CN101107513A - 氧气传感器退化判断装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氧气传感器的退化判断装置，所述氧气传感器具有参考电极22和测量电极22且基于电动势测量氧气浓度，参考电极和测量电极在它们之间保持有固体电解质层，所述电动势根据参考电极侧的氧气分压和测量电极侧的氧气分压之间的差异而产生。控制单元10控制进气和排气阀、火花塞和燃料喷射阀的操作，并且具有退化判断装置，该装置通过在参考电极和测量电极之间施加高频交流电来检测所述固体电解质层21的内阻值R1，并且通过比较检测的内阻值R1和参考值来判断固体电解质层的退化。通过此判断，能够准确地判断固体电解质层的退化且能够防止发动机失速或排放故障的发生。

Description

氧气传感器退化判断装置

技术领域

本发明涉及一种例如用于氧气传感器的退化判断装置，该退化判断装置判断形成用于内燃机的空气燃料比控制的氧气传感器的固体电解质层的退化。

背景技术

作为传统氧气传感器，已知这样的氧气传感器，其中所述氧气传感器具有参考电极和测量电极，所述参考电极和测量电极在它们之间保持有固体电解质层，在电压施加到参考电极和测量电极之间并且控制所述电极之间的氧气分压的条件下，所述氧气传感器通过测量两电极之间的电压而测量氧气浓度。

利用这种氧气传感器，空气燃料比(λ)的浓(很少氧气，很多燃料)/稀(很多氧气，很少燃料)基于氧气浓度的测量结果来判断，由此控制内燃机的空气燃料比。

在传统技术中，氧气传感器的退化从氧气传感器的内部组合或总阻抗判断，其是通过向氧气传感器施加特定电压基于氧气传感器输出电压的变化量来计算的(例如，参见专利公开1)。

专利公开1：日本专利申请KoKai公开No.4-233447。

发明内容

本发明解决的技术问题

然而，在传统的退化判断方式中，由于测量了氧气传感器的内部总阻抗，因此不能够确定形成氧气传感器的固体电解质层的退化。

由此，通过传统的退化判断方式，存在氧气传感器将被判断为被激活(＝处于正常状态)的危险，而不管氧气传感器的输出值变大的事实，所述氧气传感器的输出值变大的原因如下：因为固体电解质层经受由于留在排出气中的Si导致的催化剂中毒，然后固体电解质层的内阻值增加(劣化)，或者因为固体电解质层的内阻值由于固体电解质层的温度没有快速增加而难以降低。也就是说，尽管是稀的状态，该状态却被判断为浓的状态，因此这可能导致发动机失速或排放故障。

本发明已经被提出以便解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种用于氧气传感器的退化判断装置，该退化判断装置能够精确地判断固体电解质层的退化。

解决所述问题的技术手段

为了实现上述目，在权利要求1描述的发明中，退化判断装置具体地具有控制单元，该控制单元通过在参考和测量电极之间施加高频交流电而检测固体电解质层的内阻值，并且通过比较检测到的电阻值和参考值判断固体电解质层的退化。

由于根据本发明的氧气传感器的退化判断装置根据固体电解质层的内阻值判断固体电解质层的退化，因此能够精确地判断固体电解质层的退化，并且能够防止发动机失速或排放故障的发生。

在权利要求2描述的发明中，当所述内阻值变得大于或等于所述参考值时，所述控制单元判断所述固体电解质层劣化。

在权利要求3描述的发明中，所述退化判断装置具有加热器部分，该加热器部分用于加热所述固体电解质层，且所述控制单元在所述内阻值变得大于或等于所述参考值时判断固体电解质层劣化，且通过控制施加到加热部分上的电压，将固体电解质层加热到使所述内阻值变为参考值的温度。

根据此发明，可以降低固体电解质层的内阻值，并且将固体电解质层返回到激活状态，从而获得正确的传感器输出。

在权利要求4描述的发明中，当施加到加热器部分的电压大于或等于电池电压时(所述施加的电压与所述内阻变为参考值时的温度对应)，控制单元延迟判断固体电解质层的激活状态的判断定时，直到固体电解质层加热到使所述内阻变为参考值的温度。

