CN104343504A - 气体传感器控制设备和气体传感器控制方法 - Google Patents

气体传感器控制设备和气体传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

表示空气燃料比和所述催化剂的催化转化效率之间的关系的催化剂的催化转化特性包括第二空气燃料比点，该第二空气燃料比点是NOx开始从催化剂流出的点，且位于形成富有成分和氧的平衡点的第一空气燃料比点的富有侧。恒流电路(43)连接到传感器元件(31)，该恒流电路(43)引起电流从排气侧电极(33)、通过传感器元件(31)中的固态电解质层(32)流向大气侧电极(34)。微计算机(41)基于在催化剂处第一空气燃料比点和第二空气燃料比点之间的差异，控制由恒流电路(43)引起的电流的电流值。

Description

气体传感器控制设备和气体传感器控制方法
技术领域
本公开涉及一种气体传感器控制设备和一种气体传感器控制方法。
背景技术
例如，在车辆发动机(例如汽车发动机)中提供了气体传感器，其可输出电动势。在这种气体传感器中，从发动机释放的排出气体用作气体传感器的感测对象，并利用气体传感器感测排出气体的氧浓度。这种气体传感器包括电动势(EMF)单元，其输出取决于排出气体是丰富还是贫乏而变化的电动势信号。具体而言，在空气燃料比富有时，电动势单元输出大约0.9V的电动势信号。相反，在空气燃料比贫乏时，电动势单元输出大约0V的电动势信号。
在这种气体传感器中，在排出气体的空气燃料比在富有和贫乏之间变化时，相对于空气燃料比的实际变化，传感器输出的变化可能有不利的延迟。为了改善这种气体传感器的输出特性，已经提出了各种技术。
例如，JP2012-063345A(对应于US 2012/0043205A1)公开了一种气体传感器控制设备，其中恒流电路连接到一对传感器电极(即两个传感器电极)中的至少一个。在这种气体传感器控制设备中，在确定存在改变气体传感器的输出特性的需要时，基于该需求确定恒定电流的流向。然后，控制恒流电路，以在确定的方向上引起恒定电流流动。通过供应恒定电流，适当控制气体传感器的输出特性。
可以将输出电动势的气体传感器(O2传感器)放在发动机排气管道中三效催化剂的下游侧，以在利用三效催化剂净化排出气体之后感测排出气体的空气燃料比的富有/贫乏。在这种情况下，可以利用三效催化剂净化排出气体的CO、HC(两者都是富有成分)和NOx(贫乏成分)。然而，在空气燃料比超过理论空气燃料比附近的预定空气燃料比时(例如，在空气燃料比位于三效催化剂催化转化窗口贫乏侧时)，三效催化剂转化例如NOx的催化转化效率迅速降低。根据本申请发明人进行的研究，对于三效催化剂的催化转化特性而言，证实NOx开始从三效催化剂流出所处的NOx流出空气燃料比点位于空气燃料比点的富有侧，这形成三效催化剂处富有成分和氧的平衡点。
鉴于以上各点，即使在NOx在三效催化剂的下游侧从三效催化剂流出的情况下，在一些情况下也会不适当地在气体传感器处进行基于排出气体中氧存在的贫乏感测。因此，在利用气体传感器的测量信号进行控制操作以限制NOx排放的情况下，可能会意外发生不希望的NOx排放。
在上述现有技术中，在两个传感器电极之间传导恒定电流，以改变传感器输出特性并由此改善感测响应。此外，在发动机的高负荷运行下，考虑到响应于新鲜空气量的增加而预期的NOx排放量的增加，所以提高响应级。
然而，还没有一种现有技术考虑上述催化剂中的催化转化特性来改变传感器输出特性。考虑一种具有重要意义的技术，其基于根据催化剂的催化转化特性改变传感器输出特性的新目标。
发明内容
本公开是考虑到以上问题做出的，并因此本公开的目的是提供一种气体传感器控制设备和一种气体传感器控制方法，其能够适当改变气体传感器的输出特性并能够限制NOx排放。
根据本公开，提供了一种应用于内燃机的排出气体净化装置的气体传感器控制设备，所述排出气体净化装置包括催化剂和气体传感器。催化剂安装在所述内燃机的排气装置中并净化作为所述内燃机的排出气体中贫乏成分的NOx和所述排出气体的富有成分。气体传感器安装在所述催化剂的中间部分中的位置处或所述催化剂的下游侧的位置处，以在利用所述催化剂净化所述排出气体之后感测所述排出气体的用作感测对象的气体成分。所述气体传感器包括具有固态电解质体和一对电极的电动势单元，用以响应于所述排出气体的空气燃料比产生电动势。表示空气燃料比和所述催化剂的催化转化效率之间的关系的催化剂的催化转化特性包括第二空气燃料比点，所述第二空气燃料比点是NOx从催化剂开始流出的点且位于形成富有成分和氧的平衡点的第一空气燃料比点的富有侧。所述电动势单元的一对电极包括参考侧电极和排气侧电极，所述参考侧电极在从电动势单元输出电动势时变为正侧，所述排气侧电极在从所述电动势单元输出电动势时变为负侧。气体传感器控制设备包括电流传导调节装置和控制装置。电流传导调节装置引起电流从排气侧电极、经过电动势单元中的固态电解质体向参考侧电极流动。控制装置基于在催化剂处第一空气燃料比点和第二空气燃料比点之间的差异，控制由电流传导调节装置引起的电流的电流值。
根据本公开，还提供了一种应用于上述内燃机的排出气体净化装置的气体传感器控制方法。在该气体传感器控制方法中，基于在催化剂处第一空气燃料比点和第二空气燃料比点之间的差异，来设定从所述排气侧电极通过所述电动势单元中的固态电解质体流向所述参考侧电极的电流的电流值，并基于电流的所设定的电流值，引起电流从排气侧电极、经过电动势单元中的固态电解质体向参考侧电极流动。
附图说明
本文描述的附图仅仅出于例示的目的，并非要以任何方式限制本公开的范围。
图1是示意性示出根据本公开实施例的发动机控制系统的完整结构的视图；
图2是示意性示出该实施例的传感器元件和传感器控制布置的截面的视图；
