СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДАТЧИКА КИСЛОРОДА НА ОСНОВАНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИМПЕДАНСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК F02D41/14 G01N27/02 

Область техники

Область техники данного раскрытия относится, главным образом, к управлению работой датчика кислорода.

Уровень техники и сущность изобретения

Датчики впускных и/или отработавших газов могут работать для обеспечения показаний содержания различных составляющих отработавших газов. Например, датчик кислорода, размещенный в выпускной системе двигателя, может использоваться для определения воздушно-топливного отношения (ВТО) отработавших газов, при этом датчик кислорода, размещенный во впускной системе двигателя, может использоваться для определения концентрации газов рециркуляции отработавших газов (РОГ) во впускном наддувочном воздухе. Оба параметра, среди прочих, которые могут измеряться посредством датчика кислорода, могут использоваться для регулировки различных аспектов работы двигателя. Двигатель может управляться таким образом, чтобы достигать требуемого ВТО отработавших газов на основании ВТО, указанного датчиком кислорода, для увеличения до максимума эффективности работы устройства контроля токсичности, например. Для некоторых датчиков кислорода, их выходные данные могут существенно варьироваться в качестве функции их рабочей температуры. Соответственно, такие датчики кислорода могут нагреваться посредством нагревательного элемента для приведения температуры датчика в требуемый диапазон таким образом, что обеспечивается требуемая чувствительность датчика. В некоторых примерах, нагревательный элемент управляется в соответствии с требуемой температурой и полученной температурой, которая может определяться на основании сопротивления нагревательного элемента, так как сопротивление нагревателя может варьироваться линейно в зависимости от температуры нагревателя. Передаточная функция сопротивление-температура нагревателя, однако, может отличаться между разными датчиками кислорода.

Патентный документ США 2003/0019865 раскрывает способы управления нагревательным элементом датчика кислорода отработавших газов. В частности, несоответствия передаточной функции сопротивление-температура нагревателя между датчиками кислорода вследствие изменяемости от датчика к датчику выявлены и решаются посредством применения адаптивного смещения (например, образования, с другими параметрами, точки пересечения с осью у) в линейной функции, соотносящей температуру нагревательного элемента с сопротивлением нагревательного элемента. Смещение регулируется на основании отклонения между измеренным сопротивлением нагревательного элемента от его номинального значения во время предварительно определенных условий при запуске двигателя. Линейная функция включает наклон, соотносящий сопротивление нагревателя с температурой нагревателя, который указал производитель.

Авторы настоящего изобретения выявили недостаток, связанный с вышеуказанным подходом. Изменение передаточной функции сопротивление-температура датчика кислорода может включать изменение как смещения, так и наклона линейной функции, использующейся для определения температуры нагревательного элемента в качестве функции сопротивления нагревательного элемента. Будучи указанным производителем, наклон вышеуказанного подхода не является адаптивным на протяжении всего срока службы датчика кислорода, что может приводить к неточному управлению датчиком кислорода, которое может, в свою очередь, вызывать повышенную токсичность отработавших газов, пониженную экономию топлива и пониженную управляемость автомобиля.

Датчики кислорода могут демонстрировать дополнительную изменяемость, которая может влиять на управление датчиком и нагревательным элементом. В некоторых подходах температура датчика кислорода управляется на основании импеданса элемента датчика (например, концентрационной ячейки Нернста) датчика; так как импеданс элемента датчика может представлять собой функцию температуры, температура датчика может управляться до требуемой температуры посредством приведения импеданса элемента датчика к требуемому импедансу. Зависимость между импедансом и температурой элемента датчика часто варьируется среди отдельных датчиков кислорода, а также среди датчиков кислорода с различным сроком эксплуатации.

Патентный документ США 5 852 228 раскрывает способы и устройства для достижения целевого импеданса элемента датчика для приведения датчика кислорода к требуемой температуре. Повышение импеданса элемента датчика в зависимости от ухудшения элемента датчика выявлено и решается посредством изменения целевого импеданса в качестве функции электропитания, подаваемого на нагревательный элемент датчика. Конкретно, один из четырех целевых импедансов может выбираться в зависимости от среднего электропитания, подаваемого на нагревательный элемент. Переход от относительно низкого целевого импеданса к относительно более высокому целевому импедансу может достигаться посредством увеличения относительно низкого импеданса на предварительно определенную величину.

Авторы настоящего изобретения выявили недостаток, связанный с таким подходом. В некоторых случаях, управление датчиком кислорода на основании целевого импеданса, выбранного из четырех целевых импедансов, может приводить к нежелательной температуре датчика, которая не способна обеспечивать требуемую работу датчика и/или, потенциально, может ухудшать работу датчика, вследствие недостаточности гранулярности выбираемых импедансов. Этот недостаток обостряется по мере старения датчика, что может вызывать изменение отношения между импедансом и температурой в датчике.

Один подход, который решает по меньшей мере некоторые вышеуказанные недостатки, включает в себя способ управления работой датчика кислорода, включающего в себя нагреватель, содержащий измерение первого сопротивления нагревателя при первой температуре, и определение передаточной функции сопротивление-температура, соотносящей сопротивление нагревателя с температурой нагревателя, на основании первого сопротивления нагревателя, и второго сопротивления нагревателя при второй температуре, при этом вторая температура отличается от первой температуры.

Другой подход, который решает по меньшей мере некоторые из вышеуказанных недостатков, включает в себя способ управления работой датчика кислорода, содержащий, в ответ на определение того, что температура датчика кислорода соответствует требуемой температуре, определение импеданса датчика кислорода, задание уставки импеданса на определенный импеданс и управление датчиком кислорода таким образом, что импеданс датчика кислорода соответствует уставке импеданса.

Таким образом, температура датчика кислорода может точно управляться на протяжении всего его срока службы, обеспечивая повышенную точность выходных данных от датчика кислорода и параметров, полученных из них. Следовательно, эти действия обеспечивают достижение технического результата.

Вышеприведенные преимущества и другие преимущества, и отличительные признаки настоящего описания будут легко очевидны из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения», при рассмотрении отдельно или во взаимосвязи с прилагаемыми чертежами.

Следует понимать, что вышеприведенное краткое описание служит лишь для ознакомления в простой форме с некоторыми концепциями, которые далее будут раскрыты подробно. 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. Наконец, в вышеуказанном разъяснении не рассматривается какая-либо хорошо известная информация или недостатки.

Краткое описание чертежей

На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример двигателя.

ФИГ. 2 показывает схематическое изображение примера датчика кислорода.

ФИГ. 3 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода.

ФИГ. 4 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения уставки импеданса датчика кислорода.

ФИГ. 5 показывает график, иллюстрирующий определение передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода.

ФИГ. 6 показывает график, иллюстрирующий определение уставки импеданса для датчика кислорода.

ФИГ. 7 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ управления напряжением, подаваемым на нагреватель датчика кислорода.

ФИГ. 8 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения одного или более рабочих параметров двигателя на основании выходных данных от датчика кислорода.

Осуществление изобретения

Предлагаются различные способы управления работой датчика кислорода. В одном примере, способ управления работой датчика кислорода, включающего в себя нагреватель, содержит измерение первого сопротивления нагревателя при первой температуре, и определение передаточной функции сопротивление-температура, соотносящей сопротивление нагревателя с температурой нагревателя, на основании первого сопротивления нагревателя, и второго сопротивления нагревателя при второй температуре, при этом вторая температура отличается от первой температуры. На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример двигателя, ФИГ. 2 показывает схематическое изображение примера датчика кислорода, ФИГ. 3 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода, ФИГ. 4 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения уставки импеданса датчика кислорода, ФИГ. 5 показывает график, иллюстрирующий определение передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода, ФИГ. 6 показывает график, иллюстрирующий определение уставки импеданса для датчика кислорода, ФИГ. 7 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ управления напряжением, подаваемым на нагреватель датчика кислорода, и ФИГ. 8 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ определения одного или более рабочих параметров двигателя на основании выходных данных от датчика кислорода. Двигатель на ФИГ. 1 также содержит контроллер, выполненный с возможностью осуществления способов, проиллюстрированных на ФИГ. 3, 4, 7 и 8.