根据此发明，通过等待固体电解质层的温度增加，能够精确地判断固体电解质层的退化。

在权利要求5描述的发明中，对施加到加热器部分的电压的控制通过映射(map)或计算进行，所述映射或计算由固体电解质层的内阻值、加热器电压和激活判断延迟值构成。

在权利要求6描述的发明中，控制单元在参考电极和测量电极之间施加10MHz的高频交流电，且在固体电解质层的内阻值增加50％或更多的情况下，控制单元判断固体电解质层劣化。

在权利要求7描述的发明中，氧气传感器的退化判断装置配备有参考电极和测量电极，参考电极和测量电极在它们之间保持有固体电解质层，所述氧气传感器基于电动势测量氧气浓度，所述电动势根据参考电极侧的氧气分压和测量电极侧的氧气分压之间的差异产生，且所述氧气传感器具有将氧气积聚在参考电极侧的系统，所述退化判断装置具有控制单元，该控制单元通过在参考电极和测量电极之间施加高频交流电来检测固体电解质层的内阻值，并且通过比较检测到的内阻值与参考值来判断固体电解质层的退化。

在权利要求8描述的发明中，当所述内阻值变得大于或等于参考值时，控制单元判断固体电解质层劣化。

在权利要求9描述的发明中，所述退化判断装置具有加热器部分，该加热器部分用于加热固体电解质层，且控制单元在所述内阻值变得大于或等于参考值时判断电解质层劣化，并且通过控制施加到加热部分的电压，将固体电解质层加热到使所述内阻值变为参考值的温度。

在权利要求10描述的发明中，当与内阻值变为参考值时的温度相对应的、施加到加热器部分的电压大于或等于电池电压时，所述控制单元延迟判断固体电解质层的激活的判断定时，直到电解质层加热到使内阻值变为参考值的温度。

在权利要求11描述的发明中，控制单元在内阻值变为大于或等于参考值时判断固体电解质层劣化，并且根据内阻值相对于参考值的增量，将与氧气传感器的输出值相比较的限制电平(slice level)升高到正常值以上。

在权利要求12描述的发明中，与氧气传感器的输出值相比较的限制电平通过映射或计算被移位，所述映射或计算由固定电解质层的内阻值、加热器电压、激活判断延迟值和限制电平偏移量构成。

在权利要求13描述的发明中，控制单元在参考电极和测量电极之间施加10MHz的高频交流电，并且在固体电解质层的内阻值增加50％或更多的情况下，控制单元判断固体电解质层劣化。

附图说明

图1是示出根据本发明的内燃机系统的示意系统图；

图2是示出图1所示氧气传感器的构造截面图及其等效电路；

图3是示出根据本发明的条件判断过程的流程的流程图；

图4是根据本发明的退化判断过程的流程的流程图；

图5是示出内阻值根据交流电的频率变化的图；

图6是示出根据装置温度的增加内阻值的变化的图；

图7是解释其中氧气传感器的输出电压的限制电平偏移的过程的图。

具体实施方式

本发明的退化判断装置能够应用于例如图1中所示的内燃机的空气燃料比控制。在下面，将参考附图描述本发明的一个实施例的内燃机系统。

[内燃机系统]

如图1所示，本发明该实施例的内燃机1包括作为主要元件的气缸5，燃料喷射阀(喷射器)7，氧气传感器8和控制单元(C/U)10，所述气缸5具有进气阀2、排气阀3和火花塞4，所述燃料喷射阀7设置在进气口6内，氧气传感器8检测排气口9内的氧气浓度，控制单元10控制进气阀2、排气阀3、火花塞4和燃料喷射阀7的操作。

另外，温度传感器11，负载传感器12和发动机速度传感器13与控制单元10相连，所述温度传感器11感测发动机操作温度，如内燃机1的发动机冷却剂温度、润滑油温度和外部空气温度，所述负载传感器12检测内燃机1的负载，如节流阀开度，发动机速度传感器13检测内燃机1的转数。控制单元10构造为由这些传感器检测的信息输入到控制单元10内。

另外，如图2所示，氧气传感器8具有测量电极22和参考电极23，测量电极22和参考电极23在它们之间保持有固体电解质层21。氧气传感器8基于电动势“V”检测氧气浓度，所述电动势“V”通过在测量电极22和参考电极23之间施加偏压“V0”，根据参考电极23一侧的氧气分压和测量电极22一侧的氧气分压的差异产生。所述固体电解质层21形成为使得该固体电解质层21能够被加热器部分24加热和激活，所述加热器部分24通过施加的电压加热。

