CN108120753A - 气体检测装置 - Google Patents

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Abstract

气体检测装置具备测定控制部(20)，所述测定控制部(20)控制电压施加部(81)，并且取得在电化学单元(41c)的第一电极(41a)与第二电极(41b)之间流动的输出电流(Im)，基于该输出电流(Im)检测排气中的硫氧化物的浓度。测定控制部(20)将在降压扫描中施加电压成为硫氧化物的分解开始电压以下的检测用电压范围内的电压的期间使用电流检测部(91)取得的输出电流(Im)中的最小值(Ismn)用作在硫氧化物的浓度的检测中使用的参数。

Description

气体检测装置
技术领域
本发明涉及能够判定内燃机的排气(被检气体)中所含的预定浓度以上的硫氧化物的有无或检测该排气中所含的硫氧化物的浓度的气体检测装置。
背景技术
一直以来，为了控制内燃机，广泛使用了基于排气中所含的氧(O2)的浓度取得燃烧室内的混合气的空燃比(A/F)的空燃比传感器(也称为“A/F传感器”。)。作为这样的空燃比传感器的一种类型，能够列举界限电流式气体传感器。
进而，提出了使用这样的界限电流式气体传感器来检测排气中的硫氧化物(以下，有时称为“SOx”。)的浓度的SOx浓度检测装置(以下，称为“现有装置”。)(例如，参照日本特开2015-17931。)。
现有装置包括利用了氧离子传导性固体电解质的氧泵作用的传感单元(电化学单元)。现有装置通过在传感单元的一对电极间施加电压，使排气中的包含氧原子的气体成分(例如O2、SOx以及H2O等，以下，也称为“含氧成分”。)分解，由此，产生氧化物离子(O2-)。现有装置构成为：通过含氧成分的分解而产生的氧化物离子在传感单元的电极间移动(氧泵作用)，从而检测在该电极间流动的电流的特性。
以下更具体地进行说明，现有装置构成为：在检测SOx浓度时，执行施加电压扫描(sweep)。即，现有装置构成为执行如下施加电压扫描：将对传感单元施加的施加电压从0.4V升压到0.8V后，从0.8V降压到0.4V。
而且，现有装置构成为：使用参照电流与峰值之差算出SOx浓度，所述参照电流是施加电压到达0.8V的时间点的“在传感单元的电极间流动的电流(以下，有时称为“电极电流”或“输出电流”。)”，所述峰值是施加电压从0.8V降低到0.4V的期间的输出电流的最小值。
发明内容
然而，上述输出电流也很有可能因排气中所含的SOx以外的含氧成分的影响而发生变化。例如，水(H2O)的分解电压与硫氧化物的分解电压为相同程度，或比其稍高。进而，排气中的水的浓度例如根据混合气的空燃比而变动。因此，除去因水的分解而引起的对输出电流的影响，并检测仅因SOx成分的分解而引起的输出电流是困难的。因此，要求利用“不会受到SOx以外的含氧成分的影响且仅因SOx成分引起的输出电流变化”，进行在排气中是否存在预定浓度以上的硫氧化物的判定或排气中的硫氧化物的浓度的检测。
鉴于上述问题，本发明提供一种能够高精度地进行排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或排气中的硫氧化物的浓度的检测的气体检测装置。
因此，根据本发明的一个观点，提供一种具备电化学单元、扩散阻力体、元件部、电压施加部、电流检测部以及电子控制单元的气体检测装置。该电化学单元设置于内燃机的排气通路，并包括具有氧化物离子传导性的固体电解质体和分别设置在所述固体电解质体的表面上的第一电极和第二电极。该扩散阻力体由在所述排气通路中流动的排气能够通过的多孔质材料构成。该元件部构成为使在所述排气通路中流动的排气通过所述扩散阻力体而到达所述第一电极。该电压施加部构成为在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压。该电流检测部构成为检测输出电流，所述输出电流是在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流。所述电子控制单元按以下方式构成：(i)使用所述电压施加部控制施加电压，所述施加电压是在所述第一电极与所述第二电极之间施加的电压，(ii)使用所述电流检测部取得所述输出电流，(iii)基于所述取得的输出电流，进行在所述排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或所述排气中的硫氧化物的浓度的检测，(iv)在向所述内燃机供给的混合气的空燃比为稳定的状态的情况下，执行使用所述电压施加部使所述施加电压从第一电压上升到第二电压的升压扫描，在此，该第一电压选自低于硫氧化物的分解开始电压的第一电压范围内，而且第二电压选自高于硫氧化物的分解开始电压的第二电压范围内，(v)在执行了所述升压扫描之后，执行以预定的降压速度从所述第二电压下降到所述第一电压的降压扫描，且基于所述输出电流取得与在所述输出电流中发生的变化的程度具有相关性的参数，在所述输出电流中发生的变化是以下述电流为起因而在所述输出电流中发生的变化，且是所述排气所包含的所述硫氧化物的浓度越高则所述变化越大的变化，所述电流是在所述降压扫描中所述施加电压变得低于所述硫氧化物的分解开始电压时吸附于所述第一电极的硫在该第一电极进行再氧化反应而恢复为硫氧化物从而在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流，(vi)基于该参数，进行在所述排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或所述排气中的硫氧化物的浓度的检测，(vii)设定所述预定的降压速度，以使得：以所述施加电压成为在所述第一电压范围内且比所述第一电压高的电压范围内的电压的时刻为开端，所述再氧化反应的速度成为急剧增大的速度，并且(viii)将所述降压扫描中所述施加电压成为第三电压以下且第四电压以上的检测用电压范围内的电压的期间利用所述电流检测部取得的输出电流中的最小值作为所述参数使用，所述第三电压为硫氧化物的分解开始电压以下，所述第四电压比所述第一电压高。
根据发明人的研究，已经判明：因“在进行降压扫描时吸附于第一电极的硫”在该第一电极进行再氧化反应而恢复为硫氧化物，产生难以受到“硫氧化物以外的含氧成分”的影响的“输出电流的变化”。进而，已经判明：根据降压扫描中的每预定的经过时间的电压降低量(即降压速度)的不同，该“输出电流的变化”的程度发生很大变化。可以推定为产生这些现象的机制如下。
即，通过进行升压扫描而吸附于第一电极的硫(硫氧化物的分解物)在进行降压扫描时会在该第一电极进行再氧化反应而恢复为硫氧化物。由于在进行升压扫描的情况下“硫氧化物以外的含氧成分的分解物(例如，作为水的分解物的氢)”不会吸附于第一电极，所以在进行降压扫描时，硫氧化物以外的含氧成分的分解物在该第一电极进行再氧化反应而恢复为含氧成分的现象实质上不会发生。
因此，在进行降压扫描时吸附于第一电极的硫在该第一电极进行再氧化反应而恢复为硫氧化物从而产生的“输出电流的变化”难以受到硫氧化物以外的含氧成分的影响。即，在降压扫描中产生难以受到硫氧化物以外的含氧成分的影响的“输出电流的变化”。
但是，在降压扫描的降压速度(扫描速度)比某速度慢的情况下，由于在进行降压扫描时硫的再氧化反应连续且逐渐进行，所以不管硫氧化物浓度是怎样的浓度，也难以出现“输出电流的变化”的程度。
与此相对，在降压扫描的降压速度比某速度快的情况下，在进行降压扫描时，在硫的再氧化反应不那么进行(连续且逐渐)的状态下施加电压降低，当施加电压成为“硫的再氧化反应变活跃的某电压范围(即，低于硫氧化物的分解开始电压的预定电压范围)”内的电压时，硫的再氧化反应急剧地进行。其结果，硫氧化物浓度越高，则输出电流的变化的程度变得越大。即，出现对于高精度地检测硫氧化物浓度有意义的电流变化。
因此，设定所述气体检测装置中的降压扫描的降压速度，以使得：“以施加电压成为在第一电压范围(低于硫氧化物的分解开始电压的电压范围)内且比第一电压高的电压范围内的电压的时刻为开端，硫的再氧化反应的速度急剧增大的速度”。因此，硫氧化物浓度越高，则不会受到硫氧化物以外的含氧成分的影响的输出电流的变化表现为越大。
进而，所述气体检测装置构成为：基于输出电流，取得与因这样的硫的再氧化反应而引起的“输出电流产生的变化的程度”具有相关性的参数，基于该参数进行在排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或排气中的硫氧化物的浓度的检测。
