УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА
DEVICE FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF GAS

1. Область техники, к которой относится изобретение
X
[0001] Изобретение относится к устройству для определения концентрации газа, которое способно получать точную концентрацию оксида серы (SO), содержащегося в выхлопных газах из двигателя внутреннего сгорания
2. Описание предшествующего уровня техники
2
[0002] Датчик воздушно-топливного отношения (датчик A/F), который получает воздушно-топливное отношение (А/F) воздушно-топливной смеси в камере сгорания на основе концентрации кислорода (O), содержащегося в выхлопных газах, широко используется для управления двигателем внутреннего сгорания. Газоанализатор предельного тока является примером этого типа датчика воздушно-топливного отношения.
2-
[0003] Газоанализатор предельного тока, используемый как датчик воздушно-топливного отношения, упомянутый выше, оснащен перекачивающим элементом, который является электрохимическим элементом, который включает в себя элемент из твердого электролита, имеющий кислородно-ионную проводимость и пару электродов, жестко прикрепленных к поверхностям элемента из твердого электролита. Один из парных электродов открыт воздействию выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания, например, исследуемого газа, который вводится с помощью блока сопротивления диффузии, а другая пара электродов открыта воздействию атмосферы. Когда напряжение равное или большее, чем напряжение, при котором инициируется разложение кислорода (напряжение начала разложения), применяется между парой электродов, при этом одним из парных электродов является катодом, а другой парный электрод представляет собой анод, кислород, содержащийся в исследуемом газе, через восстановительное разложение становится ионом кислорода (O). Этот ион кислорода поступает на анод через элемент из твердого электролита, становится молекулой кислорода, и выпускается в атмосферу. Это движение кислорода на основе проводимости ионов кислорода через элемент из твердого электролита от катодной стороны к анодной стороне именуется «действием накачки кислорода» (перекачки кислорода).
[0004] Проводимость ионов кислорода в результате действия перекачки накачки кислорода заставляет ток течь между парой электродов. Этот ток, который течет между парой электродов, именуется «током электрода». Этот ток электрода стремится стать сильнее, при увеличении напряжения, приложенного между парой электродов (далее в некоторых случаях именуемого просто «приложенное напряжение»). Однако расход исследуемого газа, достигающего электрода (катода), ограничивается блоком сопротивления диффузии, и, таким образом, скорость потребления кислорода в результате действия накачки кислорода скоро превышает скорость подачи кислорода на катод. Другими словами, реакция восстановительного разложения кислорода в катоде достигает состояния, управляемого скоростью диффузии.
[0005] В состоянии, управляемом скоростью диффузии, ток электрода не увеличивается, но остается, по существу, постоянным, несмотря на рост приложенного напряжения. Характеристики именуются «предельными токовыми характеристиками», и диапазон приложенного напряжения, в котором проявляются (наблюдаются) предельные токовые характеристики, именуется «областью предельного тока». Ток электрода в области предельного тока именуется «предельным током», и величина предельного тока (предельного значения тока) соотносится со скоростью подачи кислорода на катод. Поскольку расход исследуемого газа, достигнувшего катода, поддерживается постоянным с помощью блока сопротивления диффузии, как описано выше, скорость подачи кислорода на катод согласуется с концентрацией кислорода, содержащегося в исследуемом газе.
[0006] Соответственно, в газоанализаторе предельного тока, используемом в качестве датчика воздушно-топливного отношения, ток электрода (предельный ток), относящийся к случаю, когда приложенное напряжение устанавливается на «заданное напряжение в области предельного тока» согласуется с концентрацией кислорода, содержащегося в исследуемом газе. При использовании предельных токовых характеристик кислорода, описанных выше, датчик воздушно-топливного отношения может определить концентрацию кислорода, содержащегося в исследуемом газе, и получить воздушно-топливное отношение воздушно-топливной смеси в камере сгорания на этой основе.
2
2
[0007] Предельные токовые характеристики, описанные выше, не являются характеристиками, ограниченными кислородом. В частности, предельные токовые характеристики могут быть выражены на основе соответствующего выбора приложенного напряжения и конфигурации катода в некоторых газах, содержащих атомы кислорода в молекулах (далее в некоторых случаях именуемых «газами, содержащими кислород»). Примеры газов, содержащих кислород, включают в себя оксид серы (SOx), воду (HO), и диоксид углерода (CO).
[0008] Топливо для двигателя внутреннего сгорания (например, легкая нефть и бензин) содержит небольшое количество серного (S) компонента. Однако топливо, которое именуется также бедным топливом, может иметь относительно высокое содержание компонентов серы. Когда содержание компонента серы (далее в некоторых случаях именуемого просто «содержанием серы») в топливе является высоким, возрастает вероятность проблем, например, ухудшение характеристик и/или сбои в работе элементов, составляющих двигатель внутреннего сгорания, отравление катализатора очистки выхлопных газов, и появление белого дыма в выхлопных газах. Соответственно, желательно, чтобы содержание компонентов серы в топливе определяли таким образом, что это определенное содержание серы, например, отражалось при управлении двигателем внутреннего сгорания, и использовалось при выдаче предупреждения о неисправности двигателя внутреннего сгорания, или использовалось при совершенствовании бортовой самодиагностики (OBD) катализатора очистки выхлопных газов.
[0009] Когда топливо для двигателя внутреннего сгорания содержит компоненты серы, в выхлопных газах содержится оксид серы, который выпускается из камеры сгорания. Кроме того, концентрация оксида серы, содержащегося в выхлопных газах (далее в некоторых случаях именуемая просто «концентрацией оксидов серы») увеличивается, если увеличивается содержание компонента серы (содержание серы) в топливе. Соответственно, считается, что точное содержание серы может быть получено на основе полученной концентрации оксидов серы, когда можно получить эту точную концентрацию оксидов серы в выхлопных газах.
[0010] В данной области техники, делались попытки получить концентрацию оксида серы, содержащегося в выхлопных газах из двигателя внутреннего сгорания, при использовании газоанализатора предельного тока, который использует действия перекачки кислорода, описанные выше. В частности, используется газоанализатор предельного тока (двухэлементный газоанализатор предельного тока), который оснащен двумя перекачивающими элементами, расположенными в ряд с катодами, обращенными друг к другу во внутренней полости, в которую выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания вводятся в качестве исследуемого газа через блок сопротивления диффузии.
[0011] В этом датчике, кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется действием перекачки кислорода перекачивающим элементом с впускной стороны, когда относительно низкое напряжение приложено между электродами перекачивающего элемента с впускной стороны. Кроме того, оксид серы, содержащийся в исследуемом газе, подвергается восстановительному разложению на катоде перекачивающим элементом с выпускной стороны, когда относительно высокое напряжение приложено между электродами перекачивающего элемента с выпускной стороны, и ионы кислорода, которые генерируются в результате, подаются на анод. Концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, получают на основе изменений значения тока электрода, связанных с действиями перекачки кислорода (например, см. публикацию японской патентной заявки 11-190721).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Как описано выше, делались попытки в этой области техники получить концентрацию оксида серы, содержащегося в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, при использовании газоанализатора предельного тока, который использует действие перекачки кислорода. Однако оксид серы, который содержится в выхлопных газах, имеет крайне низкий уровень концентрации, и ток (ток разложения), относящийся к разложению оксида серы, чрезвычайно слаб. Кроме того, токи разложения, связанные с газами, содержащими кислород, кроме оксида серы (например, вода и диоксид углерода), также могут протекать между электродами. Соответственно, трудно с точностью отличить и обнаружить только ток разложения, который связан с оксидом серы.
[0013] Изобретение обеспечивает создание устройства определения концентрации газа, которое способно получать концентрацию оксида серы, содержащегося в выхлопных газах, в качестве исследуемого газа, с наивысшей степенью точности, возможной при использовании газоанализатора предельного тока.
[0014] Автор изобретения провел интенсивные исследования, с тем, чтобы решить задачу, описанную выше. В результате было обнаружено, что ток электрода, относящийся к случаю, когда вода и оксид серы разлагаются при заданном приложенном напряжении в электрохимическом элементе (перекачивающем элементе), пригодном для действия перекачки кислорода, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы в выхлопных газах из двигателя внутреннего сгорания, в качестве исследуемого газа.
[0015] Более конкретно, в газоанализаторе предельного тока двухэлементного типа, кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется действием перекачки кислорода перекачивающим элементом с впускной стороны, когда относительно низкое напряжение подается между электродами перекачивающего элемента с впускной стороны. Кроме того, вода и оксид серы, содержащееся в исследуемом газе, разлагаются перекачивающим элементом с выпускной стороны, когда относительно высокое напряжение подается между электродами перекачивающего элемента с выпускной стороны. В этом случае, ток электрода перекачивающего элемента с выпускной стороны включает в себя ток разложения, связанный с водой, и ток разложения, связанный с оксидом серы.
[0016] Обычно, вода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания имеет более высокую концентрацию, чем оксид серы в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, и, таким образом, ток электрода сильнее, чем ток разложения, который относится только к оксиду серы, содержащемуся в исследуемом газе, и может быть легко и с точностью определен. Автор изобретения обнаружил, что величина упомянутого тока электрода меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе. Кроме того, ток электрода перекачивающего элемента с выпускной стороны не включает в себя ток разложения, связанный с кислородом согласно этой конфигурации, поскольку кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется перекачивающим элементом с впускной стороны. Соответственно, автор изобретения пришел к выводу, что концентрация оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, может быть с точностью получена на основе получения определенного значения, соотносящегося с током электрода.
[0017] В некоторых случаях, оксид азота (NOx) содержится в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, и концентрация оксида азота (далее, именуемая в некоторых случаях просто «концентрацией NOx») меняется, в зависимости от воздушно-топливного отношения и состояния сгорания воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Этот оксид азота также разлагается перекачивающим элементом с выпускной стороны, и генерируется ток разложения, связанный с оксидом азота. Соответственно, предпочтительно, чтобы оксид азота, содержащийся в исследуемом газе, удалялся перекачивающим элементом с впускной стороны для получения точной концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе.
[0018] Согласно объекту изобретения, предлагается устройство для определения концентрации газа, включающее в себя элемент определения концентрации газа, первый датчик тока, первый источник электропитания, второй источник электропитания и электронный блок управления (ЭБУ).
