CN105164525B - 内燃机的控制装置 - Google Patents
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Abstract
在内燃机排气通路内配置用于检测排气气体中的氧浓度或空燃比的传感器，所述传感器具备：固体电解质体、设置在固体电解质体的一侧并与排气气体接触的排气气体侧电极、设置在固体电解质体的另一侧并与大气接触的大气侧电极以及在这些电极间施加基准电压的电路。用于检测氧浓度或空燃比的传感器具有如下当在空燃比恒定时使施加在电极间的电压(Vs)增加下去时输出电流(Ip)持续增大而不会具有界限电流区域的特性。基于用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流(Ip)来控制空燃比。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机的控制装置。
背景技术
已公知如下的内燃机的控制装置(参照专利文献1)：在内燃机排气通路内配置具备固体电解质体、设置在固体电解质体的一侧并与排气气体接触的排气气体侧电极、设置在固体电解质体的另一侧并与基准气体接触的基准气体侧电极以及覆盖排气气体侧电极的扩散律速层的氧浓度传感器，基于氧浓度传感器的输出控制空燃比。该氧浓度传感器在空燃比小于理论空燃比时产生比理论空燃比所对应的基准电压高的输出电压，在空燃比大于理论空燃比时产生比基准电压低的输出电压。因此，在输出电压比基准电压高时判断为空燃比小于理论空燃比，进行控制以使得空燃比变大。另一方面，在输出电压比基准电压低时判断为空燃比大于理论空燃比，进行控制以使得空燃比变小。在该情况下，扩散律速层具有制约排气气体的扩散速度的作用。此外，在该氧浓度传感器中，不在排气气体侧电极与基准气体侧电极之间施加电压。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-291893号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1中，由于排气气体侧电极被扩散律速层覆盖，所以氧浓度传感器的响应性降低。其结果，氧浓度传感器的输出电压具有迟滞。即，空燃比横跨理论空燃比而增大的情况下的输出电压的变化与空燃比横跨理论空燃比而减小的情况下的输出电压的变化相互不同。因此，特别是空燃比接近理论空燃比时，尽管空燃比小于理论空燃比，但输出电压有时比基准电压低，尽管空燃比大于理论空燃比，但输出电压有时比基准电压高。其结果，不能准确地检测空燃比，因此，有可能不能准确地控制空燃比。为了解决该问题，需要复杂的构成或控制。
用于解决问题的手段
根据本发明，提供一种内燃机的控制装置，在内燃机排气气体通路内配置用于检测排气气体中的氧浓度或空燃比的传感器，所述传感器具备：固体电解质体；排气气体侧电极，设置在固体电解质体的一侧并与排气气体接触；基准气体侧电极，设置在固体电解质体的另一侧并与基准气体接触；以及电路，在所述电极间施加基准电压，该用于检测氧浓度或空燃比的传感器具有当在空燃比恒定时使施加在电极间的电压增加下去时输出电流持续增大而不会具有界限电流区域的特性，基于用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流来控制空燃比。
发明的效果
能够以简单的构成准确地控制空燃比。
附图说明
图1是内燃机的整体图。
图2是用于检测氧浓度或空燃比的传感器的部分放大剖视图。
图3是用于检测氧浓度或空燃比的传感器的电路的示意图。
图4是表示本发明的实施例的用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与电极间电压的关系的图。
图5是表示以往的线性特性空燃比传感器的输出电流与电极间电压的关系的图。
