内燃机的排气控制装置及其控制方法 |
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| 申请号 | CN200880024211.1 | 申请日 | 2008-07-10 | 公开(公告)号 | CN101743386B | 公开(公告)日 | 2013-05-29 |
| 申请人 | 丰田自动车株式会社; | 发明人 | 柴田大介; 今村晋一郎; | ||||
| 摘要 | 一种排气控制装置，包括：设置在 内燃机 (10)的排气通路(15)中的PM捕集 过滤器 (31)，设置在过滤器上游的 氧 浓度 传感器 (4)，推定供应给氧浓度传感器的排气的 空燃比 的装置，以及根据所推定的排气空燃比和氧浓度传感器的输出推定被捕集到过滤器上的PM的量的装置。利用这样一个事实推定被捕集到过滤器内的PM的量，所述事实为，氧浓度传感器的输出值，根据排气空燃比和堆积到氧浓度传感器上的PM的量变化。其结果是，能够保持排气通路的结构简单化，因为只将氧浓度传感器添加到过滤器的上游。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于内燃机(10)的排气控制装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 内燃机的排气控制装置及其控制方法技术领域背景技术[0002] 净化汽车等中使用的内燃机产生的排气中的有害气体成分是必要的。特别是，需要净化压缩点火式内燃机、即柴油机产生的排气中的诸如烟尘和可溶性有机碎片(SOF)等颗粒物(下面也称之为“PM”)。一种用于净化这种颗粒物的技术包括在发动机的排气通路中设置过滤器并利用该过滤器捕集排气中的PM。这种过滤器典型地被称为颗粒过滤器，特别是在柴油发动机的情况下，称为柴油机颗粒过滤器或者DPF。 [0003] 当一定量或者更多的PM被捕集到过滤器中时，过滤器的捕集效率急剧降低。从而，推定捕集到过滤器中的PM的量，当推定的量超过预定的值时，通过燃烧掉被捕集的PM，将过滤器再生。 [0004] 传统上，当确定何时对过滤器进行再生时，即，当确定已经堆积在过滤器上的PM是否超过预定的量时，利用压差传感器测量过滤器上游与下游之间的压差，当压差超过预定值时，实施过滤器的再生。这是利用这样一个事实，即，PM堆积得越多，则越难以使排气通过过滤器，从而过滤器上游的排气压力将变得高于过滤器下游的排气压力。并且，近年来，已经提出一种技术，该技术根据发动机的运转条件计算出堆积的PM的量，以便更精确地确定已经堆积的PM的量(例如，参照特开2006-77761号公报(JP-A-2006-77761))。 [0005] 但是，如上所述测量压差的典型的方法，要求从过滤器的上游和下游到压差传感器设置单独的排气通路。这使得排气通路的结构复杂化，并限制了设计自由度。 发明内容[0006] 因此，本发明提供一种在不使排气通路的结构复杂化的情况下，能够推定捕集到过滤器中的PM的量、从而确定实施过滤器的再生的时机的内燃机的排气控制装置以及其控制方法。 [0007] 本发明的第一个方面涉及一种用于内燃机的排气控制装置。这种排气控制装置包括：过滤器，所述过滤器设置在内燃机的排气通路中，捕集排气中的颗粒物；上游氧浓度传感器，所述上游氧浓度传感器设置在所述过滤器上游的所述排气通路中；空燃比推定装置，所述空燃比推定装置推定供应给所述上游氧浓度传感器的所述排气的空燃比；以及推定装置，所述推定装置根据由所述空燃比推定装置推定的所述排气的空燃比和所述上游氧浓度传感器的输出，推定被捕集到所述过滤器中的颗粒物的量。 [0008] 发明人等通过深入的研究发现，氧浓度传感器的输出值根据供应给氧浓度传感器的排气空燃比和堆积在氧浓度传感器上的颗粒物的量而变化。