CN1438412A - O2传感器、空燃比控制装置、空燃比控制方法以及空燃比控制程序的记录媒体 - Google Patents

O2传感器、空燃比控制装置、空燃比控制方法以及空燃比控制程序的记录媒体 Download PDF

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Abstract

一种空燃比控制装置，为将设置在催化转换器(4)下游一侧的O2传感器(7)的输出电压Vout维持于指定的目标值Vop，而对排气的空燃比进行控制的设备，将O2传感器(7)的元件部的温度控制在O2传感器(7)的输出特性上的曲线转折部的输出电压大致等同于目标值Vop时的指定温度。提供一种确保所需的催化转换器的净化性能且具有准确输出特性的O2传感器、或稳定O2传感器的输出特性且确实能确保所需的催化转换器的净化性能的空燃比控制装置。

Description

O2传感器、空燃比控制装置、空燃比控制 方法以及空燃比控制程序的记录媒体
技术领域
本发明涉及一种内燃机的排气系统上具有的O2传感器。进而本发明又涉及一种在内燃机的排气系统上具有O2传感器的系统中的空燃比控制装置、空燃比控制方法、以及其空燃比控制程序的记录媒体。
背景技术
为了确保从内燃机排气系统(排气通路)上具有的三元催化剂等的催化转换器所排出的气体达到所需的净化性能，本申请的申请人提出了这样一种技术方案(特开平11-324767号公报、美国专利6188953号等)：在催化转换器下游一侧配置O2传感器，为将该O2传感器的输出电压维持在预先指定的目标值(一定值)而对从内燃机供给催化转换器的排气的空燃比(由排气中氧气的浓度反映的空燃比)进行控制。
该技术是着眼于以下现象而开发的。即，将内燃机供向催化转换器的排气的空燃比控制在催化转换器下游一侧的O2传感器的输出电压处于某一指定值时的空燃比状态下，确保催化转换器排出的CO(一氧化碳)、HC(炭化氢)、NOx(氮氧化物)等的净化率不受该催化转换器的恶化状态等影响而处在良好状态(净化率几乎是最大时的状态)。
然而，本申请的发明人经过进一步探讨，发现了以下情况。即，如果O2传感器的元件部的温度因内燃机的排气系统的配置以及排气的温度状态等对O2传感器的元件部(接触排气的感应部)的温度产生影响的因素而发生变化，则O2传感器的输出特性也随之变化。而且，该输出特性的变化又对于维持催化转换器下游的O2传感器的输出电压于指定目标值的空燃比控制的控制性(控制的快速性或安全性)产生影响。这是因为根据O2传感器输出特性的变化，上述目标值附近的O2传感器的输出电压对于空燃比的变化的灵敏度发生变化。而且，根据O2传感器的输出特性的变化，催化转换器的净化性能处于良好时的催化转换器下游一侧O2传感器的输出电压值，也即，能够确保催化转换器处于良好净化性能的目标值的O2传感器的输出电压值也发生变化。
由此，根据O2传感器的元件部的温度状态、或者对其产生影响的内燃机运转条件或环境条件，维持O2传感器输出电压于目标值的空燃比控制的控制性也就有可能降低。另外，对于内燃机在工作中的排气的温度状态等影响O2传感器的温度状态的因素容易发生变动的场合，即使控制该O2传感器输出电压于一定的目标值，也难以确保催化转换器的净化性能良好。
本发明是鉴于以上情况而做出的，其目的是提供一种确保所需的催化转换器的净化性能且具有准确输出特性的O2传感器。
本发明另一目的是提供一种稳定O2传感器的输出特性，能够切实确保所需的催化转换器的净化性能的空燃比控制装置及空燃比控制方法。
此外，本发明的又一目的是提供一种记录媒体，该记录媒体存储有能够由计算机执行如上所述的空燃比控制的程序。
发明内容
首先，在阐述说明本发明之前，对O2传感器的输出特性进行说明。配置在内燃机排气通路上的O2传感器是一种产生与其元件部(感应部)所接触的排气中氧气浓度相对应的输出电压的传感器，其元件部通常由含有铅、银或白金等材料构成，或者通过喷镀这些材料(例如：氧化锆(ZrO2+Y2O3))构成。如此的O2传感器输出特性(具体是指O2传感器的相对于元件部所感应到的由氧气浓度反映的排气的空燃比的输出电压的特性)一般具有Z曲线(Z curve)的特性。
进一步详细地，如图3中实曲线a所示，O2传感器的输出特性具有：e1部分(以下称大斜率部分e1)，在该e1部分，输出电压对应于排气的空燃比的变化以较大斜率倾斜，大致为线性变化；e2、e3(以下称小斜率部分e2、e3)，在该e2、e3部分，输出电压对应于空燃比的变化所发生变化的斜率小于大斜率部分e1。这些小斜率部分e2、e3存在于大斜率部分e1的两侧，也即分别存在于较之大斜率部分e1相对应的空燃比范围Δ贫燃一侧的区域及富燃一侧的区域。在这种场合，对应大斜率部分e1的空燃比的范围Δ为在理论空燃比附近的一个窄小范围。另外，各小斜率部分e2、e3的斜率与大斜率部分e1相比显得极其的小，各小斜率部分e2、e3与大斜率部分e1间的分界部分e4、e5分别是其前后斜率大幅转变的曲线转折部e4、e5。这样的输出特性是O2传感器的一般输出特性。另外，上述输出特性上的排气的空燃比，即，O2传感器的元件部所感应到的由氧气浓度反映的空燃比，在该氧气浓度越低时，它就越趋近于富燃一侧的空燃比(燃料相对于空气的比例较大时的空燃比)，在该氧气浓度越高时，它就越趋近于贫燃一侧的空燃比(燃料相对于空气的比例较小时的空燃比)。