进而，作为表示再氧化电流变化的所述参数，所述气体检测装置采用了降压扫描中施加电压成为上述检测用电压范围内的电压的期间(即，活跃地发生硫的再氧化反应的期间)的输出电流的最小值。例如可知：降压扫描中的输出电流有时会在施加电压为比硫氧化物的分解开始电压高的电压的时间点成为最小值。因此，这样的最小值没有高精度地表示硫氧化物的浓度。与此相对，施加电压成为上述检测用电压范围内的电压的期间(即，活跃地产生硫的再氧化反应的期间)的输出电流的最小值高精度地表示硫氧化物的浓度。
因此，所述气体检测装置能够高精度地进行在排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或排气中的硫氧化物的浓度的检测。
另外，所述气体检测装置可以按以下方式构成：(i)进行在所述排气中是否包含所述预定浓度以上的硫氧化物的所述判定，(ii)判定所述最小值是否比预定阈值小，(iii)在判定为所述最小值比所述阈值小的情况下，判定为在所述排气中包含所述预定浓度以上的硫氧化物，以及(iv)在判定为所述最小值为所述阈值以上的情况下，判定为在所述排气中不包含所述预定浓度以上的硫氧化物。
根据这样的所述气体检测装置，通过判定上述最小值是否比阈值(最小电流阈值)小，进行在排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定。因此，能够高精度地进行在排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定。
另外，在所述气体检测装置中，所述电子控制单元可以按以下方式构成：(i)在进行所述判定前，使用所述电压施加部将所述施加电压设定为空燃比检测用施加电压，所述空燃比检测用施加电压选自会产生氧的界限电流的范围内，(ii)在将所述施加电压设定为所述空燃比检测用施加电压的情况下，使用所述电流检测部取得所述输出电流来作为针对于所述排气包含的氧的界限电流值，以及(iii)执行基于所述取得的界限电流值的所述阈值的决定、以及在进行所述最小值是否比所述阈值小的判定之前的时间点的基于所述取得的界限电流值的所述最小值的校正中的至少一方。
在进行关于排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的上述判定的情况下，此时的排气中的氧浓度越大(即，针对于排气所包含的氧的界限电流值越大)，则因氧的还原分解，更多的氧化物离子在第一电极与第二电极之间移动，所以上述输出电流越大。因此，即使排气中的硫氧化物的浓度相同，上述输出电流的最小值也会根据进行上述判定时的排气中的氧浓度发生变化。因此，优选，基于表示排气的氧浓度的“针对于排气所包含的氧的界限电流值”来变更在上述判定中使用的上述最小电流阈值和/或“所取得的最小值”。
从该观点来看，根据上述的气体检测装置的构成，根据进行在排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定时的排气中的氧浓度求出“更适当的最小电流阈值和/或更适当的最小值”，并将其用在该判定中。其结果，能够更高精度地进行该判定。
另外，在所述气体检测装置中，所述电子控制单元可以按以下方式构成：(i)进行所述排气中的硫氧化物的浓度的所述检测，以及(ii)基于所述最小值检测所述排气中的硫氧化物的浓度。
根据所述气体检测装置，能够基于与排气中的硫氧化物的浓度相关度非常高的上述参数，简单地检测排气中的硫氧化物的浓度。
进而，另外，在所述气体检测装置中，所述电子控制单元可以按以下方式构成：(i)进行所述排气中的硫氧化物的浓度的所述检测，(ii)在所述硫氧化物的浓度的检测之前，使用所述电压施加部将所述施加电压设定为空燃比检测用施加电压，所述空燃比检测用施加电压选自会产生氧的界限电流的范围内，(iii)在将所述施加电压设定为所述空燃比检测用施加电压的情况下，使用所述电流检测部取得所述输出电流作为针对于所述排气所包含的氧的界限电流值，以及(iv)基于作为所述参数取得的所述最小值和所述取得的针对于氧的界限电流值，检测所述排气中的硫氧化物的浓度。
内燃机的空燃比变得越稀(即排气中的氧浓度变得越大)，则因更多的氧在第一电极分解，所以从第一电极向第二电极移动的氧化物离子的量变得越多，输出电流上升。因此，根据上述的气体检测装置的构成，也考虑到该输出电流的上升量来检测硫氧化物的浓度。其结果，能够更高精度地检测硫氧化物的浓度。
在上述说明中，为了有助于理解本发明，对于与后述的实施方式对应的发明的构成，用括号添加了在该实施方式中使用的名称和/或标号。然而，本发明的各构成要素不限定于由所述名称和/或标号规定的实施方式。参照以下的附图并根据所记载的关于本发明的实施方式的说明，能够容易地理解本发明的其他目的、其他特征以及附带的优点。
附图说明
以下，将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术上的和工业上的意义，其中，同一标号表示同一元件，其中：
图1是本发明的实施方式涉及的气体检测装置和应用了该气体检测装置的内燃机的概略结构图。
图2是表示图1所示气体传感器的元件部的结构的一例的示意性剖视图。
图3A是用于说明本发明的实施方式涉及的气体检测装置的工作的概要的时序图。
图3B是表示在本发明的实施方式涉及的气体检测装置中进行SOx检测时的施加电压的波形的图。
图3C是表示在本发明的实施方式涉及的气体检测装置中进行SOx检测时的另一施加电压的波形的图。
图4A是用于说明在元件部发生的SOx的分解反应的示意图。
图4B是用于说明在元件部发生的硫的再氧化反应的示意图。
图5A是表示施加电压与输出电流的关系的图。
图5B是表示施加电压与输出电流的关系的图。
图6是表示燃烧室内的混合气的A/F与氧的界限电流区域的关系的图。
图7A是表示执行施加电压扫描时的施加电压与输出电流的关系的图。
图7B是表示执行施加电压扫描时的施加电压与输出电流的关系的图。
图8是表示图1所示ECU的CPU执行的传感器活性判定例程的流程图。
图9是表示图1所示ECU的CPU执行的A/F检测例程的流程图。
图10是表示图1所示ECU的CPU执行的SOx检测例程的流程图。
图11是表示图1所示气体检测装置的变形例涉及的ECU的CPU执行的SOx检测例程的流程图。
图12是图1所示气体检测装置的另一变形例涉及的ECU的CPU参照的查找表。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式涉及的气体检测装置。此外，在实施方式的全部附图中，对同一或对应的部分赋予同一标号。
以下说明本发明的实施方式涉及的气体检测装置。本气体检测装置应用于搭载了“图1所示的内燃机10”的未图示的车辆。
内燃机10是公知的柴油机。内燃机10包括未图示的燃烧室和燃料喷射阀11。燃料喷射阀11以能够向燃烧室内喷射燃料的方式配设于气缸盖部。燃料喷射阀11根据后述的ECU20的指示向燃烧室内直接喷射燃料。排气管12与未图示的排气歧管的端部连接，所述排气歧管与排气口连接，所述排气口与未图示的燃烧室连通。排气口、排气歧管以及排气管12构成供从燃烧室排出的排气流动的排气通路。在排气管12上配设有DOC(Diesel OxidationCatalyst：柴油用氧化催化剂)13和DPF(Diesel Particulate Filter：柴油颗粒过滤器)14。
DOC13是排气净化催化剂。以下具体地进行说明，DOC13以铂和钯等贵金属为催化剂，将排气中的未燃成分(HC、CO)氧化来净化排气。即，利用DOC13将HC氧化成水和CO2，将CO氧化成CO2。
DPF14配置在DOC13的下游侧。DPF14是捕捉排气中的微粒(颗粒)的过滤器。以下具体地进行说明，DPF14具备由多孔质材料(例如由作为陶瓷的一种的堇青石构成的间隔壁)形成的多个通路。DPF14通过间隔壁的细孔表面捕集通过该间隔壁的排气所包含的微粒。
本气体检测装置包括ECU20。ECU20是具有微型计算机作为主要构成部件的电子控制电路，所述微型计算机包括CPU、ROM、RAM、备用RAM以及接口(I/F)。CPU构成为：通过执行存储于存储器(ROM)的指令(例程)来实现预定的功能。
