专利名称：空燃比检测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空燃比检测设备，用于在宽范围上检测从例如内燃机的燃烧设备排放的排气的空燃比。尤其是，本发明涉及一种空燃比检测设备，其在空燃比检测设备启动以后能够对燃烧设备进行准确和快速的空燃比反馈控制。
背景技术：
对于内燃机的空燃比控制，已知一种空燃比检测设备，该设备包括用于检测从内燃机排放的排气的空燃比的气体传感器。用于该用途的已知的气体传感器包括根据排气中氧浓度(根据空燃比是富(rich)还是贫(lean))输出两种电平中的一种的传感器(λ传感器)，以及在保持线性的同时在宽的氧浓度(空燃比)范围上输出传感输出的传感器(称为全程空燃比传感器、线性空燃比传感器等；此后也称为“线性传感器”)。近年来，为了应对需要降低危险气体排放的增强的排放控制，出现了在宽范围上对提供给内燃机的空气-燃料混合物的空燃比进行控制的要求。基于这些，实施了采用线性传感器替代λ传感器，并基于线性传感器的输出进行空燃比反馈控制的技术。
顺便提及，任意的上述类型的气体传感器主要采用在固体电解质(electrolyte)的相对表面设置一对电极从而形成单元(cell)的结构。通过由于固体电解质的相对表面所暴露在的气氛(atmosphere)之间的氧浓度差异所产生的电动势，或者通过当电流在电极之间流动时氧离子经过固体电解质的移动，气体传感器检测氧浓度(空燃比)。除非固体电解质加热到一定的温度或更高并且进入所谓的激活状态，否则不会发生这些现象。因此，为了更快地激活气体传感器，并从而在内燃机启动之后基于气体传感器的输出快速地进行空燃比反馈控制，考虑在空燃比检测设备中设置加热器以加热气体传感器。
然而，即使在通过加热器加热线性传感器时，在新使用的线性传感器的单元被充分激活并且该传感器产生与线性传感器一样的稳定输出之前，需要从十秒到几十秒的非常长的时间。为了克服这种缺陷，提出了在专利文献1和2中公开的空燃比检测设备，其中使用这种线性传感器，并且在内燃机启动之后能使空燃比反馈控制快速进行。
专利文献1和2公开了用于判断线性传感器是否已经进入半激活状态的技术。在内燃机启动之后、线性传感器进入完全激活状态(完全激活状态)之前的阶段，能够基于传感器的输出判断空燃比为富侧空燃比或贫侧空燃比。在这种状态下，根据空燃比，传感器输出线性传感输出。这些公报公开了如下内容在判断为线性传感器的单元已经达到半激活状态时，基于传感输出进行空燃比是富侧空燃比还是贫侧空燃比的判断。
专利文献1日本特开平9-170997号公报专利文献2日本特开2004-69547号公报本发明要解决的问题从一个不同的方面，除了在专利文献2中公开的具有一个单元的限流型传感器之外，将泵单元和氧浓度测量单元层叠的分层型气体传感器认为是能在宽范围上检测空燃比(氧浓度)的线性传感器。更具体地，设置该分层型气体传感器使得泵和氧浓度测量单元一体地层叠，其中泵和氧浓度测量单元中的每一个由固体电解质层和一对夹着固体电解质层的电极组成。在这种配置中，每个单元的一个电极暴露于可以通过扩散控制部引入排气的测量气室(measurement gas chamber)。
对于由多个单元组成的这种线性传感器，已经研究了在内燃机启动之后快速启动空燃比反馈控制的技术。在该技术中，在传感器达到完全激活状态之前的阶段，通过使用传感器的输出进行关于空燃比为富侧空燃比或贫侧空燃比的判断。其具体的例子为在日本特愿2005-264879号中提出的传感器控制设备，在提交本申请时该专利申请尚未公开。在气体传感器达到完全激活状态之前的阶段，传感器控制设备判断包括多个单元的气体传感器(线性传感器)是否已经达到半激活状态。在判断为该气体传感器单元已经达到半激活状态之后，传感器控制设备基于在其中一个单元(例如氧浓度测量单元)的电极之间产生的电压，判断空燃比是处于富侧还是处于贫侧。
然而，通过深入的研究，本发明的发明人发现，在包括多个单元的气体传感器达到半激活状态之后，在氧浓度测量单元的电极之间所产生的电压变化对于空燃比的实际变化具有延迟，传感输出的响应性不令人满意。认为该现象的产生是由于引入测量气室的排气必须通过扩散控制部而引起的，并且由于扩散控制部的存在，在测量气室中气体的替换缓慢进行。因此，在之前的申请中所说明的传感器控制设备能从传感器控制设备启动之后、气体传感器进入完全激活状态之前的阶段开始进行反馈控制。然而考虑到更严格的增强的排放控制标准，为了进行精确的空燃比反馈控制，传感器控制设备对于一旦气体传感器达到半激活状态而产生的传感输出的空燃比的变化必须具有更高的响应性。
发明内容
基于上述问题完成了本发明，其目的在于提供一种空燃比检测设备，该设备能在气体传感器达到完全激活状态之前的阶段实现对要获得的空燃比的变化响应性高的传感输出。气体传感器包括泵单元和氧浓度测量单元，层叠为使得每个单元的一个电极暴露于通过扩散控制部引入排气的中空测量气室。