并且，据本申请的发明人等所知，在将具有上述那样的输出特性的O2传感器的输出电压维持在某一定的目标值而对供给催化转换器排气的空燃比进行控制的场合下，该目标值几乎是与上述曲线转折部e4、e5当中处于富燃一侧的曲线转折部e4处的输出电压同等的电平(具体是指目标值处于曲线转折部e4上的输出电压的范围内)，这对于提高上述空燃比控制的控制性非常的适合。
上述说法的理由如下。即，在曲线转折部e4处，由于O2传感器的输出电压相对于空燃比的斜率(平均斜率)是处于大斜率部分e1的大斜率与小斜率部分e2的小斜率之间的中间斜率，因此该斜率即不过大也不过小而是适当的斜率。换句话说，在曲线转折部e4处，相对于空燃比的变化，输出电压的变化(灵敏度)即不过大也不过小。另外，与曲线转折部e4连结的小斜率部分e2具有某种程度的斜率(≠0)，相对于空燃比的变化，输出电压具有某种程度的灵敏度。而且，一般情况下，由于空燃比变化到贫燃一侧时，排气中的NOx容易增加，因此最好使空燃比迅速返回富燃一侧。由此，人们希望O2传感器的输出电压相对于特别是空燃比向贫燃一侧的变化进行灵敏的变化。这样，上述目标值几乎处于与曲线转折部e4处的输出电压同等的电平，换句话说，曲线转折部e4处的输出电压的范围处在上述目标值附近是比较合适的。
另一方面，据本申请的发明人等所知，O2传感器的输出特性因元件部的温度发生变化。在上述图3中举例说明这种变化。图3中实曲线a、虚曲线b、一点划线曲线c、二点划曲线d分别是O2传感器的元件部的温度在800°、750°、700°、650°时O2传感器的输出特性曲线。另外，图3中，为了按上述所述那样说明O2传感器的一般输出特性，对于具有代表性的实曲线a中的上述大斜率部分e1、小斜率部分e2、e3、曲线转折部e4、e5分别赋予了e1至e5的符号。然而，为方便起见，在以下的说明中，关于反映O2传感器的输出特性的其他图线，对于其大斜率部分、小斜率部分、曲线转折部(这些名称与实曲线a的场合的意思相同)依然使用与实曲线a相同的参照符号。在这种场合，赋予参照符号e2的小斜率部分表示空燃比富燃一侧的小斜率部分，赋予参照符号e3的小斜率部分表示空燃比贫燃一侧的小斜率部分。而且，赋予参照符号e4的曲线转折部是表示大斜率部分e1与富燃一侧的小斜率部分e2之间的曲线转折部，赋予参照符号e5的曲线转折部是表示大斜率部分e1与贫燃一侧的小斜率部分e3之间的曲线转折部。
又如该图3所示，O2传感器元件部的温度对O2传感器输出特性中特别是上述大斜率部分e1的斜率、及上述小斜率部分e2、e3中与富燃一侧的空燃比相对应的小斜率部分e2的输出电压的电平产生影响。即，小斜率部分e2的输出电压的电平基本上是元件部温度越高，其电平越低(与此同时，曲线转折部e4的输出电压电平也降低)。进一步广义地讲，元件部的温度越高，小斜率部分e2的输出电压的电平越向靠近另外一侧的小斜率部分e3的输出电压的方向变化。而且，大斜率部分e1的斜率基本上是元件部的温度越低其斜率越小。另外，将元件部的温度为750°场合时的曲线b与元件部的温度为800°场合时的曲线a相比较可知，当O2传感器元件部的温度高于750°时，O2传感器的输出特性几乎成保持一定(相对元件部的温度变化输出特性的变化较微小)。
另外，据本申请发明人等所知，在将具有上述输出特性的O2传感器配置在催化转换器(例如：三元催化剂)的下游一侧，维持O2传感器的输出电压于一定值而对供给催化转换器的排气的空燃比进行控制的场合，该催化转换器对排气中的CO、HC、NOx的净化率，如图4中实曲线组或虚曲线组的例子所示的那样，与O2传感器的输出电压值之间具有相关性。在此，图4中的实曲线组表示O2传感器元件部的温度为800°时CO、HC、NOx各个净化率和O2传感器的输出电压之间的关系，虚曲线组表示O2传感器元件部的温度为650°时CO、HC、NOx各个净化率和O2传感器的输出电压之间的关系。
如该图所示，催化转换器对CO、HC、NOx的净化率都处于良好状态的O2传感器输出电压Vop(以下也有称净化适当输出电压Vop)因O2传感器元件部的温度而不同。这是因为如前所述，该O2传感器的输出特性因O2传感器元件部温度而变化。例如，O2传感器元件部的温度为650°时，O2传感器的净化适当输出电压Vop(650°)大约是0.67V左右，O2传感器元件部的温度为800°时，O2传感器的净化适当输出电压Vop(800°)大约是0.59V左右。