ECU20与内燃机10的各种致动器(燃料喷射阀11等)连接。ECU20构成为：向这些致动器送出驱动(指示)信号，并控制内燃机10。进而，ECU20构成为：与以下说明的各种传感器类连接，并接收来自这些传感器类的信号。
内燃机旋转速度传感器21：内燃机旋转速度传感器(以下，称为“NE传感器”。)21构成为：测定内燃机10的旋转速度(内燃机旋转速度)NE，并输出表示该内燃机旋转速度NE的信号。
水温传感器22：水温传感器22配设于气缸体部。水温传感器22构成为：测定冷却内燃机10的冷却水的温度(冷却水温THW)，并输出表示该冷却水温THW的信号。
加速踏板操作量传感器23：加速踏板操作量传感器23构成为：检测车辆的加速踏板23a的操作量(加速开度)，并输出表示加速踏板操作量AP的信号。
气体传感器30：气体传感器30是一单元式的界限电流式气体传感器，配设于构成内燃机10的排气通路的排气管12。气体传感器30配设于与安装于排气管12的DOC13和DPF14相比更靠近下游侧。
接着，参照图2说明气体传感器30的结构。气体传感器30具备的元件部40具备：固体电解质体41s、第一氧化铝层51a、第二氧化铝层51b、第三氧化铝层51c、第四氧化铝层51d、第五氧化铝层51e、扩散阻力部(扩散律速层)61以及加热器71。
固体电解质体41s是包含氧化锆等，并具有氧化物离子传导性的薄板体。形成固体电解质体41s的氧化锆例如可以包含钪(Sc)和钇(Y)等元素。
第一至第五氧化铝层51a至51e是包含氧化铝的致密(气体不透过性)的层(致密的薄板体)。
扩散阻力部61是多孔质的扩散律速层，是透气性的层(薄板体)。加热器71例如是包含铂(Pt)和陶瓷(例如氧化铝等)的金属陶瓷的薄板体，是利用通电而发热的发热体。加热器71通过未图示的引线与搭载在车辆上的未图示的电源连接。加热器71构成为：通过由ECU20控制“从该电源供给的电力量”，从而能够变更发热量。
元件部40的各层从下方起，按第五氧化铝层51e、第四氧化铝层51d、第三氧化铝层51c、固体电解质体41s、扩散阻力部61、第二氧化铝层51b以及第一氧化铝层51a的顺序层叠。
内部空间SP1是由第一氧化铝层51a、固体电解质体41s、扩散阻力部61以及第二氧化铝层51b形成的空间，并构成为：经由扩散阻力部61向其中导入作为被检气体的内燃机10的排气。即，内部空间SP1经由扩散阻力部61与内燃机10的排气管12的内部连通。因此，排气管12内的排气作为被检气体引导到内部空间SP1内。
第一大气导入路SP2由固体电解质体41s、第三氧化铝层51c以及第四氧化铝层51d形成，并向排气管12外部的大气开放。
第一电极41a固定安装于固体电解质体41s的一侧的表面(具体而言，划定内部空间SP1的固体电解质体41s的表面)。第一电极41a是阴极。第一电极41a是包含铂(Pt)作为主成分的多孔质金属陶瓷电极。
第二电极41b固定安装于固体电解质体41s的另一侧的表面(具体而言，划定第一大气导入路SP2的固体电解质体41s的表面)。第二电极41b是阳极。第二电极41b是包含铂(Pt)作为主成分的多孔质金属陶瓷电极。
第一电极41a和第二电极41b配置成夹着固体电解质体41s相互对置。即，第一电极41a、第二电极41b以及固体电解质体41s构成电化学单元41c，所述电化学单元41c具有利用氧泵作用的氧排出能力。电化学单元41c利用加热器71加热到活性化温度。
固体电解质体41s和第一至第五氧化铝层51a至51e的各层例如通过刮刀法和挤出成形法等成形为片状。第一电极41a、第二电极41b以及用于对这些电极通电的布线等例如通过丝网印刷法等形成。通过按上述方式将这些片层叠并烧制，一体地制造出具有上述构造的元件部40。
此外，构成第一电极41a的材料不限定于上述材料，例如，能够从包含铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等铂族元素或它们的合金等作为主成分的材料中选择。其中，构成第一电极41a的材料只要在第一电极41a与第二电极41b之间施加SOx分解开始电压以上的电压(具体而言，约0.6V以上的电压)时能够使经由扩散阻力部61导入内部空间SP1的排气中所含的SOx还原分解，不特别限定。
气体传感器30还具备电源电路81和电流计91。电源电路81和电流计91与上述ECU20连接。所述电流计91是本发明的“电流检测部”的一例。
电源电路81构成为：能够在第一电极41a与第二电极41b之间施加预定电压(以下，也称为“施加电压Vm”。)，以使得第二电极41b的电位比第一电极41a的电位高。电源电路81构成为：通过由ECU20控制，能够变更施加电压Vm。
电流计91构成为计测输出电流(电极电流)Im并向ECU20输出其计测值，所述输出电流Im是在第一电极41a与第二电极41b之间流动的电流(因此，是在固体电解质体41s中流动的电流)。
接着，说明本气体检测装置进行的工作的概要。本气体检测装置构成为检测从内燃机10排出的排气(被检气体)的氧浓度。本气体检测装置构成为：基于排气中的氧浓度，检测内燃机10的燃烧室内的混合气的空燃比(A/F)。以下，内燃机10的燃烧室内的混合气的空燃比也称为“内燃机的空燃比A/F”。而且，本气体检测装置构成为判定排气所包含的预定浓度以上的SOx的有无。由于从SOx的有无的检测开始到检测结束需要数秒钟，所以本气体检测装置构成为在内燃机的空燃比A/F稳定的状态(内燃机10能够以内燃机的空燃比A/F稳定的方式运转的情况下)下判定预定浓度以上的SOx的有无。
以下具体地进行说明，如图3A所示，当成为时刻t0时，本气体检测装置开始对加热器71的控制，以利用加热器71加热固体电解质体41s，所述时刻t0是内燃机10的启动开始的时间点。由此，固体电解质体41s升温到显现氧化物离子传导性的温度(以后，有时称为“活性化温度”。)以上的预定温度。
在时刻t1，固体电解质体41s的温度(传感器元件温度)成为活性化温度以上，气体传感器30成为传感器活性的状态时，本气体检测装置检测排气的氧浓度，并基于该氧浓度，开始用于取得内燃机的空燃比A/F的处理。此外，在作为时刻t0到时刻t1之间的时间点的时刻td，本气体检测装置在第一电极41a与第二电极41b之间，开始施加适合于氧浓度的检测的氧浓度(A/F)检测用电压(具体而言为0.3V)。即，本气体检测装置将施加电压Vm设定为氧浓度检测用的电压。当固体电解质体41s的温度为活性化温度以上时，在该施加电压Vm设定为氧浓度检测用的电压的情况下，氧分子分解而显现氧泵作用，但氧以外的含氧成分(包括SOx。)的气体不会分解。
本气体检测装置通过从时刻t1起连续地检测氧浓度，从而监视内燃机的空燃比A/F。然后，在时刻t2，当满足SOx检测开始条件时(即，内燃机的空燃比A/F成为稳定的状态，且满足后述的其他条件时)，本气体检测装置开始排气中的SOx浓度检测的处理。此外，在本说明书中，SOx浓度检测是指检测(计测)排气中的SOx浓度本身和取得表示排气中的SOx浓度的参数双方。如后所述，本气体检测装置取得表示排气中的SOx浓度的参数(根据SOx浓度变化的参数)，使用该参数进行在排气中是否包含预定浓度以上的SOx的判定。此外，作为预定浓度，选择与期望的检测电平相应的比0大的浓度。
即，在时刻t1到时刻t2之前的期间，本气体检测装置检测内燃机的空燃比A/F，在时刻t2停止内燃机的空燃比A/F的检测，所述时刻t2是开始SOx浓度检测的时间点。
在时刻t2到时刻t3之前的期间，本气体检测装置以预定的施加电压范围进行施加电压扫描。即，本气体检测装置在进行了使施加电压Vm“从第一电压V1逐渐增大到第二电压V2的升压扫描”后，进行使施加电压Vm“从第二电压V2逐渐减少到第一电压V1的降压扫描”。本气体检测装置进行一个循环的施加电压扫描，所述施加电压扫描将一次升压扫描和一次降压扫描作为一个循环。但是，本气体检测装置也可以进行多个循环的施加电压扫描。
以下更具体地说明，本气体检测装置通过在第一电极41a与第二电极41b之间施加具有图3B所示的正弦波波形的一个周期的电压，从而进行施加电压扫描。此外，该情况下的电压波形不限定于图3B所示的正弦波，可采用各种波形。例如，该情况下的电压波形也可以是图3C的图所示的非正弦波(电容器充放电时的电压波形这样的波形)。
在时刻t3，SOx浓度检测结束时，本气体检测装置再次开始用于检测内燃机的空燃比A/F的处理。即，本气体检测装置在时刻t3将施加电压Vm设定为氧浓度检测用的电压(0.3V)。