例如，当供应给氧浓度传感器的排气的空燃比恒定时，随着堆积到氧浓度传感器上的颗粒物的量的增加，氧浓度传感器的输出值逐渐减小。同时，在堆积在氧浓度传感器上的颗粒物的量与捕集到过滤器中的颗粒物的量之间，存在着对应的关系。最终，氧浓度传感器的输出随着捕集到过滤器中的颗粒物的量增加而减少。从而，通过在相同的排气空燃比条件下监测氧浓度传感器的输出，可以推定捕集到过滤器中的颗粒物的量。所有这些，只要求将上游氧浓度传感器配置在过滤器上游的排气通路中，从而无需设置独立的排气通路。结果，可以保持排气通路的结构的简单化，而不限制其设计自由度。 [0009] 在上述第一个方面中，上游氧浓度传感器也可以包括排气侧电极和覆盖排气侧电极的多孔体，排气中的颗粒物可以堆积于该多孔体。进而，上游氧浓度传感器的输出会根据堆积于所述多孔体的排气中的颗粒物的量而变化。 [0010] 这种结构利用这样一个事实，即，堆积于氧浓度传感器的颗粒物的量随着捕集到过滤器中的颗粒物的量增加而增加，并且，氧浓度传感器输出值响应于这种增加而改变。从而，如上面所述的结构那样，包括排气中的颗粒物能够堆积于其上的多孔体的氧浓度传感器的结构对于实现本发明是非常优选的。 [0011] 在上述结构中的上游氧浓度传感器可以包括用于燃烧掉堆积于多孔体上的颗粒物的加热器。 [0012] 该加热器燃烧掉堆积于多孔体的颗粒物，从而将上游氧浓度传感器恢复到其中没有颗粒物堆积的初始状态。 [0013] 并且，具有上述结构中的任何一种结构的排气控制装置，还可以包括配置在过滤器下游的排气通路中的下游氧浓度传感器，并且，推定装置还可以根据下游氧浓度传感器的输出推定捕集的颗粒物的量。 [0014] 发明人等通过深入研究发现，氧浓度传感器的输出值根据供应给氧浓度传感器的排气的空燃比和压力两者而变化。例如，当供应给氧浓度传感器的排气的空燃比恒定时，氧浓度传感器的输出值随着排气压力增加而逐渐增大。另一方面，在过滤器上游和下游之间的压差随着捕集到过滤器中的颗粒物的量的增加而增大。借助上述结构，通过利用上游和下游氧浓度传感器作为压力传感器，并且在相同的排气空燃比条件下监测过滤器上游与下游之间的压差，可以推定捕集到过滤器中的颗粒物的量。就像在第一个方面中一样，不需要设置单独的排气通路，从而可以保持排气通路的结构简单，并且不限制其设计自由度。 [0015] 顺便提及，过滤器上游的排气压力随着捕集到过滤器中的颗粒物的量增加而增大。同时，上游氧浓度传感器的输出值随着过滤器上游的排气压力增加而增大。从而，利用这一事实，可以根据第一个方面推定被捕集到过滤器中的颗粒物的量。即，可以通过在相同的空燃比条件下监测上游氧浓度传感器的输出值来推定捕集到过滤器中的颗粒物的量。 [0016] 并且，在上述结构中的上游氧浓度传感器和下游氧浓度传感器，可以分别包括排气侧电极、和用于确定向排气侧电极输送的氧的量的针孔和多孔体中的至少一种，所述输出可以根据排气压力而变化。 [0017] 优选地，针孔的直径至少为0.1mm，多孔体的孔隙率至少为20％。 [0018] 并且，具有上述结构中的任何一种结构的排气控制装置还可以包括过滤器再生控制装置，当由推定装置推定的捕集到过滤器中的颗粒物的量超过预定量时，所述过滤器再生控制装置执行预定的过滤器再生控制。 [0019] 结果，可以将堆积于过滤器的颗粒物燃烧掉，从而可以将过滤器恢复到没有颗粒物堆积于其上的初始状态。 [0020] 本发明的第二个方面涉及用于内燃机的排气控制装置。该排气控制装置包括：过滤器，所述过滤器设置在内燃机的排气通路中，捕集排气中的颗粒物；上游氧浓度传感器，所述上游氧浓度传感器设置在过滤器上游的所述排气通路中；空燃比推定装置，所述空燃比推定装置推定供应给上游氧浓度传感器的所述排气的空燃比；压力变化检测装置，所述压力变化检测装置根据由所述空燃比推定装置推定的所述排气空燃比和所述上游氧浓度传感器的输出，检测所述过滤器上游的压力变化；以及过滤器异常检测装置，所述过滤器异常检测装置根据由所述压力变化检测装置检测出来的压力变化，检测过滤器中的异常。 [0021] 如上所述，当供应给氧浓度传感器的排气的空燃比恒定时，氧浓度传感器的输出根据排气压力的变化而变化。同时，如果在过滤器中发生诸如破裂等异常，则作为结果，过滤器上游的排气压力突然地变化。从而，通过利用上游氧浓度传感器检测排气压力的这一变化，可以检测出过滤器的异常。 [0022] 进而，该第二个方面的压力变化检测装置还可以根据上游氧浓度传感器的输出的当前值与上游氧浓度传感器的输出的上一次的值之间的差，检测过滤器上游的压力变化，并且该压力变化检测装置包括修正装置，所述修正装置将所述上一次的值修正到与用于当前值的空燃比条件相同的空燃比条件下的值。 [0023] 氧浓度传感器的输出值不仅根据排气压力的变化而改变，而且还根据排气空燃比的变化而改变。根据这种结构，对所述上一次的值的修正，消除了由排气空燃比的变化产生的影响，使之能够只检测压力的变化。结果，能够恰当地检测过滤器中的异常。 [0024] 本发明的第三个方面涉及一种氧浓度传感器，所述氧浓度传感器检测内燃机的排气中的氧浓度。该氧浓度传感器包括排气侧电极和多孔体，所述多孔体覆盖所述排气侧电极，排气中的颗粒物堆积在该多孔体上。并且，氧浓度传感器的输出根据堆积到多孔体上的排气中的颗粒物的量变化。 [0025] 尽管有些类型的氧浓度传感器具有覆盖排气侧电极的多孔体，但是，通常不允许排气中的颗粒物堆积于该多孔体，以便防止由于颗粒物的堆积所引起的传感器输出特性的变化。但是，相反地，第三个方面的氧浓度传感器能够使排气中的颗粒物堆积到多孔体上，并允许输出根据已经堆积于多孔体的颗粒物的量而改变，使之适合于本发明的第一个方面等。从而，可以将该第三个方面看作是其本身是独立的、然而与第一个方面等紧密相关的本发明的一个方面。 [0026] 本发明的第四个方面涉及内燃机的排气控制装置的控制方法，其中，所述内燃机的排气控制装置包括过滤器，所述过滤器设置在内燃机的排气通路中，捕集排气中的颗粒物。本控制方法包括推定供应给设置在过滤器上游的排气通路中的上游氧浓度传感器的排气的空燃比，并根据推定的排气空燃比和上游氧浓度传感器的输出推定捕集到过滤器中的颗粒物的量。 [0027] 本发明第五个方面，涉及内燃机的排气控制装置的另外一种控制方法，所述内燃机的排气控制装置包括过滤器，所述过滤器设置在内燃机的排气通路中，捕集排气中的颗粒物。本控制方法包括推定供应给设置在过滤器上游的排气通路中的上游氧浓度传感器的排气空燃比，并根据推定的排气空燃比和上游氧浓度传感器的输出，检测过滤器的上游的压力变化，并根据检测出来的压力的变化，检测过滤器中的异常。 [0029] 通过下面参照附图对示范性实施形式的描述，本发明的前述特征和进一步的特征和优点将会变得更加明显，图中，利用同样的标号表示同样的部件，其中： [0030] 图1是示意地表示根据本发明的示范性的实施形式的内燃机的系统图； [0031] 图2是表示在i)供应给氧浓度传感器的排气的空燃比、ii)堆积于氧浓度传感器的PM的量、以及iii)氧浓度传感器的输出之间的关系的曲线图； [0032] 图3是氧浓度传感器的第一种结构的整体正视图； [0033] 图4是沿着图3的IV-IV线的剖视图； [0035] 图6是表示过滤器再生程序的第一种形式的流程图； [0036] 图7是表示过滤器再生程序的第二种形式的流程图； [0037] 图8是表示氧浓度传感器的第二种结构的图示，对应于沿着图3的IV-IV线的截面； [0038] 图9是表示氧浓度传感器的整体的第三种结构的透视图； [0039] 