СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONTROL SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к системе управления двигателем внутреннего сгорания, которая управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным сигналом датчика воздушно-топливного отношения.
Предшествующий уровень техники
[0002] Ранее была широко известна система управления двигателем внутреннего сгорания, оснащенная датчиком воздушно-топливного отношения в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, и управляющая количеством подаваемого в двигатель внутреннего сгорания топлива, на основе выходного сигнала этого датчика воздушно-топливного отношения. Кроме того, датчик воздушно-топливного отношения, который использован в данной системе управления, также широко известен (см., например, ссылки на патентные публикации 1-6).
[0003] Такие датчики воздушно-топливного отношения могут быть приблизительно разделены на датчики воздушно-топливного отношения одноячейного типа (например, ссылки 2 и 4) и датчики воздушно-топливного отношения двухячейного типа (например, ссылки 1, 3, и 5). В датчике воздушно-топливного отношения одноячейного типа имеется только одна ячейка, образованная слоем из твердого электролита, через который могут проходить ионы кислорода, и двумя электродами, расположенными на обеих боковых поверхностях данного слоя. Один из электродов при этом открыт воздействию атмосферы, тогда как другой электрод открыт воздействию выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой. В выполненном таким образом датчике воздушно-топливного отношения одноячейного типа, напряжение подается на два электрода, которые расположены на обеих боковых поверхностях слоя из твердого электролита. Вместе с тем, между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита возникает движение ионов кислорода в соответствии с отношением концентраций кислорода между этими боковыми поверхностями. Путем определения тока, генерируемого этим движением ионов кислорода, определяют воздушно-топливное отношение в выхлопном газе (ниже именуемое также «воздушно-топливным отношением выхлопного газа») (например, ссылка 2).
[0004] С другой стороны, в датчике воздушно-топливного отношения двухячейного типа, имеются две ячейки, каждая из которых образована слоем из твердого электролита, через который могут проходить ионы кислорода, и двумя электродами, расположенными на обеих боковых поверхностях слоя. Одна ячейка из них (эталонная ячейка) выполнена таким образом, что определяемое напряжение (электродвижущая сила) меняется в соответствии с концентрацией кислорода в выхлопном газе, находящимся в измерительной газовой камере. Далее, другая ячейка (насосная ячейка) накачивает кислород и выкачивает его по отношению к выхлопному газу, находящемуся в измерительной газовой камере, в соответствии с насосным током. В частности, насосный ток насосной ячейки устанавливается так, чтобы накачивать кислород и откачивать кислород таким образом, чтобы приводить определяемое напряжение, которое определяется в эталонной ячейке, в соответствие с целевой величиной напряжения. Путем определения этого насосного тока, определяют воздушно-топливное отношение выхлопного газа.
Указатель ссылок
Патентная литература
[0005] PLT 1: Публикация японской патентной заявки No. 2002-357589А
PLT 2: Публикация японской патентной заявки No. 2005-351096А
PLT 3: Публикация японской патентной заявки No. 2004-258043А
PLT 4: Публикация японской патентной заявки No. 2000-536618А
PLT 5: Публикация японской патентной заявки No. Н4-204370А
PLT 6: Публикация японской патентной заявки No. S58-153155А
Сущность изобретения
Техническая задача
[0006] Продолжая сказанное выше, будет проведено сравнение одноячейного датчика воздушно-топливного отношения и двухячейного датчика воздушно-топливного отношения. В каждом датчике воздушно-топливного отношения, слой из твердого электролита напрямую или не напрямую открыт воздействию выхлопного газа, и поэтому старение вызывает изменение внутреннего сопротивления слоя из твердого электролита. Кроме того, внутреннее сопротивление слоя из твердого электролита колеблется из-за температуры, и потому, когда температура слоя из твердого электролита не является точно контролируемой, внутреннее сопротивление слоя из твердого электролита также меняется.
[0007] В одноячейном датчике воздушно-топливного отношения, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа одинаково, при изменении внутреннего сопротивления слоя из твердого электролита его выходной ток меняется. Поэтому, если не выполнять контроль температуры с высокой точностью, точность определения воздушно-топливного отношения падает. Более того, даже осуществляя контроль температуры с высокой точностью, старение становится причиной падения точности определения воздушно-топливного отношения. Напротив, в насосной ячейке двухячейного датчика воздушно-топливного отношения, взаимосвязь между насосным током и расходом кислорода, закаченного или выкаченного изнутри измерительной газовой камеры, будет оставаться постоянной, даже если внутреннее сопротивление меняется. Поэтому в насосной ячейке отсутствует воздействие на выходной сигнал, даже если внутреннее сопротивление меняется. Кроме того, в эталонной ячейке определяется только электродвижущая сила, которая не меняется из-за внутреннего сопротивления, и поэтому воздействие на выходной сигнал отсутствует, даже если внутреннее сопротивление меняется. Поэтому в двухячейном датчике воздушно-топливного отношения по сравнению с одноячейным датчиком воздушно-топливного отношения, даже если старение или плохой контроль температуры приводит к изменению внутреннего сопротивления, воздушно-топливное отношение может быть определено с высокой точностью.
[0008] Фиг. 2 представляет собой вид, на котором показаны выходные характеристики в двухячейном датчике воздушно-топливного отношения и одноячейном датчике воздушно-топливного отношения. На фиг. 2(B) показана взаимосвязь между напряжением Vr, подаваемым на электроды, которые образуют ячейку, и выходным током Ir в одноячейном датчике воздушно-топливного отношения. Как понятно из фиг. 2(B), область напряжения, в которой генерируется предельный ток (выходной ток, даже при изменении поданного напряжения, практически не меняется совсем), меняется в зависимости от воздушно-топливного отношения выхлопного газа. Поэтому, если сделать поданное напряжение постоянным (например, одноточечная пунктирная линия на фигуре), диапазон определяемого воздушно-топливного отношения будет ограничен. С другой стороны, чтобы определить воздушно-топливное отношение в широком диапазоне, необходимо изменить поданное напряжение в соответствии с выходным током (например, двухточечная пунктирная линией на фигуре). Однако такое управление является сложным и, кроме того, необходимо заранее для каждого датчика измерять область напряжения, в которой генерируется предельный ток.
[0009] С другой стороны, на фиг. 2(A) показана взаимосвязь между целевой величиной напряжения Vt при установке насосного тока, и насосным током (выходным током) Ip в двухячейном датчике воздушно-топливного отношения. Как понятно из фиг. 2(A), область напряжения, в которой генерируется предельный ток, является, по существу, постоянной независимо от воздушно-топливного отношения выхлопного газа. Поэтому, если делать целевую величину напряжения постоянной, можно определить воздушно-топливное отношение в широком диапазоне. Таким образом, в соответствии с двухячейным типом датчика воздушно-топливного отношения, воздушно-топливное отношение может быть определено в более широком диапазоне, по сравнению с одноячейным датчиком воздушно-топливного отношения.
[0010] С другой стороны, в двухячейном датчике воздушно-топливного отношения использована эталонная ячейка, в которой генерируется электродвижущая сила в зависимости от отношения концентрации кислорода в выхлопном газе в измерительной газовой камере и концентрации кислорода в атмосфере. В такой эталонной ячейке взаимосвязь между воздушно-топливным отношением и выходным напряжением меняется, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа меняется от богатого к бедному, и когда оно меняется от бедного к богатому.
[0011] Фиг. 3 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между датчиком воздушно-топливного отношения и определяемым напряжением (электродвижущей силой) в эталонной ячейке. Как показано на фиг. 3 сплошной линией «богатое→бедное», при изменении воздушно-топливного отношения из состояния богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (ниже именуемого также «богатым воздушно-топливным отношением», т.е. соответствующим богатой воздушно-топливной смеси и имеющим численное значение ниже численного значения стехиометрического воздушно-топливного отношения) в состояние, которое беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (ниже именуемого также «бедным воздушно-топливным отношением» т.е. соответствующим бедной воздушно-топливной смеси и имеющим численное значение выше численного значения стехиометрического воздушно-топливного отношения), даже когда фактическое воздушно-топливное отношение становится бедным воздушно-топливным отношением, на некоторое время электродвижущая сила поддерживает высокое значение. С другой стороны, как показано на фиг. 3 сплошной линией «бедное→богатое», при изменении воздушно-топливного отношения из бедного воздушно-топливного отношения в богатое воздушно-топливное отношение, даже когда фактическое воздушно-топливное отношение становится богатым воздушно-топливным отношением, на некоторое время электродвижущая сила поддерживает низкое значение. Таким образом, эталонная ячейка имеет гистерезис в соответствии с направлением изменения воздушно-топливного отношения. Эталонная ячейка имеет такой гистерезис, поскольку способность к вступлению в реакцию несгоревшего газа или кислорода на электродах является низкой, и поскольку изменение электродвижущей силы фактически задерживается при следовании за воздушно-топливным отношением.
[0012] В результате наличия такого гистерезиса в эталонной ячейке, как показано на фиг. 4, выходной ток (насосный ток) двухячейного датчика воздушно-топливного отношения при одинаковом воздушно-топливном отношении приобретает различные величины, находящиеся между величиной, когда воздушно-топливное отношение меняется в богатом направлении (то есть, когда оно меняется от относительно бедного состояния в богатое состояние), и величиной, когда воздушно-топливное отношение меняется в бедном направлении (то есть, когда оно меняется от относительно богатого состояния в бедное состояние).
2
X
2
[0013] Далее, сплошными линиями на фиг. 3 показан случай, когда составляющими, содержащимися в выхлопном газе, являются СО и NO, тогда как прерывистыми линиями показан случай, когда составляющими, содержащимися в выхлопном газе, являются СО и O. Как понятно из фиг. 3, сплошные линии и прерывистые линии отклоняются друг от друга. Можно сказать, что в эталонной ячейке взаимосвязь между воздушно-топливным отношением и электродвижущей силой меняется в зависимости от составляющих, содержащихся в выхлопном газе. Таким образом, взаимосвязь между воздушно-топливным отношением и электродвижущей силой меняется в зависимости от набора составляющих, содержащихся в выхлопном газе (СО, НС, NO, O, и т.д.), поскольку способность вступать в реакцию на электродах эталонной ячейки различна для каждой составляющей в выхлопном газе, и в результате чувствительность различается для каждой составляющей в выхлопном газе. В результате, в двухячейном датчике воздушно-топливного отношения, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа одинаковое, иногда выходной ток (насосный ток) меняется в зависимости от набора составляющих, присутствующих в выхлопном газе.
[0014] Поэтому, при рассмотрении вышеуказанных проблем целью настоящего изобретения является создание датчика воздушно-топливного отношения, преодолевающего недостатки как обычного одноячейного датчика воздушно-топливного отношения, так и двухячейного датчика воздушно-топливного отношения.
