Система управления двигателем внутреннего сгорания - RU2617423C2

Чертежи

Показать все 17 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к системе управления двигателем внутреннего сгорания, которая управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным сигналом датчика воздушно-топливного отношения.

Предшествующий уровень техники

[0002] Ранее была широко известна система управления двигателем внутреннего сгорания, оснащенная датчиком воздушно-топливного отношения в выхлопном канале двигателя внутреннего сгорания, и управляющая количеством подаваемого в двигатель внутреннего сгорания топлива, на основе выходного сигнала этого датчика воздушно-топливного отношения (см., например, ссылки на патентные публикации 1-6). Кроме того, датчик воздушно-топливного отношения, который использован в данной системе управления, также широко известен.

[0003] Такие датчики воздушно-топливного отношения могут быть приблизительно разделены на датчики воздушно-топливного отношения одноячейного типа (например, ссылки 2 и 4) и датчики воздушно-топливного отношения двухячейного типа (например, ссылки 1, 3, и 5). В датчике воздушно-топливного отношения одноячейного типа имеется только одна ячейка, образованная слоем из твердого электролита, через который могут проходить ионы кислорода, и двумя электродами, расположенными на обеих боковых поверхностях данного слоя. Один из электродов при этом открыт воздействию атмосферы, тогда как другой электрод открыт воздействию выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой. В выполненном таким образом датчике воздушно-топливного отношения одноячейного типа, напряжение подается на два электрода, которые расположены на обеих боковых поверхностях слоя из твердого электролита. Вместе с тем, между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита возникает движение ионов кислорода в соответствии с отношением концентраций кислорода между этими боковыми поверхностями. Путем определения тока, генерируемого этим движением ионов кислорода, определяют воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, ниже именуемое также «воздушно-топливным отношением выхлопного газа» (например, ссылка 2).

[0004] С другой стороны, в датчике воздушно-топливного отношения двухячейного типа, имеются две ячейки, каждая из которых образована слоем из твердого электролита, через который могут проходить ионы кислорода, и двумя электродами, расположенными на обеих боковых поверхностях слоя. Одна ячейка из них (эталонная ячейка) выполнена таким образом, что определяемое напряжение (электродвижущая сила) меняется в соответствии с концентрацией кислорода в выхлопном газе, находящимся в измерительной газовой камере. Далее, другая ячейка (насосная ячейка) накачивает кислород и выкачивает его по отношению к выхлопному газу, находящемуся в измерительной газовой камере, в соответствии с насосным током. В частности, насосный ток насосной ячейки устанавливается так, чтобы накачивать кислород и откачивать кислород таким образом, чтобы приводить определяемое напряжение, которое определяется в эталонной ячейке, в соответствие с целевой величиной напряжения. Путем определения этого насосного тока, определяют воздушно-топливное отношение выхлопного газа.

Указатель ссылок

Патентная литература

[0005] PLT 1: Публикация японской патентной заявки No. 2002-357589А

PLT 2: Публикация японской патентной заявки No. 2005-351096А

PLT 3: Публикация японской патентной заявки No. 2004-258043А

PLT 4: Публикация японской патентной заявки No. 2000-536618А

PLT 5: Публикация японской патентной заявки No. 2000-329637А

PLT 6: Публикация японской патентной заявки No. Н8-232723А

PLT 7: Публикация японской патентной заявки No. 2009-162139А

PLT 8: Публикация японской патентной заявки No. 2001-234787А

Сущность изобретения

Техническая задача

[0006] Продолжая сказанное выше, датчик воздушно-топливного отношения, описанный в ссылках 1-5, обычно имеет выходную характеристику, показанную сплошной линией А на фиг. 2. То есть в этом датчике чем больше воздушно-топливное отношение выхлопного газа (то есть, воздушно-топливная смесь беднее), тем больше выходной ток от датчика воздушно-топливного отношения. Кроме того, этот датчик воздушно-топливного отношения выполнен таким образом, что выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0007] Тем не менее, наклон на фиг. 2, то есть отношение величины возрастания выходного тока к величине возрастания топливно-воздушного отношения выхлопного газа (ниже - «степень изменения выходного тока») не обязательно одно и то же, даже если достигается посредством одного и того же производственного процесса. Даже с одной и той же моделью датчиков воздушно-топливного отношения, различия возникают между отдельными датчиками. Кроме того, даже на одном и том же датчике воздушно-топливного отношения, старение и т.п., вызывает варьирование степени изменения выходного тока. В результате, даже если использовать один тип датчиков, в зависимости от экземпляра используемого датчика или периода его эксплуатации, и т.д., как показано на фиг. 2 прерывистой линией В, степень изменения выходного тока становится меньше или, как показано точечной линией С, степень изменения выходного тока становится больше.

[0008] По этой причине, даже при использовании одной и той же модели датчика воздушно-топливного отношения для измерения выхлопного газа с одним и тем же воздушно-топливным отношением, выходной ток датчика воздушно-топливного отношения будет отличаться в зависимости от экземпляра используемого датчика, продолжительности эксплуатации, и т.д. Например, если датчик воздушно-топливного отношения имеет такую выходную характеристику, как показано сплошной линией А, выходной ток становится I₂, когда измеряемый выхлопной газ имеет воздушно-топливное отношение af₁. Тем не менее, если датчик воздушно-топливного отношения имеет такие выходные характеристики, как показано прерывистой линией В и точечной линией С, выходные токи становятся соответственно I₁ и I₃, которые отличны от вышеупомянутого I₂ при измерении выхлопного газа с воздушно-топливным отношением af₁.

[0009] Вследствие этого, в данном датчике воздушно-топливного отношения можно с точностью определить стехиометрическое воздушно-топливное отношение, а также установить, богатое оно или бедное относительно стехиометрического воздушно-топливного отношения (далее богатым воздушно-топливным отношением именуется воздушно-топливное отношение, имеющее величину, меньшую стехиометрического воздушно-топливного отношения, т.е. соответствующее богатой воздушно-топливной смеси, в то время как бедным воздушно-топливным отношением именуется воздушно-топливное отношение, имеющее величину, большую стехиометрического воздушно-топливного отношения, т.е. соответствующее бедной воздушно-топливной смеси), однако, когда воздушно-топливное отношение в выхлопном газе не является стехиометрическим воздушно-топливным отношением, его абсолютное значение (то есть степень обогащения или обеднения воздушно-топливной смеси) не может быть с точностью определено.

[0010] Таким образом, принимая в расчет вышеизложенную проблему, целью настоящего изобретения является создание системы управления двигателем внутреннего сгорания, в которой использован датчик воздушно-топливного отношения, способный определять абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, даже в случаях, когда воздушно-топливное отношение не является стехиометрическим.

Решение проблемы

[0011] Для решения вышеуказанной проблемы согласно первому объекту изобретения предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащая датчик воздушно-топливного отношения, расположенный в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания; и устройство управления двигателем, которое управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным током датчика воздушно-топливного отношения, в которой датчик воздушно-топливного отношения содержит: измерительную газовую камеру, в которую течет выхлопной газ, для которого должно быть определено воздушно-топливное отношение, эталонную ячейку с выходным током эталонной ячейки, который меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа в измерительной газовой камере, и насосную ячейку, которая закачивает и откачивает кислород соответственно в выхлопной газ или из выхлопного газа в измерительной газовой камере в соответствии с насосным током, эталонная ячейка выполнена так, что подаваемое напряжение датчика, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа в измерительной газовой камере так, что, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере является стехиометрическим воздушно-топливным отношением, при повышении подаваемого напряжения датчика в эталонной ячейке, выходной ток эталонной ячейки увеличивается вместе с ним, когда датчик воздушно-топливного отношения определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, подаваемое напряжение датчика в эталонной ячейке зафиксировано на постоянном напряжении, и данное постоянное напряжение представляет собой напряжение, отличное от напряжения, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, и является напряжением, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере представляет собой воздушно-топливное отношение, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, и датчик воздушно-топливного отношения также содержит устройство управления насосным током, которое управляет насосным током таким образом, чтобы выходной ток эталонной ячейки становился равным нулю, и устройство определения насосного тока, которое определяет насосный ток в качестве выходного тока датчика.

[0012] Второй объект изобретения представляет собой первый объект изобретения, в котором эталонная ячейка содержит первый электрод, который подвергается воздействию выхлопного газа внутри измерительной газовой камеры, второй электрод, открытый воздействию эталонной атмосферы, а также слой из твердого электролита, расположенный между первым электродом и вторым электродом, причем датчик воздушно-топливного отношения дополнительно содержит диффузионный регулирующий слой, при этом диффузионный регулирующий слой выполнен так, что выхлопной газ достигает первого электрода через диффузионный регулирующий слой.

[0013] Третий объект изобретения представляет собой второй объект изобретения, в котором диффузионный регулирующий слой выполнен так, что выхлопной газ в измерительной газовой камере достигает первого электрода через диффузионный регулирующий слой.

[0014] Согласно четвертому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по третий, в котором эталонная ячейка выполнена так, чтобы для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа иметь область предельного тока, которая представляет собой область напряжения, где выходной ток эталонной ячейки становится предельным током, при этом постоянное напряжение представляет собой напряжение в области предельного тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0015] Согласно пятому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по третий, в котором эталонная ячейка выполнена так, чтобы иметь для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа в отношении взаимосвязи между поданным напряжением и выходным током эталонной ячейки пропорциональную область, которая представляет собой область напряжения, где выходной ток эталонной ячейки увеличивается пропорционально увеличению поданного напряжения, область разложения влаги, которая представляет собой область напряжения, где выходной ток эталонной ячейки меняется в соответствии с изменением поданного напряжения из-за разложения влаги, и промежуточную область, которая представляет собой область напряжения между указанными пропорциональной областью и областью разложения влаги, при этом постоянное напряжение представляет собой напряжение в промежуточной области, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0016] Согласно шестому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по третий, в котором постоянное напряжение установлено на напряжение между напряжением, при котором выходной ток эталонной ячейки становится нулем, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа на 1% больше, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, и напряжением, при котором выходной ток эталонной ячейки становится нулем, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа на 1% меньше, чем стехиометрическое воздушно-топливного отношение.

[0017] Согласно седьмому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по третий, в котором эталонная ячейка выполнена так, что для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа в отношении взаимосвязи между поданным напряжением и выходным током эталонной ячейки, выходной ток эталонной ячейки увеличивается до первой точки искривления при увеличении поданного напряжения, выходной ток эталонной ячейки увеличивается от первой точки искривления до второй точки искривления при увеличении поданного напряжения, выходной ток эталонной ячейки увеличивается от второй точки искривления при увеличении поданного напряжения, и в области напряжения между первой точкой искривления и второй точкой искривления, степень возрастания выходного тока эталонной ячейки по отношению к степени возрастания поданного напряжения становится меньше, чем в других областях напряжения, и постоянное напряжение установлено на напряжение между первой точкой искривления и второй точкой искривления, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0018] Согласно восьмому объекту изобретения, имеется второй или третий объект изобретения, в котором эталонная ячейка выполнена так, чтобы для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа иметь область увеличения тока, которая представляет собой область напряжения, где выходной ток эталонной ячейки увеличивается вместе с увеличением поданного напряжения, и область меньшего увеличения тока, которая представляет собой область напряжения, где степень увеличения выходного тока эталонной ячейки по отношению к степени увеличения поданного напряжения меньше, чем в области увеличения тока, благодаря наличию диффузионного регулирующего слоя, и постоянное напряжение представляет собой напряжение в области меньшего увеличения тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0019] Согласно девятому объекту изобретения, имеется второй или третий объект изобретения, в котором диффузионный регулирующий слой образован с использованием оксида алюминия, а постоянное напряжение установлено на 0,1 В-0,9 В.

[0020] Согласно десятому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по девятый, в котором устройство управления двигателем заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой заранее определенное воздушно-топливное отношение, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, когда выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится равным нулю.

[0021] Согласно одиннадцатому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с первого по десятый, в котором двигатель внутреннего сгорания содержит катализатор очистки выхлопного газа, который расположен с впускной стороны выпускного канала от датчика воздушно-топливного отношения относительно направления потока выхлопного газа, и который может накапливать кислород, при этом постоянное напряжение установлено на напряжение, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой заранее определенное богатое заданное воздушно-топливное отношение, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0022] Двенадцатый объект изобретения представляет собой одиннадцатый объект изобретения, в котором устройство управления двигателем может управлять воздушно-топливным отношением выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, и при этом, когда выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится равным нулю или меньше, целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа устанавливается на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0023] Тринадцатый объект изобретения представляет собой двенадцатый объект изобретения, в котором устройство управления двигателем содержит средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток датчика воздушно-топливного отношения становится равным нулю или меньше, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не станет заданным количеством накопления, которое меньше, чем максимальное количество накопленного кислорода, и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа становится заданным количеством накопления или больше, так, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля, не достигая максимального количества накопленного кислорода.