图10是氧浓度传感器的第三种结构的半剖视图； [0040] 图11是示意地表示根据与捕集到DPF中的PM的量的推定相关的另外一种形式的内燃机的系统图； [0041] 图12是表示在i)供应给氧浓度传感器的排气的空燃比、ii)供应给氧浓度传感器的排气的压力、以及iii)氧浓度传感器的输出之间的关系的曲线图； [0042] 图13是氧浓度传感器的第四种结构的整体正视图； [0043] 图14是沿着图13的XIV-XIV线的剖视图； [0044] 图15是氧浓度传感器的第五种结构的剖视图； [0045] 图16是表示过滤器再生程序的第三种形式的流程图； [0046] 图17是表示DPF异常检测程序的第一种形式的流程图； [0047] 图18是表示DPF异常检测程序的第二种形式的流程图；以及 [0048] 图19是表示DPF异常检测程序的第二种形式的曲线图。 具体实施方式[0049] 下面，参照附图详细描述本发明的示范性的实施形式。 [0050] 图1是示意地表示根据本发明的示范性实施形式的内燃机的系统图。如图所示，车辆用压缩点火式内燃机，即，柴油发动机(下面也简单地称之为“发动机”)10，包括与进气口连通的进气歧管11、与排气口连通的排气歧管12、以及燃烧室13。在本示范性实施形式中，从图中未示出的燃料箱供应给高压泵17的燃料，被该高压泵17在加压的状态下送到共轨18，并蓄积在该共轨处。然后，将共轨18中的高压燃料从喷射器(即，燃料喷射阀)14直接喷射到燃烧室13内。由发动机10产生的排气从排气歧管12经由涡轮增压器19流入下游排气通路15。然后，在排出到大气中之前，将排气进行后面将要描述的净化。顺便提及，柴油发动机并非必须像上面描述的那样具有共轨燃料喷射装置。 [0051] 从空气滤清器20导入到进气通路21内的吸入空气，流经空气流量计22、涡轮增压器19、中间冷却器23和节气门24，然后进入进气歧管11。空气流量计22是用于检测进气量的传感器。更具体地说，空气流量计22输出指示吸入空气(新鲜空气)的流量的信号。节气门24是电子控制的。 [0052] 在涡轮增压器19下游的排气通路15中，从上游侧起依次串列地配置NOx催化器30、作为滤清器的颗粒物过滤器(DPF)31、和氧化催化器32。NOx催化器30用于通过还原包含在排气中的NOx来净化排气，该催化器例如由NOx吸留-还原催化剂形成。当排气空燃比是稀混合比时，在正常运转的过程中，NOx吸留-还原催化剂吸收排气中的NOx，当从通过后喷射等实施的浓混合比尖峰起使排气空燃比暂时变成浓混合比时，NOx吸留-还原催化剂释放所吸收的NOx。被释放的NOx与作为还原剂的排气中的HC反应，结果，将NOx还原并除去。氧化催化器32用于通过将作为排气中未被燃烧的成分的碳氢化合物和一氧化碳(CO)(特别是碳氢化合物)氧化来净化排气。 [0053] DPF31用于捕集并除去排气中的颗粒物(PM)，可以是能够物理地捕集PM的各种各样的过滤器中任何一种过滤器，例如，以交互的格子花纹将蜂窝状的耐热基板两端的开口堵塞的所谓的壁流式过滤器、或者具有筛网结构的泡沫状的过滤器等。 [0054] 发动机10还设有EGR(排气回流)系统35，用于将一些排气回流到进气系统中。该EGR系统35包括：在排气通路15(即，排气歧管12)与进气通路21(即，进气歧管11)之间提供连通的EGR通路36、设置在EGR通路36中的EGR阀37，以及设置在EGR通路36中EGR阀37的上游的EGR冷却器38。EGR阀37调节流过EGR通路36的排气的流量，即，调节从排气系统回流到进气系统的EGR气体的流量。EGR冷却器38冷却EGR气体，以便增大返回到进气系统的EGR气体的流量。 [0055] 作为执行整个发动机的控制的控制装置，设置电子控制单元(下面称之为“ECU”)100。