通过提供包含气体传感器的空燃比检测设备实现了本发明的上述目的。气体传感器包括泵单元，其包括夹在外泵电极和内泵电极之间的第一固体电解质层；以及氧浓度测量单元，其包括夹在测量电极和基准电极之间的第二固体电解质层。泵单元和氧浓度测量单元一体地层叠，使得内泵电极和测量电极面向通过扩散控制部引入排气的(中空的)测量气室，并且内泵电极和测量电极保持相同的电势。当气体传感器处于完全激活状态时，向泵单元提供用于将氧气泵入或泵出测量气室的电流，从而在氧浓度测量单元的测量电极和基准电极之间产生恒定的电压。这样，可以基于流过泵单元的电流在宽范围上检测排气的空燃比。空燃比检测设备的特征在于，其包括检测值获取装置，用于在空燃比检测设备启动之后并且气体传感器达到完全激活状态之前的阶段，获取泵单元的外泵电极和氧浓度测量单元的基准电极之间的电势差作为检测值；以及富贫判断装置，用于通过将该检测值与预定的空燃比阈值相比较，来判断排气的空燃比处于富侧还是贫侧。
在具有上述结构的气体传感器中，即使在完全激活状态之前的阶段，也在泵单元的电极对之间以及在氧浓度测量单元的电极对之间产生电动势(电压)。倘若气体传感器加热到一定的温度或者更高，电动势正比于每个单元的相对表面的氧浓度的差异。
在本发明的空燃比检测设备中，由于泵单元的内泵电极和氧浓度测量单元的测量电极二者都面向测量气室，它们暴露于相同的气氛。此外，内泵电极和测量电极保持相同的电势。通过测量泵单元的外泵电极和氧浓度测量单元的基准电极之间的电势差，这种结构能够获得对应于外泵电极和基准电极之间的氧浓度差异的电势(电压)。
由于外泵电极位于泵单元不面向通过扩散控制部引入排气的测量气室的一侧，因此存在于传感器外面的排气到达外泵电极比其到达面向测量气室的电极更容易。在某些情况下，为了防止中毒，在外泵电极上设置多孔状电极保护层(porous electrodeprotection layer)。然而，在本发明中，即使当设置这种电极保护层时，排气到达外泵电极也比其到达面向测量气室的电极更容易。这是因为当气体传感器处于完全激活状态下，考虑到将氧气泵入或泵出测量气室的结构，将电极保护层的气体渗透性设置得高于扩散控制部的气体渗透性。
因此，与基于氧浓度测量单元的电极之间产生的电压检测空燃比的变化的情况相比，基于外泵电极和基准电极之间的电势差可以更容易地检测空燃比的变化(气氛的变化)。在本发明中，由于获取了上述电势差，因此可以获得对空燃比的变化响应性高的传感输出。因此，通过获取泵单元的外泵电极和氧浓度测量单元的参考电极之间的电势差作为检测值，并基于该检测值判断排气的空燃比处于富侧还是贫侧，可以精确地进行关于排气的空燃比处于富侧还是贫侧的判断。
因此，本发明的空燃比检测设备在气体传感器达到完全激活状态之前的阶段，能够精确地判断排气的空燃比处于富侧还是贫侧，并在气体传感器达到完全激活状态之前的前期阶段，能够进行精确的空燃比反馈控制。
从另一方面，当检测值获取装置获取泵单元的外泵电极和氧浓度测量单元的基准电极之间的电势差作为检测值时，必须将气体传感器(换言之，泵单元和氧浓度测量单元)加热到一定的温度或更高，从而在每一个单元的电极之间产生电动势。因此，在空燃比检测设备启动后过了一定的时间之后，假设每个单元都处于达到某种程度的激活状态，通过检测值获取装置获取检测值。然而，气体传感器达到激活状态的速度随该气体传感器所暴露的环境而变化，即使当采用使用加热器加热气体传感器的结构时，由于加热器提供电压变化的影响，达到激活状态的速度也可能不同。
鉴于以上情况，优选地，空燃比检测设备还包括(i)半激活判断装置，用于判断在空燃比检测设备启动之后，气体传感器是否已达到半激活状态，在该半激活状态下能基于检测值的变化进行关于排气的空燃比处于富侧还是贫侧的判断，以及(ii)完全激活判断装置，用于判断气体传感器是否已经达到完全激活状态，其中，当半激活判断装置判断为气体传感器已经达到半激活状态并当完全激活判断装置判断为气体传感器尚未达到完全激活状态时，检测值获取装置获取检测值。
根据本发明的空燃比检测设备，在半激活判断装置判断为气体传感器已经达到半激活状态之后，且直到完全激活判断装置判断为气体传感器已经达到完全激活状态的时刻，通过检测值获取装置获取检测值。即，在半激活判断装置判断为泵单元和氧浓度测量单元已经加热到一定的温度或更高，并且这些单元已经达到在每个单元的电极之间产生了对应于氧浓度差异的电动势的激活状态之后，开始获取检测值。因此，通过使用在完全激活阶段之前的半激活阶段的检测值，富贫判断装置能够进行可靠的判断。
用于判断气体传感器是否已经达到半激活状态的半激活判断装置可以是通常与空燃比检测装置的启动同步地为安装在气体传感器上的加热器提供能量、计算提供到加热器的累积电能，并且当累积的电能达到预设的基准值时判断为气体传感器已达到半激活状态的装置。然而，为了精确地判断气体传感器是否已经达到半激活状态，希望直接使用从气体传感器所获得的输出。