[0024] Четырнадцатый объект изобретения представляет собой тринадцатый объект изобретения, в котором разница между средней величиной целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью средства увеличения количества накопленного кислорода, больше чем разница между средней величиной целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью средства уменьшения количества накопленного кислорода.

[0025] Согласно пятнадцатому объекту изобретения, имеется любой объект изобретения с одиннадцатого по четырнадцатый, в котором система управления двигателем внутреннего сгорания содержит датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны, который расположен с впускной стороны выпускного канала от катализатора очистки выхлопного газа относительно направления потока выхлопного газа, и устройство управления двигателем управляет воздушно-топливным отношением на основе выходного сигнала датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, становилось целевым воздушно-топливным отношением.

[0026] Согласно шестнадцатому объекту изобретения имеется пятнадцатый объект изобретения, в котором датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны выполнен так, что поданное напряжение, при котором выходной ток становится равным нулю, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа так, что, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением, при увеличении поданного напряжения на датчике воздушно-топливного отношения с впускной стороны, выходной ток увеличивается вместе с этим, при этом поданное напряжение на датчике воздушно-топливного отношения с впускной стороны ниже поданного напряжения датчика воздушно-топливного отношения.

[0027] Согласно семнадцатому объекту изобретения имеется шестнадцатый объект изобретения, в котором когда датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поданное напряжение на датчике воздушно-топливного отношения с впускной стороны установлено на постоянное напряжение, и постоянное напряжение установлено на напряжение, при котором выходной ток датчика становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

Предпочтительные результаты изобретения

[0028] Согласно настоящему изобретению, предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, в которой использован датчик воздушно-топливного отношения, который может определить абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, даже когда воздушно-топливное отношение в нем не является стехиометрическим воздушно-топливным отношением.

Краткое описание чертежей

[0029] Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использована система управления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет собой вид, на котором показана выходная характеристика датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 4 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 5 представляет собой вид, на котором показана выходная характеристика датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 6 представляет собой вид, на котором схематически показана работа эталонной ячейки.

Фиг.7 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между поданным напряжением датчика и выходным током эталонной ячейки при различных воздушно-топливных отношениях выхлопного газа.

Фиг. 8 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током эталонной ячейки при различных поданных напряжениях датчика.

Фиг. 9 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между поданным напряжением датчика и выходным током эталонной ячейки датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 10 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током эталонной ячейки датчика воздушно-топливного отношения.

Фиг. 11 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между поданным напряжением датчика и выходным током эталонной ячейки

Фиг. 12 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током эталонной ячейки при различных поданных напряжениях датчика, схожий с фиг. 8 и показывающий более широкий диапазон, чем на фиг. 8.

Фиг. 13 представляет собой вид, на котором показан пример конкретного контура, образованного устройством подачи напряжения и устройством определения эталонного тока.

Фиг. 14 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между количеством накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и концентрацией NO_X, а также концентрацией несгоревшего газа в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа.

Фиг. 15 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа, а также временные диаграммы других параметров.

Фиг. 16 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и т.п.

Фиг. 17 представляет собой функциональную блок-схему системы управления двигателем внутреннего сгорания.

Фиг. 18 представляет собой блок-схему, которая показывает порядок управления для расчета величины изменения воздушно-топливного отношения.

Фиг. 19 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и т.п.

Фиг. 20 представляет собой вид датчика в разрезе, схожий с фиг. 3, который схематически показывает конфигурацию датчика воздушно-топливного отношения по третьему варианту осуществления.

Описание вариантов осуществления

[0030] Ниже, ссылаясь на чертежи, устройство управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению будет пояснено подробно. Следует отметить, что в последующем описании одинаковые составные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использовано устройство управления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0031] Описание двигателя внутреннего сгорания в целом

Как видно на фиг. 1, позицией 1 обозначен корпус двигателя, 2 - блок цилиндров, 3 - поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри блока цилиндров 2, 4 - головка блока цилиндров, закрепленная на блоке цилиндров 2, 5 - камера сгорания, образованную между поршнем 3 и головкой 4 блока цилиндров, 6 - впускной клапан, 7 - впускной проход, 8 - выпускной клапан, и 9 - выпускной проход. Впускной клапан 6 открывает и закрывает впускной проход 7, тогда как выпускной клапан 8 открывает и закрывает выпускной проход 9.

[0032] Как показано на фиг. 1, свеча зажигания 10 расположена в центральной части поверхности внутренней стенки головки 4 блока цилиндров, тогда как топливный инжектор 11 расположен на боковой части поверхности внутренней стенки головки 4 блока цилиндров. Свеча зажигания 10 выполнена с возможностью генерирования искры в соответствии с сигналом зажигания. Далее, топливный инжектор 11 впрыскивает заданное количество топлива в камеру сгорания 5 в соответствии с сигналом впрыска. Следует отметить, что топливный инжектор 11 может также быть расположен так, чтобы впрыскивать топливо во впускной проход 7. Кроме того, в настоящем варианте осуществления, в качестве топлива использован бензин с стехиометрическим воздушно-топливным отношением 14,6 на катализаторе очистки выхлопного газа. Тем не менее, двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению может также использовать другое топливо.

[0033] Впускной проход 7 каждого цилиндра соединен с уравнительным ресивером 14 через соответствующую впускную ответвительную трубку 13, тогда как уравнительный ресивер 14 соединен с очистителем воздуха 16 через впускной трубопровод 15. Впускной проход 7, впускная ответвительная трубка 13, уравнительный ресивер 14, и впускной трубопровод 15 образуют впускной канал. Далее, внутри впускного трубопровода 15 расположен дроссельный клапан 18, который приводится в действие приводом 17 дроссельного клапана. Дроссельный клапан 18 может быть приведен в действие приводом 17 дроссельного клапана, что ведет к изменению проходного сечения впускного канала.

[0034] С другой стороны, выпускной проход 9 каждого цилиндра соединен с выпускным коллектором 19. Выпускной коллектор 19 имеет множество ответвительных трубок, которые соединены с выпускным проходом 9 и трубопроводом, на котором собираются все ответвительные трубки. Трубопровод выпускного коллектора 19 соединен с корпусом 21 с впускной стороны, который вмещает в себя катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Корпус 21 с впускной стороны соединен через выхлопную трубку 22 с корпусом 23 с выпускной стороны, который вмещает в себя катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Выпускной проход 9, выпускной коллектор 19, корпус 21 с впускной стороны, выхлопная трубка 22, и корпус 23 с выпускной стороны образуют выпускной канал.

[0035] Электронный блок управления (ЭБУ) 31 представляет собой цифровой компьютер, который оснащен компонентами, соединенными вместе посредством двунаправленной шины 32, такими как ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) 33, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) 34, МПЦ (микропроцессор) 35, входной порт 36, и выходной порт 37. Во впускном трубопроводе 15 установлен расходомер 39 для определения расхода воздуха, протекающего через впускной трубопровод 15. Выходной сигнал расходомера 39 подается через соответствующий аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 38 на входной порт 36. Кроме того, на трубопроводе выпускного коллектора 19 имеется датчик 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, который определяет воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, протекающем внутри выпускного коллектора 19 (то есть, выхлопном газе, направляющемся в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны). Дополнительно в выхлопной трубке 22 расположен датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, который определяет воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, протекающем внутри выхлопной трубки 22 (то есть, выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны и направляющегося в катализатор 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны). Выходные сигналы датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения также поступают через соответствующие АЦП 38 на входной порт 36. Следует отметить, что конфигурации датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения будут пояснены ниже.

[0036] Далее, педаль 42 акселератора имеет соединенный с ней датчик 43 нагрузки, который генерирует выходное напряжение, пропорциональное усилию нажатия на педаль 42 акселератора. Выходное напряжение датчика 43 нагрузки подается на входной порт 36 через соответствующий АЦП 38. Датчик 44 угла поворота коленчатого вала генерирует выходной импульс каждый раз, когда, например, коленчатый вал поворачивается на 15 градусов. Этот выходной импульс подается на входной порт 36. МПЦ 35 вычисляет частоту вращения двигателя, исходя из выходного импульса датчика 44 угла поворота коленчатого вала. С другой стороны, выходной порт 37 соединен через соответствующие приводные цепи 45 со свечами зажигания 10, топливными инжекторами 11, и приводом 17 дроссельного клапана. Следует отметить, что ЭБУ 31 функционирует как система контроля двигателя для управления двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходными сигналами различных датчиков и т.д.

[0037] Конфигурация датчика воздушно-топливного отношения

Далее со ссылкой на фиг. 3 будет пояснена конфигурация датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления. Фиг. 3 представляет собой схематический вид в разрезе датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения. Как будет понятно из фиг. 3, датчики 40 и 41 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления представляют собой двухъячейные датчики воздушно-топливного отношения, каждый из которых включает слой из твердого электролита и пару электродов, образующих двойной блок.

[0038] Как показано на фиг. 3, каждый датчик 40, 41 воздушно-топливного отношения содержит измерительную газовую камеру 51, эталонную газовую камеру 52, и два слоя 53, 54 из твердого электролита, которые расположены на обеих сторонах измерительной газовой камеры 51. Эталонная газовая камера 52 расположена на противоположной стороне измерительной газовой камеры 51 через второй слой 54 из твердого электролита. На боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 51, расположен насосный электрод 55 стороны газовой камеры (третий электрод), тогда как на боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне выхлопного газа, расположен электрод 56 стороны выхлопа (четвертый электрод). Первый слой 53 из твердого электролита, насосный электрод 55 стороны газовой камеры, и электрод 56 стороны выхлопа образуют насосную ячейку 60.

[0039] С другой стороны, на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 51, расположен эталонный электрод 57 стороны газовой камеры (первый электрод), тогда как на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 52, расположен электрод 58 эталонной стороны (второй электрод). Эти второй слой 54 из твердого электролита, эталонный электрод 57 стороны газовой камеры, и электрод 58 эталонной стороны образуют эталонную ячейку 61.

[0040] Между двумя слоями 53 и 54 из твердого электролита расположен диффузионный регулирующий слой 63 так чтобы окружать насосный электрод 55 стороны газовой камеры (третий электрод) насосной ячейки 60 и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61. Вследствие этого, измерительная газовая камера 51 образована первым слоем 53 из твердого электролита, вторым слоем 54 из твердого электролита, и диффузионным регулирующим слоем 63. В измерительную газовую камеру 51, выхлопной газ протекает через диффузионный регулирующий слой 63. Соответственно, электроды, расположенные в измерительной газовой камере 51, то есть, насосный электрод 55 стороны газовой камеры насосной ячейки 60 и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61, открыты через диффузионный регулирующий слой 63 для выхлопного газа. Следует отметить, что диффузионный регулирующий слой 63 не обязательно должен располагаться так, чтобы выхлопной газ, протекающий в измерительную газовую камеру 51, мог пройти через диффузионный регулирующий слой 63. До тех пор, пока выхлопной газ, который достигает эталонного электрода 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61, представляет собой выхлопной газ, который проходит через диффузионный регулирующий слой, диффузионный регулирующий слой может быть расположен любым образом.

[0041] Далее, на боковой поверхности второго слоя 54 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 52, нагревательная часть 64 расположена таким образом, чтобы окружать эталонную газовую камеру 52. Вследствие этого, эталонная газовая камера 52 образована вторым слоем 54 из твердого электролита и нагревательной частью 64. В эту эталонную газовую камеру 52 вводится эталонный газ. В настоящем варианте осуществления эталонная газовая камера 52 открыта атмосферному воздействию. Соответственно, внутрь эталонной газовой камеры 52 атмосферный воздух вводится в качестве эталонного газа.

[0042] Кроме того, нагревательная часть 64 оснащена множеством нагревателей 65. Эти нагреватели 65 могут быть использованы для управления температурой датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения, в частности, температурой слоев 53, 54 из твердого электролита. Нагревательная часть 65 имеет достаточную тепловыделяющую способность для нагрева слоев 53, 54 из твердого электролита до их активации. В дополнение, на боковой поверхности первого слоя 53 из твердого электролита на стороне выхлопного газа расположен защитный слой 66. Защитный слой 66 образован из пористого материала так, чтобы предотвращалось прямое попадание содержащейся выхлопном газе жидкости, и т.д., на электрод 56 стороны выхлопа, тогда как выхлопной газ достигал бы электрода 56 стороны выхлопа.

[0043] Слои 53, 54 из твердого электролита образованы из спеченного ZrO₂ (диоксида циркония), HfO₂, ThO₂, Bi₂O₃ или других оксидов, проводящих ионы кислорода, в который CaO, MgO, Y₂O₃, Yb₂O₃, и т.д., примешаны в качестве стабилизатора. Далее, диффузионный регулирующий слой 63 образован из пористого спеченного оксида алюминия, оксида магния, оксида кремния, шпинели, муллита или других термостойких неорганических веществ. Кроме того, электроды 55-58 выполнены из платины или другого драгоценного металла с высокой каталитической активностью.

