JP2016217863A - Gas concentration detection device - Google Patents

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和弘 若尾
Kazuhiro Wakao
和弘 若尾
達弘 橋田
Tatsuhiro Hashida
達弘 橋田
圭一郎 青木
Keiichiro Aoki
圭一郎 青木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas concentration detection device capable of accurately detecting (obtaining) concentration of a sulfur oxide (SOx)contained in an exhaust gas of an internal combustion engine.SOLUTION: A limit current type gas sensor having a monitor cell controls a heater power so that a detection value by the monitor cell when applied with a predetermined voltage coincides with a standard detection value corresponding to the concentration of water contained in a gas to be detected at this point of time, and the value corresponding to the heater power when the detection value coincides with the standard detection value is stored as a target power index. In this way, a change in decomposition of activity for a sulfur oxide is reduced. As a result, even when the decomposition of activity of the sensor for the sulfur oxide is changed, the concentration of the sulfur oxide (SOx) contained in the gas to be detected can be more accurately detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物(SOx)の濃度を精度良く検出(取得)することができるガス濃度検出装置に関する。   The present invention relates to a gas concentration detection device capable of accurately detecting (acquiring) the concentration of sulfur oxide (SOx) contained in exhaust gas of an internal combustion engine.

従来から、内燃機関を制御するために、排気中に含まれる酸素(O)の濃度に基づいて燃焼室内の混合気の空燃比(A/F)を取得する空燃比センサ(A/Fセンサ)が広く使用されている。このような空燃比センサの1つのタイプとして、限界電流式ガスセンサを挙げることができる。 Conventionally, in order to control an internal combustion engine, an air-fuel ratio sensor (A / F sensor) that acquires an air-fuel ratio (A / F) of an air-fuel mixture in a combustion chamber based on the concentration of oxygen (O 2 ) contained in exhaust gas ) Is widely used. One type of such an air-fuel ratio sensor is a limiting current type gas sensor.

上記のような空燃比センサとして使用される限界電流式ガスセンサは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体と、固体電解質体の表面に固着された一対の電極と、を含む電気化学セルであるポンピングセルを備える。一対の電極の一方は、拡散抵抗部を介して導入される被検ガスとしての内燃機関の排気に曝され、他方は大気に曝されている。上記一方の電極を陰極とし、上記他方の電極を陽極として、これらの一対の電極の間に酸素の分解が始まる電圧(分解開始電圧)以上の電圧を印加すると、被検ガス中に含まれる酸素が還元分解されて酸化物イオン(O2−)となる。この酸化物イオンは上記固体電解質体を介して陽極へと伝導されて酸素となり、大気中へと排出される。このような陰極側から陽極側への固体電解質体を介する酸化物イオンの伝導による酸素の移動は「酸素ポンピング作用」と称される。 A limiting current type gas sensor used as an air-fuel ratio sensor as described above is an electrochemical cell including a solid electrolyte body having oxide ion conductivity and a pair of electrodes fixed to the surface of the solid electrolyte body. A pumping cell is provided. One of the pair of electrodes is exposed to the exhaust gas of the internal combustion engine as the test gas introduced through the diffusion resistance portion, and the other is exposed to the atmosphere. When one of the electrodes is used as a cathode and the other electrode is used as an anode, when a voltage equal to or higher than the voltage at which oxygen begins to decompose (decomposition start voltage) is applied between the pair of electrodes, oxygen contained in the test gas Is reduced and decomposed into oxide ions (O 2− ). The oxide ions are conducted to the anode through the solid electrolyte body, become oxygen, and are discharged into the atmosphere. Such movement of oxygen by conduction of oxide ions through the solid electrolyte body from the cathode side to the anode side is referred to as “oxygen pumping action”.

上記酸素ポンピング作用に伴う酸化物イオンの伝導により、上記一対の電極の間に電流が流れる。このように一対の電極間に流れる電流は「電極電流」と称される。この電極電流は一対の電極間に印加される電圧(以降、単に「印加電圧」と称される場合がある。)が上昇するほど大きくなる傾向を有する。しかしながら、上記一方の電極(陰極)に到達する被検ガスの流量が拡散抵抗部によって制限されるので、やがて酸素ポンピング作用に伴う酸素の消費速度が陰極への酸素の供給速度を超えるようになる。即ち、陰極における酸素の還元分解反応が拡散律速状態となる。   A current flows between the pair of electrodes by conduction of oxide ions accompanying the oxygen pumping action. The current flowing between the pair of electrodes in this way is referred to as “electrode current”. This electrode current has a tendency to increase as the voltage applied between the pair of electrodes (hereinafter, sometimes simply referred to as “applied voltage”) increases. However, since the flow rate of the test gas reaching the one electrode (cathode) is limited by the diffusion resistance section, the oxygen consumption rate accompanying the oxygen pumping action eventually exceeds the oxygen supply rate to the cathode. . That is, the oxygen reductive decomposition reaction at the cathode is in a diffusion-controlled state.

上記拡散律速状態においては、印加電圧を上昇させても電極電流が増大せず、略一定となる。このような特性は「限界電流特性」と称され、限界電流特性が発現する(観測される)印加電圧の範囲は「限界電流域」と称される。更に、限界電流域における電極電流は「限界電流」と称され、限界電流の大きさ(限界電流値)は陰極への酸素の供給速度に対応する。上記のように陰極に到達する被検ガスの流量が拡散抵抗部によって一定に維持されているので、陰極への酸素の供給速度は被検ガス中に含まれる酸素の濃度に対応する。   In the diffusion-controlled state, the electrode current does not increase even when the applied voltage is increased, and becomes substantially constant. Such a characteristic is referred to as a “limit current characteristic”, and a range of an applied voltage in which the limit current characteristic is manifested (observed) is referred to as a “limit current region”. Furthermore, the electrode current in the limit current region is referred to as “limit current”, and the magnitude of the limit current (limit current value) corresponds to the supply rate of oxygen to the cathode. Since the flow rate of the test gas reaching the cathode is maintained constant by the diffusion resistance portion as described above, the oxygen supply rate to the cathode corresponds to the concentration of oxygen contained in the test gas.

従って、空燃比センサとして使用される限界電流式ガスセンサにおいて「限界電流域内の所定の電圧」に印加電圧を設定したときの電極電流(限界電流)は被検ガス中に含まれる酸素の濃度に対応する。このように酸素の限界電流特性を利用して、空燃比センサは被検ガス中に含まれる酸素の濃度を検出し、それに基づいて燃焼室内の混合気の空燃比を取得することができる。   Therefore, in the limit current type gas sensor used as an air-fuel ratio sensor, the electrode current (limit current) when the applied voltage is set to “predetermined voltage in the limit current region” corresponds to the concentration of oxygen contained in the test gas. To do. Thus, the air-fuel ratio sensor can detect the concentration of oxygen contained in the test gas by using the limiting current characteristic of oxygen, and can acquire the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber based on the oxygen concentration.

尚、上記のような限界電流特性は酸素ガスのみに限定される特性ではない。具体的には、分子中に酸素原子を含むガス(以降、「含酸素ガス」と称される場合がある。)の中には、印加電圧及び陰極の構成を適切に選択することにより限界電流特性を発現させることができるものがある。このような含酸素ガスの例としては、例えば、硫黄酸化物(SOx)、水(HO)及び二酸化炭素(CO)等を挙げることができる。 The limiting current characteristics as described above are not limited to oxygen gas only. Specifically, in the gas containing oxygen atoms in the molecule (hereinafter, sometimes referred to as “oxygen-containing gas”), the limit current is determined by appropriately selecting the applied voltage and the configuration of the cathode. There is something that can express the characteristics. Examples of such oxygen-containing gas include sulfur oxide (SOx), water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), and the like.

ところで、内燃機関の燃料(例えば、軽油及びガソリン等)には微量の硫黄(S)成分が含まれる。特に、粗悪燃料とも称される燃料は、比較的高い含有率にて硫黄成分を含有している場合がある。燃料中の硫黄成分の含有率(以降、単に「硫黄含有率」と称される場合がある。)が高いと、内燃機関の構成部材の劣化及び/又は故障、排気浄化触媒の被毒、排気における白煙の発生等の問題が発生する虞が高まる。そのため、燃料中の硫黄成分の含有率を取得し、取得された硫黄含有率を、例えば、内燃機関の制御に反映させたり、内燃機関の故障に関する警告を発したり、排気浄化触媒の自己故障診断(OBD)の改善に役立てたりすることが望まれる。   Incidentally, a small amount of sulfur (S) component is contained in the fuel (for example, light oil and gasoline) of the internal combustion engine. In particular, a fuel also called a poor fuel may contain a sulfur component at a relatively high content. When the content rate of sulfur components in the fuel (hereinafter, sometimes simply referred to as “sulfur content rate”) is high, deterioration and / or failure of components of the internal combustion engine, poisoning of the exhaust purification catalyst, exhaust gas There is an increased risk of problems such as the generation of white smoke. Therefore, the content rate of sulfur component in the fuel is acquired, and the acquired sulfur content rate is reflected in, for example, control of the internal combustion engine, a warning about the failure of the internal combustion engine is issued, or the self-diagnosis diagnosis of the exhaust purification catalyst It is desirable to make use of it for improving (OBD).

内燃機関の燃料が硫黄成分を含有していると、燃焼室から排出される排気中に硫黄酸化物が含まれる。更に、燃料中の硫黄成分の含有率(硫黄含有率)が高くなるほど、排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度(以降、単に「SOx濃度」と称される場合がある。)も高くなる。従って、排気中のSOx濃度を精度良く検出(取得)することができれば、取得されたSOx濃度に基づいて硫黄含有率を精度良く検出(取得)することができると考えられる。   When the fuel of the internal combustion engine contains a sulfur component, sulfur oxide is contained in the exhaust discharged from the combustion chamber. Furthermore, the higher the content of sulfur component in the fuel (the sulfur content), the higher the concentration of sulfur oxide contained in the exhaust (hereinafter sometimes referred to simply as “SOx concentration”). Therefore, if the SOx concentration in the exhaust gas can be detected (acquired) with high accuracy, it is considered that the sulfur content can be detected (acquired) with high accuracy based on the acquired SOx concentration.

そこで、当該技術分野においては、被検ガスとしての内燃機関の排気が拡散抵抗部を介して導かれる内部空間に陰極が面するように直列に配置された2つの電気化学セルを備える限界電流式ガスセンサ(2セル式の限界電流式ガスセンサ)が知られている。このガスセンサにおいては、上流側の電気化学セルの電極間に相対的に低い電圧を印加することにより、上流側の電気化学セルの酸素ポンピング作用によって被検ガス中に含まれる酸素を除去する。即ち、上流側の電気化学セルは所謂「ポンプセル」として機能する。一方、下流側の電気化学セルの電極間に相対的に高い電圧を印加することにより、下流側の電気化学セルによって被検ガス中に含まれる硫黄酸化物を陰極において還元分解させ、その結果として生ずる酸化物イオンを陽極へと伝導する。この酸素ポンピング作用に起因する電極電流値の変化に基づいて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度が取得される。即ち、上流側の電気化学セルは所謂「センサセル」として機能する(例えば、特許文献1を参照。)。   Therefore, in this technical field, a limiting current type comprising two electrochemical cells arranged in series so that the cathode faces the internal space through which the exhaust gas of the internal combustion engine as the test gas is guided through the diffusion resistance portion A gas sensor (a two-cell limiting current type gas sensor) is known. In this gas sensor, by applying a relatively low voltage between the electrodes of the upstream electrochemical cell, oxygen contained in the test gas is removed by the oxygen pumping action of the upstream electrochemical cell. That is, the upstream electrochemical cell functions as a so-called “pump cell”. On the other hand, by applying a relatively high voltage between the electrodes of the downstream electrochemical cell, sulfur oxide contained in the test gas is reduced and decomposed at the cathode by the downstream electrochemical cell. The resulting oxide ions are conducted to the anode. Based on the change in the electrode current value resulting from the oxygen pumping action, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas is acquired. That is, the upstream electrochemical cell functions as a so-called “sensor cell” (see, for example, Patent Document 1).

特開平11−190721号公報JP-A-11-190721

上述したように、当該技術分野においては、酸素ポンピング作用を利用する限界電流式ガスセンサによって、内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する試みがなされている。しかしながら、排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度は極めて低く、硫黄酸化物の分解電流も極めて小さいため、硫黄酸化物の分解電流そのものを精度良く検出することは困難である。   As described above, in this technical field, an attempt is made to detect the concentration of sulfur oxide contained in the exhaust gas of an internal combustion engine by a limiting current type gas sensor using an oxygen pumping action. However, since the concentration of sulfur oxide contained in the exhaust gas is extremely low and the decomposition current of sulfur oxide is extremely small, it is difficult to accurately detect the decomposition current of sulfur oxide itself.

そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、酸素ポンピング作用を有する電気化学セルにおいて所定の印加電圧にて水及び硫黄酸化物を分解させるときの電極電流が被検ガスとしての内燃機関の排気中の硫黄酸化物の濃度に応じて変化することを見出した。これによれば、硫黄酸化物の分解電流よりも大きい水の分解電流の変化に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出することができる。従って、限界電流式ガスセンサにおける水及び硫黄酸化物の分解電流の変化に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。   Therefore, as a result of diligent research, the present inventor has found that the electrode current when decomposing water and sulfur oxide at a predetermined applied voltage in an electrochemical cell having an oxygen pumping action is in the exhaust of an internal combustion engine as a test gas. It has been found that it varies depending on the concentration of sulfur oxides. According to this, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas can be detected based on the change in the water decomposition current larger than the sulfur oxide decomposition current. Therefore, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas can be accurately detected based on the change in the decomposition current of water and sulfur oxide in the limiting current gas sensor.

更に、本発明者は、水及び硫黄酸化物を分解可能な電気化学セル(センサセル)に加えて、硫黄酸化物に対する分解活性(還元能力)がセンサセルよりも低い電気化学セル(モニタセル)を更に設けることにより、硫黄酸化物の濃度を更に精度良く検出することができることを見出した。具体的には、所定の素子温度及び印加電圧において、センサセルによって水及び硫黄酸化物を分解させるときのセンサセルの電極電流と、モニタセルによって水及び硫黄酸化物を分解させるときのモニタセルの電極電流と、の違い等に基づいて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を更に精度良く検出することができる。   Furthermore, in addition to the electrochemical cell (sensor cell) capable of decomposing water and sulfur oxides, the present inventor further provides an electrochemical cell (monitor cell) having a decomposition activity (reduction ability) for sulfur oxides lower than that of the sensor cell. Thus, it was found that the concentration of sulfur oxide can be detected with higher accuracy. Specifically, at a predetermined element temperature and applied voltage, the electrode current of the sensor cell when decomposing water and sulfur oxide by the sensor cell, and the electrode current of the monitor cell when decomposing water and sulfur oxide by the monitor cell, Based on the difference, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas can be detected with higher accuracy.

しかしながら、個々のセンサにおける個体差や経年劣化により、例えば、被検ガス中に含まれる含酸素ガスの還元分解に対する電極(陰極)の活性及び/又は固体電解質体の酸化物イオン伝導性が変化する等して、センサとしての活性が正常なセンサ(即ち、基準となるセンサ。センサ活性が設計公差の中央値であるセンサ。)の活性とは異なっている場合がある。このようにセンサとしての活性(センサ活性)が変化している場合、たとえ所定の素子温度及び印加電圧となるように制御されていても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を当該センサによって精度良く検出することは困難である。   However, due to individual differences in each sensor and deterioration over time, for example, the activity of the electrode (cathode) and / or the oxide ion conductivity of the solid electrolyte body with respect to the reductive decomposition of the oxygen-containing gas contained in the test gas changes. Equally, the activity of a sensor having a normal activity (that is, a reference sensor; a sensor whose sensor activity is a median of design tolerances) may be different. Thus, when the activity as a sensor (sensor activity) is changing, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas is adjusted even if the sensor is controlled to have a predetermined element temperature and applied voltage. It is difficult to detect accurately with a sensor.