图6是表示本发明的实施例的用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与电极间电压的关系的图。
图7是表示本发明的实施例的用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与空燃比的关系的图。
图8是执行空燃比控制程序的流程图。
图9A是表示用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与空燃比的关系的图。
图9B是表示用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与空燃比的关系的图。
图10是表示基准电流Is的图。
图11是执行本发明的另一实施例的空燃比控制程序的流程图。
图12A是表示用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与电极间电压的关系的图。
图12B是表示用于检测氧浓度或空燃比的传感器的输出电流与电极间电压的关系的图。
图13是表示基准电压Vr的图。
图14是执行基准电压控制程序的流程图。
具体实施方式
图1示出了将本发明应用于火花点火式内燃机的情况。然而，本发明也能够应用于压缩点火式内燃机。
参照图1，1表示具备例如4个气缸的内燃机主体，2表示缸体，3表示缸盖，4表示活塞，5表示燃烧室，6表示进气阀，7表示进气口，8表示排气阀，9表示排气口，10表示火花塞。进气口7经由对应的进气歧管11与调压箱(surge tank)12连结，调压箱12经由进气管13与空气过滤器14连结。在进气管13内配置用于检测吸入空气量的空气流量计15和由致动器16驱动的节流阀17。另外，在各进气口7内配置电子控制式的燃料喷射阀18。这些燃料喷射阀18经由共用的共轨(common rail)19与燃料泵20连结，燃料泵20与燃料箱21连结。
另一方面，排气口9经由排气歧管22与容量比较小的催化剂转换器23连结。催化剂转换器23经由排气管24与容量比较大的催化剂转换器25连结，催化剂转换器25与排气管26连结。催化剂转换器23、25内分别具备三元催化剂23a、25a这样的催化剂。在三元催化剂23a上游的排气歧管22安装有用于检测排气气体中的氧浓度或空燃比的传感器27u，在三元催化剂23a下游的排气管24安装有用于检测排气气体中的氧浓度或空燃比的传感器27d。在以下说明中，将传感器27u称为上游侧传感器，将传感器27d称为下游侧传感器。
电子控制单元30包括数字计算机，具备通过双向总线31相互连接而成的ROM(只读存储器)32、RAM(随机存取存储器)33、CPU(微处理器)34、输入端口35以及输出端口36。在加速踏板39安装有用于检测加速踏板39的踩踏量的负荷传感器40。空气流量计15、传感器27u、27d以及负荷传感器40的输出信号被分别经由对应的AD转换器37输入至输入端口35。进而，在输入端口35连接有每当曲轴旋转一定角度例如30曲轴转角时产生输出脉冲的曲轴转角传感器41。在CPU34中，基于来自曲轴转角传感器41的输出脉冲算出内燃机转速。另一方面，输出端口36经由对应的驱动电路38分别与火花塞10、致动器16、燃料喷射阀18以及燃料泵20连接。
图2表示下游侧传感器27d的部分放大剖视图。此外，上游侧传感器27u与下游侧传感器27d同样地构成。此外，也能够由与下游侧传感器27d不同构成的传感器构成上游侧传感器27u。