鉴于以上情况，优选地，本发明的空燃比检测设备还包括电流源，其能够向氧浓度测量单元提供一定大小的恒定电流；恒定电流提供控制部，为了交替地允许电流源提供恒定电流和禁止电流源提供恒定的电流，以预定的间隔交替地进入接通和断开状态；电压检测装置，用于当恒定电流提供控制部处于接通状态时以及当恒定电流提供控制部处于断开状态时，检测在氧浓度测量单元的测量电极和基准电极之间产生电压；差异电压检测装置，用于检测当恒定电流提供控制部处于接通状态时和当恒定电流提供控制部处于断开状态时，通过电压检测装置检测的电压之间的差异的差异电压，其中，半激活判断装置将通过差异电压检测装置检测的差异电压与预定的电压判断阈值相比较，当差异电压小于电压判断阈值时，判断为气体传感器达到半激活状态。
在本发明的空燃比检测设备中，检测当电流源接通时所检测到的电压和电流源断开时所检测到的电压之间的差异的差异电压，并通过将该差异电压和预设的电压判断阈值相比较，进行关于气体传感器是否达到半激活状态的判断。由于通过直接检测来自气体传感器(更具体地，氧浓度传感器单元)的输出来进行关于气体传感器是否已达到半激活状态的判断，因此能够精确地检测在气体传感器由非激活状态转变到完全激活状态的过程中出现的半激活状态。
优选地，在上述空燃比检测设备中，用于相对于外部环境遮蔽氧浓度测量单元的基准电极的遮蔽层层叠在气体传感器的设置基准电极的一侧。此外，空燃比检测设备还包括基准源产生电流控制部，用于使恒定电流沿着使氧气从测量气室泵入基准电极的方向从电流源流到氧浓度测量单元，从而使由遮蔽层遮蔽的基准电极用作内部氧气基准源。
在本发明的空燃比检测装置中，以下两个目的使用通用的电流源即，向氧浓度测量单元提供恒定电流，从而在氧浓度测量单元的基准电极上积累预定浓度的氧气，从而使得基准电极起到内部氧气基准源的作用；向氧浓度测量单元提供恒定的电流，从而判断气体传感器是否处于半激活状态。这样，不需要提供多个电流源即可进行驱动气体传感器和判断传感器是否处于半激活状态的任务，因此可以降低空燃比检测设备的成本。
优选地，上述空燃比检测设备还包括元件电阻检测装置，用于检测泵单元或氧浓度测量单元的内阻，其中，当由元件电阻检测装置检测到的内阻低于预设的电阻判断阈值时，完全激活判断装置判断为气体传感器已经达到完全激活状态。
在检测泵单元或氧浓度测量单元的内阻的情况下，可以精确地进行关于气体传感器是否已达到完全激活状态的判断。
图1是示意性地示出空燃比检测设备的结构的电路框图。
图2是示意性地示出构成空燃比检测设备的全程空燃比传感器(气体传感器)的结构的图。
图3是示出由构成空燃比检测设备的微型计算机的CPU所进行的处理的内容的流程图。
图4是示出通过微型计算机的CPU在图3的处理之后所进行的处理的内容的流程图。
具体实施例方式
以下参考附图，详细说明本发明的优选实施例。然而，不应该认为本发明局限于此。
图1是装备有双单元型、全程空燃比传感器10的空燃比检测设备1的电路框图，该全程空燃比传感器10包括泵单元14和氧浓度测量单元24。
如图1所示，用于检测例如汽油机或柴油机的内燃机所排放的排气的空燃比的空燃比检测设备1包括全程空燃比传感器10；传感器控制电路20，用于驱动和控制全程空燃比传感器10，并输出对应于空燃比的输出信号；以及微型计算机30，用于基于该输出信号检测空燃比并控制内燃机(更具体地，控制燃料的喷射量)。传感器控制电路20的端子Ip+1、COM1、Vs+1连接到全程空燃比传感器10。特别地，将在下面说明传感器控制电路20的上述端子所连接的全程空燃比传感器10的端子。传感器控制电路20的端子CA、CB、CC、CI和CU连接到微型计算机30的端子CE、CG、CF、CT和CV。
如图2所示，全程空燃比传感器10包括泵单元14，其包括夹在外泵电极12和内泵电极16之间的第一固体电解质层15；氧浓度测量单元24，其包括夹在测量电极22和基准电极28之间的第二固体电解质层13；中空的测量气室21，其设置在泵单元14和氧浓度测量单元24之间，并向其中引入排气；多孔状的扩散控制层18，用于将排气引入到测量气室21中；以及遮蔽层31，通过绝缘层26层叠在氧浓度测量单元24的表面上，其中设置了基准电极28以形成用于在遮蔽层31和氧浓度测量单元24之间积累氧气的氧基准室32。此外，为了防止外泵电极12中毒，在泵单元14的外表面设置多孔状电极保护层34。特别地，适当地调整电极保护层34的孔隙率和厚度，使得电极保护层34比扩散控制层18表现出更高的气体渗透性。
泵单元14的内泵电极16和氧浓度测量单元24的测量电极22将设置为面向测量气室21。第一固体电解质层15、第二固体电解质层13、和遮蔽层31中的每一个主要是由用氧化钇部分稳定的氧化锆形成的。外泵电极12、内泵电极16、测量电极22和基准电极28中的每一个主要是由铂形成的。测量气室21是通过部分地去除主要由氧化铝形成并设置在泵单元14和氧浓度测量单元24之间的绝缘层(未示出)而形成的中空部分。切割并去除一部分绝缘层，从而形成用于建立中空部分和外部空间之间连通的通道，在该通道内设置主要由氧化铝形成的扩散控制层18。
