DE112013006425T5

DE112013006425T5 - SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013006425T5
Application number: DE112013006425.1T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Kato; Shinya Teranishi; Keiichiro Aoki; Kazuhiro Wakao
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-10-15
Also published as: CN104919313A; WO2014112315A1; CN104919313B; BR112015016784A2; US20150355136A1; US9753005B2; JP2014137228A; JP5746233B2; BR112015016784B1

Abstract

Vorgesehen ist eine SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung, welche die SOx-Konzentration in einem Abgas ohne die Verwendung eines zweckgebundenen Sensors erfassen kann. Wie in 4 gezeigt ist, bleibt der Stromwert I0,3, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Grenzstrombereich (0,3 V) aufgebracht wird, ungeachtet der verstrichenen Zeit auf einem konstanten Wert (Grenzstromwert). Andererseits nimmt der Stromwert I0,6, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Überstrombereich (0,6 V) aufgebracht wird, im Zeitverlauf ab und nähert sich dem Grenzstromwert 30 Sekunden nach dem Start des Aufbringens der Spannung an. Bei dieser Ausführungsform ist die Stromwertdifferenz |I0,6 – I0,3| als „SO2-Reduktionsstrom” definiert und die SO2-Konzentration um den Sensor wird aus einem integrierten Wert des SO2-Reduktionsstroms erfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung und insbesondere eine SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung, welche in der Lage ist, die Konzentration von SOx im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine zu erfassen.
Hintergrund
Eine Vorrichtung, welche die SOx-Konzentration im Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung eines Gassensors erfasst, die einen Katalysator, der S- bzw. Schwefelkomponenten im Abgas aufnimmt, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und die aufgenommenen Schwefelkomponenten abgibt, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch oder fett ist, und eine Temperatur-Messvorrichtung, welche die Temperatur des Katalysators misst, enthält, wurde beispielsweise in Patentliteratur 1 offenbart.
Ein Sensor vom Grenzstrom-Typ ist in Patentliteratur 2 und 3 offenbart. Der Sensor enthält einen Festelektrolyt, welcher eine Oxidionenleitfähigkeit besitzt, und ein Paar von Elektroden, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten vorgesehen sind, und erfasst die O₂-Konzentration im Abgas basierend auf einem Grenzstrom, welcher erzeugt wird, wenn zwischen dem Paar von Elektroden eine vorbestimmte Spannung aufgebracht wird. Zusätzlich ist in Patentliteratur 2 offenbart, dass der Sensor verschlechtert ist, wenn Schwefelkomponenten im Abgas an den Sensorelektroden adsorbiert werden.
Literatur des zugehörigen Standes der Technik
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer 2009-244279 ( JP 2009-244279 A )
Patentliteratur 2: Japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer 10-073561 ( JP 10-073561 A )
Patentliteratur 3: Japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer 11-132996 ( JP 11-132996 A )

Kurzfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Der Gassensor von Patentliteratur 1 ist auf die Schwefel-Adsorptionscharakteristika des Katalysators gerichtet und der Katalysator, welcher solche Schwefel-Adsorptionscharakteristika besitzt, ist für die SOx-Konzentrationserfassung in Patentliteratur 1 wesentlich. Es kann daher angeführt werden, dass der Gassensor ein zweckgebundener Sensor für die SOx-Konzentrationserfassung ist. Ein zweckgebundener Sensor muss zusätzlich zu existierenden Sensoren eingebaut werden. Daher sind Probleme hinsichtlich des Einbauraums und einer Kostenzunahme unvermeidlich.
Diesbezüglich stellt der Sensor vom Grenzstrom-Typ von Patentliteratur 2 oder 3 einen Sensor dar, welcher in einem Abgasdurchlass einer Verbrennungskraftmaschine zum Zwecke des Messens der O₂-Konzentration im Abgas üblicherweise eingebaut ist, und dieser ruft die vorstehend erwähnten Probleme daher nicht hervor. In der Literatur des zugehörigen Standes der Technik einschließlich der vorstehend erwähnten Patentliteratur ist jedoch keine Vorrichtung bekannt, welche einen Sensor vom Grenzstrom-Typ verwendet, um die SOx-Konzentration im Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend erwähnten Probleme gemacht. Mit anderen Worten, es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung vorzusehen, welche einen Sensor vom Grenzstrom-Typ verwendet.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine erste Erfindung sieht eine SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung vor, mit:
einem Sensor vom Grenzstrom-Typ, welcher einen Festelektrolyt mit einer Oxidionenleitfähigkeit und ein Paar von Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten vorgesehen sind, enthält, und einen Grenzstrom entsprechend der Konzentration einer spezifischen Komponente in dem Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt, wenn zwischen dem Paar von Elektroden eine vorbestimmte Spannung aufgebracht wird; und
einer SOx-Konzentrations-Erfassungseinrichtung, welche eine Referenzspannung in einem Grenzstrombereich, welcher die vorbestimmte Spannung enthält, und eine SOx-Erfassungsspannung in einem höheren Spannungsbereich als dem Grenzstrombereich zwischen dem Paar von Elektroden aufbringt, wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf Stöchiometrie auf der fetten Seite befindet, um einen SOx-Erfassungsausgang, welcher von dem Sensor ausgegeben wird, wenn die SOx-Erfassungsspannung aufgebracht wird, und einen Referenzausgang, welcher von dem Sensor ausgegeben wird, wenn die Referenzspannung aufgebracht wird, zu erlangen, und die SOx-Konzentration in dem Abgas von der Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung von Verläufen des SOx-Erfassungsausgangs und des Referenzausgangs erfasst, welche erzeugt werden, bevor die Ausgangsdifferenz zwischen dem SOx-Erfassungsausgang und dem Referenzausgang auf oder unter einen eingestellten Wert fällt.
