化铝致密(不透气)层(致密体)。作为多孔的扩散速率控制层的抗扩散单元32是透气层(薄板体)。加热器41是由例如铂(Pt)和陶瓷(比如氧化铝)的金属陶瓷形成的薄板体。加热器41是在被通电时发热的加热元件。
气体浓度检测元件10的各层按照从下方开始，第五气体层21e、第四氧化铝层21d、第三氧化铝层21c、固体电解质体11s、抗扩散单元32、第二氧化铝层21b、和第一氧化铝层21a的顺序堆叠。
内部空间31是由第一氧化铝层21a、固体电解质体11s、抗扩散单元32和第二氧化铝层21b形成的空间。内燃机的废气作为测试气体经抗扩散单元32被引入内部空间31中。换句话说，在气体浓度检测元件10中，内部空间31经抗扩散单元32，与内燃机的排气管(这里均未图示)的内部连通。从而，排气管中的废气作为测试气体，被引入内部空间31中。第一大气导入通路51由固体电解质体11s、第三氧化铝层21c和第四氧化铝层21d形成，并向着排气管之外的大气开放。第一大气导入通路51对应于第一独立空间。
第一电极11a是阴极，第二电极11b是阳极。第一电极11a被固定到固体电解质体11s一侧的表面(具体地，固体电解质体11s的限定内部空间31的表面)上。第二电极11b被固定到固体电解质体11s另一侧的表面(具体地，固体电解质体11s的限定第一大气导入通路51的表面)上。第一电极11a、第二电极11b和固体电解质体11s构成能够实现基于氧泵作用的氧排出的第一电化学电池11c。第一电化学电池11c由加热器41加热到活化温度。
固体电解质体11s和各个第一到第五氧化铝层21a-21e都可利用刮刀法、挤出成型法(extrusionmoldingmethod)等，被成形成薄片状。第一电极11a、第二电极11b和用于电极的通电的配线等可利用丝网印刷法等形成。当如上所述堆叠并烧制各个薄片时，可以一体地形成具有上述结构的气体浓度检测元件10。在第一设备中，第一电极11a是作为主要成分包含铂(Pt)和铑(Rh)的合金的多孔金属陶瓷电极，第二电极11b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。
第一设备还具备电源61、电流表71和ECU81(电子控制单元)。电源61和电流表71连接到ECU81。电源61可在第一电极11a和第二电极11b之间施加预定电压，以致第二电极11b的电位超过第一电极11a的电位。电源61的操作由ECU81控制。电流表71测量作为在第一电极11a和第二电极11b之间流动的电流(即，流过固体电解质体11s的电流)的电极电流的大小。电流表71把测量值输出给ECU81。
ECU81是以微计算机的形式构成的，所述微计算机包括CPU，保存由CPU执行的程序、映象等的ROM，临时保存数据的RAM等。通过控制电源61，ECU81可控制施加于第一电极11a和第二电极11b的施加电压Vm。另外，ECU81可接收从电流表71输出、与流过第一电化学电池(传感器电池)11c的电极电流Im关联的信号。ECU81可连接到内燃机的作动器(未图示，例子包括燃料喷射阀、节流阀和EGR阀)。这种情况下，ECU81向作动器发送驱动(指令)信号，还控制内燃机。
当在第一电极11a和第二电极11b之间施加第一预定电压，以致第二电极11b的电位超过第一电极11b的电位时，不仅包含在测试气体中的水，而且包含在测试气体中的氧化硫都在第一电极11a中被分解。认为氧化硫的分解产物(例子包括硫和硫化合物)吸附到第一电极11a上，从而减小第一电极11a的能够有助于水的分解的面积。结果，与和第一电极11a和第二电极11b之间的第一预定电压的施加有关的电极电流关联的第一检测值按照包含在测试气体中的氧化硫的浓度而变化。从而，根据第一检测值，第一设备能够精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
如上所述，在本实施例中，第一电化学电池11c用作获得包含在测试气体中的氧化硫的浓度的传感器。从而，在一些情况下，第一电化学电池11c将被称为“传感器电池”。换句话说，第一电极11a、第二电极11b和固体电解质体11s构成传感器电池11c。
下面更详细地说明施加电压Vm和电极电流Im之间的关系。图2是图解说明在传感器电池11c(第一设备的1个电池的极限电流式气体传感器)中逐渐升高施加电压Vm(升压扫过，boost-swept)的情况下的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系的示意图。在这个例子中，使用4种不同的测试气体，其中作为包含在测试气体中的氧化硫的二氧化硫(SO2)的浓度为0ppm、100ppm、300ppm和500ppm。在各个测试气体中，使包含在测试气体中的氧和水的浓度保持恒定。在这个例子中，氧的极限电流值被表示为0(零)μA。
