KR20160026801A

KR20160026801A - 가스 농도 검출 장치

Info

Publication number: KR20160026801A
Application number: KR1020150122460A
Authority: KR
Inventors: 게이고 미즈타니; 히로노부 시모카와; 가즈히로 와카오; 다츠히로 하시다; 게이이치로 아오키
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-03-09
Also published as: CN105388197A; CN105388197B; RU2607830C1; US20160061771A1; JP2016050879A; BR102015021237A2; KR101774107B1; JP6117752B2

Abstract

가스 농도 검출 장치는 가스 농도 검출 소자 및 전자 제어 유닛을 포함한다. 상기 가스 농도 검출 소자는 제1 전기 화학 셀을 포함한다. 상기 전자 제어 유닛은, 상기 제1 전기 화학 셀에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 취득되는 상기 제1 전기 화학 셀에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 되어 있다. 상기 제1 소정 전압은 제1 전기 화학 셀의 제1 전극으로 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물이 분해되는 전압이다.

Description

가스 농도 검출 장치{GAS CONCENTRATION DETECTING DEVICE}

본 발명은 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황산화물(SOx)의 농도를 보다 정확하게 취득할 수 있는 가스 농도 검출 장치에 관한 것이다.

종래부터, 내연 기관을 제어하기 위해, 배기 중에 포함되는 산소(O₂)의 농도에 기초하여 연소실 내의 혼합기의 공연비(A/F)를 취득하는 공연비 센서(A/F 센서)가 널리 사용되고 있다. 이와 같은 공연비 센서의 하나의 타입으로서, 한계 전류식 가스 센서를 들 수 있다.

상기와 같은 공연비 센서로서 사용되는 한계 전류식 가스 센서는 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질체와, 고체 전해질체의 표면에 고착된 한 쌍의 전극을 포함하는 전기 화학 셀인 펌핑 셀을 구비한다. 한 쌍의 전극의 한쪽은 확산 저항부를 통해 도입되는 피검 가스로서의 내연 기관의 배기에 노출되고, 다른 쪽은 대기에 노출되어 있다. 상기 한쪽의 전극을 음극으로 하고, 상기 다른 쪽의 전극을 양극으로 하고, 이들 한 쌍의 전극 사이에 산소의 분해가 개시되는 전압(분해 개시 전압) 이상의 전압을 인가하면, 피검 가스 중에 포함되는 산소가 환원 분해되어 산화물 이온(O^2-)이 된다. 이 산화물 이온은 상기 고체 전해질체를 통해 양극으로 전도되어 산소가 되고, 대기 중에 배출된다. 이와 같은 음극측으로부터 양극측으로의 고체 전해질체를 개재하는 산화물 이온의 전도에 의한 산소의 이동은 「산소 펌핑 작용」이라고 칭해진다.

상기 산소 펌핑 작용에 수반하는 산화물 이온의 전도에 의해, 상기한 쌍의 전극 사이에 전류가 흐른다. 이와 같이 한 쌍의 전극 사이에 흐르는 전류는 「전극 전류」라고 칭해진다. 이 전극 전류는 한 쌍의 전극 사이에 인가되는 전압(이후, 간단히 「인가 전압」이라고 칭해지는 경우가 있음)이 상승할수록 커지는 경향을 갖는다. 그러나, 상기 한쪽의 전극(음극)에 도달하는 피검 가스의 유량이 확산 저항부에 의해 제한되므로, 곧 산소 펌핑 작용에 수반하는 산소의 소비 속도가 음극으로의 산소의 공급 속도를 초과하게 된다. 즉, 음극에 있어서의 산소의 환원 분해 반응이 확산 율속 상태로 된다.

상기 확산 율속 상태에 있어서는, 인가 전압을 상승시켜도 전극 전류가 증대되지 않고, 대략 일정해진다. 이와 같은 특성은 「한계 전류 특성」이라고 칭해지고, 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 인가 전압의 범위는 「한계 전류 영역」이라고 칭해진다. 또한, 한계 전류 영역에 있어서의 전극 전류는 「한계 전류」라고 칭해지고, 한계 전류의 크기(한계 전류값)는 음극으로의 산소의 공급 속도에 대응한다. 상기와 같이 음극에 도달하는 피검 가스의 유량이 확산 저항부에 의해 일정하게 유지되어 있으므로, 음극으로의 산소의 공급 속도는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 대응한다.

따라서, 공연비 센서로서 사용되는 한계 전류식 가스 센서에 있어서 「한계 전류 영역 내의 소정의 전압」으로 인가 전압을 설정했을 때의 전극 전류(한계 전류)는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 대응한다. 이와 같이 산소의 한계 전류 특성을 이용하여, 공연비 센서는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하고, 그것에 기초하여 연소실 내의 혼합기의 공연비를 취득할 수 있다.

또한, 상기와 같은 한계 전류 특성은 산소 가스만으로 한정되는 특성은 아니다. 구체적으로는, 분자 중에 산소 원자를 포함하는 가스(이후, 「산소 함유 가스」라고 칭해지는 경우가 있음) 중에는, 인가 전압 및 음극의 구성을 적절히 선택함으로써 한계 전류 특성을 발현시킬 수 있는 것이 있다. 이와 같은 산소 함유 가스의 예로서는, 예를 들어 황산화물(SOx), 물(H₂O) 및 이산화탄소(CO₂) 등을 들 수 있다.

그런데, 내연 기관의 연료(예를 들어, 경유 및 가솔린 등)에는 미량의 황(S) 성분이 포함된다. 특히, 조악 연료라고도 칭해지는 연료는, 비교적 높은 함유율로 황 성분을 함유하고 있는 경우가 있다. 연료 중의 황 성분의 함유율(이후, 간단히 「황 함유율」이라고 칭해지는 경우가 있음)이 높으면, 내연 기관의 구성 부재의 열화 및/또는 고장, 배기 정화 촉매의 피독, 배기에 있어서의 백연의 발생 등의 문제가 발생할 우려가 높아진다. 그로 인해, 연료 중의 황 성분의 함유율을 취득하고, 취득된 황 함유율을, 예를 들어 내연 기관의 제어에 반영시키거나, 내연 기관의 고장에 관한 경고를 발하거나, 배기 정화 촉매의 자기 고장 진단(OBD)의 개선에 도움이 되는 것이 요망된다.

내연 기관의 연료가 황 성분을 함유하고 있으면, 연소실로부터 배출되는 배기 중에 황산화물이 포함된다. 또한, 연료 중의 황 성분의 함유율(황 함유율)이 높아질수록, 배기 중에 포함되는 황산화물의 농도(이후, 간단히 「SOx 농도」라고 칭해지는 경우가 있음)도 높아진다. 따라서, 배기 중의 SOx 농도를 정확하게 취득할 수 있으면, 취득된 SOx 농도에 기초하여 황 함유율을 정확하게 취득할 수 있다고 생각된다.

따라서, 당해 기술 분야에 있어서는, 상술한 산소 펌핑 작용을 이용하는 한계 전류식 가스 센서에 의해 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황산화물의 농도를 취득하는 시도가 이루어져 있다. 구체적으로는, 피검 가스로서의 내연 기관의 배기가 확산 저항부를 통해 유도되는 내부 공간에 음극이 면하도록 직렬로 배치된 2개의 펌핑 셀을 구비하는 한계 전류식 가스 센서(2셀식의 한계 전류식 가스 센서)가 사용된다.

이 센서에 있어서는, 상류측의 펌핑 셀의 전극 사이에 상대적으로 낮은 전압을 인가함으로써, 상류측의 펌핑 셀의 산소 펌핑 작용에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소를 제거한다. 또한, 하류측의 펌핑 셀의 전극 사이에 상대적으로 높은 전압을 인가함으로써, 하류측의 펌핑 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 황산화물을 음극에 있어서 환원 분해시키고, 그 결과로서 발생하는 산화물 이온을 양극으로 전도한다. 이 산소 펌핑 작용에 기인하는 전극 전류값의 변화에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도가 취득된다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평11-190721을 참조).

상술한 바와 같이, 당해 기술 분야에 있어서는, 산소 펌핑 작용을 이용하는 한계 전류식 가스 센서에 의해, 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황산화물의 농도를 취득하는 시도가 이루어져 있다. 그러나, 배기 중에 포함되는 황산화물의 농도는 극히 낮고, 황산화물의 분해에 기인하는 전류(분해 전류)도 극히 작다. 또한, 황산화물 이외의 산소 함유 가스(예를 들어, 물 및 이산화탄소 등)에 기인하는 분해 전류도 전극 사이에 흐를 수 있다. 그로 인해, 황산화물에 기인하는 분해 전류만을 고정밀도로 구별하여 검출하는 것은 곤란하다.

본 발명은 한계 전류식 가스 센서를 사용하여 피검 가스로서의 배기 중에 포함되는 황산화물의 농도를 가능한 한 고정밀도로 취득할 수 있는 가스 농도 검출 장치를 제공한다.

본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구한 결과, 산소 펌핑 작용을 갖는 전기 화학 셀(펌핑 셀)에 있어서 소정의 인가 전압으로 물 및 황산화물을 분해시킬 때의 전극 전류가 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중의 황산화물의 농도에 따라서 변화되는 것을 발견하였다.

