JP5981398B2 - 内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置に関する。

ガス混合物中の含酸素ガスの相対的量の測定用センサが特許文献１に記載されている。このセンサは２つのポンプセルを有する。これらポンプセルは直列的に配置されている。このセンサでは、上流側のポンプセルに低電圧を印加することによって、ガス混合物中の一部の含酸素ガス（特に、Ｏ_２）を排除し、下流側のポンプセンサに高電圧を印加することによって、ガス混合物中の残りの含酸素ガス（特に、Ｈ_２ＯとＣＯ_２）の相対的量が測定される。

特開平２−１２２２５５号公報 特開２００２−３４９２５０号公報 特開２００８−２５５９５２号公報 特開平７−２７７３８号公報 特開平１１−２３０９３１号公報 特開２００９−２４４２７９号公報

ところで、限界電流式センサが知られている。このセンサでは、内燃機関から排出される排気中のＳＯｘ濃度の検出に際し、一般的には、或る一定の電圧が印加される。しかしながら、こうした電圧の印加手法では、ＳＯｘ濃度を容易には精度良く検出できない。

ところが、本願の発明者らの研究により、限界電流式センサへの電圧の印加手法に工夫を凝らせば、従来では精度良く検出できなかったＳＯｘ濃度を限界電流式センサによって精度良く検出できることが判明した。

こうした本願の発明者らの知見に基づき、本発明の目的は、内燃機関の排気中のＳＯｘ濃度を限界電流式センサによって精度良く検出することにある。

本願の１つの発明は、限界電流式センサを有する内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置に関する。そして、本発明のＳＯｘ濃度検出装置は、前記センサへの印加電圧（以下単に「印加電圧」）を所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流（以下単に「出力電流」）を用いて前記内燃機関から排出される排気中のＳＯｘ濃度を検出する検出部を有する。更に、前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流は、特に、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記出力電流の絶対値が増大するとき同出力電流の変化方向が前記センサへの印加電圧を前記所定電圧まで上昇させている間に前記出力電流の絶対値が増大するときの同出力電流の変化方向とは逆となる電流である。

これによれば、ＳＯｘ濃度を検出することができる。特に、印加電圧が一定の電圧に維持されているときの出力電流に占めるＳＯｘの影響、または、印加電圧が上昇されたときの出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分の影響に比べて小さい場合であっても、印加電圧が所定電圧から低下されている間の出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分の影響に比べて大きい場合、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記検出部は、印加電圧を前記所定電圧から低下させている間の出力電流のピーク値を、前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いると好ましい。ピーク値は、印加電圧の低下中の出力電流のうち、最も小さい出力電流（または、最も大きい出力電流）である。したがって、ピーク値は、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流であると言える。このため、ＳＯｘ濃度検出用の出力電流としてピーク値を用いることによって、ＳＯｘ濃度をより精度良く検出することができる。

また、前記検出部は、前記センサへの前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧を印加しておき、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させ、その後、印加電圧を前記所定電圧から低下させている間の出力電流を、前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いるようにしてもよい。この場合、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧は、前記所定電圧よりも低い。このため、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧が前記所定電圧である場合に比べて、ＳＯｘ濃度検出に消費される電力を少なくすることができる。

また、前記所定電圧が０．８Ｖ以上の電圧であると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記所定電圧からの印加電圧の低下終了時点の印加電圧が０．７Ｖ以下の電圧であると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記検出部は、１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて印加電圧を前記所定電圧から低下させるようにしてもよい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記検出部は、１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて、前記所定電圧よりも低い電圧を前記センサに印加してから前記所定電圧まで印加電圧を上昇させた後に印加電圧を前記所定電圧から低下させるようにしてもよい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記内燃機関が、たとえば、ガソリンエンジンである。ガソリンエンジンは、大部分の機関運転領域において空燃比が理論空燃比で運転される。したがって、排気中の酸素濃度が低い。このため、ＳＯｘ濃度を検出しやすい。

また、前記ＳＯｘ濃度検出装置は、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流の絶対値が第１の所定値以上である場合、Ｓ被毒回復制御を実行する制御部をさらに有していてもよい。これによれば、Ｓ被毒によるセンサの検出精度の低下が生じている可能性がない場合に限り、ＳＯｘ濃度が検出される。このため、ＳＯｘ濃度をより精度良く検出することができる。

また、前記ＳＯｘ濃度検出装置は、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させたときの前記センサの出力電流の絶対値が第２の所定値以上である場合、前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の性状の異常を警告する制御部をさらに有していてもよい。これによれば、燃料性状が異常である可能性がある場合、当該ＳＯｘ濃度検出装置の利用者は、燃料性状が異常である可能性があることを知ることができる。

本願の別の発明は、限界電流式センサを有する内燃機関から排出される排気中のＳＯｘ濃度を検出する方法に関する。そして、この方法は、前記センサへの印加電圧を所定電圧から低下させる電圧低下ステップと、該電圧低下ステップにおいて前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流を取得する出力電流取得ステップと、該出力電流取得ステップにおいて取得された出力電流を用いて排気中のＳＯｘ濃度を検出するＳＯｘ濃度検出ステップと、を具備する。

これによれば、ＳＯｘ濃度を検出することができる。特に、印加電圧が一定の電圧に維持されているときの出力電流に占めるＳＯｘの影響、または、印加電圧が上昇されたときの出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分の影響に比べて小さい場合であっても、印加電圧が所定電圧から低下されている間の出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分の影響に比べて大きい場合、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

なお、前記出力電流取得ステップにおいて、前記センサの出力電流のピーク値を取得すると好ましい。ピーク値は、印加電圧を低下させている間の出力電流のうち、最も小さい出力電流（または、最も大きい出力電流）である。したがって、ピーク値は、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流であると言える。このため、ＳＯｘ濃度検出用の出力電流としてピーク値を用いることによって、ＳＯｘ濃度をより精度良く検出することができる。

また、上記方法が、前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧を印加しておき、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させる電圧上昇ステップであって、前記電圧低下ステップの前に実行される電圧上昇ステップをさらに具備していてもよい。この場合、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧は、前記所定電圧よりも低い。このため、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧が前記所定電圧である場合に比べて、ＳＯｘ濃度検出に消費される電力を少なくすることができる。

また、上記方法において、前記所定電圧が０．８Ｖ以上の電圧であると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記電圧低下ステップにおいて前記所定電圧からの印加電圧の低下終了時点の印加電圧が０．７Ｖ以下の電圧であると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記電圧低下ステップにおいて１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて印加電圧を前記所定電圧から低下させると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、前記電圧上昇ステップにおいて１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、上記方法が実行される内燃機関が、たとえば、ガソリンエンジンである。ガソリンエンジンは、大部分の機関運転領域において空燃比が理論空燃比で運転される。したがって、排気中の酸素濃度が低い。このため、ＳＯｘ濃度を検出しやすい。

また、前記所定電圧が０．８Ｖ以上の電圧に設定されて本発明の限界電流式センサが用いられると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出するための限界電流式センサを提供することができる。

また、前記所定電圧から低下させたときの電圧が０．７Ｖ以下の電圧に設定されて本発明の限界電流式センサが用いられると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出するための限界電流式センサを提供することができる。

また、印加電圧を前記所定電圧から低下させるときの電圧変化の速度が１００Ｈｚの電圧変化の速度以下に設定されて本発明の限界電流式センサが用いられると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出するための限界電流式センサを提供することができる。