参照图2，50表示壳体，51表示由壳体50保持的传感器元件、52表示具有开口53的罩。传感器元件51具备杯状的固体电解质体54、设置在固体电解质体54的外表面的排气气体侧电极55以及设置在固体电解质体54的内表面的基准气体侧电极56。传感器元件51和罩52配置在排气管24的内部空间24a内。因此，排气管24内的排气气体经由罩52的开口53向传感器元件51周围导入，排气气体侧电极55与排气气体接触。另一方面，在固体电解质体54的内部空间形成有导入基准气体的基准气体室57。因此，基准气体侧电极56与基准气体接触。在图2所示的例子中，基准气体由大气形成，因此，也将基准气体侧电极56称为大气侧电极。在图2所示的例子中，固体电解质体54由氧化锆这样的固体电解质形成。电极55、56由铂这样的贵金属形成。
排气气体侧电极55由涂层58覆盖，涂层58由催化剂层59覆盖，催化剂层59由阱(trap)层60覆盖。涂层58用于保护排气气体侧电极55，例如由尖晶石这样的多孔陶瓷形成。催化剂层59用于除去排气气体中的氢，例如由被氧化铝这样的多孔陶瓷支撑的铂这样的贵金属形成。阱层60用于捕获沉积物这样的排气气体中的异物，例如由氧化铝这样的多孔陶瓷形成。
如图3所示，下游侧传感器27d还具备在电极55、56间施加电压的电路70。当参照图3时，电路70具备：提供偏置电压Vo的偏置电源71、提供基准电压Vr的基准电源72、被提供电源电压Vb的运算放大器73、提供电阻R的电阻器74以及输出端子75。偏置电源71在一方与作为正极的大气侧电极56连接，在另一方与基准电源72连接，基准电源72与运算放大器73的+端子连接。作为负极的排气气体侧电极55在一方与运算放大器73的-端子连接，在另一方经由电阻器74与输出端子75连接。输出端子75被输入至电子控制单元30(图1)，在电子控制单元30中检测作为输出端子75的电位的输出电压Eo。
电路70在电极55、56间施加电压以使得电极55、56间的电压Vs维持为基准电压Vr，此时，在电极55、56间流动电流Ip。在该情况下，输出电压Eo用下面的式子(1)表示。
Eo＝Vr+Vo+Ip·R (1)
式子(1)被改写成下面的式子(2)。
Ip＝(Eo-Vr-Vo)/R (2)
在图3所示的实施例中，检测输出电压Eo，并使用式子(2)求出输出电流Ip。在另一实施例中，直接检测输出电流Ip。此外，在图3中，E和Ri分别表示固体电解质体54的电动势和内部电阻(Vs＝E+Ip·Ri)。
另外，下游侧传感器27d也具备检测传感器元件51的阻抗的电路。传感器元件51的阻抗表示传感器元件51或下游侧传感器27d的温度。
另外，如上所述，排气气体与排气气体侧电极55接触。因此，在排气气体侧电极55中，排气气体中的HC、CO与氧发生反应。其结果，在电极55、56间流动电流Ip。
图4表示将空燃比维持为理论空燃比时的下游侧传感器27d的电极间电压Vs与输出电流Ip的关系。从图4可以看出，当使电极间电压Vs增加下去时，输出电流Ip持续增大。
此外，具备固体电解质体、设置在固体电解质体的一侧并与排气气体接触的排气气体侧电极、设置在固体电解质体的另一侧并与基准气体接触的基准气体侧电极、在这些电极间施加电压的电路以及覆盖排气气体侧电极的扩散律速层的线性特性空燃比传感器是公知的。图5表示将空燃比维持为理论空燃比时的线性特性空燃比传感器的输出电流Ip'与电极间电压Vs'的关系。如图5所示，电极间电压Vs'低时，随着电极间电压Vs'增加，输出电流Ip'增加。当电极间电压Vs'进一步增加时，输出电流Ip'大致恒定。当电极间电压Vs'进一步增加时，随着电极间电压Vs'增加，输出电流Ip'增加。在图5中，输出电流Ip'成为大致恒定的电压区域称为界限电流区域LC。这样，输出电流Ip'具有界限电流区域LC是由于排气气体向排气气体侧电极的扩散由扩散律速层进行律速。在输出电流Ip'具有界限电流区域LC的情况下，有可能空燃比传感器的响应性降低，且输出电流Ip'具有迟滞。