实线曲线L1表示包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为0(零)ppm的情况的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系。在施加电压Vm低于约0.2V的区域中，电极电流Im随着施加电压Vm的增大而增大。在这个区域中，作为施加电压Vm的增大的结果，第一电极11a(阴极)中的氧的分解速率增大。不过，在施加电压Vm等于或高于约0.2V的区域中，即使施加电压Vm增大，电极电流Im也几乎恒定，很少增大。换句话说，表现出上面说明的氧的极限电流特性。随后，当施加电压Vm变成等于或高于约0.6V时，电极电流Im开始再次增大。这种电极电流Im的增大可归因于第一电极11a中的水的分解的开始。
点线曲线L2表示包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为100ppm的情况的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系。当施加电压Vm低于在第一电极11a中水开始分解的电压(分解起始电压)(约0.6V)时，这种情况下的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系和曲线L1(包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为0(零)ppm的情况)表示的关系类似。不过，当施加电压Vm等于或高于第一电极11a中的水的分解起始电压(约0.6V)时，电极电流Im被曲线L1的电极电流Im超过，电极电流Im相对于施加电压Vm的增大率也被曲线L1的增大率超过(斜率较小)。
用点划线表示的曲线L3表示包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为300ppm的情况的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系。短划线曲线L4表示包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为500ppm的情况的施加电压Vm和电极电流Im之间的关系。在这两种情况下，当施加电压Vm低于在第一电极11a中的水的分解起始电压(约0.6V)时，施加电压Vm和电极电流Im之间的关系和曲线L1(包含在测试气体中的二氧化硫的浓度为(零)0ppm的情况)表示的关系类似。不过，当施加电压Vm等于或高于第一电极11a中的水的分解起始电压(约0.6V)时，电极电流Im随着包含在测试气体中的二氧化硫的浓度的增大而减小，电极电流Im相对于施加电压Vm的增大率随着包含在测试气体中的二氧化硫的浓度的增大而减小(斜率较小)。
如上所述，施加电压Vm等于或高于第一电极11a中的水的分解起始电压(约0.6V)的情况下的电极电流Im的大小按照作为包含在测试气体中的氧化硫的二氧化硫的浓度而变化。例如当关于包含在测试气体中的二氧化硫的浓度，标绘在图2中图解所示的曲线图中在施加电压Vm为1.0V的情况下，按照曲线L1-L4的电极电流Im的大小时，获得图3中图解所示的曲线图。如用图3中的点线曲线所示，特定的施加电压Vm(这种情况下，1.0V)下的电极电流Im的大小按照包含在测试气体中的二氧化硫的浓度而变化。从而，当获得特定的施加电压Vm(它是等于或高于水的分解起始电压的预定电压，也被称为“第一预定电压”)下的电极电流Im(与电极电流Im关联的第一检测值)时，能够获得与(和第一检测值关联的)电极电流Im关联的氧化硫的浓度。
表示在图2中图解所示的曲线图的水平轴上的施加电压Vm、表示在图2中图解所示的曲线图的垂直轴上的电极电流Im以及上面说明的施加电压Vm的各个具体值可按照为了获得图2中图解所示的曲线图而进行的实验的条件(例子包括包含在测试气体中的各个成分的浓度)变化，施加电压Vm和电极电流Im的值并不总是局限于上面说明的值。
下面更详细地说明在第一设备中进行的SOx浓度获取处理例程。图4是图解说明ECU81利用气体浓度检测元件10执行的“SOx浓度获取处理例程”的流程图。例如，上面说明的ECU81的CPU(下面在一些情况下，简单地称为“CPU”)在预定时刻，开始所述处理，并允许处理从步骤400进入步骤410。
首先，在步骤410，CPU判定是否存在获取包含在测试气体中的氧化硫的浓度的请求(SOx浓度获取请求)。例如，当在搭载第一设备适用于的内燃机的车辆中燃料箱被充填燃料时，产生SOx浓度获取请求。当在燃料箱被充填燃料之后执行SOx浓度获取处理例程，并且存在包含在测试气体中的氧化硫的浓度的获取历史时，可解除SOx浓度获取请求。
