СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК F02D41/14 F01N3/24 

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 1-4).

[0003] В такой системе управления использован катализатор очистки выхлопного газа, который расположен в выхлопном канале и имеет способность к накоплению кислорода. Катализатор очистки выхлопного газа, который имеет способность к накоплению кислорода, может удалять несгоревший газ (НС, СО и т.д.), NO_X и т.д., содержащиеся в выхлопном газе, втекающем в катализатор очистки выхлопного газа, когда количество накопленного кислорода представляет собой надлежащую величину между верхним пределом накопления и нижним пределом накопления. То есть, если выхлопной газ с воздушно-топливным отношением, находящимся на богатой стороне от стехиометрического воздушно-топливного отношения (ниже именуемым также «богатым воздушно-топливным отношением»), поступает в катализатор очистки выхлопного газа, несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, окисляется и очищается кислородом, накопленным в катализаторе очистки выхлопного газа. В противоположность этому, если выхлопной газ с воздушно-топливным отношением, находящимся на бедной стороне от стехиометрического воздушно-топливного отношения (ниже именуемым также «бедным воздушно-топливным отношением»), поступает в катализатор очистки выхлопного газа, кислород, содержащийся в выхлопном газе, накапливается в катализаторе очистки выхлопных газов. В связи с этим поверхность катализатора очистки выхлопного газа находится в состоянии недостатка кислорода. Поэтому NO_X, содержащиеся в выхлопном газе, восстанавливаются и очищаются. В результате, катализатор очистки выхлопного газа может очищать выхлопной газ независимо от воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, до тех пор, пока количество накопленного кислорода будет иметь надлежащую величину.

[0004] Поэтому для поддержания количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа на надлежащей величине вышеописанная система управления оснащена датчиком воздушно-топливного отношения на впускной стороне катализатора очистки выхлопного газа в направлении потока выхлопного газа и оснащена датчиком кислорода на выпускной стороне в направлении потока выхлопного газа. При использовании этих датчиков система управления, основываясь на выходном сигнале датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, выполняет управление с обратной связью так, что выходной сигнал этого датчика воздушно-топливного отношения становится целевой величиной, которая соответствует целевому воздушно-топливному отношению. В дополнение к сказанному, целевая величина датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны корректируется на основе выходного сигнала датчика кислорода с выпускной стороны. Следует отметить, что в дальнейшем пояснении впускная сторона в направлении потока выхлопного газа будет иногда именоваться просто «впускной стороной», а выпускная сторона в направлении потока выхлопного газа будет иногда именоваться просто «выпускной стороной».

[0005] Например, в системе управления, описанной в ссылке PLT 1, когда выходное напряжение датчика кислорода с выпускной стороны представляет собой верхнюю пороговую величину или более, и, таким образом, состояние катализатора очистки выхлопного газа является состоянием недостатка кислорода, целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение. В противоположность этому, когда выходное напряжение датчика кислорода с выпускной стороны представляет собой нижнюю пороговую величину или менее, и, таким образом, состояние катализатора очистки выхлопного газа является состоянием избытка кислорода, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на богатое воздушно-топливное отношение. В связи с этим, согласно PLT 1, когда устанавливается состояние недостатка кислорода или состояние избытка кислорода, считается, что состояние катализатора очистки выхлопного газа может быть быстро возвращено в промежуточное состояние между этими двумя состояниями (то есть, состояние, когда катализатор очистки выхлопного газа содержит надлежащее количество кислорода).

[0006] Кроме того, в вышеупомянутой системе управления, если выходное напряжение датчика кислорода с выпускной стороны представляет собой величину между верхней пороговой величиной и нижней пороговой величиной, когда выходное напряжение датчика кислорода увеличивается, целевое воздушно-топливное отношение установлено на бедное воздушно-топливное отношение. В противоположность этому, когда выходное напряжение датчика кислорода уменьшается, целевое воздушно-топливное отношение установлено на богатое воздушно-топливное отношение. Благодаря этому согласно PLT 1 считается возможным заранее предотвратить переход состояния катализатора очистки выхлопного газа в состояние недостатка кислорода или в состояние избытка кислорода.

[0007] Далее, в системе управления, описанной в PLT 2, количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа вычисляется на основе выходных сигналов расходомера и датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны катализатора очистки выхлопного газа. Более того, когда вычисленное количество накопленного кислорода становится больше целевого количества накопленного кислорода, целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, устанавливается на богатое воздушно-топливное отношение, в то время как если вычисленное количество накопленного кислорода становится меньше целевого количества накопленного кислорода, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение. Благодаря этому согласно PLT 2 считается возможным постоянно поддерживать количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа на целевом количестве накопленного кислорода.

Указатель ссылок

Патентная литература

[0008] PLT 1: Публикация японской патентной заявки No. 2011-069337 А

PLT 2: Публикация японской патентной заявки No. 2001-234787 А

PLT 3: Публикация японской патентной заявки No. Н8-232723 А

PLT 4: Публикация японской патентной заявки No. 2009-162139 А

Сущность изобретения

Техническая задача

[0009] Фиг. 2 показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и концентрацией NO_X или несгоревшего газа (НС, СО и т.д.) в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа. Фиг. 2(A) показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода и концентрацией NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, представляет собой бедное воздушно-топливное отношение. С другой стороны, Фиг. 2(B) показывает взаимосвязь между количеством накопленного кислорода и концентрацией несгоревшего газа в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение.

[0010] Как понятно из фиг. 2(A), когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа является небольшим, имеется некоторый резерв до максимального количества накопления кислорода. По этой причине, даже если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, 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 восстанавливаются и очищаются. В результате выхлопной газ, вытекающий из катализатора очистки выхлопного газа, почти совсем не содержит NO_X.

[0011] Однако, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа увеличивается при бедном воздушно-топливном отношении выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, катализатору очистки выхлопного газа становится труднее 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. 2(A), если количество накопленного кислорода увеличивается сверх некоторого верхнего предела накопления Cuplim, концентрация NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, быстро возрастает.

[0012] С другой стороны, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа большое, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, представляет собой богатое воздушно-топливное отношение (то есть, этот выхлопной газ содержит НС или СО или другой несгоревший газ), накопленный в катализаторе очистки выхлопного газа кислород высвобождается. По этой причине несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, текущем в катализатор очистки выхлопного газа, окисляется и очищается. В результате, как понятно из фиг. 2(B), выхлопной газ, вытекающий из катализатора очистки выхлопного газа, почти не содержит также и какого-либо несгоревшего газа.

[0013] Тем не менее, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа уменьшается, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, является богатым воздушно-топливным соотношением, количество кислорода, высвобождаемого из катализатора очистки выхлопного газа, также становится меньше. Наряду с этим, становится также труднее окислять и очищать несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе. По этой причине, как понятно из фиг. 2(B), если количество накопленного кислорода уменьшается ниже некоторого нижнего предела накопления Clowlim, концентрация несгоревшего газа, содержащегося в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа с впускной стороны, быстро возрастает.

[0014] Количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и концентрация NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, имеют вышеописанную взаимосвязь. Поэтому при выполнении управления, описанного в PLT 1, то есть при выполнении управления, которое в качестве целевого воздушно-топливного отношения устанавливает богатое воздушно-топливное отношение, когда выходное напряжение датчика кислорода с выпускной стороны становится низкой пороговой величиной или менее, некоторое количество NO_X вытекает из катализатора очистки выхлопного газа. Это состояние показано на фиг. 20.

[0015] Фиг. 20 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа; воздушно-топливного отношения выхлопного газа, определенного датчиком кислорода с выпускной стороны; целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа; воздушно-топливного отношения выхлопного газа, определенного датчиком кислорода с впускной стороны; и концентрации NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа.

[0016] В проиллюстрированном примере, в состоянии перед моментом времени t₁, целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, установлено на бедное воздушно-топливное отношение. Поэтому количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа постепенно увеличивается. С другой стороны, кислород, содержащийся в выхлопном газе, поступающем в катализатор очистки выхлопного газа, полностью накапливается в катализаторе очистки выхлопного газа, поэтому выхлопной газ, вытекающий из катализатора очистки выхлопного газа, почти не содержит кислорода. Следовательно, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, определенное датчиком кислорода с выпускной стороны, становится, по существу, стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Аналогичным образом NO_X, содержащиеся в выхлопном газе, текущем в катализатор очистки выхлопного газа, полностью восстанавливаются и очищаются в катализаторе очистки выхлопного газа, и поэтому выхлопной газ, вытекающий из катализатора очистки выхлопного газа, почти не содержит каких-либо NO_X.

[0017] Если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа постепенно увеличивается и приближается к максимальному количеству накопления кислорода Cmax, как показано на фиг. 2, часть кислорода, содержащегося в выхлопном газе, поступающем в катализатор очистки выхлопного газа, не может более накапливаться в катализаторе очистки выхлопных газов. В результате, от момента времени t₁, выхлопной газ, вытекающий из катализатора очистки выхлопного газа, содержит кислород. Поэтому воздушно-топливное отношение выхлопного газа, определенное датчиком кислорода с выпускной стороны, становится бедным воздушно-топливным отношением. Далее, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа продолжает возрастать, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа, достигает заранее определенного верхнего предельного воздушно-топливного отношения AFhighref (соответствующего низкой пороговой величине), и целевое воздушно-топливное отношение переключается на богатое воздушно-топливное отношение.

[0018] Если целевое воздушно-топливное отношение переключается на богатое воздушно-топливное отношение, количество впрыска топлива в двигателе внутреннего сгорания увеличивается в соответствии с переключенным целевым воздушно-топливным отношением. Даже если количество впрыска топлива увеличивается данным образом, поскольку имеется некоторое расстояние от корпуса двигателя внутреннего сгорания до катализатора очистки выхлопного газа, изменение воздушно-топливного отношения выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, на богатое воздушно-топливное отношение не происходит немедленно, а задерживается. Поэтому, даже если в момент времени t₂ целевое воздушно-топливное отношение переключается на богатое воздушно-топливное отношение, до момента времени t₃ воздушно-топливное отношение выхлопного газа, поступающего в катализатор очистки выхлопного газа, остается на бедном воздушно-топливном отношении. Поэтому от момента времени t₂ до t₃ количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа достигает максимального количества накопления кислорода Cmax или становится величиной, близкой к максимальному количеству накопления кислорода Cmax. В результате, кислород и NO_X вытекают из катализатора очистки выхлопного газа. Далее, в момент времени t₃ воздушно-топливное отношение выхлопного газа, втекающего в катализатор очистки выхлопного газа, становится богатым воздушно-топливным отношением, и воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа, превращается в стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0019] Таким образом, даже при выполнении управления, описанного PLT 1, возникает задержка от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения до момента, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, втекающего в катализатор очистки выхлопного газа, становится богатым воздушно-топливным отношением. В результате, как понятно из диаграммы «концентрация NO_X в вытекающем газе» на фиг. 20, NO_X временно вытекают из катализатора очистки выхлопного газа.

[0020] Далее, при вычислении расчетного количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа на основе выходных сигналов расходомера и датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны и т.д., как показано в системе управления, описанной в PLT 2, ошибка возникает в самом расчетном значении. Такая ошибка является большой, если вычисление расчетного количества накопленного кислорода производится путем накапливания выходных сигналов в течение длительного периода времени, даже если такая ошибка является небольшой при проведении такого вычисления на коротком периоде времени. В результате, даже если управлять воздушно-топливным отношением выхлопного газа, втекающего в катализатор очистки выхлопного газа так, чтобы фактическое количество накопленного кислорода становилось целевым количеством накопленного кислорода, то количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа в конечном итоге достигнет максимального количества накопления кислорода или нуля.

[0021] В системе управления, описанной в PLT 2, при предполагаемом возникновении такой ситуации, когда датчик кислорода с выпускной стороны определяет воздушно-топливное отношение, отличное от стехиометрического воздушно-топливного отношения, расчетное количество накопленного кислорода корректируется на возврат фактического количества накопленного кислорода к надлежащему значению. Однако также и в этом случае возникает задержка от момента, когда корректируется расчетное количество накопленного кислорода, до момента, когда это отражается в воздушно-топливном отношении выхлопного газа, втекающего в катализатор очистки выхлопного газа. В результате, аналогично системе управления, описанной в PLT 1, NO_X временно вытекают из катализатора очистки выхлопного газа.

[0022] Вследствие этого при рассмотрении вышеуказанной проблемы задачей настоящего изобретения является создание такой системы управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, имеющий способность к накоплению кислорода, в которой система управления удерживает количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа от достижения максимального количества накопления кислорода, a NO_X - от сохранения в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа.

Решение задачи

[0023] Для решения вышеуказанной задачи, согласно первому объекту изобретения, предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, который расположен в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания и который может накапливать кислород, при этом система управления содержит: средство определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, которое расположено на выпускной стороне в направлении потока выхлопного газа от катализатора очистки выхлопного газа и которое определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа; и средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа, которое управляет воздушно-топливным отношением выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, при этом средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа содержит: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение, определенное средством определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение или менее, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не станет заданным количеством накопления, которое меньше, чем верхний предел накопления кислорода, при котором скорость возрастания концентраций кислорода и NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, начинает становиться больше, чем прежде; и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа становится заданным количеством накопления или более, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля и не достигало максимального количества накопленного кислорода.

[0024] Для решения вышеуказанной задачи, согласно второму объекту изобретения, предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, который расположен в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания и который может накапливать кислород, при этом система управления содержит средство определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, которое расположено на выпускной стороне в направлении потока выхлопного газа от катализатора очистки выхлопного газа и которое определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа, средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа, которое управляет воздушно-топливным отношением выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа средство определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, которое определяет или оценивает воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа; и средство оценки количества накопленного кислорода, которое оценивает количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа на основе воздушно-топливного отношения выхлопного газа, которое, в свою очередь, определяется или оценивается средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, при этом средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа содержит: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение, определенное средством определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение или менее, пока количество накопленного кислорода, которое оценивается средством оценки количества накопленного кислорода, 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 на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода, которое оценивается средством оценки количества накопленного кислорода, становится заданным количеством накопления или более, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля и не достигало максимального количества накопленного кислорода.

[0025] Третьим объектом изобретения является первый или второй объект изобретения, в котором разница между средней величиной целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения 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 стехиометрического воздушно-топливного отношения 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.

[0026] Четвертым объектом изобретения является любой объект изобретения с первого по третий, в котором средство увеличения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает целевое воздушно-топливное отношение беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0027] Пятым объектом изобретения является любой объект изобретения с первого по четвертый, в котором средство уменьшения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает целевое воздушно-топливное отношение богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0028] Шестым объектом изобретения является любой объект изобретения с первого по третий, в котором средство уменьшения количества накопленного кислорода периодически устанавливает целевое воздушно-топливного отношение на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, а также устанавливает целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, по меньшей мере, в части периода времени, когда целевое воздушно-топливное отношение не установлено на стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0029] Согласно седьмому объекту изобретения имеется любой из объектов изобретения с первого по шестой, дополнительно содержащий средство определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, которое определяет или оценивает воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, при этом средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа управляет количеством топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, так чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа, которое определяется или оценивается средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, становится целевым воздушно-топливным отношением.

[0030] Согласно восьмому объекту изобретения имеется седьмой объект изобретения, дополнительно содержащий средство оценки количества накопленного кислорода, которое оценивает количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа на основе воздушно-топливного отношения выхлопного газа, которое, в свою очередь, определяется или оценивается средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, при этом средство увеличения количества накопленного кислорода устанавливает целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода, которое оценивается средством оценки количества накопленного кислорода, не станет заданным количеством накопления.

[0031] Согласно девятому объекту изобретения имеется любой объект изобретения с первого по восьмой, в котором двигатель внутреннего сгорания содержит катализатор очистки выхлопного газа с выпускной стороны, который расположен на выпускной стороне выпускного канала по направлению потока выхлопного газа от датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, и который может накапливать кислород.

[0032] Согласно десятому объекту изобретения имеется любой объект изобретения с первого по девятый, в котором процесс на основе средства увеличения количества накопленного кислорода и процесс на основе упомянутого средства уменьшения количества накопленного кислорода выполняются попеременно в повторяющемся режиме.

[0033]

[0034]

Предпочтительные результаты изобретения

[0035] Согласно настоящему изобретению в двигателе внутреннего сгорания, содержащем катализатор очистки выхлопного газа, который имеет способность к накоплению кислорода, количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов удерживается от достижения максимального количества накопления кислорода, и, таким образом, предотвращается наличие NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа.

Краткое описание чертежей

[0036] Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использована система управления согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет собой диаграммы, на которых показана взаимосвязь между количеством накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и концентрацией NO_X или концентрацией несгоревшего газа в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа.

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 показывает взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа около датчика воздушно-топливного отношения и выходным током датчика.

Фиг. 6 представляет собой вид, на котором показан пример особой цепи, которую образуют устройство подачи напряжения, и устройство определения тока.

Фиг. 7 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов и т.д.

Фиг. 8 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов и т.д.

Фиг. 9 представляет собой функциональную блок-схему системы управления.

Фиг. 10 представляет собой блок-схему, которая показывает порядок управления для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения.

Фиг. 11 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов и т.д.

Фиг. 12 представляет собой вид, который показывает взаимосвязь между поданным напряжением датчика и выходным током при различном воздушно-топливном отношении выхлопного газа.

Фиг. 13 представляет собой вид, который показывает взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током при различных поданных напряжениях датчика.

Фиг. 14 представляет собой вид, на котором показана увеличенная область, обозначенная Х-Х на фиг. 12.

Фиг. 15 представляет собой вид, на котором показана увеличенная область, обозначенная Y на фиг. 13.

Фиг. 16 представляет собой вид, который показывает взаимосвязь между воздушно-топливным отношением датчика воздушно-топливного отношения и выходным током.

Фиг. 17 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа и т.д.

Фиг. 18 представляет собой схематический вид в разрезе датчика воздушно-топливного отношения третьего варианта осуществления.

Фиг. 19 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчика воздушно-топливного отношения третьего варианта осуществления.

Фиг. 20 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа.

Описание вариантов осуществления

[0037] Ниже, со ссылкой на чертежи, система управления двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению будет пояснена подробно. Следует отметить, что в последующем описании одинаковые компонентные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 1 представляет собой вид, на котором схематически показан двигатель внутреннего сгорания, в котором использована система управления согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

[0038] 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, образованная 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.

[0039] 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.

[0040] 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.

[0041] 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.

[0042] 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 (средство определения 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 (средство определения 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.

[0043] 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 средство управления двигателем для управления двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходными сигналами различных датчиков и т.д.

[0044] Пояснение по катализатору очистки выхлопного газа

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.

[0045] 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).

[0046] 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 воздуха к массе топлива, которые поступают в момент образования выхлопного газа. Обычно это означает отношение массы воздуха к массе топлива, которые подаются в камеру сгорания 5 на момент образования выхлопного газа. Далее по тексту настоящего описания воздушно-топливное отношение выхлопного газа иногда именуется «выхлопным воздушно-топливным отношением».

[0047] 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. То есть, как показано на фиг. 2(A), если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, втекающего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является бедным воздушно-топливным отношением, то когда количество накопленного кислорода небольшое, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны накапливает содержащийся в выхлопном газе кислород, и при этом восстанавливает и очищает NO_X. Далее, если количество накопленного кислорода становится больше, то начиная от верхнего предела накопления Cuplim концентрации кислорода и NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, быстро возрастают.

[0048] С другой стороны, как показано на фиг. 2(B), если воздушно-топливное отношение выхлопного газа, втекающего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, то когда количество накопленного кислорода является большим, кислород, который накоплен в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, высвобождается, и содержащийся в выхлопном газе несгоревший газ окисляется и очищается. Далее, если количество накопленного кислорода становится малым, то начиная от нижнего предела накопления Clowlim концентрация несгоревшего газа в выхлопном газе, вытекающем из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, быстро возрастает.

[0049] Как показано выше, 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 выхлопного газа могут также быть катализаторами, которые отличны от трехкомпонентных катализаторов.

[0050] 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, 41 воздушно-топливного отношения. Как будет понятно из фиг. 3, датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления представляют собой одноячейные датчики воздушно-топливного отношения, каждый из которых включает слой из твердого электролита и пару электродов, образующих единую ячейку.

[0051] Как показано на фиг. 3, каждый из датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения оснащен слоем 51 из твердого электролита, электродом 52 стороны выхлопного газа (далее - первым электродом), который расположен на боковой поверхности слоя 51 из твердого электролита, электродом 53 стороны атмосферы (далее - вторым электродом), который расположен на другой боковой поверхности слоя 51 из твердого электролита, диффузионным 54 регулирующим слоем, который регулирует диффузию проходящих выхлопных газов, защитным слоем 55, который защищает диффузионный регулирующий слой 54, и нагревательной частью 56, которая нагревает датчики 40 и 41 воздушно-топливного отношения.

[0052] На одной боковой поверхности слоя 51 из твердого электролита расположен диффузионный регулирующий слой 54. На боковой поверхности диффузионного регулирующего слоя 54 на противоположной стороне от боковой поверхности слоя 51 из твердого электролита расположен защитный слой 55. В настоящем варианте осуществления, измерительная газовая камера 57 образована между слоем 51 из твердого электролита и диффузионным регулирующим слоем 54. В измерительную газовую камеру 57 газ, анализируемый датчиками 40 и 41 воздушно-топливного отношения, то есть выхлопной газ, вводится через диффузионный регулирующий слой 54. Далее, электрод 52 стороны выхлопного газа расположен внутри измерительной газовой камеры 57, поэтому электрод 52 стороны выхлопного газа подвержен воздействию выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 54. Следует отметить, что измерительная газовая камера 57 не обязательно должна быть образована. Диффузионный регулирующий слой 54 может напрямую вступать в контакт с поверхностью электрода 52 стороны выхлопного газа.

[0053] На другой боковой поверхности слоя 51 из твердого электролита расположена нагревательная часть 56. Между слоем 51 из твердого электролита и нагревательной частью 56 образована эталонная газовая камера 58. Внутрь эталонной газовой камеры 58 вводят эталонный газ. В настоящем варианте осуществления, эталонная газовая камера 58 открыта воздействию атмосферы. Поэтому внутрь эталонной газовой камеры 58 атмосфера вводится как эталонный газ. Электрод 53 стороны атмосферы расположен внутри эталонной газовой камеры 58, поэтому электрод 53 стороны атмосферы открыт воздействию эталонного газа (эталонной атмосферы). В настоящем варианте осуществления, атмосферный воздух использован как эталонный газ, таким образом, электрод 53 стороны атмосферы открыт воздействию атмосферы.

[0054] Нагревательная часть 56 оснащена множеством нагревателей 59. Эти нагреватели 59 могут быть использованы для управления температурой датчиков 40 или 41 воздушно-топливного соотношения, в частности температурой слоя 51 из твердого электролита. Нагревательная часть 56 имеет достаточную теплогенерирующую способность для нагревания слоя 51 из твердого электролита до его активации.

[0055] Слой 51 из твердого электролита образован 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 54 образован из пористого спеченного оксида алюминия, оксида магния, оксида кремния, шпинели, муллита или других термостойких неорганических веществ. Кроме того, электрод 52 стороны выхлопного газа и электрод 53 стороны атмосферы выполнены из платины или другого драгоценного металла с высокой каталитической активностью.

[0056] Далее, между электродом 52 стороны выхлопного газа и электродом 53 стороны атмосферы напряжение датчика Vr подается от устройства подачи напряжения 60, установленного в ЭБУ 31. Дополнительно ЭБУ 31 оснащен устройством определения тока 61, которое измеряет ток, текущий между электродами 52 и 53 через слой 51 из твердого электролита, когда устройство подачи напряжения 60 подает напряжение датчика Vr. Ток, который определяется устройством определения тока 61, представляет собой выходной ток датчиков 40 и 41 воздушно-топливного отношения.

[0057] Работа датчика воздушно-топливного отношения

Далее со ссылкой на фиг. 4 будет пояснена базовая концепция работы выполненных таким образом датчиков воздушно-топливного отношения 40 и 41. Фиг. 4 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Во время эксплуатации, каждый из датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения расположен так, чтобы защитный слой 55 и наружная окружная поверхность диффузионного регулирующего слоя 54 были открыты воздействию выхлопного газа. Кроме того, атмосферный воздух вводят в эталонную газовую камеру 58 каждого из датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения.

[0058] Вышеупомянутым образом слой 51 из твердого электролита образован 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 слоя 51 из твердого электролита в состоянии, активированном высокой температурой (свойство кислородной ячейки).

[0059] Напротив, если разность потенциалов возникает между двумя боковыми поверхностями, слой 51 из твердого электролита способен заставить ионы кислорода двигаться так, чтобы соотношение 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. Кроме того, как показано на фиг. 3 и 4, в датчиках 40, 41 воздушно-топливного отношения постоянное напряжение датчика Vr подано на электроды 52, 53, при этом электрод 53 стороны атмосферы становится положительным электродом, а электрод 52 стороны выхлопного газа становится отрицательным электродом. Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления напряжение датчика Vr является одним и тем же как для одного, так и для другого датчика 40, 41 воздушно-топливного отношения.

[0060] Когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа около датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита не становится большим. Поэтому, устанавливая поданное напряжение датчика Vr на соответствующее значение, между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита фактическое отношение концентраций кислорода становится меньше отношения концентрации кислорода, соответствующей поданному напряжению датчика Vr. По этой причине ионы кислорода перемещаются от электрода 52 стороны выхлопного газа к электроду 53 стороны атмосферы, как показано на фиг 4(A), так что отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита становится больше, приближаясь к отношению концентраций кислорода, соответствующему поданному напряжению датчика Vr. В результате, ток течет с положительного полюса устройства подачи напряжения 60, которое подает напряжение датчика Vr, через электрод 53 стороны атмосферы, слой 51 из твердого электролита, и электрод 52 стороны выхлопного газа, на отрицательный полюс устройства подачи напряжения 60.

[0061] Сила тока (выходной ток) Ir в данном случае пропорциональна количеству кислорода, текущего путем диффузии из выпускного канала через диффузионный регулирующий слой 54 в измерительную газовую камеру 57, если поданное напряжение датчика Vr установлено на соответствующую величину. Поэтому, измеряя силу этого тока Ir устройством определения тока 61, можно определить концентрацию кислорода и, в свою очередь - воздушно-топливное отношение в обедненной смеси.

[0062] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа около датчиков 40, 41 воздушно-топливного соотношения богаче стехиометрического воздушно-топливного отношения, несгоревший газ течет из выпускного канала через диффузионный регулирующий слой 54 внутрь измерительной газовой камеры 57. Поэтому даже если имеется кислород на электроде 52 стороны выхлопного газа, этот кислород вступает в реакцию с несгоревшим газом и удаляется. Таким образом, внутри измерительной газовой камеры 57 концентрация кислорода становится чрезвычайно низкой. В результате отношение концентрации кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита становится большим. По этой причине, устанавливая поданное напряжение датчика Vr на соответствующую величину, между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита фактическое отношение концентраций кислорода станет больше отношения концентраций кислорода, соответствующего поданному напряжению датчика Vr. Поэтому, как показано на фиг. 4(B), ионы кислорода перемещаются от электрода 53 стороны атмосферы к электроду 52 стороны выхлопного газа так, что отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита снижается в сторону отношения концентраций кислорода, соответствующему поданному напряжению датчика Vr. В результате, ток течет от электрода 53 стороны атмосферы через устройство подачи напряжения 60, которое подает напряжение датчика Vr на электрод 52 стороны выхлопного газа.

[0063] Сила тока (выходной ток) Ir в данном случае определяется расходом ионов кислорода, которые перемещаются через слой 51 из твердого электролита от электрода 53 стороны атмосферы на электрод 52 стороны выхлопного газа, если поданное напряжение датчика Vr установлено на соответствующую величину. Ионы кислорода вступают в реакцию (сгорают) с несгоревшим газом, который проникает из выпускного канала через диффузионный регулирующий слой 54 в измерительную газовую камеру 57 на электрод 52 стороны выхлопного газа. Таким образом, расход ионов кислорода соответствует концентрации несгоревшего газа в выхлопном газе, текущего в измерительную газовую камеру 57. Поэтому, измеряя силу этого тока Ir устройством определения тока 61, можно определить концентрацию несгоревшего газа и, в свою очередь, можно определить воздушно-топливное отношение в обогащенной смеси.

[0064] Далее, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа около датчиков 40, 41 воздушно-топливного соотношения представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, количество кислорода и количество несгоревшего газа, поступающие в измерительную газовую камеру 57, находятся в химически эквивалентном соотношении. Поэтому благодаря каталитическому действию электрода 52 стороны выхлопного газа кислород и несгоревший газ полностью сгорают, и колебаний концентрации кислорода и несгоревшего газа в измерительной газовой камере 57 не возникает. В результате, отношение концентраций кислорода на двух боковых поверхностях слоя 51 из твердого электролита не колеблется, однако поддерживается на отношении концентраций кислорода, соответствующей поданному напряжению датчика Vr. По этой причине, как показано на фиг. 4(C), движения ионов кислорода вследствие упомянутого свойства кислородного насоса не возникает. В результате, ток по цепи не течет.

[0065] Выполненные таким образом датчики 40 и 41 воздушно-топливного отношения имеют выходные характеристики, показанные на фиг. 5. То есть в датчиках 40 и 41 воздушно-топливного отношения чем больше воздушно-топливное отношение выхлопного газа (то есть чем оно беднее), тем больше выходной ток Ir датчиков 40, 41 воздушно-топливного отношения. Кроме того, датчики 40, 41 воздушно-топливного отношения выполнены так, что выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

[0066] Цепи устройства подачи напряжения и устройства определения тока

На фиг. 6 показан пример особых цепей, которые образуют устройство подачи напряжения 60 и устройство определения тока 61. В проиллюстрированном примере электродвижущая сила Е, которая возникает благодаря свойству кислородной ячейки, обозначена как «Е», внутреннее сопротивление слоя 51 из твердого электролита обозначено как «Ri», и разность электрического потенциала между двумя электродами 52, 53 обозначена как «Vs».

[0067] Как понятно из фиг. 6, устройство подачи напряжения 60 в основном осуществляет управление с отрицательной обратной связью, при этом электродвижущая сила Е, которая возникает благодаря свойству кислородной ячейки, соответствует поданному напряжению датчика Vr. Другими словами, устройство подачи напряжения 60 осуществляет управление с отрицательной обратной связью так, что даже когда изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита вызывает изменение разности потенциалов Vs между двумя электродами 52 и 53, эта разность потенциалов Vs становится поданным напряжением датчика Vr.

[0068] Поэтому, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением и изменений в отношении концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита не возникает, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита становится отношением концентраций кислорода, соответствующим поданному напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е соответствует поданному напряжению датчика Vr, разница потенциалов Vs между двумя электродами 52 и 53 также становится поданным напряжением датчика Vr, и в результате ток Ir не течет.

[0069] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится воздушно-топливным отношением, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного соотношения, и возникает изменение отношения концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита, отношение концентраций кислорода между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита уже не является тем отношением концентраций кислорода, которое соответствует поданному напряжению датчика Vr. В этом случае, электродвижущая сила Е становится величиной, отличной от подаваемого напряжения датчика Vr. Поэтому благодаря управлению с отрицательной обратной связью между двумя электродами 52 и 53 возникает разность потенциалов Vs, и, таким образом, ионы кислорода будут перемещаться между двумя боковыми поверхностями слоя 51 из твердого электролита до тех пор, пока электродвижущая сила Е не придет в соответствие поданному напряжению датчика Vr. Кроме того, одновременно с движением ионов кислорода течет ток Ir. В результате происходит сближение электродвижущей силы Е с поданным напряжением датчика Vr. Если электродвижущая сила Е сближается с поданным напряжением датчика Vr, в конечном итоге разность потенциалов Vs также сравняется с подаваемым напряжением датчика Vr.

[0070] Вследствие этого устройство подачи напряжения 60, по существу, подает напряжение датчика Vr между двумя электродами 52 и 53. Следует отметить, что электрическая цепь устройства подачи напряжения 60 не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 6. Цепь может содержать любой вид устройства при условии его способности, по существу, подавать напряжение датчика Vr на два электрода 52, 53.

[0071] Далее, устройство определения тока 61 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, 3 В), тогда как R - сопротивление, показанное на фиг. 6.

[0072] В уравнении (1) поданное напряжение датчика Vr, напряжение смещения V₀, и сопротивление R являются постоянными, и поэтому напряжение Е₀ меняется в соответствии с током Ir. Таким образом, при измерении напряжения Е₀ можно вычислить ток Ir, используя напряжение Е₀.

[0073] Вследствие этого устройство определения тока 61, по существу, определяет ток Ir, который протекает через два электрода 52, 53. Следует отметить, что электрическая цепь устройства определения тока 61 не обязательно должна быть такой, как показано на фиг. 6. Если можно измерить ток Ir, протекающий через два электрода 52, 53, может быть использована любая форма устройства.

[0074] 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 Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, управление с обратной связью выполняется так, чтобы выходной ток (то есть воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны) Irup датчика 40 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны, стал величиной, соответствующей целевому воздушно-топливному отношению.

[0075] Целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа устанавливается на основании выходного тока Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на бедное установленное воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного соотношения с выпускной стороны становится богатой заданной эталонной величиной Iref или менее и поддерживается на данном уровне воздушно-топливного отношения. Далее, богатая заданная эталонная величина Iref представляет собой величину, соответствующую заранее определенному богатому заданному воздушно-топливному отношению (например, 14.55), которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Кроме того, бедное установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение на некоторую величину. Например, оно составляет 14,65-20, предпочтительно 14,68-18, наиболее предпочтительно 14,7-16 или около того.

[0076] 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 Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетной величины количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, которая вычисляется с помощью расходомера 39, и т.п., или количества топлива, поданного из топливного инжектора 11, и т.п. Кроме того, если расчетное количество накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, целевое воздушно-топливное отношение, которое до этого было бедным установленным воздушно-топливным отношением, меняется на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение и поддерживается на этом уровне воздушно-топливного отношения. Слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение является заранее определенным воздушно-топливным соотношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Например, оно составляет 13,5-14,58, предпочтительно 14-14,57, более предпочтительно, 14,3-14,55 и т.д. После этого, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны снова становится равным богатой заданной эталонной величине Iref или менее, целевое воздушно-топливное отношение вновь устанавливается как бедное установленное воздушно-топливное отношение, а затем сходная операция повторяется.

[0077] 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.

[0078] Пояснение управления с использованием временной диаграммы

Со ссылкой на фиг. 7. описанный выше процесс будет пояснен подробно Фиг. 7 представляет собой временную диаграмму количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, выходного тока Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выходного тока Irup датчика 40 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.

[0079] Следует отметить, что выходной ток Irup 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 Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны также меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, аналогично выходному току Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Далее, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является величиной коррекции, относящейся к целевому воздушно-топливному отношению выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC равна нулю, целевое воздушно-топливное отношение представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC имеет положительное значение, целевое воздушно-топливное отношение становится бедным воздушно-топливным отношением, и когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC имеет отрицательное значение, целевое воздушно-топливное соотношение становится богатым воздушно-топливным отношением.

[0080] В показанном примере, в состоянии перед моментом времени t₁, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину коррекции воздушно-топливного отношения AFCrich. Слабо богатая установленная величина коррекции 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 Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится отрицательным значением. Выхлопной газ, текущий в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, содержит несгоревший газ, и вследствие этого количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны постепенно уменьшается. Таким образом, несгоревший газ, содержащийся в выхлопном газе, очищается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и вследствие этого выходной ток Irdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится, по существу, равным нулю (в соответствии с стехиометрическим воздушно-топливным отношением). В этот момент времени воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество NO_X, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.

[0081] 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 на фиг. 2) 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 Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны постепенно падает вместе с уменьшением количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Напомним, что в этот момент времени, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, является богатым воздушно-топливным отношением, и вследствие этого количество NO_X, выпущенных из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.

[0082] Затем, в момент времени t₂, выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref, соответствующей богатому заданному воздушно-топливному отношению. В настоящем варианте осуществления, если выходной ток Irdwn датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на бедную установленную величину коррекции AFClean так, чтобы остановить падение количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Бедная установленная величина коррекции AFClean представляет собой величину, соответствующую бедному установленному воздушно-топливному отношению, и имеет значение больше нуля. Вследствие этого целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на бедное воздушно-топливное отношение.

[0083] Следует отметить, что в настоящем варианте осуществления величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается, после того как выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигнет богатой заданной эталонной величины Iref, то есть, после того как воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигнет богатого заданного воздушно-топливного отношения. Это так, потому что даже если количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является достаточным, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, иногда слегка отклоняется от стехиометрического воздушно-топливного отношения. То есть, если есть основания полагать, что количество накопленного кислорода уменьшилось ниже нижнего предела накопления, когда выходной ток Irdwn датчика слегка отклоняется от нуля (соответствует стехиометрическому воздушно-топливному отношению), даже если есть фактически достаточное количество накопленного кислорода, существует возможность прийти к выводу, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления. Вследствие этого в настоящем варианте осуществления считается, что количество накопленного кислорода уменьшается ниже нижнего предела накопления, только когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, достигает богатого заданного воздушно-топливного отношения. Иначе говоря, богатое заданное воздушно-топливное отношение устанавливается как такое воздушно-топливное отношение, которого воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, не способно достичь, пока количество накопленного кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны является достаточным.

[0084] 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 в 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 содержит несгоревший газ. Таким образом, объем выхода NO_X из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны подавляется.

[0085] 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 в сторону стехиометрического воздушно-топливного отношения, и выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны также стремится к нулю. Хотя воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, в этот момент времени представляет собой бедное воздушно-топливное отношение, катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны имеет достаточный запас способности к накоплению кислорода, и вследствие этого кислород, содержащийся во втекающем выхлопном газе, накапливается в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, и оксиды NO_X восстанавливаются и очищаются. По этой причине объем NO_X, выпущенный из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.

[0086] 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 коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich (имеет значение меньше нуля), чтобы остановить накопление кислорода в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны. Вследствие этого целевое воздушно-топливное отношение устанавливается на богатое воздушно-топливное отношение.

[0087] 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 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны увеличивается.

[0088] Однако заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается в достаточной мере ниже, чем максимальное количество накопления Cmax или верхний предел накопления (см. Cuplim на фиг. 2), 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 выхлопного газа, текущего в катализатор 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, фактически меняется. Например, заданное эталонное количество накопления Cref устанавливается на 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 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, подавляется.

[0089] После момента времени t₅ величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich. Вследствие этого целевое воздушно-топливное отношение устанавливается как богатое воздушно-топливное отношение. Вместе с тем выходной ток Irup 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.

[0090] Далее, в момент времени t₇, таким же образом, что и в момент времени t₂, выходной ток Irdw датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигает богатой заданной эталонной величины Iref в соответствии с богатым заданным воздушно-топливным отношением. Из-за этого величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на соответствующую величину AFClean, соответствующую бедному установленному воздушно-топливное отношению. Затем цикл вышеупомянутых моментов времени t₁-t₆ повторяется. Следует отметить, что во время этих циклов напряжение датчика Vrdwn, поданное на датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны 41, поддерживается на таком уровне напряжения, при котором воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого выходного тока является богатым заданным воздушно-топливным отношением.

[0091] Следует отметить, что такое управление величиной коррекции воздушно-топливного отношения AFC выполняется ЭБУ 31. Вследствие этого можно сказать, что ЭБУ 31 содержит: 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 менее, пока количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 с впускной стороны не станет заданным эталонным количеством накопления Cref; и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной установки целевого воздушно-топливного отношения на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 с впускной стороны становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, так чтобы количество накопленного кислорода OSAsc никогда не достигало максимального количества накопления кислорода Cmax, но снижалось до нуля.

[0092] 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.

[0093] Далее, в целом, если количество накопленного кислорода OSAsc оценивается на основе выходного тока Irup 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.

[0094] 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.

[0095] Следует отметить, что в вышеуказанном варианте осуществления в промежутке времени t₂-t₄ величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине коррекции AFClean. Тем не менее, в такой временной период величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение. Аналогичным образом в моменты времени t₄-t₇ величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабо богатой установленной величине коррекции AFCrich. Тем не менее, в такой временной период величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно поддерживать постоянной. Она может быть настроена на постепенное уменьшение или иное изменение.

[0096] Однако даже в этом случае величина коррекции 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.

[0097] Далее, в вышеуказанном варианте осуществления, количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны оценивается на основании выходного тока Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и расчетного количества воздуха, входящего в камеру сгорания 5, и т.д. Однако количество накопленного кислорода OSAsc может также быть рассчитано с помощью других параметров в дополнение к указанным параметрам или может оцениваться на основе параметров, которые отличны от данных параметров. Кроме того, в вышеуказанном варианте осуществления, если расчетное значение количества накопленного кислорода OSAsc становится заданным эталонным количеством накопления Cref или более, целевое воздушно-топливное отношение переключается из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение. Тем не менее, для определения времени переключения целевого воздушно-топливного отношения из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение могут, например, использоваться в качестве справочных и другие параметры, например время работы двигателя и т.д. от момента переключения целевого воздушно-топливного отношения из слабого богатого установленного воздушно-топливного отношения в бедное установленное воздушно-топливное отношение. Однако даже в этом случае целевое воздушно-топливное отношение должно быть переключено из бедного установленного воздушно-топливного отношения в слабое богатое установленное воздушно-топливное отношение в период, когда количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны оценивается как меньшая величина по сравнению с максимальным количеством накопления кислорода.

[0098] 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.

[0099] 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.

[0100] Ниже, со ссылкой на фиг. 8, будет пояснена тенденция относительно количества накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны. Фиг. 8 представляет собой вид, сходный с фиг. 7, и показывает вместо тенденции по концентрации NO_X с фиг. 7 тенденцию по количеству накопленного кислорода OSAufc в катализаторе 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны, и тенденцию по 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. 8, выполняется управление, аналогичное примеру, показанному на фиг. 7.

[0101] В примере, показанном на фиг. 8, управление отсечкой подачи топлива выполняется перед моментом времени t₁. По этой причине перед моментом времени t₁, 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 выхлопного газа с выпускной стороны поддерживается постоянным.

[0102] После этого, в период времени t₁-t₄, воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, становится богатым воздушно-топливным отношением. По этой причине выхлопной газ, содержащий несгоревший газ, течет в катализатор 24 очистки выхлопного газа с выпускной стороны.

[0103] 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, содержит несгоревший газ, несгоревший газ окисляется и очищается накопленным кислородом. Следовательно, 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 выхлопных газов 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 выхлопных газов с выпускной стороны.

[0104] 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 выхлопных газов 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 выхлопных газов с выпускной стороны, всегда остается малым.

[0105] Объяснение особого управления

Далее, со ссылками на фиг. 9 и 10, система управления в вышеописанном варианте осуществления будет подробно объяснена. Система управления в настоящем варианте осуществления, как показано на функциональной блок-схеме с фиг. 9, выполнена с возможностью включения в себя функциональных блоков A1-A9. Ниже каждый функциональный блок будет пояснен также со ссылкой на фиг. 9.

[0106] 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.

[0107] Средство вычисления поступающего в цилиндр воздуха А1 вычисляет впускной объем воздуха Мс, поступающего в каждый цилиндр, на основе впускного воздушного расхода Ga, измеренного расходомером 39, частоту вращения двигателя NE, рассчитанную на основе выходного сигнала датчика 44 угла поворота коленвала, и схемы или формулы расчета, хранящейся в ПЗУ 34 ЭБУ 31.

[0108] Средство вычисления базового впрыска топлива А2 делит впускной объем воздуха в цилиндр Мс, который рассчитывают с помощью средства вычисления поступающего в цилиндр воздуха А1, на целевое воздушно-топливное отношение AFT, которое рассчитывают разъясненным ниже средством установления целевого воздушно-топливное отношения А6, для вычисления, таким образом, базового количества впрыска топлива Qbase (Qbase = Мс/AFT).

[0109] 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.

[0110] 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 коррекции воздушно-топливного отношения А5 и средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6.

[0111] Средство вычисления количества накопленного кислорода А4 вычисляет расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest в катализаторе 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны на основе количества впрыска топлива Qi, рассчитанного средством вычисления впрыска топлива A3, и выходного тока Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны. Например, средство вычисления количества накопленного кислорода А4 умножает разницу между воздушно-топливным отношением, соответствующим выходному току Irup 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. 7) до момента, когда расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигнет заданного эталонного количества накопления Cref (момент времени t₄ на фиг. 7).

[0112] В средстве вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения расчета А5 вычисляется величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC целевого воздушно-топливного отношения на основе расчетного значения количества накопленного кислорода OSAest, вычисленного средством вычисления количества накопленного кислорода А4, и выходного тока Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Более конкретно, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину коррекции AFClean, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным богатой заданной эталонной величине Iref (значение, соответствующее богатому заданному воздушно-топливному отношению) или менее. Затем величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на бедной установленной величине коррекции AFClean, пока расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest не достигнет заданного эталонного количества накопления Cref. Если расчетное значение расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest достигает заданного эталонного количества накопления Cref, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich. После этого, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC поддерживается на слабой богатой установленной величине коррекции AFCrich, пока выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны не станет равным богатой заданной эталонной величине Iref (значение, соответствующее богатому заданному воздушно-топливному отношению).

[0113] Средство установки целевого воздушно-топливного отношения А6 добавляет эталонное воздушно-топливное отношение, которое, в настоящем варианте осуществления, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение AFR, к величине коррекции воздушно-топливного отношения AFC, вычисленной средством вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения А5, для вычисления, таким образом, целевого воздушно-топливного отношения AFT. Вследствие этого целевое воздушно-топливное отношение AFT устанавливается либо на слабо богатое установленное воздушно-топливное отношение (когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является слабо богатой установленной величиной коррекции AFCrich), либо на бедное установленное воздушно-топливное отношение (когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC является бедной установленной величиной коррекции AFClean). Рассчитанное таким образом целевое воздушно-топливное отношение AFT подается на средство вычисления базового впрыска топлива А2 и на нижеописанное средство вычисления разности воздушно-топливного отношения А8.

[0114] Фиг. 10 представляет собой блок-схему, на которой показан порядок управления для расчета величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC. Изображенный порядок управления выполняется с перерывами в каждый соответствующий интервал времени.

[0115] Как показано на фиг. 10, сначала на этапе S11 делается оценка, выполняются ли условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC. Условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения выполняются, например, когда управление отсечкой подачи топлива не исполняется. Если устанавливается, что условия для вычисления величины коррекции воздушно-топливного отношения выполняются на этапе S11, процедура переходит на этап S12. На этапе S12 получают выходной ток Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны и количество впрыска топлива Qi. Далее, на этапе S13 рассчитывается расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest на основе выходного тока Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и количества впрыска топлива Qi, которые были получены на этапе S12.

[0116] Далее, на этапе S14 проверяют, установлен ли индикатор бедной конфигурации Fr на 0. Индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 1, если величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на бедную установленную величину коррекции AFClean, а в противном случае - установлен на 0. Если индикатор бедной конфигурации Fr установлен на 0 на этапе S14, процедура переходит на этап S15. На этапе S15 дают оценку наличия того факта, что выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен богатой заданной эталонной величине Iref или менее. Когда определяют, что выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны больше богатой заданной эталонной величины Iref, процедура управления закончена.

[0117] 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 Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны равен богатой заданной эталонной величины Iref или менее. В этом случае, процедура переходит на этап S16, где величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливается на бедную установленную величину коррекции AFClean. Далее, на этапе S17, индикатор бедной конфигурации Fr устанавливают на 1, и процедура управления закончена.

[0118] В ходе следующей процедуры управления на этапе S14 делается заключение, что индикатор бедной конфигурации Fr не установлен на 0, и процедура переходит на этап S18. На этапе S18 определяют, является ли расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest, вычисленное на этапе S13, меньшим значением, чем заданное эталонное количество накопления Cref. Когда полагают, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest меньше, чем заданное эталонное количество накопления Cref, процедура переходит на этап S19, где величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC по-прежнему остается бедной установленной величиной коррекции AFClean. С другой стороны, если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопных газов с впускной стороны 20 увеличивается, в конечном итоге на этапе S18 делается заключение, что расчетное значение количества накопленного кислорода OSAest представляет собой заданное эталонное количество накопления Cref или более, и процедура переходит на этап S20. На этапе S20 величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich, затем на этапе S21 индикатор бедной конфигурации Fr сбрасывается на 0, и процедура управления заканчивается.

[0119] Расчет величины F/В коррекции

Обращаясь к фиг. 9, будет пояснен расчет величины F/В коррекции на основе выходного тока Irup 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.

[0120] Средство преобразования в цифровое значение А7 вычисляет воздушно-топливное отношение выхлопного газа с впускной стороны AFup, соответствующее выходному току Irup, на основе выходного тока Irup датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и схемы или расчетной формулы (например, схема, показанная на фиг. 5), которая определяет взаимосвязь между выходным током Irup 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.

[0121] 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.

[0122] 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). Вычисленное таким образом расчетное значение DFi величины F/В коррекции подается на средство вычисления впрыска топлива A3.

[0123] Следует отметить, что в вышеприведенном уравнении (1), Kp - 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).

[0124] 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.

[0125] Второй вариант осуществления

Далее, со ссылкой на фиг. 11, 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 коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich, в каждый определенный промежуток интервала времени, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC временно устанавливается на значение, соответствующее бедному воздушно-топливному отношению (например, бедная установленная величина коррекции 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.

[0126] Фиг. 11 представляет собой вид, сходный с фиг. 7. На фиг. 11, моменты времени t₁-t₇ показывают моменты управления, сходные с моментами времени t₁-t₇ на фиг. 7. Вследствие этого в схеме управления, показанной на фиг. 11, в моменты времени t₁-t₇, выполняется управление, сходное с управлением, показанным на фиг. 7. В дополнение, в схеме управления, показанной на фиг. 11, между моментами времени t₄ и t₇, то есть, когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich, величину коррекции воздушно-топливное отношения AFC временно устанавливают несколько раз на бедную установленную величину коррекции AFClean.

[0127] В примере, показанном на фиг. 11, величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на бедную установленную величину коррекции 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.

[0128] В примере, показанном на фиг. 11, аналогичным образом величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC устанавливают на бедную установленную величину коррекции 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 t₁₁, и в течение этого времени количество накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны временно увеличивается.

[0129] 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 коррекции воздушно-топливного отношения AFC на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich t₄ до момента t₇, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны достигнет богатой заданной эталонной величины Iref. 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 объем несгоревшего газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны.

[0130] Следует отметить, что, в вышеуказанном варианте осуществления, пока величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена в основном на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich (моменты времени t₄-t₇), величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC временно устанавливается на бедную установленную величину коррекции AFClean. При таком временном изменении величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC не обязательно нужно изменять величину коррекции воздушно-топливного отношения AFC на бедную установленную величину коррекции AFClean. Воздушно-топливное отношение может быть изменено любым образом при том условии, что оно будет беднее, чем слабо богатая установленная величина коррекции AFCrich.

[0131] Кроме того, даже когда величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC установлена в основном на бедную установленную величину коррекции AFClean (моменты времени t₂-t₄), величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC может временно быть установлена на слабо богатую установленную величину коррекции AFCrich. В этом случае также, аналогичным образом, при временном изменении величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC может быть изменена на любое воздушно-топливное отношение с тем условием, что оно будет богаче, чем бедная установленная величина коррекции AFClean.

[0132] Однако, также и ранее, в настоящем варианте осуществления величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC в моменты времени t₂-t₄ устанавливается так, чтобы разность между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в этот период была больше разности между средним значением целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрическим воздушно-топливным отношением в моменты времени t₄-t₇.

[0133] 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 менее, 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 более, так чтобы количество накопленного кислорода OSAsc уменьшилась до нуля, не достигая максимального количества накопления кислорода Cmax.

[0134] Третий вариант осуществления

Далее со ссылкой на фиг. 12-17 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 сходна с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно вышеприведенным вариантам осуществления. Тем не менее, в вышеуказанных вариантах осуществления, одинаковое поданное напряжение подается и на датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и на датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, тогда как в настоящем варианте осуществления на эти датчики воздушно-топливного отношения подается различное напряжение.

[0135] Выходная характеристика датчика воздушно-топливного отношения

Датчик 70 воздушно-топливного отношения с впускной стороны и датчик 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны в настоящем варианте осуществления выполнены и функционируют, как было объяснено с использованием фиг. 3 и 4, подобным образом, как и датчики 70 и 71 воздушно-топливного отношения в первом варианте осуществления. Эти датчики 70 и 71 имеют характеристику напряжение-ток (V-I), как показано на фиг. 12. Как понятно из фиг. 12, в области, где поданное напряжение датчика Vr не превышает ноль или около нуля, в случае, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа является постоянным, если поданное напряжение датчика Vr постепенно увеличивается от отрицательной величины, выходной ток Ir увеличивается вместе с ним.

[0136] То есть, в этой области напряжения, поскольку поданное напряжение датчика Vr является низким, расход ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита, является небольшим. По этой причине расход ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита, становится меньше, чем величина притока выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 54 и, соответственно, выходной ток Ir меняется в соответствии с расходом ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита. Расход ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита, меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr, и, в результате, выходной ток увеличивается вместе с возрастанием поданного напряжения датчика Vr. Следует отметить, что область напряжения, когда выходной ток Ir меняется пропорционально поданному напряжению датчика Vr, следуя данной логике, именуется «пропорциональной областью». Кроме того, когда поданное напряжение датчика Vr равно нулю, выходной ток Ir становится отрицательной величиной, поскольку электродвижущая сила Е генерируется между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита 51 в соответствии с отношением концентраций кислорода благодаря свойству кислородной ячейки.

[0137] Далее, если оставить воздушно-топливное соотношение выхлопного газа постоянным и постепенно увеличивать поданное напряжение датчика Vr, скорость увеличения выходного тока по отношению к возрастанию напряжения будет постепенно замедляться и, в конечном итоге, по существу, остановится. В результате даже при увеличении поданного напряжения датчика Vr выходной ток больше совершенно не изменяется. Этот, по существу, ток насыщения называется «предельным током». Далее область напряжения, в которой наблюдается предельный ток, будет именоваться «областью предельного тока».

[0138] То есть в этой области предельного тока поданное напряжение датчика Vr является в определенной степени высоким, и поэтому расход ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита, является большим. Поэтому расход ионов кислорода, которые могут перемещаться через слой 51 из твердого электролита, становится больше, чем их приток в составе выхлопного газа через диффузионный регулирующий слой 54. Поэтому выходной ток Ir меняется в соответствии с концентрацией кислорода или концентрацией несгоревшего газа в выхлопном газе, текущем в измерительную газовую камеру 57 через диффузионный регулирующий слой 54. Даже если сделать воздушно-топливное отношение выхлопного газа постоянным и менять поданное напряжение датчика Vr, концентрация кислорода или концентрация несгоревшего газа в выхлопном газе, текущем в измерительную газовую камеру 57 через диффузионный регулирующий слой 54, по существу, не меняются, и поэтому выходной ток Ir не меняется.

[0139] Тем не менее, если величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа различаются, концентрация кислорода и концентрация несгоревшего газа в выхлопном газе, текущем в измерительную газовую камеру 57 через диффузионный регулирующий слой 54, также отличаются, и поэтому выходной ток Ir меняется в соответствии с изменением воздушно-топливного отношения выхлопного газа. Как понятно из фиг. 12, для бедных и богатых воздушно-топливных отношений направление предельного тока является противоположным. Во время бедного воздушно-топливного отношения абсолютная величина предельного тока становится больше с дальнейшим увеличением воздушно-топливного отношения, тогда как во время богатого воздушно-топливного отношения абсолютная величина предельного тока становится больше с дальнейшим уменьшением воздушно-топливного отношения.

[0140] Далее, если удерживать воздушно-топливное отношение выхлопного газа постоянным и дополнительно увеличивать поданное напряжение датчика Vr, выходной ток Ir снова начинает увеличиваться вместе с возрастанием напряжения. Если поддерживать высокую величину поданного напряжения датчика Vr, то влага, которая содержится в выхлопном газе, разлагается на первом электроде 52. Вместе с этим течет ток. Кроме того, если продолжать увеличивать поданное напряжение датчика Vr, даже с учетом разложения влаги возрастание выходного тока более не останавливается. В это время происходит разложение слоя 51 из твердого электролита. Ниже, область напряжения, в которой влага и слой 51 из твердого электролита разлагаются описанным образом, будет именоваться «областью разложения влаги».

[0141] Фиг. 13 представляет собой вид, на котором показана взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током Ir при различных поданных напряжениях датчика Vr. Как понятно из фиг. 13, если поданное напряжение датчика Vr составляет 0,1 В - 0,9 В или около того, выходной ток Ir меняется в соответствии с воздушно-топливным отношением выхлопного газа, по меньшей мере, вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения. Далее, как понятно из фиг. 13, если поданное напряжение датчика Vr составляет 0,1 В - 0,9 В или около того, вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения взаимосвязь между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током Ir является, по существу, одинаковой независимо от поданного напряжения датчика Vr.

[0142] С другой стороны, как понятно из фиг. 13, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится ниже определенного уровня воздушно-топливного отношения или менее, выходной ток Ir более не меняется, даже если меняется воздушно-топливное отношение выхлопного газа. Указанный определенный уровень воздушно-топливного отношения выхлопного газа меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr, при этом он становится тем больше, чем больше поданное напряжение датчика Vr. По этой причине, если повышать поданное напряжение датчика Vr до соответствующей определенной величины или более, как показано на фигуре точечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа выходной ток Ir больше не станет равным нулю.

[0143] С другой стороны, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа становится выше определенного уровня или более, выходной ток Ir более не меняется совсем, даже если меняется воздушно-топливное отношение выхлопного газа. Указанный определенный уровень воздушно-топливного отношения выхлопного газа также меняется в соответствии с поданным напряжением датчика Vr, при этом он становится тем меньше, чем меньше поданное напряжение датчика Vr. По этой причине, если снижать поданное напряжение датчика Vr до соответствующей определенной величины или менее, как показано на фигуре двохточечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа выходной ток Ir больше не станет равным нулю (например, когда поданное напряжение датчика Vr установлено на 0 В, выходной ток Ir не становится равным нулю независимо от воздушно-топливного соотношения выхлопного газа).

[0144] Микроскопические характеристики вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения

Авторы настоящего изобретения, задействованные в его глубоком исследовании, между тем обнаружили, что если рассматривать взаимосвязи между поданным напряжением датчика Vr и выходным током Ir (фиг. 12) или между воздушно-топливным отношением выхлопного газа и выходным током Ir (фиг. 13) макроскопически, то указанные взаимосвязи следовали вышеописанному тренду, однако при рассмотрении этих взаимосвязей с микроскопической точки зрения около стехиометрического воздушно-топливного отношения, они следовали тренду, отличному от вышеописанного. Ниже это будет пояснено.

[0145] Фиг. 14 представляет собой вид, на котором показана увеличенная область, где выходной ток Ir становится приблизительно равным нулю (область, показанная как Х-Х на фиг. 12), см. диаграмму напряжение-ток на фиг. 12. Как понятно из фиг. 14, даже в области предельного тока, если сделать воздушно-топливное отношение выхлопного газа постоянным, выходной ток Ir также увеличивается, хотя и очень незначительно, вместе с увеличением поданного напряжения датчика Vr. Например, при рассмотрении случая, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (14,6), для примера, когда поданное напряжение датчика Vr составляет 0,45 В или около того, выходной ток Ir становится равным нулю. В противоположность этому, если установить поданное напряжение датчика Vr ниже 0,45 В на соответствующую величину (например, 0,2 В), выходной ток становится величиной ниже нуля. С другой стороны, если установить поданное напряжение датчика Vr выше, чем 0,45 В на некоторую величину (например, 0,7 В), выходной ток принимает значение выше нуля.

[0146] Фиг. 15 представляет собой вид, на котором показана увеличенная область, где воздушно-топливное отношение выхлопного газа находится вблизи стехиометрического воздушно-топливного отношения и выходной ток Ir почти равен нулю (область, показанная Y на фиг. 13), см. диаграмму воздушно-топливное отношение - выходной ток на фиг. 13. Из фиг. 15 понятно, что в области около стехиометрического воздушно-топливного отношения выходной ток Ir для одинакового воздушно-топливного отношения выхлопного газа слегка отличается для каждого поданного напряжения датчика Vr. Например, в проиллюстрированном примере, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, выходной ток Ir, когда поданное напряжение датчика Vr составляет 0,45 В, становится равным нулю. Кроме того, если установить поданное напряжение датчика Vr больше 0,45 В, выходной ток Ir также становится больше нуля. Если же установить поданное напряжение датчика Vr меньше 0,45 В, выходной ток Ir также станет меньше нуля.

[0147] В дополнение, из фиг. 15 понятно, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа, когда выходной ток Ir равен нулю (ниже именуемое «воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе»), отличается для каждого поданного напряжения датчика Vr. В проиллюстрированном примере, когда поданное напряжение датчика Vr составляет 0,45 В, выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение. В противоположность этому, если поданное напряжение Vr датчика больше 0,45 В, выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Чем больше становится поданное напряжение датчика Vr, тем меньше выхлопное воздушно-топливное отношение при нулевом токе. Напротив, если поданное напряжение датчика Vr меньше 0,45 В, выходной ток Ir становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Чем меньше поданное напряжение датчика Vr, тем больше воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. То есть, изменяя поданное напряжение датчика Vr, можно менять воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе.

[0148] Далее, наклон на фиг. 5, 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. Поэтому 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 одну модель датчиков, которая сконфигурирована так, чтобы иметь выходную характеристику в соответствии со сплошной линией А на фиг. 16, в зависимости от экземпляра используемого датчика или периода его эксплуатации и т.д., как показано на фиг. 16 прерывистой линией В, степень изменения выходного тока становится меньше или, как показано точечной линией С, степень изменения выходного тока становится больше.

[0149] По этой причине, даже при использовании одной и той же модели датчика воздушно-топливного отношения для измерения выхлопных газов с одним и тем же воздушно-топливного 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, при измерении выхлопного газа с воздушно-топливным отношением af₁ выходные токи становятся соответственно I₁ и I₃, которые отличны от вышеупомянутого I₂.

[0150] Тем не менее, как понятно из фиг. 16, даже если возникают различия в показаниях между отдельными датчиками воздушно-топливного отношения или вариации происходят у одного и того же датчика воздушно-топливного отношения вместе с его старением и т.п., воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе (в примере с фиг. 16 - стехиометрическое воздушно-топливное отношение) не изменяется вообще. То есть, когда выходной ток Ir представляет собой величину, отличную от нуля, трудно с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения выхлопного газа, в то время как если выходной ток Ir становится равным нулю, имеется возможность с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения выхлопного газа (в примере с фиг. 16 - стехиометрического воздушно-топливного отношения).

[0151] Кроме того, как пояснено с использованием фиг. 15, в датчиках 70, 71 воздушно-топливного отношения, изменяя поданное напряжение датчика Vr, можно изменить воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе. То есть, если подходящим образом установить поданное напряжение датчика Vr, можно с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения выхлопного газа, отличного 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 устанавливая поданное напряжение датчика Vr, становится возможным с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, которое слегка отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения.

[0152] Следует отметить, что 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.

[0153] В этом отношении, как показано на фиг. 14, датчики 70 и 71 воздушно-топливного отношения имеют область предельного тока, которая представляет собой область напряжения, где выходной ток Ir становится предельным током для каждого воздушно-топливного отношения выхлопного газа. В настоящем варианте осуществления, область предельного тока, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, определяется как «особая область напряжения».

[0154] Следует отметить, что, как пояснено с использованием фиг. 13, при увеличении поданного напряжения датчика Vr до соответствующей определенной величины (максимальное напряжение) или более, как показано на фигуре точечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, выходной ток Ir больше не станет равным нулю. С другой стороны, при уменьшении поданного напряжения датчика Vr до соответствующей определенной величины (минимальное напряжение) или менее, как показано на фигуре двухточечно-пунктирной линией, независимо от величины воздушно-топливного отношения выхлопного газа, выходной ток Ir больше не станет равным нулю.

[0155] Вследствие этого, если поданное напряжение датчика Vr представляет собой напряжение между максимальным напряжением и минимальным напряжением, существует такое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, где 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 выходной ток станет равным нулю. Поэтому поданное напряжение датчика Vr, по меньшей мере, должно быть способным принимать такое значение, когда 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.

[0156] Поданное напряжение на отдельных датчиках воздушно-топливного отношения

В настоящем варианте осуществления при рассмотрении вышеупомянутых микроскопических характеристик при определении воздушно-топливного отношения выхлопного газа датчиком 70 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, поданное напряжение датчика Vrup на датчике 70 воздушно-топливного соотношения с впускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,45 В), при котором выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (в настоящем варианте осуществления, 14,6). Другими словами, в датчике 70 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. С другой стороны, при определении воздушно-топливного отношения выхлопного газа датчиком 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vr на датчике 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны зафиксировано на постоянном напряжении (например, 0,7 В), при котором выходной ток становится равным нулю, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой богатое заданное воздушно-топливное отношение, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение (например, 14,55). Другими словами, в датчике 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, поданное напряжение датчика Vrdwn устанавливается так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа при нулевом токе становилось 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 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, выше, чем поданное напряжение Vrup, поданное на датчик 70 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.

[0157] Вследствие этого, ЭБУ 31, соединенный с двумя датчиками 70, 71 воздушно-топливного отношения, делает оценку, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вблизи датчика 70 воздушно-топливного отношения с впускной стороны представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Irup датчика 70 воздушно-топливного отношения с впускной стороны становится равным нулю. С другой стороны, ЭБУ 31 заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчика 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, является богатым заданным воздушно-топливным отношением, то есть заранее определенным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток Irdwn датчика 71 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю.

[0158] Управление воздушно-топливным отношением в третьем варианте осуществления

Управление воздушно-топливным отношением согласно третьему варианту осуществления в основном сходно с управлением воздушно-топливным отношением в вышеизложенных вариантах осуществления. Однако, согласно первому варианту осуществления, когда, в момент времени t₂, выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится богатой заданной эталонной величиной Iref или менее, целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное установленное воздушно-топливное отношение. Напротив, в настоящем варианте осуществления, когда выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится равным нулю или менее, целевое воздушно-топливное отношение переключается на бедное установленное воздушно-топливное отношение.

[0159] На фиг. 17 показан вид, сходный с фиг. 7, представляющий собой временную диаграмму количества накопленного кислорода OSAsc катализатором 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, и т.д., при выполнении управления в настоящем варианте осуществления. Ниже будут объяснены только те части, которые отличаются от управления на фиг. 7.

[0160] Как понятно из фиг. 17, перед моментом времени t₁, то есть, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится величиной больше нуля. Затем часть несгоревшего газа в выхлопном газе, поступающем в катализатор 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, с момента времени t₁ начинает вытекать из катализатора 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, не будучи очищенной. Вместе с этим, выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны уменьшается до нуля, и становится равным нулю в момент времени t₂. В настоящем варианте осуществления, если выходной ток Irdwn датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны становится нулем или менее, чтобы уменьшить сокращение количества накопленного кислорода OSAsc в катализаторе 20 очистки выхлопных газов с впускной стороны, величина коррекции воздушно-топливного отношения AFC переключается на величину AFClean, которая соответствует бедному установленному воздушно-топливному отношению. Последующее управление в основном идентично примеру, который показан на фиг. 7.

[0161] В соответствии с настоящим вариантом осуществления, как пояснено выше, абсолютная величина воздушно-топливного отношения при богатом заданном воздушно-топливном отношении может быть точно определена датчиком 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Как пояснено с использованием фиг. 16, в обычном датчике воздушно-топливного отношения было трудно с точностью определить абсолютную величину воздушно-топливного отношения, отличную от стехиометрического воздушно-топливного отношения. Поэтому в обычном датчике воздушно-топливного отношения, если старение или индивидуальные различия и т.д. вызывают ошибку выходного тока, даже если фактическое воздушно-топливное отношение выхлопного газа отличается от богатого заданного воздушно-топливного отношения, выходной ток датчика воздушно-топливного отношения может стать величиной, которая соответствует богатому заданному воздушно-топливному отношению. В результате, момент переключения величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины коррекции AFCrich на бедную установленную величину коррекции AFClean задерживается, либо это переключение выполняется в момент времени, в который переключение не требуется. Напротив, в настоящем варианте осуществления, датчик 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны способен с точностью определить абсолютную величину богатого заданного воздушно-топливного отношения. Поэтому можно предотвратить как задержку момента переключения величины коррекции воздушно-топливного отношения AFC от слабо богатой установленной величины коррекции AFCrich на бедную установленную величину коррекции AFClean, так и переключение в момент времени, в который переключение не требуется.

[0162] Четвертый вариант осуществления

Далее, со ссылкой на фиг. 18-19, будет пояснена система управления двигателем внутреннего сгорания согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Конфигурация и порядок управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно четвертому варианту осуществления в основном сходна с конфигурацией и порядком управления системы управления двигателем внутреннего сгорания согласно вышеприведенным вариантам осуществления. Тем не менее, в вышеприведенных вариантах осуществления, в качестве каждого датчика воздушно-топливного отношения используется датчик воздушно-топливного отношения одноячейного типа, имеющий одну ячейку, образованную слоем из твердого электролита и парой электродов, тогда как в четвертом варианте осуществления, в качестве датчика воздушно-топливного отношения используется датчик воздушно-топливного отношения двухячейного типа, который имеет две таких ячейки.

[0163] Конфигурация датчиков воздушно-топливного отношения

Далее, со ссылкой на фиг. 18, будет пояснена конфигурация датчиков 70, 71 в настоящем варианте осуществления. Фиг. 18 представляет собой схематический вид в разрезе датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения. Как понятно из фиг. 18, датчики 70, 71 воздушно-топливного отношения в настоящем варианте осуществления представляют собой двухячейные датчики воздушно-топливного отношения, которые имеют две ячейки, каждая из которых образована слоем из твердого электролита и парой электродов.

[0164] Как показано на фиг. 18, каждый датчик 70, 71 воздушно-топливного отношения содержит измерительную газовую камеру 81, эталонную газовую камеру 82 и два слоя 83, 84 из твердого электролита, которые расположены на обеих сторонах измерительной газовой камеры 81. Эталонная газовая камера 82 расположена на противоположной стороне измерительной газовой камеры 81 через второй слой 84 из твердого электролита. На боковой поверхности первого слоя 83 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 81, расположен насосный электрод 85 стороны газовой камеры (третий электрод), тогда как на боковой поверхности первого слоя 83 из твердого электролита на стороне выхлопного газа, расположен электрод 86 стороны выхлопа (четвертый электрод). Этот первый слой 83 из твердого электролита, насосный электрод 85 стороны газовой камеры и электрод 86 стороны выхлопа образуют насосную ячейку 90.

[0165] С другой стороны, на боковой поверхности второго слоя 84 из твердого электролита на стороне измерительной газовой камеры 81, расположен эталонный электрод 87 стороны газовой камеры (первый электрод), тогда как на боковой поверхности второго слоя 84 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 82 расположен электрод 88 эталонной стороны (второй электрод). Этот второй слой 84 из твердого электролита, эталонный электрод 87 стороны газовой камеры и электрод 88 эталонной стороны образуют эталонную ячейку 91.

[0166] Между двумя слоями 83 и 84 из твердого электролита диффузионный регулирующий слой 93 расположен так, чтобы окружить насосный электрод 85 стороны газовой камеры насосной ячейки 90 и эталонный электрод 87 стороны газовой камеры эталонной ячейки 91. Вследствие этого измерительная газовая камера 81 образована первым слоем 83 из твердого электролита, вторым слоем 84 из твердого электролита, и диффузионным регулирующим слоем 93. В измерительную газовую камеру 81 выхлопной газ протекает через диффузионный регулирующий слой 93. Соответственно электроды, расположенные в измерительной газовой камере 81, то есть насосный электрод 85 стороны газовой камеры насосной ячейки 90 и эталонный электрод 87 стороны газовой камеры эталонной ячейки 91, открыты через диффузионный регулирующий слой 93 выхлопному газу. Следует отметить, что диффузионный регулирующий слой 93 не обязательно должен располагаться так, чтобы выхлопной газ, протекающий в измерительную газовую камеру 81, мог проходить через диффузионный регулирующий слой 93. До тех пор пока выхлопной газ, который достигает эталонного электрода 87 стороны газовой камеры эталонной ячейки 91, представляет собой выхлопной газ, который проходит через диффузионный регулирующий слой, диффузионный регулирующий слой может быть расположен любым образом.

[0167] Далее, на боковой поверхности второго слоя 84 из твердого электролита на стороне эталонной газовой камеры 82 расположена нагревательная часть 94, окружающая эталонную газовую камеру 82. Вследствие этого эталонная газовая камера 82 образована вторым слоем 84 из твердого электролита и нагревательной частью 94. В эту эталонную газовую камеру 82 вводят эталонный газ. В настоящем варианте осуществления, эталонная газовая камера 82 открыта для атмосферы. Соответственно, внутрь эталонной газовой камеры 82 атмосферный воздух вводится в качестве эталонного газа.

[0168] Кроме того, нагревательная часть 94 оснащена множеством нагревателей 95. Эти нагреватели 95 могут быть использованы для управления температурой датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения, в частности температурой слоев 83, 84 из твердого электролита. Нагревательная часть 94 имеет достаточную тепловыделяющую способность для нагревания слоев 83, 84 из твердого электролита до их активации. В дополнение, на боковой поверхности первого слоя 83 из твердого электролита на стороне выхлопного газа имеется защитный слой 96. Защитный слой 96 образован из пористого материала так, чтобы жидкость, содержащаяся в выхлопном газе и т.д., не может напрямую пристать к электроду 86 стороны выхлопа, тогда как выхлопной газ способен достигать электрода 86 стороны выхлопа.

[0169] Слои 83, 84 из твердого электролита выполнены из материалов, сходных со слоем 51 из твердого электролита первого варианта осуществления. Кроме того, диффузионный регулирующий слой 93 также выполнен из материала, подобного материалу диффузионного регулирующего слоя 54 первого варианта осуществления. Далее, электроды 85-88 также выполнены из материала, сходного с материалом электродов 52, 53 первого варианта осуществления.

[0170] На эталонный электрод 87 стороны газовой камеры и электрод 88 эталонной стороны эталонной ячейки 91 эталонное напряжение (соответствующее напряжению датчика в первом варианте осуществления) Vr подается устройством 100 подачи эталонного напряжения, установленным в ЭБУ 31. Кроме того, ЭБУ 31 оснащен устройством 101 определения эталонного тока, которое определяет эталонный ток Ir, протекающий через эти электроды 87, 88 и через второй слой 84 из твердого электролита, когда устройство 100 подачи эталонного напряжения подает эталонное напряжение Vr.

[0171] Далее, между насосным электродом 85 стороны газовой камеры и электродом 86 стороны выхлопа насосной ячейки 90 насосное напряжение Vp подается устройством 102 подачи насосного напряжения, которое установлено в ЭБУ 31. Насосное напряжение Vp, подаваемое устройством 102 подачи насосного напряжения, устанавливается в соответствии с эталонным током Ir, определенным устройством 101 определения эталонного тока. Более конкретно, насосное напряжение Vp устанавливается в соответствии с разностью между эталонным током Ir, определенным устройством 101 определения эталонного тока и заданным целевым током (в настоящем варианте осуществления, равным нулю). Кроме того, ЭБУ 31 оснащен устройством 103 определения насосного тока, способным определять насосный ток Ip, который протекает через эти электроды 85 и 86 через первый слой 83 из твердого электролита, когда устройство 102 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp.

[0172] Следует отметить, что если устройство 102 подачи насосного напряжения меняет напряжение Vp, насосный ток Ip, который протекает через электроды 85, 86, меняется. Другими словами, устройство 102 подачи насосного напряжения, можно сказать, управляет насосным током Ip. Вследствие этого устройство 102 подачи насосного напряжения действует как устройство управления насосным током, которое управляет насосным током Ip. Следует отметить, что насосный ток Ip, например, меняется при последовательном включении с устройством 102 подачи насосного напряжения переменного сопротивления и изменении этого переменного сопротивления. Вследствие этого в качестве устройства управления насосным током может быть использовано переменное сопротивление или иные средства, отличные от устройства 102 подачи насосного напряжения.

[0173] Работа датчиков воздушно-топливного отношения

Далее со ссылкой на фиг. 19 будет пояснена базовая концепция работы выполненных таким образом датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения. Фиг. 19 представляет собой вид, на котором схематически показана работа датчиков 70 или 71 воздушно-топливного отношения. Во время эксплуатации, каждый датчик 70 или 71 воздушно-топливного отношения расположен так, чтобы наружные окружные поверхности защитного слоя 96 и диффузионного регулирующего слоя 93 были открыты воздействию выхлопного газа. Кроме того, атмосферный воздух вводится в эталонную газовую камеру 82 каждого датчика 70 или 71 воздушно-топливного отношения.

[0174] Как пояснено выше, слои 83, 84 из твердого электролита образованы в виде спеченной консистенции из оксида, проводящего ионы кислорода. Вследствие этого, они имеют свойство генерации электродвижущей силы Е, которая заставляет ионы кислорода перемещаться со стороны боковой поверхности с их высокой концентрацией на сторону боковой поверхности с их низкой концентрацией, если разница возникает в концентрации кислорода между двумя боковыми поверхностями слоев 83, 84 из твердого электролита в состоянии, активированном высокой температурой (свойство кислородной ячейки).

[0175] Напротив, слои 83, 84 из твердого электролита имеют свойство заставлять ионы кислорода двигаться так, чтобы отношение концентраций кислорода, возникающее между двумя боковыми поверхностями слоя из твердого электролита, соответствовало разности потенциалов, если разность потенциалов приложена между двумя боковыми поверхностями (характеристика кислородного насоса). Более конкретно, когда разность потенциалов подается на две боковые поверхности, движение ионов кислорода организовано так, чтобы концентрация кислорода на боковой поверхности, которая имеет положительную полярность, стала больше концентрации кислорода на боковой поверхности, которая имеет отрицательную полярность, в соотношении согласно разнице потенциалов.

[0176] Вследствие этого в насосной ячейке 90, если устройство 102 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение Vp на насосный электрод 85 стороны газовой камеры и электрод 86 стороны выхлопа, возникает движение ионов кислорода, соответствующее этому. Вместе с таким движением ионов кислорода кислород закачивается или выкачивается из выхлопного газа в измерительной газовой камере 81.

[0177] С другой стороны, эталонная ячейка 91 в настоящем варианте осуществления функционирует тем же образом, что и ячейка в первом варианте осуществления, включающая слой 51 из твердого электролита, электрод 52 стороны выхлопного газа, и электрод 53 стороны атмосферы. Поэтому в эталонной ячейке 91, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 81 соответствует воздушно-топливному отношению, которое соответствует эталонному напряжению Vr, поданному устройством 100 подачи эталонного напряжения на электроды 87, 88 (то есть воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока при подаче эталонного напряжения Vr), эталонный ток, текущий через электроды 87, 88, становится равным нулю. С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа в измерительной газовой камере 81 богаче, чем воздушно-топливное отношение, которое соответствует эталонному напряжению Vr, эталонный ток, текущий через электроды 87, 88, становится отрицательным током с силой тока, которая пропорциональна разности с воздушно-топливным отношением, которое соответствует эталонному напряжению Vr. Напротив, когда выхлопное воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 81 беднее, чем воздушно-топливное отношение, которое соответствует эталонному напряжению Vr, эталонный ток, который течет через электроды 87, 88, становится положительным током с силой тока, которая пропорциональна разности с воздушно-топливным отношением, которое соответствует эталонному напряжению Vr.

[0178] Когда воздушно-топливное отношение вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения беднее, чем воздушно-топливное отношение, которое соответствует эталонному напряжению Vr, как показано на фиг. 19(A), выхлопной газ, воздушно-топливное отношение которого беднее, чем воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, протекает в измерительную газовую камеру 81 через диффузионный регулирующий слой 93. Если выхлопной газ с бедным воздушно-топливным отношением, содержащий соответствующее таковому большое количество кислорода, протекает вовнутрь, положительный эталонный ток будет протекать через электроды 87, 88 эталонной ячейки 91 пропорционально разности с воздушно-топливным отношением, соответствующим эталонному напряжению Vr, и этот эталонный ток будет определен устройством 101 определения эталонного тока.

[0179] Если устройство 101 определения эталонного тока определяет эталонный ток, то, основываясь на этом, устройство 102 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение на электроды 85, 86 насосной ячейки 90. В частности, если устройство 101 определения эталонного тока определяет положительный эталонный ток, насосное напряжение подается с использованием электрода 86 стороны выхлопа в качестве положительного электрода и насосного электрода 85 стороны газовой камеры в качестве отрицательного электрода. При подаче насосного напряжения на электроды 85, 86 насосной ячейки 90 таким образом, в первом слое 83 из твердого электролита насосной ячейки 90 движение ионов кислорода возникнет от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть от насосного электрода 85 стороны газовой камеры к электроду 86 стороны выхлопа. По этой причине, кислород в измерительной газовой камере 81 будет выкачен в выхлопной газ вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения.

[0180] Расход кислорода, выкаченного изнутри каждой измерительной газовой камеры 81 в выхлопной газ вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения, пропорционален насосному напряжению. В свою очередь, насосное напряжение пропорционально силе положительного эталонного тока, определенного устройством 101 определения эталонного тока. Вследствие этого, чем больше отклонение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 81 в бедную сторону от воздушно-топливного отношения, которое соответствует эталонному напряжению Vr, то есть чем выше концентрация кислорода в измерительной газовой камере 81, тем больше расход кислорода, выкачиваемого изнутри измерительной газовой камеры 81 в выхлопной газ вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения. В результате, расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 93 в измерительную газовую камеру 81, и расход кислорода, выкачиваемого насосной ячейкой 90, в целом соответствуют один другому. Вследствие этого воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 81 поддерживается, по существу, на воздушно-топливном отношении, которое соответствует эталонному напряжению Vr.

[0181] Расход кислорода, перекачанного насосной ячейкой 90, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются внутри первого слоя 83 из твердого электролита насосной ячейки 90. Кроме того, расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 85, 86 насосной ячейки 90. Соответственно, путем определения тока, протекающего через электроды 85, 86, устройством 103 определения насосного тока, можно определить расход кислорода, протекающего через диффузионный регулирующий слой 93 в измерительную газовую камеру 81, и, таким образом, определить бедное воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 81.

[0182] С другой стороны, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения богаче, чем воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, как показано на фиг. 19(B), выхлопной газ, воздушно-топливное отношение которого богаче, чем воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, будет протекать в измерительную газовую камеру 81 через диффузионный регулирующий слой 93. Если выхлопной газ с богатым воздушно-топливным отношением, содержащий большое количество несгоревшего газа, протекает, таким образом, через электроды 87, 88 эталонной ячейки 91, отрицательный эталонный ток будет протекать пропорционально разности с воздушно-топливным отношением, соответствующим эталонному напряжению Vr. Этот эталонный ток определяется устройством 101 определения эталонного тока.

[0183] Если устройство 101 определения эталонного тока определяет эталонный ток, то, основываясь на этом, устройство 102 подачи насосного напряжения подает насосное напряжение на электроды 85, 86 насосной ячейки 90. В частности, если устройство 101 определения эталонного тока определяет отрицательный эталонный ток, насосное напряжение подается с использованием насосного электрода 85 стороны газовой камеры в качестве положительного электрода и электрода 86 стороны выхлопа в качестве отрицательного электрода. При подаче насосного напряжения на первый слой 83 из твердого электролита насосной ячейки 90 движение ионов кислорода возникает от отрицательного электрода на положительный электрод, то есть от электрода 86 стороны выхлопа к насосному электроду 85 стороны газовой камеры. По этой причине, кислород в выхлопном газе вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения закачивается в измерительную газовую камеру 81.

[0184] Расход кислорода, выкачанного из выхлопного газа вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения в каждую измерительную газовую камеру 81, пропорционален насосному напряжению. В свою очередь, насосное напряжение пропорционально силе отрицательного эталонного тока, определенного устройством 101 определения эталонного тока. Вследствие этого, чем больше отклонение воздушно-топливного отношения выхлопного газа в измерительной газовой камере 81 в богатую сторону от воздушно-топливного отношения, которое соответствует эталонному напряжению Vr, то есть, чем выше концентрация несгоревшего газа в измерительной газовой камере 81, тем больше расход кислорода, закачиваемого внутрь измерительной газовой камеры 81 из выхлопного газа вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения. В результате, расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 93 в измерительную газовую камеру 81 и расход кислорода, закачиваемого насосной ячейкой 90, находятся в химически эквивалентном соотношении, и, соответственно, воздушно-топливное отношение в измерительной газовой камере 81 поддерживается на воздушно-топливном отношении, которое соответствует эталонному напряжению Vr.

[0185] Расход кислорода, закачанного насосной ячейкой 90, равен расходу ионов кислорода, которые перемещаются внутри первого слоя 83 из твердого электролита насосной ячейки 90. Кроме того, расход ионов кислорода равен току, который протекает через электроды 85, 86 насосной ячейки 90. Соответственно, путем определения тока, протекающего через электроды 85, 86, устройством 103 определения насосного тока, можно определить расход несгоревшего газа, протекающего через диффузионный регулирующий слой 93 в измерительную газовую камеру 81, и, таким образом, определить богатое воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 81.

[0186] Далее, когда воздушно-топливное отношение вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения представляет собой воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, как показано на фиг. 19(C), выхлопной газ с воздушно-топливным отношением, соответствующим эталонному напряжению Vr, протекает в измерительную газовую камеру 81 через диффузионный регулирующий слой 93. Если выхлопной газ с воздушно-топливным отношением, соответствующим эталонному напряжению Vr, протекает вовнутрь, то, таким образом, эталонный ток, протекающий через электроды 87, 88 эталонной ячейки 91, становится равным нулю, при этом эталонный ток определяется устройством 101 определения эталонного тока.

[0187] Если эталонный ток, определенный устройством 101 определения эталонного тока, равен нулю, то вместе с этим насосное напряжение, поданное устройством 102 подачи насосного напряжения, также составляет ноль. Вследствие этого, в первом слое 83 из твердого электролита насосной ячейки 90 не возникает перемещения ионов кислорода, и соответственно внутри измерительной газовой камеры 81 удерживается, по существу, воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr. Кроме того, поскольку в первом слое 83 из твердого электролита насосной ячейки 90 не возникает перемещения ионов кислорода, то насосный ток, определяемый устройством 103 определения насосного тока, также становится равным нулю. Вследствие этого, когда насосный ток, определяемый устройством 103 определения насосного тока, равен нулю, делается вывод, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг измерительной газовой камеры 81 является воздушно-топливным отношением, соответствующим эталонному напряжению Vr.

[0188] Таким образом, в настоящем варианте осуществления согласно каждому датчику 70, 71 воздушно-топливного отношения, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения соответствует воздушно-топливному отношению, в свою очередь, соответствующему эталонному напряжению Vr, насосный ток, который является выходным током, становится нулем. Кроме того, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков 70, 71 воздушно-топливного отношения беднее, чем воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, насосный ток, который представляет собой выходной ток, становится положительным, и абсолютная величина насосного тока становится больше в соответствии со степенью обеднения. Напротив, когда воздушно-топливное отношение выхлопного газа вокруг датчиков воздушно-топливного отношения 70, 71 богаче, чем воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, насосный ток, который представляет собой выходной ток, становится отрицательным, и абсолютная величина насосного тока становится меньше в соответствии со степенью обогащения.

[0189] В дополнение, воздушно-топливное отношение, соответствующее эталонному напряжению Vr, то есть воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока при подаче эталонного напряжения Vr, как описано применительно к датчикам 40, 41 воздушно-топливного отношения вышеупомянутого первого варианта осуществления, становится меньше при увеличении эталонного напряжения Vr. Например, когда эталонное напряжение Vr составляет 0,45 В, воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. Кроме того, когда эталонное напряжение Vr больше 0,45 В, воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока становится богатым воздушно-топливным отношением, при этом когда эталонное напряжение Vr меньше 0,45 В, воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока становится бедным воздушно-топливным отношением.

[0190] Поданное напряжение датчика на отдельных датчиках воздушно-топливного отношения

В настоящем варианте осуществления, эталонное напряжение Vrup на датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны установлено на напряжение (например, 0,45 В), когда выходной ток становится нулем, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение (в настоящем варианте осуществления, 14,6). Другими словами, в датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, эталонное напряжение Vrup установлено так, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока становится стехиометрическим воздушно-топливным отношением. С другой стороны, эталонное напряжение Vrdwn на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны установлено на напряжение (например, 0,7 В), когда выходной ток становится нулем, если воздушно-топливное отношение выхлопного газа представляет собой заранее установленное богатое заданное воздушно-топливное отношение (например, 14,55), которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Другими словами, на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны эталонное напряжение Vrdwn установлено так, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа во время нулевого тока становится богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое слегка богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение. Таким образом, в настоящем варианте осуществления, эталонное напряжение Vrdwn на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны установлено на напряжение выше, чем эталонное напряжение Vrup на датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.

[0191] Поэтому ЭБУ 31, который соединен с обоими датчиками 70, 71 воздушно-топливного отношения, заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа около датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны представляет собой стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда выходной ток датчика 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны, то есть насосный ток Ipup, становится нулем. С одной стороны, ЭБУ 31 заключает, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа около датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны представляет собой богатое заданное воздушно-топливное отношение, то есть заранее установленное воздушно-топливное отношение, которое отличается от стехиометрического воздушно-топливного отношения, когда выходной ток датчика 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, то есть насосный ток Ipdwn становится нулем.

[0192] Следует отметить, что в вышеизложенном третьем варианте осуществления, и датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны представляют собой датчики воздушно-топливного отношения одноячейного типа, тогда как в вышеизложенном четвертом варианте осуществления, и датчик воздушно-топливного отношения с впускной стороны и датчик воздушно-топливного отношения с выпускной стороны являются датчиками воздушно-топливного отношения двухячейного типа. Тем не менее можно также использовать двухячейный датчик воздушно-топливного отношения в качестве датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и использовать одноячейный датчик воздушно-топливного отношения в качестве датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Напротив, также можно использовать одноячейный датчик воздушно-топливного отношения в качестве датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и использовать двухячейный датчик воздушно-топливного отношения в качестве датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны. Даже в этом случае, поданное напряжение датчика Vrup (эталонное напряжение) на датчике 41 воздушно-топливного отношения с выпускной стороны установлено на напряжение, которое выше, чем поданное напряжение датчика Vrup (эталонное напряжение) на датчике 40 воздушно-топливного отношения с впускной стороны.

[0193] Кроме того, можно использовать двухячейный тип датчика воздушно-топливного отношения и для датчика воздушно-топливного отношения с впускной стороны, и для датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны таким же образом, что и в первом варианте осуществления, устанавливая эталонное напряжение Vr на двух датчиках воздушно-топливного отношения одинаковым. В этом случае, когда насосный ток Ip датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны представляет собой некоторое заданное значение, отличное от нуля, определяют, что воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора 20 очистки выхлопного газа с впускной стороны, стало богатым заданным воздушно-топливным отношением.

[0194] 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).

[0195] 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

Изобретение относится к системе управления двигателем внутреннего сгорания в соответствии с выходным сигналом датчика воздушно-топливного отношения. Техническим результатом является создание системы управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, имеющий способность к накоплению кислорода, в которой система удерживает количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа от достижения максимального количества накопления кислорода, a NO_X - от сохранения в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа. Предложена система управления двигателем внутреннего сгорания, в которой если выходное воздушно-топливное отношение, определенное средством определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, равно или менее богатого заданного воздушно-топливного отношения, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа устанавливает целевое воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, постоянно или периодически на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не достигнет заданного количества накопления. Если количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа равно или более заданного количества накопления, средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа устанавливает целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода не уменьшится до нуля, не достигая максимального количества накопленного кислорода. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, который расположен в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания и который может накапливать кислород, при этом система управления содержит:

средство определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, которое расположено на выпускной стороне в направлении потока выхлопного газа от катализатора очистки выхлопного газа и которое определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из катализатора очистки выхлопного газа; и

средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа, которое управляет воздушно-топливным отношением выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, при этом

средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа содержит: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в катализатор очистки выхлопного газа, на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение, определенное средством определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение или меньше, пока количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа не станет заданным количеством накопления, которое меньше, чем верхний предел накопления кислорода, при котором скорость возрастания концентраций кислорода и NO_X в выхлопном газе, вытекающем из катализатора очистки выхлопного газа, начинает становиться больше, чем прежде; и средство уменьшения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода в катализаторе очистки выхлопного газа становится заданным количеством накопления или больше, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля и не достигало максимального количества накопленного кислорода.

2. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой разница между средней величиной упомянутого целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью упомянутого средства увеличения количества накопленного кислорода, больше, чем разница между средней величиной упомянутого целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью упомянутого средства уменьшения количества накопленного кислорода.

3. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой упомянутое средство увеличения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

4. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой упомянутое средство уменьшения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

5. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой упомянутое средство уменьшения количества накопленного кислорода периодически устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливного отношение на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, а также устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, по меньшей мере в части периода времени, когда упомянутое целевое воздушно-топливное отношение не установлено на стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

6. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, дополнительно содержащая средство определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, которое определяет или оценивает воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в упомянутый катализатор очистки выхлопного газа, при этом

упомянутое средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа управляет количеством топлива, подаваемого в камеру сгорания упомянутого двигателя внутреннего сгорания, так, чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа, которое определяется или оценивается упомянутым средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, становится упомянутым целевым воздушно-топливным отношением.

7. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 6, дополнительно содержащая средство оценки количества накопленного кислорода, которое оценивает количество накопленного кислорода в упомянутом катализаторе очистки выхлопного газа на основе воздушно-топливного отношения выхлопного газа, которое, в свою очередь, определяется или оценивается упомянутым средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, при этом

упомянутое средство увеличения количества накопленного кислорода устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода, которое оценивается упомянутым средством оценки количества накопленного кислорода, не станет заданным количеством накопления.

8. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой двигатель внутреннего сгорания содержит катализатор очистки выхлопного газа с выпускной стороны, который расположен на выпускной стороне упомянутого выпускного канала по направлению потока выхлопного газа от упомянутого датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны и который может накапливать кислород.

9. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 1, в которой процесс с использованием упомянутого средства увеличения количества накопленного кислорода и процесс с использованием упомянутого средства уменьшения количества накопленного кислорода выполняются попеременно и неоднократно.

10. Система управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим катализатор очистки выхлопного газа, который расположен в выпускном канале двигателя внутреннего сгорания и который может накапливать кислород, при этом система управления содержит:

средство определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, которое расположено на выпускной стороне в направлении потока выхлопного газа от упомянутого катализатора очистки выхлопного газа и которое определяет воздушно-топливное отношение выхлопного газа, вытекающего из упомянутого катализатора очистки выхлопного газа,

средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа, которое управляет воздушно-топливным отношением выхлопного газа, текущего в упомянутый катализатор очистки выхлопного газа,

средство определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, которое определяет или оценивает воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в упомянутый катализатор очистки выхлопного газа; и

средство оценки количества накопленного кислорода, которое оценивает количество накопленного кислорода в упомянутом катализаторе очистки выхлопного газа на основе воздушно-топливного отношения выхлопного газа, которое, в свою очередь, определяется или оценивается упомянутым средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, при этом

упомянутое средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа содержит: средство увеличения количества накопленного кислорода для постоянной или периодической установки целевого воздушно-топливного отношения выхлопного газа, текущего в упомянутый катализатор очистки выхлопного газа, на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда воздушно-топливное отношение, определенное упомянутым средством определения воздушно-топливного отношения с выпускной стороны, становится богатым заданным воздушно-топливным отношением, которое богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, или меньше, пока количество накопленного кислорода, которое оценивается упомянутым средством оценки количества накопленного кислорода, 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 на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, когда количество накопленного кислорода, которое оценивается упомянутым средством оценки количества накопленного кислорода, становится заданным количеством накопления или больше, таким образом, чтобы количество накопленного кислорода уменьшалось до нуля и не достигало максимального количества накопленного кислорода.

11. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой разница между средней величиной упомянутого целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью упомянутого средства увеличения количества накопленного кислорода, больше, чем разница между средней величиной упомянутого целевого воздушно-топливного отношения и стехиометрического воздушно-топливного отношения в период времени, когда целевое воздушно-топливное отношение постоянно или периодически устанавливают богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, с помощью упомянутого средства уменьшения количества накопленного кислорода.

12. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой упомянутое средство увеличения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение беднее, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

13. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой упомянутое средство уменьшения количества накопленного кислорода постоянно поддерживает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение богаче, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

14. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой упомянутое средство уменьшения количества накопленного кислорода периодически устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливного отношение на более богатое, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, а также устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, по меньшей мере в части периода времени, когда упомянутое целевое воздушно-топливное отношение не установлено на стехиометрическое воздушно-топливное отношение.

15. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, дополнительно содержащая средство определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, которое определяет или оценивает воздушно-топливное отношение выхлопного газа, текущего в упомянутый катализатор очистки выхлопного газа, при этом

упомянутое средство управления воздушно-топливным отношением втекающего газа управляет количеством топлива, подаваемого в камеру сгорания упомянутого двигателя внутреннего сгорания, так чтобы воздушно-топливное отношение выхлопного газа, которое определяется или оценивается упомянутым средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, становится упомянутым целевым воздушно-топливным отношением.

16. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 15, дополнительно содержащая средство оценки количества накопленного кислорода, которое оценивает количество накопленного кислорода в упомянутом катализаторе очистки выхлопного газа на основе воздушно-топливного отношения выхлопного газа, которое, в свою очередь, определяется или оценивается упомянутым средством определения/оценки воздушно-топливного отношения с впускной стороны, при этом упомянутое средство увеличения количества накопленного кислорода устанавливает упомянутое целевое воздушно-топливное отношение на более бедное, чем стехиометрическое воздушно-топливное отношение, пока количество накопленного кислорода, которое оценивается упомянутым средством оценки количества накопленного кислорода, не станет заданным количеством накопления.

17. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой двигатель внутреннего сгорания содержит катализатор очистки выхлопного газа с выпускной стороны, который расположен на выпускной стороне упомянутого выпускного канала по направлению потока выхлопного газа от упомянутого датчика воздушно-топливного отношения с выпускной стороны и который может накапливать кислород.

18. Система управления двигателем внутреннего сгорания по п. 10, в которой процесс с использованием упомянутого средства увеличения количества накопленного кислорода и процесс с использованием упомянутого средства уменьшения количества накопленного кислорода выполняются попеременно и неоднократно.