图3是表示空气燃料比和传感器元件的电动势之间的关系的电动势特性视图；
图4是示出第一催化剂的催化转化特性和O2传感器的输出特性的视图；
图5是示出第一催化剂的催化转化特性和O2传感器的输出特性的视图；
图6是用于描述在传感器元件处的气体成分反应的示意图；
图7是流程图，示出了实施例恒定电流控制操作的流程；
图8是用于在实施例中设定恒流电路的命令电流值的视图；
图9是流程图，示出了实施例中用于恒流电路的异常确定过程；
图10是示出在实施例中关于第一催化剂的下游侧NOx排放量和HC排放量的测试结果的视图；
图11是示出根据本公开的实施例第一变形中的传感器控制布置的结构的视图；以及
图12是示出根据本公开的实施例第二变形中的传感器控制布置的结构的视图。
具体实施方式
将参考附图描述本公开的实施例。在本实施例中，使用了一种在车辆(例如汽车)发动机(内燃发动机)排气管道中提供的气体传感器，并将描述一种发动机控制系统，其基于气体传感器的输出对发动机执行各种控制操作。在发动机控制系统中，使用电子控制单元(以下简称ECU)执行，例如燃料喷射量的控制操作和点火定时的控制操作。图1是示意性示出发动机控制系统的完整结构的视图。
在图1中，发动机10例如是汽油发动机，并具有电子控制的节流阀11、燃料喷射阀12和点火装置13。用作或形成排出气体净化装置的催化剂(也称为催化转化器)15a、15b被安装于发动机10的排气管道14(用作排气装置)中。催化剂15a、15b的每个都被形成为例如三效催化剂。催化剂15a是第一催化剂，其用作上游侧催化剂，并且催化剂15b是第二催化剂，其用作下游侧催化剂。如现有技术中已知的，三效催化剂净化排出气体的三种有害成分(即CO(一氧化碳)、HC(烃)和NOx(氮氧化物，例如NO))，并通过向配置成例如蜂窝形式或网格形式的陶瓷衬底应用诸如铂、钯、铑的金属而形成。在这种情况下，在三效催化剂处，通过氧化反应净化作为富有成分的CO和HC，并且通过还原反应净化作为贫乏成分的NOx。
空气燃料比(A/F)传感器16位于第一催化剂15a在排出气体流向的上游侧，并且氧(O2)传感器17位于第一催化剂15a和第二催化剂15b之间，即，在排出气体流向上位于第一催化剂15a的下游侧和第二催化剂15b的上游侧。除了第一和第二催化剂15a、15b之外，本公开的排出气体净化装置可以包括O2传感器17。A/F传感器16输出A/F信号，其一般与排出气体的空气燃料比成正比。此外，O2传感器17输出电动势(EMF)信号，其取决于排出气体的空气燃料比是富有还是贫乏而变化。
此外，在发动机控制系统中安装了各种传感器，例如油门开度传感器21、曲柄转角传感器22、空气量传感器23和冷却剂温度传感器24。油门开度传感器21感测节流阀11的开度。曲柄转角传感器22在发动机10的每个预定曲柄转角(例如30度曲柄转角的时段)输出矩形波形的曲柄转角信号。空气量传感器23感测汲取到发动机10中的吸入空气量。冷却剂温度传感器24感测发动机冷却剂的温度。尽管图中未示出，但除了以上传感器之外，还提供了例如感测发动机气缸中的燃烧压力的燃烧压力传感器、感测加速器的开度(加速器操控量或加速器踏板的压下量)的加速器开度传感器以及感测发动机润滑油温度的油温传感器。这些传感器分别用作工作状态感测模块。
ECU25包括已知类型的微计算机，其具有CPU、ROM和RAM(存储器)。ECU25执行ROM中存储的各种控制程序，以根据发动机工作状态执行发动机10的各种控制操作。具体而言，ECU25从上述传感器接收信号，并且ECU25计算每个对应的燃料喷射量和每个对应的点火定时，以基于该信号执行例如用于驱动燃料喷射阀12的控制操作和用于驱动点火装置13的控制操作。
具体而言，相对于燃料喷射量控制操作而言，ECU25基于A/F传感器16的测量信号和O2传感器17的测量信号执行空气燃料比反馈控制操作，该A/F传感器16位于第一催化剂15a的上游侧，该O2传感器17位于第一催化剂15a的下游侧。具体而言，ECU25执行主反馈控制操作，使得利用A/F传感器16感测的实际空气燃料比(在第一催化剂15a上游侧位置的实际空气燃料比)与基于发动机工作状态设定的目标空气燃料比一致。而且，ECU25执行子反馈控制操作，使得利用O2传感器17感测的实际空气燃料比(在第一催化剂15a下游侧位置的实际空气燃料比)与目标空气燃料比一致。在子反馈控制操作中，考虑到第一催化剂15a下游侧的实际空气燃料比与目标空气燃料比之间的差异，校正主反馈控制操作中使用的目标空气燃料比，或校正主反馈控制操作中使用的反馈校正量。ECU25执行化学计量反馈控制操作(其将目标空气燃料比设定为化学计量空气燃料比(理论空气燃料比))作为空气燃料比控制操作。
接下来，将描述位于第一催化剂15a下游侧的O2传感器17的结构。O2传感器17具有配置成杯形的传感器元件(也称为感测装置)31。图2示出了传感器元件31的截面。实际上，传感器元件31被配置成使得整个传感器元件31容纳在外壳或元件盖中，且传感器元件31处于排气管道14中。传感器元件31用作电动势单元。
在传感器元件31中，固态电解质层(用作固态电解质体)32具有杯形截面。排气侧电极33形成于固态电解质层32的外表面中，并且大气侧电极34形成于固态电解质层32的内表面中。电极33、34的每个都形成为在固态电解质层32的外表面和内表面的对应一个上的层。固态电解质层32是氧化物烧结体，通过其传导氧离子并通过向ZrO2、HfO2、ThO2和/或Bi2O3中完全溶解作为稳定剂的CaO、MgO、Y2O3和/或Yb2O3来形成。此外，每个电极33，34都由具有高催化活性的贵金属，例如铂制成，并且电极33，34的表面覆盖有化学镀的多孔涂层。上述两个电极33，34用作一对电极(传感器电极)。由固态电解质层32围绕的内部空间是大气室(参考气体室或简称为参考室)35。加热器36容纳在大气室35中。加热器36具有充分大的热容量以激活传感器元件31，并且传感器元件31完全被从加热器36产生的热能加热。O2传感器17的激活温度例如是500到650摄氏度。向大气室35中引入大气气体(大气空气)，从而将大气室35的内部保持在预定氧浓度。