Eine zweite Erfindung sieht die SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung gemäß der ersten Erfindung vor, bei welcher das Paar von Elektroden eine Erfassungselektrode enthält, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolyten vorgesehen ist, die mit Abgas in Kontakt steht, und die Erfassungselektrode 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent (wt%) zumindest eines Metalls enthält, welches aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen und Seltenerdmetallen ausgewählt ist.
Eine dritte Erfindung sieht die SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung gemäß der ersten oder zweiten Erfindung vor, bei welcher die SOx-Konzentrations-Erfassungseinrichtung das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die fettere Seite in Bezug auf Stöchiometrie steuert und den Sensor auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, bei welcher die auf dem Paar von Elektroden adsorbierten S- bzw. Schwefelkomponenten desorbiert werden können, wenn die Ausgangsdifferenz auf oder unter den eingestellten Wert fällt.
Effekt der Erfindung
Die vorliegenden Erfinder haben eine Korrelation zwischen den Verläufen von Sensorausgängen (der SOx-Erfassungsausgang und der Referenzausgang), welche Ausgängen entsprechen, wenn eine Referenzspannung in dem Grenzstrombereich und die SOx-Erfassungsspannung zwischen dem Paar von Elektroden aufgebracht werden, wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Verbrennungskraftmaschine auf der fetten Seite in Bezug auf Stöchiometrie befindet, und dem Betrag von SOx, welcher auf den Oberflächen des Paares von Elektroden adsorbiert wurde, gefunden. Die erste Erfindung basiert auf diesem Forschungsergebnis. Mit anderen Worten, gemäß der ersten Erfindung kann eine neuartige Vorrichtung vorgesehen sein, welche in der Lage ist, die SOx-Konzentration im Abgas unter Verwendung eines Sensors vom Grenzstrom-Typ zu erfassen.
Die vorliegenden Erfinder haben ebenso herausgefunden, dass sowohl die Förderung einer SOx-Adsorption auf der Erfassungselektrode als auch eine einfache Wiederherstellung von einer Sensorvergiftung durch adsorbiertes SOx erreicht werden kann, wenn die Erfassungselektrode des Sensors 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent (wt%) von zumindest einem Metall enthält, welches aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen und Seltenerdmetallen ausgewählt ist. Die zweite Erfindung basiert auf diesem Forschungsergebnis. Gemäß der zweiten Erfindung kann ein Sensor vorgesehen sein, welcher für die Erfassung einer SOx-Konzentration durch die erste Erfindung geeignet ist.
Bei der ersten Erfindung wird, wenn die SOx-Erfassungsspannung zwischen dem Paar von Elektroden aufgebracht wird, das SOx, welches auf den Oberflächen des Paares von Elektroden adsorbiert wurde, zu Schwefel (S) reduziert und der Schwefel bleibt auf dem Paar von Elektroden adsorbiert. Diesbezüglich wird gemäß der dritten Erfindung, wenn die Ausgangsdifferenz auf oder unter den eingestellten Wert fällt, das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die fette Seite in Bezug auf Stöchiometrie gesteuert und der Sensor wird auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, bei welcher die Schwefelkomponenten, welche auf dem Paar von Elektroden adsorbiert wurden, desorbiert werden können. Daher ist es möglich, die Desorption von Schwefel (S) auf dem Paar von Elektroden unmittelbar nach dem Abschluss der Erlangung der Verläufe der Sensorausgänge, welche für die Erfassung der SOx-Konzentration erforderlich sind, zu starten. Mit anderen Worten, der Schwefel auf dem Paar von Elektroden kann frühzeitig desorbiert werden, um die Genauigkeit der nächsten und nachfolgenden Erfassungen der SOx-Konzentration zu verbessern.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 ist eine Abbildung, welche die Konfiguration einer SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform darstellt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements eines A/F-Sensors 14 von 1.
3 ist ein Strom-Spannungs-Kennfeld bzw. entsprechende Kennlinien des A/F-Sensors 14.