[0044] На эталонный электрод 57 стороны газовой камеры и электрод 58 эталонной стороны эталонной ячейки 61, напряжение датчика Vr подается устройством 70 подачи эталонного напряжения, установленным в ЭБУ 31. Кроме того, ЭБУ 31 оснащен устройством 71 определения эталонного выходного тока, которое определяет эталонный выходной ток Ir эталонной ячейки (далее - эталонный выходной ток Ir), протекающий через эти электроды 57, 58 через второй слой 54 из твердого электролита, когда устройство 70 подачи эталонного напряжения подает напряжение датчика Vr.

[0045] Кроме того, между насосным электродом 55 стороны газовой камеры и электродом 56 стороны выхлопа насосной ячейки 60, насосное напряжение Vp подается устройством 72 подачи насосного напряжения, которое установлено в ЭБУ 31. Насосное напряжение Vp, подаваемое устройством 72 подачи насосного напряжения, устанавливается в соответствии с эталонным выходным током Ir, определяемым устройством 71 определения эталонного выходного тока. Более конкретно, насосное напряжение Vp устанавливается в соответствии с разницей между эталонным выходным током Ir, определяемым устройством 71 определения эталонного выходного тока, и заданным целевым током (например, равным нулю). В дополнение, ЭБУ 31 оснащен устройством 73 определения насосного тока, которое определяет насосный ток Ip, протекающий через эти электроды 55 и 56 через первый слой 53 из твердого электролита, когда устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp.

[0046] Следует отметить, что если устройство 72 подачи насосного напряжения меняет насосное напряжение Vp, насосный ток Ip, протекающий через электроды 55, 56, меняется. Другими словами, устройство 72 подачи насосного напряжения, можно сказать, управляет насосным током Ip. Вследствие этого, устройство 72 подачи насосного напряжения действует как устройство управления насосным током, которое управляет насосным током Ip. Следует отметить, что насосный ток Ip, например, меняется при последовательной установке с устройством 72 подачи насосного напряжения переменного сопротивления и изменении этого переменного сопротивления. Поэтому в качестве устройства управления насосным током может быть использовано переменное сопротивление или иные средства, отличные от устройства 72 подачи насосного напряжения.

[0047] Работа датчика воздушно-топливного отношения

Далее со ссылкой на фиг. 4 будет пояснена базовая концепция работы выполненных таким образом датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Фиг. 4 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Во время эксплуатации каждый датчик 40, 41 воздушно-топливного отношения расположен так, чтобы защитный слой 66 и наружная окружная поверхность диффузионного регулирующего слоя 63 были открыты воздействию выхлопного газа. Кроме того, атмосферный воздух вводят в эталонную газовую камеру 52 датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения.

[0048] Вышеупомянутым образом, слои 53, 54 из твердого электролита образованы спеченным оксидом, проводящим ионы кислорода. Вследствие этого, он приобретает свойство генерации электродвижущей силы Е, которая заставляет ионы кислорода перемещаться со стороны боковой поверхности с высокой их концентрацией на сторону боковой поверхности с низкой их концентрацией, если разница возникает в концентрации кислорода между двумя боковыми поверхностями слоев 53, 54 из твердого электролита в состоянии, активированном высокой температурой (свойство кислородной ячейки).

[0049] Напротив, если разность потенциалов возникает между двумя боковыми поверхностями, слои 53, 54 из твердого электролита способны заставить ионы кислорода двигаться так, чтобы отношение концентраций кислорода, возникающее между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита, соответствовало разности потенциалов (свойство кислородного насоса). Более конкретно, когда разность потенциалов возникает между двумя боковыми поверхностями, вызванное этим движение ионов кислорода происходит так, что концентрация кислорода на боковой поверхности, которая имеет положительную полярность, становится больше концентрации кислорода на боковой поверхности, которая имеет отрицательную полярность, в соотношении согласно разности потенциалов.

[0050] Вследствие этого, в насосной ячейке 60, если устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp на насосный электрод 55 стороны газовой камеры и электрод 56 стороны выхлопа, возникает движение ионов кислорода, соответствующее этому. Вместе с таким движением ионов кислорода, кислород закачивается или выкачивается из выхлопного газа, находящегося в измерительной газовой камере 51.

[0051] С другой стороны, в эталонной ячейке 61 в настоящем варианте осуществления посредством механизма, объясненного ниже, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 соответствует богатому заданному воздушно-топливному отношению (заранее определенному воздушно-топливному отношению, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, например, 14,55), эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится равным нулю. С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 становится богаче, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится отрицательным током, сила которого пропорциональна разности между этим богатым воздушно-топливным отношением и богатым заданным воздушно-топливным отношением. Напротив, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере становится беднее, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится положительным током, сила которого пропорциональна разности между этим бедным воздушно-топливным отношением и богатым заданным воздушно-топливным отношением.

[0052] Когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения беднее, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 4(A), выхлопной газ, который имеет бедное воздушно-топливное отношение, протекает в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ с бедным воздушно-топливным отношением, содержащий соответствующее большое количество кислорода, протекает вовнутрь, посредством механизма объясненного ниже, положительный эталонный выходной ток будет протекать через электроды 57 и 58 эталонной ячейки 61 пропорционально разнице бедного воздушно-топливного отношения и богатого заданного воздушно-топливного отношения, и этот эталонный выходной ток будет определен устройством 71 определения эталонного выходного тока.

[0053] Если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет эталонный выходной ток, на основе этого тока, устройство 72 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение на электроды 55 и 56 насосной ячейки 60. В частности, если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет положительный эталонный выходной ток, насосное напряжение подается с использованием электрода 56 стороны выхлопа в качестве положительного электрода и насосный электрод 55 стороны газовой камеры в качестве отрицательного электрода. Подавая насосное напряжение на электроды 55, 56 насосной ячейки 60 указанным образом, на первом слое из твердого электролита 53 насосной ячейки 60, движение ионов кислорода возникнет от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть, от насосного электрода 55 стороны газовой камеры к электроду 56 стороны выхлопа. По этой причине, кислород, содержащийся в измерительной газовой камере 51, выкачивается в выхлопной газ вокруг датчиков 40,41 воздушно-топливного отношения.

[0054] Расход кислорода, выкачиваемого изнутри каждой измерительной газовой камеры 51 в выхлопной газ вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения, пропорционален насосному напряжению. Кроме того, насосное напряжение пропорционально силе положительного эталонного выходного тока, определенного устройством 71 определения эталонного выходного тока. Вследствие этого, чем больше степень обеднения воздушно-топливного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 51, то есть, чем выше концентрация кислорода в измерительной газовой камере 51, тем больше расход кислорода, выкачиваемого изнутри измерительной газовой камеры 51 в выхлопной газ вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. В результате, расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и расход кислорода, выкаченного насосной ячейкой 60, в целом соответствуют один другому. Вследствие этого, воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51 в основном поддерживается, по существу, на богатом заданном воздушно-топливном отношении.

[0055] Расход кислорода, перекаченного насосной ячейкой 60, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются через внутреннюю часть первого слоя 53 из твердого электролита насосной ячейки 60. Кроме того, расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 55, 56 насосной ячейки 60. Соответственно, путем определения насосного тока, протекающего через электроды 55, 56 в качестве выходного тока датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения (далее именуемого также «выходным током датчика»), устройством 73 определения насосного тока, можно определить расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и, таким образом, бедное воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51.

[0056] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения богаче, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 4(B), выхлопной газ с богатым воздушно-топливным отношением будет протекать в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ с богатым воздушно-топливным отношением, содержащий большое количество несгоревшего газа, протекает данным путем вовнутрь через электроды 57 и 58 эталонной ячейки 61, отрицательный эталонный выходной ток будет протекать пропорционально разнице между этим богатым воздушно-топливным отношением и богатым заданным воздушно-топливным отношением. Этот эталонный выходной ток определяется устройством 71 определения эталонного выходного тока.

[0057] Если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет эталонный выходной ток, то на основе этого тока насосное напряжение подается на электроды 55 и 56 насосной ячейки 60 при помощи устройства 72 подачи насосного напряжения посредством механизма, описанного ниже. В частности, если устройство 71 определения эталонного выходного тока определяет отрицательный эталонный выходной ток, насосное напряжение подается с использованием насосного электрода 55 стороны газовой камеры в качестве положительного электрода и электрод 56 стороны выхлопа в качестве отрицательного электрода. При подаче насосного напряжения данным образом, на первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60 движение ионов кислорода возникает от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть, от электрода 56 стороны выхлопа к насосному электроду 55 стороны газовой камеры. По этой причине, кислород, содержащийся в выхлопном газе вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения закачивается в измерительную газовую камеру 51.

[0058] Расход кислорода, закаченного из выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения в каждую измерительную газовую камеру 51, пропорционален насосному напряжению. Далее, насосное напряжение пропорционально силе отрицательного эталонного выходного тока, определенного устройством 71 определения эталонного выходного тока. Вследствие этого, чем больше степень обогащения топливно-воздушного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 51, то есть, чем выше концентрация несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51, тем больше расход кислорода, закаченного в измерительную газовую камеру 51 из выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. В результате, расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и расход кислорода, закаченного насосной ячейкой 60, находятся в химически эквивалентном соотношении и, соответственно, воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51, в основном, поддерживается на богатом заданном воздушно-топливным отношении.

[0059] Расход кислорода, закаченного насосной ячейкой 60, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются внутри первого слоя 53 из твердого электролита в насосной ячейке 60. Кроме того, этот расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 55, 56, насосной ячейки 60. Соответственно, путем определения насосного тока, протекающего между электродами 55 и 56 в качестве выходного тока датчика, при помощи устройства 73 определения насосного тока, можно определить расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, и, таким образом - богатое воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51.

[0060] Далее, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения представляет собой богатое заданное воздушно-топливное отношение, как показано на фиг. 4(C), выхлопной газ с богатым заданным воздушно-топливным отношением протекает в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63. Если выхлопной газ с богатым заданным воздушно-топливным отношением поступает вовнутрь указанным образом, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57, 58 эталонной ячейки 61, становится равным нулю посредством механизма, упомянутого ниже, и эталонный выходной ток определяется устройством 71 определения эталонного выходного тока.

[0061] Если эталонный выходной ток, определенный устройством 71 определения эталонного выходного тока, равен нулю, то вместе с ним насосное напряжение, поданное устройством 72 подачи насосного напряжения, также равно нулю. Вследствие этого, в первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60, не возникает движения ионов кислорода, и соответственно внутри измерительной газовой камеры 51, в основном, удерживается, по существу, богатое заданное воздушно-топливное отношение. Далее, не возникает движения ионов кислорода в первом слое 53 из твердого электролита насосной ячейки 60, и вследствие этого насосный ток (т.е. выходной ток датчика), определяемый устройством 73 определения насосного тока, также становится равным нулю. Вследствие этого, когда насосный ток, определяемый устройством 73 определения насосного тока равен нулю, понятно, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 51 равно богатому заданному воздушно-топливному отношению.

[0062] Выполненные таким образом датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения имеют выходную характеристику, показанную на фиг. 5. То есть, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения, чем больше становится воздушно-топливное отношение выхлопного газа (то есть, чем беднее оно становится), тем больше становится насосный ток Ip (выходной ток датчика). Кроме того, в настоящем варианте осуществления, датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения выполнены так, чтобы насосный ток Ip (выходной ток датчика) становился равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является богатым заданным воздушно-топливным отношением.

[0063] Работа эталонной ячейки

Как пояснено выше, в эталонной ячейке 61 когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 представляет собой богатое заданное воздушно-топливное отношение, эталонный выходной ток, протекающий через электроды 57 и 58, становится равным нулю, тогда как если воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 становится воздушно-топливным отношением, которое отлично от богатого заданного воздушно-топливного отношения, эталонный выходной ток меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением. Ниже со ссылкой на фиг. 6 будет пояснена базовая концепция работы эталонной ячейки 61. Фиг. 6 представляет собой вид, на котором схематически показана работа эталонной ячейки 61. Во время эксплуатации, как пояснено выше, выхлопной газ вводится в измерительную газовую камеру 51 через диффузионный регулирующий слой 63, и атмосферный воздух вводится в эталонную газовую камеру 52. Далее, как показано на фиг. 3 и 6, на датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения, постоянное напряжение датчика Vr подается через электроды 57 и 58 так, чтобы электрод 58 эталонной стороны имел положительную полярность, а электрод стороны 57 газовой камеры имел отрицательную полярность.

[0064] Когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 беднее, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не становится сравнительно большой. Вследствие этого, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита фактическое отношение концентрации кислорода становится меньше, чем отношение концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. По этой причине, как показано на фиг. 6(A), возникает движение ионов кислорода от эталонного электрода 57 стороны газовой камеры на электрод 58 эталонной стороны так, чтобы отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, становилась больше в направлении отношения концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. В результате ток течет от положительного электрода устройства 70 подачи эталонного напряжения, которое подает напряжение датчика Vr, через электрод 58 эталонной стороны, второй слой 54 из твердого электролита, и эталонный электрод 57 стороны газовой камеры, на отрицательный электрод устройства 70 подачи эталонного напряжения.