また、前記所定電圧よりも低い電圧を印加してから前記所定電圧まで印加電圧を上昇させた後に印加電圧を前記所定電圧から低下させるときの電圧変化の速度が１００Ｈｚの電圧変化以下に設定されて本発明の限界電流式センサが用いられると好ましい。これによれば、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流を確実に得ることができ、ひいては、ＳＯｘ濃度を精度良く検出するための限界電流式センサを提供することができる。

また、本発明の限界電流式センサは、前記内燃機関がガソリンエンジンである場合において、前記ＳＯｘ濃度を検出するために用いられてもよい。ガソリンエンジンは、大部分の機関運転領域において空燃比が理論空燃比で運転される。したがって、排気中の酸素濃度が低い。このため、ＳＯｘ濃度を検出しやすい限界電流式センサを提供することができる。

図１は本発明の限界電流式センサの１つの実施形態（２セルタイプ限界電流式センサ）を示している。 図２は図１の限界電流式センサの出力特性を示している。 図３はＳＯｘ濃度と出力電流のピーク値との関係を示している。 図４は本発明の限界電流式センサの別の実施形態（１セルタイプ限界電流式センサ）を示している。 図５は図４の限界電流式センサの出力特性を示している。 図６は図１または図４の限界電流式センサを有するＳＯｘ濃度検出装置を備えた内燃機関を示している。 図７は第１実施形態の印加電圧の変化に対応する出力電流を示したタイムチャートを示している。 図８は印加電圧の上昇および低下の形態を示している。 図９（Ａ）は図１の限界電流式センサにて採用される回路の一例を示し、図９（Ｂ）は図４の限界電流式センサにて採用される回路の一例を示している。 図１０は第１実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例を示している。 図１１は第２実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例を示している。 図１２は第３実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例を示している。

図面を参照して本発明のＳＯｘ濃度検出用の限界電流式センサの実施形態、および、該限界電流式センサを有する内燃機関から排出される排気中の硫黄酸化物（以下「ＳＯｘ」）の濃度を検出するＳＯｘ濃度検出装置の実施形態について説明する。

＜２セルタイプ限界電流式センサの構成＞
図１に本発明の第１実施形態の限界電流式センサの１つが示されている。図１の限界電流式センサは、２セルタイプの限界電流式センサである。図１において、１０は限界電流式センサ、１１Ａは第１固体電解質層、１１Ｂは第２固体電解質層、１２Ａは第１アルミナ層、１２Ｂは第２アルミナ層、１２Ｃは第３アルミナ層、１２Ｄは第４アルミナ層、１２Ｅは第５アルミナ層、１２Ｆは第６アルミナ層、１３は拡散律速層、１４はヒータ、１５はポンプセル、１５Ａは第１ポンプ電極、１５Ｂは第２ポンプ電極、１５Ｃはポンプセル電圧源、１６はセンサセル、１６Ａは第１センサ電極、１６Ｂは第２センサ電極、１６Ｃはセンサセル電圧源、１７Ａは第１大気導入路、１７Ｂは第２大気導入路、１８は内部空間をそれぞれ示している。

固体電解質層１１Ａ、１１Ｂは、ジルコニア等からなる層であり、酸素イオン伝導性を有する。アルミナ層１２Ａ〜１２Ｆは、アルミナからなる層である。拡散律速層１３は、多孔質の層であり、排気を通すことができる。センサ１０では、各層は、図１において下方から、第６アルミナ層１２Ｆ、第５アルミナ層１２Ｅ、第４アルミナ層１２Ｄ、第２固体電解質層１１Ｂ、拡散律速層１３および第３アルミナ層１２Ｃ、第１固体電解質層１１Ａ、第２アルミナ層１２Ｂ、第１アルミナ層１２Ａの順で積層されている。ヒータ１４は、第５アルミナ層１２Ｅと第６アルミナ層１２Ｆとの間に配置されている。

第１大気導入路１７Ａは、第１アルミナ層１２Ａと第２アルミナ層１２Ｂと第１固体電解質層１１Ａとによって形成された空間であり、その一部は大気に開放されている。第２大気導入路１７Ｂは、第２固体電解質層１１Ｂと第４アルミナ層１２Ｄと第５アルミナ層１２Ｅとによって形成された空間であり、その一部は大気に開放されている。内部空間１８は、第１固体電解質層１１Ａと第２固体電解質層１１Ｂと拡散律速層１３と第３アルミナ層１２Ｃとによって形成された空間であり、その一部は拡散律速層１３を介してセンサ外部に連通している。

＜ポンプセルの構成＞
第１ポンプ電極１５Ａおよび第２ポンプ電極１５Ｂは、白金もしくはロジウム等の白金族元素またはその合金からなる電極である。第１ポンプ電極１５Ａは、第２固体電解質層１１Ｂの一方の側の壁面（すなわち、内部空間１８を形成する第２固体電解質層１１Ｂの壁面）に配置され、第２ポンプ電極１５Ｂは、第２固体電解質層１１Ｂの他方の側の壁面（すなわち、第２大気導入路１７Ｂを形成する第２固体電解質層１１Ｂの壁面）に配置されている。これら電極１５Ａ、１５Ｂと第２固体電解質層１１Ｂとは、ポンプセル１５を構成している。センサ１０は、ポンプセル１５（具体的には、第１ポンプ電極１５Ａと第２ポンプ電極１５Ｂとの間）にポンプセル電圧源１５Ｃから電圧を印加可能に構成されている。なお、第１ポンプ電極１５Ａは陰極側の電極であり、第２ポンプ電極１５Ｂは陽極側の電極である。

＜ポンプセルの機能＞
ポンプセル１５に電圧が印加されると、内部空間１８内の酸素が第１ポンプ電極１５Ａに接触したときに、この酸素が第１ポンプ電極１５Ａ上で酸素イオンとなり、この酸素イオンが第２固体電解質層１１Ｂの内部を第２ポンプ電極１５Ｂに向かって移動する。このとき、第１ポンプ電極１５Ａと第２ポンプ電極１５Ｂとの間には、第２固体電解質層１１Ｂの内部を移動した酸素イオン量に比例した電流が流れる。そして、酸素イオンが第２ポンプ電極１５Ｂに達すると、酸素イオンは第２ポンプ電極１５Ｂにおいて酸素となって第２大気導入路１７Ｂに放出される。つまり、ポンプセル１５は、排気中の酸素を排気からポンピングによって大気に放出し、排気中の酸素濃度を低下させることができる。このポンプセル１５のポンピング能力は、ポンプセル電圧源１５Ｃから当該ポンプセル１５に印加される電圧が高いほど高い。

＜センサセルの構成＞
第１センサ電極１６Ａおよび第２センサ電極１６Ｂは、白金もしくはロジウム等の白金族元素またはその合金からなる電極である。第１センサ電極１６Ａは、第１固体電解質層１１Ａの一方の側の壁面（すなわち、内部空間１８を形成する第１固体電解質層１１Ａの壁面）に配置され、第２センサ電極１６Ｂは、第１固体電解質層１１Ａの他方の側の壁面（すなわち、第１大気導入路１７Ａを形成する第１固体電解質層１１Ａの壁面）に配置されている。これら電極１６Ａ、１６Ｂと第１固体電解質層１１Ａとは、センサセル１６を構成している。センサ１０は、センサセル１６（具体的には、第１センサ電極１６Ａと第２センサ電極１６Ｂとの間）にセンサセル電圧源１６Ｃから電圧を印加可能に構成されている。なお、第１センサ電極１６Ａは陰極側の電極であり、第２センサ電極１６Ｂは陽極側の電極である。

