JP2017096772A - 硫黄酸化物検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】排気ガス中のSOx濃度の検出精度を向上させることができる硫黄酸化物検出装置を提供する。【解決手段】硫黄酸化物検出装置1は、第一固体電解質層11、第一電極41及び第二電極42を有する第一電気化学セルと、拡散律速層16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10と、電極間に電圧を印加する電源61と、電極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62と、電源を制御すると共に検出器から第一電流相関パラメータを取得する制御部とを備える。制御部は、電極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電源を制御し、電極間に第一電圧が印加されているときに検出器によって検出された第一電流相関パラメータに基づいて被測ガス中の硫黄酸化物濃度を算出するが、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、被測ガス中の硫黄酸化物濃度を算出しない。【選択図】図2

Description

本発明は、排気ガス中の硫黄酸化物(SOx)の濃度を検出する硫黄酸化物検出装置(SOx検出装置)に関する。
内燃機関に用いられる燃料中、特に化石燃料中には、微量の硫黄(S)成分が含まれている。このように燃料中に含まれた硫黄成分は、内燃機関の排気系における構成部品の劣化等を招く。また、硫黄成分による構成部品の劣化を抑制する制御や、劣化した構成部品を再生する制御を頻繁に行うと、燃費の悪化等を招く。したがって、燃費の悪化等を最小限に抑制しつつ構成部品の劣化を最小限に抑制するために、燃料中における硫黄成分の含有率を検出することが望まれている。
内燃機関に用いられる燃料中に硫黄成分が含まれていると、燃焼室から排出される排気ガス中に硫黄酸化物(SOx)が含まれる。また、燃料中における硫黄成分の含有率が高くなるほど、排気ガス中のSOx濃度が高くなる。したがって、排気ガス中のSOx濃度を検出することができれば、燃料中における硫黄成分の含有率を推定することができる。
そこで、排気ガス中に含まれるSOx等の酸素含有ガス成分の濃度を検出する排気ガスセンサが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この排気ガスセンサは、拡散律速層を介して排気ガスが導入される被測ガス室と、第一電気化学セルと、第二電気化学セルとを有している。第一電気化学セルでは第一電気化学セルを構成する電極間に比較的低い電圧が印加される。この結果、第一電気化学セルの酸素ポンピング作用により、被測ガス室内のSOxが分解されることなく、被測ガス室内の酸素が除去される。一方、第二電気化学セルでは第二電気化学セルを構成する電極間に比較的高い電圧が印加される。この結果、第一電気化学セルによって酸素が除去された後の排気ガス中に含まれるSOxが分解される。加えて、このSOxの分解によって生じた酸化物イオンが第二電気化学セルの酸素ポンピング作用により被測ガス室から排出され、この酸化物イオンの排出に伴って流れる分解電流を検出することにより排気ガス中のSOx濃度が検出される。
特開平11−190721号公報
しかしながら、排気ガス中のSOx濃度は極めて低い。このため、上述したような排気ガスセンサによって検出される分解電流も極めて小さい。したがって、上述したような排気ガスセンサによってSOxの分解電流を正確に検出するのは困難である。
そこで、本発明の目的は、排気ガス中のSOx濃度の検出精度を向上させることができる硫黄酸化物検出装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第1の発明では、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が提供される。
第2の発明では、第1の発明において、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。
第3の発明では、第1又は第2の発明において、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。
第4の発明では、第1から第3のいずれか1つの発明において、前記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。
第5の発明では、第1から第4のいずれか1つの発明において、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。
第6の発明では、第5の発明において、前記硫黄酸化物検出装置は、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。
第7の発明では、第5の発明において、前記硫黄酸化物検出装置は、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。
第8の発明では、第5の発明において、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。
第9の発明では、第1から第8のいずれか1つの発明において、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。
第10の発明では、第1から第9のいずれか1つの発明において、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。
第11の発明では、第1から第10のいずれか1つの発明において、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。
本発明によれば、排気ガス中のSOx濃度の検出精度を向上させることができる硫黄酸化物検出装置が提供される。
図1は、本発明の第一実施形態に係るSOx検出装置が用いられる内燃機関を概略的に示す図である。 図2は、本発明の第一実施形態に係るSOx検出装置の構成を示す概略的な断面図である。 図3は、第一電気化学セルの電極間の印加電圧と、第一電気化学セルの電極間に流れる電極間電流との関係を示す図である。 図4は、印加電圧が1.0Vであるときの電極間電流の大きさと被測ガス中の二酸化硫黄濃度との関係を示す図である。 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13は、本発明の第八実施形態に係るSOx検出装置の構成を示す概略的な断面図である。 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15は、本発明の第九実施形態に係るSOx検出装置の構成を示す概略的な断面図である。 図16は、本発明の第十実施形態に係るSOx検出装置の構成を示す概略的な断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
<第一実施形態>
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。
<内燃機関全体の説明>
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。
図1を参照すると、内燃機関は、機関本体100と、各気筒の燃焼室2と、燃焼室2内に燃料を噴射する電子制御式燃料噴射弁3と、吸気マニホルド4と、排気マニホルド5とを備える。吸気マニホルド4は吸気管6を介してターボチャージャ(過給機)7のコンプレッサ7aの出口に連結される。コンプレッサ7aの入口は吸気管6を介してエアクリーナ8に連結される。吸気管6内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁9が配置される。さらに、吸気管6周りには吸気管6内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置13が配置される。図1に示した内燃機関では機関冷却水が冷却装置13内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。吸気マニホルド4及び吸気管6は、空気を燃焼室2に導く吸気通路を形成する。
一方、排気マニホルド5は排気管27を介してターボチャージャ7のタービン7bの入口に連結される。タービン7bの出口は、排気管27を介して、排気浄化触媒28を内蔵したケーシング29に連結される。排気マニホルド5及び排気管27は、燃焼室2における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒28は、例えば、排気ガス中のNOxを還元浄化する選択還元型NOx低減触媒(SCR触媒)又はNOx吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質(PM)を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)等が配置されてもよい。
排気マニホルド5と吸気マニホルド4とは排気ガス再循環(以下、「EGR」という)通路14を介して互いに連結される。EGR通路14内には電子制御式EGR制御弁15が配置される。また、EGR通路14周りにはEGR通路14内を流れるEGRガスを冷却するためのEGR冷却装置20が配置される。図1に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置20内に導かれ、機関冷却水によってEGRガスが冷却される。
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ19によって燃料タンク33から燃料配管34を介してコモンレール18内に供給される。コモンレール18内に供給された燃料は各燃料供給管17を介して各燃料噴射弁3に供給される。
