专利名称：氧浓度检测装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种氧浓度检测装置和方法，用于检测例如内燃机中的废气中的氧浓度。
背景技术：
日本特开昭第59-148857号公报公开了一种用于检测待测气体中的氧浓度的氧浓度检测装置。该氧浓度检测装置的结构为使基板、基准电极、氧离子输运固态电解质和测量电极层叠，测量电极被分为通电电极和参照电极，通过在基准电极和通电电极之间施加电流来控制基准电极中的氧分压，并且根据在基准电极和参照电极之间产生的电动势来检测待测气体中的氧浓度。
另外，由于安装在摩托车上的小排量内燃机使用小直径的排气管，所以必须减小安装在排气管上的氧浓度检测元件的尺寸。
然而，必须减小层叠部件的厚度以减小检测元件的尺寸，结果降低了检测元件的机械强度。
相反，在上述氧浓度检测装置中，会因为氧过量地聚集到基准电极处而使检测元件中的压力增大。因而，当检测元件的强度减小时，检测元件可能由于其内部压力的增大而受损。
发明内容
因而，本发明的目的是防止检测元件因氧过量地聚集到基准电极处而受损。
为实现上述目的，在本发明中，对聚集到基准电极处的氧量进行推断，并且当推定氧聚集量达到一阈值时，向着使流向基准电极的氧量减小的方向改变检测元件的操作量。
在下面结合附图的说明中，本发明的特征和其它目的将变得明了。
图1是示出了根据一实施例的氧浓度检测装置的结构的框图；图2是示出了根据该实施例的氧浓度检测元件的结构的剖视图；图3是示出了根据该实施例的用于设置偏置电压和加热器电压的流程图。
具体实施例方式
图1是示出了包括根据本发明一实施例的氧浓度检测装置的内燃机的空燃比控制系统的框图。
根据本实施例的氧浓度检测装置通过在内燃机的排气管上安装检测元件12来检测废气中的氧浓度，其中废气中的氧浓度与内燃机中的空燃比关系密切。
在空燃比控制系统中，基于根据废气中的氧浓度而判断的空燃比来对喷入内燃机中的燃油量进行反馈控制。
所述内燃机例如安装在摩托车上。
在图1中，控制燃油喷射量并控制检测元件12的发动机控制单元(ECU)11包括微计算机111。
检测元件12由微计算机111、偏置电压输出单元112和加热器电压输出单元113控制。
微计算机111包括空燃比检测/校正值计算单元1111、燃油喷射量计算单元1112、运转条件判断单元1113、元件状态判断单元1114、电压校正判断单元1115、偏置电压计算单元1116和加热器电压计算单元1117。
空燃比检测/校正值计算单元1111响应于从偏置电压输出单元112输出的偏置电压以及由检测元件12检测的氧浓度信号来检测空燃比。另外，空燃比检测/校正值计算单元1111根据空燃比的检测结果计算燃油喷射量的校正值，并将该校正值输出到燃油喷射量计算单元1112。
燃油喷射量计算单元1112根据从空燃比检测/校正值计算单元1111提供的校正值，对燃油喷射量进行校正，并根据校正后的燃油喷射量来控制燃油喷射装置13。
对运转条件判断单元1113提供作为机动车的运转状态的例如内燃机的发动机转度、燃油喷射量、进气管压力、车速、空燃比、废气温度等，并且运转条件判断单元1113根据所提供的这些信息来判断机动车的运转状态。
此外，对元件状态判断单元1114提供作为检测元件12的状态的例如元件温度、元件阻抗、元件内应力等的实际测量值，并且元件状态判断单元1114根据所提供的这些信息来判断检测元件12的状态。
可以使用元件温度、元件阻抗和元件内应力的推断值来替代它们的实际测量值。可以根据废气温度来推断元件温度，并且可以根据用于对该检测元件进行加热的加热器的阻抗来推断所述元件阻抗。
将运转条件判断单元1113和元件状态判断单元1114的判断结果输出到电压校正判断单元1115。
电压校正判断单元1115根据运转状态和元件状态来推断聚集到检测元件12的基准电极处的氧量，并判断是否应改变施加到检测元件12上的偏置电压和加热器电压。电压校正判断单元1115向偏置电压计算单元1116和加热器电压计算单元1117输出是否改变这些电压的判断结果。