此外，特别应该注意的是，O2传感器元件部的温度在例如800°时的O2传感器的净化适当输出电压Vop(800°)几乎与如上述图3中所表示的800°时O2传感器的输出特性中的曲线转折部e4的输出电压同等。而且，由于O2传感器的输出特性如前所述当元件部的温度高于750°时几乎就保持一定，因此，O2传感器元件部的温度在为750°时的净化适当输出电压Vop(750°)(图示略)几乎与800°时的净化适当输出电压Vop(800°)相同。所以，750°时的净化适当输出电压Vop(750°)几乎与图3中曲线b的曲线转折部e4的输出电压同等。
由以上的说明可知：
①在维持O2传感器的输出电压于目标值而对排气的空燃比进行控制时，其目标值与O2传感器的输出特性中曲线转折部e4处的输出电压最好是处于近乎同等的电平。
②O2传感器的输出特性(特别是小斜率部分e2或曲线转折部e4的输出电压的电平)可以通过控制其元件部的温度进行调整或者维持于一定。
③在控制催化转换器的下游一侧所配置的O2传感器元件部的温度于750°以上时，O2传感器的净化适当输出电压Vop与O2传感器的输出特性中的曲线转折部e4的输出电压几乎是处于同等的电平。
另外，关于上述②，O2传感器的输出特性中的小斜率部分e2或曲线转折部e4的输出电压的电平也可以通过调整例如元件部的铅或银等材料的含有量而使其变化。
下面在上述说明的基础之上，关于本发明进行说明。首先，对本发明的O2传感器进行说明。为了达到上述目的，本发明的O2传感器配置在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧，该O2传感器产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压，同时，输出电压相对于该由氧气浓度反映的排气的空燃比的变化的斜率具有曲线转折部，在该曲线转折部处，伴随该空燃比向富燃一侧变化，该斜率由大向小转变，该O2传感器为一种系统所采用，该系统为了确保上述所需的催化转换器的净化性能，维持该O2传感器的输出电压于指定的目标值而对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制的系统上使用的O2传感器，该O2传感器的特征为其具有如下输出特性：上述曲线转折部处的输出电压与上述目标值大致相同。另外，本发明中的‘曲线转折部’相当于图3中所示的曲线转折部e4。因此，为便于说明，在以下本发明的说明中对‘曲线转折部’赋予参照符号e4。
根据本发明，由于O2传感器的输出电压的目标值与O2传感器的输出特性中的曲线转折部e4上的输出电压大致相同，因此，该目标值存在于曲线转折部上。由此，如前所述，也就可以提高将O2传感器的输出电压维持于目标值的排气的空燃比控制的控制性。这样，可以将从内燃机供给到催化转换器的排气的空燃比状态稳定控制在O2传感器的输出电压被维持于目标值时的空燃比状态。结果，也就可以稳定确保所需的催化转换器的净化性能。而且，当由于外部干扰等O2传感器的输出电压越过上述曲线转折部e4而向空燃比的贫燃一侧变化时，O2传感器的输出电压即移向上述大斜率部分，与上述目标值的偏差也就加大。其结果可以使排气的空燃比迅速地返回上述目标值所对应的空燃比一侧。这样，可以迅速避免特别是排气中NOx增加的现象。
因此，根据本发明的O2传感器，可以在确保所需的催化转换器的净化性能基础之上，提供一种具有准确输出特性的O2传感器。而且，排气的空燃比的控制可以通过调整内燃机的燃料供给量来进行。
在本发明中，O2传感器如前所述的输出特性虽然可以通过对构成元件部材料的含有量进行调整等得以实现，但该输出特性通过维持O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制来实现是较妥当的。而且，特别是在这种场合下，上述指定温度至少是750°以上的温度比较适宜。
据此，由于O2传感器元件部的温度维持于指定温度，所以，即使在内燃机的排气的温度状态发生变动的场合，也可以使O2传感器的输出特性稳定在与上述目标值相匹配的特性上。这样，可以进一步切实确保排气的空燃比控制的稳定性，进而，也能使催化转换器的排气的净化性能更加稳定。
特别是，使上述指定温度在750°以上时，即使受控制的O2传感器元件部的温度多少有些偏差，也可以使O2传感器输出特性的稳定性提高，同时，可以将上述目标值与排气的空燃比变化所对应的上述曲线转折部e4的平均斜率之间的匹配性进行良好适当的调整。换句话说，可以使O2传感器的输出电压对于处在上述目标值的附近(曲线转折部e4)的空燃比的变化的灵敏度处于既不过度敏感又不过度迟钝的良好状态。这样，可以有效地提高空燃比控制的控制性。另外，将O2传感器元件部的温度控制在750°以上时，如上所述，可以使催化转换器所排出的CO、HC、NOx的净化率都处于良好状态时的O2传感器的净化适当输出电压Vop存在于曲线转折部e4处。由此，通过将该净化适当输出电压Vop设成上述目标值，结合空燃比控制的控制性的提高，即可以稳定且有效地提高催化转换器的净化性能。