На ФИГ. 1 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример двигателя 10, который может быть использован как часть силовой установки автомобиля. Двигатель 10 показан с четырьмя цилиндрами 30. Тем не менее, в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано другое количество цилиндров. Двигателем 10 можно управлять, по меньшей мере частично, с помощью системы управления, содержащей контроллер 12, и с помощью входных данных от водителя 132 автомобиля через вводное устройство 130. В данном примере вводное устройство 130 включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для генерирования сигнала ПП, пропорционального положению педали. Каждая камера 30 сгорания (например, цилиндр) двигателя 10 может включать в себя стенки камеры сгорания с расположенным внутри нее поршнем (не показан). Поршни могут быть соединены с коленчатым валом 40 таким образом, чтобы преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть соединен по меньшей мере с одним приводным колесом автомобиля через промежуточную трансмиссионную систему (не показана). Дополнительно, электродвигатель стартера может быть соединен с коленчатым валом 40 через маховик для обеспечения возможности запуска двигателя 10.

В камеры 30 сгорания может поступать впускной воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42, а отработавшие газы, выделяющиеся при горении, могут выходить через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной коллектор 46 могут выборочно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускные клапаны и выпускные клапаны (не показаны). В некоторых вариантах осуществления камера 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапана и/или два или более выпускных клапана.

Топливные форсунки 50 показаны соединенными непосредственно с камерой 30 сгорания для непосредственного впрыска в нее топлива пропорционально ширине импульса впрыска топлива (ШИВТ), полученного от контроллера 12. Таким образом топливная форсунка 50 обеспечивает так называемый непосредственный впрыск топлива в камеру 30 сгорания. Топливная форсунка может устанавливаться, например, с боковой стороны камеры сгорания или с верхней стороны камеры сгорания. Топливо могут подавать на топливную форсунку 50 с помощью топливной системы (не показано), включающей в себя топливный бак, топливный насос и топливную рампу. В некоторых вариантах осуществления камеры 30 сгорания могут, альтернативно или дополнительно, включать в себя топливную форсунку во впускном коллекторе 44 в конфигурации, обеспечивающей то, что известно как распределенный впрыск топлива во впускные каналы выше по потоку от каждой камеры 30 сгорания.

Впускной канал 42 может содержать дроссели 21 и 23, имеющие дроссельные заслонки 22 и 24 соответственно. В этом конкретном примере положение дроссельных заслонок 22 и 24 может быть изменено контроллером 12 посредством сигналов, подаваемых на привод, относящийся к дросселям 21 и 23. В одном примере приводы могут представлять собой электрические приводы (например, электродвигатели) в конфигурации, обычно называемой электронным управлением дросселем (ЭУД). Таким образом, дроссели 21 и 23 могут быть приведены в действие для изменения подачи впускного воздуха в камеру 30 сгорания между другими цилиндрами двигателя. Данные о положении дроссельных заслонок 22 и 24 могут быть переданы в контроллер 12 посредством сигнала положения дросселя (ПД). Впускной канал 42 может дополнительно содержать датчик 120 массового расхода воздуха, датчик 122 давления воздуха в коллекторе и датчик 123 давления на впуске дросселя для подачи в контроллер 12 соответствующих сигналов МРВ (массовый расход воздуха) и ДВК (давление воздуха в коллекторе).

В выпускной канал 48 из цилиндров 30 могут поступать отработавшие газы. Датчик 128 отработавших газов показан соединенным с выпускным каналом 48 выше по потоку от турбины 62 и устройства 78 контроля токсичности. Датчик 128 может быть выбран из различных подходящих датчиков для обеспечения показания воздушно-топливного отношения в отработавших газах, таких как, например, линейный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), двухрежимный датчик кислорода или ДКОГ (датчик кислорода в отработавших газах), датчики оксидов азота (OA), углеводородов (НС) или монооксида углерода (СО). Устройство 78 контроля токсичности может представлять собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (ТКН), адсорбер оксидов азота (OA), различные прочие устройства контроля токсичности или их сочетания.

ФИГ. 1 также иллюстрирует наличие датчика 129 впускного воздуха, соединенного с впускным каналом 42. Датчиком 129 может являться любой подходящий датчик, обеспечивающий показания содержания кислорода во впускном воздухе, например, линейный датчик кислорода или УДКОГ (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода в отработавших газах), датчик кислорода с двумя состояниями или ДКОГ (датчик кислорода в отработавших газах), НДКОГ (нагреваемый датчик кислорода в отработавших газах), датчики оксидов азота (OA), углеводородов (НС) или монооксида углерода (СО). В некоторых воплощениях, как датчик 128, так и датчик 129 могут быть включены в двигатель 10, как показано на ФИГ. 1, при этом в других воплощениях может содержаться какой-либо один из датчиков 128 и 129.

Температуру отработавших газов можно измерять с помощью одного или более датчиков температуры (не показаны), расположенных в выпускном канале 48. В другом варианте осуществления температуру отработавших газов можно определять на основе параметров работы двигателя, таких как частота вращения, нагрузка, ВТО, запаздывание зажигания и т.д.

Контроллер 12 на Фиг. 1 показан в виде микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство (МПУ) 102, порты 104 ввода/вывода, электронную среду хранения выполняемых программ и калибровочных значений, в данном конкретном примере показанную в виде постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 106, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 108, энергонезависимое запоминающее устройство (ЭЗУ) 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать, в дополнение к рассмотренным выше сигналам, разнообразные сигналы от связанных с двигателем 10 датчиков, среди которых можно назвать: показание массового расхода воздуха (МРВ) от датчика 120 массового расхода воздуха; показание температуры хладагента двигателя (ТХД) от датчика 112 температуры, показанного схематически в одном месте внутри двигателя 10; сигнал профиля зажигания (ПЗ) от датчика 118 на эффекте Холла (или датчика иного типа), связанного с коленчатым валом 40; положения дросселя (ПД) от датчика положения дросселя, как указано выше; сигнал давления воздуха в коллекторе (ДВК) от датчика 122, как указано выше. Сигнал частоты вращения двигателя (ЧВД) может быть сгенерирован контроллером 12 из сигнала ПЗ. Сигнал давления в коллекторе ДВК от датчика давления в коллекторе можно использовать для индикации разряжения или давления во впускном коллекторе 44. Следует обратить внимание на возможность использования указанных выше датчиков в различных сочетаниях, таких как датчик МРВ без датчика ДВК, или наоборот. Во время работы на стехиометрической смеси датчик ДВК может выдавать показания крутящего момента двигателя. Дополнительно, этот датчик вместе с измеренной частотой вращения двигателя может предоставлять оценочные данные о количестве смеси (включая воздух), подаваемой в цилиндр. В одном примере датчик 118, который также используют в качестве датчика частоты вращения двигателя, может генерировать заранее заданное количество равноудаленных импульсов на каждый оборот коленчатого вала 40. В некоторых примерах постоянное запоминающее устройство 106 электронного носителя может быть запрограммировано с помощью машиночитаемых данных, представляющих собой инструкции, выполняемые процессором 102 для осуществления способов, раскрываемых ниже, а также других вариантов, предусмотренных, но конкретно не перечисленных.

Двигатель 10 может дополнительно содержать устройство сжатия воздуха, такое как турбонагнетатель или нагнетатель, включающий в себя по меньшей мере компрессор 60, установленный на впускном коллекторе 44. В случае с турбонагнетателем компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в действие турбиной 62 посредством, например, вала или другого соединительного приспособления. Турбина 62 может быть установлена на выпускном канале 48 и может сообщаться с протекающими через него отработавшими газами. Компрессор может приводиться в действие различными средствами. В случае с нагнетателем компрессор 60 может по меньшей мере частично приводиться в действие двигателем и/или электроприводом и может не содержать турбину. Таким образом уровень наддува воздуха, подаваемого к одному или более цилиндрам двигателя посредством турбонагнетателя или нагнетателя, может регулироваться контроллером 12. В некоторых случаях турбина 62 может приводить в действие, например, электрический генератор 64 для обеспечения питания аккумуляторной батареи 66 посредством турбодрайвера 68. Питание от аккумуляторной батареи 66 затем может быть использовано для приведения в действие компрессора 60 посредством двигателя 70. Дополнительно, во впускном коллекторе 44 может быть расположен датчик 123 для передачи в контроллер 12 сигнала НАДДУВ.

