JP2011002308A - Apparatus and method for detecting ignition and flameout - Google Patents

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孝年 増井
Shigenori Onuma
重徳 尾沼
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ignition and flameout detection apparatus and an ignition and flameout detection method capable of improving detection accuracy of ignition and flameout of hydrocarbon fuel.SOLUTION: The ignition and flameout detection apparatus comprises both of an oxygen sensor for detecting the concentration of oxygen in a combustion chamber or in the downstream of the combustion chamber for combusting hydrocarbon fuel and a determination means for determining at least either ignition or flameout of the hydrocarbon fuel on the basis of the difference or a relative ratio between a first output value of the oxygen sensor at a first applied voltage to the oxygen sensor and a second output value of the oxygen sensor at a second applied voltage.

Description

本発明は、着失火検出装置および着失火検出方法に関する。   The present invention relates to a misfire detection apparatus and a misfire detection method.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

改質器と燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、空燃比センサの検出結果に基づいて空気導入バルブの開度を制御することによって、酸化剤供給量を排気管内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   In a fuel cell system including a reformer and a fuel cell, the amount of oxidant supplied is reduced in the exhaust pipe by controlling the opening of the air introduction valve based on the detection result of the air-fuel ratio sensor. Such a control technique is disclosed (for example, see Patent Document 1).

特開2006−331990号公報JP 2006-331990 A

しかしながら、起動時の着火状態の判断を酸素センサを用いて行うと、未燃炭化水素がセンサ上で分解反応を起こす。この場合、酸素濃度を正確に検出できないことがある。その結果、着火判断を誤るおそれがある。   However, if the ignition state at the time of startup is determined using an oxygen sensor, unburned hydrocarbons undergo a decomposition reaction on the sensor. In this case, the oxygen concentration may not be detected accurately. As a result, there is a risk of misjudgment.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ignition / misfire detection device and an ignition / fire detection method that can improve the accuracy of detection of misfire of a hydrocarbon fuel.

本発明に係る着火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサへの第1の印加電圧での酸素センサの第1出力値と第2の印加電圧での酸素センサの第2出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出装置においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。   An ignition detection device according to the present invention includes an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber, and a first oxygen sensor at a first applied voltage to the oxygen sensor. Determining means for determining at least one of ignition and misfiring of the hydrocarbon fuel based on a difference or relative ratio between the one output value and the second output value of the oxygen sensor at the second applied voltage. It is a feature. In the ignition / misfire detection device according to the present invention, since the difference or relative ratio of the output values of the plurality of applied voltages is used, it is possible to detect the ignition / misfire of the hydrocarbon fuel using the dissociation of hydrocarbons, The influence of changes over time can be avoided. Thereby, the ignition misfire detection accuracy of the hydrocarbon fuel can be improved.

判定手段は、第1出力値と第2出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。判定手段は、第1出力値および第2出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。   The determination means may determine that the hydrocarbon fuel has ignited when the absolute value of the difference between the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value. The determination means may determine that the hydrocarbon fuel has ignited when the relative ratio of the high output value to the low output value of the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value.

第1印加電圧および第2印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第1印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる1回目の電圧範囲の値であり、第2印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる2回目または3回目の電圧範囲の値であってもよい。   The first applied voltage and the second applied voltage may be values in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is a predetermined value or less. The first applied voltage is a value in the first voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is not more than a predetermined value when the applied voltage is increased from zero. The second applied voltage is the applied voltage. The slope of the output of the oxygen sensor with respect to may be a value in the second or third voltage range that becomes a predetermined value or less when the applied voltage is increased from zero.

第1印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第2印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。 The first applied voltage is a value in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value below the redox potential of H 2 O / H 2 and the redox potential of CO 2 / CO. Also good. The second applied voltage may be a value in a voltage range of at least one of a redox potential of H 2 O / H 2 and a redox potential of CO 2 / CO.

判定手段は、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。   The determination means may determine that the hydrocarbon fuel is not ignited when the oxygen sensor output is equal to or less than a predetermined value.

本発明に係る他の着失火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出装置においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。   Another ignition misfire detection device according to the present invention includes an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber, and carbonization when the output of the oxygen sensor is a predetermined value or less. Determination means for determining that the hydrogen fuel has not been ignited. In another ignition misfire detection apparatus according to the present invention, the dissociation of hydrocarbons in the oxygen sensor can be used. Thereby, the ignition misfire detection accuracy of the hydrocarbon fuel can be improved.

本発明に係る着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第1の印加電圧での酸素センサの第1出力値と第2の印加電圧での酸素センサの第2出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出方法においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。   The ignition / misfire detection method according to the present invention includes a first output value of an oxygen sensor at a first applied voltage to an oxygen sensor that detects an oxygen concentration in a combustion chamber or downstream of the combustion chamber for burning hydrocarbon fuel. A determination step of determining at least one of ignition and misfiring of the hydrocarbon fuel based on a difference or relative ratio with a second output value of the oxygen sensor at the second applied voltage. is there. In the ignition / misfire detection method according to the present invention, since the difference or relative ratio of the output values of a plurality of applied voltages is used, it is possible to detect the ignition / misfire of the hydrocarbon fuel using the dissociation of hydrocarbons, The influence of changes over time can be avoided. Thereby, the ignition misfire detection accuracy of the hydrocarbon fuel can be improved.

判定ステップは、第1出力値と第2出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。判定ステップは、第1出力値および第2出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。   The determination step may be a step of determining that the hydrocarbon fuel has ignited when the absolute value of the difference between the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value. The determination step may be a step of determining that the hydrocarbon fuel has ignited when the relative ratio of the high output value to the low output value of the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value.

第1印加電圧および第2印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第1印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる1回目の電圧範囲の値であり、第2印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる2回目または3回目の電圧範囲の値であってもよい。   The first applied voltage and the second applied voltage may be values in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is a predetermined value or less. The first applied voltage is a value in the first voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is not more than a predetermined value when the applied voltage is increased from zero. The second applied voltage is the applied voltage. The slope of the output of the oxygen sensor with respect to may be a value in the second or third voltage range that becomes a predetermined value or less when the applied voltage is increased from zero.

第1印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第2印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。 The first applied voltage is a value in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value below the redox potential of H 2 O / H 2 and the redox potential of CO 2 / CO. Also good. The second applied voltage may be a value in a voltage range of at least one of a redox potential of H 2 O / H 2 and a redox potential of CO 2 / CO.

判定ステップにおいて、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。   In the determination step, it may be determined that the hydrocarbon fuel is not ignited when the oxygen sensor output is equal to or less than a predetermined value.

本発明に係る他の着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出方法においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。   According to another ignition / ignition detection method according to the present invention, when the output of the oxygen sensor for detecting the oxygen concentration in the combustion chamber for burning the hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber is equal to or lower than a predetermined value, the hydrocarbon fuel is not used. And a determination step for determining that the ignition is performed. In another ignition misfire detection method according to the present invention, hydrocarbon dissociation in an oxygen sensor can be used. Thereby, the ignition misfire detection accuracy of the hydrocarbon fuel can be improved.

本発明によれば、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the misfire detection apparatus and the misfire detection method which can improve the misfire detection accuracy of a hydrocarbon fuel can be provided.

実施例1に係る着失火検出装置100の全体構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a misfire detection apparatus 100 according to a first embodiment. 炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ10の検出酸素濃度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 when the hydrocarbon fuel is ignited and when it is not ignited. 炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサの近傍に存在する物質、および酸素センサにおいて生じる反応式を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reaction formula which arises in the substance which exists in the vicinity of an oxygen sensor in the case of ignition of hydrocarbon fuel, and non-ignition, and an oxygen sensor. O/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位について説明するための図である。It is a diagram for explaining the redox potential of the redox potential and CO 2 / CO of H 2 O / H 2. 着火時におけるHO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位について説明するための図である。It is a diagram for explaining the redox potential of the redox potential and CO 2 / CO of H 2 O / H 2 at the time of ignition. 未着火時におけるHO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位について説明するための図である。It is a diagram for explaining the oxidation-reduction potential of the non-ignition redox H 2 O / H 2 at potential and CO 2 / CO. 着失火判定を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a misfire determination. 着失火判定のフローチャートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the flowchart of ignition / misfire determination. 着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the flowchart of ignition / misfire determination. 着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the flowchart of ignition / misfire determination. 着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the flowchart of ignition / misfire determination. 着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the flowchart of ignition / misfire determination. 実施例2に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図1は、実施例1に係る着失火検出装置100の全体構成を示す模式図である。後述する酸素センサ10について、模式的な断面が図示されている。図1に示すように、着失火検出装置100は、酸素センサ10、電流計20、センサ電源30、ヒータ電源40、および制御部50を備える。着失火検出装置100は、炭化水素燃料の着失火を検出する装置である。したがって、酸素センサ10は、炭化水素燃料の燃焼室内またはその排気管等に配置される。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a misfire detection apparatus 100 according to the first embodiment. A schematic cross section of an oxygen sensor 10 to be described later is shown. As shown in FIG. 1, the misfire detection apparatus 100 includes an oxygen sensor 10, an ammeter 20, a sensor power supply 30, a heater power supply 40, and a control unit 50. The misfire detection apparatus 100 is an apparatus that detects the misfire of a hydrocarbon fuel. Therefore, the oxygen sensor 10 is disposed in the combustion chamber of the hydrocarbon fuel or the exhaust pipe thereof.