另外，O2传感器元件部的温度控制也可以通过例如该元件部附近设置的电热器的通电控制而进行。这种场合，为了进行O2传感器元件部的温度控制，有必要把握该元件部的温度，不过该元件部的温度既可以通过在该元件部附近设置在O2传感器上的温度传感器而进行直接的检测，或者也可以根据适当的模式进行推定。
下面对本发明的空燃比控制装置、空燃比控制方法、以及空燃比控制用程序的记录媒体进行说明。为了达到上述目的，本发明的空燃比控制装置在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压的O2传感器，为了确保上述所需的催化转换器的净化性能，维持该O2传感器的输出电压于指定的目标值而对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制，该空燃比控制装置的特征在于具有：为维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的温度控制装置。
而且，本发明的空燃比控制方法为：在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压的O2传感器，为了确保上述所需的催化转换器的净化性能，维持该O2传感器的输出电压于指定的目标值而对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制，该空燃比控制方法的特征在于其具有：在控制上述排气的空燃比时，维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的步骤。
另外，本发明的空燃比控制用程序的记录媒体为计算机读取可能的记录媒体，它存储有空燃比控制用的程序，对于在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压的O2传感器的设备，为了确保上述所需的催化转换器的净化性能，维持该O2传感器的输出电压于指定的目标值而由计算机执行对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行的控制处理，该记录媒体的特征在于：上述空燃比控制用的程序包含有使上述计算机执行下列控制处理的程序，即，在控制上述排气的空燃比时，维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的处理。
根据本发明，由于O2传感器元件部的温度被维持在指定温度，因此，可以将该O2传感器的输出特性维持于一定。由此，即使处于内燃机的排气的温度状态变动的场合，也可以确保O2传感器的输出特性的稳定性。这样，通过对维持O2传感器输出电压于指定目标值的排气的空燃比的控制，即可以稳定地确保所需的催化转换器的净化性能。
在上述本发明(空燃比控制装置、空燃比控制方法、以及空燃比控制用程序的记录媒体)中，上述指定温度最好是至少750°以上的温度。根据这样，即使被控制的O2传感器元件部的温度多少有些偏差，O2传感器输出特性的稳定性也较高。其结果可以提高催化转换器的净化性能的稳定性。而且，O2传感器一般是其与由排气中氧气浓度反映的排气的空燃比相对应的输出电压所发生变化的斜率具有伴随该空燃比向富燃一侧变化而其斜率由大向小转变的曲线转折部e4的传感器。并且，将这样的O2传感器元件部的温度控制在750°以上时，如上所述，可以使催化转换器对排出的CO、HC、NOx的净化率都处于良好状态的O2传感器的净化适当输出电压Vop存在于曲线转折部e4处。由此，通过将该净化适当输出电压Vop设成上述目标值，结合控制空燃比的控制性的提高，可以稳定且有效地提高催化转换器的净化性能。
在上述本发明(空燃比控制装置、空燃比控制方法以及空燃比控制用程序的记录媒体)中，在上述O2传感器是：与由排气中氧气浓度反映的排气的空燃比相对应的输出电压所发生变化的斜率具有伴随该空燃比向富燃一侧变化而其斜率由大向小转变的曲线转折部的传感器的场合时，上述指定温度最好是维持上述O2传感器元件部温度于该温度时，为使上述曲线转折部处的输出电压大致等同于上述目标值而被预先所确定的温度。
根据这样，通过对O2传感器元件部的温度控制，O2传感器的输出电压的目标值与曲线转折部e4上的输出电压大致等同，因此，该目标值存在于曲线转折部e4上。由此，有如本发明关于对O2传感器说明的那样，可以提高将O2传感器的输出电压维持于目标值的排气的空燃比控制的控制性。因此，可以将内燃机供给催化转换器的排气的空燃比状态稳定控制在O2传感器的输出电压被维持于目标值时的空燃比状态。结果，也就可以稳定有效地确保所需的催化转换器的净化能。而且，即使由于外部干扰等，O2传感器的输出电压相对于上述曲线转折部e4向空燃比的贫燃一侧变化，也可以使排气的空燃比迅速地返回上述目标值所对应的空燃比一侧。这样，可以迅速地避免排气中特别是NOx增加的现象。
