内燃发动机的制作方法

本发明涉及一种内燃发动机。

背景技术：

通常，例如，如日本专利未审定公开No.2009-281974中所公开的，已知一种检测内燃发动机等中产生的微粒物质——更具体为由碳组成的烟灰——的烟灰检测装置。这种微粒物质一般被简称为“PM”。根据该公报的烟灰检测装置包括诸如稳定氧化锆的氧离子传导体、加热氧离子传导体的加热装置、测量由于烟灰的燃烧而改变的氧浓度的第一氧浓度测量部。

氧离子传导体的温度被控制为烟灰残存并且利用通过泵送供给的氧(活性氧)实现烟灰的燃烧的温度。在检测到烟灰时，电压施加至氧离子传导体的两个电极之间以执行氧的泵送，并且通过使用泵送的氧，烟灰在受控温度下燃烧。由于第一氧浓度测量部发出指示氧浓度的输出(例如，电流值)，所以能利用该输出进行烟灰的检测(烟灰量等的计算)。然而，上述常规技术通过在将控制温度保持在一定范围内的同时向氧离子传导体的电极之间施加电压来进行氧泵送，并且不刻意地改变控制温度。

[引用清单]

[专利文献]

[PTL 1]：日本特开专利No.2009-281974

[非专利文献]

[NPL 1]Ming Li等人，“A family of oxide ion conductors based on the ferroelectric perovskite Na0.5Bi0.5TiO3”(基于钙铁矿型铁电体Na0.5Bi0.5TiO3的氧化物离子传导体族),NATURE MATERIALS，VOL 13，2014年1月

[NPL 2]Koichiro Fukuda等人，“Crystal Structure and Oxide-Ion Conductivity along c-Axis of Si-Deficient Apatite-Type Lanthanum Silicate”(贫硅磷灰石型硅酸镧沿c轴的晶体结构和氧化物离子传导性)，CHEMISTRY OF MATERIALS,2013,25,2154-2162

[NPL 3]Hideki Yoshioka等人，“Ionic conductivity and fuel cell properties of apatite-type lanthanum silicates doped with Mg and containing excess oxide ions”(掺杂锰且含过量氧化物离子的磷灰石型硅酸镧的离子传导性和燃料电池特性)，Solid State Ionics179(2008)2165-2169

根据近年的研究成果，例如如上述非专利文献1至3中所示，已发现在比较低的温度下指示高氧离子传导性的固体电解质材料。使用非专利文献1至3中所示的固体电解质材料的氧浓度传感器在低温下可发挥与常规氧浓度传感器的活性温度时同等的性能。也就是说，如上所述的固体电解质材料用于氧浓度传感器中，藉此氧浓度传感器的活性温度可比诸如氧化锆的常规材料降低得多，并且氧浓度传感器可在比PM燃烧温度低的温度下活性化。因此，本申请的发明人已发现能利用像这样的在低温下处于活性状态的氧浓度传感器以高精度检测PM的新颖技术。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种能利用氧浓度传感器以良好的精度进行PM检测的内燃发动机。

根据本发明的一方面的内燃发动机包括：氧浓度传感器；和控制装置，所述控制装置执行基于所述氧浓度传感器的输出值来检测PM的PM检测控制。所述氧浓度传感器设置在排气通路中。所述氧浓度传感器在比PM燃烧温度低并且预先设定的第一温度和在所述PM燃烧温度以上并且预先设定的第二温度下处于活性状态。所述PM检测控制配置成(i)取得所述氧浓度传感器处于所述第一温度时所述氧浓度传感器的第一输出值和所述氧浓度传感器处于所述第二温度时所述氧浓度传感器的第二输出值中的一个输出值，(ii)在取得所述一个输出值之后取得所述第一输出值和所述第二输出值中的另一个输出值，(iii)基于所述第一输出值与所述第二输出值之差或之比来检测PM。所述第二输出值在所述氧浓度传感器达到所述第二温度的同时或在所述氧浓度传感器升温至所述第二温度发生之后预先设定的预定时间经过时取得。

在本发明的上述方面中，可设置用于将所述氧浓度传感器加热至所述第二温度的加热器。所述PM检测控制可配置成在取得所述第一输出值之后利用所述加热器将所述氧浓度传感器加热至所述第二温度，并且在通过所述加热器加热至所述第二温度之后，所述PM检测控制可取得在所述预定时间经过时的所述氧浓度传感器的输出值作为所述第二输出值。

所述控制装置可配置成执行PM再生控制。所述PM再生控制可配置成在利用所述加热器将所述氧浓度传感器加热至所述第二温度之后当在所述第一温度下所述氧浓度传感器的输出值与在所述第二温度下所述氧浓度传感器的输出值之差或之比大于预先设定的值时控制所述加热器以将所述氧浓度传感器维持在所述PM燃烧温度以上。

所述控制装置可配置成在执行所述PM检测控制之后在预先设定的预定时间经过之前不进行下一次的所述PM检测控制。所述控制装置可配置成执行随着前一次的所述PM检测控制中所述第二输出值相对于所述第一输出值的下降量越小而将所述预定时间设定为越长的时间设定控制。

所述控制装置可配置成在燃料切断期间、怠速运转期间和怠速停止期间中的至少一个期间中执行所述PM检测控制。

所述控制装置可配置成在所述内燃发动机的运转条件对应于所述氧浓度传感器易于被水覆盖的预先设定的条件时不执行所述PM检测控制。

所述PM检测控制可配置成随着检测出的下降量越大而计算出越大的PM的量。所述检测出的下降量是在所述第二温度时的所述氧浓度传感器的输出值相对于在所述第一温度时的所述氧浓度传感器的输出值的下降量。

根据本发明的上述方面，氧浓度传感器在第一温度和第二温度两者下都是活性的，并且用于PM检测中的多个传感器输出值全都以高精度与氧浓度相关。因此，能以高精度测定伴随PM燃烧的氧浓度变化，并且能以良好的精度进行PM检测。