当根据发动机转速、燃油喷射量、进气管压力、车速、空燃比、废气温度等而推断的检测元件12的温度超过了例如650℃的这一状态、或者由传感器检测到的检测元件12的温度超过了例如650℃的这一状态持续了一预定时间时，电压校正判断单元1115判定聚集到检测元件12的基准电极处的氧量达到阈值，并指示降低偏置电压和加热器电压。
此外，当例如空燃比小于理论空燃比的状态持续一预定时间时，电压校正判断单元1115判定聚集到检测元件12的基准电极处的氧量达到了阈值，并指示降低偏置电压和加热器电压。
接收到降低偏置电压的指令后，在通常的约1.2V偏置电压的场合，偏置电压计算单元1116将偏置电压降低到大约1.0V。
另外，在接收到降低加热器电压的指令后，在通常的加热器电压为大约13V的场合，加热器电压计算单元1117将其降低到大约10V。
偏置电压输出单元112将由偏置电压计算单元1116计算的偏置电压施加到检测元件12。
加热器电压输出单元113控制开关单元15的导通与截止，从而将由加热器电压计算单元1117计算的目标电压施加到加热器单元122。
开关单元15具有在加热器单元122的上游侧截止加热器驱动电流的功能。
当提供给加热器单元122的加热器驱动电流由布置在加热器单元122的下游(即介于加热器单元122和地电势之间)的开关装置截止时，在加热器驱动电流被截止之前，会对加热器单元122产生电势。当加热器驱动电流被截止时，大量的氧从加热器单元122流向检测元件12的基准电极。结果，检测元件12可能因其内部压力升高而损坏。
相反地，布置在加热器单元122的上游的开关单元15能够防止在使流向加热器单元122的驱动电流截止时氧向基准电极流动，从而防止了检测元件12发生损坏。
检测元件12包括信号单元121和加热器单元122，信号单元121根据从偏置电压输出单元112施加的偏置电压来检测待测气体(废气)中的氧浓度，而加热器单元122根据从加热器电压输出单元113施加的加热器电压来对检测元件12进行加热。
图2是示出了检测元件12的结构的剖视图。
在图2中，检测元件12包括基部22、氧离子输运固态电解质层23、多孔层24、内侧电极25(基准电极)、内侧致密层26、外侧电极27(测量电极)、外侧致密层28和保护层29。固态电解质层23形成在基部22的外表面侧。多孔层24介于固态电解质层23的内表面和基部22的外表面之间，并由多孔材料构成。内侧电极25(基准电极)形成在固态电解质层23的内表面上。内侧致密层26形成在固态电解质层23的外表面上，并且具有电极窗口26a。外侧电极27(测量电极)形成在内侧致密层26的外表面以及通过电极窗口26a而露出的固态电解质层23的外表面上。外侧致密层28形成在外侧电极27的外表面上，并且在与电极窗口26a相同的位置处具有氧导入窗口28a。保护层29形成在外侧致密层28的外表面和通过氧导入窗口28a而露出的外侧电极27的外表面上。
使外侧致密层28和保护层29暴露于其外部的待测气体(排气管中的废气)。
基部22包括杆210、围绕杆210的外周而形成的加热器图案211、以及作为绝缘材料形成在杆210的外周以覆盖加热器图案211的加热器覆盖层212。
杆210由陶瓷材料(例如氧化铝等)制成。
加热器图案211由发热性导电材料(例如钨、铂等)制成，并且由所述加热器图案211所产生的热将固态电解质层23等的温度升高到活化温度。
固态电解质层23例如由糊状材料制成，该糊状材料例如由氧化锆粉末和氧化钇粉末以预定重量混合比混合而成。
固态电解质层23可以根据氧浓度差，在内侧电极25(基准电极)和外侧电极27(测量电极)之间产生电动势并且输运氧离子。
多孔层24由诸如氧化铝等的陶瓷材料制成，并构成用于使通过固态电解质层23输运到内侧电极25的氧漏出的通道。
内侧电极25和外侧电极27由具有导电性并且能够透过氧的材料(如铂等)制成。
分别对内侧电极25和外侧电极27配备引线25a和27a，并且与之形成为一体，从而可以使用引线25a和27a来检测内侧电极25和外侧电极27之间的电势差。