特に、限界電流式ガスセンサにおいて水の限界電流域未満の印加電圧にて水及び硫黄酸化物の分解電流の変化に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する場合は、陰極における水及び硫黄酸化物の還元分解反応が拡散律速状態となっていない。この場合、陰極における水及び硫黄酸化物の分解速度が、被検ガス(中に含まれる水及び硫黄酸化物)が陰極に到達する速度に対して十分に高くない。   In particular, when detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on changes in the decomposition current of water and sulfur oxide at an applied voltage less than the limit current region of water in a limiting current gas sensor, The reductive decomposition reaction of water and sulfur oxide in is not in a diffusion-controlled state. In this case, the decomposition rate of water and sulfur oxide at the cathode is not sufficiently high relative to the rate at which the test gas (water and sulfur oxide contained therein) reaches the cathode.

従って、陰極における水及び硫黄酸化物の分解電流の大きさは、陰極における水及び硫黄酸化物の還元分解反応の速度によって大きく影響される。即ち、当該センサによる検出値はセンサ活性によって大きく影響されるので、たとえ所定の素子温度及び印加電圧となるように制御されていても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を当該センサによって精度良く検出することは極めて困難である。   Therefore, the magnitude of water and sulfur oxide decomposition current at the cathode is greatly influenced by the rate of reductive decomposition reaction of water and sulfur oxide at the cathode. That is, since the detection value by the sensor is greatly influenced by the sensor activity, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas is controlled by the sensor even if it is controlled to have a predetermined element temperature and applied voltage. Therefore, it is extremely difficult to detect with high accuracy.

そこで、本発明は、上記のようにセンサ活性が変化していても、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を低減して、内燃機関の排気中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができるガス濃度検出装置を提供することを1つの目的とする。   Therefore, the present invention reduces the change in the detected value caused by the change in the sensor activity even if the sensor activity has changed as described above, so that the concentration of sulfur oxide contained in the exhaust gas of the internal combustion engine can be accurately adjusted. It is an object to provide a gas concentration detection device that can detect well.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、センサを構成する素子部の温度を調整するためのヒータへの供給電力(ヒータ電力)を制御することにより、当該センサによる検出値の大きさを変化させることができることを見出した。即ち、本発明者は、センサ活性が変化していても、ヒータ電力を適切に制御して素子温度を制御することにより、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を低減して、正常な(即ち、基準となる)センサによる検出値と同等の検出値を取得することができることを見出したのである。例えば、個体差及び/又は経年劣化に起因して正常なセンサよりも低いセンサ活性を有するセンサについては、ヒータ電力を増大させて素子温度を上昇させることにより、実質的なセンサ活性(即ち、含酸素ガスを還元分解する能力)を高める。これにより、当該センサにおけるセンサ活性の低下に起因する検出値の低下を低減することができる。   As a result of diligent research to achieve the above object, the present inventor controls the power supplied to the heater (heater power) for adjusting the temperature of the element portion constituting the sensor, thereby detecting the value detected by the sensor. We found that the size can be changed. That is, even if the sensor activity has changed, the inventor can control the element temperature by appropriately controlling the heater power to reduce the change in the detected value due to the change in the sensor activity, and It has been found that a detection value equivalent to a detection value by a sensor (that is, a reference) can be obtained. For example, for a sensor having a sensor activity lower than that of a normal sensor due to individual differences and / or aging, substantial sensor activity (i.e., including Increase the ability to reduce and decompose oxygen gas. Thereby, the fall of the detection value resulting from the fall of the sensor activity in the said sensor can be reduced.

より具体的には、モニタセルを備える限界電流式ガスセンサにおいて、所定の電圧が印加されているときの当該モニタセルによる検出値が、その時点において被検ガス中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値に一致するように、ヒータ電力を制御する。これにより、当該限界電流式ガスセンサのセンサ活性が変化していても、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を低減して、正常な検出値を取得することができる。   More specifically, in a limiting current type gas sensor having a monitor cell, the detection value by the monitor cell when a predetermined voltage is applied corresponds to the reference detection corresponding to the concentration of water contained in the test gas at that time. The heater power is controlled to match the value. Thereby, even if the sensor activity of the limit current type gas sensor is changed, it is possible to reduce a change in the detection value due to the change in the sensor activity and obtain a normal detection value.

上記のような点に鑑み、本発明に係るガス濃度検出装置(以降、「本発明装置」と称される場合がある。)は、素子部と、電源と、ヒータと、検出部と、制御部と、を備える。   In view of the above points, a gas concentration detection device according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as “the device of the present invention”) includes an element unit, a power source, a heater, a detection unit, and a control. A section.

前記素子部は、第1電気化学セルと、第2電気化学セルと、緻密体と、拡散抵抗部と、を備える。
前記第1電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第1固体電解質体と当該第1固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極及び第2電極とを含む。
前記第2電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第2固体電解質体と当該第2固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第3電極及び第4電極とを含む。
The element part includes a first electrochemical cell, a second electrochemical cell, a dense body, and a diffusion resistance part.
The first electrochemical cell includes a first solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a first electrode and a second electrode formed on the surface of the first solid electrolyte body, respectively.
The second electrochemical cell includes a second solid electrolyte body having oxide ion conductivity and a third electrode and a fourth electrode respectively formed on the surface of the second solid electrolyte body.

第1固体電解質体と第2固体電解質体とは、同じ(一体の)固体電解質体であってもよく、或いは、別個の固体電解質体であってもよい。典型的には、第1固体電解質体と第2固体電解質体とは、同じ(一体の)固体電解質体である。   The first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body may be the same (integrated) solid electrolyte body, or may be separate solid electrolyte bodies. Typically, the first solid electrolyte body and the second solid electrolyte body are the same (integrated) solid electrolyte body.

前記第1固体電解質体及び前記第2固体電解質体と前記緻密体と前記拡散抵抗部とによって画定される内部空間に前記拡散抵抗部を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入される。
前記第1電極は前記内部空間に露出し、前記第2電極は前記内部空間とは異なる空間である第1別空間に露出している。
前記第3電極は前記内部空間に露出し、前記第4電極は前記内部空間とは異なる空間である第2別空間に露出している。
Exhaust gas of the internal combustion engine as a test gas is introduced into the internal space defined by the first solid electrolyte body, the second solid electrolyte body, the dense body, and the diffusion resistance portion through the diffusion resistance portion. .
The first electrode is exposed to the internal space, and the second electrode is exposed to a first separate space that is a space different from the internal space.
The third electrode is exposed in the internal space, and the fourth electrode is exposed in a second separate space that is a space different from the internal space.

第1別空間と第2別空間とは、同じ(素子部の内部において互いに連通した)空間であっても、或いは、別個の(素子部の内部において互いに独立した)空間であってもよい。典型的には、第1別空間と第2別空間とは、同じ(素子部の内部において互いに連通した)空間である。   The first separate space and the second separate space may be the same space (communication with each other inside the element portion) or separate spaces (independent of each other within the element portion). Typically, the first separate space and the second separate space are the same space (communication with each other inside the element portion).

前記第1電極及び前記第3電極は、前記素子部の温度が前記固体電解質体の酸化物イオン伝導性が発現する温度である活性化温度以上の第1所定温度となっている場合に、第1分解速度が第2分解速度よりも高くなるように構成されている。第1分解速度とは、前記第1電極と前記第2電極との間に水の分解開始電圧以上の電圧である第1所定電圧が印加されているときの前記第1電極における硫黄酸化物の分解速度である。第2分解速度とは、前記第3電極と前記第4電極との間に水の分解開始電圧以上の電圧である第2所定電圧が印加されているときの前記第3電極における硫黄酸化物の分解速度である。従って、上記条件下での第1電気化学セルによる硫黄酸化物の分解速度(第1分解速度)が上記条件下での第2電気化学セルによる硫黄酸化物の分解速度(第2分解速度)よりも高い。即ち、本発明装置においては、第1電気化学セルがセンサセルであり、第2電気化学セルがモニタセルである。   The first electrode and the third electrode have a first predetermined temperature that is equal to or higher than an activation temperature, which is a temperature at which the oxide ion conductivity of the solid electrolyte body is developed, when the temperature of the element portion is the first temperature. The first decomposition rate is configured to be higher than the second decomposition rate. The first decomposition rate refers to the amount of sulfur oxide in the first electrode when a first predetermined voltage that is equal to or higher than the water decomposition start voltage is applied between the first electrode and the second electrode. Decomposition rate. The second decomposition rate is the amount of sulfur oxide in the third electrode when a second predetermined voltage that is a voltage equal to or higher than the water decomposition start voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode. Decomposition rate. Accordingly, the sulfur oxide decomposition rate (first decomposition rate) by the first electrochemical cell under the above conditions is higher than the sulfur oxide decomposition rate (second decomposition rate) by the second electrochemical cell under the above conditions. Is also expensive. That is, in the device of the present invention, the first electrochemical cell is a sensor cell, and the second electrochemical cell is a monitor cell.

上記のように、第1電極は、所定の印加電圧(第1所定電圧)において水を分解させることが可能であり且つ相対的に高い分解速度(第1分解速度)にて硫黄酸化物を分解させることが可能であるように構成される。このような第1電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。このような第1電極を構成する材料は、例えば、第1電極と第2電極との間に第1所定電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる水及び硫黄酸化物を分解させることができる活性を有する物質(例えば、貴金属)を含む。典型的には、第1電極は、白金(Pt)、ロジウム(Rh)及びパラジウム(Pd)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが望ましい。   As described above, the first electrode is capable of decomposing water at a predetermined applied voltage (first predetermined voltage) and decomposes sulfur oxide at a relatively high decomposition rate (first decomposition rate). Configured to be possible. Such a 1st electrode can be produced by selecting suitably the kind of substance which comprises electrode material, the conditions of the heat processing at the time of producing an electrode, etc., for example. Such a material constituting the first electrode decomposes water and sulfur oxide contained in the test gas when, for example, a first predetermined voltage is applied between the first electrode and the second electrode. A substance (for example, a noble metal) having an activity capable of Typically, the first electrode desirably includes at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), rhodium (Rh), and palladium (Pd).

一方、上記のように、第3電極は、所定の印加電圧(第2所定電圧)において水を分解させることが可能であり且つ相対的に低い分解速度(第2分解速度)にて硫黄酸化物を分解させることが可能であるように構成される。このような第3電極もまた、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。このような第3電極を構成する材料は、例えば、第3電極と第4電極との間に第2所定電圧を印加したときに少なくとも被検ガス中に含まれる水を分解させることができる活性を有する物質(例えば、貴金属)を含む。典型的には、第3電極は、白金(Pt)を含むことが望ましい。   On the other hand, as described above, the third electrode can decompose water at a predetermined applied voltage (second predetermined voltage), and sulfur oxide at a relatively low decomposition rate (second decomposition rate). It is comprised so that it can be decomposed | disassembled. Such a third electrode can also be produced by appropriately selecting, for example, the types of substances constituting the electrode material and the conditions for the heat treatment in producing the electrode. Such a material constituting the third electrode is, for example, an activity capable of decomposing at least water contained in the test gas when a second predetermined voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode. (For example, noble metals). Typically, the third electrode desirably includes platinum (Pt).

更に、第1所定電圧と第2所定電圧とは、同じであっても、或いは、異なっていてもよい。典型的には、第1所定電圧と第2所定電圧とは等しい。   Furthermore, the first predetermined voltage and the second predetermined voltage may be the same or different. Typically, the first predetermined voltage and the second predetermined voltage are equal.

前記電源は、前記第1電極と前記第2電極との間及び前記第3電極と前記第4電極との間に電圧をそれぞれ印加するように構成されている。
前記ヒータは、前記素子部を加熱するように構成されている。
前記検出部は、前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に対応する検出値である第1検出値及び前記第3電極と前記第4電極との間に流れる電流に対応する検出値である第2検出値を検出するように構成されている。
The power source is configured to apply a voltage between the first electrode and the second electrode and between the third electrode and the fourth electrode.
The heater is configured to heat the element unit.
The detection unit corresponds to a first detection value which is a detection value corresponding to a current flowing between the first electrode and the second electrode and a current flowing between the third electrode and the fourth electrode. The second detection value that is the detection value is configured to be detected.

前記制御部は、前記電源を制御して前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1所定電圧を印加し且つ前記第3電極と前記第4電極との間に前記第2所定電圧を印加する。加えて、前記制御部は、前記ヒータへの供給電力であるヒータ電力を制御して前記素子部の温度を前記第1所定温度とする。前記制御部は、このときに前記検出部によって検出される前記第1検出値及び前記第2検出値に基づいて前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する検出動作を実行する。   The control unit controls the power source to apply the first predetermined voltage between the first electrode and the second electrode, and to apply the second predetermined voltage between the third electrode and the fourth electrode. Apply voltage. In addition, the control unit controls heater power, which is power supplied to the heater, to set the temperature of the element unit to the first predetermined temperature. The control unit executes a detection operation for detecting a concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on the first detection value and the second detection value detected by the detection unit at this time. .

第1検出値及び第2検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する具体的な方法としては、例えば、以下の方法を挙げることができる。本発明装置における第1検出値から第2検出値を減算した差の大きさと被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度との対応関係を予め求めておき、当該対応関係に関連するデータを、例えば、制御部が備えるデータ記憶装置(例えば、ROM等)にマップ(データテーブル)として格納しておく。そして、検出動作によって実際に検出された第1検出値と第2検出値との差から上記対応関係に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を特定する。但し、上記方法はあくまでも一例であり、第1検出値及び第2検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する具体的な方法は上記に限定されない。   Specific examples of the method for detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on the first detection value and the second detection value include the following methods. The correspondence relationship between the magnitude of the difference obtained by subtracting the second detection value from the first detection value in the device of the present invention and the concentration of sulfur oxide contained in the test gas is obtained in advance, and data related to the correspondence relationship is obtained. For example, it is stored as a map (data table) in a data storage device (for example, ROM) provided in the control unit. And the density | concentration of the sulfur oxide contained in test gas is specified based on the said correspondence from the difference of the 1st detection value actually detected by detection operation, and a 2nd detection value. However, the above method is merely an example, and the specific method for detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on the first detection value and the second detection value is not limited to the above.

即ち、本発明装置は、所定の素子温度及び印加電圧におけるセンサセル及びモニタセルによる検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する限界電流式のSOxセンサである。   That is, the device of the present invention is a limiting current type SOx sensor that detects the concentration of sulfur oxide contained in a test gas based on detection values by a sensor cell and a monitor cell at a predetermined element temperature and applied voltage.

但し、本発明装置において、第1所定温度は、必ずしも特定の温度を指すのではなく、本発明装置を構成する第1電気化学セル及び第2電気化学セルが被検ガス中に含まれる含酸素ガスの還元分解に対する所期の活性を発現し得る素子部の温度又は温度の範囲を指す。従って、本発明装置を構成する第1電気化学セル及び第2電気化学セルの活性が正常な状態にある場合は、正常な状態にある本発明装置について予め定められた特定の温度に第1所定温度を設定することにより、センサセル及びモニタセルによる検出値に基づいて被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。   However, in the device of the present invention, the first predetermined temperature does not necessarily indicate a specific temperature, but the oxygen content in which the first electrochemical cell and the second electrochemical cell constituting the device of the present invention are contained in the test gas. The temperature of the element part which can express the activity with respect to reductive decomposition of gas, or the range of temperature is pointed out. Therefore, when the activity of the first electrochemical cell and the second electrochemical cell constituting the device of the present invention is in a normal state, the first predetermined temperature is set to a predetermined temperature for the device of the present invention in the normal state. By setting the temperature, it is possible to accurately detect the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on the detection values obtained by the sensor cell and the monitor cell.

しかしながら、上述したように、本発明装置のセンサ活性が変化している場合は、正常な状態にある本発明装置について予め定められた特定の温度に第1所定温度を設定しても、センサ活性の変化に起因して検出値が変化し、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することが困難である。   However, as described above, when the sensor activity of the device of the present invention has changed, the sensor activity can be maintained even if the first predetermined temperature is set to a predetermined temperature for the device of the present invention in a normal state. The detection value changes due to the change of the gas, and it is difficult to accurately detect the concentration of sulfur oxide contained in the test gas.