ECU100包括：CPU、ROM、RAM、输入/输出端口、存储设备(例如，存储单元)等。ECU100例如基于来自于连接到ECU100上的各种传感器的检测值，控制喷射器14、高压泵 17、节气门24、和EGR阀37等，以便执行所需要的发动机控制。这些传感器，除了上面描述的空气流量计22之外，还包括：检测发动机10的曲柄角的曲柄角传感器26、检测加速踏板的踩下量的加速器踩下量传感器27、检测共轨18内的燃料压力(即，共轨压力)的共轨压力传感器28。ECU100始终根据曲柄角传感器26的输出计算发动机10的速度。 [0056] ECU100根据发动机的运转状态(即，主要是发动机速度和加速器踩下量)控制从喷射器14喷射的燃料量(下面简称为“燃料喷射量”)。ECU100还控制EGR阀37和节气门24，以便使EGR气体与整个吸入空气的比率与预定的目标EGR比率相匹配。另外，ECU100还控制高压泵17，使得被共轨压力传感器28检测出来的实际的共轨压力与预定的目标共轨压力相匹配。 [0057] 用于检测流入DPF31的排气的氧浓度的氧浓度传感器、即上游氧浓度传感器40，配置在排气通路15中的DPF31的上游，更具体地说，配置在紧靠DPF31的上游。该上游氧浓度传感器40连续地输出表示排气的氧浓度的可变电流信号。可以利用ECU100将该电流信号的值转换成空燃比。顺便提及，氧浓度传感器也被称为氧传感器或者空燃比传感器等。代替电流信号，来自于氧浓度传感器的输出信号也可以是电压信号。 [0058] 也可以将其它传感器适当地配置在排气通路15中。这些传感器的例子包括：检测排气温度的排气温度传感器、检测排气中的NOx浓度的NOx传感器、以及当空燃比跨过理论空燃比时输出值突然改变的氧浓度传感器(也称之为O2传感器)。 [0059] 在前述系统结构中，当被捕集并堆积于DPF31的PM的量超过预定的量时，必须通过除去所述PM将过滤器再生，以便DPF31能够捕集更多的PM(即，使得DPF31恢复其捕集PM的能力)。已知有各种再生过滤器的方法，但是，在本示范性实施形式中，采用被DPF本身燃烧掉来去除被捕集的PM的方法。即，在DPF中载置诸如铂(Pt)等贵金属催化剂。一旦被捕集的PM超过预定的量，则进行后喷射等，以便向DPF31供应相对浓混合比的排气。结果，排气中的浓混合比的成分(主要是HC)与催化剂反应并燃烧，结果，这时，被捕集的PM也燃烧。顺便提及，也可以用其它方法对过滤器进行再生。例如，可以通过利用单独设置的加热器将被捕集的PM烧掉并除去。 [0060] 为了有效地对过滤器进行再生，需要精确地确定被捕集到DPF31中的PM的量何时超过预定的量，并确定进行过滤器再生的恰当的时间段或者时机。在现有技术中，利用压差传感器测量过滤器上游和下游之间的压差，当该压差达到预定值时，进行过滤器的再生。但是，这要求从过滤器的上游和下游到压差传感器的的独立的排气通路，从而具有例如实际上使排气通路的结构更加复杂的缺点。 [0061] 从而，在本示范性的实施形式中，不采用压差传感器。而是代之以推定捕集到DPF31中的PM的量，并用于确定再生过滤器的时机。即，推定供应给上游氧浓度传感器40的排气的空燃比，并根据该推定的排气空燃比(下面，也称之为“推定的空燃比”)A/Fe和上游氧浓度传感器40的输出(下面，也称之为“上游传感器输出)If来推定被捕集到DPF31中的PM的量。当被捕集的PM的量超过预定的量时，将其确定为再生过滤器的时刻，实施下面将要描述的过滤器再生控制。上游氧浓度传感器40用于检测被捕集到DPF中的PM的量，而不是用于检测通常的空燃比。 [0062] 发明人等通过深入研究发现，氧浓度传感器的输出值根据供应给氧浓度传感器的排气的空燃比和附着并堆积于氧浓度传感器的PM的量而变化。