气体浓度检测设备制造技术

一种气体浓度检测设备，包括气体浓度检测元件(10；20；30)和电子控制单元(81)。气体浓度检测元件(10；20；30)包括第一电化学电池(11c)和第二电化学电池(12c)。电子控制单元(81)配置为基于当给第二电化学电池(12c)施加第一去除电压和给第一电化学电池(11c)施加测量电压时获取的与流经第一电化学电池(11c)的电流相关的第一检测值，检测包含在测试气体内的氧化硫的浓度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能够获取包含在内燃机废气中的氧化硫(SOx)的准确浓度的气体浓度检测设备。
技术介绍
空气-燃料比传感器(A/F传感器)被广泛地使用，其基于包含在废气中的氧(02)的浓度获取燃烧室内的空气-燃料混合物的空气燃料比(A/F)，以便控制内燃机。限流(limiting current)型气体传感器是此类空气-燃料比传感器的示例。用作上面所述的空气-燃料比传感器的限流型的气体传感器被设置有栗电池，其是电化学电池，包括具有氧化物离子传导性的固态电解质体和固定在该固态电解质体的表面上的一对电极。该对电极中的一个暴露于通过抗扩散单元引入的作为测试气体的内燃机废气，并且该对电极中的另一个暴露于大气中。当等于或者高于开始氧分解的电压(分解起始电压)被施加在该对电极(该对电极中的一个为阴极，并且该对电极中的另一个为阳极)之间时，包含在测试气体中的氧通过还原分解变为氧化物离子(02)。这种氧化物离子被通过固态电解质体传导到阳极，变为氧，并且被排放到大气中。这种基于氧化物离子通过固态电解质体从阴极侧到阳极侧的传导的氧移动被称为“氧栗送动作”。通过氧栗送动作产生的氧化物离子的传导引起该对电极之间的电流流动。在该对电极之间流动的这种电流被称为“电极电流”。随着该对电极之间施加的电压(在下文中，在某些情况下简称为“施加的电压”)增加时，这种电极电流趋于变得更强。然而，到达电极(阴极)的测试气体的流速受到抗扩散单元的限制，并且因此通过氧栗送动作产生的氧的消耗的速率不久就会超过向阴极提供氧的速率。换言之，氧在阴极的还原分解反应达到扩散速率受控状态。在扩散速率受控状态下，尽管施加的电压上升，电极电流不增加，而是基本上保持恒定。该特性被称为“限流特性”，并且表现出(观察到)限流特性的施加的电压的范围被称为“限流区域”。在限流区域内的电极电流被称为“限流”，并且限流的大小(限流值)与向阴极提供氧的速率有关。因为到达阴极的测试气体的流速被上述的抗扩散单元保持为恒定，向阴极提供氧的速率与包含在测试气体内的氧的浓度有关。因此，在用作空气-燃料比传感器的限流型的气体传感器中，施加的电压被设置为"限流区域内的预定电压"的情况下的电极电流(限流)与包含在测试气体中的氧的浓度有关。通过使用上面所述的氧的限流特性，空气-燃料比传感器可以检测包含在测试气体中的氧的浓度，并且以此为基础获取燃烧室中的空气-燃料混合物的空气-燃料比。上面所述的限流特性不是局限于氧气的特性。特别地，可以基于对施加的电压和以分子形式包含氧原子的某些气体(在下文中，在某些情况下被称为“含氧气体”)中的阴极配置的适当选择，表现限流特性。含氧气体的示例包括氧化硫(SOx)，水(H20)，二氧化碳(C02) ο用于内燃机的燃料(诸如轻油和汽油)包含少量硫⑶成分。特别地，也被称为劣质燃料的燃料可能具有相对高的硫成分含量。当燃料的硫成分含量(在下文中，在某些情况下简称为“硫含量”)高时，出现诸如构成内燃机的部件的退化和/或出现故障、废气净化催化剂被有毒化、和废气中产生白色烟雾的问题的可能性增加。因此，希望获取燃料的硫成分含量，从而例如在控制内燃机时反映获取的硫含量，用于发出关于内燃机故障的警示，或者用于改善废气净化催化剂的车载诊断(OBD)。当用于内燃机的燃料包含硫成分时，从燃烧室排出的废气中包含氧化硫。另外，当燃料中的硫成分的含量(硫含量)增加时，包含在废气中的氧化硫的浓度(在下文中，在某些情况下简称为“SOx浓度”)增加。因此，认为当可以获取准确的废气中的SOx浓度时，可以基于获取的SOx浓度获取准确的硫含量。在本
