СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к системе управления и способу управления для двигателя внутреннего сгорания, определяющим концентрацию SOx в выхлопных газах с использованием датчика на основе предельного тока, который способен определить концентрацию кислорода в выхлопных газах из двигателя внутреннего сгорания.
2. Описание предшествующего уровня техники
[0002] В качестве датчика, который определяет концентрацию кислорода в выхлопных газах, известен датчик на основе предельного тока, включающий в себя твердый электролит, электродную пару (электродную пару, образованную измерительным электродом и опорным (сравнительным) электродом, а также слой управления диффузией (слой сопротивления диффузии). Твердый электролит способен проводить ионы кислорода. Электродная пара расположена таким образом, чтобы между электродами размещался твердый электролит. Слой управления диффузией расположен так, чтобы ограждать измерительный электрод.
[0003] Принцип определения концентрации кислорода в выхлопных газах с использованием вышеуказанного датчика состоит в следующем. Первоначально, когда напряжение подается на электродную пару таким образом, что между электродной парой образуется заданная разность потенциалов, кислород в выхлопных газах ионизируется на измерительном электроде. Ионы кислорода проходят через твердый электролит и перемещаются на опорный электрод, и затем возвращаются в кислород на опорном электроде посредством рекомбинации. Передвижение электронов вследствие серии электрохимических реакций выдается в виде тока электродной пары. Поскольку слой управления диффузией управляет перемещением кислорода на измерительный электрод, сила тока, который выдается электродной парой, однозначно соответствует концентрации кислорода в выхлопных газах. Таким образом, при измерении тока, который выдается электродной парой, оценивается (определяется) на основе измеренного тока концентрация кислорода в выхлопных газах.
2
2
2
2
2
[0004] В качестве одного из таких детектирующих устройств, имеется детектирующее устройство, которое определяет концентрацию компонента, отличного от кислорода (например, концентрацию HO, то есть, влажность), используя тот факт, что молекула, которая разрушается на измерительном электроде, изменяется тогда, когда изменяется величина напряжения, которое приложено к электродной паре. В частности, в детектирующем устройстве использован датчик, имеющий два комплекта электродной пары (электродная пара со стороны впуска и электродная пара со стороны выпуска). Детектирующее устройство первоначально прикладывает напряжение, достаточное для разрушения кислорода на электродной паре со стороны выпуска, и выделяет во внешнюю среду кислород в выхлопных газах. Далее, детектирующее устройство прикладывает напряжение, достаточное для разложения HO, на электродную пару со стороны выпуска, и измеряет ток, который выдается с электродной пары со стороны выпуска. Детектирующее устройство определяет концентрацию HO в выхлопных газах на основе тока. Таким образом, детектирующее устройство способно измерять ток, выдаваемый из-за HO, как отличающийся от тока, выдаваемого из-за кислорода, таким образом, можно с точностью определить концентрацию HO (см., например, публикацию японской патентной заявки No. 2-122255 (JP 2-122255 А)).
[0005] Далее датчик на основе предельного тока, который способен определить концентрацию кислорода в выхлопных газах, именуется датчиком концентрации кислорода, напряжение, которое подается на электродную пару датчика, именуется напряжением, приложенным к датчику, и ток, который выдается с пары электродов, именуется выходным током датчика. Двигатель внутреннего сгорания именуется двигателем.
[0006] Количество серного компонента, содержащегося в топливе для двигателя, как правило, является чрезвычайно небольшим количеством. Тем не менее, в зависимости от региона, и т.п., в котором используется двигатель, может быть использовано топливо, имеющее достаточно высокую концентрацию серы. В этом случае оксиды серы (SOx) которые образуются во время горения, могут вызвать в выхлопных газах белый дым, и т.п. По этой причине желательно измерять концентрацию серы в топливе. Авторы изобретения обнаружили, что концентрация оксидов серы в выхлопных газах определяется как параметр, зависимый от концентрации серы в топливе.
[0007] В частности, авторами изобретения исследовано, можно ли определить концентрацию оксидов серы в выхлопных газах путем использования способа, примененного в вышеописанном устройстве детектирования. В результате исследования было установлено, что когда напряжение, имеющее уровень разложения оксидов серы (другими словами, восстановления SOx в серу), приложено к электродной паре датчика концентрации кислорода, не только SOx, но и компонент выхлопных газов, отличный от SOx, также разлагается, и было установлено, что непросто измерить отдельно только выходной ток, вызванный SOx. Таким образом, в способе, примененном в существующем устройстве, имеется ситуация, когда трудно с точностью определить концентрацию оксидов серы в выхлопных газах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Изобретение обеспечивает создание системы управления и способа управления, которые способны с точностью определить концентрацию оксидов серы в выхлопных газах двигателя.
[0009] Первый объект изобретения обеспечивает создание системы управления для двигателя внутреннего сгорания, содержащего датчик на основе предельного тока, выполненный с возможностью определения концентрации кислорода в выхлопных газах. Система управления содержит электронный блок управления, выполненный с возможностью: (i) определения концентрации SOx в выхлопных газах; (ii) регулирования двигателя таким образом, чтобы поддерживать постоянное значение концентрации кислорода в выхлопных газах; (iii) выполнения процесса сканирования с постепенным снижением напряжения, а именно напряжения, приложенного к датчику, от первого напряжения до второго напряжения, при этом при первом напряжении в результате восстановления SOx в датчике образуется и накапливается сера, а при втором напряжении сера в датчике окисляется в SOx; (iv) получения во время выполнения процесса сканирования критического значения выходного тока датчика из выходных токов датчика, в то время, когда к датчику прикладывается напряжение, входящее в определенный диапазон напряжения, причем, прогнозируемое критическое значение должно быть выходным сигналом на основе концентрации кислорода, имеющей постоянное значение в этом определенном диапазоне напряжения; и (v) определения концентрации SOx в выхлопных газах на основе этого критического значения и базового значения, причем это базовое значение является значением предельного тока датчика, и значение предельного тока датчика соответствует концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.
[0010] В соответствии с экспериментом и исследованиями авторов изобретения, были получены следующие выводы. Когда выполняется процесс сканирования, выходной ток датчика включает в себя выходной составляющий компонент, вызванный повторным окислением серы, накопленной в датчике, в SOx (то есть, выходной составляющий компонент, вызванный концентрацией оксидов серы), и выходной составляющий компонент, вызванный концентрацией кислорода. Тем не менее, выходной ток, по существу, не включает в себя выходной составляющий компонент, вызванный другим компонентом. Таким образом, когда процесс сканирования выполняется с регулированием, чтобы поддерживать постоянным значение концентрации кислорода в выхлопных газах, выходной ток выдает кривую сигнала, соответствующую концентрации SOx. В частности, выходной ток при регулировании имеет критическое значение (пиковое значение выходного тока), которое изменяется с концентрацией SOx. При сравнении критического значения с выходным составляющим компонентом (то есть, базовым значением), вызванным концентрацией кислорода, имеющей постоянное значение, можно определить концентрацию SOx. Напряжение, приложенное к датчику в момент времени, когда выдается критическое значение, изменяется в зависимости от концентрации кислорода во время выполнения процесса сканирования (иными словами, концентрации кислорода, имеющей постоянное значение). Таким образом, можно определить диапазон приложенного напряжения, в котором прогнозируется получение критического значения (то есть, определенный диапазон напряжения) на основе концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.
[0011] Таким образом, система согласно изобретению выполняет процесс сканирования с таким регулированием, которое поддерживает постоянное значение концентрации кислорода в выхлопных газах, и критическое значение получают на основе выходных токов в определенном диапазоне напряжения, причем прогнозируемое критическое значение должно быть выходным сигналом на основе концентрации кислорода, имеющей постоянное значение в определенном диапазоне напряжения. Таким образом, даже в таких условиях окружающей среды, в которой к выходному току датчика добавляется случайный шум и т.п., система согласно изобретению способна получить критическое значение, пренебрегая шумом и т.п., вне определенного диапазона напряжения. Система согласно изобретению определяет концентрацию SOx в выхлопных газах на основе критического значения и базового значения. В результате, притом, что система согласно изобретению в наиболее возможной степени предотвращает ошибочное измерение, возникающее из-за шума и т.п., система способна определять концентрацию SOx, измеряя (получая) только выходной составляющий компонент, вызванный концентрацией SOx (критическое значение), как выделенный из выходных токов.