附图说明

[图1]图1是示出根据本发明的实施方式的内燃发动机的示意图。

[图2]图2是示出根据本发明的实施方式的发动机所包括的A/F传感器的视图。

[图3]图3是用于说明根据本发明的实施方式的PM检测方法的图。

[图4]图4是示出在根据本发明的实施方式的发动机中执行的PM检测控制的内容的流程图。

[图5]图5是示出在根据本发明的实施方式的发动机中执行的PM再生控制的内容的流程图。

[图6]图6是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的PM检测要求判定的内容的流程图。

[图7]图7是根据本发明的实施方式的设定在发动机10中执行PM检测控制的间隔的脉谱图的一个例子。

[图8]图8是示出判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。

[图9]图9是示出判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。

[图10]图10是示出判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。

[图11]图11是示出判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。

[图12]图12是示出根据本发明的实施方式的发动机的运转动作的例子的时间图。

[图13]图13是示出根据本发明的实施方式的发动机的运转动作的例子的时间图。

[图14]图14是示出根据本发明的实施方式的发动机的运转动作的例子的时间图。

[图15]图15是示出根据本发明的实施方式的发动机的改型的图。

具体实施方式

图1是示出根据本发明的实施方式的内燃发动机10的示意图。在下文中，内燃发动机10将被简称为“发动机10”。在本实施方式中，发动机10是汽油发动机。发动机10包括由气缸体、气缸盖、活塞、进气门、排气门等构成的发动机主体12。发动机主体12具有串联排列的四个气缸。各气缸设置有未示出的火花塞。图1所示的发动机10属于直列四气缸型，但在本发明中，气缸的数量和气缸配置不限于此。

发动机10包括燃料喷射装置28。在发动机主体12的每一个气缸中，配置有与燃料喷射装置28连接的端口喷射阀29。发动机主体12的各气缸的进气口与进气歧管14连接。在进气歧管14中，配置有进气温度传感器(未示出)。从进气歧管14朝进气通路的上游侧，顺次设置有节气门26、中间冷却器24和空气流量计22。新鲜空气从空气流量计22侧被吸入，并且空气经由进气歧管14供给到发动机主体12的每个气缸。节气门26的开度可由稍后将说明的ECU 50任意地控制。

发动机主体12的各气缸的排气口与排气歧管16连接。排气歧管16的下游侧与排气通路18连接。在排气通路18中，设置空燃比传感器(A/F传感器)52。催化剂36配置在A/F传感器52的下游。发动机10包括涡轮增压器46。涡轮增压器46包括在空气流量计22的下游设置在进气通路中的压缩机和在A/F传感器52的上游设置在排气通路18中的涡轮。

发动机10包括EGR通路39，以执行使排气的一部分再循环到进气歧管14的EGR(排气再循环)。如图1所示，EGR通路39的一端与排气歧管16连接，并且另一端与进气歧管14连接。在EGR通路39的中途，从排气歧管16侧顺次设置有EGR冷却器40和EGR阀42。EGR阀42的开度可由稍后将说明的ECU 50任意地控制。

本实施方式的系统还包括ECU(电子控制单元)50。除上述各种传感器和致动器外，检测发动机10的曲柄角的曲柄角传感器(未示出)与ECU 50电连接。能由来自曲柄角传感器的输出检测发动机转速。ECU 50基于来自各传感器的输出来使各致动器按照预定程序操作，并且由此控制发动机10的运转状态。

在A/F传感器52的内部设置有如稍后将说明的加热器66。加热器66的通电控制由ECU 50执行。ECU 50在发动机10起动时接通加热器66，并且将A/F传感器52加热至预先设定的目标温度Ts以使A/F传感器52活性化。在本实施方式中，稍后将说明的目标温度Ts和第一温度T1具有相同值。第一温度T1在A/F传感器52的活性温度以上。ECU 50利用在第一温度T1下的来自A/F传感器52的输出值进行空燃比的控制。ECU 50利用来自A/F传感器52的输出值以反馈方式控制空燃比。当发动机10是柴油发动机时，已知的反馈控制类似地适用于发动机10。柴油发动机的空燃比控制不是新颖事项，并且在柴油发动机中基于来自A/F传感器的输出值来调整EGR率或燃料喷射量的各种反馈控制是已经公知的。因此，将省略对柴油发动机的空燃比控制的说明。

关于加热器66的通电控制，可在预先确定加热器66的通电量与传感器元件温度的关联之后进行正馈控制，或可基于传感器元件温度来反馈控制加热器66的通电量。由于元件阻抗与元件温度相关联是公知的，所以可通过例如检测元件阻抗来推定传感器元件温度。

图2是示出根据本发明的实施方式的发动机10所包括的A/F传感器52的视图，并且是示出A/F传感器52的传感器元件60的结构的视图。传感器元件60包括绝缘层61、固定地附着在绝缘层61上的板状的固体电解质62和以相互对向的方式设置在固体电解质62的正面和背面上的一对电极(即，排气电极63和大气电极64)。在绝缘层61中，在与内侧的大气电极64对向的部位形成有大气室65，使得大气电极64暴露于大气。加热器66包埋在绝缘层61中。在排气电极63和固体电解质62上层叠有由例如多孔陶瓷形成的扩散抵抗层68，并且在扩散抵抗层68上层叠有遮蔽层69。元件气氛中的排气从扩散抵抗层68的入口面68a浸入扩散抵抗层68的内部，并且在扩散抵抗层68的内部扩散而到达排气电极63。此时，极限电流在电极63和64之间流动，并且基于极限电流而生成传感器输出值。极限电流对应于到达排气电极63的气体的氧浓度。

一般而言，A/F传感器在A/F传感器通过由加热器在启动时加热而达到预先设定的活性温度的阶段进入A/F传感器发出实用的传感器输出的活性状态。A/F传感器52在预先设定为比PM燃烧温度低的值的第一温度T1下是活性的。A/F传感器52在第一温度T1以上的温度范围内维持在活性状态。作为一个例子，PM燃烧温度为约500度，并且这种情况下，第一温度T1可被设定为例如约300度与约400度之间的温度。