在传感器元件31中，排出气体存在于固态电解质层32的外部(电极33一侧)，并且大气气体(大气空气)存在于固态电解质层32的内部(电极34一侧)。响应于固态电解质层32外部(电极33一侧)和固态电解质层32内部(电极34一侧)之间的氧浓度差异(氧分压差异)，在电极33和电极34之间产生电动势。具体而言，所产生的电动势根据空气燃料比富有还是贫乏而变化。在这种情况下，排气侧电极33处的氧浓度低于用作参考侧电极的大气侧电极34处的氧浓度，并且在传感器元件31处产生电动势，而大气侧电极34和排气侧电极33分别用作正侧和负侧。在这种情况下，排气侧电极33通过电气路径50b接地，如图2所示。于是，O2传感器17输出电动势信号，其对应于排出气体的氧浓度(空气燃料比)。
图3是示出排出气体的空气燃料比和传感器元件31的电动势之间的关系的电动势特性曲线图。在图3中，横坐标轴表示空气过剩率λ。在空气过剩率λ为1(即，λ＝1)时，空气燃料比是化学计量空气燃料比(理论空气燃料比)。传感器元件31具有这样的特性：从传感器元件31产生的电动势取决于空气燃料比是富有还是贫乏而变化，并从传感器元件31产生的电动势在化学计量空气燃料比附近迅速变化。具体而言，传感器元件31在富有时间的电动势(也称为传感器电动势)约为0.9V，并且传感器元件31在贫乏时间的电动势约为0V。
在图2中，传感器控制布置(也称为传感器控制设备)40连接到传感器元件31。在响应于排出气体的空气燃料比(氧浓度)在传感器元件31处产生电动势时，从传感器元件31通过电气路径50a向传感器控制布置40的微计算机41输出与在传感器元件31处产生的电动势相对应的传感器测量信号(电动势信号)。微计算机41具有CPU、ROM和RAM(存储器)，并在执行一个或多个存储器中存储的每个对应程序时执行各种操作。微计算机41基于传感器元件31的电动势信号计算空气燃料比。传感器控制布置40形成于图1的ECU25中。在ECU25处，微计算机41被形成为具有发动机控制功能和传感器控制功能的计算装置(计算模块)。在这种情况下，微计算机41基于上述各传感器的测量结果，来计算发动机旋转速度和吸入空气量。然而，作为具有单个微计算机的替代，如果需要，可以构造ECU25以具有执行发动机控制功能的发动机控制微计算机和执行传感器控制功能的传感器控制微计算机。
此外，微计算机41确定传感器元件31的激活状态，并基于传感器元件31的激活状态的确定结果，通过驱动装置42控制加热器36的驱动操作，该驱动装置42通过电气路径50c连接到加热器36。传感器元件31的激活确定技术和加热器控制技术是已知的。因此，将简要描述传感器元件31的激活确定和加热器控制。微计算机41以类似于交流电的方式周期性地改变施加到传感器元件31的电压或电流，并感测电流中这样产生的变化或电压中这样产生的变化。基于电流变化或电压变化来计算传感器元件31的电阻(传感器元件31的阻抗)，并基于传感器元件31的电阻执行加热器36的通电控制操作。此时，在传感器元件31的激活状态(传感器元件31的温度)和传感器元件31的电阻之间存在相关性。在将传感器元件31的电阻控制到预定目标值时，将传感器元件31保持在期望的激活状态(在这种状态下，传感器元件31的激活温度被保持在500到650摄氏度范围内)中。例如，可以执行传感器元件温度反馈控制操作作为加热器控制操作。
在操作发动机10时，改变了排出气体的实际空气燃料比。例如，可能在富有和贫乏之间反复改变空气燃料比。在富有和贫乏之间改变实际空气燃料比时，在O2传感器17的输出和作为贫乏成分的NOx存在之间存在偏差时，可能会影响到排放性能。例如，在高负荷下操作发动机10时(车辆加速时)，可能会将排出气体中NOx的量增加到超过预期的量。
在本实施例中，基于输出电动势的O2传感器17的输出特性和位于O2传感器17上游侧的第一催化剂15a的催化转化特性之间的关系，改变O2传感器17的感测模式。稍后将描述改变O2传感器17的感测模式的细节。图4是示出了作为三效催化剂的第一催化剂15a的催化转化特性和O2传感器17输出特性的视图。具体而言，图4示出了：(I)在第一催化剂15a处的排出气体的三种有害成分(即CO、HC、NOx)中每一种的催化转化效率和空气燃料比之间的关系；(II)第一催化剂15a下游侧三种有害成分和氧气中的每一种的气体浓度和空气燃料比之间的关系；(III)O2传感器17的排气侧电极33表面附近三种有害成分和氧气中的每一种的气体浓度和空气燃料比之间的关系；以及(IV)O2传感器17的电动势输出和空气燃料比之间的关系。
第一催化剂(三效催化剂)15a具有催化转化窗口，其中三种有害成分的每一种的催化转化效率在化学计量空气燃料比点附近变高(空气过剩率λ＝1)，如现有技术已知的那样。此外，对于第一催化剂15a下游侧的三种有害成分的浓度和氧气浓度而言，应理解在化学计量空气燃料比点附近存在反应平衡点A1，在该点A1处，富有成分(CO，HC)的浓度和氧浓度变得彼此大致相等，并还存在NOx流出点A2，在该点A2处，NOx(NO)开始从第一催化剂15a向第一催化剂15a下游侧流出。在这种情况下，NOx流出点A2(NOx开始从催化剂15a流出的点)位于反应平衡点A1的富有侧，并且NOx流出点A2和反应平衡点A1彼此间隔开差异ΔA。即，第一催化剂15a具有如下催化转化特性：NOx开始从第一催化剂15a流出所处的NOx流出点(用作第二空气燃料比点)A2位于反应平衡点(用作第一空气燃料比点)A1的富有侧，该反应平衡点形成富有成分和氧的平衡点。反应平衡点A1是富有成分和氧的平衡特性的拐点，并且NOx流出点A2是NOx流出浓度特性的拐点。