[0019] Элемент определения концентрации газа включает в себя первый электрохимический элемент, второй электрохимический элемент, непроницаемый корпус и блок сопротивления диффузии. Первый электрохимический элемент включает в себя первый элемент из твердого электролита, первый электрод и второй электрод. Первый элемент из твердого электролита имеет кислородно-ионную проводимость. Первый электрод и второй электрод расположены на соответствующих поверхностях первого элемента из твердого электролита. Второй электрохимический элемент включает в себя второй элемент из твердого электролита, третий электрод, и четвертый электрод. Второй элемент из твердого электролита имеет кислородно-ионную проводимость. Третий электрод и четвертый электрод расположены на соответствующих поверхностях второго элемента из твердого электролита. Первый элемент из твердого электролита и второй элемент из твердого электролита могут представлять собой отдельные элементы из твердого электролита (например, тонколистовые элементы). В качестве альтернативного варианта, первый электрохимический элемент и второй электрохимический элемент могут совместно использовать один элемент из твердого электролита (например, тонколистовой элемент).
[0020] Первый элемент из твердого электролита, второй элемент из твердого электролита, непроницаемый корпус и блок сопротивления диффузии выполнены с возможностью образования внутренней полости. Блок сопротивления диффузии выполнен с возможностью введения выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в качестве исследуемого газа в эту внутреннюю полость через блок сопротивления диффузии. Первый электрод обращен во внутреннюю полость. Второй электрод обращен в первую отдельную полость, как в полость, отличную от этой внутренней полости. Третий электрод расположен в положении во внутренней полости, которое ближе к блоку сопротивления диффузии, чем первый электрод. Четвертый электрод обращен во вторую отдельную полость, как в полость, отличную от упомянутой внутренней полости. Первый электрод выполнен с возможностью разложения воды и оксида серы, содержащихся в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение, подано на первую электродную пару из первого электрода и второго электрода. Третий электрод выполнен с возможностью разложения кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, подано на вторую электродную пару из третьего электрода и четвертого электрода.
[0021] Первый датчик тока выполнен с возможностью выдачи первого определенного значения, согласованного с током, текущим через первую пару электродов. Первый источник электропитания выполнен с возможностью подачи напряжения на первую электродную пару. Второй источник электропитания выполнен с возможностью подачи напряжения на вторую электродную пару. Блок ЭБУ выполнен с возможностью управления вторым источником электропитания так, что первое удаляющее напряжение подается на вторую электродную пару. Первое удаляющее напряжение представляет собой напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, напряжение равное или большее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором отображены характеристики предельного тока для оксида азота на третьем электроде, и напряжение, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы. Блок ЭБУ выполнен с возможностью управления первым источником электропитания так, что измерительное напряжение подается на первую электродную пару. Измерительное напряжение представляет собой напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение и напряжение равное или большее, чем напряжение, при котором разложение воды инициируется на первом электроде. Блок ЭБУ выполнен с возможностью получения первого определенного значения от первого датчика тока, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, и измерительное напряжение подано на первую электродную пару. Блок ЭБУ выполнен с возможностью определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе на основании полученного первого определенного значения.
[0022] Согласно устройству для определения концентрации газа в объекте, описанном выше, первый электрод выполнен с возможностью разложения воды (H2O) и оксида серы (SOx), содержащихся в исследуемом газе, когда первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом. Первый электрод, который способен разлагать воду и оксид серы при заданном приложенном напряжении, как описано выше, может быть изготовлен путем соответствующего выбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, и режима термообработки, относящихся к производству электрода.
[0023] Третий электрод выполнен с возможностью разложения кислорода и азота, содержащихся в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, подано между третьим электродом и четвертым электродом. Третий электрод, способный разлагать кислород и оксид азота при заданном приложенном напряжении, как описано выше, может быть изготовлен путем соответствующего подбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, а также режима термообработки, относящихся к производству электрода.
[0024] Блок ЭБУ управляет вторым источником электропитания так, что заданное первое удаляющее напряжение, которое представляет собой напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, напряжение, равное или большее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором выражены предельные токовые характеристики для оксида азота на третьем электроде, и напряжение, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы, подается на вторую электродную пару. Соответственно, отображены предельные токовые характеристики для кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, и кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, удаляются из внутренней полости, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару. Вода и оксид серы, содержащиеся в исследуемом газе, не разлагаются на третьем электроде, на который подано первое удаляющее напряжение.
[0025] Блок ЭБУ управляет первым источником электропитания так, что заданное измерительное напряжение, которое представляет собой напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение, и напряжение равное или большее, чем напряжение, при котором разложение воды инициируется на первом электроде, подается на первую электродную пару. «Напряжение, при котором инициируется разложение воды», больше, чем «напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы». Соответственно, ток электрода, связанный с разложением воды и оксида серы, содержащихся в исследуемом газе, течет между электродами, когда измерительное напряжение подается на первую электродную пару. Сила этого тока электрода меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе как описано выше.
[0026] Блок ЭБУ выполнен с возможностью определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения, получаемого в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, и измерительное напряжение подано на первую электродную пару. Как описано выше, первое удаляющее напряжение представляет собой заданное напряжение, которое представляет собой напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, напряжение, равное или большее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором характеристики предельного тока для оксида азота выражены на третьем электроде, и напряжение, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы. Соответственно, характеристики предельного тока для кислорода и оксида азота выражены, и кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, удаляются действием перекачки кислорода второго электрохимического элемента в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару.
[0027] Измерительное напряжение представляет собой заданное напряжение, которое представляет собой напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение, и напряжение равное или большее, чем напряжение, при котором разложение воды инициируется на первом электроде. Соответственно, в случае, когда измерительное напряжение подано на первую электродную пару, вода и оксид серы, содержащиеся в исследуемом газе, разлагаются первым электрохимическим элементом, и ток разложения, связанный с этими компонентами, течет в качестве тока электрода. Кроме того, не только кислород, содержащийся в исследуемом газе, но и также оксид азота, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из исследуемого газа вторым электрохимическим элементом на впускной стороне первого электрохимического элемента во внутренней полости. Соответственно, сила этого тока электрода меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на что не влияют кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе во время введения его во внутреннюю полость.
[0028] Другими словами, блок ЭБУ может получить точную концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения. Более конкретно, блок ЭБУ может задать концентрацию Sox, согласующуюся с полученным первым определенным значением на основании, например, полученной заранее соответствующей взаимосвязи между концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе (концентрацией SOx), и первым определенным значением. Таким образом, концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно определить с очень высокой степенью точности.
[0029] В этом случае, соответствующая взаимосвязь между первым определенным значением (например, силой тока электрода), получаемым в случае, когда, например, первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, и измерительным напряжением, поданным на первую электродную пару, и концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, получают заранее в ходе предварительного эксперимента и пр. Таблица данных (например, карта данных), показывающая соответствующую взаимосвязь, может храниться, например, в устройстве хранения данных (например, ПЗУ) блока ЭБУ при этом ЦП может обращаться к таблице данных во время определения. Таким образом, концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно получить из первого определенного значения.
[0030] Концентрация воды, содержащейся в выхлопных газах, выпускаемых из двигателя внутреннего сгорания, меняется в соответствии, например, с воздушно-топливным отношением воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. Когда концентрация воды, содержащейся в выхлопных газах, из двигателя внутреннего сгорания, как в исследуемом газе меняется, точность концентрации оксида серы, определяемой на основании первого определенного значения, может понизиться. Соответственно, предпочтительно, чтобы первое определенное значение определялось, когда воздушно-топливное отношение воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, поддерживалось на заданном значении, примеры чего включают в себя устойчивую работу двигателя внутреннего сгорания, для того чтобы концентрацию оксида серы, содержащегося в испытательном газе, можно было точно определить на основании этого первого определенного значения.
[0031] Детали механизма, в котором первое определенное значение, полученное в случае, когда первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом, как описано выше, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы в исследуемом газе, неизвестны. Однако не только вода, содержащаяся в исследуемом газе, но и оксид серы, содержащийся в исследуемом газе, разлагаются, при приложении первого заданного напряжения между первым электродом и вторым электродом, как описано выше. В результате, считается, что продукты разложения оксида серы (примеры включают в себя серу (S) и соединения серы) адсорбируются на первом электроде, который представляет собой катод, и уменьшают площадь первого электрода, способного внести вклад в разложение воды. Соответственно, считается, что первое определенное значение, которое согласуется с током электрода, относящимся к применению первого заданного напряжения между первым электродом и вторым электродом, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе.
[0032] Согласно механизму, описанному выше, большее количество продуктов разложения оксида серы адсорбируются на первом электроде, и скорость снижения тока электрода, соотносящегося с первым определенным значением, увеличивается при увеличении периода, в котором первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом. Другими словами, скорость снижения тока электрода, соотносящегося с первым определенным значением, меняется в соответствии с длительностью периода, в котором первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом. Соответственно, желательно, чтобы первое определенное значение было определено в момент, когда первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом в течение заданного периода, определенного заранее, чтобы концентрация оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, была точно определена на основе первого определенного значения. Кроме того, желательно, чтобы соответствующая взаимосвязь между концентрацией оксидов серы и первым определенным значением, описанным выше, была получена при использовании первого определенного значения во временной точке, когда первое заданное напряжение приложено между первым электродом и вторым электродом в течение заданного периода, определенного заранее.
[0033] Кроме того, продукт разложения, адсорбируемый на первом электроде, должен быть удален в случае, когда концентрация оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, определяется снова путем повторного использования этого устройства для определения концентрации газа, примененного для определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе. Способ удаления продукта разложения, адсорбируемого на первом электроде, специально не ограничен, и его примеры могут включать в себя повторное окисление продукта разложения, при этом продукт разложения снова превращается в оксид серы. Это повторное окисление может быть выполнено с помощью, например, подачи заданного напряжения, что позволяет продукту разложения окисляться, между первым электродом и вторым электродом, причем первый электрод является анодом, а второй электрод является катодом (что является противоположным случаю восстановительного разложения оксида серы).
[0034] Первое определенное значение не обязательно ограничено в качестве первого определенного значения значением какого-либо сигнала, соотносящегося с током электрода (примеры включают в себя значение напряжения, значение тока, а также значение сопротивления). Как правило, первое определенное значение может представлять собой силу тока. Другими словами, блок ЭБУ может быть сконфигурирован для получения силы тока, текущего через первую электродную пару в качестве первого определенного значения.
[0035] Как описано выше, сила тока электрода, текущего между первым электродом и вторым электродом в случае, когда измерительное напряжение подано между первым электродом и вторым электродом, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе. Более конкретно, ток электрода ослабевает, когда концентрация оксида серы, содержащегося в исследуемом азе, увеличивается, как описано ниже. Соответственно, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации оксида серы (SOx), содержащегося в исследуемом газе, учитывая, что первое определенное значение, получаемое в случае, когда первое удаляющее напряжение подается на вторую электродную пару, и измерительное напряжение подается на первую электродную пару, уменьшается в случае, когда сила тока, текущего через первую электродную пару, представляет собой первое определенное значение, как описано выше.