泵单元14的内泵电极16和氧浓度测量单元24的测量电极22相互连接，并连接到全程空燃比传感器10的输出端子COM。即，假设内泵电极16和测量电极22具有相同的电势。该输出端子COM连接到传感器控制电路20的端子COM1(见图1)。特别地，如图1所示，内泵电极16和测量电极22不仅连接到端子COM1，而且通过公用配线连接到传感器控制电路20的端子Vc。此外，泵单元14的外泵电极12连接到全程空燃比传感器10的输出端子Ip+，氧浓度测量单元24的基准电极28连接到全程空燃比传感器10的输出端子Vs+。该输出端子Ip+和Vs+分别连接到传感器控制电路20的端子Ip+1和Vs+1。
如图1所示，微型计算机30包括第一A/D转换电路57、第二A/D转换电路58、第三A/D转换电路59、第四A/D转换电路63和CPU 60。该A/D转换电路57、58、59和63通过微型计算机30的端子CE、CG、CF和CV接收来自传感器控制电路20的输出信号，并在将它们转换为数字值之后将它们输出到CPU 60。基于传感器控制电路20的数字化的输出信号，CPU 60计算空燃比或氧浓度测量单元24的内阻等。如下所述，微型计算机30(更具体的，CPU 60)也通过传感器控制电路20的端子CT到CI输出用于打开(on，接通)和关闭(off，断开)包含在传感器控制电路20中的开关SW1到SW6的开关信号。
接下来，通过参考图1说明传感器控制电路20的结构和操作。特别地，传感器控制电路20的主要部分通过专用集成电路(ASIC)实现。
传感器控制电路20包括运算放大器52，用于向泵单元14提供泵电流Ip；PID控制电路51，用于改善泵电流Ip的控制特性；第一电流源41，用于向氧浓度测量单元24提供极小的电流Icp，从而在氧浓度测量单元24的基准电极28处保持恒定的氧浓度(换言之，在氧基准室32的氧浓度)；恒定电压源61，用于提供用作控制泵电流Ip的控制目标的电压；以及检测电阻器50，其相对的两端分别连接到端子Vc和Pout，并将流过泵单元14的泵电流Ip转换为电压。传感器控制电路20还包括第一差动放大电路53，用于以预定的放大因子放大在端子Ip+1的电势和端子Vs+1的电势之间的差的差动电压，并将结果作为气体检测信号Vic输出；以及第二差动放大电路54，用于以预定的放大因子放大检测电阻器50两端的电压(在端子Vc的电势和端子Pout的电势之间的差)，并将结果作为气体检测信号Vip输出。此外，传感器控制电路20包括第四差动放大电路71，用于以预定的放大因子放大在端子Vs+1的电势和端子Vc的电势之间的差的差动电压，并输出在氧浓度测量单元24的电极之间产生的电压Vs。特别地，由于第一差动放大电路53、第二差动放大电路54和第四差动放大电路71中的每一个都具有包含运算放大器和电阻器的已知的电路结构，所以在图1中以方框的形式将它们示出。
以第一电流源41、开关SW4、氧浓度测量单元24、和电阻器62的顺序将它们连接，从而当开关SW4打开时，形成向氧浓度测量单元24提供极小的恒定电流Icp(例如16μA)的电流路径。当极小的电流Icp沿某一方向流过氧浓度测量单元24，使得测量气室21内的氧气泵入到基准电极28侧时，氧基准室32用作内部氧气参考源。
PID控制电路51具有已知的电路结构，包括用于确定PID控制电路51的控制特性的多个电阻器和电容器，以及运算放大器等。PID控制电路51的一端(输入侧)通过差动放大电路连接到端子Vs+1，该差动放大电路包括第一缓存器42、开关SW3、电阻器43和45、第二缓存器46、电阻47和48以及运算放大器69。PID控制电路51的另一端(输出侧)通过开关SW1连接到端子Pout。特别地，设置在PID控制电路51的前级、形成差动放大电路的运算放大器69的反向输入端连接到电阻器47和49之间的连接点，运算放大器69的正向输入端通过未示出的电阻器连接到端子Vc。恒压源61通过第三缓存器65和电阻器49向运算放大器69的反向输入端提供用作控制泵电流的控制目标的电压(450mV)。此外，PID控制电路51的输出通过检测电阻器50连接到运算放大器52的反向输入端；3.6V的基准电压施加到运算放大器52的正向输入端；运算放大器52的输出端通过开关SW2连接到端子Ip+1。
以全程空燃比传感器10处于完全激活状态的情况为例来说明用于在宽范围上测量氧浓度(空燃比)的传感器控制电路20的操作。
当全程空燃比传感器10达到完全激活状态时，打开开关SW1到SW4，使得极小的电流Icp从第一电流源41流到氧浓度测量单元24。PID控制电路51接收来自运算放大器69的输出端的输出，并通过PID控制来控制泵电流Ip的大小，使得在氧浓度测量单元24两端产生的电压Vs变为450mV。更具体地，通过PID处理，PID控制电路51计算在氧浓度测量单元24两端产生的电压Vs从控制目标电压450mV的偏差ΔVs，该偏差ΔVs通过检测电阻器50反馈到运算放大器52，从而泵电流Ip在泵单元14的电极之间流动，氧气从测量气室21泵出或泵入测量气室21(见图2)。