[0065] Сила тока (эталонного выходного тока) Ir пропорциональна расходу кислорода, протекающего из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение. Вследствие этого, путем определения силы этого тока Ir устройством 71 определения эталонного выходного тока, концентрация кислорода в измерительной газовой камере 51 может быть определена и, в свою очередь, воздушно-топливное отношение в бедной области может быть определено.

[0066] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 51 богаче, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, несгоревший газ протекает из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63 в измерительную газовую камеру 51 и вследствие этого, даже если присутствует кислород на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры, он удаляется реакцией с несгоревшим газом. Вследствие этого, в измерительной газовой камере 51 концентрация кислорода становится крайне низкой и, в результате, отношение концентраций кислорода на двух боковых поверхностях второго слоя 54 из твердого электролита становится большой. По этой причине, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита фактическое отношение концентраций кислорода становится больше по сравнению с отношением концентраций кислорода, соответствующей подаваемому напряжению датчика Vr. Вследствие этого, как показано на фиг. 8 (В), возникает движение ионов кислорода от электрода 58 эталонной стороны к эталонному электроду 57 стороны газовой камеры таким образом, чтобы отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита становилось меньше в направлении к отношению концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. В результате, ток течет от электрода 58 эталонной стороны, через устройство 70 подачи эталонного напряжения, которое подает напряжение датчика Vr, на эталонный электрод 57 стороны газовой камеры.

[0067] Сила тока (эталонного выходного тока) Ir, который протекает в данный момент времени, при установке подаваемого напряжения датчика Vr на соответствующее значение, определяется расходом ионов кислорода, которые перемещаются через второй слой 54 из твердого электролита от электрода 58 эталонной стороны на эталонный электрод 57 стороны газовой камеры. Ионы кислорода реагируют (сгорают) на эталонном электроде 57 стороны газовой камеры с притекающим несгоревшим газом, который протекает из выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 63, и распространяется в измерительной газовой камере 51. Соответственно, расход ионов кислорода соответствует концентрации несгоревшего газа в выхлопном газе, который протекает в измерительную газовую камеру 51. Вследствие этого, путем определения силы этого тока Ir устройством 71 определения эталонного выходного тока можно узнать концентрацию несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 и, в свою очередь, можно узнать воздушно-топливное отношение в богатой области.

[0068] Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 является богатым заданным воздушно-топливным отношением, количество кислорода и количество несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 находятся в химически эквивалентном соотношении. Вследствие этого, каталитическое действие эталонного электрода 57 стороны газовой камеры заставляет кислород и несгоревший газ полностью сгорать, и колебаний концентрации кислорода и несгоревшего газа в измерительной газовой камере 51 не возникает. В результате, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не колеблется, однако, поддерживается как отношение концентраций кислорода, которое соответствует подаваемому напряжению датчика Vr. Вследствие этого, как показано на фиг. 6(C), движения ионов кислорода, обусловленного свойством кислородного насоса, не возникает, и в результате, ток, который протекает через цепь, не генерируется.

[0069] Микроскопические характеристики вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения эталонной ячейки

Авторы настоящего изобретения, задействованные в его глубоком исследовании, между тем обнаружили, что если рассматривать взаимосвязь между поданным напряжением датчика Vr и эталонным выходным током Ir или взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током Ir микроскопически около стехиометрического воздушно-топливного отношения, то результаты становятся такими, как показано на фиг. 7 и 8.

[0070] На фиг. 7 представлен вид, на котором показана взаимосвязь между подаваемым напряжением датчика Vr в эталонной ячейке и эталонным выходным током Ir. Как понятно из фиг. 7, эталонная ячейка имеет область предельного тока, в которой даже при увеличении подаваемого напряжения датчика, эталонный выходной ток Ir практически не увеличивается вообще. Однако, в данной области предельного тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа установлено постоянным, вместе с увеличением подаваемого напряжение датчика Vr, эталонный выходной ток Ir также увеличивается, хотя это увеличение и очень малое. Поэтому, рассматривая в качестве примера случай, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (14,6), когда подаваемое напряжение датчика Vr составляет 0,45 В или около того, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю. С другой стороны, если установить поданное напряжение датчика Vr ниже 0,45 В на некоторую величину (например, 0,2 В), эталонный выходной ток становится величиной ниже нуля. Напротив, если установить поданное напряжение датчика Vr выше, чем 0,45 В на некоторую величину (например, 0,7 В), эталонный выходной ток принимает значение выше нуля.

[0071] Фиг. 8 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током Ir. Из фиг. 8 понятно, что в области вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения, эталонный выходной ток Ir для одного и того же воздушно-топливного отношения выхлопного газа слегка отличается для каждого подаваемого напряжения датчика Vr. Например, в показанном примере в случае, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда подаваемое напряжение датчика Vr равно 0,45 В, эталонный выходной ток Ir равен нулю. Кроме того, при установке подаваемого напряжения датчика Vr более чем 0,45 В, эталонный выходной ток Ir также становится больше нуля, тогда как при установке подаваемого напряжения датчика Vr на величину меньше 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится меньше нуля.

[0072] Кроме того, из фиг. 8 понятно, что для каждого напряжения датчика Vr, воздушно-топливное отношение выхлопного газа в момент, когда эталонный выходной ток Ir становится равным нулю (ниже именуемое «воздушно-топливным отношением выхлопного газа при нулевом токе»), отличается. В показанном примере, где подаваемое напряжение датчика Vr составляет 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Напротив, в случае, где подаваемое напряжение датчика Vr больше чем 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа богаче стехиометрического воздушно-топливного отношения, и чем больше становится подаваемое напряжение датчика Vr, тем меньше воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. С другой стороны, когда подаваемое напряжение датчика Vr меньше чем 0,45 В, эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа беднее стехиометрического воздушно-топливного отношения, и чем меньше становится подаваемое напряжение датчика Vr, тем больше воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. То есть, путем изменения подаваемого напряжения датчика Vr можно изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе.

[0073] В этой связи, как было показано с использованием фиг. 2, скорость изменения выходного тока варьируется как у отдельных экземпляров датчиков воздушно-топливного отношения, так и у одного и того же датчика воздушно-топливного отношения из-за его старения и т.п. Такая тенденция применима также и к эталонной ячейке 61.

[0074] Поэтому в эталонной ячейке 61, отношение величины возрастания эталонного выходного тока к величине возрастания воздушно-топливного отношения выхлопного газа (ниже именуемое «скоростью изменения эталонного выходного тока») не обязательно будет одинаковым, даже при сходных производственных процессах. Даже для одного и того же типа датчиков воздушно-топливного отношения вариации будут возникать между отдельными экземплярами. Кроме того, даже в одном и том же датчике воздушно-топливного отношения, скорость изменения выходного тока меняется из-за старения, и т.д.

[0075] Тем не менее, как понятно из фиг. 2, даже если изменения возникают между отдельными экземплярами датчика воздушно-топливного отношения или изменения возникают в одном и том же датчике воздушно-топливного отношения из-за его старения, и т.д., воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе (в примере с фиг. 2, стехиометрическое воздушно-топливное отношение) не изменится вообще. То есть, когда эталонный выходной ток Ir становится величиной, отличной от нуля, абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в это время не обязательно будет постоянным. Однако когда эталонный выходной ток Ir становится равным нулю, абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в это время (в примере с фиг. 2, стехиометрическое воздушно-топливное отношение) является постоянным.

[0076] Кроме того, как пояснено с помощью фиг. 8, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе можно изменять путем изменения подаваемого напряжение датчика Vr. Далее, если эталонный выходной ток, определенный устройством 71 определения эталонного выходного тока, равен нулю, насосное напряжение, подаваемое устройством 72 подачи насосного напряжения, также равно нулю, и насосный ток (выходной ток датчика) Ip также становится равным нулю. Вследствие этого, согласно датчикам 40, 41 воздушно-топливного отношения, путем изменения подаваемого напряжения датчика Vr, можно с точностью определить абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, отличное от стехиометрического воздушно-топливного отношения. В частности, изменяя поданное напряжение датчика Vr в пределах поясненной ниже особой области напряжения, можно только слегка скорректировать воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе по отношению к стехиометрическому воздушно-топливному отношению (14,6), например, в диапазоне ±1% (от приблизительно 14,45 до приблизительно 14,75). Поэтому, соответствующим образом изменяя поданное напряжение датчика Vr, становится возможным с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, которое слегка отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения.

[0077] Объяснение особой области напряжения

Как пояснено выше, путем изменения поданного напряжения датчика Vr, можно изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. Однако при изменении поданного напряжения датчика Vr - таком, чтобы данное напряжение превысило некоторый верхний предел напряжения или стало меньше некоторого нижнего предела, степень изменения воздушно-топливного отношения выхлопного газа при нулевом токе по отношению к величине изменения поданного напряжения датчика Vr становится больше. Поэтому, в этих областях напряжения, если поданное напряжение датчика Vr смещается слегка, воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе изменяется значительно. Следовательно, в этой области напряжения чтобы с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения выхлопного газа, становится необходимым с высокой точностью контролировать поданное напряжение датчика Vr. Это сложно реализовать на практике. Поэтому, с точки зрения точного определения абсолютной величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, поданное напряжение датчика Vr должно быть величиной, принадлежащей «особой области напряжения», которая, в свою очередь, ограничена между некоторым верхним предельным напряжением и некоторым нижним предельным напряжением.

[0078] Эта особая область напряжения может быть определена различными способами. Ниже, фиг. 9 - фиг. 12 будут использоваться для объяснения примера из нескольких определений.

[0079] Сначала будет пояснен первый пример. Как показано диаграммой напряжение-ток на фиг. 9(A), эталонная ячейка 61 имеет область увеличения тока, которая представляет собой область напряжения, где эталонный выходной ток Ir увеличивается вместе с возрастанием поданного напряжения датчика Vr для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, а также область меньшего увеличения тока, которая представляет собой область напряжения, где степень увеличения эталонного выходного тока Ir по отношению к степени увеличения поданного напряжения датчика Vr становится меньше, чем таковая в области увеличения тока, благодаря наличию диффузионного регулирующего слоя (на фиг. 9(A), область увеличения тока и область меньшего увеличения тока показаны только для случая, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение). В первом примере, область меньшего увеличения тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, определяется, как «особая область напряжения».

[0080] Далее будет пояснен второй пример. Как показано диаграммой напряжение-ток на фиг. 9(B), эталонная ячейка 61 имеет область предельного тока, которая представляет собой область напряжения, где эталонный выходной ток Ir становится предельным током для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа (на фиг. 9(B), область предельного тока показана только для случая, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение). Во втором примере область предельного тока, когда выхлопное воздушно-топливное отношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, определяется как «особая область напряжения».

[0081] Далее будет пояснен третий пример. Как показано диаграммой напряжение-ток на фиг. 9(C), датчики воздушно-топливного отношения 40, 41 имеют пропорциональную область, которая представляет собой область напряжения, где эталонный выходной ток Ir увеличивается пропорционально увеличению поданного напряжения для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, область разложения влаги, представляющую собой область напряжения, в которой эталонный выходной ток Ir меняется в соответствии с изменением поданного напряжения из-за разложения влаги и слоя 51 из твердого электролита, и промежуточную область, которая представляет собой область напряжения между указанными пропорциональной областью и областью разложения влаги (на фиг. 9(C) пропорциональная область, область разложения влаги, и промежуточная область показаны только для случая, когда выхлопное воздушно-топливное соотношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение). В третьем примере промежуточная область, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, определяется как «особая область напряжения».

[0082] Далее будет пояснен четвертый пример. Как показано на фиг. 8, воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr. Чем выше поданное напряжение датчика Vr, тем ниже воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. Как показано на фиг. 10, в эталонной ячейке 61 в настоящем варианте осуществления, когда поданное напряжение датчика Vr установлено на величину верхнего предельного напряжения, воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе становится воздушно-топливным отношением, которое, например, на 0,5 - 2% или около того (предпочтительно на 1% или около того) ниже, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFst. С другой стороны, когда поданное напряжение датчика Vr установлено на величину нижнего предельного напряжения, воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе становится воздушно-топливным отношением, которое, например, например, на 0,5-2% или около того (предпочтительно 1% или около того) выше, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFst.

В четвертом примере, область напряжения между верхним предельным напряжением (величиной напряжения, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе становится воздушно-топливным отношением, которое ниже, например, на 1% по сравнению со стехиометрическим воздушно-топливным отношением AFst) и нижним предельным напряжением (величиной напряжения, где выхлопное воздушно-топливное отношение при нулевом токе становится воздушно-топливным отношением, которое выше, например, на 1% по сравнению со стехиометрическим воздушно-топливным отношением AFst), определяется, как «особая область напряжения».