4 ist ein Strom-Spannungs-Kennfeld bzw. entsprechende Kennlinien des A/F-Sensors 14, welches unter Messbedingungen mit einer SO₂-Konzentration um den Sensor von 100 ppm und einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (festgelegter Wert) erhalten wird.
5 ist ein Diagramm, welches die Ergebnisse einer Untersuchung der Strom-Spannung-Charakteristika des A/F-Sensors 14 zeigt, welche durch Variieren der SO₂-Konzentration der Messbedingungen in 4 durchgeführt wurde.
6 ist eine Abbildung, welche ein Bild davon zeigt, wie SO₂ in einem Zustand eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses reduziert wird.
7 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem integrierten Wert des SO₂-Reduktionsstroms und der SO₂-Konzentration um den Sensor zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung der Gassensitivität und der Leichtigkeit der Sensorregeneration mit dem Zugabebetrag von Erdalkalimetall zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, welches eine SO₂-Konzentrations-Erfassungsroutine zeigt, welche durch eine ECU 16 ausgeführt wird.
Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
[Beschreibung der Konfiguration der Vorrichtung]
Nachfolgend ist mit Bezug auf 1 bis 7 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Abbildung, welche die Konfiguration einer SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform darstellt. Wie in 1 gezeigt ist, enthält die SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform eine Maschine 10 als eine Leistungsquelle für ein Fahrzeug. Die Anzahl und Anordnung von Zylindern der Maschine 10 sind nicht spezifisch beschränkt. Ein A/F-Sensor 14 ist in einem Abgasdurchlass 12 der Maschine 10 eingebaut. Der A/F-Sensor 14 entspricht einem Sensor vom Grenzstrom-Typ, welcher im Verhältnis zu der Sauerstoffkonzentration im Abgas oder dergleichen im Ansprechen auf das Aufbringen einer Spannung ein Stromsignal ausgibt (Details sind später beschrieben).
Die SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung dieser Ausführungsform enthält eine ECU (elektronische Steuerungseinheit) 16. Verschiedene Sensoren, welche für die Steuerung des A/F-Sensors 14 und der Maschine 10 erforderlich sind (wie ein Kurbelwinkelsensor, welcher die Maschinendrehzahl erfasst, und ein Luft-Strömungsmesser, welcher den Einlassluftbetrag erfasst), sind mit der Eingangsseite der ECU 16 elektrisch verbunden. Verschiedene Stellglieder, wie Injektoren (nicht gezeigt), welche Kraftstoff in die jeweiligen Zylinder der Maschine 10 einspritzen, sind mit der Ausgangsseite der ECU 16 elektrisch verbunden. Die ECU 16 führt vorbestimmte Programme basierend auf Eingangsinformationen von den verschiedenen Sensoren aus und treibt die verschiedenen Stellglieder an usw., um verschiedene Steuerfunktionen hinsichtlich des Betriebs der Maschine 10 durchzuführen.
[A/F-Sensor 14]
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements eines A/F-Sensors 14 von 1. Wie in 2 gezeigt ist, enthält ein Sensorelement 20 einen Festelektrolyten 22, welcher aus stabilisiertem Zirkonoxid aufgebaut ist. Das stabilisierte Zirkonoxid entspricht beispielsweise einem Zirkonium-basierten Festelektrolyten (ZrO₂-M₂O₃-Lösung oder ZrO₂-MO-Lösung (M: Y, Yb, Gd, Ca oder Mg)) und bietet bei hohen Temperaturen eine Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit.
Das Sensorelement 20 enthält außerdem Elektroden 24 und 26, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten 22 ausgebildet sind. Die Elektroden 24 und 26 bestehen hauptsächlich aus Pt und sind durch einen Leiter (nicht gezeigt) elektrisch miteinander verbunden. Bevorzugte Zusatzkomponenten in der Elektrode 26 und deren Zugabebeträge sind später beschrieben. Die Elektrode 24 ist auf der gleichen Seite wie ein Luftkanal 28 für eine Atmosphären- bzw. Luft-Einleitung angeordnet und befindet sich gegenüberliegend zu einem Heizvorrichtungs-Basismaterial 30. Das Heizvorrichtungs-Basismaterial 30 besteht aus einer Keramik (wie Aluminiumoxid) und besitzt eingebaute Heizelemente 32, welche Wärme erzeugen, wenn diese mit Elektrizität von einer fahrzeugseitigen Batterie-Leistungsquelle (nicht gezeigt) versorgt werden. Über der Elektrode 26 ist eine Diffusionsschicht 34 angeordnet, um diese zu bedecken. Die Diffusionsschicht 34 besteht beispielsweise aus einer wärmeresistenten porösen Keramik (wie porösem Aluminiumoxid).