由于泵电流Ip的大小和电流方向根据排气的空燃比(氧浓度)而变化，因而基于泵电流Ip可以在宽范围上检测排气中的氧浓度。特别地，泵电流Ip通常正比于排气的空燃比(氧浓度)而变化。更具体地，由于检测电阻器50位于泵电流Ip流经的电流路径中，所以在检测电阻器50相对的两端之间产生大小对应于泵电流Ip的检测电压。鉴于此，通过第二差动放大电路54差动放大在检测电阻器50的相对端的电势(更具体地，在端子Vc的电势和端子Pout的电势)，被放大的电势差通过端子CB输出到微型计算机30作为气体检测信号Vip。从传感器控制电路20的端子CB输出的气体检测信号Vip提供到微型计算机30的端子CG，并通过第二A/D转换电路58转换为数字值。通过CPU 60处理该数字值，从而检测空燃比。通过CPU 60检测的空燃比反馈到燃料喷射量，从而进行空燃比反馈控制。
以上说明针对全程空燃比传感器10处于完全激活状态，即处于普通状态的情况。实际上，除非充分加热全程空燃比传感器10，否则无法进行上述利用气体检测信号Vip的空燃比反馈控制。鉴于上述情况，为了消除不能进行空燃比反馈控制的状态，本实施例的空燃比检测设备1包括如下处理系统该系统能够在全程空燃比传感器10达到完全激活状态之前的阶段，判断排气的空燃比相对于理论空燃比处于富侧还是处于贫侧。当在全程空燃比传感器10达到完全激活状态之前的阶段获取了关于排气是富还是贫的信息、并将此信息用于空燃比反馈控制时，可以在内燃机启动之后快速地启动空燃比反馈控制。特别地，在本实施例中，基于气体检测信号Vic进行关于排气的空燃比处于富侧还是贫侧的判断，该气体检测信号Vic是从设置在传感器控制电路20中的第一差动放大电路53输出的，并通过预定的放大因子将在端子Vs+1的电势和端子Ip+1的电势之间的差放大所获得的。下面将对此进行更详细的说明。
本实施例的空燃比检测设备1还包括用于测量氧浓度测量单元24的内阻的处理系统。
如图1所示，在传感器控制电路20中，第二缓存器46与开关SW3和电容器44一起构成采样保持电路。在开关SW4打开并且极小的电流Icp流过氧浓度测量单元24的状态下，当开关SW3关闭时，紧挨在提供用于测量氧浓度测量单元24的内阻的电流之前，采样保持电路保持在氧浓度测量单元24两端产生的电压Vs。
当开关SW3关闭时，开关SW5和SW6打开，因此从第二电流源64和第三电流源73向氧浓度测量单元24提供具有预定大小的用于测量电阻的电流。第三差动放大电路55以预定的放大因子放大由第二缓存器46保持的保持值VS H(紧接在提供用于测量电阻的电流之前，在氧浓度测量单元24的两端产生的电压Vs)和当用于测量电阻的电流提供到氧浓度测量单元24时的电势Vs+B之间的差异。由于从差动放大电路55输出的放大的差动电压正比于氧浓度测量单元24的内阻(体电阻)，放大的差动电压能被用作电阻信号Vrpvs。从第三差动放大电路55输出的电压提供到信号保持电路56。由于第三差动放大电路55具有包含运算放大器和电阻器的已知的电路结构，因此在图1中使用方框的形式对其进行表示。
信号保持电路56具有包括电容器和开关的已知的电路结构。当打开设置在信号保持电路56中的开关时，信号保持电路56开始其保持从第三电压放大电路55输出的电压的峰值的操作。在开关打开后过了一段预定的时间，当开关关闭时，信号保持电路56保持从第三差动放大电路55输出的电压的峰值作为电阻信号Vr，并将所保持的电阻信号Vr输出到端子CC。
从端子CC输出的电阻信号Vr通过微型计算机30的端子CF提供到第三A/D转换电路59，并转换为数字值。通过CPU 60处理该数字值，从而检测氧浓度测量单元24的内阻，并将该内阻与预定的电阻判断阈值相比较，从而判断全程空燃比传感器10是否已经达到完全激活状态。下面将说明在微型计算机30中的处理的内容。
接下来，参考图3和图4说明，在根据本实施例的空燃比检测设备1中所进行的在全程空燃比传感器10达到完全激活状态之前的阶段判断排气的空燃比处于富侧还是贫侧的方法的具体步骤，以及判断全程空燃比传感器10是否达到完全激活状态的方法的具体步骤。特别地，图3和图4示出了在构成空燃比检测设备1的一部分的微型计算机30的CPU 60中进行的软件处理的流程。当通过点火键启动内燃机时，开始通过微型计算机30的处理。
如图3所示，在S1中(S代表步骤，这将应用于下述步骤)，CPU60首先通过端子CT将用于打开开关SW4、并用于关闭开关SW1到SW3、SW5和SW6以及信号保持电路56的开关的开关信号输出到传感器控制电路20的端子CI。结果，将极小的电流Icp从第一电流源41提供到氧浓度测量单元24。在S2中，CPU 60获取从第四差动放大电路71和端子CU输出的电势(即，在氧浓度测量单元24的电极之间产生的电压Vs)。更具体地，在微型计算机30中，通过第四A/D转换电路63将经由端子CV输入的电压转换为数字值，并通过CPU 60读取该数字值。此外，在S2中，转换为数字值的电压Vs保持在存储器(图1中未示出)中。