Дополнительно, выпускной канал 48 может включать в себя регулятор 26 давления наддува для отвода отработавших газов от турбины 62. В некоторых вариантах осуществления изобретения регулятор 26 давления наддува может быть многоступенчатым, например двухступенчатым регулятором давления наддува, где первая ступень выполнена с возможностью управления давлением наддува, а вторая ступень выполнена с возможностью увеличения теплового потока в устройство 78 контроля токсичности. Регулятор 26 давления наддува может быть приведен в действие посредством привода 150, который может представлять собой, например, электрический привод, такой как электрический двигатель, хотя также могут рассматриваться и пневматические приводы. Впускной канал 42 может содержать перепускной клапан 27 компрессора, выполненный с возможностью отвода впускного воздуха в обход компрессора 60. Регулятором 26 давления наддува и/или перепускным клапаном 27 компрессора можно управлять, например, с помощью контроллера 12 посредством приводов (например, привода 150) для открытия, когда требуется более низкое давление наддува.

Впускной канал 42 может дополнительно включать в себя охладитель 80 наддувочного воздуха (ОНВ) (например, промежуточный охладитель) для понижения температуры нагнетаемых турбонагнетателем или нагнетателем впускных газов. В некоторых вариантах осуществления охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой теплообменник типа «воздух - воздух». В других вариантах осуществления охладитель 80 наддувочного воздуха может представлять собой воздушно-жидкостный теплообменник.

Дополнительно, в раскрываемых вариантах осуществления система рециркуляции отработавших газов (РОГ) может направлять требуемую часть отработавших газов из выпускного канала 48 во впускной канал 42 через канал 140 РОГ. Объем РОГ, подаваемый во впускной канал 42, может регулироваться контроллером 12 при помощи клапана 142 РОГ. Дополнительно, в канале РОГ может быть установлен датчик РОГ (не показан), обеспечивающий указание на одно или более параметров, таких как давление, температура и концентрация отработавших газов. Альтернативно, РОГ можно управлять с помощью вычисленной величины на основе сигналов от датчика МРВ (выше по потоку), ДВК (впускной коллектор), ТГК (температура газа в коллекторе) и датчика частоты вращения коленчатого вала. Дополнительно, управление РОГ может осуществляться на основе датчика O₂ кислорода в отработавших газах и/или датчика кислорода во впускном воздухе (во впускном коллекторе).

Например, процентное отношение разбавления РОГ впускной смеси в заданный момент времени (например, пропорция сгоревших газов к воздуху во впускном канале двигателя) может определяться на основе выходных данных датчика 129 впускного воздуха (например, датчика кислорода во впускном воздухе). В частности, когда концентрация кислорода во впускном воздухе уменьшается, может определяться увеличение РОГ, так как наличие РОГ может разбавлять кислород во впускном потоке на датчике 129 впускного воздуха. Наоборот, когда концентрация кислорода во впускном воздухе увеличивается, может определяться уменьшение РОГ вследствие снижения РОГ. Контроллер 12 может оценивать процентное разбавление потока РОГ на основании обратной связи от датчика 129 впускного воздуха. Дополнительно, контроллер 12 затем может оценивать величину РОГ или расход РОГ на основании обратной связи от датчика 129 впускного воздуха. В некоторых примерах, контроллер 12 затем может регулировать одно или более из клапана 142 РОГ, дросселя 23, перепускного клапана 27 компрессора, регулятора 26 давления наддува для достижения требуемого процентного отношения разбавления РОГ впускной смеси и/или требуемого расхода РОГ.

При некоторых условиях систему РОГ можно использовать для регулирования температуры воздушно-топливной смеси в камере сгорания. На ФИГ. 1 показана система РОГ высокого давления, в которой поток РОГ направляют из точки выше по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку ниже по потоку относительно компрессора турбонагнетателя. В соответствии с другими вариантами осуществления двигатель может дополнительно или альтернативно включать в себя систему РОГ низкого давления, в которой поток РОГ направляют из точки ниже по потоку относительно турбины турбонагнетателя в точку выше по потоку относительно компрессора турбонагнетателя.

ФИГ. 2 показывает схематичный вид иллюстративного варианта осуществления датчика 200 кислорода, выполненного с возможностью измерения одной или более составляющих газового потока (например, концентрации кислорода во впускном воздушном потоке или в выпускном потоке). В некоторых примерах, датчик 200 может представлять собой датчик УДКОГ. Датчик 200, таким образом, может соответствовать одному или обоим из датчиков 128 и 129 ФИГ. 1, например. Однако, следует понимать, что датчики 128 и 129 могут отличаться в некоторых отношениях от датчика 200, например, они могут использовать одну или более модификаций.

Как показано на ФИГ. 2, датчик 200 содержит множество слоев одного или более керамических материалов, размещенных в сложенной друг на друга конфигурации. В варианте осуществления на ФИГ. 2, пять керамических слоев изображены в виде слоев 201, 202, 203, 204 и 205. Эти слои включают в себя один или более слоев твердого электролита, способного проводить ионный кислород. Примеры подходящих твердых электролитов включают, но не ограничиваясь этим, материалы на основе диоксида циркония. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления, нагреватель 207 может размещаться в тепловом сообщении со слоями для повышения ионной проводимости слоев. Хотя изображенный датчик кислорода образован из пяти керамических слоев, следует понимать, что датчик кислорода может включать в себя другое подходящее количество керамических слоев.

Слой 202 включает в себя материал или материалы, образующие диффузионный путь 210. Диффузионный путь 210 выполнен с возможностью впуска газов в первую внутреннюю полость 222 посредством диффузии. Диффузионный путь 210 может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивать возможность диффузии одного или более компонентов впускного воздуха или отработавших газов, включая, но не ограничиваясь этим, требуемое анализируемое вещество (например, O₂), во внутреннюю полость 222 при большей скорости ограничения, чем анализируемое вещество может накачиваться или откачиваться посредством пары 212 и 214 электродов накачки. Таким образом, стехиометрический уровень O₂ может быть получен в первой внутренней полости 222.

Датчик 200 дополнительно включает в себя вторую внутреннюю полость 224 в слое 204, отделенную от первой внутренней полости 222 слоем 203. Вторая внутренняя полость 224 выполнена с возможностью поддержания постоянного парциального давления кислорода, эквивалентного стехиометрическому состоянию; например, уровень кислорода, имеющийся во второй внутренней полости 224, равен уровню кислорода, который впускной воздух или отработавшие газы имели бы, если воздушно-топливное отношение было бы стехиометрическим. Концентрация кислорода во второй внутренней полости 224 удерживается постоянной посредством напряжения V_cp накачки. В настоящей заявке вторая внутренняя полость 224 может называться эталонной ячейкой.

Пара чувствительных электродов 216 и 218 размещена в сообщении с первой внутренней полостью 222 и эталонной ячейкой 224. Пара 216 и 218 чувствительных электродов детектирует градиент концентрации, который может образовываться между первой внутренней полостью 222 и эталонной ячейкой 224 вследствие концентрации кислорода во впускном воздухе или отработавших газах, которая выше или ниже стехиометрического уровня. Высокая концентрация кислорода может быть вызвана бедной смесью впускного воздуха или отработавших газов, при этом низкая концентрация кислорода может быть вызвана богатой смесью.

Пара электродов 212 и 214 накачки размещена в сообщении с внутренней полостью 222 и выполнена с возможностью электрохимической накачки выбранной газовой составляющей (например, O₂) из внутренней полости 222 через слой 201 и из датчика 200. В качестве альтернативы, пара электродов 212 и 214 накачки может быть выполнена с возможностью электрохимической накачки выбранного газа через слой 201 и во внутреннюю полость 222. В настоящей заявке пара 212 и 214 электродов накачки может называться ячейкой накачки O₂.

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, по меньшей мере частично, выполнены из материала, который является катализатором распада молекулярного кислорода. Примеры таких материалов включают, но не ограничиваясь этим, электроды, содержащие платину и/или серебро.

Процесс электрохимической откачки или накачки кислорода из или во внутреннюю полость 222 включает прикладывание напряжения V_p к паре 212 и 214 электродов накачки. Напряжение V_p накачки, прикладываемое к ячейке накачки O₂, накачивает в или откачивает кислород из первой внутренней полости 222 для поддержания стехиометрического уровня кислорода в ячейке накачки полости. Результирующий ток I_p накачки является пропорциональным концентрации кислорода в отработавших газах. Подходящая система управления (не показана на ФИГ. 2) генерирует сигнал I_p тока накачки в качестве функции интенсивности прикладываемого напряжения V_p накачки, требуемого для поддержания стехиометрического уровня в первой внутренней полости 222. Таким образом, бедная смесь будет побуждать кислород откачиваться из внутренней полости 222, а богатая смесь будет побуждать кислород накачиваться во внутреннюю полость 222.

Следует понимать, что датчик 200 кислорода представляет собой только иллюстративный вариант осуществления датчика кислорода, и что другие варианты осуществления датчиков кислорода могут иметь дополнительные и/или альтернативные признаки, и/или конструкции, не отступая от объема настоящего описания изобретения.

Так как выходные данные датчика 200 кислорода могут существенно варьироваться в зависимости от температуры, может требоваться точное управление температурой датчика кислорода. Например, датчик 200 кислорода может обеспечивать требуемую чувствительность выше нижней пороговой температуры (например, температуры инициирования каталитических реакций от 720°С до 830°С); по существу, температура датчика кислорода может подниматься выше нижней пороговой величины при условиях, в которых температура датчика ниже нижней пороговой величины (например, при холодном пуске двигателя). С другой стороны, избыточные температуры могут ухудшать работу датчика 200 кислорода, и, по существу, температура датчика может поддерживаться ниже верхней пороговой величины.

В некоторых примерах, сопротивление нагревателя 207 может использоваться для определения температуры нагревателя, обеспечивая точное управление температурой нагревателя и температурой датчика 200 кислорода. Нагреватель 207 может состоять из одного или более материалов (например, платины), где суммарное сопротивление одного или более материалов является прямо пропорциональным (например, линейно) их температуре. Так как температура нагревателя 207 связана с температурой датчика 200 кислорода (например, вследствие физической близости между ними), температура нагревателя может использоваться для определения температуры всего датчика кислорода, как описано более подробно ниже.

Изменяемость между деталями и старение могут изменять отношение между сопротивлением нагревателя 207 и температурой нагревателя. В частности, сопротивление нагревателя 207 может представлять собой функцию его длины и площади поперечного сечения, каждая из которых варьируется между датчиками кислорода и в виде функции времени. Таким образом, передаточная функция сопротивление-температура, определяемая для нагревателя 207, может становиться недопустимо неточной со временем и может быть недопустимо неточной, при применении к другому нагревателю, который мог подвергнуться или мог не подвергнуться существенному старению. В качестве неограничивающего примера, иллюстрирующего такое изменение передаточной функции сопротивление-температура, для первого датчика кислорода сопротивление его нагревателя может составлять 4 Ом при 20°С, при этом для второго датчика кислорода сопротивление его нагревателя может составлять 4 Ом при 600°С.

Соответственно, подходы описаны в настоящей заявке для компенсации изменения передаточной функции сопротивление-температура нагревателя датчика кислорода. В некоторых вариантах осуществления, изменение передаточной функции сопротивление-температура нагревателя 207 может компенсироваться посредством измерения сопротивления нагревателя при известной температуре и использовании предварительно определенных данных композиции материалов нагревателя. В частности, материалы, образующие нагреватель 207, могут демонстрировать известное, постоянное сопротивление при заданной температуре. Таким образом, нагреватель 207, когда состоит из таких материалов, может демонстрировать это постоянное сопротивление при заданной температуре независимо от его физической конфигурации, изменяемости между деталями и старения. Например, нагреватель 207 может состоять из конкретной композиции платины (например, чистой платины с очень малочисленными границами зерен), которая демонстрирует известное сопротивление 0 Ом при абсолютном нуле (например, 0 К, -273,15°С). Более конкретно, удельное сопротивление такой платиновой композиции падает до 0 Ом*м при абсолютном нуле; следовательно, сопротивление (которое может представлять собой функцию произведения удельного сопротивления с отношением длины к площади поперечного сечения) при абсолютном нуле будет О Ом, и изменение длины и/или площади поперечного сечения не будет вызывать отклонения этого сопротивления от 0 Ом при абсолютном нуле. Другие композиции материалов, имеющие один или более материалов, включая платину, могут использоваться, однако, в случае чего, композиция материалов может демонстрировать сопротивление приблизительно 0 Ом (например, от 0 до 10 Ом) при абсолютном нуле.

Как описано выше, сопротивление нагревателя 207 может варьироваться линейно в зависимости от температуры. В таком случае, обновленная передаточная функция сопротивление-температура может определяться для нагревателя 207 на основании двух информационных точек: известное, постоянное сопротивление при заданной температуре (например, 0 Ом при абсолютном нуле для вышеописанной платиновой композиции), которое дает точку пересечения с осью у передаточной функции, и измеренное сопротивление при известной температуре. Передаточная функция затем может экстраполироваться из этих двух информационных точек для диапазона температур (например, диапазона температур, которые может принимать датчик 200 кислорода во время работы). Следует понимать, что вышеописанная платиновая композиция предложена в качестве неограничивающего примера, и что известное (например, предварительно определенное) сопротивление при заданной температуре может использоваться (в комбинации с измеренным сопротивлением при известной температуре) для определения обновленной передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя 207 для композиции материалов, которая может использоваться нагревателем, (например, комбинации платины и оксида алюминия, комбинации платины, палладия и оксида алюминия).

В некоторых примерах, сопротивление нагревателя 207, который может содержать вторую информационную точку, использующуюся для определения обновленной передаточной функции сопротивление-температура нагревателя, может измеряться при запуске автомобиля, если связанный двигатель (например, двигатель 10 ФИГ. 1) был выключен по меньшей мере в течение порогового периода времени. Пороговый период времени может предполагать различные подходящие значения и может соответствовать периоду времени, по истечении которого как двигатель, так и датчик 200 кислорода охлаждаются до температуры окружающей среды (например, 20°С). Здесь, так как двигатель и датчик 200 кислорода - оба могут находиться при приблизительно одинаковой температуре, температура может измеряться во множестве мест в двигателе и/или транспортном средстве. Согласно ФИГ. 1, датчик 112 температуры может использоваться для определения температуры датчика 200 кислорода в случае запуска и истечения порогового периода времени. Однако, могут использоваться другие датчики, такие как датчик температуры окружающей среды. Измерение температуры и сопротивления нагревателя 207 может выполняться, по существу, одновременно и храниться в подходящей структуре данных (например, справочной таблице). При точке пересечения с осью у линейной передаточной функции сопротивление-температура, известной благодаря предварительно определенных данных композиции материалов нагревателя, наклон может определяться в соответствии с его математическим определением - например, посредством вычисления отношения разницы между двумя значениями сопротивления к разнице между двумя значениями температуры. Для вариантов осуществления, в которых нагреватель 207 состоит из конкретной композиции платины, наклон может определяться как отношение измеренного сопротивления (например, ненулевого сопротивления, измеренного при запуске и истечении порогового периода времени) к соответствующей полученной температуре нагревателя (например, температуре двигателя/автомобиля, которая измеряется датчиком 112 температуры ФИГ. 1, датчиком температуры окружающей среды).

В некоторых воплощениях, измерение сопротивления нагревателя и температуры может выполняться при каждом запуске автомобиля, если двигатель был выключен, по меньшей мере, в течение порогового периода времени, как описано выше. Таким образом, точная передаточная функция сопротивление-температура может поддерживаться для нагревателя 207 на протяжении всего его срока службы. Если, однако, двигатель не был выключен по меньшей мере в течение порогового периода времени при запуске автомобиля, сопротивление и температура нагревателя могут не измеряться, и, в качестве альтернативы, ранее измеренные сопротивление и температура нагревателя могут использоваться для определения передаточной функции. Ранее измеренные сопротивление и температура нагревателя могут представлять собой самые последние измеренные сопротивление и температуру, например. В некоторых вариантах осуществления, два(е) или более ранее измеренных сопротивлений и температур нагревателя могут усредняться, если текущие сопротивление и температура нагревателя не могут измеряться.