Das Abgas, welches durch den Abgasdurchlass 12 strömt, strömt durch die Diffusionsschicht 34 und kommt mit der Elektrode 26 in Kontakt. Zu diesem Zeitpunkt, wenn zwischen den Elektroden 24 und 26 eine Spannung aufgebracht wird, fließt in Abhängigkeit des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ein Strom auf unterschiedliche Art und Weise. Insbesondere wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Seite des mageren Bereichs befindet (A/F > 14,7), reagiert der überschüssige O₂ in dem Abgas an der Elektrode 26 und nimmt Elektronen auf und wird ionisiert. Die resultierenden Sauerstoffionen (O^2–) wandern durch den Festelektrolyten 22 und erreichen die Elektrode 24. Diese Wanderung von O^2– resultiert in einem Strom von der Elektrode 24 hin zu der Elektrode 26. Das O^2–, welches die Elektrode 24 erreicht hat, gibt Elektronen ab, kehrt zu O₂ zurück und wird anschließend in den Luftkanal 28 abgegeben. Wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis andererseits auf der Seite des fetten Bereichs (A/F < 14,7) befindet, reagiert der O₂ in dem Luftkanal 28 an der Elektrode 24, nimmt Elektronen auf und kehrt zu O^2– zurück. Das O^2– wandert durch den Festelektrolyten 22. Wenn das O^2– die Elektrode 26 erreicht, reagiert dieses mit unverbrannten Komponenten (wie HC, CO und H₂) im Abgas und geht zu CO₂ und H₂O über. Dieser Wanderung von O^2– resultiert in einem Stromfluss ausgehend von der Elektrode 26 hin zu der Elektrode 24.
[Verfahren zum Erfassen des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des A/F-Sensors 14]
Nachfolgend ist mit Bezug auf 3 ein Verfahren zum Erfassen des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des A/F-Sensors 14 kurz beschrieben. 3 ist ein Strom-Spannungs-Kennfeld bzw. entsprechende Kennlinien des A/F-Sensors 14. Wie in 3 gezeigt ist, existiert ein Bereich, in welchem sich der Strom kaum verändert sondern konstant bleibt, auch wenn die zwischen den Elektroden 24 und 26 aufgebrachte Spannung variiert wird. Dieser Stromwert ist als „Grenzstromwert” bezeichnet und der Spannungsbereich entsprechend diesem Grenzstromwert ist als „Grenzstrombereich” bezeichnet. Zusätzlich nimmt, wie in 3 gezeigt ist, der Grenzstromwert zu, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der mageren Seite verschoben wird, und dieser nimmt ab, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetteren Seite verschoben wird. Die Erfassung des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des A/F-Sensors 14 wird basierend auf dieser Korrelation erreicht. Insbesondere wird in dem Grenzstrombereich (wie 0,3 V) zwischen den Elektroden 24 und 26 eine vorbestimmte Spannung aufgebracht und ein Stromsignal, welches von dem A/F-Sensor 14 zu dieser Zeit ausgegeben wird, wird erhalten. Anschließend wird das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Vergleichen des Stromsignals mit dem Grenzstromwert erfasst.
[Charakteristika dieser Ausführungsform]
Wie in 3 gezeigt ist, existiert ein Bereich, in welchem der Stromwert auf der Hochspannungsseite des Grenzstrombereichs zunimmt. Diese Bereich ist als „Überstrombereich” bezeichnet und es wird betrachtet, dass die Elektronenleitung, welche durch die Reduktion des Elektrolyten erzeugt wird, der an dem Sensorelement 20 adsorbiert wurde (insbesondere auf den Oberflächen der Elektrode 26) zu der Zunahme des Stromwertes beiträgt. Die vorliegenden Erfinder führten Studien mit Blick auf das Phänomen durch, bei welchem der Stromwert zunimmt, und fanden folglich eine Korrelation zwischen dem Betrag von SO₂, welches an den Oberflächen der Elektrode 26 adsorbiert wurde (was nachfolgend ebenso als „Elektrodenoberflächen-SO₂-Adsorptionsbetrag” bezeichnet ist), und der Veränderung des Stromwerts im Zeitverlauf. Dieses Forschungsergebnis ist mit Bezug auf 4 bis 6 beschrieben.
4 ist ein Strom-Spannungs-Kennfeld bzw. entsprechende Kennlinien eines A/F-Sensors 14, welches bei Messbedingungen mit einer SO₂-Konzentration um den Sensor von 100 ppm und einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (festgelegter Wert) erhalten wird. Die Kennlinien, welche in 4 gezeigt sind, entsprechen jeweiligen verstrichenen Zeiten (0 Sekunden später, 10 Sekunden später, 20 Sekunden später und 30 Sekunden später) nach dem Start des Aufbringens einer Spannung. Wie in 4 gezeigt ist, bleibt der Stromwert, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Grenzstrombereich (0,3 V) aufgebracht wird, ungeachtet der verstrichenen Zeit auf einem konstanten Wert (Grenzstromwert). Andererseits nimmt der Stromwert, welche fließt, wenn eine Spannung in dem Überstrombereich (0,6 V) aufgebracht wird, im Zeitverlauf ab und nähert sich dem Grenzstromwert 30 Sekunden nach dem Start des Aufbringens der Spannung an.