内燃機関の各種制御は電子制御ユニット(ECU)80によって実行される。ECU80はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス81によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)82、RAM(ランダムアクセスメモリ)83、CPU(マイクロプロセッサ)84、入力ポート85及び出力ポート86を備える。負荷センサ101、エアフロメータ102、湿度センサ103、空燃比センサ104、排気温度センサ105、エタノール濃度センサ106、燃料液面センサ107、外気温センサ109及び水温センサ110の出力が、対応するAD変換器87を介して入力ポート85に入力される。一方、出力ポート86は、対応する駆動回路88を介して、燃料噴射弁3、スロットル弁駆動用ステップモータ、EGR制御弁15及び燃料ポンプ19に接続されている。
負荷センサ101は、アクセルペダル120の踏込み量に比例した出力電圧を発生させる。したがって、負荷センサ101は機関負荷を検出する。エアフロメータ102は、吸気通路においてエアクリーナ8とコンプレッサ7aとの間に配置され、吸気管6内を流れる空気流量を検出する。湿度センサ103は、吸気通路においてエアクリーナ8とコンプレッサ7aとの間に配置され、吸気管6内の湿度を検出する。したがって、湿度センサ103は、燃焼室2に供給される吸入空気の湿度を検出することができる。なお、湿度センサ103はエアフロメータ102と一体であってもよい。また、湿度センサ103及びエアフロメータ102は吸気通路内の他の位置に配置されてもよい。
空燃比センサ104は、排気通路においてタービン7bと排気浄化触媒28との間に配置され、排気ガスの排気空燃比を検出する。排気温度センサ105は、排気通路においてタービン7bと排気浄化触媒28との間に配置され、排気ガスの温度を検出する。エタノール濃度センサ106は、燃料配管34に配置され、燃料中のエタノール濃度を検出する。燃料液面センサ107は、燃料タンク33内に配置され、燃料タンク33内の燃料の量を検出する。外気温センサ109は、内燃機関が搭載される車両に配置され、内燃機関の外気温を検出する。水温センサ110は、内燃機関の冷却水路に配置され、内燃機関の冷却水の水温を検出する。さらに、入力ポート85には、クランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ108が接続され、クランク角センサ108によって機関回転数が検出される。
<SOx検出装置の説明>
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。
図2は、本発明の第一実施形態に係るSOx検出装置1の構成を示す概略的な断面図である。図2に示されるように、SOx検出装置1は、素子部10と、素子部10に接続された第一回路60と、ECU80とを備える。図1に示されるように、素子部10は内燃機関の排気通路においてタービン7bと排気浄化触媒28との間に配置されている。言い換えれば、素子部10は排気通路において排気浄化触媒28の排気流れ方向上流側に配置されている。なお、素子部10は、排気通路の他の位置、例えば排気浄化触媒28の排気流れ方向下流側に配置されてもよい。
図2に示されるように、素子部10は、複数の層を積層して構成されている。具体的には、素子部10は、第一固体電解質層11、拡散律速層16、第一不透過層21、第二不透過層22、第三不透過層23、第四不透過層24及び第五不透過層25を備える。
第一固体電解質層11は、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。第一固体電解質層11は、例えば、ZrO2(ジルコニア)、HfO2、ThO2、Bi23等にCaO、MgO、Y23、Yb23等を安定剤として添加した焼結体により形成されている。また、拡散律速層16は、ガス透過性を有する薄板体である。拡散律速層16は、例えば、アルミナ、マグネシア、けい石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体により形成されている。不透過層21〜25は、ガス不透過性の薄板体であり、例えばアルミナを含む層として形成されている。
素子部10の各層は、図2の下方から、第一不透過層21、第二不透過層22、第三不透過層23、第一固体電解質層11、拡散律速層16及び第四不透過層24、第五不透過層25の順に積層されている。第一固体電解質層11、拡散律速層16、第四不透過層24及び第五不透過層25によって、被測ガス室30が区画形成されている。被測ガス室30は、素子部10が排気通路に配置されたときに、被測ガス室30内に拡散律速層16を介して内燃機関の排気ガス(被測ガス)が流入するように構成されている。すなわち、素子部10は、拡散律速層16が排気ガスに曝されるように排気通路に配置されている。したがって、被測ガス室30は拡散律速層16を介して排気通路内と連通している。なお、被測ガス室30は、第一固体電解質層11に隣接し且つ被測ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
また、第一固体電解質層11、第二不透過層22及び第三不透過層23によって、第一大気室31が区画形成されている。図2からわかるように、第一大気室31は、第一固体電解質層11を挟んで、被測ガス室30の反対側に配置されている。第一大気室31は、排気通路の外部の大気に開放されている。したがって、第一大気室31には大気が流入する。なお、第一大気室31は、第一固体電解質層11に隣接し且つ大気が流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
素子部10は第一電極41及び第二電極42を更に備える。第一電極41は第一固体電解質層11の被測ガス室30側の表面上に配置されている。したがって、第一電極41は、被測ガス室30内の被測ガスに曝されている。一方、第二電極42は第一固体電解質層11の第一大気室31側の表面上に配置されている。したがって、第二電極42は、第一大気室31内のガス(大気)に曝されている。第一電極41と第二電極42とは、第一固体電解質層11を挟んで互いに対向するように配置されている。第一電極41、第一固体電解質層11及び第二電極42は、第一電気化学セル51を構成する。
本実施形態では、第一電極41を構成する材料は、白金(Pt)、ロジウム(Rh)及びパラジウム(Pd)等の白金族元素又はこれらの合金を主成分として含む。好ましくは、第一電極41は、白金(Pt)、ロジウム(Rh)及びパラジウム(Pd)の少なくとも一つを主成分として含む多孔質サーメット電極である。しかしながら、第一電極41を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極41と第二電極42との間に所定の電圧を印加したときに、被測ガス室30内の被測ガス中に含まれる水及びSOxを還元分解することができれば、いかなる材料であってもよい。
また、本実施形態では、第二電極42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。しかしながら、第二電極42を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極41と第二電極42との間に所定の電圧を印加したときに、第一電極41と第二電極42との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
素子部10はヒータ(電気ヒータ)55を更に備える。本実施形態では、ヒータ55は、図2に示したように、第一不透過層21と第二不透過層22との間に配置される。ヒータ55は、例えば、白金(Pt)とセラミックス(例えば、アルミナ等)とを含む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。ヒータ55は、第一電気化学セル51を活性温度以上に加熱することができる。ECU80の出力ポート86は、対応する駆動回路88を介してヒータ55に接続されている。したがって、ECU80は、ヒータ55を制御して、素子部10、特に第一電気化学セル51の温度を制御することができる。
図2に示されるように、第一回路60は第一電源61及び第一電流計62を備える。第一電源61は、第一電極41と第二電極42との間に、第二電極42の電位が第一電極41の電位よりも高くなるように、電圧を印加する。ECU80の出力ポート86は、対応する駆動回路88を介して第一電源61に接続されている。したがって、ECU80は、第一電源61を制御して、第一電極41と第二電極42との間に印加される電圧を制御することができる。
第一電流計62は、第一電極41と第二電極42との間に流れる電流(すなわち、第一固体電解質層11内を流れる電流)である電極間電流を検出する。第一電流計62の出力は、対応するAD変換器87を介してECU80の入力ポート85に入力される。したがって、ECU80は、第一電流計62によって検出された電極間電流を第一電流計62から取得することができる。
<SOx濃度の検出原理>
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。
このような酸素ポンピング作用に伴う酸化物イオンの伝導により、第一電気化学セル51を構成する第一電極41と第二電極42との間には電極間電流が流れる。この電極間電流は、第一電極41と第二電極42との間に印加される印加電圧が高くなるほど大きくなる。これは、印加電圧が高くなるほど、酸化物イオンの伝導量が多くなるためである。
しかしながら、印加電圧を徐々に高くして或る一定値以上になると、電極間電流はそれ以上大きくならずに一定の値に維持される。このような特性は酸素の限界電流特性と称され、酸素の限界電流特性が生じる電圧領域は酸素の限界電流領域と称される。このような酸素の限界電流特性は、電圧印加に伴って固体電解質層11、12内を伝導可能な酸化物イオンの伝導速度が、拡散律速層16を介して被測ガス室30内に導入される酸素の導入速度を超えることによって生じる。すなわち、陰極における酸素の還元分解反応が拡散律速状態になることによって生じる。
