CN106030082A - 内燃机的控制系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于包括极限电流式传感器的发动机的控制系统，所述控制系统包括ECU，所述ECU被配置成：执行把施加于传感器的电压从第一电压(V1)逐渐降低到第二电压(V2)的扫描处理；从在向传感器施加包含在预测将输出极值的特定电压范围中的电压时的传感器的输出电流中，获得所述扫描处理的执行期间的传感器的输出电流的极值(Ip)；和根据所述极值和基准值(Iref)，检测废气中的SOx的浓度，所述基准值是传感器的极限电流的值，传感器的极限电流的值对应于具有恒定值的氧浓度。

Description

内燃机的控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及用于内燃机的控制系统和控制方法，所述控制系统和控制方法利用能够检测内燃机的废气中的氧浓度的极限电流式传感器，检测废气中的SOx的浓度。
背景技术
作为检测废气中的氧的浓度的传感器，已知包括固体电解质、一对电极(由测量电极和基准电极形成的电极对)和扩散控制层(扩散阻挡层)的极限电流式传感器。固体电解质能够传导氧离子。一对电极被设置成把固体电解质夹在中间。扩散控制层被设置成覆盖测量电极。
利用上述传感器检测废气中的氧浓度的原理如下。首先，当向电极对施加电压，以致在电极对之间产生预定电位差时，废气中的氧在测量电极被电离。氧离子通过固体电解质，迁移到基准电极，随后通过再结合，在基准电极恢复成氧。由一系列的电化学反应引起的电子的迁移，作为电流从电极对被输出。由于扩散控制层控制氧到测量电极的迁移，因此从电极对输出的电流的大小与废气中的氧的浓度一一对应。从而，当测量从电极对输出的电流时，根据测得的电流，识别(检测)废气中的氧的浓度。
作为这种检测设备之一，存在一种通过利用在测量电极分解的分子随着施加于电极对的电压的大小的变化而变化的事实，检测除氧以外的成分的浓度(例如，H2O的浓度，即湿度)的检测设备。具体地，该检测设备利用具有两组电极对(上游侧电极对和下游侧电极对)的传感器。该检测设备首先向上游侧电极对施加具有分解氧的大小的电压，把废气中的氧排出到传感器之外。随后，该检测设备向下游侧电极对施加具有分解H2O的大小的电压，并测量从下游侧电极对输出的电流。所述检测设备根据电流，识别废气中的H2O的浓度。从而，所述检测设备能够区别于归因于氧输出的电流地测量归因于H2O输出的电流，从而能够精确地检测H2O的浓度(例如，参见日本专利申请No.2-122255(JP 2-122255A公报)。
下面，能够检测废气中的氧的浓度的极限电流式传感器被称为氧浓度传感器，施加于传感器的电极对的电压被称为传感器的施加电压，从电极对输出的电流被称为传感器的输出电流。内燃机被称为发动机。
包含在发动机的燃料中的硫成分的量一般是极微量。不过，取决于使用发动机的地域等，可能使用硫的浓度较高的燃料。这种情况下，燃烧期间产生的氧化硫(SOx)会引起废气的白烟等。于是，要求测量燃料中的硫的浓度。本发明的发明人研究作为与燃料中的硫的浓度相关的参数，检测废气中的SOx的浓度。
具体地，本发明的发明人研究是否能够利用在上述检测设备中采用的方法，检测废气中的SOx的浓度。通过研究，发现当向氧浓度传感器的电极对施加具有分解SOx(换句话说，把SOx还原成硫)的大小的电压时，不仅SOx被分解，而且废气中除SOx外的成分也被分解，从而发现不易分离地仅仅测量归因于SOx的输出电流。即，利用现有设备中采用的方法，存在难以精确地检测废气中的SOx的浓度的情况。
发明内容
本发明提供一种能够精确地检测发动机的废气中的SOx的浓度的控制系统和控制方法。
本发明的第一方面提供一种包括能够检测废气中的氧浓度的极限电流式传感器的内燃机的控制系统，所述控制系统包括：电子控制单元，所述电子控制单元被配置成：(i)检测废气中的SOx的浓度；(ii)控制发动机，以致使废气中的氧浓度维持在恒定值；(iii)执行逐渐把施加于所述传感器的电压从第一电压降低到第二电压的扫描处理，在所述第一电压下，在所述传感器中由于SOx的还原而产生硫磺并且硫磺累积在所述传感器中，在所述第二电压下，在所述传感器中硫磺被氧化成SOx；(iv)从在向所述传感器施加包含在特定电压范围中的电压时的所述传感器的输出电流，获得所述扫描处理的执行期间的所述传感器的输出电流的极值，根据具有所述恒定值的所述氧浓度预测在所述特定电压范围中将输出所述极值；和(v)根据所述极值和基准值，检测废气中的SOx的浓度，所述基准值是所述传感器的极限电流的值，所述传感器的所述极限电流的值对应于具有所述恒定值的所述氧浓度。
按照发明人的实验和考察，得到以下发现。当执行扫描处理时，传感器的输出电流包括由于累积在传感器中的硫重新氧化成SOx而引起的输出分量(即，归因于SOx的浓度的输出分量)，和归因于氧的浓度的输出分量。不过，该输出电流实质上不包括归因于另一个成分的输出分量。从而，当在使废气中的氧的浓度维持恒定值的控制下执行扫描处理时，输出电流描绘与SOx的浓度对应的波形。具体地，在所述控制下的输出电流具有随着SOx的浓度变化的极值(输出电流的峰值)。当比较所述极值和归因于具有恒定值的氧浓度的输出分量(即，基准值)时，能够检测SOx的浓度。输出极值时的传感器的施加电压随着扫描处理的执行期间的氧浓度(即，具有恒定值的氧浓度)而变化。从而，能够确定根据具有恒定值的氧浓度，预测将输出极值的施加电压的范围(即，特定电压范围)。