＜センサセルの機能＞
センサセル１６に電圧が印加されると、内部空間１８内のＳＯｘが第１センサ電極１６Ａに接触したときに、このＳＯｘが第１センサ電極１６Ａ上で分解され、ＳＯｘの酸素が酸素イオンとなり、この酸素イオンが第１固体電解質層１１Ａの内部を第２センサ電極１６Ｂに向かって移動する。このとき、第１センサ電極１６Ａと第２センサ電極１６Ｂとの間には、第１固体電解質層１１Ａの内部を移動した酸素イオン量に比例した電流が流れる。そして、酸素イオンが第２センサ電極１６Ｂに達すると、酸素イオンは第２センサ電極１６Ｂにおいて酸素となって第１大気導入路１７Ａに放出される。

＜２セルタイプ限界電流式センサの出力特性＞
ところで、本願の発明者らの研究により、２セルタイプの限界電流式センサへの印加電圧（具体的には、センサセル電圧源１６Ｃからセンサセル１６への印加電圧）を所定電圧から低下させることによって、排気中のＳＯｘ濃度に対応する電流をこの限界電流式センサから得られることが新たに判明した。次に、このことについて説明する。なお、以下の説明において、出力電流とはセンサセル１６から出力される電流である。

図２に、印加電圧を０．１Ｖから１．０Ｖまで徐々に上昇させ、その後、１．０Ｖから０．１Ｖまで徐々に低下させた場合の出力電流の変化が示されている。図２の横軸は印加電圧であり、図２の縦軸は出力電流である。なお、このように印加電圧を変化させている間、ポンプセル１５には、内部空間１８内の排気中の酸素濃度を零（または、略零）にする電圧が印加されている。

図２において、実線ＬＵ０は、排気中にＳＯｘが含まれていない（すなわち、排気中のＳＯｘ濃度が零である）場合において印加電圧を０．１Ｖから１．０Ｖまで上昇させたときの出力電流の変化を示し、実線ＬＤ０は、同じく排気中にＳＯｘが含まれていない場合において印加電圧を１．０Ｖから０．１Ｖまで低下させたときの出力電流の変化を示している。図２において、一点鎖線ＬＵ１は、排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧を０．１Ｖから１．０Ｖまで上昇させたときの出力電流の変化を示し、一点鎖線ＬＤ１は、同じく排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧を１．０Ｖから０．１Ｖまで低下させたときの出力電流の変化を示している。

排気中にＳＯｘが含まれていない場合、印加電圧が０．１Ｖから約０．２Ｖまで上昇されると、図２の実線ＬＵ０で示されているように、出力電流が約４μＡまで急激に上昇する。そして、印加電圧が約０．２Ｖから約０．８５Ｖまで上昇する間は、出力電流が約４μＡで略一定である。そして、印加電圧が約０．８５Ｖを上回ると、出力電流が上昇し始める。そして、印加電圧が約０．８５Ｖから１．０Ｖまで上昇される間、出力電流は徐々に上昇し、印加電圧が１．０Ｖに達したときに、出力電流が約７μＡに達する。

そして、その後、印加電圧が１．０Ｖから０．４Ｖに向けて徐々に低下されると、図２の実線ＬＤ０で示されているように、出力電流が約７μＡから徐々に低下し、印加電圧が約０．８５Ｖを下回ってから０．４Ｖに達するまでの間は、出力電流が約３．５μＡで略一定である。

一方、排気中にＳＯｘが含まれている場合、印加電圧が０．１Ｖから約０．２Ｖまで上昇されると、図２の一点鎖線ＬＵ１で示されているように、出力電流が約４μＡまで急激に上昇する。そして、印加電圧が約０．２Ｖから約０．６Ｖまで上昇する間は、出力電流が約４μＡで略一定である。そして、印加電圧が約０．６Ｖを上回ると、出力電流が上昇し始める。そして、印加電圧が約０．６Ｖから１．０Ｖまで上昇される間、出力電流は徐々に上昇し、印加電圧が１．０Ｖに達したときに約７μＡに達する。

そして、その後、印加電圧が１．０Ｖから０．４Ｖに向けて徐々に低下されると、図２の一点鎖線ＬＤ１で示されているように、出力電流が約７μＡから徐々に低下し、印加電圧が約０．８Ｖを下回ってから約０．７Ｖに達するまでの間に、出力電流が急激に低下して当該出力電流の流れる方向が逆転し、約−５μＡに達する。そして、印加電圧がさらに約０．７Ｖから０．４Ｖまで低下される間に、出力電流が急激に上昇して当該出力電流の流れる方向が元の方向に戻り、印加電圧が０．４Ｖに達すると、出力電流が約３．５μＡとなる。

したがって、排気中にＳＯｘが含まれている場合、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖに上昇され、その後、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖに低下されると、印加電圧が低下される間に出力電流が急激に低下した後に急激に上昇する。つまり、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下されると、出力電流は最小値（すなわち、ピーク値）のある変化を示す。ここで、印加電圧が約０．７Ｖに達したときに、出力電流がピーク値となる。

なお、排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧が約０．６Ｖを上回ってから１．０Ｖに達するまでの出力電流は、排気中にＳＯｘが含まれていない場合において印加電圧が約０．６Ｖを上回ってから１．０Ｖに達するまでの出力電流よりも大きい。

＜第１実施形態の２セルタイプの限界電流式センサの利点＞
そして、本願の発明者らの研究により、２セルタイプの限界電流式センサにおいて、上述したように印加電圧を０．８Ｖから０．４Ｖまで低下させたときの出力電流のピーク値とＳＯｘ濃度との間には、図３に示されている関係があることが判明した。つまり、参照電流（すなわち、印加電圧が０．８Ｖに達した時点の出力電流）と前記ピーク値との差が大きいほど、排気中のＳＯｘ濃度が高いことが判明した。したがって、第１実施形態の２セルタイプの限界電流式センサによれば、前記ピーク値を用いてＳＯｘ濃度を算出（すなわち、検出）することができる。

＜１セルタイプ限界電流式センサの構成＞
図４に本発明の第１実施形態の限界電流式センサのさらに１つが示されている。図４の限界電流式センサは、１セルタイプの限界電流式センサである。図４において、３０は限界電流式センサ、３１は固体電解質層、３２Ａは第１アルミナ層、３２Ｂは第２アルミナ層、３２Ｃは第３アルミナ層、３２Ｄは第４アルミナ層、３２Ｅは第５アルミナ層、３３は拡散律速層、３４はヒータ、３５はセンサセル、３５Ａは第１センサ電極、３５Ｂは第２センサ電極、３５Ｃはセンサセル電圧源、３６は大気導入路、３７は内部空間をそれぞれ示している。

固体電解質層３１は、ジルコニア等からなる層であり、酸素イオン伝導性を有する。アルミナ層３２Ａ〜３２Ｅは、アルミナからなる層である。拡散律速層３３は、多孔質の層であり、排気を通すことができる。センサ３０では、各層は、図４において下方から、第５アルミナ層３２Ｅ、第４アルミナ層３２Ｄ、第３アルミナ層３２Ｃ、固体電解質層３１、拡散律速層３３および第２アルミナ層３２Ｂ、第１アルミナ層３２Ａの順で積層されている。ヒータ３４は、第４アルミナ層３２Ｄと第５アルミナ層３２Ｅとの間に配置されている。

大気導入路３６は、固体電解質層３１と第３アルミナ層３２Ｃと第４アルミナ層３２Ｄとによって形成された空間であり、その一部は大気に開放されている。内部空間３７は、第１アルミナ層３２Ａと固体電解質層３１と拡散律速層３３と第２アルミナ層３２Ｂとによって形成された空間であり、その一部は拡散律速層３３を介してセンサ外部に連通している。