В некоторых примерах, определение передаточной функции сопротивление-температура нагревателя 207 может включать в себя измерение сопротивления нагревателя при запуске автомобиля и истечении порогового периода времени, как описано выше, и дополнительное измерение сопротивления нагревателя как только датчик 200 кислорода достиг его рабочей температуры (например, 830°С). Информационная точка сопротивление-температура, измеренная как только была достигнута рабочая температура, может иметь известную и допустимую погрешность температуры (например, +/- 20°С). Однако, эта информационная точка сопротивление-температура, измеренная при рабочей температуре, может использоваться с первоначально измеренной информационной точкой сопротивление-температура для экстраполирования передаточной функции сопротивление-температура, так как погрешность передаточной функции может быть допустимо небольшой вследствие экстраполирования в широком диапазоне температур (например, 1100°С, или, от -273,15°С до 830°С). В некоторых воплощениях, две или более информационных точек сопротивление-температура могут измеряться как только датчик 200 кислорода достиг рабочей температуры. Такие информационные точки могут собираться за относительно короткий период времени на относительно раннем сроке службы датчика 200 кислорода и усредняться для того, что уменьшить до минимума погрешность и исключить относительно большую погрешность, чем может получаться из измерения информационных точек на более позднем сроке службы датчика (например, вследствие старения).

Посредством постоянного обновления передаточной функции сопротивление-температура нагревателя 207 вышеописанными способами, изменяемость между деталями и старение нагревателя могут компенсироваться, и его температура может точно определяться на протяжении всего его срока службы. Другие типы изменяемости (например, от автомобиля к автомобилю, условий окружающей среды, специализированного применения) также могут компенсироваться. Дополнительно, использование сопротивления нагревателя 207 для поддержания точной передаточной функции сопротивление-температура может обеспечивать возможность точного определения температуры датчика 200 кислорода на протяжении всего его диапазона рабочих температур, как описано ниже. Следовательно, точность параметров, полученных из выходных данных датчика 200 кислорода, может повышаться - например, ВТО и топливо-воздушное отношение, которые, в свою очередь, могут уменьшать токсичность отработавших газов, при этом повышая экономию топлива и управляемость автомобиля. Повышенная точность при определении температуры датчика 200 кислорода также может обеспечивать возможность более точного управления эталонным напряжением, подаваемым на датчик кислорода. Подходы, которые модулируют это эталонное напряжения для определения различных представляющих интерес параметров (например, тока накачки, содержание этанола), могут извлекать пользу из этой повышенной точности. Повышенная точность определения температуры нагревателя 207 также может увеличивать долговечность и срок службы датчика 200 кислорода, так как неточное управление нагревателем, приводящее к термическому напряжению (которое может вызывать отслаивание внешнего электрода датчика), может быть исключено.

Следует понимать, что подходы для обновления передаточной функции сопротивление-температура нагревателя датчика кислорода, описанного выше, могут быть расширены до конфигураций, в которых отношение между сопротивлением нагревателя и температурой нагревателя является нелинейным. В этом случае, две или более информационных точек (например, координаты сопротивление-температура) могут измеряться при выбранных условиях (например, при запуске и истечении порогового периода времени, и/или при нахождении двигателя и/или автомобиля, по существу, при температурах окружающей среды) и комбинироваться с предварительно определенными данными материалов нагревателя для достаточного определения обновленной передаточной функции. Различные подходящие методы аппроксимации кривых могут использоваться для определения обновленной передаточной функции, например.

Датчик 200 кислорода может обеспечивать требуемую чувствительность, когда приводится в диапазон рабочих температур (например, 720-830°С). Более конкретно, одна или обе из чувствительной ячейки 226, которая содержит слой 203 и электроды 216 и 218, и ячейки 228 накачки, которая содержит слой 201 и электроды 212 и 214, могут приводиться в диапазон рабочих температур для обеспечения требуемой чувствительности. Температура ячейки может управляться посредством регулирования импеданса ячейки, так как температура ячейки может быть пропорциональной импедансу ячейки.

Общеизвестно, что проводимость материала изменяется в зависимости от температуры. Для проводящего ионный кислород электролита, например диоксида циркония, ионная проводимость типично повышается по мере повышения температуры. Другие факторы, такие как загрязнения, границы зерен, конструкция и геометрия, могут влиять на проводимость диоксида циркония. Для постоянной геометрии и конструкции, импеданс (который представляет собой обратную величину проводимости) элемента из диоксида циркония непосредственно связан (например, является обратно пропорциональным) с температурой элемента. Импеданс элемента датчика кислорода может измеряться посредством измерения падения напряжения на элементе датчика кислорода (например, посредством использования АС метода). Для датчика 200 кислорода, импеданс элемента датчика может специально измеряться либо на чувствительной ячейке 226, либо ячейке 228 накачки. В этом подходе, измерение импеданса ячейки может быть основано на прикладываемом напряжении и результирующем токе, связанными с этой ячейкой - например, импеданс ячейки 228 накачки может определяться на основании напряжения V_p накачки, прикладываемого к ячейке накачки, и результирующего тока I_p накачки. Импеданс чувствительной ячейки 226 может аналогичным образом определяться на основании напряжения накачки (например, V_cp), прикладываемого к чувствительной ячейке, и результирующего тока накачки.

Соответственно, температура датчика 200 кислорода может управляться посредством управления его импедансом. Например, импеданс элемента датчика (например, ячейки 228 накачки) может измеряться в реальном времени и использоваться для управления температурой датчика 200 кислорода -например, выходные данные нагревателя 207 могут управляться с обратной связью для уменьшения до минимума разницы между требуемым импедансом элемента датчика и фактическим (например, измеренным) импедансом элемента датчика. Таким образом, разница между требуемой температурой датчика и фактической температурой датчика может быть уменьшена до минимума. Требуемая температура датчика, таким образом, может достигаться посредством управления выходными данными нагревателя 207 в соответствии с импедансом элемента датчика 200 кислорода.

В некоторых воплощениях, подходящая структура данных, например, справочная таблица, может хранить одну или более уставок импеданса и их результирующие температуры датчика таким образом, что к структуре данных можно получить доступ, посредством предоставления требуемой температуры датчика, для извлечения соответствующей уставки импеданса, которая, когда применяется к датчику 200 кислорода, наделяет датчик требуемой температурой датчика. Изменяемость между деталями и старение в датчике кислорода могут изменять отношение между импедансом и температурой элемента датчика. В качестве неограничивающего примера, уставка импеданса в 75 Ом, применение которой предполагает приведение к температуре датчика 830°С (например, рабочей температуре), может фактически привести к температуре датчика от 810°С до 850°С в новом (например, не подвергнувшемся старению) датчике кислорода. Дополнительные изменения отношения импеданс-температура могут возникать, когда датчик кислорода стареет - например, вторая внутренняя полость 224 может подвергаться деградации по мере старения датчика. Датчик 200 кислорода может демонстрировать все более и более высокие температуры по мере деградации второй внутренней полости 224, когда управляется в соответствии с одной и той же уставкой импеданса; например, подвергнувшийся старению датчик кислорода, когда управляется в соответствии с уставкой импеданса в 75 Ом, может демонстрировать температуру 950°С, когда предполагалось, что применение уставки импеданса приведет в температуре датчика 830°С. Применение уставки импеданса, которая приводит к нежелательной температуре датчика, может приводить к повышенной токсичности отработавших газов, пониженной экономии топлива и пониженной управляемости автомобиля, например.

Соответственно, подходы описаны в настоящей заявке для компенсации изменения уставки импеданса и его соответствующей температуры датчика. В некоторых примерах, уставка импеданса, применение которой к датчику 200 кислорода может больше не приводить к требуемой температуре датчика, обновляется при определении того, что температура датчика соответствует требуемой температуре датчика. Более конкретно, текущий импеданс элемента датчика (например, импеданс одной или обеих из чувствительной ячейки 226 и ячейки 228 накачки) измеряется при определении того, что температура датчика 200 кислорода соответствует требуемой температуре датчика, и выбирается в качестве обновленной уставки импеданса. Температура датчика 200 кислорода может определяться на основании температуры нагревателя 207, которая, в свою очередь, может определяться на основании обновленной передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя, как описано в настоящей заявке. В качестве неограничивающего примера, начальная уставка импеданса в 75 Ом используется для достижения требуемой температуры датчика кислорода в 830°С. Начальная уставка импеданса может выбираться в начале срока службы датчика кислорода, например. Вследствие одного или более факторов, таких как старение, применение уставки импеданса больше не приводит к требуемой температуре датчика в 830°С, а вместо того приводит к 950°С. Во время работы датчика кислорода и при определении того, что датчик достиг требуемой температуры датчика в 830°С, (например, на основании температуры нагревателя), текущий импеданс элемента датчика (например, 150 Ом) записывается и выбирается в качестве обновленной уставки импеданса. В текущем состоянии датчика кислорода, применение обновленной уставки импеданса теперь будет приводить к требуемой температуре датчика.