[0036] Как описано выше, характеристики предельного тока для кислорода выражены в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, второго электрохимического элемента. Как описано в начале данного описания, сила предельного тока меняется в соответствии с концентрацией кислорода, содержащегося в исследуемом газе, и, таким образом, концентрацию кислорода, содержащегося в исследуемом газе, можно определить с помощью характеристики предельного тока для кислорода.
[0037] Блок ЭБУ может быть сконфигурирован для получения второго определенного значения, согласующегося с током, текущим через вторую электродную пару. В этом случае, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, на основании второго определенного значения, получаемого в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару.
[0038] Согласно объекту, описанному выше, и концентрация оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, и концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, могут быть определены. Кроме того, воздушно-топливное отношение воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, может быть получено на основании концентрации кислорода, полученной таким образом. Соответственно, это обеспечивает, например, снижение затрат и/или размеров системы управления для двигателя внутреннего сгорания.
[0039] Концентрацию кислорода, содержащегося в исследуемом газе, определяют на основании второго определенного значения, согласующегося с током, текущим через вторую электродную пару, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару. Первое удаляющее напряжение представляет собой заданное напряжение, которое является напряжением, равным или большим, чем второе заданное напряжение, напряжение, равное или большее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором отражены характеристики предельного тока для оксида азота, на третьем электроде, и напряжение, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы. Третий электрод выполнен с возможностью разложения кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару. Соответственно, не только предельный ток кислорода, но и также предельный ток оксида азота включены в ток электрода, согласующийся со вторым определенным значением.
[0040] Другими словами, строго говоря, не только концентрация кислорода, но также и концентрация оксида азота включена в концентрацию кислорода, определяемую, как описано выше. Однако концентрация оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, достаточно ниже концентрации кислорода. Соответственно, не возникает существенных проблем в отношении общих задач (например, расчете воздушно-топливного отношения воздушно-топливной смеси), даже когда концентрация кислорода, определяемая, как описано выше, рассматривается как концентрация только кислорода.
[0041] Второе определенное значение не имеет особых ограничений, как и в случае с первым определенным значением, поскольку второе определенное значение представляет собой значение любого сигнала (примеры включают в себя значение напряжения, значение силы тока, а также значение сопротивления), Как правило, второе определенное значение может являться силой тока, текущего через вторую электродную пару. Другими словами, блок ЭБУ может быть приспособлен для получения силы тока, текущего через вторую электродную пару в качестве второго определенного значения.
[0042] Ток электрода, который течет между этими электродами в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, равен предельному току для кислорода (и оксида азота), содержащегося в исследуемом газе, и предельная сила тока меняется в соответствии с концентрацией кислорода, содержащегося в исследуемом газе, как описано в начале данного описания. Более конкретно, предельный ток становится сильнее при увеличении концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, учитывая, что второе определенное значение, получаемое в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, увеличивается в случае, когда сила тока, текущего через вторую электродную пару, представляет собой второе определенное значение, как описано выше.
[0043] Согласно объекту, описанному выше, и кислород, и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, удаляются перекачивающим элементом (второй электрохимический элемент) на впускной стороне. Устройство согласно изобретению, тем не менее, может также быть выполнено с возможностью удаления кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, с помощью отдельных перекачивающих элементов.
[0044] В этом случае, элемент определения концентрации газа может быть дополнительно оснащен третьим электрохимическим элементом, который включает в себя третий элемент из твердого электролита, который имеет кислородно-ионную проводимость, и пятый электрод и шестой электрод, которые образованы на соответствующих поверхностях третьего элемента из твердого электролита. Третий элемент из твердого электролита может быть элементом из твердого электролита (например, тонколистовым элементом), отделенным от первого элемента из твердого электролита и второго элемента из! твердого электролита. В качестве альтернативного варианта, третий электрохимический элемент может использовать элемент из твердого электролита (например, тонколистовой элемент) совместно с одним из элементов или с обоими элементами- из первого электрохимического элемента и второго электрохимического элемента.
[0045] Элемент определения концентрации газа может быть сконфигурирован для пятого электрода, обращенного во внутреннюю полость, расположенного в положении, ближе к блоку сопротивления диффузии, чем третий электрод, и для шестого электрода, обращенного в третью отдельную полость, как в полость, отличную от этой внутренней полости. Другими словами, пятый электрод может быть сформирован положении во внутренней полости, которое находится дальше по впускной стороне, чем третий электрод (стороне, близкой к блоку сопротивления диффузии). Другими словами, третий электрохимический элемент может быть образован дальше по впускной стороне, чем второй электрохимический элемент.
[0046] Согласно объекту, описанному выше, блок ЭБУ может управлять третьим источником электропитания так, что напряжение подается на третью электродную пару из пятого электрода и шестого электрода. Блок ЭБУ может представлять собой ЭБУ для двигателя внутреннего сгорания, который подает заданное напряжение на каждый электрод третьей электродной пары путем управления электрической энергией, подаваемой из аккумулятора и пр.
[0047] Пятый электрод может быть выполнен с возможностью разложения кислорода без разложения оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем третье заданное напряжение, подано на третью электродную пару. Пятый электрод, способный разлагать кислород без разложения оксида азота при заданном приложенном напряжении, как описано выше, может быть изготовлен путем соответствующего подбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, а также условия термообработки, относящихся к производству электрода.
[0048] Блок ЭБУ может управлять третьим источником электропитания так, что заданное второе удаляющее напряжение подается на третью электродную пару, при этом второе удаляющее напряжение представляет собой напряжение, равное или большее, чем третье заданное напряжение, напряжение, равное или большее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором отображены характеристики предельного тока для кислорода, на пятом электроде, и напряжение, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы.
[0049] Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения, получаемого в случае, когда второе удаляющее напряжение подано на третью электродную пару, первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, и измерительное напряжение подано на первую электродную пару.
[0050] Характеристики предельного тока для кислорода, содержащегося в исследуемом газе, отображаются, и кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из внутренней полости действием перекачки кислорода третьего электрохимического элемента, когда второе удаляющее напряжение подано на третью электродную пару. Характеристики предельного тока для оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, отображаются, и оксид азота, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из внутренней полости действием перекачки кислорода второго электрохимического элемента, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару. В результате, по существу, кислород или оксид азота не содержится в исследуемом газе, достигающем первого электрода первого электрохимического элемента, расположенного на выпускной стороне. Соответственно, первое определенное значение, полученное блоком ЭБУ, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на что не влияют ни кислород, ни оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе во время введения во внутреннюю полость.
[0051] Другими словами, блок ЭБУ может точно получить концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения. Более конкретно, блок ЭБУ может задать концентрацию Sox, согласующуюся с полученным первым определенным значением на основании, например, соответствующей взаимосвязи между концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе (концентрацию SOx), полученную заранее и первым определенным значением. Таким образом, концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно определить с очень высокой степенью точности.
[0052] Кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из внутренней полости действием перекачки кислорода третьего электрохимического элемента, и оксид азота, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из внутренней полости действием перекачки кислорода второго электрохимического элемента. Соответственно, концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании определенного значения, согласующегося с током электрода, связанного с разложением кислорода в третьем электрохимическом элементе. Сходным образом, концентрация оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании определенного значения, согласующегося с током электрода, связанного с разложением оксида азота во втором электрохимическом элементе.
[0053] В этом случае, может быть предусмотрен второй датчик тока, который выдает второе определенное значение, согласующееся с током, текущим через вторую электродную пару, и третий датчик тока, который выдает третье определенное значение, согласующееся с током, текущим через третью электродную пару
[0054] Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, на основании второго определенного значения, полученного, когда второй заданное напряжение подано на вторую электродную пару. Более конкретно, блок ЭБУ может задавать концентрацию NOx, согласующуюся с полученным вторым определенным значением на основании, например, соответствующей взаимосвязи между концентрацией оксида азота, содержащегося в исследуемом газе (концентрацией NOx), полученной заранее, и вторым определенным значением.
[0055] Кроме того, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе на основании третьего определенного значения, полученного, когда третье заданное напряжение подано на третью электродную пару. Воздушно-топливное отношение воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, может быть получено на основании концентрации кислорода, полученной таким образом.
[0056] Второй датчик тока может быть, например, средством определения (например, датчиком) для выдачи второго определенного значения, согласующегося с током, текущим через вторую электродную пару (примеры включают в себя значение тока, значение напряжения, и значение сопротивления). Третий датчик тока может быть, например, средством определения (например, датчиком) для выдачи третьего определенного значения, согласующегося с током, текущим через третью электродную пару (примеры включают в себя значение тока, значение напряжения, и значение сопротивления). Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью приема выходных сигналов второго определенного значения и третьего определенного значения от второго датчика тока и третьего датчика тока.
[0057] Таким образом, концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно определить, и концентрацию кислорода, содержащегося в исследуемом газе, и концентрацию оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, можно определить индивидуально. Соответственно, это обеспечивает, например, снижение затрат и/или размеров системы управления для двигателя внутреннего сгорания.
[0058] Третье определенное значение, описанное выше, не имеет особых ограничений, поскольку третье определенное значение представляет собой значение любого сигнала (примеры включают в себя значение напряжения, значение тока, а также значение сопротивления). Как правило, третье определенное значение может быть силой тока, текущего через третью электродную пару. Другими словами, блок ЭБУ может быть приспособлен для получения силы тока, текущего через третью электродную пару в качестве третьего определенного значения.
[0059] Ток электрода, который течет между этими электродами в случае, когда второе удаляющее напряжение подается на третью электродную пару, представляет собой предельный ток для кислорода, содержащегося в исследуемом газе, и предельная сила тока меняется в соответствии с концентрацией кислорода, содержащегося в исследуемом газе, как описано в начале данного описания. Более конкретно, предельный ток становится сильнее при увеличении концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, учитывая, что третье определенное значение, полученное, когда второе удаляющее напряжение, подано на третью электродную пару, увеличивается, в случае, когда сила тока, текущего через третью электродную пару, представляет собой третье определенное значение, как описано выше.
[0060] Второе определенное значение, описанное выше, не имеет особых ограничений, поскольку второе определенное значение представляет собой значение любого сигнала (примеры включают в себя значение напряжения, значение тока, а также значение сопротивления). Как правило, третье определенное значение может быть силой тока, текущего через вторую электродную пару. Другими словами, блок ЭБУ может быть приспособлен для получения силы тока, текущего через вторую электродную пару, в качестве второго определенного значения.