于是，按照本发明的系统在为使废气中的氧浓度维持恒定值而执行的控制下，执行扫描处理，根据特定电压范围中的输出电流，获得极值，根据具有恒定值的氧浓度，预测在所述特定电压范围中将输出所述极值。从而，即使在意外的噪声等被加入传感器的输出电流的环境下，按照本发明的系统也能够通过忽略在特定电压范围之外的噪声等，获得极值。按照本发明的系统根据极值和基准值，检测废气中的SOx的浓度。结果，按照本发明的系统尽可能地防止归因于噪声等的误测量，同时通过区别于输出电流地只测量(获得)由SOx的浓度引起的输出分量(极值)，所述系统能够检测SOx的浓度。
从而，按照本发明的如此构成的系统能够精确地检测废气中的SOx的浓度。
如上所述，按照本发明的系统在检测废气中的SOx的浓度的过程中，获得归因于SOx的浓度的输出分量(输出电流的极值)。所述输出分量与SOx的浓度一一对应，从而所述输出分量实质上指示SOx的浓度。于是，本发明中的SOx的浓度可被转换成下列至少之一：废气中的SOx的浓度或者与SOx的浓度一一对应的值。
所述特定电压范围可转换成包括预测传感器的输出电流达到极值之处的特定施加电压(特定值)的电压范围。所述特定电压范围包括所述范围的宽度为0的情况(换句话说，包含在该特定电压范围中的电压只是所述特定值)。当特定电压范围的宽度为0时，输出电流的极值对应于当施加电压为特定值时的输出电流的值。
另外，可以进行SOx的浓度的检测，以致SOx的浓度随着极值与基准值之差的绝对值的增大而增大。利用本系统，能够检测废气中的SOx的浓度，而不需要复杂的计算。极值与基准值之差的绝对值和废气中的SOx浓度之间的相关性可预先利用实验等确定。
按照本发明的系统并不仅仅测量各个施加电压的输出电流。通过称为扫描处理的按照本发明的特有处理，系统能够单独地只测量归因于废气中的SOx的输出电流分量(极值)。结果，按照本发明的系统能够精确地检测废气中的SOx的浓度。
所述基准值可在实际执行扫描处理时获得，或者可通过参考预先通过实验等确定的图等而获得。
在实际执行扫描处理时获得基准值的情况下，如果获得基准值的时刻和执行扫描处理的时刻彼此相隔过大，那么存在例如如果传感器的输出特性随着时间而变化，则SOx的浓度的检测精度降低的可能性。于是，为了尽可能精确地检测SOx的浓度，理想的是获得基准值的时刻和执行扫描处理的时刻彼此尽可能接近。
在上述控制系统中，第二电压可以与当检测废气中的氧的浓度时使用的电压一致，电子控制单元可被配置成使用在扫描处理中，施加于传感器的电压被降低到第二电压之时传感器的输出电流之值，作为所述基准值。
按照发明人的实验等，当执行扫描处理时，通常，在第二电压达到当检测废气中的氧浓度时使用的施加电压之前，累积在传感器中的所有硫的再氧化已完成。于是，尽管第二电压本身是会发生硫的氧化的电压，不过，当施加电压是第二电压时的输出电流通常只包括归因于氧的输出分量。
于是，按照本方面的系统使用施加电压被减小到第二电压的时刻的输出电流，作为基准值。按照本方面的系统获得扫描处理已完成的时刻的基准值，从而获得基准值和执行扫描处理实质上是连续进行的。从而，与获得基准值的时刻和执行扫描处理的时刻彼此分开的情况相比，按照本方面的系统能够进一步精确地检测废气中的SOx的浓度。
另一方面，在通过参考预先通过实验等确定的图等获得基准值的情况下，例如可以利用为测量氧的浓度而准备的氧的浓度与极限电流之间的相关性。
在上述控制系统中，电子控制单元可被配置成预先保存废气中的氧浓度与极限电流的值之间的相关性，电子控制单元可被配置成使用通过把具有恒定值的氧浓度应用于所述相关性而获得的极限电流的值，作为所述基准值。
利用上述结构，尽管要求获得扫描处理期间的废气中的氧浓度(恒定值)，不过，不要求分别地进行确定基准值的测量等。从而，按照本方面的系统能够简单并且快速地检测SOx的浓度。由于相关性被预先保存，因此即使当对于SOx的浓度，扫描处理期间的废气中的氧浓度(恒定值)变化，按照本方面的系统也能够可靠地确定基准值。
就检测SOx的浓度的上述原理而论，第二电压只需要是比从传感器输出极值的施加电压低的施加电压。
在上述控制系统中，第二电压可以与特定电压范围的下限值一致。
利用上述结构，由于防止其间执行扫描处理的时间段(即，其间使废气中的氧浓度维持恒定值的时间段)延长到必要长度以上，因此能够降低SOx浓度的检测对内燃机的运转的影响。
本发明的第二方面提供一种包括能够检测废气中的氧浓度的极限电流式传感器的内燃机的控制方法，所述控制方法包括：检测废气中的SOx的浓度；控制发动机，以致使废气中的氧浓度维持在恒定值；执行逐渐把施加于所述传感器的电压从第一电压降低到第二电压的扫描处理，在所述第一电压下，在所述传感器中由于SOx的还原而产生硫磺并且硫磺累积在所述传感器中，在所述第二电压下，在所述传感器中硫磺被氧化成SOx；从在向所述传感器施加包含在特定电压范围中的电压时的所述传感器的输出电流，获得所述扫描处理的执行期间的所述传感器的输出电流的极值，根据具有所述恒定值的所述氧浓度预测在所述特定电压范围中将输出所述极值；和根据所述极值和基准值，检测废气中的SOx的浓度，所述基准值是所述传感器的极限电流的值，所述传感器的所述极限电流的值对应于具有所述恒定值的所述氧浓度。
附图说明
下面参考附图，说明本发明的例证实施例的特征、优点和产业意义，附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是表示按照本发明的实施例的控制系统适用于的内燃机的示意结构的示意图；
图2是表示按照实施例的极限电流式氧浓度传感器(单单元传感器)的示意结构的示意图；