＜センサセルの構成＞
第１センサ電極３５Ａおよび第２センサ電極３５Ｂは、白金もしくはロジウム等の白金族元素またはその合金からなる電極である。第１センサ電極３５Ａは、固体電解質層３１の一方の側の壁面（すなわち、内部空間３７を形成する固体電解質層３１の壁面）に配置され、第２センサ電極３５Ｂは、固体電解質層３１の他方の側の壁面（すなわち、大気導入路３６を形成する固体電解質層３１の壁面）に配置されている。これら電極３５Ａ、３５Ｂと固体電解質層３１とは、センサセル３５を構成している。センサ３０は、センサセル３５（具体的には、第１センサ電極３５Ａと第２センサ電極３５Ｂとの間）にセンサセル電圧源３５Ｃから電圧を印加可能に構成されている。なお、第１センサ電極３５Ａは陰極側の電極であり、第２センサ電極３５Ｂは陽極側の電極である。

＜センサセルの機能＞
センサセル３５に電圧が印加されると、内部空間３７内のＳＯｘが第１センサ電極３５Ａに接触したときに、このＳＯｘが第１センサ電極３５Ａ上で分解され、ＳＯｘの酸素が酸素イオンとなり、この酸素イオンが固体電解質層３１の内部を第２センサ電極３５Ｂに向かって移動する。このとき、第１センサ電極３５Ａと第２センサ電極３５Ｂとの間には、固体電解質層３１の内部を移動した酸素イオン量に比例した電流が流れる。そして、酸素イオンが第２センサ電極３５Ｂに達すると、酸素イオンは第２センサ電極３５Ｂにおいて酸素となって大気導入路３６に放出される。

＜１セルタイプ限界電流式センサの出力特性＞
ところで、本願の発明者らの研究により、２セルタイプの限界電流式センサと同様に、１セルタイプの限界電流式センサへの印加電圧（具体的には、センサセル電圧源３５Ｃからセンサセル３５への印加電圧）を所定電圧から低下させることによって、排気中のＳＯｘ濃度に対応する電流をこの限界電流式センサからも得られることが判明した。次に、このことについて説明する。なお、以下の説明において、出力電流とはセンサセル３５から出力される電流であり、当該排気中の酸素濃度は１％で一定である。

図５に、印加電圧を０．１Ｖから１．０Ｖまで徐々に上昇させ、その後、１．０Ｖから０．１Ｖまで徐々に低下させた場合の出力電流の変化が示されている。図５の横軸は印加電圧であり、図５の縦軸は出力電流である。

図５において、一点鎖線ＬＵ１は、排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧を０．１Ｖから１．０Ｖまで上昇させたときの出力電流の変化を示し、一点鎖線ＬＤ１は、同じく排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧を１．０Ｖから０．１Ｖまで低下させたときの出力電流の変化を示している。

排気中にＳＯｘが含まれている場合において印加電圧が０．１Ｖから約０．２Ｖまで上昇されると、図５の一点鎖線ＬＵ１で示されているように、出力電流が約１００μＡまで急激に上昇する。そして、印加電圧が約０．２Ｖから約０．６Ｖまで上昇する間は、出力電流が約１００μＡで略一定である。そして、印加電圧が約０．６Ｖを上回ると、出力電流が上昇し始める。そして、印加電圧が約０．６Ｖから１．０Ｖまで上昇される間、出力電流は若干ではあるが徐々に上昇し、印加電圧が１．０Ｖに達したときに約１０５μＡに達する。

そして、その後、印加電圧が１．０Ｖから０．４Ｖに向けて徐々に低下されると、図５の一点鎖線ＬＤ１で示されているように、出力電流が約１０５μＡから徐々に低下し、印加電圧が約０．８Ｖを下回ってから約０．７Ｖに達するまでの間に、出力電流が急激に低下し、約８０μＡに達する。そして、印加電圧が約０．７Ｖから０．４Ｖまで低下される間に、出力電流が急激に上昇し、印加電圧が０．４Ｖに達すると、出力電流が約１００μＡとなる。

したがって、排気中にＳＯｘが含まれている場合、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖに上昇され、その後、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖに低下されると、印加電圧が低下される間に出力電流が急激に低下した後に急激に上昇する。つまり、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下されると、出力電流は最小値（すなわち、ピーク値）のある変化を示す。ここで、印加電圧が約０．７Ｖに達したときに、出力電流がピーク値となる。

＜第１実施形態の１セルタイプの限界電流式センサの利点＞
そして、本願の発明者らの研究により、１セルタイプの限界電流式センサにおいて、上述したように印加電圧を０．８Ｖから０．４Ｖまで低下させたときの出力電流のピーク値とＳＯｘ濃度との間にも、図３に示されている関係と同様の関係があることが判明した。つまり、参照電流（すなわち、印加電圧が０．８Ｖに達した時点の出力電流）と前記ピーク値との差が大きいほど、排気中のＳＯｘ濃度が高いことが判明した。したがって、第１実施形態の１セルタイプの限界電流式センサによれば、前記ピーク値を用いてＳＯｘ濃度を算出（すなわち、検出）することができる。

＜第１実施形態のＳＯｘ濃度検出装置＞
図６に、図１の限界電流式センサ１０または図４の限界電流式センサ３０を有するＳＯｘ濃度検出装置を備えた内燃機関が示されている。図６の内燃機関は、火花点火式内燃機関（いわゆるガソリンエンジン）である。しかしながら、本発明は、圧縮自着火式内燃機関（いわゆるディーゼルエンジン）にも適用可能である。また、図６の内燃機関は、大部分の機関運転領域において、空燃比が理論空燃比（ストイキ）にて運転される。

＜内燃機関の構成＞
図６において、１０または３０は図１または図４の限界電流式センサ、５０は内燃機関の本体、５１はシリンダヘッド、５２はシリンダブロック、５３は燃焼室、５４は燃料噴射弁、５５は点火プラグ、５６は燃料ポンプ、５７は燃料供給管、６０はピストン、６１はコネクティングロッド、６２はクランクシャフト、６３はクランク角度センサ、７０は吸気弁、７１は吸気ポート、７２は吸気マニホルド、７３はサージタンク、７４はスロットル弁、７５は吸気管、７６はエアフローメータ、７７はエアフィルタ、８０は排気弁、８１は排気ポート、８２は排気マニホルド、８３は排気管、９０は電子制御装置（ＥＣＵ）、９１はアクセルペダル、９２はアクセルペダル踏込量センサをそれぞれ示している。

＜ＥＣＵの構成・機能＞
燃料噴射弁５４、点火プラグ５５、スロットル弁７４、クランク角度センサ６３、エアフローメータ７６、アクセルペダル踏込量センサ９２、および、限界電流式センサ１０、３０は、ＥＣＵ９０に電気的に接続されている。ＥＣＵ９０は、燃料噴射弁５４、点火プラグ５５、および、スロットル弁７４を動作させるための信号をこれらに送信する。また、ＥＣＵ９０は、クランク角度センサ６３、エアフローメータ７６、および、アクセルペダル踏込量センサ９２から信号を受信する。クランク角度センサ６３からは、クランクシャフト６２の回転速度に対応する信号が出力される。ＥＣＵ９０は、クランク角度センサ６３から受信した信号に基づいて機関回転数を算出する。エアフローメータ７６からは、そこを通過する空気の流量（ひいては、燃焼室５３に吸入される空気の流量）に対応する信号が出力される。ＥＣＵ９０は、エアフローメータ７６から受信した信号に基づいて吸入空気量を算出する。アクセルペダル踏込量センサ９２からは、アクセルペダル９１の踏込量に対応する信号が出力される。ＥＣＵ９０は、アクセルペダル踏込量センサ９２から受信した信号に基づいて機関負荷を算出する。