Решение задачи
[0015] Для решения описанной выше проблемы согласно первому объекту изобретения предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащая датчик воздушно-топливного отношения, расположенный в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания; и устройство управления двигателем, которое управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным током датчика воздушно-топливного отношения, в которой датчик воздушно-топливного отношения содержит измерительную газовую камеру, в которую течет выхлопной газ, для которого должно быть определено воздушно-топливное отношение; насосную ячейку, которая закачивает кислород и откачивает кислород из выхлопного газа в измерительной газовой камере в соответствии с насосным током; а также эталонную ячейку с определяемым эталонным выходным током, который меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением в измерительной газовой камере, эталонная ячейка содержит первый электрод, который подвергается воздействию выхлопного газа внутри измерительной газовой камеры; второй электрод, открытый воздействию эталонной атмосферы; а также слой из твердого электролита, расположенный между первым электродом и вторым электродом, причем датчик воздушно-топливного отношения содержит устройство подачи эталонного напряжения, которое подает напряжение датчика между первым электродом и вторым электродом эталонной ячейки; устройство определения эталонного выходного тока, которое определяет ток, который течет между первым электродом и вторым электродом эталонной ячейки, в качестве эталонного выходного тока; устройство управления насосным током, которое управляет насосным током, который течет в насосной ячейке, таким образом, чтобы эталонный выходной ток, который определяется устройством определения эталонного выходного тока, становится значением целевого тока; и устройство определения насосного тока, которое определяет насосный ток в качестве выходного тока датчика, при этом целевой ток в устройстве определения насосного тока равен нулю.
[0016] Согласно второму объекту изобретения, имеется первый объект изобретения, в котором датчик воздушно-топливного отношения дополнительно содержит диффузионный регулирующий слой, и диффузионный регулирующий слой выполнен так, что первый электрод эталонной ячейки подвергается воздействию выхлопного газа внутри измерительной газовой камеры через диффузионный регулирующий слой.
[0017] Согласно третьему объекту изобретения, имеются первый или второй объекты изобретения, в которых датчик воздушно-топливного отношения дополнительно содержит камеру атмосферного воздуха, в которой открыт воздействию второй электрод, причем эталонная атмосфера представляет собой атмосферный воздух, а указанная камера атмосферного воздуха выполнена так, что атмосферный воздух может быть введен внутрь.
[0018] Согласно четвертому объекту изобретения, имеются объекты изобретения с первого по третий, в которых насосная ячейка содержит третий электрод, который подвергается воздействию выхлопного газа в измерительной газовой камере; четвертый электрод, который подвергается воздействию выхлопного газа вокруг датчика воздушно-топливного отношения; и слой из твердого электролита, расположенный между третьим электродом и четвертым электродом, и устройство управления насосным током управляет насосным ток, который течет через третий электрод и четвертый электроды через слой из твердого электролита насосной ячейки.
[0019] Согласно пятому объекту изобретения, имеются объекты изобретения с первого по четвертый, в которых эталонная ячейка выполнена так, что подаваемое напряжение датчика, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа в измерительной газовой камере, и при повышении подаваемого напряжения датчика в эталонной ячейке, когда выхлопной газ имеет стехиометрическое воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток увеличивается вместе с ним, и подаваемое напряжение датчика в эталонной ячейке зафиксировано на постоянном напряжении, и постоянное напряжение представляет собой напряжение, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере является стехиометрическим воздушно-топливным отношением.
[0020] Согласно шестому объекту изобретения, имеется пятый объект изобретения, в котором двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит катализатор очистки выхлопного газа, который расположен на впускной стороне выпускного канала по направлению потока выхлопного газа относительно датчика воздушно-топливного отношения, и который может накапливать кислород, и устройство управления двигателем содержит средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится равным богатой заданной эталонной величине, соответствующей богатому заданному воздушно-топливному отношению, которое меньше, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не станет заданным количеством накопления, которое меньше, чем максимальное количество накопленного кислорода; и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа становится заданным количеством накопления или более, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля, не достигая максимального количества накопленного кислорода.
[0021] Согласно седьмому объекту изобретения, имеются объекты изобретения с первого по четвертый, в которых эталонная ячейка выполнена так, что подаваемое напряжение датчика, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа в измерительной газовой камере, и при увеличении подаваемого напряжения датчика в эталонной ячейке, когда выхлопной газ имеет стехиометрическое воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток увеличивается вместе с ним, и подаваемое напряжение датчика в эталонной ячейке зафиксировано на постоянном напряжении, и постоянное напряжение представляет собой напряжение, отличное от напряжения, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, и является напряжением, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой воздушно-топливное отношение, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения.
[0022] Согласно восьмому объекту изобретения, имеется седьмой объект изобретения, в котором эталонная ячейка выполнена так, чтобы иметь область предельного тока в области напряжения, где эталонный выходной ток становится предельным током для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа; и постоянное напряжение представляет собой напряжение в области предельного тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.
[0023] Согласно девятому объекту изобретения, имеется седьмой или восьмой объект изобретения, в котором двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит катализатор очистки выхлопного газа, который расположен на впускной стороне выпускного канала по направлению потока выхлопного газа относительно датчика воздушно-топливного отношения, и который может накапливать кислород, и постоянное напряжение представляет собой напряжение, при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является заранее определенным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.
[0024] Согласно 10-му объекту изобретения, имеется девятый объект изобретения, в котором устройство управления двигателем содержит средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится равным нулю или менее, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не станет заданным количеством накопления, которое меньше, чем максимальное количество накопленного кислорода; и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа становится заданным количеством накопления или более, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля, не достигая максимального количества накопленного кислорода.
Предпочтительные результаты изобретения
[0025] Согласно настоящему изобретению, датчик воздушно-топливного отношения преодолевает недостатки как обычного одноячейного датчика воздушно-топливного отношения, так и двухячейного датчика воздушно-топливного отношения.
Краткое описание чертежей
[0026] Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использована система управления согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 представляет собой вид, на котором показаны выходные характеристики двухячейного датчика воздушно-топливного отношения и одноячейного датчика воздушно-топливного отношения.
Фиг. 3 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением и определяемым напряжением (электродвижущей силой) в обычной эталонной ячейке.
Фиг. 4 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением и выходным током датчика в обычном двухячейном датчике воздушно-топливного отношения.
Фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе датчика воздушно-топливного отношения.
Фиг. 6 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчика воздушно-топливного отношения.
Фиг. 7 представляет собой вид, на котором показана выходная характеристика датчика воздушно-топливного отношения.
Фиг. 8 представляет собой вид, на котором схематически показана работа эталонной ячейки.
Фиг. 9 представляет собой вид, на котором показана выходная характеристика эталонной ячейки.
Фиг. 10 представляет собой вид, на котором показан пример особой цепи, которая образует устройство подачи напряжения эталонной ячейки и устройство определения выходного тока эталонной ячейки.
Фиг. 11 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа с впускной стороны, и т.д.
Фиг. 12 представляет собой вид, на котором показаны функциональные блоки в системе управления согласно настоящему изобретению.
Фиг. 13 представляет собой диаграмму, на которой показан порядок управления для расчета величины коррекции воздушно-топливного отношения.
Фиг. 14 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между поданным напряжением датчика и выходным током эталонной ячейки в эталонной ячейке.
Фиг. 15 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током эталонной ячейки.
Фиг. 16 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током эталонной ячейки в эталонной ячейке датчика воздушно-топливного отношения.
Фиг. 17 представляет собой вид, сходный с фиг. 11, на котором показана временная диаграмма количества накопленного кислорода OSAsc катализатора очистки выхлопных газов с впускной стороны 20, и т.д.
Фиг. 18 представляет собой вид в разрезе, сходный с фиг. 5, на котором схематически показана конфигурация датчика воздушно-топливного отношения третьего варианта осуществления.
Описание вариантов осуществления
[0027] Ниже, со ссылкой на чертежи, система управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению будет пояснена подробно. Следует отметить, что в последующем описании, одинаковые компонентные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использована система управления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0028] Описание двигателя внутреннего сгорания в целом
Как видно на фиг. 1, позицией 1 обозначен корпус двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри блока цилиндров 2, 4 - головка блока цилиндров, закрепленная на блоке цилиндров 2, 5 - камера сгорания, образованную между поршнем 3 и головкой 4 блока цилиндров, 6 - впускной клапан, 7 - впускной проход, 8 - выпускной клапан, и 9 - выпускной проход. Впускной клапан 6 открывает и закрывает впускной проход 7, тогда как выпускной клапан 8 открывает и закрывает выпускной проход 9.
[0029] Как показано на фиг. 1, свеча зажигания 10 расположена в центральной части поверхности внутренней стенки головки 4 блока цилиндров, тогда как топливный инжектор 11 расположен на боковой части поверхности внутренней стенки головки 4 блока цилиндров. Свеча зажигания 10 выполнена с возможностью генерирования искры в соответствии с сигналом зажигания. Далее, топливный инжектор 11 впрыскивает заданное количество топлива в камеру сгорания 5 в соответствии с сигналом впрыска. Следует отметить, что топливный инжектор 11 может также быть расположен так, чтобы впрыскивать топливо во впускной проход 7. Кроме того, в настоящем варианте осуществления, в качестве топлива использован бензин с стехиометрическим воздушно-топливным отношением 14,6 на катализаторе очистки выхлопного газа. Тем не менее, двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению может также использовать другое топливо.
[0030] Впускной проход 7 каждого цилиндра соединен с уравнительным ресивером 14 через соответствующую впускную ответвительную трубку 13, тогда как уравнительный ресивер 14 соединен с очистителем воздуха 16 через впускной трубопровод 15. Впускной проход 7, впускная ответвительная трубка 13, уравнительный ресивер 14, и впускной трубопровод 15 образуют впускной канал. Далее, внутри впускного трубопровода 15 расположен дроссельный клапан 18, который приводится в действие приводом 17 дроссельного клапана. Дроссельный клапан 18 может быть приведен в действие приводом 17 дроссельного клапана, что ведет к изменению проходного сечения впускного канала.
[0031] С другой стороны, выпускной проход 9 каждого цилиндра соединен с выпускным коллектором 19. Выпускной коллектор 19 имеет множество ответвительных трубок, которые соединены с выпускным проходом 9 и трубопроводом, на котором собираются все ответвительные трубки. Трубопровод выпускного коллектора 19 соединен с корпусом 21 с впускной стороны, который вмещает в себя катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Корпус 21 с впускной стороны соединен через выхлопную трубку 22 с корпусом 23 с выпускной стороны, который вмещает в себя катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Выпускной проход 9, выпускной коллектор 19, корпус 21 с впускной стороны, выхлопная трубка 22, и корпус 23 с выпускной стороны образуют выпускной канал.