内侧致密层26例如由诸如氧化铝等的陶瓷材料制成，待测气体中的氧不能通过该材料进入内侧致密层26的内表面。
内侧致密层26覆盖了固态电解质层23的整个外表面，并通过切除内侧致密层26的一部分形成了电极窗口26a。
电极窗口26a的尺寸在轴向和圆周方向上都比内侧电极25的尺寸小。
与内侧致密层26一样，外侧致密层28例如由诸如如氧化铝等的陶瓷材料制成，待测气体不能通过该材料进入外侧致密层28的内表面。并通过在与电极窗口26a相同的位置切除外侧致密层28的一部分形成了氧导入窗口28a。
保护层29从外侧覆盖了通过外侧致密层28的氧导入窗口28a露到外侧的外侧电极27。并且，保护层29由多孔结构部件组成，该多孔结构的材料使得待测气体中的有害气体、灰尘等不能通过其到达内表面侧，但待测气体中的氧可以通过其到达内表面侧，例如氧化铝和氧化镁的混合物。
按上述形式设置的检测元件12通过在内侧电极25和外侧电极27之间连接一个外部电源，使固态电解质层23中的氧离子移动，从而控制内侧电极25(基准电极)中的氧分压。此外，检测装置12测量与内侧电极25(基准电极)中的氧分压和暴露于待测气体中的外侧电极27(测量电极)中的氧分压之间的差值相对应的电动势，将其作为与待测气体中的氧浓度相对应的值。
接下来，将参照图3所示的流程图对用于设置将施加到检测元件12上的偏置电压和加热器电压的流程进行说明。
在步骤S1中输入各种驱动条件(如发动机转速、发动机负载、空燃比等)，并在步骤S2中判断内燃机中的当前空燃比是否小于理论空燃比。
根据由检测元件12检测的空燃比或当时的目标空燃比来执行上述的判断。
当空燃比为稀时，过程进入步骤S3，在该步骤S3，通过将稀计数器CL加1来测量稀持续时间。
在步骤S4，通过将稀计数器CL的值与预定值CL1进行比较，来判断该稀持续时间是否达到一预定时间(例如10秒)。
当稀计数器CL的值等于或大于预定值CL1时，过程进入到步骤S5，在该步骤S5中，将电压改变标志FL设置为1。
反之，当稀计数器CL的值小于预定值CL1时，过程绕过步骤S5而直接到达步骤S8，由此保持了直到上一次的电压改变标志FL。
当在步骤S2判断空燃比为不稀时，过程进行到步骤S6，在步骤S6，将稀计数器CL重置为0。并且，在下一步骤S7进一步将电压改变标志FL重置为0。
当空燃比为稀时，氧持续地流向作为基准电极的内侧电极25，并且过量地聚集在内侧电极25处，从而增大了内侧电极25的内部压力。
因而，根据该稀持续时间来判断聚集到内侧电极25处的氧量是否达到了阈值，并且当推定聚集在内侧电极25处的氧量达到了该阈值时，将电压改变标志FL设置为1。
当空燃比更稀时，可以将稀计数器CL增加一更大的值，并且当有更大量的氧流向内侧电极25时，可以使稀计数器以更高的速度递增。
此外，作为一种简化方法，当空燃比更稀时，可以将预定值CL1改变为一更小的值。
在步骤S8，判断检测元件12的温度是否等于或大于一预定温度(例如650℃)。
检测元件12的温度可以由传感器来检测，除此之外，可以利用运转条件和环境温度来进行推断。
当检测元件12的温度等于或高于预定温度时，过程进入步骤S9，在步骤S9，使温度计数器CT增加1，从而测量检测元件12保持高温的时间。
当检测元件12具有更高的温度时，可以使温度计数器CT增加一更大的值，并且在有更大量的氧流向内侧电极25时，可以使温度计数器CT以更高的速度递增。
此外，作为一种简化方法，当检测元件12具有更高的温度时，可以将预定值CT1改变为一更小的值。
在步骤S10，通过将温度计数器CT的值与预定值CT1进行比较，来判断高温持续时间是否达到了一预定时间。
当温度计数器CT的值等于或大于该预定值CT1时，过程进入步骤S11，在步骤S11，将电压改变标志FT设置为1。
相反，当温度计数器CT的值小于该预定值CT1时，通过绕过S11使过程进入步骤S14，由此保持直到上一次的电压改变标志FT。
当在步骤S8判定检测元件12的温度小于预定温度时，过程进入步骤S12，在步骤S12，将温度计数器CT重置为0，并在步骤S13进一步将电压改变标志FT重置为0。