图3A和3B是表示按照实施例的极限电流式氧浓度传感器的输出特性的示意图；
图4是表示按照实施例，执行扫描处理时的传感器的输出电流的变化(波形)的例子的示意图；
图5是表示按照实施例，扫描处理期间的废气中的空燃比(氧的浓度)与峰值输出电压之间的相关性的示意图；
图6是表示按照实施例，扫描处理期间的废气中的空燃比(氧的浓度)与特定电压范围之间的相关性的示意图；
图7是表示按照实施例，废气中的SOx的浓度与传感器的输出之间的相关性的示意图；
图8是表示按照实施例，废气中的空燃比(氧的浓度)，传感器的施加电压，和传感器的输出电流之间的相关性的例子的时间图；
图9是表示按照实施例，废气中的空燃比(氧的浓度)，传感器的施加电压，和传感器的输出电流之间的相关性的另一个例子的时间图；
图10是表示由按照实施例的控制系统执行的例程的流程图；
图11是表示按照实施例的极限电流式氧浓度传感器(双单元传感器)的示意结构的示意图。
具体实施方式
图1表示按照本发明的实施例的控制系统(下面称为实施的系统)适用于的内燃机10的示意结构。
发动机10是火花点火式内燃机(所谓的汽油发动机)。发动机10包括本体部分20，进气系统30，排气系统40，加速器踏板51，多个传感器61-64，和电子控制单元71。本体部分20包括燃料喷射阀21，火花塞22，燃烧室23，燃料泵24，燃料供给管25，活塞26，连杆27和曲轴28。进气系统30包括进气门31，进气口32，进气歧管33，节气门34，进气管35和空气滤清器36。排气系统40包括排气门41，排气口42，排气歧管43，废气净化催化剂44和排气管45。多个传感器61-64包括极限电流式氧浓度传感器61，曲轴位置传感器65，气流计63和加速器操作量传感器64。
如图2中所示，极限电流式氧浓度传感器61(下面称为传感器61)包括传感器单元61D，扩散控制层61E，传感器控制单元61F，第一氧化铝层61G，第二氧化铝层61H，第三氧化铝层61I，第四氧化铝层61J，第五氧化铝层61K和加热器61L。传感器单元61D由固体电解质层61A、测量电极61B和基准电极61C形成。在传感器61中形成大气导入通道61M和内部空间61N。传感器61是具有单个传感器单元61D的单单元传感器。
传感器61设置在排气歧管43处，以致末端(在设置扩散控制层61E一侧的末端)暴露在废气之下。考虑到废气中的SOx的浓度因废气净化催化剂44而变化的可能性，传感器61设置在废气净化催化剂44的上游侧。
固体电解质层61A由能够传导氧离子的氧化锆等形成。测量电极61B和基准电极61C由诸如铂和铑之类的铂族元素，或者包括铂族元素任意之一的合金构成。测量电极61B和基准电极61C被布置成把固体电解质层61A夹在中间。测量电极61B被布置在固体电解质层61A的一侧的壁面上(具体地，在限定内部空间61N的壁面上)。基准电极61C被布置在固体电解质层61A的另一侧的壁面上(具体地，在限定大气导入通道61M的壁面上)。
传感器控制单元61F连接到传感器单元61D，以致测量电极61B是阴极，而基准电极61C是阳极。传感器控制单元61F连接到加热器61L，以便能够向加热器61L供电。传感器控制单元61F连接到电子控制单元71。
传感器控制单元61F接收来自电子控制单元71的命令信号，向传感器单元61D施加对应于所述命令信号的电压，并把从传感器单元61D输出的电流的值传送给电子控制单元71。传感器控制单元61F接收来自电子控制单元71的命令信号，向加热器61L供给对应于该命令信号的电力。
通过向测量电极61B和基准电极61C施加电压，以致在测量电极61B和基准电极61C之间(在电极对之间)产生与来自电子控制单元71的命令信号相应的电位差，来进行向传感器单元61D的电压的施加。
内部空间61N是由固体电解质层61A、扩散控制层61E、第一氧化铝层61G和第二氧化铝层61H限定的空间。内部空间61N由扩散控制层61E与传感器外部(排气歧管43的内部)隔开。扩散控制层61E具有多孔结构。扩散控制层61E控制废气从排气歧管43到内部空间61N的传输(乃至废气到固体电解质层61A的扩散)的速率。大气导入通道61M向传感器61之外的大气开放。
传感器61通常用于检测在排气歧管43内流动的废气中的氧浓度。具体地，当向传感器单元61D施加用于测量氧浓度的电压(下面称为通常电压)时，包含在内部空间61N内的废气中的氧在测量电极61B被电离。氧离子从测量电极61B通过固体电解质层61A，迁移到基准电极61C。到达基准电极61C的氧离子通过再结合，恢复成氧，所述氧被释放到大气导入通道61M中。传感器控制单元61F以来自传感器单元61D的输出电流的形式，测量归因于一系列电化学反应的电子的迁移。由于扩散控制层61E的功能，输出电流的大小(换句话说，在电极对之间迁移的氧离子的量)与废气中的氧浓度一一对应。即，来自传感器单元61D的输出电流具有与废气中的氧浓度对应的大小。该输出电流一般被称为极限电流。
顺便提及，废气中的氧浓度主要取决于燃烧前的空气-燃料混合物的空燃比。相反，根据废气中的氧浓度，可以估计空气-燃料混合物的空燃比。于是，废气中的氧浓度也被称为废气的空燃比。按照这种命名，例如，由于具有化学计量空燃比的空气-燃料混合物的燃烧而产生的废气中的氧浓度实质上为0，废气的空燃比是化学计量空燃比(stoichiometric air-fuel ratio)。下面，对于传感器单元61D的施加电压被称为传感器61的施加电压，而来自传感器单元61D的输出电流被称为传感器61的输出电流。