보다 구체적으로는, 펌핑 셀을 구비하는 한계 전류식 가스 센서를, 소정의 인가 전압에 있어서 물 및 황산화물을 분해시키는 것이 가능해지도록 구성한다. 이 펌핑 셀이 구비하는 한 쌍의 전극 사이에 상기 소정의 인가 전압을 인가하면, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물의 분해에 기인하는 전류가 이들 전극 사이에 흐른다. 즉, 이때의 전극 전류는 물에 기인하는 분해 전류 및 황산화물에 기인하는 분해 전류를 포함한다.

일반적으로, 내연 기관의 배기에 있어서의 물의 농도는 황산화물의 농도보다도 높으므로, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물에만 기인하는 분해 전류보다도 상기 전극 전류는 크고, 용이하고 또한 고정밀도로 검출할 수 있다. 본 발명자는 이 전극 전류의 크기가 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화되는 것을 발견한 것이다. 따라서, 본 발명자는 이 전극 전류에 대응하는 검출값을 취득하고, 이 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 보다 고정밀도로 취득할 수 있다는 생각에 이르렀다.

본 발명의 하나의 형태에 따른 가스 농도 검출 장치는 가스 농도 검출 소자와 제1 전류 검출기와 제1 전원과 ECU(전자 제어 유닛)를 구비한다.

가스 농도 검출 소자가 제1 전기 화학 셀, 치밀체 및 확산 저항부를 포함한다. 상기 제1 전기 화학 셀이 제1 고체 전해질체, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖는다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 제1 고체 전해질체의 표면에 각각 배치된다. 상기 제1 고체 전해질체와 상기 치밀체와 상기 확산 저항부는 내부 공간을 획정하도록 되어 있다. 상기 확산 저항부는 상기 내부 공간에 상기 확산 저항부를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기를 도입하도록 되어 있다. 상기 제1 전극은 상기 내부 공간에 노출된다. 상기 제2 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제1 별도 공간에 노출된다. 상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극 쌍에 제1 소정 전압을 인가했을 때에 상기 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 분해하도록 되어 있다. 상기 제1 전류 검출기는 상기 제1 전극 쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값을 출력하도록 되어 있다. 상기 제1 전원은 상기 제1 전극 쌍에 전압을 인가하도록 되어 있다. 상기 ECU는, (i) 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압을 인가하도록 상기 제1 전원(61)을 제어하도록 되어 있고; (ii) 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전류 검출기(71)로부터 제1 검출값을 취득하도록 되어 있고; (iii) 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 되어 있다.

상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 의하면, 상기 제1 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때에 상기 피검 가스 중에 포함되는 물(H₂O) 및 황산화물(SOx)을 분해시키는 것이 가능해지도록 구성되어 있다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 물 및 황산화물을 분해시키는 것이 가능한 제1 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리의 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다.

그리고, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압을 인가하도록 제1 전원을 제어하도록 구성되어 있다. 제1 소정 전압은 「황산화물의 분해 개시 전압」보다도 높은 「물의 분해 개시 전압」 이상의 전압이다. 따라서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물의 분해에 기인하는 전극 전류가, 이들 전극 사이에 흐른다. 이 전극 전류의 크기는, 상술한 바와 같이 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다.

따라서, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득한다. 그리고, 상기 ECU는 이 취득한 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 구성된다. 보다 구체적으로는, ECU는, 예를 들어 미리 취득된 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도(SOx 농도)와 제1 검출값의 대응 관계에 기초하여, 취득된 제1 검출값에 대응하는 SOx 농도를 특정할 수 있다. 이와 같이 하여, 본 발명 장치에 의하면, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 중에 포함되는 물의 농도는, 예를 들어 당해 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비 등에 따라서 변화된다. 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중에 포함되는 물의 농도가 변화되면, 제1 검출값에 기초하여 검출되는 황산화물의 농도의 정밀도가 저하될 우려가 있다. 따라서, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 예를 들어 내연 기관의 정상 운전 시 등, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비가 소정의 값으로 유지되고 있을 때에 제1 검출값을 검출하는 것이 바람직하다.

그런데, 상기와 같이 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 제1 검출값이 피검 가스 중의 황산화물의 농도에 따라서 변화되는 메커니즘의 상세에 대해서는 불분명하다. 그러나, 상기와 같이 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때, 피검 가스에 포함되는 물뿐만 아니라, 피검 가스에 포함되는 황산화물도 또한 분해된다. 그 결과, 황산화물의 분해 생성물[예를 들어, 황(S) 및 황 화합물 등]이 음극인 제1 전극에 흡착하고, 물의 분해에 기여할 수 있는 제1 전극의 면적이 감소한다고 생각된다. 이로 인해, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때의 전극 전류에 대응하는 제1 검출값이 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다고 생각된다.

상기 메커니즘에 의하면, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있는 기간이 길수록, 보다 많은 황산화물의 분해 생성물이 제1 전극에 흡착하고, 제1 검출값에 대응하는 전극 전류의 저하 폭이 커진다. 즉, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있는 기간의 길이에 따라서, 제1 검출값에 대응하는 전극 전류의 저하 폭이 변화된다. 따라서, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 미리 정해진 소정 기간에 걸쳐서 인가된 시점에 있어서 제1 검출값을 검출하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 SOx 농도와 제1 검출값의 대응 관계도 또한, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 미리 정해진 소정 기간에 걸쳐서 인가된 시점에 있어서의 제1 검출값을 사용하여 취득하는 것이 바람직하다.

또한, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도의 검출에 사용한 본 가스 농도 검출 장치를 다시 사용하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 새롭게 검출하고자 하는 경우는, 제1 전극에 흡착한 분해 생성물을 제거할 필요가 있다. 제1 전극에 흡착한 분해 생성물을 제거하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 당해 분해 생성물을 재산화시켜 다시 황산화물로 하는 방법을 들 수 있다. 이와 같은 재산화는, 예를 들어(황산화물을 환원 분해시킬 때와는 반대로) 제1 전극을 양극으로 하고, 제2 전극을 음극으로 하고, 당해 분해 생성물을 재산화할 수 있는 소정의 전압을 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가함으로써 행할 수 있다.

그런데, 제1 전극과 제2 전극 사이의 인가 전압이 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 이상의 전압으로 되면, 확산 저항부를 통해 제1 전극(음극)에 도달하는 물의 공급 속도를 제1 전극에 있어서의 물의 분해 속도가 넘게 된다. 즉, 물의 한계 전류 특성이 발현되게 된다. 이와 같은 경우, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 또한, 제1 전극과 제2 전극 사이의 인가 전압이 물의 한계 전류 영역을 넘어, 보다 높은 전압으로 되면, 피검 가스 중에 포함되는 다른 성분[예를 들어, 이산화탄소(CO₂) 등]의 분해에 기인하는 전극 전류가 흐르기 시작하는 경우가 있다. 또한, 인가 전압이 과도하게 높은 경우, 고체 전해질체의 분해를 초래할 우려도 있다. 이와 같은 경우, 물 및 황산화물에 기인하는 분해 전류 이외의 요인에 의해 전극 전류가 변화될 우려가 있고, 결과적으로, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하는 것이 곤란해진다.

따라서, 상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 있어서, 상기 제1 소정 전압은 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압으로 설정해도 된다. 바꾸어 말하면, 제1 소정 전압은 물의 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 전압대의 하한 미만의 소정의 전압으로 설정해도 된다. 이로 인해, 상기 ECU는 제1 전원을 제어하고, 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압을 상기 제1 소정 전압으로서 인가하도록 구성되어도 된다. 이에 의해, 물 및 황산화물에 기인하는 분해 전류 이외의 요인에 의해 전극 전류가 변화될 우려가 저감되어, 보다 확실히, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 예를 들어 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도 및 측정 조건 등에 따라서 약간의 변동은 보이지만, 물의 한계 전류 영역의 하한 전압은 약 2.0V이다.

상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 있어서, 제1 소정 전압은, 상술한 바와 같이 물의 분해 개시 전압 이상의 소정의 전압으로 설정해도 된다. 예를 들어, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도 및 측정 조건 등에 따라서 약간의 변동은 보이지만, 물의 분해 개시 전압은 약 0.6V이다. 따라서, 상기 제1 소정 전압은 0.6V 이상의 소정의 전압으로 설정해도 된다. 이로 인해, 상기 ECU부는 상기 제1 전원을 제어하고, 0.6V 이상의 소정의 전압을 상기 제1 소정 전압으로서 인가하도록 구성되어도 된다. 이에 의해, 피검 가스에 포함되는 물뿐만 아니라, 피검 가스에 포함되는 황산화물도 확실히 분해시킬 수 있도록, 제1 전극과 제2 전극 사이의 인가 전압을 용이하게 설정할 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이, 본 가스 농도 검출 장치에서는 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 제1 전극과 제2 전극 사이에 흐르는 전극 전류에 대응하는 제1 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출한다. 이 제1 검출값은 상기 전극 전류에 대응하는 어느 하나의 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제1 검출값은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 흐르는 전류의 크기여도 된다. 바꾸어 말하면, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 흐르는 전류의 크기를 상기 제1 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 상술한 바와 같이, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 제1 전극과 제2 전극 사이에 흐르는 전극 전류의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는 후술하는 바와 같이, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도가 높을수록 상기 전극 전류가 작다. 따라서, 상기와 같이 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때의 당해 전극 사이에 흐르는 전류의 크기를 제1 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물(SOx)의 농도를, 상기 제1 검출값이 작을수록 큰 농도의 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제1 전극은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때에 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 분해시키는 것이 가능해지도록 구성된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 물 및 황산화물을 분해시키는 것이 가능한 제1 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리의 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다. 이와 같은 제1 전극을 구성하는 재료는, 예를 들어 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때에 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 분해시킬 수 있는 활성을 갖는 물질(예를 들어, 귀금속)을 포함한다. 전형적으로는, 상기 제1 전극은 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함해도 된다.