Wie vorstehend beschrieben, trägt die Elektronenleitung, welche durch die Reduktion des Elektrolyten eingeleitet wird, der auf den Oberflächen der Elektrode 26 adsorbiert wurde, zu dem Phänomen bei, bei welchem der Stromwert in dem Überstrombereich zunimmt. Es ist daher normal anzunehmen, dass diese Elektronenleitung ebenso zu dem Phänomen beiträgt, bei welchem der Strom abnimmt, wie in 4 beobachtet. Es ist jedoch bekannt, dass das SO₂, welches auf den Oberflächen der Elektrode 26 adsorbiert wurde, mit Ausnahme von besonderen Ereignissen, wie dem Fall, bei welchem eine Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung, wie später beschrieben, durchgeführt wird, nicht auf einfache Art und Weise reagiert. Um die Beziehung zwischen dem Phänomen, bei welchem der Strom abnimmt, wie in 4 beobachtet, und SO₂, welches auf den Oberflächen der Elektrode 26 adsorbiert wurde, festzustellen, untersuchten die vorliegenden Erfinder die Strom-Spannung-Charakteristika des A/F-Sensors 14 durch Variieren der SO₂-Konzentration der Messbedingungen in 4.
5 ist ein Diagramm, welches dazu verwendet wird, um die Ergebnisse der vorstehend erwähnten Untersuchung zu erläutern. Die vertikale Achse von 5 stellt die Differenz |I_0,6 – I_0,3| zwischen einem Stromwert I_0,6, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Überstrombereich (0,6 V) aufgebracht wird, und einem Stromwert I_0,3, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Grenzstrombereich (0,3 V) aufgebracht wird, dar. Die horizontale Achse von 5 stellt die verstrichene Zeit nach dem Start des Aufbringens der Spannung dar. Wie in 5 gezeigt ist, zeigten die beiden Stromwertdifferenzen |I_0,6 – I_0,3| trotz der Differenz in der SO₂-Konzentration ein ähnliches Verhalten. Als die SO₂-Konzentration jedoch 200 ppm betrug, war die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| zu jeder verstrichenen Zeit größer und es dauerte im Vergleich dazu, als die SO₂-Konzentration 100 ppm betrug, länger, bis die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| null erreichte.
Die Ergebnisse in 5 geben an, dass, wenn eine Spannung in dem Überstrombereich in einem Zustand eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aufgebracht wird, SO₂, welches vermutlich nicht auf einfache Art und Weise reduziert wird, reduziert wird und ein Strom fließt. 6 ist eine Abbildung, welche ein Bild davon zeigt, wie SO₂ in einem Zustand eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses reduziert wird. Das in 6 gezeigte SO₂ stammt aus dem Abgas. Das SO₂ ist von der Seite der Diffusionsschicht 34 eingeströmt und wurde auf den Oberflächen der Elektrode 26 adsorbiert. In ähnlicher Art und Weise zu SO₂ strömen ebenso die Verbindungen, wie HC, CO und H₂ (in 5 ist HC gezeigt), in dem Abgas von der Seite der Diffusionsschicht 34 ein und erreichen die Oberflächen der Elektrode 26 in einem Zustand eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Es wird angenommen, dass, wenn zu diesem Zeitpunkt eine Spannung in dem Überstrombereich zwischen den Elektroden aufgebracht wird, das SO₂ auf der Elektrode 26 mit HC reagiert und zu S reduziert wird.
Zusätzlich korreliert die SO₂-Konzentration um den Sensor mit dem Diffusionsbetrag von SO₂ in die Diffusionsschicht 34 und dieser Diffusionsbetrag von SO₂ korreliert mit dem Adsorptionsbetrag von SO₂ auf den Elektrodenoberflächen. Es wird daher angenommen, dass dies daran liegt, dass der Adsorptionsbetrag von SO₂ auf den Elektrodenoberflächen abgenommen hat, während die Reduktion von SO₂, wie vorstehend beschrieben, vorangeschritten ist, und die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| im Zeitverlauf in 5 abgenommen hat. In ähnlicher Art und Weise wird angenommen, dass, da der Adsorptionsbetrag von SO₂ auf der Elektrodenoberfläche auf null (oder einen Wert nahe null) abgenommen hat, die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| eventuell auf null gefallen ist.
