ВЫЯВЛЕНИЕ ПОТЕМНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА КИСЛОРОДА Российский патент 2019 года по МПК G01M15/10 G01N27/417 

Область техники

Настоящее описание в целом относится к способам и системам (вариантам) для выявления теплового старения и (или) потемнения в датчиках кислорода.

Уровень техники и раскрытие изобретения

Датчики всасываемых и (или) отработавших газов можно применять для определения содержания различных составляющих всасываемых и отработавших газов. Например, по выходному сигналу универсального датчика кислорода в отработавших газах УДКОГ (UEGO) можно определять воздушно-топливное отношение ВТО (AFR) в отработавших газах. В заборном канале двигателя также может быть расположен датчик кислорода для определения влажности всасываемых газов или состава отработавших газов, перенаправляемых на впуск двигателя. В зависимости от показаний содержания кислорода во всасываемых и отработавших газах можно регулировать различные параметры работы двигателя, например, подачу топлива. В качестве одного примера, можно регулировать подачу топлива в цилиндры с обратной связью по ВТО в отработавших газах для достижения целевого ВТО сжигаемой смеси, что позволяет достичь максимальной эффективности работы устройства снижения токсичности отработавших газов. На точность измерения датчика кислорода может оказывать значительное негативное влияние ухудшение характеристик элемента в датчике кислорода, например, из-за потемнения или теплового старения элемента датчика. Потемнение элемента датчика кислорода является одной из форм ухудшения характеристик, могущей возникать под действием высокого и (или) переменного напряжения, а также в условиях низкого содержания кислорода и влажности. Тепловое старение представляет собой еще одну форму ухудшения характеристик, возникающую из-за непрерывной эксплуатации датчика в течение некоторого периода времени.

Известен ряд решений для выявления ухудшения характеристик датчика кислорода, в частности, связанных с потемнением и тепловым старением. В одном примере решения, раскрытом Вердье (Verdier) с соавторами в US 20120167656 А1, можно подать напряжение на клеммы, соединенные с электродами элемента накачки (в случае датчика с двумя элементами) или комбинированного элемента накачки и измерения (в случае датчика с единственным элементом) датчика отработавших газов с последующим контролем тока накачки, проходящего через указанный элемент. На клеммы можно подавать напряжение равной величины в разные моменты времени и оценивать разность тока накачки. Если разность тока накачки превышает пороговую величину, можно сделать вывод об ухудшении характеристик датчика кислорода из-за потемнения как минимум одного электрода в элементе.

Авторы настоящего изобретения выявили потенциальные недостатки вышеуказанного решения. В качестве примера, причиной изменения тока накачки после подачи напряжения в разные моменты времени может быть тепловое старение или потемнение элемента. Следовательно, решение Вердье с соавторами не позволяет различать тепловое старение датчика и потемнение чувствительного элемента. Для последующей оценки содержания кислорода с помощью такого датчика необходимо принять разные корректирующие меры в зависимости от того, что именно имеет место - тепловое старение и (или) потемнение элемента. Принятие ненадлежащих корректирующих мер в отношении УДКОГ может привести к ускорению ухудшения его характеристик и снижению достоверности оценки содержания кислорода с его помощью, что негативно скажется на эксплуатационных показателях двигателя.

Авторы настоящего изобретения определили решение, позволяющее как минимум частично преодолеть вышеуказанный недостаток. Один пример способа для двигателя транспортного средства содержит шаги, на которых: различают тепловое старение и потемнение элемента датчика кислорода по результатам контроля изменения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста датчика кислорода после подачи напряжения. Так можно повысить достоверность выявления потемнения датчика кислорода и своевременно принять соответствующие меры.

В качестве одного примера, импеданс элемента накачки и импеданс элемента Нернста датчика кислорода можно контролировать и использовать для выявления теплового старения датчика и потемнения его элемента и различия одного от другого. Тепловое старение (также именуемое «явление разрушения зерен») в датчике кислорода может происходить с течением времени при многократном использовании датчика. Потемнение может возникать из-за изменения материала (например, восстановления диоксида циркония (ZrO₂) до циркония (Zr)), содержащегося в электродах элемента накачки. На электроде датчика может возникнуть темное скопление (например, металлического Zr), которое можно обозначить термином «потемнение». На элемент накачки и на элемент Нернста датчика кислорода можно ситуативно или периодически подавать переменное напряжение (АС) и оценивать соответствующий импеданс элементов путем измерения соответствующих токов накачки элементов в процессе выполнения операции частотного сканирования. Со временем, нагрев может стать причиной снижения импеданса элемента накачки и элемента Нернста. Тепловое старение можно выявить по изменению импеданса во времени. При этом, по прошествии некоторого периода времени и после многократного применения датчика, возможна стабилизация изменения импеданса (имеющая место как в элементе накачки, так и в элементе Нернста), вызванного тепловым старением. Дальнейшая подача напряжения на каждый из элементов может не выявить дальнейшее снижение импеданса. Если имеет место потемнение электрода элемента накачки, после стабилизации теплового старения дальнейшая подача переменного напряжения с относительно высоким пиковым значением напряжения может привести к значительному изменению импеданса элемента накачки. Величину потемнения можно оценить по величине изменения импеданса элемента накачки относительно результата предыдущего измерения импеданса элемента накачки (во время последней по времени операции сканирования). Кроме того, после подачи одного и того же переменного напряжения на элемент Нернста, дальнейшее изменение импеданса может отсутствовать, что дополнительно подтверждает то, что причиной изменения сопротивления в элементе накачки является потемнение, а не дальнейшее тепловое старение. После выявления теплового старения, можно обновить коэффициент поправки, применяемый при оценке содержания кислорода с помощью рассматриваемого датчика. При этом, после выявления потемнения датчика, при дальнейшей оценке содержания кислорода можно применять более низкое целевое (опорное) напряжение и умеренную скорость линейного изменения подаваемого опорного напряжения. Кроме того, может быть установлен диагностический код (индикатор) для уведомления пользователя об ухудшении характеристик.

Так, по изменению импеданса (или сопротивления) элемента накачки и элемента Нернста во времени можно различать явления теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода. Активный контроль изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста во времени после подачи переменного напряжения позволяет повысить достоверность выявления потемнения элемента и различия указанных двух видов ухудшения характеристик УДКОГ. Технический эффект, достигаемый различением явлений теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода, состоит в возможности принятия надлежащих корректирующих мер в соответствующих случаях. Обновление поправочного коэффициента для компенсации явлений теплового старения позволяет поддерживать достоверность оценки содержания кислорода по мере старения датчика. Для сравнения, при выявлении потемнения элемента, принятие профилактических мер, например, подача относительно низкого целевого напряжения и умеренная скорость линейного изменения опорного напряжения при оценке содержания кислорода, позволяет ограничить дальнейшее повреждение датчика из-за потемнения. В целом, эффективное выявление теплового старения и потемнения элемента и их различия друг от друга позволяет повысить точность и надежность работы датчика кислорода и поддерживать эксплуатационные показатели двигателя.

Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно в разделе «Осуществление изобретения». Это описание не предназначено для обозначения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного предмета изобретения, объем которого уникально определен формулой изобретения, приведенной после раздела «Осуществление изобретения».

Кроме того, заявленный предмет изобретения не ограничен реализациями, которые устраняют какие-либо недостатки, указанные выше или в любой другой части настоящего раскрытия.

Краткое описание Фигур чертежа

На ФИГ. 1 изображен пример системы двигателя, содержащего датчики кислорода во всасываемых и отработавших газах.

На ФИГ. 2 представлена принципиальная схема примера УДКОГ.

На ФИГ. 3 изображена блок-схема, иллюстрирующая способ с возможностью применения для выявления теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода.

На ФИГ. 4 изображен пример графика изменения импеданса элемента накачки во времени для множества операций частотного сканирования.

На ФИГ. 5 изображен пример графика изменения импеданса элемента Нернста во времени для множества операций частотного сканирования.

На ФИГ. 6 изображен пример выявления теплового старения и потемнения УДКОГ по изменению импеданса элемента накачки и элемента Нернста.

Осуществление изобретения

Нижеследующее описание относится к системам и способам (вариантам) для выявления теплового старения и потемнения в датчиках кислорода. Датчики кислорода могут быть расположены в воздухозаборном канале или в выпускном канале отработавших газов, как показано в системе двигателя на ФИГ. 1. На ФИГ. 2 схематически изображен датчик кислорода, который может быть подвержен тепловому старению и (или) потемнению. Контроллер двигателя может быть выполнен с возможностью выполнения алгоритма управления, например, алгоритма на ФИГ. 3, для выявления теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода. ФИГ. 4 и 5 иллюстрируют изменение (во времени) импеданса элемента накачки и элемента Нернста соответственно для множества операций частотного сканирования. Пример выявления теплового старения и потемнения элемента по изменению импеданса элемента накачки и элемента Нернста представлен на ФИГ. 6.

ФИГ. 1 представляет собой принципиальную схему, изображающую один из цилиндров многоцилиндрового двигателя 10 в системе 100 двигателя. Двигателем 10 можно как минимум частично управлять с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, и управляющих воздействий водителя 132 через устройство 130 ввода. В данном примере устройство 130 ввода содержит педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала положения педали ПП (РР). Камера 30 сгорания (цилиндр) двигателя 10 может содержать стенки 32 цилиндра с расположенным между ними поршнем 36. Поршень 36 может быть соединен с коленчатым валом 40 для преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен с как минимум одним ведущим колесом транспортного средства через промежуточную систему передачи. Кроме того, для обеспечения запуска двигателя 10, с коленчатым валом 40 может быть соединен стартер через маховик.

Всасываемый воздух может поступать в камеру 30 сгорания из впускного коллектора 44 через заборный канал 42, а отработавшие газы могут выходить через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 соответственно. В некоторых вариантах камера 30 сгорания может содержать два и более впускных клапана и (или) два и более выпускных клапана.