酸素センサ10は、限界電流式酸素センサであって、電解質11の一面にアノード12が設けられ、電解質11の他面にカソード13が設けられ、細孔が形成された図示しない多孔質基板がカソード13を覆うように配置された構造を有する。電解質11には、ヒータ15が配置されている。   The oxygen sensor 10 is a limiting current type oxygen sensor, and an anode 12 is provided on one surface of the electrolyte 11, a cathode 13 is provided on the other surface of the electrolyte 11, and a porous substrate (not shown) in which pores are formed is a cathode. 13 is arranged so as to cover 13. A heater 15 is disposed on the electrolyte 11.

電解質11は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばイットリア添加の安定化ジルコニアからなる。アノード12およびカソード13は、触媒活性を有する材料からなり、例えば白金からなる。アノード12およびカソード13は、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電流計20およびセンサ電源30が設けられている。図示しない多孔質基板は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ15は、例えば白金薄膜等からなる。ヒータ15には、ヒータ電源40が接続されている。   The electrolyte 11 is made of an oxygen ion conductive electrolyte, for example, yttria-added stabilized zirconia. The anode 12 and the cathode 13 are made of a material having catalytic activity, for example, platinum. The anode 12 and the cathode 13 form an external circuit through wiring. In this external circuit, an ammeter 20 and a sensor power supply 30 are provided. A porous substrate (not shown) is made of, for example, porous alumina. The heater 15 is made of, for example, a platinum thin film. A heater power supply 40 is connected to the heater 15.

制御部50は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。制御部50は、電流計20の検出結果等に基づいて、センサ電源30およびヒータ電源40を制御する。また、制御部50は、電流計20の検出結果等に基づいて、炭化水素燃料の着失火判定を行う。   The control unit 50 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. The control unit 50 controls the sensor power supply 30 and the heater power supply 40 based on the detection result of the ammeter 20 and the like. Further, the control unit 50 determines whether or not the hydrocarbon fuel is ignited or misfired based on the detection result of the ammeter 20 or the like.

続いて、酸素センサ10による酸素濃度検出の概要について説明する。制御部50は、ヒータ電源40を制御して、ヒータ15に電力を供給する。それにより、電解質11が加熱される。電解質11の温度が所定値に到達した後、制御部50は、アノード12に印加される電圧がカソード13に印加される電圧に対して相対的にプラスになるようにセンサ電源30を制御する。アノード12およびカソード13に電圧が印加されると、下記式(1)に従って、カソード13において酸素が酸素イオンとなって電解質11を伝導する。アノード12においては、下記式(2)に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
+ 4e → 2O2− (1)
2O2− → O + 4e (2)
Next, an outline of oxygen concentration detection by the oxygen sensor 10 will be described. The control unit 50 controls the heater power supply 40 to supply power to the heater 15. Thereby, the electrolyte 11 is heated. After the temperature of the electrolyte 11 reaches a predetermined value, the control unit 50 controls the sensor power supply 30 so that the voltage applied to the anode 12 is relatively positive with respect to the voltage applied to the cathode 13. When voltage is applied to the anode 12 and the cathode 13, oxygen becomes oxygen ions in the cathode 13 and conducts through the electrolyte 11 according to the following formula (1). In the anode 12, oxygen ions become oxygen molecules according to the following formula (2).
O 2 + 4e → 2O 2− (1)
2O 2− → O 2 + 4e (2)

カソード13への酸素輸送量は、図示しない多孔質基板の細孔によって支配されるため、式(1)および式(2)の反応によって生じる電流(限界電流)は、図示しない多孔質基板の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、図示しない多孔質基板の外部の酸素濃度によって決まる。   Since the amount of oxygen transported to the cathode 13 is governed by the pores of the porous substrate (not shown), the current (limit current) generated by the reaction of the formulas (1) and (2) is the fineness of the porous substrate (not shown). It is determined by the oxygen gas diffusion amount in the hole. This oxygen gas diffusion amount is determined by the oxygen concentration outside the porous substrate (not shown).

制御部50は、電流計20の検出値に応じて酸素センサ10の出力電流を取得する。酸素センサ10の出力電流は雰囲気中酸素濃度に比例する。制御部50は、この比例関係に基づいて、酸素センサ10がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出する。   The control unit 50 acquires the output current of the oxygen sensor 10 according to the detection value of the ammeter 20. The output current of the oxygen sensor 10 is proportional to the oxygen concentration in the atmosphere. Based on this proportional relationship, the controller 50 detects the oxygen concentration of the atmosphere to which the oxygen sensor 10 is exposed.

ただし、炭化水素が未着火である場合には、酸素センサ10は、酸素濃度を正確に検出できなくなることがある。また、水蒸気(HO)および二酸化炭素(CO)の酸化還元電位と酸素センサ10への印加電圧との関係に応じて、酸素センサ10が検出する酸素濃度が変化する。以下、図2および図3を参照しつつ、炭化水素が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ10の検出酸素濃度について説明する。なお、以下の説明において、酸素センサ10への印加電圧とは、カソード13とアノード12との間の電位差を所定値に保つよう外部電源30により電圧を印加する場合の、この所定値のことである。 However, when the hydrocarbon is not ignited, the oxygen sensor 10 may not be able to accurately detect the oxygen concentration. Further, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 changes according to the relationship between the redox potential of water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) and the voltage applied to the oxygen sensor 10. Hereinafter, the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 when the hydrocarbon is ignited and when it is not ignited will be described with reference to FIGS. 2 and 3. In the following description, the voltage applied to the oxygen sensor 10 refers to this predetermined value when a voltage is applied by the external power source 30 so as to keep the potential difference between the cathode 13 and the anode 12 at a predetermined value. is there.

図2は、炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ10の検出酸素濃度を説明するための図である。図3は、炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサ10の近傍に存在する物質、および酸素センサ10において生じる反応式を説明するための図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 when the hydrocarbon fuel is ignited and when it is not ignited. FIG. 3 is a diagram for explaining the substances existing in the vicinity of the oxygen sensor 10 and the reaction formula generated in the oxygen sensor 10 when the hydrocarbon fuel is ignited and not ignited.

図2において、横軸は酸素センサ10への印加電圧を示し、縦軸は酸素センサ10の検出酸素濃度を示す。なお、上述したように、酸素センサ10の検出酸素濃度は、酸素センサ10の出力電流に比例する。図3(a)に示すように、燃焼室に、炭化水素燃料として2.5NL/minのメタン(CH)を供給し、酸化剤として40NL/minのエア(主としてO+N)を供給する場合について考える。 In FIG. 2, the horizontal axis indicates the voltage applied to the oxygen sensor 10, and the vertical axis indicates the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10. As described above, the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 is proportional to the output current of the oxygen sensor 10. As shown in FIG. 3 (a), 2.5 NL / min of methane (CH 4 ) is supplied to the combustion chamber as a hydrocarbon fuel, and 40 NL / min of air (mainly O 2 + N 2 ) is supplied as an oxidant. Think about the case.

炭化水素燃料が着火して完全燃焼すれば、図3(a)の比率の場合、雰囲気中の酸素濃度は10.8%程度となる。なお、実際には真の完全燃焼は期し難いため、酸素センサ10が検出する酸素濃度は10.8%からずれることもある。しかしながら、この酸素濃度のずれは無視できる程度であることから、本明細書においては考慮しない。   If the hydrocarbon fuel is ignited and completely burned, the oxygen concentration in the atmosphere is about 10.8% in the case of the ratio shown in FIG. In practice, since true complete combustion is difficult to expect, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 may deviate from 10.8%. However, since this difference in oxygen concentration is negligible, it is not considered in this specification.

酸素センサ10への印加電圧をゼロから増加させるに伴って、酸素センサ10の検出酸素濃度が大きくなり、酸素センサ10の検出酸素濃度がほぼ一定(印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下)になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第1範囲と称する。この電圧範囲は、酸素センサ10の限界電流域において現れる。この第1範囲においては、酸素センサ10は、雰囲気中の酸素濃度を正確に検出することができる。なお、一例として、第1範囲は、700℃において0.4V付近である。   As the applied voltage to the oxygen sensor 10 is increased from zero, the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 increases, and the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 is substantially constant (the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage). Appears in a voltage range where the value is less than or equal to a predetermined value. Hereinafter, this voltage range is referred to as a first range. This voltage range appears in the limiting current region of the oxygen sensor 10. In this first range, the oxygen sensor 10 can accurately detect the oxygen concentration in the atmosphere. As an example, the first range is around 0.4 V at 700 ° C.

酸素センサ10への印加電圧をHO/Hの酸化還元電位以上に増加させると、カソード13において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたHOのHへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質11を伝導するようになるため、酸素センサ10の検出酸素濃度が大きくなる。 Increasing the voltage applied to the oxygen sensor 10 in the above oxidation-reduction potential of H 2 O / H 2, at the cathode 13, the reduction reaction of the of H 2 O H 2 produced by the combustion of a hydrocarbon fuel occurs. Since oxygen ions generated by this reduction reaction are conducted through the electrolyte 11, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is increased.