这里，一般而言，当形成氧气传感器8的固体电解质层21的内阻值“R1”(见图2B)由于留在排出气中的Si导致的催化剂中毒而增加(劣化)时，或者当固体电解质层21的内阻值“R1”因为固体电解质层21的温度不快速升高而难以降低时，氧气传感器8的输出值“V”变大。

由此，通过传统退化判断方式，由于上述原因，尽管氧气传感器8的输出值“V”变大的事实，固体电解质层21也判断为被激活。换言之，尽管是稀状态，该状态也被判断为浓状态，且因此这可能导致发动机失速或排放故障。

因此，在此内燃机1内，控制单元10执行下列条件判断过程和退化判断过程，且由此精确地检测固体电解质层21的退化。下面，将参考图3和图4描述控制单元10在执行这些条件判断和退化判断过程时的操作。

[条件判断操作]

首先，将参考图3所示的流程图解释控制单元10在执行条件判断过程时的操作，在条件判断过程中判断用于固体电解质层21的退化判断的开始的条件是否得到满足。

在图3的流程图中，当车辆的点火开关接通(ON)时，程序开始，且条件判断过程的程序进行到步骤S1。

在步骤S1的过程中，控制单元10从发动机速度传感器13的检测结果判断内燃机1是否旋转。当内燃机1旋转时，条件判断过程的程序通过控制单元10进行到步骤S2。

在步骤S2的过程中，控制单元10由温度传感器11的检测结果判断内燃机1的发动机冷却剂温度是否在规定的范围内。作为判断的结果，当发动机冷却剂温度不在规定的范围内时，条件判断过程的程序通过控制单元10返回到步骤S1。另一方面，当发动机冷却剂温度位于规定的范围内时，程序通过控制单元10进行到步骤S3。

在步骤S3的过程中，控制单元10判断规定的空气燃料比(λ)控制条件是否建立。作为判断的结果，当所述空气燃料比控制条件没有建立时，条件判断过程的程序通过控制单元10返回到步骤S1。另一方面，当空气燃料比控制条件建立时，程序通过控制单元10进行到步骤S4。

在步骤S4的过程中，控制单元判断发动机曲轴是否旋转。作为判断的结果，当发动机曲轴没有旋转时，条件判断过程的程序通过控制单元返回到步骤S1。另一方面，当发动机曲轴旋转时，控制单元10判断退化判断条件建立，且条件判断过程的循环终止。

[退化判断过程]

下面将参考图4所示流程图解释控制单元10在执行退化判断过程时的操作，所述退化判断过程判断固体电解质层21的退化。

在图4的流程图中，当在条件判断过程中退化判断条件被判断为建立时程序开始，且退化判断过程的程序进行到步骤S11。

在步骤S11的过程中，控制单元10将大约10MHz的高频交流电施加到氧气传感器，并且检测固体电解质层21的内阻值(体电阻值)“R1”预定次数(例如100次)。

这里，如图5A所示，与新的氧气传感器的内阻值相比，通过由于Si引起的催化剂中毒或通过热循环而劣化的氧气传感器的内阻值通常变大。另外，如图5B所示，通常已知的是：当在氧气传感器8的测量电极22和参考电极23之间施加交流电时，电极的退化能够从低频区域中的内阻值检测到，且固体电解质层21的退化能够从高频区域中的内阻值检测到。

结果，如上所述，通过将大约10MHz的高频交流电施加到氧气传感器，能够检测固体电解质层21的内阻值“R1”。通过此过程，步骤S11结束，且退化判断过程的程序进行到步骤S12。

在步骤S12的过程中，控制单元10计算由该过程在步骤S11检测的内阻值“R1”的平均值作为体电阻平均值“Rav”。通过此过程，步骤S12结束，且退化判断过程的程序进行到步骤S13。

在步骤S13的过程中，控制单元10将由该过程在步骤S12计算的体电阻平均值“Rav”与内阻值“R1”的初始数据(参考值)比较，然后判断固体电解质层21是否劣化。

更具体地，在体电阻平均值“Rav”相对于参考值变化50％以上(50％或更大的变化)的情况下，控制单元10判断固体电解质层21劣化。由此，作为判断的结果，在固体电解质层21没有劣化的情况下，控制单元10结束退化判断过程的循环，且程序进行到通常控制模式，该通常控制模式判断电极的退化。另一方面，在固体电解质层21劣化的情况下，退化判断过程的程序通过控制单元10进行到步骤S14。