＜限界電流式センサ＞
限界電流式センサ１０、３０は、排気管８３に取り付けられている。したがって、限界電流式センサ１０、３０の検出対象となるガス（すなわち、被検ガス）は、燃焼室５３から排出される排気である。限界電流式センサ１０、３０からは、そこに到来する排気中のＳＯｘ濃度に対応する電流が出力される。ＥＣＵ９０は、限界電流式センサ１０、３０から受信した電流に基づいてＳＯｘ濃度を算出する（この算出方法の詳細は後述する）。

＜第１実施形態のＳＯｘ濃度検出＞
第１実施形態のＳＯｘ濃度検出について図７を参照しつつ説明する。第１実施形態では、印加電圧が定常的に０．４Ｖに維持されている（図７の時刻Ｔ０以前の期間参照）。すなわち、センサに定常的に０．４Ｖが印加されている。そして、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出では、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖまで上昇され（図７の時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの期間参照）、その後、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される（図７の時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間参照）。このとき、ＥＣＵは、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間に当該ＥＣＵに入力された出力電流のピーク値と参照電流とを用いてＳＯｘ濃度を算出（すなわち、検出）する。このとき、参照電流とピーク値との差が大きいほど、算出されるＳＯｘ濃度は高い。

なお、ピーク値と参照電流との差（以下「電流差」）を用いてＳＯｘ濃度を算出する場合、たとえば、電流差に対応するＳＯｘ濃度が電流差毎に予め実験等によって求められ、これら求められたＳＯｘ濃度が電流差の関数のマップの形でＥＣＵに記憶され、ＳＯｘ濃度の検出中に算出される電流差に対応するＳＯｘ濃度をマップから読み出すことによって、ＳＯｘ濃度が算出される。

＜第１実施形態のＳＯｘ濃度検出装置の利点＞
第１実施形態のＳＯｘ濃度検出装置によれば、排気中のＳＯｘ濃度を検出することができる。すなわち、印加電圧が一定の電圧（たとえば、０．４Ｖ）に維持されているときの出力電流に占めるＳＯｘの影響、または、印加電圧が上昇されたときの出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分（たとえば、Ｏ_２やＮＯｘ）の影響に比べて小さいが、印加電圧が所定電圧（たとえば、０．８Ｖ）から低下されたときの出力電流に占めるＳＯｘの影響が、同出力電流に占める他の成分の影響に比べて大きいという知見を本願の発明者らが得ており、このため、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出装置によれば、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができるのである。

また、ピーク値は、印加電圧の低下中の出力電流のうち、ＳＯｘ濃度が零である場合の出力電流から最も大きく異なる出力電流である。したがって、ピーク値は、ＳＯｘ濃度に精度良く対応する出力電流であると言える。このため、ＳＯｘ濃度検出用の出力電流としてピーク値を用いることによって、ＳＯｘ濃度をより精度良く検出することができる。

また、第１実施形態では、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧は０．４Ｖである。したがって、この電圧は、印加電圧の低下開始時点の印加電圧である０．８Ｖよりも低い。このため、第１実施形態によれば、印加電圧の低下開始前にセンサに印加させておく電圧が０．８Ｖである場合に比べて、ＳＯｘ濃度検出に消費される電力を少なくすることができる。

＜第１実施形態の適用範囲＞
なお、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧の上昇開始時点の印加電圧（すなわち、センサに定常的に印加しておく印加電圧）は、０．４Ｖに限定されず、印加電圧の上昇後に印加電圧を低下させたときにピーク値を持つ出力電流の変化を発生させる電圧であればよく、たとえば、０．６Ｖ以下であればよく、好ましくは、０．４Ｖである。

また、印加電圧の上昇終了時点の印加電圧は、０．８Ｖに限定されず、印加電圧の上昇後に印加電圧を低下させたときにピーク値を持つ出力電流の変化を発生させる電圧、または、出力安定電圧範囲（すなわち、ＳＯｘ濃度が零である場合に、印加電圧に依らず出力電流が略一定である範囲であって、たとえば、０．２Ｖ〜０．８Ｖの範囲）の最大電圧以上の電圧であればよく、たとえば、０．８Ｖ以上であればよい。

また、印加電圧の低下終了時点の印加電圧は、０．４Ｖに限定されず、ピーク値に対応する印加電圧以下であればよく、たとえば、０．７Ｖ以下であればよく、好ましくは、０．４Ｖである。したがって、印加電圧の上昇開始時点の印加電圧は、印加電圧の低下終了時点の印加電圧と同じであっても異なっていてもよい。

また、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出では、ピーク値が用いられるが、これに代えて、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間に出力電流が急激に低下する範囲または急激に上昇する範囲の出力電流が用いられてもよい。

＜参照電流＞
なお、センサの内部空間に流入する排気中の酸素濃度が印加電圧の低下中に変化する場合がある。この場合、印加電圧の低下に一定時間を要することを考慮すれば、印加電圧が０．８Ｖであるときの出力電流よりも、印加電圧が０．４Ｖであるときの出力電流のほうが、ピーク値の出力時点のセンサの内部空間内の排気中の酸素濃度をより正確に反映していると言える。そこで、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される場合、前記参照電流に代えて、印加電圧が０．４Ｖに達した時点の出力電流（または、その時点から所定時間経過後の出力電流）が参照電流として用いられてもよい。これによれば、排気中の酸素濃度が印加電圧の低下中に変化したとしても、ＳＯｘ濃度を精度良く検出することができる。

また、第１実施形態において、ピーク値と参照電流とを用いてＳＯｘ濃度を算出する代わりに、ピーク値と変換係数とを用いてＳＯｘ濃度を算出するようにしてもよい。このとき、ピーク値がマイナス方向に大きいほど、算出されるＳＯｘ濃度は高い。即ち、ピーク値が負の値である場合には、ピーク値の絶対値が大きいほど、算出されるＳＯｘ濃度は高く、ピーク値が正の値である場合には、ピーク値の絶対値が小さいほど、算出されるＳＯｘ濃度は高い。なお、変換係数とは、図３の関係に従ってピーク値をＳＯｘ濃度に変換する係数である。もちろん、ピーク値がプラスの値として出現する場合には、ピーク値がプラス方向に大きいほど、算出されるＳＯｘ濃度は高いことになる。

＜第１実施形態のスイープ速度＞
第１実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧の上昇速度または低下速度（スイープ速度）が速すぎると、印加電圧が低下されたとしても、ピーク値が出力されなかったり、ＳＯｘ濃度に十分に対応するピーク値が出力されなかったりする可能性がある。そこで、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧が低下されたときにＳＯｘ濃度に十分に対応するピーク値が出力される印加電圧の上昇速度と低下速度とが選択されると好ましい。

具体的には、図８（Ａ）に示されているように、印加電圧の上昇速度が徐々に減少するように印加電圧が上昇された後、印加電圧の低下速度が徐々に増大するように印加電圧が低下されると好ましい。あるいは、図８（Ｂ）に示されているように、印加電圧の上昇速度が一定に維持されるように印加電圧が上昇された後、印加電圧の低下速度が一定に維持されるように印加電圧が低下されると好ましい。

さらに具体的には、第１実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖまで上昇された後、０．８Ｖから０．４Ｖまで低下されるまでの印加電圧の変化を周波数で表したとき、この周波数は、１００Ｈｚ以下であることが好ましい。別の言い方をすると、印加電圧の上昇が開始されてから印加電圧の低下が終了されるまでの時間が０．０１秒以上であることが好ましい。