当在步骤410，判定存在SOx浓度获取请求(步骤410：是)时，CPU允许处理进入步骤420，判定第一设备适用于的内燃机(E/G)是否处于稳定状态。例如，当预定时期内的负荷的最大值和最小值之差小于阈值时，或者当预定时期内的加速器操作量的最大值和最小值之差小于阈值时，CPU判定内燃机处于稳定状态。
当在步骤420，判定内燃机处于稳定状态(步骤420：是)时，CPU允许处理进入步骤430，在第一电极11a和第二电极11b之间施加作为第一预定电压(在第一设备中，1.0V)的施加电压Vm。随后，CPU允许处理进入步骤440，判定施加作为第一预定电压的施加电压Vm时的持续时间是否对应于预定阈值(Tth)。该阈值Tth对应于在包含在测试气体中的氧化硫被成为第一预定电压的第一电极11a和第二电极11b之间的施加电压Vm分解的情况下，足够分解产物吸附到作为阴极的第一电极11a(作为阴极)上并降低电极电流的时期的长度。阈值Tth的具体值(时间长度)可根据例如其中使用第一设备的气体浓度检测元件10的事先实验确定。
当在步骤440，判定施加电压Vm为第一预定电压的时期的持续时间对应于预定阈值(步骤440：是)时，CPU允许处理进入步骤450，并获得作为第一检测值的电极电流Im。随后，CPU允许处理进入步骤460，并通过参照图3中图解所示的数据映象，获得与第一检测值关联的氧化硫的浓度。随后，CPU允许处理进入步骤470，从而终止该例程。按照这种方式，第一设备能够精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
当在步骤410判定不存在SOx浓度获取请求(步骤410：否)时，当在步骤420判定内燃机未处于稳定状态(步骤420：否)时，或者当在步骤440判定施加电压Vm为第一预定电压的时期的持续时间不对应于预定阈值(步骤440：否)时，CPU允许处理进入步骤470，从而终止该例程。
允许CPU执行上述例程的程序可被保存在ECU81的数据存储设备(比如ROM)中。另外，可在利用具有已知氧化硫浓度的测试气体的事先实验中，预先获得施加电压Vm是第一预定电压(在第一设备中，1.0V)的情况的作为第一检测值的电极电流Im和包含在测试气体中的氧化硫的浓度之间的对应关系。表示所述对应关系的数据表(比如数据映象)可被保存在ECU81的数据存储设备(比如ROM)中，以致CPU在步骤460中能够参照所述数据表。
在第一设备中，如上所述，第一预定电压是1.0V。不过，第一预定电压无特别限制，只要如上所述，第一预定电压是在第一电极11a是阴极，而第二电极11b是阳极的情况下，当被施加于第一电极11a和第二电极11b之间时，允许包含在测试气体中的氧化硫和水的分解的预定电压即可。如上所述，水的分解起始电压约为0.6V。从而，理想的是第一预定电压是等于或高于0.6V的预定电压。
如上所述，当施加电压Vm过高时，会发生包含在测试气体中的另一个成分(比如二氧化碳(CO2))和/或固体电解质体11s的分解。从而，理想的是第一预定电压是低于水的极限电流区的下限电压的预定电压。换句话说，理想的是第一预定电压是等于或高于水的分解起始电压，并且低于其中表现出(观测到)水的极限电流特性的电压范围的下限的预定电压。
在第一设备中，当在第一电极11a和第二电极11b之间施加第一预定电压时，在第一电极11a和第二电极11b之间流动的电极电流的大小是第一检测值。不过，第一检测值无特别限制，只要如上所述，第一检测是与电极电流关联的任意信号的值(例子包括电压值、电流值和电阻值)即可。在采用和电极电流正相关的信号的值(比如电压值和电流值)作为第一检测值的情况下，第一设备被配置成随着第一检测值减小而检测到越高的SOx浓度值。在采用和电极电流负相关的信号的值作为第一检测值的情况下，第一设备被配置成随着第一检测值增大而检测到越高的SOx浓度值。
在第一设备中，第一电极11a是作为主要成分包含铂(Pt)和铑(Rh)的合金的多孔金属陶瓷电极，第二电极11b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。不过，构成第一电极11a的材料无特别限制，只要当在第一电极11a和第二电极11b之间施加第一预定电压时，能够对包含在经抗扩散单元32引入内部空间31中的测试气体中的水和氧化硫进行还原分解即可。优选的是，构成第一电极11a的材料作为主要成分包含铂族元素，比如铂(Pt)、铑(Rh)和钯(pd)，或者它们的合金。更优选的是，第一电极11a是作为主分成分包含选自铂(Pt)、铑(Rh)和钯(pd)中的至少一种的多孔金属陶瓷电极。
下面说明按照本发明的第二实施例的气体浓度检测设备(下面在一些情况下，称为“第二设备”)。
第二设备的气体浓度检测元件20在结构方面类似于第一设备的气体浓度检测元件10，唯一的例外在于还设置布置在第一电化学电池(泵电池11c)的上游侧(抗扩散单元32侧)的第二电化学电池(泵电池12c)。第二设备的结构的以下说明将集中在第二设备如何不同于第一设备。