另外，在本发明的空燃比控制装置中，上述传感器温度控制装置最好是上述内燃机起动后，到指定时间内，将上述O2传感器的温度控制在低于上述指定温度的温度。同样地，在本发明的空燃比控制方法中，最好具有：上述内燃机起动后，到指定时间内，将上述O2传感器的温度控制在低于上述指定温度的步骤。同样地，在本发明的空燃比控制用程序的记录媒体中，最好包含有：上述内燃机起动后，到指定时间内，使计算机执行控制上述O2传感器的温度低于上述指定温度的处理的程序。此外，低于上述指定温度的温度假定为600°。
根据这样，在内燃机起动后，即使O2传感器元件部上吸附有排气中的水分，也可以避免该元件部急剧加热，以及避免该件部由于热应力等关系而破损的现象。
此外，在本发明的空燃比控制装置中，上述传感器温度控制装置在经由电热器对上述O2传器的元件部的温度进行控制的场合，当该电热器的温度超过指定的上限温度时最好切断对该电热器的通电。同样地，在本发明的空燃比控制方法中，最好具有：上述O2传感器的元件部的温度在经由电热器进行控制的场合，当该电热器的温度超过指定的上限温度时，切断对该电热器的通电的工序。同样地，在本发明的空燃比控制用程序的记录媒体中，经由电热器可以对上述O2传感器的元件部的温度进行控制的场合，上述空燃比控制用程序最好包含有：当该电热器的温度超过指定的上限温度时，使计算机执行切断该电热器的通电处理的程序。
根据这样，可以避免电热器若发生断线，内藏有该电热器的O2传感器元件部因过热被损伤的现象。
附图说明
图1是本发明第1实施例的装置的整体构成的流程图。
图2是图1中装置所具有的O2传感器的主要部分的构成模式图。
图3是O2传感器输出特性的曲线图。
图4催化转换器下游一侧的O2传感器的输出电压与通过催化转换器的排气的净化率之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面参照图1和图2以及前面提到的图3和图4，对本发明的第1实施例进行说明。图1是显示本实施例的空燃比控制装置的整体构成模式的流程图。在该图中，1是搭载在例如汽车或混合动力车上的发动机，由该发动机1使燃料及与空气的混合气燃烧所产生的排气经由从该发动机1的排气孔2所导出的排气管3(排气通路)被排向大气一侧。在排气管3上从上游依次安装有净化排气用的催化转换器4、5。各催化转换器4、5内置有例如是三元催化剂6。而且，催化转换器4、5整体构造(例如在上游和下游内置有由三元催化剂构成的催化剂床)。
在本实施例中，为确保特别是上游一侧的催化转换器4的良好的净化性能(净化催化转换器排出的CO、HC、NOx的性能)而对发动机1的排气的空燃比进行控制。而且，为进行该空燃比的控制，在催化转换器4的下游一侧(催化转换器5的上游一侧)设置有O2传感器7，在催化转换器4的上游一侧设置宽带空燃比传感器8。O2传感器7的详细构成将在后边说明，在此，O2传感器7相对于其元件部(感应部)所接触的排气(从催化转换器4通过了的排气)的空燃比以如上述图3所示的特性而产生输出电压Vout。而且，宽带空燃比传感器8是一产生与其元件部(感应部)所接触的排气(进入催化转换器4的排气)的空燃比成比例的输出电压的传感器。该宽带空燃比传感器8是例如本申请的申请人在特开平4-369471号公报上公开的空燃比传感器，它在大于O2传感器7的空燃比区域上产生与排气的空燃比成比例的输出电压KACT(以下称宽带空燃比传感器为LAF传感器)。
下面关于上述O2传感器7进行详细说明。O2传感器7的构造如图2所示，它具有以氧离子易通过的固体电解质，例如氧化锆(ZrO2+Y2O3)为主要材料的有底的筒状的元件部9，在该元件部9的外表面及内表面分别喷镀有多孔质的白金电极10、11。而且，在该元件部9的内部插设有为进行该元件部9的升温活性化或温度控制等作为电热器用的棒状陶瓷电热器12，同时，在陶瓷电热器12的周围空间填充有具有一定氧气浓度(一定的氧气压)的空气。另外，该O2传感器7以使其元件部9前端部的外表面与排气管3内的排气相接触的形式经由传感器外框13被安装在排气管3上。此外，在图2中，14是为防止异物等撞击到排气管3内的元件部9用的筒状护罩，排气管3内的元件部9经由护罩14上设置的多个通孔(图示略)与排气相接触。
根据该构造的O2传感器7，通过和元件部9的前端部外表面接触的排气中的氧气浓度与元件部9内部空气的氧气浓度之间的差，在上述白金电极10、11间产生对应于排气中氧气浓度的电动势，该电动势经由图中未示的增幅器作为输出电压被提取到外部。
另外，在本实施例中，在元件部9和陶瓷电热器12上安装有检测各自温度用的由温差电偶构成的温度传感器15、16。该温度传感器15、16经由图中未示的增幅器分别对与元件部9的温度对应的输出电压TO2及与陶瓷电热器12的温度对应的输出电压Tht进行输出。