，已经进行了通过使用利用上面所述的氧栗送动作的限流型气体传感器获取包含在内燃机废气中的氧化硫的浓度的尝试。特别地，使用限流型气体传感器(双电池限流型气体传感器)，其设置有与在内部空间中彼此面对的阴极串联布置的两个栗电池(pumping cell)，在该内部空间中，通过抗扩散单元引入来自内燃机的废气作为测试气体。在这种传感器中，当在上游侧栗电池的电极之间施加相对低的电压时，通过上游侧栗电池的氧栗送动作去除包含在测试气体中的氧。另外，当在下游侧栗电池的电极之间施加相对高的电压时，包含在测试气体中的氧化硫通过下游侧的栗电池在阴极经受还原分解，并且作为结果产生的氧化物离子被传导到阳极。基于归因于氧栗送动作的电极电流值的改变，获取包含在测试气体中的氧化硫的浓度(例如，参考日本专利申请公开N0.11-190721)。
技术实现思路
如上所述，在本
中已经进行了通过使用利用氧栗送动作的限流型气体传感器获取包含在内燃机废气中的氧化硫的浓度的尝试。然而，包含在废气中的氧化硫具有极低的浓度级别，并且归因于氧化硫分解的电流(分解电流)极微弱。另外，归因于氧化硫之外的含氧气体(诸如水和二氧化碳)的分解电流也可以在电极之间流动。因此，难以准确地区分和仅仅检测归因于氧化硫的分解电流。本专利技术提供了一种气体浓度检测设备，通过使用限流型气体传感器，能够以可能的最高级别的准确性获取包含在作为测试气体的废气中的氧化硫的浓度。专利技术人进行了深入细致的研究，以便实现上面所述的目标。结果，发现与水和氧化硫在能够实现氧栗送动作的电化学电池(栗电池)中的预定的施加的电压下分解的情况有关的电极电流根据作为测试气体的来自内燃机的废气中的氧化硫的浓度而改变。更具体地中，在双电池型限流型气体传感器中，当在上游侧栗电池的电极之间施加相对低的电压时，通过上游侧栗电池的氧栗送动作去除包含在测试气体中的氧。另外，当在下游侧栗电池的电极之间施加相对高的电压时，包含在测试气体中的水和氧化硫被下游侧栗电池分解。在这种情况下，下游侧栗电池的电极电流包括归因于水的分解电流和归因于氧化硫的分解电流。—般地，来自内燃机的废气中的水具有比来自内燃机的废气中的氧化硫高的浓度，并且因此电极电流比仅仅归因于包含在测试气体中的氧化硫的分解电流更强，并且可被容易并且准确地检测。专利技术人发现这种电极电流的大小根据包含在测试气体中的氧化硫的浓度改变。另外，因为包含在测试气体中的氧被上游侧栗电池去除，根据这种配置，下游侧栗电池的电极电流不包括归因于氧的分解电流。因此，专利技术人得出结论可以基于与该电极电流相关的检测值的获取，准确地获取包含在测试气体中的氧化硫的浓度。在某些情况下，来自内燃机的废气中包含氧化氮(NOx)，并且氧化氮的浓度(在下文中，在某些情况下简称为“NOx浓度”)根据空气-燃料比和在内燃机的燃烧室内燃烧的空气-燃料混合物的燃烧状态而改变。该氧化氮也被下游侧栗电池分解，并且产生归因于氧化氮的分解电流。因此，希望通过上游侧栗电池去除包含在测试气体中的氧化氮，以便获取包含在测试气体中的氧化硫的准确的浓度。根据本专利技术的一个方面，提供了一种气体浓度检测设备，包括气体浓度检测元件，第一电流检测器，第一电源，第二电源和电子控制单元(ECU)。