如图5中图解所示，代替图1中图解所示的气体浓度检测元件10的第一氧化铝层21a，布置第二固体电解质体12s，堆叠在第二固体电解质体12s上(与内部空间31相反侧)的第六氧化铝层21f和第一氧化铝层21a限定第二大气导入通路52。第二大气导入通路52对应于第二独立空间。第二固体电解质体12s也是包含氧化锆等并具有氧化物离子传导性的薄板体。形成第二固体电解质体12s的氧化锆可包含诸如钪(Sc)和钇(Y)之类的元素。第六氧化铝层21f是含氧化铝的致密(不透气)层(薄板体)。
第三电极12a被固定到第二固体电解质体12s一侧的表面(具体地，第二固体电解质体12s的限定内部空间31的表面)上。第四电极12b被固定到第二固体电解质体12s另一侧的表面(具体地，第二固体电解质体12s的限定第二大气导入通路52的表面)上。
第三电极12a、第四电极12b和第二固体电解质体12s构成能够实现基于氧泵作用的氧排出的第二电化学电池(泵电池)12c。第二电化学电池(泵电池)12c被布置在第一电化学电池(泵电池11c)的上游侧(抗扩散单元32侧)。更具体地，第三电极12a被布置成在与第一电极11a相比，更靠近抗扩散单元32的位置，面向内部空间31。第三电极12a和第四电极12b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。
电源62把施加电压加在第三电极12a和第四电极12b之间，以致第三电极12a和第四电极12b任意之一的电位超过第三电极12a和第四电极12b中的另一个电极的电位。电流表72向ECU81输出与流过第二电化学电池12c的电极电流关联的信号。通过控制电源62，ECU81可控制向第三电极12a和第四电极12b施加的施加电压。另外，ECU81可接收与从电流表72输出、流过第二电化学电池12c的电极电流关联的信号。
包含在从内燃机排出的废气中的氧的浓度随例如在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比，以各种方式变化。结果，在一些情况下，包含在测试气体中的氧的浓度变化。当包含在测试气体中的氧的浓度变化时，在传感器电池的电极之间流动的电流的大小也变化，从而会降低浓度待测量的成分(例子包括水和氧化硫)的浓度的检测精度。
不过，按照第二设备的气体浓度检测元件20，当在第三电极12a和第四电极12b之间施加预定电压时，基于氧泵作用，氧可从内部空间31被排出，或者氧可被引入内部空间31中。更具体地，当在第三电极12a和第四电极12b之间施加电压，以致第三电极12a成为阴极，而第四电极12b成为阳极时，氧从内部空间31被排出到第二大气导入通路52中。当在第三电极12a和第四电极12b之间施加电压，以致第三电极12a成为阳极，而第四电极12b成为阴极时，氧从第二大气导入通路52被导入内部空间31中。按照这种方式，第二电化学电池(泵电池)12c能够调整第二设备的气体浓度检测元件20中的内部空间31内的氧的浓度。
换句话说，按照第二设备的气体浓度检测元件20，即使包含在测试气体中的氧的浓度变化，如上所述，基于第二电化学电池(泵电池)12c的氧泵作用，氧也可从内部空间31中被排出，从而内部空间31中的氧的浓度可被调整成减小(一般，减小到约0(零)ppm)。从而在第二设备中，即使包含在测试气体中的氧的浓度变化，也能够有效降低对在第一电化学电池(泵电池)11c中检测的电极电流Im的影响。结果，利用第二设备，能够精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
在图5中图解所示的例子中，第二电化学电池(泵电池12c)包括与构成第一电化学电池(泵电池11c)的固体电解质体11s分离的第二固体电解质体12s。不过，第二电化学电池(泵电池12c)可与第一电化学电池(泵电池11c)共用固体电解质体11s。这种情况下，第一大气导入通路51起第一独立空间和第二独立空间的作用。
在上面举例说明的例子中，在基于第二电化学电池12c的氧泵作用从内部空间31排出氧，降低地调整内部空间31中的氧的浓度之后，检测第一电化学电池1c中的第一检测值(电极电流Im)。不过，也可在基于第二电化学电池12c的氧泵作用把氧导入内部空间31中，把内部空间31中的氧的浓度调整到预定浓度之后，检测第一电化学电池1c中的第一检测值。
下面说明按照本发明的第三实施例的气体浓度检测设备(下面在一些情况下，称为“第三设备”)。
如图6A和6B中图解所示，第三设备的气体浓度检测元件30在结构方面类似于第二设备的气体浓度检测元件20，唯一的例外在于还设置布置在第一电化学电池(泵电池11c)附近的第三电化学电池(泵电池13c)。这里，“附近”指的是含有浓度与包含在到达第一电化学电池(泵电池11c)的测试气体中的水的浓度相同的水的测试气体到达的区域。第三设备的结构的以下说明将集中在第三设备如何不同于第二设备。