如图1所示，本实施例的装置又具有利用微型计算机构成的控制单元17。上述LAF传感器8的输出电压KACT、O2传感器7的输出电压Vout、温度传感器15、16的输出电压TO2、Tht被输入到该控制单元17上。而且，控制单元17又具有作为其机能装置的空燃比控制装置18及传感器温度控制装置19。在此，空燃比控制装置18是利用LAF传感器8的输出电压KACT以及O2传感器7的输出电压Vout，维持、调整O2传感器7的输出电压Vout于预先设定的目标值Vop(一定值)而对排气的空燃比进行控制。
更加详细的是，该空燃比控制装置18如本申请的申请人在例如特开平11-324767号公报上所公开的说明书中[0071]至[0362]处或者美国专利6188953号的第9栏第39行至第44栏第39行所记载的那样，进行空燃比控制，以下对其概要进行简略说明。即，空燃比控制装置18将发动机1排气系统中的包含有LAF传感器8和O2传感器中间的催化转换器4的排气系统E作为输入LAF传感器8的输出电压KACT、及输出O2传感器7的输出电压Vout的控制对象，为使得作为该排气系统E的输出的O2传感器7输出电压Vout接近上述目标值Vop，通过自适应滑动式控制的处理，对所需要该排气系统E的输入目标的目标空燃比(LAF传感器8所检测出的排气的空燃比的目标值)进行逐次求解。而且，空燃比控制装置18通过使LAF传感器8所检测出的排气的空燃比接近该目标空燃比而进行的自适应控制的处理，即PID控制的处理，生成一个调整发动机1的燃料供给量(或者说在发动机1中燃烧的混合气的空燃比)的燃料指令，从而对应其指令对发动机1的燃料供给量进行调整。
在这种场合下，空燃比控制装置18在进行上述目标空燃比的计算处理中，为了弥补在LAF传感器8的输出电压KACT(排气系统E的输入)与O2传感器7的输出电压Vout(排气系统E的输出)之间，以及目标空燃比与LAF传感器8所检测出的排气的空燃比之间存在的滞后时间的影响，而将这些滞后时间汇总，并对总计滞后时间后的O2传感器7的输出电压Vout的推定值进行逐次求解。而且，空燃比控制装置18通过进行的自适应滑动式控制处理而使该推定值靠近目标值Vop(最终是使O2传感器7的输出电压Vout靠近目标值Vop)，对上述目标空燃比进行求解。另外，为了弥补排气系统E的动态特性变化等的影响，空燃比控制装置18使采用在自适应滑动式控制的处理和总计滞后时间后的O2传感器7的输出电压Vout的推定值求解处理中的排气系统E的模式参数逐次设定。
另外，在本实施例中，例如在该O2传感器7元件部9的温度为800°的场合下，O2传感器7的输出电压Vout的目标值Vop是使催化转换器4所排出的CO、HC、NOx中任何一个的净化率都处于良好状态的值，即是上述图4所示的Vop(800°)。
上述传感器温度控制装置19原则上是以使由O2传感器7的温度传感器16的输出电压VO2来反映的元件部9的温度达到与本实施例中O2传感器7的输出电压Vout的目标值Vop相对应的元件部9的温度--800°而对上述陶瓷电热器12进行通电控制的装置。在这种场合，陶瓷电热器12通过脉冲电压被通电控制，传感器温度控制装置19通过调整该脉冲电压的占空DUT，而对供给陶瓷电热器12的供电量或者说该陶瓷电热器12的发热量进行调整。而且，传感器温度控制装置19为使由O2传感器7的温度传感器16的输出电压TO2来反映的元件部9的温度接近其目标值的800°，通过反馈控制处理，逐次决定上述脉冲电压的占空DUT，用其占空DUT的脉冲电压向陶瓷电热器12通电。
另外，控制单元17具有作为本发明记录媒体的ROM(图示略)，而该ROM预先存储了使微型计算计执行上述空燃比控制装置18及传感器温度控制装置19的处理程序。
下面关于本实施例的装置的全部动作进行说明。如前所述，在发动机1工作时(不过，是在LAF传感器8和O2传感器7的活性化后)，控制单元17通过空燃比控制装置18对排气的空燃比进行控制而将O2传感器7的输出电压Vout维持在目标值Vop(800°)。而且，与此同时，如前所述，控制单元17通过传感器温度控制装置19为使由O2传感器7的温度传感器16的输出电压T02来反映的元件部9的温度靠近为其目标值的800°，而向陶瓷电热器12通电。
此时，通过对陶瓷电热器土2进行上述的通电控制，O2传感器7的元件部9的温度也就被保持在800°。由此，O2传感器7的输出特性即被维持在上述图3中实曲线a的特性上，O2传感器7的输出电压Vout的目标值Vop(800°)也就总是位于上述曲线转折部e4上。因此，与该目标值Vop(800°)附近的排气的空燃比的变化相对应的O2传感器7的输出电压Vout的变化(灵敏度)既不过大也不过小，而是恰到好处。由此，为能稳定且高精度地将O2传感器7的输出电压Vout维持在目标值Vop(800°)，通过空燃比控制装置18可以对空燃比进行控制。这样，可以确实且稳定地保持催化转换器4的净化性能处于良好状态。