为了获得在比PM燃烧温度低的第一温度T1下活化的A/F传感器52，固体电解质62的材料可以是呈现在比PM燃烧温度低的温度下的空燃比测量所需的氧离子传导度的材料。像这样的固体电解质是已经公知的，并且例如，列举掺杂有镁的硅酸镧、未添加镁但施行了组分变更等的硅酸镧材料、钙钛矿NaBiTiO等。这些材料的细节还被记载在以上提到的非专利文献1至3中，并且不是新颖事项，且因此将省略其说明。此外，固体电解质62的材料不限于这里列举的掺杂有镁的硅酸镧等，并且可使用在比PM燃烧温度低的温度下与这些材料相似地呈现高氧离子传导度的其它固体电解质。

在常规A/F传感器中，在固体电解质62中使用氧化锆，并且在氧化锆中，在温度达到诸如约600度至700度的高温之前无法获得充分的氧离子传导度。因此，常规A/F传感器的活性温度是在600度以上的高温。与像这样的常规A/F传感器相比，A/F传感器52的活性温度较低。

加热器66可将A/F传感器52加热至预先设定在PM燃烧温度以上的值的第二温度T2。第二温度T2是在PM燃烧温度以上的温度并且是A/F传感器52处于活性状态的温度，并且可被设定在例如约600度。A/F传感器52的传感器元件60暴露于排气通路18，并且因此排气中的PM蓄积在扩散抵抗层68的表面上。当A/F传感器52由加热器66加热至第二温度T2时，蓄积的PM可燃烧。上述第一温度T1和第二温度T2的具体数值仅为例子，并且可按照诸如PM燃烧温度和用于固体电解质62中的材料的各种条件来适宜地设定。

图3是用于说明根据本发明的实施方式的PM检测方法的图。在下文中，为了方便说明，在A/F传感器52处于第一温度T1时来自A/F传感器52的输出值将被统称为“输出值A1”。此外，为了方便说明，在A/F传感器52处于第二温度T2时来自A/F传感器52的输出值将被统称为“输出值A2”。在根据本实施方式的PM检测方法中，基于输出值A1与输出值A2之差ΔA来检测PM。输出值A2响应于PM蓄积量而采用多个不同值，并且在图3中例示了输出值A20至A23。此外，输出值A1也能响应于发动机10的运转条件而采用不同值。在图12所示的发动机10的运转动作例子中，输出值A1采用与运转条件对应的不同值A11和A12作为例子。

图3是示出用于说明在PM蓄积量不同的情况下A/F传感器52的输出值的倾向的传感器输出特性90、92和94以及基准传感器输出特性96的图。图3中的纵轴表示A/F传感器52的输出值A，并且横轴表示温度T。图3示出在假设排气中的氧浓度一定的优选条件下的传感器输出特性。这里提到的PM检测方法优选在排气的氧浓度一定的运转条件下使用。

传感器输出特性90、92和94示意性地示出将A/F传感器52从第一温度T1加热至第二温度T2时的传感器输出温度特性。传感器输出特性90是在Pm未蓄积在A/F传感器52上的情况下的特性的一个例子，并且这里被图示为显示相对于温度上升的平缓特性。传感器输出特性92是在少量PM蓄积在A/F传感器52上的情况下的特性的一个例子。传感器输出特性94是在大量PM蓄积在A/F传感器52上的情况下的特性的一个例子。在传感器输出特性92和94中，输出值的下降在温度达到温度Tth时开始。这示意性地示出由于PM的燃烧而引起的氧浓度的下降在温度Tth或更高的温度下开始。

当PM蓄积在A/F传感器52上时，氧浓度伴随A/F传感器52被加热至第二温度T2时的PM燃烧而下降。A/F传感器52发出相对于氧浓度大致成线性的输出，并且因此，随着伴随PM燃烧的氧浓度下降量越大，输出值成比例地下降。参照图3，对于PM蓄积量为零的传感器输出特性90，输出值A2为值A20，并且A20是与输出值A1相同的值。对于传感器输出特性92，PM蓄积量小，并且输出值A2为值A21。关于这一点，对于PM蓄积量大的传感器输出特性94，输出值A2为小于值A21的值A22。由此，输出值A1与输出值A2之差ΔA与蓄积在A/F传感器52中的PM的量关联。

基准传感器输出特性96是在蓄积了预先设定的“基准PM量”的PM时获得的输出曲线。通过将基准传感器输出特性96和从A/F传感器52实际地获得的输出值A2进行比较，可检测PM是否蓄积。图3所示的预定值A0是基准传感器输出特性96中的输出值A23与输出值A1之差。预定值A0是通过实验等预先设定的值，并且预先存储在ECU 50中。当通过来自A/F传感器52的实际传感器输出计算出的差ΔA在预定值A0以上时，可判定量大于“基准PM量”的PM蓄积在A/F传感器52中。

图3示出阈值Ath。可通过从输出值A1减去预定值A0来获得阈值Ath。阈值Ath是预先设定的值，并且预先存储在ECU 50中。根据阈值Ath，能判定PM蓄积量是否达到基准PM量。换言之，阈值Ath是用于确定在将第一温度T1下的输出值A1设定为标准值时A/F传感器52的输出偏差的值。如上所述，输出值A1与输出值A2之差ΔA与PM蓄积量关联。可使ECU 50进行在输出值A2大于阈值Ath时判定为PM蓄积量小于预先设定的基准PM量并且在输出值A2是等于或小于阈值Ath的值时判定为PM蓄积量在基准PM量以上的判定处理。图3所示的输出值A20和A21大于阈值Ath，并且因此能判定为此时的PM蓄积量大于基准传感器输出特性96的PM蓄积量，即“基准PM量”。