Basierend auf diesen Erkenntnissen ist in dieser Ausführungsform die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| als „SO₂-Reduktionsstrom” bezeichnet und die SO₂-Konzentration um den Sensor wird von einem integrierten Wert des SO₂-Reduktionsstroms erfasst. Insbesondere entspricht der integrierte Wert des SO₂-Reduktionsstroms dem Bereich unter der Kennlinie, welche in 5 gezeigt ist. 7 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem integrierten Wert des SO₂-Reduktionsstroms und der SO₂-Konzentration um den Sensor zeigt. Wie in 7 gezeigt ist, zeigt der integrierte Wert des SO₂-Reduktionsstroms ein im Allgemeinen proportionales Verhältnis zu der SO₂-Konzentration um den Sensor. Daher kann die SO₂-Konzentration um den Sensor durch Erhalten des integrierten Werts des SO₂-Reduktionsstroms und Anwenden desselben auf die in 7 gezeigte Beziehung erfasst werden. Daher kann gemäß dieser Ausführungsform die SO₂-Konzentration um den Sensor unter Verwendung des A/F-Sensors 14 erfasst werden. Es ist anzumerken, dass bei dieser Ausführungsform die in 7 gezeigte Beziehung im Vorhinein in Form eines Kennfelds in der ECU 16 gespeichert wird.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung für eine vorbestimmte Zeitphase durchgeführt, falls die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| auf null fällt, wenn der integrierte Wert des SO₂-Reduktionsstroms erhalten wird. Die Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung wird insbesondere durch Erhöhen der Temperatur der Heizelemente 32 auf ein höheres Niveau wie diese zu einer herkömmlichen Zeit und zwanghaftes Wechseln des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses hin zu einem fetten Zustand durchgeführt. Folglich kann Schwefel (S), welcher infolge der Reduktion von SO₂ erzeugt wurde, restliches SO₂, welches nicht reduziert bleibt usw. von der Elektrode 26 desorbiert werden. Dies verbessert die Genauigkeit der nächsten und nachfolgenden Erfassungen der SO₂-Konzentration.
Es wird bevorzugt, die Veränderung des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu berücksichtigen, wenn der SO₂-Reduktionsstrom integriert wird. Wie in der Beschreibung von 3 erwähnt, nimmt der Grenzstromwert zu, während das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der mageren Seite gewechselt bzw. verschoben wird, und dieser nimmt ab, während das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis hin zu der fetteren Seite verschoben wird. Daher variieren die Stromwerte I_0,6 und I_0,3, falls sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Integration des SO₂-Reduktionsstroms verändert, gemäß der Veränderung des Grenzstromwerts. Daher ist es bevorzugt, wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis verändert, die Stromwerte I_0,6 und I_0,3 basierend auf der Veränderung des Grenzstromwerts zu korrigieren. Dies verbessert die Genauigkeit der Erfassung der SO₂-Konzentration. Die Veränderung des Grenzstromwerts kann beispielsweise als die Differenz zwischen den vorhergehenden und vorliegenden Werten des Stromwerts I_0,3 erhalten werden.
[Zusatzkomponenten in der Elektrode 26 und deren Zugabebeträge]
Hier sind mit Bezug auf 8 Zusatzkomponenten in der Elektrode 26 und deren Zugabebeträge beschrieben. Wie vorstehend beschrieben, ist bei dieser Ausführungsform der Adsorptionsbetrag von SO₂ auf den Elektrodenoberflächen von Bedeutung. Daher wird der Elektrode 26 vorzugsweise eine Substanz hinzugefügt, welche die Adsorption von SO₂ fördert, um die Gassensitivität davon zu verbessern. Beispiel einer solchen Substanz enthalten Erdalkalimetalle (Ca, Sr, Ba und Ra) und Seltenerdmetalle (Y, La, Ce usw.). Es können zwei oder mehr dieser Metalle gleichzeitig verwendet werden. Während der Adsorptionsbetrag von SO₂ auf der Elektrodenoberfläche größer ist, ist es jedoch schwieriger, den Sensor zu regenerieren und es ist notwendig, die vorstehend erwähnte Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung für eine längere Zeitphase durchzuführen. Die vorliegenden Erfinder führten angesichts dieses Problems Untersuchungen durch und erhielten folglich die in 8 gezeigte Beziehung.
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung der Gassensitivität und der Leichtigkeit der Sensorregeneration mit dem Zugabebetrag eines Erdalkalimetalls zeigt. Wie in 8 gezeigt ist, kann sowohl die Gassensitivität als auch die Leichtigkeit der Sensorregeneration zufriedenstellend sein, wenn der Zugabebetrag eines Erdalkalimetalls basierend auf der gesamten Elektrode 26 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent (wt%) beträgt. Daher ermöglicht die Zugabe von 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent eines Erdalkalimetalls oder eines Seltenerdmetalls die Konstruktion einer Elektrode 26, welche für die Erfassung der SO2-Konzentration bei dieser Ausführungsform geeignet ist.