产生点A1和点A2之间偏差(差异)的原因可能如下。在发动机10工作期间将包含CO、HC、NOx和O2的排出气体引导到第一催化剂15a的情况下，除了CO和HC之外，NOx也可能从第一催化剂15a流出。例如，即使在三效催化剂的催化转化窗口的范围中，也要注意，在精确测量CO、HC和NOx的量时，一些量的CO、HC和NOx从第一催化剂15a流出。在这种情况下，尽管O2在与CO和HC平衡的情况下从第一催化剂15a流出(在CO和HC浓度≈0时，O2开始流出)，但不论CO和HC的反应如何，NOx都从第一催化剂15a在其下游侧流出。因此，点A1和点A2之间存在差异。
此外，O2传感器17的排气侧电极33附近的以上三种成分和氧的浓度与第一催化剂15a下游侧的以上三种成分和氧的浓度相同。在这种情况下，在点A1的富有侧，富有成分(CO，HC)的量大于氧的量，并且在点A1的贫乏侧，氧的量大于富有成分的量。因此，就O2传感器17的电动势而言，在第一催化剂15a的反应平衡点A1一侧或另一侧输出富有信号(0.9V)和贫乏信号(0V)之一。在这种情况下，因此可以说，针对在O2传感器17处的富有成分和氧的反应平衡点与在第一催化剂15a处的反应平衡点A1重合。此外，NOx存在于点A1的富有侧。
在O2传感器17的排气侧电极33处，根据以下化学反应式(1)到(3)发生排出气体的CO、HC和NOx的氧化反应和还原反应。
CO+0.5O2→CO2      …(1)
CH4+2O2→CO2+2H2O  …(2)
CO+NO→CO2+0.5N2   …(3)
此外，确立了关系k1，k2>>k3，其中k1，k2和k3分别表示化学反应式(1)的平衡常数，化学反应式(2)的平衡常数和化学反应式(3)的平衡常数。
在这种情况下，在O2传感器17处，通过例如CO、HC、NOx和O2的气体反应，确定平衡点(电动势输出＝0.45V所处的点)。然而，由于平衡常数的差异，CO和HC与O2的反应变成排气侧电极33处的主要反应。
此外，在第一催化剂15a的催化转化特性中存在以上差异ΔA，并且以上差异ΔA对O2传感器17的输出特性具有影响。因此，在一些情况下，即使在NOx从第一催化剂15a流出时，O2传感器17的输出也可能不对应于NOx从第一催化剂15a的流出。因此，不能正确地监测NOx从第一催化剂15a的流出，由此可能会增加NOx排放量。
考虑到以上缺点，根据本实施例，在O2传感器17的传感器元件31的电极33，34之间传导具有预定电流值的电流，使得在O2传感器17的排气侧电极33附近的位置处，富有成分的浓度减小，并且氧的浓度增加。具体而言，如图5所示，在O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应平衡点从点A1变为点A3。在图5中，与图4相比，在O2传感器17的排气侧电极33附近的CO、HC和O2的所有浓度特性都偏移到富有侧。通过这种方式，在O2传感器17的输出特性改变且NOx从第一催化剂15a流出的情况下，O2传感器17的输出能够对应于NOx的流出。
通过在电极33，34之间传导电流引起传感器输出特性的变化的原理如下。如图6所示，在O2传感器17的排气侧电极33附近存在CO、HC、NOx和O2。在这样的情况下，通过传感器元件31传导电流，使得氧离子从大气侧电极34通过固态电解质层32向排气侧电极33移动。具体而言，在传感器元件31处进行氧泵送。在这种情况下，在排气侧电极33处，向排气侧电极33一侧通过固态电解质层32移动的氧与CO和HC反应，而分别形成CO2和H2O。通过这种方式，去除了在排气侧电极33附近的CO和HC，并将在O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应平衡点平移到富有侧。
接下来，将描述执行O2传感器17控制操作的传感器控制布置40的结构。传感器控制布置40的结构使图2所示那种。具体而言，传感器控制布置40包括微计算机41，其用作控制装置(或控制模块)。微计算机41获得从传感器元件31通过例如模数(A/D)转换器输出的电动势信号，并且微计算机41基于所获得的电动势信号来计算排出气体的空气燃料比(尤其是第一催化剂15a下游侧的空气燃料比)。此外，在电气路径中连接恒流电路(用作电流传导调节装置或电流传导调节模块)43，其电连接在传感器元件31的大气侧电极34和微计算机41之间。更具体而言，恒流电路43通过电气路径80连接到电气路径50a的部分50a1，电气路径50a电连接在传感器元件31的大气侧电极34和微计算机41之间。电气路径50a的部分50a1是电气路径50a中位于传感器元件31的大气侧电极34和微计算机41之间的中间位置。将恒流电路43配置成使得在传感器元件31产生电动势时，恒流电路43引起预定恒定电流通过传感器元件31的流动。
将恒流电路43配置成使得恒定电流Ics能够从排气侧电极33通过传感器元件31中的固态电解质层32流向大气侧电极34。此外，恒流电路43具有脉宽调制(PWM)驱动装置，并由此恒流电路43能够通过PWM控制操作(占空比控制操作)调节电流的电流值。在这里，应当指出，术语“电流值”是指电流(更具体而言，电学电流)的值，也称为“电流量”(即，电流的量)或“电流数量”(即电流的数量)，并且可以用例如安培(A)等单位表达电流值。微计算机41基于传导电流的需求来设定恒流电路43的恒定电流的电流值(通过恒流电路43传导的电流的电流值)，并控制恒流电路43以引起具有设定电流值的恒定电流Ics的流动。