当检测元件12具有较高的温度时，其内阻减小，并且在电极25和27之间流动有额外的电流，从而使大量的氧流向作为基准电极的内侧电极。由此，氧过多地聚集到内侧电极25处，并且增加了其内部压力。
根据高温持续时间来判断聚集到内侧电极25处的氧量是否达到了阈值，并且当推定聚集到内侧电极25处的氧量达到了该阈值时，将电压改变标志FT设置为1。
在步骤S14，判断电压改变标志FL是否被设置为1。
当电压改变标志FL被设置为1时，推定空燃比为稀的状态持续并且聚集到内侧电极25处的氧量达到了该阈值。因而，过程进行到步骤S16，在步骤S16，执行降低偏置电压和/或加热器电压的处理，以抑制氧的聚集。
相反，当电压改变标志FL被设置为0时，过程进入到步骤S15，在步骤S15，判断电压改变标志FT是否被设置为1。
当电压改变标志FT被设置为1时，推定检测元件12处于高温的状态持续，并且聚集到内侧电极25处的氧量达到了该阈值，因而，过程进入步骤S16，在步骤S16，执行降低偏置电压和/或加热器电压的处理，以抑制氧的聚集。
当电压改变标志FL和FT都被设置为0时，推定没有过量的氧聚集到内侧电极25处。因而，过程进入到步骤S17，在步骤S17，将偏置电压和加热器电压设置为常规值。
当偏置电压的常规值是例如1.2V，并且要抑制氧的聚集时，将偏置电压降低到例如大约1.0V。
当加热器电压的常规值是例如13V，并且要抑制氧的聚集时，将加热器电压降低到例如大约10V。
将偏置电压和加热器电压的降低量设置在不使对空燃比的检测受到影响的范围内。此外，可以根据当时的空燃比和检测元件12的环境温度来改变偏置电压和加热器电压的降低量。
由于偏置电压的降低减小了在电极25和27之间流动的电流，因而可以抑制流向内侧电极25的氧量。反之，加热器电压的降低可以使检测装置12的内阻因温度降低而增大，从而，可以抑制流向内侧电极25的氧量。
当流向内侧电极25的氧可以被抑制时，可以防止因氧的聚集而引起的检测元件12的内部压力的增大，从而可以防止检测元件12因过高的内部压力而受损。
在将作为测量电极的外侧电极分为通电电极和参照电极的检测元件中，通过应用上述设置偏置电压和加热器电压的过程可以获得相同的操作/工作效果。
通过引用将2003年12月26日提交的日本专利申请No.2003-435777和2004年11月16日提交的日本专利申请No.2004-331453的全部内容并入本文中。
虽然只选择了精选的实施例来说明本发明，但本领域的技术人员应该明确根据本公开，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行多种改变和修改。
此外，对根据本发明的这些实施例所提供的前述说明只是解释性的，而不是为了对所附权利要求及其等同物所限定的本发明进行限制。
权利要求
1.一种氧浓度检测装置，包括检测元件，其由基准电极、氧离子输运固态电解质和测量电极层叠而成；测量部，用于通过在所述基准电极和所述测量电极之间施加电压，从而测量与所述基准电极的氧分压和所述测量电极的氧分压之间的差值相对应地产生的电动势；推断部，用于推断聚集到所述基准电极处的氧量；以及校正部，用于在推定氧聚集量达到一阈值时，在抑制流向所述基准电极的氧量的方向上改变所述检测元件的操作量。
2.根据权利要求1所述的氧浓度检测装置，其中，所述校正部改变施加在所述基准电极和所述测量电极之间的电压。
3.根据权利要求1所述的氧浓度检测装置，还包括加热器，用于对所述检测元件进行加热，其中，所述校正部改变由所述加热器进行加热的所述检测元件的加热温度。
4.根据权利要求1所述的氧浓度检测装置，其中，所述推断部根据所述检测元件的温度推断氧聚集量。
5.根据权利要求1所述的氧浓度检测装置，其中，所述推断部根据待测气体中的氧浓度来推断氧聚集量。
6.根据权利要求4所述的氧浓度检测装置，其中，当所述检测元件的温度等于或高于预定温度的状态至少持续了一预定时间时，所述推断部推定氧聚集量达到了所述阈值。