图3A是表示废气的空燃比A/F，传感器61的施加电压Vs，和传感器61的输出电流Is之间的相关性的示意图。如图中所示，当施加电压Vs落在特定范围中时，废气的空燃比A/F和输出电流Is(极限电流)的大小具有一一对应关系。于是，落在所述范围内的电压被用作通常电压V0(参见图中的长短交替点划线)。通常电压V0是一般根据实验等确定的固定值(例如，0.4V)。图3B是表示当施加电压Vs是通常电压V0时，废气的空燃比A/F和输出电流Is之间的相关性的示意图。如图中所示，废气的空燃比A/F是根据输出电流Is唯一地识别的。
在实施的系统中，传感器61的输出电流Is的值由传感器控制单元61F测量，并被传送给电子控制单元71。电子控制单元71通过把接收的传感器61的输出电流Is的值应用于图3B中所示的相关性，识别(检测)废气的空燃比A/F。
这样，设置在实施的系统所应用于的发动机10中的传感器61是具有输出与废气中的氧浓度一一对应的电流(极限电流)的特性的传感器。所述传感器包括固体电解质，测量电极和基准电极(电极对)，和扩散控制层。固体电解质能够传导氧离子。测量电极和基准电极被设置成把固体电解质夹在中间。扩散控制层被设置成覆盖测量电极。在具有以上结构的传感器中，传感器的施加电压可转换成被施加于电极对以便在电极对之间产生电位差的电压。传感器的输出电流可被转换成从电极对输出的电流。
返回参见图1，曲轴位置传感器65被配置成输出指示曲轴28的旋转位置的信号。气流计63被配置成输出指示单位时间吸入发动机10中的空气量(进气量)的信号。电子控制单元71根据这些信号，计算导入燃烧室23的空气量。加速器操作量传感器64输出指示加速器踏板51的开度的信号。根据该信号，电子控制单元71确定向发动机10要求的输出。
电子控制单元71是主要由包括CPU、ROM、RAM等的已知微计算机形成的电子电路。电子控制单元71的CPU被配置成向燃料喷射阀21，节气门34，传感器61等传送命令信号，和接收从多个传感器61-64输出的信号。
实施的系统利用传感器61，检测废气中的SOx的浓度。下面将参考图4-图7，说明实施的系统中的检测SOx的浓度的方法。
按照发明人的实验和考察，发现当传感器61的施加电压Vs从特定的第一电压V1被逐渐降低到特定的第二电压V2时，传感器61的输出电流Is具有与废气中的SOx的浓度对应的唯一极值。下面，把传感器61的施加电压Vs从第一电压逐渐降低到第二电压V2的处理称为扫描处理。
首先，说明扫描处理的概况。图4是表示当执行扫描处理时，传感器61的输出电流的波形的例子的示意图。在当施加电压Vs从第一电压V1降低到第二电压V2之时的输出电流Is(图中，连接点A、点B、点C、点D和点E的波形)中，局部最小值(它是在图中的点C的输出电流，下面称为峰值Ip)随着废气中的SOx的浓度而变化。不过，输出电流Is不仅随着废气中的SOx的浓度而变化，而且随着扫描处理期间的废气的空燃比(氧浓度)而变化。于是，实施的系统从输出电流Is中，提取仅仅指示废气中的SOx的浓度的值，并根据提取的值，检测废气中的SOx的浓度。为了精确地进行检测，实施的系统控制发动机10，以致扫描处理期间的废气的空燃比被维持在恒定值。对应于所述恒定值的输出电流Is被用作对应于废气的空燃比的输出分量(基准值Iref)。
如图中所示，第一电压V1和第二电压V2高于用于测量氧浓度的通常电压V0。从而，在利用传感器61测量氧的浓度的情况下，当开始扫描处理时，实施的系统把施加电压Vs从通常电压V0改变成第一电压V1(图中，参见连接点F和点A的波形)。当扫描处理已完成时，实施的系统把施加电压Vs从第二电压V2降到通常电压V0(图中，参见连接点E和点F的波形)。在图中所示的例子中，为了方便起见，实施的系统不仅在扫描处理的执行期间(从点A到点E的时间段)，而且在扫描处理前后的时间段(从点F到点A的时间段，和从点E到点F的时间段)中，都使废气的空燃比维持恒定值。
具体地，当传感器61被用于检测废气的空燃比时，传感器61的施加电压Vs是通常电压V0(参见图中的点F)。当实施的系统执行扫描处理时，实施的系统把施加电压Vs从通常电压V0改变成第一电压V1(参见图中的点A)。从而，在传感器61中(具体地，在测量电极61B的表面等)，SOx被还原成硫，还原产生的硫累积在传感器61中(测量电极61B的表面等上)。累积在传感器61中的硫的量对应于废气中的SOx的浓度。
这是因为硫(S)在通常使用传感器61的温度下是固体，从而硫(S)累积在传感器61中，而不从传感器61挥发。另外，这是因为单位时间累积在传感器61中的SOx的量随着废气中的SOx的浓度增大而增大，以及传感器61中的极限电流的值随着废气中的氧的浓度增大而增大的事实。
由于第一电压V1高于通常电压V0，因此当施加电压Vs是第一电压V1时，废气中的氧也在传感器61中被电离，废气中除SOx的成分(例如，H2O)也会在传感器61中被分解。不过，氧离子按照传感器61的氧测量原理(参见上面的说明)从传感器61被排出，作为除SOx外的成分的分解的结果产生的物质(例如H2)在上述温度下一般是气体，从而该物质不会累积在传感器61中。从而，当施加电压Vs是第一电压V1时，实质上只有硫累积在传感器61中。
这样，第一电压V1是作为在传感器61中SOx还原成硫的结果产生的硫累积在传感器61中的施加电压。在本例中，第一电压V1是预先通过实验等确认的发生还原和累积的电压(例如，1.0V)，并被记录在电子控制单元71的ROM中。
当施加电压Vs从通常电压V0被改变成第一电压V1时，由于SOx的上述还原等，如图中所示，传感器61的输出电流Is增大(参见图中的点A)。
