JP2017096772A - 硫黄酸化物検出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に図1〜図6を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
図1は、本発明の第一実施形態に係る硫黄酸化物検出装置(以下、「SOx検出装置」という)が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。図1に示される内燃機関は、圧縮自着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)である。内燃機関は例えば車両に搭載される。
以下、図1及び図2を参照して、本発明の第一実施形態に係るSOx検出装置1について説明する。SOx検出装置1は、内燃機関の排気通路内を流通する排気ガス中の硫黄酸化物(SOx)濃度を検出する。
次に、SOx検出装置1によるSOxの検出原理について説明する。SOxの検出原理を説明するにあたり、まず、素子部10における酸素の限界電流特性について説明する。素子部10では、被測ガス室30側の第一電極41を陰極、第一大気室31側の第二電極42を陽極としてこれら電極間に電圧を印加すると、被測ガス中に含まれている酸素が還元分解されて酸化物イオンとなる。この酸化物イオンは、第一電気化学セル51の第一固体電解質層11を介して陰極側から陽極側へと伝導されて酸素となり、大気中へ排出される。本明細書では、このような陰極側から陽極側への固体電解質層を介する酸化物イオンの伝導による酸素の移動を「酸素ポンピング作用」と称する。
そこで、本実施形態では、以下のようにして被測ガス中のSOx濃度の検出が行われる。本実施形態では、被測ガス中のSOx濃度を検出するために、ECU80は、第一電源61を制御して、SOx及び水の分解開始電圧以上の電圧を所定の印加時間に亘って第一電気化学セル51に印加する。この結果、第一電極41上にはSOxの分解によって生じた分解生成物が吸着する。第一電気化学セル51への印加電圧は例えば1.1Vである。ECU80は、上記所定の印加時間の経過後に第一電流計62によって検出された電極間電流を取得する。この電極間電流は、第一電極41上へのSOxの分解生成物の吸着量に応じて変化する。したがって、ECU80は、第一電気化学セル51にSOx及び水の分解開始電圧以上の電圧が印加されているときに第一電流計62によって検出された電極間電流に基づいて、被測ガス中のSOx濃度を検出することができる。
図5は、本発明の第一実施形態におけるSOx濃度算出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
図6は、本発明の第一実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第二実施形態について、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。第二実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
本発明の第二実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図7に示される制御ルーチンが実行される。図7は、本発明の第二実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第三実施形態について、第一実施形態及び第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。第三実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。また、第三実施形態では、ECU80は、第二実施形態とは異なる方法で、燃料の切替が行われているか否かを判定する。
第三実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図8に示される制御ルーチンが実行される。図8は、本発明の第三実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第四実施形態について、第一実施形態〜第三実施形態と異なる部分を中心に説明する。第四実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。また、第四実施形態では、ECU80は、第二実施形態及び第三実施形態とは異なる方法で、燃料の切替が行われているか否かを判定する。
第四実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図9に示される制御ルーチンが実行される。図9は、本発明の第四実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第五実施形態について、第一実施形態〜第四実施形態と異なる部分を中心に説明する。第五実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
第五実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図10に示される制御ルーチンが実行される。図10は、本発明の第五実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第六実施形態について、第一実施形態〜第五実施形態と異なる部分を中心に説明する。第六実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