[0061] Ток электрода, который течет между этими электродами в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, представляет собой предельный ток для оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, и предельная сила тока меняется в соответствии с концентрацией оксида азота, содержащегося в исследуемом газе. Более конкретно, предельный ток становится сильнее при увеличении концентрации оксида азота, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, учитывая, что второе определенное значение, полученное, когда первое удаляющее напряжение, подано на вторую электродную пару, увеличивается, в случае, когда сила тока, текущего через вторую электродную пару, представляет собой второе определенное значение, как описано выше.
[0062] Согласно объекту, описанному выше, третий электрохимический элемент расположен дальше по впускной стороне относительно второго электрохимического элемента. Другими словами, второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент расположены последовательно. Однако второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент могут быть расположены параллельно.
[0063] Здесь термин "параллельный" не ограничивается случаем, когда второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент расположены параллельно в геометрическом смысле. Более конкретно, «параллельный», описанный выше, может представлять собой широкое понятие, включающее в себя случай, когда второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент расположены так, чтобы концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем второго электрохимического элемента, была, по существу, равной концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем третьего электрохимического элемента.
[0064] В этом случае, элемент определения концентрации газа может быть дополнительно оснащен третьим электрохимическим элементом, который включает в себя третий элемент из твердого электролита, который имеет кислородно-ионную проводимость, и пятый электрод и шестой электрод, которые образованы на соответствующих поверхностях третьего элемента из твердого электролита. Третий элемент из твердого электролита может быть элементом из твердого электролита (например, тонколистовым элементом), отделенным от первого элемента из твердого электролита и второго элемента из твердого электролита. В качестве альтернативного варианта, третий электрохимический элемент может использовать элемент из твердого электролита (например, тонколистовой элемент) совместно с любым или обоими электрохимическими элементами из первого электрохимического элемента и второго электрохимический элемента.
[0065] Элемент определения концентрации газа может быть приспособлен для пятого электрода, обращенного в упомянутую внутреннюю полость, расположенного в области, достигаемой исследуемом газом, содержащим кислород, с концентрацией, равной концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем третьего электрода и для шестого электрода, обращенного в третью отдельную полость, как в полость, отличную от внутренней полости.
[0066] Подача напряжения на третью электродную пару третьим источником электропитания, конфигурация пятого электрода, который обеспечивает разложение кислорода, содержащегося в исследуемом газе, без разложения оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, когда третье заданное напряжение подано на третью электродную пару, конфигурация блока ЭБУ, которая обеспечивает управление третьим источником электропитания для подачи заданного второго удаляющего напряжения, которое представляет собой напряжение, равное или большее, чем третье заданное напряжение, напряжения равного или большего чем нижний предел диапазона напряжения, в котором отображены характеристики предельного тока для кислорода, на пятом электроде, и напряжения, которое ниже, чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы, на третью электродную пару, является обычным для вышеописанного объекта изобретения, согласно которому второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент расположены последовательно.
[0067] Кроме того, конфигурация блока ЭБУ, которая обеспечивает определение концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения, полученного, когда второе удаляющее напряжение подано на третью электродную пару, первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару, и измерительное напряжение подано на первую электродную пару, является обычной для вышеописанного объекта, согласно которому второй электрохимический элемент и третий электрохимический элемент расположены последовательно.
[0068] Другими словами, вообще в этом случае, по существу, ни кислорода, ни оксида азота не содержится в исследуемом газе, достигающем первого электрода первого электрохимического элемента, расположенного на самой дальней выпускной стороне. Соответственно, первое определенное значение, полученное блоком ЭБУ, меняется в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, без влияния кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе во время введения во внутреннюю полость. Соответственно, блок ЭБУ может получить точную концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, на основании первого определенного значения.
[0069] Согласно объекту, описанному выше, кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется из внутренней полости действием перекачки кислорода третьего электрохимического элемента, и кислород, и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, удаляются из внутренней полости действием перекачки кислорода второго электрохимического элемента. Соответственно, ток электрода на третьем электрохимическом элементе согласуется с током разложения кислорода, а ток электрода во втором электрохимическом элементе согласуется с токами разложения кислорода и оксида азота.
[0070] Как описано выше, концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем второго электрохимического элемента, и концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем третьего электрохимического элемента, по существу, равны друг другу. Соответственно, разница между вторым определенным значением, согласованным с током электрода во втором электрохимическом элементе, и третьим определенным значением, согласованным с током электрода на третьем электродеохимическом элементе, отражает концентрацию оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, достигающем второго электрохимического элемента. Другими словами, концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании третьего определенного значения, а концентрация оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании разницы между вторым определенным значением и третьим определенным значением.
[0071] В этом случае, может быть дополнительно предусмотрен второй датчик тока, который выдает второе определенное значение, согласующееся с током, текущим через вторую электродную пару, и третий датчик тока, который выдает третье определенное значение, согласующееся с током, текущим через третью электродную пару.
[0072] Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе на основании третьего определенного значения, получаемого в случае, когда второе удаляющее напряжение подано на третью электродную пару. Воздушно-топливное отношение воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, может быть получено на основании концентрации кислорода, полученной таким образом.
[0073] Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения концентрации оксида азота, содержащегося в газе, на основании разницы между вторым определенным значением и третьим определенным значением. Третье определенное значение представляет собой третье определенное значение, которое получают, когда второе удаляющее напряжение подано на третью электродную пару, и второе определенное значение представляет собой второе определенное значение, которое получают в случае, когда первое удаляющее напряжение подано на вторую электродную пару. Блок ЭБУ может задать концентрацию NOx, согласованную с полученной разницей между вторым определенным значением и третьим определенным значением на основании, например, соответствующей взаимосвязи между концентрацией оксида азота, содержащегося в исследуемом газе (концентрацией NOx), полученной заранее, и «разницей между вторым определенным значением и третьим определенным значением».
[0074] Как описано выше, устройство согласно изобретению обеспечивает определение концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, и обеспечивает отдельное определение концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, и концентрации оксида азота, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, это обеспечивает, например, снижение затрат и/или размеров системы управления для двигателя внутреннего сгорания.
[0075] Третий датчик тока, описанный выше, может быть приспособлен для получения силы тока, текущего через третью электродную пару, в качестве третьего определенного значения. Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом, учитывая, что третье определенное значение, получаемое в случае, когда третье заданное напряжение подано на третью электродную пару, увеличивается в случае, когда сила тока, текущего через третью электродную пару, представляет собой третье определенное значение, как описано выше.
[0076] Второй датчик тока может быть приспособлен для получения силы тока, текущего через вторую электродную пару, в качестве второго определенного значения. Блок ЭБУ может быть выполнен с возможностью определения более высокого значения концентрации оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, учитывая, что второе определенное значение, получаемое в случае, когда первое удаляющее напряжение, поданное на вторую электродную пару, увеличивается в случае, когда сила тока, текущего через вторую электродную пару, представляет собой второе определенное значение, как описано выше.
[0077] Как описано выше, пятый электрод может быть выполнен с возможностью разложения кислорода без разложения оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем третье заданное напряжение, подано на третью электродную пару. Пятый электрод, способный разлагать кислород без разложения оксида азота при заданном приложенном напряжении, как описано выше, также может быть изготовлен путем соответствующего выбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, и режима термообработки, относящихся к производству электрода. Обычно, предпочтительно, чтобы пятый электрод содержал, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из платины (Pt), золота (Au), свинца (Pb), и серебра (Ag).
[0078] Как описано выше, третий электрод может быть выполнен с возможностью разложения кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение подано на вторую электродную пару. Третий электрод, способный разлагать кислород и оксид азота при заданном приложенном напряжении, как описано выше, может быть изготовлен путем соответствующего выбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, и режима термообработки, относящихся к производству электрода. Примеры материала, образующего третий электрод, включают в себя вещество (например, драгоценный металл), который может вступать в реакцию, при этом кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, могут разложиться, когда напряжение, равное или большее, чем второе заданное напряжение, подают на вторую электродную пару. Обычно, предпочтительно, что первый электрод содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из платины (Pt), родия (Rh), и палладия (Pd).
[0079] Как описано выше, первый электрод может быть выполнен с возможностью разложения воды и оксида серы, содержащихся в исследуемом газе, когда напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение, подают на первую электродную пару. Первый электрод, способный разлагать воду и оксид серы при заданном приложенном напряжении, как описано выше, может быть может быть изготовлен путем соответствующего выбора, например, типа вещества, образующего материал электрода, и режима термообработки, относящихся к производству электрода. Примеры материала, образующего третий электрод, включают в себя вещество (например, драгоценный металл), который может вступать в реакцию, при этом кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, могут разложиться, когда напряжение, равное или большее, чем первое заданное напряжение подано между первым электродом и вторым электродом. Обычно, предпочтительно, что первый электрод содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из платины (Pt), родия (Rh), и палладия (Pd).
[0080] Другие объекты, признаки и преимущества изобретения станут понятными из последующего описания каждого варианта осуществления изобретения на основе сопровождающих чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0081] Особенности, преимущества, а также техническая и промышленная значимость проиллюстрированных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых идентичными ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы, и на которых:
на Фиг. 1 представлено схематично сечение, иллюстрирующее пример конфигурации элемента определения концентрации газа устройства определения концентрации газа (первого устройства) в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на Фиг. 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая взаимосвязь между напряжением (приложенным напряжением) Vm1, которое приложено между первым электродом и вторым электродом, которые составляют первый электрохимический элемент первого устройства, и током Im1 электрода, который течет между электродами;
2
на Фиг. 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая взаимосвязь между силой тока Im электрода и концентрацией оксида серы (SO), содержащегося в исследуемом газе, относящаяся к случаю, когда в первом устройстве приложенное напряжение Vm1 составляет 1,0 B;
на Фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая «процедуру обработки для получения концентрации оксидов серы», которая выполняется с помощью блока получения и обработки данных первого устройства;
на Фиг. 5 представлено схематично сечение, иллюстрирующее пример конфигурации элемента определения концентрации газа устройства определения концентрации газа (второго устройства) согласно второму варианту осуществления изобретения;
на Фиг. 6А представлено схематично сечение, иллюстрирующее пример конфигурации элемента определения концентрации газа устройства определения концентрации газа (третьего устройства) согласно третьему варианту осуществления изобретения; и
на Фиг. 6B представлено схематично сечение, взятое по линии VIB-VIB на фиг. 6А, иллюстрирующее пример конфигурации элемента определения концентрации газа устройства определения концентрации газа (третьего устройства) согласно третьему варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0082] Далее, будет описано устройство определения концентрации газа согласно первому варианту осуществления изобретения (далее именуемое в некоторых случаях «первым устройством»).
