氣體濃度檢測(cè)設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能夠獲得內(nèi)燃機(jī)的廢氣中所含的氧化硫(SOx)的準(zhǔn)確濃度的氣體濃度檢測(cè)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)包含在廢氣中的氧(02)的濃度獲得燃燒室中的空氣-燃料混合物的空燃比(A/F)，以便控制內(nèi)燃機(jī)的空燃比傳感器(A/F傳感器)得到廣泛使用。極限電流式氣體傳感器是這種空燃比傳感器的例子。
[0003]用作上面所述的空燃比傳感器的極限電流式氣體傳感器具備作為電化學(xué)電池的栗電池，所述電化學(xué)電池包括具有氧化物離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)體，和固定到固體電解質(zhì)體的表面的一對(duì)電極。所述一對(duì)電極之一暴露在經(jīng)抗擴(kuò)散單元弓I入的作為測(cè)試氣體的內(nèi)燃機(jī)的廢氣之下，所述一對(duì)電極之中的另一個(gè)電極暴露在大氣之下。當(dāng)在一對(duì)電極(所述一對(duì)電極之一為陰極，所述一對(duì)電極中的另一個(gè)電極為陽(yáng)極)之間施加等于或高于開始氧的分解的電壓時(shí)，通過還原分解，包含在測(cè)試氣體中的氧變成氧化物離子(02)。所述氧化物離子經(jīng)固體電解質(zhì)體被傳導(dǎo)到陽(yáng)極，變成氧，隨后被排出到大氣中?；谘趸镫x子經(jīng)固體電解質(zhì)體從陰極側(cè)到陽(yáng)極側(cè)的傳導(dǎo)的這種氧移動(dòng)被稱為“氧栗作用”。
[0004]由氧栗作用引起的氧化物離子的傳導(dǎo)導(dǎo)致所述一對(duì)電極之間的電流流動(dòng)。在所述一對(duì)電極之間流動(dòng)的這種電流被稱為“電極電流”。隨著在所述一對(duì)電極之間施加的電壓(下面在一些情況下，簡(jiǎn)單地稱為“施加電壓”)的增大，電極電流傾向于變得更大。不過，到達(dá)電極(陰極)的測(cè)試氣體的流率受抗擴(kuò)散單元限制，從而由氧栗作用引起的氧的消耗速率不久就超過向陰極的供氧速率。換句話說，陰極中的氧的還原分解反應(yīng)達(dá)到擴(kuò)散速率控制狀態(tài)。
[0005]在擴(kuò)散速率控制狀態(tài)下，盡管施加的電壓升高，電極電流不會(huì)增大，而是保持大體恒定。該特性被稱為“極限電流特性”，其中表現(xiàn)(觀測(cè)到)極限電流特性的施加電壓的范圍被稱為“極限電流區(qū)”。極限電流區(qū)中的電極電流被稱為“極限電流”，極限電流的大小(極限電流值)與向陰極的供氧速率關(guān)聯(lián)。由于如上所述，借助抗擴(kuò)散單元，使到達(dá)陰極的測(cè)試氣體的流率保持恒定，因此向陰極的供氧速率與包含在測(cè)試氣體中的氧的濃度關(guān)聯(lián)。
[0006]從而，在用作空燃比傳感器的極限電流式氣體傳感器中，其中與施加電壓被設(shè)定成“極限電流區(qū)中的預(yù)定電壓”的情況相關(guān)的電極電流(極限電流)與包含在測(cè)試氣體中的氧的濃度關(guān)聯(lián)。通過利用上面說明的氧的極限電流特性，空燃比傳感器能夠檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧的濃度，從而根據(jù)氧的濃度，獲得燃燒室中的空氣-燃料混合物的空燃比。
[0007]上面說明的極限電流特性不是局限于氧氣的特性。具體地，在分子中包含氧原子的一些氣體(下面在一些情況下，稱為“含氧氣體”)中，根據(jù)施加電壓和陰極結(jié)構(gòu)的適當(dāng)選擇，可以表現(xiàn)極限電流特性。含氧氣體的例子包括氧化硫(SOx)，水(H20)和二氧化碳(C02)。
[0008]內(nèi)燃機(jī)的燃料(比如輕質(zhì)油和汽油)包含少量的硫⑶成分。特別地，也被稱為貧燃料的燃料可具有較高的硫成分含量。當(dāng)燃料的硫成分含量(下面在一些情況下，簡(jiǎn)單地稱為“硫含量”)較高時(shí)，發(fā)生問題的可能性增大，比如構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)的部件的劣化和/或故障，廢氣凈化催化劑的中毒，和廢氣中的白煙的產(chǎn)生。因而，理想的是獲得燃料的硫成分含量，以致獲得的硫含量反映在內(nèi)燃機(jī)的控制中，用于發(fā)送與內(nèi)燃機(jī)的故障相關(guān)的報(bào)警，或者用于改善廢氣凈化催化劑的車載故障診斷(OBD)。
[0009]當(dāng)內(nèi)燃機(jī)的燃料包含硫成分時(shí)，在從燃燒室排出的廢氣中含有氧化硫。另外，包含在廢氣中的氧化硫的濃度(下面在一些情況下，簡(jiǎn)單地稱為“SOx濃度”)隨著燃料中的硫成分的含量(硫含量)的增大而增大。從而，認(rèn)為當(dāng)能夠獲得廢氣中的準(zhǔn)確SOx濃度時(shí)，根據(jù)獲得的SOx濃度，能夠獲得準(zhǔn)確的硫含量。
[0010]在該技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行了通過使用利用上述氧栗作用的極限電流式氣體傳感器來獲得包含在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氧化硫的濃度的嘗試。具體地，使用極限電流式氣體傳感器(兩電池的極限電流式氣體傳感器)，它具備在內(nèi)燃機(jī)的廢氣經(jīng)抗擴(kuò)散單元作為測(cè)試氣體被引入其中的內(nèi)部空間中陰極彼此面對(duì)的串聯(lián)排列的兩個(gè)栗電池。
[0011]在該傳感器中，當(dāng)在上游側(cè)的栗電池的電極之間施加較低電壓時(shí)，利用上游側(cè)栗電池的氧栗作用，除去包含在測(cè)試氣體中的氧。另外，當(dāng)在下游側(cè)的栗電池的電極之間施加較高電壓時(shí)，利用下游側(cè)栗電池，包含在測(cè)試氣體中的氧化硫受到陰極中的還原分解，作為結(jié)果產(chǎn)生的氧化物離子被傳導(dǎo)到陽(yáng)極。根據(jù)可歸因于氧栗作用的電極電流值的變化，獲得包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度(例如，參見日本專利申請(qǐng)公開N0.11-190721)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]如上所述，在本技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行了通過使用利用氧栗作用的極限電流式氣體傳感器，獲得包含在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氧化硫的濃度的嘗試。不過，包含在廢氣中的氧化硫濃度極低，從而歸因于氧化硫的分解的電流(分解電流)極弱。另外，可歸因于除氧化硫外的含氧氣體(比如水和二氧化碳)的分解電流也會(huì)在電極之間流動(dòng)。從而，難以準(zhǔn)確地區(qū)分和只檢測(cè)可歸因于氧化硫的分解電流。
[0013]本發(fā)明提供一種通過利用極限電流式氣體傳感器，能夠以可能的最高精度水平，獲得包含在作為測(cè)試氣體的廢氣中的氧化硫的濃度的氣體濃度檢測(cè)設(shè)備。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明人進(jìn)行了深入研究。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與其中水和氧化硫在具有氧栗作用的電化學(xué)電池(栗電池)中的預(yù)定施加電壓下被分解的情況相關(guān)的電極電流，會(huì)按照作為測(cè)試氣體的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氧化硫的濃度而變化。
[0015]更具體地，具備栗電池的極限電流式氣體傳感器被配置成能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定施加電壓下的水和氧化硫分解。當(dāng)在栗電池的一對(duì)電極之間施加預(yù)定施加電壓時(shí)，可歸因于包含在測(cè)試氣體中的水和氧化硫的分解的電流在電極之間流動(dòng)。換句話說，與這種情況相關(guān)的電極電流包括可歸因于水的分解電流和可歸因于氧化硫的分解電流。
[0016]通常，內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的水具有比內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氧化硫高的濃度，從而電極電流大于只可歸因于包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的分解電流，從而能夠容易并且精確地檢測(cè)出。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)所述電極電流的大小按照包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度而變化。從而，發(fā)明人得到根據(jù)與電極電流關(guān)聯(lián)的檢測(cè)值的獲取，能夠精確地獲得包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度的結(jié)論。
[0017]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種氣體濃度檢測(cè)設(shè)備，包括氣體濃度檢測(cè)元件，第一電流檢測(cè)器，第一電源和電子控制單元伍⑶)。
[0018]氣體濃度檢測(cè)元件包括第一電化學(xué)電池、致密體和抗擴(kuò)散單元。第一電化學(xué)電池包括第一固體電解質(zhì)體、第一電極和第二電極。第一固體電解質(zhì)體具有氧化物離子傳導(dǎo)性。第一電極和第二電極被布置在第一固體電解質(zhì)體的相應(yīng)表面上。第一固體電解質(zhì)體、致密體和抗擴(kuò)散單元被配置成限定內(nèi)部空間?？箶U(kuò)散單元被配置成把作為測(cè)試氣體的內(nèi)燃機(jī)的廢氣經(jīng)抗擴(kuò)散單元引入所述內(nèi)部空間中。第一電極暴露在內(nèi)部空間中。第二電極暴露在作為除內(nèi)部空間外的空間的第一獨(dú)立空間中。第一電極被配置成當(dāng)向由第一電極和第二電極組成的第一電極對(duì)施加第一預(yù)定電壓時(shí)，分解包含在測(cè)試氣體中的水和氧化硫。第一電流檢測(cè)器被配置成輸出與流過第一電極對(duì)的電流關(guān)聯(lián)的第一檢測(cè)值。第一電源被配置成向第一電極對(duì)施加電壓。ECU被配置成⑴控制第一電源(61)，以致向第一電極對(duì)施加第一預(yù)定電壓；(ii)當(dāng)?shù)谝活A(yù)定電壓被施加于第一電極對(duì)時(shí)，從第一電流檢測(cè)器(71)獲得第一檢測(cè)值；和(iii)根據(jù)第一檢測(cè)值，檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度。
[0019]按照上述方面的氣體濃度檢測(cè)設(shè)備，第一電極被配置成當(dāng)在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓時(shí)，能夠分解包含在測(cè)試氣體中的水(H20)和氧化硫(SOx)。通過適當(dāng)?shù)剡x擇例如構(gòu)成電極材料的物質(zhì)的種類，和與電極的制作有關(guān)的熱處理?xiàng)l件，可產(chǎn)生如上所述的在預(yù)定施加電壓下能夠分解水和氧化硫的第一電極。