그런데, 전기 화학 셀에 있어서의 산소의 분해 개시 전압은, 일반적으로, 물의 분해 개시 전압보다도 낮다. 따라서, 제1 검출값에 대응하는 전극 전류는, 물에 기인하는 분해 전류 및 황산화물에 기인하는 분해 전류에 더하여, 산소에 기인하는 분해 전류도 포함한다. 따라서, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되면, 제1 검출값에 기초하여 검출되는 황산화물의 농도의 정밀도가 저하될 우려가 있다.

따라서, 상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 있어서, 상기 가스 농도 검출 소자는 제2 전기 화학 셀을 포함해도 된다. 상기 제2 전기 화학 셀은 제2 고체 전해질체, 제3 전극 및 제4 전극을 포함해도 된다. 상기 제2 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 가져도 된다. 상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 상기 제2 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되어도 된다. 상기 제3 전극은 상기 내부 공간에 노출되어도 된다. 상기 제4 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제2 별도 공간에 노출되어도 된다. 상기 제3 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제1 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 배치되어도 된다. 상기 제3 전극은 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극 쌍에 제2 소정 전압을 인가했을 때에 상기 내부 공간으로부터 산소를 배출 혹은 상기 내부 공간으로 산소를 도입하도록 되어 있어도 된다.

또한, 상기 제2 전극 쌍에 전압을 인가하는 제2 전원을 구비해도 된다. 상기 전자 제어 유닛은 상기 제2 전극 쌍에 상기 제2 소정 전압을 인가하도록 상기 제2 전원(62)을 제어하도록 되어 있어도 된다. 상기 전자 제어 유닛(81)은 상기 제2 전극 쌍에 상기 제2 소정 전압이 인가되고 상기 내부 공간 내에 있어서의 산소의 농도가 소정 농도로 조정되고 있을 때 또한 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전류 검출기(71)로부터 상기 제1 검출값을 취득하도록 되어 있어도 된다.

상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 의하면, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비가 변화됨으로써 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되어도, 내부 공간에 있어서 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 제2 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해 소정 농도로 조정될 수 있다. 그 결과, 보다 확실히, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제2 소정 전압은 당해 전압을 제3 전극과 제4 전극 사이에 인가했을 때에 내부 공간으로부터 산소(O₂)를 배출 혹은 내부 공간으로 산소를 도입하는 것이 가능해지는 전압이다. 상세하게는, 제2 소정 전압은 제3 전극을 음극으로 하고, 제4 전극을 양극으로 한 경우에, 이들 전극 사이에 인가함으로써, 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 산소를 내부 공간으로부터 제2 별도 공간으로 배출하는 것이 가능해지는 소정의 전압이다. 혹은, 제2 소정 전압은 제3 전극을 양극으로 하고, 제4 전극을 음극으로 한 경우에, 이들 전극 사이에 인가함으로써, 산소 펌핑 작용에 의해, 제2 별도 공간에 포함되는 산소를 대기로부터 내부 공간으로 도입하는 것이 가능해지는 소정의 전압이다(이 경우, 제2 별도 공간 중에 존재하는 가스는 산소를 포함할 필요가 있음). 즉, 제2 소정 전압은 산소의 분해 개시 전압 이상의 소정의 전압이어도 된다.

한편, 예를 들어 제3 전극을 음극으로 하고, 제4 전극을 양극으로 한 경우에, 이들 전극 사이의 인가 전압이 물의 분해 개시 전압 이상이면, 피검 가스 중에 포함되는 물이 제2 전기 화학 셀에 의해 분해된다. 이 경우, 제2 전기 화학 셀보다도 하류측에 있는 제1 전기 화학 셀의 음극인 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도가 저하된다. 그 결과, 제1 검출값이 변화되기 때문에, 본 가스 농도 검출 장치에 의해 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 따라서, 제2 소정 전압은 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압이어도 된다.

이상으로부터, 상기 제2 소정 전압은 산소의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 분해 개시 전압 미만인 소정의 전압이어도 된다. 이로 인해, 상기 ECU는 제2 전원을 제어하고, 산소의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 분해 개시 전압 미만인 소정의 전압을 상기 제2 소정 전압으로서 인가하도록 구성되어도 된다. 이에 의해, 제1 전기 화학 셀의 음극인 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 소정 농도로 조정할 수 있고 또한 제1 전기 화학 셀의 음극인 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도를 변화시키는 것을 회피할 수 있다. 그 결과, 보다 확실히, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

상기 형태에 따른 가스 농도 검출 장치에 있어서, 상기 가스 농도 검출 소자는 제3 전기 화학 셀을 포함해도 된다. 상기 제3 전기 화학 셀은 제3 고체 전해질체, 제5 전극 및 제6 전극을 포함해도 된다. 상기 제3 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 가져도 된다. 상기 제5 전극과 상기 제6 전극은 상기 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되어도 된다. 상기 제5 전극은 상기 내부 공간에 노출되어도 된다. 상기 제6 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되어도 된다.

이 경우, 상기 제5 전극은 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극 쌍에 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 있어서의 상기 제3 전기 화학 셀에 의한 황산화물의 분해 속도인 제2 분해 속도가, 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 있어서의 상기 제1 전기 화학 셀에 의한 황산화물의 분해 속도인 제1 분해 속도보다도 낮아지도록 되어 있어도 된다. 또한, 상기 제3 전극 쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하는 제3 전류 검출기를 구비해도 된다. 상기 제3 전극 쌍에 전압을 인가하는 제3 전원을 구비해도 된다. 바람직하게는, 제2 분해 속도는 실질적으로 0(제로)이어도 된다. 상술한 바와 같이, 황산화물의 분해에 대한 전극의 활성(분해 속도)은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류, 전극을 제작할 때의 열처리의 조건, 인가 전압, 전극 온도 등, 다양한 요인에 따라서 변화된다.

상기 ECU는 상기 제3 전원을 제어하고, 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 상기 제3 소정 전압을 인가하도록 구성되어도 된다. 또한, 상기 ECU는 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 취득하도록 구성되어도 된다. 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제1 검출값과, 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제2 검출값의 차에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다.

상기와 같이 제3 전기 화학 셀의 음극인 제5 전극에 있어서의 황산화물의 분해 속도는 제1 전기 화학 셀의 음극인 제1 전극에 있어서의 황산화물의 분해 속도보다도 낮다(제2 분해 속도<제1 분해 속도). 따라서, 피검 가스 중에 황산화물이 포함되는 경우, 황산화물의 분해 생성물의 흡착 속도도 또한 제5 전극의 쪽이 제1 전극보다도 낮기 때문에, 물의 분해에 기여할 수 있는 전극의 면적은 제5 전극의 쪽이 제1 전극보다도 크다. 그 결과, 제1 검출값과 제2 검출값의 차가, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다. 즉, 제1 검출값과 제2 검출값의 차이 및 제1 분해 속도와 제2 분해 속도의 차에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

예를 들어, 제5 전극에 있어서의 황산화물의 분해 속도(제2 분해 속도)가 실질적으로 0(제로)인 경우, 제5 전극에는 황산화물의 분해 생성물이 실질적으로 흡착되지 않으므로, 제3 전기 화학 셀로부터 취득되는 제2 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도를 검출할 수 있다. 이 경우, 제1 검출값과 제2 검출값의 차이에 기초하여, 보다 간결하게, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

상기와 같이, 제3 전기 화학 셀에 있어서도, 물에 기인하는 분해 전류를 포함하는 전극 전류에 대응하는 제2 검출값을 취득한다. 따라서, 상기 제3 소정 전압은 제1 소정 전압과 마찬가지로, 물의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만인 소정의 전압이어도 된다. 이로 인해, 상기 ECU는 상기 제3 전원을 제어하고, 물의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만인 소정의 전압을 상기 제3 소정 전압으로서 인가하도록 구성되어도 된다. 이에 의해, 제5 전극에 있어서도, 피검 가스에 포함되는 물을 확실히 분해시킬 수 있다.

그런데, 상기와 같이 제1 검출값과 제2 검출값의 차에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 각각의 음극에 있어서의 황산화물의 분해 속도가 다른 점을 제외하고, 제1 검출값과 제2 검출값은 가능한 한 동일한 조건 하에서 취득되어도 된다. 예를 들어, 제3 소정 전압은 제1 소정 전압과 동등해도 된다. 이로 인해, 상기 ECU는 상기 제1 소정 전압과 동등한 전압을 상기 제3 소정 전압으로서 인가하도록 구성되어도 된다.