＜ＳＯｘ検出回路の構成１＞
なお、内燃機関が図１の限界電流式センサ（２セルタイプ限界電流式センサ）を有する場合、ＳＯｘ検出回路として、たとえば、図９（Ａ）に示されている回路が採用される。図９（Ａ）において、１０は限界電流式センサ（すなわち、図１の限界電流式センサ）、１４はヒータ、１５はポンプセル、１６はセンサセル、９０はＥＣＵ、９１は印加電圧指令部、９２はパラメータ算出部、９３はヒータ制御部、９４Ｐおよび９４Ｓは印加電圧制御回路、９５Ｐおよび９５Ｓは出力電流検出回路をそれぞれ示している。

印加電圧指令部９１、パラメータ算出部９２、および、ヒータ制御部９３は、ＥＣＵ９０の構成要素である。

印加電圧指令部９１は、ポンプセル１５への印加電圧に関する指令を印加電圧制御回路９４Ｐに送信するとともに、センサセル１６への印加電圧に関する指令を印加電圧制御回路９４Ｓに送信する。

パラメータ算出部９２は、ポンプセル出力電流に対応する信号を出力電流検出回路９５Ｐから受信し、この受信した信号に基づいてポンプセル出力電流を算出する。さらに、パラメータ算出部９２は、センサセル出力電流に対応する信号を出力電流検出回路９５Ｓから受信し、この受信した信号に基づいてセンサセル出力電流を算出し、この算出した出力電流に基づいて排気中のＳＯｘ濃度を算出する。さらに、パラメータ算出部９２は、出力電流検出回路９５Ｐ、９５Ｓから受信した信号に基づいてセンサ１０内の回路のインピーダンスを算出し、この算出したインピーダンスに関する情報をヒータ制御部９３に送信する。ヒータ制御部９３は、パラメータ算出部９２から受信したインピーダンスに関する情報に基づいてヒータ１４を制御する制御信号をヒータ１４に送信する。

印加電圧制御回路９４Ｐは、印加電圧指令部９１から受信した指令に基づいて（あるいは、印加電圧指令部９１から受信した指令、および、出力電流検出回路９５Ｐから提供されるポンプセル出力電流に対応する信号に基づいて）ポンプセル印加電圧を制御する。

出力電流検出回路９５Ｐは、ポンプセル出力電流を検出し、この検出した出力電流に対応する信号をパラメータ算出部９２および印加電圧制御回路９４Ｐに送信する。

印加電圧制御回路９４Ｓは、印加電圧指令部９１から受信した指令に基づいて（あるいは、印加電圧指令部９１から受信した指令、および、出力電流検出回路９５Ｓから提供されるセンサセル出力電流に対応する信号に基づいて）センサセル印加電圧を制御する。

出力電流検出回路９５Ｓは、センサセル出力電流を検出し、この検出した出力電流に対応する信号をパラメータ算出部９２および印加電圧制御回路９４Ｓに送信する。

＜ＳＯｘ検出回路の構成２＞
また、内燃機関が図４の限界電流式センサ（１セルタイプ限界電流式センサ）を有する場合のＳＯｘ検出回路として、たとえば、図９（Ｂ）に示されている回路が採用される。図９（Ｂ）において、３０は限界電流式センサ（すなわち、図４の限界電流式センサ）、３４はヒータ、３５はセンサセル、９０はＥＣＵ、９１は印加電圧指令部、９２はパラメータ算出部、９３はヒータ制御部、９４は印加電圧制御回路、９５は出力電流検出回路をそれぞれ示している。

印加電圧指令部９１、パラメータ算出部９２、および、ヒータ制御部９３は、ＥＣＵ９０の構成要素である。

印加電圧指令部９１は、センサセル３５への印加電圧に関する指令を印加電圧制御回路９４に送信する。

パラメータ算出部９２は、センサセル出力電流に対応する信号を出力電流検出回路９５から受信し、この受信した信号に基づいてセンサセル出力電流を算出し、この算出した出力電流に基づいて排気中のＳＯｘ濃度を算出する。さらに、パラメータ算出部９２は、出力電流検出回路９５から受信した信号に基づいてセンサ３０内の回路のインピーダンスを算出し、この算出したインピーダンスに関する情報をヒータ制御部９３に送信する。ヒータ制御部９３は、パラメータ算出部９２から受信したインピーダンスに関する情報に基づいてヒータ３４を制御する制御信号をヒータ３４に送信する。

印加電圧制御回路９４は、印加電圧指令部９１から受信した指令に基づいて（あるいは、印加電圧指令部９１から受信した指令、および、出力電流検出回路９５から提供されるセンサセル出力電流に対応する信号に基づいて）センサセル印加電圧を制御する。

出力電流検出回路９５は、センサセル出力電流を検出し、この検出した出力電流に対応する信号をパラメータ算出部９２および印加電圧制御回路９４に送信する。

＜第１実施形態のＳＯｘ濃度検出フロー＞
上述した第１実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例について説明する。このフローが図１０に示されている。

図１０のフローが開始されたときには、印加電圧が０．４Ｖに維持されている。そして、ステップ１０において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖから０．８Ｖに向かって上昇される。次いで、ステップ１１において、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖに達した（Ｖｓ＝０．８Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．８Ｖであると判別されたときには、フローはステップ１２に進む。一方、Ｖｓ＝０．８Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ１０に戻る。したがって、ステップ１１においてＶｓ＝０．８Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの上昇が継続される。

ステップ１２では、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖから０．４Ｖに向かって低下されるとともに、出力電流Ｉｓが検出される。次いで、ステップ１３において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖに達した（Ｖｓ＝０．４Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．４Ｖであると判別されたときには、フローはステップ１４に進む。一方、Ｖｓ＝０．４Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ１２に戻る。したがって、ステップ１３においてＶｓ＝０．４Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの低下と出力電流Ｉｓの検出とが継続される。

ステップ１４では、ステップ１２で検出された出力電流Ｉｓのうち、ピーク値に基づいてＳＯｘ濃度Ｃｓｏｘが算出され、その後、フローは終了する。

＜センサ素子温度＞
なお、上述した実施形態のＳＯｘ濃度検出において、印加電圧が低下されたときにＳＯｘ濃度に対応する電流がセンサから出力される理由は、センサセルにおいてＳＯｘに関連する反応が生じていることであると推察される。一方、この反応は、センサセルの温度の影響を大きく受ける。したがって、排気中のＳＯｘ濃度が極めて低いことを考慮すれば、センサセルの温度が一定に維持されていることが好ましい。そこで、上述した実施形態において、ＳＯｘ濃度検出の実行時には、センサセルの温度が一定に維持されるように、ヒータが制御されるようにしてもよい。これによれば、ＳＯｘ濃度がより精度高く検出される。

＜センサ搭載位置＞
また、排気中の成分を浄化する触媒が排気管に設けられている場合、排気中のＳＯｘが触媒に捕捉される可能性がある。この場合、限界電流式センサが触媒下流の排気管に取り付けられていると、ＳＯｘ濃度が精度良く検出されない可能性がある。そこで、上述した実施形態において、触媒が排気管に設けられている場合、限界電流式センサが触媒上流の排気管に取り付けられていることが好ましい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態について説明する。なお、以下で説明されない第２実施形態の構成および制御は、それぞれ、第１実施形態の構成および制御と同じであるか、あるいは、以下で説明する第２実施形態の構成または制御に鑑みたときに第１実施形態の構成または制御から当然に導き出される構成および制御である。