[0083] Как показано на фиг. 1, элемент 10 определения концентрации газа первого устройства оснащен элементом 11s из твердого электролита, первым слоем 21а из оксида алюминия, вторым слоем 21b из оксида алюминия, третьим слоем 21C из оксида алюминия, четвертым слоем 21d из оксида алюминия, пятым слоем 21е из оксида алюминия, блоком 32 сопротивления диффузии (слоем управления скоростью диффузии), и нагревателем 41. Элемент 11s из твердого электролита является тонколистовым элементом, который содержит диоксид циркония и пр., и имеет кислородно-ионную проводимость. Диоксид циркония, который образует элемент 11s из твердого электролита, может содержать такой элемент, как скандий (Sc) и иттрий (Y). Слои из оксида алюминия с первого по пятый 21а-21е являются оксидом алюминия, содержащим непроницаемые (газонепроницаемые) слои (непроницаемые тела). Блок 32 сопротивления диффузии, который представляет собой пористый слой управления скоростью диффузии, является газопроницаемым слоем (тонколистовым элементом). Нагреватель 41 представляет собой тонколистовой элемент, выполненный из металлокерамики, например, платины (Pt) и керамики (например, оксида алюминия). Нагреватель 41 представляет собой нагревательный элемент, который под напряжением генерирует тепло.
[0084] Соответствующие слои элемента 10 определения концентрации газа уложены по порядку - пятый слой 21е оксида алюминия, четвертый слой 21d оксида алюминия, третий слой 21c оксида алюминия, элемент 11s из твердого электролита, блок 32 сопротивления диффузии, второй слой 21b из оксида алюминия и первый слой 21а из оксида алюминия снизу.
[0085] Внутренняя полость 31 представляет собой полость, которая образована первым слоем 21а из оксида алюминия, элементом 11s из твердого электролита, блоком 32 сопротивления диффузии, и вторым слоем 21b из оксида алюминия. Выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания вводят, в качестве исследуемого газа, во внутреннюю полость 31 через блок 32 сопротивления диффузии. Другими словами, внутренняя полость 31 сообщается с внутренним участком выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания (ни один из которых не показан здесь) посредством блока 32 сопротивления диффузии в элементе 10 определения концентрации газа. Соответственно, выхлопные газы в выхлопной трубе вводятся во внутреннюю полость 31 в качестве исследуемого газа.
[0086] Первый тракт 51 введения атмосферного воздуха образован первым элементом 11s из твердого электролита, третьим слоем 21c из оксида алюминия, и четвертым слоем 21d из оксида алюминия, и открыт в атмосферу вне выхлопной трубы. Первый тракт 51 введения атмосферного воздуха соответствует первой отдельной полости. Второй тракт 52 введения атмосферного воздуха образован вторым элементом 12s из твердого электролита, первым слоем 21а из оксида алюминия, и шестым слоем 21f из оксида алюминия, и открыт в атмосферу вне выхлопной трубы. Второй тракт 52 введения атмосферного воздуха соответствует второй отдельной полости.
[0087] Первый электрод 11 представляет собой катод, а второй электрод 11b является анодом. Первый электрод 11a жестко прикреплен к поверхности на одной стороне элемента 11s из твердого электролита (в частности, поверхности элемента 11s из твердого электролита, которая образует внутреннюю полость 31). Второй электрод 11b жестко прикреплен к поверхности на другой стороне элемента 11s из твердого электролита (в частности, поверхности элемента 11s из твердого электролита, которая образует первый тракт 51 введения атмосферного воздуха). Первый электрод 11a, второй электрод 11b, и элемент 11s из твердого электролита составляют первый электрохимический элемент 11с, который способен на действия перекачки кислорода на основе отвода кислорода.
[0088] Третий электрод 12 представляет собой катод и четвертый электрод 12b представляет собой анод. Третий электрод 12а жестко прикреплен к поверхности на боковой стороне второго элемента 12s из твердого электролита (более конкретно, поверхности второго элемента 12s из твердого электролита, которая образует внутреннюю полость 31). Четвертый электрод 12b жестко прикреплен к поверхности на другой стороне второго элемента 12s из твердого электролита (более конкретно, поверхности второго элемента 12s из твердого электролита, которая образует второй тракт 52 введения атмосферного воздуха). Третий электрод 12а, четвертый электрод 12b, и второй элемент 12s из твердого электролита образуют второй электрохимический элемент 12c, который способен на действие перекачки кислорода на основе отвода кислорода. Первый электрохимический элемент 11с и второй электрохимический элемент 12c нагреваются до температуры активации нагревателем 41.
[0089] Первый элемент 11s из твердого электролита, второй элемент 12s из твердого электролита, и каждый из слоев 21а-21f из оксида алюминия с первого по шестой может быть создан в форме листа с помощью ракельного способа, способа экструзионного формования, и пр. Первый электрод 11а, второй электрод 11b, и проводка и пр. для питания электродов, могут быть созданы способом трафаретной печати и пр. Когда листы уложены, как описано выше и запитаны, элемент 10 определения концентрации газа, который имеет вышеописанную конструкцию, может быть выполнен как одно целое.
[0090] Первый электрод 11a представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента. Второй электрод 11b представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Сходным образом, третий электрод 12а представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента. Четвертый электрод 12b представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента.
[0091] В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, второй электрохимический элемент 12c включает в себя второй элемент 12s из твердого электролита, отделенный от первого элемента 11s из твердого электролита, образующего первый электрохимический элемент 11с. Однако второй электрохимический элемент 12c может использовать первый элемент 11s из твердого электролита совместно с первым электрохимическим элементом 11c. В этом случае, первый тракт 51 введения атмосферного воздуха функционирует как первая отдельная полость и вторая отдельная полость.
[0092] Первое устройство также оснащено источником 61 электропитания, амперметром 71, и блоком ЭБУ 81 (электронным блоком управления). Источник 61 электропитания и амперметр 71 подключены к блоку ЭБУ 81. Источник 61 электропитания может подавать заданное напряжение между первым электродом 11a и вторым электродом 11b так, что потенциал второго электрода 11b превышает потенциал первого электрода 11a. Работа источника 61 электропитания управляется блоком ЭБУ 81. Амперметр 71 измеряет силу тока электрода, который представляет собой ток, текущий между первым электродом 11a и вторым электродом 11b (то есть, ток, текущий через элемент 11s из твердого электролита). Амперметр 71 выдает измеренное значение на блок ЭБУ 81.
[0093] Первое устройство также оснащено источником 62 электропитания и амперметром 72. Источник 62 электропитания и амперметр 72 соединены с блоку ЭБУ 81. Источник 62 электропитания может подавать заданное напряжение между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b, при этом потенциал четвертого электрода 12b превышает потенциал третьего электрода 12а. Работа источника 62 электропитания управляется блоком ЭБУ 81. Амперметр 72 измеряет силу тока электрода, который представляет собой ток, текущий между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b (то есть, ток, текущий через второй элемент 12s из твердого электролита). Амперметр 72 выдает измеренное значение на блок ЭБУ 81.
[0094] Блок ЭБУ 81 выполнен как микрокомпьютер, включающий в себя центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое хранит программу, карту, и прочее, выполняемые ЦП, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое временно хранит данные, и тому подобное. Блок ЭБУ 81 может быть соединен с приводами (не показаны, примеры включают в себя клапан впрыска топлива, дроссельный клапан, и клапан рециркуляции отработавших газов) двигателя внутреннего сгорания. В этом случае блок ЭБУ 81 выдает сигналы для приводов (инструкции) на приводы, и также управляет двигателем внутреннего сгорания
[0095] Блок ЭБУ 81 может управлять приложенным напряжением Vm1, которое подается на первый электрод 11 и второй электрод 11b, путем управления источником 61 электропитания. Кроме того, блок ЭБУ 81 может принимать сигнал, выдаваемый из амперметра 71, согласованный с током Im1 электрода, протекающим через первый электрохимический элемент 11c. Кроме того, блок ЭБУ 81 может управлять приложенным напряжением Vm2, которое подается на третий электрод 12 и четвертый электрод 12b, путем управления источником 62 электропитания. Кроме того, блок ЭБУ 81 может принимать сигнал, выдаваемый из амперметра 72, согласованный с током Im2 электрода, протекающим через второй электрохимический элемент 12c.
[0096] В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, источник 61 электропитания и источник 62 электропитания включены как различные источники электропитания. Однако эти источники электропитания могут быть выполнены как единственный источник электропитания, поскольку предполагаемы напряжения питания могут быть соответственно приложены между соответствующими электродами. Кроме того, множество средств управления напряжением могут быть сконфигурированы с возможностью параллельного подсоединения к единственному источнику электропитания (например, аккумулятору).
[0097] Концентрации кислорода и оксида азота, содержащихся в выхлопных газах, выпускаемых из двигателя внутреннего сгорания, может меняться различными путями, в зависимости, например, от воздушно-топливного отношения и режима горения воздушно-топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания. В результате, концентрации кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется в некоторых случаях. Когда концентрация кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется, то сила тока, протекающего между электродами электрохимических элементов, способных на действие перекачки кислорода, также меняется, и, таким образом, точность определения концентрации компонента, чью концентрацию нужно определить (примеры включают в себя воду и оксид серы), может снизиться.
[0098] Однако согласно элементу 10 определения концентрации газа первого устройства, кислород и оксид азота могут быть удалены из внутренней полости 31 на основании действия перекачки кислорода, когда первое удаляющее напряжение подано между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b. Более конкретно, кислород и оксид азота удаляются из внутренней полости 31 во второй тракт 52 введения атмосферного воздуха, когда первое удаляющее напряжение подано между электродами, при этом третий электрод 12 cтановится катодом, а четвертый электрод 12b становится анодом. Таким образом, кислород и оксид азота, которые содержатся в исследуемом газе во внутренней полости 31, могут быть, по существу, удалены вторым электрохимическим элементом 12c согласно элементу 10 определения концентрации газа первого устройства.
[0099] Другими словами, согласно элементу 10 определения концентрации газа первого устройства, кислород и оксид азота может быть удалены из внутренней полости 31 на основании действия перекачки кислорода вторым электрохимическим элементом 12c, как описано выше, и, таким образом, концентрацию кислорода и оксида азота во внутренней полости 31 можно скорректировать, чтобы она стала постоянной (обычно приблизительно 0 (ноль) ч/млн), даже когда концентрации кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется.
