СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ СТАРЕНИЯ ДАТЧИКА КИСЛОРОДА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF OXYGEN SENSOR AGING COMPENSATION (EMBODIMENTS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в общем относится к датчикам кислорода.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для замеров содержания различных компонентов отработавших газов могут использоваться датчики впускного и/или отработавшего газов. Сигнал датчика кислорода, например, может быть использован для определения воздушно-топливного отношения (ВТО) отработавших газов. Аналогично, датчик кислорода может быть размещен во впускном канале двигателя для определения ВТО впускного газа. В обоих случаях замеры ВТО впускного и отработавшего газов могут быть использованы для регулировки различных рабочих параметров двигателя, таких, например, как подача топлива и целевое ВТО. В частности, ВТО отработавших газов может регулироваться для достижения целевого ВТО в целях максимизации эффективности работы устройства снижения токсичности отработавших газов. Сигналы некоторых датчиков кислорода могут значительно изменяться в зависимости от их рабочей температуры. В принципе, эти датчики кислорода могут нагреваться нагревательным элементом для достижения желаемого диапазона рабочих температур, чтобы обеспечить желаемое определение содержания кислорода.
Авторы настоящего изобретения установили, что старение датчика кислорода, например универсального датчика кислорода в отработавших газах (УКОГ), может изменить соотношение между температурой и импедансом. Например, импеданс, дающий желаемую температуру не подвергшегося старению датчика УКОГ, может отличаться от импеданса, дающего желаемую температуру подвергшегося старению датчика УКОГ. Если не прибегать к компенсации этого изменения соотношения между температурой и импедансом датчика, нагреватель подвергшегося старению датчика УКОГ может регулироваться для достижения импеданса, дающего желаемую температуру не подвергшегося старению датчика УКОГ. Однако может оказаться, что вместо этого достигнута превосходящая желаемую температура датчика, которая может иметь следствием неточный сигнал датчика и, в результате, ухудшение характеристик работы двигателя.
В патенте США №4178793 раскрыто устройство для измерения импеданса датчика кислорода в отработавших газах. В одном из примеров датчика кислорода имеет переменный внутренний импеданс и подключен последовательно с элементом, имеющим опорный импеданс, и полупроводниковым переключателем. От источника постоянного тока в точку соединения датчика и элемента, имеющего опорный импеданс на одной из клемм датчика подается ток для обеспечения минимального тока и малого импеданса переключателя, когда импеданс датчика велик. Могут быть сняты показания величины напряжения на клемме датчика с полупроводниковым переключателем в его проводящем и непроводящем состояниях. Соотношение этих величин меняется с изменением импеданса датчика. В некоторых примерах для регулировки работы нагревателя датчика могут быть выполнены сравнения указанного соотношения с одним или несколькими опорными значениями. В некоторых вариантах такое сравнение может предопределить нагрев датчика нагревателем для достижения желаемого импеданса датчика.
Авторы настоящего изобретения увидели ряд проблем, возникающих в связи с описанным выше решением. Хотя создание специальной схемы определения импеданса датчика может облегчить измерение импеданса датчика в зависимости от времени, но введение такой схемы увеличивает стоимость, сложность и размеры узла датчика. Кроме того, не учитываются другие факторы, которые могут влиять на определение содержания кислорода, например, влажность. Так что, несмотря на возможность замерять импеданс датчика кислорода, могут тем не менее иметь место неточности при определении содержания кислорода.
Один подход, который, по меньшей мере частично, решает вышеуказанные проблемы, предусматривает способ эксплуатации датчика кислорода, включающий шаг, на котором корректируют установочное значение импеданса на основе изменения тока накачки для сухого воздуха датчика кислорода.
В одном из конкретных примеров нагревательный элемент, соединенный с датчиком кислорода, регулируют соответственно откорректированному установочному значению импеданса.
В одном из частных примеров установочное значение импеданса корректируют, исходя из желаемой рабочей температуры датчика кислорода.
Согласно другой особенности этого примера, рабочая температура датчика кислорода является функцией откорректированного установочного значения импеданса.
Согласно еще одной особенности этого примера, датчик кислорода представляет собой универсальный датчик кислорода в отработавших газах.
Таким образом, изменения соотношения между установочным значением импеданса датчика кислорода и результирующей рабочей температурой могут быть скомпенсированы. Следовательно, такими действиями достигается технический результат.
Вышеуказанные преимущества, а также другие преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания вариантов его осуществления при их рассмотрении независимо или совместно с сопроводительными чертежами.
Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание дано для представления в упрощенной форме отдельных идей, которые далее раскрываются в подробном описании. Вышеприведенное не имеет цели представить ключевые или существенные признаки заявляемого объекта, объем которого определяется только формулой изобретения, следующей за подробным описанием. Кроме того, заявляемый объект не ограничен вариантами осуществления, устраняющими какие-то недостатки, отмеченные выше или в какой-либо части данного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На ФИГ. 1 показана блок-схема двигателя с турбонаддувом.
На ФИГ. 2 представлено схематическое изображение примера датчика кислорода.