[0012] В силу этого, сконфигурированная таким образом система согласно изобретению способна с точностью определить концентрацию SOx в выхлопных газах.
[0013] Как описано выше, система согласно изобретению в процессе определения концентрации SOx в выхлопных газах получает выходной составляющий компонент, вызванный концентрацией SOx (критическое значение выходного тока). Выходной составляющий компонент однозначно соответствует концентрации SOx, таким образом, выходной составляющий компонент, по существу, указывает на концентрацию SOx. Таким образом, концентрация SOx согласно изобретению может отражать, по меньшей мере, концентрацию SOx в выхлопных газах или величину, которая однозначно соответствует концентрации SOx.
[0014] Определенный диапазон напряжения может выражаться в диапазоне напряжения, который включает в себя определенное приложенное напряжение (определенное значение), при котором, как предполагается, выходной ток датчика достигнет критического значения. Определенный диапазон напряжения подразумевает, что ширина диапазона равна нулю (иначе говоря, напряжение, включенное в определенный диапазон напряжения, имеет только определенное значение). Когда ширина особого диапазона напряжения составляет ноль, критическая величина выходного тока соответствует величине выходного тока в момент времени, когда приложенное напряжение равно определенному значению.
[0015] Кроме того, определение концентрации SOx может быть выполнено, например, исходя из того, что концентрация SOx увеличивается при увеличении абсолютной величины разности между критическим значением и базовым значением. При данной системе можно определить концентрацию SOx в выхлопных газах без применения сложных расчетов. Корреляция между абсолютной величиной разности между критическим значением и базовым значением и концентрацией SOx в выхлопных газах может быть заранее определена экспериментально, и т.п.
[0016] Система согласно изобретению не просто измеряет выходной ток для каждого приложенного напряжения. Система способна отдельно измерять только выходной составляющий компонент тока (критическое значение), вызванный SOx в выхлопных газах, за счет использования соответствующего процесса, согласно изобретению названного процесс сканирования. В результате система согласно изобретению способна с точностью определять концентрацию оксидов серы в выхлопных газах.
[0017] Базовое значение может быть получено, когда процесс сканирования выполняется фактически, или может быть получено при обращении к карте, и т.п., определено заранее экспериментальным путем, и т.п.
[0018] В случае, когда базовое значение получают при реальном выполнении процесса сканирования, если заданное время получения базового значения и заданное время выполнения процесса сканирования чрезмерно отделены друг от друга, имеется вероятность того, что точность определения концентрации SOx уменьшается, например, если выходная характеристика датчика изменилась с течением времени. По этой причине, для того, чтобы как можно точнее определить концентрацию оксидов серы, предпочтительно, чтобы заданное время получения базового значения и заданное время выполнения процесса сканирования были как можно ближе друг к другу.
[0019] В вышеуказанной системе управления, второе напряжение может совпадать с напряжением, которое используется, когда определяется концентрация кислорода в выхлопных газах, и электронный блок управления может быть настроен для использования в качестве базового значения, величины выходного тока датчика в заданное время, когда напряжение, приложенное к датчику, снижается до второго напряжения в процессе сканирования.
[0020] Согласно эксперименту и т.п. авторов изобретения, когда выполняется процесс сканирования, обычно повторное окисление всей серы, накопленной в датчике, завершается до того, как второе напряжение достигает приложенного напряжения, которое используется в момент времени, когда определяется концентрация кислорода в выхлопных газах. По этой причине, хотя само по себе второе напряжение является напряжением, при котором может произойти окисление серы, выходной ток в момент времени, когда приложенное напряжение является вторым напряжением, как правило, включает в себя только выходной составляющий компонент, вызванный кислородом.
[0021] По этой причине, система согласно объекту изобретения, в качестве базового значения, использует выходной ток в то время, во время которого приложенное напряжение уменьшилось до второго напряжения. Система согласно объекту изобретения получает базовое значение в заданное время, когда процесс сканирования завершен, таким образом, получение базового значения и выполнение процесса сканирования, по существу, успешно осуществлено. Таким образом, система согласно объекту изобретения способна с дополнительной точностью определить концентрацию SOx в выхлопных газах по сравнению с ситуацией, когда заданное время получения базового значения и заданное время выполнения процесса сканирования отделены один от другого.
[0022] С другой стороны, в случае, когда базовое значение получают при обращении к карте, и т.п., определяют заранее экспериментальным путем, и т.п., так, например, может быть использована корреляция между концентрацией кислорода и предельным током, которая подготовлена для измерения концентрации кислорода.
[0023] В приведенной выше системе управления, электронный блок управления может быть настроен для предварительного сохранения корреляции между концентрацией кислорода в выхлопных газах и величиной предельного тока, и электронный блок управления может быть настроен для использования в качестве базового значения предельного тока, которое получают путем применения к корреляции концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.
[0024] С вышеуказанной конфигурацией, хотя требуется получить концентрацию кислорода в выхлопных газах (постоянное значение) во время процесса сканирования, для определения базового значения не требуется отдельно выполнять измерения, и т.п. Таким образом, система согласно объекту изобретения способна просто и быстро детектировать концентрацию SOx. Поскольку корреляция сохранена заранее, система согласно объекту изобретения способна достоверно определить базовое значение, даже когда концентрация кислорода в выхлопных газах (постоянное значение) во время процесса сканирования варьируется для концентрации оксидов серы.
x
[0025] С точки зрения описанного выше принципа определения концентрации SO, второе напряжение должно быть просто приложенным напряжением, которое ниже, чем приложенное напряжение, при котором критическое значение выдается датчиком.
[0026] В приведенной выше системе управления, второе напряжение может совпадать с нижним предельным значением определенного диапазона напряжения.
[0027] С приведенной выше конфигурацией, поскольку период, во время которого выполняется процесс сканирования (то есть, период, во время которого поддерживается постоянное значение концентрации кислорода в выхлопных газах), не удлиняется более необходимого, можно уменьшить влияние детекции концентрации оксидов серы на работу двигателя внутреннего сгорания.
[0028] Второй объект изобретения предлагает способ управления для двигателя внутреннего сгорания, содержащего датчик на основе предельного тока, выполненный с возможностью определения концентрации кислорода в выхлопных газах. Способ управления содержит: определение концентрации SOx в выхлопных газах; регулирование двигателя таким образом, чтобы поддерживать постоянное значение концентрации кислорода в выхлопных газах; выполнение процесса сканирования с постепенным снижением напряжения, а именно, напряжения, приложенного к датчику, от первого напряжения до второго напряжения, при этом, при первом напряжении в результате восстановления SOx в датчике образуется и накапливается сера, а при втором напряжении сера в датчике окисляется в SOx; получение критического значения выходного тока датчика во время выполнения процесса сканирования из выходных токов датчика, в то время, когда на датчик подается напряжение, входящее в определенный диапазон напряжения, причем прогнозируемое критическое значение должно быть выходным сигналом на основе концентрации кислорода, имеющей постоянное значение в определенном диапазоне напряжения; и определение концентрации SOx в выхлопных газах на основе этого критического значения и базового значения, причем это базовое значение является значением предельного тока датчика, при этом значение предельного тока датчика соответствует концентрации кислорода, имеющей постоянное значение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0029] Особенности, преимущества, а также техническая и промышленная значимость примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых идентичными ссылочными позициями обозначены идентичные элементы, и на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, на котором показана схематическая конфигурация двигателя внутреннего сгорания, в котором применена система управления согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, на котором показана схематическая конфигурация датчика концентрации кислорода на основе предельного тока (одноячейного датчика) согласно варианту осуществления;
Фиг. 3A и фиг. 3B представляют собой графические зависимости, изображающие выходные характеристики датчика концентрации кислорода на основе предельного тока согласно варианту осуществления;
Фиг. 4 представляет собой схематический график, на котором показан пример изменения (кривая сигнала) выходного тока датчика, когда выполняется процесс сканирования согласно варианту осуществления;
Фиг. 5 представляет собой схематический график, на котором показана корреляция между воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) выхлопных газов во время процесса сканирования, и пиковым выходным напряжением согласно варианту осуществления;
Фиг. 6 представляет собой схематический график, на котором показана корреляция между воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) выхлопных газов во время процесса сканирования и определенным диапазоном напряжения согласно варианту осуществления;
Фиг. 7 представляет собой схематический график, на котором показана корреляция между концентрацией SOx в выхлопных газах, и выходным сигналом датчика согласно варианту осуществления;
Фиг. 8 представляет собой временную диаграмму, показывающую пример корреляции между воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) выхлопных газов, напряжением, приложенным к датчику и выходным током датчика согласно варианту осуществления;
Фиг. 9 представляет собой временную диаграмму, которая показывает другой пример корреляции между воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) выхлопных газов, напряжением, приложенным к датчику, и выходным током датчика согласно варианту осуществления;
Фиг. 10 представляет собой блок-схему, на которой показан алгоритм, выполняемый системой управления согласно варианту осуществления; и
Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение, на котором показана схематическая конфигурация датчика концентрации кислорода на основе предельного тока (двухъячеечный датчик) согласно варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0030] На фиг. 1 изображена схематическая конфигурация двигателя 10 внутреннего сгорания, в котором применена система управления согласно варианту осуществления изобретения (далее именуемая системой согласно изобретению).