与此相对，如图4所示，本发明的实施例的下游侧传感器27d的输出电流Ip不具有界限电流区域。这是由于，本发明的实施例的下游侧传感器27d不具备扩散律速层。其结果，提高了下游侧传感器27d的响应性。而且，如上所述，由于在电极55、56间施加了基准电压Vr，所以促进了在排气气体侧电极55的反应。其结果，输出电流Ip不具有迟滞。因此，能够准确地检测空燃比。
此外，本发明的实施例的下游侧传感器27d的涂层58在形成为输出电流Ip不具有界限电流区域这一点与线性特性空燃比传感器的扩散律速层构成不同。具体而言，涂层58例如具有比线性特性空燃比传感器的扩散律速层大的气孔率。
在本发明中，在用Ip(Vs)表示电极间电压Vs下的输出电流Ip时，在(Ip(0.7伏)-Ip(0.45伏))/Ip(0.45伏)<0.05且|Ip(0.2伏)-Ip(0.45伏)|/Ip(0.45伏)<0.05时，判断为输出电流具有界限电流区域。与此相对，在(Ip(0.7伏)-Ip(0.45伏))/Ip(0.45伏)≥0.05或|Ip(0.2伏)-Ip(0.45伏)|/Ip(0.45伏)≥0.05时，判断为输出电流不具有界限电流区域。
图6表示本发明的实施例的下游侧传感器27d的各种空燃比下的输出电流Ip与电极间电压Vs的关系。在图6中，曲线Ca、Cb、Cc、Cd、Ce、Cf、Cg、Ch、Ci分别表示空燃比被维持为12、13、14、理论空燃比(14.6)、15、18、25、40的情况下的输出电流Ip。另外，曲线Cj表示大气与排气气体侧电极55接触的情况下的输出电流Ip。从图6可知，随着空燃比变大，输出电流Ip变大。
图7表示在本发明的实施例的下游侧传感器27d中，电极间电压Vs被维持为基准电压Vr的情况下的空燃比AF与输出电流Ip的关系。从图7可知，随着空燃比AF变大，输出电流Ip变大。另外，在空燃比AF为基准空燃比时，输出电流Ip成为基准电流Is(＞0)。此外，在图7所示的例子中，基准空燃比被看做理论空燃比。
这样，能够根据下游侧传感器27d的输出电流Ip检测排气气体中的氧浓度或空燃比。因此，在本发明的实施例中，在输出电流Ip比基准电流Is小时，判断为空燃比AF比理论空燃比AFS小，即，比理论空燃比AFS浓，在输出电流Ip比基准电流Is大时，判断为空燃比AF比理论空燃比AFS大，即，比理论空燃比AFS稀。
然后，基于该判断结果控制空燃比。例如，在基于下游侧传感器27d的输出电流Ip判断为空燃比AF比理论空燃比AFS小时，进行控制以使得空燃比AF变大。另一方面，在基于下游侧传感器27d的输出电流Ip判断为空燃比AF比理论空燃比AFS大时，进行控制以使得空燃比AF变小。在该例子中，将理论空燃比AFS，即基准空燃比作为目标值来控制空燃比AF。此外，通过控制例如燃料喷射量或吸入空气量来控制空燃比AF。
此外，基准电压Vr被设定为在基准空燃比附近，输出电流Ip相对于空燃比AF的变化变大。这样一来，能够更准确地检测出空燃比AF比基准空燃比小还是大。
图8表示执行上述空燃比控制的程序。当参照图8时，在步骤101中，判别下游侧传感器27d的输出电流Ip是否比基准电流Is小。在Ip<Is时，进入步骤102，进行控制以使得空燃比变大。在Ip≥Is时，进入步骤103，进行控制以使得空燃比变小。
接着，说明本发明的另一实施例。在以下说明中，针对图1至图8所示的实施例的差异进行说明。
图9A表示下游侧传感器27d的温度比较低时的输出电流Ip，图9B表示下游侧传感器27d的温度比较高时的输出电流Ip。从图9A和图9B可知，当下游侧传感器27d的温度变高时，输出电流Ip变高。因此，当基于恒定的基准电流Is检测空燃比时，有可能会误检测。
因此，在本发明的另一实施例中，基于下游侧传感器27d的温度Ts设定基准电流Is。具体而言，如图10所示，设定为随着下游侧传感器27d的温度Ts升高，基准电流Is变大。其结果，不管下游侧传感器27d的温度Ts如何，都能够准确地检测空燃比，因此，能够准确地控制空燃比。此外，基准电流Is以图10所示的映射的形式预先存储在ROM32内。