另外，在特别是O2传感器7的输出电压Vout维持在目标值Vop(800°)附近的状态，排气的空燃比朝贫燃(Lean)一侧变化时，一般情况下，NOx较容易增加。然而，像这种排气的空燃比朝贫燃一侧变化的场合，由于输出电压Vout接近O2传感器7的输出特性上的具有大斜率的部分e1(参照图3)，该输出电压Vout的变化较大，因此，为使输出电压Vout迅速返回目标值Vop(800°)一侧，可通过空燃比控制装置18对排气的空燃比进行控制。这样，也就可以迅速抑制NOx的增加。
此外，在本实施例中，传感器温度控制装置19不仅进行如上所述的陶瓷电热器12的通电控制，而且还进行以下的控制。即，如发动机1处于低温状态而起动时那样，若在排气管或O2传感器7处于低温状态下急速加热O2传感器7，则有因吸附在O2传感器7的元件部9上的排气中的水分等的影响，该元件部9因热对应力等而损坏的可能。因此，在本实施例中，传感器温度控制装置19在发动机1起动后，一直到到达指定时间为止(吸附在O2传感器7的元件部9上的水分达到被蒸发的温度所经过的时间为止)内，将元件部9的温度的目标值设定在低于800°的温度，例如为600°，然后再对陶瓷电热器12进行通电控制。由此，可以避免发动机1起动后，O2传感器7的元件部9被急速加热的现象，并可以防止该元件部9的破损。而且，在该场合下的元件部9的温度目标值既防止元件部9的破损，又迅速使元件部9活性化，以大约600°左右为最适宜。
另外，陶瓷电热器12的温度一旦过高，该陶瓷电热器12有可能产生断线的现象。因此，在本实施例中，传感器温度控制装置19在由上述温度传感器15的输出电压Tht来反映的陶瓷电热器12的温度上升到指定的上限温度(例如：930°)时，切断对该陶瓷电热器12的通电。由此，可以防止陶瓷电热器12的断线现象。
下面对本发明的第2实施例进行说明。虽然在上述第1实施例中，O2传感器7的元件部9的温度是通过温度传感器16进行检测的，但是，在本实施例中，元件部9的温度是推定的。
在这种场合下，元件部9的温度的推定值TO2_hat通常是一阶滞后且几乎等于从发动机1的排气孔2导入到排气管3的排气的温度，例如，可根据下式(1)逐次算出。
TO2_hat(k)＝(1-Ktex)·TO2_hat(k-1)
            +Ktex·Texg_MAP(NE(k)，PB(k))    (1)
在此，式(1)中的‘k’表示传感器温度控制装置19的控制周期的序号，Texg_MAP(NE(k)，PB(k))作为发动机1排气的温度，是通过事先设定的图表由发动机1的转数NE和吸气压(吸气管内的绝对压)PB而求得的温度。而且，‘Ktex’是事先确定的常数。另外，在该场合下，元件部9的温度的推定值TO2_hat的初始值是利用数据图表等由例如由发动机1起动时的装置温度求得的。
另外，传感器温度控制装置19为了使在其每一控制周期通过上式(1)求得的元件部9的温度的推定值TO2-hat接近800°(其中在发动机1起动后的指定时间内是600°)，而对通向上述陶瓷电热器12的脉冲电压的占空DUT进行逐次确定，并且对应于所确定的DUT对陶瓷电热器12进行通电控制。即，在本实施例中，代替在上述第1实施例中为进行陶瓷电热器12的通电控制而使用的温度传感器16的输出电压TO2(元件部9的温度的测出值)而改用推定值TO2_hat。
本实施例也可以得到与上述第1实施例同样的效果。而且，在这种场合下，因省略了检测元件部9温度的温度传感器16，又可以削减经费。

Claims (18)

1.一种O2传感器，其配置于内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧，该O2传感器产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压，该氧气浓度反映出排气的空燃比，同时其特性曲线伴随该空燃比向富燃一侧变化，具有由该空燃比相对应的输出电压由大斜率向小斜率转变的曲线转折部，为了确保所需的上述催化转换器的净化性能，采用对上述内燃机供给至催化转换器的排气的空燃比进行控制的系统，以使该O2传感器的输出电压维持于指定的目标值，该传感器的特征在于具有：使上述曲线转折部处的输出电压大致等同于上述目标值的输出特性。
2.如权利要求1所述的O2传感器，其特征在于：上述输出特性通过维持O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制来实现。
3.如权利要求2所述的O2传感器，其特征在于：上述指定温度至少是750°以上的温度。
4.一种空燃比控制装置，在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压的O2传感器，为了确保所需的上述催化转换器的净化性能，对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制而使该O2传感器的输出电压维持于指定的目标值的空燃比控制装置，其特征在于具有：为维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的温度控制装置。