在步骤S14的过程中，控制单元10参考示出体电阻平均值“Rav”和加热器电压之间的关系的映射，并读取与由该过程在步骤S12计算出的体电阻平均值“Rav”相对应的加热器电压。然后，控制单元10将读取的加热器电压施加到加热器部分24，从而加热固体电解质层21，直到内阻值“R1”变为参考值。如图6所示，固体电解质层21的内阻值“R1”通常根据传感器(装置)温度的增加而降低。因此，通过此过程，固体电解质层21的内阻值“R1”能够降低，且固体电解质层21能够返回到激活状态。

这里，在读取的加热器电压大于或等于电池电压的情况下，控制单元10将电池等同电压施加到加热器部分24。然而，由于大于电池电压的电压不能够被施加到加热器部分24，控制单元10判断需要用于使固体电解质层21的内阻值“R1”变为参考值的时间，且退化判断过程的程序进行到步骤S15。另一方面，在读取的加热器电压小于电池电压的情况下，控制单元10结束退化判断过程的循环，且程序进行到判断电极的退化的通常控制模式。

在步骤S15的过程中，控制单元10参考示出体电阻平均值“Rav”和激活延迟之间的关系的映射，并且读取与由该过程在步骤S12计算出的体电阻平均值“Rav”对应的激活延迟值。然后，控制单元10将激活判断定时延迟读取的激活延迟值。

利用此过程，激活判断定时能够被延迟直到固体电解质层21的温度升高，且能够准确地判断固体电解质层21的激活状态。

通过此过程，步骤S15结束，且退化判断过程的程序进行到步骤S16。

这里，在氧气传感器8不是像图2所示的传感器的伪参考电极类型的情况下，控制单元10结束退化判断过程的循环，且程序进行到判断传感器的退化的通常控制模式。

在步骤S16的过程中，控制单元10参考示出体电阻平均值“Rav”和限制电平(S/L)偏移量之间的关系的映射，并且读取与由该过程在步骤S12计算出的体电阻平均值“Rav”相对应的限制电平偏移量。然后，控制单元10将氧气传感器8的输出电压“V”的限制电平偏移所读取的偏移量(见图7)。

更具体地，控制单元10利用内阻值“R1”的变化，将所述限制电平偏移氧气传感器8的输出电压“V”的移位量。通常，在氧气传感器8是伪参考电极类型的情况下，难以通过该过程在步骤S15将体电阻平均值“Rav”降低到参考值。然而，通过此过程，可以将氧气传感器8的输出电压“V”调节到实际的电压，且能够准确地判断固体电解质层21的激活状态。通过此过程，退化判断过程的循环终止。

从上面的解释清楚地看到，在本实施例中，控制单元10通过在参考电极23和测量电极22之间施加高频交流电来检测固体电解质层21的内阻值“R1”。然后，控制单元10通过比较检测的内阻值“R1”的体电阻平均值“Rav”与参考值来判断固体电解质层21的退化。因此，能够准确地判断固体电解质层21的退化，且能够防止发动机失速和排放故障。

另外，在本实施例中，当内阻值“R1”的体电阻平均值“Rav”变得大于或等于参考值时，控制单元10判断固体电解质层21劣化。然后，控制单元10通过控制施加到加热器部分24的电压，将固体电解质层21加热到使内阻值“R1”变为参考值的温度。因此，可以降低固体电解质层21的内阻值“R1”，且将固体电解质层21返回到激活状态，从而获得正确的传感器输出。

另外，在本实施例中，当与内阻值“R1”变为参考值时的温度相对应的施加电压大于或等于电池电压时，控制单元10延迟判断固体电解质层21的退化的定时。因此，通过等待传感器温度升高，能够准确地判断固体电解质层21的退化。

而且，在本实施例中，当内阻值“R1”的体电阻平均值“Rav”变得大于或等于参考值时，控制单元10判断固体电解质层21劣化。然后，控制单元10根据内阻值“R1”相对于参考值的增量，将与氧气传感器的输出值“V”相比较的限制电平升高到正常值以上。因此，能够准确地判断固体电解质层21的退化。