さらに酸素センサ10への印加電圧を増加させると、カソード13へのHOの輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ10の検出酸素濃度がほぼ一定(印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下)になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第2範囲と称する。この第2範囲は、酸素センサ10への印加電圧がHO/Hの酸化還元電位以上かつCO/COの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、第2範囲は、一例として、700℃において0.8V付近である。また、カソード13近傍のHOが全て還元されるとすると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約12.2%になる。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 is further increased, the transport amount of H 2 O to the cathode 13 is governed by the pores of the porous substrate (not shown). As a result, a voltage range appears in which the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 is substantially constant (the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is equal to or less than a predetermined value). Hereinafter, this voltage range is referred to as a second range. This second range appears when the voltage applied to the oxygen sensor 10 is equal to or higher than the redox potential of H 2 O / H 2 and lower than the redox potential of CO 2 / CO. As an example, the second range is around 0.8 V at 700 ° C. If all the H 2 O in the vicinity of the cathode 13 is reduced, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 12.2%.

酸素センサ10への印加電圧をCO/COの酸化還元電位に増加させると、カソード13において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたCOのCOへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質11を伝導するようになるため、酸素センサ10の検出酸素濃度が大きくなる。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 is increased to the CO 2 / CO oxidation-reduction potential, a reduction reaction of CO 2 generated by combustion of hydrocarbon fuel to CO occurs at the cathode 13. Since oxygen ions generated by this reduction reaction are conducted through the electrolyte 11, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is increased.

さらに酸素センサ10への印加電圧を増加させると、カソード13へのCOの輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ10の検出酸素濃度がほぼ一定(印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下)になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第3範囲と称する。この第3範囲は、酸素センサ10への印加電圧がCO/COの酸化還元電位以上かつCO/Cの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、一例として、第3範囲は、700℃において1.1V付近である。また、カソード13近傍のCOが全てCOに還元されるとすると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約15.4%になる。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 is further increased, the transport amount of CO 2 to the cathode 13 is governed by the pores of the porous substrate (not shown). As a result, a voltage range appears in which the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 is substantially constant (the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is equal to or less than a predetermined value). Hereinafter, this voltage range is referred to as a third range. The third range is manifested when the voltage applied to the oxygen sensor 10 is less than the redox potential of the redox potential more and CO 2 / C in CO 2 / CO. As an example, the third range is around 1.1 V at 700 ° C. If all the CO 2 near the cathode 13 is reduced to CO, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 15.4%.

酸素センサ10への印加電圧をCO/Cの酸化還元電位に増加させると、カソード13において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたCOのCへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質11を伝導するようになるため、酸素センサ10の検出酸素濃度が大きくなる。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 is increased to the redox potential of CO 2 / C, a reduction reaction of CO 2 generated by combustion of hydrocarbon fuel to C occurs at the cathode 13. Since oxygen ions generated by this reduction reaction are conducted through the electrolyte 11, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is increased.

さらに酸素センサ10への印加電圧を増加させると、酸素センサ10の検出酸素濃度がほぼ一定(印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下)になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第4範囲と称する。この第4範囲は、酸素センサ10への印加電圧がCO/Cの酸化還元電位以上である場合に現れる。なお、この第4範囲においては、C(カーボン)が徐々に析出してカソード13を構成する白金と同様に電極の働きをする。この場合、みかけの電極面積が徐々に増えるため、第4範囲における酸素センサ10の検出酸素濃度はフラットにならずに徐々に増加する。一例として、第4範囲は、700℃において1.1V付近である。また、カソード13近傍のCOが全てCに還元されるとすると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約18.6%になる。 When the applied voltage to the oxygen sensor 10 is further increased, a voltage range appears in which the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 is substantially constant (the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is not more than a predetermined value). Hereinafter, this voltage range is referred to as a fourth range. The fourth range appears when the voltage applied to the oxygen sensor 10 is equal to or higher than the CO 2 / C oxidation-reduction potential. In this fourth range, C (carbon) gradually precipitates and functions as an electrode in the same manner as platinum constituting the cathode 13. In this case, since the apparent electrode area gradually increases, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 in the fourth range gradually increases without becoming flat. As an example, the fourth range is around 1.1 V at 700 ° C. If all the CO 2 in the vicinity of the cathode 13 is reduced to C, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 18.6%.

図3(b)〜図3(e)で説明されるように、酸素センサ10への印加電圧が変化すると、炭化水素燃料の燃焼によって生じた成分が酸素センサ10の検出酸素濃度に影響する。したがって、酸素センサ10への印加電圧に応じて、酸素センサ10が検出する酸素濃度が変動する。   As illustrated in FIGS. 3B to 3E, when the voltage applied to the oxygen sensor 10 changes, components generated by the combustion of the hydrocarbon fuel affect the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10. Therefore, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 varies according to the voltage applied to the oxygen sensor 10.

次に、炭化水素燃料が未着火である場合について説明する。炭化水素燃料が未着火であればエア中の酸素が消費されないため、雰囲気中の酸素濃度は約18.8%になるはずである。したがって、酸素センサ10による検出酸素濃度は着火時に比較して高くなるはずである。しかしながら、カソード13が触媒として機能して、炭化水素燃料がCとHとに解離する。カソード13で生じた酸素イオンとCおよびHとが結合するため、電解質11を伝導する酸素イオン量が低下する。その結果、酸素センサ10の検出酸素濃度と実際の雰囲気中酸素濃度との間に差異が生じる。 Next, a case where the hydrocarbon fuel is not ignited will be described. If the hydrocarbon fuel is not ignited, oxygen in the air is not consumed, so the oxygen concentration in the atmosphere should be about 18.8%. Therefore, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 should be higher than that at the time of ignition. However, the cathode 13 functions as a catalyst, and the hydrocarbon fuel is dissociated into C and H 2 . Since oxygen ions generated at the cathode 13 are combined with C and H 2 , the amount of oxygen ions conducted through the electrolyte 11 is reduced. As a result, a difference is generated between the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 and the actual oxygen concentration in the atmosphere.

酸素センサ10への印加電圧がHO/Hの酸化還元電位未満であれば、このCおよびHは、図3(f)に示すように、カソード13において酸素イオンと結合して酸化される。したがって、電解質11を伝導すべき酸素イオンが消費されてしまうことから、酸素センサ10の検出酸素濃度が着火時に比較して低下する。以上のことから、炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素燃料が着火した場合に比較して、酸素センサ10が検出する酸素濃度が低くなる。例えば、カソード13近傍のCおよびHが全て酸素イオンと反応すると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約5.2%になる。なお、未着火の場合においても、第1範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第1範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。 If the voltage applied to the oxygen sensor 10 is less than the redox potential of H 2 O / H 2 , the C and H 2 are combined with oxygen ions at the cathode 13 as shown in FIG. Is done. Accordingly, oxygen ions that should be conducted through the electrolyte 11 are consumed, so that the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is lower than that at the time of ignition. From the above, when the hydrocarbon fuel is not ignited, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is lower than when the hydrocarbon fuel is ignited. For example, when C and H 2 near the cathode 13 all react with oxygen ions, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 5.2%. Note that the first range appears even in the case of non-ignition. However, there may be a difference in voltage width and voltage value in the first range between ignition and non-ignition.

酸素センサ10への印加電圧がHO/Hの酸化還元電位以上かつCO/COの酸化還元電位未満になると、図3(g)に示すようにカソード13においてHOの還元反応が生じる。この場合、電解質11をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ10が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード13近傍のHOが全て還元されるとすると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約11.7%になる。なお、未着火の場合においても、第2範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第2範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 is equal to or higher than the redox potential of H 2 O / H 2 and lower than the redox potential of CO 2 / CO, the reduction reaction of H 2 O at the cathode 13 as shown in FIG. Occurs. In this case, more oxygen ions are conducted through the electrolyte 11. Thereby, the oxygen concentration which the oxygen sensor 10 detects becomes high. For example, if all the H 2 O in the vicinity of the cathode 13 is reduced, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 11.7%. Note that the second range appears even in the case of non-ignition. However, there may be a difference in the voltage width and voltage value in the second range between ignition and non-ignition.

酸素センサ10への印加電圧がCO/COの酸化還元電位以上になると、図3(h)に示すようにカソード13においてCOの還元反応が生じる。この場合、電解質11をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ10が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード13近傍のCOが全て還元されるとすると、酸素センサ10によって検出される酸素濃度は約18.8%になる。なお、未着火の場合においても、第3範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第3範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 becomes equal to or higher than the CO 2 / CO redox potential, a CO 2 reduction reaction occurs at the cathode 13 as shown in FIG. In this case, more oxygen ions are conducted through the electrolyte 11. Thereby, the oxygen concentration which the oxygen sensor 10 detects becomes high. For example, if all the CO 2 near the cathode 13 is reduced, the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is about 18.8%. Note that the third range appears even in the case of non-ignition. However, there may be a difference in voltage range and voltage value in the third range between ignition and non-ignition.