[0020]EOT被配置成控制第一電源，以致在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓。第一預(yù)定電壓是高于“氧化硫的分解起始電壓”，并且等于或高于“水的分解起始電壓”的電壓。從而，當(dāng)在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓時(shí)，可歸因于包含在測(cè)試氣體中的水和氧化硫的分解的電極電流在電極之間流動(dòng)。如上所述，所述電極電流的大小按照包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度而變化。
[0021]在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的情況下，EOT從第一電流檢測(cè)器獲得第一檢測(cè)值。ECU被配置成在獲得第一檢測(cè)值之后，根據(jù)獲得的第一檢測(cè)值，檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度。更具體地，根據(jù)預(yù)先獲得的包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度(SOx濃度)和第一檢測(cè)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，ECU能夠指定與獲得的第一檢測(cè)值關(guān)聯(lián)的SOx濃度。按照這種方式，按照本發(fā)明的設(shè)備能夠精確地檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度。
[0022]包含在從內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣中的水的濃度按照在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中燃燒的空氣-燃料混合物的空燃比而變化。當(dāng)包含在作為測(cè)試氣體的內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的水的濃度變化時(shí)，根據(jù)第一檢測(cè)值檢測(cè)的氧化硫的濃度的精度會(huì)被降低。從而，為了根據(jù)第一檢測(cè)值精確地檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度，理想的是當(dāng)在內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中燃燒的空氣-燃料混合物的空燃比被保持為預(yù)定值時(shí)(其例子包括在內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)期間)，檢測(cè)第一檢測(cè)值。
[0023]在如上所述在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的情況下獲得的第一檢測(cè)值按照測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度而變化的機(jī)制的細(xì)節(jié)未知。不過，當(dāng)如上所述在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓時(shí)，不僅包含在測(cè)試氣體中的水被分解，而且包含在測(cè)試氣體中的氧化硫也被分解。結(jié)果，認(rèn)為氧化硫的分解產(chǎn)物(例子包括硫(S)和硫化合物)吸附到作為陰極的第一電極上，并減小能夠有助于水的分解的第一電極的面積。從而，認(rèn)為與和第一電極和第二電極之間的第一預(yù)定電壓的施加有關(guān)的電極電流關(guān)聯(lián)的第一檢測(cè)值按照包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度而變化。
[0024]按照上述機(jī)制，當(dāng)在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的時(shí)期延長(zhǎng)時(shí)，數(shù)量增多的氧化硫的分解產(chǎn)物吸附到第一電極上，并且與第一檢測(cè)值關(guān)聯(lián)的電極電流的減小率增大。換句話說，與第一檢測(cè)值關(guān)聯(lián)的電極電流的減小率按照在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的時(shí)期的長(zhǎng)度而變化。從而，為了根據(jù)第一檢測(cè)值精確地檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度，理想的是在持續(xù)預(yù)先確定的預(yù)定時(shí)期，在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的時(shí)間點(diǎn)，檢測(cè)第一檢測(cè)值。另外，理想的是利用在持續(xù)預(yù)先確定的預(yù)定時(shí)期在第一電極和第二電極之間施加第一預(yù)定電壓的時(shí)間點(diǎn)的第一檢測(cè)值，獲得上面說明的SOx濃度和第一檢測(cè)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0025]另外，在重新使用用于檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度的所述氣體濃度檢測(cè)設(shè)備，再次檢測(cè)包含在測(cè)試氣體中的氧化硫的濃度的情況下，需要除去吸附在第一電極上的分解產(chǎn)物。除去吸附在第一電極上的分解產(chǎn)物的方法沒有特別的限制，其例子包括重新氧化分解產(chǎn)物，以致分解產(chǎn)物重新變成氧化硫。通過以第一電極為陽(yáng)極，第二電極為陰極(與氧化硫的還原分解的情況相反)，在第一電極和第二電極之間施加使分解產(chǎn)品可被重新氧化的預(yù)定電壓，可以進(jìn)行這種重新氧化。
[0026]當(dāng)?shù)谝浑姌O和第二電極之間的施加電壓變成等于或大于水的極限電流區(qū)的下限電壓的電壓時(shí)，第一電極中的水的分