图6B是沿图6A中的线6B-6B获得的气体浓度检测元件30的剖视图。在图6B中图解所示的例子中，第三设备还具备布置在第一电化学电池(泵电池11c)附近的第三电化学电池(泵电池13c)。具体地，第三设备的第一电化学电池(泵电池11c)和第三电化学电池(泵电池13c)被布置在从布置在从上游侧的第二电化学电池(泵电池12c)向下游侧离开相同距离的位置。
第三电化学电池13c与第一电化学电池11c共用固体电解质体11s，具有作为布置在第三电化学电池13c的表面上的一对电极的第五电极13a和第六电极13b。在图6中图解所示的例子中，第五电极13a被布置成面向内部空间31，而第六电极13b被布置成面向第一大气导入通路51。换句话说，在这种情况下，第一大气导入通路51起第三独立空间的作用。
第一电极11a是作为主要成分包含铂(Pt)和铑(Rh)的合金的多孔金属陶瓷电极，第二电极11b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。第五电极13a是作为主要成分包含铂(Pt)和金(Au)的合金的多孔金属陶瓷电极。第六电极13b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。第五电极13a本身是为了即使在相同的施加电压下，氧化硫分解速率也比在第一电极11a中低而制作的。具体地，在第五电极13a中，氧化硫分解的速率(第二分解速率)大体为0。
电源63把施加电压加在第五电极13a和第六电极13b之间，以致第六电极13b的电位高于第五电极13a的电位。电流表73向ECU81输出与流过第三电化学电池13c的电极电流关联的信号。通过控制电源63，ECU81可控制向第五电极13a和第六电极13b施加的施加电压。在第三设备中，第三预定电压和第一预定电压都为1.0V。ECU81可接收与从电流表73输出、流过第三电化学电池13c的电极电流关联的信号。
如上所述，在第三电化学电池13c中，尽管施加和第一电化学11c相同的施加电压Vm(1.0V)，不过与第一电化学电池11c中相比，包含在测试气体中的氧化硫的分解速率也极低。具体地，与第一电极11a中的氧化硫的分解速率(第一分解速率)相比，第五电极13a中的氧化硫的分解速率(第二分解速率)极低，实质上为0。换句话说，第三电化学电池的电极电流实质上不包括可归因于氧化硫的分解的电流。从而，根据与第一电化学电池11c的电极电流关联的第一检测值和与第三电化学电池13c的电极电流关联的第二检测值之差，能够降低包含在测试气体中的水的浓度变化的影响。
同样地，与在第一电极11a中相比，在第五电极13a中，包含在测试气体中的氧化硫的分解产物吸附到阴极上的速率也较低。具体地，在第五电极13a中，不发生氧化硫的分解产物的实质吸附。从而，第五电极13a对于水分解的活性的降低速率小于第一电极11a对于水分解的活性的降低速率。具体地，第五电极13对于水分解的活性无实质性降低。结果，从第三电化学电池13c获得的第二检测值大于从第一电化学电池11c获得的第一检测值，检测值之差随包含在测试气体中的氧化硫的浓度的增大而增大。
从而，第三设备能够根据在第一电化学电池11c的第一电极11a和第二电极11b之间施加第一预定电压(施加电压Vm＝1.0V)的情况的电极电流Im(第一检测值)，和在第三电化学电池13c的第五电极13a和第六电极13b之间施加第三预定电压(施加电压Vm＝1.0V)的情况的电极电流Im(第二检测值)之差，精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度，所述差异是通过电流差检测电路81获得的。
在图6中图解所示的例子中，第三电化学电池(泵电池13c)和第一电化学电池(泵电池11c)共用固体电解质体11s。不过，第三电化学电池(泵电池13c)可包括与构成第一电化学电池(泵电池11c)的固体电解质体11s分离的固体电解质体。
在图6中图解所示的例子中，第三电化学电池(泵电池13c)被布置在第一电化学电池(泵电池11c)附近。不过，泵电池的位置关系无特别限制，只要根据从泵电池获得的第一检测值和第二检测值之差，能够检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度即可。另外，施加在电极之间以致从第三电化学电池(泵电池13c)获得第二检测值的电压无特别限制，只要根据第一检测值和第二检测值之差，能够检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度即可。