В данном примере впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 могут приводиться в действие системами 51 и 53 кулачкового привода соответственно. Системы 51 и 53 кулачкового привода могут содержать один или несколько кулачков и могут быть выполнены с возможностью выполнения одной или нескольких из следующих функций: переключение профиля кулачков ППК (CPS), изменение фаз кулачкового распределения ИФКР (VCT), изменение фаз газораспределения ИФГ (VVT) и (или) изменение высоты подъема клапанов ИВПК (VVL), которыми может управлять контроллер 12 для регулирования работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 можно определять с помощью датчиков 55 и 57 положения соответственно. В других вариантах осуществления впускной клапан 52 и (или) выпускной клапан 54 могут быть электроприводными. Например, в другом варианте цилиндр 30 может содержать впускной клапан с электроприводом и выпускной клапан с кулачковым приводом, включая системы ППК и (или) ИФКР.

Топливная форсунка 66 показана соединенной непосредственно с камерой 30 сгорания для впрыска топлива непосредственно в нее пропорционально длительности топливного импульса ДТИ (FPW), полученного от контроллера 12 через электронный формирователь 68. Так топливная форсунка 66 обеспечивает известный из уровня техники непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может быть установлена, например, сбоку или сверху (как показано) от камеры сгорания. Топливо может поступать в топливную форсунку 66 по топливной системе (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах камера 30 сгорания, вместо указанной форсунки или в дополнение к ней, может содержать топливную форсунку, установленную во впускном коллекторе 44 с возможностью известного из уровня техники распределенного впрыска во впускной канал выше по потоку от камеры 30 сгорания.

Заборный канал 42 может содержать дроссель 62 с дроссельной заслонкой 64. В данном конкретном примере положение дроссельной заслонки 64 может изменять контроллер 12, направляя сигнал на электромотор или привод в составе дросселя 62; данную конфигурацию обычно называют «электронный привод дроссельной заслонки» ЭПДЗ (ETC). Так можно управлять дросселем 62 для регулирования расхода всасываемого воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания среди прочих цилиндров двигателя. Контроллер 12 может получать информацию о положении дроссельной заслонки 64 в виде сигнала положения дросселя ПД (TP).

Воздухозаборный канал 42 может содержать датчик 125 температуры всасываемого воздуха ТВВ (IAT) и датчик 128 барометрического давления БД (BP). Датчик 125 ТВВ оценивает температуру всасываемого воздуха, используемого для работы двигателя, и направляет сигнал в контроллер 12. Аналогичным образом, датчик 128 БД оценивает давление окружающей среды для управления двигателем и направляет сигнал в контроллер 12. Заборный канал 42 может также содержать датчик 120 массового расхода воздуха и датчик 122 давления воздуха в коллекторе для направления сигналов МРВ (MAF) и ДВК (MAP) в контроллер 12.

Датчик 126 отработавших газов показан установленным в выпускном канале 48 выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности отработавших газов. Датчик 126 может представлять собой датчик любого типа, подходящего для определения воздушно-топливного отношения в отработавших газах, например: линейный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или ДКОГ (EGO), НДКОГ (HEGO) (нагреваемый ДКОГ), датчик оксидов азота, углеводородов или угарного газа. В первом режиме работы датчика кислорода, отработавшие газы из двигателя сгорания могут течь в первую полость, образованную на одной стороне слоем оксида циркония, а на другой стороне - керамическим слоем, при этом указанный керамический слой расположен между первой полостью и второй полостью, содержащей газ сравнения. Первое напряжение может быть подано на слой оксида циркония для закачки ионов кислорода между первой полостью и отработавшими газами, а на керамический слой может быть подано второе напряжение, при этом первое напряжение может быть ограничено, когда второе напряжение достигнет порогового. При этом во втором режиме работы датчика кислорода, можно выявить восстановление части слоя оксида циркония до циркония путем сравнения изменения импеданса циркониевого слоя с изменением импеданса керамического слоя. Вариант осуществления УДКОГ детально раскрыт на примере ФИГ. 2. Датчик кислорода выполнен с возможностью оценки ВТО как во всасываемых, так и в отработавших газах. По результатам оценки ВТО можно регулировать параметры работы двигателя, например, подачу топлива. Кроме того, оценка ВТО в отработавших газах позволяет повысить эффективность работы устройства снижения токсичности отработавших газов. Для улучшения показателей работы двигателя важно иметь возможность выявлять любое ухудшение характеристик датчика (датчиков) кислорода. Способ для выявления ухудшения характеристик датчика кислорода как из-за теплового старения, так и из-за потемнения элемента будет подробно раскрыт на примере ФИГ. 3-6.

Устройство 70 снижения токсичности отработавших газов показано установленным вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 отработавших газов. Устройство 70 может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор ТКН (TWC), накопитель оксидов азота, устройство снижения токсичности отработавших газов какого-либо иного типа или их комбинацию. В некоторых вариантах, во время работы двигателя 10, устройство 70 снижения токсичности отработавших газов можно периодически регенерировать, подавая в один из цилиндров двигателя смесь с определенным диапазоном воздушно-топливного отношения.

Система 140 рециркуляции отработавших газов РОГ (EGR) может направлять необходимое количество отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной коллектор 44 по магистрали 142 РОГ. Величину подачи отработавших газов рециркуляции во впускной коллектор 44 может регулировать контроллер 12 посредством клапана 144 РОГ. Кроме того, в магистрали 142 РОГ может быть установлен датчик 146 РОГ с возможностью выдачи одного или нескольких из следующих показаний: давления, температуры и концентрации компонентов отработавших газов. В заборном канале ниже по потоку от впускного дросселя может быть расположен линейный датчик 172 кислорода для улучшения регулирования РОГ. В некоторых условиях с помощью системы 140 РОГ можно регулировать температуру топливовоздушной смеси в камере сгорания, обеспечивая, таким образом, способ регулирования момента зажигания в некоторых режимах сжигания топлива. Кроме того, в некоторых режимах, часть газообразных продуктов сгорания можно удерживать или улавливать в камере сгорания, изменяя фазы газораспределения выпускных клапанов, например, путем регулирования механизма изменения фаз газораспределения.

Контроллер 12 показан на ФИГ. 1 в виде микрокомпьютера, содержащего микропроцессорное устройство 102, порты 104 ввода/вывода, электронную среду хранения выполняемых программ и калибровочных значений, в данном примере показанную в виде однокристального постоянного запоминающего устройства 106, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимое запоминающее устройство 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, в том числе: показание массового расхода всасываемого воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; показание температуры хладагента двигателя ТХД (ЕСТ) от датчика 112 температуры, связанного с рубашкой 114 охлаждения двигателя; сигнал профиля зажигания ПЗ (PIP) от датчика 118 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 40; положения дросселя (ПД) от датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122. Сигнал частоты вращения двигателя (в оборотах в минуту) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал давления в коллекторе (ДВК) от датчика давления в коллекторе можно использовать для получения показаний разрежения или давления во впускном коллекторе. Отметим, что можно использовать различные комбинации вышеуказанных датчиков, например, датчик МРВ без датчика ДВК, или наоборот. Во время работы на смеси стехиометрического состава показания датчика ДВК можно использовать для определения крутящего момента двигателя. Кроме того, по показаниям указанного датчика, вместе с показаниями частоты вращения двигателя, можно оценивать заряд (в том числе, воздуха), поданный в цилиндр. В одном примере датчик 118, также выполненный с возможностью использования как датчик частоты вращения двигателя, может генерировать заданное количество импульсов при каждом обороте коленчатого вала.

В носитель информации - постоянное запоминающее устройство 106 - могут быть введены машиночитаемые данные, представляющие собой команды в долговременной памяти, исполняемые микропроцессорным устройством 102 для выполнения раскрытых в настоящей заявке способов, а также других предполагаемых, но конкретно не перечисленных вариантов. Как раскрыто выше, на ФИГ. 1 показан только один цилиндр многоцилиндрового двигателя, при этом любой его цилиндр может также содержать собственный комплект впускных /выпускных клапанов, топливную форсунку, свечу зажигания и т.п.

Контроллер 12 принимает сигналы от различных датчиков на ФИГ.1 и задействует различные исполнительные устройства на ФИГ. 1 для регулирования работы двигателя в зависимости от полученных сигналов и команд, хранящихся в памяти контроллера 12. В одном примере контроллер 12 запускает диагностический алгоритм для выявления теплового старения и (или) потемнения в датчиках 126 и 172 кислорода.

На ФИГ. 2 схематически изображен пример осуществления датчика кислорода в отработавших газах, например, УДКОГ 200, выполненного с возможностью измерения концентрации кислорода (O2) в потоке отработавших газов в режимах с подачей топлива. В одном примере УДКОГ 200 является одним из вариантов осуществления УДКОГ 126 на ФИГ. 1. При этом следует понимать, что в другом варианте датчик на ФИГ. 2 может представлять собой датчик кислорода во всасываемых газах, например, датчик 172 на ФИГ. 1.

Датчик 200 содержит множество слоев одного или нескольких керамических материалов, расположенных друг над другом. В варианте на ФИГ. 2 показаны пять керамических слоев (элементов) в виде слоев 201, 202, 203, 204 и 205. Эти слои включают в себя один или несколько слоев твердого электролита с кислородно-ионной проводимостью. Кроме того, некоторые варианты, например, представленный на ФИГ.2, могут содержать нагреватель 207, находящийся в тепловом контакте с указанными слоями для увеличения их ионной проводимости. Несмотря на то что изображенный УДКОГ 200 сформирован из пяти керамических слоев, следует понимать, что УДКОГ может содержать любое подходящее количество керамических слоев.

Примеры подходящих твердых электролитов включают в себя, помимо прочих, материалы на основе оксида циркония (также известного как диоксид циркония ZrO₂). ZrO₂ обычно бывает белого цвета. В процессе использования, с течением времени, может произойти отщепление двух атомов кислорода от ZrO₂, в связи с чем ZrO₂ белого цвета превращается в темноокрашенный металлический цирконий (Zr), в результате чего происходит потемнение соответствующего элемента. В число основных причин потемнения могут входить, помимо прочих, высокое напряжение (в области перенапряжения), условия с подачей переменного напряжения, условия с низким содержанием воздуха и кислорода. Новообразованный Zr обладает не только ионной, но и электронной проводимостью. Электронная проводимость может возрастать пропорционально величине потемнения.

Слой 202 содержит пористый материал или материалы, создающие диффузионный путь 210. По диффузионному пути 210 отработавшие газы могут проникать в первую внутреннюю полость 222 (также именуемую «полость обнаружения газа») за счет диффузии. Диффузионный путь 210 может быть выполнен с возможностью пропускать один или несколько компонентов отработавших газов, включая, помимо прочих, необходимый анализируемый компонент (например, O₂), для диффузии во внутреннюю полость 222 с интенсивностью, ограниченной по сравнению с той, с которой анализируемый компонент могут накачивать внутрь или выкачивать наружу пара электродов 212 и 214 накачки. Таким образом, в первой внутренней полости 222 можно получить стехиометрическое содержание O₂.

Датчик 200 также содержит вторую внутреннюю полость 224 в пределах слоя 204, отделенную от первой внутренней полости 222 слоем 203. Вторая внутренняя полость 224 выполнена с возможностью поддержания постоянного парциального давления кислорода, соответствующего стехиометрическому составу смеси, например, содержание кислорода во второй внутренней полости 224 равно тому, которое присутствовало бы в отработавших газах, если бы воздушно-топливное отношение было стехиометрическим. Концентрацию кислорода во второй внутренней полости 224 поддерживают постоянной с помощью напряжения накачки V_cp. Поэтому вторую внутреннюю полость 224 можно рассматривать как эталонный элемент.

Пара измерительных электродов 216 и 218 расположена с возможностью связи с первой внутренней полостью 222 и эталонным элементом 224. Пара измерительных электродов 216 и 218 обнаруживает градиент концентрации, могущий образоваться между первой внутренней полостью 222 и эталонным элементом 224 из-за того, что концентрация кислорода в отработавших газах превышает стехиометрический уровень или находится ниже его. Причиной высокой концентрации кислорода может быть бедный состав отработавших газов, а низкой концентрации кислорода - богатый состав отработавших газов.

Пара электродов 212 и 214 накачки расположена с возможностью связи с внутренней полостью 222 и выполнена с возможностью электрохимического выкачивания выбранного компонента газа (например, O₂) из внутренней полости 222 через слой 201 и за пределы датчика 200. Или же пара электродов 212 и 214 накачки могут быть выполнены с возможностью электрохимического накачивания выбранного газа через слой 201 во внутреннюю полость 222. В этом случае электролитический слой 201 вместе с парой электродов накачки 212 и 214 может рассматриваться как элемент накачки O₂. Электролитический слой 203 вместе с парой электродов 216 и 218 могут именоваться «элемент Нернста» (также известный как «измерительный элемент»). Электроды 212, 214, 216 и 218 могут быть выполнены из различных подходящих материалов. В некоторых вариантах осуществления электроды 212, 214, 216 и 218 могут быть выполнены как минимум частично из материала, катализирующего диссоциацию молекулярного кислорода. Примерами таких материалов могут, помимо прочих, служить электроды, содержащие платину и (или) золото.

Измерительный элемент (элемент Нернста) выполнен с возможностью пассивного измерения концентрации кислорода в первой внутренней полости 222 (обнаружения газа). Элемент накачки может регулировать концентрацию кислорода в полости 222 по сигналу обратной связи от измерительного элемента. Внешний компаратор может сравнивать напряжение, создаваемое измерительным элементом, с опорным напряжением V_p. В одном примере, при обычных условиях эксплуатации, опорное напряжение V_p может составлять 450 мВ. Напряжение, создаваемое на элементе Нернста, на один электрод которого воздействует воздух (с концентрацией кислорода ~20%), а на другой - среда с низкой концентрацией кислорода (~10 миллионных долей кислорода) может составлять около 450 мВ. Данная концентрация кислорода (~10 миллионных долей) может соответствовать стехиометрическому составу. Если концентрация кислорода в полости 222 ниже концентрации кислорода, соответствующей стехиометрическому составу (~10 миллионных долей), из-за присутствия восстановителей, например, окиси углерода или водорода, компаратор может направить сигнал на элемент накачки для накачки кислорода в полость 222 из отработавших газов. Кислород вступит в реакцию с восстановителями, в связи с чем уровень концентрации кислорода будет возрастать до достижения концентрации кислорода, соответствующей стехиометрическому составу (~10 миллионных долей), измеряемой измерительным элементом (элементом Нернста). Общее количество указанных восстановителей в полости определяет количество кислорода, которое должно быть закачано в полость элементом накачки для полного завершения реакции. Ток накачки I_p прямо пропорционален концентрации кислорода в элементе накачки. Закачиваемое количество кислорода является ровно тем, что необходимо для полного завершения реакции со всеми восстановителями. В датчике можно применять разные способы для определения концентрации восстановителей. В одном примере концентрацию восстановителя можно определять по току накачки, который пропорционален концентрации кислорода в элементе накачки.

Если концентрация кислорода в полости превышает концентрацию кислорода, соответствующую стехиометрическому составу (~10 миллионных долей), можно применить обратный способ. Измерительный элемент может определить, что напряжение ниже опорного напряжения V_p (450 мВ), и компаратор может направить сигнал на элемент накачки для выкачивания кислорода из полости путем подачи тока накачки I_p в противоположном направлении. Ток накачки I_p прямо пропорционален количеству кислорода, выкачиваемому из полости, которое, в свою очередь, прямо пропорционально количеству кислорода, проникающему в полость 222 путем диффузии. Данное количество кислорода может быть прямо пропорционально концентрации кислорода в отработавших газах.

Как сказано выше, в процессе эксплуатации может возникнуть потемнение в одном или нескольких электролитах. Потемнение может отличаться от теплового старения. Так как на элемент накачки действуют более высокие напряжения во время эксплуатации, он более подвержен потемнению. В одном примере на электроде 214 элемента накачки возможно скопление металлического Zr. Импеданс элемента датчика можно оценивать путем измерения перепада напряжения на элементе датчика, например, используя способ, в основе которого лежит переменное напряжение. Можно выполнить операции частотного сканирования (спектроскопию импеданса) с одним и тем же напряжением (переменным) через равные промежутки времени и контролировать и анализировать соответствующее изменение импеданса с помощью анализатора частотных характеристик АЧХ (FRA). Различные физико-химические процессы, происходящие в элементе, влияют на перенос электронов и ионов, перенос реагентов в газовой и твердой фазе, гетерогенные реакции и т.п. Такие процессы могут иметь разные характерные постоянные времени, в связи с чем они могут проявляться при разных частотах переменного тока. При проведении в широком диапазоне частот, спектроскопия импеданса позволяет определять и количественно характеризовать импеданс, связанный с указанными различными процессами. Например, для датчика кислорода 200, импеданс можно измерять либо на элементе Нернста, либо на элементе накачки. Из-за потемнения (скопления Zr), электронная проводимость элемента накачки может возрасти, в связи с чем может быть выявлено падение импеданса элемента накачки. При этом, в процессе эксплуатации и с течением времени, возможно снижение сопротивления на границах зерен элемента накачки из-за тепловых воздействий. Данное явление можно обозначить термином «тепловое старение» или «явление разрушения зерен». Из-за тех же тепловых воздействий также возможно падение импеданса элемента Нернста. Авторы настоящего изобретения выявили, что падение импеданса из-за теплового старения не может продолжаться после того, как в элементе накачки произошло разрушение зерен. Как только произойдет стабилизация теплового старения, при дальнейшей подаче переменного напряжения могут отсутствовать какие-либо дальнейшие изменения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста из-за явлений теплового старения. Стабилизация явления теплового старения в элементе Нернста может произойти раньше, чем в элементе накачки из-за его большей удаленности от нагревателя.

После подтверждения стабилизации процесса теплового старения, можно выявлять любые скопления Zr на электроде 214 элемента накачки. И на элемент накачки, и на элемент Нернста можно подать переменное напряжение и измерить соответствующий перепад напряжения на элементе датчика для оценки изменения импеданса. Если будет установлено, что при подаче относительно высокого напряжения имеет место дальнейшее падение импеданса элемента накачки, можно сделать вывод о наличии потемнения на электроде 214 из-за скопления Zr. При этом в элементе Нернста потемнение отсутствует. Следовательно, при подаче относительно высокого напряжения на элементе Нернста не должно происходить изменение импеданса по сравнению с последним по времени результатом измерения импеданса (оцениваемого во время стабилизации явлений теплового старения). Как только явление теплового старения стабилизируется, никаких изменений импеданса элемента Нернста не происходит. Таким образом, изменение импеданса элемента накачки, происходящее, когда изменение импеданса элемента Нернста отсутствует, можно связать с потемнением УДКОГ.

Следует понимать, что датчик кислорода, раскрытый в настоящем описании, является не более чем примером осуществления УДКОГ, и то, что другие варианты осуществления датчиков кислорода во всасываемых или отработавших газах могут иметь дополнительные и (или) другие признаки и (или) конструктивные исполнения.

На ФИГ. 1 и 2 представлены примеры конфигураций датчика кислорода с относительным расположением различных компонентов. Раскрытый в настоящем описании датчик кислорода представляет собой датчик кислорода во всасываемых газах, установленный ниже по потоку от впускного дросселя, или датчик кислорода в отработавших газах, установленный выше по потоку от устройства снижения токсичности отработавших газов. Если они показаны непосредственно соприкасающимися друг с другом или непосредственно соединенными, то такие элементы могут считаться непосредственно соприкасающимися или, в соответствующих случаях, непосредственно соединенными, как минимум в одном примере. Аналогичным образом, элементы, показанные смежными или прилегающими друг к другу, могут быть смежными или, в соответствующих случаях, прилегать друг к другу в как минимум одном примере. Например, компоненты, соприкасающиеся друг с другом торцами, могут рассматриваться как находящиеся в соприкосновении по торцу. В качестве другого примера, элементы, расположенные отдельно друг от друга, между которыми находится только какое-либо пространство, но не другие компоненты, могут описываться таким образом в как минимум одном примере.

ФИГ. 3 иллюстрирует пример способа 300 для выявления теплового старения и потемнения элемента в УДКОГ (датчике кислорода), в основе которого лежит подача переменного напряжения и оценка импеданса. Команды для реализации способа 300 и остальных способов, раскрытых в настоящем описании, может выполнять контроллер в соответствии с командами, хранящимися в памяти контроллера, и во взаимосвязи с сигналами от датчиков системы двигателя, например, датчиков, раскрытых выше на примерах ФИГ. 1 и 2. Контроллер может задействовать исполнительные механизмы системы двигателя для регулирования работы системы двигателя согласно раскрытым ниже способам.

На шаге 302 на элемент накачки и на элемент Нернста УДКОГ (датчика кислорода) может быть подано переменное напряжение низкого (пикового) значения. Подачу переменного напряжения можно осуществлять ситуативно и (или) периодически в промежутке между операциями оценки содержания кислорода. Периодичность подачи переменного напряжения может зависеть от момента ездового цикла, количества подач переменного опорного напряжения, порогового расстояния и (или) порогового времени езды с момента последнего измерения. Элемент накачки может содержать пару электродов накачки и электролитический слой (например, электролитический слой 201 вместе с парой электродов накачки 212 и 214 на ФИГ. 2).

Элемент Нернста также может содержать пару электродов и электролитический слой (например, электролитический слой 203 вместе с электродами 216 и 218). Пример подачи переменного напряжения на датчик представлен в уравнении 1.

Где V(t) - переменное напряжение, V_peak - пиковое напряжение, ω - частота, a t - время. Первую и вторую операции частотного сканирования можно выполнять соответственно в элементе накачки и элементе Нернста. И первую, и вторую операции частотного сканирования можно выполнять, поддерживая V_peak постоянным с одновременным постепенным изменением частоты переменного тока и контролем соответствующих переменных токов. В одном примере диапазон применяемой частоты может составлять от 5×10⁶ до 1 Гц.

По поданному переменному напряжению и результатам измерения переменных токов, на шаге 304 можно оценить импеданс в конечной точке в элементе накачки (Z_p,n) и в элементе Нернста (Z_n,n) для первой и второй операций частотного сканирования. Импеданс обоих указанных элементов может иметь действительную и мнимую составляющие. Импеданс элемента накачки и элемента Нернста может варьироваться в зависимости от таких факторов, как границы зерен и платиновые электроды соответствующих элементов. Элемент накачки и элемент Нернста могут иметь разные геометрические параметры и толщины, что обуславливает разницу импедансов. Часть импеданса, относящуюся к кабельным соединениям элемента накачки, можно не учитывать при анализе. Импеданс элемента накачки и элемента Нернста будет рассмотрен ниже на примерах ФИГ. 4 и 5.

На шаге 306 алгоритм включает в себя поиск значений импеданса в конечной точке, полученных по результатам предыдущих операций частотного сканирования. Пиковое напряжение и диапазон частоты, применяемые в текущей оценке, могут быть теми же, что и при предыдущей оценке. Значения импеданса в конечной точке в элементе накачки и импеданса в конечной точке в элементе Нернста по результатам операций частотного сканирования (Z_p,n-1 и Z_n,n-1 соответственно) могут быть найдены в памяти контроллера. В промежутке между текущей и предыдущей операциями частотного сканирования УДКОГ могли использовать для оценки содержания кислорода. Из-за воздействий переменного напряжения и высокой температуры во время оценки содержания кислорода может иметь место тепловое старение (также именуемое «явление разрушения зерен») в элементе накачки и в элементе Нернста. Основной причиной теплового старения элементов является нагрев. Интенсивность теплового старения элемента накачки может быть выше, чем у элемента Нернста, из близости первого к нагревательным элементам. Или же, в зависимости от характеристик элемента, интенсивность теплового старения может быть выше у элемента Нернста, чем у элемента Нернста. Кроме того, в элементе накачки может возникать потемнение под воздействием высоких напряжений. Потемнение может возникать из-за изменения материала, т.е. восстановления диоксида циркония (ZrO₂), присутствующего в электродах элемента накачки, до циркония (Zr). На электроде элемента накачки можно наблюдать темное скопление металлического Zr, которое можно обозначить термином «потемнение». Явления теплового старения и потемнения могут нарастать со временем и при дальнейшей эксплуатации.

На шаге 308 контроллер может сравнить текущее значение импеданса для элемента накачки (Z_p,n, определенное на шаге 304) и элемента Нернста (Z_n,n, определенное на шаге 304) с соответствующими предыдущими значениями импеданса для элемента накачки (Z_p,n-1, найденное на шаге 306) и элемента Нернста (Z_n,n-1, найденное на шаге 306). Тепловое старение и потемнение можно различать по результату сравнения результата контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста после текущей подачи напряжения с результатом контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста после непосредственно предшествующей подачи напряжения (при отсутствии операций частотного сканирования между ними). Для элемента накачки можно оценить разность Z_p,n и Z_p,n-1. Аналогичным образом, для элемента Нернста можно оценить разность Z_n,n и Z_n,n-1. На шаге 310 алгоритм определяет, имеет ли место падение импеданса элемента накачки и элемента Нернста. Если разность импедансов (определенная на шаге 308) по результатам текущего и предыдущего измерений импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста отрицательная, можно сделать вывод, что имеет место падение импеданса элемента накачки и элемента Нернста. В одном примере, разность импедансов (определенная на шаге 308) по результатам текущего и предыдущего измерений для элемента накачки и для элемента Нернста превышает пороговое значение импеданса, может указывать на наличие теплового старения. Пороговое значение импеданса может либо представлять собой постоянное значение, либо зависеть от (например, представлять собой функцию) значения импеданса по результатам оценки в непосредственно предшествующей операции частотного сканирования. В еще одном примере указывать наличие теплового старения можно на основании того, что импеданс в конечной точке как первой, так и второй операций частотного сканирования ниже первого и второго пороговых импедансов соответственно. В основе указанных первого и второго пороговых импедансов могут лежать конечные точки соответственно первой и второй операций частотного сканирования после предыдущей подачи напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста.

Если на шаге 310 будет установлено, что имеет место падение импеданса элемента накачки и элемента Нернста, на шаге 312 можно определить и указать, что имеют место явления теплового старения в элементе накачки и в элементе Нернста. Явление теплового старения (величина старения) может быть по-разному выражена в элементе накачки и в элементе Нернста. По значению разности между Z_p,n и Z_p,n-1 и Z_n,n и Z_n,n-1 можно оценить величину теплового старения в элементе накачки и элементе Нернста соответственно. Величину теплового старения указывают пользователю путем установки диагностического кода или индикатора.

В связи с выявлением явлений теплового старения в элементе накачки и в элементе Нернста, на шаге 314 можно обновить коэффициент поправки на тепловое старение для УДКОГ. Данный коэффициент поправки позволяет учитывать любые погрешности, возникающие при оценке содержания кислорода с помощью данного датчика из-за явлений теплового старения. По мере прогрессирования теплового старения, коэффициент поправки можно корректировать (увеличивать) для обеспечения достоверной оценки содержания кислорода. На шаге 316 обновленный коэффициент поправки можно применить во время последующей оценки содержания кислорода с помощью УДКОГ. Таким образом, даже при наличии явлений теплового старения, с помощью УДКОГ можно достоверно оценивать содержание кислорода.

Если на шаге 310 будет установлено отсутствие падения импеданса элемента накачки и элемента Нернста, на шаге 318 можно сделать вывод, что произошла стабилизация процесса теплового старения (разрушения зерен). При эксплуатации в течение некоторого периода времени, в элементе накачки и в элементе Нернста может произойти разрушение зерен, в связи с чем может произойти стабилизация теплового старения. Стабилизация импедансов элемента накачки и элемента Нернста может происходить с разной скоростью из-за того, что тепловое старение, которому подвергаются два указанных элемента, может происходить по-разному. В одном примере стабилизация теплового старения в элементе Нернста может произойти раньше, чем в элементе накачки, из-за их разного расположения в пространстве относительно нагревательного элемента. После стабилизации явлений теплового старения, коэффициент поправки, применяемый для оценки содержания кислорода с помощью УДКОГ, можно не изменять в процессе дальнейшей эксплуатации УДКОГ.

На шаге 320 алгоритм включает в себя подачу переменного напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста УДКОГ. Пиковое значение переменного напряжения, подаваемого на данном этапе, может быть равным пиковому значению переменного напряжения, подаваемого на указанные элементы на шаге 302, или превышать его. Операцию частотного сканирования можно выполнить в каждом из указанных двух элементов, поддерживая V_peak на постоянном уровне, с возможностью контроля соответствующих переменных токов. В одном примере применяемый диапазон частоты может составлять от 5×10⁶ Гц до 1 Гц. По поданному переменному напряжению и результатам измерения переменных токов на шаге 322 можно оценить импеданс (в конечной точке операции частотного сканирования) элемента накачки (Z_p,n+1) и элемента Нернста (Z_n,n+1). Как и раньше, импеданс обоих указанных элементов может иметь действительную и мнимую составляющие. На шаге 324 алгоритм включает в себя поиск значений импеданса, полученных в предыдущей операции частотного сканирования. По результатам предыдущей операции частотного сканирования могло быть указано, что произошла стабилизация теплового старения в каждом из двух элементов. Импедансы элемента накачки и элемента Нернста (Z_p,n и Z_n,n соответственно) могут быть найдены в памяти контроллера. В промежутке между текущей и предыдущей операциями частотного сканирования УДКОГ могли использовать для оценки содержания кислорода, в связи с чем могло произойти дальнейшее ухудшение характеристик из-за потемнения.

На шаге 326 контроллер может сравнить текущее значение импеданса для элемента накачки (Z_p,n+1, определенное на шаге 322) и для элемента Нернста (Z_n,n+1, определенное на шаге 322) с соответствующими предыдущими значениями импеданса для элемента накачки (Z_p,n, определенное на шаге 304) и элемента Нернста (Z_n,n, определенное на шаге 304). Для элемента накачки можно оценить разность Z_p,n+1 и Z_p,n. Аналогичным образом, для элемента Нернста можно оценить разность Z_n,n+1 и Z_n,n. На шаге 328 алгоритм определяет, имеет ли место падение импеданса элемента накачки, превышающее пороговое, с одновременным падением импеданса элемента Нернста, которое меньше порогового (например, импеданс элемента Нернста может оставаться по существу постоянным). Элемент накачки более, чем элемент Нернста, подвержен воздействию высокого опорного напряжения, подаваемого на него во время оценки содержания кислорода. Как следствие, возникновение потемнения более вероятно в элементе накачки. Из-за потемнения элемента накачки может иметь место отчетливо выраженное падение импеданса элемента накачки при подаче переменного напряжения, при этом могут отсутствовать какие-либо изменения в элементе Нернста при подаче на него равного напряжения. В одном примере, если разность импедансов (определенная на шаге 326) по результатам текущего и предыдущего измерений для элемента накачки выше пороговой, а для элемента Нернста - ниже порогового значения импеданса, можно указать, что имеет место потемнение в элементе накачки. Пороговое значение импеданса элемента накачки и элемента Нернста может либо представлять собой постоянное значение, либо зависеть от значения импеданса, полученного в предыдущих операциях частотного сканирования для каждого из двух элементов. Величина падения импеданса элемента накачки (сдвиг в конечной точке операции частотного сканирования) может указывать на величину потемнения, которое могло возникнуть в элементе накачки.

Если не будет выявлено значительное изменение импеданса элемента накачки, на шаге 330 контроллер может указать, что в элементе УДКОГ могло не возникнуть потемнение. В этом случае может отсутствовать ухудшение функциональных характеристик УДКОГ из-за потемнения. На этот момент также могла произойти стабилизация явлений теплового старения. В связи с указанием отсутствия потемнения элемента УДКОГ, на шаге 332 датчик может продолжить оценку содержания кислорода и нормальную работу.

Если на шаге 328 будет установлено значительное падение импеданса элемента накачки и отсутствие изменений соответствующего импеданса элемента Нернста, на шаге 334 можно определить и указать, что произошло потемнение элемента УДКОГ. В связи с выявлением потемнения, можно установить индикатор или диагностический код. Из-за многократной подачи высокого напряжения и воздействия высоких температур, может произойти восстановление ZrO₂ до Zr, приводящее к скоплению темного металлического Zr на электроде элемента накачки. Потемнение является одной из форм ухудшения характеристик УДКОГ и может отрицательно повлиять на возможности датчика в части оценки содержания кислорода. Также можно включить индикаторную лампу неисправности для извещения водителя транспортного средства об ухудшении характеристик УДКОГ и возможной необходимости его замены.

В связи с выявлением потемнения элемента УДКОГ, на шаге 336 контроллер может ограничить (снизить) целевое напряжение и скорости линейного изменения опорных напряжений, применяемые при дальнейшей эксплуатации датчика. Ограничение условий, вызывающих потемнение, позволяет избежать дальнейшего повреждения элемента накачки. Также, во время оценки содержания кислорода можно применять коэффициент поправки, учитывающий явления и теплового старения, и потемнения.

Таким образом, ухудшение характеристик УДКОГ из-за потемнения можно выявить, подав переменное напряжение и оценив соответствующие импедансы элемента накачки и элемента Нернста. Кроме того, данный способ позволяет различать явления теплового старения и потемнения элемента накачки.

ФИГ. 4 изображает пример графика 400 изменения импеданса элемента накачки в УДКОГ при подаче напряжений переменного тока для множества операций частотного сканирования. Контроллер может выявить потемнение в УДКОГ путем контроля изменений импеданса элемента накачки. На элемент накачки нового и ранее не использованного для оценки содержания кислорода УДКОГ (например, непосредственно после его установки) можно подать переменное напряжение (АС). Затем можно зарегистрировать соответствующий ток и оценить импеданс по величине поданного переменного напряжения и результату измерения тока. Данное измерение может быть проведено на предприятии-изготовителе. Операцию частотного сканирования можно проводить с постоянными значениями напряжение и времени, при этом варьируя частоту колебания переменного напряжения. Для каждого значения частоты можно измерять ток и оценивать импеданс. Импеданс может иметь действительную и мнимую составляющие. В данном примере ось х обозначает действительную составляющую импеданса (Z1), а ось у обозначает мнимую составляющую импеданса (Z2).

Результат оценки импеданса при первой операции частотного сканирования, выполненной на элементе накачки нового УДКОГ, представлен на графике 402. График импеданса можно разбить на три участка S1, S2 и S3 в зависимости от того, какая часть элемента накачки участвует в создании импеданса. Первый участок S1 может соответствовать индуктивному сопротивлению, создаваемому кабельными соединениями элемента накачки, поэтому данную часть графика можно не учитывать при анализе и выявлении потемнения элемента накачки. Второй участок S2 может соответствовать импедансу, возникающему на границах зерен элемента накачки. Тепловое старение в элементе накачки связано с явлением разрушения зерен, поэтому данная часть графика может отражать изменения из-за теплового старения. Кроме того, контролируя изменение импеданса на границах зерен можно выявлять потемнение элемента. Третий участок S3 может соответствовать импедансу, связанному с платиновыми электродами (например, электродами 212 и 212 на ФИГ. 2) элемента накачки. Импеданс на данном участке не может существенно изменяться из-за явлений теплового старения и (или) потемнения. Конечную точку графика 402 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить R1.

После начала эксплуатации УДКОГ и оценки им содержания кислорода, способ, включающий в себя подачу переменного напряжения, можно осуществлять периодически и (или) ситуативно для выявления явлений теплового старения и (или) потемнения. В данном примере, через десять минут после начала работы УДКОГ на элемент накачки можно подать переменное напряжение и измерить соответствующий ток. Можно оценить соответствующий импеданс, представленный на графике 404. Конечную точку графика 404 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить R2. Как видно из графиков 402 и 404, второй участок графика 404 меньше второго участка графика 402. Кроме того, по положению точек R1 и R2 мы наблюдаем сдвиг максимального значения действительного импеданса. Поэтому можно сделать вывод, что имеет место снижение импеданса на границах зерен из-за явлений теплового старения после десяти минут эксплуатации.

Впоследствии можно периодически выполнять множество операций частотного сканирования и регистрировать результат оценки соответствующего импеданса для выявления теплового старения и ухудшения характеристик датчика из-за потемнения. В данном примере операции частотного сканирования были выполнены через пятнадцать минут, двадцать минут, двадцать пять минут, тридцать минут, сорок пять минут и один час после начала работы УДКОГ. Результаты оценки соответствующего импеданса зарегистрированы. Графики 406 и 408 отражают результаты оценки импеданса для операций частотного сканирования, выполненных через 30 минут и один час после указанного начала. На каждом из графиков можно наблюдать снижение импеданса зернограничной области. Постоянное падение импеданса может быть связано с явлениями теплового старения, происходящими в элементе накачки УДКОГ.

Графики из других операций частотного сканирования, речь о которых шла выше, не приведены на фигуре для сохранения наглядности. Результаты оценки импеданса, не представленные на фигуре, соответствуют тенденции к снижению импеданса на границах зерен по мере эксплуатации и с течением времени. Переменное напряжение, подаваемое в каждом случае на элемент накачки, может быть одной и той же величины (с одними и теми же пиковым и среднеквадратичным значениями). Влияние теплового старения на оценку содержания кислорода с помощью УДКОГ можно компенсировать, применяя коэффициент поправки. Коэффициент поправки может учитывать любые погрешности, возникающие при оценке содержания кислорода с помощью данного датчика из-за явлений теплового старения.

Контроллер транспортного средства может продолжить выполнять способ, предусматривающий периодическую подачу переменного напряжения, выполнение операции частотного сканирования, измерение переменного тока и оценку импедансов, до тех пор, пока не перестанут наблюдать дальнейшее изменение импеданса на границах зерен. В данном примере, график 410 иллюстрирует операцию частотного сканирования, выполненную через семнадцать часов после запуска датчика. Конечную точку графика 410 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить R3. Из сравнения графика 410 с графиками предыдущих операций частотного сканирования (402, 404, 406 и 408) можно сделать вывод о наличии постоянного снижения импеданса на границах зерен по мере эксплуатации и с течением времени. Максимальное значение действительного импеданса R3 ниже предыдущих максимальных значений действительного импеданса (R1 и R2), зарегистрированных во время предыдущих операций частотного сканирования. Причиной такого постоянного падения импеданса может быть тепловое старение, происходящее в элементе накачки. Поэтому можно сделать вывод, что снижение импеданса на границах зерен продолжилось из-за явлений теплового старения после семнадцати часов эксплуатации.

В данном примере операцию частотного сканирования выполняли через восемнадцать часов после начала работы УДКОГ, используя то же значение пикового переменного напряжения, что и в предыдущей операции частотного сканирования. Соответствующий импеданс, который можно вычислить по результату измерения переменного тока после подачи напряжения, представлен на графике 412. Можно отметить, что отсутствует какое-либо существенное изменение импеданса после последней по времени операции частотного сканирования. Кроме того, максимальное значение действительного импеданса (конечная точка графика 412) может совпадать с максимальным значением действительного импеданса (R3) согласно результату оценки для предыдущего измерения (график 410), выполненного через семнадцать часов после начала работы УДКОГ. Постоянство импеданса на границах зерен, на которое указывают последовательные графики, позволяет сделать вывод, что в элементе накачки может иметь место разрушение зерен из-за многократного нагрева. Явление разрушения зерен является причиной отсутствия дальнейшего изменения импеданса из-за явлений теплового старения. На данном этапе можно с определенностью установить, что произошла стабилизация изменения импеданса из-за явлений теплового старения, и то, что, если будет выявлено дальнейшее изменение импеданса (при подаче напряжения), его причина может быть связана с другими факторами, например, с потемнением в элементе накачки.

После стабилизации процесса теплового старения, для выявления наличия потемнения, контроллер может подать переменное напряжение с более высоким значением пикового напряжения на элемент накачки и выполнить операцию частотного сканирования. Измеряют соответствующий переменный ток, по которому оценивают импеданс, представленный на графике 414. Максимальное значение импеданса (конечная точка графика 410) можно обозначить R3. На графике 414 можно заметить выраженное падение импеданса на границах зерен по сравнению с предыдущим результатом оценки импеданса на графике 412. Также имеет место значительное падение максимального значения действительного импеданса, на что указывает сдвиг R4 относительно R3. Данное значительное падение значения импеданса на границах зерен и максимального значения импеданса позволяет сделать вывод, что в элементе накачки могло произойти потемнение. Величину потемнения, т.е. количество темного металлического Zr, скопившегося на электроде элемента накачки, можно оценить по степени изменения импеданса в конечной точке операции частотного сканирования. В данном примере по разности импедансов в конечных точках R4 и R3 можно количественно оценить потемнение. В связи с выявлением потемнения элемента УДКОГ, контроллер может ограничить целевое напряжение и скорости линейного изменения опорных напряжений, применяемые при дальнейшей эксплуатации датчика. Ограничение условий, вызывающих потемнение, позволяет избежать дальнейшего повреждения элемента накачки. Кроме того, при выявлении потемнения элемента УДКОГ, можно установить диагностический код и (или) индикатор. Таким образом, контроль изменения импеданса в элементе накачки позволяет различать и выявлять явления теплового старения и потемнения в элементе накачки УДКОГ.

ФИГ. 5 изображает пример графика 500 изменения импеданса элемента Нернста в УДКОГ при подаче напряжений переменного тока для множества операций частотного сканирования. Выявлять тепловое старение в УДКОГ можно путем контроля изменения импеданса элемента Нернста. На элемент Нернста нового и ранее не использованного для оценки содержания кислорода УДКОГ можно подать переменное напряжение (АС). Затем можно зарегистрировать соответствующий ток и оценить импеданс по величине поданного переменного напряжения и результату измерения тока. Данное измерение может быть проведено на предприятии-изготовителе. Операцию частотного сканирования можно проводить с постоянными значениями напряжение и времени, при этом варьируя частоту колебания переменного напряжения. Для каждого значения частоты, можно измерять ток и оценивать импеданс. Импеданс может иметь действительную и мнимую составляющие. В данном примере ось х обозначает действительную составляющую импеданса (Z1), а ось у обозначает мнимую составляющую импеданса (Z2).

Результат оценки импеданса в первой операции частотного сканирования, выполненной в элементе Нернста нового УДКОГ, представлен на графике 502. Импеданс в конечной точке графика 502 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить I1. После начала эксплуатации УДКОГ и оценки им содержания кислорода, способ, включающий в себя подачу переменного напряжения, можно осуществлять периодически и (или) ситуативно для выявления явлений теплового старения и (или) потемнения. В данном примере, через десять минут после начала работы УДКОГ на его элемент Нернста вновь можно подать переменное напряжение и измерить соответствующий ток. Результат оценки соответствующего импеданса представлен на графике 504. Импеданс в конечной точке графика 504 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить I2. Как видно из графиков 402 и 404, в частности - из положения точек I1 и I2, имеет место сдвиг максимального значения действительного импеданса. Поэтому можно сделать вывод, что имеет место снижение импеданса элемента Нернста из-за явлений теплового старения после десяти минут эксплуатации.

Впоследствии, можно периодически выполнять множество операций частотного сканирования и регистрировать результат оценки соответствующего импеданса для выявления теплового старения. В данном примере операции частотного сканирования выполняли через пятнадцать минут, двадцать минут, двадцать пять минут, тридцать минут, сорок пять минут и один час после начала работы УДКОГ. Были зарегистрированы соответствующие результаты оценки импеданса. Графики 506 и 508 отражают результаты оценки импеданса для операций частотного сканирования, выполненных соответственно через 30 минут и один час после запуска. На каждом из графиков можно заметить падение максимального значения импеданса. Постоянное падение импеданса может быть связано с явлениями теплового старения в элементе Нернста УДКОГ.

Графики из других операций частотного сканирования не приведены на фигуре для сохранения наглядности. Результаты оценки импеданса, не представленные на фигуре, соответствуют тенденции падения максимального импеданса по мере эксплуатации и с течением времени. Переменное напряжение, подаваемое каждый раз на элемент Нернста, может быть одной и той же величины (с одними и теми же пиковым и среднеквадратичным значениями). Влияние теплового старения на оценку содержания кислорода с помощью УДКОГ можно компенсировать, применяя коэффициент поправки. Коэффициент поправки может учитывать любые погрешности, возникающие при оценке содержания кислорода с помощью данного датчика из-за явлений теплового старения.

Контроллер транспортного средства может продолжить выполнять способ, предусматривающий периодическую подачу переменного напряжения, выполнение операции частотного сканирования, измерение переменного тока и оценку импедансов, до тех пор, пока не перестанут наблюдать дальнейшее изменение максимального импеданса элемента Нернста. В данном примере, график 510 иллюстрирует операцию частотного сканирования, выполненную через семнадцать часов после запуска датчика. Импеданс в конечной точке графика 510 (максимальное значение действительного импеданса) можно обозначить I3. Из сравнения графика 510 с графиками предыдущих операций частотного сканирования (502, 504, 506 и 508) можно сделать вывод о постоянном падении импеданса по мере эксплуатации и с течением времени. Максимальное значение действительного импеданса I3 ниже предыдущих зарегистрированных максимальных значений действительного импеданса (I1 и I2). Причиной данного падения импеданса может быть тепловое старение, происходящее в элементе Нернста. Поэтому можно сделать вывод, что максимальное значение импеданса может продолжить падение из-за явлений теплового старения после семнадцати часов эксплуатации. В одном примере падение максимального значения импеданса, наблюдаемое в элементе Нернста, может быть меньше соответствующего падения максимального значения импеданса, наблюдаемого при таких же условиях измерения, для элемента накачки (как показано на ФИГ. 4). Это может быть обусловлено разными степенями теплового старения, происходящего в каждом из двух указанных элементов. Причиной разной величины теплового старения может быть нахождение указанных двух элементов на разном расстоянии от нагревательного элемента.

В данном примере операцию частотного сканирования выполняли через восемнадцать часов после начала работы УДКОГ, используя то же значение пикового переменного напряжения, что и в предыдущей операции частотного сканирования. Соответствующий импеданс, который можно вычислить по результату измерения переменного тока после подачи напряжения, представлен на графике 512. Можно отметить, что отсутствует какое-либо существенное изменение импеданса после последней по времени операции частотного сканирования. Кроме того, максимальное значение действительного импеданса (конечная точка графика 512) может совпадать с максимальным значением действительного импеданса (13) согласно результату оценки для предыдущего измерения (график 510), выполненного через семнадцать часов после начала работы УДКОГ. Постоянство импеданса на границах зерен, на которое указывают последовательные графики, позволяет сделать вывод, что в элементе Нернста может иметь место разрушение зерен из-за многократного нагрева. Явление разрушения зерен является причиной отсутствия дальнейшего изменения импеданса из-за явлений теплового старения. На данном этапе можно с определенностью установить, что произошла стабилизация изменения импеданса из-за явлений теплового старения.

После стабилизации процесса теплового старения, для подтверждения наличия потемнения в элементе накачки того же самого УДКОГ, контроллер может подать переменное напряжение с более высоким значением пикового напряжения на элемент Нернста и выполнить операцию частотного сканирования. При эксплуатации УДКОГ на элемент Нернста не подают высокое опорное напряжение, поэтому вероятность потемнения электродов элемента Нернста может быть низкой. Затем измеряют соответствующий переменный ток, по которому оценивают импеданс, представленный на графике 514. Можно заметить отсутствие существенного изменения импеданса по сравнению с двумя последними по времени операциями частотного сканирования (графики 512 и 510). Кроме того, максимальное значение действительного импеданса (конечная точка графика 514) может совпадать с максимальным значением действительного импеданса (13) согласно результату оценки для предыдущих измерений (графики 512 и 510). Таким образом, значительное падение импеданса, наблюдаемое в элементе накачки, при отсутствии изменения импеданса в элементе Нернста при одинаковых условиях измерения позволяет подтвердить наличие потемнения в элементе накачки.

На ФИГ. 6 представлен пример рабочей последовательности 600, иллюстрирующий выявление явлений теплового старения и потемнения в УДКОГ по изменению импеданса элемента накачки и элемента Нернста. На горизонтальной оси (оси х) нанесены значения времени, а вертикальные метки t1-t7 обозначают показательные моменты способа выявления.

Первый график (линия 602) отражает пиковое переменное напряжение (АС), подаваемое на элемент накачки и на элемент Нернста. V1 обозначает нижнее значение пикового напряжения, a V2 - верхнее значение пикового напряжения. Соответствующие значения импеданса можно оценить по переменным токам. Второй график (линия 604) представляет максимальное значение импеданса по результатам оценки в элементе накачки УДКОГ. Три значимые величины импеданса элемента накачки представлены пунктирными линиями Z_P1, Z_P2 и Z_P3 соответственно. Третий график (линия 606) представляет максимальное значение импеданса по результату оценки в элементе Нернста УДКОГ. Две значимые величины импеданса элемента Нернста представлены пунктирными линиями Z_N1 и Z_N2 соответственно. На последнем четвертом графике линии 608 и 610 представляют индикаторы, указывающие на наличие явлений теплового старения и потемнения, выявленных в УДКОГ.

До момента t1 переменное напряжение (АС) с пиковым значением V1 может быть подано на элемент накачки и на элемент Нернста УДКОГ. Соответствующие токи в каждом элементе можно зарегистрировать и оценить импедансы по поданному переменному напряжению и результатам измерения переменного тока. Данное измерение можно проводить на новом УДКОГ на предприятии-изготовителе. Операцию частотного сканирования можно проводить с постоянными значениями напряжение и времени, при этом варьируя частоту колебания переменного напряжения. Максимальные значения импеданса, полученные путем оценки по поданным напряжениям переменного тока и результатам измерения токов, для элемента накачки и для элемента Нернста представлены на графиках 604 и 606 соответственно. Максимальные значения импеданса для элемента накачки и элемента Нернста представлены пунктирными линиями Z_P1 и Z_N1 соответственно. Значения импеданса (Z_P1 и Z_N1) для каждого из двух элементов можно хранить в памяти контроллера. Подачу переменного напряжения и оценку соответствующего импеданса можно продолжать до момента t1.

Между моментами t1 и t2 контроллер в транспортном средстве может продолжать выполнение способа, предусматривающего подачу переменного напряжения (со значением пикового напряжения V1), выполнение операции частотного сканирования, измерение переменного тока и оценку импедансов многократно при одинаковых условиях. При каждой оценке импеданса каждого из указанных двух элементов, его значение можно сравнить со значением импеданса по результату предыдущего измерения. До момента t2 в УДКОГ может быть не выявлено ни тепловое старение, ни потемнение, в связи с чем индикатор может оставаться в состоянии «ВЫКЛЮЧЕН» («ВЫКЛ.»).

Между моментами t2 и t3 переменное напряжение (с пиковым значением V1) может быть подано на элемент накачки и на элемент Нернста и могут быть оценены соответствующие максимальные значения импеданса. В этот момент максимальные значения импеданса для элемента накачки и для элемента Нернста представлены пунктирными линиями Z_P2 и Z_N2 соответственно. Сравнив значения текущих импедансов элемента накачки и элемента Нернста (Z_P2 и Z_N2) с предыдущими измеренными значениями Z_P1 и Z_N1 соответственно, можно отметить падение импеданса для каждого из двух элементов. Данное падение импеданса может быть связано с явлениями теплового старения. Тепловое старение может происходить в элементе накачки и в элементе Нернста из-за постоянной эксплуатации при высоких температурах. В связи с выявлением явлений теплового старения в элементе накачки и в элементе Нернста может быть установлен индикатор или диагностический код (линия 608). Кроме того, при оценке содержания кислорода с помощью данного УДКОГ можно применять поправочный коэффициент во избежание погрешностей оценки из-за явлений теплового старения.

Между моментами t3 и t4 УДКОГ продолжают эксплуатировать для оценки содержания кислорода. Индикатор, указывающий на наличие явлений теплового старения, можно оставить в состоянии «ВКЛЮЧЕН» («ВКЛ.») и применять коэффициент поправки при эксплуатации УДКОГ.

Между моментами t4 и t5 переменное напряжение (с пиковым значением V1) может быть подано на элемент накачки и на элемент Нернста и могут быть оценены соответствующие максимальные значения импеданса, как и ранее. В данный момент можно отметить, что максимальные значения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста остались без изменений на уровне Z_P2 и Z_N2 соответственно. Поэтому в момент t2 можно сделать вывод, что произошла стабилизация явлений теплового старения в УДКОГ. В дальнейшем, при подаче напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста могут отсутствовать дальнейшие изменения импеданса из-за явлений теплового старения. Между моментами t5 и t6 УДКОГ продолжают использовать для оценки содержания кислорода. Индикатор теплового старения можно оставить в состоянии «ВКЛЮЧЕН» («ВКЛ.») и применять коэффициент поправки при эксплуатации УДКОГ.

После стабилизации процесса теплового старения, между моментами t6 и t7 на элемент накачки и на элемент Нернста может быть подано переменное напряжение с пиковым значением V2. Операцию частотного сканирования можно проводить с постоянными значениями пикового напряжения и времени, при этом варьируя частоту колебания. Пиковое значение V2 может превышать пиковое значение (V1) напряжения, применяемое ранее для выявления теплового старения. Более высокое напряжение может быть эффективнее для улучшения оценки потемнения УДКОГ. После подачи пикового напряжения V2 может быть измерен соответствующий ток и оценены максимальные значения импеданса для элемента накачки и для элемента Нернста. В этот момент можно заметить значительное падение максимального значения импеданса элемента накачки с Z_P2 до Z_P3. На основании данного падения импеданса можно сделать вывод, что в элементе накачки могло произойти потемнение. При этом в рассматриваемый момент импеданс элемента Нернста может оставаться без изменений на уровне Z_N2. Поскольку при эксплуатации УДКОГ на элемент Нернста подают относительно низкое напряжение, вероятность возникновения потемнения в элементе Нернста низкая. Таким образом, значительное падение импеданса, наблюдаемое в элементе накачки, при отсутствии изменения импеданса в элементе Нернста при одинаковых условиях измерения позволяет подтвердить наличие потемнения в элементе накачки.

В связи с выявлением потемнения элемента УДКОГ, индикатор или диагностический код для выявления потемнения устанавливают в состояние «ВКЛ.» (линия 610). Кроме того, контроллер может ограничить целевое напряжение и скорости линейного изменения напряжения, применяемые при дальнейшей эксплуатации датчика. Ограничение условий, вызывающих потемнение, позволяет избежать дальнейшего повреждения элемента накачки. Индикатор теплового старения (линия 608) также можно оставить в состоянии «ВКЛ.». При оценке содержания кислорода можно применять коэффициент поправки, учитывающий как явления теплового старения, так и потемнения.

Один пример способа для двигателя содержит шаги, на которых: различают тепловое старение и потемнение элемента датчика кислорода по результатам контроля изменения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста датчика кислорода после подачи напряжения. В предыдущем примере, дополнительно или взамен, указанное напряжение представляет собой переменное напряжение. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, различение по результату контроля изменений, дополнительно или взамен, включает в себя различение по результату контроля изменения после текущей подачи напряжения относительно результата контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста после предыдущей подачи напряжения. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанное различение включает в себя то, что наличие теплового старения указывают на основании того, что результат контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста превышает пороговое значение; и то, что наличие потемнения указывают на основании того, что результат контроля изменения импеданса элемента накачки выше порогового значения, а результат контроля изменения импеданса элемента Нернста ниже порогового значения. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанное пороговое значение представляет собой либо постоянное значение, либо значение, зависящее от импеданса после предыдущей подачи напряжения. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указание наличия потемнения дополнительно включает в себя указание уровня потемнения по изменению импеданса элемента накачки после предыдущей подачи напряжения. Все предыдущие примеры или любой из них дополнительно или взамен содержат шаг, на котором уменьшают один или несколько параметров работы датчика кислорода в связи с указанием наличия потемнения, причем указанные параметры работы включают в себя опорное напряжение и (или) скорость линейного изменения напряжения. Все предыдущие примеры или любой из них дополнительно или взамен содержат шаг, на котором корректируют коэффициент поправки для оценки содержания кислорода в связи с указанием наличия теплового старения. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанное различение включает в себя различение на основании импеданса в конечной точке операции частотного сканирования, выполненной после подачи напряжения на элемент накачки, и указание наличия потемнения датчика кислорода на основании того, что импеданс в конечной точке ниже порогового импеданса. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, в основе указанного порогового импеданса лежит конечная точка операции частотного сканирования после предыдущей подачи напряжения на элемент накачки.

Еще один пример способа содержит шаги, на которых: периодически подают переменное напряжение на элемент накачки и на элемент Нернста датчика кислорода; выполняют операцию частотного сканирования для элемента накачки и элемента Нернста, включающую в себя изменение импеданса после подачи напряжения; указывают наличие потемнения по конечной точке указанной операции частотного сканирования для элемента накачки и для элемента Нернста. В предыдущем примере, дополнительно или взамен, периодическая подача напряжения включает в себя подачу переменного напряжения один раз за каждый ездовой цикл после прохождения порогового расстояния или по прошествии порогового периода времени после предыдущей подачи. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанная операция частотного сканирования включает в себя подачу переменного напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста, при этом сохраняя пиковое напряжение постоянным; постепенное изменение частоты переменного напряжения; измерение тока накачки после подачи переменного напряжения; и вычисление импеданса элемента накачки и элемента Нернста по поданному напряжению и результату измерения тока накачки. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанная операция частотного сканирования включает в себя первую операцию частотного сканирования элемента накачки после подачи переменного напряжения и вторую операцию частотного сканирования для элемента Нернста после подачи переменного напряжения. Все предыдущие примеры или любой из них дополнительно или взамен содержат шаги, на которых указывают наличие теплового старения на основании того, что импеданс в конечной точке как первой, так и второй операций частотного сканирования ниже первого и второго пороговых импедансов соответственно, и указывают наличие потемнения на основании того, что импеданс в конечной точке первой операции частотного сканирования ниже первого порогового импеданса, а импеданс в конечной точке второй операции частотного сканирования равен второму пороговому импедансу. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, в основе указанных первого и второго пороговых импедансов лежат конечные точки соответственно первой и второй операций частотного сканирования после предыдущей подачи напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста. Все предыдущие примеры или любой из них дополнительно или взамен содержат шаги, на которых корректируют коэффициент поправки для оценки содержания кислорода в связи с указанием наличия теплового старения; и в связи с указанием наличия потемнения уменьшают рабочие параметры датчика кислорода, включающие в себя опорное напряжение и скорость линейного изменения напряжения.

В еще одном примере двигатель транспортного средства представляет собой двигатель, содержащий впускную систему и выпускную систему; датчик кислорода, установленный в выпускной системе двигателя, при этом датчик кислорода содержит элемент накачки и элемент Нернста; и контроллер с машиночитаемыми командами в долговременной памяти для: подачи напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста; определение кривой импеданса элемента накачки и элемента Нернста; и указания наличия потемнения в датчике кислорода на основании изменения кривой импеданса по результатам двух последовательных подач напряжения на элемент накачки. В предыдущем примере, дополнительно или взамен, кривая импеданса элемента накачки содержит первый, второй и третий участки, причем первый участок соответствует импедансу кабельных соединений элемента накачки, второй участок соответствует импедансу на границах зерен элемента накачки, а третий участок соответствует импедансу электродов элемента накачки. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, наличие потемнения указывают на основании изменения импеданса второго участка графика импеданса относительно второго участка графика импеданса по результатам предыдущего измерения.

Еще один пример способа содержит шаги, на которых в первом режиме работы датчика кислорода: направляют поток отработавших газов из двигателя сгорания в первую полость, образованную на одной стороне слоем оксида циркония, а на другой стороне - керамическим слоем, при этом указанный керамический слой расположен между первой полостью и второй полостью, содержащей газ сравнения; подают первое напряжение на слой оксида циркония для закачки ионов кислорода между первой полостью и отработавшими газами; подают второе напряжение на указанный керамический слой, ограничивая первое напряжение, когда второе напряжение достигнет порогового; и во втором режиме работы датчика кислорода выявляют восстановление части слоя оксида циркония до циркония путем сравнения изменения импеданса указанного циркониевого слоя с изменением импеданса указанного керамического слоя. В предыдущем примере, дополнительно или взамен, указанный керамический слой представляет собой первый керамический слой, причем датчик кислорода также содержит элемент накачки и элемент Нернста, при этом элемент накачки содержит указанный первый керамический слой и первую пару электродов, соединенную с источником напряжения, при этом элемент Нернста содержит второй керамический слой и вторую пару электродов, соединенную с источником напряжения, причем и первая, и вторая пары электродов содержат слои оксида циркония. Во всех предыдущих примерах или в любом из них, дополнительно или взамен, указанный второй режим работы включает в себя периодическую подачу переменного напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста, выполнение операции частотного сканирования для элемента накачки и элемента Нернста, включающей в себя изменение импеданса при указанной периодической подаче напряжения, и указание наличия восстановления части оксида циркония до циркония на основании конечной точки операции частотного сканирования для элемента накачки и для элемента Нернста. Все предыдущие примеры или любой из них дополнительно или взамен содержат шаги, на которых в связи с указанием наличия восстановления части оксида циркония до циркония уменьшают опорное напряжение и (или) скорость линейного изменения напряжения датчика кислорода.

Таким образом, контроль изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста позволяет выявлять явления теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода (например, УДКОГ). Данный способ позволяет различать явления теплового старения и потемнения датчика кислорода. Технический эффект, достигаемый различением друг от друга явлений теплового старения и потемнения элемента в датчике кислорода, состоит в том, что в отношении каждого из этих явлений можно принять соответствующие корректирующие меры. Это позволяет поддерживать достоверность оценки содержания кислорода, когда происходит старение датчика, путем применения соответствующих коэффициентов поправки для компенсации явлений теплового старения. При выявлении потемнения элемента, можно ограничить дальнейшее повреждение датчика из-за потемнения путем принятия профилактических мер, например, применения более низкого целевого напряжения и умеренной скорости линейного изменения при подаче опорных напряжений во время оценки содержания кислорода. Эффективное выявление теплового старения и потемнения в датчике кислорода позволяет поддерживать точность и надежность работы датчика без каких-либо последствий для работы двигателя.

Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и (или) транспортных средств. Раскрытые в настоящем описании способы и алгоритмы управления можно хранить в виде исполняемых команд в долговременной памяти и могут реализовываться системой управления, содержащей контроллер, во взаимодействии с различными датчиками, исполнительными механизмами и другими техническими средствами системы двигателя. Раскрытые в настоящей заявке конкретные алгоритмы могут представлять собой одну или любое количество стратегий обработки, таких как управляемые событиями, управляемые прерываниями, многозадачные, многопотоковые и т.д. Таким образом, проиллюстрированные разнообразные действия, операции и (или) функции могут выполняться в указанной последовательности, параллельно, а в некоторых случаях - могут опускаться. Точно так же указанный порядок обработки не обязательно требуется для достижения отличительных особенностей и преимуществ описываемых здесь вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или несколько из иллюстрируемых действий, операций и/или функций могут выполняться повторно в зависимости от конкретной применяемой стратегии. Кроме того, раскрытые действия, операции и (или) функции могут графически изображать код, программируемый в долговременной памяти машиночитаемого носителя данных в системе управления двигателем, при этом раскрытые действия реализуют путем выполнения команд, содержащихся в системе, содержащей вышеупомянутые технические средства в составе двигателя, взаимодействующие с электронным контроллером.

Следует понимать, что раскрытые в настоящем описании конфигурации и программы по своей сути являются лишь примерами, и что конкретные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, ибо возможны разнообразные их модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена к двигателям со схемами расположения цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, в схеме с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации и подкомбинации различных систем и схем, а также других отличительных признаков, функций и (или) свойств, раскрытых в настоящем описании.

В нижеследующей формуле изобретения, в частности, указаны определенные комбинации и подкомбинации компонентов, которые считаются новыми и неочевидными. В таких пунктах формулы ссылка может быть сделана на «один» элемент или «первый» элемент или на эквивалентный термин. Следует понимать, что такие пункты могут включать в себя один или более указанных элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Иные комбинации и подкомбинации раскрытых отличительных признаков, функций, элементов или свойств могут быть включены в формулу путем изменения имеющихся пунктов или путем представления новых пунктов формулы в настоящей или родственной заявке. Такие пункты формулы изобретения, независимо от того, являются они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.

Настоящая группа изобретений относится к способам и системам (вариантам) для выявления теплового старения и потемнения в датчиках кислорода. Явления теплового старения и потемнения можно различать по результату контроля изменения импеданса в элементе накачки и в элементе Нернста датчика кислорода после подачи переменного напряжения. В случае выявления теплового старения и (или) потемнения в датчике кислорода могут быть приняты корректирующие меры для обеспечения достоверности оценки содержания кислорода с помощью указанного датчика. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ для двигателя, содержащий шаги, на которых:

различают тепловое старение и потемнение элемента датчика кислорода по результатам контроля изменения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста элемента датчика кислорода после подачи напряжения, причем различение включает в себя:

указывают наличие теплового старения на основании того, что результат контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста превышает пороговое значение; и

указывают наличие потемнения на основании того, что результат контроля изменения импеданса элемента накачки выше порогового значения, а результат контроля изменения импеданса элемента Нернста ниже порогового значения; и

уменьшают один или несколько параметров работы элемента датчика кислорода в связи с указанием наличия потемнения, причем указанные параметры работы включают в себя опорное напряжение и/или скорость линейного изменения напряжения, и корректируют коэффициент поправки для оценки содержания кислорода в связи с указанием наличия теплового старения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное напряжение представляет собой переменное напряжение.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что различение по результату контроля изменения включает в себя различение по результату контроля изменения после текущей подачи напряжения относительно результата контроля изменения импеданса элемента накачки и элемента Нернста после предыдущей подачи напряжения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное пороговое значение представляет собой либо постоянное значение, либо значение, зависящее от импеданса после предыдущей подачи напряжения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указание наличия потемнения дополнительно включает в себя указание уровня потемнения по изменению импеданса элемента накачки после предыдущей подачи напряжения.

6. Способ для двигателя, содержащий шаги, на которых:

различают тепловое старение и потемнение элемента датчика кислорода по результатам контроля изменения импеданса элемента накачки и импеданса элемента Нернста элемента датчика кислорода после подачи напряжения, причем указанное различение включает в себя различение на основании импеданса в конечной точке операции частотного сканирования, выполненном после подачи напряжения на элемент накачки, и указание наличия потемнения датчика кислорода на основании того, что импеданс в конечной точке ниже порогового импеданса.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в основе указанного порогового импеданса лежит импеданс в конечной точке операции частотного сканирования после предыдущей подачи напряжения на элемент накачки.

8. Способ для двигателя, содержащий шаги, на которых:

периодически подают переменное напряжение на элемент накачки и на элемент Нернста датчика кислорода;

выполняют операцию частотного сканирования для элемента накачки и элемента Нернста, включающую в себя изменение импеданса после подачи переменного напряжения;

указывают наличие потемнения по конечной точке указанной операции частотного сканирования для элемента накачки и для элемента Нернста.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что периодическая подача переменного напряжения включает в себя подачу переменного напряжения один раз за каждый ездовой цикл после прохождения порогового расстояния или по прошествии порогового периода времени после предыдущей подачи.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанная операция частотного сканирования включает в себя: подачу переменного напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста, при этом сохраняя пиковое напряжение постоянным;

постепенное изменение частоты переменного напряжения;

измерение тока накачки после подачи переменного напряжения; и

вычисление импеданса элемента накачки и элемента Нернста по поданному переменному напряжению и результату измерения тока накачки.

11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что указанная операция частотного сканирования включает в себя первую операцию частотного сканирования элемента накачки после подачи переменного напряжения и вторую операцию частотного сканирования элемента Нернста после подачи переменного напряжения.

12. Способ по п. 8, дополнительно содержащий шаги, на которых: указывают наличие теплового старения на основании того, что импеданс в конечной точке как первой, так и второй операций частотного сканирования ниже первого и второго пороговых импедансов соответственно, и указывают наличие потемнения на основании того, что импеданс в конечной точке первой операции частотного сканирования ниже первого порогового импеданса, а импеданс в конечной точке второй операции частотного сканирования равен второму пороговому импедансу.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в основе указанных первого и второго пороговых импедансов лежат конечные точки первой и второй операций частотного сканирования после предыдущей подачи переменного напряжения на элемент накачки и на элемент Нернста.

14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий шаги, на которых: корректируют коэффициент поправки для оценки содержания кислорода в связи с указанием наличия теплового старения; и в связи с указанием наличия потемнения уменьшают рабочие параметры датчика кислорода, включающие в себя опорное напряжение и скорость линейного изменения напряжения.