随后，在控制发动机10以致使废气的空燃比维持在恒定值的时候，实施的系统执行扫描处理。从而，实施的系统从第一电压V1逐渐降低施加的电压Vs。在扫描处理的执行期间，在传感器61中发生从硫到SOx的氧化，氧的分解，和废气中的另一种成分的分解。于是，归因于各个这些反应的输出分量都包含在输出电流Is中。不过，按照发明人的实验等，归因于其它成分的输出分量小于归因于SOx和氧的输出分量，从而从检测SOx的浓度的观点看，它可被忽略。从而，扫描处理的扫描期间的输出分量Is实质上包括归因于硫(具体地，SOx)的输出分量，和归因于氧的输出分量。
于是，如果在扫描处理的执行期间，废气中的氧浓度过度波动，那么输出电流Is显著变动，以反映氧浓度的波动，从而测量归因于硫(具体地，SOx)的输出分量的精度降低。于是，实施的系统在使废气的空燃比维持恒定值的同时，执行扫描处理。从而，由于使包含在输出电流Is中的归因于氧的输出分量被维持恒定(被维持在与具有恒定值的氧浓度对应的极限电流的值)，因此输出电流Is不会因氧浓度的波动而波动。
结果，输出电流Is描绘具有与废气中的SOx的浓度对应的唯一峰值Ip的波形。具体地，输出电流Is描绘随着施加电压Vs的降低，一度降低，而在通过峰值Ip之后再次增大的波形(参见图中从点A到点E的波形)。
顺便提及，按照发明人的实验等，发现在输出电流Is达到峰值Ip时的施加电压(下面称为峰值输出电压Vp)随着扫描处理执行期间的废气中的氧浓度(空燃比A/F)而变化。
作为具体例子，图5表示其中扫描处理期间的废气的空燃比A/F不同的3个例子(不过，在各个例子中，废气中的SOx的浓度相同)的输出电流Is的波形。为了方便起见，在图解所示的3个例子中，使扫描处理从第一电压V1延续到通常电压V0。
如图中所示，扫描处理期间的废气的空燃比A/F按照例1、例2和例3的顺序减小。如在例1的波形(图中的连接A1、C1和F1的实线)中所示，例1中的峰值输出电压为Vp1。如在例2的波形(连接图中的A2、C2和F2的实线)中所示，例2中的峰值输出电压为比值Vp1低的值Vp2。另外，如在例3的波形(图中的连接A3、C3和F3的实线)中所示，例3中的峰值输出电压为比值Vp2低的值Vp3。即，随着扫描处理期间的废气的空燃比A/F减小，峰值输出电压Vp降低。
在其中不存在诸如干扰之类影响的理想条件下，扫描处理期间的废气的空燃比A/F与峰值输出电压Vp一一对应。不过实际上，归因于各种干扰等的影响，即使当扫描处理期间的废气的空燃比A/F相同时，峰值输出电压Vp也会发生轻微变动。于是，如图6中所示，实施的系统根据扫描处理期间的废气的空燃比A/F，确定预测其中将输出峰值Ip的施加电压Vs的范围(预测峰值输出电压Vp包含在其中的范围，下面称为特定电压范围)。例如，当废气的空燃比A/F是值af时，特定电压范围被确定为从上限值Vu到下限值Vb的范围。图6中所示的相关性是预先通过实验等确定的，并被记录在电子控制单元71的ROM中。
返回参见图4，当实施的系统开始扫描处理时，实施的系统根据废气的空燃比A/F(恒定值)，确定特定电压范围。在本例中，假定空燃比A/F是值af，特定电压范围被确定为从上限值Vu到下限值Vb的范围(Vb≤Vs≤Vu)。
实施的系统从特定电压范围中的输出电流Is(参见图中连接点B、点C和点D的实线)，获得(测量)峰值Ip。实施的系统在峰值Ip被输出之后的预定时刻，完成扫描处理(参见图中的点E)。完成扫描处理时的施加电压Vs是第二电压V2。这样，第二电压V2是用于获得与废气中的SOx的浓度对应的唯一峰值Ip的施加电压，是在传感器61中硫被氧化(再氧化)成SOx的施加电压。
之后，实施的系统使施加电压Vs恢复为通常电压V0(参见图中的点F)。如上所述，在图中所示的例子中，实施的系统把废气的空燃比维持在与扫描处理期间的空燃比相同的恒定值(本例中的值af)，直到施加电压Vs被恢复为通常电压V0为止。于是，实施的系统使用当使施加电压Vs恢复为通常电压V0时的输出电流Is，作为基准值Iref。
实施的系统根据基准值Iref，和在扫描处理期间获得的输出电流Is的峰值Ip，检测废气中的SOx的浓度。从而，实施的系统能够区别于由另一个成分引起的输出分量地分析由废气中的SOx的浓度引起的输出分量。
作为所述检测的例子，如图中所示，实施的系统根据峰值Ip和基准值Iref之间的差值的绝对值DEFis，识别(检测)废气中的SOx的浓度。具体地，按照发明人的实验等，如图7中所示，当所述差值的绝对值DEFis增大时，SOx的浓度Csox增大。
于是，实施的系统根据峰值Ip和基准值Iref计算上述差值的绝对值DEFis，把所述差值的绝对值DEFis应用于图7中所示的相关性。从而，实施的系统识别(检测)废气中的SOx的浓度Csox。图7中所示的相关性是预先通过实验等确定的，并被记录在电子控制单元71的ROM中。
如上所述，基准值Iref被用于从输出电流Is中，仅仅提取归因于SOx的浓度的输出分量。于是例如，基准值Iref可转换成当发动机被控制时的传感器的输出电流，以致在传感器的输出电流只取决于废气中的氧浓度的情况下，废气中的氧浓度是所述恒定值。
如图5中所示，即使当扫描处理期间的废气的空燃比A/F不同，但是SOx的浓度相同时，上述差值的绝对值DEFis也相同(图中，值DEFis1、值DEFis2和值DEFis3彼此相等)。即，与扫描处理期间的废气的空燃比A/F无关，可以使用图7中所示的相关性。
另外，在图6中，与扫描处理期间的空燃比A/F的值无关，特定电压范围的宽度(上限值Vu和下限值Vb之间的差值)被设定成恒定值。不过，特定电压范围的宽度可被设定成随着扫描处理期间的空燃比A/F的值而变化。