气体浓度检测元件包括第一电化学电池，第二电化学电池，致密体和抗扩散单元。第一电化学电池包括第一固态电解质体，第一电极和第二电极。第一固态电解质体具有氧化物离子传导性。第一电极和第二电极布置在第一固态电解质体的相应表面上。第二电化学电池包括第二固态电解质体，第三电极和第四电极。第二固态电解质体具有氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体浓度检测设备，其特征在于包括:气体浓度检测元件(10；20；30)，所述气体浓度检测元件包括第一电化学电池(11c)、第二电化学电池(12c)、致密体(21b)、和抗扩散单元(32)，所述第一电化学电池(11c)包括第一固态电解质体(11s)、第一电极(11a)、和第二电极(11b)，所述第一固态电解质体(11s)具有氧化物离子传导性，所述第一电极(11a)和所述第二电极(11b)布置在所述第一固态电解质体(11s)的相应表面上，所述第二电化学电池(12c)包括第二固态电解质体(12s)、第三电极(12a)和第四电极(12b)，所述第二固态电解质体(12s)具有氧化物离子传导性，所述第三电极(12a)和所述第四电极(12b)布置在所述第二固态电解质体(12s)的相应表面上，所述第一固态电解质体(11s)、所述第二固态电解质体(12s)、所述致密体(21b)和所述抗扩散单元(32)配置为限定内部空间，所述抗扩散单元(32)配置为将作为测试气体的来自内燃机的废气通过所述抗扩散单元(32)引入所述内部空间，所述第一电极(11a)暴露于所述内部空间，所述第二电极(11b)暴露于作为所述内部空间之外的空间的第一分离空间，所述第三电极(12a)布置在所述内部空间内相比所述第一电极(11a)更靠近所述抗扩散单元(32)的位置，所述第四电极(12b)暴露于作为所述内部空间之外的空间的第二分离空间，所述第一电极(11a)配置为当给由所述第一电极(11a)和所述第二电极(11b)组成的第一电极对施加了等于或高于第一预定电压的电压时，分解包含在所述测试气体内的水和氧化硫，所述第三电极(12a)配置为当给由所述第三电极(12a)和所述第四电极(12b)组成的第二电极对施加了等于或高于第二预定电压的电压时，分解包含在所述测试气体内的氧和氧化氮；第一电流检测器(71)，配置为输出与流经所述第一电极对的电流相关的第一检测值；第一电源(61)，配置为给所述第一电极对施加电压；第二电源(62)，配置为给所述第二电极对施加电压；和电子控制单元(81)，配置为:(i)控制所述第二电源(62)，从而使得给所述第二电极对施加第一去除电压，所述第一去除电压是这样的电压：等于或高于所述第二预定电压，等于或高于在所述第三电极(12a)中表现出氧化氮的限流特性的电压范围的下限，且低于开始氧化硫的分解的电压；(ii)控制所述第一电源(61)，从而使得给所述第一电极对施加测量电压，所述测量电压是这样的电压：等于或高于所述第一预定电压，且等于或高于在所述第一电极内开始水的分解的电压；(iii)当给所述第二电极对施加所述第一去除电压并且给所述第一电极对施加所述测量电压时，从所述第一电流检测器(71)获取所述第一检测值；和(iv)基于所述第一检测值检测包含在所述测试气体内的氧化硫的浓度。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：桥田达弘，若尾和弘，青木圭一郎，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP