空燃比檢測設備的製作方法

2023-07-08 11:11:51

專利名稱：空燃比檢測設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空燃比檢測設備，用於在寬範圍上檢測從例如內燃機的燃燒設備排放的排氣的空燃比。尤其是，本發明涉及一種空燃比檢測設備，其在空燃比檢測設備啟動以後能夠對燃燒設備進行準確和快速的空燃比反饋控制。
背景技術：
對於內燃機的空燃比控制，已知一種空燃比檢測設備，該設備包括用於檢測從內燃機排放的排氣的空燃比的氣體傳感器。用於該用途的已知的氣體傳感器包括根據排氣中氧濃度(根據空燃比是富(rich)還是貧(lean))輸出兩種電平中的一種的傳感器(λ傳感器)，以及在保持線性的同時在寬的氧濃度(空燃比)範圍上輸出傳感輸出的傳感器(稱為全程空燃比傳感器、線性空燃比傳感器等；此後也稱為「線性傳感器」)。近年來，為了應對需要降低危險氣體排放的增強的排放控制，出現了在寬範圍上對提供給內燃機的空氣-燃料混合物的空燃比進行控制的要求。基於這些，實施了採用線性傳感器替代λ傳感器，並基於線性傳感器的輸出進行空燃比反饋控制的技術。
順便提及，任意的上述類型的氣體傳感器主要採用在固體電解質(electrolyte)的相對表面設置一對電極從而形成單元(cell)的結構。通過由於固體電解質的相對表面所暴露在的氣氛(atmosphere)之間的氧濃度差異所產生的電動勢，或者通過當電流在電極之間流動時氧離子經過固體電解質的移動，氣體傳感器檢測氧濃度(空燃比)。除非固體電解質加熱到一定的溫度或更高並且進入所謂的激活狀態，否則不會發生這些現象。因此，為了更快地激活氣體傳感器，並從而在內燃機啟動之後基於氣體傳感器的輸出快速地進行空燃比反饋控制，考慮在空燃比檢測設備中設置加熱器以加熱氣體傳感器。
然而，即使在通過加熱器加熱線性傳感器時，在新使用的線性傳感器的單元被充分激活並且該傳感器產生與線性傳感器一樣的穩定輸出之前，需要從十秒到幾十秒的非常長的時間。為了克服這種缺陷，提出了在專利文獻1和2中公開的空燃比檢測設備，其中使用這種線性傳感器，並且在內燃機啟動之後能使空燃比反饋控制快速進行。
專利文獻1和2公開了用於判斷線性傳感器是否已經進入半激活狀態的技術。在內燃機啟動之後、線性傳感器進入完全激活狀態(完全激活狀態)之前的階段，能夠基於傳感器的輸出判斷空燃比為富側空燃比或貧側空燃比。在這種狀態下，根據空燃比，傳感器輸出線性傳感輸出。這些公報公開了如下內容在判斷為線性傳感器的單元已經達到半激活狀態時，基於傳感輸出進行空燃比是富側空燃比還是貧側空燃比的判斷。
專利文獻1日本特開平9-170997號公報專利文獻2日本特開2004-69547號公報本發明要解決的問題從一個不同的方面，除了在專利文獻2中公開的具有一個單元的限流型傳感器之外，將泵單元和氧濃度測量單元層疊的分層型氣體傳感器認為是能在寬範圍上檢測空燃比(氧濃度)的線性傳感器。更具體地，設置該分層型氣體傳感器使得泵和氧濃度測量單元一體地層疊，其中泵和氧濃度測量單元中的每一個由固體電解質層和一對夾著固體電解質層的電極組成。在這種配置中，每個單元的一個電極暴露於可以通過擴散控制部引入排氣的測量氣室(measurement gas chamber)。
對於由多個單元組成的這種線性傳感器，已經研究了在內燃機啟動之後快速啟動空燃比反饋控制的技術。在該技術中，在傳感器達到完全激活狀態之前的階段，通過使用傳感器的輸出進行關於空燃比為富側空燃比或貧側空燃比的判斷。其具體的例子為在日本特願2005-264879號中提出的傳感器控制設備，在提交本申請時該專利申請尚未公開。在氣體傳感器達到完全激活狀態之前的階段，傳感器控制設備判斷包括多個單元的氣體傳感器(線性傳感器)是否已經達到半激活狀態。在判斷為該氣體傳感器單元已經達到半激活狀態之後，傳感器控制設備基於在其中一個單元(例如氧濃度測量單元)的電極之間產生的電壓，判斷空燃比是處於富側還是處於貧側。
然而，通過深入的研究，本發明的發明人發現，在包括多個單元的氣體傳感器達到半激活狀態之後，在氧濃度測量單元的電極之間所產生的電壓變化對於空燃比的實際變化具有延遲，傳感輸出的響應性不令人滿意。認為該現象的產生是由於引入測量氣室的排氣必須通過擴散控制部而引起的，並且由於擴散控制部的存在，在測量氣室中氣體的替換緩慢進行。因此，在之前的申請中所說明的傳感器控制設備能從傳感器控制設備啟動之後、氣體傳感器進入完全激活狀態之前的階段開始進行反饋控制。然而考慮到更嚴格的增強的排放控制標準，為了進行精確的空燃比反饋控制，傳感器控制設備對於一旦氣體傳感器達到半激活狀態而產生的傳感輸出的空燃比的變化必須具有更高的響應性。

發明內容
基於上述問題完成了本發明，其目的在於提供一種空燃比檢測設備，該設備能在氣體傳感器達到完全激活狀態之前的階段實現對要獲得的空燃比的變化響應性高的傳感輸出。氣體傳感器包括泵單元和氧濃度測量單元，層疊為使得每個單元的一個電極暴露於通過擴散控制部引入排氣的中空測量氣室。
通過提供包含氣體傳感器的空燃比檢測設備實現了本發明的上述目的。氣體傳感器包括泵單元，其包括夾在外泵電極和內泵電極之間的第一固體電解質層；以及氧濃度測量單元，其包括夾在測量電極和基準電極之間的第二固體電解質層。泵單元和氧濃度測量單元一體地層疊，使得內泵電極和測量電極面向通過擴散控制部引入排氣的(中空的)測量氣室，並且內泵電極和測量電極保持相同的電勢。當氣體傳感器處於完全激活狀態時，向泵單元提供用於將氧氣泵入或泵出測量氣室的電流，從而在氧濃度測量單元的測量電極和基準電極之間產生恆定的電壓。這樣，可以基於流過泵單元的電流在寬範圍上檢測排氣的空燃比。空燃比檢測設備的特徵在於，其包括檢測值獲取裝置，用於在空燃比檢測設備啟動之後並且氣體傳感器達到完全激活狀態之前的階段，獲取泵單元的外泵電極和氧濃度測量單元的基準電極之間的電勢差作為檢測值；以及富貧判斷裝置，用於通過將該檢測值與預定的空燃比閾值相比較，來判斷排氣的空燃比處於富側還是貧側。
在具有上述結構的氣體傳感器中，即使在完全激活狀態之前的階段，也在泵單元的電極對之間以及在氧濃度測量單元的電極對之間產生電動勢(電壓)。倘若氣體傳感器加熱到一定的溫度或者更高，電動勢正比於每個單元的相對表面的氧濃度的差異。
在本發明的空燃比檢測設備中，由於泵單元的內泵電極和氧濃度測量單元的測量電極二者都面向測量氣室，它們暴露於相同的氣氛。此外，內泵電極和測量電極保持相同的電勢。通過測量泵單元的外泵電極和氧濃度測量單元的基準電極之間的電勢差，這種結構能夠獲得對應於外泵電極和基準電極之間的氧濃度差異的電勢(電壓)。
由於外泵電極位於泵單元不面向通過擴散控制部引入排氣的測量氣室的一側，因此存在於傳感器外面的排氣到達外泵電極比其到達面向測量氣室的電極更容易。在某些情況下，為了防止中毒，在外泵電極上設置多孔狀電極保護層(porous electrodeprotection layer)。然而，在本發明中，即使當設置這種電極保護層時，排氣到達外泵電極也比其到達面向測量氣室的電極更容易。這是因為當氣體傳感器處於完全激活狀態下，考慮到將氧氣泵入或泵出測量氣室的結構，將電極保護層的氣體滲透性設置得高於擴散控制部的氣體滲透性。
因此，與基於氧濃度測量單元的電極之間產生的電壓檢測空燃比的變化的情況相比，基於外泵電極和基準電極之間的電勢差可以更容易地檢測空燃比的變化(氣氛的變化)。在本發明中，由於獲取了上述電勢差，因此可以獲得對空燃比的變化響應性高的傳感輸出。因此，通過獲取泵單元的外泵電極和氧濃度測量單元的參考電極之間的電勢差作為檢測值，並基於該檢測值判斷排氣的空燃比處於富側還是貧側，可以精確地進行關於排氣的空燃比處於富側還是貧側的判斷。
因此，本發明的空燃比檢測設備在氣體傳感器達到完全激活狀態之前的階段，能夠精確地判斷排氣的空燃比處於富側還是貧側，並在氣體傳感器達到完全激活狀態之前的前期階段，能夠進行精確的空燃比反饋控制。
從另一方面，當檢測值獲取裝置獲取泵單元的外泵電極和氧濃度測量單元的基準電極之間的電勢差作為檢測值時，必須將氣體傳感器(換言之，泵單元和氧濃度測量單元)加熱到一定的溫度或更高，從而在每一個單元的電極之間產生電動勢。因此，在空燃比檢測設備啟動後過了一定的時間之後，假設每個單元都處於達到某種程度的激活狀態，通過檢測值獲取裝置獲取檢測值。然而，氣體傳感器達到激活狀態的速度隨該氣體傳感器所暴露的環境而變化，即使當採用使用加熱器加熱氣體傳感器的結構時，由於加熱器提供電壓變化的影響，達到激活狀態的速度也可能不同。
鑑於以上情況，優選地，空燃比檢測設備還包括(i)半激活判斷裝置，用於判斷在空燃比檢測設備啟動之後，氣體傳感器是否已達到半激活狀態，在該半激活狀態下能基於檢測值的變化進行關於排氣的空燃比處於富側還是貧側的判斷，以及(ii)完全激活判斷裝置，用於判斷氣體傳感器是否已經達到完全激活狀態，其中，當半激活判斷裝置判斷為氣體傳感器已經達到半激活狀態並當完全激活判斷裝置判斷為氣體傳感器尚未達到完全激活狀態時，檢測值獲取裝置獲取檢測值。
根據本發明的空燃比檢測設備，在半激活判斷裝置判斷為氣體傳感器已經達到半激活狀態之後，且直到完全激活判斷裝置判斷為氣體傳感器已經達到完全激活狀態的時刻，通過檢測值獲取裝置獲取檢測值。即，在半激活判斷裝置判斷為泵單元和氧濃度測量單元已經加熱到一定的溫度或更高，並且這些單元已經達到在每個單元的電極之間產生了對應於氧濃度差異的電動勢的激活狀態之後，開始獲取檢測值。因此，通過使用在完全激活階段之前的半激活階段的檢測值，富貧判斷裝置能夠進行可靠的判斷。
用於判斷氣體傳感器是否已經達到半激活狀態的半激活判斷裝置可以是通常與空燃比檢測裝置的啟動同步地為安裝在氣體傳感器上的加熱器提供能量、計算提供到加熱器的累積電能，並且當累積的電能達到預設的基準值時判斷為氣體傳感器已達到半激活狀態的裝置。然而，為了精確地判斷氣體傳感器是否已經達到半激活狀態，希望直接使用從氣體傳感器所獲得的輸出。
鑑於以上情況，優選地，本發明的空燃比檢測設備還包括電流源，其能夠向氧濃度測量單元提供一定大小的恆定電流；恆定電流提供控制部，為了交替地允許電流源提供恆定電流和禁止電流源提供恆定的電流，以預定的間隔交替地進入接通和斷開狀態；電壓檢測裝置，用於當恆定電流提供控制部處於接通狀態時以及當恆定電流提供控制部處於斷開狀態時，檢測在氧濃度測量單元的測量電極和基準電極之間產生電壓；差異電壓檢測裝置，用於檢測當恆定電流提供控制部處於接通狀態時和當恆定電流提供控制部處於斷開狀態時，通過電壓檢測裝置檢測的電壓之間的差異的差異電壓，其中，半激活判斷裝置將通過差異電壓檢測裝置檢測的差異電壓與預定的電壓判斷閾值相比較，當差異電壓小於電壓判斷閾值時，判斷為氣體傳感器達到半激活狀態。
在本發明的空燃比檢測設備中，檢測當電流源接通時所檢測到的電壓和電流源斷開時所檢測到的電壓之間的差異的差異電壓，並通過將該差異電壓和預設的電壓判斷閾值相比較，進行關於氣體傳感器是否達到半激活狀態的判斷。由於通過直接檢測來自氣體傳感器(更具體地，氧濃度傳感器單元)的輸出來進行關於氣體傳感器是否已達到半激活狀態的判斷，因此能夠精確地檢測在氣體傳感器由非激活狀態轉變到完全激活狀態的過程中出現的半激活狀態。
優選地，在上述空燃比檢測設備中，用於相對於外部環境遮蔽氧濃度測量單元的基準電極的遮蔽層層疊在氣體傳感器的設置基準電極的一側。此外，空燃比檢測設備還包括基準源產生電流控制部，用於使恆定電流沿著使氧氣從測量氣室泵入基準電極的方向從電流源流到氧濃度測量單元，從而使由遮蔽層遮蔽的基準電極用作內部氧氣基準源。
在本發明的空燃比檢測裝置中，以下兩個目的使用通用的電流源即，向氧濃度測量單元提供恆定電流，從而在氧濃度測量單元的基準電極上積累預定濃度的氧氣，從而使得基準電極起到內部氧氣基準源的作用；向氧濃度測量單元提供恆定的電流，從而判斷氣體傳感器是否處於半激活狀態。這樣，不需要提供多個電流源即可進行驅動氣體傳感器和判斷傳感器是否處於半激活狀態的任務，因此可以降低空燃比檢測設備的成本。
優選地，上述空燃比檢測設備還包括元件電阻檢測裝置，用於檢測泵單元或氧濃度測量單元的內阻，其中，當由元件電阻檢測裝置檢測到的內阻低於預設的電阻判斷閾值時，完全激活判斷裝置判斷為氣體傳感器已經達到完全激活狀態。
在檢測泵單元或氧濃度測量單元的內阻的情況下，可以精確地進行關於氣體傳感器是否已達到完全激活狀態的判斷。


圖1是示意性地示出空燃比檢測設備的結構的電路框圖。
圖2是示意性地示出構成空燃比檢測設備的全程空燃比傳感器(氣體傳感器)的結構的圖。
圖3是示出由構成空燃比檢測設備的微型計算機的CPU所進行的處理的內容的流程圖。
圖4是示出通過微型計算機的CPU在圖3的處理之後所進行的處理的內容的流程圖。
具體實施例方式
以下參考附圖，詳細說明本發明的優選實施例。然而，不應該認為本發明局限於此。
圖1是裝備有雙單元型、全程空燃比傳感器10的空燃比檢測設備1的電路框圖，該全程空燃比傳感器10包括泵單元14和氧濃度測量單元24。
如圖1所示，用於檢測例如汽油機或柴油機的內燃機所排放的排氣的空燃比的空燃比檢測設備1包括全程空燃比傳感器10；傳感器控制電路20，用於驅動和控制全程空燃比傳感器10，並輸出對應於空燃比的輸出信號；以及微型計算機30，用於基於該輸出信號檢測空燃比並控制內燃機(更具體地，控制燃料的噴射量)。傳感器控制電路20的端子Ip+1、COM1、Vs+1連接到全程空燃比傳感器10。特別地，將在下面說明傳感器控制電路20的上述端子所連接的全程空燃比傳感器10的端子。傳感器控制電路20的端子CA、CB、CC、CI和CU連接到微型計算機30的端子CE、CG、CF、CT和CV。
如圖2所示，全程空燃比傳感器10包括泵單元14，其包括夾在外泵電極12和內泵電極16之間的第一固體電解質層15；氧濃度測量單元24，其包括夾在測量電極22和基準電極28之間的第二固體電解質層13；中空的測量氣室21，其設置在泵單元14和氧濃度測量單元24之間，並向其中引入排氣；多孔狀的擴散控制層18，用於將排氣引入到測量氣室21中；以及遮蔽層31，通過絕緣層26層疊在氧濃度測量單元24的表面上，其中設置了基準電極28以形成用於在遮蔽層31和氧濃度測量單元24之間積累氧氣的氧基準室32。此外，為了防止外泵電極12中毒，在泵單元14的外表面設置多孔狀電極保護層34。特別地，適當地調整電極保護層34的孔隙率和厚度，使得電極保護層34比擴散控制層18表現出更高的氣體滲透性。
泵單元14的內泵電極16和氧濃度測量單元24的測量電極22將設置為面向測量氣室21。第一固體電解質層15、第二固體電解質層13、和遮蔽層31中的每一個主要是由用氧化釔部分穩定的氧化鋯形成的。外泵電極12、內泵電極16、測量電極22和基準電極28中的每一個主要是由鉑形成的。測量氣室21是通過部分地去除主要由氧化鋁形成並設置在泵單元14和氧濃度測量單元24之間的絕緣層(未示出)而形成的中空部分。切割並去除一部分絕緣層，從而形成用於建立中空部分和外部空間之間連通的通道，在該通道內設置主要由氧化鋁形成的擴散控制層18。
泵單元14的內泵電極16和氧濃度測量單元24的測量電極22相互連接，並連接到全程空燃比傳感器10的輸出端子COM。即，假設內泵電極16和測量電極22具有相同的電勢。該輸出端子COM連接到傳感器控制電路20的端子COM1(見圖1)。特別地，如圖1所示，內泵電極16和測量電極22不僅連接到端子COM1，而且通過公用配線連接到傳感器控制電路20的端子Vc。此外，泵單元14的外泵電極12連接到全程空燃比傳感器10的輸出端子Ip+，氧濃度測量單元24的基準電極28連接到全程空燃比傳感器10的輸出端子Vs+。該輸出端子Ip+和Vs+分別連接到傳感器控制電路20的端子Ip+1和Vs+1。
如圖1所示，微型計算機30包括第一A/D轉換電路57、第二A/D轉換電路58、第三A/D轉換電路59、第四A/D轉換電路63和CPU 60。該A/D轉換電路57、58、59和63通過微型計算機30的端子CE、CG、CF和CV接收來自傳感器控制電路20的輸出信號，並在將它們轉換為數字值之後將它們輸出到CPU 60。基於傳感器控制電路20的數位化的輸出信號，CPU 60計算空燃比或氧濃度測量單元24的內阻等。如下所述，微型計算機30(更具體的，CPU 60)也通過傳感器控制電路20的端子CT到CI輸出用於打開(on，接通)和關閉(off，斷開)包含在傳感器控制電路20中的開關SW1到SW6的開關信號。
接下來，通過參考圖1說明傳感器控制電路20的結構和操作。特別地，傳感器控制電路20的主要部分通過專用集成電路(ASIC)實現。
傳感器控制電路20包括運算放大器52，用於向泵單元14提供泵電流Ip；PID控制電路51，用於改善泵電流Ip的控制特性；第一電流源41，用於向氧濃度測量單元24提供極小的電流Icp，從而在氧濃度測量單元24的基準電極28處保持恆定的氧濃度(換言之，在氧基準室32的氧濃度)；恆定電壓源61，用於提供用作控制泵電流Ip的控制目標的電壓；以及檢測電阻器50，其相對的兩端分別連接到端子Vc和Pout，並將流過泵單元14的泵電流Ip轉換為電壓。傳感器控制電路20還包括第一差動放大電路53，用於以預定的放大因子放大在端子Ip+1的電勢和端子Vs+1的電勢之間的差的差動電壓，並將結果作為氣體檢測信號Vic輸出；以及第二差動放大電路54，用於以預定的放大因子放大檢測電阻器50兩端的電壓(在端子Vc的電勢和端子Pout的電勢之間的差)，並將結果作為氣體檢測信號Vip輸出。此外，傳感器控制電路20包括第四差動放大電路71，用於以預定的放大因子放大在端子Vs+1的電勢和端子Vc的電勢之間的差的差動電壓，並輸出在氧濃度測量單元24的電極之間產生的電壓Vs。特別地，由於第一差動放大電路53、第二差動放大電路54和第四差動放大電路71中的每一個都具有包含運算放大器和電阻器的已知的電路結構，所以在圖1中以方框的形式將它們示出。
以第一電流源41、開關SW4、氧濃度測量單元24、和電阻器62的順序將它們連接，從而當開關SW4打開時，形成向氧濃度測量單元24提供極小的恆定電流Icp(例如16μA)的電流路徑。當極小的電流Icp沿某一方向流過氧濃度測量單元24，使得測量氣室21內的氧氣泵入到基準電極28側時，氧基準室32用作內部氧氣參考源。
PID控制電路51具有已知的電路結構，包括用於確定PID控制電路51的控制特性的多個電阻器和電容器，以及運算放大器等。PID控制電路51的一端(輸入側)通過差動放大電路連接到端子Vs+1，該差動放大電路包括第一緩存器42、開關SW3、電阻器43和45、第二緩存器46、電阻47和48以及運算放大器69。PID控制電路51的另一端(輸出側)通過開關SW1連接到端子Pout。特別地，設置在PID控制電路51的前級、形成差動放大電路的運算放大器69的反向輸入端連接到電阻器47和49之間的連接點，運算放大器69的正向輸入端通過未示出的電阻器連接到端子Vc。恆壓源61通過第三緩存器65和電阻器49向運算放大器69的反向輸入端提供用作控制泵電流的控制目標的電壓(450mV)。此外，PID控制電路51的輸出通過檢測電阻器50連接到運算放大器52的反向輸入端；3.6V的基準電壓施加到運算放大器52的正向輸入端；運算放大器52的輸出端通過開關SW2連接到端子Ip+1。
以全程空燃比傳感器10處於完全激活狀態的情況為例來說明用於在寬範圍上測量氧濃度(空燃比)的傳感器控制電路20的操作。
當全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態時，打開開關SW1到SW4，使得極小的電流Icp從第一電流源41流到氧濃度測量單元24。PID控制電路51接收來自運算放大器69的輸出端的輸出，並通過PID控制來控制泵電流Ip的大小，使得在氧濃度測量單元24兩端產生的電壓Vs變為450mV。更具體地，通過PID處理，PID控制電路51計算在氧濃度測量單元24兩端產生的電壓Vs從控制目標電壓450mV的偏差ΔVs，該偏差ΔVs通過檢測電阻器50反饋到運算放大器52，從而泵電流Ip在泵單元14的電極之間流動，氧氣從測量氣室21泵出或泵入測量氣室21(見圖2)。