そこで、本発明装置においては、前記制御部が、前記被検ガス中に含まれる水の濃度と前記第2検出値の基準値である基準検出値との対応関係に関連するデータを予め記憶している。   Therefore, in the device of the present invention, the control unit stores in advance data related to the correspondence relationship between the concentration of water contained in the test gas and the reference detection value that is the reference value of the second detection value. ing.

更に、前記制御部は学習動作を実行する。具体的には、学習動作において、前記制御部は、前記第3電極と前記第4電極との間に前記第2所定電圧が印加されているときに前記検出部によって検出される前記第2検出値を取得する。そして、前記制御部は、取得された第2検出値が基準検出値に一致するように前記ヒータ電力を制御する。この基準検出値は、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度から前記対応関係に基づいて特定される基準検出値である。   Further, the control unit performs a learning operation. Specifically, in the learning operation, the control unit detects the second detection detected by the detection unit when the second predetermined voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode. Get the value. And the said control part controls the said heater electric power so that the acquired 2nd detection value corresponds with a reference | standard detection value. This reference detection value is a reference detection value that is specified based on the correspondence relationship from the concentration of water contained in the test gas at that time.

このようにヒータ電力を制御することにより第2検出値が基準検出値に一致しているとき、本発明装置の実質的なセンサ活性(還元能力)は、正常なセンサ(基準となるセンサ)のセンサ活性と同等である。つまり、このとき、個体差や経年劣化により変化したセンサの活性は、素子温度の調整により、正常な(基準となる)センサの活性に合わせ込まれている。そこで、前記制御部は、前記第2検出値が前記基準検出値に一致したときの前記ヒータ電力に対応する値を目標電力指標として記憶(学習)する。   When the second detection value matches the reference detection value by controlling the heater power in this way, the substantial sensor activity (reduction ability) of the device of the present invention is that of a normal sensor (reference sensor). Equivalent to sensor activity. In other words, at this time, the sensor activity changed due to individual differences or aging deterioration is adjusted to the normal (standard) sensor activity by adjusting the element temperature. Therefore, the control unit stores (learns) a value corresponding to the heater power when the second detection value matches the reference detection value as a target power index.

上記目標電力指標は、上記のように、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力に対応する値である限り、特に限定されない。具体的には、上記目標電力指標としては、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力及び素子部の温度、並びに第2検出値が基準検出値に一致したときの第3電極と第4電極との間のインピーダンス等、種々の値を採用することができる。   The target power index is not particularly limited as long as it is a value corresponding to the heater power when the second detection value matches the reference detection value as described above. Specifically, as the target power index, for example, the heater power when the second detection value matches the reference detection value, the temperature of the element unit, and the first detection value when the second detection value matches the reference detection value. Various values such as impedance between the three electrodes and the fourth electrode can be adopted.

加えて、前記制御部は、前記学習動作の実行後に実行される前記検出動作において、前記目標電力指標を達成するように前記ヒータ電力を制御するように構成され得る。具体的には、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力を目標電力指標とする場合は、上記学習動作の実行後に実行される検出動作において、制御部は、ヒータ電力が当該目標電力指標に一致するようにヒータ電力を制御するように構成され得る。   In addition, the control unit may be configured to control the heater power so as to achieve the target power index in the detection operation performed after execution of the learning operation. Specifically, for example, when the heater power when the second detection value matches the reference detection value is used as the target power index, in the detection operation executed after the learning operation is performed, the control unit May be configured to control the heater power to match the target power index.

或いは、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときの素子部の温度を目標電力指標とする場合は、上記学習動作の実行後に実行される検出動作において、制御部は、素子部の温度が当該目標電力指標に一致するようにヒータ電力を制御するように構成され得る。   Alternatively, for example, when the temperature of the element unit when the second detection value matches the reference detection value is used as the target power index, in the detection operation executed after the learning operation is performed, the control unit It may be configured to control the heater power so that the temperature matches the target power index.

或いは、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときの素子部を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンスを目標電力指標とする場合は、上記学習動作の実行後に実行される検出動作において、制御部は、当該電気化学セルの電極間のインピーダンスが当該目標電力指標に一致するようにヒータ電力を制御するように構成され得る。   Alternatively, for example, when the impedance between the electrodes of any electrochemical cell constituting the element unit when the second detection value coincides with the reference detection value is used as the target power index, it is executed after the execution of the learning operation. In the detection operation, the control unit may be configured to control the heater power so that the impedance between the electrodes of the electrochemical cell matches the target power index.

上記により、制御部は、たとえセンサ活性が変化していてもセンサ活性の変化に起因する検出値の変化を低減して被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができるようにヒータ電力を制御する動作を確実且つ簡便に行うことができる。その結果、本発明装置は、たとえセンサ活性が変化していても、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を確実且つ簡便に低減して、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を精度良く検出することができる。   Based on the above, the control unit can accurately detect the concentration of sulfur oxide contained in the test gas by reducing the change in the detection value caused by the change in the sensor activity even if the sensor activity is changed. The operation of controlling the heater power can be performed reliably and simply so that it can be performed. As a result, even if the sensor activity has changed, the device of the present invention reliably and easily reduces the change in the detection value caused by the change in the sensor activity, and the concentration of sulfur oxide contained in the test gas. Can be detected with high accuracy.

尚、上記のようにして学習された目標電力指標に基づくヒータ電力の制御は、学習動作の実行後に実行される検出動作において実行される。従って、学習動作の実行条件(例えば、素子温度及び印加電圧等)が検出動作の実行条件(例えば、素子温度及び印加電圧等)に合致する場合は、学習動作において第2検出値が基準検出値に一致したときに検出動作を実行してもよい。   The heater power control based on the target power index learned as described above is executed in a detection operation that is executed after the execution of the learning operation. Therefore, when the learning operation execution condition (for example, the element temperature and the applied voltage) matches the detection operation execution condition (for example, the element temperature and the applied voltage), the second detection value is the reference detection value in the learning operation. The detection operation may be executed when the values match.

ところで、上述したように、上記目標電力指標としては、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力及び素子部の温度、並びに第2検出値が基準検出値に一致したときの素子部を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンス等、種々の値を採用することができる。これら種々の値のうち、電気化学セルの電極間のインピーダンスは、本発明装置のセンサ活性とのより直接的な関連を有するので、上記目標電力指標として特に好適である。   By the way, as described above, as the target power index, for example, when the second detection value matches the reference detection value, the heater power and the temperature of the element unit, and when the second detection value matches the reference detection value Various values, such as the impedance between the electrodes of any electrochemical cell constituting the element part, can be adopted. Of these various values, the impedance between the electrodes of the electrochemical cell is particularly suitable as the target power index because it has a more direct relationship with the sensor activity of the device of the present invention.

従って、本発明の別の実施態様に係るガス濃度検出装置は、前記素子部を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を更に備える、本発明装置である。上記インピーダンス検出部は、素子部を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンスを検出することが可能である限り、特に限定されない。   Therefore, the gas concentration detection apparatus according to another embodiment of the present invention is the apparatus of the present invention, further comprising an impedance detection unit that detects an impedance between electrodes of any electrochemical cell constituting the element unit. The impedance detection unit is not particularly limited as long as it can detect the impedance between the electrodes of any electrochemical cell constituting the element unit.

具体的には、上記インピーダンス検出部は、例えば、第3電極と第4電極との間に所定の高周波電圧を印加したときに検出される電極電流に基づいてインピーダンスを算出するように構成された制御部として実装することができる。このようなインピーダンス検出部は、第3電極と第4電極との間に所定の高周波電圧を印加したときに検出される電極電流に基づいて算出されるインピーダンスに基づいて素子部の温度を算出するように制御部が構成されている場合、特段の構成要素を追加すること無く実装することができるので好都合である。   Specifically, the impedance detection unit is configured to calculate the impedance based on an electrode current detected when a predetermined high-frequency voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode, for example. It can be implemented as a control unit. Such an impedance detection unit calculates the temperature of the element unit based on the impedance calculated based on the electrode current detected when a predetermined high-frequency voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode. When the control unit is configured as described above, it can be conveniently implemented without adding special components.

更に、本実施態様に係るガス濃度検出装置において、前記制御部は、前記学習動作において、前記第2検出値が前記基準検出値に一致したときの前記インピーダンスを前記目標電力指標として記憶する。加えて、前記制御部は、前記学習動作の実行後に実行される前記検出動作において、前記インピーダンスが前記目標電力指標に一致するように前記ヒータ電力を制御するように構成され得る。   Furthermore, in the gas concentration detection device according to this embodiment, the control unit stores the impedance when the second detection value matches the reference detection value as the target power index in the learning operation. In addition, the control unit may be configured to control the heater power so that the impedance matches the target power index in the detection operation performed after execution of the learning operation.

上記により、本実施態様に係るガス濃度検出装置は、たとえセンサ活性が変化していても、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を確実且つ簡便に低減して、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度をより精度良く検出することができる。   As described above, the gas concentration detection device according to the present embodiment reliably and easily reduces the change in the detection value caused by the change in the sensor activity even if the sensor activity is changed, and is included in the test gas. The concentration of sulfur oxide to be detected can be detected with higher accuracy.

ところで、上述したように、上記制御部は、上記学習動作において取得された第2検出値が、その時点における被検ガス中に含まれる水の濃度から上述した対応関係に基づいて特定される基準検出値に一致したときのヒータ電力に対応する値を目標電力指標として記憶(学習)する。即ち、上記学習動作を実行するためには、その時点における被検ガス中に含まれる水の濃度を取得する必要がある。   Incidentally, as described above, the control unit is configured such that the second detection value acquired in the learning operation is specified based on the correspondence described above from the concentration of water contained in the test gas at that time. A value corresponding to the heater power when it matches the detected value is stored (learned) as a target power index. That is, in order to execute the learning operation, it is necessary to acquire the concentration of water contained in the test gas at that time.

本発明装置において被検ガス中に含まれる水の濃度を取得するための方法は特に限定されない。当該水の濃度は、例えば、内燃機関において検出され得る被検ガス中に含まれる水の濃度と関連を有する各種状態量等から適宜取得することができる。或いは、被検ガス中に含まれる水の濃度が既知である状態において、上記学習動作を実行してもよい。   The method for obtaining the concentration of water contained in the test gas in the apparatus of the present invention is not particularly limited. The concentration of the water can be appropriately acquired from various state quantities related to the concentration of water contained in the test gas that can be detected in the internal combustion engine, for example. Alternatively, the learning operation may be executed in a state where the concentration of water contained in the test gas is known.

後者の場合、例えば、前記制御部は、前記内燃機関の燃焼室に燃料が供給されないフューエルカットが実行されているときに大気中に含まれる水の濃度を前記被検ガス中に含まれる水の濃度として用いて前記学習動作を実行するように構成され得る。フューエルカットとは、当業者に周知であるように、例えば、燃費向上を目的として、内燃機関を動力源として搭載する車輌が、アクセル開度が0(ゼロ)である状態において走行しており且つ当該内燃機関の回転速度が所定の閾値よりも高い場合に自動的に燃料の供給を停止する処理である。   In the latter case, for example, the control unit determines the concentration of water contained in the atmosphere when a fuel cut is performed in which fuel is not supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. The learning operation may be performed using the concentration. As is well known to those skilled in the art, for example, a fuel cut means that a vehicle equipped with an internal combustion engine as a power source is traveling in a state where the accelerator opening is 0 (zero) for the purpose of improving fuel efficiency. This is a process of automatically stopping the supply of fuel when the rotational speed of the internal combustion engine is higher than a predetermined threshold value.

これによれば、フューエルカットが実行されているときに学習動作を実行することができるので、本発明装置による硫黄酸化物濃度の検出精度の向上と内燃機関の燃費向上とを両立させることができる。更に、この場合、前記被検ガス中に含まれる水の濃度は、大気中に含まれる水の濃度に等しい。従って、上記学習動作において、上記制御部は、大気中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値に第2検出値が一致するようにヒータ電力を制御すればよい。   According to this, since the learning operation can be executed when the fuel cut is being executed, it is possible to achieve both improvement in detection accuracy of the sulfur oxide concentration and improvement in fuel consumption of the internal combustion engine by the device of the present invention. . Furthermore, in this case, the concentration of water contained in the test gas is equal to the concentration of water contained in the atmosphere. Therefore, in the learning operation, the control unit may control the heater power so that the second detection value matches the reference detection value corresponding to the concentration of water contained in the atmosphere.

尚、大気中に含まれる水の濃度としては、例えば、予め定められた所定の固定値を採用してもよい。この場合、制御部は、被検ガス中に含まれる水の濃度と第2検出値の基準値である基準検出値との対応関係に関連するデータとして、上記「所定の固定値」としての大気中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値のみを予め記憶していればよい。従って、この場合は、制御部が備えるデータ記憶装置が確保すべき記憶容量を低減することができる。   For example, a predetermined fixed value determined in advance may be adopted as the concentration of water contained in the atmosphere. In this case, the control unit transmits the air as the “predetermined fixed value” as data related to the correspondence relationship between the concentration of water contained in the test gas and the reference detection value that is the reference value of the second detection value. Only the reference detection value corresponding to the concentration of water contained therein needs to be stored in advance. Therefore, in this case, the storage capacity that should be ensured by the data storage device included in the control unit can be reduced.

しかしながら、より厳密には、大気中に含まれる水の濃度としては、上記のような所定の固定値ではなく、その時点における大気中に実際に含まれる水の濃度を採用することが望ましい。   However, more strictly, as the concentration of water contained in the atmosphere, it is desirable to adopt the concentration of water actually contained in the atmosphere at that time instead of the predetermined fixed value as described above.

従って、本発明装置は、前記内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備え得る。この吸気湿度センサは、上記吸気湿度を検出することが可能である限り、特に限定されない。典型的には、上記吸気湿度センサは、所謂「湿度センサ」である。   Therefore, the device of the present invention may further include an intake humidity sensor that detects intake humidity, which is a concentration of water contained in intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. The intake humidity sensor is not particularly limited as long as the intake humidity can be detected. Typically, the intake humidity sensor is a so-called “humidity sensor”.

上記の場合、前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度として、前記検出された吸気湿度を使用するように構成される。これによれば、たとえ吸気湿度が変動しても、被検ガス中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値をより精度良く特定することができる。その結果、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を確実且つ簡便に低減して、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度をより精度良く検出することができる。   In the above case, the control unit is configured to use the detected intake humidity as the concentration of water contained in the test gas at that time in the learning operation. According to this, even if the intake humidity varies, the reference detection value corresponding to the concentration of water contained in the test gas can be specified with higher accuracy. As a result, it is possible to reliably and easily reduce the change in the detection value caused by the change in the sensor activity, and to detect the concentration of sulfur oxide contained in the test gas with higher accuracy.

ところで、電気化学セルにおける酸素の分解開始電圧は、一般に、水の分解開始電圧よりも低い。従って、検出動作における第1検出値及び第2検出値に対応する各電極電流には、水の分解電流及び硫黄酸化物の分解電流のみならず、酸素の分解電流も含まれる。そのため、被検ガス中に含まれる酸素の濃度が変化すると、第1検出値及び第2検出値も変化するので、これらの検出値に基づく被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出精度が低下する虞がある。従って、これらの検出値に基づく被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出精度を高めるためには、被検ガス中に含まれる酸素の量を低減することが望ましい。   By the way, the decomposition start voltage of oxygen in an electrochemical cell is generally lower than the decomposition start voltage of water. Therefore, each electrode current corresponding to the first detection value and the second detection value in the detection operation includes not only the water decomposition current and the sulfur oxide decomposition current but also the oxygen decomposition current. Therefore, when the concentration of oxygen contained in the test gas changes, the first detection value and the second detection value also change. Therefore, the detection of the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on these detection values. There is a risk that the accuracy may decrease. Therefore, in order to increase the detection accuracy of the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on these detection values, it is desirable to reduce the amount of oxygen contained in the test gas.