[0032] Электронный блок управления (ЭБУ) 31 представляет собой цифровой компьютер, который оснащен компонентами, соединенными вместе посредством двунаправленной шины 32, такими как ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 33, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) 34, МПЦ (микропроцессор) 35, входной порт 36, и выходной порт 37. Во впускном трубопроводе 15 установлен расходомер 39 для определения расхода воздуха, протекающего через впускной трубопровод 15. Выходной сигнал расходомера 39 подается через соответствующий аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 38 на входной порт 36. Кроме того, на трубопроводе выпускного коллектора 19 имеется датчик 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, который определяет воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, протекающем внутри выпускного коллектора 19 (то есть, выхлопном газе, направляющемся в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны). Дополнительно в выхлопной трубке 22 расположен датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, который определяет воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, протекающем внутри выхлопной трубки 22 (то есть, выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны и направляющегося в катализатор 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны). Выходные сигналы датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения также поступают через соответствующие АЦП 38 на входной порт 36. Следует отметить, что конфигурации датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения будут пояснены ниже.
[0033] Далее, педаль 42 акселератора имеет соединенный с ней датчик 43 нагрузки, который генерирует выходное напряжение, пропорциональное усилию нажатия на педаль 42 акселератора. Выходное напряжение датчика 43 нагрузки подается на входной порт 36 через соответствующий АЦП 38. Датчик 44 угла поворота коленчатого вала генерирует выходной импульс каждый раз, когда, например, коленчатый вал поворачивается на 15 градусов. Этот выходной импульс подается на входной порт 36. МПЦ 35 вычисляет частоту вращения двигателя, исходя из выходного импульса датчика 44 угла поворота коленчатого вала. С другой стороны, выходной порт 37 соединен через соответствующие приводные цепи 45 со свечами зажигания 10, топливными инжекторами 11, и приводом 17 дроссельного клапана. Следует отметить, что ЭБУ 31 функционирует как система контроля двигателя для управления двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходными сигналами различных датчиков и т.д.
[0034] Конфигурация датчика воздушно-топливного отношения Далее со ссылкой на фиг. 5 будет пояснена конфигурация датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления. Фиг. 5 представляет собой схематический вид в разрезе датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения. Как будет понятно из фиг. 5, датчики 40 и 41 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления представляют собой двухячейные датчики воздушно-топливного отношения, каждый из которых включает слой из твердого электролита и пару электродов, образующих двойной блок.
[0035] Как показано на фиг. 5, каждый датчик 40, 41 воздушно-топливного отношения содержит измерительную газовую камеру 51, эталонную газовую камеру 52, и два слоя 53, 54 из твердого электролита, которые расположены на обеих сторонах измерительной газовой камеры 51. Эталонная газовая камера 52 расположена на противоположной стороне измерительной газовой камеры 51 через второй слой 54 из твердого электролита. На боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 51, расположен насосный электрод 55 стороны газовой камеры (третий электрод), тогда как на боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне выхлопного газа, расположен электрод 56 стороны выхлопа (четвертый электрод). Первый слой 53 из твердого электролита, насосный электрод 55 стороны газовой камеры, и электрод 56 стороны выхлопа образуют насосную ячейку 60.
[0036] С другой стороны, на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 51, расположен эталонный электрод 57 стороны газовой камеры (первый электрод), тогда как на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 52, расположен электрод 58 эталонной стороны (второй электрод). Эти второй слой 54 из твердого электролита, эталонный электрод 57 стороны газовой камеры, и электрод 58 эталонной стороны образуют эталонную ячейку 61.
[0037] Между двумя слоями 53 и 54 из твердого электролита расположен диффузионный регулирующий слой 63 так чтобы окружать насосный электрод 55 стороны газовой камеры (третий электрод) насосной ячейки 60 и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61. Вследствие этого, измерительная газовая камера 51 образована первым слоем 53 из твердого электролита, вторым слоем 54 из твердого электролита, и диффузионным регулирующим слоем 63. В измерительную газовую камеру 51, выхлопной газ протекает через диффузионный регулирующий слой 63. Соответственно, электроды, расположенные в измерительной газовой камере 51, то есть, насосный электрод 55 стороны газовой камеры насосной ячейки 60 и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61, открыты через диффузионный регулирующий слой 63 для выхлопного газа. Следует отметить, что диффузионный регулирующий слой 63 не обязательно должен располагаться так, чтобы выхлопной газ, протекающий в измерительную газовую камеру 51, мог пройти через диффузионный регулирующий слой 63. До тех пор, пока выхлопной газ, который достигает эталонного электрода 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61, представляет собой выхлопной газ, который проходит через диффузионный регулирующий слой, диффузионный регулирующий слой может быть расположен любым образом.
[0038] Далее, на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 52, нагревательная часть 64 расположена таким образом, чтобы окружать эталонную газовую камеру 52. Вследствие этого, эталонная газовая камера 52 образована вторым слоем 54 из твердого электролита и нагревательной частью 64. В эту эталонную газовую камеру 52 вводится эталонный газ. В настоящем варианте осуществления эталонная газовая камера 52 открыта атмосферному воздействию. Соответственно, внутрь эталонной газовой камеры 52 атмосферный воздух вводится в качестве эталонного газа.
[0039] Кроме того, нагревательная часть 64 оснащена множеством нагревателей 65. Эти нагреватели 65 могут быть использованы для управления температурой датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения, в частности, температурой слоев 53, 54 из твердого электролита. Нагревательная часть 65 имеет достаточную тепловыделяющую способность для нагрева слоев 53, 54 из твердого электролита до их активации. В дополнение, на боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне выхлопного газа расположен защитный слой 66. Защитный слой 66 образован из пористого материала так, чтобы предотвращалось прямое попадание содержащейся выхлопном газе жидкости, и т.д., на электрод 56 стороны выхлопа, тогда как выхлопной газ достигал бы электрода 56 стороны выхлопа.
2
2
2
2
3
3
2
3
[0040] Слои 53, 54 из твердого электролита образованы из спеченного ZrO (диоксида циркония), HfO, ThO, BiO или других оксидов, проводящих ионы кислорода, в который CaO, MgO, Y2O, YbO, и т.д., примешаны в качестве стабилизатора. Далее, диффузионный регулирующий слой 63 образован из пористого спеченного алюминия, магния, кремния, шпинели, муллита или других термостойких неорганических веществ. Кроме того, электроды 55-58 выполнены из платины или другого драгоценного металла с высокой каталитической активностью.
[0041] На эталонный электрод 57 стороны газовой камеры и электрод 58 эталонной стороны эталонной ячейки 61, напряжение датчика Vr подается устройством 70 подачи эталонного напряжения, установленным в ЭБУ 31. Кроме того, ЭБУ 31 оснащен устройством 71 определения эталонного выходного тока, которое определяет эталонный выходной ток Ir, протекающий через эти электроды 57, 58 через второй слой 54 из твердого электролита, когда устройство 70 подачи эталонного напряжения подает напряжение датчика Vr.
[0042] Кроме того, между насосным электродом 55 стороны газовой камеры и электродом 56 стороны выхлопа насосной ячейки 60, насосное напряжение Vp подается устройством 72 подачи насосного напряжения, которое установлено в ЭБУ 31. Насосное напряжение Vp, подаваемое устройством 72 подачи насосного напряжения, устанавливается в соответствии с эталонным выходным током Ir, определяемым устройством 71 определения эталонного выходного тока. Более конкретно, насосное напряжение Vp устанавливается в соответствии с разницей между эталонным выходным током Ir, определяемым устройством 71 определения эталонного выходного тока, и заданным целевым током (например, равным нулю). В дополнение, ЭБУ 31 оснащен устройством 73 определения насосного тока, которое определяет насосный ток Ip, протекающий через эти электроды 55 и 56 через первый слой 53 из твердого электролита, когда устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp.
[0043] Следует отметить, что если устройство 72 подачи насосного напряжения меняет насосное напряжение Vp, насосный ток Ip, протекающий через электроды 55, 56, меняется. Другими словами, устройство 72 подачи насосного напряжения, можно сказать, управляет насосным током Ip. Вследствие этого, устройство 72 подачи насосного напряжения действует как устройство управления насосным током, которое управляет насосным током Ip. Следует отметить, что насосный ток Ip, например, меняется при последовательной установке с устройством 72 подачи насосного напряжения переменного сопротивления и изменении этого переменного сопротивления. Поэтому в качестве устройства управления насосным током может быть использовано переменное сопротивление или иные средства, отличные от устройства 72 подачи насосного напряжения.
[0044] Работа датчика воздушно-топливного отношения
Далее со ссылкой на фиг. 6 будет пояснена базовая концепция работы выполненных таким образом датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Фиг. 6 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Во время эксплуатации каждый датчик 40, 41 воздушно-топливного отношения расположен так, чтобы защитный слой 66 и наружная окружная поверхность диффузионного регулирующего слоя 63 были открыты воздействию выхлопного газа. Кроме того, атмосферный воздух вводят в эталонную газовую камеру 52 датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения.
[0045] Вышеупомянутым образом, слои 53, 54 из твердого электролита образованы спеченным оксидом, проводящим ионы кислорода. Вследствие этого, он приобретает свойство генерации электродвижущей силы Е, которая заставляет ионы кислорода перемещаться со стороны боковой поверхности с высокой их концентрацией на сторону боковой поверхности с низкой их концентрацией, если разница возникает в концентрации кислорода между двумя боковыми поверхностями слоев 53, 54 из твердого электролита в состоянии, активированном высокой температурой (свойство кислородной ячейки).
[0046] Напротив, если разность потенциалов возникает между двумя боковыми поверхностями, слои 53, 54 из твердого электролита способны заставить ионы кислорода двигаться так, чтобы отношение концентраций кислорода, возникающее между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита, соответствовало разности потенциалов (свойство кислородного насоса). Более конкретно, когда разность потенциалов возникает между двумя боковыми поверхностями, вызванное этим движение ионов кислорода происходит так, что концентрация кислорода на боковой поверхности, которая имеет положительную полярность, становится больше концентрации кислорода на боковой поверхности, которая имеет отрицательную полярность, в соотношении согласно разности потенциалов.
[0047] Вследствие этого, в насосной ячейке 60, если устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp на насосный электрод 55 стороны газовой камеры и электрод 56 стороны выхлопа, возникает движение ионов кислорода, соответствующее этому. Вместе с таким движением ионов кислорода, кислород закачивается или выкачивается из выхлопного газа, находящегося в измерительной газовой камере 51.
[0048] С другой стороны, в эталонной ячейке 61 в настоящем варианте осуществления, благодаря объясненным выше свойствам второго слоя 54 из твердого электролита и посредством механизма, объясненного ниже, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 является стехиометрическим воздушно-топливным отношением эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится равным нулю. С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 является богатым воздушно-топливным отношением, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится отрицательным током, сила которого пропорциональна разнице богатого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения. Напротив, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере является бедным воздушно-топливным отношением, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится положительным током, сила которого пропорциональна разнице бедного воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения.