＜第２実施形態のＳＯｘ濃度検出・Ｓ被毒回復＞
第２実施形態では、印加電圧が定常的に０．４Ｖに維持されている。そして、第２実施形態のＳＯｘ濃度検出では、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖまで上昇され、その後、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される。このとき、ＥＣＵは、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間に当該ＥＣＵに入力された出力電流のピーク値の絶対値が第１の所定値以上であるか否かを判別する。ここで、ピーク値の絶対値が第１の所定値以上である場合、ＥＣＵは、Ｓ被毒回復制御（この制御の詳細は後述する）を実行する。一方、ピーク値の絶対値が第１の所定値よりも小さい場合、ＥＣＵは、ピーク値と参照電流とを用いてＳＯｘ濃度を算出（すなわち、検出）する。

＜第２実施形態の所定値＞
なお、第２実施形態の第１の所定値は、たとえば、以下のように設定される。排気中のＳＯｘの硫黄分が第１センサ電極に付着することがある。この付着Ｓ量（すなわち、第１センサ電極に付着している硫黄の量）が多くなると、前記ピーク値の絶対値が大きくなることが本願の発明者らの研究により判明している。そして、この付着Ｓ量が非常に多い場合、限界電流式センサの検出精度（特に、ＳＯｘ濃度の検出精度）が低下する可能性がある。したがって、付着Ｓ量が多い場合、第１センサ電極に付着している硫黄を除去すること（すなわち、Ｓ被毒回復制御を実行すること）が好ましい。そこで、第２実施形態の第１の所定値は、たとえば、Ｓ被毒回復制御の実行が必要とされる場合におけるピーク値の絶対値（すなわち、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間にＥＣＵに入力された出力電流のピーク値の絶対値）に設定される。

＜Ｓ被毒回復制御＞
なお、Ｓ被毒回復制御は、公知の制御を採用可能であり、たとえば、印加電圧を比較的高い電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であって、特に、１．０Ｖ）まで上昇させる制御を採用可能である。

＜第２実施形態のＳＯｘ濃度検出装置の利点＞
第２実施形態のＳＯｘ濃度検出装置によれば、Ｓ被毒（すなわち、第１センサ電極への硫黄の付着）によってセンサの検出精度が低下している可能性がある場合、Ｓ被毒回復制御が実行される。言い換えれば、Ｓ被毒によるセンサの検出精度の低下が生じている可能性がない場合に限り、ＳＯｘ濃度の検出が実施される。このため、第２実施形態のＳＯｘ濃度検出装置によれば、ＳＯｘ濃度をより精度良く検出することができる。

＜第２実施形態のＳＯｘ濃度検出フロー＞
第２実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例について説明する。このフローが図１１に示されている。

図１１のフローが開始されたときには、印加電圧が０．４Ｖに維持されている。そして、ステップ２０において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖから０．８Ｖに向かって上昇される。次いで、ステップ２１において、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖに達した（Ｖｓ＝０．８Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．８Ｖであると判別されたときには、フローはステップ２２に進む。一方、Ｖｓ＝０．８Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ２０に戻る。したがって、ステップ２１においてＶｓ＝０．８Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの上昇が継続される。

ステップ２２では、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖから０．４Ｖに向かって低下されるとともに、出力電流Ｉｓが検出される。次いで、ステップ２３において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖに達した（Ｖｓ＝０．４Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．４Ｖであると判別されたときには、フローはステップ２４に進む。一方、Ｖｓ＝０．４Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ２２に戻る。したがって、ステップ２３においてＶｓ＝０．４Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの低下と出力電流Ｉｓの検出とが継続される。

ステップ２４では、ステップ２２で検出された出力電流Ｉｓのうち、ピーク値の絶対値｜Ｉｓ｜が第１の所定値Ｉｓｔｈ１よりも大きい（｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ１）か否かが判別される。ここで、｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ１であると判別されたときには、フローはステップ２５に進み、Ｓ被毒回復制御が実行され、その後、フローは終了する。一方、｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ１ではないと判別されたときには、フローはステップ２６に進み、ステップ２２で検出された出力電流Ｉｓのうち、ピーク値に基づいてＳＯｘ濃度Ｃｓｏｘが算出され、その後、フローは終了する。

＜第３実施形態＞
第３実施形態について説明する。なお、以下で説明されない第３実施形態の構成および制御は、それぞれ、上記実施形態の構成および制御と同じであるか、あるいは、以下で説明する第３実施形態の構成または制御に鑑みたときに上記実施形態の構成または制御から当然に導き出される構成および制御である。

＜第３実施形態のＳＯｘ濃度検出・燃料性状異常警告＞
第３実施形態では、印加電圧が定常的に０．４Ｖに維持されている。そして、第３実施形態のＳＯｘ濃度検出では、印加電圧が０．４Ｖから０．８Ｖまで上昇され、その後、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される。このとき、ＥＣＵは、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間に当該ＥＣＵに入力された出力電流のピーク値の絶対値が第２の所定値以上であるか否かを判別する。ここで、ピーク値の絶対値が第２の所定値以上である場合、ＥＣＵは、燃料性状の異常を警告する。一方、ピーク値の絶対値が第２の所定値よりも小さい場合、ＥＣＵは、ピーク値と参照電流とを用いてＳＯｘ濃度を算出（すなわち、検出）する。

＜第３実施形態の所定値＞
なお、第３実施形態の所定値は、たとえば、以下のように設定される。上述したように、排気中のＳＯｘの硫黄分が第１センサ電極に付着することがあり、この付着Ｓ量が多くなると、前記ピーク値の絶対値が大きくなることが本願の発明者らの研究により判明している。そして、この付着Ｓ量が非常に多い場合、限界電流式センサの検出精度（特に、ＳＯｘ濃度の検出精度）が低下する可能性がある。ここで、付着Ｓ量が多くなる原因の１つとして、排気中のＳＯｘ濃度が高いことが挙げられる。そして、燃料中の硫黄成分濃度が高いと、排気中のＳＯｘ濃度が高い。そして、燃料中の硫黄成分濃度が許容できない程度に高く、したがって、燃料性状が異常である可能性がある場合、その旨を警告することが好ましい。

そこで、第３実施形態の第２の所定値は、たとえば、燃料性状が許容可能な範囲の性状ではない場合（特に、燃料中のＳ濃度が許容可能な濃度よりも高い場合）におけるピーク値の絶対値（すなわち、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下される間にＥＣＵに入力された出力電流のピーク値の絶対値）の最小値以上の適宜選択される値に設定される。

なお、第３実施形態の第２の所定値は、第２実施形態の第１の所定値と同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

＜第３実施形態のＳＯｘ濃度検出装置の利点＞
第３実施形態のＳＯｘ濃度検出装置によれば、燃料性状が異常である可能性がある場合、その旨が警告されるので、ＳＯｘ濃度検出装置の利用者は、燃料性状が異常である可能性があることを知ることができる。

＜第３実施形態のＳＯｘ濃度検出フロー＞
第３実施形態のＳＯｘ濃度検出フローの一例について説明する。このフローが図１２に示されている。

図１２のフローが開始されたときには、印加電圧が０．４Ｖに維持されている。そして、ステップ３０において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖから０．８Ｖに向かって上昇される。次いで、ステップ３１において、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖに達した（Ｖｓ＝０．８Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．８Ｖであると判別されたときには、フローはステップ３２に進む。一方、Ｖｓ＝０．８Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ３０に戻る。したがって、ステップ３１においてＶｓ＝０．８Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの上昇が継続される。

ステップ３２では、印加電圧Ｖｓが０．８Ｖから０．４Ｖに向かって低下されるとともに、出力電流Ｉｓが検出される。次いで、ステップ３３において、印加電圧Ｖｓが０．４Ｖに達した（Ｖｓ＝０．４Ｖ）か否かが判別される。ここで、Ｖｓ＝０．４Ｖであると判別されたときには、フローはステップ３４に進む。一方、Ｖｓ＝０．４Ｖではないと判別されたときには、フローはステップ３２に戻る。したがって、ステップ３３においてＶｓ＝０．４Ｖであると判別されるまで、印加電圧Ｖｓの低下と出力電流Ｉｓの検出とが継続される。