酸素センサ10への印加電圧がCO/Cの酸化還元電位以上になると、図3(i)に示すようにカソード13においてCOのCへの還元反応が生じる。それにより、酸素センサ10が検出する酸素濃度が高くなる。なお、未着火の場合においても、第4範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第4範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。 When the voltage applied to the oxygen sensor 10 becomes equal to or higher than the redox potential of CO 2 / C, a reduction reaction of CO 2 to C occurs at the cathode 13 as shown in FIG. Thereby, the oxygen concentration which the oxygen sensor 10 detects becomes high. Note that the fourth range appears even in the case of non-ignition. However, there may be a difference in the voltage width and voltage value in the fourth range between ignition and non-ignition.

以上のことから、炭化水素燃料未着火の第1範囲においては、炭化水素の解離によって生じたCおよびHの酸化に伴って電解質11を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ10の検出酸素濃度は、着火時に比較して低くなる。一方で、炭化水素燃料未着火の第3範囲および第4範囲においては炭化水素の解離によって生じたCおよびHが酸化しないため、酸素センサ10の検出酸素濃度は、着火時に比較して高くなる。この現象を利用すれば、酸素センサ10を用いて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。 From the above, in the first range where the hydrocarbon fuel has not been ignited, the amount of oxygen ions conducted through the electrolyte 11 decreases with the oxidation of C and H 2 caused by the dissociation of the hydrocarbon. The detected oxygen concentration of 10 is lower than that at the time of ignition. On the other hand, in the third range and the fourth range where the hydrocarbon fuel is not ignited, C and H 2 generated by the dissociation of hydrocarbons are not oxidized, so that the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is higher than that during ignition. . By utilizing this phenomenon, it is possible to determine whether the hydrocarbon fuel has been ignited or not ignited using the oxygen sensor 10.

以下、図4〜図6を参照しつつ、HO/Hの酸化還元電位、CO/COの酸化還元電位、およびCO/Cの酸化還元電位について説明する。図4〜図6において、横軸は温度(℃)を示し、左側の縦軸は酸化還元電位を示し、右側の縦軸は、左側から右側にかけて−logPO、log(PCO/PCO)、およびlog(PHO/PH)を示す。なお、POは酸素分圧、PCOは一酸化炭素分圧、PCOは二酸化炭素分圧、PHOは水蒸気分圧、PHは水素分圧を示す。また、図4〜図6は、電気化学便覧(丸善)電気化学会編P83から抜粋したものである。 Hereinafter, the redox potential of H 2 O / H 2 , the redox potential of CO 2 / CO, and the redox potential of CO 2 / C will be described with reference to FIGS. 4 to 6, the horizontal axis represents temperature (° C.), the left vertical axis represents the redox potential, the right vertical axis represents −logPO 2 , log (PCO 2 / PCO), And log (PH 2 O / PH 2 ). PO 2 represents oxygen partial pressure, PCO represents carbon monoxide partial pressure, PCO 2 represents carbon dioxide partial pressure, PH 2 O represents water vapor partial pressure, and PH 2 represents hydrogen partial pressure. 4 to 6 are excerpts from the Electrochemical Handbook (Maruzen) edited by the Electrochemical Society, P83.

図4においては、PHO:PHが1:1である場合のHO/Hの酸化還元電位直線、PCO:PCOが1:1である場合のCO/COの酸化還元電位直線、および、PCOが1atmである場合のCO/Cの酸化還元電位直線が示されている。HO/Hの酸化還元電位直線は、HO/Hの分圧比が1より大きいか小さいかを表す境界を示している。また、CO/COの酸化還元電位直線は、CO/COの分圧比が1より大きいか小さいかを表す境界を示している。 In FIG. 4, the redox potential line of H 2 O / H 2 when PH 2 O: PH 2 is 1: 1, and the redox potential of CO 2 / CO when PCO 2 : PCO is 1: 1. A potential line and a redox potential line of CO 2 / C when PCO 2 is 1 atm are shown. Redox potential linear H 2 O / H 2, the partial pressure ratio of H 2 O / H 2 indicates the boundary representing the one larger or smaller than. Further, the oxidation-reduction potential linear CO 2 / CO is the partial pressure ratio of CO 2 / CO indicates a boundary representing the one larger or smaller than.

O/Hの酸化還元電位直線はPHO:PHに応じて変化し、CO/COの酸化還元電位直線はPCO:PCOに応じて変化し、CO/Cの酸化還元電位直線はPCO/a(C)に応じて変化する。ここで、a(C)は、固体炭素の活量(=1)である。炭化水素燃料が着火した場合と未着火である場合とで、HO/Hの酸化還元電位直線、CO/COの酸化還元電位直線、およびCO/Cの酸化還元電位直線はそれぞれ変化する。 H 2 oxidation-reduction potential straight O / H 2 is PH 2 O: PH 2 changes according to, CO 2 / CO oxidation reduction potential straight PCO 2 of: changes according to the PCO, the oxidation of CO 2 / C The reduction potential line changes according to PCO 2 / a (C). Here, a (C) is the activity (= 1) of solid carbon. H 2 O / H 2 oxidation-reduction potential line, CO 2 / CO oxidation-reduction potential line, and CO 2 / C oxidation-reduction potential line when the hydrocarbon fuel is ignited and when not ignited, respectively. Change.

図5は、炭化水素燃料が着火した場合のHO/Hの酸化還元電位直線、CO/COの酸化還元電位直線、およびCO/Cの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が燃焼する場合には、雰囲気中にHおよびCOがほとんど存在しない。したがって、PHO/PHおよびPCO/PCOが大きくなる。図5においては、PHO:PHが4%:4ppm〜10%:0.1ppmである場合のHO/Hの酸化還元電位直線、および、PCO:PCOが4%:4000ppm〜4%:4ppmである場合のCO/COの酸化還元電位直線が図示されている。また、PCO:a(C)=1atm(100%):1〜PCO:a(C)=0.04atm(4%):1である場合のCO/Cの酸化還元電位が図示されている。 FIG. 5 is a diagram showing a redox potential line of H 2 O / H 2, a redox potential line of CO 2 / CO, and a redox potential of CO 2 / C when the hydrocarbon fuel is ignited. When hydrocarbon fuel burns, there is almost no H 2 and CO in the atmosphere. Therefore, PH 2 O / PH 2 and PCO 2 / PCO increase. In FIG. 5, the H 2 O / H 2 redox potential line when PH 2 O: PH 2 is 4%: 4 ppm to 10%: 0.1 ppm, and PCO 2 : PCO is 4%: 4000 ppm. The redox potential line for CO 2 / CO when ˜4%: 4 ppm is shown. Further, PCO 2: a (C) = 1atm (100%): 1~PCO 2: a (C) = 0.04atm (4%): redox potential of CO 2 / C in the case of 1 is shown ing.

図5の場合においては、700℃において、HO/Hの酸化還元電位は0.45V〜0.7V程度であり、CO/COの酸化還元電位は0.6V〜1V程度である。なお、図示は省略してあるが、700℃における酸素の酸化還元電位は、log(PO)=0〜−1であると想定した場合に、0V〜0.1V程度である。また、POが0.1%程度であれば、酸素の酸化還元電位は700℃において0.3V程度である。さらに、700℃において、CO分圧が1atm(100%)である場合のCO/Cの酸化還元電位は1.0V程度であり、CO分圧が0.04atm(4%)である場合のCO/Cの酸化還元電位は1.1V程度である。 In the case of FIG. 5, at 700 ° C., the redox potential of H 2 O / H 2 is about 0.45 V to 0.7 V, and the redox potential of CO 2 / CO is about 0.6 V to 1 V. . Although illustration is omitted, the oxidation-reduction potential of oxygen at 700 ° C. is about 0 V to 0.1 V when log (PO 2 ) = 0 to −1. If PO 2 is about 0.1%, the oxidation-reduction potential of oxygen is about 0.3 V at 700 ° C. Furthermore, at 700 ° C., the redox potential of CO 2 / C if the CO 2 partial pressure is 1 atm (100%) is about 1.0 V, CO 2 partial pressure is 0.04 atm (4%) In this case, the redox potential of CO 2 / C is about 1.1V.

図6は、炭化水素燃料が未着火である場合のHO/Hの酸化還元電位直線、CO/COの酸化還元電位直線、およびCO/Cの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素の解離によって、雰囲気中にHおよびCOが多く存在するようになる。したがって、PHO/PHおよびPCO/PCOが図5の場合に比較して小さくなる。図6においては、PHO:PHが3%:30%〜3%:300ppmである場合のHO/Hの酸化還元電位直線、および、PCO:PCOが0.1%:10%〜0.1%:100ppmである場合のCO/COの酸化還元電位直線が図示されている。また、PCO:a(C)=1atm(100%):1〜PCO:a(C)=0.0004atm(400ppm):1である場合のCO/Cの酸化還元電位が図示されている。 FIG. 6 is a diagram showing a redox potential line of H 2 O / H 2, a redox potential line of CO 2 / CO, and a redox potential of CO 2 / C when the hydrocarbon fuel is not ignited. . When the hydrocarbon fuel is not ignited, a large amount of H 2 and CO are present in the atmosphere due to dissociation of the hydrocarbon. Therefore, PH 2 O / PH 2 and PCO 2 / PCO are smaller than in the case of FIG. In FIG. 6, the H 2 O / H 2 redox potential line when PH 2 O: PH 2 is 3%: 30% to 3%: 300 ppm, and PCO 2 : PCO is 0.1%: The redox potential line of CO 2 / CO in the case of 10% to 0.1%: 100 ppm is shown. Further, PCO 2: a (C) = 1atm (100%): 1~PCO 2: a (C) = 0.0004atm (400ppm): redox potential of CO 2 / C in the case of 1 is shown Yes.