[0100] Когда измерительное напряжение подано между первым электродом 11a и вторым электродом 11b, при этом потенциал второго электрода 11b превышает потенциал первого электрода 11a, не только вода, содержащаяся в исследуемом газе, но и также оксид серы, содержащегося в исследуемом газе, разлагаются, на первом электроде 11a. Считается, что продукты разложения оксида серы (примеры включают в себя серу и соединения серы) абсорбируются на первом электроде 11 и уменьшается площадь первого электрода 11a, способная внести вклад в разложение воды. В результате первое определенное значение, которое соотносится с током электрода, относящееся к подаче измерительного напряжения между первым электродом 11 и вторым электродом 11b, меняется, в соответствии с концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе.
[0101] Когда кислород и/или оксид азота содержится в исследуемом газе, достигающем первого электрода 11, в этом случае, эти компоненты также разлагаются на первом электроде 11a. Другими словами, на первое определенное значение оказывают влияние кислород и/или оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе. Однако согласно элементу 10 определения концентрации газа, кислород и оксид азота, содержащиеся в исследуемом Газе во внутренней полости 31, по существу, удаляются, как описано выше, вторым электрохимическим элементом 12c, который расположен на впускной стороне первого электрохимического элемента 11c. Соответственно, в первом варианте устройства, влияние на ток Im1 электрода, определенный в первом электрохимическом элементе 11c, может быть эффективно снижено, даже когда концентрация кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется. В результате концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе можно с точностью определить с помощью этого первого варианта устройства.
[0102] Взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, в отношении первого электрохимического элемента 11c, будет описана более подробно. На Фиг. 2 представлена схематическая диаграмма иллюстрирующая взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, что относится к случаю, когда приложенное напряжение Vm1 постепенно повышают (повышают и вычерчивают) на первом электрохимическом элементе 11c. В этом примере используются четыре различных типа исследуемых газов, в которых концентрация диоксида серы (SO2), как оксидов серы, содержащихся в исследуемых газах, составляют 0 частей на миллион, 100 частей на миллион, 300 частей на миллион, и 500 частей на миллион. Кроме того, концентрации кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, достигающем первого электрода 11a (катод) первого электрохимического элемента 11c, поддерживается постоянной (по существу, на 0 (нуле) ч/млн) для каждого исследуемого газа вторым электрохимическим элементом 12c, расположенным на впускной стороне первого электрохимического элемента 11c.
[0103] Кривая L1, обозначенная сплошной линией, показывает взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, относящуюся к случаю, когда оксид серы, содержащийся в исследуемом газе, имеет концентрацию от 0 (нуля) частей на миллион. В элементе 10 определения концентрации газа кислород и окись азота, содержащиеся в исследуемом газе существенно удаляются вторым электрохимическим элементом 12c, как описано выше, и поэтому не течет никакого тока электрода (Im1=0 мкА) в области, в которой приложенное напряжение Vm1 меньше приблизительно 0,6 B. Ток Im электрода начинает увеличиваться, когда приложенное напряжение Vm1 становится равным или больше, чем приблизительно 0,6 B. Это увеличение тока Im электрода связано с началом разложения воды на первом электроде 11a.
[0104] Кривая пунктирная линия L2 показывает взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, относящуюся к случаю, когда диоксид серы, содержащийся в исследуемом газе, имеет концентрацию 100 частей на миллион. Взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, относящаяся к этому случаю, аналогична взаимосвязи показанной кривой L1 (случай, когда диоксид серы, содержащийся в исследуемом газе, имеет концентрацию от 0 (нуля) частей на миллион), когда приложенное напряжение Vm1 меньше, чем напряжение, при котором начинается разложение воды на первом электроде 11a (напряжение начала разложения) (приблизительно 0,6 B). Другими словами, ток Im1 электрода не течет в области, в которой приложенное напряжение Vm1 меньше приблизительно 0,6 B. Когда приложенное напряжение Vm1 равно или больше чем напряжение начала разложения воды (приблизительно 0,6 В) на первом электроде 11a, разложение воды заставляет течь ток электрода. Однако ток Im1 электрода ниже, чем ток по кривой L1 и скорость возрастания тока Im1 электрода относительно приложенного напряжения Vm1 также ниже, чем скорость возрастания по кривой L1 (более пологая кривая).
[0105] Кривая L3, которая показана одной штрихпунктирной линией, иллюстрирует взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, относящуюся к случаю, когда диоксид серы, содержащийся в исследуемом газе, имеет концентрацию 300 частей на миллион. Кривая пунктирная линия L4 показывает взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода, относящуюся к случаю, когда диоксид серы, содержащийся в исследуемом газе, имеет концентрацию 500 частей на миллион. В обоих случаях, взаимосвязь между приложенным напряжением Vm1 и током Im1 электрода аналогична скорости возрастания показанной кривой L1 (случай, когда диоксид серы, содержащийся в испытательном газе, имеет концентрацию от 0 (нуля) частей на миллион), когда приложенное напряжение Vm1 меньше, чем напряжение начала разложения (приблизительно 0,6 В) воды на первом электроде 11a. Ток Im электрода течет, потому что разлагается вода, когда приложенное напряжение Vm1 равно или выше, чем напряжение начала разложения (приблизительно 0,6 B) воды на первом электроде 11a. Однако ток Im1 электрода уменьшается при увеличении концентрации диоксида серы, содержащегося в исследуемом газе, и скорость возрастания тока Im1 электрода относительно приложенного напряжения Vm1, уменьшается, при увеличении концентрации диоксида серы, содержащегося в исследуемом газе (более пологая кривая).
[0106] Как описано выше, сила тока Im1 электрода, относящаяся к случаю, когда приложенное напряжение Vm1 равно или выше, чем напряжение начала разложения (приблизительно 0,6 В) воды на первом электроде 11a, меняется в соответствии с концентрацией диоксида серы, который содержится в исследуемом газе. График, который показан на фиг. 3, получен тогда, когда, например, сила тока Im1 электрода в соответствии с кривыми L1-L4 на диаграмме, проиллюстрированной на фиг. 2 пунктирными линиями концентрации диоксида серы, содержащейся в исследуемом газе, соответствует случаю, когда приложенное напряжение Vm1 составляет 1,0 B. Как показано пунктирной кривой на фиг. 3, сила тока Im электрода при определенном приложенном напряжении Vm1 (1,0 B в данном случае) меняется в соответствии с концентрацией диоксида серы, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, когда получают (первое определенное значение согласованное c) ток Im1 электрода при определенном приложенном напряжении Vm1 (которое представляет собой заданное напряжение равное или большее, чем напряжение начала разложения воды, и именуемое также «первым заданным напряжением»), может получить концентрацию оксида серы, соотносящегося с током электрода Im1 (соотносящегося с первым определенным значением).
[0107] Соответствующие конкретные величины приложенного напряжения Vm1 показаны на горизонтальной оси диаграммы, проиллюстрированной на фиг. 2, значения тока Im1 электрода, показаны на вертикальной оси диаграммы, проиллюстрированной на фиг. 2, при этом приложенное напряжение Vm1, описанное выше, могут изменяться в соответствии с условиями (случаи, включающие в себя концентрации различных компонентов, содержащихся в исследуемом газе) эксперимента, выполненными таким образом, чтобы получить диаграмму, проиллюстрированную на фиг. 2, и значения приложенного напряжения Vm1 и тока Im1 электрода не всегда ограничивается значениями, описанными выше.
[0108] Процедура обработки для получения концентрации оксидов серы, которая выполняется в первом варианте устройстве, будет описана более подробно. На Фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая «Процедуру обработки для получения концентрации оксидов серы», которую блок ЭБУ 81 выполняет с использование элемента 10 определения концентрации газа. Например, ЦП блока ЭБУ 81, описанного выше (далее именуемый в некоторых случаях просто в «ЦП» в некоторых случаях), инициирует обработку в определенные моменты времени, и обеспечивает переход обработки от этапа 400 до этапа 410.
[0109] Сначала, на этапе 410, ЦП определяет, имеется ли запрос на получение концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе (запрос на получение концентрации SOx). Запрос на получение концентрации SOx генерируется тогда, когда, например, топливный бак заполнен топливом в транспортном средстве, на котором установлен двигатель внутреннего сгорания, оснащенный первым вариантом устройства. Запрос на получение концентрации SOx может быть выпущен в случае, когда выполняется процедура обработки для получения концентрации оксидов серы, после того, как топливный бак заполнен топливом, и присутствует история получения концентрации оксида серы, содержащегося в исследуемом газе.
[0110] В случае, когда на этапе 410 определено, что запрос на получение концентрации SOx присутствует (этап 410: Да), ЦП позволяет обработке приступить к этапу 420 и определяет, находится ли двигатель внутреннего сгорания (E/G), в котором применено первое устройство, в устойчивом режиме. ЦП определяет, что двигатель внутреннего сгорания находится в устойчивом режиме, когда, например, разница между максимальным значением и минимальным значением нагрузки в заданный период времени меньше чем пороговое значение, или когда разница между максимальным значением и минимальным значением величины усилия акселератора в заданное время меньше чем пороговое значение.
[0111] В случае, когда определено на этапе 420, что двигатель внутреннего сгорания находится в устойчивом режиме (этап 420: Да), ЦП позволяет обработке приступить к этапу 430 и подает первое удаляющее напряжение (0,4 B в первом устройстве) между третьим электродом 12а и четвертым электродом 12b в качестве приложенного напряжения Vm2, подавая при этом измерительное напряжение (1,0 B в первом устройстве) между первым электродом 11a и вторым электродом 11b в качестве приложенного напряжения Vm1.
[0112] Далее, ЦП позволяет обработке приступить к этапу 440 и определяет, соответствует ли продолжительность периода, когда подается измерительное напряжение в качестве приложенного напряжения Vm1 и первое удаляющее напряжение в качестве приложенного напряжения Vm2, заданному пороговому значению (Tth). Это пороговое значение Tth соответствует длительности периода, достаточного для адсорбции продукта разложения на первом электроде 11a, который представляет собой катод, и уменьшения тока электрода оксидом серы, содержащимся в исследуемом газе, разлагаемым приложенным напряжением Vm между первым электродом 11a и вторым электродом 11b, которое становится первым заданным напряжением. Конкретная величина порогового значения Tth (продолжительность времени) может быть определена на основе, например, предварительного эксперимента, в котором используется элемент 10 определения концентрации газа первого варианта устройства.
[0113] В случае, когда определено на этапе 440, что продолжительность периода соответствует заданному пороговому значению (этап 440: ДА), то ЦП позволяет обработке приступить к этапу 450 и получает ток Im1 электрода, в качестве первого определенного значения. Далее, ЦП позволяет обработке приступить к этапу 460 и получает концентрацию оксида серы, согласующуюся с первым определенным значением, например, путем обращения к карте данных, проиллюстрированной на фиг. 3. Далее, ЦП позволяет обработке приступить к этапу 470 и завершает процедуру. Таким образом, первый вариант устройства может с точностью определить концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе.