ステップ３４では、ステップ３２で検出された出力電流Ｉｓのうち、ピーク値の絶対値｜Ｉｓ｜が第２の所定値Ｉｓｔｈ２よりも大きい（｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ２）か否かが判別される。ここで、｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ２であると判別されたときには、フローはステップ３５に進み、燃料性状異常が警告され、その後、フローは終了する。一方、｜Ｉｓ｜＞Ｉｓｔｈ２ではないと判別されたときには、フローはステップ３６に進み、ステップ３２で検出された出力電流Ｉｓのうち、ピーク値に基づいてＳＯｘ濃度Ｃｓｏｘが算出され、その後、フローは終了する。

上述した実施形態のＳＯｘ濃度検出では、印加電圧の低下前に印加電圧の上昇が行われる。しかしながら、印加電圧の低下さえ行われれば、その前に印加電圧の上昇が行われなくても、上述した実施形態の利益が少なからず得られる。

＜実施形態の総括＞
上述した実施形態の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置は、広く表現すれば、限界電流式センサへの印加電圧を所定電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であり、特に、０．８Ｖ）から低下させたときの前記センサの出力電流を用いて排気中のＳＯｘ濃度を検出する検出部（たとえば、ＥＣＵ）を有する内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置であると言える。

より限定的に表現すれば、前記検出部は、前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させたときの前記センサの出力電流のピーク値を用いるものであると言える。

同様に、限定的に表現すれば、前記検出部は、前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として、前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧（たとえば、０．６Ｖ以下の電圧であり、特に、０．４Ｖ）を印加し、その後、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させ、その後、印加電圧を低下させたときの前記センサの出力電流を用いるものであると言える。なお、この場合、印加電圧の低下は、印加電圧の上昇に続いて連続的に行われる。

また、上述した実施形態の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置は、広く表現すれば、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であり、特に、０．８Ｖ）から低下させたときの前記センサの出力電流の絶対値が第１の所定値以上である場合、Ｓ被毒回復制御を実行する制御部（たとえば、ＥＣＵ）をさらに有するものであると言える。

また、上述した実施形態の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置は、広く表現すれば、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であり、特に、０．８Ｖ）から低下させたときの前記センサの出力電流の絶対値が第２の所定値以上である場合、燃料性状の異常を警告する制御部をさらに有するものであると言える。

また、上述した実施形態のＳＯｘ濃度検出装置は、広く表現すれば、前記センサへの印加電圧を所定電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であり、特に、０．８Ｖ）から低下させる電圧低下ステップと、該電圧低下ステップ中の前記センサの出力電流を取得する出力電流取得ステップと、該出力電流取得ステップにおいて取得された出力電流を用いて排気中のＳＯｘ濃度を検出するＳＯｘ濃度検出ステップと、を具備する方法を実行するものであると言える。

より限定的に表現すれば、上記方法は、前記出力電流取得ステップにおいて、前記センサの出力電流のピーク値を取得するものであると言える。

同様に、限定的に表現すれば、上記方法は、前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧（たとえば、０．６Ｖ以下の電圧であり、特に、０．４Ｖ）を印加しておき、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させる電圧上昇ステップであって、前記電圧低下ステップの前に実行される電圧上昇ステップをさらに具備するものであると言える。なお、この場合、電圧低下ステップは、電圧上昇ステップに続いて連続的に実行される。

また、上述した実施形態の限界電流式センサは、広く表現すれば、印加電圧を所定電圧（たとえば、０．８Ｖ以上の電圧であり、特に、０．８Ｖ）から低下させたときの当該センサの出力電流を用いて排気中のＳＯｘ濃度を検出するために用いられる限界電流式センサであると言える。

より限定的に表現すれば、上述した実施形態のセンサは、印加電圧を前記所定電圧から低下させたときの当該センサの出力電流のピーク値を前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いて前記ＳＯｘ濃度を検出するために用いられるセンサであると言える。

同様に、限定的に表現すれば、上述した実施形態のセンサは、前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧（たとえば、０．６Ｖ以下の電圧であり、特に、０．４Ｖ）を印加し、その後、印加電圧を前記所定電圧まで上昇させ、その後、印加電圧を低下させたときの当該センサの出力電流を前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いて前記ＳＯｘ濃度を検出するために用いられるセンサであると言える。なお、この場合、印加電圧の低下は、印加電圧の上昇に続いて連続的に行われる。

１０…限界電流式センサ、１１Ａ、１１Ｂ…固体電解質層、１３…拡散律速層、１５…ポンプセル、１５Ａ、１５Ｂ…ポンプ電極、１６…センサセル、１６Ａ、１６Ｂ…センサ電極、３０…限界電流式センサ、３１…固体電解質層、３３…拡散律速層、３５…センサセル、３５Ａ、３５Ｂ…センサ電極、９０…ＥＣＵ

Claims (12)

1. 限界電流式センサを有する内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置において、
   前記センサへの印加電圧を所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流を用いて前記内燃機関から排出される排気中のＳＯｘ濃度を検出する検出部を有する内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
2. 前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流は、前記センサへの印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記出力電流の絶対値が増大するとき同出力電流の変化方向が前記センサへの印加電圧を前記所定電圧まで上昇させている間に前記出力電流の絶対値が増大するときの同出力電流の変化方向とは逆となる電流である請求項１に記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
3. 前記検出部は、前記センサへの前記印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流のピーク値を前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いる請求項１または請求項２に記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
4. 前記検出部は、前記センサへの前記所定電圧の印加前に当該所定電圧よりも低い電圧を印加しておき、前記センサへの前記印加電圧を前記所定電圧まで上昇させ、その後、同印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流を前記ＳＯｘ濃度検出用の出力電流として用いる請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
5. 前記所定電圧が０．８Ｖ以上の電圧である請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
6. 前記所定電圧からの前記センサへの前記印加電圧の低下終了時点の印加電圧が０．７Ｖ以下の電圧である請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
7. 前記検出部は、１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて前記センサへの前記印加電圧を前記所定電圧から低下させる請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
8. 前記検出部は、１００Ｈｚの電圧変化の速度以下の速度にて、前記所定電圧よりも低い電圧を前記センサに印加してから前記所定電圧まで前記センサへの印加電圧を上昇させた後に同印加電圧を前記所定電圧から低下させる請求項４に記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
9. 前記内燃機関がガソリンエンジンである請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
10. 前記センサへの前記印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流の絶対値が第１の所定値以上である場合、Ｓ被毒回復制御を実行する制御部をさらに有する請求項１〜９のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
11. 前記センサへの前記印加電圧を前記所定電圧から低下させている間に前記センサから出力される出力電流の絶対値が第２の所定値以上である場合、前記内燃機関の燃焼室に供給される燃料の性状の異常を警告する制御部をさらに有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の内燃機関のＳＯｘ濃度検出装置。
12. 限界電流式センサを有する内燃機関から排出される排気中のＳＯｘ濃度を検出する方法において、
    前記センサへの印加電圧を所定電圧から低下させる電圧低下ステップと、
    該電圧低下ステップにおいて前記センサへの印加電圧を低下させている間に前記センサから出力される出力電流を取得する出力電流取得ステップと、
    該出力電流取得ステップにおいて取得された出力電流を用いて排気中のＳＯｘ濃度を検出するＳＯｘ濃度検出ステップと、
    を具備するＳＯｘ濃度検出方法。
    

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