图2表示这三种因素之间的关系。如图中所示，当供应给氧浓度传感器的排气的空燃比A/F恒定时，随着附着并堆积于氧浓度传感器的PM的量(下面也称之为“传感器PM堆积量”，用水平轴表示)增加，氧浓度传感器的输出值I(用竖轴表示)逐渐减小。同时，在堆积于氧浓度传感器的PM的量与被捕集到DPF中的PM的量之间，存在着对应的关系或成比例的关系。结果，随着被捕集到DPF中的PM的量增加，氧浓度传感器的输出值减小，从而，通过对在相同的排气空燃比下的氧浓度传感器的输出进行监测，可以推定被捕集到DPF中的PM的量。当被捕集到DPF中的PM的量超过预定值时，确定是实施过滤器再生的时刻。氧浓度传感器的输出值、或者对应于该输出值的传感器PM堆积量是表示被捕集到DPF中的PM的量的指标值。 [0063] 从而，只需要将上游氧浓度传感器40配置在排气通路中。无需设置单独的排气通路。这能够避免使排气通路的结构复杂化，并避免限制其设计自由度。 [0064] 例如，可以根据发动机的运转状态，以下述方式推定供应给氧浓度传感器的排气的空燃比。即，ECU100根据基于曲柄角传感器26的输出检测出来的发动机的速度NE和由加速器踩下量传感器27检测出来的加速器踩下量Ac，依照预定的映象等，确定在下一个燃料喷射过程中将要被喷射的燃料的量Q(即，燃料喷射量Q)。然后，ECU100计算储存或者指定的燃料喷射量Q与由空气流量计22检测出来的进气量Ga的比值，将该比值作为推定的空燃比A/Fe(即，A/Fe+Ga/Q)。 [0065] 在本示范性的实施形式中，已经将氧浓度传感器的结构设计成被捕集到DPF31中的PM的量与氧浓度传感器的输出值之间的相关性是可以看出的。图3和图4表示用作上游氧浓度传感器40的氧浓度传感器的第一种结构。氧浓度传感器X是所谓的极限电流氧浓度传感器，极限电流氧浓度传感器具有有着叠层结构的传感元件60。整个传感元件60装在图中未示出的元件罩内。 [0066] 传感元件60包括固定在绝缘层61上的板状的固体电解质62、相互对向地配置在固体电解质62上的一对电极63和64。例如，绝缘层61由高导热性陶瓷、例如氧化铝制成，固体电解质62由部分稳定化的氧化锆片制成。电极63和64由铂制成。在绝缘层61中与内侧的电极64面对的部分形成空气室65，使电极64暴露于空气中。因而，内侧的电极64将被称为空气侧电极。加热器66埋设在绝缘层61中。该加热器66是线状加热元件，当从电池供应电流时产生热。由加热器66产生的热对整个元件加热。 [0067] 在传感元件60上设置至少覆盖外侧的电极、即排气侧的电极63的覆盖层67。在本示范性实施形式中，覆盖层67不仅覆盖排气侧电极63，而且还覆盖整个元件。覆盖层67由多孔体制成，排气能够通过该多孔体流动，并且排气中的颗粒物能够堆积于该多孔体。例如，该多孔体由多孔陶瓷制成。排气中的PM逐渐附着并堆积于该覆盖层67。 [0068] 当施加电压并且电流流过两个电极时，以空气侧电极64作为正电极或阳极，以排气侧电极63作为负电极或者阴极，在排气侧电极63处发生电化学反应2- O2+4e→2O ...(1)，导致将氧离子提供给固体电解质62。在此期间，在空气侧电极64处发 2- 生反应2O →O2+4e...(2)，导致氧被释放。这一现象是公知的氧泵作用。 [0069] 如果在将氧从传感器元件60的环境气氛向发生上述表达式(1)的反应的排气侧电极63输送的过程中，被输送的氧的量在某些地方受到限制的话，则在该电解质电池的电流-电压特性中出现饱和电流特性。该饱和电流称之为极限电流。该极限电流的大小基本上由气氛中的氧浓度决定。极限电流氧浓度传感器通过气体扩散向排气侧电极63提供氧，并输出与氧浓度成比例的极限电流。 [0070] 借助上面描述的氧浓度传感器40，由多孔体制成的覆盖层67的氧气扩散控制被输送到排气侧电极63的氧的量。于是，流过固体电解质62的氧离子的流量、即传感器的输出电流，几乎全部由在覆盖层67处的气体扩散量决定。 [0071] 图5是表示氧浓度传感器X的电压-电流特性(V-I特性)的曲线图。在该曲线图中，直线部分平行于对应于极限电流区域的V轴(即水平轴)，所述极限电流区域规定传感器的输出电流、即元件电流。该元件电流的增加或减小对应于排气中的氧浓度的增加或减少，即，对应于排气空燃比的增加或减小。即，随着排气空燃比变等更稀，元件电流增大，随着排气空燃比变得更浓，元件电流减小。顺便提及，曲线中的LX1表示用于确定施加到传感器元件60上的电压的施加电压直线(施加电压特性)。该直线的斜率基本上与几乎由电阻控制的区域(即，在极限电流区域的低电压侧的倾斜的部分)相一致。特别是，在本示范性实施形式中，从A/F 11到AIR的宽的区域是空燃比检测范围。在A/F 11处，元件电流为-1.3mA。在理论空燃比(A/F＝14.6)时，元件电流大约为0mA，在大气状态下(即，AIR)，元件电流为2.5mA。 [0072] 同时，当排气中的PM堆积于覆盖层67时，会妨碍覆盖层67扩散氧气的能力，结果，表示相同的空燃比的传感器的输出电流减小。即，传感器输出电流I可以用下面的表达式(3)表示。 [0073] [0074] 其中，F是法拉第常数，R是气体常数，T是气体温度，D是覆盖层中的氧扩散系数，S是电极区域，L是覆盖层的厚度，P是氧浓度。当PM堆积于覆盖层67时，氧扩散系数D减小，结果，传感器输出电流I降低。从而，建立起图2所示的关系。顺便提及，堆积于覆盖层67的PM的量增加时，覆盖层67的实质上的孔隙率降低。 [0075] 下面，根据图6说明示范性实施形式的过滤器再生程序的第一种形式。图中所示的程序由ECU100以预定的周期重复地执行。 [0076] 首先，在步骤S101，根据发动机的运转状态，即，根据燃料喷射量Q和进气量Ga(A/Fe＝Ga/Q)，计算出供应给上游氧浓度传感器40的排气的空燃比的推定值，即，推定的空燃比A/Fe。接着，在步骤S102，获得上游氧浓度传感器40的输出电流值If(即，上游传感器输出If)。 [0077] 然后，在步骤S103，将获得的上游传感器输出If与预定的阈值A1进行比较。如果上游传感器输出If等于或大于阈值A1，则不必进行过滤器的再生，即，推定为被捕集到DPF31中的PM的量等于或者小于需要进行过滤器的再生的预定的量(称为“过滤器最大捕集量)，从而，程序的该循环结束。 [0078] 另一方面，如果上游传感器输出If小于阈值A1，则推定为被捕集到DPF31中的PM的量超过过滤器最大捕集量，从而在步骤S104执行上面描述的过滤器再生控制，以便将DPF31再生。然后，在步骤S105，执行传感器再生控制，以便将堆积于上游氧浓度传感器40的PM燃烧掉。之后，程序的这一循环结束。 [0079] 返回来参照图2，如果对应于过滤器最大捕集量的传感器的PM堆积量为W(将称之为传感器最大堆积量)，则对应于该W的传感器输出值IW20、IW18、IW15分别变成确定是否需要将过滤器再生的阈值A1。随着推定的空燃比A/Fe的值的增大，阈值A1变成更大的值。例如，当在推定的空燃比A/Fe等于20时实际上获得的上游传感器输出If等于或者大于与该推定空燃比对应的阈值A1(A1＝IW20)时，推定为被捕集到DPF31中的PM的量等于或者小于过滤器最大捕集量，从而，不进行过滤器的再生。相反地，当上游传感器输出If小于阈值A1(A1＝IW20)时，推定为被捕集到DPF31中的PM的量超过过滤器最大捕集量，从而进行过滤器的再生。 [0080] 在步骤S105的传感器再生控制中，ECU100控制上游氧浓度传感器40的加热器66，使之产生热。