[0031] Двигатель 10 является двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием (так называемым бензиновым двигателем). Двигатель 10 включает в себя корпусную часть 20, впускную систему 30, выпускную систему 40, педаль 51 акселератора, совокупность датчиков 61-64, а также электронный блок 71 управления. Корпусная часть 20 включает в себя клапан 21 впрыска топлива, свечу 22 зажигания, камеру 23 сгорания, топливный насос 24, трубку 25 подачи топлива, поршень 26, шатун 27 и коленчатый вал 28. Впускная система 30 включает в себя впускной клапан 31, впускной канал 32, впускной коллектор 33, дроссельный клапан 34, впускную трубку 35 и воздухоочиститель 36. Выпускная система 40 включает в себя выпускной клапан 41, выпускной канал 42, выпускной коллектор 43, катализатор 44 очистки выхлопных газов и выхлопную трубу 45. Совокупность датчиков 61-64 включает в себя датчик 61 концентрации кислорода на основе предельного тока, датчик 65 положения коленчатого вала, анемометр 63 и датчик 64 положения педали акселератора.
[0032] Как показано на фиг. 2, датчик 35 концентрации кислорода на основе предельного тока (далее именуемый датчиком 61) включает в себя ячейку 61D датчика, слой 61Е управления диффузией, блок 61F управления датчика, первый алюмооксидный слой 61G, второй алюмооксидный слой 61Н, третий алюмооксидный слой 61I, четвертый алюмооксидный слой 61J, пятый алюмооксидный слой 61K и нагреватель 61L. Ячейка 61D датчика сформирована слоем 61A твердого электролита, измерительным электродом 61B и опорным электродом 61C. В датчике 61 сформированы канал 61M наружного воздуха и внутренняя камера 61N. Датчик 61 является одноячеечным датчиком, имеющим единственную ячейку 61D датчика.
[0033] Датчик 61 размещен в выпускном коллекторе 43 таким образом, что воздействию выхлопных газов подвергается дальний конец (дальний конец со стороны, где расположен слой 61E управления диффузией). С учетом вероятности, что концентрация SOx в выхлопных газах изменяется под действием катализатора 44 очистки выхлопных газов, датчик 61 расположен ниже по потоку от катализатора 44 очистки выхлопных газов.
[0034] Слой 61A твердого электролита выполнен из циркония, или подобного материала, способного проводить ионы кислорода. Измерительный электрод 61B и опорный электрод 61C выполнены из элементов платиновой группы, таких как платина и родий, или сплава, включающего в себя один из элементов платиновой группы. Между измерительным электродом 61B и опорным электродом 61C размещен слой 61A твердого электролита. Измерительный электрод 61B расположен с одной стороны поверхности стенки слоя 61A твердого электролита (в частности, на поверхности стенки, которая формирует внутреннюю камеру 61N). Опорный электрод 61C расположен на другой поверхности стенки слоя 61A твердого электролита (в частности, на поверхности стенки, которая формирует канал 61M наружного воздуха).
[0035] Блок 61F управления датчика соединен с ячейкой 61D датчика таким образом, что измерительный электрод 61B является катодом, а опорный электрод 61C является анодом. Блок 61F управления датчика соединен с нагревателем 61L с возможностью подачи электрической энергии на нагреватель 61L. Блок 61F управления датчика соединен с электронным блоком 71 управления.
[0036] Блок 61F управления датчика принимает управляющий сигнал от электронного блока 71 управления, подает в ячейку 61D датчика напряжение, соответствующее управляющему сигналу, и передает значение тока, который выдается ячейкой 61D датчика, на электронный блок 71 управления. Блок 61F управления датчика принимает управляющий сигнал от электронного блока 71 управления, и подает на нагреватель 61L электрическую энергию, соответствующую управляющему сигналу.
[0037] Подача напряжения в ячейку 61D датчика выполняется путем приложения напряжения к измерительному электроду 61B и опорному электроду 61C таким образом, что между измерительным электродом 61B и опорным электродом 61C (между электродной парой) образуется разница потенциалов согласно управляющему сигналу от электронного блока 71 управления.
[0038] Внутренняя камера 61N представляет собой полость, образованную слоем 61A твердого электролита, слоем 61E управления диффузией, первым алюмооксидным слоем 61G и вторым алюмооксидным слоем 61H. Внутренняя камера 61N отделена слоем 61E управления диффузией от пространства снаружи датчика (внутри выпускного коллектора 43). Слой 61E управления диффузией имеет пористую структуру. Слой 61E управления диффузией управляет скоростью проникновения выхлопных газов из выпускного коллектора 43 во внутреннюю камеру 61N (в более широком смысле, диффузией выхлопных газов в слой 61A твердого электролита). Канал 61M наружного воздуха открыт в пространство снаружи датчика 61.
[0039] Датчик 61 обычно используют для определения концентрации кислорода в выхлопных газах, протекающих внутри выпускного коллектора 43. В частности, когда напряжение для измерения концентрации кислорода (далее именуемого рабочим напряжением) приложено к ячейке 61D датчика, кислород, содержащийся в выхлопных газах внутри внутренней камеры 61N, ионизируется на измерительном электроде 61B. Ионы кислорода проходят от измерительного электрода 61B через слой 61A твердого электролита и перемещаются на опорный электрод 61C. Ионы кислорода, которые достигли опорного электрода 61C, возвращаются в кислород через рекомбинацию, и кислород выпускается в канал 61M наружного воздуха. Перемещение электронов, вызванное серией последовательных электрохимических реакций, измеряется блоком 61F управления датчика, в качестве выходного тока ячейки 61D датчика. Из-за функционирования слоя 61E управления диффузией, сила выходного тока (другими словами, количество ионов кислорода, которые перемещаются между электродной парой) однозначно соответствует концентрации кислорода в выхлопных газах. То есть, выходной ток ячейки 61D датчика имеет значение, соответствующее концентрации кислорода в выхлопных газах. Выходной ток обычно называют предельным током.
[0040] При этом концентрация кислорода в выхлопных газах в основном зависит от воздушно-топливного соотношения в воздушно-топливной смеси перед сгоранием. И наоборот, воздушно-топливное соотношение в воздушно-топливной смеси может оцениваться на основе концентрации кислорода в выхлопных газах. Таким образом, концентрация кислорода в выхлопных газах также рассматривается, как воздушно-топливное соотношение выхлопных газов. В соответствии с таким наименованием, например, концентрация кислорода в выхлопных газах, образуемых в результате сгорания воздушно-топливной смеси, имеющей стехиометрическое воздушно-топливное соотношение, равна, по существу, нулю, и воздушно-топливное соотношение выхлопных газов является стехиометрическим воздушно-топливным соотношением. Далее, напряжение, приложенное к ячейке 61D датчика, рассматривается как напряжение, приложенное к датчику 61, и выходной ток ячейки 61D датчика рассматривается как выходной ток датчика 61.