図6の場合においては、700℃において、HO/Hの酸化還元電位は0.8V〜1.2V程度であり、CO/COの酸化還元電位は0.9V〜1.3V程度である。なお、図示は省略してあるが、700℃における酸素の酸化還元電位は、log(PO)=0〜−1であると想定した場合に、0V〜0.1V程度である。さらに、700℃において、CO分圧が1atm(100%)である場合のCO/Cの酸化還元電位は1.0V程度であり、CO分圧が0.0004atm(400ppm)である場合のCO/Cの酸化還元電位は1.2V程度である。 In the case of FIG. 6, at 700 ° C., the redox potential of H 2 O / H 2 is about 0.8V to 1.2V, and the redox potential of CO 2 / CO is about 0.9V to 1.3V. It is. Although illustration is omitted, the oxidation-reduction potential of oxygen at 700 ° C. is about 0 V to 0.1 V when log (PO 2 ) = 0 to −1. Furthermore, at 700 ° C., when the CO 2 partial pressure is 1 atm (100%), the CO 2 / C redox potential is about 1.0 V, and the CO 2 partial pressure is 0.0004 atm (400 ppm). The redox potential of CO 2 / C is about 1.2V.

図4〜図6で説明したように、HO/Hの酸化還元電位、CO/COの酸化還元電位、およびCO/Cの酸化還元電位は、異なる値を持っている。図2に示した第2範囲、第3範囲、および第4範囲は、この酸化還元電位の差に起因して形成されるのである。 As described with reference to FIGS. 4 to 6, the redox potential of H 2 O / H 2 , the redox potential of CO 2 / CO, and the redox potential of CO 2 / C have different values. The second range, the third range, and the fourth range shown in FIG. 2 are formed due to this difference in redox potential.

ここで、燃焼室への炭化水素燃料供給量、エア供給量等をパラメータとして炭化水素燃料の着火時および未着火時の燃焼オフガス中の成分量を予測することができる。この予測に基づいて、図4〜図6で説明した手順で酸化還元電位を推定することができる。   Here, the amount of components in the combustion off-gas when the hydrocarbon fuel is ignited and not ignited can be predicted using the amount of hydrocarbon fuel supplied to the combustion chamber, the amount of air supplied, and the like as parameters. Based on this prediction, the oxidation-reduction potential can be estimated by the procedure described with reference to FIGS.

図2の曲線は、上述したように酸素の酸化還元電位、HO/Hの酸化還元電位、CO/COの酸化還元電位、およびCO/Cの酸化還元電位をパラメータとして描かれる曲線である。したがって、図2で説明した第1範囲〜第4範囲を、図4〜図6で推定される酸化還元電位に基づいて決定してもよい。また、酸素センサ10への印加電圧を増加させるにあたって、印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きがほぼゼロ(所定値以下)になる1回目の電圧範囲を第1範囲、2回目の電圧範囲を第2範囲、3回目の電圧範囲を第3範囲、4回目の電圧範囲を第4範囲と決定してもよい。 As described above, the curve in FIG. 2 is drawn using the oxygen redox potential, the H 2 O / H 2 redox potential, the CO 2 / CO redox potential, and the CO 2 / C redox potential as parameters. It is a curve. Therefore, you may determine the 1st range-4th range demonstrated in FIG. 2 based on the oxidation-reduction potential estimated in FIGS. Further, when increasing the applied voltage to the oxygen sensor 10, the first voltage range in which the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is almost zero (predetermined value or less) is the first range, the second voltage The range may be determined as the second range, the third voltage range as the third range, and the fourth voltage range as the fourth range.

続いて、着失火検出装置100による着失火判定について説明する。図2の着火時の酸素センサ10による検出酸素濃度の曲線は、あらかじめ炭化水素燃料を燃焼させることによって取得することができる。この曲線を基準曲線として用いることによって、炭化水素燃料が着火しているか未着火であるかを判定することができる。   Next, the misfire determination by the misfire detection apparatus 100 will be described. The curve of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 at the time of ignition in FIG. 2 can be obtained by burning hydrocarbon fuel in advance. By using this curve as a reference curve, it can be determined whether the hydrocarbon fuel is ignited or not ignited.

まず、炭化水素燃料未着火の第1範囲においては、炭化水素の解離によって生じたCおよびHの酸化に伴って電解質11を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ10による検出酸素濃度が着火時に比較して低くなる。したがって、酸素センサ10による検出酸素濃度が判定値(着火時の第1範囲における検出酸素濃度未満の値)以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。例えば、図7に示す判定値をあらかじめ設定しておくことによって、酸素センサ10による検出酸素濃度が判定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。この判定値は、例えば、酸素センサ10への印加電圧が第1範囲内である場合に設定することができる。 First, in the first range in which the hydrocarbon fuel is not ignited, the amount of oxygen ions conducted through the electrolyte 11 decreases with the oxidation of C and H 2 caused by the dissociation of hydrocarbons. The oxygen concentration is lower than that during ignition. Therefore, it is possible to determine that the hydrocarbon fuel is not ignited when the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is equal to or less than a determination value (a value less than the detection oxygen concentration in the first range at the time of ignition). For example, by setting the determination value shown in FIG. 7 in advance, when the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is equal to or lower than the determination value, it can be determined that the hydrocarbon fuel is not ignited. This determination value can be set, for example, when the voltage applied to the oxygen sensor 10 is within the first range.

この場合のフローチャートの一例を図8に示す。まず、制御部50は、センサ電源30を制御して、酸素センサ10への印加電圧を第1範囲まで増加させる(ステップS1)。次に、制御部50は、酸素センサ10による検出酸素濃度が判定値以下であるか否かを判定する(ステップS2)。ステップS2において検出酸素濃度が判定値以下であると判定された場合、制御部50は、炭化水素燃料が未着火であると判定する(ステップS3)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。ステップS2において検出酸素濃度が判定値以下であると判定されなかった場合、制御部50は、炭化水素燃料が着火したと判定する(ステップS4)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。   An example of a flowchart in this case is shown in FIG. First, the control unit 50 controls the sensor power supply 30 to increase the voltage applied to the oxygen sensor 10 to the first range (step S1). Next, the control unit 50 determines whether or not the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 is equal to or less than a determination value (step S2). When it is determined in step S2 that the detected oxygen concentration is equal to or lower than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel is not ignited (step S3). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart. When it is not determined in step S2 that the detected oxygen concentration is equal to or lower than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has ignited (step S4). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

図8のフローチャートによれば、酸素センサ10の検出酸素濃度の高低に応じて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。なお、ステップS1において、酸素センサ10への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる1回目の電圧範囲を第1範囲としてもよく、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位未満の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第1範囲としてもよい。 According to the flowchart of FIG. 8, it is possible to determine whether the hydrocarbon fuel has been ignited or not ignited according to the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10. In step S1, the first voltage range in which the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is not more than a predetermined value by increasing the voltage applied to the oxygen sensor 10 from zero may be set as the first range. The voltage range in which the slope of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is equal to or less than a predetermined value in the voltage range below the redox potential of H 2 O / H 2 and the CO 2 / CO redox potential is defined as the first range. Also good.

また、第1範囲における検出酸素濃度と第3範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図7において、炭化水素燃料着火時における第3範囲の検出酸素濃度C3と第1範囲の検出酸素濃度C1との差を差分D1とする。炭化水素燃料未着火時における第3範囲の検出酸素濃度C3’と第1範囲の検出酸素濃度C1’との差を差分D2とする。この場合、差分D1<差分D2の関係が得られる。したがって、第1範囲および第3範囲の酸素センサ10の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   It is also possible to determine whether the hydrocarbon fuel has been ignited or not ignited based on the difference between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the third range. In FIG. 7, the difference between the detected oxygen concentration C3 in the third range and the detected oxygen concentration C1 in the first range at the time of hydrocarbon fuel ignition is defined as a difference D1. The difference between the detected oxygen concentration C3 'in the third range and the detected oxygen concentration C1' in the first range when the hydrocarbon fuel is not ignited is defined as a difference D2. In this case, a relationship of difference D1 <difference D2 is obtained. Therefore, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on the difference between the oxygen concentrations detected by the oxygen sensor 10 in the first range and the third range.

この場合のフローチャートの一例を図9に示す。まず、制御部50は、酸素センサ10への印加電圧を第3範囲まで増加させる(ステップS11)。次に、制御部50は、酸素センサ10によって検出される第3範囲における検出酸素濃度と第1範囲における検出酸素濃度との差分Xが判定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS12)。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分D1以上の値を用いることができる。   An example of a flowchart in this case is shown in FIG. First, the control unit 50 increases the voltage applied to the oxygen sensor 10 to the third range (step S11). Next, the control unit 50 determines whether or not the difference X between the detected oxygen concentration in the third range detected by the oxygen sensor 10 and the detected oxygen concentration in the first range is greater than the determination value (step S12). . In addition, as the determination value in this case, a value greater than or equal to the difference D1 measured in advance can be used.