在S3中，过了预定的时间之后(在上述具有50％的占空比的10Hz的开关操作的情况下，过了50msec)，CPU 60关闭开关SW4。然后，CPU 60进行到S4，与在S2中一样，获取经由第四差动放大电路71和端子CU输出的电压Vs(即，在氧浓度测量单元24的电极之间产生的电压Vs)。此外，在S5中，CPU 60计算在上述S2中保持的电压Vs与在S4中检测到的电压Vs之间的差异电压ΔV。
然后CPU 60进行到S6，比较在S5中计算的差异电压ΔV和预设的电压判断阈值TH1。当在S6中判断为差异电压ΔV不小于电压判断阈值TH1时，CPU 60进行到S7，在过了预定的时间(50msec)之后打开开关SW4，从而将极小的电流Icp提供到氧浓度测量单元24。此后，CPU 60重复S2及其后面的步骤。
同时，当在S6中判断为差异电压ΔV已经小于电压判断阈值TH1时，CPU 60判断为全程空燃比传感器10已经到达半激活状态，在该半激活状态中可以基于从第一差动放大电路53输出的气体检测信号Vic的变化进行关于排气的空燃比处于富侧还是贫侧的判断。在这种情况下，CPU 60进行到S8，打开开关SW4，从而将极小的电流Icp提供到氧浓度测量单元24，并打开开关SW3。
接下来，在S9中，CPU 60获取从第一差动放大电路53输出的气体检测电压Vic；即，作为以预定的放大因子放大端子Ip+1的电势(即泵单元14的外泵电极12的电势)和端子Vs+1的电势(即，氧浓度测量单元24的基准电极28的电势)之间的差异的结果所获取的电压。更具体地，在微型计算机30中，通过第一A/D转换电路57将经由端子CE输入的电压转换为数字值，并通过CPU 60读取。
然后，CPU 60进行到S10，比较所获取的气体检测信号Vic和对应于理论空燃比的空燃比阈值TH2。当在S10中，判断为气体检测信号Vic小于空燃比阈值TH2时，CPU 60进行到S11，并判断为“空燃比处于贫侧”。同时，当在S10中判断为气体检测信号Vic不小于空燃比阈值TH2时，CPU 60进行到S12，并判断为“空燃比处于富侧”。
然后CPU 60进行到S13，判断在下一步骤S14中提及的计时器是否已经开始计时操作。当在S13中CPU 60判断为计时器的计数值为零并且计时操作尚未开始时，在S14中，CPU 60通过计时器开始计时操作，然后进行到S15。同时，当在S13中CPU 60判断计时已经开始时，CPU 60进行到S15。在S15中，CPU 60判断计时器是否已经计时了用于测量氧浓度测量单元24的内阻的测量时间TT(例如，计时器启动之后100msec)。当还没有经过测量时间TT时，CPU 60返回S9，重复S9和后续步骤的处理，直到在S15中得到肯定的判断。当在S15中判断为计时器已经计时了测量时间TT时，CPU 60进行到图4所示的S16。在S16中，CPU 60关闭开关SW3，打开信号保持电路56的开关(在图1中未示出)。接下来，在S17中，CPU 60打开开关SW5和SW6，从而从第二电流源64和第三电流源73向氧浓度测量单元24提供用于测量电阻的恒定的电流，然后进行到S18。
在S18中，CPU 60判断在开关SW5和SW6打开之后是否已经过了第一预定时间(例如，60μsec)。当尚未经过第一预定时间时，CPU 60重复S18的处理。当在S18中CPU 60判断为已经过了第一预定时间时，在S19中，CPU 60关闭信号保持电路56的开关。结果，信号保持电路56保持此时从第三差动放大电路输出的电压的峰值(作为以预定的放大因子放大由第二缓存器46保持的保持值VSH和当用于测量电阻的电流提供到氧浓度测量单元24时的电势Vs+B之间差异的结果而获得的电压)。
接下来，在S20中，CPU 60判断在开关SW5和SW6打开之后，是否已经过了第二预定时间(例如，100μsec)。当尚未经过第二预定时间时，CPU 60重复S20的处理。当在S20中CPU 60判断为已经过了第二预定时间时，在S21中，CPU 60关闭开关SW5和SW6，然后进行到S22。在S22中，CPU 60获取从信号保持电路56输出的电阻信号Vr，并基于所获取的电阻信号的电压Vr和从第二和第三电流源64和73提供的电流计算氧浓度测量单元24的内阻Rpvs。此后，CPU 60进行到S23，并打开开关SW3。
然后CPU 60进行到S24，比较在S22中检测的内阻Rpvs和预设的电阻判断阈值TH3(例如，220Ω)。当在S24中判断为内阻Rpvs小于电阻判断阈值TH3时，CPU 60判断为全程空燃比传感器10已经达到了完全激活状态，并进行到S25。同时，当在S24中判断为内阻Rpvs不小于电阻判断阈值TH3时，CPU 60判断为全程空燃比传感器10尚未达到完全激活状态，进行到S26，从而复位计时器的计时时间；即，设置计时器的计数值为零，然后返回S13(见图3)。