加えて、被検ガス中に含まれる酸素の量は硫黄酸化物の量と比較して非常に多い。従って、検出動作における第1検出値及び第2検出値に対応する各電極電流において、酸素の分解電流が占める割合は、水の分解電流及び硫黄酸化物の分解電流が占める割合と比較して、非常に大きい。そのため、これらの検出値に基づく被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出におけるSN比を高めるためにも、被検ガス中に含まれる酸素の量を低減することが望ましい。   In addition, the amount of oxygen contained in the test gas is very large compared to the amount of sulfur oxide. Therefore, in each electrode current corresponding to the first detection value and the second detection value in the detection operation, the ratio of the oxygen decomposition current is compared with the ratio of the water decomposition current and the sulfur oxide decomposition current. Very big. Therefore, it is desirable to reduce the amount of oxygen contained in the test gas in order to increase the SN ratio in detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on these detection values.

そこで、本発明の別の実施態様に係るガス濃度検出装置は、上述した種々の実施態様の何れかに係るガス濃度検出装置であって、第1電気化学セル(センサセル)及び第2電気化学セル(モニタセル)に到達する前に被検ガス中に含まれる酸素の量を低減する第3電気化学セル(ポンプセル)を備える。   Therefore, a gas concentration detection device according to another embodiment of the present invention is a gas concentration detection device according to any of the various embodiments described above, and includes a first electrochemical cell (sensor cell) and a second electrochemical cell. A third electrochemical cell (pump cell) that reduces the amount of oxygen contained in the test gas before reaching the (monitor cell) is provided.

具体的には、本実施態様に係るガス濃度検出装置において、前記素子部は、第3電気化学セルを更に備える。前記第3電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第3固体電解質体と当該第3固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第5電極及び第6電極とを含む。第3固体電解質体と上述した第1固体電解質体及び/又は第2固体電解質体とは、同じ(一体の)固体電解質体であってもよく、或いは、別個の固体電解質体であってもよい。典型的には、第3固体電解質体と第1固体電解質体及び第2固体電解質体とは、別個の固体電解質体である。   Specifically, in the gas concentration detection apparatus according to the present embodiment, the element unit further includes a third electrochemical cell. The third electrochemical cell includes a third solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a fifth electrode and a sixth electrode formed on the surface of the third solid electrolyte body, respectively. The third solid electrolyte body and the first solid electrolyte body and / or the second solid electrolyte body described above may be the same (integrated) solid electrolyte body, or may be separate solid electrolyte bodies. . Typically, the third solid electrolyte body, the first solid electrolyte body, and the second solid electrolyte body are separate solid electrolyte bodies.

更に、前記第5電極は前記内部空間に露出し、前記第6電極は前記内部空間とは異なる空間である第3別空間に露出している。第3別空間と第1別空間及び/又は第2別空間とは、同じ(素子部の内部において互いに連通した)空間であっても、或いは、別個の(素子部の内部において互いに独立した)空間であってもよい。典型的には、第3別空間と第1別空間及び第2別空間とは、別個の(素子部の内部において互いに独立した)空間である。加えて、前記第5電極は前記第1電極及び前記第3電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置に形成される。   Further, the fifth electrode is exposed to the internal space, and the sixth electrode is exposed to a third separate space that is a space different from the internal space. The third separate space and the first separate space and / or the second separate space may be the same space (communication with each other inside the element portion) or may be separate (independent of each other within the element portion). It may be a space. Typically, the third separate space, the first separate space, and the second separate space are separate spaces (independent of each other inside the element portion). In addition, the fifth electrode is formed at a position closer to the diffusion resistance portion than the first electrode and the third electrode.

前記第5電極は、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっている場合に、前記第5電極と前記第6電極との間に酸素の限界電流域に該当し且つ水の分解開始電圧未満の電圧である第3所定電圧が印加されているときに前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出することが可能であるように構成される、   The fifth electrode corresponds to a limit current region of oxygen between the fifth electrode and the sixth electrode when the temperature of the element portion is the first predetermined temperature, and starts decomposition of water. Configured to be capable of decomposing and exhausting oxygen contained in the test gas when the third predetermined voltage, which is a voltage lower than the voltage, is applied.

上記のような第5電極は、例えば電極材料を構成する物質の種類及び電極を作製する際の熱処理の条件等を適宜選択することによって作製することができる。このような第5電極を構成する材料は、例えば、第5電極と第6電極との間に第3所定電圧を印加したときに被検ガス中に含まれる酸素を分解させることができる活性を有する物質(例えば、貴金属)を含む。典型的には、第5電極は、白金(Pt)、金(Au)、鉛(Pb)及び銀(Ag)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含むことが望ましい。   The fifth electrode as described above can be produced, for example, by appropriately selecting the type of substance constituting the electrode material and the conditions of the heat treatment when producing the electrode. Such a material constituting the fifth electrode has, for example, an activity capable of decomposing oxygen contained in the test gas when a third predetermined voltage is applied between the fifth electrode and the sixth electrode. The substance (for example, noble metal) which has. Typically, the fifth electrode desirably includes at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), gold (Au), lead (Pb), and silver (Ag).

更に、前記電源は、前記第5電極と前記第6電極との間にも電圧を印加するように構成される。   Further, the power source is configured to apply a voltage between the fifth electrode and the sixth electrode.

加えて、前記制御部は、少なくとも前記検出動作を実行している期間において、酸素排出動作を実行するように構成される。具体的には、酸素排出動作において、前記制御部は、前記電源を制御して前記第5電極と前記第6電極との間に前記第3所定電圧を印加する。これにより、前記制御部は、前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出する。   In addition, the control unit is configured to perform an oxygen discharge operation at least in a period during which the detection operation is performed. Specifically, in the oxygen discharging operation, the control unit controls the power source to apply the third predetermined voltage between the fifth electrode and the sixth electrode. Thereby, the control unit decomposes oxygen contained in the test gas and discharges it from the internal space.

上記のように、本実施態様に係るガス濃度検出装置は、第1電気化学セル(センサセル)及び第2電気化学セル(モニタセル)に到達する前に被検ガス中に含まれる酸素の量を低減する第3電気化学セル(ポンプセル)を備える。これにより、本実施態様に係るガス濃度検出装置は、第1検出値及び第2検出値に基づく被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出精度及びSN比を高めることができる。   As described above, the gas concentration detection apparatus according to the present embodiment reduces the amount of oxygen contained in the test gas before reaching the first electrochemical cell (sensor cell) and the second electrochemical cell (monitor cell). A third electrochemical cell (pump cell). Thereby, the gas concentration detection apparatus which concerns on this embodiment can raise the detection accuracy and SN ratio of the density | concentration of the sulfur oxide contained in the test gas based on a 1st detection value and a 2nd detection value.

一方、前述したように、被検ガス中に含まれる水の濃度は、例えば、内燃機関において検出され得る被検ガス中に含まれる水の濃度と関連を有する各種状態量等から適宜取得することができる。具体的には、上記水の濃度は、例えば、空燃比センサによって検出される空燃比に基づいて算出することができる。   On the other hand, as described above, the concentration of water contained in the test gas is appropriately acquired from various state quantities related to the concentration of water contained in the test gas that can be detected in the internal combustion engine, for example. Can do. Specifically, the water concentration can be calculated based on, for example, an air-fuel ratio detected by an air-fuel ratio sensor.

従って、本発明の更に別の実施態様に係るガス濃度検出装置は、前記内燃機関の燃焼室に供給される混合気における空燃比を検出する空燃比センサを更に備える。空燃比センサの構成については、当業者に周知であるので、ここでの説明は省略する。空燃比センサは、上記内燃機関の制御を目的として備えられた空燃比センサであってもよい。或いは、後述するように、本発明装置が内部空間から酸素を排出するポンプセル等の酸素の限界電流値を検出することができる構成要素を更に備える場合は、当該構成要素を空燃比センサとして利用してもよい。   Therefore, the gas concentration detection apparatus according to still another embodiment of the present invention further includes an air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio in the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. Since the configuration of the air-fuel ratio sensor is well known to those skilled in the art, a description thereof is omitted here. The air-fuel ratio sensor may be an air-fuel ratio sensor provided for the purpose of controlling the internal combustion engine. Alternatively, as will be described later, when the apparatus of the present invention further includes a component capable of detecting the limiting current value of oxygen such as a pump cell that discharges oxygen from the internal space, the component is used as an air-fuel ratio sensor. May be.

更に、前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度を前記検出された空燃比に基づいて算出するように構成されている。当業者に周知であるように、混合気における空燃比が判れば、当該混合気に含まれる燃料及び酸素の量から当該燃料の燃焼の結果として生ずる水の量を算出することができる。従って、被検ガスとしての内燃機関の排気中に含まれる水の濃度を空燃比に基づいて算出することができる。   Further, in the learning operation, the control unit is configured to calculate the concentration of water contained in the test gas at that time based on the detected air-fuel ratio. As known to those skilled in the art, if the air-fuel ratio in the air-fuel mixture is known, the amount of water produced as a result of the combustion of the fuel can be calculated from the amounts of fuel and oxygen contained in the air-fuel mixture. Therefore, the concentration of water contained in the exhaust gas of the internal combustion engine as the test gas can be calculated based on the air-fuel ratio.

ところで、前記制御部は、前記空燃比が特定の値を含む所定の範囲内の値であるときに前記学習動作を実行するように構成され得る。これによれば、上記学習動作において、上記制御部は、空燃比が特定の値を含む所定の範囲内の値であるときの内燃機関の排気(被検ガス)中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値に第2検出値が一致するようにヒータ電力を制御すればよい。即ち、制御部は、前記被検ガス中に含まれる水の濃度と前記第2検出値の基準値である基準検出値との対応関係に関連するデータとして、当該水の濃度に対応する基準検出値のみを予め記憶していればよい。従って、制御部が備えるデータ記憶装置が確保すべき記憶容量を低減することができる。   By the way, the control unit may be configured to execute the learning operation when the air-fuel ratio is a value within a predetermined range including a specific value. According to this, in the learning operation, the control unit adjusts the concentration of water contained in the exhaust gas (test gas) of the internal combustion engine when the air-fuel ratio is a value within a predetermined range including a specific value. The heater power may be controlled so that the second detection value matches the corresponding reference detection value. That is, the control unit detects the reference detection corresponding to the concentration of the water as data related to the correspondence relationship between the concentration of water contained in the test gas and the reference detection value that is the reference value of the second detection value. Only the value needs to be stored in advance. Therefore, it is possible to reduce the storage capacity to be secured by the data storage device provided in the control unit.

上記において、上記特定の値である空燃比を理論空燃比とすることができる。この場合、前記制御部は、前記空燃比が理論空燃比を含む所定の範囲内の値であるときに前記学習動作を実行するように構成され得る。これによれば、例えば、排気浄化のための三元触媒を有効に機能させることを目的として空燃比を理論空燃比近傍に制御して燃料を燃焼させる頻度が高い昨今のガソリンエンジンにおいて、上記学習動作を実行し得る機会を増大させることができる。   In the above, the air-fuel ratio which is the specific value can be set as the stoichiometric air-fuel ratio. In this case, the control unit may be configured to execute the learning operation when the air-fuel ratio is a value within a predetermined range including the stoichiometric air-fuel ratio. According to this, for example, in the recent gasoline engine having a high frequency of burning fuel by controlling the air-fuel ratio in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio for the purpose of effectively functioning the three-way catalyst for exhaust purification, the above learning is performed. Opportunities for performing operations can be increased.

以上説明してきたように、被検ガスとしての内燃機関の排気中に含まれる水の濃度は、空燃比に基づいて算出することができる。しかしながら、被検ガス中には、燃料の燃焼の結果として生ずる水のみならず、内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水も含まれる。吸気中に含まれる水の量は、燃料の燃焼の結果として生ずる水の量と比較して、極僅かである。   As described above, the concentration of water contained in the exhaust gas of the internal combustion engine as the test gas can be calculated based on the air-fuel ratio. However, the test gas includes not only water generated as a result of fuel combustion but also water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. The amount of water contained in the intake air is negligible compared to the amount of water produced as a result of fuel combustion.

しかしながら、空燃比が大きい(リーン)場合及びフューエルカットが実行されている場合は、空燃比が小さい(リッチ)又は理論空燃比である場合と比較して、燃料の燃焼の結果として生ずる水の量がより少ない。即ち、空燃比がリーンである場合及びフューエルカットが実行されている場合は、空燃比がリッチ又は理論空燃比である場合と比較して、吸気中に含まれる水の被検ガス中に含まれる水に占める割合が相対的に高い。従って、このような場合においても被検ガス中に含まれる水の濃度を厳密に取得するためには、燃料の燃焼の結果として生ずる水の濃度のみならず、内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度をも考慮することが望ましい。   However, when the air-fuel ratio is large (lean) and when the fuel cut is performed, the amount of water generated as a result of fuel combustion compared to the case where the air-fuel ratio is small (rich) or the stoichiometric air-fuel ratio. Is less. That is, when the air-fuel ratio is lean and when the fuel cut is executed, it is included in the test gas of water contained in the intake air as compared with the case where the air-fuel ratio is rich or the stoichiometric air-fuel ratio. The proportion of water is relatively high. Accordingly, even in such a case, in order to strictly acquire the concentration of water contained in the test gas, not only the concentration of water generated as a result of the combustion of fuel but also the combustion chamber of the internal combustion engine is supplied. It is also desirable to consider the concentration of water contained in the intake air.

従って、上述したように空燃比センサによって検出される空燃比に基づいて被検ガス中に含まれる水の濃度を算出する本発明装置もまた、前記内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備え得る。この場合、前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度を前記検出された空燃比及び前記検出された吸気湿度に基づいて算出するように構成される。このように、本実施態様に係るガス濃度検出装置においては、燃料の燃焼の結果として生ずる水の濃度のみならず、内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度をも考慮して、被検ガス中に含まれる水の濃度がより精度良く取得される。その結果、本実施態様に係るガス濃度検出装置によれば、たとえ吸気湿度が変動しても、被検ガス中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値をより精度良く特定することができる。その結果、センサ活性の変化に起因する検出値の変化を確実且つ簡便に低減して、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度をより精度良く検出することができる。   Therefore, as described above, the apparatus of the present invention that calculates the concentration of water contained in the test gas based on the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor is also included in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. An intake humidity sensor that detects intake humidity, which is the concentration of contained water, may be further provided. In this case, in the learning operation, the control unit is configured to calculate the concentration of water contained in the test gas at that time based on the detected air-fuel ratio and the detected intake humidity. The Thus, in the gas concentration detection device according to this embodiment, not only the concentration of water generated as a result of fuel combustion but also the concentration of water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine is considered. Thus, the concentration of water contained in the test gas is acquired with higher accuracy. As a result, the gas concentration detection device according to the present embodiment can specify the reference detection value corresponding to the concentration of water contained in the test gas with higher accuracy even if the intake humidity varies. . As a result, it is possible to reliably and easily reduce the change in the detection value caused by the change in the sensor activity, and to detect the concentration of sulfur oxide contained in the test gas with higher accuracy.

ところで、上述したように空燃比センサによって検出される空燃比に基づいて被検ガス中に含まれる水の濃度を算出する本発明装置(吸気湿度センサを更に備える本発明装置を含む。)においても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度の検出精度及びSN比を高めるためには、被検ガス中に含まれる酸素の量を低減することが望ましい。   By the way, in the present invention apparatus (including the present invention apparatus further provided with an intake humidity sensor) that calculates the concentration of water contained in the test gas based on the air-fuel ratio detected by the air-fuel ratio sensor as described above. In order to improve the detection accuracy and SN ratio of the concentration of sulfur oxide contained in the test gas, it is desirable to reduce the amount of oxygen contained in the test gas.

そこで、本発明の別の実施態様に係るガス濃度検出装置は、上述した種々の実施態様の何れかに係るガス濃度検出装置であって、第1電気化学セル(センサセル)及び第2電気化学セル(モニタセル)に到達する前に被検ガス中に含まれる酸素の量を低減する第3電気化学セル(ポンプセル)を備える。当該第3電気化学セルの構成については、既に上述したので、ここでは説明を繰り返さない。   Therefore, a gas concentration detection device according to another embodiment of the present invention is a gas concentration detection device according to any of the various embodiments described above, and includes a first electrochemical cell (sensor cell) and a second electrochemical cell. A third electrochemical cell (pump cell) that reduces the amount of oxygen contained in the test gas before reaching the (monitor cell) is provided. About the structure of the said 3rd electrochemical cell, since it already mentioned above, description is not repeated here.