由於泵電流Ip的大小和電流方向根據排氣的空燃比(氧濃度)而變化，因而基於泵電流Ip可以在寬範圍上檢測排氣中的氧濃度。特別地，泵電流Ip通常正比於排氣的空燃比(氧濃度)而變化。更具體地，由於檢測電阻器50位於泵電流Ip流經的電流路徑中，所以在檢測電阻器50相對的兩端之間產生大小對應於泵電流Ip的檢測電壓。鑑於此，通過第二差動放大電路54差動放大在檢測電阻器50的相對端的電勢(更具體地，在端子Vc的電勢和端子Pout的電勢)，被放大的電勢差通過端子CB輸出到微型計算機30作為氣體檢測信號Vip。從傳感器控制電路20的端子CB輸出的氣體檢測信號Vip提供到微型計算機30的端子CG，並通過第二A/D轉換電路58轉換為數字值。通過CPU 60處理該數字值，從而檢測空燃比。通過CPU 60檢測的空燃比反饋到燃料噴射量，從而進行空燃比反饋控制。
以上說明針對全程空燃比傳感器10處於完全激活狀態，即處於普通狀態的情況。實際上，除非充分加熱全程空燃比傳感器10，否則無法進行上述利用氣體檢測信號Vip的空燃比反饋控制。鑑於上述情況，為了消除不能進行空燃比反饋控制的狀態，本實施例的空燃比檢測設備1包括如下處理系統該系統能夠在全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態之前的階段，判斷排氣的空燃比相對於理論空燃比處於富側還是處於貧側。當在全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態之前的階段獲取了關於排氣是富還是貧的信息、並將此信息用於空燃比反饋控制時，可以在內燃機啟動之後快速地啟動空燃比反饋控制。特別地，在本實施例中，基於氣體檢測信號Vic進行關於排氣的空燃比處於富側還是貧側的判斷，該氣體檢測信號Vic是從設置在傳感器控制電路20中的第一差動放大電路53輸出的，並通過預定的放大因子將在端子Vs+1的電勢和端子Ip+1的電勢之間的差放大所獲得的。下面將對此進行更詳細的說明。
本實施例的空燃比檢測設備1還包括用於測量氧濃度測量單元24的內阻的處理系統。
如圖1所示，在傳感器控制電路20中，第二緩存器46與開關SW3和電容器44一起構成採樣保持電路。在開關SW4打開並且極小的電流Icp流過氧濃度測量單元24的狀態下，當開關SW3關閉時，緊挨在提供用於測量氧濃度測量單元24的內阻的電流之前，採樣保持電路保持在氧濃度測量單元24兩端產生的電壓Vs。
當開關SW3關閉時，開關SW5和SW6打開，因此從第二電流源64和第三電流源73向氧濃度測量單元24提供具有預定大小的用於測量電阻的電流。第三差動放大電路55以預定的放大因子放大由第二緩存器46保持的保持值VS H(緊接在提供用於測量電阻的電流之前，在氧濃度測量單元24的兩端產生的電壓Vs)和當用於測量電阻的電流提供到氧濃度測量單元24時的電勢Vs+B之間的差異。由於從差動放大電路55輸出的放大的差動電壓正比於氧濃度測量單元24的內阻(體電阻)，放大的差動電壓能被用作電阻信號Vrpvs。從第三差動放大電路55輸出的電壓提供到信號保持電路56。由於第三差動放大電路55具有包含運算放大器和電阻器的已知的電路結構，因此在圖1中使用方框的形式對其進行表示。
信號保持電路56具有包括電容器和開關的已知的電路結構。當打開設置在信號保持電路56中的開關時，信號保持電路56開始其保持從第三電壓放大電路55輸出的電壓的峰值的操作。在開關打開後過了一段預定的時間，當開關關閉時，信號保持電路56保持從第三差動放大電路55輸出的電壓的峰值作為電阻信號Vr，並將所保持的電阻信號Vr輸出到端子CC。
從端子CC輸出的電阻信號Vr通過微型計算機30的端子CF提供到第三A/D轉換電路59，並轉換為數字值。通過CPU 60處理該數字值，從而檢測氧濃度測量單元24的內阻，並將該內阻與預定的電阻判斷閾值相比較，從而判斷全程空燃比傳感器10是否已經達到完全激活狀態。下面將說明在微型計算機30中的處理的內容。
接下來，參考圖3和圖4說明，在根據本實施例的空燃比檢測設備1中所進行的在全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態之前的階段判斷排氣的空燃比處於富側還是貧側的方法的具體步驟，以及判斷全程空燃比傳感器10是否達到完全激活狀態的方法的具體步驟。特別地，圖3和圖4示出了在構成空燃比檢測設備1的一部分的微型計算機30的CPU 60中進行的軟體處理的流程。當通過點火鍵啟動內燃機時，開始通過微型計算機30的處理。
如圖3所示，在S1中(S代表步驟，這將應用於下述步驟)，CPU60首先通過端子CT將用於打開開關SW4、並用於關閉開關SW1到SW3、SW5和SW6以及信號保持電路56的開關的開關信號輸出到傳感器控制電路20的端子CI。結果，將極小的電流Icp從第一電流源41提供到氧濃度測量單元24。在S2中，CPU 60獲取從第四差動放大電路71和端子CU輸出的電勢(即，在氧濃度測量單元24的電極之間產生的電壓Vs)。更具體地，在微型計算機30中，通過第四A/D轉換電路63將經由端子CV輸入的電壓轉換為數字值，並通過CPU 60讀取該數字值。此外，在S2中，轉換為數字值的電壓Vs保持在存儲器(圖1中未示出)中。
在S3中，過了預定的時間之後(在上述具有50％的佔空比的10Hz的開關操作的情況下，過了50msec)，CPU 60關閉開關SW4。然後，CPU 60進行到S4，與在S2中一樣，獲取經由第四差動放大電路71和端子CU輸出的電壓Vs(即，在氧濃度測量單元24的電極之間產生的電壓Vs)。此外，在S5中，CPU 60計算在上述S2中保持的電壓Vs與在S4中檢測到的電壓Vs之間的差異電壓ΔV。
然後CPU 60進行到S6，比較在S5中計算的差異電壓ΔV和預設的電壓判斷閾值TH1。當在S6中判斷為差異電壓ΔV不小於電壓判斷閾值TH1時，CPU 60進行到S7，在過了預定的時間(50msec)之後打開開關SW4，從而將極小的電流Icp提供到氧濃度測量單元24。此後，CPU 60重複S2及其後面的步驟。
同時，當在S6中判斷為差異電壓ΔV已經小於電壓判斷閾值TH1時，CPU 60判斷為全程空燃比傳感器10已經到達半激活狀態，在該半激活狀態中可以基於從第一差動放大電路53輸出的氣體檢測信號Vic的變化進行關於排氣的空燃比處於富側還是貧側的判斷。在這種情況下，CPU 60進行到S8，打開開關SW4，從而將極小的電流Icp提供到氧濃度測量單元24，並打開開關SW3。
接下來，在S9中，CPU 60獲取從第一差動放大電路53輸出的氣體檢測電壓Vic；即，作為以預定的放大因子放大端子Ip+1的電勢(即泵單元14的外泵電極12的電勢)和端子Vs+1的電勢(即，氧濃度測量單元24的基準電極28的電勢)之間的差異的結果所獲取的電壓。更具體地，在微型計算機30中，通過第一A/D轉換電路57將經由端子CE輸入的電壓轉換為數字值，並通過CPU 60讀取。
然後，CPU 60進行到S10，比較所獲取的氣體檢測信號Vic和對應於理論空燃比的空燃比閾值TH2。當在S10中，判斷為氣體檢測信號Vic小於空燃比閾值TH2時，CPU 60進行到S11，並判斷為「空燃比處於貧側」。同時，當在S10中判斷為氣體檢測信號Vic不小於空燃比閾值TH2時，CPU 60進行到S12，並判斷為「空燃比處於富側」。
然後CPU 60進行到S13，判斷在下一步驟S14中提及的計時器是否已經開始計時操作。當在S13中CPU 60判斷為計時器的計數值為零並且計時操作尚未開始時，在S14中，CPU 60通過計時器開始計時操作，然後進行到S15。同時，當在S13中CPU 60判斷計時已經開始時，CPU 60進行到S15。在S15中，CPU 60判斷計時器是否已經計時了用於測量氧濃度測量單元24的內阻的測量時間TT(例如，計時器啟動之後100msec)。當還沒有經過測量時間TT時，CPU 60返回S9，重複S9和後續步驟的處理，直到在S15中得到肯定的判斷。當在S15中判斷為計時器已經計時了測量時間TT時，CPU 60進行到圖4所示的S16。在S16中，CPU 60關閉開關SW3，打開信號保持電路56的開關(在圖1中未示出)。接下來，在S17中，CPU 60打開開關SW5和SW6，從而從第二電流源64和第三電流源73向氧濃度測量單元24提供用於測量電阻的恆定的電流，然後進行到S18。
在S18中，CPU 60判斷在開關SW5和SW6打開之後是否已經過了第一預定時間(例如，60μsec)。當尚未經過第一預定時間時，CPU 60重複S18的處理。當在S18中CPU 60判斷為已經過了第一預定時間時，在S19中，CPU 60關閉信號保持電路56的開關。結果，信號保持電路56保持此時從第三差動放大電路輸出的電壓的峰值(作為以預定的放大因子放大由第二緩存器46保持的保持值VSH和當用於測量電阻的電流提供到氧濃度測量單元24時的電勢Vs+B之間差異的結果而獲得的電壓)。
接下來，在S20中，CPU 60判斷在開關SW5和SW6打開之後，是否已經過了第二預定時間(例如，100μsec)。當尚未經過第二預定時間時，CPU 60重複S20的處理。當在S20中CPU 60判斷為已經過了第二預定時間時，在S21中，CPU 60關閉開關SW5和SW6，然後進行到S22。在S22中，CPU 60獲取從信號保持電路56輸出的電阻信號Vr，並基於所獲取的電阻信號的電壓Vr和從第二和第三電流源64和73提供的電流計算氧濃度測量單元24的內阻Rpvs。此後，CPU 60進行到S23，並打開開關SW3。
然後CPU 60進行到S24，比較在S22中檢測的內阻Rpvs和預設的電阻判斷閾值TH3(例如，220Ω)。當在S24中判斷為內阻Rpvs小於電阻判斷閾值TH3時，CPU 60判斷為全程空燃比傳感器10已經達到了完全激活狀態，並進行到S25。同時，當在S24中判斷為內阻Rpvs不小於電阻判斷閾值TH3時，CPU 60判斷為全程空燃比傳感器10尚未達到完全激活狀態，進行到S26，從而復位計時器的計時時間；即，設置計時器的計數值為零，然後返回S13(見圖3)。