상기에 의해, 제1 검출값과 제2 검출값의 차로부터 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 산출할 때에, 제1 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀 사이에서의 인가 전압의 차이를 고려할 필요가 없어지므로, 연산 부하를 경감할 수 있다. 또한, 제3 소정 전압이 제1 소정 전압과 동등하므로, 각각의 전극에 인가 전압을 하기 위한 전원을 제1 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀로 공유할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 가스 농도 검출 장치의 제조 비용의 저감 및/또는 소형 경량화로 연결시킬 수 있다.

또한, 상기와 같이 제1 검출값과 제2 검출값의 차에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 제1 전기 화학 셀의 제1 전극에 도달하는 피검 가스의 조성과, 제3 전기 화학 셀의 제5 전극에 도달하는 피검 가스의 조성이 동등한 것이 바람직하다. 이로 인해, 상기 제5 전극은 상기 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도에 동등한 농도의 물을 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역에 형성되어도 된다. 이 경우, 전형적으로는, 제5 전극은 제1 전극의 근방에 형성되어도 된다.

상기에 의해, 제1 검출값과 제2 검출값의 차로부터 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 산출할 때에, 제1 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀 사이에서의 피검 가스의 조성 차이를 고려할 필요가 없어지므로, 연산 부하를 경감할 수 있다.

그런데, 제1 검출값과 마찬가지로, 제2 검출값도 또한, 제5 전극과 제6 전극 사이에 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때에 당해 전극 사이에 흐르는 전류에 대응하는 어느 하나의 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제2 검출값은 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 흐르는 전류의 크기여도 된다. 이 경우, 상기 ECU는 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에, 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 흐르는 전류의 크기를 상기 제2 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 상술한 바와 같이, 제2 분해 속도는 제1 분해 속도보다도 낮고, 결과적으로 취득되는 제1 검출값과 제2 검출값의 차는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도가 높을수록, 제1 검출값과 제2 검출값의 차가 크다. 따라서, 상기와 같이 제5 전극과 제6 전극 사이에 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때의 당해 전극 사이에 흐르는 전류의 크기를 제2 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물(SOx)의 농도를, 상기 제1 검출값과 상기 제2 검출값의 차의 절댓값이 클수록 큰 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제5 전극은 제5 전극과 제6 전극 사이에 제3 소정 전압을 인가했을 때에, 적어도 피검 가스 중에 포함되는 물을 분해시키는 것이 가능해지도록 구성된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 물을 분해시키는 것이 가능한 제5 전극도 또한, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리의 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다. 전형적으로는, 상기 제5 전극은 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함해도 된다.

그런데, 본 명세서의 서두에 있어서 설명한 바와 같이, 내연 기관을 제어하기 위해, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비를 배기 중의 산소의 농도에 기초하여 취득하는 공연비 센서가 널리 사용되고 있다. 이와 같은 공연비 센서의 하나의 타입으로서, 한계 전류식 가스 센서를 들 수 있다. 따라서, 본 가스 농도 검출 장치를 사용하여 산소의 한계 전류값을 검출할 수 있으면, 본 발명 장치를 공연비 센서로서 이용할 수 있다.

구체적으로는, 상술한 제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀(가스 농도 검출 소자가 구비하는 경우) 및 제3 전기 화학 셀(가스 농도 검출 소자가 구비하는 경우) 중 적어도 어느 하나의 전기 화학 셀에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압을 설정해도 된다. 그때의 전극 전류에 대응하는 검출값에 기초하여 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중에 포함되는 산소의 농도를 검출해도 된다. 이와 같이 하여 검출된 배기 중의 산소 농도에 기초하여, 당해 피검 가스에 대응하는 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비를 검출할 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 가스 농도 검출 소자가 상술한 제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀 및 제3 전기 화학 셀을 전부 구비하는 경우, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극 쌍, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극 쌍 및 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극 쌍 중 적어도 하나의 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 구성되어도 된다. 즉, 제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀 및 제3 전기 화학 셀 중 적어도 어느 하나에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압이 인가되어도 된다.

이 경우, 상기 ECU는 상기 제1 전극 쌍, 상기 제2 전극 쌍 및 상기 제3 전극 쌍 중 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있는 전극 쌍의 사이에 흐르는 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 구성되어도 된다.

상기 가스 농도 검출 소자가 상술한 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀만을 구비하고, 제3 전기 화학 셀을 구비하지 않는 경우는, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극 쌍 및 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극 쌍 중 적어도 하나의 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 구성되어도 된다. 즉, 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀 중 적어도 어느 하나에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압이 인가되어도 된다. 이 경우, 상기 ECU는 상기 제1 전극 쌍 및 상기 제2 전극 쌍 중 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있는 전극 쌍 사이에 흐르는 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 구성되어도 된다.

상기 가스 농도 검출 소자가 상술한 제1 전기 화학 셀만을 구비하고, 제2 전기 화학 셀 및 제3 전기 화학 셀을 구비하지 않는 경우는, 상기 ECU는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 구성되어도 된다. 즉, 제1 전기 화학 셀에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압이 인가되어도 된다. 이 경우, 상기 ECU는 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전극 쌍의 사이에 흐르는 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 구성되어도 된다.

상기의 어떤 경우에 있어서도, 예를 들어, 인가 전압을 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압으로 했을 때의 검출값(예를 들어, 전극 전류의 크기)과 피검 가스에 대응하는 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비의 대응 관계를 미리 사전 실험 등에 의해 구해 둔다. 이 대응 관계를 나타내는 데이터 테이블(예를 들어, 데이터 맵 등)을 ECU가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장해 두고, 상기 검출 시에 CPU에 참조시키도록 할 수 있다. 이에 의해, 상기 검출값으로부터 혼합기의 공연비를 특정할 수 있다. 혹은, 상기 검출값으로부터 피검 가스 중의 산소 농도를 일단 취득하고, 피검 가스 중의 산소 농도와 혼합기의 공연비의 대응 관계를 CPU에 참조시켜, 피검 가스 중의 산소 농도로부터 혼합기의 공연비를 특정하도록 해도 된다.

본 발명의 다른 목적, 다른 특징 및 부수되는 이점은, 이하의 도면을 참조하면서 기술되는 본 발명의 각 실시 형태에 대한 설명으로부터 용이하게 이해될 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점과 기술적 및 산업적인 의의는 동일한 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면을 참조로 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제1 장치)가 구비하는 가스 농도 검출 소자의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 2는 제1 장치가 구비하는 제1 전기 화학 셀을 구성하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 전압(인가 전압) Vm과, 이들 전극 사이에 흐르는 전극 전류 Im의 관계를 나타내는 모식적인 그래프.
도 3은 제1 장치에 있어서 인가 전압 Vm이 1.0V일 때의 전극 전류 Im의 크기와 피검 가스 중에 포함되는 이산화황(SO₂)의 농도의 관계를 나타내는 모식적인 그래프.
도 4는 제1 장치가 구비하는 취득부가 실행하는 「SOx 농도의 취득 처리 루틴」을 도시하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제2 장치)가 구비하는 가스 농도 검출 소자의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 6a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제3 장치)가 구비하는 가스 농도 검출 소자의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 6b는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제3 장치)가 구비하는 가스 농도 검출 소자의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도로, 도 6a의 6B-6B 단면을 도시.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(이하, 「제1 장치」라고 칭해지는 경우가 있음)에 대해 설명한다.

제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)는, 도 1에 도시한 바와 같이 고체 전해질체(11s), 제1 알루미나층(21a), 제2 알루미나층(21b), 제3 알루미나층(21c), 제4 알루미나층(21d) 및 제5 알루미나층(21e), 확산 저항부(확산 율속층)(32) 및 히터(41)를 구비한다. 고체 전해질체(11s)는, 지르코니아 등을 포함하고, 산화물 이온 전도성을 갖는 박판체이다. 고체 전해질체(11s)를 형성하는 지르코니아는, 예를 들어 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y) 등의 원소를 포함하고 있어도 된다. 제1 내지 제5 알루미나층(21a 내지 21e)은 알루미나를 포함하는 치밀(가스 불투과성)한 층(치밀체)이다. 확산 저항부(32)는 다공질의 확산 율속층이고, 가스 투과성의 층(박판체)이다. 히터(41)는, 예를 들어 백금(Pt)과 세라믹스(예를 들어, 알루미나 등)의 서멧의 박판체이고, 통전에 의해 발열하는 발열체이다.

가스 농도 검출 소자(10)의 각 층은 하방으로부터, 제5 알루미나층(21e), 제4 알루미나층(21d), 제3 알루미나층(21c), 고체 전해질체(11s), 확산 저항부(32) 및 제2 알루미나층(21b), 제1 알루미나층(21a)의 순으로 적층되어 있다.

내부 공간(31)은 제1 알루미나층(21a), 고체 전해질체(11s), 확산 저항부(32) 및 제2 알루미나층(21b)에 의해 형성되는 공간이고, 그 중에 확산 저항부(32)를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기가 도입되도록 되어 있다. 즉, 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 내부 공간(31)은 확산 저항부(32)를 통해 내연 기관의 배기관(모두 도시하지 않음)의 내부와 연통하고 있다. 따라서, 배기관 내의 배기가 내부 공간(31) 내에 피검 가스로서 유도된다. 제1 대기 도입로(51)는 고체 전해질체(11s), 제3 알루미나층(21c) 및 제4 알루미나층(21d)에 의해 형성되고, 배기관의 외부의 대기에 개방되어 있다. 또한, 제1 대기 도입로(51)는 제1 별도 공간에 해당한다.