したがって、第一電気化学セル51において酸素の限界電流領域内の電圧を印加したときの電極間電流(限界電流)は、被測ガス中の酸素濃度に対応する。このように酸素の限界電流特性を利用することにより、被測ガス中の酸素濃度を検出し、検出された濃度に基づいて排気ガスの空燃比を検知することができる。
ところで、上述したような酸素ポンピング作用は、被測ガス中に含まれている酸素のみに発現する作用ではない。分子中に酸素原子を含むガスの中には酸素ポンピング作用を発現しうるガスが存在する。このようなガスとしては、SOx及び水(H2O)が挙げられる。したがって、第一電気化学セル51の第一電極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電圧を印加することにより、被測ガス中に含まれる水及びSOxが分解される。SOx及び水の分解によって生じた酸化物イオンは、酸素ポンピング作用により、第一電極41から第二電極42へと伝導される。このため、第一電極41と第二電極42との間には電極間電流が流れる。
しかしながら、排気ガス中のSOx濃度は極めて低く、SOxの分解に起因して生じる電極間電流も極めて小さい。特に、排気ガス中には水が多く含まれており、水の分解に起因して電極間電流が生じる。このため、SOxの分解に起因して生じる電極間電流を精度良く区別して検出することは困難である。
これに対して、本願の発明者は、酸素ポンピング作用を有する電気化学セルにおいて水及びSOxを分解させたときの分解電流が排気ガス中のSOx濃度に応じて変化することを見出した。斯かる現象が生じる具体的な原理は必ずしも明確ではないが、以下のようなメカニズムによって生じるものであると考えられる。
上述したように、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に、SOxの分解開始電圧以上の所定電圧を印加すると、被測ガス中に含まれるSOxが分解される。この結果、SOxの分解生成物(例えば、硫黄及び硫黄化合物)が、陰極である第一電極41上に吸着する。この結果、水の分解に寄与することができる第一電極41の面積が減少する。被測ガス中のSOx濃度が高いと、第一電極41上に吸着する分解生成物が多くなる。この結果、第一電極41と第二電極42との間に水の分解開始電圧以上の所定電圧を印加したときに電極間に流れる水の分解電流が相対的に小さくなる。一方、被測ガス中のSOx濃度が低いと、第一電極41上に吸着する分解生成物が少なくなる。この結果、第一電極41と第二電極42との間に水の分解開始電圧以上の所定電圧を印加したときに電極間に流れる水の分解電流が相対的に大きくなる。したがって、被測ガス中のSOx濃度に応じて、電極間に流れる水の分解電流が変化する。この現象を用いて、被測ガス中のSOx濃度を検出することが可能となる。
ここで、水の分解開始電圧は、測定条件等により若干の変動は見られるが、約0.6Vである。また、SOxの分解開始電圧は、水の分解開始電圧と同程度か、或いはそれよりも僅かに低い。したがって、本実施形態では、上述した方法によって第一電気化学セル51によって被測ガス中のSOx濃度を検出するために、第一電極41と第二電極42との間に0.6V以上の電圧が印加される。また、印加電圧が過度に高い場合には、第一固体電解質層11の分解を招く可能性がある。この場合、電極間電流に基づいて被測ガス中のSOx濃度を精度良く検出することが困難になる。このため、本実施形態では、上述した方法によって被測ガス中に含まれるSOx濃度を検出するために、第一電極41と第二電極42との間に0.6V以上2.0V未満の電圧が印加される。
以下、印加電圧と電極間電流との関係について具体的に説明する。図3は、第一電気化学セル51において、印加電圧を徐々に上昇させた(昇圧スイープさせた)ときの印加電圧と電極間電流との関係を示す模式的なグラフである。図示した例では、被測ガス中に含まれるSO2(すなわちSOx)の濃度が異なる4種類(0ppm、100ppm、300ppm及び500ppm)の被測ガスを使用した。なお、第一電気化学セル51の第一電極(陰極)41に到達する被測ガス中の酸素濃度は、いずれの被測ガスにおいても一定(ほぼ0ppm)に維持されている。
図3における実線L1は、被測ガス中のSO2濃度が0ppmである場合の印加電圧と電極間電流との関係を示している。図3に示した例では、被測ガス中の酸素濃度がほぼ0ppmに維持されているため、印加電圧が約0.6V未満の領域では、電極間電流はほぼ0である。一方、印加電圧が約0.6V以上になると、印加電圧の増大に伴って電極間電流が増大し始める。この電極間電流の増大は、第一電極41における水の分解が開始されたことに起因する。
図3における破線L2は、被測ガス中のSO2濃度が100ppmである場合の印加電圧と電極間電流との関係を示している。この場合でも、印加電圧が約0.6V未満の領域では、実線L1の場合と同様に、電極間電流はほぼ0である。一方、印加電圧が約0.6V以上であるときには、水の分解に起因して電極間電流が流れる。しかしながら、このとき(破線L2)の電極間電流は実線L1と比較して小さく、また、印加電圧に対する電極間電流の増加率(破線L2の傾き)も実線L1と比較して小さい。
図3における一点鎖線L3は、被測ガス中のSO2濃度が300ppmである場合の印加電圧と電極間電流との関係を示している。また、図3における二点鎖線L4は、被測ガス中のSO2濃度が500ppmである場合の印加電圧と電極間電流との関係を示している。これらの場合においても、印加電圧が約0.6V未満の領域では、実線L1及び破線L2の場合と同様に、電極間電流はほぼ0である。一方、印加電圧が約0.6V以上であるときには、水の分解に起因して電極間電流が流れる。しかしながら、被測ガス中のSO2濃度が高いほど、電極間電流が小さく、印加電圧に対する電極間電流の増加率(一点鎖線L3及び二点鎖線L4の傾き)も小さい。
このように、図3に示した例からも、印加電圧がSOx及び水の分解開始電圧である約0.6V以上であるときの電極間電流の大きさは、被測ガス中に含まれるSO2(すなわちSOx)の濃度に応じて変化することがわかる。例えば、図3に示したグラフにおける印加電圧が1.0Vであるときの線L1〜L4における電極間電流の大きさを被測ガス中のSO2濃度に対してプロットすると、図4に示したグラフが得られる。
図4からわかるように、所定の電圧(図4に示した例では、1.0V)を印加した場合の電極間電流の大きさは、被測ガス中に含まれるSO2(すなわち、SOx)の濃度に応じて変化する。したがって、上述したように、水及びSOxの分解開始電圧以上の所定電圧を印加したときの電極間電流に基づいて、SOx濃度を検出することができる。
<SOx濃度を検出するための制御>
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。
しかしながら、排気ガス中のSOx濃度は、燃料中における硫黄成分の含有率だけでなく、排気ガスの排気空燃比によっても変化する。特に、排気空燃比が理論空燃比よりもリーンな空燃比である場合、排気空燃比のリーン度合いが高くなるほど(空燃比が大きくなるほど)、空気に対する燃料の割合が低くなる。この結果、燃料中における硫黄成分の含有率が一定であっても、排気空燃比のリーン度合いが高くなるほど、排気ガス中のSOx濃度が低くなる。したがって、排気空燃比が安定していない場合、被測ガス中のSOx濃度の検出精度が低下する。
そこで、本実施形態では、ECU80は、排気空燃比が安定しているか否かを判定し、排気空燃比が安定していないと判定した場合には、被測ガス中のSOx濃度を算出しない。このことによって、本実施形態では、排気ガス中のSOx濃度の検出精度を向上させることができる。
また、被測ガス中のSOx濃度を検出するために電極間にSOx及び水の分解開始電圧以上の電圧を印加した場合であっても、被測ガス中の水濃度が安定していないと、電極間電流が変動する。具体的には、被測ガス中の水濃度が高くなると、第一電極41上で分解される水の量が増えるため、電極間電流が大きくなる。一方、被測ガス中の水濃度が低くなると、第一電極41上で分解される水の量が減るため、電極間電流は小さくなる。したがって、被測ガス中の水濃度が安定していない場合、電極間電流が変動し、被測ガス中のSOx濃度の検出精度が低下する。
そこで、本実施形態では、ECU80は、被測ガス中の水濃度が安定しているか否かを判定し、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、被測ガス中のSOx濃度を算出しない。このことによって、本実施形態では、被測ガス中のSOx濃度の検出精度を向上させることができる。なお、SOx濃度を算出しないとは、第一電気化学セル51に電圧を印加しないことと、第一電気化学セル51への印加電圧をSOx及び水の分解開始電圧未満に低下させることと、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を印加するが、電極間電流を取得しないことと、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を印加し且つ電極間電流を取得するが、電極間電流に基づいてSOx濃度を算出しないこととを含む。また、算出されたSOx濃度を用いて実施される内燃機関の所定の制御が停止されている場合には、実質的にSOx濃度が算出されていないと言える。
ところで、燃焼室2に供給される吸入空気の湿度が変化すると、被測ガス中の水濃度も変化する。このため、本実施形態では、ECU80は、吸入空気の湿度の変化量が所定値以上である場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<SOx濃度算出処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS101において、被測ガス中のSOx濃度の算出要求が有るか否かが判定される。SOx濃度の算出要求は、例えば、燃料タンク33に燃料が補給されたときに発生し、SOx濃度が一回又は複数回算出されたときに消滅する。また、SOx濃度の算出要求は、イグニッションキーがオンにされたときに発生し、SOx濃度が一回又は複数回算出されたときに消滅してもよい。ステップS101において被測ガス中のSOx濃度の算出要求が有ると判定された場合、本制御ルーチンはステップS102に進む。