[0083] Далее, обращаясь к фиг. 11, будет пояснен пятый пример. Фиг. 11 показывает изменение тока по отношению к напряжению. Как показано на фиг. 11, в эталонной ячейке 61 в настоящем варианте осуществления, при каждом воздушно-топливном отношении выхлопного газа, эталонный выходной ток Ir увеличивается до первой точки искривления B₁ при увеличении поданного напряжения датчика Vr из отрицательной области, эталонный выходной ток Ir увеличивается до второй точки искривления В₂ при увеличении поданного напряжения датчика Vr от первой точки искривления В₁ и эталонный выходной ток Ir увеличивается при увеличении поданного напряжения Vr датчика от второй точки искривления. В области напряжения между первой точкой искривления В₁ и второй точкой искривления В₂ скорость возрастания эталонного выходного тока Ir по отношению к величине возрастания поданного напряжения датчика Vr меньше, чем в других областях напряжения. В пятом примере, область напряжения между первой точкой искривления и второй точкой искривления, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, определяется как «особая область напряжения».

[0084] Далее будет пояснен шестой пример. В шестом примере верхнее предельное напряжение и нижнее предельное напряжение особой области напряжения задаются конкретными числовыми значениями. Более конкретно, особая область напряжения составляет от 0,05 В до 0,95 В, предпочтительно от 0,1 В до 0,9 В, более предпочтительно от 0,15 В до 0,8 В.

[0085] Фиг. 12 представляет собой вид, сходный с фиг. 8, который показывает взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и эталонным выходным током Ir для различных значений поданного напряжения датчика Vr. Фиг. 8 показывает взаимосвязь только вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения в микроскопическом масштабе, в то время как фиг. 12 показывает взаимосвязь на более широком диапазоне в макроскопическом масштабе.

[0086] Как видно на фиг. 12, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится ниже некоторого постоянного воздушно-топливного отношения выхлопного газа или меньше, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа меняется, то эталонный выходной ток Ir не меняется совсем. Это постоянное воздушно-топливное отношение выхлопного газа меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr и становится выше с увеличением поданного напряжения датчика Vr. По этой причине при увеличении поданного напряжения датчика Vr до соответствующей определенной величины (максимальное напряжение) или больше, как показано на фигуре точечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, эталонный выходной ток Ir больше не станет равным нулю.

[0087] С другой стороны, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится выше некоторого постоянного воздушно-топливного отношения выхлопного газа или больше, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа меняется, то эталонный выходной ток Ir не меняется совсем. Это постоянное воздушно-топливное отношение выхлопного газа также меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr и становится меньше с уменьшением поданного напряжения датчика Vr. По этой причине при уменьшении поданного напряжения датчика Vr до соответствующей определенной величины (минимальное напряжение) или меньше, как показано на фигуре двухточечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, эталонный выходной ток Ir больше не станет равным нулю (например, когда поданное напряжения датчика Vr установлено на 0 В, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа эталонный выходной ток Ir больше не станет равным нулю).

[0088] Вследствие этого, если поданное напряжение датчика Vr представляет собой напряжение между максимальным напряжением и минимальным напряжением, существует такое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, где эталонный выходной ток становится равным нулю. Напротив, если поданное напряжение датчика Vr представляет собой напряжение, которое больше максимального напряжения или напряжение, которое меньше, чем минимальное напряжение, не существует такого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, где эталонный выходной ток станет равным нулю. Поэтому поданное напряжение датчика Vr, по меньшей мере, должно быть способным принимать такое значение, когда эталонный выходной ток Ir становится равным нулю при любой величине воздушно-топливного отношения, то есть поданное напряжение датчика Vr должно находиться между максимальным напряжением и минимальным напряжением. Вышеупомянутая «особая область напряжения» представляет собой область напряжения между максимальным напряжением и минимальным напряжением.

[0089] Поданное напряжение на отдельных датчиках воздушно-топливного отношения

В настоящем варианте осуществления при рассмотрении вышеупомянутых микроскопических характеристик для определения воздушно-топливного отношения выхлопного газа датчиком 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, поданное напряжение датчика Vrup на датчике 40 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,45 В), когда эталонный выходной ток становится равным нулю при воздушно-топливном отношении выхлопного газа, представляющем собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (в настоящем варианте осуществления, 14,6). Другими словами, в датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, поданное напряжение датчика Vrup устанавливается так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе стало стехиометрическим воздушно-топливным отношением.

[0090] С другой стороны, для определения воздушно-топливного отношения выхлопного газа датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vr на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,7 В), когда эталонный выходной ток (и выходной ток датчика) становится равным нулю при воздушно-топливном отношении выхлопного газа, представляющем собой заранее определенное богатое заданное воздушно-топливное отношение, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (например, 14,55, ниже именуемое как богатое заданное воздушно-топливное отношение). Другими словами, в датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vrdwn устанавливается так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе стало богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Соответственно, в настоящем варианте осуществления, поданное напряжение датчика Vrdwn, поданное на датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выше, чем поданное напряжение Vrup, поданное на датчик 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.

[0091] Вследствие этого, ЭБУ 31, соединенный с двумя датчиками 40, 41 воздушно-топливного отношения, делает оценку, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вблизи датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится равным нулю. С другой стороны, ЭБУ 31 заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, является богатым заданным воздушно-топливным отношением, т.е. заранее определенным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю.

[0092] Следует отметить, что интервал определения воздушно-топливного отношения выхлопного газа датчиком 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, например, когда контроль подачи топлива, поясняемый ниже, не выполняется, или когда воздушно-топливное отношение, определенное датчиком воздушно-топливного отношения, не превышает высокое значение 18 или выше, может быть оговорен.

[0093] Цепи устройства подачи напряжения и устройства определения тока

На фиг. 13 показан пример особых цепей, которые образуются устройством 70 подачи эталонного напряжения и устройством 71 определения эталонного выходного тока. В показанном примере электродвижущая сила Е, которая возникает благодаря свойству кислородной ячейки, обозначена как «Е», внутреннее сопротивление второго слоя 54 из твердого электролита выражено как «Ri», а разность электрических потенциалов на двух электродах 57, 58 обозначена как «Vs».

[0094] Как понятно из фиг. 13, устройство 70 подачи эталонного напряжения в основном выполняет управление с отрицательной обратной связью так, чтобы электродвижущая сила Е, которая возникает из-за свойства кислородной ячейки, соответствовала подаваемому напряжению датчика Vr. Другими словами, устройство 70 подачи эталонного напряжения выполняет управление с отрицательной обратной связью так, чтобы даже когда изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита заставляет меняться разность потенциалов между двумя электродами 57 и 58 Vs, эта разность потенциалов становится подаваемым напряжением датчика Vr.

[0095] Вследствие этого, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 51 становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением, и не возникает каких-либо изменений отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита становится отношением концентраций кислорода, соответствующим подаваемому напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е соответствует подаваемому напряжению датчика Vr, разность потенциалов между двумя электродами 57, 58 также становится подаваемым напряжением датчика Vr, и, в результате, ток Ir не течет.

[0096] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится воздушно-топливным отношением, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, и возникает изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита не становится отношением концентраций кислорода, соответствующей подаваемому напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е становится значением, отличным от подаваемого напряжения датчика Vr. Вследствие этого, из-за управления с отрицательной обратной связью, разность потенциалов Vs подается между двумя электродами 57, 58 так, чтобы ионы кислорода перемещались между двумя боковыми поверхностями второго слоя 54 из твердого электролита таким образом, чтобы электродвижущая сила Е соответствовала подаваемому напряжению датчика Vr. Кроме того, в этот момент времени вместе с движением ионов кислорода протекает ток Ir. В результате, электродвижущая сила Е превращается в подаваемое напряжение датчика Vr. Если электродвижущая сила Е превращается в подаваемое напряжение датчика Vr, в конечном итоге разность потенциалов Vs также превращается в подаваемое напряжение датчика Vr.

[0097] Вследствие этого, устройство 70 подачи эталонного напряжения, по существу, подает напряжение датчика Vr между двумя электродами 57 и 58. Следует отметить, что электрическая цепь устройства 70 подачи эталонного напряжения не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 13. Цепь может содержать любой вид устройства, при условии его способности, по существу, подавать напряжение датчика Vr на два электрода 57, 58.

[0098] Далее, устройство 71 определения эталонного тока на самом деле не измеряет ток. Оно измеряет напряжение Е₀ для расчета тока из этого напряжения Е₀. В этой связи Е₀ выражено в следующем уравнении (1).

при этом, V₀ - напряжение смещения (напряжение, подаваемое так, чтобы Е₀ не становилось отрицательной величиной, например, 3В), тогда как R - сопротивление, показанное на фиг. 13.

[0099] В уравнении (1) подаваемое напряжение датчика Vr, напряжение смещения V₀, и сопротивление R являются постоянными, и вследствие этого напряжение Е₀ меняется в соответствии с током Ir. По этой причине, если определить напряжение Е₀, можно вычислить ток Ir, используя напряжение Е₀.

[0100] Вследствие этого, устройство 71 определения эталонного тока, можно сказать, по существу, определяет ток Ir, который протекает на два электрода 57, 58. Следует отметить, что электрическая цепь устройства 71 определения эталонного тока не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 13. Если можно определить ток Ir, протекающий через два электрода 57, 58, может быть использована любая форма устройства.

[0101] Пояснение по катализатору очистки выхлопного газа

Далее будет пояснены катализаторы 20, 24 очистки выхлопного газа, используемые в настоящем варианте осуществления. Катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны и катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны имеют похожие конфигурации. Ниже будет пояснен только катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, однако, катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны может также иметь аналогичную конфигурацию и функционирование.

[0102] Катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны представляет собой трехкомпонентный катализатор, который имеет способность к накоплению кислорода. Более конкретно, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны включает несущий элемент, сделанный из керамики, на который нанесены драгоценный металл, который имеет каталитическое действие (например, платина (Pt)), и вещество, которое имеет способность к накоплению кислорода (например, оксид церия (CeO₂)). Если катализатор 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны достигает заданной температуры активации, он демонстрирует способность к накоплению кислорода в дополнение к каталитическому действию по одновременному удалению несгоревшего газа (НС, СО, и т.д.) и оксидов азота (NO_X).

[0103] Согласно способности к накоплению кислорода катализатором 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны накапливает кислород, содержащийся в выхлопном газе, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, беднее чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (бедное воздушно-топливное отношение). С другой стороны, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны высвобождает кислород, который накоплен в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, когда воздушно-топливное отношение поступающего выхлопного газа богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (богатое воздушно-топливное отношение). Следует отметить, что «воздушно-топливное отношение выхлопного газа» означает отношение массы топлива к массе воздуха, которые поступают в момент образования выхлопного газа. Обычно это означает отношение массы топлива к массе воздуха, которые подаются в камеру сгорания 5 на момент образования выхлопного газа.

[0104] Катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны имеет каталитическое действие и способность к накоплению кислорода, и вследствие этого совершает действие по удалению NO_X и несгоревшего газа в соответствии с количеством накопленного кислорода. Фиг. 14 показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны и концентрацией NO_X и несгоревшего газа (НС, СО, и т.д.), вытекающих из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Фиг. 14(A) показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода и концентрацией NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой бедное воздушно-топливное отношение. С другой стороны, Фиг. 14(B) показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода и концентрацией несгоревшего газа в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение.

[0105] Как понятно из фиг. 14(A), когда количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является небольшим, имеется дополнительный резерв до максимального количества накопления кислорода. По этой причине, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой бедное воздушно-топливное отношение (то есть, этот выхлопной газ включает в себя NO_X и кислород), кислород, содержащийся в выхлопном газе, накапливается в катализаторе очистки выхлопного газа. Вместе с тем, оксиды NO_X также восстанавливаются и очищаются. В результате выхлопной газ, вытекающий из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, почти не содержит каких-либо NO_X.

[0106] Однако, если количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны увеличивается при бедном воздушно-топливном отношении выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, катализатору 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны становится трудно продолжать накопление кислорода, содержащегося в выхлопном газе. Вместе с тем, становится также труднее восстанавливать и очищать NO_X, содержащиеся в выхлопном газе. По этой причине, как понятно из фиг. 14(A), если количество накопленного кислорода увеличивается сверх некоторого верхнего предела накопления Cuplim, концентрация NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, быстро возрастает.

[0107] С другой стороны, когда количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны большое, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение (то есть, этот выхлопной газ содержат несгоревший газ, например НС или СО), высвобождается кислород, накопленный в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. По этой причине, несгоревший газ в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, окисляется и очищается. В результате, как понятно из фиг. 14(B), выхлопной газ, вытекающий из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, почти не содержит несгоревшего газа.