[0049] Когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 6(A), выхлопной газ, который имеет бедное воздушно-топливное отношение, протекает в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ с бедным воздушно-топливным отношением, содержащий соответствующее большое количество кислорода, протекает вовнутрь, посредством механизма объясненного ниже, положительный эталонный выходной ток будет протекать через электроды 57 и 58 эталонной ячейки 61 пропорционально разнице бедного воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения, и этот эталонный выходной ток будет определен устройством 71 определения эталонного выходного тока.
[0050] Если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет эталонный выходной ток, на основе этого тока, устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение на электроды 55 и 56 насосной ячейки 60. В частности, если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет положительный эталонный выходной ток, насосное напряжение подается с использованием электрода 56 стороны выхлопа в качестве положительного электрода и насосный электрод 55 стороны газовой камеры в качестве отрицательного электрода. Подавая насосное напряжение на электроды 55, 56 насосной ячейки 60 указанным образом, на первом слое из твердого электролита 53 насосной ячейки 60, движение ионов кислорода возникнет от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть, от насосного электрода 55 стороны газовой камеры к электроду 56 стороны выхлопа. По этой причине, кислород, содержащийся в измерительной газовой камере 51, выкачивается в выхлопной газ вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения.
[0051] Расход кислорода, выкачиваемого изнутри каждой измерительной газовой камеры 51 в выхлопной газ вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения, пропорционален насосному напряжению. Кроме того, насосное напряжение пропорционально силе положительного эталонного выходного тока, определенного устройством 71 определения эталонного выходного тока. Вследствие этого, чем больше степень обедненности воздушно-топливного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 51, то есть, чем выше концентрация кислорода в измерительной газовой камере 51, тем больше расход кислорода, выкачиваемого изнутри измерительной газовой камеры 51 в выхлопной газ вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. В результате, расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и расход кислорода, выкаченного насосной ячейкой 60, в целом соответствуют один другому. Вследствие этого, воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51 в основном поддерживается, по существу, на стехиометрическом воздушно-топливном отношении.
[0052] Расход кислорода, перекаченного насосной ячейкой 60, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются через внутреннюю часть первого слоя 53 из твердого электролита насосной ячейки 60. Кроме того, расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 55, 56 насосной ячейки 60. Соответственно, путем определения насосного тока, протекающего через электроды 55, 56 в качестве выходного тока датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения (далее именуемого «выходным током датчика»), устройством 73 определения насосного тока, можно определить расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и, таким образом, - бедное воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51.
[0053] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 6(B), выхлопной газ с богатым воздушно-топливным отношением будет протекать в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ с богатым воздушно-топливным отношением, содержащий большое количество несгоревшего газа, протекает данным путем вовнутрь через электроды 57 и 58 эталонной ячейки 61, отрицательный эталонный выходной ток будет протекать пропорционально разнице богатого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения. Этот эталонный выходной ток определяется устройством 71 определения эталонного выходного тока.
[0054] Если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет эталонный выходной ток, то на основе этого тока насосное напряжение подается на электроды 55 и 56 насосной ячейки 60 при помощи устройства 72 подачи насосного напряжения посредством механизма, описанного ниже. В частности, если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет отрицательный эталонный выходной ток, насосное напряжение подается с использованием насосного электрода 55 стороны газовой камеры в качестве положительного электрода и электрод 56 стороны выхлопа в качестве отрицательного электрода. При подаче насосного напряжения данным образом, на первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60 движение ионов кислорода возникает от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть, от электрода 56 стороны выхлопа к насосному электроду 55 стороны газовой камеры. По этой причине, кислород, содержащийся в выхлопном газе вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения закачивается в измерительную газовую камеру 51.
[0055] Расход кислорода, выкаченного из выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения в каждую измерительную газовую камеру 51, пропорционален насосному напряжению. Далее, насосное напряжение пропорционально силе отрицательного эталонного выходного тока, определенного устройством 71 определения эталонного выходного тока. Вследствие этого, чем больше степень обогащения топливно-воздушного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 51, то есть, чем выше концентрация несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51, тем больше расход кислорода, закаченного в измерительную газовую камеру 51 из выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. В результате, расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и расход кислорода, закаченного насосной ячейкой 60, находятся в химически эквивалентном соотношении и, соответственно, воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51, в основном, поддерживается на стехиометрическом воздушно-топливном отношении.
[0056] Расход кислорода, закаченного насосной ячейкой 60, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются внутри первого слоя 53 из твердого электролита в насосной ячейке 60. Кроме того, этот расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 55, 56, насосной ячейки 60. Соответственно, путем определения насосного тока, протекающего между электродами 55 и 56 в качестве выходного тока датчика, при помощи устройства 73 определения насосного тока, можно определить расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и, таким образом - богатое воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51.
[0057] Далее, когда воздушно-топливное отношение вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 6(C), выхлопной газ со стехиометрическим воздушно-топливным отношением протекает в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ со стехиометрическим воздушно-топливным отношением поступает своим чередом, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57, 58 эталонную ячейку 61, становится равным нулю посредством механизма, упомянутого ниже, и эталонный выходной ток определяется устройством 71 определения эталонного выходного тока.
[0058] Если эталонный выходной ток, определенный устройством 71 определения эталонного выходного тока, равен нулю, то насосное напряжение, поданное устройством 72 подачи насосного напряжения, также равно нулю. Вследствие этого, в первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60, не возникает движения ионов кислорода, и соответственно внутри измерительной газовой камеры 51, в основном, удерживается, по существу, стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Далее, не возникает движения ионов кислорода в первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60, и вследствие этого насосный ток, определяемый устройством 73 определения насосного тока, также становится равным нулю. Вследствие этого, когда насосный ток, определяемый устройством 73 определения насосного тока равен нулю, понятно, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51 равно стехиометрическому воздушно-топливному отношению.
[0059] Выполненные таким образом датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения имеют выходную характеристику, показанную на фиг. 7. То есть, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения, чем больше становится воздушно-топливное отношение выхлопного газа (то есть, чем беднее оно становится), тем больше становится насосный ток Ip (выходной ток датчика). Кроме того, в настоящем варианте осуществления, датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения выполнены так, чтобы насосный ток Ip (выходной ток датчика) становился равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением.
[0060] Работа эталонной ячейки Как пояснено выше, в эталонной ячейке 61 когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится равным нулю, тогда как когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 становится воздушно-топливным отношением, которое отлично от стехиометрического воздушно-топливного отношения, эталонный выходной ток меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением. Ниже со ссылкой на фиг. 8 будет пояснена базовая концепция работы эталонной ячейки 61. Фиг. 8 представляет собой вид, на котором схематически показана работа эталонной ячейки 61. Во время эксплуатации, как пояснено выше, выхлопной газ вводится в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63, и атмосферный воздух вводится в эталонную газовую камеру 52. Далее, как показано на фиг. 5 и 8, на датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения, постоянное напряжение датчика Vr подается через электроды 57 и 58 так, чтобы электрод 58 эталонной стороны имел положительную полярность, а электрод стороны 57 газовой камеры имел отрицательную полярность. Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления, подаваемое напряжение датчика Vr в обоих датчиках 40 и 41 воздушно-топливного отношения является одинаковым напряжением.
[0061] Когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не становится сравнительно большой. Вследствие этого, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита фактическое отношение концентрации кислорода становится меньше, чем отношение концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. По этой причине, как показано на фиг. 8(A), возникает движение ионов кислорода от эталонного электрода 57 стороны газовой камеры на электрод 58 эталонной стороны так, чтобы отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, становилась больше в направлении отношения концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. В результате ток течет от положительного электрода устройства 70 подачи эталонного напряжения, которое подает напряжение датчика Vr, через электрод 58 эталонной стороны, второй слой 54 из твердого электролита, и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры, на отрицательный электрод устройства 70 подачи эталонного напряжения.
[0062] Сила тока (эталонного выходного тока) Ir пропорциональна расходу кислорода, протекающего из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение. Вследствие этого, путем определения силы этого тока Ir устройством 71 определения эталонного выходного тока, концентрация кислорода в измерительной газовой камере 51 может быть определена и, в свою очередь, воздушно-топливное отношение в бедной области может быть определено.
[0063] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51 богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, несгоревший газ протекает из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51 и вследствие этого, даже если присутствует кислород на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры, он удаляется реакцией с несгоревшим газом. Вследствие этого, в измерительной газовой камере 51 концентрация кислорода становится крайне низкой и, в результате, отношение концентраций кислорода на двух боковых поверхностях второго слоя 54 из твердого электролита становится большой. По этой причине, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита фактическое отношение концентраций кислорода становится больше по сравнению с отношением концентраций кислорода, соответствующей подаваемому напряжению датчика Vr. Вследствие этого, как показано на фиг. 8(В), возникает движение ионов кислорода от электрода 58 эталонной стороны к эталонному электроду 57 стороны газовой камеры таким образом, чтобы отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита становилось меньше в направлении к отношению концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. В результате, ток течет от электрода 58 эталонной стороны, через устройство 70 подачи эталонного напряжения, которое подает напряжение датчика Vr на эталонный электрод 57 стороны газовой камеры.
[0064] Сила тока (эталонного выходного тока) Ir, который протекает в этот момент времени, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, определяется расходом ионов кислорода, которые перемещаются через второй слой 54 из твердого электролита от электрода 58 эталонной стороны на эталонный электрод 57 стороны газовой камеры. Ионы кислорода реагируют (сгорают) на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры с притекающим несгоревшим газом, который протекает из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63, и распространяется в измерительной газовой камере 51. Соответственно, расход ионов кислорода соответствует концентрации несгоревшего газа в выхлопном газе, который протекает в измерительную газовую камеру 51. Вследствие этого, путем определения силы этого тока Ir устройством 71 определения эталонного выходного тока можно узнать концентрацию несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 и, в свою очередь, можно узнать воздушно-топливное отношение в богатой области.
[0065] Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 является стехиометрическим воздушно-топливным отношением, количество кислорода и количество несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 находятся в химически эквивалентном соотношении. Вследствие этого, каталитическое действие эталонного электрода 57 стороны газовой камеры заставляет кислород и несгоревший газ полностью сгорать, и колебаний концентрации кислорода и несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 не возникает. В результате, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не колеблется, однако, поддерживается как отношение концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. Вследствие этого, как показано на фиг. 8(С), движения ионов кислорода, обусловленного свойством кислородного насоса, не возникает, и в результате, ток, который протекает через цепь, не генерируется.
[0066] Работа и результаты датчиков воздушно-топливного отношения
Выполненная таким образом эталонная ячейка 61 имеет выходную характеристику, показанную на фиг. 9. То есть, в эталонной ячейке 61 чем больше становится воздушно-топливное отношение выхлопного газа (то есть, чем беднее оно становится), тем больше эталонный выходной ток Ir. Кроме того, эталонная ячейка 61 выполнена так, чтобы эталонный выходной ток Ir становится нулем, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением.