[0041] Фиг. 3A представляет собой графическую зависимость, которая показывает корреляцию между воздушно-топливным соотношением A/F выхлопных газов, напряжением Vs, приложенным к датчику 61 и выходным током Is датчика 61. Как показано на графике, воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов и сила выходного тока Is (предельного тока) имеют однозначное соответствие, когда приложенное напряжение Vs попадает в определенный диапазон. По этой причине напряжение, которое попадает в этот диапазон, принимается за рабочее напряжение V0 (см. чередующиеся длинные и короткие пунктирные линии на графике). Рабочее напряжение V0 является фиксированной величиной (например, 0,4 В) которое обычно определяют на основе эксперимента, и т.п. Фиг. 3B представляет собой графическую зависимость, которая показывает корреляцию между воздушно-топливным соотношением A/F выхлопных газов и выходным током Is, когда приложенное напряжение Vs равно рабочему напряжению V0. Как показано на графике, воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов определяют только на основе выходного тока Is.
[0042] В системе согласно варианту осуществления, значение выходного тока Is датчика 61 измеряется блоком 61F управления датчика, и передается на электронный блок 71 управления. Электронный блок 71 управления идентифицирует (определяет) воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов путем применения полученного значения выходного тока Is датчика 61 в корреляции, изображенной на фиг. 3B.
[0043] Таким образом, датчик 61, расположенный в двигателе 10, в котором применена система согласно изобретению, представляет собой датчик, имеющий выходную характеристику тока (предельного тока), имеющую однозначное соответствие с концентрацией кислорода в выхлопных газах. Датчик содержит твердый электролит, измерительный электрод и опорный электрод (электродную пару), а также слой управления диффузией. Твердый электролит способен проводить ионы кислорода. Измерительный электрод и опорный электрод расположены так, что твердый электролит размещен между ними. Слой управления диффузией расположен так, чтобы ограждать измерительный электрод. В датчике, имеющем вышеуказанную конфигурацию, приложенное к датчику напряжение может осуществляться, как напряжение, подаваемое на электродную пару для создания разности потенциалов между электродной парой. Выходной ток датчика может осуществляться как ток, выдаваемый электродной парой.
[0044] Как видно опять же на фиг. 1, датчик 65 положения коленчатого вала выполнен с возможностью выдачи сигнала, указывающего на положение поворота коленчатого вала 28. Анемометр 63 выполнен с возможностью выдачи сигнала, указывающего на количество воздуха (количество всасываемого воздуха) в единицу времени, поступающего в двигатель 10. Электронный блок 71 управления на основе этих сигналов вычисляет количество воздуха, которое вводится в камеру сгорания 23. Датчик 64 положения педали акселератора выдает сигнал, указывающий на степень нажатия педали 51 акселератора. На основе этого сигнала электронный блок 71 управления определяет выходной сигнал, который требуется для двигателя 10.
[0045] Электронный блок 71 управления представляет собой электронную схему, образованную, главным образом, известным микропроцессором, включающим в себя ЦП, ПЗУ, ОЗУ, и т.п. ЦП электронного блока 71 управления предназначен для передачи управляющих сигналов на клапан 21 впрыска топлива, дроссельный клапан 34, датчик 61 и т.п., и приемки сигналов, которые выдаются совокупностью датчиков 61-64.
[0046] Система согласно изобретению определяет концентрацию SOx в выхлопных газах с использованием датчика 61. Способ определения концентрации SOx в системе согласно варианту осуществления будет описан со ссылкой на фиг. 4 - фиг. 7.
[0047] В соответствии с экспериментом и исследованием авторами изобретения, было обнаружено, что когда напряжение Vs, приложенное к датчику 61, постепенно уменьшается от расчетного первого напряжения V1 до расчетного второго напряжения V2, выходной ток Is датчика 61 имеет однозначно определенное критическое значение, соответствующее концентрации SOx в выхлопных газах. В последующем процесс постепенного снижения напряжения Vs, приложенного к датчику 61, от первого напряжения V1 до второго напряжения V2, именуется процессом сканирования.
[0048] Сначала процесс сканирования будет описан в общих чертах. Фиг. 4 представляет собой схематический график, показывающий пример кривой сигнала выходного тока датчика 61, когда выполняется процесс сканирования. В выходном токе Is в то время, когда приложенное напряжение Vs уменьшается с первого напряжения V1 до второго напряжения V2 (на графике, кривая сигнала, соединяющая точку A, точку B, точку C, точку D и точку E), локальный минимум (который представляет собой выходной ток в точке C на графике, и далее именуемый пиковой величиной Ip) изменяется с концентрацией SOx в выхлопных газах. Однако выходной ток Is меняется не только вместе с концентрацией SOx в выхлопных газах, но и вместе с воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) выхлопных газов во время процесса сканирования. В соответствии с вышесказанным система согласно изобретению выделяет из выходного тока Is значение, указывающее только на концентрацию SOx в выхлопных газах, и обнаруживает концентрацию SOx в выхлопных газах на основе выделенного значения. Для точного выполнения обнаружения, система согласно изобретению регулирует двигатель 10 таким образом, чтобы во время процесса сканирования поддерживалось постоянное значение воздушно-топливного соотношения выхлопных газов. Выходной ток Is, соответствующий этому постоянному значению, используется как составляющий компонент (базовое значение Iref), соответствующий воздушно-топливному соотношению выхлопных газов.
[0049] Как показано на графике, первое напряжение V1 и второе напряжение V2 выше рабочего напряжения V0 для измерения концентрации кислорода. Таким образом, в случае, когда концентрация кислорода измеряется с использованием датчика 61, при начале процесса сканирования, в системе согласно изобретению приложенное напряжение Vs изменяется от рабочего напряжения V0 до первого напряжения V1 (на графике, см. кривую сигнала, которая соединяет точку F и точку A). Когда процесс сканирования выполнен, в системе согласно изобретению приложенное напряжение Vs снижается от второго напряжения V2 до рабочего напряжения V0 (на графике, см. кривую сигнала, которая соединяет точку E и точку F). В примере, изображенном на графике, для удобства система согласно изобретению поддерживает постоянное значение воздушно-топливного соотношения выхлопных газов не только во время выполнения процесса сканирования (интервал от точки A до точки E), но и в интервалах до и после процесса сканирования (интервал от точки F до точки A, и интервал от точки E до точки F).
[0050] В частности, когда датчик 61 используется для определения воздушно-топливного соотношения выхлопных газов, напряжение Vs, приложенное к датчику 61, представляет собой рабочее напряжение V0 (см. точку F на графике). Когда система согласно изобретению выполняет процесс сканирования, в системе согласно изобретению приложенное напряжение Vs изменяется от рабочего напряжения V0 до первого напряжения V1 (см. точку A на графике). Таким образом, SOx восстанавливается в серу в датчике 61 (в частности, на поверхности измерительного электрода 61B и других элементах), и сера, образовавшаяся в результате реакции восстановления, накапливается в датчике 61 (на поверхности измерительного электрода 61B и других элементах). Количество серы, которое накапливается в датчике 61, соответствует концентрации SOx в выхлопных газах.
[0051] Поскольку сера (S) находится в твердом состоянии при температуре, при которой обычно используется датчик 61, сера (S) накапливается в датчике 61 и не улетучивается из датчика 61. Кроме того, также из-за того факта, что значение предельного тока датчика 61 увеличивается при увеличении концентрации кислорода в выхлопных газах, количество SOx, которое накапливается в единицу времени в датчике 61, увеличивается при возрастании концентрации оксидов серы в выхлопных газах.
2
2
[0052] Поскольку первое напряжение V1 выше, чем рабочее напряжение V0, когда приложенное напряжение Vs является первым напряжением V1, кислород в выхлопных газах также ионизируется в датчике 61, и компонент, отличный от SOx (например, HO) в выхлопных газах также может подвергнуться разложению в датчике 61. Тем не менее, ионы кислорода выделяются датчиком 61 в соответствии с принципом измерения кислорода (см. описание выше) датчиком 61, и вещество (например, H), которое образуется в результате разложения компонента, отличного от SOx, представляет собой, как правило, газ при описанной выше температуре, так что это вещество не накапливается в датчике 61. Таким образом, когда приложенное напряжение Vs является первым напряжением V1, в основном, только сера накапливается в датчике 61.