图11表示执行本发明的另一实施例的空燃比控制的程序。当参照图11时，在步骤100a中，检测下游侧传感器27d的温度Ts。在接着的步骤100b中，根据图10的映射算出基准电流Is。在接着的步骤101中，判别下游侧传感器27d的输出电流Ip是否比基准电流Is小。在Ip<Is时，进入步骤102，进行控制以使得空燃比变大。在Ip≥Is时，进入步骤103，进行控制以使得空燃比变小。
接着，说明本发明的又一实施例。在以下说明中，针对图1至图8所示的实施例的差异进行说明。
在上述实施例中，设定基准电压Vr以使得基准电流Is成为正值。而在本发明的又一实施例中，设定基准电压Vr以使得基准电流Is成为零。这样一来，检测误差变小。
图12A表示下游侧传感器27d的温度Ts比较低时的输出电流Ip与电极间电压Vs的关系，图12B表示下游侧传感器27d的温度比较高时的输出电流Ip与电极间电压Vs的关系。从图12A和图12B可知，当下游侧传感器27d的温度变高时，输出电流Ip成为零的基准电压Vr变低。因此，当一边施加恒定的基准电压Vr一边基于基于检测到的输出电流Ip检测空燃比时，有可能会误检测。
因此，在本发明的又一实施例中，基于下游侧传感器27d的温度Ts设定基准电压Vr。具体而言，如图13所示，设定为随着下游侧传感器27d的温度Ts升高而基准电压Vr降低。其结果，不管下游侧传感器27d的温度Ts如何，都能够准确地检测空燃比，因此，能够准确地控制空燃比。此外，基准电压Vr以图13所示的映射的形式预先存储在ROM32内。
图14表示执行本发明的又一实施例的基准电压控制的程序。当参照图14时，在步骤200a中，检测下游侧传感器27d的温度Ts。在接着的步骤200b中，根据图13的映射算出基准电压Vr。在下游侧传感器27d中，电极间电压Vs被维持为这样算出的基准电压Vr。
标号说明
1 内燃机主体
22 排气歧管
24、26 排气管
23a、25a 三元催化剂
27u、27d 用于检测氧浓度或空燃比的传感器
54 固体电解质体
55 排气气体侧电极
56 基准气体侧电极
70 电路
Claims (2)
1.一种用于内燃机的控制系统，所述控制系统包括：
传感器(27d)，配置为检测排气气体中的氧浓度或空燃比，所述传感器(27d)配置在所述内燃机的排气通路(22，24)内，所述传感器(27d)包括固体电解质体(54)、排气气体侧电极(55)、基准气体侧电极(56)以及电路(70)，所述排气气体侧电极(55)设置在所述固体电解质体(54)的一侧并与所述排气气体接触，所述基准气体侧电极(56)设置在所述固体电解质体(54)的另一侧并与基准气体接触，所述电路(70)在所述排气气体侧电极(55)和所述基准气体侧电极(56)之间施加基准电压，并且，所述传感器(27d)具有当在所述空燃比恒定时使施加在所述排气气体侧电极(55)和所述基准气体侧电极(56)之间的电压增加下去时，输出电流持续增大而不会具有界限电流区域的特性；和
电子控制单元(30)，配置为基于所述传感器的所述输出电流来控制所述空燃比，
所述传感器(27d)具有随着所述空燃比变大而所述输出电流增大的特性，
所述电子控制单元(30)在所述输出电流比与基准空燃比对应的基准电流小时，判断为所述空燃比比所述基准空燃比小，
所述电子控制单元(30)在所述输出电流比基准电流大时，判断为所述空燃比比所述基准空燃比大，并且
所述电子控制单元(30)基于所述判断结果来控制所述空燃比，
所述基准空燃比为理论空燃比，
设定所述基准电压以使得所述基准电流成为零。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，
所述基准气体为大气。
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