[0067] Кроме того, в эталонной ячейке 61, напряжение датчика Vr подается на электроды 57 и 58, и поэтому реакция окисления или реакция восстановления принудительно выполняется на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры и электроде 58 эталонной стороны. Поэтому, и когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в измерительную газовую камеру 51, меняется из богатого воздушно-топливного отношения в бедное воздушно-топливное отношение, и когда оно меняется из бедного воздушно-топливного отношения в богатое воздушно-топливное отношение, если выхлопной газ в измерительной газовой камере 51 один и тот же, эталонный выходной ток Ir, который течет через электроды 57 и 58, становится одинаковым. В результате, не наблюдается проблемы гистерезиса, которая возникала в обычном датчике воздушно-топливного отношения двухблочного типа.
[0068] Кроме того, в эталонной ячейке 61, напряжение датчика Vr, подается через электроды 57 и 58, поэтому реакции на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры активизируются, и соответствующие составляющие выхлопного газа принудительно окисляются или восстанавливаются независимо от их способности вступать в реакцию. Поэтому реакция окисления и реакция восстановления на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры в менее вероятной степени подвержены воздействию в зависимости от того, какие составляющие содержатся в выхлопном газе. Даже различные составляющие выхлопного газа вступают в реакцию, по существу, со сходной чувствительностью. В результате проблемы, относящиеся к чувствительности из-за набора составляющих в выхлопном газе, которые, как правило, проявляются в обычных двухблочных датчиках воздушно-топливного отношения, не возникают.
[0069] То есть, в соответствии с датчиками 40, 41 воздушно-топливного отношения согласно настоящему варианту осуществления, можно решить проблемы, возникшие в обычных датчиках воздушно-топливного отношения двухблочного типа. Кроме того, поскольку датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения согласно настоящему варианту осуществления представляют собой датчики воздушно-топливного отношения двухячейного типа, проблемы, подобные тем, что проявились в обычных одноячейных датчиках воздушно-топливного отношения, не возникают. То есть, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения не наблюдается изменения выходного тока из-за изменений внутреннего сопротивления, сопровождающих старение. Кроме того, воздушно-топливное отношение может быть определено в широком диапазоне. Поэтому, в соответствии с датчиками 40, 41 воздушно-топливного отношения согласно настоящему варианту осуществления, можно преодолеть все недостатки, которые возникли в обычных одноячейных и двухячейных датчиках воздушно-топливного отношения.
[0070] Цепи устройства подачи напряжения и устройства определения тока
На фиг. 10 показан пример особых цепей, которые образуются устройством 70 подачи эталонного напряжения и устройством 71 определения эталонного выходного тока. В показанном примере электродвижущая сила Е, которая возникает благодаря свойству кислородной ячейки, обозначена как «Е», внутреннее сопротивление второго слоя 54 из твердого электролита выражено как «R», а разность электрических потенциалов на двух электродах 57, 58 обозначена как «Vs».
[0071] Как понятно из фиг. 10, устройство 70 подачи эталонного напряжения в основном выполняет управление с отрицательной обратной связью так, чтобы электродвижущая сила Е, которая возникает из-за свойства кислородной ячейки, соответствовала подаваемому напряжению датчика Vr. Другими словами, устройство 70 подачи эталонного напряжения выполняет управление с отрицательной обратной связью так, чтобы даже когда изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита заставляет меняться разность потенциалов между двумя электродами 57 и 58 Vs, эта разность потенциалов становится подаваемым напряжением датчика Vr.
[0072] Вследствие этого, когда воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51 становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением, и не возникает каких-либо изменений отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита становится отношением концентраций кислорода, соответствующим подаваемому напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е соответствует подаваемому напряжению датчика Vr, разность потенциалов между двумя электродами 57, 58 также становится подаваемым напряжением датчика Vr, и, в результате, ток Ir не течет.
[0073] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение становится воздушно-топливным отношением, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, и возникает изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не становится отношением концентраций кислорода, соответствующей подаваемому напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е становится значением, отличным от подаваемого напряжения датчика Vr. Вследствие этого, из-за управления с отрицательной обратной связью, разность потенциалов Vs подается между двумя электродами 57, 58 так, чтобы ионы кислорода перемещались между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита таким образом, чтобы электродвижущая сила Е соответствовала подаваемому напряжению датчика Vr. Кроме того, в этот момент времени вместе с движением ионов кислорода протекает ток Ir. В результате, электродвижущая сила Е превращается в подаваемое напряжение датчика Vr. Если электродвижущая сила Е превращается в подаваемое напряжение датчика Vr, в конечном итоге разность потенциалов Vs также превращается в подаваемое напряжение датчика Vr.
[0074] Вследствие этого, устройство 70 подачи эталонного напряжения, по существу, подает напряжение датчика Vr между двумя электродами 57 и 58. Следует отметить, что электрическая цепь устройства 70 подачи эталонного напряжения не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 10. Цепь может содержать любой вид устройства, при условии его способности, по существу, подавать напряжение датчика Vr на два электрода 57, 58.
0
0
0
[0075] Далее, устройство 71 определения эталонного тока на самом деле не измеряет ток. Оно измеряет напряжение Е для расчета тока из этого напряжения Е. В этой связи Е выражено в следующем уравнении (1).
0
0
при этом, V - напряжение смещения (напряжение, подаваемое так, чтобы Е не становилось отрицательной величиной, например, 3В), тогда как R - сопротивление, показанное на фиг. 10.
0
0
0
0
[0076] В уравнении (1) подаваемое напряжение датчика Vr, напряжение смещения V, и сопротивление R являются постоянными, и вследствие этого напряжение Е меняется в соответствии с током Ir. По этой причине, если определить напряжение Е, можно вычислить ток Ir, используя напряжение Е.
[0077] Вследствие этого, устройство 71 определения эталонного тока, можно сказать, по существу, определяет ток Ir, который протекает на два электрода 57, 58. Следует отметить, что электрическая цепь устройства 71 определения эталонного тока не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 10. Если можно определить ток Ir, протекающий через два электрода 57, 58, может быть использована любая форма устройства.
[0078] Краткое изложение управления воздушно-топливным отношением
Далее будет приведено краткое изложение управления воздушно-топливным отношением, которое осуществляется с использованием упомянутых выше датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения в системе управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. В настоящем варианте осуществления, на основе выходного тока Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, управление с обратной связью выполняется так, чтобы выходной ток (то есть, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны) Irup датчика 40 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны, стал величиной, соответствующей целевому воздушно-топливному отношению.
[0079] Целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, устанавливается на основании выходного тока Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного соотношения с выпускной стороны становится богатой заданной эталонной величиной Iref или менее и поддерживается на данном уровне. Далее, богатая заданная эталонная величина Iref представляет собой величину, соответствующую заранее определенному богатому заданному воздушно-топливному отношению (например, 14.55), которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Кроме того, бедное установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение на некоторую величину. Например, оно составляет 14,65-20, предпочтительно 14,68-18, наиболее предпочтительно 14,7-16 или около того.
[0080] Если целевое воздушно-топливное отношение изменяется на бедное установленное воздушно-топливное отношение, производится оценка количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Количество накопленного кислорода OSAsc рассчитывается на основании выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и расчетной величины количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, которая вычисляется с помощью расходомера 39, и т.п., или количества топлива, поданного из топливного инжектора 11, и т.п. Кроме того, если расчетное количество накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, целевое воздушно-топливное отношение, которое до этого было бедным установленным воздушно-топливным отношением, меняется на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение (слегка богатая смесь), и поддерживается на этом уровне воздушно-топливного отношения. Слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Например, оно составляет 13,5-14,58, предпочтительно 14-14,57, более предпочтительно, 14,3-14,55 и т.д. После этого, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны снова становится равным богатой заданной эталонной величине Iref или менее, целевое воздушно-топливное отношение вновь устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение, а затем сходная операция повторяется.
[0081] Таким образом, в настоящем варианте осуществления, целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, поочередно устанавливают как бедное установленное воздушно-топливное отношение и как слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение. В частности, в настоящем варианте осуществления разница между бедным установленным воздушно-топливное отношением и стехиометрическим воздушно-топливным отношением больше, чем разница между слабо богатым установленным воздушно-топливное отношением и стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Вследствие этого, в настоящем варианте осуществления, целевое воздушно-топливное отношение попеременно устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение на короткий период времени и как слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение на длинный период времени.
X
[0082] Объяснение управления с использованием временной диаграммы Со ссылкой на фиг. 11. описанный выше процесс будет пояснен подробно Фиг. 15 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, выходного тока Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и концентрации NO в выхлопном газе, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, в случае выполнения управления воздушно-топливным отношением в системе управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
[0083] Следует отметить, что, выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, становится отрицательным значением, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является богатым воздушно-топливным отношением, и имеет положительное значение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является бедным воздушно-топливным отношением. Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое или бедное воздушно-топливное отношение, то чем больше оно отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, тем больше абсолютное значение выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны также меняется аналогично выходному току Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, в зависимости от воздушно-топливного отношения выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Далее, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является величиной коррекции, относящейся к целевому воздушно-топливному отношению выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC равна нулю, целевое воздушно-топливное отношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC имеет положительное значение, целевое воздушно-топливное отношение становится бедным воздушно-топливным отношением, и когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC имеет отрицательное значение, целевое воздушно-топливное соотношение становится богатым воздушно-топливным отношением.
1
X
[0084] В показанном примере, в состоянии перед моментом времени t, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину коррекции воздушно-топливного отношения AFCrich. Слабо богатая установленная величина коррекции установленного воздушно-топливного отношения AFCrich является величиной, соответствующей слабо богатому установленному воздушно-топливному отношению и имеет значение меньше нуля. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как богатое воздушно-топливное отношение. Вместе с тем, выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, становится отрицательным значением. Выхлопной газ, текущий в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, содержит несгоревший газ, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны постепенно уменьшается. Таким образом, несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, очищается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и вследствие этого выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится, по существу, равным нулю (в соответствии с стехиометрическим воздушно-топливным отношением). В этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого, количество NO, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.
1
1
X
[0085] Если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны будет постепенно уменьшаться, количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается до величины, меньшей, чем нижний предел накопления во время t. Если количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается до менее чем нижнего предела накопления, часть несгоревшего газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, вытекает из него, не будучи очищенной в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. По этой причине, после момента времени t, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны постепенно падает вместе с уменьшением количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Напомним, что в этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество NO, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.
2
[0086] Затем, в момент времени t, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref, соответствующей богатому заданному воздушно-топливному отношению. В настоящем варианте осуществления, если выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на бедную установленную величину коррекции AF Clean так, чтобы остановить падение количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Бедная установленная величина коррекции AFClean представляет собой величину, соответствующую бедному установленному воздушно-топливному отношению, и имеет значение больше нуля. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение.