执行扫描处理期间出现输出电流的峰值Ip的原理，和峰值输出电压Vp随着扫描处理执行期间的空燃比(氧浓度)变化的原理目前并不清楚。不过，在作为测量物体的电化学性质的一般方法的循环伏安法中，已知由于电子或氧化物的速率控制现象，响应电流的峰值出现在氧化-还原电位附近。推测在本发明的扫描处理期间，发生与该现象类似的现象。
下面参考图8和图9，说明在上述检测方法实际应用于发动机10时的检测例子。在本例中，实施的系统在检测废气中的SOx的浓度的条件(后面详细说明)被满足之后的特定时间段内(在时间t1和时间t2之间)，执行扫描处理，并检测废气中的SOx的浓度。
具体地，在图8中的时间t0，废气的空燃比基于发动机10的要求输出等而变化，与检测的SOx的浓度无关。在时间t0，为了利用传感器61测量废气的空燃比，传感器61的施加电压Vs被设定为通常电压V0。时间t0时的传感器61的输出电流Is是与废气的空燃比对应的值I0。
之后，在预定定时，实施的系统把施加电压Vs从通常电压V0增大到第一电压V1，以便开始扫描处理。在图中的时间t1，施加电压Vs达到第一电压V1(参见图中的点A)。在本例中，实施的系统在维持时间t1的废气的空燃比af的同时，执行扫描处理。即，实施的系统控制发动机10，以致使扫描处理的执行期间的废气的空燃比维持恒定值af(例如，原样维持在时间t1时的发动机10的运转状态)。图中的点A、点B、点C、点D、点E和点F分别对应于图4中的点A、点B、点C、点D、点E和点F。不过，和图4中所示的例子不同，在本例中，在除扫描处理的执行期间之外的时刻的空燃比未被特别控制为恒定值。
在从时间t1到时间t2的时间段中，实施的系统执行扫描处理。具体地，在使废气的空燃比维持在恒定值af的时候，实施的系统按恒定速率，把施加电压Vs从第一电压V1逐渐降低到第二电压V2。在本例中，第二电压V2被设定成和通常电压V0相同的电压。另外，通过把恒定值af应用于表示空燃比和特定电压范围之间的相关性的图(所述图记录在电子控制单元71的ROM中，并且参见图6)，实施的系统确定所述特定电压范围(Vb≤Vs≤Vu)。实施的系统把在扫描处理期间向传感器61施加包含在所述特定电压范围中的施加电压Vs时的输出电流Is(图中的连接点B、点C和点D的实线)，记录在电子控制单元71的RAM中。
实施的系统根据记录在RAM中的输出电流Is，计算峰值Ip(参见图中的点C)。另外，实施的系统使用时间t2时的输出电流Is，作为基准值Iref(参见图中的点E和点F)。在时间t2，扫描处理完成。随后，实施的系统计算峰值Ip和基准值Iref之间的差值的绝对值DEFis。通过把所述差值的绝对值DEFis应用于表示所述差值的绝对值DEFis和废气中的SOx的浓度之间的相关性的图(图7中所示的相关性被记录在电子控制单元71的ROM中)，实施的系统检测废气中的SOx的浓度Csox。
在扫描处理完成之后(在时间t2之后)，施加电压Vs被维持在通常电压V0，并再次检测废气的空燃比。在时间t2之后，废气的空燃比再次基于发动机10的要求输出等而变化。
在实施的系统计算上述差值的绝对值DEFis之后，实施的系统可把所述差值的绝对值DEFis本身作为与SOx的浓度一一对应的值，用在某种处理(例如，通知高SOx浓度的报警，或者燃料中的硫的浓度的测量)中，而不获得SOx的浓度Csox。
实施的系统不一定需要如图8中所示，检测SOx的浓度。例如，如图9中所示，实施的系统可把第二电压V2设定成与通常电压V0不一致的施加电压。第二电压V2是完成扫描处理时的施加电压Vs。具体地，在本例中，实施的系统时刻监视在扫描处理期间，向传感器61施加包含在特定电压范围中的施加电压Vs时，记录在RAM中的输出电流Is。实施的系统在峰值Ip的输出已被确认之后的任意时刻，完成扫描处理。当实施的系统这样完成扫描处理时的施加电压Vs是第二电压V2(参见图9中的点D和点E)。在本例中，第二电压V2和特定电压范围的下限值Vb被设定成相同的电压；不过，第二电压V2和下限值Vb不一定需要相同。
在本例中，存在在扫描处理完成时的时间t2的输出电流Is不仅包括归因于废气的空燃比的输出分量，而且包括归因于SOx的浓度的输出分量的可能性。于是，和图8中所示的检测例子不同，扫描处理染厂时(图8中的时间t2)的输出电流不能用作基准值Iref。于是，在本例中，利用不同于传感器61的另一个氧浓度传感器(未图示)测量的扫描处理期间的输出电流，或者通过把从扫描处理期间的发动机10的运转状态估计的废气的空燃比应用于图3B中所示的图而获得的输出电流被用作基准值Iref。当使用另一个传感器时，为了提高SOx浓度的检测精度，理想的是所述另一个传感器的输出特性和传感器61的输出特性相同，或者所述另一个传感器的输出电流被变换(校正)成传感器61的输出电流，并被使用。
在本检测例子中，SOx浓度的检测处理可能比图8中所示的检测例子复杂。不过，本检测例子的有利之处在于与图8中所示的检测例子相比，执行扫描处理的时间长度被缩短。
另外，实施的系统可利用除扫描处理开始时(时间t1)的废气的空燃比af以外的空燃比，作为扫描处理期间的废气中的空燃比(氧浓度)。例如，预置的单个固定值、从多个准备的固定值中选择的值等可被用作扫描处理期间的废气的空燃比。