На ФИГ. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая программу компенсации изменений соотношения между импедансом и температурой датчика кислорода.
На ФИГ. 4 показаны графики сигнала датчика кислорода при различных значениях влажности в зависимости от приложенного напряжения.
На ФИГ. 5 показаны графики рабочей температуры в зависимости от установочного значения импеданса для одного примера датчика кислорода.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Датчики кислорода часто используют в двигателях внутреннего сгорания для обеспечения замеров различных компонентов газов. Датчик кислорода может быть расположен в выпускной системе двигателя и выполнен, например, с возможностью указания воздушно-топливного отношения (ВТО) отработавших газов. Альтернативно или дополнительно, датчик кислорода может быть расположен во впускной системе двигателя и выполнен с возможностью указания ВТО впускного газа. Сигнал датчика кислорода может быть использован для регулировки различных рабочих параметров двигателя, включая, но не ограничительно, подачу топлива и целевое ВТО. Сигнал некоторых датчиков кислорода сильно меняется в зависимости от их рабочей температуры. В принципе, для точной регулировки рабочей температуры датчика кислорода может быть использован нагревательный элемент.
В некоторых подходах импеданс датчика кислорода может отслеживаться и использоваться для регулировки рабочей температуры датчика кислорода, так как импеданс и результирующая рабочая температура сильно связаны друг с другом. Соответственно, желаемая рабочая температура, обеспечивающая желаемую работу датчика, может быть выбрана и достигнута регулировкой импеданса датчика на желаемое установочное значение. Однако старение датчика может изменить соотношение между рабочей температурой и установочным значением импеданса так, что установочное значение импеданса, приводящее к желаемой рабочей температуре не подвергшегося старению датчика кислорода, приводит к нежелательной рабочей температуре подвергшегося старению датчика кислорода. На работу датчика кислорода могут также влиять и другие факторы, например влажность.
Предлагаются различные способы для компенсации изменений соотношения между установочным значением импеданса и рабочей температурой датчика кислорода. В одном из вариантов осуществления способ эксплуатации датчика кислорода включает в себя корректировку установочного значения импеданса на основе изменения тока накачки для сухого воздуха датчика кислорода. На ФИГ. 1 показана блок-схема двигателя с турбонаддувом, на ФИГ. 2 представлено схематическое изображение примера датчика кислорода, на ФИГ. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая программу компенсации изменений соотношения между импедансом и температурой датчика кислорода, на ФИГ. 4 показаны графики сигнала датчика кислорода в зависимости от приложенного напряжения при различных значениях влажности и на ФИГ. 5 показаны графики рабочей температуры в зависимости от установочного значения импеданса для одного примера датчик кислорода. Двигатель по ФИГ. 1 содержит также контроллер, выполненный с возможностью осуществления способов, представленных на ФИГ. 3.
На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение примера двигателя 10, который может быть включен в тяговую систему автомобиля. Показан двигатель 10 с четырьмя цилиндрами 30. Однако согласно настоящему изобретению возможно и другое количество цилиндров. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, содержащей контроллер 12, и командами водителя 132 автомобиля через устройство 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для выдачи пропорционального сигнала положения педали (ПП). Каждая камера сгорания (например, цилиндр) 30 двигателя 10 может содержать стенки камеры сгорания, охватывающие поршень (не показан). Поршни могут быть соединены с коленчатым валом 40 так, что возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии (не показана). Далее, с коленчатым валом 40 может быть через маховик соединен стартер для запуска двигателя 10.
Камера сгорания 30 может получать впускной воздух, прошедший через впускной канал 42, из впускного коллектора 44, а газообразные продукты сгорания могут выходить через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной коллектор 46 могут выборочно соединяться с камерой сгорания 30 через, соответственно, впускные клапаны и выпускные клапаны (не показаны). В некоторых вариантах осуществления камера сгорания 30 может содержать два или несколько впускных клапанов и/или два или несколько выпускных клапанов.
Топливные инжекторы 50 показаны соединенными непосредственно с камерой сгорания 30 для впрыска топлива непосредственно в цилиндр пропорционально длительности импульса впрыска топлива (ИВТ), поступающего из контроллера 12. Таким образом, топливный инжектор 50 обеспечивает так называемый «прямой впрыск» топлива в камеру сгорания 30. Топливный инжектор может быть установлен, например, в боковине или в вершине камеры сгорания. Топливо может подаваться к топливному инжектору 50 топливной системой (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах осуществления камеры сгорания 30 могут, альтернативно или дополнительно, содержать топливный инжектор, расположенный во впускном коллекторе 44 и выполненный для так называемого впрыска топлива во впускной канал выше по потоку относительно каждой из камер сгорания 30.