제1 전극(11a)은 음극이고, 제2 전극(11b)은 양극이다. 제1 전극(11a)은 고체 전해질체(11s)의 한쪽의 측의 표면[구체적으로는, 내부 공간(31)을 획정하는 고체 전해질체(11s)의 표면]에 고착되어 있다. 한편, 제2 전극(11b)은 고체 전해질체(11s)의 다른 쪽의 측의 표면[구체적으로는, 제1 대기 도입로(51)를 획정하는 고체 전해질체(11s)의 표면]에 고착되어 있다. 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b) 및 고체 전해질체(11s)는 산소 펌핑 작용에 의한 산소 배출 능력을 갖는 제1 전기 화학 셀(11c)을 구성하고 있다. 이 제1 전기 화학 셀(11c)은 히터(41)에 의해, 활성화 온도까지 가열된다.

고체 전해질체(11s) 및 제1 내지 제5 알루미나층(21a 내지 21e)의 각 층은, 예를 들어 닥터 블레이드법, 압출 성형법 등에 의해, 시트 형상으로 성형할 수 있다. 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b) 및 이들 전극에 통전하기 위한 배선 등은, 예를 들어 스크린 인쇄법 등에 의해 형성할 수 있다. 이들 시트를 상술한 바와 같이 적층하여 소성함으로써, 상기와 같은 구조를 갖는 가스 농도 검출 소자(10)를 일체적으로 제조할 수 있다. 제1 장치에 있어서, 제1 전극(11a)은 백금(Pt)과 로듐(Rh)의 합금을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제2 전극(11b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

제1 장치는 전원(61), 전류계(71) 및 ECU(81)(전자 제어 유닛)를 더 구비한다. 전원(61) 및 전류계(71)는 ECU(81)에 접속되어 있다. 전원(61)은 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제2 전극(11b)의 전위가 제1 전극(11a)의 전위보다도 높아지도록 소정의 전압을 인가할 수 있도록 되어 있다. 전원(61)의 작동은 ECU(81)에 의해 제어된다. 전류계(71)는 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 흐르는 전류[따라서, 고체 전해질체(11s)를 흐르는 전류]인 전극 전류의 크기를 계측하고, 그 계측값을 ECU(81)에 출력하도록 되어 있다.

ECU(81)는 CPU, CPU가 실행하는 프로그램 및 맵 등을 기억하는 ROM 및 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM 등을 포함하는 마이크로컴퓨터로서 구성된다. ECU(81)는 전원(61)을 제어하여 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b)에 인가되는 인가 전압 Vm을 제어할 수 있다. 또한, ECU(81)는 전류계(71)로부터 출력되는 제1 전기 화학 셀(센서 셀)(11c)을 흐르는 전극 전류 Im에 대응하는 신호를 수취할 수 있다. ECU(81)는 도시하지 않은 내연 기관의 액추에이터(연료 분사 밸브, 스로틀 밸브 및 EGR 밸브 등)에 접속되어 있어도 된다. 이 경우에는, ECU(81)는 이들 액추에이터에 구동(지시) 신호를 송출하여, 내연 기관의 제어도 실행하도록 되어 있다.

제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에, 제2 전극(11b)의 전위가 제1 전극(11a)의 전위보다도 높아지도록, 제1 소정 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 물뿐만 아니라, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물도 또한 제1 전극(11a)에 있어서 분해된다. 황산화물의 분해 생성물(예를 들어, 황 또는 황 화합물)은 제1 전극(11a)에 흡착하고, 물의 분해에 기여할 수 있는 제1 전극(11a)의 면적을 감소시킨다고 생각된다. 그 결과, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때의 전극 전류에 대응하는 제1 검출값이, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도에 따라서 변화된다. 따라서, 제1 장치는 제1 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

상기와 같이, 제1 전기 화학 셀(11c)은 본 실시 형태에 있어서 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 취득하는 센서로서 사용되므로, 이후, 당해 제1 전기 화학 셀(11c)은 「센서 셀」이라고 칭해지는 경우가 있다. 즉, 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b) 및 고체 전해질체(11s)는 센서 셀(11c)을 구성하고 있다.

여기서, 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계에 대해, 더욱 구체적으로 설명한다. 도 2는 센서 셀(11c)(제1 장치가 구비하는 1셀식의 한계 전류식 가스 센서)에 있어서, 인가 전압 Vm을 서서히 상승시켰을(승압 스위프했을) 때의 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계를 나타내는 모식적인 그래프이다. 또한, 이 예에 있어서는, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물로서의 이산화황(SO₂)의 농도가 각각 0, 100, 300 및 500ppm인 다른 4종의 피검 가스를 사용하였다. 단, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 물의 농도는 어떤 피검 가스에 있어서도 일정하게 유지되어 있다. 또한, 이 예에 있어서는, 산소의 한계 전류값을 0(제로)μA로서 표시하였다.

우선, 실선의 곡선 L1은 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 0(제로)ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계를 나타내고 있다. 인가 전압 Vm이 약 0.2V 미만인 영역에 있어서는, 인가 전압 Vm의 증대에 수반하여, 전극 전류 Im도 또한 증대하고 있다. 이 영역에 있어서는, 인가 전압 Vm의 증대에 수반하여 제1 전극(11a)(음극)에 있어서의 산소의 분해 속도도 또한 증대하고 있다. 그러나, 인가 전압 Vm이 약 0.2V 이상인 영역에 있어서는, 인가 전압 Vm이 증대해도 전극 전류 Im은 거의 증대하지 않고, 거의 일정하게 되어 있다. 즉, 전술한 산소의 한계 전류 특성이 발현되고 있다. 그 후, 인가 전압 Vm이 약 0.6V 이상으로 되면, 전극 전류 Im이 다시 증대하기 시작한다. 이 전극 전류 Im의 증대는 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해가 개시된 것에 기인한다.

다음에, 점선의 곡선 L2는 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 100ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계를 나타내고 있다. 이 경우도, 인가 전압 Vm이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해가 개시되는 전압(분해 개시 전압)(약 0.6V) 미만일 때에는, 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계는 곡선 L1[피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 0(제로)ppm인 경우]과 마찬가지이다. 그러나, 인가 전압 Vm이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때에는, 곡선 L1과 비교하여 전극 전류 Im이 작고, 인가 전압 Vm에 대한 전극 전류 Im의 증가율도 또한 곡선 L1과 비교하여 작다(기울기가 작음).

또한, 일점 쇄선 및 파선에 의해 나타나는 곡선 L3 및 4는 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 각각 300ppm 및 500ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계를 나타내고 있다. 이들의 경우도 또한, 인가 전압 Vm이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 미만일 때에는, 인가 전압 Vm과 전극 전류 Im의 관계는 곡선 L1[피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 0(제로)ppm인 경우]과 마찬가지이다. 그러나, 인가 전압 Vm이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때에는, 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 높을수록 전극 전류 Im이 작고, 인가 전압 Vm에 대한 전극 전류 Im의 증가율도 또한 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도가 높을수록 작다(기울기가 작음).

이상과 같이, 인가 전압 Vm이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때의 전극 전류 Im의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물로서의 이산화황의 농도에 따라서 변화된다. 예를 들어, 도 2에 도시한 그래프에 있어서의 인가 전압 Vm이 1.0V일 때의 곡선 L1 내지 L4에 있어서의 전극 전류 Im의 크기를 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도에 대해 플롯하면, 도 3에 도시한 그래프가 얻어진다. 도 3에 있어서 점선의 곡선에 의해 나타나 있는 바와 같이, 특정한 인가 전압 Vm(이 경우는 1.0V)에 있어서의 전극 전류 Im의 크기가 피검 가스 중에 포함되는 이산화황의 농도에 따라서 변화된다. 따라서, 특정한 인가 전압 Vm(물의 분해 개시 전압 이상의 소정 전압이고, 「제1 소정 전압」이라고도 호칭됨)에 있어서의 전극 전류 Im(에 대응하는 제1 검출값)을 취득하면, 그 (제1 검출값에 대응함) 전극 전류 Im에 대응하는 황산화물의 농도를 취득할 수 있다.

또한, 도 2에 도시되어 있는 그래프의 횡축에 나타나 있는 인가 전압 Vm, 종축에 나타나 있는 전극 전류 Im 및 상기 설명에 있어서 설명되어 있는 인가 전압 Vm의 개개의 구체적인 값은, 도 2에 도시되어 있는 그래프를 얻기 위해 행한 실험의 조건(예를 들어, 피검 가스 중에 포함되는 각종 성분의 농도 등)에 따라서 변동되는 경우가 있고, 인가 전압 Vm 및 전극 전류 Im의 값이 항상 상술한 값으로 된다고는 할 수 없다.

여기서, 제1 장치에 있어서 실행되는 SOx 농도 취득 처리 루틴에 대해, 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는 가스 농도 검출 소자(10)를 사용하여 ECU(81)가 실행하는 「SOx 농도 취득 처리 루틴」을 나타내는 흐름도이다. 예를 들어, 상술한 ECU(81)가 구비하는 CPU(이후, 간단히 「CPU」라고 호칭될 경우가 있음)는 소정의 타이밍에서 스텝 400으로부터 처리를 개시하고, 스텝 410으로 진행한다.

우선, 스텝 410에 있어서, CPU는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 취득하는 요구(SOx 농도 취득 요구)가 있는지 여부를 판정한다. SOx 농도 취득 요구는, 예를 들어 제1 장치가 적용되는 내연 기관이 탑재되는 차량에 있어서 연료 탱크로의 연료의 충전이 행해졌을 때에 발생한다. 또한, 연료 탱크로의 연료의 충전이 행해진 후에 SOx 농도 취득 처리 루틴이 실행되고 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도가 취득된 이력이 있는 경우에는 SOx 농도 취득 요구를 해제하도록 해도 된다.

상기 스텝 410에 있어서 SOx 농도 취득 요구가 있다고 판정한 경우(스텝 410: 예), CPU는 다음의 스텝 420으로 진행하고, 제1 장치가 적용되는 내연 기관(E/G)이 정상 상태에 있는지 여부를 판정한다. CPU는, 예를 들어 소정 기간 내에 있어서의 부하의 최댓값과 최솟값의 차가 임계값 미만일 때, 또는 소정 기간 내에 있어서의 액셀러레이터 조작량의 최댓값과 최솟값의 차가 임계값 미만일 때, 내연 기관이 정상 상태에 있다고 판정한다.

상기 스텝 420에 있어서 내연 기관이 정상 상태에 있다고 판정한 경우(스텝 420: 예), CPU는 다음의 스텝 430으로 진행하고, 제1 소정 전압(제1 장치에 있어서는 1.0V)의 인가 전압 Vm을 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 인가한다. 다음에, CPU는 스텝 440으로 진행하고, 제1 소정 전압의 인가 전압 Vm이 인가되고 있는 기간의 계속 시간이 소정의 임계값(Tth)에 일치했는지 여부를 판정한다. 이 임계값 Tth는 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이로의 인가 전압 Vm을 제1 소정 전압으로 함으로써 피검 가스 중에 포함되는 황산화물이 분해되고, 그 분해 생성물이 음극인 제1 전극(11a)에 흡착하여 전극 전류를 저감시키는 데 충분한 기간의 길이에 대응한다. 이 임계값 Tth의 구체적인 값(시간적 길이)은, 예를 들어 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)를 사용하는 사전 실험 등에 의해 정할 수 있다.

상기 스텝 440에 있어서 인가 전압 Vm의 제1 소정 전압에서의 계속 시간이 소정의 임계값에 일치했다고 판정한 경우(스텝 440: 예), CPU는 다음의 스텝 450으로 진행하고, 전극 전류 Im을 제1 검출값으로서 취득한다. 다음에, CPU는 스텝 460으로 진행하고, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같은 데이터 맵을 참조하여, 제1 검출값에 대응하는 황산화물의 농도를 취득한다. 그리고, CPU는 스텝 470으로 진행하고, 당해 루틴을 종료한다. 이와 같이 하여, 제1 장치는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 상기 스텝 410에 있어서 SOx 농도 취득 요구가 없다고 판정한 경우(스텝 410: 아니오), 상기 스텝 420에 있어서 내연 기관이 정상 상태에 없다고 판정한 경우(스텝 420: 아니오) 및 상기 스텝 440에 있어서 인가 전압 Vm의 제1 소정 전압에서의 계속 시간이 소정의 임계값에 일치하지 않는다고 판정한 경우(스텝 440: 아니오), CPU는 스텝 470으로 진행하여, 당해 루틴을 종료한다.

이상과 같은 루틴을 CPU에 실행시키기 위한 프로그램은 ECU(81)가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장할 수 있다. 또한, 인가 전압 Vm을 제1 소정 전압(제1 장치에 있어서는 1.0V)으로 했을 때의 제1 검출값으로서의 전극 전류 Im과 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도의 대응 관계는, 예를 들어 황산화물의 농도가 기지의 피검 가스를 사용하는 사전 실험에 의해 미리 구해 둘 수 있다. 그리고, 당해 대응 관계를 나타내는 데이터 테이블(예를 들어, 데이터 맵 등)을 ECU(81)가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장해 두고, 상기 스텝 460에 있어서 CPU에 참조시킬 수 있다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 제1 소정 전압을 1.0V로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제1 소정 전압은 제1 전극(11a)을 음극으로 하고, 제2 전극(11b)을 양극으로 한 경우에, 이들 전극 사이에 인가함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 분해시키는 것이 가능해지는 소정의 전압이면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이, 물의 분해 개시 전압은 약 0.6V이다. 따라서, 제1 소정 전압은 0.6V 이상의 소정의 전압인 것이 바람직하다.

한편, 전술한 바와 같이, 인가 전압 Vm이 과도하게 높은 전압으로 되면, 피검 가스 중에 포함되는 다른 성분[예를 들어, 이산화탄소(CO₂) 등] 및/또는 고체 전해질체(11s)의 분해를 초래할 우려가 있다. 따라서, 제1 소정 전압은 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 제1 소정 전압은 물의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 전압대의 하한 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 흐르는 전극 전류의 크기를 제1 검출값으로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제1 검출값은 상기 전극 전류에 대응하는 어느 하나의 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 제1 검출값으로서 상기 전극 전류와 정의 상관을 갖는 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값)을 채용한 경우는, 제1 장치는 제1 검출값이 작을수록 높은 SOx 농도를 검출하도록 구성된다. 반대로, 제1 검출값으로서 상기 전극 전류와 부의 상관을 갖는 신호의 값을 채용한 경우는, 제1 장치는 제1 검출값이 클수록 높은 SOx 농도를 검출하도록 구성된다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 제1 전극(11a)은 백금(Pt)과 로듐(Rh)의 합금을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이고, 제2 전극(11b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 그러나, 제1 전극(11a)을 구성하는 재료는 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때에, 확산 저항체(32)를 통해 내부 공간(31)으로 유도된 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 환원 분해시키는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 제1 전극(11a)을 구성하는 재료는 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등의 백금족 원소 또는 그들의 합금 등을 주성분으로 하여 포함한다. 보다 바람직하게는, 제1 전극(11a)은 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(이하, 「제2 장치」라고 칭해지는 경우가 있음)에 대해 설명한다.

제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)는 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]의 상류측[확산 저항부(32)측]에 배치된 제2 전기 화학 셀[펌핑 셀(12c)]을 더 구비하는 점을 제외하고, 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 이하의 설명에 있어서는, 제1 장치와의 상위점에 주목하여, 제2 장치의 구성에 대해 설명한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 도 1에 도시한 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서의 제1 알루미나층(21a) 대신에, 제2 고체 전해질체(12s)가 배치되고, 또한 [내부 공간(31)과는 반대측]에 적층된 제6 알루미나층(21f) 및 제1 알루미나층(21a)에 의해 제2 대기 도입로(52)가 획정되어 있다. 또한, 제2 대기 도입로(52)는 제2 별도 공간에 해당한다. 제2 고체 전해질체(12s)도 또한, 지르코니아 등을 포함하고, 산화물 이온 전도성을 갖는 박판체이다. 제2 고체 전해질체(12s)를 형성하는 지르코니아는, 예를 들어 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y) 등의 원소를 포함하고 있어도 된다. 제6 알루미나층(21f)은 알루미나를 포함하는 치밀(가스 불투과성)한 층(박판체)이다.

제3 전극(12a)은 제2 고체 전해질체(12s)의 한쪽의 측의 표면[구체적으로는, 내부 공간(31)을 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면]에 고착되어 있다. 한편, 제4 전극(12b)은 제2 고체 전해질체(12s)의 다른 쪽의 측의 표면[구체적으로는, 제2 대기 도입로(52)를 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면]에 고착되어 있다.

제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b) 및 제2 고체 전해질체(12s)는 산소 펌핑 작용에 의한 산소 배출 능력을 갖는 제2 전기 화학 셀(펌핑 셀)(12c)을 구성하고 있다. 제2 전기 화학 셀(펌핑 셀)(12c)은 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]의 상류측[확산 저항부(32)측]에 배치된다. 보다 구체적으로는, 제1 전극(11a)보다도 확산 저항부(32)에 보다 가까운 위치에 있어서 내부 공간(31)에 면하도록 제3 전극(12a)이 배치되어 있다. 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

전원(62)은 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b) 중 어느 한쪽이 다른 쪽에 비해 높은 전위를 갖도록, 인가 전압을 인가한다. 전류계(72)는 제2 전기 화학 셀(12c)을 흐르는 전극 전류에 대응하는 신호를 ECU(81)로 출력한다. ECU(81)는 전원(62)를 제어하고, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)에 인가되는 인가 전압을 제어할 수 있다. 또한, ECU(81)는 전류계(72)로부터 출력되는 제2 전기 화학 셀(12c)을 흐르는 전극 전류에 대응하는 신호를 수취할 수 있다.