如上所述，作为累积在传感器61中的硫的再氧化的结果，出现扫描处理期间的输出电流Is的波形。于是，利用实施的系统检测的废气中的SOx的浓度严格指示在硫累积在传感器61中之时(在扫描处理开始时)的废气中的SOx的浓度。另一方面，取决于传感器61的结构、配置等，为了充分累积数量足以检测SOx的浓度的硫，可能需要一定长度的时间。这种情况下，利用实施的系统检测的SOx的浓度指示其间在传感器61中累积硫的时间段之中的废气中的SOx浓度的平均值。
下面参考图10，说明实施的系统的实际操作。在实施的系统中，电子控制单元71的CPU执行图10中所示的例程，在控制发动机10以致使废气的空燃比(氧浓度)维持在恒定值的同时，执行扫描处理，并根据特定电压范围中的输出电流Is，检测废气中的SOx的浓度。
具体地，每当过去预定时间时，CPU都执行图10中的检测SOx的浓度的例程。当开始该例程的处理时，CPU进入步骤1005，判定在当前时刻，检测SOx的浓度的条件是否被满足。在本例中，当使发动机10稳态运转，并且从安装发动机10的车辆最后一次被补给燃料到当前时刻一次也未检测过SOx的浓度时，所述条件被满足。
当以上条件被满足时，在步骤1005，CPU作出肯定的判定，然后进入步骤1010。在步骤1010，CPU向传感器61(向传感器控制单元61F)传送用于把传感器61的施加电压Vs增大到第一电压V1的命令信号。按照所述命令信号，传感器61把施加电压Vs增大到第一电压V1。在传送所述命令信号之前，CPU向传感器61传送用于把施加电压Vs维持在通常电压V0的命令信号。
随后，CPU进入步骤1015。在步骤1015，CPU开始把废气中的氧浓度维持在恒定值的控制。在本例中，通过考虑到进气量地调整燃料喷射量，以致维持当前时刻(扫描处理的开始时刻)的废气的空燃比(氧浓度)，CPU维持废气的空燃比。从而，本例中的恒定值是开始扫描处理时的废气中的氧浓度之值。由于废气中的氧浓度(空燃比)通过这种控制被稳定，因此这种控制也被称为稳定化控制。
随后，CPU进入步骤1020。在步骤1020，通过把执行扫描处理时的空燃比(即，具有恒定值的氧浓度，在本例中，扫描处理的开始时刻的氧浓度)应用于表示废气的空燃比A/F和特定电压范围之间的相关性的查寻表(图6中的Map(A/F))，CPU确定特定电压范围(该范围的上限值Vu和下限值Vb)。所述特定电压范围实质上是和扫描处理的开始同时确定的。
随后，CPU进入步骤1025。在步骤1025，在CPU向传感器61传送把施加电压Vs从第一电压V1逐渐降低到第二电压V2的命令信号时，CPU只把从传感器61接收的输出电流Is之中的在施加电压Vs包含在特定电压范围中时的输出电流Is记录在RAM中。在本例中，第二电压V2被设定成和通常电压V0相同的电压。
随后，CPU进入步骤1030。在步骤1030，CPU把在施加电压Vs达到第二电压V2(＝通常电压V0)时的输出电流Is作为基准值Iref记录在RAM中。之后，CPU进入步骤1035，并完成稳定化控制。
随后，CPU进入步骤1040。在步骤1040，CPU根据记录在RAM中的在扫描处理期间在特定电压范围内的输出电流Is，计算输出电流Is的峰值Ip。例如，CPU每隔预定时间，计算输出电流Is的变化率，并计算所述变化率为0的时刻(变化率从正值逆转为负值的时刻)的输出电流Is，作为峰值Ip。另一方面，例如，CPU可计算记录在RAM中的输出电流Is(样本值)之中的最小值，作为峰值Ip。
步骤1025-1040中的一系列处理例如可用以下处理替换。
(处理1)把扫描处理期间的所有输出电流Is保存在RAM中，随后只根据保存的输出电流Is之中的在施加电压Vs包含在特定电压范围中时的输出电流Is，计算峰值Ip。
(处理2)只接收在施加电压Vs被包含在特定电压范围中时的输出电流Is，并保存在RAM中(即，当施加电压Vs未被包含在特定电压范围中时，禁止输出电流Is的接收)，随后根据保存的输出电流Is，计算峰值Ip。
(处理3)施加电压Vs与特定电压范围的上限值Vu一致之时的输出电流Is作为峰值Ip被保存在RAM中，之后，每次采样输出电流时，都比较峰值Ip和输出电流Is，当输出电流Is小于峰值Ip时，该输出电流Is被采用(更新)为新的峰值Ip。重复这些步骤，直到施加电压Vs与特定电压范围的下限值Vb一致为止。
随后，CPU进入步骤1045。在步骤1045，CPU计算峰值Ip和基准值Iref之间的差值的绝对值DEFis。CPU进入步骤1050。在步骤1050，CPU通过把计算的所述差值的绝对值DEFis应用于表示SOx的浓度Csox和上述差值的绝对值DEFis之间的相关性的查寻表(流程图中的Map(DEFis))，识别SOx的浓度Csox。即，在步骤1050，检测SOx的浓度Csox。
之后，CPU进入步骤1095，终止该例程。如果在执行所述例程的步骤1005时，检测SOx的浓度的条件未被满足，那么CPU在步骤1005作出否定判定，从而直接进入步骤1095，终止该例程。
这样，实施的系统在控制发动机10以致使废气中的氧浓度(空燃比)维持在恒定值的时候，执行扫描处理，并根据基准值Iref，和扫描处理期间在特定电压范围内的传感器61的输出电流Is，识别(检测)废气中的SOx的浓度Csox。从而，通过在尽可能地排除废气中除SOx外的成分(例如，氧和H2O)的影响的同时，尽可能地防止由意外的噪声等引起的峰值Ip的误测量，实施的系统能够精确地检测废气中的SOx的浓度Csox。
本发明不限于上述实施例。在本发明的范围内，可以采用各种备选实施例。例如，包含在应用实施的系统的发动机10中的传感器61是具有单一传感器单元61D的单单元传感器。代替传感器61，发动机10可改为包括具有多个传感器单元61D的传感器(例如，双单元传感器)。