Впускной канал 42 может содержать дроссели 21 и 23 с дроссельными заслонками 22 и 24, соответственно. В данном конкретном примере положения дроссельных заслонок 22 и 24 могут изменяться контроллером 12 с помощью сигналов, выдаваемых на исполнительный механизм, входящий в состав дросселей 21 и 23. В одном из примеров исполнительные механизмы могут представлять собой электрические исполнительные механизмы (например, электродвигатели), такую систему обычно называют электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссели 21 и 23 могут управляться для изменения количества впускного воздуха, подаваемого в камеру сгорания 30, а также в прочие цилиндры двигателя. Положения дроссельных заслонок 22 и 24 могут сообщаться в контроллер 12 с помощью сигнала положения дросселя (ПД). Впускной канал 42 может также содержать датчик 120 массового расхода воздуха (МРВ), датчик 122 давления воздуха в коллекторе (ДВК) и датчик 123 давления на входе дросселя для выдачи соответственных сигналов МРВ и ДВК в контроллер 12.
x
x
Выпускной канал 48 может получать отработавшие газы из цилиндров 30. Датчик 128 отработавших газов показан соединенным с выпускным каналом 48 выше по потоку относительно турбины 62 и устройства 78 снижения токсичности отработавших газов. В качестве датчика 128 может быть выбран любой подходящий датчик для выдачи индикации воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например, линейный кислородный датчик или УКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), бистабильный датчик кислорода или датчик кислорода в отработавших газах (КОГ), датчик оксидов азота (NO), углеводородов (НС) или окиси углерода (СО). Устройство 78 снижения токсичности отработавших газов может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), ловушку NO, различные другие устройства снижения токсичности отработавших газов или их сочетания.
x
На ФИГ. 1 показано также наличие соединенного с впускным каналом 42 датчика 129 впускного воздуха. Датчик 129 может представлять собой любой подходящий датчик, обеспечивающий индикацию воздушно-топливного отношения (ВТО) впускного газа, например, линейный датчик кислорода или УКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), бистабильный датчик кислорода в отработавших газах (КОГ), нагреваемый КОГ (НКОГ), датчик оксидов азота (NO), углеводородов (НС) или окиси углерода (СО). В некоторых вариантах осуществления оба датчика - датчик 128 и датчик 129 - могут располагаться в двигателе 10, как показано на ФИГ. 1, тогда как в других вариантах осуществления там может располагаться только один из датчиков 128, 129.
Температура отработавших газов может замеряться одним или несколькими датчиками температуры (не показаны), расположенными в выпускном канале 48. Альтернативно, температура отработавших газов может быть выведена из условий работы двигателя, именно частоты вращения, нагрузки, ВТО, запаздывания зажигания и т.д.
Контроллер 12 показан на ФИГ. 1 в виде микрокомпьютера, включающего: микромпроцессорное устройство 102 (МПУ), порты 104 ввода/вывода, электронный носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в данном конкретном примере как микросхема постоянного запоминающего устройства 106 (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство 108 (ОЗУ), энергонезависимую память 110 (ЭП) и шину данных. Контроллер 12, в дополнение к сигналам, описанным выше, может получать различные сигналы от подсоединенных к двигателю 10 датчиков, в частности: замер массового расхода засосанного воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; сигнал температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, показанного схематически внутри двигателя 10; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118, работающего на эффекте Холла (или от датчика другого типа) и соединенного с коленчатым валом 40; замер положения дросселя (ПД) от датчика положения дросселя, как обсуждалось; и замер абсолютного давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122, как обсуждалось. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД, об/мин) может генерироваться контроллером 12 по сигналу ПЗ. Сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика давления в коллекторе может быть использован для индикации разряжения или давления во впускном коллекторе 44. Заметим, что могут быть использованы разнообразные комбинации вышеуказанных датчиков, например датчик МРВ без датчика ДВК или наоборот. В процессе стехиометрической работы датчик ДВК может указывать крутящий момент двигателя. Далее, показания этого датчика, вместе с замеренной частотой вращения двигателя, могут дать оценку введенного в цилиндр заряда (включая воздух). В одном из примеров датчик 118, который также используется как датчик частоты вращения двигателя, может выдавать заданное число равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала 40. В некоторых примерах на носителе постоянного запоминающего устройства 106 могут быть записаны машиночитаемые данные, представляющие собой команды, исполняемые процессором 102 для осуществления способов, раскрытых ниже, а также других вариантов, которые предполагаются, но не указаны конкретно.
Двигатель 10 может также содержать компрессионное устройство, например турбонагнетатель или нагнетатель, включающий, по меньшей мере, компрессор 60, расположенный по ходу впускного коллектора 44. В случае турбонагнетателя компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться от турбины 62, например, через вал или другое соединительное приспособление. Турбина 62 может располагаться по ходу выпускного канала 48 и взаимодействовать с текущими через него отработавшими газами. Привод компрессора может осуществляться с помощью различных устройств. В случае нагнетателя компрессор 60 может, по меньшей мере частично, приводиться от двигателя и/или электрической машины и может не содержать турбины. Таким образом, степень сжатия, обеспечиваемая для одного или нескольких цилиндров двигателя с помощью турбонагнетателя или нагнетателя, может варьироваться контроллером 12. В некоторых случаях турбина 62 может приводить, например, электрический генератор 64 для зарядки аккумулятора 66 через турбопривод 68. Энергия аккумулятора 66 может затем использоваться для привода компрессора 60 через двигатель 70. Далее, датчик 123 может быть размещен во впускном коллекторе 44 для выдачи сигнала НАДДУВ на контроллер 12.