可使阈值Ath可根据发动机10的运转条件而改变。可通过从输出值A1减去预定值A0来获得阈值Ath。输出值A1根据发动机10的运转条件而求得不同值。稍后将说明的图12示出发动机10的运转动作的一个例子。在图12所示的运转动作例中，输出值A1在燃料切断(F/C)和怠速停止(也称为停止和启动：S&S等)的情况下采取特定值A11。因此，通过将输出值A11减去预定值A0，可为燃料切断(F/C)和怠速停止(S&S)设定第一阈值Ath1。此外，在图12所示的运转动作例中，怠速运转期间的输出值A1为值A12，并且输出值A12小于输出值A11。因此，可通过将输出值A12减去预定值A0来设定在怠速运转期间应当使用的第二阈值Ath2。由此，阈值Ath2被设定为小于阈值Ath1的值。然而，这里提到的阈值Ath1和Ath2仅被示出为具体例子，并且本发明不限于这些阈值。可通过借助于在实机等中进行适配而调查运转条件与输出值A1的关联来设定实际阈值Ath。

可利用输出值A1与输出值A2之差ΔA与A/F传感器52中蓄积的PM的量相关联的事实来计算PM的量。也就是说，差ΔA与PM蓄积量之间的关联通过实验等预先确定，并且这些量的比例常数可以是一定的并且预先存储在ECU 50中。或者，可创建其中差ΔA与PM蓄积量之间的对应关系的脉谱图，并且可预先将其存储在ECU 50中。ECU 50可利用比例常数或脉谱图来执行随着ΔA越大而计算出越大的PM量的计算处理。

代替输出值A1与输出值A2之差ΔA，可基于输出值A1与输出值A2的比(即，“A2/A1”的值)来检测PM。随着输出值A1和输出值A2越彼此接近，这些值的比越接近1。相应地，通过将输出值A1和输出值A2的比的值与预先设定的另一个阈值进行比较，也可判定PM蓄积量是否大于上述“基准PM量”。此外，可通过预先测量输出值A1和输出值A2的比与PM蓄积量之间的关联来预先设定另一个比例常数。可使ECU 50例如利用该比例常数执行随着“A2/A1”的值越小于1而计算出越大的PM蓄积量的处理。

由于A/F传感器52需要在第一温度T1已经处于活性状态，所以第一温度T1仅必须在A/F传感器52的活性温度以上，并且A/F传感器52的第一温度T1和活性温度不必彼此对应。关于这一点，可从例如以下观点适当地设定第一温度T1的值。例如，在发动机10起动时，为了使A/F传感器52迅速进入活性状态以使用其传感器输出，加热器66被接通，藉此A/F传感器52被加热。利用加热器66进行的加热持续到A/F传感器52达到预先设定的目标温度Ts为止。目标温度Ts一般被设定在A/F传感器52开始发出实用的输出的活性温度相同或比活性温度高的温度。第一温度T1可被设定为与目标温度Ts相同的温度，或可以是比目标温度Ts高的温度。此外，在发动机10起动等时进行判定A/F传感器52是否变成活性的活性判定处理的技术是已经公知的。当在像这样的已知活性判定处理中设定用于判定活性/非活性的判定温度时，用于判定活性/非活性的判定温度与第一温度T1不必一定彼此对应。也就是说，第一温度T1可与判定温度相同，或第一温度T1可被设定为比判定温度高。

在上述实施方式中，PM检测通过使用空燃比传感器52来进行，但本发明不限于此。代替空燃比传感器52，可使用在氧浓度超过预设阈值时突然改变输出的已知的氧传感器。更具体地，通过使用由与已知的氧传感器中的固体电解质62的材料相似的材料组成的固体电解质，能制造即使在比PM燃烧温度低的温度下也发出与氧浓度对应的输出的氧传感器。在这种氧传感器中，在PM蓄积的情况下，当氧传感器被加热至第二温度T2时氧浓度也伴随PM燃烧而下降，并且因此，在氧浓度下降量超过氧传感器的阈值时发生突然的输出变化。相反地，当PM未蓄积时，或PM蓄积量小时，将氧传感器加热至第二温度T2时的PM燃烧量为零或小。这种情况下，伴随PM燃烧的氧浓度下降量为零，或太小而不会超过氧传感器的阈值，并且因此，不会发生突然的输出变化。与此相似，作为本发明的另一实施方式，也可利用氧传感器来检测PM。

图4是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的PM检测控制的内容的流程图。在图4所示的例程中，ECU 50首先判定是否设定了“PM检测要求标记”(步骤S100)。“PM检测要求标记”是根据稍后将说明的图6中的流程图而设定的标记，并且是指示是否是执行PM检测控制的时机的标记。当步骤S100中的条件不成立时，不是执行PM检测控制的时机，并且因此结束本次的例程。

当在步骤S100中设定了PM检测要求标记时，ECU 50判定是否设定了“PM检测前提条件标记”(步骤S102)。“PM检测前提条件标记”是根据稍后将说明的图8中的流程图而设定的标记，并且是指示用于PM检测控制的前提条件是否满足的标记。当步骤S102中的条件不成立时，用于PM检测控制的前提条件不满足，并且因此结束本次的例程。

当在步骤S102中设定了PM检测前提条件标记时，ECU 50判定是否已经取得A/F传感器52的输出值A1(步骤S104)。当尚未取得输出值A1时，处理进行至S106，并且取得A/F传感器52处于第一温度T1时的输出值A1。当已经取得输出值A1时，处理跳过步骤S106并且进行至步骤S108。

在步骤S108中，ECU 50增加加热器66的通电量。由此，A/F传感器52被加热。接下来，ECU 50判定当前传感器元件温度是否在第二温度T2以上(步骤S110)。当步骤S110中的条件不成立时，传感器元件温度未达到应当取得输出值A2的温度，因此结束本次的例程，并且处理返回。

当步骤S110中的条件成立时，在该时刻传感器元件温度达到第二温度T2以上，并且因此处理进行至步骤S112。在步骤S112中，取得输出值A2。在本实施方式中，作为一种优选模式，ECU 50取得A/F传感器52在预先设定的“第一预定时间”在传感器元件温度达到第二温度T2之后经过时的输出作为输出值A2。通过步骤S110和S112的处理，可取得A/F传感器52在传感器元件温度达到第二温度T2时的输出作为输出值A2。

接下来，ECU 50计算作为输出值A1与输出值A2之差的绝对值的ΔA(步骤S114)。随后，ECU 50通过调用预先存储的脉谱图等来由ΔA的值计算PM量PMm(步骤S116)。接下来，ECU 50清除PM检测要求标记(步骤S118)。此外，ECU 50将差ΔA与预先设定的预定值A0进行比较(步骤S120)。当差ΔA大于预定值A0时，处理进行至步骤S122，并且ECU 50设定“PM再生要求标记”。“PM再生要求标记”是要成为执行稍后将说明的图5的流程图中所示的“PM再生控制”的条件的标记。注意，“PM再生”指的是通过使PM氧化来除去附着于A/F传感器52的PM。当差ΔA在预定值A0以下时，处理进行至步骤S124以减小加热器66的通电量。此后，结束本次的例程。

如上所述，根据本实施方式，A/F传感器52在第一温度T1和第二温度T2两者下都是活性的，并且因此，用于PM检测中的多个传感器输出值A1和A2中的每一个都是高精度的值。相应地，可利用高精度检测PM。此外，根据本实施方式，能使发动机10的空燃比检测功能和PM检测功能与一个A/F传感器52匹配。

在步骤S112中，输出值A2是在“第一预定时间”经过之后获得的，并且关于输出值A2的取得，假设下述各种改型。如稍后将说明的图12至图14中示意性地示出的，在加热至第二温度T2之后，A/F传感器52的输出值与PM燃烧的开始相结合地从第一输出值A1暂时下降。在PM的燃烧期间，A/F传感器52的输出值呈现比第一输出值A1小的值。此后，当利用加热器66进行的加热停止时，A/F传感器52的输出值增加，即向第一输出值A1侧恢复。

通过借助于继续将传感器元件温度保持在第二温度T2来燃烧PM，PM蓄积量也减少，并且因此，A/F传感器52的输出值增加，即向第一输出值A1侧恢复。当传感器元件温度继续保持在第二温度T2时，蓄积的PM减少，并且因此，A/F传感器52的输出值接近PM蓄积量为零时的值。如果输出值A2的取得时机过迟，则无法取得A/F传感器52在PM燃烧期间的输出值作为输出值A2。因此，为了避免输出值A2的取得时机过迟，优选使取得输出值A2的时机为上述第一预定时间在传感器元件温度发生升温至第二温度T2之后经过时的时刻。“第一预定时间”是确定取得A/F传感器52的输出值的时机以便取得在PM正被燃烧时、也即在PM完全燃烧之前在第二温度T2下A/F传感器52的输出值的时间。“第一预定时间”可以是预先设定的固定值，或可以是根据预先设定的规则而改变的可变值。作为在使第一预定时间为可变值的情况下的一种优选模式，可使ECU 50执行以下处理。首先，使ECU 50执行由发动机10的运转状态计算附着于A/F传感器52的推定PM蓄积量的处理。ECU 50预先存储将第一预定时间设定成使得第一预定时间随着推定PM蓄积量越大而变成越长的时间的数学式、脉谱图等。ECU 50从该脉谱图等计算与本次的推定PM推定量对应的第一预定时间。更优选地，通过利用实验等预先确定推定PM蓄积量的PM完全燃烧之前的时间，将上述脉谱图等的值确定为使第一预定时间比PM完全燃烧的时间短。

关于步骤S112，以下处理(p1)至(P3)中的至少任何一项可适用于测量传感器元件温度发生升温至第二温度T2之后经过的时间的处理。处理(p1)至(p3)从测量响应于传感器元件温度升温至第二温度T2的经过间的观点来看是共通的，但在经过时间的起始点上相互不同。

(p1)作为时间测量的起始点的一个例子，ECU 50可在传感器元件温度与第二温度T2一致时的时刻开始时间测量。可基于如上所述的A/F传感器52的元件阻抗来推定传感器元件温度。与此相似，可将传感器元件温度达到第二温度T2之后的时间与第一预定时间进行比较。

(p2)作为时间测量的起始点的另一个例子，ECU 50可在加热器66的输出上升的开始时刻开始时间测量。这种情况下，ECU 50可将通过将测得的时间减去“温度上升延迟时间”而获得的值与第一预定时间进行比较。“温度上升延迟时间”是在加热器66的输出上升之后传感器元件温度达到第二温度T2之前的时间。由此，可将传感器元件温度开始升温至第二温度T2之后的经过时间与第一预定时间进行比较。也就是说，不必使在本实施方式中讨论的时间测量的起始点成为传感器元件温度与第二温度T2一致时的时刻。

(p3)作为时间测量的起始点的又一个例子，ECU 50可在传感器元件温度与预先存储的PM燃烧温度一致时的时刻开始时间测量。由此，可将PM开始燃烧之后的经过时间与第一预定时间进行比较。

即使在传感器元件温度维持在第二温度T2的期间，A/F传感器52的输出值在从时间轴上看去时不是恒定的。因此，作为一种优选模式，可将在传感器元件温度维持在第二温度T2时利用A/F传感器52的输出值绘出的曲线的下限侧的峰值设定为输出值A2。作为另一种优选模式，可在传感器元件温度维持在第二温度T2的同时对A/F传感器52的多个输出值取样。在取样的A/F传感器52的多个输出值之中，可将最小值设定为输出值A2。取样值之中的最小值不一定必须是来自A/F传感器52的输出的模拟值中的下限峰值。用于在步骤S116中计算PM量PMm的脉谱图等和用于步骤S120中的预定值A0等可通过与以上关于步骤S112所述的各种改型相适配而形成。

如图12至图14中示意性地示出的，随着在加热至第二温度T2之后越长的时间经过，A/F传感器52的输出越明确地下降。相应地，上述第一预定时间的设定提高了PM蓄积量的输出精度，并且因此是优选的。然而，本发明不局限于此，并且不必设置第一预定时间。在传感器元件温度达到第二温度T2的时刻，PM开始燃烧，并且因此PM燃烧对A/F传感器52的输出值出现影响。因此，在传感器元件温度达到第二温度T2的同时取得A/F传感器52的输出值，并且可将该值设定为输出值A2。

在步骤S120中，可判定输出值A2是否低于阈值Ath。此外，如已经说明的，能基于输出值A1和输出值A2之比来检测PM。相应地，图4的例程中的步骤S120的处理能由判定输出值A1与输出值A2之比是否处于预先设定的范围内的处理代替。

在利用加热器66将A/F传感器52从第一温度T1加热至第二温度T2之后，优选地使用加热前后的两个输出值作为输出值A1和输出值A2。然而，本发明不限于此，并且可使用就时间而言分离的两个输出值。例如，尽管利用加热器66进行的加热控制在输出值A1的取得之后开始，加热器66的加热能在传感器元件温度由于某种原因而达到第二温度T2之前中止。如果此后加热器66的加热再开始，则A/F传感器52被加热，并且能获得输出值A2。这种情况下，计算就时间而言分离的输出值A2和输出值A1之差ΔA，并且可将其用于PM检测中。

在上述实施方式中，通过加热器66的加热来实现从第一温度T1到第二温度T2的升温，但本发明不限于此。可在不依赖于加热器66的加热的情况下取得第二温度T2下的输出值A2。作为一个具体例子，当发动机10在排气温度为高温的运转条件下运转时，传感器元件温度能在不增大加热器66的输出的情况下达到PM燃烧温度以上的温度。像这样的传感器元件温度达到PM燃烧温度以上的温度的运转条件可作为“高排气温度运转条件”预先设定并存储在ECU 50中。在高排气温度运转条件成立时，取得A/F传感器52的输出值，并且可使用传感器输出值作为输出值A2。这种情况下，加热器66和高排气温度运转条件中的一者可对应于用于将A/F传感器52加热至第二温度T2的“加热装置”。

在上述实施例中，以在取得输出值A1之后取得输出值A2的顺序进行控制。然而，本发明不限于此，并且在取得输出值A1和输出值A2中的一者之后，能取得另一者。也就是说，顺序可与实施方式中的顺序相反。更具体地，在A/F传感器52处于第二温度T2时取得输出值A2，并且此后，可在A/F传感器52的温度下降至第一温度T1的阶段取得输出值A1。不论取得输出值A1和输出值A2的顺序如何，图3所示的A/F传感器52的输出值与传感器元件温度之间的关系都成立，并且因此，能检测PM蓄积量。

图5是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的PM再生控制的内容的流程图。“PM再生控制”控制加热器66以便将A/F传感器52维持在PM燃烧温度以上。更具体地，在图5的例程中，ECU 50首先判定是否设定了PM再生要求标记(步骤S200)。PM再生要求标记是在上述图4的步骤S122中设定的标记。

当未设定PM再生要求标记时，不是执行PM再生控制的时机，并且因此结束本次的例程。当设定了PM再生要求标记时，ECU 50随后判定传感器元件温度是否低于预先设定的“PM再生温度”(步骤S204)。“PM再生温度”是在PM再生控制中传感器元件温度应当维持于的目标温度，并且是预先确定的值。PM再生温度是预先设定为在PM燃烧温度(例如约500℃)以上的温度。在本实施方式中，基于PM再生温度和第二温度T2是相同温度的假设进行说明，但本发明不限于此，并且可将PM再生温度设定在比第二温度T2低的温度或比第二温度T2高的温度。当步骤S204中的条件不成立时，ECU 50增加加热器66的通电量(步骤S206)，并且此后进行至步骤S208。当步骤S204中的条件成立时，ECU 50在维持加热器66的通电量的同时进行至步骤S208。

在步骤S208中，ECU 50判定如下两个条件X1和X2中的至少一个条件是否成立。

(条件X1)A/F传感器52的输出值在预先设定的预定值以上。该预定值被预先设定为用于判定PM是否充分燃烧并从A/F传感器52被除去并且输出值恢复的值。

(条件X2)再生时间在预先设定的第二预定时间以上。作为例子，“再生时间”是传感器元件温度维持在PM再生温度以上的时间长度。例如，可通过从传感器元件温度达到PM再生温度的时刻利用ECU 50所包括的计时器进行时间测量来测量再生时间。

当条件X1和条件X2两者都不成立时，步骤S208中的判定结果为否定(否)。这种情况下，结束本次的例程，并且处理返回，藉此再次重复步骤S200中的处理和以后的处理。结果，A/F传感器52维持在PM再生温度，直至条件X1或X2成立。当条件X1和条件X2中的至少一者成立时，步骤S208中的判定结果为肯定(是)。

当步骤S208中的判定结果为肯定时，ECU 50减小加热器66的通电量(步骤S210)。ECU 50将加热器66的通电量减小至将传感器元件温度维持在第一温度T1的通常通电量。此后，PM再生要求标记被清除(步骤S212)，并且结束本次的例程。

图6是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的PM检测要求判定的内容的流程图。“PM检测要求判定”判定是否存在执行利用图4说明的PM检测控制的要求。在图6的例程中，ECU 50首先判定是否从前次的PM检测控制经过了预先设定的预定时间TPMI(步骤S300)。更具体地，ECU 50包括存储PM检测控制结束的时刻的处理，并且存储最近的PM检测控制结束时刻。在步骤S300中，判定从该结束时刻到当前时刻的经过时间是否在预先设定的预定时间TPMI以上。当经过时间比预定时间TPMI短时，结束本次的例程。