[0087] Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается после того, как выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигнет богатой заданной эталонной величины Iref, то есть, после того, как воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигнет богатого заданного воздушно-топливного отношения, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Это так, потому что даже если количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является достаточным, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, иногда слегка отклоняется от стехиометрического воздушно-топливного отношения. То есть, если есть основания полагать, что количество накопленного кислорода уменьшилось ниже нижнего предела накопления, когда выходной ток Ipdwn датчика слегка отклоняется от нуля (соответствует стехиометрическому воздушно-топливному отношению), даже если есть фактически достаточное количество накопленного кислорода, существует возможность прийти к выводу, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления. Вследствие этого, в настоящем варианте осуществления, считается, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления, только когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигает богатого заданного воздушно-топливного отношения. Иначе говоря, богатое заданное воздушно-топливное отношение устанавливается как такое воздушно-топливное отношение, которого воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не способно достичь, пока количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является достаточным.
2
3
2
3
X
[0088] Даже если в момент времени t целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное воздушно-топливное отношение, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не сразу становится бедным воздушно-топливным отношением, и возникает определенная задержка. В результате воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется от богатого воздушно-топливного отношения в бедное воздушно-топливное отношение к моменту времени t. Следует отметить, что в течение времени между t-t, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение, и вследствие этого этот выхлопной газ содержат несгоревший газ. Таким образом, объем выхода NO из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны подавляется.
3
X
X
[0089] В момент времени t, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется на бедное воздушно-топливное отношение, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны начинает увеличиваться. Далее, вместе с тем воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется в сторону стехиометрического воздушно-топливное отношения, и выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны также становится равным нулю. Хотя воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, в этот момент времени представляет собой бедное воздушно-топливное отношение, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны имеет достаточный запас способности к накоплению кислорода, и вследствие этого кислород, содержащийся во втекающем выхлопном газе, накапливается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и оксиды NOвосстанавливаются и очищаются. По этой причине, объем NO, выпущенный из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.
4
[0090] Далее, если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны увеличивается, в момент времени t количество накопленного кислорода OSAsc достигает заданного эталонного количества накопления Cref. В настоящем варианте осуществления, если количество накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich (имеет значение меньше нуля), чтобы остановить накопление кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на богатое воздушно-топливное отношение.
4
5
4
5
[0091] Тем не менее, как пояснено выше, возникает задержка от момента, когда включается целевое воздушно-топливное отношение, до момента, когда воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, фактически меняется. По этой причине, даже если переключение происходит в момент t, после определенного промежутка времени, проходящего с этого момента, в момент t воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется от бедного воздушно-топливного отношения к богатому воздушно-топливному отношению. В промежутке между моментами t и t воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является бедным воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны увеличивается.
5
4
5
X
[0092] Тем не менее, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается в достаточной мере ниже, чем максимальное количество накопления Cmax или верхний предел накопления, и вследствие этого даже в момент времени t количество накопленного кислорода OSAsc не достигает максимального количества накопления Cmax или верхнего предела накопления. Иначе говоря, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается на величину, достаточно малую для того, чтобы, количество накопленного кислорода OSAsc не достигало максимального количества накопления Cmax или верхнего предела накопления, даже если происходит задержка от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения до момента, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, фактически меняется. Например, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается до 3/4 или менее от максимального количества накопления Cmax, предпочтительно 1/2 или менее, более предпочтительно 1/5 или менее. Вследствие этого, как наблюдалось и ранее, в течение промежутка времени t-t объем NO, выпущенный из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.
5
6
1
X
[0093] После момента времени t величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как богатое воздушно-топливное отношение. Вместе с тем выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны принимает отрицательное значение. Выхлопной газ, текущий в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, содержит несгоревший газ, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны постепенно уменьшается. В момент времени t, таким же образом, как момент времени t, количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается ниже нижнего предела накопления. Также в этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого объем NO, выпущенный из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является подавленным.
7
2
1
6
[0094] Далее, во момент времени t, таким же образом, что и в момент времени t, выходной ток Ipdw датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref в соответствии с богатым заданным воздушно-топливным отношением. Из-за этого величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на соответствующую величину AFClean, соответствующую бедному установленному воздушно-топливное отношению. Затем цикл вышеупомянутых моментов времени t-t повторяется. Следует отметить, что во время этих циклов напряжение датчика Vrdwn, поданное на датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны 41, поддерживается на таком уровне напряжения, при котором воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого выходного тока является богатым заданным воздушно-топливным отношением.
[0095] Следует отметить, что такое управление величиной коррекции воздушно-топливного отношения AFC выполняется ЭБУ 31. Вследствие этого, ЭБУ 31 может содержать: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 с впускной стороны, на бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, которое было определено датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением или менее, пока количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 с впускной стороны не станет заданным эталонным количеством накопления Cref, и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 с впускной стороны становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, так чтобы количество накопленного кислорода OSAsc никогда не достигало максимального количества накопления кислорода Сmax, но снижалось до нуля.
X
X
[0096] Как понятно из вышеприведенного объяснения, согласно вышеописанному варианту осуществления, можно постоянно подавлять объем выпуска NO из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. То есть, до тех пор, пока выполняется вышеописанное управление, объем выпуска NO из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, по существу, является небольшим.
3
4
X
[0097] Далее, в целом, если количество накопленного кислорода OSAsc оценивается на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетного количества входящего воздуха, и т.д., имеется вероятность возникновения ошибки. Также и в настоящем варианте осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc оценивается в период времени t-t, и вследствие этого расчетное количество накопленного кислорода OSAsc включает в себя некоторую ошибку. Тем не менее, даже если такая ошибка включена, при установке заданного эталонного количества накопления Cref на величину, достаточно меньшую, чем максимальное количество накопления кислорода Сmax или верхний предел накопления, фактическое количество накопленного кислорода OSAsc практически никогда не достигнет максимального количества накопления кислорода Сmax или верхнего предела накопления. Вследствие этого, также и с этой точки зрения, можно подавлять объем выпуска NO из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны.
[0098] Кроме того, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа будет поддерживаться постоянным, способность катализатора очистки выхлопного газа к накоплению кислорода будет падать. Напротив, согласно настоящему варианту осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc постоянно колеблется вверх и вниз, и, таким образом, способность катализатора к накоплению кислорода удерживается от падения.
2
4
4
7
[0099] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления в промежутке времени t-t величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине коррекции AFClean. Тем не менее, в такой временной период величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение. Аналогичным образом, в моменты времени t-t величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабо богатой установленной величине коррекции AFCrich. Тем не менее, в такой временной период величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение.
2
4
4
7
[0100] Однако даже в этом случае величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC в промежутке времени t-t устанавливается так, чтобы разница между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в этот период была больше, чем разница между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в промежутке времени t-t.
[0101] Далее, в вышеуказанном варианте осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны оценивается на основании выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетного количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, и т.д. Однако количество накопленного кислорода OSAsc может также быть рассчитано с помощью других параметров, в дополнение к указанным параметрам или может оцениваться на основе параметров, которые отличны от данных параметров. Кроме того, в вышеуказанном варианте осуществления если расчетное значение количества накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, целевое воздушно-топливное отношение переключается из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение. Тем не менее, для определения времени переключения целевого воздушно-топливного отношения из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение могут, например, использоваться в качестве справочных и другие параметры, например, время работы двигателя и т.д. от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения из слабого богатого установленного воздушно-топливного отношения в бедное установленное воздушно-топливное отношение. Однако даже в этом случае, целевое воздушно-топливное отношение должно быть переключено из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабое богатое установленное воздушно-топливное отношение в период, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны оценивается как меньшая величина по сравнению с максимальным количеством накопления кислорода.
4
7
1
4
[0102] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления в промежутке времени t-t величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабо богатой установленной величине коррекции AFCrich, но даже в этот временной период величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC может временно быть установлена на стехиометрическое воздушно-топливное отношение или бедное воздушно-топливное отношение. Аналогичным образом, в вышеуказанном варианте осуществления в промежутке времени t-t величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине коррекции AFClean, но даже в этот временной период величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC может быть временно установлена на стехиометрическое воздушно-топливное отношение или богатое воздушно-топливное отношение.
[0103] Объяснение особого управления
Далее, со ссылками на фиг. 12 и 13, система управления в вышеописанном варианте осуществления будет подробно объяснена. Система управления в настоящем варианте осуществления, как показано на функциональной блок-схеме с фиг. 12, выполнена с возможностью включения в себя функциональных блоков А1-А9. Ниже, каждый функциональный блок будет пояснен также со ссылкой на фиг. 12.
[0104] Расчет впрыска топлива
Сначала будет пояснен расчет впрыска топлива. При расчете впрыска топлива используется средство вычисления поступающего в цилиндр воздуха А1, средство вычисления базового впрыска топлива А2 и средство вычисления впрыска топлива A3.
[0105] Средство вычисления поступающего воздуха в цилиндр А1 вычисляет впускной объем воздуха в каждый цилиндр Мс на основе впускного воздушного расхода Ga, измеренного расходомером 39, частоту вращения двигателя NE, рассчитанную на основе выходного сигнала датчика 44 угла поворота коленвала, и схемы или формулы расчета, хранящейся в ПЗУ 34 ЭБУ 31.
[0106] Средство вычисления базового впрыска топлива А2 делит впускной объем воздуха в цилиндр Мс, который рассчитывают с помощью средства вычисления поступающего воздуха в цилиндр А1, на целевое воздушно-топливное отношение AFT, которое рассчитывают разъясненным ниже средством установления целевого воздушно-топливное отношения А6, для вычисления, таким образом, базового количества впрыска топлива Qbase (Qbase = Мс / AFT).
[0107] Средство вычисления впрыска топлива A3 добавляет базовое количество впрыска топлива Qbase, определенное средством вычисления базового впрыска топлива А2, к разъясненной ниже величине F / В коррекции DQi для расчёта количества впрыска топлива Qi(Qi = Qbase + DQi). Топливный инжектор 11 приводится в действие для впрыска топлива таким образом, чтобы топливо впрыскивалась в количестве впрыска топлива Qi, которое было вычислено таким образом.
[0108] Расчет заданного воздушно-топливного отношения
Далее будет пояснен расчет целевого воздушно-топливного отношения. При расчете целевого воздушно-топливного отношения используют средство вычисления количества накопленного кислорода А4, средство вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения А5, и средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6.
3
4
[0109] Средство вычисления количества накопленного кислорода А4 вычисляет расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest в катализаторе 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны на основе количества впрыска топлива Qi, рассчитанного средством вычисления впрыска топлива A3, и выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Например, средство вычисления количества накопленного кислорода А4 умножает разницу между воздушно-топливным отношением, соответствующим выходному току Ipup датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны 40, и стехиометрическим воздушно-топливным отношением на количество впрыска топлива Qi, и совокупно складывает вычисленные значения для вычисления расчетного значения количества накопленного кислорода OSAest. Следует отметить, что средству вычисления количества накопленного кислорода А4 не нужно постоянно определять количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Например, можно оценивать количество накопленного кислорода только для периода от фактического переключения целевого воздушно-топливное отношения из богатого воздушно-топливного отношения на бедное воздушно-топливное отношение (момент времени t на фиг. 11) до момента, когда расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигнет заданного эталонного количества накопления Cref (момент времени t на фиг. 11).