Далее, выпускной канал 48 может содержать перепускной клапан 26 для отведения потока отработавших газов от турбины 62. В некоторых вариантах осуществления перепускной клапан 26 может быть многоступенчатым, например, двухступенчатым перепускным клапаном, в котором первая ступень выполнена для регулировки давления наддува, а вторая ступень выполнена для увеличения теплового потока к устройству 78 снижения токсичности отработавших газов. Перепускной клапан 26 может эксплуатироваться с исполнительным механизмом 150, который может представлять собой электрический исполнительный механизм, например электродвигатель, хотя могут быть предусмотрены и пневматические исполнительные механизмы. Впускной канал 42 может содержать байпасный клапан 27 компрессора, выполненный для обвода впускного воздуха мимо компрессора 60. Перепускной клапан 26 и/или байпасный клапан 27 компрессора могут регулироваться контроллером 12 через исполнительные механизмы (например, исполнительный механизм 150), например, для открытия, когда требуется меньшее давление наддува.
Впускной канал 42 может также содержать охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) 80 (например, промежуточный охладитель) для снижения температуры впускных газов, подаваемых с наддувом или турбонаддувом. В некоторых вариантах осуществления охладитель наддувочного воздуха 80 может быть воздухо-воздушным теплообменником. В других вариантах осуществления охладитель заряда воздуха 80 может быть воздушно-жидкостным теплообменником.
Далее, в раскрываемых вариантах осуществления система рециркуляции отработавших газов (РОГ) может направлять желаемую часть отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 РОГ. Количество газов РОГ, направляемых во впускной канал 42, может изменяться контроллером 12 с помощью клапана 142 РОГ. Далее, датчик РОГ (не показан) может располагаться внутри канала РОГ и может замерять один или несколько параметров, а именно: давление, температуру и концентрацию отработавших газов. Альтернативно, РОГ может регулироваться по расчетному значению, в зависимости от сигналов датчиков МРВ (точка выше по потоку), ДВК (впускной коллектор), температуры воздуха в коллекторе (ТВК) и частоты вращения коленчатого вала. Далее, РОГ может регулироваться в зависимости от показаний датчика кислорода в отработавших газах и/или датчика кислорода во впускном воздухе (во впускном коллекторе). При определенных условиях система РОГ может быть использована для того, чтобы регулировать температуру топливно-воздушной смеси в камере сгорания. На ФИГ. 1 показана система РОГ высокого давления, в которой газы РОГ направляются из точки выше по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку ниже по потоку относительно компрессора турбонагнетателя. В других вариантах осуществления двигатель может дополнительно или альтернативно содержать систему РОГ низкого давления, в которой газы РОГ направляются из точки ниже по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку выше по потоку относительно компрессора турбонагнетателя.
На ФИГ. 2 представлено схематическое изображение примера осуществления датчика 200 кислорода, выполненного с возможностью замера концентрации кислорода (02) в потоке впускного воздуха во впускном канале или в потоке отработавших газов в выпускном канале. Таким образом, датчик 200 может соответствовать, например, одному или обоим датчикам 128 и 129 по ФИГ. 1. Далее, в некоторых вариантах осуществления датчик 200 может быть датчиком УКОГ.
Как показано на ФИГ. 2, датчик 200 содержит несколько уложенных в стопку слоев одного или нескольких керамических материалов. В варианте осуществления по ФИГ. 2 показаны пять керамических слоев: 201, 202, 203, 204 и 205. Эти слои содержат один или несколько слоев твердого электролита, способного пропускать ионы кислорода. К подходящим твердым электролитам относятся, например, но не ограничительно, материалы на основе окиси циркония. Далее, в некоторых вариантах осуществления в тепловом контакте со слоями может быть размещен нагреватель 207 для увеличения ионной проводимости слоев. Хотя представленный датчик кислорода образован из пяти керамических слоев, следует понимать, что датчик кислорода может содержать другое подходящее количество керамических слоев.
2
Слой 202 содержит материал или материалы, создающие диффузионный путь 210. Диффузионный путь 210 сформирован для диффузионного введения газов в первую внутреннюю полость 222. Диффузионный путь 210 может быть создан так, чтобы один или несколько компонентов впускного воздуха или отработавших газов, включая, но не ограничительно, желаемый аналит (например, 02), могли диффундировать во внутреннюю полость 222 с более ограниченной скоростью, чем та, с которой этот аналит может быть закачан или выкачан парой электродов 212 и 214 накачки. Таким образом, в первой внутренней полости 222 может быть получен стехиометрический уровень содержания О.
cp
Датчик 200 содержит также вторую внутреннюю полость 224 внутри слоя 204, отделенного от первой внутренней полости 222 слоем 203. Вторая внутренняя полость 224 сформирована для поддержания постоянного парциального давления кислорода, эквивалентного стехиометрическому условию; например, уровень кислорода, находящегося во второй внутренней полости 224, соответствует такому уровню, какой был бы во впускном воздухе или отработавших газах, если бы воздушно-топливное отношение было стехиометрическим. Концентрация кислорода во второй внутренней полости 224 поддерживается постоянной напряжением V накачки. При этом вторая внутренняя полость 224 может быть названа опорной ячейкой.