在第三设备中，第三预定电压等于第一预定电压(具体地，1.0V)。不过，第三预定电压无特别限制，只要如上所述，第三预定电压是在第五电极13a是阴极，而第六电极13b是阳极的情况下，当被施加于第五电极13a和第六电极13b之间时，允许包含在测试气体中的水的分解的预定电压即可。
如上所述，当施加电压Vm过高时，会发生包含在测试气体中的另一个成分(比如二氧化碳(CO2))和/或固体电解质体11s的分解。从而，理想的是第三预定电压是低于水的极限电流区的下限电压的预定电压。换句话说，理想的是第三预定电压是等于或高于水的分解起始电压，并且低于其中表现出(观测到)水的极限电流特性的电压范围的下限的预定电压。
在第三设备中，当在第五电极13a和第六电极13b之间施加第三预定电压时，在第五电极13a和第六电极13b之间流动的电极电流的大小是第二检测值。不过，第二检测值无特别限制，只要如上所述，第二检测是与电极电流关联的任意信号的值(例子包括电压值、电流值和电阻值)即可。
在第三设备中，第五电极13a是作为主要成分包含铂(Pt)和金(Au)的合金的多孔金属陶瓷电极，第六电极13b是作为主要成分包含铂(Pt)的多孔金属陶瓷电极。不过，构成第五电极13a的材料无特别限制，只要当在第五电极13a和第六电极13b之间施加第三预定电压时，能够对包含在经抗扩散单元32引入内部空间31中的测试气体中的水进行还原分解即可。优选的是，构成第五电极13a的材料作为主要成分包含诸如铂(Pt)、金(Au)、铅(Pb)和银(Ag)之类的金属元素，或者它们的合金。更优选的是，第五电极13a是作为主分成分包含选自铂(Pt)、金(Au)、铅(Pb)和银(Ag)中的至少一种的多孔金属陶瓷电极。
在第三设备中，氧化硫在第五电极13a中分解的速率(第二分解速率)实质上为0。不过，当使用第一检测值和第二检测值之差时，即使在第二分解速率并不实质为0的情况下，也可在一定程度上降低包含在测试气体中的水的浓度变化的影响。结果，能够提高包含在测试气体中的氧化硫的浓度的检测精度。
上面说明的第一电化学电池、第二电化学电池(在气体浓度检测元件具备第二电化学电池的情况下)和第三电化学电池(在气体浓度检测元件具备第三电化学电池的情况下)中的任意一个或多个可用作空燃比传感器。这种情况下，在电化学电池的任意一个或多个中，设定与氧的极限电流区关联的施加电压。根据和关于这种情况的电极电流关联的检测值，检测包含在作为测试气体的内燃机的废气中的氧的浓度。根据按照这种方式检测的废气中的氧的浓度，可以检测与测试气体关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
这种情况下，为了根据在一个或多个电化学电池中获得的检测值检测内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比，需要向如上所述的电化学电池施加与氧的极限电流区关联的施加电压。从而，基本上理想的是在不进行利用按照本发明的设备的SOx浓度检测处理时，检测空燃比。
在气体浓度检测元件具备第二电化学电池，并在第二电化学电池中施加与氧的极限电流区关联的施加电流的情况下，尽管进行利用按照本发明的设备的SOx浓度检测处理，也能够检测空燃比。另外，当根据如上所述检测的包含在测试气体中的氧的浓度校正第一检测值和/或第二检测值时，能够进一步精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度。
包含在从内燃机排出的废气中的氧的浓度随在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比而变化。从而，为了根据第一检测值精确地检测包含在测试气体中的氧化硫的浓度，理想的是当在内燃机的燃烧室中燃烧的空气-燃料混合物的空燃比被保持为预定值时(其例子包括在内燃机的稳定运转期间)，检测第一检测值。
为了说明本发明，参考附图说明了具有具体结构的几个实施例和变形例。不过，本发明的范围并不局限于例证实施例和变形例，可对其增加适当的变更，而不脱离权利要求书和说明书的范围。
Claims (18)
1.一种气体浓度检测设备，其特征在于包括：
气体浓度检测元件(10；20；30)，所述气体浓度检测元件(10；20；30)包括第一电化学电池(11c)、致密体(21b)和抗扩散单元(32)，所述第一电化学电池(11c)包括第一固体电解质体(11s)、第一电极(11a)和第二电极(11b)，所述第一固体电解质体(11s)具有氧化物离子传导性，所述第一电极(11a)和所述第二电极(11b)被布置在所述第一固体电解质体(11s)的相应表面上，所述第一固体电解质体(11s)、所述致密体(21b)和所述抗扩散单元(32)被配置成限定内部空间，所述抗扩散单元(32)被配置成把作为测试气体的来自内燃机的废气经所述抗扩散单元(32)引入所述内部空间中，所述第一电极(11a)暴露在所述内部空间中，所述第二电极(11b)暴露在作为除所述内部空间外的空间的第一独立空间中，所述第一电极(11a)被配置成当由所述第一电极(11a)和所述第二电极(11b)组成的第一电极对被施加第一预定电压时，分解包含在所述测试气体中的水和氧化硫；