[Spezifische Verarbeitung bei dieser Ausführungsform]
Nachfolgend ist mit Bezug auf 9 eine spezifische Verarbeitung beschrieben, welche die vorstehend erwähnten Funktionen realisiert. 9 ist ein Flussdiagramm, welches eine SO₂-Konzentrations-Erfassungsroutine zeigt, die bei dieser Ausführungsform durch die ECU 16 ausgeführt wird. Die in 9 gezeigte Routine wird auf einer periodischen Basis wiederholend ausgeführt.
Bei der in 9 gezeigten Routine ermittelt die ECU 16 zunächst, ob die Voraussetzungen erfüllt sind (Schritt 110). Es wird ermittelt, dass die Voraussetzungen erfüllt sind, wenn (i) der A/F-Sensor 14 aktiviert wurde (Aufwärmen des Sensors wurde abgeschlossen) und (ii) das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist. Falls ermittelt wird, dass die Voraussetzungen nicht erfüllt sind, kehrt die ECU 16 zu Schritt 110 zurück und ermittelt erneut, ob die Voraussetzungen erfüllt sind. Falls ermittelt wird, dass die Voraussetzungen erfüllt sind, schreitet die ECU 16 zu Schritt 120 voran.
Bei Schritt 120 integriert die ECU 16 den SO2-Reduktionsstrom. Die ECU 16 bringt insbesondere zunächst abwechselnd eine Spannung in dem Überstrombereich (0,6 V) und eine Spannung in dem Grenzstrombereich (0,3 V) zwischen den Elektroden 24 und 26 auf und erlangt Stromsignale, welche von dem A/F-Sensor 14 ausgegeben werden.
Anschließend erhält die ECU 16 die Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| von den erlangten Stromsignalen und addiert einen Wert, welcher durch Multiplizieren der Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| mit der Spannungs-Anwendungsphase (beispielsweise das Zeitintervall ausgehend davon, wenn 0,6 V aufgebracht wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn erneut 0,6 V aufgebracht werden) erhalten wird, zu dem vorhergehenden integrierten Wert.
Bei Schritt 120 ermittelt die ECU 16, ob die bei Schritt 120 erhaltene Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| die Beziehung „Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| ≤ Schwellenwert” erfüllt (Schritt 130). Bei dieser Ausführungsform ist der Schwellenwert auf null eingestellt. Falls die Beziehung „Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| ≤ Schwellenwert” erfüllt ist, kann ermittelt werden, dass der Betrag der Adsorption von SO₂ auf der Elektrodenoberfläche auf null (oder einen Wert nahe null) abgenommen hat. Daher schreitet die ECU 16 zu Schritt 140 voran. Falls Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| > Schwellenwert, kehrt die ECU 16 zu Schritt 120 zurück und integriert erneut den SO₂-Reduktionsstrom.
Nach Schritt 140 berechnet die ECU 16 die SO₂-Konzentration. Die ECU 16 berechnet insbesondere die SO₂-Konzentration um den Sensor aus dem integrierten Wert des SO₂-Reduktionsstroms, welcher bei Schritt 120 erhalten wurde, und dem Kennfeld in 7.
Nach Schritt 140 führt die ECU 16 die Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung für eine vorbestimmte Zeitphase durch. Die ECU 16 steuert insbesondere die vorstehend erwähnte Batterie-Leistungsquelle derart, um die Temperatur der Heizelemente 32 auf ein höheres Niveau als dieses zu einer herkömmlichen Zeit zu erhöhen. Zu der gleichen Zeit steuert die ECU 16 die vorstehend erwähnten Injektoren, um den Kraftstoff-Einspritzbetrag zu erhöhen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett zu machen.
Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der in 9 gezeigte Routine möglich, den integrierten Wert des SO₂-Reduktionsstroms zu erhalten und die SO₂-Konzentration um den Sensor zu berechnen. Zusätzlich ist es möglich, da die Schwefelvergiftungs-Wiederherstellungssteuerung für eine vorbestimmte Zeitphase durchgeführt wird, wenn die Beziehung „Stromwertdifferenz |I_0,6 – I_0,3| = 0” erfüllt ist, die Desorption von Schwefel (S), welcher infolge einer SO₂-Reduktionsreaktion erzeugt wurde, restlichem SO₂, welches nicht reduziert bleibt, usw. von der Elektrode 26 unmittelbar nach dem Abschluss der Erlangung von Stromwertdaten, welche für die Erfassung der SO₂-Konzentration notwendig sind, zu starten. Mit anderen Worten, der Schwefel auf der Elektrode 26 kann frühzeitig desorbiert werden, um die Genauigkeit der nächsten und der nachfolgenden Erfassungen der SO₂-Konzentration zu verbessern.