在本实施例中，基于在第一催化剂15a处氧流出的反应平衡点A1和在第一催化剂15a处NOx流出的NOx流出点A2之间的差异，执行恒定电流的控制操作。具体而言，控制恒定电流，从而将O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应的平衡点置于NOx流出点A2或与NOx流出点A2相邻的点。通过这种方式，基于第一催化剂15a的催化转化特性改变了O2传感器17的输出特性。由此，在NOx从第一催化剂15a流出时，自NOx从第一催化剂15a流出开始，在O2传感器17处输出贫乏信号。
在这里，鉴于为了限制NOx排放而要确保O2传感器17的鲁棒性，优选将O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应的平衡点置于NOx流出点A2的富有侧(参见图5)。具体而言，可以将O2传感器17的排气侧电极附近的气体反应的平衡点从NOx流出点A2向NOx流出点A2的富有侧偏移例如就空气过剩率λ而言的大约0.1到0.5％(更希望0.1到0.3％)的量，以具有略微的富有状态。
在改变发动机10的工作状态时，改变了排出气体中富有成分的量。具体而言，在提高发动机的旋转速度时，或者在增加发动机的负载时，增加了排出气体中富有成分的量。换言之，在提高发动机的旋转速度或者负载时，增加了富有气体的流量，并增加了富有气体的气体浓度。在这种情况下，在不论发动机工作状态如何都将要供应给传感器元件31的电流的电流值保持恒定时，在O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应的平衡点可能会无意中偏离期望位置，该期望位置参考NOx流出点A2来设定。即，通过传感器元件31供应电流而在传感器元件31的排气侧电极33附近供应的所供应氧的量可能相对于在传感器元件31的排气侧电极33附近的富有成分的量而言变得短缺。在发生所供应氧的这种短缺时，富有成分保持在排气侧电极33附近。由此，不能以期望的方式改变O2传感器17的输出特性。
因此，在本实施例中，基于发动机10的工作状态可变地控制通过传感器元件31传导的恒定电流的电流值(恒流电路43的恒定电流的电流值)。在这种情况下，即使在响应于发动机工作状态改变在O2传感器17处排气侧电极33的表面上具有富有气体的平衡反应所需的需氧量时，也可以响应于所需氧量的变化以期望的方式改变O2传感器17的输出特性。可以将发动机旋转速度、发动机负载和/或发动机的负载率用作发动机工作状态的参数。
此外，在由恒流电路43的电流的电流值改变O2传感器17的输出特性的情况下，如上所述，在恒流电路43中发生异常时，影响了排气排放性能。因此，在本实施例中，向微计算机41增加异常确定功能(异常确定布置)，其对确定对象，即恒流电路43执行异常确定。
如图2中所示，作为用于感测异常的结构，将用于感测电流的分流电阻器45连接到排气侧电极33(更具体而言，将分流电阻器45安装于电气路径50b中，该电气路径50b连接在排气侧电极33与地之间)，并利用电流感测装置46感测流经分流电阻器45的电流。电流感测装置46可以包括差分放大器电路，其具有例如运算放大器。在这种情况下，利用分流电阻器45和电流感测装置46感测通过恒流电路43传导的电流(也称为实际电流)的实际电流值，并且微计算机41基于电流的实际电流值执行异常确定，以确定恒流电路43中是否存在异常。
接下来，将参考图7和9的流程图来描述由微计算机41执行的恒定电流控制操作和异常确定过程。图7是示出恒定电流控制操作的流程图。微计算机41以预定时间间隔重复这种操作。
在图7中，在步骤S11，确定是否满足执行恒定电流控制操作的执行条件。例如，执行条件可以包括以下：(I)O2传感器17和恒流电路43都正常；以及(II)当前执行子反馈控制操作。在步骤S11的询问答案为是时，操作行进到步骤S12。
在步骤S12，获得发动机工作状态，例如发动机旋转速度和/或发动机负载(例如，吸入空气量)。之后，在下一步S13，基于在步骤S12获得的发动机工作状态设定恒定电流Ics的命令电流值。此时，基于例如图8所示的关系设定恒定电流的命令电流值。在图8中，在提高发动机旋转速度或发动机负载时，增大了恒定电流的命令电流值。
之后，在步骤S14，执行恒流电路43的控制(针对电流传导的控制)，使得恒流电路43引起恒定电流通过传感器元件31流动，该恒定电流具有在步骤S13设定的电流值。
图9示出了流程图，示出了恒流电路43的异常确定过程。微计算机41以预定时间间隔重复这种过程。
在图9中，在步骤S21，确定是否满足执行异常确定过程的执行条件。例如，这种执行条件可以包括传感器元件31处于激活状态的条件，即，传感器元件31的温度等于或高于预定激活温度。在步骤S21的询问答案为是时，操作行进到步骤S22。
在步骤S22，获得此时恒流电路43电流的命令电流值，并获得此时利用分流电阻器45和电流感测装置46感测的电流的实际电流值。此时，在执行步骤S22的时刻之前立刻改变命令电流值的情况下，应当利用分流电阻器45和电流感测装置46感测电流的实际电流值，并在电流的实际电流值稳定化之后由微计算机41从电流感测装置46获得该电流的实际电流值。具体而言，利用分流电阻器45和电流感测装置46感测实际电流值，并在从改变命令电流值的时刻过去预定时段之后，由微计算机41从电流感测装置46获得该实际电流值。