接着，说明检测上述内燃机的空燃比A/F时的工作。当气体传感器30成为传感器活性的状态时，为了取得内燃机的空燃比A/F，本气体检测装置以第一电极41a成为低电位且第二电极41b成为高电位的方式将施加电压Vm设定为氧浓度检测用的电压(例如0.3V)。即，第一电极41a作为阴极发挥功能，第二电极41b作为阳极发挥功能。氧浓度检测用的电压被设定为在第一电极41a氧(O2)开始分解的电压(分解开始电压)以上，且低于氧以外的含氧成分的分解开始电压的电压。由此，排气中所含的氧在第一电极41a被还原分解为氧化物离子(O2-)。
该氧化物离子经由上述固体电解质体41s向第二电极41b传导并成为氧(O2)，通过第一大气导入路SP2排出到大气中。如上所述，这样的从阴极(第一电极41a)向阳极(第二电极41b)的经由固体电解质体41s的氧化物离子传导所引起的氧的移动称为“氧泵作用”。
通过伴随着该氧泵作用的氧化物离子的传导，电流在第一电极41a与第二电极41b之间流动。在第一电极41a与第二电极41b之间流动的电流称为“输出电流Im(或电极电流Im)”。输出电流Im一般倾向于施加电压Vm越上升而变得越大。然而，由于到达第一电极41a的排气的流量受扩散阻力部61限制，所以后来伴随着氧泵作用的氧消耗速度超过向第一电极41a的氧供给速度。即，第一电极41a(阴极)的氧的还原分解反应成为扩散律速状态。
当第一电极41a的氧的还原分解反应成为扩散律速状态时，即使使施加电压Vm上升，输出电流Im也不增大而大致一定。这样的特性称为“界限电流特性”。显现(观测到)界限电流特性的施加电压的范围称为“界限电流区域”。进而，界限电流区域中的输出电流Im称为“界限电流”。针对于氧的界限电流的大小(界限电流值)与向第一电极41a(阴极)的氧供给速度对应。如上所述，由于到达第一电极41a的排气的流量通过扩散阻力部61维持为一定，所以向第一电极41a的氧供给速度与排气所包含的氧的浓度对应。
因此，在气体传感器30中，将施加电压Vm设定为“作为氧的界限电流区域内的预定电压(具体而言为0.3V)的氧浓度检测用的电压”时的输出电流(界限电流)Im与排气所包含的氧的浓度对应。这样，利用氧的界限电流特性，本气体检测装置检测作为被检气体的排气中所含的氧的浓度。即，本气体检测装置使氧的界限电流与氧浓度的关系预先存储在ROM中界限，基于该关系和检测出的氧的界限电流来检测排气中的氧浓度。另一方面，内燃机的空燃比A/F与排气中的氧的浓度具有一对一的关系。因此，本气体检测装置使该关系预先存储在ROM中，基于该关系和检测出的氧浓度来检测内燃机的空燃比A/F。此外，也可以是，本气体检测装置使氧的界限电流与内燃机的空燃比A/F的关系预先存储在ROM中界限，基于该关系和检测出的氧的界限电流，取得内燃机的空燃比A/F。
接着，说明排气中的SOx浓度检测的方法。对于在分子中包含氧原子的“SOx(硫氧化物)和H2O(水)等”含氧成分也发生上述氧泵作用。即，当在第一电极41a与第二电极41b之间施加这些化合物中的每一种的分解开始电压以上的电压时，这些化合物中的每一种被还原分解，从而产生氧化物离子。通过“氧泵作用”，将该氧化物离子从第一电极41a向第二电极41b传导。由此，输出电流Im在第一电极41a与第二电极41b之间流动。
然而，排气中所含的SOx的浓度极低，因SOx的分解引起的电流也极小。进而，因SOx以外的含氧成分(例如水和二氧化碳等)分解而引起的电流也在第一电极41a与第二电极41b之间流动。因此，仅高精度地检测出因SOx引起的输出电流是困难的。
因此，本申请的发明人刻苦研究后得到了如下见解：在检测SOx浓度时，通过执行将升压扫描和“以预定的扫描速度进行的降压扫描”作为一个循环的施加电压扫描，能够高精度地检测SOx浓度。
升压扫描是使施加电压Vm从第一电压V1逐渐上升至第二电压V2的处理。降压扫描是使施加电压Vm从第二电压V2逐渐下降至第一电压V1的处理。此外，第一电压V1和第二电压V2是以第一电极41a的电位为基准的第二电极41b的电位，是正的电压值。
第一电压V1设定为比SOx的分解开始电压(约0.6V)低，且比氧的界限电流区域内的施加电压Vm的最小值高的电压范围(以下，也称为“第一电压范围”。)内的电压。由于氧的界限电流区域内的施加电压Vm的最小值依存于内燃机的空燃比A/F(内燃机的空燃比A/F越大，则变得越高)，所以优选也根据内燃机的空燃比A/F变更第一电压范围的下限值。具体而言，第一电压范围的下限值例如是0.2V至0.45V的范围内的电压，第一电压范围的上限电压是0.6V。即，第一电压V1是选自0.2V以上且低于0.6V的范围的电压。
第二电压V2设定为比SOx的分解开始电压(约0.6V)高，且比不破坏固体电解质体41s的电压的上限值(2.0V)低的电压范围(以下，也称为“第二电压范围”。)内的电压。即，第二电压V2是选自比0.6V高且2.0V以下的范围的电压。
在进行升压扫描期间，在第一电极41a与第二电极41b之间施加的施加电压Vm成为SOx的分解开始电压以上时，如图4A所示，在第一电极41a(阴极)，排气所包含的SOx被还原分解为S和O2-。其结果，SOx的还原分解生成物(S(硫))吸附于第一电极41a(阴极)。
在进行降压扫描期间，当施加电压Vm低于SOx的分解开始电压时，如图4B所示，发生吸附于第一电极41a(阴极)的S与O2-进行反应并生成SOx的反应(以下，有时称为“S(硫)的再氧化反应”。)。此时，因“S的再氧化反应”，输出电流Im按后述方式变化。此外，将伴随着该“S的再氧化反应”的输出电流Im的变化称为“再氧化电流变化”。
此外，根据发明人的研究，已经判明了：根据降压扫描的扫描速度(每预定的经过时间的电压降低量)的不同，有时不会出现对SOx浓度检测有意义的再氧化电流变化。参照图5A和图5B说明这一点。
图5A是表示将扫描周期(即，升压扫描所需的时间与降压扫描所需的时间之和、施加电压扫描的周期)设定为一秒钟并执行施加电压扫描时的施加电压Vm与输出电流Im的关系的示意性图。图5B是表示以比图5A所示的例子慢的扫描速度(扫描周期20秒)执行施加电压扫描时的施加电压Vm与输出电流Im的关系的示意性图。此外，该情况下的施加电压Vm的波形为图3B所示的正弦波形的一个周期。
比较两者，与图5B的例子相比，施加电压扫描的扫描速度更快的图5A的例子中，在比SOx的分解开始电压(0.6V)小的电压范围内，明确地出现了用线L1表示的“被检气体的SOx浓度为0ppm时的输出电流Im”与用线L2表示的“被检气体的SOx浓度为130ppm时的输出电流Im”之差(电流值之差)。即，在图5A的例子中，出现对SOx浓度检测有意义的电流变化(再氧化电流变化)。可认为产生这样的现象的机制如以下。
即，在使扫描速度比预定速度慢的情况下，由于在进行降压扫描时S的再氧化反应连续且逐渐进行，所以不会出现对SOx浓度检测有意义的再氧化电流变化。另一方面，可认为：在使扫描速度比预定的扫描速度快的情况下，在进行降压扫描时，在S的再氧化反应不那么进行(连续且逐渐)的状态下施加电压Vm降低，当施加电压Vm成为“S的再氧化反应变活跃的某电压范围”的电压时，S的再氧化反应急剧地进行。由此，出现对SOx浓度检测有意义的电流变化。
这样，根据进行降压扫描时的扫描速度的不同，产生在SOx浓度检测中出现有意义的电流变化的情况和不会出现有意义的电流变化的情况。因此，在进行降压扫描时，需要将扫描速度设为会出现对于示出再氧化电流变化的SOx浓度检测有意义的电流变化的预定速度。
在本气体检测装置中，通过预先进行实验，该预定速度被设定为会出现对示出再氧化电流变化的SOx浓度检测有意义的电流变化的适当速度。
根据实验已经判明了：例如，在第一电极41a与第二电极41b之间施加图3B所示的正弦波形的电压的情况下，优选，设定为成为预定范围内的频率F(典型地，0.1Hz以上且5Hz以下的范围)的扫描速度。该预定范围的频率F的下限值根据如下观点确定：当小于该下限值时，不能得到对SOx浓度检测有意义的信号差(再氧化电流变化)。该预定范围的频率F的上限值根据如下观点确定：当大于该上限值时，导致SOx浓度以外的其他电流变化因素(具体而言为固体电解质体41s的容量等)的作用会变大。