Bei der vorstehenden Ausführungsform kann der A/F-Sensor 14, welcher zum Zwecke der Erfassung des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingebaut ist, außerdem die SO₂-Konzentration erfassen. Mit anderen Worten, der A/F-Sensor 14 entspricht einem Sensor (Doppelfunktionssensor), welcher sowohl die SO₂-Konzentration als auch das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfassen kann. Der A/F-Sensor 14 kann jedoch ein Sensor sein (spezieller bzw. zweckgebundener Sensor), welcher dazu verwendet wird, um lediglich die SO₂-Konzentration zu erfassen. In diesem Fall ist zusätzlich zu dem A/F-Sensor 14 als ein zweckgebundener Sensor vorzugsweise ein A/F-Sensor eingebaut, welcher dazu verwendet wird, um das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erfassen.
Zusätzlich ist bei der vorstehenden Ausführungsform die Differenz |I_0,6 – I_0,3| zwischen dem Stromwert I_0,6, welcher fließt, wenn zwischen den Elektroden 24 und 26 0,6 V aufgebracht werden, und dem Stromwert I_0,3, welcher fließt, wenn zwischen den Elektronen 24 und 26 0,3 V aufgebracht werden, als „SO₂-Reduktionsstrom” definiert. Es ist jedoch selbstverständlich, dass 0,6 V und 0,3 V Werten entsprechen, welche lediglich zum Zwecke der Darstellung gezeigt sind. Mit anderen Worten, jedes Verfahren, welches die Differenz zwischen den Daten eines Stromwert, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Überstrombereich aufgebracht wird (Verlauf des Stromwerts), und den Daten eines Stromwerts, welcher fließt, wenn eine Spannung in dem Grenzstrombereich aufgebracht wird (Verlauf des Stromwert), verwendet, kann die SO₂-Konzentration in der gleichen Art und Weise, wie bei dieser Ausführungsform beschrieben, erfassen.
Bei der vorstehenden Ausführungsform entspricht der A/F-Sensor 14 dem „Sensor vom Grenzstrom-Typ” der vorstehend erwähnten ersten Erfindung, und 0,3 V und 0,6 V entsprechen der „Referenzspannung” bzw. der „SOx-Erfassungsspannung” bei der ersten Erfindung.
Zusätzlich ist die „SOx-Konzentrations-Erfassungseinrichtung” der vorstehend erwähnten ersten Erfindung durch die ECU 16 implementiert, welche eine Abfolge von Verarbeitungen ausführt, wie in 9 gezeigt. Zusätzlich entspricht die Elektrode 26 der „Erfassungselektrode” der vorstehend erwähnten zweiten Erfindung.
Bezugszeichenliste

10: Maschine
12: Abgasdurchlass
14: A/F-Sensor
16: ECU
20: Sensorelement
22: Festelektrolyt
24, 26: Elektrode
28: Luftkanal
30: Heizvorrichtungs-Basismaterial
32: Heizelement
34: Diffusionsschicht

Claims

SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung, aufweisend: einen Sensor vom Grenzstrom-Typ, welcher einen Festelektrolyt mit einer Oxidionenleitfähigkeit und ein Paar von Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolyten vorgesehen sind, enthält, und einen Grenzstrom entsprechend der Konzentration einer spezifischen Komponente in dem Abgas von einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt, wenn zwischen dem Paar von Elektroden eine vorbestimmte Spannung aufgebracht wird; und eine SOx-Konzentrations-Erfassungseinrichtung, welche eine Referenzspannung in einem Grenzstrombereich, welcher die vorbestimmte Spannung enthält, und eine SOx-Erfassungsspannung in einem höheren Spannungsbereich als dem Grenzstrombereich zwischen dem Paar von Elektroden aufbringt, wenn sich das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf Stöchiometrie auf der fetten Seite befindet, um einen SOx-Erfassungsausgang, welcher von dem Sensor ausgegeben wird, wenn die SOx-Erfassungsspannung aufgebracht wird, und einen Referenzausgang, welcher von dem Sensor ausgegeben wird, wenn die Referenzspannung aufgebracht wird, zu erlangen, und die SOx-Konzentration in dem Abgas von der Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung von Verläufen des SOx-Erfassungsausgangs und des Referenzausgangs erfasst, welche erzeugt werden, bevor die Ausgangsdifferenz zwischen dem SOx-Erfassungsausgang und dem Referenzausgang auf oder unter einen eingestellten Wert fällt.
SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Paar von Elektroden eine Erfassungselektrode enthält, welche auf einer Oberfläche des Festelektrolyten vorgesehen ist, die mit Abgas in Kontakt steht, und die Erfassungselektrode 0,1 bis 5,0 Gewichtsprozent (wt%) zumindest eines Metalls enthält, welches aus der Gruppe bestehend aus Erdalkalimetallen und Seltenerdmetallen ausgewählt ist.
SOx-Konzentrations-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die SOx-Konzentrations-Erfassungseinrichtung das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf die fettere Seite in Bezug auf Stöchiometrie steuert und den Sensor auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, bei welcher die auf dem Paar von Elektroden adsorbierten Schwefelkomponenten desorbiert werden können, wenn die Ausgangsdifferenz auf oder unter den eingestellten Wert fällt.