내연 기관으로부터 배출되는 배기 중에 포함되는 산소의 농도는, 예를 들어 당해 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비에 따라, 다양하게 변화된다. 그 결과, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되는 경우가 있다. 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되면, 센서 셀이 구비하는 전극 사이에 흐르는 전류의 크기도 변화되므로, 농도를 측정하려고 하는 성분(예를 들어, 물, 황산화물 등)의 농도의 검출 정밀도의 저하를 초래할 우려가 있다.

그러나, 제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 소정의 전압을 인가하면, 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소를 배출하거나, 혹은 내부 공간(31)으로 산소를 도입할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)이 각각 음극 및 양극이 되도록, 이들 전극 사이에 전압을 인가하면, 내부 공간(31)으로부터 제2 대기 도입로(52)로 산소가 배출된다. 반대로, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)이 각각 양극 및 음극이 되도록, 이들 전극 사이에 전압을 인가하면, 제2 대기 도입로(52)로부터 내부 공간(31)으로 산소가 도입된다. 이와 같이, 제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 제2 전기 화학 셀(펌핑 셀)(12c)에 의해, 내부 공간(31) 내의 산소 농도를 조정할 수 있다.

즉, 제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되어도, 상기와 같이 제2 전기 화학 셀(펌핑 셀)(12c)의 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소를 배출함으로써, 내부 공간(31) 내의 산소의 농도를 낮게[전형적으로는, 대략 0(제로)ppm으로] 조정할 수 있다. 따라서, 제2 장치에 있어서는, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 변화되어도, 제1 전기 화학 셀(펌핑 셀)(11c)에 있어서 검출되는 전극 전류 Im로의 영향을 유효하게 저감할 수 있다. 그 결과, 제2 장치에 의하면, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 보다 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 예에 있어서는, 제2 전기 화학 셀[펌핑 셀(12c)]은 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]을 구성하는 고체 전해질체(11s)와는 별개의 제2 고체 전해질체(12s)를 포함한다. 그러나, 제2 전기 화학 셀[펌핑 셀(12c)]은 고체 전해질체(11s)를 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]과 공유하고 있어도 된다. 이 경우, 제1 대기 도입로(51)는 제1 별도 공간 및 제2 별도 공간으로서 기능한다.

또한, 상기 예시에 있어서는, 제2 전기 화학 셀(12c)의 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소를 배출함으로써 내부 공간(31) 내의 산소의 농도를 낮게 조정한 후, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서의 제1 검출값(전극 전류 Im)을 검출하였다. 그러나, 제2 전기 화학 셀(12c)의 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로 산소를 도입함으로써 내부 공간(31) 내의 산소의 농도를 소정의 농도로 조정한 후, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서의 제1 검출값을 검출해도 된다.

이하, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(이하, 「제3 장치」라고 칭해지는 경우가 있음)에 대해 설명한다.

도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 제3 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(30)는 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]의 근방에 병설된 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]을 더 구비하는 점을 제외하고, 제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)와 동일한 구성을 갖는다. 여기서 말하는 「근방」이라 함은, 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도와 동등한 농도의 물을 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역을 가리킨다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 제2 장치와의 상위점에 주목하여, 제3 장치의 구성에 대해 설명한다.

도 6b는 도 6a에 나타낸 선분 6B-6B를 포함하는 평면에 의한 가스 농도 검출 소자(30)의 단면도이다. 도 6b에 도시한 예에 있어서는, 제3 장치는 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]의 근방에 병설된 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]을 더 구비하고 있다. 구체적으로는, 제3 장치에 있어서는 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)] 및 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]은 상류측에 배치된 제2 전기 화학 셀[펌핑 셀(12c)]로부터 동일한 거리만큼 하류측으로 이격된 위치에 배치되어 있다.

제3 전기 화학 셀(13c)은 고체 전해질체(11s)를 제1 전기 화학 셀(11c)과 공유하고, 그 표면에 배치된 한 쌍의 전극인 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)을 갖는다. 도 6a 및 6b에 도시한 예에 있어서는, 제5 전극(13a)은 내부 공간(31)에 면하도록 배치되고, 제6 전극(13b)은 제1 대기 도입로(51)에 면하도록 배치되어 있다. 즉, 이 경우, 제1 대기 도입로(51)는 제3 별도 공간으로서도 기능한다.

제1 전극(11a)은 백금(Pt)과 로듐(Rh)의 합금을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이고, 제2 전극(11b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제5 전극(13a)은 백금(Pt)과 금(Au)의 합금을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이고, 제6 전극(13b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 제5 전극(13a)은 인가 전압이 동등해도, 제1 전극(11a)과 비교하여, 황산화물의 분해 속도가 보다 낮아지도록, 전극 자체가 제작되어 있다. 구체적으로는, 제5 전극(13a)에 있어서 황산화물이 분해되는 속도(제2 분해 속도)는 실질적으로 0(제로)이다.

전원(63)은 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에, 제6 전극(13b)의 전위가 제5 전극(13a)의 전위보다도 높아지도록, 인가 전압을 인가한다. 전류계(73)는 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류에 대응하는 신호를 ECU(81)로 출력한다. ECU(81)는 전원(63)을 제어하고, 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)에 인가되는 인가 전압을 제어할 수 있다. 또한, 제3 장치에 있어서는, 제3 소정 전압 및 제1 소정 전압을 모두 1.0V로 한다. 또한, ECU(81)는 전류계(73)로부터 출력되는 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류에 대응하는 신호를 수취할 수 있다.

상기에 의해, 제3 전기 화학 셀(13c)은 제1 전기 화학 셀(11c)과 동일한 인가 전압 Vm(1.0V)을 인가하고 있음에도, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물을 분해하는 속도가 제1 전기 화학 셀(11c)보다도 극히 낮다. 구체적으로는, 제5 전극(13a)에 있어서 황산화물이 분해되는 속도(제2 분해 속도)는 제1 전극(11a)에 있어서 황산화물이 분해되는 속도(제1 분해 속도)보다도 극히 낮고, 실질적으로 0(제로)이다. 즉, 제3 전기 화학 셀의 전극 전류는 황산화물의 분해에 기인하는 전류를 실질적으로 포함하지 않는다. 따라서, 제1 전기 화학 셀(11c)의 전극 전류에 대응하는 제1 검출값과 제3 전기 화학 셀(13c)의 전극 전류에 대응하는 제2 검출값의 차를 취함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도 변동의 영향을 저감할 수 있다.

또한, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 분해 생성물이 음극에 흡착하는 속도도 또한, 제5 전극(13a)의 쪽이 제1 전극(11a)보다도 낮다. 구체적으로는, 제5 전극(13a)에 있어서는 황산화물의 분해 생성물은 실질적으로 흡착되지 않는다. 따라서, 제1 전극(11a)의 물의 분해에 대한 활성의 저하 속도보다도, 제5 전극(13a)의 물의 분해에 대한 활성의 저하 속도의 쪽이 보다 작다. 구체적으로는, 제5 전극(13a)의 물의 분해에 대한 활성은 실질적으로 저하되지 않는다. 그 결과, 제1 전기 화학 셀(11c)로부터 취득되는 제1 검출값보다도 제3 전기 화학 셀(13c)로부터 취득되는 제2 검출값의 쪽이 보다 크고, 이들 검출값의 차는 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도가 높을수록 크다.

따라서, 제3 장치는 제1 전기 화학 셀(11c)의 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제1 소정 전압(인가 전압 Vm=1.0V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im(제1 검출값)과, 제3 전기 화학 셀(13c)의 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제3 소정 전압(인가 전압 Vm=1.0V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im(제2 검출값)의 차이를 전류차 검출 회로(81)에 의해 취득하고, 이 차이에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 도 6a 및 6b에 도시한 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]은 고체 전해질체(11s)를 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]과 공유하고 있다. 그러나, 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]은 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]을 구성하는 고체 전해질체(11s)와는 별개의 고체 전해질체를 포함해도 된다.

또한, 도 6a 및 6b에 도시한 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]은 제1 전기 화학 셀[펌핑 셀(11c)]의 근방에 배치되어 있다. 그러나, 이들의 펌핑 셀로부터 취득되는 제1 검출값과 제2 검출값의 차이에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하는 것이 가능한 한, 이들 펌핑 셀의 위치 관계는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 제1 검출값과 제2 검출값의 차이에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하는 것이 가능한 한, 제3 전기 화학 셀[펌핑 셀(13c)]로부터 제2 검출값을 취득하기 위해 전극 사이에 인가되는 전압도 또한 특별히 한정되지 않는다.

또한, 제3 장치에 있어서는, 제3 소정 전압을 제1 소정 전압과 동일한 전압(구체적으로는, 1.0V)으로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제3 소정 전압은 제5 전극(13a)을 음극으로 하고, 제6 전극(13b)을 양극으로 한 경우에, 이들 전극 사이에 인가함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 물을 분해시키는 것이 가능해지는 소정의 전압이면, 특별히 한정되지 않는다.

한편, 전술한 바와 같이, 인가 전압 Vm이 과도하게 높은 전압으로 되면, 피검 가스 중에 포함되는 다른 성분[예를 들어, 이산화탄소(CO₂) 등] 및/또는 고체 전해질체(11s)의 분해를 초래할 우려가 있다. 따라서, 제3 소정 전압도 또한, 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 제3 소정 전압은 물의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 전압대의 하한 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다.