ところで、上記酸素排出動作において、制御部は、電源を制御して第5電極と第6電極との間に第3所定電圧を印加する。上記のように、第3所定電圧は、酸素の限界電流域に該当し且つ水の分解開始電圧未満の電圧である。従って、上記酸素排出動作を実行している期間において、第5電極と第6電極との間には、酸素の限界電流が流れる。冒頭で述べたように、この限界電流の大きさ(限界電流値)は、被検ガス中に含まれる酸素の濃度に対応する。   By the way, in the oxygen discharging operation, the control unit controls the power source to apply the third predetermined voltage between the fifth electrode and the sixth electrode. As described above, the third predetermined voltage corresponds to the limiting current region of oxygen and is a voltage lower than the water decomposition start voltage. Accordingly, a limit current of oxygen flows between the fifth electrode and the sixth electrode during the period in which the oxygen discharging operation is being performed. As described at the beginning, the magnitude of the limit current (limit current value) corresponds to the concentration of oxygen contained in the test gas.

従って、上記酸素排出動作を実行しているときに第5電極と第6電極との間に流れる電流に対応する検出値を検出すれば、この検出値に基づいて、被検ガス中に含まれる酸素の濃度及び/又は内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比を検出することができる。即ち、上述した空燃比センサとして第3電気化学セルを機能させることができる。   Therefore, if a detection value corresponding to the current flowing between the fifth electrode and the sixth electrode is detected while the oxygen discharge operation is being executed, the detection gas is included in the test gas based on the detection value. It is possible to detect the oxygen concentration and / or the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine. That is, the third electrochemical cell can function as the air-fuel ratio sensor described above.

従って、上記のように第3電気化学セルを更に備える実施態様に係る本発明装置において、前記検出部は、前記第5電極と前記第6電極との間に流れる電流に対応する検出値である第3検出値をも検出するようにも構成され得る。この場合、前記制御部は、前記酸素排出動作を実行しているときに、前記第3検出値に基づいて前記被検ガスに対応する前記内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比を検出することにより前記第3電気化学セルを前記空燃比センサとして使用するように構成される。   Therefore, in the device of the present invention according to the embodiment further including the third electrochemical cell as described above, the detection unit has a detection value corresponding to the current flowing between the fifth electrode and the sixth electrode. It may also be configured to detect the third detection value. In this case, the control unit detects the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine corresponding to the test gas based on the third detection value when the oxygen discharge operation is being performed. Thus, the third electrochemical cell is configured to be used as the air-fuel ratio sensor.

これによれば、本発明装置は、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するガス濃度検出装置(SOxセンサ)としてのみならず、内燃機関の燃焼室に供給される混合気の空燃比を検出する空燃比センサとしても機能することができる。従って、内燃機関の制御を目的として別個の空燃比センサを設ける必要が無くなるので、例えば、内燃機関を搭載する設備(例えば、車輌等)の製造コストを低減することができる。   According to this, the device of the present invention is not only a gas concentration detection device (SOx sensor) for detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas, but also of the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. It can also function as an air-fuel ratio sensor that detects the air-fuel ratio. Accordingly, there is no need to provide a separate air-fuel ratio sensor for the purpose of controlling the internal combustion engine, and therefore, for example, the manufacturing cost of equipment (for example, a vehicle) on which the internal combustion engine is mounted can be reduced.

更に、上述した学習動作において、空燃比センサとしての第3電気化学セルによって検出される空燃比に基づいて、被検ガス中に含まれる水の濃度を算出することができる。従って、被検ガス中に含まれる水の濃度を算出することを目的として別個の空燃比センサを設ける必要が無くなるので、例えば、内燃機関を搭載する設備(例えば、車輌等)の製造コストを低減することができる。   Further, in the learning operation described above, the concentration of water contained in the test gas can be calculated based on the air-fuel ratio detected by the third electrochemical cell as the air-fuel ratio sensor. Accordingly, it is not necessary to provide a separate air-fuel ratio sensor for the purpose of calculating the concentration of water contained in the test gas, so that, for example, the manufacturing cost of equipment (for example, a vehicle) equipped with an internal combustion engine is reduced. can do.

加えて、上記インピーダンス検出部は、第3電気化学セルの電極間のインピーダンスを取得してもよい。この場合、インピーダンス検出部は、例えば、第5電極と第6電極との間に所定の高周波電圧を印加したときに検出される電極電流に基づいてインピーダンスを算出するように構成された制御部として実装することができる。このようなインピーダンス検出部は、第5電極と第6電極との間に高周波電圧を印加したときに検出される電極電流に基づいて算出されるインピーダンスに基づいて素子部の温度を算出するように制御部が構成されている場合、特段の構成要素を追加すること無く実装することができるので好都合である。   In addition, the impedance detection unit may acquire the impedance between the electrodes of the third electrochemical cell. In this case, the impedance detection unit is, for example, a control unit configured to calculate impedance based on an electrode current detected when a predetermined high-frequency voltage is applied between the fifth electrode and the sixth electrode. Can be implemented. Such an impedance detection unit calculates the temperature of the element unit based on the impedance calculated based on the electrode current detected when a high frequency voltage is applied between the fifth electrode and the sixth electrode. When the control unit is configured, it is advantageous because it can be implemented without adding special components.

ところで、このようにポンプセルとして機能する第3電気化学セルは、それぞれセンサセル及びモニタセルとして機能する第1電気化学セル及び第2電気化学セルと比較して、インピーダンスを取得するために高周波電圧を印加することに伴う影響が現れ難い。従って、本発明装置がポンプセルとして機能する第3電気化学セルを備える場合は、インピーダンス検出部が第3電気化学セルの電極間のインピーダンスを取得するように構成することが望ましい。   By the way, the 3rd electrochemical cell which functions as a pump cell in this way applies a high frequency voltage in order to acquire impedance compared with the 1st electrochemical cell and 2nd electrochemical cell which function as a sensor cell and a monitor cell, respectively. It is difficult to see the effects of this. Therefore, when the apparatus of the present invention includes the third electrochemical cell that functions as a pump cell, it is desirable that the impedance detection unit is configured to acquire the impedance between the electrodes of the third electrochemical cell.

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。   Other objects, other features, and attendant advantages of the present invention will be readily understood from the description of each embodiment of the present invention described with reference to the following drawings.

本発明の1つの実施形態に係るガス濃度検出装置(第1装置)が備える素子部の構成の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of a structure of the element part with which the gas concentration detection apparatus (1st apparatus) which concerns on one Embodiment of this invention is provided. 印加電圧と電極電流との関係のセンサ活性による違いを示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows the difference by the sensor activity of the relationship between an applied voltage and an electrode current. 被検ガスに対応する内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比と被検ガス中に含まれる水の濃度との対応関係を示す模式的なグラフである。4 is a schematic graph showing a correspondence relationship between an air-fuel ratio of an air-fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine corresponding to a test gas and a concentration of water contained in the test gas. 被検ガス中に含まれる水の濃度とモニタセルから検出される第2検出値の正常値(基準検出値)との対応関係を示す模式的なグラフである。It is a typical graph which shows the correspondence of the density | concentration of the water contained in to-be-tested gas, and the normal value (reference | standard detection value) of the 2nd detection value detected from a monitor cell. 第1装置が備える制御部が実行する「ヒータ電力制御ルーチン」を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the "heater electric power control routine" which the control part with which a 1st apparatus is provided performs.

以下、図面を参照しながら本発明の1つの実施形態に係るガス濃度検出装置(以下、「第1装置」と称される場合がある。)について説明する。   Hereinafter, a gas concentration detection apparatus (hereinafter, may be referred to as a “first apparatus”) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(構成)
第1装置が備える素子部10は、図1の(a)に示すように、第1固体電解質体11s、第3固体電解質体13s、第1アルミナ層21a、第2アルミナ層21b、第3アルミナ層21c、第4アルミナ層21d、第5アルミナ層21e、第6アルミナ層21f、拡散抵抗部(拡散律速層)32及びヒータ41を備える。
第1固体電解質体11s及び第3固体電解質体13sは、ジルコニア等を含み、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。第1固体電解質体11s及び第3固体電解質体13sを形成するジルコニアは、例えば、スカンジウム(Sc)及びイットリウム(Y)等の元素を含んでいてもよい。
第1乃至第6アルミナ層21a乃至21fは、アルミナを含む緻密(ガス不透過性)の層(緻密体)である。
拡散抵抗部32は、多孔質の拡散律速層であり、ガス透過性の層(薄板体)である。
ヒータ41は、例えば、白金(Pt)とセラミックス(例えば、アルミナ等)とのサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。
(Constitution)
As shown in FIG. 1A, the element unit 10 included in the first device includes a first solid electrolyte body 11s, a third solid electrolyte body 13s, a first alumina layer 21a, a second alumina layer 21b, and a third alumina. A layer 21c, a fourth alumina layer 21d, a fifth alumina layer 21e, a sixth alumina layer 21f, a diffusion resistance portion (diffusion-controlling layer) 32, and a heater 41;
The first solid electrolyte body 11s and the third solid electrolyte body 13s are thin plate bodies containing zirconia and the like and having oxide ion conductivity. The zirconia forming the first solid electrolyte body 11s and the third solid electrolyte body 13s may contain elements such as scandium (Sc) and yttrium (Y), for example.
The first to sixth alumina layers 21a to 21f are dense (gas impermeable) layers (dense bodies) containing alumina.
The diffusion resistance portion 32 is a porous diffusion-controlling layer, and is a gas permeable layer (thin plate).
The heater 41 is, for example, a thin plate body of cermet of platinum (Pt) and ceramics (for example, alumina), and is a heating element that generates heat when energized.

素子部10の各層は、下方から、第5アルミナ層21e、第4アルミナ層21d、第3アルミナ層21c、第1固体電解質体11s、拡散抵抗部32及び第2アルミナ層21b、第3固体電解質体13s、第6アルミナ層21f、第1アルミナ層21aの順に積層されている。   The layers of the element unit 10 are, from below, the fifth alumina layer 21e, the fourth alumina layer 21d, the third alumina layer 21c, the first solid electrolyte body 11s, the diffusion resistance unit 32, the second alumina layer 21b, and the third solid electrolyte. The body 13s, the sixth alumina layer 21f, and the first alumina layer 21a are laminated in this order.

内部空間31は、第1固体電解質体11s、第3固体電解質体13s、拡散抵抗部32及び第2アルミナ層21bによって形成される空間であり、その中に拡散抵抗部32を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入されるようになっている。即ち、素子部10においては、内部空間31は拡散抵抗部32を介して内燃機関の排気管(何れも図示せず)の内部と連通している。従って、排気管内の排気が内部空間31内に被検ガスとして導かれる。   The internal space 31 is a space formed by the first solid electrolyte body 11 s, the third solid electrolyte body 13 s, the diffusion resistance portion 32 and the second alumina layer 21 b, and the test gas via the diffusion resistance portion 32 therein. The exhaust of the internal combustion engine is introduced. That is, in the element portion 10, the internal space 31 communicates with the inside of the exhaust pipe (none of which is shown) of the internal combustion engine via the diffusion resistance portion 32. Therefore, the exhaust gas in the exhaust pipe is guided into the internal space 31 as the test gas.

第1大気導入路51は、第1固体電解質体11s、第3アルミナ層21c及び第4アルミナ層21dによって形成され、排気管の外部の大気に開放されている。尚、第1大気導入路51は、第1別空間に該当する。
第2大気導入路52は、第3固体電解質体13s、第6アルミナ層21f及び第1アルミナ層21aによって形成され、排気管の外部の大気に開放されている。尚、第2大気導入路52は、第3別空間に該当する。
The first atmosphere introduction path 51 is formed by the first solid electrolyte body 11s, the third alumina layer 21c, and the fourth alumina layer 21d, and is open to the atmosphere outside the exhaust pipe. The first air introduction path 51 corresponds to a first separate space.
The second atmosphere introduction path 52 is formed by the third solid electrolyte body 13s, the sixth alumina layer 21f, and the first alumina layer 21a, and is open to the atmosphere outside the exhaust pipe. The second atmosphere introduction path 52 corresponds to a third separate space.

第1電極11aは陰極であり、第2電極11bは陽極である。第1電極11aは、第1固体電解質体11sの一方の側の表面(具体的には、内部空間31を画定する第1固体電解質体11sの表面)に固着されている。一方、第2電極11bは、第1固体電解質体11sの他方の側の表面(具体的には、第1大気導入路51を画定する第1固体電解質体11sの表面)に固着されている。第1電極11a及び第2電極11b並びに第1固体電解質体11sは、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出するセンサセルとして機能する第1電気化学セル11cを構成している。   The first electrode 11a is a cathode, and the second electrode 11b is an anode. The first electrode 11a is fixed to the surface on one side of the first solid electrolyte body 11s (specifically, the surface of the first solid electrolyte body 11s that defines the internal space 31). On the other hand, the second electrode 11b is fixed to the surface on the other side of the first solid electrolyte body 11s (specifically, the surface of the first solid electrolyte body 11s that defines the first air introduction path 51). The first electrode 11a, the second electrode 11b, and the first solid electrolyte body 11s constitute a first electrochemical cell 11c that functions as a sensor cell that detects the concentration of sulfur oxide contained in the test gas.

第5電極13aは陰極であり、第6電極13bは陽極である。第5電極13aは、第3固体電解質体13sの一方の側の表面(具体的には、内部空間31を画定する第3固体電解質体13sの表面)に固着されている。一方、第6電極13bは、第3固体電解質体13sの他方の側の表面(具体的には、第2大気導入路52を画定する第3固体電解質体13sの表面)に固着されている。第5電極31a及び第6電極31b並びに第3固体電解質体13sは、被検ガス中に含まれる酸素を内部空間31から排出するポンプセルとして機能する第3電気化学セル13cを構成している。   The fifth electrode 13a is a cathode, and the sixth electrode 13b is an anode. The fifth electrode 13a is fixed to the surface on one side of the third solid electrolyte body 13s (specifically, the surface of the third solid electrolyte body 13s that defines the internal space 31). On the other hand, the sixth electrode 13b is fixed to the surface on the other side of the third solid electrolyte body 13s (specifically, the surface of the third solid electrolyte body 13s that defines the second air introduction path 52). The fifth electrode 31a, the sixth electrode 31b, and the third solid electrolyte body 13s constitute a third electrochemical cell 13c that functions as a pump cell that discharges oxygen contained in the test gas from the internal space 31.

図1の(b)は、図1の(a)に示した線分A−Aを含む平面による素子部10の断面図である。図1の(b)に示した例において、第1装置は、第1電気化学セル11cの近傍に併設された第2電気化学セル12c(モニタセル)を更に備える。ここで言う「近傍」とは、第1電気化学セル11cに到達する被検ガス中に含まれる水の濃度に等しい濃度の水を含む被検ガスが到達する領域を指す。具体的には、第1装置においては、第1電気化学セル11c及び第2電気化学セル12cは、上流側に配設された第3電気化学セル13cから同じ距離だけ下流側に離れた位置に配設されている。   FIG. 1B is a cross-sectional view of the element portion 10 taken along a plane including the line segment AA shown in FIG. In the example shown in FIG. 1B, the first device further includes a second electrochemical cell 12c (monitor cell) provided in the vicinity of the first electrochemical cell 11c. Here, “near” refers to a region where a test gas containing water having a concentration equal to the concentration of water contained in the test gas reaching the first electrochemical cell 11c reaches. Specifically, in the first apparatus, the first electrochemical cell 11c and the second electrochemical cell 12c are separated from the third electrochemical cell 13c disposed on the upstream side by the same distance to the downstream side. It is arranged.

第2電気化学セル12cは、第1固体電解質体11sを第1電気化学セル11cと共有し、その表面に配設された一対の電極である第3電極12a及び第4電極12bを有する。即ち、図1の(b)に示した第2固体電解質体12sは、第1固体電解質体11sと同じ(一体の)固体電解質体である。図1に示した例においては、第3電極12aは内部空間31に面するように配設され、第4電極12bは第1大気導入路51に面するように配設されている。即ち、この場合、第1大気導入路51は、第3別空間としても機能する。   The second electrochemical cell 12c shares the first solid electrolyte body 11s with the first electrochemical cell 11c and has a third electrode 12a and a fourth electrode 12b which are a pair of electrodes disposed on the surface thereof. That is, the second solid electrolyte body 12s shown in FIG. 1B is the same (integrated) solid electrolyte body as the first solid electrolyte body 11s. In the example shown in FIG. 1, the third electrode 12 a is disposed so as to face the internal space 31, and the fourth electrode 12 b is disposed so as to face the first atmosphere introduction path 51. That is, in this case, the first atmosphere introduction path 51 also functions as a third separate space.