Как упомянуто выше, в некоторых воплощениях, температура нагревателя 207 может использоваться для определения температуры датчика 200 кислорода. Температура нагревателя 207 может использоваться для определения температуры датчика 200 кислорода благодаря их непосредственной физической близости. Разница температуры нагревателя 207 и температуры датчика 200 кислорода, тем не менее, может существовать вследствие их небольшого отделения - например, незначительные тепловые потери могут возникать, когда датчик 200 кислорода переходит от нагревателя в другую область (например, одну из чувствительной ячейки 226 и ячейки 228 накачки). По существу, определение температуры датчика 200 кислорода на основании температуры нагревателя 207 может включать применение регулировки к температуре нагревателя таким образом, чтобы учитывать эту разницу. Регулировка может включать фактор температурного градиента, например, который может выдавать регулировку температуры для одного или более входных данных (например, трех декартовых входных данных, представляющих собой разницу между трехмерным положением нагревателя 207 и трехмерным положением одной или обеих из чувствительной ячейки 226 и ячейки 228 накачки).

Таким образом, в подходе, описанном выше, обновленная уставка импеданса может определяться для датчика 200 кислорода при определении того, что температура датчика соответствует требуемой температуре датчика, где температура датчика определяется на основании сопротивления нагревателя 207. Однако, следует понимать, что другие подходы могут использоваться для определения того, соответствует ли температура датчика 200 кислорода требуемой температуре датчика, не выходя за объем настоящего описания изобретения.

Уставка импеданса датчика 200 кислорода может обновляться с различной подходящей частотой. В некоторых примерах, уставка импеданса может обновляться на измеренный текущий импеданс элемента датчика при определении того, что температура датчика 200 кислорода соответствует требуемой температуре датчика для каждого цикла вождения автомобиля.

Следует понимать, что определение температуры датчика 200 кислорода может включать определение температуры одного или более из его составных элементов. Например, температура чувствительной ячейки 226 и/или температура ячейки 228 накачки может определяться и рассматриваться в качестве температуры всего датчика 200 кислорода. В этом примере, фактор температурного градиента может использоваться таким образом, чтобы учитывать разницу температурных условий между нагревателем 207 и одной или обеими из чувствительной ячейки 226 и ячейки 228 накачки.

Посредством поддержания обновленной и точной уставки импеданса, применение которой приводит к требуемой температуре датчика кислорода, изменение отношения импеданс-температура (например, вследствие изменяемости между деталями, старения) датчика кислорода может компенсироваться. Следовательно, выходные данные датчика кислорода и параметры, полученные из них, могут демонстрировать повышенную точность, которая, в свою очередь, может приводить к уменьшенной токсичности отработавших газов, повышенной экономии топлива и повышенной управляемости автомобиля. Дополнительно, срок службы датчика кислорода может увеличиваться посредством исключения применения уставок импеданса, которые приводили бы к избыточным температурам датчика.

ФИГ. 3 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ 300 определения передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода. Способ 300 может использоваться для определения передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя 207 датчика 200 кислорода (ФИГ. 2), например. В некоторых примерах, способ 300 может использоваться для обновления имеющейся передаточной функции сопротивление-температура, при этом в других примерах, способ может использоваться для получения новой передаточной функции сопротивление-температура.

На этапе 302 способа 300, определяется, являются ли рабочие условия подходящими для определения сопротивления и температуры нагревателя датчика кислорода. Определение рабочих условий может включать определение того, имел ли место запуск автомобиля. Определение рабочих условий может дополнительно включать определение того, до запуска автомобиля, был ли выключен (т.е. неактивным) связанный двигатель по меньшей мере в течение порогового периода времени. Пороговый период времени может соответствовать периоду времени, по истечении которого как двигатель, так и датчик кислорода охлаждаются, по существу, до температуры окружающей среды (например, от 10°С до 30°С). Если определяется, что имел место запуск автомобиля, и что двигатель был выключен по меньшей мере в течение порогового периода времени (ДА), способ 300 переходит на этап 304. Если оба из этих условий не удовлетворяются (НЕТ), способ 300 завершается. В этом случае, ранее определенная передаточная функция сопротивление-температура нагревателя датчика кислорода может использоваться для выполнения управления нагревателем и датчиком, описанного в настоящей заявке.

На этапе 304 способа 300, определяется температура нагревателя. В некоторых примерах, температура нагревателя может определяться, используя датчик температуры, размещенный в различных местах в двигателе или автомобиле, когда, вследствие истечения порогового периода времени, двигатель и датчик температуры находятся при приблизительно одинаковой температуре. Температура нагревателя может измеряться с помощью датчика температуры окружающей среды, например. В других воплощениях, температура нагревателя может получаться другими образами. Температура нагревателя, определенная на этапе 304, может представлять собой первую температуру, например, температуру окружающей среды - например, температуру от 10°С до 30°С.

На этапе 306 способа 300, определяется сопротивление нагревателя. Определение сопротивления нагревателя может включать прикладывание предварительно определенного напряжения к нагревателю и измерение результирующего тока, и вычисление сопротивления на основании напряжения и тока (например, посредством закона Ома для случая, когда нагреватель работает при омических условиях).

Температура нагревателя, определенная на этапе 304, и сопротивление нагревателя, определенное на этапе 306, вместе могут содержать первую информационную точку, использующуюся для определения передаточной функции сопротивление-температура нагревателя.

На этапе 308 способа 300, определяется вторая информационная точка сопротивление-температура нагревателя. В некоторых примерах, вторая информационная точка может включать сопротивление, демонстрируемое материалами, из которых состоит нагреватель, при заданной температуре; это сопротивление может демонстрироваться всем нагревателем при заданной температуре независимо от его физической конфигурации. В некоторых примерах, вторая информационная точка может представлять собой известное, постоянное сопротивление для материалов - например, 0 Ом при 0 К, для вариантов осуществления, в которых нагреватель состоит из конкретной композиции платины (например, чистой платины, имеющей очень малочисленные границы зерен). В этом примере, определение второй информационной точки может включать извлечение второй информационной точки из памяти, так как она уже известна. Эта вторая информационная точка, таким образом, может содержать вторую температуру нагревателя, отличную от первой температуры нагревателя, и может идти в паре с предварительно определенным сопротивлением нагревателя. В других примерах, однако, второе сопротивление может измеряться (например, при рабочей температуре датчика кислорода, как описано ниже).

На этапе 310 способа 300, передаточная функция сопротивление-температура нагревателя экстраполируется на основании первой и второй информационных точек. В некоторых примерах, передаточная функция сопротивление-температура является линейной и, по существу, может определяться посредством вычисления наклона передаточной функции на основании первой и второй информационных точек. Точка пересечения с осью у может задаваться второй информационной точкой. Для случаев, в которых передаточная функция сопротивление-температура является нелинейной, однако, передаточная функция может экстраполироваться из первой и второй информационных точек, и, потенциально, дополнительных информационных точек, которые могут измеряться, как описано в настоящей заявке, используя различные подходящие методы аппроксимации кривых. Экстраполяция, таким образом, может включать экстраполяцию сопротивления нагревателя для температур нагревателя, не равных первой и второй температурам, на основании первой и второй температур, таким образом сопротивление нагревателя может определяться для температур нагревателя, не равных первой и второй температурам. После этапа 308, способ 300 завершается.

Передаточная функция сопротивление-температура, определенная в соответствии со способом 300, может использоваться для точного управления нагревателем датчика кислорода, таким образом, обеспечивая точное управление датчиком кислорода и требуемую чувствительность.

ФИГ. 4 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ 400 определения уставки импеданса датчика кислорода. Способ 400 может использоваться для определения уставки импеданса, применение которой приводит к требуемой температуре датчика для датчика 200 кислорода (ФИГ. 2), например. В некоторых примерах, способ 400 может использоваться для обновления имеющейся уставки импеданса, при этом в других примерах, способ может использоваться для получения новой уставки импеданса.