然后，在步骤S23，将命令电流值和实际电流值彼此对比，并且确定命令电流值和实际电流值之间的差异(差异的绝对值)是否小于预定确定值K。在步骤S23确定出命令电流值和实际电流值之间的差异(差异的绝对值)小于确定值K时，该操作行进到步骤S24，在此确定恒流电路43正常。相反，在步骤S23确定命令电流值和实际电流值之间的差异(差异的绝对值)等于或大于确定值K时，该操作行进到步骤S25，在此确定恒流电路43异常。最好考虑到电路容差(例如传感器IC的容差)设定确定值K。当在步骤S25确定出恒流电路43异常时，操作行进到步骤S26。在步骤S26，执行故障安全操作，例如停止通过恒流电路43传导(供应)恒定电流，停止空气燃料比的子反馈控制操作，打开例如仪表板中提供的异常警告灯和/或在存储装置(例如存储器)中存储诊断数据。
上文论述的本实施例提供了如下优点。
提供恒流电路43，以引起恒定电流从排气侧电极33通过传感器元件31中的固态电解质层32流向大气侧电极34。基于反应平衡点A1(第一空气燃料比点)和在第一催化剂15a处的NOx流出点A2(第二空气燃料比点)之间的差异，来控制由恒流电路43传导的电流的电流值。利用这种构造，可以相对于对应的空气燃料比(在该空气燃料比，NOx开始从第一催化剂15a流出)调节O2传感器17的输出特性。即，在NOx从第一催化剂15a流出的情况下，O2传感器17能够产生对应的电动势，其对应于NOx从第一催化剂15a的流出。因此，可以适当改变O2传感器17的输出特性，并由此可以限制NOx排放。
控制由恒流电路43传导的电流的电流值，以将O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应的平衡点偏移到NOx流出点A2(第二空气燃料比点)或与NOx流出点A2相邻的点。由此，可以实施更适当的结构，以通过使用O2传感器17的输出来限制NOx的排放。
具体而言，在控制由恒流电路43传导的电流的电流值，使得在O2传感器17的排气侧电极33附近的气体反应的平衡点变得相对于NOx流出点A2(第二空气燃料比点)而言略微富有时，可以实现所需的鲁棒性以限制NOx排放。
图10示出了关于第一催化剂15a下游侧NOx排放量和HC排放量的测试结果。在图10中，指明了在O2传感器17的输出特性改变的状态下执行的空气燃料比控制操作的结果。在图10中，“A1”表示在第一催化剂15a处的反应平衡点A1，并且“A2”表示NOx流出点A2，并且“λ偏移量”表示就λ(空气过剩率)而言的富有变化量。在这种情况下，应当理解，在λ偏移量为0到0.5％的范围中减少NOx排放量。即，在图10中，在排气侧电极33附近的气体反应的平衡点相对于NOx流出点A2在NOx流出点A2的富有侧上在空气过剩率λ的预定范围(其为0到0.5％)内偏移时，有利地减少了NOx排放量。此外，λ偏移量的适当值是0.1到0.5％(λ偏移量的适当值处于空气过剩率λ的预定范围中，其为0.1到0.5％)。通过传感器元件31传导的电流的电流值优选是在0.1mA到1.0mA范围内的值。
基于发动机工作状态来控制由恒流电路43传导的电流的电流值(命令电流值)。通过这种方式，即使在由于发动机工作状态的改变而改变排出气体中富有成分量时，也可以适当改变O2传感器17的输出特性，由此可以将O2传感器17的排气侧电极附近的气体反应的平衡点维持在相对于NOx流出点A2的期望位置。
本公开未必限于以上实施例，并在本公开的原理内可以通过各种方式修改以上实施例。例如，可以如下修改以上实施例。
可以构造以上实施例的电流传导调节装置(电流传导调节模块)，以具有图11所示的结构。在图11中，提供了恒流电路50，作为电流传导调节装置(电流传导调节模块)。在向恒流电路50施加传感器元件31的电动势时，恒流电路50响应于电动势传导恒定电流。恒流电路50包括电压产生布置51、运算放大器52、n沟道MOSFET53和电阻器54。电压产生布置51产生预定恒定电压。MOSFET53由运算放大器52的输出来驱动。电阻器54连接到MOSFET53的源极。MOSFET53和电阻器54串联连接于电气路径80中，该电气路径80连接在电气路径50a的部分50a1与地之间。电气路径50a和电气路径80一起合作，以形成连接于传感器元件31的大气侧电极34和地之间的电气路径70。电压产生布置51包括恒定电压源51a(例如输出5V的恒定电压源)和两个电阻器51b、51c。恒定电压源51a和电阻器51b、51c串联连接，并且电阻器51b、51c之间的中间点形成电压输出点X1。运算放大器52的非反相端(也称为+输入端)连接到电压输出点X1，并且运算放大器52的输出端连接到MOSFET 53的栅极。此外，运算放大器52的反相端(也称为-输入端子)连接到电气路径80中MOSFET53和电阻器54之间的中间点X2。MOSFET53的栅极、漏极和源极分别连接到运算放大器52的输出端、传感器元件31的大气侧电极34和电阻器54。
操作通过上述方式构造的恒流电路50，使得运算放大器52的非反相端的电压和运算放大器52的反相端的电压变得彼此相等。因此，中间点X2的电压和电压输出点X1的电压彼此相等。恒定电流Ics(其电流值基于中间点X2的电压和电阻器54的电阻值来确定)流经电气路径70形成且包括一个接一个串联连接的传感器元件31、MOSFET53和电阻器54的串联电路。此时，响应于运算放大器52的输出电压操作MOSFET53，使得MOSFET53起到传导恒定电流Ics的电流控制元件的作用，其中该输出电压是由于运算放大器52的非反相端的输入电压和反相端的输入电压之间的差异而产生的。