当CPU 60进行到S25时，对于全程空燃比传感器10已经达到完全激活状态的情况，CPU 60开始上述普通操作；例如打开开关SW1和SW2。这样，在该时间点后，基于从传感器控制电路20的第二差动放大电路54输出的气体检测信号Vip，可以在宽范围上检测空燃比(氧浓度)，并基于所检测的空燃比进行适当的空燃比反馈控制。特别地，由于上面已经详细地说明了全程空燃比传感器10达到完全激活状态的情况下的处理，所以从本流程图的说明中省略对其的说明。重复执行S25的处理，直到通过点火键停止内燃机(换言之，直到空燃比检测设备1停止)。
在本实施例的空燃比检测设备1中，第一差动放大电路53、第一A/D转换电路57和在CPU 60中S9的处理对应于检测值获取部件，在CPU 60中S10到S12的处理对应于贫-富检测部件。在CPU60中S1到S7的处理对应于半激活判断部件。此外，在CPU 60中S1、S3和S7的处理对应于恒定电流提供控制部；第四差动放大电路71、第四A/D转换电路63和CPU 60中S2和S4的处理对应于电压检测部件；S5的处理对应于差异电压检测部件。此外，在CPU 60中S8的处理对应于参考源产生电流控制部；第三差动放大电路55、信号保持电路56、第三A/D转换电路59和CPU 60中S13到S23的处理对应于元件电阻检测部件；S24的处理对应于完全激活判断部件。
如上所述，空燃比检测设备1基于差异电压ΔV判断在设备1启动之后全程空燃比传感器10是否已经达到半激活状态，在该半激活状态中可以基于气体检测信号Vic的变化进行关于排气的空燃比处于富侧还是贫侧的判断。当判断为全程空燃比传感器10已经达到半激活状态时，将气体检测信号Vic与预定的空燃比阈值TH2比较，从而判断排气的空燃比处于富侧还是贫侧。因此，即使在全程空燃比传感器10达到完全激活状态之前，也可以实现空燃比反馈控制。
此外，在空燃比检测设备1中，在全程空燃比传感器10达到上述半激活状态之后，通过第一差动放大电路53获取泵单元14的外泵电极12与氧浓度测量单元24的基准电极28之间的电势差，作为气体检测信号Vic。外泵电极12不面向通过扩散控制层18引入排气的测量气室，设置在外泵电极12上的电极保护层34具有比扩散控制层18高的气体渗透率。因此，排气到达外泵电极12比其通过扩散控制层18到达测量气室21更容易。因此，与基于在氧浓度测量单元24的电极之间产生的电压检测空燃比的变化的情况相比，基于外泵电极12和基准电极28之间的电势差可以更容易地检测空燃比的变化(气氛的变化)。因此，由于空燃比检测设备1获取上述电势差，所以可以获得对于空燃比的变化具有高响应度的传感输出，并可以准确地进行关于空燃比处于富侧还是贫侧的判断。
通过上述特征，本实施例的空燃比检测设备1允许内燃机从全程空燃比传感器10达到完全激活状态之前的阶段开始进行精确的空燃比反馈控制。
尽管以上说明了本发明的实施例，但是本发明不局限于该实施例，可以在不脱离本发明技术范围的情况下做出任意的不同形式。
例如，在实施例中，为了检测泵单元14的外泵电极12与氧浓度测量单元24的基准电极28之间的电势差，使用第一差动放大电路53。然而，可以采用如下结构外泵电极12的电势(在端子Ip+1的电势)和基准电极28的电势(在端子Vs+1的电势)可以独立地提供到微型计算机30，在该微型计算机30中，微型计算机30的CPU60检测这两个电势的差作为检测值，并将该检测值与空燃比阈值TH2相比较。
在上述实施例中，为了在控制排气的流量的同时将排气引入全程空燃比传感器10的测量气室21，设置多孔状扩散控制层18。代替设置扩散控制层，可以在泵单元14和氧浓度测量单元24之间所设置的绝缘层上设置小孔，从而在控制排气的流量的同时将排气引入测量气室21。
尽管在以上实施例中没有进行说明，但为了快速地激活全程空燃比传感器10，将加热器安装在全程空燃比传感器10上。可以修改实施例，通过使用加热器来判断全程空燃比传感器10是否处于完全激活状态。更具体地，在开始对加热器提供电压之后，检测提供到加热器的累积的电能，并且当累积的电能达到预设的值时，判断为全程空燃比传感器10已经达到完全激活状态。
本申请基于2005年11月28日提交的日本专利申请2005-342937，其全部内容通过引用并入本文，就像在此详细写出这些内容那样。
附图标记说明1空燃比检测设备10全程空燃比传感器(气体传感器)12外泵电极13第二固体电解质层14泵单元15第一固体电解质层16内泵电极18扩散控制层20传感器控制电路21测量气室22测量电极24氧浓度测量单元28基准电极
30微型计算机31遮蔽层32氧基准室41第一电流源50检测电阻器51PID控制电路53第一差动放大电路54第二差动放大电路55第三差动放大电路56信号保持电路57第一A/D转换电路58第二A/D转换电路59第三A/D转换电路60CPU64第四A/D转换电路71第四差动放大电路
权利要求