На этапе 402 способа 400, определяется, находится ли температура датчика кислорода при требуемой температуре датчика. Требуемая температура датчика может представлять собой рабочую температуру, при которой датчик кислорода обеспечивает требуемую чувствительность, например. В некоторых примерах, температура датчика кислорода может определяться на основании сопротивления его связанного нагревателя - например, передаточная функция сопротивление-температура нагревателя может использоваться для получения температуры, соответствующей сопротивлению нагревателя. Передаточная функция может определяться в соответствии со способом 300, например. Если используется, регулировка может выполняться относительно температуры нагревателя в некоторых примерах таким образом, чтобы учитывать разницы температурных условий между нагревателем и датчиком кислорода (например, элементом датчика или ячейкой датчика). Регулировка может включать фактор температурного градиента, например. Если определяется, что датчик кислорода находится не при требуемой температуре датчика (НЕТ), способ 400 возвращается на этап 402. Если определяется, что датчик кислорода находится при требуемой температуре датчика (ДА), способ 400 переходит на этап 404.

На этапе 404 способа 400, определяется импеданс элемента датчика кислорода. Элемент датчика может представлять собой чувствительную ячейку (например, чувствительную ячейку 226 ФИГ. 2) или ячейку накачки (например, ячейку 228 накачки ФИГ. 2) датчика кислорода. Импеданс элемента датчика может определяться, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 2.

На этапе 406 способа 400, уставка импеданса устанавливается на импеданс элемента датчика, определенный на этапе 404. Уставка импеданса может использоваться для управления датчиком кислорода таким образом, что, когда используется в управлении датчиком, побуждает датчик кислорода принимать требуемую температуру датчика (например, рабочую температуру). Так как уставка импеданса задается на импеданс, соответствующий требуемой температуре датчика, применение уставки импеданса в управлении датчиком кислорода обеспечивает возможность достижения датчиком требуемой температуры датчика.

Уставка импеданса, определенная в соответствии со способом 400, может использоваться для точного управления датчиком кислорода, обеспечивая точное управление датчиком кислорода и требуемую чувствительность. В некоторых примерах, передаточная функция сопротивление-температура, определенная посредством способа 300 ФИГ. 3, может использоваться для определения температуры нагревателя и/или температуры датчика кислорода. В ответ на определение того, что температура датчика кислорода соответствует требуемой температуре датчика (например, температуре инициирования каталитических реакций), импеданс датчика кислорода может измеряться и устанавливаться в качестве уставки импеданса, на которой может основываться управление датчиком кислорода (и нагревателем) - например, выходные данные нагревателя могут управляться таким образом, что датчик кислорода демонстрирует уставку импеданса, в свою очередь, наделяя датчик кислорода требуемой температурой датчика.

ФИГ. 5 показывает график 500, иллюстрирующий определение передаточной функции сопротивление-температура для нагревателя датчика кислорода. В частности, график 500 показывает номинальную передаточную функцию 502 сопротивление-температура и обновленную передаточную функцию 504 сопротивление-температура. Передаточная функция 502 может быть определена для не подвергнувшегося старению датчика кислорода, например, при этом передаточная функция 504 может быть определена для того же датчика кислорода в подвергнувшемся старению состоянии, или, для другого датчика кислорода, демонстрирующего существенную изменяемость между деталями. Обычно, передаточная функция 504 выдает более высокие температуры для входных данных сопротивления относительно передаточной функции 502, хотя, следует понимать, что разница функциональных форм передаточных функций представляет собой только пример и не предполагается в качестве ограничения. Одна или обе передаточные функции 502 и 504 могут быть определены в соответствии со способом 300 ФИГ. 3, например. В изображенном примере, температура 506 определяется посредством передаточной функции 504 на основании измеренного сопротивления 505 нагревателя датчика кислорода. Температура 506 может использоваться для управления датчиком кислорода и его нагревателем, как описано в настоящей заявке.

ФИГ. 6 показывает график 600, иллюстрирующий определение уставки импеданса для датчика кислорода. В частности, график 600 показывает номинальное отношение 602 импеданс-температура, иллюстрирующее, как импеданс датчика кислорода (например, элемента датчика) варьируется в зависимости от температуры в не подвергнувшемся старению датчике кислорода, и измененное отношение 604 импеданс-температура, иллюстрирующее, как импеданс датчика кислорода варьируется в зависимости от температуры в подвергнувшемся старению состоянии и/или когда наделен существенной изменяемостью между деталями. Обычно, подвергнувшийся старению датчик кислорода может демонстрировать более высокие импедансы для заданной температуры относительно не подвергнувшегося старению датчика кислорода. В изображенном примере, требуется определение обновленной уставки импеданса, с которой датчик кислорода может управляться, таким образом, что требуемая температура датчика может достигаться при управлении датчиком с обновленной уставкой импеданса. Соответственно, определение выполняется относительно того, соответствует ли температура датчика кислорода требуемой температуре датчика. Это определение может выполняться на основании сопротивления нагревателя - например и со ссылкой на ФИГ. 5, температура 506 может представлять собой требуемую температуру датчика, определенную в соответствии с обновленной передаточной функцией 504 сопротивление-температура. По существу, передаточная функция 504 может использоваться для определения того, соответствует ли температура датчика кислорода требуемой температуре датчика. Когда определяется, что это соответствие было достигнуто, текущий импеданс датчика кислорода (например, импеданс элемента датчика) измеряется и устанавливается в качестве обновленной уставки 606 импеданса, таким образом управление датчиком кислорода в соответствии с обновленной уставкой импеданса, приводит к требуемой температуре датчика. Как можно увидеть на ФИГ. 6, обновленная уставка 606 импеданса выше, чем ранее определенная, необновленная уставка импеданса, соответствующая номинальному отношению 602 импеданс-температура и связанная с температурой 506.

Следует понимать, что графики 500 и 600, ФИГ. 5 и 6, соответственно, представлены в качестве примеров и никоим образом не предполагаются в качестве ограничения. В частности, функциональные формы и значения, показанные на них, являются иллюстративными.

ФИГ. 7 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ 700 управления напряжением, подаваемым на нагреватель датчика кислорода. Способ 700 может использоваться для управления подаваемым напряжением нагревателя 207 датчика 200 кислорода, оба на ФИГ. 2, например.

На этапе 702 способа 700, температура нагревателя определяется посредством передаточной функции сопротивление-температура. Передаточная функция сопротивление-температура может определяться в соответствии со способом 300 ФИГ. 3, например. Измеренное сопротивление нагревателя может подаваться на передаточную функцию сопротивление-температура для получения соответствующей температуры нагревателя, указывающей текущую температуру нагревателя, например.

На этапе 704 способа 700, определяется требуемая температура нагревателя. Требуемая температура нагревателя может быть предварительно определенной, и, по существу, определение требуемой температуры нагревателя может включать извлечение требуемой температуры из памяти. Требуемая температура нагревателя может представлять собой температуру, при которой нагреватель нагревает датчик кислорода в достаточной степени для того, чтобы привести температуру датчика кислорода к требуемой температуре датчика (например, температуре инициирования каталитических реакций датчика кислорода), при которой датчик кислорода обеспечивает требуемую чувствительность. В некоторых примерах, требуемая температура нагревателя может соответствовать требуемой температуре датчика кислорода. В других примерах, может иметь место разница между требуемыми температурами нагревателя и датчика - например, вследствие разницы в их физических расположениях. По существу, в этих примерах, определение требуемой температуры нагревателя может включать определение требуемой температуры датчика кислорода и применение фактора температурного градиента к требуемой температуре датчика для определения требуемой температуры нагревателя, при этом фактор температурного градиента учитывает эту разницу температурных условий между физическими расположениями.

На этапе 706 способа 700, напряжение, подаваемое на нагреватель, регулируется на основании разницы между температурой нагревателя, определенной на этапе 702, и требуемой температурой нагревателя, определенной на этапе 704. Таким образом, в некоторых воплощениях, способ 700 может обеспечивать возможность управления с обратной связью температурой нагревателя в ответ на требуемую температуру нагревателя и его текущую температуру. Посредством определения температуры нагревателя на основании передаточной функции сопротивление-температура, температура нагревателя может точно управляться до требуемой температуры нагревателя, так как функция сопротивление-температура может непрерывно обновляться для обеспечения возможности точного определения температуры нагревателя на протяжении всего срока службы нагревателя. После этапа 706, способ 700 завершается. Однако, следует понимать, что способ 700 может выполняться на многократной основе при выбранных условиях, которые обеспечивают возможность управления с обратной связью нагревателем.