ステップS12において差分Xが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部50は、炭化水素燃料が未着火であると判定する(ステップS13)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。ステップS12において差分Xが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部50は、炭化水素燃料が着火したと判定する(ステップS14)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。   When it is determined in step S12 that the difference X is larger than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has not been ignited (step S13). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart. When it is not determined in step S12 that the difference X is larger than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has ignited (step S14). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

図9のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ10の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ10の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。   According to the flowchart of FIG. 9, it is possible to determine whether the hydrocarbon fuel has been ignited or not ignited based on the difference between the output values of the oxygen sensor 10 with respect to a plurality of types of applied voltages. In this case, there is an advantage that the influence of the change over time can be avoided as compared with the method using the absolute value of the output value of the oxygen sensor 10.

なお、図9と同様のフローチャートを用いて、第1範囲における検出酸素濃度と第2範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップS11において、酸素センサ10への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる3回目の電圧範囲を第3範囲としてもよく、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第3範囲としてもよい。 Note that the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can also be determined based on the difference between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the second range using the same flowchart as in FIG. In step S11, the third voltage range may be set such that the voltage applied to the oxygen sensor 10 is increased from zero, and the third voltage range in which the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage falls below a predetermined value. A voltage range in which the slope of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is equal to or less than a predetermined value in a voltage range equal to or higher than the redox potential of H 2 O / H 2 and the redox potential of CO 2 / CO is defined as a third range. Also good.

また、第1範囲における検出酸素濃度と第3範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図7において、炭化水素燃料着火時における第3範囲の検出酸素濃度C3の第1範囲の検出酸素濃度C1に対する相対比を相対比R1(=C3/C1)とする。炭化水素燃料未着火時における第3範囲の検出酸素濃度C3’の第1範囲の検出酸素濃度C1’に対する相対比を相対比R2(=C3’/C1’)とする。この場合、相対比R1<相対比R2の関係が得られる。したがって、第1範囲および第3範囲の酸素センサ10の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   Moreover, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on a relative ratio between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the third range. In FIG. 7, the relative ratio of the detected oxygen concentration C3 in the third range to the detected oxygen concentration C1 in the first range at the time of hydrocarbon fuel ignition is a relative ratio R1 (= C3 / C1). The relative ratio of the detected oxygen concentration C3 'in the third range to the detected oxygen concentration C1' in the first range when the hydrocarbon fuel is not ignited is a relative ratio R2 (= C3 '/ C1'). In this case, the relationship of relative ratio R1 <relative ratio R2 is obtained. Therefore, the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on the relative ratio of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 in the first range and the third range.

この場合のフローチャートの一例を図10に示す。まず、制御部50は、酸素センサ10への印加電圧を第3範囲まで増加させる(ステップS21)。次に、制御部50は、酸素センサ10によって検出される第3範囲における検出酸素濃度の第1範囲における検出酸素濃度に対する相対比Yが判定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS22)。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比R1以上の値を用いることができる。   An example of a flowchart in this case is shown in FIG. First, the control unit 50 increases the voltage applied to the oxygen sensor 10 to the third range (step S21). Next, the control unit 50 determines whether or not the relative ratio Y of the detected oxygen concentration in the third range detected by the oxygen sensor 10 to the detected oxygen concentration in the first range is larger than the determination value (step S22). . In addition, as the determination value in this case, a value that is measured in advance with a relative ratio R1 or more can be used.

ステップS22において相対比Yが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部50は、炭化水素燃料が未着火であると判定する(ステップS23)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。ステップS22において相対比Yが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部50は、炭化水素燃料が着火したと判定する(ステップS24)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。   When it is determined in step S22 that the relative ratio Y is greater than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has not been ignited (step S23). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart. When it is not determined in step S22 that the relative ratio Y is greater than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has ignited (step S24). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

図10のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ10の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ10の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図10と同様のフローチャートを用いて、第1範囲における検出酸素濃度と第2範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。   According to the flowchart of FIG. 10, ignition and non-ignition of hydrocarbon fuel can be determined based on the relative ratio of the output value of the oxygen sensor 10 to a plurality of types of applied voltages. In this case, there is an advantage that the influence of the change over time can be avoided as compared with the method using the absolute value of the output value of the oxygen sensor 10. Note that the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can also be determined based on the relative ratio between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the second range, using the same flowchart as in FIG.

また、第1範囲における検出酸素濃度と第4範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図7において、炭化水素燃料着火時における第4範囲の検出酸素濃度C4と第1範囲の検出酸素濃度C1との差を差分d1とする。炭化水素燃料未着火時における第4範囲の検出酸素濃度C4’と第1範囲の検出酸素濃度C1’との差を差分d2とする。この場合、差分d1<差分d2の関係が得られる。したがって、第1範囲および第4範囲の酸素センサ10の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   Further, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on the difference between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the fourth range. In FIG. 7, the difference between the detected oxygen concentration C4 in the fourth range and the detected oxygen concentration C1 in the first range at the time of hydrocarbon fuel ignition is defined as a difference d1. The difference between the detected oxygen concentration C4 'in the fourth range and the detected oxygen concentration C1' in the first range when the hydrocarbon fuel is not ignited is defined as a difference d2. In this case, a relationship of difference d1 <difference d2 is obtained. Therefore, it is possible to determine whether the hydrocarbon fuel has been ignited or not ignited based on the difference between the oxygen concentrations detected by the oxygen sensor 10 in the first range and the fourth range.

この場合のフローチャートの一例を図11に示す。まず、制御部50は、酸素センサ10への印加電圧を第4範囲まで増加させる(ステップS31)。次に、制御部50は、酸素センサ10によって検出される第4範囲における検出酸素濃度と第1範囲における検出酸素濃度との差分Xが判定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS42)。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分d1以上の値を用いることができる。   An example of a flowchart in this case is shown in FIG. First, the control unit 50 increases the voltage applied to the oxygen sensor 10 to the fourth range (step S31). Next, the control unit 50 determines whether or not the difference X between the detected oxygen concentration in the fourth range detected by the oxygen sensor 10 and the detected oxygen concentration in the first range is larger than the determination value (step S42). . In addition, as the determination value in this case, a value greater than or equal to the difference d1 measured in advance can be used.

ステップS32において差分Xが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部50は、炭化水素燃料が未着火であると判定する(ステップS33)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。ステップS32において差分Xが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部50は、炭化水素燃料が着火したと判定する(ステップS34)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。   When it is determined in step S32 that the difference X is larger than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has not been ignited (step S33). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart. When it is not determined in step S32 that the difference X is greater than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has ignited (step S34). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

図11のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ10の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ10の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。   According to the flowchart of FIG. 11, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on the difference between the output values of the oxygen sensor 10 with respect to a plurality of types of applied voltages. In this case, there is an advantage that the influence of the change over time can be avoided as compared with the method using the absolute value of the output value of the oxygen sensor 10.

なお、図11と同様のフローチャートを用いて、第1範囲における検出酸素濃度と第2範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップS31において、酸素センサ10への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる4回目の電圧範囲を第4範囲としてもよく、HO/Hの酸化還元電位、CO/COの酸化還元電位、およびCO/Cの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ10の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第4範囲としてもよい。 Note that the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can also be determined based on the difference between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the second range using the same flowchart as in FIG. In step S31, the fourth voltage range in which the slope of the detected oxygen concentration of the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage is less than a predetermined value by increasing the voltage applied to the oxygen sensor 10 from zero may be set as the fourth range. , The slope of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 with respect to the applied voltage in a voltage range equal to or higher than the redox potential of H 2 O / H 2, the redox potential of CO 2 / CO, and the redox potential of CO 2 / C. The following voltage range may be the fourth range.

また、第1範囲における検出酸素濃度と第4範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図7において、炭化水素燃料着火時における第4範囲の検出酸素濃度C4の第1範囲の検出酸素濃度C1に対する相対比を相対比r1(=C4/C1)とする。炭化水素燃料未着火時における第4範囲の検出酸素濃度C4’の第1範囲の検出酸素濃度C1’に対する相対比を相対比r2(=C4’/C1’)とする。この場合、相対比r1<相対比r2の関係が得られる。したがって、第1範囲および第4範囲の酸素センサ10の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   Moreover, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can also be determined based on the relative ratio between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the fourth range. In FIG. 7, the relative ratio of the detected oxygen concentration C4 in the fourth range to the detected oxygen concentration C1 in the first range at the time of hydrocarbon fuel ignition is a relative ratio r1 (= C4 / C1). The relative ratio of the detected oxygen concentration C4 'in the fourth range to the detected oxygen concentration C1' in the first range when the hydrocarbon fuel is not ignited is a relative ratio r2 (= C4 '/ C1'). In this case, the relationship of relative ratio r1 <relative ratio r2 is obtained. Therefore, the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined based on the relative ratio of the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10 in the first range and the fourth range.