[0053] Таким образом, первое напряжение V1 является приложенным напряжением, при котором сера, получаемая в результате восстановления SOx в серу в датчике 61, накапливается в датчике 61. В данном примере первое напряжение V1 представляет собой напряжение (например, 1,0 В) которое заранее подтверждено экспериментом или аналогичным образом, при котором происходит восстановление и накопление, и записывается в ПЗУ электронного блока 71 управления.
[0054] Когда приложенное напряжение Vs изменяется от рабочего напряжения V0 до первого напряжения V1, как показано на графике, выходной ток Is датчика 61 увеличивается (см. точку A на графике) из-за вышеописанного восстановления SOx и т.п..
[0055] Далее система согласно изобретению выполняет процесс сканирования, регулируя при этом двигатель 10 таким образом, что поддерживается постоянное значение воздушно-топливного соотношения выхлопных газов. Таким образом, система согласно изобретению постепенно снижает приложенное напряжение Vs от первого напряжения V1. Во время выполнения процесса сканирования в датчике 61 происходит окисление серы в SOx, разложение кислорода и разложение другого компонента в выхлопных газах. По этой причине, в выходной ток Is включен составляющий выходной компонент, вызванный каждой из таких реакций. Тем не менее, согласно эксперименту и т.п., проведенному авторами изобретения, составляющий выходной компонент от другого компонента меньше, чем составляющий выходной компонент, вызванный SOx и кислородом, и, с точки зрения определения концентрации SOx, им можно пренебречь. Таким образом, составляющий выходной компонент Is во время выполнения процесса сканирования, в основном, включает в себя составляющий выходной компонент, вызванный серой (в частности, SOx) и составляющий выходной компонент, вызванный кислородом.
[0056] По этой причине, если концентрация кислорода в выхлопных газах значительно колеблется во время выполнения процесса сканирования, выходной ток Is может существенно меняться, отражая, таким образом, изменения концентрации кислорода, и точность измерения составляющего выходного компонента, вызванного серой (в частности, SOx), может уменьшиться. По этой причине, система согласно изобретению выполняет процесс сканирования, поддерживая при этом постоянное значение воздушно-топливного соотношения выхлопных газов. Таким образом, поскольку составляющий выходной компонент, вызванный кислородом, включенный в выходной ток Is, поддерживается постоянным (поддерживается на значении предельного тока, соответствующего концентрации кислорода, имеющей постоянное значение), выходной ток Is не меняется из-за изменений концентрации кислорода.
[0057] В результате, выходной ток Is выдает кривую сигнала, имеющую однозначно определенное пиковое значение Ip, соответствующее концентрации SOx в выхлопных газах. В частности, выходной ток Is выдает кривую сигнала, которая с уменьшением приложенного напряжения Vs сначала уменьшается и увеличивается снова после прохождения через пиковое значение Ip (см. форму сигнала от точки A до точки E на диаграмме).
[0058] При этом, согласно эксперименту и т.п. авторов изобретения, было установлено, что приложенное напряжение в момент времени, когда выходной ток Is достигает пикового значения Ip (далее именуемое пиковым выходным напряжением Vp), изменяется вместе с концентрацией кислорода (воздушно-топливным соотношением A/F) в выхлопных газах во время выполнения процесса сканирования.
[0059] В качестве конкретного примера, на фиг. 5 показаны кривые сигнала выходных токов Is для трех примеров, в которых воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования различное (тем не менее, концентрация SOx в выхлопных газах является одинаковой для каждого примера). Для удобства в проиллюстрированных трех примерах, процесс сканирования продолжается от первого напряжения V1 до рабочего напряжения V0.
[0060] Как показано на диаграмме, воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования уменьшается в следующем порядке: пример 1, пример 2 и пример 3. Как показано на кривой сигнала в примере 1 (сплошная линия, которая соединяет A1, C1 и F1 на графике), пиковым выходным напряжением в примере 1 является Vp1. Как показано на кривой сигнала в примере 2 (сплошная линия, который соединяет A2, C2 и F2 на графике), пиковым выходным напряжением в примере 2 является значение Vp2, которое ниже значения Vp1. Кроме того, как показано на кривой сигнала в примере 3 (сплошная линия, который соединяет A3, C3 и F3 на графике), пиковым выходным напряжением в примере 3 является значение Vp3, которое ниже, чем значение Vp2. То есть, когда воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования уменьшается, снижается и пиковое выходное напряжение Vp.
[0061] При идеальном условии, когда отсутствует какое-либо влияние, например, возмущения, воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования однозначно соответствует пиковому выходному напряжению Vp. Тем не менее, фактически, благодаря воздействию различных возмущений, и т.п., даже когда воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования является одинаковым, небольшие отклонения могут возникать в пиковом выходном напряжении Vp. По этой причине, как показано на фиг. 6, система согласно изобретению определяет диапазон приложенного напряжения Vs, в котором прогнозируется получение пикового значения Ip выходного тока (диапазон, в который включается прогнозируемое пиковое выходное напряжение Vp, далее именуемый определенным диапазоном напряжения) в зависимости от воздушно-топливного соотношения A/F выхлопных газов во время процесса сканирования. Например, когда воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов имеет значение af, определенный диапазон напряжения определяется, как диапазон от верхней предельной величины Vu до нижней предельной величины Vb. Корреляция, изображенная на фиг. 6, определяется заранее экспериментально и т.п., и записывается в ПЗУ электронного блока 71 управления.
[0062] Возвращаясь снова к фиг. 4, когда система согласно изобретению начинает процесс сканирования, система согласно изобретению устанавливает определенный диапазон напряжения на основе воздушно-топливного соотношения A/F (постоянной величины) выхлопных газов. В данном примере, считается, что воздушно-топливное соотношение A/F имеет значение af, и определенный диапазон напряжения устанавливается как диапазон от верхнего предельного значения Vu до нижнего предельного значения Vb (Vb≤Vs≤Vu).
[0063] Система согласно изобретению получает (измеряет) пиковое значение Ip для выходного тока Is в определенном диапазоне напряжения (см. сплошную линию, которая соединяет точку B, точку C и точку D на диаграмме). Система согласно изобретению завершает процесс сканирования (см. точку E на диаграмме) в заданный момент после выдачи пиковой величины Ip. Приложенное напряжение Vs в момент завершения процесса сканирования, равно второму напряжению V2. Таким образом, второе напряжение V2 является приложенным напряжением для достижения однозначно определенного пикового значения Ip, соответствующего концентрации SOx в выхлопных газах, и является приложенным напряжением, при котором сера окисляется (повторно окисляется) в SOx в датчике 61.
[0064] После этого система согласно изобретению возвращает приложенное напряжение Vs к рабочему напряжению V0 (см. точку F на графике). Как описано выше, в примере, показанном на графике, система согласно изобретению поддерживает постоянное значение (значение af в данном примере) воздушно-топливного соотношения выхлопных газов, что и воздушно-топливное соотношение во время процесса сканирования, пока приложенное напряжение Vs не вернется к рабочему напряжению V0. По этой причине, система согласно изобретению использует в качестве базового значения Iref, выходной ток Is в момент времени, когда приложенное напряжение Vs возвращается к рабочему напряжению V0.
[0065] Система согласно изобретению определяет концентрацию SOx в выхлопных газах на основе базового значения Iref, а пиковое значение Ip выходного тока получают во время процесса сканирования. Таким образом, система согласно изобретению способна анализировать составляющий выходной компонент, вызванный концентрацией SOx в выхлопных газах, как отличающийся от составляющего выходного компонента, вызванного другим компонентом.
[0066] Как пример обнаружения, как показано на графике, система согласно изобретению определяет (устанавливает) концентрацию SOx в выхлопных газах на основе абсолютной величины DEFis разности между пиковым значением Ip и базовым значением Iref. В частности, согласно эксперименту и т.п., авторов изобретения, как изображено на фиг. 7, концентрация Csox оксидов серы увеличивается, когда увеличивается абсолютная величина DEFis разности.
[0067] По этой причине, система согласно изобретению вычисляет абсолютную величину DEFis вышеописанной разности между пиковым значением Ip и базовым значением Iref, и применяет абсолютную величину DEFis разности к корреляции, изображенной на фиг. 7. Таким образом, система согласно изобретению определяет (устанавливает) концентрацию Csox оксидов серы в выхлопных газах. Корреляция, изображенная на фиг. 7, заранее определяется экспериментальным путем и т.п., и записывается в ПЗУ электронного блока 71 управления.
[0068] Как описано выше, базовое значение Iref используется для выделения из выходного тока Is только составляющего выходного компонента, вызванного концентрацией SOx. По этой причине, базовое значение Iref может, например, преобразоваться в выходной ток датчика в тот момент времени, когда двигатель регулируется таким образом, что концентрация кислорода в выхлопных газах является постоянной величиной в случае, когда выходной ток датчика зависит только от концентрации кислорода в выхлопных газах.
[0069] Как показано на фиг. 5, даже когда воздушно-топливное соотношение A/F выхлопных газов во время процесса сканирования отличается, но концентрация SOx является такой же, абсолютная величина DEFis вышеописанной разности является такой же самой (на графике величина DEFis1, величина DEFis2 и величина DEFis3 равны между собой). То есть независимо от воздушно-топливного соотношения A/F выхлопных газов во время процесса сканирования, может быть использована корреляция, показанная на фиг. 7.
[0070] Кроме того, на фиг. 6, независимо от величины воздушно-топливного соотношения A/F во время процесса сканирования, ширине особого диапазона напряжения (разность между верхним предельным значением Vu и нижним предельным значением Vb) установлено постоянное значение. Тем не менее, ширина особого диапазона напряжения может быть установлена так, чтобы варьироваться вместе с величиной воздушно-топливного соотношения A/F во время процесса сканирования.
[0071] Причина возникновения пикового значения Ip выходного тока во время выполнения процесса сканирования и причина изменения пикового выходного напряжения Vp вместе с воздушно-топливным соотношением (концентрацией кислорода) во время выполнения процесса сканирования не очевидны в настоящий момент времени. Тем не менее, в циклической вольтамперометрии, являющейся основным способом оценки электрохимических свойств физического объекта, известно, что пик ответного тока возникает вблизи окислительно-восстановительного потенциала вследствие явления управления скоростью электронов или оксидов. Явление, аналогичное данному явлению, как предполагается, возникает во время процесса сканирования согласно изобретению.
[0072] Пример детекции в момент времени, когда описанный выше способ определения действительно применяется на двигателе 10, будет описан со ссылкой на фиг. 8 и фиг. 9. В данном примере система согласно изобретению выполняет процесс сканирования во время заданного периода (между моментом T1 времени и моментом T2 времени) после того момента, когда выполнено условие (подробно описано ниже) обнаружения концентрации оксидов серы в выхлопных газах, и определяет концентрацию оксидов серы в выхлопных газах.
[0073] В частности, в момент t0 времени на фиг. 8, воздушно-топливное соотношение выхлопных газов изменяется на основе требуемой выходной мощности или иных параметров двигателя 10 независимо от определенной концентрации SOx. В момент t0 времени, чтобы измерить воздушно-топливное соотношение выхлопных газов с использованием датчика 61, напряжение Vs, приложенное к датчику 61, устанавливают на рабочее напряжение V0. Выходной ток Is датчика 61 в момент t0 времени равен значению I0, соответствующему воздушно-топливному соотношению выхлопных газов.
[0074] После этого, в заданный момент времени, чтобы начать процесс сканирования, система согласно изобретению увеличивает приложенное напряжение Vs от рабочего напряжения V0 до первого напряжения V1. На графике в момент t1 времени приложенное напряжение Vs достигает первого напряжения V1 (см. точку A на графике). В данном примере, система согласно изобретению выполняет процесс сканирования, поддерживая при этом воздушно-топливное соотношение af выхлопных газов в момент t1 времени. То есть, система согласно изобретению регулирует двигатель 10 таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение выхлопных газов во время выполнения процесса сканирования поддерживалось как постоянное значение af (например, рабочий режим двигателя 10 в момент t1 времени поддерживается в текущем состоянии). Точка A, точка B, точка C, точка D, точка E и точка F на графике, соответственно, аналогичны точке A, точке B, точке C, точке D, точке E и точке F на фиг. 4. Тем не менее, в отличие от примера, изображенного на фиг. 4, в данном примере воздушно-топливное соотношение в момент, отличный от времени выполнения процесса сканирования, не обязательно имеет постоянное значение.
[0075] Система согласно изобретению выполняет процесс сканирования в течение периода от момента t1 времени до момента t2 времени. При этом система согласно изобретению постепенно снижает приложенное напряжение Vs от первого напряжения V1 до второго напряжения V2 с постоянной скоростью, поддерживая при этом воздушно-топливное соотношение в выхлопных газах на постоянном значении af. В данном примере, второе напряжение V2 установлено таким же, как и рабочее напряжение V0. Кроме того, система согласно изобретению устанавливает определенный диапазон напряжения (Vb≤Vs≤Vu), применяя постоянное значение af к карте, которая отражает корреляцию между воздушно-топливным соотношением и особым диапазоном напряжения (который записан в ПЗУ электронного блока 71 управления, и см. также фиг. 6). Система согласно изобретению записывает в ОЗУ электронного блока 71 управления выходные токи Is, в то время как приложенное напряжение Vs, входящее в определенный диапазон напряжения, подается на датчик 61 во время процесса сканирования (сплошная линия, которая соединяет точку B, точку C и точку D на графике).
[0076] Система согласно изобретению вычисляет пиковое значение Ip (см. точку C на графике) на основе выходных токов Is, записанных в ОЗУ. Кроме того, система согласно изобретению использует выходной ток Is в момент t2 времени в качестве базового значения Iref (см. точку E и точку F на диаграмме). В момент t2 времени процесс сканирования завершается. Далее система согласно изобретению вычисляет абсолютную величину DEFis разности между пиковым значением Ip и базовым значением Iref. Система согласно изобретению определяет концентрацию Csox оксидов серы в выхлопных газах, применяя абсолютную величину DEFis разности к карте, которая отражает корреляцию между абсолютной величиной DEFis разности и концентрацией SOx в выхлопных газах (корреляция, изображенная на фиг. 7, записывается в ПЗУ электронного блока 71 управления).
[0077] После завершения процесса сканирования (после момента t2 времени), приложенное напряжение Vs поддерживается на уровне рабочего напряжения V0, и воздушно-топливное соотношение выхлопных газов определяют снова. После момента t2 времени, воздушно-топливное соотношение выхлопных газов снова изменяется на основе требуемой выходной мощности или иных параметров двигателя 10.
[0078] После того как система согласно изобретению вычисляет абсолютную величину DEFis вышеописанной разности, система согласно изобретению может в процессе использовать абсолютную величину DEFis самой разности (например, как сигнал предупреждения для информирования о высокой концентрации SOx или измерения концентрации серы в топливе) как величину, которая однозначно соотносится с концентрацией SOx без получения концентрации оксидов серы.
[0079] Системе согласно изобретению не обязательно определять концентрацию SOx так, как показано на фиг. 8. Например, как изображено на фиг. 9, система согласно изобретению может устанавливать второе напряжение V2 в качестве приложенного напряжения, которое не совпадает с рабочим напряжением V0. Второе напряжение V2 представляет собой приложенное напряжение Vs, при котором процесс сканирования завершается. В частности, в данном примере, система согласно изобретению мгновенно отслеживает выходной ток Is, который записан в ОЗУ, в то время, когда на датчик 61 во время процесса сканирования подается приложенное напряжение Vs, входящее в определенный диапазон напряжения. Система согласно изобретению завершает процесс сканирования в любой момент после того, как будет подтверждено пиковое значение Ip выходного сигнала. Приложенное напряжение Vs в момент времени, когда система согласно изобретению завершает процесс сканирования, таким образом, является вторым напряжением V2 (см. точку D и точку E на фиг. 9). В данном примере, принято, что второе напряжение V2 и нижнее предельное значение Vb определенного диапазона напряжения совпадают; тем не менее, второе напряжение V2 и нижнее предельное значение Vb не обязательно должны быть одинаковыми.
[0080] В данном примере имеется вероятность того, что выходной ток Is в момент t2 времени, в который процесс сканирования завершается, включает в себя не только составляющий выходной компонент, вызванный воздушно-топливным соотношением выхлопных газов, но и составляющий выходной компонент, вызванный концентрацией SOx. По этой причине выходной ток Is при окончании (момент t2 времени на фиг. 8) процесса сканирования не может быть использован как базовое значение Iref, в отличие от примера детекции, изображенного на фиг. 8. По этой причине в данном примере в качестве базового значения Iref на карте, изображенной на фиг. 3B, используется выходной ток во время процесса сканирования, измеренный другим датчиком концентрации кислорода (не показан), отличном от датчика 61, либо выходной ток, который получают путем применения воздушно-топливного соотношения выхлопных газов, оцениваемого, исходя из рабочего состояния двигателя 10 во время процесса сканирования. Когда используется другой датчик, чтобы повысить точность определения концентрации SOx, предпочтительно, чтобы выходная характеристика другого датчика и выходная характеристика датчика 61 были одинаковыми, или выходной ток другого датчика преобразовывался (корректировался) в выходной ток датчика 61 и использовался.
[0081] В данном примере детекции, процесс определения концентрации SOx может усложниться по сравнению с примером детекции, изображенном на фиг. 8. Тем не менее, этот пример детекции предпочтителен тем, что продолжительность времени, в течение которого выполняется процесс сканирования, сокращен по сравнению с примером детекции, изображенным на фиг. 8.
[0082] Кроме того, система согласно изобретению может использовать воздушно-топливное соотношение, отличное от воздушно-топливного соотношения af выхлопных газов в начале (момент t1 времени) процесса сканирования, как и воздушно-топливное соотношение (концентрацию кислорода) выхлопных газов во время процесса сканирования. Например, могут быть использованы в качестве воздушно-топливного соотношения выхлопных газов во время процесса сканирования заданное единственное фиксированное значение, значение, выбранное из множества подготовленных фиксированных величин и т.п.
[0083] Как описано выше, кривая сигнала выходного тока Is во время процесса сканирования возникает в результате повторного окисления серы, накопленной в датчике 61. По этой причине, концентрация SOx в выхлопных газах, которая определяется системой согласно изобретению, строго указывает на концентрацию SOx в выхлопных газах в момент, когда сера накапливается в датчике 61 (в начале процесса сканирования). С другой стороны, в зависимости от конфигурации, расположения, и т.п. датчика 61, может понадобиться определенная продолжительность времени, чтобы накопить достаточно серы с достаточным количеством для определения концентрации SOx. В этом случае, концентрация SOx, определяемая системой согласно изобретению, указывает на среднее значение концентрации SOx в выхлопных газах в течение периода, когда происходит накопление серы в датчике 61.
[0084] Реальная работа системы согласно изобретению будет описана со ссылкой на фиг. 10. В системе согласно варианту осуществления, ЦП электронного блока 71 управления выполняет алгоритм, изображенный на фиг. 10, выполняет процесс сканирования, регулируя при этом двигатель 10 таким образом, чтобы поддерживать постоянное значение воздушно-топливного соотношения (концентрация кислорода) выхлопных газов, и определяет концентрацию SOx в выхлопных газах на основе выходного тока Is в определенном диапазоне напряжения.
[0085] В частности, ЦП выполняет алгоритм определения концентрации SOx на фиг. 10, каждый раз, когда истекает заданное время. Когда запускается процесс выполнения алгоритма, ЦП переходит к шагу 1005, и определяет, выполнено ли условие для определения концентрации SOx в текущий момент. В данном примере, условие выполнено, когда двигатель 10 работает в стабильном режиме, и концентрация SOx не определялась с того момента, когда транспортное средство, на котором установлен двигатель 10, было заправлено в последний раз, к настоящему установленному моменту.
[0086] Когда вышеуказанное условие выполнено, ЦП делает утвердительное определение на шаге 1005, и переходит к шагу 1010. На этом шаге, ЦП передает на датчик 61 (на блок 61F управления датчика) управляющий сигнал на увеличение напряжения Vs, приложенного к датчику 61, до первого напряжения V1. В соответствии с управляющим сигналом, датчик 61 увеличивает приложенное напряжение Vs до первого напряжения V1. Перед передачей управляющего сигнала, ЦП передает на датчик 61 управляющий сигнал на поддержание приложенного напряжения Vs на уровне рабочего напряжения V0.
[0087] Далее ЦП переходит к шагу 1015. На этом шаге ЦП начинает регулирование для поддержания постоянного значения концентрации кислорода в выхлопных газах. В данном примере, ЦП поддерживает воздушно-топливное соотношение выхлопных газов, с учетом количества всасываемого воздуха, путем регулирования количества впрыска топлива таким образом, чтобы воздушно-топливное соотношение (концентрация кислорода) выхлопных газов поддерживалось в настоящий установленный момент (момент запуска процесса сканирования). Таким образом, постоянное значение в данном примере является значением концентрации кислорода в выхлопных газах в установленный момент, когда запускается процесс сканирования. Поскольку концентрация кислорода в выхлопных газах (воздушно-топливное соотношение) стабилизируется посредством такого регулирования, это регулирование также именуется стабилизирующим регулированием.
[0088] Далее ЦП переходит к шагу 1020. На этом шаге ЦП устанавливает определенный диапазон напряжения (верхнее предельное значение Vu и нижнее предельное значение Vb диапазона) путем применения воздушно-топливного соотношения к моменту времени, когда выполняется процесс сканирования (то есть, концентрация кислорода, имеющая постоянную величину, и, в данном примере, концентрация кислорода в момент запуска процесса сканирования) к таблице соответствия (карта (A/F) на фиг. 6), которая отражает корреляцию между воздушно-топливным соотношением A/F выхлопных газов и определенным диапазоном напряжения. Определенный диапазон напряжения, по существу, устанавливается одновременно с началом процесса сканирования.
[0089] Далее ЦП переходит к шагу 1025. На этом шаге, притом, что ЦП передает на датчик 61 управляющий сигнал для постепенного снижения приложенного напряжения Vs от первого напряжения V1 до второго напряжения V2, среди выходных токов Is, полученных из датчика 61, ЦП записывает в ОЗУ только выходные токи Is во время того, как приложенное напряжение Vs находится в определенном диапазоне напряжения. В данном примере, второе напряжение V2 установлено таким же напряжением, как и рабочее напряжение V0.
[0090] Далее ЦП переходит к шагу 1030. На этом шаге ЦП записывает в ОЗУ выходной ток Is в установленный момент, когда приложенное напряжение Vs достигло второго напряжения V2 (= рабочему напряжению V0), в качестве базового значения Iref. После этого ЦП переходит к шагу 1035 и завершает стабилизирующее регулирование.
[0091] Далее, ЦП переходит к шагу 1040. На этом шаге ЦП вычисляет пиковое значение Ip выходного тока Is на основе выходных токов Is, записанных в ОЗУ в определенном диапазоне напряжения во время процесса сканирования. Например, ЦП вычисляет скорость изменения выходного тока Is в интервалах заданного времени, и вычисляет выходной ток Is в установленный момент, когда скорость изменения равна нулю (установленный момент, в который скорость изменения переходит от положительного значения в отрицательное значение), в качестве пикового значения Ip. В качестве альтернативного варианта, например, в качестве пикового значения Ip ЦП может вычислить минимальное значение среди выходных токов Is (выборочных значений), записанных в ОЗУ.
[0092] Ряд процессов с шага 1025 до шага 1040 может быть, например, заменен следующим процессом.
(Процесс 1) Все выходные токи Is во время процесса сканирования сохраняются в ОЗУ, и затем пиковое значение Ip вычисляется на основе выбранных из сохраненных выходных токов Is только выходных токов Is, в момент времени, когда приложенное напряжение Vs находится в определенном диапазоне напряжения.