当在步骤S300中判定为经过时间在预定时间TPMI以上时，处理进行至步骤S302。在步骤S302中，ECU 50判定A/F传感器52是否处于活性状态。更具体地，判定A/F传感器52是否达到活性温度。当A/F传感器52未处于活性状态时，结束本次的例程。当A/F传感器52处于活性状态时，处理进行至步骤S304，并且设定PM检测要求标记。

当进行PM检测控制时，将A/F传感器52加热至第二温度T2，并且因此A/F传感器52中的PM蓄积量减少。如果在短时间内重复PM检测控制，则即使PM未蓄积这么多，也将A/F传感器52加热至第二温度T2。这不是优选的，因为加热器66消耗了无效的电力。根据步骤S300中的处理，在预先设定的预定时间TPMI在前一次的PM检测控制之后经过之前，不进行下一次的PM检测控制。因此，抑制了PM检测控制的间隔变得过小，并且能抑制加热器66的无效电力消耗。

图7是根据本发明的实施方式的设定在发动机10中执行PM检测控制的间隔的脉谱图的一个例子。在图7的脉谱图中，设定输出值A2与上述预定时间TPMI之间的关系。预定时间TPMI是应当执行PM检测控制的最小间隔。如参考图3所述，随着PM蓄积量越小，输出值A2表示越高的值，并且差ΔA变得越小。如果PM蓄积量小，则执行PM检测控制的间隔可以长。因此，在图7的脉谱图中，输出值A2和预定时间TPMI两者之间的关系被设定成使得，随着输出值A2越大，预定时间TPMI变得越长。ECU 50优选地进行根据图7所示的脉谱图将预定时间TPMI设定为随着在前一次取得的PM检测量越小而越长的“时间设定控制”。

图8至图10是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。图8至图10中的例程优选在发动机10安装在车辆上时执行。根据图8至图10中的例程，可判定是否满足PM检测控制的优选实施条件。

在图8所示的例程中，通过与燃料切断的关系来设定PM检测前提条件。在图8的例程中，ECU 50首先判定是否设定了燃料切断(F/C)标记(步骤S400)。当在步骤S400中判定为设定了F/C标记时，ECU 50判定A/F传感器52的输出是否在预先设定的规定值以上(步骤S402)。该规定值被设定为与在相当于空气的气氛中由A/F传感器52指示的输出值相同的值。当步骤S402中的条件成立时，将新鲜空气导入气缸中，结果执行燃料切断，并且形成排气氧浓度大致一定的环境。在与此相似的环境中，能以高精度进行PM检测控制。因此，处理进行至步骤S404，ECU 50设定PM检测前提条件标记，并且结束本次的例程。

当步骤S400或步骤S402中的条件为否定时，处理进行至步骤S406，并且ECU 50清除PM检测前提条件标记。此后，ECU 50判定传感器元件温度是否在预先设定的下限值以上。当传感器元件温度低于下限值时，结束本次的例程，并且处理返回。当传感器元件温度在下限值以上时，ECU 50减小加热器66的通电量(步骤S410)。此后，结束本次的例程。

在图9所示的例程中，通过与怠速停止(S&S)的关系来设定PM检测前提条件。除步骤S500和S502之外，图9和图8中的内容相同。在图9的例程中，首先在步骤S500中判定发动机10是否由于怠速停止(S&S)而停止。当在步骤S500中判定为发动机10未处于怠速停止(S&S)下时，S406的处理和以后的处理如图8中那样执行。当在步骤S500中判定为发动机10处于怠速停止(S&S)下时，ECU 50随后判定发动机10的发动机转速是否低于预先设定的检测上限值Neth(步骤S502)。当在步骤S502中发动机转速在Neth以上时，处理进行至步骤S406。当在步骤S502中发动机转速低于Neth时，设定PM检测前提条件标记，并且结束本次的例程。

在图10所示的例程中，通过与怠速运转的关系来设定PM检测前提条件。除步骤S600和S602之外，图10和图8中的内容相同。在图10的例程中，首先在步骤S600中判定发动机10是否正在怠速运转。当在步骤S600中判定为发动机10未怠速运转时，如图8中那样执行步骤S406的处理和以后的处理。当在步骤S500中判定为发动机10正在怠速运转时，ECU 50随后判定A/F传感器52的输出值是否指示预先设定的固定范围内的值接近理论空燃比(步骤S602)。当在步骤S602中A/F传感器52的输出值偏离上述固定范围时，处理进行至步骤S406。当步骤S602中的条件成立时，设定PM检测前提条件标记，并且结束本次的例程。

根据上述图8至图10的例程，PM检测控制能在燃料切断期间、怠速运转期间和怠速停止期间中的至少一个期间中执行。在这些期间中，排气氧浓度大致是一定的，并且能利用高精度检测PM。

图11是示出在根据本发明的实施方式的发动机10中执行的判定PM检测前提条件的成立的处理的内容的流程图。在图11的例程中，ECU 50首先在步骤S700中执行判定发动机10的运转条件是否对应于A/F传感器52易于被水覆盖的预先设定的预定条件的处理。该预定条件是例如与发动机10的冷起动时间对应的条件。当判定为发动机10的运转条件与该预定条件对应时，结束本次的例程。当在步骤S700中判定为发动机10的运转条件不与预定条件对应时，流程转移到步骤S404，并且设定PM检测前提条件标记。此后，结束本次的例程。

如果高温A/F传感器52被水覆盖，则出现传感器元件60发生破损的问题。当进行PM检测控制时，将A/F传感器52加热至第二温度T2，并且因此，在A/F传感器被水覆盖的可能性高时优选不进行PM检测控制。在这一点上，根据图11中的例程，当A/F传感器52被水覆盖的可能性高时，不设定PM检测前提条件标记。由此，能抑制传感器元件的破损。

图12至图14是示出根据本发明的实施方式的发动机10的运转动作的例子的时间图。图12是实施燃料切断时的时间图。图13是实施怠速停止(S&S)时的时间图。图14是实施怠速运转时的时间图。