另一方面，根据实验已经判明了：在第一电极41a与第二电极41b之间施加图3C所示的、伴随着电容器的充放电的非正弦波形的电压的情况下，优选，设定为电压切换波形的响应时间T1成为预定范围(典型地，0.1秒以上且5秒以下的范围)内的扫描速度。此外，响应时间T1是施加电压Vm从预定范围的下限电压向上限电压变化或相反地变化所需的时间。从与决定使用上述正弦波形的电压来作为施加电压Vm的情况下的频率(上述预定频率)F的情况相同的观点出发，将响应时间T1的预定范围的下限电压和上限电压确定为适当的值。
此外，当将上述频率F和响应时间T1的预定范围换算成降压扫描所需的时间(即，施加电压Vm从第二电压V2到达第一电压V1的时间)时，成为0.1秒以上且5秒以下的范围。因此，优选，该时间为0.1秒以上且5秒以下的范围。
进而，已经判明了再氧化电流变化主要依存于排气中的SOx浓度。换句话说，再氧化电流变化受到排气中的“硫氧化物(SOx)以外的含氧成分的气体(例如水)”的影响的可能性很低。即，由于在进行升压扫描的情况下“硫氧化物以外的含氧成分”的分解物(例如，作为水的分解物的氢等)不会吸附于第一电极41a，所以在进行降压扫描期间，这样的“硫氧化物以外的含氧成分”的分解物在该第一电极41a进行再氧化反应而恢复为含氧成分的现象实质上不会发生。
因此，在进行降压扫描时吸附于第一电极41a的硫在该第一电极41a进行再氧化反应而恢复为硫氧化物从而产生的“输出电流的变化”难以受到硫氧化物以外的含氧成分的影响。即，产生难以受到硫氧化物以外的含氧成分的影响的“输出电流的变化”。
进而，已经判明了：“输出电流的变化(再氧化电流变化)”表现为具有排气(被检气体)中的SOx浓度越大则输出电流Im越小的特性。即，由于在发生硫的再氧化反应的情况下，如图4B所示，由于在第一电极41a消耗氧化物离子，所以从第一电极41a向第二电极41b移动的氧化物离子(例如，通过氧分子的分解而产生的氧化物离子)的移动量减小。由此，输出电流Im减小。排气中的SOx浓度越大，则特别是在升压扫描中吸附于第一电极41a的硫的量就越多，因此，特别是在降压扫描中在第一电极41a与硫发生反应并消耗的氧化物离子的量也变多。其结果，从第一电极41a向第二电极41b移动的氧化物离子的量也减小。因此，排气中的SOx浓度变得越大，则输出电流Im越减小。
如上所述，可以理解上述的“通过利用再氧化电流变化，能够高精度地检测排气中的SOx浓度，而不会受到排气中的SOx以外的含氧成分的气体(例如水)的影响”。因此，本气体检测装置利用该再氧化电流变化来检测SOx浓度(实际上是预定浓度以上的SOx的有无)。
接着，说明用于检测再氧化电流变化的参数。本气体检测装置取得适当地(高精度地)表示“再氧化电流变化”的参数，并基于该参数进行SOx浓度检测。以下更具体地进行说明，本气体检测装置取得在降压扫描中施加电压Vm为“电流取得开始电压(第三电压)Vsem以下且比第一电压V1高的第四电压V4以上的范围(检测用电压范围)内”时的输出电流Im的最小值(以下称为“最小电流Ismn”或“最小值Ismn”。)来作为“表示再氧化电流变化的参数”。
电流取得开始电压Vsem选自比降压扫描的下限电压(第一电压V1)大且SOx的分解开始电压(0.6V)以下的范围内。在本例中，电流取得开始电压Vsem设定为0.6V。此外，也可以是，电流取得开始电压Vsem根据施加电压范围和施加电压扫描的周期(换句话说，施加电压扫描的扫描速度)中的至少一个而不同。然后，本气体检测装置基于该参数(最小电流Ismn)，进行在排气中是否存在预定浓度以上的硫氧化物的判定。
本气体检测装置仅进行一个循环的施加电压扫描并取得最小电流Ismn，但也可以构成为：进行多个循环的施加电压扫描，且在各循环中取得最小电流Ismn，使用所取得的多个“最小电流Ismn”的平均值来作为“表示再氧化电流变化的参数”。进而，也可以是，本气体检测装置使用按这种方式取得的多个“最小电流Ismn”中的最小的值来作为“表示再氧化电流变化的参数”。由于这些参数是基于各循环中的最小电流Ismn求出的(具有相关性的)值，所以有时总称为“输出电流Im的最小值”。
接着，说明SOx浓度检测(参数取得)方法。本气体检测装置构成为：利用以上说明的SOx浓度的检测原理，按以下方式进行SOx浓度检测和“在排气中是否存在预定浓度以上的硫氧化物的判定”。·本气体检测装置以预定的扫描速度执行施加电压扫描。在该情况下，特别重要的一点是降压扫描速度。此时，本气体检测装置基于之前刚刚取得的“针对于排气中的氧的界限电流值”(因此，基于针对于该氧的界限电流值检测出的“排气中的氧浓度”所对应的内燃机的空燃比A/F)，决定施加电压扫描的电压范围(即，第一电压V1和第二电压V2)。·本气体检测装置按每个预定的采样时间取得降压扫描中施加电压Vm为检测用电压范围(电流取得开始电压Vsem以下、且比第一电压V1高的第四电压V4以上的范围)内时的输出电流Im，并取得其中的最小值来作为最小电流Ismn。该最小电流Ismn是表示排气中的SOx浓度的参数。·本气体检测装置基于最小电流Ismn，判定在排气中是否包含预定浓度以上的SOx。
以下具体地进行说明，本气体检测装置在执行用于SOx浓度检测的施加电压扫描的情况下，在第一电极41a与第二电极41b之间施加具有图3B所示的正弦波的电压波形的一个周期的电压。此时，本气体检测装置以会产生对SOx浓度检测有意义的电流变化的上述“预定的扫描速度”执行施加电压扫描(升压扫描和降压扫描)。
此时，本气体检测装置基于内燃机的空燃比A/F，决定施加电压扫描的电压范围(施加电压的扫描的下限电压(第一电压V1)和上限电压(第二电压V2))。具体而言，如图6所示，将施加电压扫描的下限电压确定为：避免检测出用虚线R包围的内部电阻依存区域的输出电流Im。该内部电阻依存区域是伴随着施加电压Vm的增大而输出电流Im增大的区域(即将到达氧的界限电流区域之前的区域)。内部电阻依存区域的施加电压Vm的上限电压(即，氧的界限电流区域内的施加电压的最小值)随着内燃机的空燃比A/F变稀(排气中的氧浓度变大)而变高。施加电压扫描的上限电压可以一定，也可以确定为随着施加电压扫描的下限电压变高而变高。
以下具体地进行说明，内燃机的空燃比A/F变得越稀，则内部电阻依存区域R的施加电压Vm的上限电压变得越高。因此，本气体检测装置中，内燃机的空燃比A/F变得越高，则越提高施加电压扫描的下限电压(第一电压V1)，以使得施加电压扫描的电压范围不进入该内部电阻依存区域R。
根据图6可以理解，根据发明人的实验，在A/F＝14.5(化学计量燃烧)的情况下，优选第一电压V1为选自0.2V以上的值，本气体检测装置将第一电压V1设定为0.2V。在A/F＝30的情况下，优选第一电压V1为选自0.3V以上的值，本气体检测装置将第一电压V1设定为0.3V。在A/F＝无穷大(O2浓度＝20.9％)的情况下，优选第一电压V1为选自0.4V以上的值，本气体检测装置将第一电压V1设定为0.4V。
如上所述，在进行升压扫描和降压扫描的情况下，在排气中包含SOx时，在进行升压扫描期间，SOx分解而产生的S(硫)吸附于第一电极41a。在进行降压扫描期间，吸附于第一电极41a的S进行再氧化。
本气体检测装置通过使用上述参数(＝最小电流Ismn)检测再氧化电流变化，从而进行在排气中是否存在预定浓度以上的硫氧化物的判定。即，本气体检测装置进行施加电压扫描，根据利用图7A的线g2示出的输出电流Im，取得在降压扫描中施加电压Vm为上述检测用电压范围时的最小值(最小电流Ismn)。在排气中包含SOx的情况下，与在排气中不包含SOx的情况下相比，上述再氧化电流变化的程度表现为很大。即，在排气中包含SOx的情况下，如线g2所示，在检测用电压范围中，输出电流Im变得比线g1所示的在排气中不包含SOx的情况下小。而且，排气中的SOx浓度越大，则再氧化电流变化变得越显著，伴随于此，最小电流Ismn变得越小。因此，本气体检测装置取得最小电流Ismn来作为表示SOx浓度的参数。
根据本气体检测装置，这样一来，取得高精度地表示检测SOx浓度所需的再氧化电流变化的程度的输出电流Im的值(最小电流Ismn)。因此，即使在出现最小电流Ismn的实际电压根据各个条件(例如内燃机的空燃比A/F、施加电压范围、扫描速度、气体传感器30的传感器元件温度以及气体传感器30的历时裂化特性变化等)而不同的情况下，也能切实地取得最小电流Ismn。因此，本气体检测装置能够更高精度地检测SOx浓度。