1.一种空燃比检测设备，其包含气体传感器，所述气体传感器包括测量气室，排气经由扩散控制部被引入所述测量气室；泵单元，其包括外泵电极、面对所述测量气室的内泵电极、以及夹在所述外泵电极和所述内泵电极之间的第一固体电解质层，氧浓度测量单元，其包括面对所述测量气室并保持在与所述内泵电极相同的电势的测量电极、基准电极、以及夹在所述测量电极和所述基准电极之间的第二固体电解质层，所述泵单元与所述氧浓度测量单元一体地层叠，以及如下装置当所述气体传感器处于完全激活状态时，向所述泵单元提供用于将氧气泵入或泵出所述测量气室的电流，使得在所述氧浓度测量单元的所述测量电极和所述基准电极之间产生恒定的电压，并可基于流过所述泵单元的电流来检测引入所述测量气室的排气的空燃比，所述空燃比检测设备还包括检测值获取装置，用于在所述空燃比检测设备启动之后并且所述气体传感器达到所述完全激活状态之前的阶段，获取所述泵单元的所述外泵电极和所述氧浓度测量单元的所述基准电极之间的电势差的检测值；以及富贫判断装置，用于通过将所述检测值与预定的空燃比阈值相比较，来判断排气的所述空燃比处于富侧还是贫侧。
2.根据权利要求1所述的空燃比检测设备，其特征在于，所述空燃比检测设备还包括半激活判断装置，用于判断在所述空燃比检测设备启动之后，所述气体传感器是否已经达到半激活状态，在所述半激活状态中能基于所述检测值的变化进行关于排气的所述空燃比处于所述富侧还是所述贫侧的判断，以及完全激活判断装置，用于判断所述气体传感器是否已经达到所述完全激活状态，其中，当所述半激活判断装置判断为所述气体传感器已经达到所述半激活状态并且当所述完全激活判断装置判断为所述气体传感器尚未达到所述完全激活状态时，所述检测值获取装置获取所述检测值。
3.根据权利要求2所述的空燃比检测设备，其特征在于，所述空燃比检测设备还包括电流源，其能够向所述氧浓度测量单元提供一定大小的恒定电流；恒定电流提供控制部，其为了交替地允许所述电流源提供所述恒定电流和禁止所述电流源提供所述恒定电流，以预定的间隔交替地进入接通和断开状态；电压检测装置，用于检测当所述恒定电流提供控制部处于所述接通状态时和当所述恒定电流提供控制部处于所述断开状态时，在所述氧浓度测量单元的所述测量电极和所述基准电极之间产生的电压；差异电压检测装置，用于检测当所述恒定电流提供控制部处于所述接通状态时和当所述恒定电流提供控制部处于所述断开状态时通过所述电压检测装置检测到的电压之间的差异的差异电压，其中，所述半激活判断装置将由所述差异电压检测装置检测到的所述差异电压与预设的电压判断阈值相比较，当所述差异电压小于所述电压判断阈值时，判断为所述气体传感器已达到所述半激活状态。
4.根据权利要求3所述的空燃比检测设备，其特征在于，所述空燃比检测设备还包括遮蔽层，用于遮蔽相对于所述气体传感器在外部的所述氧浓度测量单元的所述基准电极，所述遮蔽层层叠在所述气体传感器的设置所述基准电极的一侧；以及基准源产生电流控制部，用于使所述恒定电流沿着使氧气从所述测量气室泵到所述基准电极的方向从所述电流源流到所述氧浓度测量单元，从而使由所述遮蔽层遮蔽的所述基准电极用作内部氧气基准源。
5.根据权利要求2所述的空燃比检测设备，其特征在于，所述空燃比检测设备还包括元件电阻检测装置，用于检测所述泵单元或所述氧浓度测量单元的内阻，其中，所述完全激活判断装置当由所述元件电阻检测装置检测到的所述内阻低于预设的电阻判断阈值时，判断为所述气体传感器已经达到所述完全激活状态。
6.一种空燃比检测设备，其包含气体传感器，所述气体传感器包括测量气室，排气经由扩散控制部引入所述测量气室；泵单元，其包括外泵电极、面对所述测量气室的内泵电极、以及夹在所述外泵电极和所述内泵电极之间的第一固体电解质层，以及氧浓度测量单元，其包括面对所述测量气室并保持在与所述内泵电极相同的电势的测量电极、基准电极、以及夹在所述测量电极和所述基准电极之间的第二固体电解质层，所述泵单元与所述氧浓度测量单元一体地层叠，其中，当所述气体传感器处于完全激活状态时，用于将氧气泵入或泵出所述测量气室的电流被提供到所述泵单元，使得在所述氧浓度测量单元的所述测量电极和所述基准电极之间产生恒定的电压，并可基于流过所述泵单元的电流检测引入所述测量气室的排气的空燃比，以及在所述空燃比检测设备启动之后并且所述气体传感器达到所述完全激活状态之前的阶段，通过将如下检测值与预定的空燃比阈值相比较来判断排气的所述空燃比处于富侧还是贫侧的装置，所述检测值是所述泵单元的所述外泵电极和所述氧浓度测量单元的所述基准电极之间的电势差。
全文摘要
一种空燃比检测设备，使用从端子(CU)输出的气体检测电压Vs，判断在空燃比检测设备(1)启动之后，全程空燃比传感器(10)是否已经达到半激活状态，在所述半激活状态下能基于气体检测信号Vic的变化判断空燃比处于富侧还是贫侧。在判断为传感器达到半激活状态后，将信号Vic与阈值相比较，判断空燃比处于富侧还是贫侧。在设备(1)中，通过第一差动放大电路(53)获取泵单元(14)的外泵电极与氧浓度测量单元(24)的基准电极之间的电势差作为气体检测信号Vic，信号Vic对排气的空燃比的变化的响应度高。
文档编号G01N33/00GK1975402SQ20061015031
公开日2007年6月6日 申请日期2006年10月26日 优先权日2005年11月28日
发明者平岩雅道, 川合尊, 寺本谕司, 森茂树, 稻垣浩 申请人:日本特殊陶业株式会社