本発明の第六実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図11に示される制御ルーチンが実行される。図11は、本発明の第六実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第七実施形態について、第一実施形態〜第六実施形態と異なる部分を中心に説明する。第七実施形態では、第一実施形態と同様に、図2に示したSOx検出装置1を用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
本発明の第七実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図12に示される制御ルーチンが実行される。図12は、本発明の第七実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第八実施形態について、第一実施形態〜第七実施形態と異なる部分を中心に説明する。第八実施形態では、図13に示したSOx検出装置1aを用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
図13(A)は、本発明の第八実施形態に係るSOx検出装置1aの構成を示す概略的な断面図である。図13(B)は、図13(A)の線A−Aに沿った断面図である。SOx検出装置1aは、素子部10aと、素子部10aに接続された第一回路60及び第二回路70と、ECU80とを備える。素子部10aは、第一電気化学セル51に加えて第二電気化学セル52を備える点を除いて、第一実施形態における素子部10と同様の構成を有する。図13(A)及び図13(B)からわかるように、第二電気化学セル52は、拡散律速層16からの距離が、第一電気化学セル51と等しくなるように、第一電気化学セル51と並んで配置される。
本発明の第八実施形態では、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図14に示される制御ルーチンが実行される。図14は、本発明の第八実施形態における水濃度安定判定処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンはECU80によって所定の時間間隔で繰り返し実行される。
以下、本発明の第九実施形態について、第一実施形態〜第八実施形態と異なる部分を中心に説明する。第九実施形態では、図15に示したSOx検出装置1bを用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
図15は、本発明の第九実施形態に係るSOx検出装置1bの構成を示す概略的な断面図である。SOx検出装置1bは、素子部10bと、素子部10bに接続された第一回路60及び第三回路90と、ECU80とを備える。素子部10bは、第一電気化学セル51に加えて第三電気化学セル53を備える点を除いて、第一実施形態における素子部10と同様の構成を有する。
第一電気化学セル51では、上述したように、第一電極41と第二電極42との間にSOx及び水の分解開始電圧以上の所定電圧を印加することで、第一電極41上で水及びSOxを分解させると共に水の分解に伴う電極間電流を検出している。しかしながら、第一電気化学セル51に到達する被測ガス中に酸素が含まれている場合には、第一電極41上で酸素の分解(イオン化)が生じると共に、これによって生じた酸化物イオンが第一電極41から第二電極42へと流れることになる。このように、酸素の分解に伴って第一電極41と第二電極42との間に分解電流が流れてしまうと、電極間電流に基づいてSOxの濃度を正確に検出することが困難になる。
第九実施形態では、図5のSOx濃度算出処理の制御ルーチンが以下のように変更される。ステップS104において、第一電気化学セル51に加えて第三電気化学セル53に電圧が印加される。第一電気化学セル51への印加電圧は、0.6V以上2.0V未満の電圧、例えば1.1Vに設定される。一方、第三電気化学セル53への印加電圧は、0.1V以上0.6V未満の電圧、例えば0.4Vに設定される。このことによって、被測ガスが第一電気化学セル51に到達する前に被測ガス中の酸素が第三電気化学セル53において除去されるため、第一電気化学セル51におけるSOx濃度の検出精度をさらに向上させることができる。なお、ステップS109において、第一電気化学セル51に加えて、第三電気化学セル53の印加電圧もゼロにし又は低下させてもよい。
以下、本発明の第十実施形態について、第一実施形態〜第九実施形態と異なる部分を中心に説明する。第十実施形態では、図16に示したSOx検出装置1cを用いて被測ガス中のSOx濃度が検出される。
図16は、本発明の第十実施形態に係るSOx検出装置1cの構成を示す概略的な断面図である。SOx検出装置1cは、素子部10cと、素子部10cに接続された第一回路60、第二回路70及び第三回路90と、ECU80とを備える。素子部10cは、第一電気化学セル51及び第三電気化学セル53に加えて第二電気化学セル52を備える点を除いて、第九実施形態における素子部10bと同様の構成を有する。また、素子部10cの第二電気化学セル52は、図13に示される素子部10aの第二電気化学セル52と同様の構成を有する。このため、SOx検出装置1cについての詳細な説明は省略する。
第十実施形態では、図5のSOx濃度算出処理の制御ルーチンが以下のように変更される。ステップS104において、第一電気化学セル51に加えて第二電気化学セル52及び第三電気化学セル53に電圧が印加される。第一電気化学セル51及び第二電気化学セル52への印加電圧は、0.6V以上2.0V未満の電圧、例えば1.1Vに設定される。一方、第三電気化学セル53への印加電圧は、0.1V以上0.6V未満の電圧、例えば0.4Vに設定される。
10、10a、10b、10c 素子部
11 第一固体電解質層
12 第二固体電解質層
16 拡散律速層
41 第一電極
42 第二電極
43 第三電極
44 第四電極
45 第五電極
46 第六電極
51 第一電気化学セル
52 第二電気化学セル
53 第三電気化学セル
60 第一回路