第一电流检测器(71)，所述第一电流检测器(71)被配置成输出与流过所述第一电极对的电流相关联的第一检测值；
第一电源(61)，所述第一电源(61)被配置成向所述第一电极对施加电压；和
电子控制单元(81)，所述电子控制单元(81)被配置成：
(i)控制第一电源(61)，以致向所述第一电极对施加所述第一预定电压；
(ii)当所述第一预定电压被施加于所述第一电极对时，从所述第一电流检测器(71)获得所述第一检测值；和
(iii)根据所述第一检测值，检测包含在所述测试气体中的所述氧化硫的浓度。
2.按照权利要求1所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第一电源(61)，以致作为所述第一预定电压，向所述第一电极对施加比水的极限电流区的下限电压低的预定电压。
3.按照权利要求1或2所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第一电源(61)，以致作为所述第一预定电压，向所述第一电极对施加等于或大于0.6V的预定电压。
4.按照权利要求1-3任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成当所述第一电极对被施加所述第一预定电压时，获得流过所述第一电极对的电流的大小，作为所述第一检测值。
5.按照权利要求4所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成随着所述第一检测值减小而检测到越高的包含在所述测试气体中的所述氧化硫的所述浓度的浓度值。
6.按照权利要求1-5任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述第一电极包含选自由铂、铑和钯组成的组中的至少之一。
7.按照权利要求1-6任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于还包括：
第二电源(62)，
其中所述气体浓度检测元件(20；30)包括第二电化学电池(12c)，所述第二电化学电池(12c)包括第二固体电解质体(12s)、第三电极(12a)和第四电极(12b)，所述第二固体电解质体(12s)具有氧化物离子传导性，所述第三电极(12a)和所述第四电极(12b)被布置在所述第二固体电解质体(12s)的相应表面上，所述第三电极(12a)暴露在所述内部空间中，所述第四电极(12b)暴露在作为除所述内部空间外的空间的第二独立空间中，所述第三电极(12a)被布置在所述内部空间中比所述第一电极(11a)更靠近所述抗扩散单元(32)的位置，所述第三电极(12a)被配置成当第二预定电压被施加于由所述第三电极(12a)和所述第四电极(12b)组成的第二电极对时，从所述内部空间排出氧，或者把氧引入所述内部空间中，
其中所述第二电源(62)被配置成向所述第二电极对施加电压，并且
其中所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第二电源(62)，以致向所述第二电极对施加所述第二预定电压，所述电子控制单元(81)被配置成当在向所述第二电极对施加所述第二预定电压的情况下所述内部空间中的所述氧的浓度被调整到预定浓度时，并且当向所述第一电极对施加所述第一预定电压时，从所述第一电流检测器(71)获得所述第一检测值。
8.按照权利要求7所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第二电源(62)，以致作为所述第二预定电压，向所述第二电极对施加等于或大于氧的分解起始电压并且小于水的分解起始电压的预定电压。
9.按照权利要求1-8任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于还包括：
第三电流检测器(73)；和
第三电源(63)，
其中所述气体浓度检测元件(30)包括第三电化学电池(13c)，所述第三电化学电池(13c)包括第三固体电解质体(13s)、第五电极(13a)和第六电极(13b)，所述第三固体电解质体(13s)具有氧化物离子传导性，所述第五电极(13a)和所述第六电极(13b)被布置在所述第三固体电解质体(13s)的相应表面上，所述第五电极(13a)暴露在所述内部空间中，所述第六电极(13b)暴露在作为除所述内部空间外的空间的第三独立空间中，所述第五电极(13a)被配置成以致第二分解速率小于第一分解速率，所述第二分解速率是向由所述第五电极(13a)和所述第六电极(13b)组成的第三电极对施加第三预定电压的情况下的借助所述第三电化学电池的氧化硫分解的速率，所述第一分解速率是向所述第一电极对施加所述第一预定电压的情况下的借助所述第一电化学电池的氧化硫分解的速率，