當CPU 60進行到S25時，對於全程空燃比傳感器10已經達到完全激活狀態的情況，CPU 60開始上述普通操作；例如打開開關SW1和SW2。這樣，在該時間點後，基於從傳感器控制電路20的第二差動放大電路54輸出的氣體檢測信號Vip，可以在寬範圍上檢測空燃比(氧濃度)，並基於所檢測的空燃比進行適當的空燃比反饋控制。特別地，由於上面已經詳細地說明了全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態的情況下的處理，所以從本流程圖的說明中省略對其的說明。重複執行S25的處理，直到通過點火鍵停止內燃機(換言之，直到空燃比檢測設備1停止)。
在本實施例的空燃比檢測設備1中，第一差動放大電路53、第一A/D轉換電路57和在CPU 60中S9的處理對應於檢測值獲取部件，在CPU 60中S10到S12的處理對應於貧-富檢測部件。在CPU60中S1到S7的處理對應於半激活判斷部件。此外，在CPU 60中S1、S3和S7的處理對應於恆定電流提供控制部；第四差動放大電路71、第四A/D轉換電路63和CPU 60中S2和S4的處理對應於電壓檢測部件；S5的處理對應於差異電壓檢測部件。此外，在CPU 60中S8的處理對應於參考源產生電流控制部；第三差動放大電路55、信號保持電路56、第三A/D轉換電路59和CPU 60中S13到S23的處理對應於元件電阻檢測部件；S24的處理對應於完全激活判斷部件。
如上所述，空燃比檢測設備1基於差異電壓ΔV判斷在設備1啟動之後全程空燃比傳感器10是否已經達到半激活狀態，在該半激活狀態中可以基於氣體檢測信號Vic的變化進行關於排氣的空燃比處於富側還是貧側的判斷。當判斷為全程空燃比傳感器10已經達到半激活狀態時，將氣體檢測信號Vic與預定的空燃比閾值TH2比較，從而判斷排氣的空燃比處於富側還是貧側。因此，即使在全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態之前，也可以實現空燃比反饋控制。
此外，在空燃比檢測設備1中，在全程空燃比傳感器10達到上述半激活狀態之後，通過第一差動放大電路53獲取泵單元14的外泵電極12與氧濃度測量單元24的基準電極28之間的電勢差，作為氣體檢測信號Vic。外泵電極12不面向通過擴散控制層18引入排氣的測量氣室，設置在外泵電極12上的電極保護層34具有比擴散控制層18高的氣體滲透率。因此，排氣到達外泵電極12比其通過擴散控制層18到達測量氣室21更容易。因此，與基於在氧濃度測量單元24的電極之間產生的電壓檢測空燃比的變化的情況相比，基於外泵電極12和基準電極28之間的電勢差可以更容易地檢測空燃比的變化(氣氛的變化)。因此，由於空燃比檢測設備1獲取上述電勢差，所以可以獲得對於空燃比的變化具有高響應度的傳感輸出，並可以準確地進行關於空燃比處於富側還是貧側的判斷。
通過上述特徵，本實施例的空燃比檢測設備1允許內燃機從全程空燃比傳感器10達到完全激活狀態之前的階段開始進行精確的空燃比反饋控制。
儘管以上說明了本發明的實施例，但是本發明不局限於該實施例，可以在不脫離本發明技術範圍的情況下做出任意的不同形式。
例如，在實施例中，為了檢測泵單元14的外泵電極12與氧濃度測量單元24的基準電極28之間的電勢差，使用第一差動放大電路53。然而，可以採用如下結構外泵電極12的電勢(在端子Ip+1的電勢)和基準電極28的電勢(在端子Vs+1的電勢)可以獨立地提供到微型計算機30，在該微型計算機30中，微型計算機30的CPU60檢測這兩個電勢的差作為檢測值，並將該檢測值與空燃比閾值TH2相比較。
在上述實施例中，為了在控制排氣的流量的同時將排氣引入全程空燃比傳感器10的測量氣室21，設置多孔狀擴散控制層18。代替設置擴散控制層，可以在泵單元14和氧濃度測量單元24之間所設置的絕緣層上設置小孔，從而在控制排氣的流量的同時將排氣引入測量氣室21。
儘管在以上實施例中沒有進行說明，但為了快速地激活全程空燃比傳感器10，將加熱器安裝在全程空燃比傳感器10上。可以修改實施例，通過使用加熱器來判斷全程空燃比傳感器10是否處於完全激活狀態。更具體地，在開始對加熱器提供電壓之後，檢測提供到加熱器的累積的電能，並且當累積的電能達到預設的值時，判斷為全程空燃比傳感器10已經達到完全激活狀態。
本申請基於2005年11月28日提交的日本專利申請2005-342937，其全部內容通過引用併入本文，就像在此詳細寫出這些內容那樣。
附圖標記說明1空燃比檢測設備10全程空燃比傳感器(氣體傳感器)12外泵電極13第二固體電解質層14泵單元15第一固體電解質層16內泵電極18擴散控制層20傳感器控制電路21測量氣室22測量電極24氧濃度測量單元28基準電極
30微型計算機31遮蔽層32氧基準室41第一電流源50檢測電阻器51PID控制電路53第一差動放大電路54第二差動放大電路55第三差動放大電路56信號保持電路57第一A/D轉換電路58第二A/D轉換電路59第三A/D轉換電路60CPU64第四A/D轉換電路71第四差動放大電路
權利要求