[0108] Тем не менее, если количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны уменьшается, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливном соотношением, количество кислорода, высвобождаемого из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, также становится меньше. Наряду с этим, становится также труднее окислять и очищать несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. По этой причине, как понятно из фиг. 14(B), если количество накопленного кислорода уменьшается ниже некоторого нижнего предела накопления Clowlim, концентрация несгоревшего газа, содержащегося в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, быстро возрастает.

[0109] Таким образом, согласно катализаторам 20, 24 очистки выхлопного газа, используемым в настоящем варианте осуществления, характеристика очистки NO_X и несгоревшего газа, содержащихся в выхлопном газе, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа, текущего в катализаторы 20, 24 очистки выхлопного газа и количеством накопленного кислорода. Следует отметить, что при условии обеспечения катализаторами 20, 24 очистки выхлопного газа каталитической функции и способности к накоплению кислорода, катализаторы 20, 24 очистки выхлопных газов могут также быть катализаторами, которые отличны от трехкомпонентных катализаторов.

[0110] Краткое изложение управления воздушно-топливным отношением

Далее будет приведено краткое изложение управления воздушно-топливным отношением в системе управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. В настоящем варианте осуществления на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, управление с обратной связью выполняется так, чтобы выходной ток (то есть, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны) Ipup датчика 40 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны, стал величиной, соответствующей целевому воздушно-топливному отношению.

[0111] Целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, устанавливается на основании выходного тока Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного соотношения с выпускной стороны становится равным нулю или меньше и поддерживается на данном уровне. Тот факт, что выходной ток Ipdwn становится равным нулю или меньше, означает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится заранее определенным богатым заданным воздушно-топливным отношением (например, 14.55), которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, или еще меньше. Кроме того, бедное установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение на некоторую величину. Например, оно составляет 14,65 - 20, предпочтительно 14,68 - 18, наиболее предпочтительно 14,7 - 16 или около того.

[0112] Если целевое воздушно-топливное отношение изменяется на бедное установленное воздушно-топливное отношение, производится оценка количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Количество накопленного кислорода OSAsc рассчитывается на основании выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и расчетной величины количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, которая вычисляется с помощью расходомера 39, и т.п., или количества топлива, поданного из топливного инжектора 11, и т.п. Кроме того, если расчетное количество накопленного кислорода OSAsc становится заранее определенным заданным эталонным количеством накопления Cref или больше, целевое воздушно-топливное отношение, которое до этого было бедным установленным воздушно-топливным отношением, меняется на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение (слегка богатая смесь), и поддерживается на этом уровне воздушно-топливного отношения. Слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Например, оно составляет 13,5-14,58, предпочтительно 14-14,57, более предпочтительно, 14,3-14,55 и т.д. После этого, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны снова становится равным нулю или меньше, целевое воздушно-топливное отношение вновь устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение, а затем сходная операция повторяется.

[0113] Таким образом, в настоящем варианте осуществления целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, поочередно устанавливают как бедное установленное воздушно-топливное отношение и как слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение. В частности, в настоящем варианте осуществления разница между бедным установленным воздушно-топливное отношением и стехиометрическим воздушно-топливным отношением больше, чем разница между слабо богатым установленным воздушно-топливное отношением и стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Вследствие этого, в настоящем варианте осуществления, целевое воздушно-топливное отношение попеременно устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение на короткий период времени и как слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение на длинный период времени.

[0114] Пояснение управления с использованием временной диаграммы

Со ссылкой на фиг. 15 описанный выше процесс будет пояснен подробно. Фиг. 15 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, выходного тока Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выходного тока Ipup датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и концентрации NO_X в выхлопном газе, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, в случае выполнения управления воздушно-топливным отношением в системе управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

[0115] Следует отметить, что, как пояснено выше, выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, становится отрицательным значением, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является богатым воздушно-топливным отношением, и имеет положительное значение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является бедным воздушно-топливным отношением. Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое или бедное воздушно-топливное отношение, то чем больше оно отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, тем больше абсолютное значение выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.

[0116] С другой стороны, выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое заданное воздушно-топливные отношение (слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение), имеет отрицательное значение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится богаче, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение, и имеет положительное значение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится беднее, чем богатое заданное воздушно-топливное отношение.

Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, богаче или беднее богатого заданного воздушно-топливное отношения, то чем больше оно отличается от богатого заданного воздушно-топливного отношения, тем больше абсолютное значение выходного тока Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны.

[0117] Далее, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC является величиной изменения, относящейся к целевому воздушно-топливному отношению. Когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC равна нулю, целевое воздушно-топливное отношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC имеет положительное значение, целевое воздушно-топливное отношение становится бедным воздушно-топливным отношением, и когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC имеет отрицательное значение, целевое воздушно-топливное соотношение становится богатым воздушно-топливным отношением.

[0118] В показанном примере, в состоянии перед моментом времени t₁, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину изменения воздушно-топливного отношения AFCrich. Слабо богатая установленная величина изменения воздушно-топливного отношения AFCrich является величиной, соответствующей слабо богатому установленному воздушно-топливному отношению и имеет значение меньше нуля. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как богатое воздушно-топливное отношение. Вместе с тем, выходной ток Ipup датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, становится отрицательным значением. Выхлопной газ, текущий в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, содержит несгоревший газ, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны постепенно уменьшается. Тем не менее, несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, очищается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и вследствие этого воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится, по существу, стехиометрическим воздушно-топливным отношением. По этой причине, выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны имеет положительное значение (в соответствии со стехиометрическим воздушно-топливным отношением). В этот момент времени, однако, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество NO_X, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.

[0119] Если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны будет постепенно уменьшаться, количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается до величины, меньшей, чем нижний предел накопления (см. Clowlim с фиг. 14) во время t₁. Если количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается до менее чем нижнего предела накопления, часть несгоревшего газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, вытекает из него, не будучи очищенной в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. По этой причине, после момента времени t₁, выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны постепенно падает вместе с уменьшением количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Напомним, что в этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество NO_X, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, подавляется.

[0120] Затем, в момент времени t₂, выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает нуля, что соответствует богатому заданному воздушно-топливному отношению. В настоящем варианте осуществления, если выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает нуля, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC переключается на бедную установленную величину изменения AFClean так, чтобы остановить падение количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Бедная установленная величина изменения AFClean представляет собой величину, соответствующую бедному установленному воздушно-топливному отношению, и имеет значение больше нуля. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как бедное воздушно-топливное отношение.

[0121] Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC переключается после того, как выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигнет нуля, то есть, после того, как воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигнет богатого заданного воздушно-топливного отношения. Это так, потому что даже если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа с впускной стороны 20 является достаточным, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа с впускной стороны 20, иногда слегка отклоняется от стехиометрического воздушно-топливного отношения. То есть, если есть основания полагать, что количество накопленного кислорода уменьшилось ниже нижнего предела накопления, когда выходной ток Ipdwn датчика слегка отклоняется от величины, соответствующей стехиометрическому воздушно-топливному отношению, даже если есть фактически достаточное количество накопленного кислорода, существует возможность прийти к выводу, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления. Вследствие этого, в настоящем варианте осуществления, считается, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления, только когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигает богатого заданного воздушно-топливного отношения. Иначе говоря, богатое заданное воздушно-топливное отношение устанавливается как такое воздушно-топливное отношение, которого воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не способно достичь, пока количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является достаточным.

[0122] Даже если в момент времени t₂ целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное воздушно-топливное отношение, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не сразу становится бедным воздушно-топливным отношением, и возникает определенная задержка. В результате воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется от богатого воздушно-топливного отношения на бедное воздушно-топливное отношение к моменту времени t₃. Следует отметить, что в течение времени между t₂-t₃, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение, и вследствие этого этот выхлопной газ содержат несгоревший газ. Таким образом, объем выхода NO_Xиз катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны подавляется.

[0123] В момент времени t₃, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется на бедное воздушно-топливное отношение, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны начинает увеличиваться. Далее, вместе с тем воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется на стехиометрическое воздушно-топливное отношение, и выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны также превращается в положительную величину, соответствующую стехиометрическому воздушно-топливному отношению. Хотя воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, в этот момент времени представляет собой бедное воздушно-топливное отношение, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны имеет достаточный запас способности к накоплению кислорода, и вследствие этого кислород, содержащийся во втекающем выхлопном газе, накапливается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и оксиды NO_X восстанавливаются и очищаются. По этой причине, объем NO_X, выпущенный из катализатора очистки выхлопного газа с впускной стороны, уменьшается.

[0124] Далее, если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны увеличивается, в момент времени t₄ количество накопленного кислорода OSAsc достигает заданного эталонного количества накопления Cref. В настоящем варианте осуществления, если количество накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC переключается на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich (имеет значение меньше нуля), чтобы остановить накопление кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на богатое воздушно-топливное отношение.

[0125] Тем не менее, как пояснено выше, возникает задержка от момента, когда включается целевое воздушно-топливное отношение, до момента, когда воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, фактически меняется. По этой причине, даже если переключение происходит в момент t₄, после определенного промежутка времени, проходящего с этого момента, в момент t₅ воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, меняется от бедного воздушно-топливного отношения к богатому воздушно-топливному отношению. В промежутке между моментами t₄ и t₅ воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является бедным воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе очистки выхлопного газа с впускной стороны 20 увеличивается.

[0126] Тем не менее, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается в достаточной мере ниже, чем максимальное количество накопления Cmax или верхний предел накопления (см. Cuplim на фиг. 14), и вследствие этого даже в момент времени t₅ количество накопленного кислорода OSAsc не достигает максимального количества накопления Cmax или верхнего предела накопления. Иначе говоря, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается на величину, достаточно малую для того, чтобы, количество накопленного кислорода OSAsc не достигало максимального количества накопления Cmax или верхнего предела накопления, даже если происходит задержка от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения до момента, когда воздушно-топливное отношение в выхлопном газе, текущем в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, фактически меняется. Например, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается до 3/4 или менее от максимального количества накопления Cmax, предпочтительно 1/2 или менее, более предпочтительно 1/5 или менее. Вследствие этого, как наблюдалось и ранее, в течение промежутка времени t₄-t₅ объем NO_X, выпущенный из катализатора очистки выхлопного газа с впускной стороны 20, подавляется.

[0127] После момента времени t₅ величина изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как богатое воздушно-топливное отношение. Вместе с тем выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны принимает отрицательное значение. Выхлопной газ, текущий в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, содержит несгоревший газ, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны постепенно уменьшается. В момент времени t₆, таким же образом, как момент времени t₁, количество накопленного кислорода OSAsc уменьшается ниже нижнего предела накопления. Также в этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого объем NO_X, выпущенный из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является подавленным.

[0128] Далее, во момент времени t₇, таким же образом, что и в момент времени t₂, выходной ток Ipdw датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает нуля, в соответствии с богатым заданным воздушно-топливным отношением. Из-за этого величина изменения воздушно-топливного отношения AFC переключается на соответствующую величину AFClean, соответствующую бедному установленному воздушно-топливному отношению. Затем цикл вышеупомянутых моментов времени t₁-t₆повторяется. Следует отметить, что во время этих циклов напряжение датчика Vrdwn, поданное на датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поддерживается на таком уровне напряжения, при котором воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого выходного тока является богатым заданным воздушно-топливным отношением.

[0129] Следует отметить, что такое управление величиной изменения воздушно-топливного отношения AFC выполняется ЭБУ 31. Вследствие этого, ЭБУ 31 может содержать: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 с впускной стороны, на бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, которое было определено датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением или меньше, пока количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 с впускной стороны не станет заданным эталонным количеством накопления Cref, и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной установки целевого воздушно-топливного отношения на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе с впускной стороны 20 становится заданным эталонным количеством накопления Cref или больше, так чтобы количество накопленного кислорода OSAsc никогда не достигало максимального количества накопления кислорода Cmax, но снижалось до нуля.

[0130] Как понятно из вышеприведенного объяснения, согласно вышеописанному варианту осуществления, можно постоянно подавлять объем выпуска NO_X из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. То есть, до тех пор, пока выполняется вышеописанное управление, объем выпуска NO_X из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, по существу, является небольшим.

[0131] Далее, в целом, если количество накопленного кислорода OSAsc оценивается на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетного количества входящего воздуха, и т.д., имеется вероятность возникновения ошибки. Также и в настоящем варианте осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc оценивается в период времени t₃-t₄, и вследствие этого расчетное количество накопленного кислорода OSAsc включает в себя некоторую ошибку. Тем не менее, даже если такая ошибка включена, при установке заданного эталонного количества накопления Cref на величину, достаточно меньшую, чем максимальное количество накопления кислорода Cmax или верхний предел накопления, фактическое количество накопленного кислорода OSAsc практически никогда не достигнет максимального количества накопления кислорода Cmax или верхнего предела накопления. Вследствие этого, также и с этой точки зрения, можно подавлять объем выпуска NO_X из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны.