Пара чувствительных электродов 216 и 218 расположена с возможностью связи с первой внутренней полостью 222 и опорной ячейке 224. Пара чувствительных электродов 216 и 218 определяет градиент концентрации, который может возникнуть между первой внутренней полостью 222 и опорной ячейкой 224 из-за того, что концентрация кислорода во впускном воздухе или отработавших газах выше или ниже стехиометрического уровня. Высокая концентрация кислорода может быть вызвана бедной смесью впускного воздуха или отработавших газов, тогда как низкая концентрация кислорода может быть вызвана богатой смесью.
2
2
Пара электродов 212 и 214 накачки расположена с возможностью связи с внутренней полостью 222 и выполнена с возможностью электрохимической накачки выбранной составляющей газа (например, О) из внутренней полости 222 через слой 201 и за пределы датчика 200. Альтернативно, эта пара электродов 212 и 214 накачки может быть выполнена с возможностью электрохимической накачки выбранного газа через слой 201 во внутреннюю полость 222. При этом пару накачивающих электродов 212 и 214 можно назвать ячейкой накачки О.
Электроды 212, 214, 216 и 218 могут быть изготовлены из различных подходящих материалов. В некоторых вариантах осуществления электроды 212, 214, 216 и 218 могут быть, по меньшей мере частично, изготовлены из материала, катализирующего диссоциацию молекулярного кислорода. К таким материалам относятся, например, но не ограничительно, платина и/или серебро в составе электродов.
p
p
2
p
P
p
Процесс электрохимической накачки кислорода из внутренней полости 222 или во внутреннюю полость 222 содержит приложение напряжения V к паре электродов 212 и 214 накачки. Напряжение V накачки, приложенное к ячейке накачки О, накачивает кислород в первую внутреннюю полость 222 или выкачивает из нее кислород с целью поддержания стехиометрического уровня кислорода в накачивающей ячейке полости. Результирующий ток I накачки пропорционален концентрации кислорода в отработавших газах. Соответствующая система управления (не показана на ФИГ. 2) генерирует сигнал тока I накачки в зависимости от величины приложенного напряжения V накачки, требуемого для поддержания стехиометрического уровня внутри первой внутренней полости 222. Таким образом, бедная смесь вызовет откачку кислорода из внутренней полости 222, а богатая смесь вызовет накачку кислорода во внутреннюю полость 222.
Следует понимать, что датчик кислорода, раскрытый в настоящем описании, это просто пример осуществления датчика кислорода, и что другие варианты осуществления датчиков кислорода могут иметь дополнительные и/или альтернативные особенности и/или конструкции.
Общеизвестно, что проводимость материала изменяется с температурой. Для проводящего ионы кислорода электролита, например двуокиси циркония, ионная проводимость, как правило, увеличивается с ростом температуры. На проводимость изделий из двуокиси циркония могут влиять и другие факторы, такие, как наличие примесей, границы зерен, структура и геометрия изделия. При неизменных геометрии и структуре, импеданс (который обратно пропорционален проводимости) элемента из двуокиси циркония прямо пропорционален температуре элемента. Импеданс элемента датчика может замеряться путем измерения падения напряжения на элементе датчика, например с использованием устройств переменного тока. Для датчика 200 кислорода может быть, например, специально замерен либо импеданс чувствительной ячейки, состоящей из слоя 203 и электродов 216 и 218, либо ячейки накачки, состоящей из слоя 201 и электродов 212 и 214.
cp
p
p
Соответствующая система управления (не показана на ФИГ. 2) может управлять нагревателем 207 для достижения желаемой температуры датчика 200 кислорода. Желаемая температура может быть выбрана так, чтобы датчик 200 обеспечивал желаемое определение содержания кислорода. Для определения рабочей температуры датчика 200 система управления может замерять импеданс датчика, исходя, например, из напряжений V и V накачки и тока l накачки. Таким образом, достижение желаемого импеданса датчика может интерпретироваться как индикатор того, что желаемая температура датчика была достигнута. Однако, как указано выше, старение датчика кислорода может изменить номинальное соотношение между импедансом датчика и температурой датчика. На определение содержания кислорода датчиком могут влиять и другие факторы, такие, как влажность газов, текущих через датчик 200. Без компенсации этих факторов датчик 200 может дойти до нежелательной рабочей температуры, несмотря на достижение желаемого импеданса. В качестве неограничивающего примера, датчик УКОГ с номинальными характеристиками (например, не подвергшийся старению датчик УКОГ) может достичь температуры 800°С при импедансе 75 Ом. Однако такой же датчик УКОГ, но подвергшийся старению, может иметь значительно отличающийся импеданс при рабочей температуре 800°С, например, 100 Ом. В принципе, когда импеданс подвергшегося старению датчика УКОГ достигает 75 Ом, его температура может быть 900°С, т.е. больше желаемой рабочей температуры. Следует понимать, что желаемой рабочей температурой в некоторых примерах может являться диапазон рабочих температур, который еще до применения датчика может быть выбран на основе известных свойств датчика (например, свойств материала и электрохимических свойств).