(Процесс 2) Только выходные токи Is в момент времени, когда приложенное напряжение Vs находится в определенном диапазоне напряжения, принимаются и сохраняются в ОЗУ (то есть, когда приложенное напряжение Vs не входит в определенный диапазон напряжения, приемка выходного тока Is запрещена), и затем пиковое значение Ip вычисляют на основе сохраненных выходных токов Is.
(Процесс 3) Выходной ток Is в установленный момент, когда приложенное напряжение Vs совпадает с верхним предельным значением Vu определенного диапазона напряжения, сохраняется в ОЗУ в качестве пикового значения Ip, после чего пиковое значение Ip сравнивается с выходным током Is каждый раз, когда выполняется измерение выходного тока, и, когда выходной ток Is меньше пикового значения Ip, выходной ток Is применяется (обновляется) в качестве нового пикового значения Ip. Эти шаги повторяют до тех пор, пока приложенное напряжение Vs не совпадет с нижним предельным значением Vb определенного диапазона напряжения.
[0093] Далее ЦП переходит к шагу 1045. На этом шаге ЦП вычисляет абсолютную величину DEFis разности между пиковым значением Ip и базовым значением Iref. ЦП переходит к шагу 1050. На этом шаге ЦП определяет концентрацию Csox оксидов серы путем применения вычисленной абсолютной величины DEFis разности к таблице соответствия (карта (DEFis) на графике), которая отражает корреляцию между концентрацией Csox оксидов серы и абсолютной величиной DEFis вышеописанной разности. То есть, на шаге 1050 определяют концентрацию Csox оксидов серы.
[0094] После этого ЦП переходит к шагу 1095, завершая алгоритм. Если условие для определения концентрации SOx не выполнено в то время, когда выполняется шаг S1005 алгоритма, ЦП делает отрицательное определение на шаге 1005, сразу переходит к шагу 1095, и завершает алгоритм.
2
[0095] Таким образом, система согласно изобретению выполняет процесс сканирования, регулируя при это двигатель 10 таким образом, чтобы поддерживать постоянное значение концентрации кислорода в выхлопных газах (воздушно-топливное соотношение), и определяет (детектирует) концентрацию Csox оксидов серы в выхлопных газах на основе базового значения Iref и выходных токов Is датчика 61 в определенном диапазоне напряжения во время процесса сканирования. Таким образом, система согласно изобретению способна с максимально возможной точностью определять концентрацию Csox оксидов серы в выхлопных газах путем предотвращения ошибочного измерения пикового значения Ip, вызванного случайными помехами и т.п., и при этом максимально исключить воздействие компонентов, отличных от SOx, в выхлопных газах (например, кислорода и HO).
[0096] Изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления. Различные альтернативные варианты осуществления могут быть использованы соответственно объему изобретения. Например, датчик 61, установленный в двигателе 10, на котором применена система согласно изобретению, представляет собой одноячеечный датчик, имеющий единственную ячейку 61D датчика. Вместо этого, двигатель 10 может включать в себя датчик, имеющий несколько ячеек 61D датчика (например, двухъячеечный датчик) вместо датчика 61.
[0097] Фиг. 11 представляет собой схематичное изображение, на котором изображена схематическая конфигурация двухъячеечного датчика. Как показано на чертеже, двухъячеечный датчик 62 включает в себя ячейку 62D1 датчика и ячейку 62D2 датчика. Ячейка 62D1 датчика включает в себя слой 62A1 из твердого электролита, измерительный электрод 62B1 и опорный электрод 62C1. Ячейка 62D2 датчика включает в себя слой 62A2 из твердого электролита, измерительный электрод 62B2 и опорный электрод 62C2. Ячейка 62D1 датчика также именуется ячейкой со стороны впуска. Ячейка 62D2 датчика также именуется ячейкой со стороны выпуска.
[0098] Двухъячеечный датчик 62 дополнительно включает в себя слой 62Е управления диффузией, блок 62F управления датчика, первый алюмооксидный слой 62G, второй алюмооксидный слой 62H, третий алюмооксидный слой 62I, четвертый алюмооксидный слой 62J, пятый алюмооксидный слой 62K, шестой алюмооксидный слой 62L, а также нагреватель 62M. Кроме того, в двухъячеечном датчике 62 образованы канал 62N ввода атмосферы и внутренняя камера 62O. Двухъячеечный датчик 62, также как и датчик 61 (см. фиг. 2), должен быть размещен на выпускном коллекторе 43.
[0099] После того, как двухъячеечный датчик 62 выпускает кислород в выхлопных газах наружу из внутренней камеры 62N с использованием ячейки 62D1 со стороны впуска, двухъячеечный датчик 62 способен определить концентрацию SOx в выхлопных газах с использованием ячейки 62D2 со стороны выпуска. Таким образом, когда концентрация SOx определена двухъячеечным датчиком 62, выходной компонент, вызванный кислородом, по существу, не входит в выходной ток ячейки 62D2 со стороны выпуска. По этой причине, по сравнению со случаем, когда используется одноячеечный датчик (в случае с системой согласно изобретению), влияние изменения концентрации кислорода в выхлопных газах на определение концентрации оксидов серы является небольшим. Тем не менее, даже с двухъячеечным датчиком 62, имеется случай, когда кислород в выхлопных газах не полностью выведен ячейкой 62D1 со стороны впуска, и в выхлопных газах по направлению к ячейке 62D2 со стороны выпуска имеется небольшое количество кислорода. По этой причине, применяя систему управления или способ согласно изобретению в двигателе, содержащем двухъячеечный датчик 62, можно с точностью определять концентрацию SOx.
[0100] Кроме того, двигатель 10, в котором применена система согласно изобретению, представляет собой бензиновый двигатель; тем не менее, система управления или способ согласно изобретению также могут быть применены на дизельном двигателе.
[0101] Система согласно изобретению использует способ поддержания рабочего режима двигателя 10 от начала процесса сканирования до завершения процесса сканирования в качестве регулирования для поддержания постоянного значения воздушно-топливного соотношения (концентрации кислорода) выхлопных газов во время процесса сканирования (стабилизирующее регулирование) (см. шаг 1015 на фиг. 10). При таком способе необязательно в каждый момент времени во время процесса сканирования получать воздушно-топливное соотношение выхлопных газов. Тем не менее, система согласно изобретению может регулировать двигатель 10 таким образом, что воздушно-топливное соотношение выхлопных газов подвергается контролю с обратной связью, при этом во время процесса сканирования в качестве стабилизирующего регулирования данные по воздушно-топливному соотношению выхлопных газов поступают в каждый момент времени. Например, система согласно изобретению может использовать способ выполнения контроля с обратной связью для количества впрыскиваемого топлива таким образом, чтобы после определения количества всасываемого воздуха на основе требуемой выходной мощности двигателя 10, воздушно-топливное соотношение выхлопных газов соответствовало постоянному значению. В случае, когда двигатель 10 является дизельным двигателем, система согласно изобретению может использовать в качестве стабилизирующего регулирования способ корректировки количества всасываемого воздуха, объем рециркулирующих выхлопных газов, и т.п., таким образом, чтобы после определения количества впрыскиваемого топлива на основе требуемой выходной мощности двигателя 10, воздушно-топливное соотношение выхлопных газов соответствовало постоянному значению. В случае, когда двигатель 10 используется в сочетании с иным двигателем, и т.п. (например, в случае, когда двигатель 10 установлен на гибридном транспортном средстве), система согласно изобретению может использовать способ компенсации недостаточной выходной мощности иного двигателя, при этом регулируя двигатель 10 таким образом, чтобы поддерживалось постоянное значение воздушно-топливного соотношения выхлопных газов.
[0102] Система согласно изобретению может быть применена для оценки количества компонента серы (концентрации серы), содержащейся в топливе, на основе концентрации оксидов серы в выхлопных газах. Концентрация серы в топливе обычно зависит от типа и иных параметров топлива. По этой причине, концентрацию SOx в выхлопных газах, безусловно, необходимо запрашивать каждый раз, когда топливо поступает в двигатель, для оценки концентрации серы в топливе.