ステップS102では、燃焼室2から排出される排気ガスの排気空燃比が安定しているか否かが判定される。具体的な例として、排気空燃比の変化量が所定値以下であるか否かが判定される。排気空燃比の変化量は例えば所定時間における排気空燃比の最大値と最小値との差によって算出される。排気空燃比は例えば空燃比センサ104によって検出される。なお、排気空燃比は、燃焼室2に供給される吸入空気量と、燃焼室2に供給される燃料量との比率から算出されてもよい。ステップS102において排気空燃比が安定していると判定された場合、本制御ルーチンはステップS103に進む。
ステップS103では、水濃度安定フラグがオンであるか否かが判定される。水濃度安定フラグは、後述する水濃度安定判定処理によって設定されるフラグである。水濃度安定フラグは、被測ガス中の水濃度が安定していると判定された場合にはオンに設定され、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定された場合にはオフに設定される。また、水濃度安定フラグは、イグニッションキーがオフにされたときにもオフに設定される。ステップS103において水濃度安定フラグがオンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS104に進む。
ステップS104からステップS107では、SOx検出装置1によって被測ガス中のSOx濃度を算出するための制御が実行される。具体的には、ステップS104において、第一電気化学セル51の第一電極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電圧が印加される。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。
次いで、ステップS105において、ステップS104において第一電気化学セル51への電圧の印加を開始してからの経過時間Tが基準時間Tref以上であるか否かが判定される。基準時間Trefは、実験又は計算によって予め定められ、電圧の印加によってSOxの分解生成物が第一電極41上に吸着するのに十分な時間とされる。ステップS105において経過時間Tが基準時間Tref以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS106に進む。一方、ステップS105において経過時間Tが基準時間Tref未満であると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。
ステップS106では、第一電極41と第二電極42との間に流れる電極間電流が検出される。次いで、ステップS107において、図4に示されたようなマップを用いて、ステップS106において検出された電極間電流に基づいて被測ガス中のSOx濃度が算出される。このマップでは、被測ガス中のSOx濃度は、電極間電流が小さくなるほど高くなるものとして示される。ステップS107の後、ステップS108において経過時間Tがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
一方、ステップS101において被測ガス中のSOx濃度の算出要求が無いと判定された場合、ステップS102において排気空燃比が安定していないと判定された場合、又はステップS103において水濃度安定フラグがオフであると判定された場合には、本制御ルーチンはステップS109に進む。ステップS109では、第一電気化学セル51への電圧の印加が停止される。すなわち、第一電気化学セル51への印加電圧がゼロにされる。次いで、ステップS110において、経過時間Tがリセットされてゼロにされる。その後、本制御ルーチンは終了する。
したがって、本制御ルーチンでは、排気空燃比が安定していないと判定された場合又は被測ガス中の水濃度が安定していないと判定された場合に、被測ガス中のSOx濃度が算出されない。一方、本制御ルーチンでは、排気空燃比が安定していると判定され且つ被測ガス中の水濃度が安定していると判定された場合に、被測ガス中のSOx濃度が算出される。
なお、ステップS109において、第一電気化学セル51への電圧の印加を停止する代わりに、第一電気化学セル51への印加電圧をSOx及び水の分解開始電圧未満に低下させてもよい。この場合、印加電圧は例えば0.3Vに設定される。また、ステップS106において、電極間電流に相関する電流相関パラメータとして、抵抗値のような電流値以外のパラメータが検出されてもよい。電流相関パラメータは、SOx検出装置1が備える任意の検出器によって検出されてECU80によって取得される。
また、本制御ルーチンでは、ステップS102とステップS103とが分かれているが、当然のことながら、ステップS102及びステップS103における判定は同一のステップにおいて実施されてもよい。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS201において、燃焼室2に供給される吸入空気の湿度の変化量が所定値未満であるか否かが判定される。吸入空気の湿度の変化量は例えば所定時間における湿度の最大値と最小値との差によって算出される。吸入空気の湿度は湿度センサ103によって検出される。また、ステップS201における上記所定値は、実験又は計算によって予め定められ、所望のSOx濃度の算出精度を得ることが困難な水濃度の変化量の下限値に対応する値とされる。ステップS201において吸入空気の湿度の変化量が所定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS202に進む。
この場合、所望のSOx濃度の算出精度を得ることができると考えられるため、ステップS202では、水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、吸入空気の湿度の変化量が所定値未満である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。
一方、ステップS201において吸入空気の湿度の変化量が所定値以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS203に進む。この場合、所望のSOx濃度の算出精度を得ることができないと考えられるため、ステップS203では、水濃度安定フラグがオフに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、吸入空気の湿度の変化量が所定値以上である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
<第二実施形態>
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。
燃料タンク33に燃料が補充される場合、燃料タンク33内の燃料とは異なる種類の燃料が補充されることがある。燃料中の炭素に対する水素の比率及び燃料中の炭素に対する酸素の比率は、燃料中のエタノール濃度が高いほど高くなることが知られている。このため、理論空燃比の混合気を燃焼させたときの排気ガス中の水濃度は、エタノール濃度が高いほど高くなる。したがって、エタノール濃度が異なる燃料間で燃料タンク33内の燃料が切り替えられると、燃料中のエタノール濃度が変化し、ひいては排気ガス中の水濃度が変化する。そこで、第二実施形態では、ECU80は、燃焼室2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、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。また、第二実施形態では、ECU80は、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。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS301において、燃焼室2に供給される燃料中のエタノール濃度の変化量が所定値未満であるか否かが判定される。燃料中のエタノール濃度の変化量は例えば所定時間における燃料中のエタノール濃度の最大値と最小値との差によって算出される。燃料中のエタノール濃度はエタノール濃度センサ106によって検出される。また、ステップS301における上記所定値は、実験又は計算によって予め定められ、燃料の切替が行われていると推定されるエタノール濃度の変化量の下限値とされる。ステップS301においてエタノール濃度の変化量が所定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS302に進む。
この場合、所望のSOx濃度の算出精度を得ることができると考えられるため、ステップS302では、水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、エタノール濃度の変化量が所定値未満である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。
一方、ステップS301においてエタノール濃度の変化量が所定値以上であると判定された場合、すなわち燃料の切替が行われていると判定された場合、ステップS304において水濃度安定フラグがオフに設定される。ステップS304の後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、エタノール濃度の変化量が所定値以上である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
なお、エタノール濃度センサ106は、燃焼室2に供給される燃料の供給経路内であれば、燃料配管34以外の位置、例えば燃料タンク33内に配置されてもよい。
<第三実施形態>
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、ECU80は、空燃比センサ104によって検出された空燃比が目標空燃比になるように燃焼室2に供給される燃料量をフィードバック制御する。この場合、目標空燃比が一定(例えば理論空燃比)に維持されていれば、燃焼室2に供給される吸入空気量と、燃焼室2に供給される燃料量との比率はほぼ一定となる。しかしながら、理論空燃比の値は燃料中のエタノール濃度に応じて変化する。このため、エタノール濃度が異なる燃料間で燃料の切替が行われると、目標空燃比が一定(例えば理論空燃比)に維持されていたとしても、上記フィードバック制御によって吸入空気量と燃料量との比率が変化する。そこで、第三実施形態では、ECU80は、目標空燃比が一定に維持され且つ吸入空気量と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。また、ECU80は、燃料の切替が行われていると判定した場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS401において、燃焼室2に供給される吸入空気量と、燃焼室2に供給される燃料量との比率の変化量が所定値未満であるか否かが判定される。吸入空気量と燃料量との比率の変化量は例えば所定時間における吸入空気量と燃料量との比率の最大値と最小値との差によって算出される。吸入空気量は、例えば、エアフロメータ102によって検出された空気流量と、クランク角センサ108によって検出された機関回転数とに基づいて算出される。また、ステップS401における上記所定値は、実験又は計算によって予め定められ、燃料の切替が行われていると推定される吸入空気量と燃料量との比率の変化量の下限値とされる。なお、吸入空気量は、吸気通路内の圧力、スロットル弁9の開度等に基づいて算出されてもよい。また、ステップS401は、目標空燃比の切替時以外のタイミング、すなわち目標空燃比が一定に維持されている期間に実行される。ステップS401において吸入空気量と燃料量との比率の変化量が所定値未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS402に進む。
この場合、所望のSOx濃度の算出精度を得ることができると考えられるため、ステップS402では、水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、吸入空気量と燃料量との比率の変化量が所定値未満である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。
一方、ステップS401において吸入空気量と燃料量との比率の変化量が所定値以上であると判定された場合、すなわち燃料の切替が行われていると判定された場合、ステップS403において水濃度安定フラグがオフに設定される。ステップS403の後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、吸入空気量と燃料量との比率の変化量が所定値以上である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
なお、詳細には説明しないが、第三実施形態では、SOx濃度算出処理及び水濃度安定判定処理の制御ルーチンとは別の制御ルーチンにおいて、空燃比センサ104によって検出された空燃比が目標空燃比になるように燃焼室2に供給される燃料量がフィードバック制御される。
<第四実施形態>
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。
上述したように、燃料タンク33に燃料が補充される場合、燃料タンク33内の燃料とは異なる種類の燃料が補充されることがある。この場合、燃料タンク33内にもともと存在していた燃料と新たに供給された異なる燃料とが混合した燃料が、燃料タンク33から燃料噴射弁3までの間の配管に存在する燃料と切替るまでに所定の時間を要する。すなわち、燃料の補充後に燃焼室2に供給される燃料量が所定値に達するまでの間、燃料の切替が行われる。そこで、第四実施形態では、ECU80は、燃料タンク33に燃料が補充されてから燃焼室2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。また、ECU80は、燃料の切替が行われていると判定した場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS501では、給油フラグがオンであるか否かが判定される。給油フラグは、ECU80が燃料タンク33に燃料が補充されたと判定したときにオンに設定される。ECU80は、例えば、SOx検出装置1が用いられる内燃機関が搭載された車両に設けられた給油口が開いたことを検出したときに、燃料タンク33に燃料が補充されたと判定する。また、ECU80は、燃料液面センサ107によって検出された燃料タンク33内の燃料の量が所定値以上増加したときに、燃料タンク33に燃料が補充されたと判定してもよい。なお、燃料タンク33に最初に燃料が投入される前の給油フラグの初期値はオフに設定される。
ステップS501において給油フラグがオンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS502に進む。ステップS502では、燃料補充後に燃焼室2に供給された燃料量FAが基準燃料量FAref以上であるか否かが判定される。基準燃料量FArefは、実験又は計算によって予め定められ、例えば、燃料ポンプ19と燃料噴射弁3との間に保持可能な燃料量とされる。
ステップS502において、燃料量FAが基準燃料量FAref以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS503に進む。この場合、燃料の切替が完了したと考えられるため、ステップS503において給油フラグがオフに設定されると共に水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS502において燃料量FAが基準燃料量FAref未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップS504に進む。この場合、燃料の切替が完了していないと考えられるため、ステップS504において水濃度安定フラグがオフに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップS501において給油フラグがオフであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS503に進む。この場合、燃料の切替が完了していると考えられるため、ステップS503において給油フラグがオフに維持されると共に水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
したがって、本制御ルーチンでは、燃料タンク33に燃料が補充されてから燃焼室2に所定量以上の燃料が供給されたと判定した場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。一方、本制御ルーチンでは、燃料タンク33に燃料が補充されてから燃焼室2に所定量以上の燃料が供給されていないと判定した場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
<第五実施形態>
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。
排気ガスの温度が露点温度以下に低下すると、排気ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が発生する。排気通路又はEGR通路14に凝縮水が存在している状態で内燃機関が始動されると、暖機によって凝縮水が気化する間、排気ガス中の水濃度が上昇する。また、内燃機関の冷間始動時には、排気ガスが排気通路又はEGR通路14において冷却され、排気ガス中の水蒸気が凝縮する場合がある。この場合、排気ガス中の水濃度が減少する。したがって、排気通路及びEGR通路14の少なくともいずれか一方に凝縮水が存在しているとき、又は排気通路及びEGR通路14の少なくともいずれか一方において凝縮水が発生するときには、被測ガス中の水濃度が変化する。そこで、第五実施形態では、ECU80は、排気通路及びEGR通路14の少なくともいずれか一方に凝縮水が存在していると判定した場合、又は排気通路及びEGR通路14の少なくともいずれか一方において凝縮水が発生すると判定した場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS601において排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方に凝縮水が存在しているか否かが判定される。排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方に凝縮水が存在していると判定された場合、ステップS604において水濃度安定フラグがオフに設定される。ステップS604の後、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS601において排気ガス通路及びEGR通路14に凝縮水が存在していないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS602に進む。
ステップS602では、排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方において凝縮水が発生するか否かが判定される。言い換えれば、ステップS602では、排気ガスが排気ガス通路及びEGR通路14を通過するときに排気ガス中の水蒸気が凝縮するか否かが判定される。ステップS602において排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方において凝縮水が発生すると判定された場合、ステップS604において水濃度安定フラグがオフに設定される。ステップS604の後、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS602において排気ガス通路及びEGR通路14において凝縮水が発生しないと判定された場合、本制御ルーチンはステップS603に進む。この場合、所望のSOx濃度の算出精度を得ることができると考えられるため、ステップS603では、水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
したがって、本制御ルーチンでは、排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方に凝縮水が存在していないと判定され且つ排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方において凝縮水が発生しないと判定された場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。一方、本制御ルーチンでは、排気通路及びEGR通路14の少なくともいずれか一方に凝縮水が存在していると判定された場合又は排気ガス通路及びEGR通路14の少なくとも一方において凝縮水が発生すると判定された場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
なお、ステップS601及びステップS602における判定は、例えば、特開2009−222424号公報に記載されるような公知の方法によって行われる。以下では、排気通路についての判定について説明するが、EGR通路14についての判定も同様の方法で行うことができる。
ECU80は、ステップS601において、排気通路の内壁の推定温度と、露点温度と、エアフロメータ102によって検出された空気流量とに基づいて、排気通路における凝縮水の有無を判定する。排気通路の内壁の推定温度は、エアフロメータ102によって検出された空気流量と、排気温度センサ105によって検出された排気温度と、外気温センサ109によって検出された外気温とに基づいて算出される。また、露点温度は排気空燃比に基づいて算出される。排気空燃比は、燃焼室2に供給される吸入空気量と、燃焼室2に供給される燃料量との比率から算出され、又は空燃比センサ104によって検出される。なお、ECU80は、内燃機関の前回の運転状態、例えば内燃機関の運転時間に基づいて凝縮水の有無を判定してもよい。また、ECU80は内燃機関の始動時の水温に基づいて凝縮水の有無を判定してもよい。水温は水温センサ110によって検出される。
また、ECU80は、ステップS602において、エアフロメータ102によって検出された空気流量と、排気温度センサ105によって検出された排気温度と、外気温センサ109によって検出された外気温とに基づいて、排気通路において凝縮水が発生するか否かを判定する。
なお、SOx検出装置1が用いられる内燃機関がEGR通路を備えていない場合、ステップS601及びステップS602において排気通路についての判定のみが行われる。
<第六実施形態>
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。
SOx検出装置1が用いられる内燃機関では、被測ガスが素子部10に到達するまでの経路(以下、「被測ガス経路」という)に水又は水溶液が噴射される場合がある。例えば、過給機を備えた内燃機関において、吸入空気の温度を低下させるために吸気通路内に水が噴射される場合がある。また、SCR触媒を備えたディーゼルエンジンにおいて、アンモニアを生成してNOxを還元浄化するために排気通路に尿素水が噴射される場合がある。被測ガス経路に水又は水溶液が噴射されると、噴射された水又は水溶液が気化することによって被測ガス中の水濃度が変化するおそれがある。そこで、第六実施形態では、ECU80は、被測ガス経路に水又は水溶液が噴射されてから噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過したと判定するまでの間、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
なお、被測ガス経路は、吸気通路と、排気流れ方向において素子部10よりも上流側の排気通路と、EGR通路14とを含む。また、EGR通路14が素子部10よりも排気流れ方向下流側に連結される場合には、被測ガス経路は、吸気通路と、排気流れ方向においてEGR通路14よりも上流側の排気通路と、EGR通路14とを含む。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS701では、噴射フラグがオンであるか否かが判定される。噴射フラグは、ECU80による制御によって水又は水溶液が被測ガス経路に噴射されたときにオンに設定される。なお、水又は水溶液が最初に噴射される前の噴射フラグの初期値はオフに設定される。ステップS701において噴射フラグがオンであると判定された場合、本制御ルーチンはステップS702に進む。
ステップS702では、被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過したか否かが判定される。具体的には、ECU80は、水又は水溶液が噴射されてから噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過するまでの通過時間Tarを算出する。通過時間Tarは、例えば、エアフロメータ102によって検出される空気流量と、水温センサ110によって検出された水温との関数として示されたマップに基づいて算出される。具体的には、上記マップでは、通過時間Tarは、空気流量が多いほど短くなるものとして示され、水温が高いほど短くなるものとして示される。なお、水温の代わりに油温が用いられてもよい。ECU80は、水又は水溶液を噴射した後の経過時間が通過時間Tar以上である場合、被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過したと判定する。一方、ECU80は、水又は水溶液を噴射した後の経過時間が通過時間Tar未満である場合、被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過していないと判定する。
ステップS702において被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過したと判定された場合、ステップS703において噴射フラグがオフに設定されると共に水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。一方、ステップS702において被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過していないと判定された場合、ステップS704において水濃度安定フラグがオフに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
また、ステップS701において噴射フラグがオフであると判定された場合、ステップS703において噴射フラグがオフに維持されると共に水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。
したがって、本制御ルーチンでは、被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過したと判定した場合又は水又は水溶液が被測ガス経路に噴射されなかった場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。一方、本制御ルーチンでは、被測ガス経路に噴射された水又は水溶液が排気通路において素子部10を通過していないと判定した場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
<第七実施形態>
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。
上述したように、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に水の分解開始電圧以上の所定電圧を印加すると、電極間に水の分解電流が流れる。この水の分解電流が変化している場合、被測ガス中の水濃度も変化していると推定される。そこで、第七実施形態では、ECU80は、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に水の分解開始電圧以上の電圧が印加されるように第一電源61を制御し、第一電流計62によって検出された電極間電流の変化量が所定値以上である場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS801において、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に水の分解開始電圧以上の電圧が印加される。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。
次いで、ステップS802において、第一電流計62によって検出された電極間電流の変化量が所定値未満であるか否かが判定される。電極間電流の変化量は例えば所定時間における電極間電流の最大値と最小値との差によって算出される。また、ステップS802における上記所定値は、実験又は計算によって予め定められ、所望のSOx濃度の算出精度を得ることが困難な水濃度の変化量の下限値に対応する値とされる。
ステップS802において電極間電流の変化量が所定値未満であると判定された場合、ステップS803において水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、電極間電流の変化量が所定値未満である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。一方、電極間電流の変化量が所定値以上であると判定された場合、ステップS804において水濃度安定フラグがオフに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、電極間電流の変化量が所定値以上である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
なお、ステップS802において、電極間電流に相関する電流相関パラメータとして、抵抗値のような電流値以外のパラメータが検出されてもよい。電流相関パラメータは、SOx検出装置1が備える任意の検出器によって検出されてECU80によって取得される。この場合、ステップS802において、電極間電流パラメータの変化量が所定値未満であるか否かが判定される。
また、上述したように、SOxの分解開始電圧は、水の分解開始電圧と同程度か、或いはそれよりも僅かに低い。このため、ステップS801において第一電気化学セル51に水の分解開始電圧以上の電圧が印加されると、被測ガス中に含まれるSOxも分解される。この場合、ステップS803において水濃度安定フラグがオンに設定されるときには、第一電極41上に吸着したSOxの分解生成物の量がほぼ飽和していると考えられる。このため、第七実施形態では、図5のSOx濃度算出処理の制御ルーチンにおいて、ステップS104及びS105が省略される。これに伴い、ステップS108及びステップS110も省略される。また、第七実施形態では、被測ガス中の水濃度が安定しているか否かを判定するために、第一電気化学セル51に水の分解開始電圧以上の電圧を印加する必要がある。このため、図5のステップS109も省略される。
<第八実施形態>
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。
<SOx検出装置の説明>
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。
素子部10aは、第三電極43及び第四電極44を更に備える。第三電極43は、第一固体電解質層11の被測ガス室30側の表面上に配置されている。したがって、第三電極43は、被測ガス室30内の被測ガスに曝されている。第三電極43は第一電極41と同じ表面積を有する。また、第三電極43は、拡散律速層16からの距離が第一電極41と等しくなるように、第一電極41と並んで配置される。一方、第四電極44は、第一固体電解質層11の第一大気室31側の表面上に配置されている。したがって、第四電極44は、第一大気室31内のガス(大気)に曝されている。第四電極44は第二電極42と同じ表面積を有する。また、第四電極44は、拡散律速層16からの距離が第二電極42と等しくなるように、第二電極42と並んで配置される。第三電極43と第四電極44とは、第一固体電解質層11を挟んで互いに対向するように配置されている。第三電極43、第一固体電解質層11及び第四電極44は、第二電気化学セル52を構成する。
本実施形態では、第三電極43を構成する材料は、白金(Pt)、金(Au)、鉛(Pb)、銀(Ag)等の金属元素又はこれらの合金を主成分として含む。好ましくは、第三電極43は、白金(Pt)、金(Au)、鉛(Pb)、銀(Ag)の少なくとも一つを主成分として含む多孔質サーメット電極である。また、第四電極44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。なお、第三電極43を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第一電極41と比較して、SOxの分解速度が低くなるように電極が構成されれば、いかなる材料であってもよい。特に、本実施形態では、第三電極43を構成する材料は、第三電極43においてSOxが分解される速度が実質的に0となるような材料であることが好ましい。また、第四電極44を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第三電極43と第四電極44との間に所定の電圧を印加したときに、第三電極43と第四電極44との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
なお、図13に示した例では、第二電気化学セル52は、第一固体電解質層11を第一電気化学セル51と共有している。しかしながら、第二電気化学セル52は、第一電気化学セル51を構成する第一固体電解質層11とは別の固体電解質層を備えてもよい。
第二回路70は、第二電源71と第二電流計72とを備える。第二電源71は、第三電極43と第四電極44との間に、第四電極44の電位が第三電極43の電位よりも高くなるように電圧を印加する。ECU80の出力ポート86は、対応する駆動回路88を介して第二電源71に接続されている。したがって、ECU80は、第二電源71を制御して、第三電極43と第四電極44との間に印加される電圧を制御することができる。
第二電流計72は、第三電極43と第四電極44との間に流れる電流(すなわち、第一固体電解質層11内を流れる電流)である電極間電流を検出する。第二電流計72の出力は、対応するAD変換器87を介してECU80の入力ポート85に入力される。したがって、ECU80は、第二電流計72によって検出された電極間電流を第二電流計72から取得することができる。
第二電気化学セル52では、水の分解開始電圧以上の電圧が印加されても、SOxがほとんど分解されない。このため、第二電気化学セル52における電極間電流は、SOxの分解に起因する影響をほとんど受けない。したがって、第二電気化学セル52は、第一電気化学セル51よりも精度良く被測ガス中の水濃度を検出することができる。そこで、第八実施形態では、ECU80は、第二電気化学セル52の第三電極43と第四電極44との間に水の分解開始電圧以上の電圧が印加されるように第二電源71を制御し、第二電流計72によって検出された電極間電流の変化量が所定値以上である場合、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定する。
<水濃度安定判定処理の制御ルーチン>
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。
最初に、ステップS901において、第二電気化学セル52の第三電極43と第四電極44との間に水の分解開始電圧以上の電圧が印加される。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。
次いで、ステップS902において、第二電流計72によって検出された電極間電流の変化量が所定値未満であるか否かが判定される。電極間電流の変化量は例えば所定時間における電極間電流の最大値と最小値との差によって算出される。また、ステップS902における上記所定値は、実験又は計算によって予め定められ、所望のSOx濃度の算出精度を得ることが困難な水濃度の変化量の下限値に対応する値とされる。
ステップS902において電極間電流の変化量が所定値未満であると判定された場合、ステップS903において水濃度安定フラグがオンに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、電極間電流の変化量が所定値未満である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していると判定される。一方、電極間電流の変化量が所定値以上であると判定された場合、ステップS904において水濃度安定フラグがオフに設定される。その後、本制御ルーチンは終了する。したがって、本制御ルーチンでは、電極間電流の変化量が所定値以上である場合に、被測ガス中の水濃度が安定していないと判定される。
なお、ステップS902において、電極間電流に相関する電流相関パラメータとして、抵抗値のような電流値以外のパラメータが検出されてもよい。電流相関パラメータは、SOx検出装置1aが備える任意の検出器によって検出されてECU80によって取得される。この場合、ステップS902において、電極間電流パラメータの変化量が所定値未満であるか否かが判定される。
また、第八実施形態では、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てもよい。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に水の分解開始電圧以上の電圧が印加される。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。その後、ステップS106において、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に流れる電極間電流及び第二電気化学セル52の第三電極43と第四電極44との間に流れる電極間電流が検出される。次いで、ステップS107において、マップを用いて、第一電極41と第二電極42との間に流れる電極間電流と、第三電極43と第四電極44との間に流れる電極間電流との差に基づいて被測ガス中のSOx濃度が算出される。このマップでは、被測ガス中のSOx濃度は、電極間電流の差が大きいほど高くなるものとして示される。上述した方法でSOx濃度を算出することによって、酸素及び水の分解によって発生する電極間電流の影響を低減することができるため、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S106において、電極間電流に相関する電流相関パラメータとして、抵抗値のような電流値以外のパラメータが検出されてもよい。この場合、ステップS107において電流相関パラメータの差に基づいて被測ガス中のSOx濃度が算出される。
なお、SOx検出装置1aを用いて、図14に示される制御ルーチンの代わりに図6〜図12に示される制御ルーチンのうちのいずれか一つが実行されてもよい。さらに、図6〜図12に示される制御ルーチンのうちのいくつかが組み合わされて実行されてもよい。
<第九実施形態>
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。
<SOx検出装置の説明>
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。
図15に示されるように、素子部10bは、複数の層を積層して構成されている。具体的には、素子部10bは、第一固体電解質層11、第二固体電解質層12、拡散律速層16、第一不透過層21、第二不透過層22、第三不透過層23、第四不透過層24、第五不透過層25及び第六不透過層26を備える。
第二固体電解質層12は第一固体電解質層11と同様の構成を有する。第六不透過層26は第一不透過層21〜第五不透過層25と同様の構成を有する。素子部10bの各層は、図15の下方から、第一不透過層21、第二不透過層22、第三不透過層23、第一固体電解質層11、拡散律速層16及び第四不透過層24、第二固体電解質層12、第五不透過層25、第六不透過層26の順に積層されている。
第一固体電解質層11、第二固体電解質層12、拡散律速層16及び第四不透過層24によって、被測ガス室30が区画形成されている。なお、被測ガス室30は、第一固体電解質層11及び第二固体電解質層12に隣接し且つ被測ガスが流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
第二固体電解質層12、第五不透過層25及び第六不透過層26によって、第二大気室32が区画形成されている。図15からわかるように第二大気室32は、第二固体電解質層12を挟んで、被測ガス室30の反対側に配置されている。第二大気室32は、排気通路の外部の大気に開放されている。したがって、第二大気室32にも、大気ガスが流入する。なお、第二大気室32は、第二固体電解質層12に隣接し且つ大気が流入するように構成されていれば、如何なる態様で構成されてもよい。
素子部10bは第五電極45及び第六電極46を更に備える。第五電極45は第二固体電解質層12の被測ガス室30側の表面上に配置されている。したがって、第五電極45は、被測ガス室30内の被測ガスに曝されている。また、第五電極45は、被測ガス室30内において、第一電極41よりも拡散律速層16側に配置される。したがって、拡散律速層16を介して被測ガス室30内に流入した被測ガスは、最初に第五電極45周りを流通し、その後、第一電極41周りを流通することになる。一方、第六電極46は第二固体電解質層12の第二大気室32側の表面上に配置されている。したがって、第六電極46は、第二大気室32内のガス(大気)に曝されている。第五電極45と第六電極46とは、第二固体電解質層12を挟んで互いに対向するように配置されている。第五電極45、第二固体電解質層12及び第六電極46は、第三電気化学セル53を構成する。
第五電極45及び第六電極46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。しかしながら、第五電極45を構成する材料は、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第五電極45と第六電極46との間に所定の電圧を印加したときに、被測ガス室30内の被測ガス中に含まれる酸素を還元分解することができれば、いかなる材料であってもよい。また、第六電極46を構成する材料も、必ずしも上記材料に限定されるものではなく、第五電極45と第六電極46との間に所定の電圧を印加したときに、第五電極45と第六電極46との間で酸化物イオンを移動させることができれば、いかなる材料であってもよい。
なお、上記実施形態では、第三電気化学セル53は、第一電気化学セル51を構成する第一固体電解質層11とは異なる第二固体電解質層12を含んで構成されている。しかしながら、第一固体電解質層と第二固体電解質層とは同一の固体電解質層であってもよい。すなわち、図15の第一固体電解質層11が第二固体電解質層としても機能し、よって第三電気化学セル53が第一固体電解質層11を含んで構成されてもよい。この場合、第五電極45は第一固体電解質層11の被測ガス室30側の表面上に配置され、第六電極46は第一固体電解質層11の第一大気室31側の表面上に配置される。
第三回路90は、第三電源91と第三電流計92とを備える。第三電源91は、第五電極45と第六電極46との間に、第六電極46の電位が第五電極45の電位よりも高くなるように電圧を印加する。ECU80の出力ポート86は、対応する駆動回路88を介して第三電源91に接続されている。したがって、ECU80は、第三電源91を制御して、第五電極45と第六電極46との間に印加される電圧を制御することができる。
第三電流計92は、第五電極45と第六電極46との間に流れる電流(すなわち、第二固体電解質層12内を流れる電流)である電極間電流を検出する。第三電流計92の出力は、対応するAD変換器87を介してECU80の入力ポート85に入力される。したがって、ECU80は、第三電流計92によって検出された電極間電流を第三電流計92から取得することができる。
<ポンプセル>
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。
ここで、酸素の限界電流領域内の電圧を第三電気化学セル53に印加すると、第三電気化学セル53により伝導可能な酸化物イオンの伝導速度が、拡散律速層16を介して被測ガス室30内に導入される酸素の導入速度よりも速くなる。したがって、酸素の限界電流領域内の電圧が第三電気化学セル53に印加されていると、拡散律速層16を介して被測ガス室30内に流入した被測ガス中に含まれる酸素のほとんどを除去することができる。
そこで、第九実施形態では、第一電気化学セル51によって被測ガス中のSOx濃度を検出するときに、第一電気化学セル51よりも拡散律速層16側に配置された第三電気化学セル53に酸素の限界電流領域内の電圧を印加する。酸素の限界電流領域は、印加電圧をそれ以上上昇させても電極間電流がほとんど変化しない下限電圧(例えば、0.1V)以上の領域である。また、第三電気化学セル53への印加電圧は、SOx及び水の分解開始電圧(約0.6V)未満の電圧とされる。このことによって、第三電気化学セル53において、水及びSOxを分解することなく、酸素を分解して除去することができる。したがって、第三電気化学セル53は、被測ガス室30内から水及びSOxを排出することなく酸素を排出するポンプセルとして機能する。
<SOx濃度算出処理の制御ルーチン>
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。
また、第九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6〜図12に示される制御ルーチンのうちのいずれか一つが実行される。さらに、図6〜図12に示される制御ルーチンのうちのいくつかが組み合わされて実行されてもよい。
なお、上述したように、第三電気化学セル53に酸素の限界電流領域の下限電圧以上の電圧を印加することにより、被測ガスに含まれる酸素が第五電極45において分解され、この分解によって生成された酸化物イオンが被測ガス室30から第二大気室32へと排出される。このとき、第五電極45と第六電極46との間に流れる電極間電流を第三電流計92によって検出することにより、被測ガス中の酸素濃度を検出することができる。したがって、第三電気化学セル53は、排気空燃比を検出する空燃比センサとして用いることができる。このため、SOx検出装置1bを用いてSOx濃度の算出が行われる場合、空燃比センサ104の代わりに第三電気化学セル53によって排気空燃比が検出されてもよい。
<第十実施形態>
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。
<SOx検出装置の説明>
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。
<SOx濃度算出処理の制御ルーチン>
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。
その後、ステップS106において、第一電気化学セル51の第一電極41と第二電極42との間に流れる電極間電流及び第二電気化学セル52の第三電極43と第四電極44との間に流れる電極間電流が検出される。次いで、ステップS107において、マップを用いて、第一電極41と第二電極42との間に流れる電極間電流と、第三電極43と第四電極44との間に流れる電極間電流との差に基づいて被測ガス中のSOx濃度が算出される。このマップでは、被測ガス中のSOx濃度は、電極間電流の差が大きいほど高くなるものとして示される。上述した方法でSOx濃度を算出することによって、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と共に、水の分解によって発生する電極間電流の影響が低減されるため、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、第二電気化学セル52及び第三電気化学セル53の印加電圧をゼロにし又は低下させてもよい。
また、第十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6〜図12及び図14に示される制御ルーチンのうちのいずれか一つが実行される。さらに、図6〜図12及び図14に示される制御ルーチンのうちのいくつかが組み合わされて実行されてもよい。なお、SOx検出装置1cを用いてSOx濃度の算出が行われる場合、空燃比センサ104の代わりに第三電気化学セル53によって排気空燃比が検出されてもよい。
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、SOx検出装置が用いられる内燃機関は、燃焼室に点火プラグが配置された火花点火式内燃機関であってもよい。また、上述した実施形態は、任意に組み合わせて実施可能である。例えば、SOx検出装置1を用いて、水濃度安定判定処理の制御ルーチンとして、図6〜図12に示される制御ルーチンのうちのいくつかが組み合わされて実行されてもよい。
なお、各制御ルーチンにおいて各種パラメータを検出するために用いられる検出器は、SOx検出装置の構成要素であると言える。例えば、図6のステップS201において吸入空気の湿度は湿度センサ103によって検出されるため、第一実施形態に係るSOx検出装置1は湿度センサ103を備えていると言える。
1、1a、1b、1c SOx検出装置
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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