[0110] В средстве вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения расчета А5, вычисляется величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC целевого воздушно-топливного отношения на основе расчетного значения количества накопленного кислорода OSAest, вычисленного средством вычисления количества накопленного кислорода А4, и выходного тока Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину коррекции AFClean, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным богатой заданной эталонной величине Iref (значение, соответствующее богатому заданному воздушно-топливному отношению) или менее. Затем, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине коррекции AFClean, пока расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest не достигнет заданного эталонного количества накопления Cref. Если расчетное значение расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигает заданного эталонного количества накопления Cref, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich. После этого, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабой богатой установленной величине коррекции AFCrich, пока выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны не станет равным богатой заданной эталонной величине Iref (значение, соответствующее богатому заданному воздушно-топливному отношению).
[0111] Средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6 добавляет эталонное воздушно-топливное отношение, которое, в настоящем варианте осуществления, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR, к величине коррекции воздушно-топливного отношения AFC, вычисленной средством вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения А5, для вычисления, таким образом, целевого воздушно-топливного отношения AFT. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение AFT устанавливается либо на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR (когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является слабо богатой установленной величиной коррекции AFCrich), или бедное установленное воздушно-топливное отношение, которое беднее на определенную величину, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR (когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является бедной установленной величиной коррекции AFClean). Рассчитанное таким образом целевое воздушно-топливное отношение AFT подается на средство вычисления базового впрыска топлива А2 и на ниже описанное средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8.
[0112] Фиг. 13 представляет собой блок-схему, на которой показан порядок управления для расчета величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC. Изображенный порядок управления выполняется с перерывами в каждый соответствующий интервал времени.
[0113] Как показано на фиг. 13, сначала на этапе S11 делается оценка, выполняются ли условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC. Условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения выполняются, например, когда управление отсечкой подачи топлива не исполняется. Если устанавливается, что условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения выполняются на этапе S11, процедура переходит на этап S12. На этапе S12 получают выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, выходном ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны и количество впрыска топлива Qi. Далее, на этапе S13 рассчитывается расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и количества впрыска топлива Qi, которые были получены на этапе S12.
[0114] Далее, на этапе S14 проверяют, установлен ли индикатор бедной конфигурации Fr на 0. Индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 1, если величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на бедную установленную величину коррекции AFClean, а в противном случае - установлен на 0. Если индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 0 на этапе S14, процедура переходит на этап S15. На этапе S15 дают оценку наличия того факта, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен богатой заданной эталонной величине Iref или менее. Когда определяют, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны больше богатой заданной эталонной величины Iref, процедура управления закончена.
[0115] С другой стороны, если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны уменьшается, и воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, падает, на этапе S15 дается оценка того, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен богатой заданной эталонной величины Iref или менее. В этом случае, процедура переходит на этап S16, где величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину коррекции AFClean. Далее, на этапе S17, индикатор бедной конфигурации Fr устанавливают на 1, и процедура управления закончена.
[0116] В ходе следующей процедуры управления на этапе S14 делается заключение, что индикатор бедной конфигурации Fr не установлен на 0, и процедура переходит на этап S18. На этапе S18 определяют, является ли расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest, вычисленное на этапе S13, меньшим значением, чем заданное эталонное количество накопления Cref. Когда полагают, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest меньше чем заданное эталонное количество накопления Cref, процедура переходит на этап S19, где величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC по-прежнему остается бедной установленной величиной коррекции AFClean. С другой стороны, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов с впускной стороны 20 увеличивается, в конечном итоге на этапе S18 делается заключение, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest представляет собой заданное эталонное количество накопления Cref или более, и процедура переходит на этап S20. На этапе S20 величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich, затем на этапе S21, индикатор бедной конфигурации Fr сбрасывается на 0, и процедура управления заканчивается.
[0117] Расчет величины F / В коррекции
Обращаясь к фиг. 12, будет пояснен расчет величины F / В коррекции на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. При расчете величины F / В коррекции используются средство преобразования в цифровое значение А7, средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8, и средство вычисления величины F / В коррекции А9.
[0118] Средство преобразования в цифровое значение А7 вычисляет воздушно-топливное отношение выхлопного газа с впускной стороны AFup, соответствующее выходному току Ipup на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и схемы или расчетной формулы (например, схема, показанная на фиг. 7), которая определяет взаимосвязь между выходным током Imp и воздушно-топливным отношением датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Вследствие этого, воздушно-топливное отношение выхлопного газа с впускной стороны AFup соответствует воздушно-топливному отношению выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны.
[0119] Средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8 вычитает целевое воздушно-топливное отношение AFT, вычисленное средством установки целевого воздушно-топливного отношения А6, из воздушно-топливного отношения выхлопного газа с впускной стороны AFup, вычисленного средством преобразования в цифровое значение А7, с целью вычисления разности воздушно-топливного отношения DAF (DAF = AFup - AFT). Эта разность воздушно-топливного отношения DAF представляет собой величину, которая выражает избыток / дефицит количества поданного топлива по отношению к целевому воздушно-топливному отношению AFT.
[0120] Средство вычисления величины F / В коррекции А9 обрабатывает разность воздушно-топливного отношения DAF, вычисленную средством вычисления разности воздушно-топливного отношения А8, путем пропорциональной интегрально-дифференциальной обработки (PID-процессинг), чтобы вычислить величину F / В коррекции DFi с целью компенсации избытка / дефицита количества подачи топлива на основе следующего уравнения (1). Вычисленная таким образом расчетная величина DFi величины F / В коррекции подается на средство вычисления впрыска топлива A3.
[0121] Следует отметить, что в вышеприведенном уравнении (1), Кр - заданный пропорциональный коэффициент (пропорциональная константа), Ki - заданный интегральный коэффициент (интегральная константа), и Кd является заданным производным коэффициентом (производная константа). Кроме того, DDAF - значение производной по времени разности воздушно-топливного отношения DAF, и рассчитывается путем деления разницы между только что обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF и ранее обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF на время, соответствующее интервалу обновления. Далее, SDAF - это значение производной по времени разности воздушно-топливного отношения DAF. Это значение производной по времени SDAF рассчитывают путем сложения ранее обновленного значения производной по времени DDAF и только что обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF (SDAF = DDAF + DAF).
[0122] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, определяется датчиком 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Тем не менее, точность определения воздушно-топливное отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не обязательно должна быть высокой, и вследствие этого, например, воздушно-топливное отношение выхлопного газа может оцениваться на основе количества впрыска топлива из топливного инжектора 11 и выходного сигнала расходомера 39.
[0123] Второй вариант осуществления
Далее, со ссылкой на фиг. 14-17, будет пояснена система управления двигателем внутреннего сгорания согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Конфигурация и порядок управления системы управления двигателем внутреннего сгорания во втором варианте осуществления в основном сходны с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно вышеизложенному варианту осуществления. Однако, в вышеизложенном варианте осуществления, на датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны и датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны подавались одинаковые напряжения датчика, тогда как в настоящем варианте осуществления, значения напряжения датчика, поданные на эти датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения, различны.
[0124] Микроскопические характеристики вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения эталонной ячейки
В этом отношении изложенного выше, если рассматривать взаимосвязь между поданным напряжением датчика Vr и эталонным выходным током Ir, а также взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током Ir микроскопически, то около стехиометрического воздушно-топливного отношения, результаты становятся такими, как показано на фиг. 14 и 15.
[0125] На фиг. 14 представлен вид, на котором показана взаимосвязь между подаваемым напряжением датчика Vr и эталонным выходным током Ir в эталонной ячейке. Как понятно из фиг. 14, даже в области предельного тока, (области, где даже при увеличении подаваемого напряжения датчика, эталонный выходной ток Ir практически не увеличивается вообще), когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа постоянное, вместе с увеличением подаваемого напряжение датчика Vr, эталонный выходной ток 1г также увеличивается, хотя это увеличение и очень малое. Поэтому, рассматривая в качестве примера случай, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (14,6), когда подаваемое напряжение датчика Vr составляет 0,45 В или около того, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю. С другой стороны, если установить поданное напряжение датчика Vr ниже 0,45 В на некоторую величину (например, 0,2 В), эталонный выходной ток становится величиной ниже нуля. Напротив, если установить поданное напряжение датчика Vr выше, чем 0,45 В на некоторую величину (например, 0,7 В), эталонный выходной ток принимает значение выше нуля.
[0126] Фиг. 15 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током Ir. Из фиг. 15 понятно, что в области вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения, эталонный выходной ток Ir для одного и того же воздушно-топливного отношения выхлопного газа слегка отличается для каждого подаваемого напряжения датчика Vr. Например, в показанном примере в случае, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда подаваемое напряжение датчика Vr равно 0,45 В, эталонный выходной ток Ir равен нулю. Кроме того, при установке подаваемого напряжения датчика Vr более чем 0,45 В, эталонный выходной ток Ir также становится больше нуля, тогда как при установке подаваемого напряжения датчика Vr на величину меньше 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится меньше нуля.
[0127] Кроме того, из фиг. 15 понятно, что для каждого напряжения датчика Vr, воздушно-топливное отношение выхлопного газа в момент, когда эталонный выходной ток Ir становится равным нулю (ниже именуемое «воздушно-топливным отношением выхлопного газа при нулевом токе»), отличается. В показанном примере, где подаваемое напряжение датчика Vr составляет 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Напротив, в случае, где подаваемое напряжение датчика Vr больше, чем 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа богаче стехиометрического воздушно-топливного отношения, и чем больше становится подаваемое напряжение датчика Vr, тем меньше воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. С другой стороны, когда подаваемое напряжение датчика Vr меньше, 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа беднее стехиометрического воздушно-топливного отношения, и чем меньше становится подаваемое напряжение датчика Vr, тем больше воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. То есть, путем изменения подаваемого напряжения датчика Vr можно изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе.
[0128] В этой связи, угол наклона на фиг. 9, то есть отношение величины возрастания эталонного выходного тока к величине возрастания воздушно-топливного отношения выхлопного газа (ниже именуемое «скоростью изменения эталонного выходного тока») не обязательно будет одинаковым, даже при сходных производственных процессах. Даже для одного и того же типа датчиков воздушно-топливного отношения вариации будут возникать между отдельными образцами. Кроме того, даже в одном и том же датчике воздушно-топливного отношения, скорость изменения выходного тока меняется из-за старения, и т.д.