进而，可知：如图7B所示，尽管可认为在施加电压Vm为比硫氧化物的分解开始电压高的电压(在图7B所示的例子中为0.65V附近)时不会发生再氧化反应，但降压扫描中的输出电流Im有时会成为最小值。因此，这样的“施加电压Vm比上述检测用电压范围高的情况下的输出电流Im的最小值”不会成为高精度地表示硫氧化物的浓度的参数。换句话说，降压扫描中的输出电流Im的最小值不会成为高精度地表示硫氧化物的浓度的参数。此外，图7B是表示以与图7A的施加电压扫描的频率(1Hz)不同的频率执行施加电压扫描的情况下的施加电压与输出电流的关系的图。与此相对，本气体检测装置取得施加电压Vm成为上述的检测用电压范围内的电压的期间(即，活跃地发生硫的再氧化反应的期间)中的输出电流Im的最小值来作为表示SOx浓度的参数。因此，本气体检测装置能够基于该参数，高精度地判定在排气中是否存在预定浓度以上的SOx。
接着，说明本气体检测装置的具体工作。每经过预定时间时，ECU20的CPU(以下，仅称为“CPU”。)使用气体传感器30，执行利用图8至图10的流程图分别示出的传感器活性判定例程、A/F检测例程以及SOx检测例程。
此外，在搭载于车辆的未图示的点火钥匙开关从关闭位置向打开位置变更时，这些例程中使用的“A/F检测请求标记Xaf的值和SOx检测请求标记Xs的值”在由CPU执行的初始化例程中设定为“0”。
当成为预定的定时，CPU从图8所示的传感器活性判定例程的步骤800起开始处理，进入步骤810，判定A/F检测请求标记Xaf的值和SOx检测请求标记Xs的值是否均为“0”。
假设当前时间点为点火钥匙开关刚刚变更为打开位置之后(内燃机10刚刚启动之后)，A/F检测请求标记Xaf的值和SOx检测请求标记Xs的值均为“0”。因此，CPU在步骤810中判定为“是”并进入步骤820，利用公知的方法判定气体传感器30是否正常。例如，CPU在内燃机10的上一次的运转期间正在进行A/F检测的情况下内燃机10的运转状态从燃料喷射状态变化为燃料切断状态时，输出电流Im不发生变化时，判定为气体传感器30异常，将该内容记录于在点火钥匙开关为关闭期间也能够保持存储内容的后备RAM中。然后，CPU在本例程的步骤820中基于该后备RAM的存储内容判定气体传感器30是否正常。
在气体传感器30正常的情况下，CPU在步骤820中判定为“是”并进入步骤830，基于在第一电极41a与第二电极41b之间施加高频电压时的输出电流Im，检测元件温度控制用的元件阻抗(固体电解质体41s的内部电阻)(例如，参照日本特开平10-232220、日本特开2002-71633。)。
之后，CPU在依次执行以下叙述的步骤840和步骤850的处理后进入步骤860。步骤840：CPU执行利用目标阻抗反馈的加热器通电控制。即，控制加热器71的通电，以使得在步骤830中作为温度信息取得的元件阻抗与预先设定的目标阻抗一致的方式。(例如参照日本特开2002-71633和日本特开2009-53108。)。步骤850：CPU在第一电极41a与第二电极41b之间施加氧浓度检测用(即A/F检测用)的施加电压(具体而言为0.3V)。即，CPU将施加电压Vm设定为氧浓度检测用的施加电压。
在进入步骤860时，CPU判定气体传感器30是否有活性(是否有传感器活性)。具体而言，CPU判定固体电解质体41s的温度是否为活性温度阈值以上，所述固体电解质体41s的温度基于在步骤830中取得的元件阻抗而推定。在气体传感器30没有传感器活性的情况下，CPU在步骤860中判定为“否”并进入步骤895，暂时结束本例程。
与此相对，在气体传感器30有传感器活性的情况下，CPU在步骤860中判定为“是”并进入步骤870，并将A/F检测请求标记Xaf的值设定为“1”。之后，CPU进入步骤895，暂时结束本例程。
此外，在CPU执行步骤810的处理的时间点，在A/F检测请求标记Xaf的值和SOx检测请求标记Xs的值中的某一个不是“0”的情况下，CPU在步骤810中判定为“否”并进入步骤895，暂时结束本例程。而且，在CPU执行步骤820的处理的时间点，在气体传感器30不正常的情况下，CPU在步骤820中判定为“否”并进入步骤895，暂时结束本例程。
接着，参照图9说明A/F检测例程。当成为预定定时，CPU从图9的步骤900起开始处理，进入步骤910，并判定A/F检测请求标记Xaf的值是否为“1”。
A/F检测例程在气体传感器30成为有传感器活性、A/F检测请求标记Xaf的值设定为“1”的时间点以后，且SOx检测请求标记Xs为OFF(Xs＝0)的情况下，实质地发挥功能。因此，在A/F检测请求标记Xaf的值不是“1”的情况下(即，A/F检测请求标记Xaf的值是“0”的情况下)，CPU在步骤910中判定为“否”并进入步骤995，暂时结束本例程。
与此相对，在A/F检测请求标记Xaf的值通过图8的步骤870的处理设定为“1”的情况下，CPU在步骤910中判定为“是”并进入步骤920，从气体传感器30取得输出电流Im(即，针对于排气中的氧的界限电流值)，通过将该输出电流Im应用于预定的查找表(也称为“映射”。)从而检测氧浓度，通过将该氧浓度应用于预定的查找表从而算出内燃机的空燃比A/F。此外，执行步骤920的处理时，在施加电压Vm没有被设定为氧浓度检测用的施加电压的情况(例如，后述的图10的SOx检测例程结束后的情况)下，CPU在将施加电压Vm设定为氧浓度检测用的施加电压后，取得输出电流Im。
之后，CPU进入步骤930，基于从各种传感器(NE传感器21和水温传感器22等)取得的信息，判定是否满足下述的构成SOx检测条件的全部条件。当满足下述的全部条件时，SOx检测条件成立。
接着，说明SOx检测条件。·内燃机10为暖机后的状态(即，冷却水温THW为暖机水温THWth以上。)。·气体传感器30有传感器活性。·不是燃料切断(fuel cut)状态。·内燃机的空燃比A/F稳定。即，内燃机10的运转状态为怠速状态或车辆的驾驶状态为稳定行驶状态。此外，通过判定“加速踏板操作量AP为“0”、且内燃机旋转速度NE为预定转速以下的状态”是否持续了预定怠速时间以上，从而判定内燃机10的运转状态是否为怠速状态。通过判定“加速踏板操作量AP的每单位时间的变化量为操作变化量阈值以下、且利用未图示的车速传感器检测出的车辆的速度的每单位时间的变化量为车速变化量阈值以下的状态”是否持续了预定稳定行驶时间阈值以上，从而判定车辆的驾驶状态是否为稳定行驶状态。此外，也可以添加以下条件来作为构成SOx检测条件的条件。·点火钥匙开关从关闭位置变更为打开位置后，在变更为关闭位置前(即，在本次内燃机10启动后)，一次也没有进行“SOx浓度检测(在排气中是否存在预定浓度以上的硫氧化物的判定)”。
在SOx检测条件成立的情况下，CPU在步骤930中判定为“是”，依次执行以下叙述的步骤940至步骤960的处理后，进入步骤995，暂时结束本例程。
步骤940：CPU取得在步骤920中算出的A/F。步骤950：CPU通过将所取得的A/F应用于查找表M1，从而决定施加电压扫描的电压范围(下限电压(第一电压V1)和上限电压(第二电压V2))。步骤960：CPU将A/F检测请求标记Xaf的值设定为“0”，并且将SOx检测请求标记Xs的值设定为“1”。
与此相对，在不满足构成SOx检测条件的条件中的至少一个的情况下，CPU在步骤930中判定为“否”并进入步骤995，暂时结束本例程。
以下，参照图10说明SOx检测例程。CPU构成为：每经过一定的采样时间Δt(在本例中为2ms)，执行图10中利用流程图示出的SOx检测例程。当成为预定定时，CPU从图10的步骤1000起开始处理，进入步骤1005，并判定SOx检测请求标记Xs的值是否为“1”。
SOx检测例程在上述SOx检测条件成立的情况下(即，SOx检测请求标记Xs为开始(ON)(Xs＝1)的情况下)实质地发挥功能。因此，在SOx检测请求标记Xs的值不是“1”的情况下(即，SOx检测请求标记Xs的值是“0”的情况下)，CPU在步骤1005中判定为“否”并进入步骤1095，暂时结束本例程。
与此相对，在SOx检测请求标记Xs的值通过图9的步骤960的处理设定为“1”的情况下，CPU在步骤1005中判定为“是”并进入步骤1010，在步骤950决定的施加电压范围内，以预定的扫描速度开始施加电压扫描(具体而言，施加正弦波的电压(频率1Hz、一个周期)的处理)。在该施加电压扫描中，首先进行升压扫描，接着进行降压扫描。此外，在步骤1010的处理的时间点已经在执行施加电压扫描的情况下，CPU继续该施加电压扫描的执行。