[0132] Кроме того, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа будет поддерживаться постоянным, способность катализатора очистки выхлопного газа к накоплению кислорода будет падать. Напротив, согласно настоящему варианту осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc постоянно колеблется вверх и вниз, и, таким образом, способность катализатора к накоплению кислорода удерживается от падения.

[0133] Кроме того, в настоящем варианте осуществления, как пояснено выше, датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны может с точностью определить абсолютное значение при богатом заданном воздушно-топливном отношении. Как пояснено с помощью фиг. 2, в обычном датчике воздушно-топливного отношения, было трудно с точностью определить абсолютное значение для воздушно-топливного отношения, отличного от стехиометрического воздушно-топливного отношения. По этой причине, в обычном датчике воздушно-топливного отношения, старение или индивидуальные различия, и т.д., создают ошибку в выходном токе датчика; даже если фактическое воздушно-топливное отношение выхлопного газа отличается от богатого заданного воздушно-топливного отношения, выходной ток датчика воздушно-топливного отношения может быть величиной, которая соответствует богатому заданному воздушно-топливному отношению. В результате время переключения величины изменения воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины изменения AFCrich на бедную установленную величину изменения AFClean будет задерживаться, или такое переключение будет выполнено в момент времени, не требующий такого переключения. Напротив, в настоящем варианте осуществления, датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны может с точностью определить абсолютное значение при богатом заданном воздушно-топливном отношении. По этой причине, можно поддерживать время переключения величины изменения воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины изменения AFCrich на бедную установленную величину изменения AFClean, предотвращая задержку такого переключения, или выполнения такого переключения в момент времени, не требующий такого переключения.

[0134] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления в промежутке времени t₂-t₄ величина изменения воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине изменения AFClean. Тем не менее, в такой временной период величину изменения воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение. Аналогичным образом, в моменты времени t₄-t₇ величина изменения воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабо богатой установленной величине изменения AFCrich. Тем не менее, в такой временной период, величину изменения воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение.

[0135] Однако даже в этом случае величина изменения воздушно-топливного отношения AFC в промежутке времени t₂-t₄ устанавливается так, чтобы разница между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в этот период была больше, чем разница между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в промежутке времени t₄-t₇.

[0136] Далее, в вышеуказанном варианте осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны оценивается на основании выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетного количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, и т.д. Однако количество накопленного кислорода OSAsc может также быть рассчитано с помощью других параметров, в дополнение к указанным параметрам или может оцениваться на основе параметров, которые отличны от данных параметров. Кроме того, в вышеуказанном варианте осуществления если расчетное значение количества накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref или больше, целевое воздушно-топливное отношение переключается из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение. Тем не менее, для определения времени переключения целевого воздушно-топливного отношения из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение могут, например, использоваться в качестве справочных и другие параметры, например, время работы двигателя и т.д. от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения из слабо богатого установленного воздушно-топливного отношения в бедное установленное воздушно-топливное отношение. Однако даже в этом случае, целевое воздушно-топливное отношение должно быть переключено из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение в период, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе очистки выхлопного газа с впускной стороны 20 оценивается как меньшая величина по сравнению с максимальным количеством накопления кислорода.

[0137] Объяснение управления с использованием также катализатора с выпускной стороны

Кроме того, в настоящем варианте осуществления, кроме катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, имеется катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Количество накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны становится величиной близкой к максимальному количеству накопления Cmax посредством управления отсечкой подачи топлива, которое выполняется в каждый определенный период времени. По этой причине, даже если выхлопной газ, содержащий несгоревший газ, вытекает из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, несгоревший газ окисляется и очищается в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны.

[0138] Следует отметить, что "управление отсечкой подачи топлива" является управлением для предотвращения впрыска топлива из топливных инжекторов 11, даже если коленвал или поршни 3 находятся в рабочем состоянии, во время торможения, и т.д., транспортного средства, оснащенного двигателем внутреннего сгорания. При выполнении этого управления, большое количество воздуха протекает в два катализатора 20, 24.

[0139] Ниже, со ссылкой на фиг. 16, будет пояснена тенденция относительно количества накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Фиг. 16 представляет собой вид, сходный с фиг. 15 и показывает, вместо тенденции по концентрации NO_X с фиг. 15, тенденцию по количеству накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны, и концентрации несгоревшего газа (НС, СО, и т.д.) в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Кроме того, в примере, показанном на фиг. 16, выполняется управление, аналогичное примеру, показанному на фиг. 15.

[0140] В примере, показанном на фиг. 16, управление отсечкой подачи топлива выполняется перед моментом времени t₁. По этой причине, перед моментом времени t_b количество накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны имеет значение, близкое к максимальному количеству накопления кислорода Cmax. Кроме того, перед моментом времени t₁, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, удерживается, по существу, на стехиометрическом воздушно-топливном отношении. По этой причине, количество накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны поддерживается постоянной.

[0141] После этого, в период времени t₁-t₄, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, становится богатым воздушно-топливным отношением. По этой причине, выхлопной газ, содержащий несгоревший газ, течет в катализатор 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны.

[0142] Как пояснено выше, поскольку катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны накапливает большое количество кислорода, если выхлопной газ, текущий в катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны, содержат несгоревший газ, несгоревший газ окисляется и очищается накопленным кислородом. Кроме того, вместе с тем количество накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны уменьшается. Тем не менее, в период времени t₁-t₄, несгоревший газ вытекает из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны в не очень большом количестве, и вследствие этого величина уменьшения количества накопленного кислорода OSAufc в этом интервале незначительна. Вследствие этого, несгоревший газ, вытекающий из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, в моменты времени t₁-t₄ полностью окисляется и очищается в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны.

[0143] Также после момента времени t₆, на протяжении каждого соответствующего интервала времени, таким же образом, как и в случае интервала времени t₁-t₄, несгоревший газ вытекает из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Таким образом, вытекающий несгоревший газ в основном окисляется и очищается кислородом, который накоплен в катализаторе 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны. Вследствие этого, несгоревший газ почти никогда не вытекает из катализатора 24 очистки выхлопных газов с выпускной стороны. Как пояснено выше, если принимать во внимание предотвращение вытекания NO_X из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, согласно настоящему варианту осуществления, количество несгоревшего газа и NO_X, выпущенных из катализатора 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны, всегда является малым.

[0144] Объяснение особого управления

Далее, со ссылками на фиг. 17 и 18, система управления в вышеописанном варианте осуществления будет подробно объяснена. Система управления в настоящем варианте осуществления, как показано на функциональной блок-схеме с фиг. 17, выполнена с возможностью включения в себя функциональных блоков A1-А9. Ниже, каждый функциональный блок будет пояснен также со ссылкой на фиг. 17.

[0145] Расчет впрыска топлива

Сначала будет пояснен расчет впрыска топлива. При расчете впрыска топлива используется средство вычисления поступающего в цилиндр воздуха А1, средство вычисления базового впрыска топлива А2 и средство вычисления впрыска топлива A3.

[0146] Средство вычисления поступающего воздуха в цилиндр А1 вычисляет впускной объем воздуха в каждый цилиндр Мс на основе впускного воздушного расхода Ga, измеренного расходомером 39, частоты вращения двигателя NE, рассчитанной на основе выходного сигнала датчика 44 угла поворота коленвала, и схемы или формулы расчета, хранящейся в ПЗУ 34 ЭБУ 31.

[0147] Средство вычисления базового впрыска топлива А2 делит впускной объем воздуха в цилиндр Мс, который рассчитывают с помощью средства вычисления поступающего воздуха в цилиндр А1, на целевое воздушно-топливное отношение AFT, которое рассчитывают разъясненным ниже средством установления целевого воздушно-топливного отношения А6, для вычисления, таким образом, базового количества впрыска топлива Qbase (Qbase=Мс/AFT).

[0148] Средство вычисления впрыска топлива A3 добавляет базовое количество впрыска топлива Qbase, определенное средством вычисления базового впрыска топлива А2, к разъясненной ниже величине F/В коррекции DQi для расчета количества впрыска топлива Qi (Qi=Qbase+DQi). Топливный инжектор 11 приводится в действие для впрыска топлива таким образом, чтобы топливо впрыскивалась в количестве впрыска топлива Qi, которое было вычислено таким образом.

[0149] Расчет целевого воздушно-топливного отношения

Далее будет пояснен расчет целевого воздушно-топливного отношения. При расчете целевого воздушно-топливного отношения используют средство вычисления количества накопленного кислорода А4, средство вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения А5, и средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6.

[0150] Средство вычисления количества накопленного кислорода А4 вычисляет расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны на основе количества впрыска топлива Qi, рассчитанного средством вычисления впрыска топлива A3, и выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Например, средство вычисления количества накопленного кислорода А4 умножает разницу между воздушно-топливным отношением, соответствующим выходному току Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и стехиометрическим воздушно-топливным отношением на количество впрыска топлива Qi, и совокупно складывает вычисленные значения для вычисления расчетного значения количества накопленного кислорода OSAest. Следует отметить, что средству вычисления количества накопленного кислорода А4 не нужно постоянно определять количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Например, можно оценивать количество накопленного кислорода только для периода от фактического переключения целевого воздушно-топливное отношения из богатого воздушно-топливного отношения на бедное воздушно-топливное отношение (момент времени t₃ на фиг. 15) до момента, когда расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигнет заданного эталонного количества накопления Cref (момент времени t₄ на фиг. 15).

[0151] В средстве вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения расчета А5, вычисляется величина изменения воздушно-топливного отношения AFC целевого воздушно-топливного отношения на основе расчетного значения количества накопленного кислорода OSAest, вычисленного средством вычисления количества накопленного кислорода А4, и выходного тока Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину изменения AFClean, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю (значение, соответствующее богатому заданному воздушно-топливному отношению) или меньше. Затем, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине изменения AFClean, пока расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest не достигнет заданного эталонного количества накопления Cref. Если расчетное значение расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигает заданного эталонного количества накопления Cref, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich. После этого, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабой богатой установленной величине изменения AFCrich, пока выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны не станет равным нулю или меньше.

[0152] Средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6 добавляет эталонное воздушно-топливное отношение, которое, в настоящем варианте осуществления, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR, к величине изменения воздушно-топливного отношения AFC, вычисленной средством вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения А5, для вычисления, таким образом, целевого воздушно-топливного отношения AFT. Вследствие этого, целевое воздушно-топливное отношение AFT устанавливается либо на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR (когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC является слабо богатой установленной величиной изменения AFCrich), или бедное установленное воздушно-топливное отношение, которое беднее на определенную величину, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR (когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC является бедной установленной величиной изменения AFClean). Рассчитанное таким образом целевое воздушно-топливное отношение AFT подается на средство вычисления базового впрыска топлива А2 и на ниже описанное средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8.

[0153] Фиг. 18 представляет собой блок-схему, на которой показан порядок управления для расчета величины изменения воздушно-топливного отношения AFC. Изображенный порядок управления выполняется с перерывами в каждый соответствующий интервал времени.

[0154] Как показано на фиг. 18, сначала на этапе S11 делается оценка, выполняются ли условия для вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения AFC. Условия для вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения выполняются, например, когда управление отсечкой подачи топлива не исполняется. Если устанавливается, что условия для вычисления величины изменения воздушно-топливного отношения выполняются на этапе S11, процедура переходит на этап S12. На этапе S12 получают выходной ток Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, выходной ток Ipdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны 41 и количество впрыска топлива Qi. Далее, на этапе S13 рассчитывается расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и количества впрыска топлива Qi, которые были получены на этапе S12.

[0155] Далее, на этапе S14 проверяют, установлен ли индикатор бедной конфигурации Fr на 0. Индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 1, если величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена на бедную установленную величину изменения AFClean, а в противном случае - установлен на 0. Если индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 0 на этапе S14, процедура переходит на этап S15. На этапе S15 дают оценку наличия того факта, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен нулю или менее. Когда определяют, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны больше нуля, процедура управления закончена.

[0156] С другой стороны, если количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны уменьшается, и воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, падает, на этапе S15 дается оценка того, что выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен нулю или меньше. В этом случае, процедура переходит на этап S16, где величина изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину изменения AFClean. Далее, на этапе S17, индикатор бедной конфигурации Fr устанавливают на 1, и процедура управления закончена.

[0157] Если в ходе следующей процедуры управления на этапе S14 делается заключение, что индикатор бедной конфигурации Fr не установлен на 0, то процедура переходит на этап S18. На этапе S18 определяют, является ли расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest, вычисленное на этапе S13, меньшим значением, чем заданное эталонное количество накопления Cref. Когда полагают, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest меньше чем заданное эталонное количество накопления Cref, процедура переходит на этап S19, где величина изменения воздушно-топливного отношения AFC по-прежнему остается бедной установленной величиной изменения AFClean. С другой стороны, если количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны увеличивается, в конечном итоге на этапе S18 делается заключение, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest представляет собой заданное эталонное количество накопления Cref или больше, и процедура переходит на этап S20. На этапе S20 величину изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich, затем на этапе S21, индикатор бедной конфигурации Fr сбрасывается на 0, и процедура управления заканчивается.