На ФИГ. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая программу 300 компенсации изменений соотношения между импедансом и температурой датчика кислорода. Программа 300 может быть использована, например, для компенсации таких изменений датчиков 128, 129 и/или 200 и таких изменений датчиков УКОГ в целом. В некоторых примерах эти изменения могут быть результатом старения датчика.
На шаге 310 программы 300 определяют условия работы двигателя. Условия работы двигателя могут, например, включать, но не ограничительно: ВТО, количество РОГ, поступающих в камеры сгорания, и условия подачи топлива.
Когда условия работы двигателя определены, программа 300 переходит к шагу 312, на котором определяют, выполняются ли выбранные условия. Например, если датчик кислорода является впускным датчиком кислорода, расположенным во впускном канале, выбранные условия могут содержать включение РОГ и отсутствие поступления продувочного газа или газа вентиляции картера во впускной коллектор. В качестве другого примера, когда датчик кислорода является датчиком кислорода в отработавших газах, расположенным в выпускном канале, выбранные условия могут содержать условия отсутствия поступления топлива в двигатель. Условия отсутствия поступления топлива в двигатель включают в себя условия замедления транспортного средства и условия работы двигателя, при которых подача топлива прерывается, но вал двигателя продолжает вращаться и по меньшей мере один впускной клапан и один выпускной клапан работают; таким образом, воздух течет через один или несколько цилиндров, но топливо в цилиндры не впрыскивается. При условии отсутствия поступления топлива в двигатель горение не происходит, и атмосферный воздух может протекать сквозь цилиндр от впуска до выпуска. При таких условиях в датчик кислорода, например впускной или датчик кислорода в отработавших газах, может поступать атмосферный воздух, на котором могут выполняться такие измерения, как определение влажности окружающего воздуха.
Как было отмечено, условия отсутствия поступления топлива в двигатель могут содержать, например, отсечку топлива в режиме замедления (ОТРЗ). ОТРЗ происходит в ответ на сигнал от водителя посредством педали (например, в ответ на отпускание водителем педали акселератора или когда транспортное средство замедляется быстрее некоторой пороговой величины). В ходе ездового цикла условия ОТРЗ могут возникать неоднократно, и, таким образом, в течение ездового цикла могут быть выполнены многочисленные замеры влажности атмосферного воздуха, например, при каждом случае ОТРЗ.
Если определено, что выбранные рабочие условия не соблюдены (НЕТ), программа 300 переходит к шагу 313, на котором продолжается номинальная работа датчика кислорода на основе прежнего установочного значения импеданса. В некоторых примерах номинальная работа датчика может включать в себя номинальное определение содержания кислорода. Прежнее установочное значение импеданса может быть номинальным установочным значением импеданса, применение которого приводит к желаемой рабочей температуре не подвергшегося старению датчика кислорода. Однако в других примерах прежнее установочное значение импеданса может быть ранее определенным неноминальным установочным значением импеданса, определенным, сохраненным и извлеченным согласно программе 300, как раскрыто ниже.
1
p1
2
1
p1
Вернемся к ФИГ. 3; если определено, что выбранные рабочие условия соблюдены (ДА), программа 300 переходит к шагу 314, на котором к ячейке накачки кислорода датчика отработавших газов прикладывают первое напряжение накачки (V) и получают первый ток накачки (I). Первое напряжение накачки может иметь такую величину, при которой кислород выкачивается из ячейки, но в столь малых количествах, что соединения кислорода, например такие, как HO (вода), не диссоциируют (например, V=450 мВ). Приложение первого напряжения вызывает сигнал датчика в виде первого тока накачки (I), указывающего на количество кислорода в пробе газа. Так как двигатель в данном примере эксплуатируется при выбранных условиях (например, при условиях отсутствия поступления топлива в двигатель), количество кислорода может соответствовать количеству кислорода в свежем воздухе, окружающем транспортное средство, или содержанию кислорода во влажном воздухе.