これら第1電気化学セル11c乃至第3電気化学セル13cは、ヒータ41により、活性化温度まで加熱される。   The first electrochemical cell 11c to the third electrochemical cell 13c are heated to the activation temperature by the heater 41.

第1電極11aは、白金(Pt)とロジウム(Rh)との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第2電極11bは、白金(Pt)を主成分として含む多孔質サーメット電極である。一方、第3電極12a及び第5電極13aは、白金(Pt)と金(Au)との合金を主成分として含む多孔質サーメット電極であり、第4電極12b及び第6電極13bは、白金(Pt)を主成分として含む多孔質サーメット電極である。   The first electrode 11a is a porous cermet electrode that contains an alloy of platinum (Pt) and rhodium (Rh) as a main component, and the second electrode 11b is a porous cermet electrode that contains platinum (Pt) as a main component. is there. On the other hand, the third electrode 12a and the fifth electrode 13a are porous cermet electrodes mainly containing an alloy of platinum (Pt) and gold (Au), and the fourth electrode 12b and the sixth electrode 13b are made of platinum ( It is a porous cermet electrode containing Pt) as a main component.

第1電極11a及び第3電極12aは、第1分解速度が第2分解速度よりも高くなるように作製されている。前述したように、第1分解速度は、素子部10の温度が第1所定温度となっている場合に第1電極11aと第2電極と11bの間に水の分解開始電圧以上の電圧である第1所定電圧が印加されているときの第1電極11aにおける硫黄酸化物の分解速度である。一方、第2分解速度は、素子部10の温度が第1所定温度となっている場合に第3電極12aと第4電極12bとの間に水の分解開始電圧以上の電圧である第2所定電圧が印加されているときの第3電極12aにおける硫黄酸化物の分解速度である。   The 1st electrode 11a and the 3rd electrode 12a are produced so that the 1st decomposition rate may become higher than the 2nd decomposition rate. As described above, the first decomposition rate is a voltage equal to or higher than the decomposition start voltage of water between the first electrode 11a and the second electrode 11b when the temperature of the element unit 10 is the first predetermined temperature. This is the decomposition rate of sulfur oxide in the first electrode 11a when the first predetermined voltage is applied. On the other hand, when the temperature of the element unit 10 is the first predetermined temperature, the second decomposition rate is a second predetermined rate that is a voltage equal to or higher than the water decomposition start voltage between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b. It is the decomposition rate of sulfur oxide in the third electrode 12a when a voltage is applied.

第1装置においては、第1所定温度を700℃とし且つ第1所定電圧及び第2所定電圧を何れも1.0Vとしたときの第1分解速度が第2分解速度よりも大きく、且つ、第2分解速度が実質的に0(ゼロ)となるように、第1電極11a及び第3電極12aを構成した。   In the first device, the first decomposition speed when the first predetermined temperature is 700 ° C. and the first predetermined voltage and the second predetermined voltage are both 1.0 V is greater than the second decomposition speed, and the first The 1st electrode 11a and the 3rd electrode 12a were constituted so that 2 decomposition speed might become 0 (zero) substantially.

第1固体電解質体11s(第2固体電解質体12s)及び第3固体電解質体13s並びに第1乃至第6アルミナ層21a乃至21fの各層は、例えばドクターブレード法、押し出し成形法等により、シート状に成形することができる。第1電極11a及び第2電極11b、第3電極12a及び第4電極12b、第5電極13a及び第6電極13b、並びにこれらの電極に通電するための配線等は、例えばスクリーン印刷法等によって形成することができる。これらのシートを上述したように積層して焼成することにより、上記のような構造を有する素子部10を一体的に製造することができる。   Each of the first solid electrolyte body 11s (second solid electrolyte body 12s), the third solid electrolyte body 13s, and the first to sixth alumina layers 21a to 21f is formed into a sheet shape by, for example, a doctor blade method or an extrusion molding method. Can be molded. The first electrode 11a and the second electrode 11b, the third electrode 12a and the fourth electrode 12b, the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b, and the wiring for energizing these electrodes are formed by, for example, a screen printing method or the like. can do. By laminating and firing these sheets as described above, the element portion 10 having the above structure can be integrally manufactured.

第1装置は、更に、電源61乃至63、電流計71乃至73、及び図示しないECU(電子制御ユニット)を備える。電源61乃至63及び電流計71乃至73はECUに接続されている。
電源61は、第1電極11aと第2電極11bとの間に第2電極11bの電位が第1電極11aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源61の作動はECUにより制御される。電流計71は、第1電極11aと第2電極11bとの間に流れる電流(従って、第1固体電解質体11sを流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値を第1検出値としてECUに出力するようになっている。
The first device further includes power supplies 61 to 63, ammeters 71 to 73, and an ECU (electronic control unit) not shown. The power supplies 61 to 63 and ammeters 71 to 73 are connected to the ECU.
The power supply 61 can apply a predetermined voltage between the first electrode 11a and the second electrode 11b so that the potential of the second electrode 11b is higher than the potential of the first electrode 11a. The operation of the power supply 61 is controlled by the ECU. The ammeter 71 measures the magnitude of the electrode current that is the current flowing between the first electrode 11a and the second electrode 11b (and hence the current flowing through the first solid electrolyte body 11s), and the measured value is One detection value is output to the ECU.

電源62は、第3電極12aと第4電極12bとの間に第4電極12bの電位が第3電極12aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源62の作動はECUにより制御される。電流計72は、第3電極12aと第4電極12bとの間に流れる電流(従って、第1固体電解質体11s(第2固体電解質体12s)を流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値を第2検出値としてECUに出力するようになっている。
電源63は、第5電極13aと第6電極13bとの間に第6電極13bの電位が第5電極13aの電位よりも高くなるように所定の電圧を印加できるようになっている。電源63の作動はECUにより制御される。電流計73は、第5電極13aと第6電極13bとの間に流れる電流(従って、第3固体電解質体13sを流れる電流)である電極電流の大きさを計測して、その計測値を第3検出値としてECUに出力するようになっている。
The power source 62 can apply a predetermined voltage between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b so that the potential of the fourth electrode 12b is higher than the potential of the third electrode 12a. The operation of the power source 62 is controlled by the ECU. The ammeter 72 measures the magnitude of the electrode current that is the current flowing between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b (and hence the current flowing through the first solid electrolyte body 11s (second solid electrolyte body 12s)). Then, the measurement value is output to the ECU as the second detection value.
The power source 63 can apply a predetermined voltage between the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b so that the potential of the sixth electrode 13b is higher than the potential of the fifth electrode 13a. The operation of the power supply 63 is controlled by the ECU. The ammeter 73 measures the magnitude of the electrode current that is the current flowing between the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b (and hence the current flowing through the third solid electrolyte body 13s), and the measured value is 3 is output to the ECU as a detected value.

以上のように、電源61乃至63は本発明装置が備える電源に相当し、電流計71乃至73は本発明装置が備える検出部に相当する。ECUは、電源を制御して第1電極11aと第2電極11bとの間に第1所定電圧を印加し、第3電極12aと第4電極12bとの間に第2所定電圧を印加し、且つ第5電極13aと第6電極13bとの間に第3所定電圧を印加する。   As described above, the power sources 61 to 63 correspond to the power source included in the device of the present invention, and the ammeters 71 to 73 correspond to the detection unit included in the device of the present invention. The ECU controls the power source to apply a first predetermined voltage between the first electrode 11a and the second electrode 11b, and applies a second predetermined voltage between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b, A third predetermined voltage is applied between the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b.

更に、第1装置においては、第5電極13aと第6電極13bとの間に所定の高周波電圧を印加したときに検出される電極電流に基づいて算出されるインピーダンスに基づいて素子部10の温度を算出するようにECUが構成されている。ECUは、このようにして算出された素子部10の温度が第1所定温度よりも低い場合はヒータ電力を増大させ、素子部10の温度が第1所定温度よりも高い場合はヒータ電力を減少させる。これにより、ECUは、ヒータ41への供給電力であるヒータ電力を制御して素子部10の温度が第1所定温度となるように加熱する。   Further, in the first device, the temperature of the element unit 10 based on the impedance calculated based on the electrode current detected when a predetermined high-frequency voltage is applied between the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b. The ECU is configured to calculate. The ECU increases the heater power when the temperature of the element unit 10 thus calculated is lower than the first predetermined temperature, and decreases the heater power when the temperature of the element unit 10 is higher than the first predetermined temperature. Let Thus, the ECU controls the heater power, which is the power supplied to the heater 41, to heat the temperature of the element unit 10 to the first predetermined temperature.

即ち、ECUは本発明装置が備える制御部に相当する。第1装置においては、第1所定電圧及び第2所定電圧を1.0Vとし、第3所定電圧を0.4Vとした。更に、第1所定温度の所期設定値は700℃とした。但し、前述したように、第1所定電圧と第2所定電圧とは、同じであっても、或いは、異なっていてもよい。第1所定電圧と第2所定電圧とが異なる場合であっても、上述した条件を満足する範疇において、それぞれが一定に維持されていれば、検出動作の実行により、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出することができる。同様に、第1所定電圧と第2所定電圧とが異なる場合であっても、上述した条件を満足する範疇において、それぞれが一定に維持されていれば、学習動作の実行により、目標電力指標を学習することができる。   That is, the ECU corresponds to a control unit provided in the device of the present invention. In the first device, the first predetermined voltage and the second predetermined voltage were set to 1.0V, and the third predetermined voltage was set to 0.4V. Furthermore, the initial set value of the first predetermined temperature was 700 ° C. However, as described above, the first predetermined voltage and the second predetermined voltage may be the same or different. Even if the first predetermined voltage and the second predetermined voltage are different, they are included in the gas to be detected by performing the detection operation as long as they are kept constant in the category satisfying the above-described conditions. The concentration of sulfur oxide can be detected. Similarly, even if the first predetermined voltage and the second predetermined voltage are different, if each of them is maintained constant in a category that satisfies the above-described conditions, the target power index is set by executing the learning operation. Can learn.

(検出動作)
ポンプセルとして機能する第3電気化学セル13cを構成する第5電極13aと第6電極13bとの間に第3所定電圧(0.4V)が印加される。これにより、被検ガス中に含まれる酸素が第5電極13aにおいて還元分解され、内部空間31から排出される。
(Detection operation)
A third predetermined voltage (0.4V) is applied between the fifth electrode 13a and the sixth electrode 13b constituting the third electrochemical cell 13c functioning as a pump cell. Thereby, oxygen contained in the test gas is reduced and decomposed at the fifth electrode 13 a and discharged from the internal space 31.

モニタセルとして機能する第2電気化学セル12cを構成する第3電極12aと第4電極12bとの間には第2所定電圧(1.0V)が印加される。上述したように、第3電極12aにおける硫黄酸化物の分解速度(第2分解速度)は実質的に0(ゼロ)である。従って、ポンプセルによって酸素が排出された被検ガスに含まれる水が第3電極12aにおいて還元分解され、水の分解電流に対応する第2検出値が検出される。   A second predetermined voltage (1.0 V) is applied between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b constituting the second electrochemical cell 12c functioning as a monitor cell. As described above, the sulfur oxide decomposition rate (second decomposition rate) in the third electrode 12a is substantially 0 (zero). Therefore, water contained in the test gas from which oxygen has been discharged by the pump cell is reduced and decomposed at the third electrode 12a, and a second detection value corresponding to the water decomposition current is detected.

一方、センサセルとして機能する第1電気化学セル11cを構成する第1電極11aと第2電極11bとの間には第1所定電圧(1.0V)が印加される。上述したように、第1電極11aにおける硫黄酸化物の分解速度(第1分解速度)は上記第2分解速度よりも高い。従って、ポンプセルによって酸素が排出された被検ガスに含まれる水及び硫黄酸化物が第1電極11aにおいて還元分解され、水及び硫黄酸化物の分解電流に対応する第1検出値が検出される。   On the other hand, a first predetermined voltage (1.0 V) is applied between the first electrode 11a and the second electrode 11b constituting the first electrochemical cell 11c functioning as a sensor cell. As described above, the sulfur oxide decomposition rate (first decomposition rate) in the first electrode 11a is higher than the second decomposition rate. Therefore, water and sulfur oxides contained in the test gas from which oxygen has been discharged by the pump cell are reduced and decomposed at the first electrode 11a, and a first detection value corresponding to the decomposition current of water and sulfur oxides is detected.

制御部として機能するECUは、上記のようにして検出された第1検出値及び第2検出値を取得し、第1検出値と第2検出値との差を算出する。具体的には、ECUは、第1電気化学セル11cの第1電極11aと第2電極11bとの間に第1所定電圧(1.0V)を印加したときの電極電流の値(第1検出値)と、第2電気化学セル12cの第3電極12aと第4電極12bとの間に第2所定電圧(1.0V)を印加したときの電極電流の値(第2検出値)と、の差異を電流差検出回路81によって取得する。   The ECU functioning as the control unit acquires the first detection value and the second detection value detected as described above, and calculates the difference between the first detection value and the second detection value. Specifically, the ECU detects the value of the electrode current (first detection) when a first predetermined voltage (1.0 V) is applied between the first electrode 11a and the second electrode 11b of the first electrochemical cell 11c. Value), and the value of the electrode current (second detection value) when a second predetermined voltage (1.0 V) is applied between the third electrode 12a and the fourth electrode 12b of the second electrochemical cell 12c, Is obtained by the current difference detection circuit 81.

一方、上述したように、ECUが備えるデータ記憶装置には、第1検出値と第2検出値との差の大きさと被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度との対応関係に関連するデータが予め格納されている。そこで、ECUは、上記のようにして算出された第1検出値と第2検出値との差の大きさを上記対応関係に適用することにより、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を特定する。   On the other hand, as described above, the data storage device provided in the ECU relates to the correspondence between the magnitude of the difference between the first detection value and the second detection value and the concentration of sulfur oxide contained in the test gas. Data is stored in advance. Therefore, the ECU applies the magnitude of the difference between the first detection value and the second detection value calculated as described above to the correspondence relationship, so that the concentration of sulfur oxide contained in the test gas is increased. Is identified.

第1装置においては、上述したように、第1分解速度が第2分解速度よりも大きく且つ第2分解速度が実質的に0(ゼロ)となるように、第1電極11a及び第3電極12aが構成されている。従って、第1電極11aに吸着する硫黄酸化物の分解生成物の方が第3電極12aに吸着する硫黄酸化物の分解生成物よりも多く、第3電極12aに吸着する硫黄酸化物の分解生成物の量は実質的に0(ゼロ)となる。その結果、第1電極11aの反応面積の方が第3電極12aの反応面積よりも小さくなり、第1検出値の方が第2検出値よりも小さくなる。   In the first device, as described above, the first electrode 11a and the third electrode 12a are set so that the first decomposition rate is higher than the second decomposition rate and the second decomposition rate is substantially 0 (zero). Is configured. Accordingly, the decomposition product of sulfur oxide adsorbed on the first electrode 11a is more than the decomposition product of sulfur oxide adsorbed on the third electrode 12a, and the decomposition product of sulfur oxide adsorbed on the third electrode 12a. The amount of the object is substantially 0 (zero). As a result, the reaction area of the first electrode 11a is smaller than the reaction area of the third electrode 12a, and the first detection value is smaller than the second detection value.