优选地，基于在传感器元件31中产生电动势时需要通过传感器元件31传导的电流的电流值，来确定电压输出点X1的电压、中间点X2的电压和电阻器54的电阻值。具体而言，例如，在传感器元件31中产生电动势(0到0.9V)时需要通过传感器元件31传导电流值为0.1mA的电流的情况下，将电压输出点X1的电压和中间点X2的电压设定为10mV，并将电阻器54的电阻值设定为100Ω。此外，在需要通过传感器元件31传导电流值为0.2mA的电流的情况下，将电压输出点X1的电压和中间点X2的电压设定为20mV，并且将电阻器54的电阻值设定为100Ω。此外，在需要通过传感器元件31传导电流值在0.1mA到1.0mA范围中的电流的情况下，在将电阻器54的电阻值设定为100Ω时，可以将电压输出点X1的电压和中间点X2的电压设定在10mV到100mV的范围中。然而，在这种情况下，参考电压(其为在恒流电路50中MOSFET53和电阻器54之间的中间点X2的电压)小于在化学计量空气燃料比下产生的传感器元件31的电动势(0.45V)。
电阻器54的电阻值的范围优选约为50Ω到500Ω。
在具有以上结构的恒流电路50的传感器控制布置40中，在传感器元件31中产生电动势时，通过MOSFET53和电阻器54传导预定恒定电流Ics，同时使用传感器元件31的电动势作为电源(换言之，传感器元件31被用作电池)。由此，可以改变O2传感器17的输出特性。
此外，微计算机41基于发动机工作状态改变例如电压产生布置51的恒定电压的电压值(点X1处的电压值)。通过这种方式，可变地控制了通过传感器元件31传导的电流的电流值(通过恒流电路50传导的电流的电流值)。在这种情况下，类似于以上实施例，即使在响应于发动机工作状态改变在O2传感器17处的排气侧电极33表面上具有富有气体的平衡反应所需的需氧量时，也可以响应于所需氧量的变化以期望的方式改变O2传感器17的输出特性。
可替换地，可以构造以上实施例的电流传导调节装置(电流传导调节模块)以具有图12所示的结构。在图12中，提供电阻器电路60来作为电流传导调节装置(电流传导调节模块)。在向电阻器电路60施加传感器元件31的电动势时，电阻器电路60响应于传感器元件31的电动势而传导电流。电阻器电路60包括多个电气路径80a-80c，每个电气路径连接在O2传感器17的大气侧电极34与地(接地)之间，即每个电气路径均连接在电气路径50a与地(接地)之间。电气路径80a-80c和电气路径50a一起合作，以形成连接在传感器元件31的大气侧电极34与地(接地)之间的电气路径70。在电阻器电路60中的这些电气路径80a-80c的每个中形成开关61a-61c和电阻器62a-62c的串联电路。在图12中，这些串联电路包括三个串联电路。在这三个串联电路的每个中，提供开关61a-61c的对应一个作为开关，并且提供电阻器62a-62c的对应一个作为电阻器。开关61a-61c的每个都置于传感器元件31的大气侧电极34和电阻器62a-62c的对应一个之间。开关61a-61c中的每个都是由半导体切换元件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)形成的开关。响应于从微计算机41输出的命令而导通或截止开关61a-61c的每个。电阻器62a-62c的电阻值R1，R2，R3彼此不同。例如，可以将电阻值R1，R2，R3设定为例如R1>R2>R3。
在这种情况下，开关61a-61c是逐一受到导通/截止控制的。根据导通开关61a-61c中的哪一个，在电阻器62a-62c当中改变要连接到传感器元件31的电阻器，以改变电阻器电路60中的电阻值。微计算机41基于发动机工作状态控制每个开关61a-61c的导通/截止。通过这种方式，可变地控制了通过传感器元件31传导的电流的电流值(通过电阻器电路60传导的电流的电流值)。在这种情况下，类似于以上实施例，即使在响应于发动机工作状态改变在O2传感器17处排气侧电极33表面上具有富有气体的平衡反应所需的需氧量时，也可以响应于需氧量的变化以期望的方式改变O2传感器17的输出特性。
在这里，应当指出，如果需要，可以将电阻器62a-62c的电阻值设定成彼此相等(即，R1＝R2＝R3)。在这种情况下，可以根据开关61a-61c中有多少被导通(即在开关61a-61c当中导通状态开关的数量)，来改变连接到传感器元件31的电阻器电路60的电阻值。
此外，可以在电气路径50b中，传感器元件31的排气侧电极33和地之间提供向排气侧电极33施加正电压的电压电路。这一电压电路可以是偏移电压电路，其相对于恒流电路43的输出侧的电势将排气侧电极33的电势提高，即增大预定量(预定电势)，电流从恒流电路43的输出侧流出恒流电路43。在这种情况下，从传感器元件31输出的电动势具有向传感器元件31的原始传感器电动势(0到0.9V)的电压增加预定偏移电压而获得的电压。在将传感器元件31用作电池的情况下(如在图11或图12的情况下)，这种构造尤其有利。例如，在图11的传感器控制布置40中，在传感器元件31的电动势在0到0.9V范围中变化时，在电动势变小时，由恒流电路50引起且通过传感器元件31传导的电流的电流值可能变得小于正常电流值。鉴于这一点，通过在排气侧电极33和地之间安装电压电路，即使在相对较小的电动势范围内，也可以限制由恒流电路50引起并通过传感器元件31传导的电流的电流值过度减小。由此，可以适当地改变O2传感器17的输出特性。
在以上实施例(参见图2)中，恒流电路43连接到传感器元件31的大气侧电极34。可以修改这种构造。即，恒流电路43可以连接到排气侧电极33。可替换地，可以向两个电极33，34均提供恒流电路43。
在上述实施例中，O2传感器17被置于第一催化剂15a的下游侧。可替换地，可以将O2传感器17安装于第一催化剂15a的中间部分。在这种情况下，可以将O2传感器17安装于第一催化剂15a的衬底。在任何以上情况下，仅需要构造O2传感器17，以使用在第一催化剂15a处被净化之后的排出气体作为感测对象，以感测气体成分。