其中所述第三电流检测器(73)被配置成输出与流过所述第三电极对的电流相关联的第三检测值，
其中所述第三电源(63)被配置成向所述第三电极对施加电压，
其中所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第三电源(63)，以致向所述第三电极对施加所述第三预定电压，
其中所述电子控制单元(81)被配置成从所述第三电流检测器获得所述第三检测值，并且
其中所述电子控制单元(81)被配置成根据当向所述第一电极对施加所述第一预定电压时获得的所述第一检测值和当向所述第三电极对施加所述第三预定电压时获得的所述第三检测值之差，检测包含在所述测试气体中的所述氧化硫的所述浓度。
10.按照权利要求9所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第三电源(63)，以致作为所述第三预定电压，向所述第三电极对施加等于或大于水的分解起始电压并且小于水的极限电流区的下限电压的预定电压。
11.按照权利要求9或10所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第三电源(63)，以致作为所述第三预定电压，向所述第三电极对施加等于所述第一预定电压的电压。
12.按照权利要求9-11任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述第五电极(13a)被布置在包含浓度与包含在到达所述第一电极的所述测试气体中的水的浓度相等的水的测试气体所到达的区域中。
13.按照权利要求9-12任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于当向所述第三电极对施加所述第三预定电压时，所述电子控制单元(81)从所述第三电流检测器获得所述第三检测值。
14.按照权利要求13所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述电子控制单元(81)被配置成随着所述第一检测值和所述第二检测值之差的绝对值增大而检测到越高的包含在所述测试气体中的所述氧化硫的所述浓度的浓度值。
15.按照权利要求9-14任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于所述第五电极(13a)包含选自由铂、金、铅和银组成的组中的至少之一。
16.按照权利要求1-6任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于
所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第一电源(62)，以致向所述第一电极对施加作为比水的分解起始电压低的预定电压的第四预定电压，并且
所述电子控制单元(81)被配置成根据与当施加所述第四预定电压时流过所述第一电极对的电流相关联的所述第一检测值，检测与所述测试气体相关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
17.按照权利要求7或8所述的气体浓度检测设备，其特征在于
所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第一电源(61)和/或所述第二电源(62)，以致向所述第一电极对和/或所述第二电极对施加作为比水的分解起始电压低的预定电压的第四预定电压，并且
所述电子控制单元(81)被配置成根据与流过被施加所述第四预定电压的所述第一电极对或所述第二电极对的电流相关联的检测值，检测与所述测试气体相关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
18.按照权利要求9-15任意之一所述的气体浓度检测设备，其特征在于
所述电子控制单元(81)被配置成控制所述第一电源(61)、所述第二电源(62)或所述第三电源(63)中的至少一个，以致向所述第一电极对、所述第二电极对或所述第三电极对中的至少一个施加作为比水的分解起始电压低的预定电压的第四预定电压，并且
所述电子控制单元(81)被配置成根据与流过被施加所述第四预定电压的所述第一电极对、所述第二电极对或所述第三电极对的电流相关联的检测值，检测与所述测试气体相关联的内燃机的燃烧室中的空气-燃料混合物的空燃比。
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