[0114] В случае, когда определено на этапе 410, что запрос на получение концентрации SOx отсутствует (этап 410: Нет), в случае, когда определено на этапе 420, что двигатель внутреннего сгорания не находится в устойчивом режиме (этап 420: НЕТ), или в случае, когда определено на этапе 440, что продолжительность периода не соответствует заданному пороговому значению (этап 440: Нет), ЦП позволяет обработке приступить к этапу 470 и завершает процедуру.
[0115] Программа, которая позволяет процедуре, описанной выше, выполняться ЦП, может храниться в устройстве хранения данных (например ПЗУ) в блоке ЭБУ 81. Кроме того, соответствующая взаимосвязь между током Im1 электрода, как первым определенным значением, и концентрацией оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, относящейся к случаю, когда приложенное напряжение Vm представляет собой измерительное напряжение (1,0 B в первом устройстве), может быть получена заранее, например, в ходе предшествующего эксперимента, используя исследуемый газ с известной концентрацией оксида серы. Таблица данных (например, карта данных), показывающая соответствующую взаимосвязь, может быть сохранена в устройстве хранения данных (например, ПЗУ) блока ЭБУ 81, при этом ЦП может обратиться к таблице данных на этапе 460.
[0116] В первом устройстве, первое удаляющее напряжение равно 0,4 B, как описано выше. Однако первое удаляющее напряжение этим не ограничивается, поскольку первое удаляющее напряжение равно, или больше, чем нижний предел диапазона напряжения, где отображены характеристики предельного тока для оксида азота, и представляет собой заданное напряжение, которое меньше чем напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы в случае подачи питания между третьим электродом 12а и четвертым электродом 12b, при этом третий электрод 12а является катодом, а четвертый электрод 12b является анодом, как описано выше. Область предельного тока для оксида азота составляет приблизительно от 0,1 B до, по меньшей мере, 0,2 B, и напряжение, при котором инициируется разложение оксида серы, составляет приблизительно 0,5 B-0,6 B. В этом диапазоне также отражены напряжения характеристики предельного тока для кислорода.
[0117] Область предельного тока для оксида азота, описанная выше, стремится к смещению в сторону высокого напряжения при увеличении концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе. Соответственно, предпочтительно, чтобы блок подачи второго напряжения был выполнен с возможностью увеличения первого удаляющего напряжения при увеличении концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе.
[0118] Измерительное напряжение равно 1,0 B в первом варианте устройства. Однако измерительное напряжение этим не ограничивается, поскольку измерительное напряжение представляет собой заданное напряжение, которое обеспечивает разложение воды и оксида серы, содержащихся в исследуемом газе, при подаче между первым электродом 11a и вторым электродом 11b, при этом первый электрод 11a является катодом, а второй электрод 11b является анодом, как описано выше. Напряжение, при котором инициируется разложение воды, составляет приблизительно 0,6 B как описано выше. Соответственно, предпочтительно, чтобы измерительное напряжение представляло собой заданное напряжение, по меньшей мере, 0,6 B.
2
[0119] Когда приложенное напряжение Vm1 является напряжением, которое равно или больше, чем нижнее предельное напряжение области предельного тока для воды, скорость подачи воды, достигающей первого электрода (катода) через блок сопротивления диффузии, меньше, чем скорость разложения воды на первом электроде. Другими словами, характеристики предельного тока для воды отражены. В этом случае, может быть сложным точно определить концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе на основании первого определенного значения. Кроме того, избыточное увеличение приложенного напряжения Vm1 может привести к разложению другого компонента, содержащегося в исследуемом газе (например, оксида углерода (CO)) и/или первого элемента 11s из твердого электролита. Соответственно, предпочтительно, чтобы измерительное напряжение представляло собой заданное напряжение, которое ниже, чем нижнее предельное напряжение области предельного тока для воды. Другими словами, желательно, чтобы первое заданное напряжение представляло собой заданное напряжение, равное или большее, чем напряжение начала разложения воды, и меньшее, чем нижний предел диапазона напряжения, в котором отражены (наблюдаемы) предельные токовые характеристики для воды. Нижнее предельное напряжение области предельного тока для воды составляет приблизительно 2.0 B. Хотя возможны слабые колебания, в зависимости от, например, концентрации воды, содержащейся в исследуемом газе, и условий измерения.
[0120] В первом варианте устройства, сила тока электрода, текущего между первым электродом 11 и вторым электродом 11b, когда измерительное напряжение подано между первым электродом 11 и вторым электродом 11b, представляет собой первое определенное значение. Однако первое определенное значение этим не ограничивается, поскольку первое определенное значение является значением любого сигнала, согласующегося током электрода (примеры включают в себя значение напряжения, значение тока, а также значение сопротивления), как описано выше. В случае, когда значение сигнала имеет положительную корреляцию с током электрода (например, значение напряжения и значение тока), и принимается как первое определенное значение, первое устройство выполнено с возможностью определения более высокого значения концентрации оксидов серы, когда первое определенное значение уменьшается. В случае, когда значение сигнала имеет отрицательную корреляцию с током электрода, и принимается как первое определенное значение, первое устройство выполнено с возможностью определения более высокого значения концентрации оксидов серы, когда первое определенное значение увеличивается.
[0121] В первом варианте устройства, третий электрод 12а представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента, а четвертый электрод 12b является пористым металлокерамическим электродом, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Однако материал, который образует третий электрод 12а, этим не ограничивается, поскольку восстановительное разложение может быть выполнено на воде и оксиде серы, содержащихся в исследуемом газе, введенном во внутреннюю полость 31 через блок 32 сопротивления диффузии, когда второе заданное напряжение приложено между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b. Предпочтительно, что материал, который образует третий электрод 12а, содержит, в качестве главного компонента, элементы платиновой группы, например, платину (Pt), родий (Rh), палладий и (Pd) или их сплавы. Более предпочтительно, что третий электрод 12а представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит, в качестве главного компонента, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из платины (Pt), родия (Rh), и палладия (Pd).
[0122] Сходным образом, в первом варианте устройства первый электрод 11a представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента, и второй электрод 11b является пористым металлокерамическим электродом, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Однако материал, который образует первый электрод 11a, этим не ограничивается, поскольку восстановительное разложение может быть выполнено на воде и оксиде серы, содержащихся в исследуемом газе, введенном во внутреннюю полость 31 через блок 32 сопротивления диффузии, когда первое заданное напряжение приложено между первым электродом 11а и вторым электродом 11b. Предпочтительно, что материал, который образует первый электрод 11, содержит, в качестве главного компонента, элементы платиновой группы, например, платину (Pt), родий (Rh), палладий и (Pd) или их сплавы. Более предпочтительно, что первый электрод 11a представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит, в качестве главного компонента, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из платины (Pt), родия (Rh), и палладия (Pd).
[0123] Далее будет описано устройство определения концентрации газа согласно второму варианту осуществления изобретения (далее именуемое в некоторых случаях «вторым устройством»).
[0124] Элемент 20 определения концентрации газа второго варианта устройства аналогичен по конфигурации элементу 10 определения концентрации газа первого варианта устройства с единственным исключением, что дополнительно предусмотрен второй электрохимический элемент (перекачивающий элемент 12c), который расположен на впускной стороне (блок 32 сопротивления диффузии стороны) первого электрохимического элемента (перекачивающий элемент 11c). Последующее описание конфигурации второго устройства будет сосредоточено на том, чем второе устройство отличается от первого устройства.
[0125] Как показано на фиг. 5, пятый электрод 13а, шестой электрод 13b, и второй элемент 12s из твердого электролита образуют третий электрохимический элемент 13c, при этом третий электрохимический элемент 13c расположен на впускной стороне второго электрохимического элемента 12c (блок 32 сопротивления диффузии) в элементе 20 определения концентрации газа. Пятый электрод 13а представляет собой катод, а шестой электрод 13b представляет собой анод. Пятый электрод 13а жестко прикреплен к поверхности на одной стороне второго элемента 12s из твердого электролита (более конкретно, поверхности второго элемента 12s из твердого электролита, которая образует внутреннюю полость 31). Шестой электрод 13b жестко прикреплен к поверхности на другой стороне второго элемента 12s из твердого электролита (более конкретно, поверхности второго элемента 12s из твердого электролита, которая образует второй тракт 52 введения атмосферного воздуха). Пятый электрод 13а обращен во внутреннюю полость 31 в положении, которое ближе к блоку 32 сопротивления диффузии, чем третий электрод 12а.
[0126] Источник 63 электропитания может подавать заданное напряжение между пятым электродом 13 и шестым электродом 13b, при этом потенциал шестого электрода 13b превышает потенциал пятого электрода 13а. Работа источника 63 электропитания управляется блоком ЭБУ 81. Блок ЭБУ 81 может управлять приложенным напряжением Vm3, которое подается на пятый электрод 13а и шестой электрод 13b. Во втором устройстве, и второе удаляющее напряжение, и первое удаляющее напряжение равны 0,4 B.
[0127] Амперметр 73 измеряет силу тока Im3 электрода, который представляет собой ток, текущий между пятым электродом 13а и шестым электродом 13b (то есть, ток, текущий через второй элемент 12s из твердого электролита). Амперметр 73 выдает измеренное значение на блок ЭБУ 81. Блок ЭБУ 81 может принимать сигнал, согласующийся с током Im3 электрода, выдаваемым амперметром 73 и протекающим через третий электрохимический элемент 13c.
[0128] Третий электрод 12а представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента. Четвертый электрод 12b представляет собой пористый металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Пятый электрод 13а представляет собой металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и gold (Au) в качестве главного компонента. Шестой электрод 13b представляет собой металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Другими словами, сам пятый электрод 13а выполнен так, чтобы избежать разложения оксида азота, несмотря на разложение кислорода, даже при заданном приложенном напряжении.
[0129] Как описано выше, третий электрохимический элемент 13c обеспечивает только разложение кислорода, не обеспечивая никакого существенного разложения оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, несмотря на подачу приложенного напряжения Vm3 (0,4 B), равного приложенному напряжению Vm2 второго электрохимического элемента 12c. Другими словами, ток Im3 электрода третьего электрохимического элемента включает в себя только ток, связанный с разложением кислорода, и не включает в себя, по существу, какого-либо тока, связанного с разложением оксида азота. Второй электрохимический элемент 12c расположен на выпускной стороне третьего электрохимического элемента 13c. Кислород, содержащийся в исследуемом газе, удаляется третьим электрохимическим элементом, а второй электрохимический элемент 12c разлагает только оксид азота. Другими словами, ток Im2 электрода второго электрохимического элемента включает в себя только ток, связанный с разложением оксида азота, и не включает в себя, по существу, какого-либо тока, связанного с разложением кислорода.