2
p2
2
2
Когда количество кислорода определено, программа 300 переходит к шагу 316, на котором к ячейке накачки кислорода датчика прикладывают второе напряжение накачки (V) и получают второй ток накачки (I). Второе напряжение может быть больше, чем первое напряжение, приложенное к датчику. В частности, второе напряжение может иметь достаточно большую величину, чтобы вызвать диссоциацию желаемого кислородного соединения. Например, второе напряжение может быть достаточно большим, чтобы вызвать диссоциацию молекул HO на водород и кислород (например, V=1,1 В).
p2
2
Приложение второго напряжения вызывает второй ток накачки (I), указывающий на количество кислорода и воды в пробе газа. Следует понимать, что термин "вода" в выражении "количество кислорода и воды", использованном в настоящем описании, относится к количеству кислорода от диссоциации молекул HO в пробе газа.
pdry
В одном частном примере второе напряжение может составлять 950 мВ, при котором вода в воздухе частично диссоциирована (например, при 950 мВ 40% воды в воздухе диссоциирует). В качестве примера на ФИГ. 4 показаны графики 400 сигнала датчика кислорода в некотором диапазоне значений влажности (например, от 0.5% до 10% влажности). Как показано, сигнал датчика при 950 мВ соответствует показателю сухого воздуха в этом диапазоне значений влажности. Таким образом, когда датчик кислорода работает при 950 мВ, может быть получено показание кислорода для сухого воздуха. При этом ток накачки (I) для сухого воздуха датчика кислорода может быть определен при двух различных значениях влажности.
pdry
p1
p2
pdry
p2
p1
На шаге 318 определяют ток накачки (I) для сухого воздуха датчика кислорода. Ток накачки для сухого воздуха может быть током накачки, получаемым, когда соответствующее напряжение накачки прикладывают к ячейке накачки кислорода в сухом воздухе, и может использоваться как поправка к последующим замерам, производимым датчиком. В некоторых примерах ток накачки для сухого воздуха определяют на основе первого и второго токов накачки (I и I) согласно следующему соотношению: I=(I*0.4)+(I*0.6). Однако возможны и альтернативные методы определения тока накачки для сухого воздуха.
На шаге 320 ток накачки для сухого воздуха датчика кислорода сравнивают с током накачки для сухого воздуха не подвергшегося старению (например, нового) датчика кислорода. Ток накачки не подвергшегося старению датчика кислорода можно, например, определять отдельно в условиях испытаний и сохранять в соответствующей структуре данных. В некоторых примерах сравнение этих токов накачки для сухого воздуха может включать в себя определение их разности.
На шаге 322 определяют изменение импеданса (Z) датчика кислорода, требуемое для того, чтобы ток накачки для сухого воздуха датчика кислорода стал равен току накачки для сухого воздуха не подвергшегося старению датчика кислорода (например, номинальному току накачки для сухого воздуха). В некоторых примерах изменение импеданса может быть определено умножением разности токов накачки для сухого воздуха на соответствующую постоянную, которая связывает ток накачки с импедансом (например, на постоянную с размерностью Ом/мА). Эта постоянная может быть приростом импеданса на 1 мА тока накачки и может быть определена автономно в условиях испытаний, например, соответствующих условиям работы датчика кислорода.
На шаге 324 корректируют установочное значение импеданса датчика кислорода. Это установочное значение импеданса может быть откорректировано, например, добавлением изменения импеданса, определенного на шаге 322, к установочному значению импеданса. В некоторых вариантах осуществления соответствующая структура данных (например, справочная таблица), в которой хранятся одно или несколько установочных значений импеданса и одна или несколько результирующих рабочих температур, может быть обновлена по результатам корректировки установочного значения импеданса. В некоторых примерах корректировка установочного значения импеданса может предопределить корректировку функции, которая выдает установочные значения импеданса в зависимости от желаемой рабочей температуры.
В некоторых вариантах осуществления ток накачки для сухого воздуха датчика кислорода может быть возвращен от величины, определенной на шаге 318, к номинальной величине (например, 4,0 мА), соответствующей току накачки для сухого воздуха не подвергшегося старению датчика кислорода, с последующей корректировкой установочного значения импеданса. Благодаря приведению тока накачки для сухого воздуха подвергшегося старению датчика к номинальной величине, калибровка номинального датчика может использоваться в любое время. Это может изменить поведение датчиков с большим разбросом свойств элементов, а также датчиков, которые в значительной мере изменились в результате старения, так что измененное поведение будет соответствовать поведению нового датчика с номинальной передаточной функцией. Кроме того, изменение подвергшегося старению датчика с целью приведения в соответствие его поведения к поведению номинального датчика, позволяет исключить все меры по снижению разброса свойств элементов (к примеру, добавление компенсирующего резистора, сортировку датчиков по выходному сигналу), что снижает стоимость датчика. Вообще, возврат величины тока накачки для сухого воздуха к номинальной величине может позволить уменьшить старение и/или другие эффекты ухудшения свойств датчика.
Как было описано выше, установочное значение импеданса может представлять собой параметр, выбираемый для достижения желаемой рабочей температуры датчика кислорода, при которой может быть достигнута желаемая работа датчика. Поскольку старение датчика кислорода может изменить соотношение между установочным значением импеданса и результирующей рабочей температурой, корректировка установочного значения импеданса согласно программе 300 может облегчить достижение желаемых рабочих температур датчика кислорода, подвергшегося старению. Таким образом, срок службы датчика кислорода может быть увеличен. Кроме того, корректировка установочного значения импеданса, раскрытая в настоящем описании, позволяет избежать высоких рабочих температур, потенциально способных ухудшить показатели работы датчика кислорода, в то время как в других решениях регулировка датчика кислорода может доводить до неприемлемо высоких рабочих температур в результате естественного старения датчика, поскольку нескорректированные установочные значения импеданса все больше и больше сдвигаются в область относительно более высоких рабочих температур.