图11是表示双单元传感器的示意结构的示意图。如图中所示，双单元传感器62包括传感器单元62D1和传感器单元62D2。传感器单元62D1包括固体电解质层62A1，测量电极62B1和基准电极62C1。传感器单元62D2包括固体电解质层62A2，测量电极62B2和基准电极62C2。传感器单元62D1也被称为上游侧单元。传感器单元62D2也被称为下游侧单元。
双单元传感器62还包括扩散控制层62E，传感器控制单元62F，第一氧化铝层62G，第二氧化铝层62H，第三氧化铝层62I，第四氧化铝层62J，第五氧化铝层62K，第六氧化铝层62L和加热器62M。另外，在双单元传感器62中，形成大气导入通道62N和内部空间620。双单元传感器62，以及传感器61(参见图2)只需要被设置在排气歧管43。
在双单元传感器62利用上游侧单元62D1把废气中的氧排放到内部空间61N的外部之后，双单元传感器62能够利用下游侧单元62D2，检测废气中的SOx的浓度。从而，当利用双单元传感器62检测SOx的浓度时，归因于氧的输出分量实质上不包含在下游侧62D2的输出电流中。于是，与使用单单元传感器的情况(实施的系统的情况)相比，废气中的氧浓度的变化对SOx浓度的检测的影响较小。不过，即使就双单元传感器62来说，也存在废气中的氧未被上游侧单元62D1完全除去，在朝向下游侧单元62D2的废气中略微包含氧的情况。于是，通过把按照本发明的控制系统或方法应用于包括双单元传感器62的发动机，能够精确地检测SOx的浓度。
另外，实施的系统应用于的发动机10是汽油发动机；不过，按照本发明的控制系统或方法也可应用于柴油发动机。
实施的系统利用维持在开始扫描处理时的发动机10的运转状态，一直到扫描处理完成时为止的方法，作为使扫描处理期间的废气的空燃比(氧浓度)维持在恒定值的控制(稳定化控制)(参见图10中的步骤1015)。借助这种方法，不一定需要时刻获得扫描处理期间的废气的空燃比。不过，作为稳定化控制，按照本发明的系统可控制发动机10，以致在时刻获得扫描处理期间的废气的空燃比的时候，使废气的空燃比经历反馈控制。例如，实施的系统可以利用对燃料喷射量进行反馈控制，以致在根据发动机10被要求的输出确定进气量之后，废气的空燃比与恒定值一致的方法。在发动机10是柴油发动机的情况下，按照本发明的系统可使用调整进气量、EGR量等，以致在根据发动机10被要求的输出确定燃料喷射量之后，废气的空燃比与恒定值一致的方法，作为稳定化控制。在与电动机等组合使用发动机10的情况下(例如，在发动机10安装在混合动力汽车上的情况下)，按照本发明的系统可使用在控制发动机10以致使废气的空燃比维持恒定值的时候，用电动机补偿不足的输出量的方法。
按照本发明的系统可被配置成根据废气中的SOx的浓度，估计包含在燃料中的硫成分的量(硫的浓度)。燃料中的硫的浓度一般取决于燃料的种类等。于是，从估计燃料中的硫的浓度的观点看，只需要每次向发动机供给燃料时，获得废气中的SOx的浓度。

Claims (5)

1.一种包括能够检测废气中的氧浓度的极限电流式传感器的内燃机的控制系统，所述控制系统包括：
电子控制单元，所述电子控制单元被配置成：
(i)检测废气中的SOx的浓度；
(ii)控制发动机，以致使废气中的氧浓度维持在恒定值；
(iii)执行逐渐把施加于所述传感器的电压从第一电压降低到第二电压的扫描处理，在所述第一电压下，在所述传感器中由于SOx的还原而产生硫磺并且硫磺累积在所述传感器中，在所述第二电压下，在所述传感器中硫磺被氧化成SOx；
(iv)从在向所述传感器施加包含在特定电压范围中的电压时的所述传感器的输出电流，获得所述扫描处理的执行期间的所述传感器的输出电流的极值，根据具有所述恒定值的所述氧浓度预测在所述特定电压范围中将输出所述极值；和
(v)根据所述极值和基准值，检测废气中的SOx的浓度，所述基准值是所述传感器的极限电流的值，所述传感器的所述极限电流的值对应于具有所述恒定值的所述氧浓度。
2.按照权利要求1所述的控制系统，其中
所述第二电压与当检测废气中的氧浓度时使用的电压一致，以及
所述电子控制单元被配置成利用在所述扫描处理中当施加于所述传感器的电压被降低到所述第二电压时的所述传感器的输出电流的值，作为所述基准值。
3.按照权利要求1所述的控制系统，其中
所述电子控制单元被配置成预先保存废气中的氧浓度和极限电流的所述值之间的对应关系，以及
所述电子控制单元被配置成利用通过把具有所述恒定值的所述氧浓度应用于所述对应关系而获得的极限电流的值，作为所述基准值。
4.按照权利要求1-3中任意之一所述的控制系统，其中所述第二电压与所述特定电压范围的下限值一致。
5.一种包括能够检测废气中的氧浓度的极限电流式传感器的内燃机的控制方法，所述控制方法包括：
检测废气中的SOx的浓度；
控制发动机，以致使废气中的氧浓度维持在恒定值；
执行逐渐把施加于所述传感器的电压从第一电压降低到第二电压的扫描处理，在所述第一电压下，在所述传感器中由于SOx的还原而产生硫磺并且硫磺累积在所述传感器中，在所述第二电压下，在所述传感器中硫磺被氧化成SOx；
从在向所述传感器施加包含在特定电压范围中的电压时的所述传感器的输出电流，获得所述扫描处理的执行期间的所述传感器的输出电流的极值，根据具有所述恒定值的所述氧浓度预测在所述特定电压范围中将输出所述极值；和
根据所述极值和基准值，检测废气中的SOx的浓度，所述基准值是所述传感器的极限电流的值，所述传感器的所述极限电流的值对应于具有所述恒定值的所述氧浓度。
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