[0130] Соответственно, с помощью второго устройства, концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании третьего определенного значения, согласованного с током Im3 электрода третьего электрохимического элемента 13c. Кроме того, концентрация оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании второго определенного значения, согласованного с током Im2 электрода второго электрохимического элемента 12c. Более конкретно, второе устройство может индивидуально определить концентрацию кислорода и концентрацию оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, на основании тока Im3 электрода (третье определенное значение), что относится к случаю, когда второе удаляющее напряжение (приложенное напряжение Vm3=0,4 B) подается между пятым электродом 13 и шестым электродом 13b третьего электрохимического элемента 13c, и тока Im2 электрода (второе определенное значение), что относится к случаю, когда первое удаляющее напряжение (приложенное напряжение Vm2=0,4 B) подается между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b второго электрохимического элемента 12c, соответственно.
[0131] Согласно элементу 20 определения концентрации газа, кислород удаляется из внутренней полости 31 на основании действия перекачки кислорода, когда второе удаляющее напряжение подают между пятым электродом 13 и шестым электродом 13b, при этом пятый электрод 13а является катодом и шестой электрод 13b является анодом. Кроме того, оксид азота удаляется из внутренней полости 31 на основании действия перекачки кислорода, когда первое удаляющее напряжение подано между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b, при этом третий электрод 12а является катодом, а четвертый электрод 12b является анодом. Таким образом, кислород и оксид азота во внутреннем полости 31 удаляются третьим электрохимическим элементом 13c и вторым электрохимическим элементом 12c в элементе 20 определения концентрации газа. Соответственно, исследуемый газ, достигающий первого электрода 11a (катода) первого электрохимического элемента 11c, не содержит, по существу, кислорода или оксида азота согласно элементу 20 определения концентрации газа.
[0132] Другими словами, согласно элементу 20 определения концентрации газа, влияние на ток Im1 электрода, определенный в первом электрохимическом элементе 11с, может быть эффективно снижено, даже когда концентрация кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется. В результате концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно с точностью определить с помощью второго устройства.
[0133] В примере, проиллюстрированном на фиг. 5, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c сконфигурированы, чтобы совместно использовать второй элемент 12s из твердого электролита. В этом случае, второй тракт 52 введения атмосферного воздуха функционирует как вторая отдельная полость и третья отдельная полость. Однако третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c могут быть сконфигурированы, чтобы включать в себя отдельные твердые электролиты. В примере, проиллюстрированном на фиг. 5, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c включают в себя второй элемент 12s из твердого электролита, отделенный от первого элемента 11s из твердого электролита, который образует первый электрохимический элемент 11c. Однако любой или оба из третьего электрохимического элемента 13c и второго электрохимического элемента 12c могут совместно использовать первый элемент 11s из твердого электролита с первым электрохимическим элементом 11c. В этом случае, первый тракт 51 введения атмосферного воздуха функционирует не только как первая отдельная полость, но также как и любая из полостей или обе полости из числа третьей отдельной полости и второй отдельной полости.
[0134] Далее будет описано устройство определения концентрации газа согласно третьему варианту осуществления изобретения (далее именуемое в некоторых случаях «третьим устройством»).
[0135] Как показано на фиг. 6А и 6B, элемент 30 определения концентрации газа третьего варианта устройства аналогичен по конфигурации элементу 20 определения концентрации газа второго устройства, с единственным исключением, что дополнительно предусмотрен третий электрохимический элемент 13c (перекачивающий элемент), который расположен поблизости от первого электрохимического элемента 11c (перекачивающий элемент). При этом, «поблизости» относится к области, достигаемой исследуемом газом, содержащим воду с концентрацией, равной концентрации воды, содержащейся в исследуемом газе, достигающем первого электрохимического элемента 11c (перекачивающий элемент). Последующее описание конфигурации третьего устройства будет сосредоточено на том, чем третье устройство отличается от второго устройства.
[0136] На фиг. 6B представлен вид в разрезе элемента 30 определения концентрации газа, взятый по линии VIB-VIB на фиг. 6А. В примере третьего устройства, который проиллюстрирован на фиг. 6B, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c расположены рядом в непосредственной близости друг от друга. Более конкретно, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c третьего устройства расположены во внутренней полости 31, в положениях, удаленных на одно расстояние на выпускной стороне от блока 32 сопротивления диффузии.
[0137] Третий электрохимический элемент 13c использует второй элемент 12s из твердого электролита совместно со вторым электрохимическим элементом 12c и имеет пятый электрод 13а и шестой электрод 13b, которые представляет собой пару электродов, расположенных на поверхностях третьего электрохимического элемента 13c. В третьем устройстве, пятый электрод 13а обращен во внутреннюю полость 31, а шестой электрод 13b обращен во второй тракт 52 введения атмосферного воздуха.
[0138] Источник 63 электропитания подает приложенное напряжение между пятым электродом 13а и шестым электродом 13b, при этом потенциал шестого электрода 13b превышает потенциал пятого электрода 13а. Амперметр 73 выдает на блок ЭБУ 81 сигнал, согласующийся с током электрода, текущим через третий электрохимический элемент 13c. Блок ЭБУ 81 может управлять приложенным напряжением, которое поступает на пятый электрод 13а и шестой электрод 13b, путем управления источником 63 электропитания. В третьем устройстве, и второе удаляющее напряжение, и первое удаляющее напряжение равны 0,4 В. Блок ЭБУ 81 может принимать сигнал, согласующийся с током Im3 электрода, выдаваемым амперметром 73, и протекающим через третий электрохимический элемент 13c. Блок ЭБУ 81 может принимать сигнал, согласующийся с током Im2 электрода, выдаваемым амперметром 72, и протекающим через второй электрохимический элемент 12c. Соответственно, блок ЭБУ 81 может определить разницу между током Im2 электрода, текущим через второй электрохимический элемент 12c, и током Im3 электрода, текущим через третий электрохимический элемент 13c.
[0139] Как и во втором устройстве, третий электрод 12а представляет собой металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и родия (Rh) в качестве главного компонента, а четвертый электрод 12b представляет собой металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Пятый электрод 13а представляет собой металлокерамический электрод, который содержит сплав платины (Pt) и золота (Au) в качестве главного компонента. Шестой электрод 13b представляет собой металлокерамический электрод, который содержит платину (Pt) в качестве главного компонента. Другими словами, сам пятый электрод 13а выполнен так, чтобы, по существу, избежать разложения оксида азота, несмотря на разложение кислорода, даже при заданном приложенном напряжении.
[0140] Как описано выше, третий электрохимический элемент 13c обеспечивает только разложение кислорода, не обеспечивая никакого существенного разложения оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, несмотря на подачу приложенного напряжения Vm3 (0,4 B), равного приложенному напряжению Vm2 второго электрохимического элемента 12c. Другими словами, ток Im3 электрода третьего электрохимического элемента включает в себя только ток, связанный с разложением кислорода, и, по существу, не включает в себя какого-либо тока, связанного с разложением оксида азота. Второй электрохимический элемент 12c разлагает и кислород, и оксид азота, содержащиеся в исследуемом газе, несмотря на подачу приложенного напряжения, равного напряжению третьего электрохимического элемента 13c. Другими словами, ток Im2 электрода второго электрохимического элемента включает в себя и ток, связанный с разложением кислорода, и ток, связанный с разложением оксида азота. Соответственно, концентрация оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, может быть определена на основании разницы между третьим определенным значением, согласующимся с током Im3 электрода третьего электрохимического элемента 13c, и вторым определенным значением, согласующимся с током Im2 электрода второго электрохимического элемента 12c.
[0141] Более конкретно, третье устройство может с точностью определить концентрацию кислорода, содержащегося в исследуемом газе на основании тока Im3 электрода (третье определенное значение), что относится к случаю, когда второе удаляющее напряжение (приложенное напряжение Vm3=0,4 В) подается между пятым электродом 13а и шестым электродом 13b третьего электрохимического элемента 13c. Кроме того, блок ЭБУ 81 может определить разницу между током Im2 электрода (второе определенное значение) и током Im3 электрода (третье определенное значение), что относится к случаю, когда первое удаляющее напряжение (приложенное напряжение Vm2=0,4 B) подается между третьим электродом 12 и четвертым электродом 12b второго электрохимического элемента 12c, и точно определить концентрацию оксида азота, содержащегося в исследуемом газе, на основании определенной разницы. Таким образом, третье устройство может отдельно определить концентрацию кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе.
[0142] В элементе 30 определения концентрации газа, кислород и оксид азота во внутренней полости 31 удаляются третьим электрохимическим элементом 13c и вторым электрохимическим элементом 12c, как описано выше. Соответственно, исследуемый газ, достигающий первого электрода 11a (катода) первого электрохимического элемента 11с не содержит, по существу, кислорода или оксида азота согласно элементу 30 определения концентрации газа.
[0143] Другими словами, согласно элементу 30 определения концентрации газа, влияние на ток Im1 электрода, определенный в первом электрохимическом элементе 11с, может быть эффективно снижено, даже когда концентрация кислорода и оксида азота, содержащихся в исследуемом газе, меняется. В результате концентрацию оксида серы, содержащегося в исследуемом газе, можно с точностью определить с помощью третьего варианта устройства.
[0144] В примере, проиллюстрированном на фиг. 6, третий электрохимический элемент 13c использует второй элемент 12s из твердого электролита совместно со вторым электрохимическим элементом 12c. Тем не менее, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c могут включать в себя отдельные элементы из твердого электролита.
[0145] В примере, проиллюстрированном на фиг. 6, третий электрохимический элемент 13c и второй электрохимический элемент 12c расположены в непосредственной близости друг от друга. Однако позиционная взаимосвязь этих электрохимический элементов этим не ограничивается, поскольку удовлетворяется условие, что концентрация кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем пятого электрода 13а, являющегося катодом третьего электрохимического элемента 13c, равна концентрации кислорода, содержащегося в исследуемом газе, достигающем третьего электрода 12а, являющегося катодом второго электрохимического элемента 12c.
[0146] Несколько вариантов осуществления и примеры модификации, имеющие определенные конфигурации, были описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи для описания изобретения. Тем не менее, объем изобретения не ограничивается иллюстративными вариантами осуществления и примерами модификаций, и к нему могут быть добавлены необходимые изменения в пределах объема формулы изобретения и описания.