この場合のフローチャートの一例を図12に示す。まず、制御部50は、酸素センサ10への印加電圧を第4範囲まで増加させる(ステップS41)。次に、制御部50は、酸素センサ10によって検出される第4範囲における検出酸素濃度の第1範囲における検出酸素濃度に対する相対比Yが判定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS42)。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比r1以上の値を用いることができる。   An example of a flowchart in this case is shown in FIG. First, the control unit 50 increases the voltage applied to the oxygen sensor 10 to the fourth range (step S41). Next, the control unit 50 determines whether or not the relative ratio Y of the detected oxygen concentration in the fourth range detected by the oxygen sensor 10 to the detected oxygen concentration in the first range is larger than the determination value (step S42). . In this case, as the determination value, a value measured in advance with a relative ratio r1 or more can be used.

ステップS42において相対比Yが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部50は、炭化水素燃料が未着火であると判定する(ステップS43)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。ステップS42において相対比Yが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部50は、炭化水素燃料が着火したと判定する(ステップS44)。その後、制御部50は、フローチャートの実行を終了する。   When it is determined in step S42 that the relative ratio Y is greater than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has not been ignited (step S43). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart. When it is not determined in step S42 that the relative ratio Y is greater than the determination value, the control unit 50 determines that the hydrocarbon fuel has ignited (step S44). Thereafter, the control unit 50 ends the execution of the flowchart.

図12のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ10の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ10の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図12と同様のフローチャートを用いて、第1範囲における検出酸素濃度と第2範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。   According to the flowchart of FIG. 12, ignition and non-ignition of hydrocarbon fuel can be determined based on the relative ratio of the output value of the oxygen sensor 10 to a plurality of types of applied voltages. In this case, there is an advantage that the influence of the change over time can be avoided as compared with the method using the absolute value of the output value of the oxygen sensor 10. Note that the ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can also be determined based on the relative ratio between the detected oxygen concentration in the first range and the detected oxygen concentration in the second range, using the same flowchart as in FIG.

以上のように、本実施例においては、酸素センサ10の検出酸素濃度に応じて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この判定は、酸素センサ10の触媒機能によって炭化水素燃料が解離する現象に着目することによって初めて可能になったものである。さらに、酸素センサ10への印加電圧とHO/Hの酸化還元電位、CO/COの酸化還元電位、およびCO/Cの酸化還元電位との関係に起因して酸素センサ10の検出酸素濃度が複数段階に増加する現象に着目することによって、より正確に炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができるのである。 As described above, in the present embodiment, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined according to the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 10. This determination is made possible for the first time by paying attention to the phenomenon in which the hydrocarbon fuel is dissociated by the catalytic function of the oxygen sensor 10. Furthermore, due to the relationship between the voltage applied to the oxygen sensor 10 and the redox potential of H 2 O / H 2 , the redox potential of CO 2 / CO, and the redox potential of CO 2 / C, By paying attention to the phenomenon that the detected oxygen concentration increases in a plurality of stages, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined more accurately.

なお、図4〜図6で説明したように、HO/Hの酸化還元電位はPHO:PHに支配され、CO/COの酸化還元電位はPCO:PCOに支配される。そのため、PHO:PHおよびPCO:PCOの比率によっては、HO/Hの酸化還元電位がCO/COの酸化還元電位よりも高くなることもある。この場合には、第2範囲がCO/COの酸化還元電位以上かつHO/Hの酸化還元電位未満の電圧範囲において現れ、第3範囲がHO/Hの酸化還元電位以上の電圧範囲において現れることになる。 As described in FIGS. 4 to 6, the redox potential of H 2 O / H 2 is PH 2 O: dominated by PH 2, the redox potential of CO 2 / CO is PCO 2: dominated by PCO The Therefore, depending on the ratio of PH 2 O: PH 2 and PCO 2 : PCO, the redox potential of H 2 O / H 2 may be higher than the redox potential of CO 2 / CO. In this case, the second range appears in a voltage range that is greater than or equal to the CO 2 / CO redox potential and less than the H 2 O / H 2 redox potential, and the third range is the H 2 O / H 2 redox potential. It appears in the above voltage range.

また、本実施例においては炭化水素燃料としてメタンを用いたが、それに限られない。メタン以外の炭化水素燃料、例えば都市ガス、プロパンガス、灯油、ガソリン、軽油等を用いても、上記手順に従って、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   In this embodiment, methane is used as the hydrocarbon fuel, but the present invention is not limited to this. Even when a hydrocarbon fuel other than methane, for example, city gas, propane gas, kerosene, gasoline, light oil, or the like is used, ignition and non-ignition of the hydrocarbon fuel can be determined according to the above procedure.

続いて、着失火検出装置を燃料電池システムに適用した例について説明する。図13は、実施例2係る燃料電池システム200の全体構成を示す模式図である。図13に示すように、燃料電池システム200は、制御部110、燃料ポンプ121、改質水供給部130、エアポンプ140a,140b、改質器150、燃料電池160および酸素センサ170を備える。本実施例においては、燃料電池160として、例えば、固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いることができる。また、酸素センサ170は、実施例1に係る酸素センサ10と同様の構造を有する。   Next, an example in which the ignition / fire detection apparatus is applied to a fuel cell system will be described. FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system 200 according to the second embodiment. As shown in FIG. 13, the fuel cell system 200 includes a control unit 110, a fuel pump 121, a reforming water supply unit 130, air pumps 140a and 140b, a reformer 150, a fuel cell 160, and an oxygen sensor 170. In the present embodiment, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) can be used as the fuel cell 160. The oxygen sensor 170 has the same structure as the oxygen sensor 10 according to the first embodiment.

改質燃料供給部120は、燃料ポンプ121および燃料流量計122を備える。改質水供給部130は、熱交換器131、凝縮水タンク132および改質水ポンプ133を備える。改質器150は、改質部151、燃焼室152および着火手段153を備える。燃料電池160は、カソード161およびアノード162を備え、カソード161とアノード162との間に酸素イオン伝導性電解質を備える。   The reformed fuel supply unit 120 includes a fuel pump 121 and a fuel flow meter 122. The reforming water supply unit 130 includes a heat exchanger 131, a condensed water tank 132, and a reforming water pump 133. The reformer 150 includes a reforming unit 151, a combustion chamber 152, and ignition means 153. The fuel cell 160 includes a cathode 161 and an anode 162, and an oxygen ion conductive electrolyte between the cathode 161 and the anode 162.

制御部110は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。制御部110は、燃料流量計122および酸素センサ170から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム200の各部を制御する。   The control unit 110 includes a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and the like. The control unit 110 controls each part of the fuel cell system 200 based on detection results given from the fuel flow meter 122 and the oxygen sensor 170.

燃料ポンプ121は、制御部110の指示に従って、改質燃料タンクに貯蔵されている改質燃料または、ガス配管から供給される都市ガス、灯油等を改質部151に供給するポンプである。熱交換器131は、水道水と燃焼室152からの排気ガスとの熱交換を行う。凝縮水タンク132は、燃焼室152からの排気ガスの凝縮水を貯蔵するタンクである。改質水ポンプ133は、制御部110の指示に従って、凝縮水タンク132に貯蔵されている凝縮水を改質水として改質部151に供給するポンプである。   The fuel pump 121 is a pump that supplies reformed fuel stored in the reformed fuel tank or city gas, kerosene, and the like supplied from the gas pipe to the reforming unit 151 in accordance with an instruction from the control unit 110. The heat exchanger 131 performs heat exchange between the tap water and the exhaust gas from the combustion chamber 152. The condensed water tank 132 is a tank that stores condensed water of exhaust gas from the combustion chamber 152. The reforming water pump 133 is a pump that supplies condensed water stored in the condensed water tank 132 to the reforming unit 151 as reforming water in accordance with an instruction from the control unit 110.

改質部151においては、燃料ポンプ121からの改質燃料とエアポンプ140aからのエアとから、部分酸化反応により、水素を含有する改質ガスが生成される。改質器150の暖機後は、燃料ポンプ121からの改質燃料と改質水ポンプ133からの水蒸気とから、水蒸気改質反応により、改質ガスが生成される。   In the reforming unit 151, a reformed gas containing hydrogen is generated from the reformed fuel from the fuel pump 121 and the air from the air pump 140a by a partial oxidation reaction. After the reformer 150 is warmed up, reformed gas is generated from the reformed fuel from the fuel pump 121 and the steam from the reformed water pump 133 by a steam reforming reaction.

エアポンプ140bは、制御部110の指示に従って、必要量のエアをカソード161に供給する。カソード161においては、エア中の酸素が酸素イオンに変換される。カソード161において酸素イオンに変換されなかった酸素は、カソードオフガスとして燃焼室152に供給される。   The air pump 140 b supplies a necessary amount of air to the cathode 161 in accordance with an instruction from the control unit 110. At the cathode 161, oxygen in the air is converted into oxygen ions. Oxygen that has not been converted into oxygen ions at the cathode 161 is supplied to the combustion chamber 152 as cathode offgas.

改質部151において生成された改質ガスは、アノード162に供給される。アノード162においては、カソード161において変換された酸素イオンとアノード162に供給された水素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池160において発生する熱によって水蒸気となる。アノード162において発生した水蒸気、酸素イオンと反応しなかった水素、ならびに、改質部151において反応しなかった水素を含む改質ガス、ならびに、改質部151において反応しなかった炭化水素、CO、COおよび水蒸気は、アノードオフガスとして燃焼室152に供給される。 The reformed gas generated in the reforming unit 151 is supplied to the anode 162. In the anode 162, water is generated and electric power is generated from the oxygen ions converted in the cathode 161 and the hydrogen supplied to the anode 162. The generated electric power is used for a load such as a motor (not shown). The generated water becomes water vapor by the heat generated in the fuel cell 160. Water vapor generated at the anode 162, hydrogen that did not react with oxygen ions, reformed gas containing hydrogen that did not react with the reforming unit 151, hydrocarbons that did not react with the reforming unit 151, CO, CO 2 and water vapor are supplied to the combustion chamber 152 as anode off gas.

燃焼室152においては、アノードオフガスおよびカソードオフガスが供給される。着火手段153は、制御部110の指示に従って、アノードオフガスに含まれる可燃成分に着火させる。この場合、カソードオフガスが酸素源として用いられる。燃焼室152における燃焼反応による燃焼熱は、改質部151における水蒸気改質反応に利用される。燃焼反応によって発生する排気ガスは、外部に排出される。酸素センサ170は、燃焼室152内または燃焼室152より下流側の酸素濃度を検出する。   In the combustion chamber 152, anode off-gas and cathode off-gas are supplied. The ignition means 153 ignites the combustible component contained in the anode off gas according to the instruction from the control unit 110. In this case, the cathode off gas is used as the oxygen source. The combustion heat by the combustion reaction in the combustion chamber 152 is used for the steam reforming reaction in the reforming section 151. Exhaust gas generated by the combustion reaction is discharged to the outside. The oxygen sensor 170 detects the oxygen concentration in the combustion chamber 152 or on the downstream side of the combustion chamber 152.

本実施例においても、制御部110は、酸素センサ170の検出酸素濃度に基づいて、燃焼室152における炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。   Also in the present embodiment, the control unit 110 can determine whether the hydrocarbon fuel is ignited or not ignited in the combustion chamber 152 based on the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 170.

ここで、燃料電池160においては、アノードで水が生成される。したがって、アノードオフガスに水分が含まれることになる。燃焼室152には燃料としてアノードオフガスが供給されることから、燃焼室152からの排気ガスにも水蒸気が含まれる。この場合、温度センサを用いて着火および未着火を判定しようとすると、温度センサの検出値に誤差が生じるおそれがある。例えば、温度センサ付近の水蒸気量が多くなるほど、燃焼比温度上昇が遅くなる。したがって、着火検出の応答性が低下することになる。   Here, in the fuel cell 160, water is generated at the anode. Therefore, moisture is contained in the anode off gas. Since the anode off-gas is supplied as fuel to the combustion chamber 152, the exhaust gas from the combustion chamber 152 also contains water vapor. In this case, if an attempt is made to determine ignition and non-ignition using a temperature sensor, there is a possibility that an error occurs in the detection value of the temperature sensor. For example, the higher the amount of water vapor in the vicinity of the temperature sensor, the slower the combustion specific temperature rise. Therefore, the responsiveness of ignition detection is reduced.

しかしながら、本実施例のように酸素センサ170の検出酸素濃度に基づいて燃料の着火および失火を判定することによって、水蒸気濃度の影響を回避することができる。したがって、水蒸気が流入する燃焼装置に対して、本発明の効果が特に大きくなる。なお、本実施例においては一例として酸素イオン伝導性電解質を備える燃料電池を用いたが、プロトン伝導性電解質を備える燃料電池を用いてもよい。   However, the influence of the water vapor concentration can be avoided by determining the ignition and misfire of the fuel based on the oxygen concentration detected by the oxygen sensor 170 as in this embodiment. Therefore, the effect of the present invention is particularly great for a combustion apparatus into which water vapor flows. In the present embodiment, a fuel cell including an oxygen ion conductive electrolyte is used as an example, but a fuel cell including a proton conductive electrolyte may be used.

10 酸素センサ
11 電解質
12 アノード
13カソード
14 カバー
20 電流計
30 センサ電源
50 制御部
100 着失火検出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Oxygen sensor 11 Electrolyte 12 Anode 13 Cathode 14 Cover 20 Ammeter 30 Sensor power supply 50 Control part 100 Light misfire detection apparatus

Claims (18)

炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサへの第1の印加電圧での前記酸素センサの第1出力値と第2の印加電圧での前記酸素センサの第2出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
An oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber;
Based on the difference or relative ratio between the first output value of the oxygen sensor at a first applied voltage to the oxygen sensor and the second output value of the oxygen sensor at a second applied voltage. And a determination unit that determines at least one of ignition and misfire.
前記判定手段は、前記第1出力値と前記第2出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項1記載の着失火検出装置。   The said determination means determines that the said hydrocarbon fuel has ignited when the absolute value of the difference of the said 1st output value and the said 2nd output value is below a predetermined value. Misfire detection device. 前記判定手段は、前記第1出力値および前記第2出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項1記載の着失火検出装置。   The determination means determines that the hydrocarbon fuel has ignited when a relative ratio of a high output value to a low output value of the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value. The misfire detection apparatus according to claim 1. 前記第1印加電圧および前記第2印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の着失火検出装置。   The first applied voltage and the second applied voltage are values in a voltage range in which an inclination of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is a predetermined value or less. The misfire detection apparatus described in 1. 前記第1印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる1回目の電圧範囲の値であり、
前記第2印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる2回目または3回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の着失火検出装置。
The first applied voltage is a value in a first voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value when the applied voltage is increased from zero.
The second applied voltage is a value in a second or third voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value when the applied voltage is increased from zero. The misfire detection apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記第1印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の着失火検出装置。 The first applied voltage is a value in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value below the redox potential of H 2 O / H 2 and the redox potential of CO 2 / CO. The ignition / misfire detection apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein: 前記第2印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の着失火検出装置。 The second applied voltage, any one of the preceding claims, characterized in that the value of at least one or more of the voltage range of the redox potential of H 2 oxidation-reduction potential of the O / H 2 and CO 2 / CO The misfire detection apparatus according to item 1. 前記判定手段は、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項2または3記載の着失火検出装置。   The ignition / misfire detection apparatus according to claim 2 or 3, wherein the determination unit determines that the hydrocarbon fuel is not ignited when the output of the oxygen sensor is equal to or less than a predetermined value. 炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
An oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber;
And a determination unit that determines that the hydrocarbon fuel is not ignited when an output of the oxygen sensor is equal to or less than a predetermined value.
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第1の印加電圧での前記酸素センサの第1出力値と第2の印加電圧での前記酸素センサの第2出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。   A first output value of the oxygen sensor and a second applied voltage at a first applied voltage to an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber. A determination step of determining at least one of ignition and misfiring of the hydrocarbon fuel based on a difference or a relative ratio with a second output value of the oxygen sensor. 前記判定ステップは、前記第1出力値と前記第2出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項10記載の着失火検出方法。   The determination step is a step of determining that the hydrocarbon fuel has ignited when an absolute value of a difference between the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value. Item 15. The misfire detection method according to Item 10. 前記判定ステップは、前記第1出力値および前記第2出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項10記載の着失火検出方法。   The determination step is a step of determining that the hydrocarbon fuel has ignited when a relative ratio of a high output value to a low output value of the first output value and the second output value is equal to or less than a predetermined value. The misfire detection method according to claim 10. 前記第1印加電圧および前記第2印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載の着失火検出方法。   The said 1st applied voltage and the said 2nd applied voltage are the values of the voltage range from which the inclination of the output of the said oxygen sensor with respect to an applied voltage becomes below a predetermined value, The any one of Claims 10-12 characterized by the above-mentioned. The misfire detection method described in 1. 前記第1印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる1回目の電圧範囲の値であり、
前記第2印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる2回目または3回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項10〜13のいずれか1項に記載の着失火検出方法。
The first applied voltage is a value in a first voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value when the applied voltage is increased from zero.
The second applied voltage is a value in a second or third voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value when the applied voltage is increased from zero. The misfire detection method according to any one of claims 10 to 13.
前記第1印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項10〜14のいずれか1項に記載の着失火検出方法。 The first applied voltage is a value in a voltage range in which the slope of the output of the oxygen sensor with respect to the applied voltage is less than or equal to a predetermined value below the redox potential of H 2 O / H 2 and the redox potential of CO 2 / CO. The method of detecting misfire according to any one of claims 10 to 14, wherein the method is provided. 前記第2印加電圧は、HO/Hの酸化還元電位およびCO/COの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項10〜15のいずれか1項に記載の着失火検出方法。 The second applied voltage is a value in a voltage range of at least one of an oxidation-reduction potential of H 2 O / H 2 and an oxidation-reduction potential of CO 2 / CO. The misfire detection method according to item 1. 前記判定ステップにおいて、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項11または12記載の着失火検出方法。   The ignition / misfire detection method according to claim 11 or 12, wherein, in the determination step, when the oxygen sensor output is equal to or less than a predetermined value, it is determined that the hydrocarbon fuel is not ignited. 炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。   A determination step of determining that the hydrocarbon fuel is not ignited when an output of an oxygen sensor for detecting an oxygen concentration in a combustion chamber for burning hydrocarbon fuel or downstream of the combustion chamber is a predetermined value or less; A misfire detection method comprising:
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