61 第一電源
62 第一電流計
70 第二回路
71 第二電源
72 第二電流計
80 電子制御ユニット(ECU)
90 第三回路
91 第三電源
92 第三電流計
Claims (11)
- 酸化物イオン伝導性を有する第一固体電解質層と、被測ガスに曝されるように前記第一固体電解質層の一方の側面上に配置された第一電極と、大気に曝されるように前記第一固体電解質層の他方の側面上に配置された第二電極とを有する第一電気化学セルと、前記被測ガスの拡散律速を行う拡散律速層とを備えると共に、内燃機関の排気通路に配置される素子部と、
前記第一電極と前記第二電極との間に電圧を印加する電源と、
前記第一電極と前記第二電極との間に流れる電流に相関する第一電流相関パラメータを検出する検出器と、
前記電源を制御すると共に前記検出器から前記第一電流相関パラメータを取得する制御部とを備え、
前記制御部は、前記第一電極と前記第二電極との間に水及び硫黄酸化物の分解開始電圧以上の第一電圧が印加されるように前記電源を制御し、前記第一電極と前記第二電極との間に前記第一電圧が印加されているときに前記検出器によって検出された前記第一電流相関パラメータに基づいて前記被測ガス中の硫黄酸化物濃度を算出し、
前記制御部は、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定した場合には、前記被測ガス中の硫黄酸化物濃度を算出しない、硫黄酸化物検出装置。 - 前記素子部は、酸化物イオン伝導性を有する第二固体電解質層と、前記被測ガスに曝されるように前記第二固体電解質層の一方の側面上に配置された第三電極と、大気に曝されるように前記第二固体電解質層の他方の側面上に配置された第四電極とを有する第二電気化学セルを更に備え、
前記電源は前記第三電極と前記第四電極との間に電圧を印加し、前記検出器は前記第三電極と前記第四電極との間に流れる電流に相関する第二電流相関パラメータを検出し、
前記制御部は、前記第三電極と前記第四電極との間に水の分解開始電圧以上の第二電圧が印加されるように前記電源を制御し、前記第三電極と前記第四電極との間に前記第二電圧が印加されているときに前記検出器によって検出された前記第二電流相関パラメータの変化量が所定値以上である場合、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1に記載の硫黄酸化物検出装置。 - 前記制御部は、前記第一電極と前記第二電極との間に水の分解開始電圧以上の第三電圧が印加されるように前記電源を制御し、前記第一電極と前記第二電極との間に前記第三電圧が印加されているときに前記検出器によって検出された前記第一電流相関パラメータの変化量が所定値以上である場合、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1又は2に記載の硫黄酸化物検出装置。
- 当該硫黄酸化物検出装置は前記内燃機関の吸気通路に配置された湿度センサを更に備え、
前記制御部は、前記湿度センサによって検出された吸入空気の湿度の変化量が所定値以上である場合、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1から3のいずれか1項に記載の硫黄酸化物検出装置。 - 前記制御部は、前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の切替が行われていると判定した場合、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1から4のいずれか1項に記載の硫黄酸化物検出装置。
- 前記燃焼室に供給される燃料の供給経路に配置されたエタノール濃度センサを更に備え、
前記制御部は、前記エタノール濃度センサによって検出された燃料中のエタノール濃度の変化量が所定値以上である場合、燃料の切替が行われていると判定する、請求項5に記載の硫黄酸化物検出装置。 - 前記排気通路に配置された空燃比センサを更に備え、
前記制御部は、前記空燃比センサによって検出された空燃比が目標空燃比になるように前記燃焼室に供給される燃料量をフィードバック制御し、前記目標空燃比が一定に維持され且つ前記燃焼室に供給される吸入空気量と前記燃料量との比率の変化量が所定値以上である場合、燃料の切替が行われていると判定する、請求項5に記載の硫黄酸化物検出装置。 - 前記制御部は、前記内燃機関の燃料タンクに燃料が補充されてから前記燃焼室に所定量以上の燃料が供給されるまでの間、燃料の切替が行われていると判定する、請求項5に記載の硫黄酸化物検出装置。
- 前記制御部は、前記内燃機関の吸気通路と前記排気通路とを連結するEGR通路及び前記排気通路の少なくとも一方に凝縮水が存在していると判定した場合、又は前記EGR通路及び前記排気通路の少なくとも一方において凝縮水が発生すると判定した場合、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1から8のいずれか1項に記載の硫黄酸化物検出装置。
- 前記制御部は、前記被測ガスが前記素子部に到達するまでの経路に水又は水溶液が噴射されてから該噴射された水又は水溶液が前記排気通路において前記素子部を通過したと判定するまでの間、前記被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する、請求項1から9のいずれか1項に記載の硫黄酸化物検出装置。
- 前記制御部は、前記内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの排気空燃比が安定していると判定し且つ前記被測ガス中の水濃度が安定していると判定した場合に、前記被測ガス中の硫黄酸化物濃度を算出する、請求項1から10のいずれか1項に記載の硫黄酸化物検出装置。
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