除了具有上述结构的O2传感器17之外，气体传感器还可以是具有双单元结构的气体传感器，其包括电动势单元和泵单元。在这种情况下，可以在双单元型气体传感器的电动势单元处适当改变输出特性。

Claims (7)

1.一种应用于内燃机(10)的排出气体净化装置的气体传感器控制设备，所述排出气体净化装置包括：
催化剂(15a)，所述催化剂(15a)被安装在所述内燃机(10)的排气装置(14)中，并净化作为所述内燃机(10)的排出气体中的贫乏成分的NOx和所述排出气体的富有成分；以及
气体传感器(17)，所述气体传感器(17)被安装在所述催化剂(15a)的中间部分中的位置处或所述催化剂(15a)的下游侧的位置处，以在利用所述催化剂(15a)净化所述排出气体之后感测用作感测对象的所述排出气体的气体成分，其中：
所述气体传感器(17)包括具有固态电解质体(32)和一对电极的电动势单元(31)，所述电动势单元(31)用以响应于所述排出气体的空气燃料比来产生电动势；
表示所述空气燃料比与所述催化剂(15a)的催化转化效率之间的关系的所述催化剂(15a)的催化转化特性包括第二空气燃料比点(A2)，所述第二空气燃料比点(A2)是所述NOx开始从所述催化剂(15a)流出的点，且位于形成所述富有成分和氧的平衡点的第一空气燃料比点(A1)的富有侧；并且
所述电动势单元(31)的所述一对电极包括参考侧电极(34)和排气侧电极(33)，所述参考侧电极(34)在从所述电动势单元(31)输出电动势时变为正侧，所述排气侧电极(33)在从所述电动势单元(31)输出电动势时变为负侧，
所述气体传感器控制设备包括：
电流传导调节装置(43，50，60)，其引起电流从所述排气侧电极(33)经过所述电动势单元(31)中的所述固态电解质体(32)向所述参考侧电极(34)流动；以及
控制装置(41)，其基于在所述催化剂(15a)处所述第一空气燃料比点(A1)和所述第二空气燃料比点(A2)之间的差异，来控制由所述电流传导调节装置(43，50，60)引起的所述电流的电流值。
2.根据权利要求1所述的气体传感器控制设备，其中所述控制装置(41)基于在所述催化剂(15a)处所述第一空气燃料比点(A1)和所述第二空气燃料比点(A2)之间的差异，来控制由所述电流传导调节装置(43，50，60)引起的所述电流的电流值，以将所述电动势单元(31)的所述排气侧电极(33)附近的气体反应的平衡点置于所述第二空气燃料比点(A2)或与所述第二空气燃料比点(A2)相邻的相邻点。
3.根据权利要求2所述的气体传感器控制设备，其中所述控制装置(41)控制由所述电流传导调节装置(43，50，60)引起的所述电流的电流值，以将所述电动势单元(31)的所述排气侧电极(33)附近的所述气体反应的平衡点置于所述第二空气燃料比点(A2)的富有侧。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的气体传感器控制设备，其中所述控制装置(41)使所述电动势单元(31)的所述排气侧电极(33)附近的气体反应的平衡点相对于所述第二空气燃料比点(A2)在所述第二空气燃料比点(A2)的富有侧、在空气过剩率(λ)的预定范围内偏移，所述预定范围为0到0.5％。
5.根据权利要求1到3中的任一项所述的气体传感器控制设备，其中所述控制装置(41)使得由所述电流传导调节装置(43，50，60)引起的、且具有在0.1mA到1.0mA的范围内的电流值的电流流过所述电动势单元(31)。
6.根据权利要求1到3中的任一项所述的气体传感器控制设备，其中所述控制装置(41)基于所述内燃机的工作状态来控制由所述电流传导调节装置(43，50，60)引起的所述电流的电流值。
7.一种应用于内燃机(10)的排出气体净化装置的气体传感器控制方法，所述排出气体净化装置包括：
催化剂(15a)，所述催化剂(15a)被安装在所述内燃机(10)的排气装置(14)中，并净化作为所述内燃机(10)的排出气体中的贫乏成分的NOx和所述排出气体的富有成分；以及
气体传感器(17)，所述气体传感器(17)被安装在所述催化剂(15a)的中间部分中的位置处或所述催化剂(15a)的下游侧的位置处，以在利用所述催化剂(15a)净化所述排出气体之后感测用作感测对象的所述排出气体的气体成分，其中：
所述气体传感器(17)包括具有固态电解质体(32)和一对电极的电动势单元(31)，所述电动势单元(31)用以响应于所述排出气体的空气燃料比来产生电动势；
表示所述空气燃料比与所述催化剂(15a)的催化转化效率之间的关系的所述催化剂(15a)的催化转化特性包括第二空气燃料比点(A2)，所述第二空气燃料比点(A2)是所述NOx开始从所述催化剂(15a)流出的点，且位于形成所述富有成分和氧的平衡点的第一空气燃料比点(A1)的富有侧；并且
所述电动势单元(31)的所述一对电极包括参考侧电极(34)和排气侧电极(33)，所述参考侧电极在从所述电动势单元(31)输出电动势时变为正侧，所述排气侧电极在从所述电动势单元(31)输出电动势时变为负侧，
所述气体传感器控制方法包括：
基于在所述催化剂(15a)处所述第一空气燃料比点(A1)和所述第二空气燃料比点(A2)之间的差异，设定从所述排气侧电极(33)经过所述电动势单元(31)中的固态电解质体(32)流向所述参考侧电极(34)的电流的电流值；以及
基于所述电流的所设定的电流值，引起所述电流从所述排气侧电极(33)经过所述电动势单元(31)中的所述固态电解质体(32)向所述参考侧电极(34)流动。
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