5.如权利要求4所述的空燃比控制装置，其特征在于：上述指定温度至少是750°以上的温度。
6.如权利要求4或5所述的空燃比控制装置，其中的上述O2传感器是具有传感器，该传感器的特性曲线具有与由排气中氧气浓度所反映的排气的空燃比相对应的输出电压所发生变化的斜率伴随该空燃比向富燃一侧变化，而由大斜率向小斜率转变的曲线转折部；该空燃比控制装置的特征在于：通过确定上述指定温度，在维持上述O2传感器元件部温度于该温度时，使上述曲线转折部处的输出电压大致等同于上述目标值。
7.如权利要求4所述的空燃比控制装置，其特征在于：在上述内燃机起动后的指定时间内，上述传感器温度控制装置的上述O2传感器的温度进行控制使其在低于上述指定温度。
8.如权利要求4所述的空燃比控制装置，其特征在于：上述传感器温度控制装置经由电热器对上述O2传感器的元件部的温度进行控制，当该电热器的温度超过指定的上限温度时，切断该电热器的通电。
9.一种空燃比控制方法，在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有O2传感器，该O2传感器能产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压，为了确保所需的上述催化转换器的净化性能，而对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制，以使该O2传感器的输出电压维持于指定的目标值，其特征在于：在控制上述排气的空燃比时，具有为维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的工序。
10.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于：上述指定温度至少是750°以上的温度。
11.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于：其中的上述O2传感器的特性曲线具有伴随排气中氧气浓度所反映出的空燃比向富燃一侧变化，该排气空燃比相对应的输出电压的斜率由大斜率向小斜率转变的曲线转折部，上述指定温度是已决定的温度，在维持上述O2传感器元件部，温度于其温度时，为使上述曲线转折部处的输出电压大致等同于上述目标值。
12.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于，具有：上述内燃机起动后，到指定时间内，将上述O2传感器的温度控制在低于上述指定温度的工序。
13.如权利要求9所述的空燃比控制方法，其特征在于：具有：上述O2传感器的元件部的温度可经由电热器进行控制，当该电热器的温度超过指定的上限温度时，对该电热器的通电进行切断的工序。
14.一种空燃比控制用程序的记录媒体，对于在内燃机排气通路上设置的催化转换器的下游一侧配置有产生与排气中氧气浓度相对应的输出电压的O2传感器的系统，为了确保上述所需的催化转换器的净化性能，维持该O2传感器的输出电压于指定的目标值而对上述内燃机供给催化转换器的排气的空燃比进行控制，而对驱使计算机实行该控制处理的空燃比控制用的程序进行记忆保存的计算机读取可能的记录媒体，其特征在于：上述空燃比控制用的程序包含有：在控制上述排气空燃比时，维持上述O2传感器元件部的温度于指定温度而对该元件部的温度进行控制的处理，驱使上述计算机实行该处理的程序。
15.如权利要求1 4所述的空燃比控制用程序的记录媒体，其特征在于：上述指定温度至少是750°以上的温度。
16.如权利要求14所述的空燃比控制用程序的记录媒体，其中的上述O2传感器是具有：与反映排气中氧气浓度的排气的空燃比相对应的输出电压所发生变化的斜率伴随该空燃比向富燃一侧变化，而由大斜率向小斜率转变的曲线转折部的传感器，，该空燃比控制用程序的记录媒体的特征在于：上述指定温度是已决定的温度，在维持上述O2传感器元件部温度于其温度时，为使上述曲线转折部处的输出电压大致等同于上述目标值。
17.如权利要求14所述的空燃比控制用程序的记录媒体，其特征在于：包含有上述内燃机起动后的指定时间内，驱使计算机实行控制上述O2传感器的温度低于上述指定温度的处理的程序。
18.如权利要求14所述的空燃比控制用程序的记录媒体，其特征在于：通过电热器可以对上述O2传感器的元件部的温度进行控制，上述空燃比控制用程序包含有当该电热器的温度超过指定的上限温度时，驱使计算机实行切断该电热器的通电处理的程序。
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