之后，CPU进入步骤1012，判定SOx浓度检测是否未完成。在SOx浓度检测未完成的情况下，CPU在步骤1012中判定为“是”并进入步骤1015，判定当前时间点是否为“降压扫描中，且施加电压Vm到达电流取得开始电压Vsem(第三电压V3)”。在该步骤1015的判定条件不成立的情况下，CPU在步骤1015中判定为“否”，直接进入步骤1095，并暂时结束本例程。
与此相对，在步骤1015的判定条件成立的情况下，CPU在步骤1015中判定为“是”并进入步骤1020，取得当前时间点的输出电流Im(＝I(k))。之后，CPU进入步骤1025，判定在步骤1020中取得的输出电流I(k)在“在开始当前正在进行的施加电压扫描之后，本次执行本例程时和上一次执行本例程时通过步骤1020的处理取得的输出电流I(k)”中是否是最小值。即，CPU判定是否I(k)<最小电流Ismn。
在本例程的步骤1020中取得的输出电流I(k)是最小值的情况下，CPU在步骤1025中判定为“是”并进入步骤1030，将最小电流Ismn更新为该输出电流I(k)后，进入步骤1035。在本例程的步骤1020中取得的输出电流I(k)不是最小值的情况下，CPU在步骤1025中判定为“否”并直接进入步骤1035。
在步骤1035中，CPU判定施加电压Vm是否到达上述检测用电压范围的下限电压(第四电压V4)。
在施加电压Vm未到达上述检测用电压范围的下限电压的情况下，CPU在步骤1035中判定为“否”，进入步骤1095并暂时结束本例程。
与此相对，在施加电压Vm到达上述检测用电压范围的下限电压(第四电压V4)的情况下，CPU在步骤1035中判定为“是”并进入步骤1040，判定最小电流Ismn是否低于阈值(最小电流阈值)Ith。最小电流阈值Ith是用于判定在排气中是否包含预定浓度以上的SOx的适当的值，通过预先进行实验等而确定。即，最小电流阈值Ith设定为：预先在燃料中混入容许范围的上限的浓度的硫(S)，此时在与上述相同的条件(与实际检测排气中的SOx浓度的情况下相同的条件)下进行施加电压扫描时的、降压扫描中且检测用电压范围中的输出电流Im的最小值。此外，该情况下的相同的条件是指施加电压扫描的电压波形、施加电压扫描的施加电压范围、施加电压扫描的扫描速度以及检测用电压范围等相同。
此外，也可以是，CPU根据在图9的步骤940中取得的A/F变更最小电流阈值Ith的值。以下具体地进行说明，也可以是，CPU以通过步骤920和步骤940的处理取得的空燃比A/F越稀则最小电流阈值Ith变得越大的方式变更最小电流阈值Ith。其理由如以下。
内燃机的空燃比A/F变得越稀，则因排气中的氧(氧分子(O2))的还原分解，更多的氧化物离子从第一电极41a向第二电极41b移动，所以输出电流Im越上升。因此，优选，考虑该输出电流Im的上升量来变更最小电流阈值Ith。这样一来，不论内燃机的空燃比A/F如何，都能够“更高精度地”判定在排气中是否包含“预定浓度”的SOx。在该情况下，CPU可以通过将利用步骤920和步骤940的处理取得的空燃比A/F应用于预定的查找表，从而按每个A/F来决定最小电流阈值Ith。
此外，也可以是，CPU在步骤1040中固定最小电流阈值Ith的值来取代基于空燃比A/F变更最小电流阈值Ith的值，在执行步骤1040的处理前的时间点基于“在步骤940取得的空燃比A/F(或在步骤920取得的输出电流Im)”校正最小电流Ismn。
以下更具体地进行说明，预先对特定的空燃比A/F的排气求出最小电流阈值Ith，CPU在步骤1040中使用该最小电流阈值Ith。
而且，CPU以在步骤920和步骤940取得的空燃比A/F(或界限电流值)在比所述特定的空燃比A/F(或与该特定的空燃比A/F对应的氧的界限电流值)大的范围内变得越大则最小电流Ismn变得越小的方式校正该最小电流Ismn。
而且，也可以是，CPU以在步骤920和步骤940取得的空燃比A/F(或界限电流值)在比所述特定的空燃比A/F(或与该特定的空燃比A/F对应的氧的界限电流值)小的范围内变得越小则最小电流Ismn变得越大的方式校正该最小电流Ismn，并将该校正得到最小电流Ismn用于步骤1040中的与最小电流阈值Ith的比较。
在该情况下，CPU能够：预先在ROM中存储查找表，所述查找表规定了相对于空燃比A/F(或作为针对于氧的界限电流值的输出电流Im)与最小电流Ismn的组合的最小电流Ismn的校正量ΔI，通过将在步骤920和步骤940取得的“空燃比A/F(或界限电流值)”应用于该查找表，从而求出实际的校正量ΔI，并将利用该校正量ΔI校正最小电流Ismn得到的值用于步骤1040的比较中。
在最小电流Ismn低于最小电流阈值Ith的情况下，由于再氧化电流变化大，所以CPU在步骤1040判定为“是”并进入步骤1045，判定为在排气中包含预定浓度以上的SOx。此时，CPU既可以在后备RAM内存储在排气中包含预定浓度以上的Sox之意(或在燃料中混入有超过容许值的S之意)，也可以将预定的警告灯点亮。
之后，CPU进入步骤1048，判定施加电压Vm是否到达施加电压扫描的电压范围的下限电压(第一电压V1)(换句话说，成为本次降压扫描结束的时刻)。在施加电压Vm未到达施加电压范围的下限电压的情况下，CPU在步骤1048判定为“否”并进入步骤1095，暂时结束本例程。此外，之后马上再次执行SOx检测例程的情况下，由于SOx浓度检测完成(SOx浓度检测并非未完成)，所以CPU在步骤1012判定为“否”并进入步骤1048，执行步骤1048的处理。
在执行步骤1048的处理的时间点施加电压Vm到达施加电压范围的下限电压的情况下，CPU在步骤1048判定为“是”并进入步骤1050，将SOx检测请求标记Xs的值设定为“0”，并且将A/F检测请求标记Xaf的值设定为“1”。之后，CPU进入步骤1095，暂时结束本例程。
与此相对，在最小电流Ismn并非低于最小电流阈值Ith的情况下，CPU在步骤1040判定为“否”并进入步骤1055，判定为在排气中不包含预定浓度以上的SOx。此时，CPU既可以在后备RAM内存储在排气中不包含预定浓度以上的Sox之意(或在燃料中没有混入超过容许值的S之意)，也可以将预定的警告灯熄灭。之后，CPU进入步骤1048后，根据步骤1048的判定结果，直接进入步骤1095并暂时结束本例程，或者经由步骤1050进入步骤1095并暂时结束本例程。
如以上说明地，本气体检测装置的ECU20构成为：作为难以受到排气所包含的SOx以外的含氧成分的影响的“表示硫的再氧化电流变化的程度的参数”，取得降压扫描中且施加电压Vm处于检测用电压范围时的最小电流Ismn，基于所取得的最小电流Ismn，判定在排气中是否包含预定浓度以上的SOx。此时，ECU20在适当设定降压扫描的扫描速度和施加电压扫描的电压范围等以使得再氧化电流变化的程度表现为很大之后，取得最小电流Ismn。
即，ECU20构成为：在最小电流Ismn低于最小电流阈值Ith的情况下，判定为在排气中包含预定浓度以上的SOx，在最小电流Ismn为最小电流阈值Ith以上的情况下，判定为在排气中不包含预定浓度以上的SOx。因此，能够高精度地判定排气中所含的预定浓度以上的SOx的有无。
以上，具体地说明了本发明的实施方式，但本发明不限定于上述实施方式，可采用基于本发明的技术思想的各种变形例。
例如，上述实施方式通过对最小电流Ismn和最小电流阈值Ith进行比较，从而判定排气中的预定浓度以上的SOx的有无，但也可以基于最小电流Ismn来检测排气中的SOx浓度。
以下具体地进行说明，CPU可构成为执行图11所示的SOx浓度检测例程来取代图10所示的SOx浓度检测例程。该图11所示的例程是执行“步骤1110”的处理来取代图10所示的例程中的“步骤1040、步骤1045以及步骤1055”的处理的例程。因此，以下，说明图11的步骤1110的处理。步骤1110：CPU通过将最小电流Ismn应用于查找表Map(Ismn)，从而取得排气中的SOx浓度。此外，ECU20的ROM(存储部)存储有“最小电流Ismn与排气中的SOx浓度的关系”来作为查找表Map(Ismn)(参照图11的块B1。)。该查找表能够通过预先进行实验等而得到。
进而，该查找表Map(Ismn)也可以是规定“内燃机的空燃比A/F、最小电流Ismn以及排气中的硫氧化物的浓度的关系”的查找表Map(Ismn，A/F)(参照图12)。在该情况下，CPU可以通过将在图10的步骤1030中取得的实际的最小电流Ismn和在图9的步骤940中取得的空燃比A/F应用于查找表Map(Ismn，A/F)，从而算出排气中的硫氧化物浓度。