[0158] Расчет величины F/В коррекции

Обращаясь к фиг. 17, будет пояснен расчет величины F/В коррекции на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. При расчете величины F/В коррекции используются средство преобразования в цифровое значение А7, средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8, и средство вычисления величины F/В коррекции А9.

[0159] Средство преобразования в цифровое значение А7 вычисляет воздушно-топливное отношение выхлопного газа с впускной стороны AFup, соответствующее выходному току Ipup на основе выходного тока Ipup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и схемы или расчетной формулы, которая определяет взаимосвязь между выходным током Ipup и воздушно-топливным отношением датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Вследствие этого, воздушно-топливное отношение выхлопного газа с впускной стороны AFup соответствует воздушно-топливному отношению выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны.

[0160] Средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8 вычитает целевое воздушно-топливное отношение AFT, вычисленное средством установки целевого воздушно-топливного отношения А6, из воздушно-топливного отношения выхлопного газа с впускной стороны AFup, вычисленного средством преобразования в цифровое значение А7, с целью вычисления разности воздушно-топливного отношения DAF (DAF=AFup-AFT). Эта разность воздушно-топливного отношения DAF представляет собой величину, которая выражает избыток/дефицит количества поданного топлива по отношению к целевому воздушно-топливному отношению AFT.

[0161] Средство вычисления величины F/В коррекции А9 обрабатывает разность воздушно-топливного отношения DAF, вычисленную средством вычисления разности воздушно-топливного отношения А8, путем пропорциональной интегрально-дифференциальной обработки (PID-процессинг), чтобы вычислить величину F/В коррекции DFi с целью компенсации избытка/дефицита количества подачи топлива на основе следующего уравнения (1). Вычисленная таким образом расчетная величина DFi величины F/В коррекции подается на средство вычисления впрыска топлива A3.

[0162] Следует отметить, что в вышеприведенном уравнении (1), Кр - заданный пропорциональный коэффициент (пропорциональная константа), Ki - заданный интегральный коэффициент (интегральная константа), и Kd является заданным производным коэффициентом (производная константа). Кроме того, DDAF - значение производной по времени разности воздушно-топливного отношения DAF, и рассчитывается путем деления разницы между только что обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF и ранее обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF на время, соответствующее интервалу обновления. Далее, SDAF - это значение производной по времени разности воздушно-топливного отношения DAF. Это значение производной по времени SDAF рассчитывают путем сложения ранее обновленного значения производной по времени DDAF и только что обновленной разностью воздушно-топливного отношения DAF (SDAF=DDAF+DAF).

[0163] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, определяется датчиком 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Тем не менее, точность определения воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не обязательно должна быть высокой, и вследствие этого, например, воздушно-топливное отношение выхлопного газа может оцениваться на основе количества впрыска топлива из топливного инжектора 11 и выходного сигнала расходомера 39.

[0164] Второй вариант осуществления

Далее, со ссылкой на фиг. 19, будет пояснена система управления двигателем внутреннего сгорания согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Конфигурация и порядок управления системы управления двигателем внутреннего сгорания во втором варианте осуществления в основном сходны с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления. Тем не менее, в системе управления настоящего варианта осуществления, даже когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich, в каждый определенный промежуток интервала времени, величина изменения воздушно-топливного отношения AFC временно устанавливается на значение, соответствующее бедному воздушно-топливному отношению (например, бедная установленная величина изменения AFClean), на короткое время. То есть, в системе управления настоящего варианта осуществления, даже когда целевое воздушно-топливное отношение установлено на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, в каждый определенный промежуток интервала времени, целевое воздушно-топливным отношение временно устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение на короткое время.

[0165] Фиг. 19 представляет собой вид, сходный с фиг. 15. На фиг. 19, моменты времени t₁-t₇ показывают моменты управления, сходные с моментами времени t₁-t₇ на фиг. 15. Вследствие этого, в схеме управления, показанной на фиг. 19, в моменты времени t₁-t₇, выполняется управление, сходное с управлением, показанным на фиг. 15. В дополнение, в схеме управления, показанной на фиг. 19, между моментами времени t₄ и t₇, то есть, когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich, величину изменения воздушно-топливного отношения AFC временно устанавливают несколько раз на бедную установленную величина изменения AFClean.

[0166] В примере, показанном на фиг. 19, величину изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на бедную установленную величину изменения AFClean на короткое время от момента времени t₈. Как пояснено выше, в изменении воздушно-топливного отношения возникает задержка, и вследствие этого воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение на короткое время от момента времени t₉. Таким образом, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится бедным воздушно-топливным отношением в течение этого времени, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны временно увеличивается.

[0167] В примере, показанном на фиг. 19, аналогичным образом величину изменения воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на бедную установленную величина изменения AFClean на короткое время в момент времени t₁₀. Вместе с тем, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится бедным воздушно-топливным на короткое время от момента времени tn, и в течение этого времени количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны временно увеличивается.

[0168] При временном увеличении воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, таким образом, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны может быть временно увеличено, или уменьшение количества накопленного кислорода OSAsc может быть временно снижено. Вследствие этого, согласно настоящему варианту осуществления можно продлить время от момента переключения величины изменения воздушно-топливного отношения AFC на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich t₄ до момента, когда выходной ток Ipdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигнет нуля (величины, соответствующей богатому заданному воздушно-топливному отношению), t₇. То есть, можно задержать момент, в который количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится близким к нулю, и несгоревший газ вытекает из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны. Из-за этого, можно уменьшить величину вытекания несгоревшего газа из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны.

[0169] Следует отметить, что, в вышеуказанном варианте осуществления, пока величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена в основном на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich (моменты времени t₄-t₇), величина изменения воздушно-топливного отношения AFC временно устанавливается на бедную установленную величину изменения AFClean. При таком временном изменении величины изменения воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно изменять величину изменения воздушно-топливного отношения AFC на бедную установленную величину изменения AFClean. Воздушно-топливное отношение может изменено любым образом, при том условии, что оно будет беднее, чем слабо богатая установленная величина изменения AFCrich.

[0170] Кроме того, даже когда величина изменения воздушно-топливного отношения AFC установлена в основном на бедную установленную величину изменения AFClean (моменты времени t₂-t₄), величина изменения воздушно-топливного отношения AFC может временно быть установлена на слабо богатую установленную величину изменения AFCrich. В этом случае также, аналогичным образом, при временном изменении величины изменения воздушно-топливного отношения AFC величина изменения воздушно-топливного отношения AFC может быть изменена на любое воздушно-топливное отношение, с тем условием, что оно будет богаче, чем бедная установленная величину изменения AFClean.

[0171] Однако, также и ранее, в настоящем варианте осуществления величина изменения воздушно-топливного отношения AFC в моменты времени t₂-t₄ устанавливается так, чтобы разность между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливного отношением в этот период была больше разности между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливного отношением в моменты времени t₄-t₇.

[0172] В любом случае, при объединении вместе первого варианта осуществления и второго варианта осуществления, ЭБУ 31 может включать в себя: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор 20 с впускной стороны, на бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, определенное датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением или меньше, пока количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны не станет заданным эталонным количеством накопления Cref; а также средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны становится заданным эталонным количеством накопления Cref или больше, так чтобы количество накопленного кислорода OSAsc уменьшалось до нуля, не достигая максимального количества накопления кислорода Cmax.

[0173] Третий вариант осуществления

Далее, со ссылкой на фиг. 20, будет пояснена система управления двигателем внутреннего сгорания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Конфигурация и порядок управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно третьему варианту осуществления в основном сходны с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно вышеприведенным вариантам осуществления. Однако в системе управления согласно настоящему варианту осуществления диффузионный регулирующий слой расположен вокруг эталонного электрода стороны газовой камеры датчика воздушно-топливного отношения.

[0174] На фиг. 20 схематически показана конфигурация датчика 80 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и датчика 81 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны по третьему варианту осуществления, представленная в виде разреза, сходного с фиг. 3. Как понятно из фиг. 20, каждый из датчиков 80, 81 воздушно-топливного отношения имеет диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки, который расположен внутри измерительной газовой камеры 51. Диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки расположен так, чтобы окружать эталонный электрод 57 стороны газовой камеры эталонной ячейки 61. Таким образом, эталонный электрод 57 стороны газовой камеры через диффузионный регулирующий слой 82 эталонной ячейки открыт воздействию со стороны измерительной газовой камеры 51.

[0175] Снабжая эталонную ячейку диффузионным регулирующим слоем 82, размещенным вокруг эталонного электрода 57 стороны газовой камеры данным образом, становится возможным стабилизировать диффузию выхлопного газа, текущего вокруг эталонного электрода 57 стороны газовой камеры. В этом отношении, если не осуществлять в достаточной степени стабилизацию выхлопного газа, текущего в область эталонного электрода 57 стороны газовой камеры, взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа, поданным напряжением датчика Vr и эталонным выходным током Ir будет лишь грубо иметь такую зависимость, как показана на фиг. 7 и 8. В результате иногда не будет представляться возможным с достаточной точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, отличного от стехиометрического воздушно-топливного отношения. В настоящем варианте осуществления путем достаточной стабилизации диффузии выхлопного газа, текущего в окружение эталонного электрода 57 стороны газовой камеры, с помощью диффузионного регулирующего слоя 82 эталонной ячейки становится возможным определять абсолютную величину воздушно-топливного отношения, отличного от стехиометрического воздушно-топливного отношения, более достоверно.

[0176] Следует отметить, что когда данным образом обеспечивается наличие диффузионного регулирующего слоя 82 эталонной ячейки вокруг эталонного электрода 57 стороны газовой камеры, то перестает быть необходимым наличие диффузионного регулирующего слоя 63, который окружает измерительную газовую камеру 51. Поэтому вместо диффузионного регулирующего слоя 63 становится также возможным применение иного слоя или тонких отверстий и т.п., которые ограничивают приток выхлопного газа в измерительную газовую камеру 51. В любом случае, диффузионный регулирующий слой может быть установлен в любое расположение, при том условии, что его данное расположение обеспечивает прохождение выхлопного газа через этот диффузионный регулирующий слой для достижения эталонного электрода 57 стороны газовой камеры.

[0177] Следует отметить, что в этом описании, количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа показано как меняющееся между максимальным количеством накопленного кислорода и нулем. Это означает, что количество кислорода, которое может быть дополнительно накоплено катализатором очистки выхлопного газа, меняется от нуля (когда количество накопленного кислорода является максимальной количеством накопленного кислорода) и до максимальной величины (когда количество накопленного кислорода равно нулю).

[0178] Список ссылочных позиций

5. Камера сгорания

6. впускной клапан 8. выпускной клапан

10. свеча зажигания

11. топливный инжектор

13. впускная ответвительная трубка

15. впускной трубопровод

18. дроссельный клапан

19. выпускной коллектор

20. катализатор очистки выхлопного газа с впускной стороны

21. корпус с впускной стороны

22. выхлопная трубка

23. корпус с выпускной стороны

24. катализатор очистки выхлопного газа с выпускной стороны

31. ЭБУ - электронный блок управления

39. расходомер

40. датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны

41. датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны

Реферат

Изобретение относится к системе управления двигателем внутреннего сгорания, которая управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным сигналом датчика воздушно-топливного отношения. Техническим результатом является создание системы управления двигателем внутреннего сгорания, в которой использован датчик воздушно-топливного отношения, способный определять абсолютное значение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, даже в случаях, когда воздушно-топливное отношение не является стехиометрическим. Результат достигается тем, что система управления двигателем внутреннего сгорания оснащена датчиком воздушно-топливного отношения, расположенным в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания; и устройством управления двигателем, которое управляет двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным сигналом датчика воздушно-топливного отношения. Датчик воздушно-топливного отношения оснащен измерительной газовой камерой, в которую протекает выхлопной газ, эталонной ячейкой, в которой выходной ток эталонной ячейки изменяется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа внутри измерительной газовой камеры, и насосной ячейкой, которая в соответствии с насосным током закачивает кислород или выкачивает его из выхлопного газа, находящегося в измерительной газовой камере. Эталонная ячейка выполнена так, что подаваемое напряжение датчика, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа в измерительной газовой камере. Подаваемое напряжение в упомянутой эталонной ячейке зафиксировано на постоянном напряжении, и данное постоянное напряжение установлено на напряжение, отличное от напряжения, при котором выходной ток эталонной ячейки становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в упомянутой измерительной газовой камере представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение. 16 з.п. ф-лы, 20 ил.

Формула