В принципе, работа датчика кислорода согласно решениям, раскрытым в настоящем описании, может содержать оценку структуры данных для получения таких откорректированных установочных значений импеданса, чтобы достигались желаемые рабочие температуры. Нагревательный элемент (например, нагреватель 207 по ФИГ. 2), соединенный с датчиком кислорода, может затем быть отрегулирован соответственно откорректированным установочным значениям импеданса. Такая регулировка нагревательного элемента может включать в себя измерение импеданса датчика кислорода, например, в закрытом контуре регулирования, в котором нагревательный элемент регулируется для достижения желаемого установочного значения импеданса, причем мгновенные замеры импеданса подаются как сигнал обратной связи в цепь управления нагревательного элемента.
Приведем неограничивающий пример корректировки установочного значения импеданса датчика кислорода. В этом примере ток накачки для сухого воздуха не подвергшегося старению датчика кислорода составляет 4,0 мА и его установочное значение импеданса составляет 75 Ом. Так как этот датчик кислорода не подвергся значительному старению, желаемая рабочая температура (например, 800°С) может быть достигнута регулировкой датчика на основе установочного значения импеданса, равного 75 Ом. В отличие от этого, замеренный ток накачки для сухого воздуха подвергшегося старению датчика кислорода составляет 4.2 мА. Это изменение тока накачки для сухого воздуха может, например, быть результатом увеличения рабочей температуры подвергшегося старению датчика кислорода при его настройке на нескорректированное установочное значение импеданса 75 Ом. Таким образом, разность между токами накачки подвергшегося старению и не подвергшегося старению датчиков составляет 0,2 мА. Эта разность токов накачки затем умножается на постоянную (например, 50 Ом/мА), что дает величину поправки установочного значения импеданса, составляющую 10 Ом. Соответственно, установочное значение импеданса подвергшегося старению датчика кислорода корректируют - например, прибавлением поправки установочного значения импеданса к нескорректированному установочному значению импеданса, что дает откорректированное установочное значение импеданса, равное 85 Ом. Теперь регулировка подвергшегося старению датчика кислорода соответственно откорректированному установочному значению импеданса в 85 Ом может привести датчик кислорода к желаемой рабочей температуре (например, 800°С), тогда как регулировка датчика кислорода на основе нескорректированного установочного значения импеданса в 75 Ом привела бы к нежелательной рабочей температуре (например, 900°С). С установочным значением импеданса, откорректированным до 85 Ом, ток накачки для сухого воздуха подвергшегося старению датчика кислорода может быть возвращен к номинальному току накачки для сухого воздуха (например, 4,0 мА), так как увеличенный ток накачки для сухого воздуха (например, 4,2 мА) может быть результатом чрезмерно высоких рабочих температур, возникших из-за использования нескорректированного установочного значения импеданса.
На ФИГ. 5 показан график 500 рабочей температуры в зависимости от установочного значения импеданса для примера датчика кислорода. В частности, график 500 показывает, как в некоторых примерах может быть выбрано относительно более высокое установочное значение импеданса для достижения желаемой рабочей температуры подвергшегося старению датчика кислорода, в сравнении с относительно меньшим установочным значением импеданса, выбранным для достижения желаемой рабочей температуры не подвергшегося старению (например, нового) датчика кислорода. График 500 содержит график функции 502, связывающей установочное значение импеданса с результирующей рабочей температурой не подвергшегося старению датчика кислорода. В данном примере требуется рабочая температура 800°С, так как при ней может быть обеспечена желаемая работа датчика кислорода. Как показано на ФИГ. 5, установочное значение импеданса 75 Ом дает желаемую рабочую температуру для не подвергшегося старению датчика кислорода. В отличие от этого, график функции 504 показывает, как отличается соотношение между установочным значением импеданса и результирующей рабочей температурой для подвергшегося старению датчика кислорода. Конкретно, для достижения желаемой рабочей температуры подвергшегося старению датчика кислорода выбрано установочное значение импеданса 85 Ом. Вообще, ФИГ. 5 показывает, как для достижения желаемой рабочей температуры в некоторых примерах могут, по мере старения датчика кислорода, выбираться все более возрастающие установочные значения импеданса. Следует, однако, понимать, что ФИГ. 5 приведена в качестве примера и не предполагает наложения ограничений. Графики функций 502 и 504, например, могут иметь другой вид (например, быть нелинейными).
Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры программ управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или транспортных средств. Раскрытые в настоящей заявке способы и программы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в постоянной памяти. Раскрытые в настоящей заявке конкретные программы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и/или функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ, описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и/или функции могут графически изображать код, программируемый в постоянной памяти машиночитаемой среды хранения в системе управления двигателем.
Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и/или свойств, раскрытых в настоящем описании.
В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.