(学習動作)
上記のように所定の素子温度及び印加電圧におけるセンサセル及びモニタセルの電極電流に基づいて、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を更に精度良く検出することができる。しかしながら、本明細書の冒頭において述べたように、個々のセンサにおける個体差や経年劣化により、例えば、被検ガス中に含まれる含酸素ガスの還元分解に対する電極(陰極)の活性及び/又は固体電解質体の酸化物イオン伝導性が変化する等して、センサ活性が正常なセンサの活性とは異なっている場合がある。
(Learning action)
As described above, based on the electrode currents of the sensor cell and monitor cell at a predetermined element temperature and applied voltage, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas can be detected with higher accuracy. However, as described at the beginning of the present specification, the activity of the electrode (cathode) and / or the solid due to the reductive decomposition of the oxygen-containing gas contained in the test gas, for example, due to individual differences in each sensor and aging The sensor activity may be different from that of a normal sensor because the oxide ion conductivity of the electrolyte body changes.

例えば、図2に示すように、個々のセンサにおける個体差や経年劣化によりセンサ活性が変化すると、印加電圧に対する電極電流の大きさが、センサ活性が正常である場合(実線)に比較して、センサ活性が高い場合はより高く(破線)、センサ活性が低い場合はより低く(点線)、それぞれ検出されるようになる。前述したように、センサ活性が変化している場合、たとえ所定の素子温度及び印加電圧となるように制御されていても、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を当該センサによって精度良く検出することは困難である。   For example, as shown in FIG. 2, when the sensor activity changes due to individual differences or aging deterioration in individual sensors, the magnitude of the electrode current with respect to the applied voltage is compared with the case where the sensor activity is normal (solid line), When the sensor activity is high, it is higher (broken line), and when the sensor activity is low, it is lower (dotted line), so that each is detected. As described above, when the sensor activity is changed, the concentration of sulfur oxide contained in the test gas can be accurately measured by the sensor even if the sensor element is controlled to have a predetermined element temperature and applied voltage. It is difficult to detect.

そこで、第1装置においては、制御部が、第3電気化学セル13c(ポンプセル)から検出される第3検出値に基づいて被検ガスに対応する内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比を検出する空燃比検出動作を実行する。即ち、第1装置においては、第3電気化学セル13cを空燃比センサとして使用して、上記空燃比を検出する。そして、制御部は、当該空燃比から、図3に示すような空燃比と被検ガス中に含まれる水の濃度との対応関係に基づいて、被検ガス中に含まれる水の濃度を特定する。更に、制御部は、当該水の濃度から、図4に示すような被検ガス中に含まれる水の濃度と第2電気化学セル12c(モニタセル)から検出される第2検出値の正常値との対応関係に基づいて、当該水の濃度における正常な第2検出値を基準検出値として特定する。   Therefore, in the first device, the control unit determines the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine corresponding to the test gas based on the third detection value detected from the third electrochemical cell 13c (pump cell). An air-fuel ratio detection operation to be detected is executed. That is, in the first device, the third electrochemical cell 13c is used as an air-fuel ratio sensor to detect the air-fuel ratio. Then, the control unit identifies the concentration of water contained in the test gas based on the correspondence between the air-fuel ratio and the concentration of water contained in the test gas as shown in FIG. To do. Further, the control unit determines the concentration of water contained in the test gas as shown in FIG. 4 and the normal value of the second detection value detected from the second electrochemical cell 12c (monitor cell) from the concentration of the water. Based on this correspondence relationship, the normal second detection value at the concentration of the water is specified as the reference detection value.

そして、制御部は、モニタセルから検出される第2検出値が基準検出値に一致するようにヒータ電力を制御する。そして、CPUは、第2検出値が基準検出値に一致したときのポンプセルの電極間のインピーダンスを目標電力指標として記憶する。上述した各種対応関係を表すマップ(データテーブル)及び目標電力指標等のデータは、制御部として機能するECUが備えるデータ記憶装置に格納される。   Then, the control unit controls the heater power so that the second detection value detected from the monitor cell matches the reference detection value. Then, the CPU stores the impedance between the electrodes of the pump cell when the second detection value matches the reference detection value as a target power index. Data such as the map (data table) representing the various correspondences described above and the target power index are stored in a data storage device provided in the ECU functioning as a control unit.

(具体的動作)
第1装置においては、図5のフローチャートによって示したヒータ電力制御ルーチンに従って、上述した検出動作又は学習動作を実行する。例えば、上述したECUが備えるCPU(以降、単に「CPU」と称呼される場合がある。)は、所定のタイミングにてステップ500から処理を開始し、ステップ510に進む。
(Specific operation)
In the first device, the above-described detection operation or learning operation is executed according to the heater power control routine shown in the flowchart of FIG. For example, a CPU provided in the above-described ECU (hereinafter may be simply referred to as “CPU”) starts processing from step 500 at a predetermined timing, and proceeds to step 510.

先ず、ステップ510において、CPUは、第1装置をセンサとして正常に作動させるための条件であるセンサ駆動条件が成立しているか否かを判定する。第1装置において、CPUは、上述したように、第1所定電圧及び第2所定電圧を1.0Vとし、第3所定電圧を0.4Vとし、第1所定温度の所期設定値を700℃とするように電源及びヒータを制御している。従って、第1装置において、センサ駆動条件は、素子部10の温度が上記第1所定温度において安定しており、且つ、第1電気化学セル11c乃至第3電気化学セル13cの印加電圧がそれぞれ上記第1所定電圧乃至第3所定電圧において安定している場合に成立する。   First, in step 510, the CPU determines whether or not a sensor drive condition that is a condition for normally operating the first device as a sensor is satisfied. In the first device, as described above, the CPU sets the first predetermined voltage and the second predetermined voltage to 1.0 V, sets the third predetermined voltage to 0.4 V, and sets an initial set value of the first predetermined temperature to 700 ° C. The power supply and the heater are controlled so that Therefore, in the first device, the sensor driving condition is that the temperature of the element unit 10 is stable at the first predetermined temperature, and the applied voltages of the first electrochemical cell 11c to the third electrochemical cell 13c are respectively This is established when the first predetermined voltage to the third predetermined voltage are stable.

当該ステップ510においてセンサ駆動条件が成立していないと判定された場合(ステップ510:No)、CPUは特段の処理を実行すること無く、ステップ390に進み、当該ルーチンを一旦終了する。   If it is determined in step 510 that the sensor driving condition is not satisfied (step 510: No), the CPU proceeds to step 390 without executing any special processing, and once ends the routine.

一方、上記ステップ510においてセンサ駆動条件が成立していると判定された場合(ステップ510:Yes)、CPUは次のステップ520に進み、目標電力指標の学習条件が成立しているか否かを判定する。目標電力指標の学習条件は、被検ガス中に含まれる水の濃度が既知であるか又は取得可能であり且つ前回の学習動作の実行から所定の期間が経過した場合に成立する。   On the other hand, when it is determined in step 510 that the sensor driving condition is satisfied (step 510: Yes), the CPU proceeds to the next step 520 to determine whether or not the learning condition for the target power index is satisfied. To do. The learning condition of the target power index is established when the concentration of water contained in the test gas is known or can be acquired, and a predetermined period has elapsed since the previous learning operation was performed.

但し、目標電力指標の学習条件は、例えば、第1装置が適用される内燃機関を搭載する設備(例えば、車輌等)の用途等に応じて適宜設定することができる。例えば、当該設備が車輌である場合、上記学習条件は、被検ガス中に含まれる水の濃度が既知であるか又は取得可能であり且つ前回の学習動作の実行から当該車輌が所定の距離を走行した場合に成立するように設定してもよい。或いは、目標電力指標の学習は、被検ガス中に含まれる水の濃度が既知であるか又は取得可能である場合において、当該車輌のイグニッションキーがオン(ON)になってからオフ(OFF)になるまでの期間内に所定の回数(例えば、1回)実行されるように設定してもよい。   However, the learning condition of the target power index can be appropriately set according to the use of the equipment (for example, a vehicle or the like) equipped with the internal combustion engine to which the first device is applied. For example, when the equipment is a vehicle, the learning condition is that the concentration of water contained in the test gas is known or can be acquired, and the vehicle has a predetermined distance from the execution of the previous learning operation. You may set so that it may be materialized when it runs. Alternatively, learning of the target power index is turned off after the ignition key of the vehicle is turned on when the concentration of water contained in the test gas is known or can be acquired. It may be set to be executed a predetermined number of times (for example, once) within a period until it becomes.

上記ステップ520において目標電力指標の学習条件が成立していると判定された場合(ステップ520:Yes)、CPUは次のステップ530に進み、上述した学習動作を実行する。具体的には、CPUは、制御部としてのECUが備えるデータ記憶装置に予め格納されたマップに基づき、上述したようにして算出された被検ガス中に含まれる水の濃度に対応する基準検出値を特定する。   When it is determined in step 520 that the learning condition for the target power index is satisfied (step 520: Yes), the CPU proceeds to the next step 530 to execute the learning operation described above. Specifically, the CPU detects the reference corresponding to the concentration of water contained in the test gas calculated as described above based on a map stored in advance in a data storage device provided in the ECU as the control unit. Identify the value.

そして、CPUは、モニタセルから検出される第2検出値が上記基準検出値に一致するようにヒータ電力を制御して、第2検出値が基準検出値に一致したときのポンプセルの電極間のインピーダンスを目標電力指標として記憶する。その後、CPUは次のステップ590に進み、当該ルーチンを一旦終了する。   Then, the CPU controls the heater power so that the second detection value detected from the monitor cell matches the reference detection value, and the impedance between the electrodes of the pump cell when the second detection value matches the reference detection value. Is stored as a target power index. Thereafter, the CPU proceeds to the next step 590 to end the routine once.

一方、上記ステップ520において目標電力指標の学習条件が成立していないと判定された場合(ステップ520:No)、CPUは次のステップ540に進み、上述した検出動作を実行する。具体的には、CPUは、上記学習動作によって記憶された目標電力指標にポンプセルの電極間のインピーダンスが一致するようにヒータ電力を制御する。この状態において、CPUは、第1電気化学セル11c及び第2電気化学セル12cの電極間に所定の印加電圧を印加して第1検出値及び第2検出値をそれぞれ検出する。CPUは、このようにして検出された第1検出値及び第2検出値に基づいて、前述したように、被検ガス中に含まれる硫黄酸化物(SOx)の濃度を検出する。その後、CPUは次のステップ590に進み、当該ルーチンを一旦終了する。   On the other hand, when it is determined in step 520 that the learning condition for the target power index is not satisfied (step 520: No), the CPU proceeds to the next step 540 and executes the above-described detection operation. Specifically, the CPU controls the heater power so that the impedance between the electrodes of the pump cell matches the target power index stored by the learning operation. In this state, the CPU detects a first detection value and a second detection value by applying a predetermined applied voltage between the electrodes of the first electrochemical cell 11c and the second electrochemical cell 12c. As described above, the CPU detects the concentration of sulfur oxide (SOx) contained in the test gas based on the first detection value and the second detection value thus detected. Thereafter, the CPU proceeds to the next step 590 to end the routine once.

以上のようなルーチンをCPUに実行させるためのプログラムは、ECUが備えるデータ記憶装置(例えば、ROM等)に格納することができる。   A program for causing the CPU to execute the routine as described above can be stored in a data storage device (for example, ROM) provided in the ECU.

尚、上記のように、第1装置においては、第2検出値が基準検出値に一致したときのポンプセル(第3電気化学セル)の電極間のインピーダンスを目標電力指標として採用した。しかしながら、前述したように、目標電力指標は、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力に対応する値である限り、特に限定されない。具体的には、目標電力指標としては、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力及び素子部の温度、並びに第2検出値が基準検出値に一致したときの素子部10を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンス等、種々の値を採用することができる。   As described above, in the first device, the impedance between the electrodes of the pump cell (third electrochemical cell) when the second detection value matches the reference detection value is adopted as the target power index. However, as described above, the target power index is not particularly limited as long as it is a value corresponding to the heater power when the second detection value matches the reference detection value. Specifically, as the target power index, for example, the heater power and the temperature of the element unit when the second detection value matches the reference detection value, and the element unit when the second detection value matches the reference detection value Various values such as the impedance between the electrodes of any of the electrochemical cells constituting 10 can be adopted.

例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときのヒータ電力を目標電力指標とする場合は、上記学習動作の実行後に実行される検出動作において、制御部は、ヒータ電力が当該目標電力指標に一致するようにヒータ電力を制御するように構成され得る。或いは、例えば、第2検出値が基準検出値に一致したときの素子部の温度を目標電力指標とする場合は、上記学習動作の実行後に実行される検出動作において、制御部は、素子部10の温度が当該目標電力指標に一致するようにヒータ電力を制御するように構成され得る。   For example, when the heater power when the second detection value matches the reference detection value is used as the target power index, in the detection operation executed after execution of the learning operation, the control unit determines that the heater power is the target power index. Can be configured to control the heater power to match. Alternatively, for example, when the temperature of the element unit when the second detection value matches the reference detection value is used as the target power index, in the detection operation executed after the learning operation is performed, the control unit The heater power may be controlled such that the temperature of the heater matches the target power index.

また、第1装置においては、上述したように、第3電気化学セル13cを空燃比センサとして使用して被検ガスに対応する内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比を検出し、検出された空燃比に基づいて被検ガス中に含まれる水の濃度を取得した。しかしながら、前述したように、上記空燃比は、第3電気化学セル13cとは別個の空燃比センサによって検出してもよい。   In the first device, as described above, the air / fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine corresponding to the test gas is detected by using the third electrochemical cell 13c as the air / fuel ratio sensor. Based on the air-fuel ratio, the concentration of water contained in the test gas was obtained. However, as described above, the air-fuel ratio may be detected by an air-fuel ratio sensor separate from the third electrochemical cell 13c.

更に、第1装置においては、上述したように、空燃比センサによって検出される任意の空燃比に基づいて取得される水の濃度から上述した対応関係に基づいて基準検出値を特定した。しかしながら、前述したように、空燃比が例えば理論空燃比等の特定の値を含む所定の範囲内の値であるときに学習動作を実行して、当該空燃比に対応する特定の水の濃度から基準検出値を特定してもよい。   Further, in the first device, as described above, the reference detection value is specified based on the correspondence relationship described above from the concentration of water acquired based on an arbitrary air fuel ratio detected by the air fuel ratio sensor. However, as described above, when the air-fuel ratio is a value within a predetermined range including a specific value such as a theoretical air-fuel ratio, for example, the learning operation is executed, and the concentration of the specific water corresponding to the air-fuel ratio is determined. A reference detection value may be specified.

加えて、本発明に係るガス濃度検出装置は、前述したように、内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備えることができる。この場合、制御部は、学習動作において、その時点における被検ガス中に含まれる水の濃度を、当該検出された吸気湿度及び上記のようにして検出された空燃比(から算出される水の濃度)に基づいて算出することができる。   In addition, as described above, the gas concentration detection device according to the present invention may further include an intake humidity sensor that detects intake humidity that is the concentration of water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. it can. In this case, in the learning operation, the control unit calculates the concentration of water contained in the test gas at that time by using the detected intake humidity and the air-fuel ratio detected as described above (the water calculated from the above). It can be calculated based on (concentration).

一方、制御部は、前述したように、内燃機関の燃焼室に燃料が供給されないフューエルカットが実行されているときに大気中に含まれる水の濃度を被検ガス中に含まれる水の濃度として用いて学習動作を実行してもよい。この場合、大気中に含まれる水の濃度から基準検出値が特定される。   On the other hand, as described above, the control unit sets the concentration of water contained in the atmosphere as the concentration of water contained in the test gas when fuel cut is being performed in which fuel is not supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. May be used to perform a learning operation. In this case, the reference detection value is specified from the concentration of water contained in the atmosphere.

この場合も、本発明に係るガス濃度検出装置は、前述したように、内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備えることができる。この場合、制御部は、学習動作において、その時点における被検ガス中に含まれる水の濃度を、当該検出された吸気湿度に基づいて算出することができる。   In this case as well, as described above, the gas concentration detection device according to the present invention further includes an intake humidity sensor that detects the intake humidity, which is the concentration of water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. Can do. In this case, in the learning operation, the control unit can calculate the concentration of water contained in the test gas at that time based on the detected intake humidity.

更に、第1装置は、上述したように、ポンプセルとしての第3電気化学セル13cを備えている。しかしながら、本発明に係るガス濃度検出装置が備える素子部は、ポンプセルとしての第3電気化学セルを伴わずに、センサセルとしての第1電気化学セル及びモニタセルとしての第2電気化学セルのみを有することもできる。   Further, as described above, the first device includes the third electrochemical cell 13c as a pump cell. However, the element unit included in the gas concentration detection device according to the present invention has only the first electrochemical cell as the sensor cell and the second electrochemical cell as the monitor cell without the third electrochemical cell as the pump cell. You can also.

以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成を有する幾つかの実施形態及び変形例につき、時に添付図面を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施形態及び変形例に限定されると解釈されるべきではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることが可能であることは言うまでも無い。   In the above, for the purpose of explaining the present invention, several embodiments and modifications having specific configurations have been described with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited to these illustrative examples. It should be understood that the present invention should not be construed as being limited to the embodiments and the modifications, and that appropriate modifications can be made within the scope of the matters described in the claims and the specification.

10…素子部、11a、12a及び13a…電極(陰極)、11b、12b及び13b…電極(陽極)、11s、12s及び13s…第1乃至第3固体電解質体、11c、12c及び13c…第1乃至第3電気化学セル、21a、21b、21c、21d、21e及び21f…第1乃至第6アルミナ層、31…内部空間、32…拡散抵抗体、41…ヒータ、51及び52…第1及び第2大気導入路、61、62及び63…電源、71、72及び73…電流計、並びに81…電流差検出回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Element part, 11a, 12a and 13a ... Electrode (cathode), 11b, 12b and 13b ... Electrode (anode), 11s, 12s and 13s ... 1st thru | or 3rd solid electrolyte body, 11c, 12c and 13c ... 1st Thru | or 3rd electrochemical cell, 21a, 21b, 21c, 21d, 21e and 21f ... 1st thru | or 6th alumina layer, 31 ... internal space, 32 ... diffusion resistor, 41 ... heater, 51 and 52 ... 1st and 1st 2 air introduction paths, 61, 62 and 63 ... power source, 71, 72 and 73 ... ammeter, and 81 ... current difference detection circuit.

Claims (11)

素子部と、電源と、ヒータと、検出部と、制御部と、を備えるガス濃度検出装置において、
前記素子部は、第1電気化学セルと、第2電気化学セルと、緻密体と、拡散抵抗部と、を備え、
前記第1電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第1固体電解質体と当該第1固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第1電極及び第2電極とを含み、
前記第2電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第2固体電解質体と当該第2固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第3電極及び第4電極とを含み、
前記第1固体電解質体及び前記第2固体電解質体と前記緻密体と前記拡散抵抗部とによって画定される内部空間に前記拡散抵抗部を介して被検ガスとしての内燃機関の排気が導入され、
前記第1電極は前記内部空間に露呈し、前記第2電極は前記内部空間とは異なる空間である第1別空間に露呈し、
前記第3電極は前記内部空間に露呈し、前記第4電極は前記内部空間とは異なる空間である第2別空間に露呈し、
前記第1電極及び前記第3電極は、前記素子部の温度が前記固体電解質体の酸化物イオン伝導性が発現する温度である活性化温度以上の第1所定温度となっている場合に、前記第1電極と前記第2電極との間に水の分解開始電圧以上の電圧である第1所定電圧が印加されているときの前記第1電極における硫黄酸化物の分解速度である第1分解速度が、前記第3電極と前記第4電極との間に水の分解開始電圧以上の電圧である第2所定電圧が印加されているときの前記第3電極における硫黄酸化物の分解速度である第2分解速度よりも高くなる、
ように構成されており、
前記電源は、前記第1電極と前記第2電極との間及び前記第3電極と前記第4電極との間に電圧をそれぞれ印加するように構成されており、
前記ヒータは、前記素子部を加熱するように構成されており、
前記検出部は、前記第1電極と前記第2電極との間に流れる電流に対応する検出値である第1検出値及び前記第3電極と前記第4電極との間に流れる電流に対応する検出値である第2検出値を検出するように構成されており、
前記制御部は、前記電源を制御して前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1所定電圧を印加し且つ前記第3電極と前記第4電極との間に前記第2所定電圧を印加しており且つ前記ヒータへの供給電力であるヒータ電力を制御して前記素子部の温度を前記第1所定温度としているときに前記検出部によって検出される前記第1検出値及び前記第2検出値に基づいて前記被検ガス中に含まれる硫黄酸化物の濃度を検出する検出動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置であって、
前記制御部は、
前記被検ガス中に含まれる水の濃度と前記第2検出値の基準値である基準検出値との対応関係に関連するデータを予め記憶しており、
前記第3電極と前記第4電極との間に前記第2所定電圧が印加されているときに前記検出部によって検出される前記第2検出値がその時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度から前記対応関係に基づいて特定される基準検出値に一致するように前記ヒータ電力を制御し、前記第2検出値が前記基準検出値に一致したときの前記ヒータ電力に対応する値を目標電力指標として記憶する学習動作を実行する、
ように構成されている、
ガス濃度検出装置。
In a gas concentration detection device comprising an element unit, a power source, a heater, a detection unit, and a control unit,
The element portion includes a first electrochemical cell, a second electrochemical cell, a dense body, and a diffusion resistance portion.
The first electrochemical cell includes a first solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a first electrode and a second electrode formed on the surface of the first solid electrolyte body,
The second electrochemical cell includes a second solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a third electrode and a fourth electrode formed on the surface of the second solid electrolyte body, respectively.
Exhaust gas of the internal combustion engine as a test gas is introduced into the internal space defined by the first solid electrolyte body, the second solid electrolyte body, the dense body, and the diffusion resistance portion through the diffusion resistance portion,
The first electrode is exposed to the internal space, the second electrode is exposed to a first separate space that is a space different from the internal space,
The third electrode is exposed to the internal space, the fourth electrode is exposed to a second separate space that is a space different from the internal space,
The first electrode and the third electrode, when the temperature of the element portion is a first predetermined temperature equal to or higher than an activation temperature, which is a temperature at which oxide ion conductivity of the solid electrolyte body is expressed, A first decomposition rate that is a decomposition rate of sulfur oxide at the first electrode when a first predetermined voltage that is equal to or higher than a water decomposition start voltage is applied between the first electrode and the second electrode. Is the decomposition rate of sulfur oxide at the third electrode when a second predetermined voltage, which is a voltage equal to or higher than the decomposition start voltage of water, is applied between the third electrode and the fourth electrode. 2 higher than the decomposition rate,
Is configured as
The power source is configured to apply a voltage between the first electrode and the second electrode and between the third electrode and the fourth electrode, respectively.
The heater is configured to heat the element portion;
The detection unit corresponds to a first detection value which is a detection value corresponding to a current flowing between the first electrode and the second electrode and a current flowing between the third electrode and the fourth electrode. It is configured to detect a second detection value that is a detection value,
The control unit controls the power source to apply the first predetermined voltage between the first electrode and the second electrode, and to apply the second predetermined voltage between the third electrode and the fourth electrode. The first detection value detected by the detection unit when the voltage is applied and the heater power that is the power supplied to the heater is controlled to set the temperature of the element unit to the first predetermined temperature, and It is configured to perform a detection operation for detecting the concentration of sulfur oxide contained in the test gas based on a second detection value.
A gas concentration detection device comprising:
The controller is
Data related to the correspondence between the concentration of water contained in the gas to be detected and a reference detection value that is a reference value of the second detection value is stored in advance;
The second detection value detected by the detector when the second predetermined voltage is applied between the third electrode and the fourth electrode is water contained in the test gas at that time. The heater power is controlled so as to coincide with a reference detection value specified based on the correspondence relationship from the concentration of the second value, and a value corresponding to the heater power when the second detection value matches the reference detection value is determined. Execute learning operation to memorize as target power index,
Configured as
Gas concentration detector.
請求項1に記載のガス濃度検出装置であって、
前記素子部を構成する何れかの電気化学セルの電極間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を更に備え、
前記制御部は、
前記学習動作において、前記第2検出値が前記基準検出値に一致したときの前記インピーダンスを前記目標電力指標として記憶する、
ように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to claim 1,
An impedance detection unit for detecting impedance between electrodes of any electrochemical cell constituting the element unit;
The controller is
In the learning operation, the impedance when the second detection value matches the reference detection value is stored as the target power index.
Configured as
Gas concentration detector.
請求項1又は2に記載のガス濃度検出装置において、
前記制御部は、前記内燃機関の燃焼室に燃料が供給されないフューエルカットが実行されているときに大気中に含まれる水の濃度を前記被検ガス中に含まれる水の濃度として用いて前記学習動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
In the gas concentration detection apparatus according to claim 1 or 2,
The control unit uses the concentration of water contained in the atmosphere as the concentration of water contained in the test gas when a fuel cut is performed in which fuel is not supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine. Configured to perform actions,
Gas concentration detector.
請求項3に記載のガス濃度検出装置において、
前記内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備え、
前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度として、前記検出された吸気湿度を使用するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
In the gas concentration detection apparatus according to claim 3,
An intake air humidity sensor that detects an intake air humidity that is a concentration of water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine;
The controller is configured to use the detected intake humidity as the concentration of water contained in the test gas at that time in the learning operation.
Gas concentration detector.
請求項1乃至4の何れか1項に記載のガス濃度検出装置であって、
前記素子部は、第3電気化学セルを更に備え、
前記第3電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第3固体電解質体と当該第3固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第5電極及び第6電極とを含み、
前記第5電極は前記内部空間に露呈し、前記第6電極は前記内部空間とは異なる空間である第3別空間に露呈し、
前記第5電極は前記第1電極及び前記第3電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置に形成され、
前記第5電極は、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっている場合に、前記第5電極と前記第6電極との間に酸素の限界電流域に該当し且つ水の分解開始電圧未満の電圧である第3所定電圧が印加されているときに前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出することが可能である、
ように構成されており、
前記電源は、前記第5電極と前記第6電極との間にも電圧を印加するように構成されており、
前記制御部は、少なくとも前記検出動作を実行している期間において、前記電源を制御して前記第5電極と前記第6電極との間に前記第3所定電圧を印加することにより、前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出する酸素排出動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to any one of claims 1 to 4,
The element unit further includes a third electrochemical cell,
The third electrochemical cell includes a third solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a fifth electrode and a sixth electrode formed on the surface of the third solid electrolyte body, respectively.
The fifth electrode is exposed to the internal space, the sixth electrode is exposed to a third space that is different from the internal space,
The fifth electrode is formed at a position closer to the diffusion resistance portion than the first electrode and the third electrode,
The fifth electrode corresponds to a limit current region of oxygen between the fifth electrode and the sixth electrode when the temperature of the element portion is the first predetermined temperature, and starts decomposition of water. When a third predetermined voltage that is a voltage lower than the voltage is applied, it is possible to decompose oxygen contained in the test gas and discharge it from the internal space.
Is configured as
The power source is configured to apply a voltage between the fifth electrode and the sixth electrode,
The control unit controls the power source and applies the third predetermined voltage between the fifth electrode and the sixth electrode at least during a period during which the detection operation is performed, so that the test target is detected. Configured to perform an oxygen discharge operation of decomposing oxygen contained in the gas and discharging it from the internal space,
Gas concentration detector.
請求項1又は2に記載のガス濃度検出装置であって、
前記内燃機関の燃焼室に供給される混合気における空燃比を検出する空燃比センサを更に備え、
前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度を前記検出された空燃比に基づいて算出するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to claim 1 or 2,
An air-fuel ratio sensor for detecting an air-fuel ratio in an air-fuel mixture supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine;
In the learning operation, the control unit is configured to calculate the concentration of water contained in the test gas at that time based on the detected air-fuel ratio.
Gas concentration detector.
請求項6に記載のガス濃度検出装置において、
前記制御部は、前記空燃比が特定の値を含む所定の範囲内の値であるときに前記学習動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to claim 6,
The control unit is configured to execute the learning operation when the air-fuel ratio is a value within a predetermined range including a specific value.
Gas concentration detector.
請求項7に記載のガス濃度検出装置において、
前記制御部は、前記空燃比が理論空燃比であるときに前記学習動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to claim 7,
The control unit is configured to execute the learning operation when the air-fuel ratio is a stoichiometric air-fuel ratio.
Gas concentration detector.
請求項6乃至8の何れか1項に記載のガス濃度検出装置であって、
前記内燃機関の燃焼室に供給される吸気中に含まれる水の濃度である吸気湿度を検出する吸気湿度センサを更に備え、
前記制御部は、前記学習動作において、その時点における前記被検ガス中に含まれる水の濃度を前記検出された空燃比及び前記検出された吸気湿度に基づいて算出するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to any one of claims 6 to 8,
An intake air humidity sensor that detects an intake air humidity that is a concentration of water contained in the intake air supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine;
In the learning operation, the control unit is configured to calculate the concentration of water contained in the test gas at that time based on the detected air-fuel ratio and the detected intake humidity.
Gas concentration detector.
請求項6乃至9の何れか1項に記載のガス濃度検出装置であって、
前記素子部は、第3電気化学セルを更に備え、
前記第3電気化学セルは、酸化物イオン伝導性を有する第3固体電解質体と当該第3固体電解質体の表面にそれぞれ形成された第5電極及び第6電極とを含み、
前記第5電極は前記内部空間に露呈し、前記第6電極は前記内部空間とは異なる空間である第3別空間に露呈し、
前記第5電極は前記第1電極及び前記第3電極よりも前記拡散抵抗部に近い位置に形成され、
前記第5電極は、前記素子部の温度が前記第1所定温度となっている場合に、前記第5電極と前記第6電極との間に酸素の限界電流域に該当し且つ水の分解開始電圧未満の電圧である第3所定電圧が印加されているときに前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出することが可能である、
ように構成されており、
前記電源は、前記第5電極と前記第6電極との間にも電圧を印加するように構成されており、
前記制御部は、少なくとも前記検出動作を実行している期間において、前記電源を制御して前記第5電極と前記第6電極との間に前記第3所定電圧を印加することにより、前記被検ガス中に含まれる酸素を分解して前記内部空間から排出する酸素排出動作を実行するように構成されている、
ガス濃度検出装置。
A gas concentration detection device according to any one of claims 6 to 9,
The element unit further includes a third electrochemical cell,
The third electrochemical cell includes a third solid electrolyte body having oxide ion conductivity, and a fifth electrode and a sixth electrode formed on the surface of the third solid electrolyte body, respectively.
The fifth electrode is exposed to the internal space, the sixth electrode is exposed to a third space that is different from the internal space,
The fifth electrode is formed at a position closer to the diffusion resistance portion than the first electrode and the third electrode,
The fifth electrode corresponds to a limit current region of oxygen between the fifth electrode and the sixth electrode when the temperature of the element portion is the first predetermined temperature, and starts decomposition of water. When a third predetermined voltage that is a voltage lower than the voltage is applied, it is possible to decompose oxygen contained in the test gas and discharge it from the internal space.
Is configured as
The power source is configured to apply a voltage between the fifth electrode and the sixth electrode,
The control unit controls the power source and applies the third predetermined voltage between the fifth electrode and the sixth electrode at least during a period during which the detection operation is performed, so that the test target is detected. Configured to perform an oxygen discharge operation of decomposing oxygen contained in the gas and discharging it from the internal space,
Gas concentration detector.
請求項10に記載のガス濃度検出装置であって、
前記検出部は、前記第5電極と前記第6電極との間に流れる電流に対応する検出値である第3検出値をも検出するようにも構成されており、
前記制御部は、前記酸素排出動作を実行しているときに、前記第3検出値に基づいて前記被検ガスに対応する前記内燃機関の燃焼室における混合気の空燃比を検出することにより前記第3電気化学セルを前記空燃比センサとして使用する、
ように構成された、
ガス濃度検出装置。
The gas concentration detection device according to claim 10,
The detection unit is also configured to detect a third detection value that is a detection value corresponding to a current flowing between the fifth electrode and the sixth electrode,
The control unit detects the air-fuel ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine corresponding to the test gas based on the third detection value when performing the oxygen discharge operation. Using a third electrochemical cell as the air-fuel ratio sensor;
Configured as
Gas concentration detector.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115212721A (en) * 2022-06-30 2022-10-21 长安大学 Autonomous system and method for decomposing automobile exhaust in tunnel

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