图12至图14中的时间图基于A/F传感器52处于活性状态的前提条件。也就是说，当发动机10起动时，加热器66接通，并且为了使A/F传感器52进入活性状态，将A/F传感器52加热至目标温度Ts。在这里提到的运转动作例中，第一温度T1被设定为与目标温度Ts相同的值。此后，A/F传感器52达到第一温度T1，并且A/F传感器52变成活性的。A/F传感器52变成活性的，藉此ECU 50开始利用A/F传感器52的输出值的控制，更具体地，A/F反馈控制。此后，发动机10正常运转。

首先，将利用图12说明燃料切断时的运转动作。在图12中的时刻t0，发动机10中开始燃料切断。作为燃料切断开始的结果，进气量减少，并且A/F传感器52的输出值上升至在大气水平下设定的规定值。尽管未图示，但在该时刻，根据图8中的例程设定“PM检测前提条件标记”。此后，在时刻t1，设定PM检测要求标记。响应于这一点，图4的例程中的步骤S100和S102中的条件均成立。结果，在步骤S104中存储第一输出值A1，并且在步骤S108中增加加热器通电量。此后，传感器元件温度达到第二温度T2，并且图4的例程的步骤S110中的条件成立。在预先设定并且在步骤S112中说明的第一预定时间从时刻t1经过之后，时刻t2到来。此后，根据步骤S112中的处理和以后的处理，ECU 50取得输出值A2，计算差ΔA，计算PM量PMm，并且清除PM检测要求标记。在图12所示的运转动作例中，PM蓄积量大的A/F传感器52的输出值低于阈值Ath，如图12的实线中那样。这种情况下，在图4的步骤S122中，设定PM再生要求标记，并且此外，ECU 50执行图5所示的PM再生控制。在图12所示的运转动作例中，再生时间被视为在时刻t3达到预先设定的第二预定时间，并且加热器通电量减小。因此，在时刻t3之后，PM燃烧停止，并且A/F传感器52的输出值增大，并且恢复为时刻t1之前的值。此后，在时刻t4，结束燃料切断，并且加速开始。在图12中，在PM蓄积量大的情况下的A/F传感器52的输出值利用实线图示，并且此外，在PM蓄积量小的情况下的A/F传感器52的输出轴利用虚线图示以用于比较。在图12的最下段的“PM蓄积量[g]”中，分别地，在PM蓄积量大的情况下的曲线图利用实线图示，而在PM蓄积量小的情况下的曲线图利用虚线表示。这同样适用于下面的图13和图14。当观察在从时刻t1到时刻t2的期间中的PM蓄积量的变化时，燃烧速度随着PM蓄积量越大而越高。

接下来，将利用图13说明怠速停止(S&S)时的运转动作。在图13中的时刻t10，发动机10中开始怠速停止(S&S)。在怠速停止(S&S)开始的时刻t10，进气量、车速和发动机转速变成零。尽管未图示，在发动机转速变成低于检测上限值Neth时的时刻，根据图9中的例程来设定“PM检测前提条件标记”。在图13中，作为例子，在时刻t10之后A/F传感器52的输出值上升至大气水平，并且此后，A/F传感器52的输出值逐渐下降至理论值。在图13中，作为一个例子，在A/F传感器52的输出值达到理论值的时刻设定PM检测要求标记。响应于PM检测要求标记在时刻t11被设定，图4的例程中的步骤S100和S102中的条件均成立。结果，在步骤S104中存储第一输出值A1，并且在步骤S108中增加加热器通电量。在预先设定并且在步骤S112中说明的第一预定时间从时刻t11经过之后，时刻t12到来。此后，ECU 50如关于图12中的时刻t3至t4所述执行输出值A2的取得和以后的相应处理。此后，在时刻t13，怠速停止(S&S)结束，并且加速开始。

接下来，将利用图14说明怠速运转时的运转动作。在图14的时刻t20，发动机10中开始燃料切断。此后，在时刻t21，结束燃料切断。燃料喷射响应于燃料切断的结束而再开始，空燃比暂时变浓，并且A/F传感器52的输出值表明空燃比浓。在时刻t22，结束浓运转。尽管未图示，但是当在浓运转结束之后A/F传感器52的输出值指示理论空燃比时，根据图10中的例程设定“PM检测前提条件标记”。此后，在时刻t23设定PM检测要求标记，并且图4的例程中的步骤S100中的条件成立。在时刻t23以及此后，如关于图12中的时刻t1至t3所述设定PM检测要求标记，并且ECU 50增加加热器通电量，取得输出值A2，并且执行以后的相应处理。此后，ECU50在时刻t26开始加速。

图15是示出根据本发明的实施方式的发动机10的改型的图。在图15所示的改型中，在催化剂36的上游和下游配置有两个A/F传感器52和54。已知利用与它们相似的两个A/F传感器52和54判定催化剂36的活性的技术。当执行PM检测控制或PM再生控制时，A/F传感器52和54达到A/F传感器52和54被加热到的第二温度T2。由此，蓄积的PM燃烧，并且因此A/F传感器52和54由于PM燃烧而发生输出偏差。相应地，当执行判定催化剂活性的处理时，A/F传感器52和54优选维持低于PM燃烧温度。因此，在该改型中，作为判定PM检测控制的前提条件的例程，进一步增加判定催化剂活性判定处理是否处在执行中的处理。当判定为催化剂活性判定处理处在执行中时，不设定PM检测要求标记。由此，能抑制催化剂活性判定处理和PM检测控制同时执行。

[附图标记列表]

10 内燃发动机

12 发动机主体

14 进气歧管

16 排气歧管

18 排气通路

22 空气流量计

24 中间冷却器

26 节气门

28 燃料喷射装置

29 端口喷射阀

36 催化剂

39 EGR通路

40 EGR冷却器

42 EGR阀

46 涡轮增压器

52 A/F传感器

60 传感器元件

61 绝缘层

62 固体电解质

63 排气电极

64 大气电极

65 大气室

66 加热器

68 扩散抵抗层

68a 入口面

69 遮蔽层