[0129] Эта ситуация показана на фиг. 16. Фиг. 16 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током в эталонной ячейке датчика воздушно-топливного отношения. Например, даже при использовании одной и той же модели эталонной ячейки, которая выполнена с возможностью иметь такие выходные характеристики, как показаны сплошной линией А, в зависимости от экземпляра датчика или времени его эксплуатации, и т.д., степень изменения эталонного выходного тока может стать меньше, как показано прерывистой линией В на фиг. 16, либо - стать больше, как показано точечно-пунктирной линией С.
1
2
1
1
3
2
[0130] Поэтому, даже при использовании одной и той же модели датчика воздушно-топливного отношения для измерения одного и того же воздушно-топливного отношения выхлопного газа, эталонный выходной ток в эталонной ячейке будет разным в зависимости от конкретного датчика или временного периода эксплуатации, и т.д. Например, когда эталонная ячейка имеет выходную характеристику, как показано сплошной линией А, эталонный выходной ток при измерении выхлопного газа с воздушно-топливным отношением af становится I. Однако когда эталонная ячейка имеет выходную характеристику, как показано прерывистой линией В или точечно-пунктирной линией С, эталонные выходные токи при измерении выхлопного газа с воздушно-топливным отношением af станут соответственно I и I, и, таким образом, станут эталонными выходными токами, которые отличаются от вышеупомянутого I.
[0131] Тем не менее, как понятно из фиг. 16, даже если изменения возникают между отдельными образцами датчика воздушно-топливного отношения или изменения возникают в одном и том же датчике воздушно-топливного отношения из-за старения, и т.д., воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе (в примере с фиг. 16, стехиометрическое воздушно-топливное отношение) не изменится вообще. То есть, когда эталонный выходной ток Ir становится величиной, отличной от нуля, абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в это время не обязательно будет постоянным, однако, когда эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в это время (в примере с фиг. 16, стехиометрическое воздушно-топливное отношение) является постоянным.
[0132] Кроме того, как пояснено с помощью фиг. 15, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения подаваемое напряжение датчика Vr можно изменить таким образом, чтобы изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. Далее, если эталонный выходной ток, определенный устройством 71 определения эталонного выходного тока, равен нулю, насосное напряжение, подаваемое устройством 72 подачи насосного напряжения, также равно нулю, и насосный ток (выходной ток датчика) Iр также становится равным нулю. Вследствие этого, согласно датчикам 40, 41 воздушно-топливного отношения, путем изменения подаваемого напряжения датчика Vr, можно с точностью определить абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, отличное от стехиометрического воздушно-топливного отношения.
[0133] В частности, изменяя поданное напряжение датчика Vr в пределах поясненной ниже особой области напряжения, можно только слегка скорректировать воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе по отношению к стехиометрическому воздушно-топливному отношению (14,6), например, в диапазоне ±1% (от приблизительно 14,45 до приблизительно 14,75). Поэтому, соответствующим образом изменяя поданное напряжение датчика Vr, становится возможным с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, которое слегка отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения.
[0134] Следует отметить, что путем изменения поданного напряжения датчика Vr, как пояснено выше, можно изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. Однако если установить поданное напряжение датчика Vr больше, чем некоторый верхний предел напряжения, или меньше, чем некоторый нижний предел напряжения, степень изменения воздушно-топливного отношения выхлопного газа при нулевом токе по отношению к степени изменения поданного напряжения датчика Vr становится больше. Поэтому, в этих областях напряжения, если поданное напряжение датчика Vr смещается слегка, воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе изменяется значительно. Следовательно, в этой области напряжения чтобы с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения выхлопного газа, становится необходимым с высокой точностью контролировать поданное напряжение датчика Vr, а это сложно реализовать на практике. Поэтому, с точки зрения точного определения абсолютной величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, поданное напряжение датчика Vr должно быть величиной, принадлежащей особой области напряжения, которая, в свою очередь, ограничена между некоторым верхним предельным напряжением и некоторым нижним предельным напряжением.
[0135] В этом отношении, как показано на фиг. 14, датчики 40 и 41 воздушно-топливного отношения имеют области предельного тока в тех областях напряжения, где эталонный выходной ток Ir становится предельным током для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа. В настоящем варианте осуществления, область предельного тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением, представляет собой «особую область напряжения».
[0136] Подаваемое напряжение на отдельных датчиках воздушно-топливного отношения
В настоящем варианте осуществления при рассмотрении вышеупомянутых микроскопических характеристик, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа определяется датчиком 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, поданное напряжение датчика Vrup на датчике 40 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,45 В), при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (в настоящем варианте осуществления, 14,6). Другими словами, в датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, поданное напряжение датчика Vrup устанавливается так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе стало стехиометрическим воздушно-топливным отношением.
[0137] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа определяется датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vr на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,7 В), при котором эталонный выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является заранее определенным богатым заданным воздушно-топливным отношением (например, 14,55), которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Другими словами, в датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vrdwn устанавливается так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе стало богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Соответственно, в настоящем варианте осуществления, напряжение датчика Vrdwn, поданное на датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выше, чем напряжение датчика Vrup, поданное на датчик 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.
[0138] Вследствие этого, ЭБУ 31, соединенный с двумя датчиками 40, 41 воздушно-топливного отношения, заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вблизи датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится равным нулю. С другой стороны, ЭБУ 31 заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, является богатым заданным воздушно-топливным отношением, то есть заранее определенным воздушно-топливным отношением, которое отлично от стехиометрического воздушно-топливного отношения, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю.
[0139] Управление воздушно-топливным отношением во втором варианте осуществления
2
Управление воздушно-топливным отношением согласно второму варианту осуществления в основном сходно с управлением воздушно-топливным отношением в вышеизложенном варианте осуществления. Однако, согласно первому варианту осуществления, когда, в момент времени t, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится богатой заданной эталонной величиной Iref или менее, целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное установленное воздушно-топливное отношение. Напротив, в настоящем варианте осуществления, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю или менее, целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное установленное воздушно-топливное отношение.
[0140] На фиг. 17 показан вид, сходный с фиг. 11, представляющий собой временную диаграмму количества накопленного кислорода OSAsc катализатором 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, и т.д., при выполнении управления в настоящем варианте осуществления. Ниже будут объяснены только те части, которые отличаются от управления на фиг. 11.
1
1
2
[0141] Как понятно из фиг. 17, перед моментом времени t, то есть, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится величиной больше нуля. Затем, часть несгоревшего газа в выхлопном газе, поступающем в катализатор 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, с момента времени t начинает вытекать из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, не будучи очищенной. Вместе с этим, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны уменьшается до нуля, и становится равным нулю в момент времени t. В настоящем варианте осуществления, если выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится нулем или менее, чтобы уменьшить сокращение количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на величину AFClean, которая соответствует бедному установленному воздушно-топливному отношению. Последующее управление в основном идентично примеру, который показан на фиг. 11.
[0142] В соответствии с настоящим вариантом осуществления, как пояснено выше, абсолютная величина при богатом заданном воздушно-топливном отношении может быть определена датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Как пояснено с использованием фиг. 16, в обычном датчике воздушно-топливного отношения было трудно с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, отличную от стехиометрического воздушно-топливного отношения. Поэтому в обычном датчике воздушно-топливного отношения, если старение или индивидуальные различия и т.д. вызывают ошибку выходного тока, даже если фактическое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, отличается от богатого заданного воздушно-топливного отношения, выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится величиной, которая соответствует богатому заданному воздушно-топливному отношению. В результате, момент переключения величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины коррекции AFCrich на бедную установленную величину коррекции AFClean задерживается, либо это переключение выполняется в момент времени, в который переключение не требуется. Напротив, в настоящем варианте осуществления, абсолютная величина при богатом заданном воздушно-топливном отношении может быть с точностью определена датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Поэтому можно предотвратить задержку момента переключения величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины коррекции AFCrich на бедную установленную величину коррекции AFClean или переключение в момент времени, не требующий переключения.
[0143] Третий вариант осуществления
Далее, со ссылкой на фиг. 18, будет пояснена система управления двигателем внутреннего сгорания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Конфигурация системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно третьему варианту осуществления в основном сходна с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно вышеприведенному варианту осуществления. Однако в системе управления настоящего варианта осуществления, диффузионный регулирующий слой расположен вокруг эталонного электрода стороны газовой камеры эталонной ячейки датчика воздушно-топливного отношения.
[0144] На фиг. 18 схематически показана конфигурация датчика 80 воздушно-топливного отношения впускной стороны и датчика 81 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны третьего варианта осуществления, и представлен вид в разрезе, сходный с фиг. 5. Как понятно из фиг. 18, каждый датчик 80, 81 воздушно-топливного отношения имеет диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки, который расположен внутри измерительной газовой камеры 51. Диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки расположен так, чтобы окружать эталонный электрод 57 стороны газовой камеры в эталонной ячейке 61. Вследствие этого, эталонный электрод 57 стороны газовой камеры через диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки открыт воздействию со стороны измерительной газовой камеры 51.
[0145] Путем размещения диффузионного регулирующего слоя 82 эталонной ячейки вокруг эталонного электрода 57 стороны газовой камеры указанным образом, можно регулировать диффузию выхлопного газа, протекающего вокруг эталонного электрода 57 стороны газовой камеры. В этом отношении, если не осуществлять достаточное регулирование диффузии выхлопного газа, протекающего вблизи эталонного электрода 57 стороны газовой камеры, взаимосвязи между воздушно-топливное отношением выхлопного газа, поданным напряжением датчика Vr и эталонным выходным током Ir лишь приблизительно будут следовать трендам, показанным на фиг. 14 и 15. В результате, иногда невозможно должным образом определить абсолютное значение воздушно-топливного отношения, отличное от стехиометрического воздушно-топливного отношения. В настоящем варианте осуществления, путем осуществления достаточного регулирования диффузии выхлопного газа, протекающего вблизи эталонного электрода 57 стороны газовой камеры с помощью диффузионного регулирующего слоя 82 эталонной ячейки, можно определить абсолютное значение воздушно-топливного отношения, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, более надежно.
[0146] Следует отметить, что в этом описании, количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа показано как меняющееся между максимальным количеством накопленного кислорода и нулем. Это означает, что количество кислорода, которое может быть дополнительно накоплено катализатором очистки выхлопного газа, меняется от нуля (когда количество накопленного кислорода является максимальной количеством накопленного кислорода) и до максимальной величины (когда количество накопленного кислорода равно нулю).
Список ссылочных позиций
[0147] 5. Камера сгорания
6. впускной клапан
8. выпускной клапан
10. свеча зажигания
11. топливный инжектор
13. впускная ответвительная трубка
15. впускной трубопровод
18. дроссельный клапан
19. выпускной коллектор
20. катализатор очистки выхлопного газа с впускной стороны
21. корпус с впускной стороны
22. выхлопная трубка
23. корпус с выпускной стороны
24. катализатор очистки выхлопного газа с выпускной стороны
31. ЭБУ
39. расходомер
40. датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны
41. датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны