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、Ｂｉ2Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3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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