7.根据权利要求5所述的氧浓度检测装置，其中，所述检测元件对内燃机的废气中的氧浓度进行检测，并且当内燃机中的空燃比比理论空燃比更稀的状态持续了至少一预定时间时，所述推断部推定氧聚集量达到了所述阈值。
8.根据权利要求2所述的氧浓度检测装置，其中，当推定氧聚集量达到了所述阈值时，所述校正部使施加在所述基准电极和所述测量电极之间的电压低于常规电压。
9.根据权利要求3所述的氧浓度检测装置，其中，当推定氧聚集量达到了所述阈值时，所述校正部使所述加热器的电压低于常规电压。
10.根据权利要求1所述的氧浓度检测装置，其中，所述检测元件被安装在安装于摩托车上的内燃机的排气管上。
11.一种氧浓度检测装置，包括检测装置，其由基准电极、氧离子输运固态电解质和测量电极层叠而成；测量装置，用于通过在所述基准电极和所述测量电极之间施加电压，从而测量与所述基准电极的氧分压和所述测量电极的氧分压之间的差值相对应地产生的电动势；推断装置，用于推断聚集到所述基准电极处的氧量；以及校正装置，用于在推定氧聚集量达到一阈值时，在抑制流向基准电极的氧量的方向上改变所述检测元件的操作量。
12.一种使用由基准电极、氧离子输运固态电解质和测量电极层叠而成的检测装置来检测氧浓度的方法，包括如下步骤在所述基准电极和所述测量电极之间施加电压；根据与所述基准电极的氧分压和所述测量电极的氧分压之间的差值相对应地产生的电动势，来检测待测气体中的氧浓度；推断聚集到所述基准电极处的氧量；以及在推定氧聚集量达到一阈值时，在抑制流向基准电极的氧量的方向上改变所述检测元件的操作量。
13.根据权利要求12所述的氧浓度检测方法，其中，改变所述操作量的步骤包括改变施加在所述基准电极和所述测量电极之间的电压的步骤。
14.根据权利要求12所述的氧浓度检测方法，其中，改变所述操作量的步骤包括改变由加热器进行加热的所述检测元件的加热温度的步骤。
15.根据权利要求12所述的氧浓度检测方法，其中，所述推断氧聚集量的步骤包括以下步骤检测所述检测元件的温度；并且根据所述检测元件的温度来推断氧聚集量。
16.根据权利要求12所述的氧浓度检测方法，其中，推断氧聚集量的步骤包括以下步骤检测待测气体中的氧浓度；并且根据待测气体中的氧浓度来推断氧聚集量。
17.根据权利要求15所述的氧浓度检测方法，其中，所述根据所述检测元件的温度来推断氧聚集量的步骤包括以下步骤判断所述检测元件的温度是否等于或高于一预定温度；测量所述检测元件的温度等于或高于所述预定温度的状态的持续时间；并且当所述持续时间等于或高于一预定时间时，推定氧聚集量达到了一阈值。
18.根据权利要求16所述的氧浓度检测方法，其中，所述检测元件检测内燃机中的废气的氧浓度，并且所述根据待测气体中的氧浓度来推断氧聚集量的步骤包括以下步骤判断所述内燃机中的空燃比是否比一理论空燃比更稀；测量所述空燃比比所述理论空燃比更稀的状态的持续时间；以及当所述持续时间等于或大于一预定时间时，推定氧聚集量达到了所述阈值。
19.根据权利要求13所述的氧浓度检测方法，其中，所述改变施加在所述基准电极和所述测量电极之间的电压的步骤包括以下步骤当推定氧聚集量达到了所述阈值时，使施加在所述基准电极和所述测量电极之间的电压低于常规电压。
20.根据权利要求14所述的氧浓度检测方法，其中，所述改变由加热器进行加热的所述检测元件的加热温度的步骤包括以下步骤当推定氧聚集量达到了阈值时，使所述加热器的电压低于常规电压。
全文摘要
氧浓度检测装置和方法。在氧浓度检测装置中，通过在基准电极和测量电极之间施加电压来测量与所述基准电极的氧分压和所述测量电极的氧分压之间的差值相对应地产生的电动势，当检测元件的高温状态或氧过量状态持续了至少一预定时间时，降低施加到所述基准电极和所述测量电极之间的电压或加热器电压。
文档编号B62K11/00GK1637413SQ20041001153
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月26日
发明者大隈重男 申请人:株式会社日立制作所