由此，不论在检测SOx浓度的情况下的内燃机的空燃比A/F如何，都能够高精度地检测SOx浓度。
进而，例如，在上述实施方式中，CPU基于在图9的“步骤940和步骤950”中取得的A/F来决定“施加电压扫描的电压范围的下限电压和上限电压”，但也可以按如下方式决定。
即，也可以是，CPU在步骤920中基于“在施加电压Vm被设定为氧浓度检测用的施加电压的情况下的输出电流Im”取得氧浓度，在步骤950中基于该氧浓度来决定“施加电压扫描的电压范围的下限电压和上限电压”。在该情况下，查找表M1是规定氧浓度与“施加电压扫描的电压范围的下限电压和上限电压”的关系的表。
同样地，也可以是，CPU在步骤920取得“在施加电压Vm被设定为氧浓度检测用的施加电压的情况下的输出电流Im”，在步骤950基于该输出电流Im来决定“施加电压扫描的电压范围的下限电压和上限电压”。在该情况下，查找表M1是规定输出电流Im与“施加电压扫描的电压范围的下限电压和上限电压”的关系的表。
除此之外，也可以是，CPU在图9的步骤920和步骤940的处理中，基于“在基于施加电压Vm被设定为氧浓度检测用的施加电压的情况下的输出电流Im检测出的氧浓度”决定“最小电流阈值Ith”。在该情况下，在步骤940中CPU参照的查找表成为规定氧浓度与“最小电流阈值Ith”的关系的表。
进而，也可以是，CPU在图9的步骤920和步骤940的处理中，基于“施加电压Vm被设定为氧浓度检测用的施加电压的情况下的输出电流Im本身”决定“最小电流阈值Ith”。在该情况下，在步骤940中CPU参照的查找表成为规定输出电流Im与最小电流阈值Ith的关系的表。
进而，例如，为了更切实地取得表示再氧化电流变化的最小电流Ismn，可以按如下方式决定电流取得开始电压Vsem。即，也可以是，在进行施加电压扫描时，为了在伴随着“S的再氧化反应”的输出电流Im的变化(再氧化电流变化)出现的电压区域中取得最小电流Ismn，将电流取得开始电压Vsem决定为低于SOx分解开始电压(0.6V)的值。以下具体地进行说明，可以从大于施加电压扫描的电压范围的下限电压(第一电压V1)且低于SOx分解开始电压(0.6V)的范围中选择电流取得开始电压Vsem，也可以优选，从大于第一电压V1且0.45V以下的范围中选择。
进而，例如，施加电压扫描的电压波形不限于图3B和图3C所示的波形，通过适当设定降压速度，只要因吸附于第一电极41a的硫进行再氧化反应而引起的再氧化电流变化从降压扫描的某时刻起变得极其显著，可以是任意的波形(例如三角波)。
除此之外，也可以是，变形例的CPU在图11的步骤1110中，通过将最小电流Ismn、与在图9的步骤920和步骤940中取得的内燃机的空燃比A/F具有相关性的空燃比相关值SAF(该空燃比A/F本身、成为算出该空燃比A/F的基础的排气中的氧浓度、或者界限电流值，所述界限电流值是与该氧浓度对应且在步骤920中取得的输出电流Im)应用于图12所示的查找表Map(Ismn，SAF)，从而取得排气中的SOx浓度。通过按这种方式构成，不论检测SOx浓度时的内燃机的空燃比A/F如何，都能够更高精度地检测SOx浓度。

Claims (5)

1.一种气体检测装置，其特征在于，包括：
电化学单元，设置于内燃机的排气通路，并包括固体电解质体和分别设置在所述固体电解质体的表面上的第一电极和第二电极，在此，固体电解质体具有氧化物离子传导性；
扩散阻力体，由在所述排气通路中流动的排气能够通过的多孔质材料构成；
元件部，构成为使在所述排气通路中流动的排气通过所述扩散阻力体而到达所述第一电极；
电压施加部，构成为在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压；以及
电流检测部，构成为检测输出电流，所述输出电流是在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流，
电子控制单元按以下方式构成：
(i)使用所述电压施加部控制施加电压，所述施加电压是在所述第一电极与所述第二电极之间施加的电压，
(ii)使用所述电流检测部取得所述输出电流，
(iii)基于所述取得的输出电流，进行在所述排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或所述排气中的硫氧化物的浓度的检测，
(iv)在向所述内燃机供给的混合气的空燃比为稳定的状态的情况下，执行使用所述电压施加部使所述施加电压从第一电压上升到第二电压的升压扫描，在此，该第一电压选自低于硫氧化物的分解开始电压的第一电压范围内，而且该第二电压选自高于硫氧化物的分解开始电压的第二电压范围内，
(v)在执行了所述升压扫描之后，执行以预定的降压速度从所述第二电压下降到所述第一电压的降压扫描，且基于所述输出电流取得与在所述输出电流中发生的变化的程度具有相关性的参数，在所述输出电流中发生的变化是以下述电流为起因而在所述输出电流中发生的变化，且是所述排气所包含的所述硫氧化物的浓度越高则所述变化越大的变化，所述电流是在所述降压扫描中所述施加电压变得低于所述硫氧化物的分解开始电压时吸附于所述第一电极的硫在该第一电极进行再氧化反应而恢复为硫氧化物从而在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流，
(vi)基于该参数，进行在所述排气中是否包含预定浓度以上的硫氧化物的判定或所述排气中的硫氧化物的浓度的检测，
(vii)设定所述预定的降压速度，以使得：以所述施加电压成为在所述第一电压范围内且比所述第一电压高的电压范围内的电压的时刻为开端，所述再氧化反应的速度成为急剧增大的速度，并且
(viii)将所述降压扫描中所述施加电压成为第三电压以下且第四电压以上的检测用电压范围内的电压的期间利用所述电流检测部取得的输出电流中的最小值作为所述参数使用，所述第三电压为硫氧化物的分解开始电压以下，所述第四电压比所述第一电压高。
2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，
所述电子控制单元按以下方式构成：
(i)进行在所述排气中是否包含所述预定浓度以上的硫氧化物的所述判定，
(ii)判定所述最小值是否比预定的阈值小，
(iii)在判定为所述最小值比所述阈值小的情况下，判定为在所述排气中包含所述预定浓度以上的硫氧化物，以及
(iv)在判定为所述最小值为所述阈值以上的情况下，判定为在所述排气中不包含所述预定浓度以上的硫氧化物。
3.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，
所述电子控制单元按以下方式构成：
(i)在进行所述判定之前，使用所述电压施加部将所述施加电压设定为选自会产生氧的界限电流的范围内的空燃比检测用施加电压，
(ii)在将所述施加电压设定为所述空燃比检测用施加电压的情况下，使用所述电流检测部取得所述输出电流来作为针对于所述排气所包含的氧的界限电流值，以及
(iii)执行基于所述取得的界限电流值的所述阈值的决定、以及在进行所述最小值是否比所述阈值小的判定之前的时间点的基于所述取得的界限电流值的所述最小值的校正中的至少一方。
4.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，
所述电子控制单元按以下方式构成：
(i)进行所述排气中的硫氧化物的浓度的所述检测，以及
(ii)基于所述最小值检测所述排气中的硫氧化物的浓度。
5.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，
所述电子控制单元按以下方式构成：
(i)进行所述排气中的硫氧化物的浓度的所述检测，
(ii)在所述硫氧化物的浓度的检测之前，使用所述电压施加部将所述施加电压设定为选自会产生氧的界限电流的范围内的空燃比检测用施加电压，
(iii)在将所述施加电压设定为所述空燃比检测用施加电压的情况下，使用所述电流检测部取得所述输出电流来作为针对于所述排气所包含的氧的界限电流值，以及
(iv)基于作为所述参数而取得的所述最小值和所述取得的针对于氧的界限电流值，检测所述排气中的硫氧化物的浓度。
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