또한, 제3 장치에 있어서는, 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때에 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 흐르는 전극 전류의 크기를 제2 검출값으로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제2 검출값은 상기 전극 전류에 대응하는 어느 하나의 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다.

또한, 제3 장치에 있어서는, 제5 전극(13a)은 백금(Pt)과 금(Au)의 합금을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이고, 제6 전극(13b)은 백금(Pt)을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 그러나, 제5 전극(13a)을 구성하는 재료는 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제3 소정 전압을 인가했을 때에, 확산 저항체(32)를 통해 내부 공간(31)으로 유도된 피검 가스 중에 포함되는 물을 환원 분해시키는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 제5 전극(13a)을 구성하는 재료는 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb), 은(Ag) 등의 금속 원소 또는 그들의 합금 등을 주성분으로 하여 포함한다. 보다 바람직하게는, 제5 전극(13a)은 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로 하여 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

또한, 제3 장치에 있어서는, 제5 전극(13a)에 있어서 황산화물이 분해되는 속도(제2 분해 속도)가 실질적으로 0(제로)이다. 그러나, 제2 분해 속도가 실질적으로 0(제로)이 아닌 경우에 있어서도, 제1 검출값과 제2 검출값의 차를 취함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도 변동의 영향을 어느 정도는 저감할 수 있다. 그 결과, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

그런데, 전술한 바와 같이, 상술한 제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀(가스 농도 검출 소자가 구비하는 경우) 및 제3 전기 화학 셀(가스 농도 검출 소자가 구비하는 경우) 중 적어도 어느 하나의 전기 화학 셀을 공연비 센서로서 이용할 수도 있다. 이 경우, 적어도 어느 하나의 전기 화학 셀에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압을 설정한다. 그때의 전극 전류에 대응하는 검출값에 기초하여 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중에 포함되는 산소의 농도를 검출한다. 이와 같이 하여 검출된 배기 중의 산소 농도에 기초하여, 당해 피검 가스에 대응하는 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비를 검출할 수 있다.

이 경우, 적어도 어느 하나의 전기 화학 셀에 있어서 취득되는 검출값에 기초하여 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비를 검출하기 위해서는, 상기와 같이 당해 전기 화학 셀에 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압을 인가할 필요가 있다. 따라서, 기본적으로는, 본 발명 장치에 의한 SOx 농도 검출 처리를 실행하고 있지 않을 때에 공연비를 검출하는 것이 바람직하다.

단, 가스 농도 검출 소자가 제2 전기 화학 셀을 구비하고 또한 당해 제2 전기 화학 셀에 있어서 산소의 한계 전류 영역에 해당하는 인가 전압이 인가되고 있는 경우는, 본 발명 장치에 의한 SOx 농도 검출 처리를 실행하고 있을 때라도, 공연비를 검출할 수 있다. 또한, 상기와 같이 하여 검출된 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 기초하여 제1 검출값 및/또는 제2 검출값을 보정함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 더욱 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 중에 포함되는 산소의 농도는, 당해 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비에 따라서 변화된다. 따라서, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 예를 들어 내연 기관의 정상 운전 시 등, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비가 소정의 값으로 유지되어 있을 때에 제1 검출값을 검출하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명을 설명하는 것을 목적으로 하여, 특정한 구성을 갖는 몇 개의 실시 형태 및 변형예에 대해, 시에 첨부 도면을 참조하면서 설명하였지만, 본 발명의 범위는, 이들의 예시적인 실시 형태 및 변형예로 한정된다고 해석되어서는 안되고, 특허 청구의 범위 및 명세서에 기재된 사항의 범위 내에서, 적절히 수정을 가하는 것이 가능한 것은 물론이다.

Claims

가스 농도 검출 소자가 제1 전기 화학 셀, 치밀체 및 확산 저항부를 포함하고, 상기 제1 전기 화학 셀이 제1 고체 전해질체, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 제1 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제1 고체 전해질체와 상기 치밀체와 상기 확산 저항부는 내부 공간을 획정하도록 되어 있고, 상기 확산 저항부는 상기 내부 공간에 상기 확산 저항부를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기를 도입하도록 되어 있고, 상기 제1 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제2 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제1 별도 공간에 노출되고, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압을 인가했을 때에 상기 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황산화물을 분해하도록 되어 있고,
제1 전류 검출기는 상기 제1 전극 쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값을 출력하도록 되어 있고,
제1 전원은 상기 제1 전극 쌍에 전압을 인가하도록 되어 있고,
전자 제어 유닛은,
(i) 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압을 인가하도록 상기 제1 전원을 제어하도록 되어 있고,
(ii) 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전류 검출기로부터 제1 검출값을 취득하도록 되어 있고,
(iii) 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치
제1항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍에 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압을 상기 제1 소정 전압으로서 인가하도록 상기 제1 전원을 제어하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍에 0.6V 이상의 소정의 전압을 상기 제1 소정 전압으로서 인가하도록 상기 제1 전원을 제어하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에, 상기 제1 전극 쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제1 검출값으로서 취득하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제4항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를, 상기 제1 검출값이 작을수록 큰 농도값으로서 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전극은 백금, 로듐 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 농도 검출 장치는 제2 전원을 더 포함하고,
제2 전원은,
상기 가스 농도 검출 소자가 제2 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 제2 전기 화학 셀이 제2 고체 전해질체, 제3 전극 및 제4 전극을 포함하고, 상기 제2 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 상기 제2 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제3 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제4 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제2 별도 공간에 노출되고, 상기 제3 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제1 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 배치되고, 상기 제3 전극은 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극 쌍에 제2 소정 전압을 인가했을 때에 상기 내부 공간으로부터 산소를 배출 혹은 상기 내부 공간으로 산소를 도입하도록 되어 있고,
상기 제2 전원은 상기 제2 전극 쌍에 전압을 인가하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제2 전극 쌍에 상기 제2 소정 전압을 인가하도록 제2 전원을 제어하도록 되어 있고, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제2 전극 쌍에 상기 제2 소정 전압이 인가되고 상기 내부 공간 내에 있어서의 산소의 농도가 소정 농도로 조정되고 있을 때, 또한 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제7항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제2 전극 쌍에 산소의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 분해 개시 전압 미만인 소정의 전압을 상기 제2 소정 전압으로서 인가하도록 상기 제2 전원을 제어하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 농도 검출 장치는,
제3 전류 검출기와;
제3 전원을 더 포함하고,
제3 전원은,
상기 가스 농도 검출 소자가 제3 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 제3 전기 화학 셀이 제3 고체 전해질체, 제5 전극 및 제6 전극을 포함하고, 상기 제3 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제5 전극과 상기 제6 전극은 상기 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제5 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제6 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되고, 상기 제5 전극은 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극 쌍에 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 있어서의 상기 제3 전기 화학 셀에 의한 황산화물의 분해 속도인 제2 분해 속도가, 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 있어서의 상기 제1 전기 화학 셀에 의한 황산화물의 분해 속도인 제1 분해 속도보다도 낮아지도록 되어 있고,
제3 전류 검출기는 상기 제3 전극 쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하도록 되어 있고,
상기 제3 전원은 상기 제3 전극 쌍에 전압을 인가하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전극 쌍에 상기 제3 소정 전압을 인가하도록 상기 제3 전원을 제어하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전류 검출기로부터 제3 검출값을 취득하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때에 취득되는 상기 제1 검출값과, 상기 제3 전극 쌍에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때에 취득되는 상기 제3 검출값의 차에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제9항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 이상이고 또한 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만인 소정의 전압을 상기 제3 소정 전압으로서 인가하도록 상기 제3 전원을 제어하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전극 쌍에 상기 제1 소정 전압과 동등한 전압을 상기 제3 소정 전압으로서 인가하도록 상기 제3 전원을 제어하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제5 전극은 상기 제1 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도에 동등한 농도의 물을 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역에 배치되는, 가스 농도 검출 장치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전극 쌍에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때에, 상기 제3 전류 검출기로부터 제3 검출값을 취득하는, 가스 농도 검출 장치.
제13항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 피검 가스 중에 포함되는 황산화물의 농도를, 상기 제1 검출값과 상기 제2 검출값의 차의 절댓값이 클수록 큰 농도값으로서 검출되도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제5 전극은 백금, 금, 납 및 은으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 상기 제1 전원을 제어하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있을 때에 상기 제1 전극 쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍 및 상기 제2 전극 쌍 중 적어도 하나의 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 상기 제1 전원 및 상기 제2 전원 중 적어도 하나를 제어하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍 및 상기 제2 전극 쌍 중 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있는 전극 쌍의 사이에 흐르는 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.
제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍, 상기 제2 전극 쌍 및 상기 제3 전극 쌍 중 적어도 하나의 전극 쌍에 물의 분해 개시 전압 미만의 소정의 전압인 제4 소정 전압을 인가하도록 상기 제1 전원, 상기 제2 전원 및 상기 제3 전원 중 적어도 하나를 제어하도록 되어 있고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제1 전극 쌍, 상기 제2 전극 쌍 및 상기 제3 전극 쌍 중 상기 제4 소정 전압이 인가되고 있는 전극 쌍의 사이에 흐르는 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스에 대응하는 상기 내연 기관의 연소실에 있어서의 혼합기의 공연비(A/F)를 검출하도록 되어 있는, 가스 농도 검출 장치.