1.一種空燃比檢測設備，其包含氣體傳感器，所述氣體傳感器包括測量氣室，排氣經由擴散控制部被引入所述測量氣室；泵單元，其包括外泵電極、面對所述測量氣室的內泵電極、以及夾在所述外泵電極和所述內泵電極之間的第一固體電解質層，氧濃度測量單元，其包括面對所述測量氣室並保持在與所述內泵電極相同的電勢的測量電極、基準電極、以及夾在所述測量電極和所述基準電極之間的第二固體電解質層，所述泵單元與所述氧濃度測量單元一體地層疊，以及如下裝置當所述氣體傳感器處於完全激活狀態時，向所述泵單元提供用於將氧氣泵入或泵出所述測量氣室的電流，使得在所述氧濃度測量單元的所述測量電極和所述基準電極之間產生恆定的電壓，並可基於流過所述泵單元的電流來檢測引入所述測量氣室的排氣的空燃比，所述空燃比檢測設備還包括檢測值獲取裝置，用於在所述空燃比檢測設備啟動之後並且所述氣體傳感器達到所述完全激活狀態之前的階段，獲取所述泵單元的所述外泵電極和所述氧濃度測量單元的所述基準電極之間的電勢差的檢測值；以及富貧判斷裝置，用於通過將所述檢測值與預定的空燃比閾值相比較，來判斷排氣的所述空燃比處於富側還是貧側。
2.根據權利要求1所述的空燃比檢測設備，其特徵在於，所述空燃比檢測設備還包括半激活判斷裝置，用於判斷在所述空燃比檢測設備啟動之後，所述氣體傳感器是否已經達到半激活狀態，在所述半激活狀態中能基於所述檢測值的變化進行關於排氣的所述空燃比處於所述富側還是所述貧側的判斷，以及完全激活判斷裝置，用於判斷所述氣體傳感器是否已經達到所述完全激活狀態，其中，當所述半激活判斷裝置判斷為所述氣體傳感器已經達到所述半激活狀態並且當所述完全激活判斷裝置判斷為所述氣體傳感器尚未達到所述完全激活狀態時，所述檢測值獲取裝置獲取所述檢測值。
3.根據權利要求2所述的空燃比檢測設備，其特徵在於，所述空燃比檢測設備還包括電流源，其能夠向所述氧濃度測量單元提供一定大小的恆定電流；恆定電流提供控制部，其為了交替地允許所述電流源提供所述恆定電流和禁止所述電流源提供所述恆定電流，以預定的間隔交替地進入接通和斷開狀態；電壓檢測裝置，用於檢測當所述恆定電流提供控制部處於所述接通狀態時和當所述恆定電流提供控制部處於所述斷開狀態時，在所述氧濃度測量單元的所述測量電極和所述基準電極之間產生的電壓；差異電壓檢測裝置，用於檢測當所述恆定電流提供控制部處於所述接通狀態時和當所述恆定電流提供控制部處於所述斷開狀態時通過所述電壓檢測裝置檢測到的電壓之間的差異的差異電壓，其中，所述半激活判斷裝置將由所述差異電壓檢測裝置檢測到的所述差異電壓與預設的電壓判斷閾值相比較，當所述差異電壓小於所述電壓判斷閾值時，判斷為所述氣體傳感器已達到所述半激活狀態。
4.根據權利要求3所述的空燃比檢測設備，其特徵在於，所述空燃比檢測設備還包括遮蔽層，用於遮蔽相對於所述氣體傳感器在外部的所述氧濃度測量單元的所述基準電極，所述遮蔽層層疊在所述氣體傳感器的設置所述基準電極的一側；以及基準源產生電流控制部，用於使所述恆定電流沿著使氧氣從所述測量氣室泵到所述基準電極的方向從所述電流源流到所述氧濃度測量單元，從而使由所述遮蔽層遮蔽的所述基準電極用作內部氧氣基準源。
5.根據權利要求2所述的空燃比檢測設備，其特徵在於，所述空燃比檢測設備還包括元件電阻檢測裝置，用於檢測所述泵單元或所述氧濃度測量單元的內阻，其中，所述完全激活判斷裝置當由所述元件電阻檢測裝置檢測到的所述內阻低於預設的電阻判斷閾值時，判斷為所述氣體傳感器已經達到所述完全激活狀態。
6.一種空燃比檢測設備，其包含氣體傳感器，所述氣體傳感器包括測量氣室，排氣經由擴散控制部引入所述測量氣室；泵單元，其包括外泵電極、面對所述測量氣室的內泵電極、以及夾在所述外泵電極和所述內泵電極之間的第一固體電解質層，以及氧濃度測量單元，其包括面對所述測量氣室並保持在與所述內泵電極相同的電勢的測量電極、基準電極、以及夾在所述測量電極和所述基準電極之間的第二固體電解質層，所述泵單元與所述氧濃度測量單元一體地層疊，其中，當所述氣體傳感器處於完全激活狀態時，用於將氧氣泵入或泵出所述測量氣室的電流被提供到所述泵單元，使得在所述氧濃度測量單元的所述測量電極和所述基準電極之間產生恆定的電壓，並可基於流過所述泵單元的電流檢測引入所述測量氣室的排氣的空燃比，以及在所述空燃比檢測設備啟動之後並且所述氣體傳感器達到所述完全激活狀態之前的階段，通過將如下檢測值與預定的空燃比閾值相比較來判斷排氣的所述空燃比處於富側還是貧側的裝置，所述檢測值是所述泵單元的所述外泵電極和所述氧濃度測量單元的所述基準電極之間的電勢差。
全文摘要
一種空燃比檢測設備，使用從端子(CU)輸出的氣體檢測電壓Vs，判斷在空燃比檢測設備(1)啟動之後，全程空燃比傳感器(10)是否已經達到半激活狀態，在所述半激活狀態下能基於氣體檢測信號Vic的變化判斷空燃比處於富側還是貧側。在判斷為傳感器達到半激活狀態後，將信號Vic與閾值相比較，判斷空燃比處於富側還是貧側。在設備(1)中，通過第一差動放大電路(53)獲取泵單元(14)的外泵電極與氧濃度測量單元(24)的基準電極之間的電勢差作為氣體檢測信號Vic，信號Vic對排氣的空燃比的變化的響應度高。
文檔編號G01N33/00GK1975402SQ20061015031
公開日2007年6月6日 申請日期2006年10月26日 優先權日2005年11月28日
發明者平巖雅道, 川合尊, 寺本諭司, 森茂樹, 稻垣浩 申請人:日本特殊陶業株式會社