ФИГ. 8 показывает блок-схему, иллюстрирующую способ 800 определения одного или более рабочих параметров двигателя на основании выходных данных от датчика кислорода. Способ 800 может использоваться для определения одного или более рабочих параметров двигателя на основании выходных данных от датчика 200 кислорода ФИГ. 2, например.

На этапе 802 способа 800, определяется импеданс датчика кислорода. Импеданс датчика кислорода может определяться, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 2, и может включать определение импеданса элемента датчика (например, чувствительной ячейки, ячейки накачки) датчика кислорода.

На этапе 804 способа 800, определяется уставка импеданса датчика кислорода. Уставка импеданса может представлять собой требуемый импеданс датчика; когда импеданс датчика кислорода равен требуемому импедансу датчика, датчик кислорода может достигать требуемой температуры датчика, так как импеданс датчика может быть пропорциональным температуре датчика. Уставка импеданса может определяться посредством способа 400 ФИГ. 4, например. В других примерах, предварительно определенная уставка импеданса может извлекаться из памяти.

На этапе 806 способа 800, напряжение, подаваемое на нагреватель датчика кислорода в тепловом сообщении с датчиком кислорода, регулируется на основании разницы между импедансом датчика, определенным на этапе 802, и уставкой импеданса, определенной на этапе 804. Таким образом, в некоторых примерах, способ 800 может обеспечивать возможность управления с обратной связью датчиком кислорода в ответ на уставку импеданса и его текущий импеданс. Посредством регулировки подаваемого напряжения нагревателя таким образом, уставка импеданса и, таким образом, требуемая температура датчика, могут достигаться датчиком кислорода.

На этапе 808 способа 800, один или более рабочих параметров двигателя определяются на основании выходных данных от датчика кислорода во время работы при уставке импеданса. Один или более рабочих параметров могут включать ВТО в отработавших газах, содержание спирта (например, этанола) в газовом потоке, и влажность окружающей среды, например. Один или более дополнительных рабочих параметров затем могут регулироваться посредством системы управления на основании этих первоначально определенных рабочих параметров - например, момента зажигания, синхронизации форсунок, синхронизации кулачков и т.д. Таким образом, один или более рабочих параметров двигателя, определенных на этапе 808, могут точно определяться посредством работы датчика кислорода при подходящих температурах, которые обеспечивают требуемую чувствительность, которая, в свою очередь, обеспечивается посредством точного управления нагревом датчика кислорода и поддержания точной уставки импеданса. По существу, токсичность отработавших газов может уменьшаться и экономия топлива и управляемость автомобиля могут повышаться.

Следует отметить, что включенные в настоящую заявку примеры алгоритмов управления и оценки могут использоваться с разнообразными конфигурациями систем двигателей и/или автомобилей. Раскрытые в настоящей заявке способы и алгоритмы управления могут храниться в виде исполняемых инструкций в долговременной памяти и выполняться посредством системы управления, содержащей контроллер в сочетании с различными датчиками, приводами и другим аппаратным обеспечением 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 в настоящей заявке вариантов осуществления изобретения, но служит для удобства иллюстрирования и описания. Одно или более 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, где раскрытые действия могут быть выполнены посредством исполнения инструкций в системе, включая различные компоненты аппаратного обеспечения двигателя совместно с электронным контроллером.

Следует понимать, что конфигурации и алгоритмы, раскрытые в настоящей заявке, носят иллюстративный характер, и что эти конкретные варианты осуществления не следует рассматривать в качестве ограничения, так как возможны многочисленные модификации. Например, вышеизложенная технология может быть применена в двигателях с конфигурацией цилиндров V-6, I-4, I-6, V-12, с 4-мя оппозитными цилиндрами и в двигателях других типов. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные комбинации различных систем и конфигураций, а также другие отличительные признаки, функции и/или свойства, раскрытые в настоящей заявке.

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 ли они более широкими, более узкими, эквивалентными или отличающимися в отношении объема идеи первоначальной формулы изобретения, также считаются включенными в предмет настоящего изобретения.

Изобретение может быть использовано в выпускных системах двигателей внутреннего сгорания. Способ управления работой датчика кислорода предназначен для датчика кислорода, включающего в себя нагреватель. Способ заключается в измерении первого сопротивления нагревателя при первой температуре. Осуществляют генерирование передаточной функции сопротивление-температура, соотносящей сопротивление нагревателя с температурой нагревателя на основании первого сопротивления нагревателя и второго сопротивления нагревателя при второй температуре. Вторая температура отличается от первой температуры. Раскрыты варианты способа управления работой датчика кислорода. Технический результат заключается в повышении точности управления работой датчика. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ управления работой датчика кислорода, включающего в себя нагреватель, содержащий:

измерение первого сопротивления нагревателя при первой температуре; и

генерирование передаточной функции сопротивление-температура, соотносящей сопротивление нагревателя с температурой нагревателя, на основании первого сопротивления нагревателя и второго сопротивления нагревателя при второй температуре, при этом вторая температура отличается от первой температуры.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий управление нагревателем на основании передаточной функции сопротивление-температура.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение передаточной функции сопротивление-температура содержит экстраполяцию сопротивления нагревателя для температур нагревателя, не равных первой и второй температурам, на основании первого и второго сопротивлений нагревателя, при этом способ дополнительно содержит регулирование привода в ответ на передаточную функцию сопротивление-температура.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первая температура представляет собой температуру окружающей среды, и причем вторая температура представляет собой абсолютный нуль.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второе сопротивление нагревателя основано на композиции материалов нагревателя.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второе сопротивление нагревателя предварительно определяют.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первое сопротивление нагревателя измеряют при запуске автомобиля и после истечения порогового периода времени неактивности двигателя.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что, после истечения порогового периода времени неактивности двигателя, как температура двигателя, так и температура нагревателя, по существу, находятся на уровне температур окружающей среды.

9. Способ по п. 1, дополнительно содержащий:

определение того, соответствует ли температура нагревателя требуемой температуре на основании передаточной функции сопротивление-температура;

в ответ на определение того, что температура нагревателя соответствует требуемой температуре, измерение импеданса датчика кислорода; и

задание уставки импеданса на измеренный импеданс.

10. Способ по п. 1, дополнительно содержащий управление датчиком кислорода на основании уставки импеданса.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второе сопротивление нагревателя измеряют при второй температуре, и

причем вторая температура представляет собой рабочую температуру датчика кислорода.

12. Способ управления работой датчика кислорода, содержащий:

в ответ на определение того, что температура датчика кислорода соответствует требуемой температуре, определение импеданса датчика кислорода;

задание уставки импеданса на определенный импеданс; и

регулирование датчика кислорода таким образом, что импеданс датчика кислорода соответствует уставке импеданса.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что соответствие температуры датчика кислорода требуемой температуре определяют на основании сопротивления нагревателя в тепловом сообщении с датчиком кислорода.

14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что регулирование датчика кислорода, осуществляемое таким образом, что импеданс датчика кислорода соответствует уставке импеданса, приводит температуру датчика кислорода к требуемой температуре.

15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что импеданс датчика кислорода представляет собой импеданс элемента датчика кислорода.

16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что требуемая температура представляет собой температуру инициирования каталитических реакций датчика кислорода.

17. Способ управления работой датчика кислорода, включающего в себя нагреватель, содержащий:

измерение сопротивления нагревателя при первой температуре;

определение передаточной функции сопротивление-температура, соотносящей сопротивление нагревателя с температурой нагревателя, на основании измеренного сопротивления нагревателя и предварительно определенного сопротивления нагревателя при второй температуре, при этом вторая температура отличается от первой температуры;

в ответ на определение того, что температура датчика кислорода соответствует требуемой температуре, на основании передаточной функции сопротивление-температура, определение импеданса датчика кислорода; и

задание уставки импеданса на определенный импеданс.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что определение соответствия температуры датчика кислорода требуемой температуре включает в себя определение температуры нагревателя на основании передаточной функции сопротивление-температура и применение фактора температурного градиента к температуре нагревателя для определения температуры датчика кислорода, при этом фактор температурного градиента учитывает разницу температурных условий между нагревателем и датчиком кислорода.

19. Способ по п. 17, дополнительно содержащий управление датчиком кислорода таким образом, что импеданс датчика кислорода соответствует уставке импеданса.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что управление датчиком кислорода, осуществляемое таким образом, что импеданс датчика кислорода соответствует уставке импеданса, включает в себя управление нагревателем для достижения уставки импеданса.