最后，从上述实施例可以理解的技术构思而不是权利要求，与它们的效果一起将在下面被描述。

(i)如权利要求1-4中任一项所述的氧气传感器的退化判断装置，其中在通过在参考电极和测量电极之间施加10MHz的高频交流电，使得固体电解质层的内阻值相对于参考值增加50％或更多的情况下，退化判断装置判断固体电解质层21劣化。

Claims (13)

1.一种氧气传感器的退化判断装置，所述氧气传感器具有参考电极和测量电极并且基于电动势测量氧气浓度，所述参考电极和测量电极在它们之间保持有固体电解质层，所述电动势根据参考电极侧的氧气分压和测量电极侧的氧气分压之间的差异而产生，所述退化判断装置包括：

控制单元，该控制单元通过在参考电极和测量电极之间施加高频交流电来检测所述固体电解质层的内阻值，并且通过比较检测的内阻值和参考值来判断固体电解质层的退化。

2.根据权利要求1所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

当所述内阻值变得大于或等于所述参考值时，所述控制单元判断所述固体电解质层劣化。

3.根据权利要求1所述的氧气传感器的退化判断装置，进一步包括：

用于加热所述固体电解质层的加热器部分，

其中：

所述控制单元在所述内阻值变得大于或等于所述参考值时判断所述固体电解质层劣化，并且通过控制施加到加热器部分的电压，将所述固体电解质层加热到使所述内阻值变为所述参考值的温度。

4.根据权利要求3所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

当与所述内阻值变为所述参考值时的温度相对应的、施加到所述加热器部分的电压大于或等于电池电压时，所述控制单元延迟判断固体电解质层的激活状态的判断定时，直到所述固体电解质层加热到使所述内阻值变为所述参考值的温度。

5.根据权利要求3所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

施加到加热器部分的电压的控制通过映射或计算执行，其中所述映射或计算由固体电解质层的内阻值、加热器电压和激活判断延迟值构成。

6.根据权利要求3所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

控制单元在参考电极和测量电极之间施加10MHz的高频交流电，及

在固体电解质层的所述内阻值增加50％或更多的情况下，所述控制单元判断所述固体电解质层劣化。

7.一种氧气传感器的退化判断装置，所述氧气传感器配备有参考电极和测量电极，所述参考电极和测量电极在它们之间保持有固体电解质层，所述氧气传感器基于电动势测量氧气浓度并且具有将氧气积聚在参考电极侧的系统，所述电动势根据参考电极侧的氧气分压和测量电极侧的氧气分压之间的差异而产生，所述退化判断装置包括：

控制单元，该控制单元通过在参考电极和测量电极之间施加高频交流电来检测所述固体电解质层的内阻值，并且通过比较检测的内阻值和参考值来判断固体电解质层的退化。

8.根据权利要求7所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

当所述内阻值变得大于或等于所述参考值时，所述控制单元判断所述固体电解质层劣化。

9.根据权利要求7所述的氧气传感器的退化判断装置，进一步包括：

用于加热所述固体电解质层的加热器部分，

其中：

所述控制单元在所述内阻值变得大于或等于所述参考值时判断所述固体电解质层劣化，并且通过控制施加到加热器部分的电压，将所述固体电解质层加热到使所述内阻值变为所述参考值的温度。

10.根据权利要求9所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

当与所述内阻值变为所述参考值时的温度相对应的、施加到所述加热器部分的电压大于或等于电池电压时，所述控制单元延迟判断固体电解质层的激活状态的判断定时，直到所述固体电解质层加热到使所述内阻值变为所述参考值的温度。

11.根据权利要求10所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

所述控制单元在所述内阻值变为大于或等于所述参考值时判断固体电解质层劣化，并且根据所述内阻值相对于参考值的增量，将与所述氧气传感器的输出值相比较的限制电平升高到正常值以上。

12.根据权利要求11所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

与氧气传感器的输出值比较的限制电平通过映射或计算被移位，所述映射或计算由所述固体电解质层的内阻值、加热器电压、激活判断延迟值和限制电平偏移量构成。

13.根据权利要求11所述的氧气传感器的退化判断装置，其中：

控制单元在参考电极和测量电极之间施加10MHz的高频交流电，以及

在固体电解质层的所述内阻值增加50％或更多的情况下，所述控制单元判断所述固体电解质层劣化。

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