结果，附着并堆积于上游氧浓度传感器40的覆盖层67的PM通过燃烧被除去，从而，就像DPF31那样，上游氧浓度传感器40也恢复到其初始状态。 [0081] 下面，参照图7描述本示范性实施形式的过滤器再生程序的第二种形式。该程序也以预定的循环由ECU100重复地施行。 [0082] 首先，在步骤S201，确定过滤器再生是否已经刚刚结束。例如，在过滤器再生已经结束后的相对较短的预定时间段内，判定为“是”(yes)。 [0083] 当确定过滤器再生已经刚刚结束时，将实际的上游传感器输出If作为步骤S202中的初始上游传感器输出If0存储在ECU100中。该初始上游传感器输出If0是当没有PM堆积于DPF31和上游氧浓度传感器40时的值。在从过滤器再生已经结束之后经过预定的时间段之前，作为成对的数据，在ECU100中存储多个不同的推定空燃比A/Fe和初始上游传感器输出If0的对应值。另一方面，如果在步骤S201中判定过滤器的再生不是刚刚结束，则跳过步骤S202。 [0084] 在步骤S203，就像在步骤S101中那样，计算出推定的空燃比A/Fe的值，在步骤S204，就像在步骤S102中那样，获取上游传感器输出If。 [0085] 然后，在步骤S205，读出用于与在步骤S203中计算出来的推定空燃比A/Fe相同的空燃比的初始上游传感器输出的值If0，获取该初始上游传感器输出If0与在步骤S204中获得的上游传感器输出If之间的差，即，获取传感器输出差ΔIf(＝If0-If)。然后将该传感器输出差ΔIf与预定的阈值A2进行比较。如果该传感器输出差ΔIf等于或者小于阈值A2，则推定被捕集到DPF31中的PM的量等于或者小于过滤器最大捕集量，则所述程序的该循环结束。另一方面，如果传感器输出差ΔIf大于阈值A2，则推定为被捕集到DPF31中的PM的量超过过滤器最大捕集量，从而就像在步骤S104中那样，在步骤S206中实施过滤器再生控制，并且，就像在步骤S105中那样，在步骤S207中实施传感器再生控制，之后，所述程序的该循环结束。 [0086] 再返回来参照图2，当PM堆积于DPF31和上游氧浓度传感器40时，上游传感器输出If从堆积的PM的量为0时的初始上游传感器输出If0逐渐减小，从而，等于If0-If的传感器输出差ΔIf逐渐增大。从而，利用该传感器输出差ΔIf能够推定堆积于DPF31上的量。在传感器最大堆积量为W时的每个空燃比下的传感器输出差ΔIfW，成为每个空燃比的阈值A2。上游传感器输出相对于传感器PM堆积量的斜率随着空燃比的增大而增加，从而，随着推定的空燃比A/Fe的值增大，阈值A2变成更大的值。例如，当在当推定的空燃比A/Fe等于20时实际获得的上游传感器输出If20与在相同的空燃比下的初始上游传感器输出If020之间的差(即，If020-If20)等于或者小于对应于该推定空燃比的阈值A2(＝If020-Ifw20)时，推定为被捕集到DPF31中的PM的量未超过过滤器最大捕集量，从而不执行过滤器的再生。相反地，当该差(即，If020-fI20)大于阈值A2时，推定为被捕集到DPF31中的量超过过滤器最大捕集量，从而进行过滤器的再生。 [0087] 对于所述第二种形式，根据与当堆积的PM的量为0时实际获得的初始上游传感器输出If0之差推定过滤器PM的捕集量。结果，例如，即使在由于劣化等原因、上游氧浓度传感器40的输出偏离，也可以将其影响消除，从而能够精确地推定被捕集的PM的量。 [0088] 下面，将描述适合用于推定过滤器PM捕集量的氧浓度传感器的另外一种结构。 [0089] 图8中所示的第二种结构与图4中所示的第一种结构基本上类似，从而，在图中用类似的参考标号表示类似的部件。对于和第一种结构的差别，在图8所示第二种结构中，利用由诸如多孔陶瓷等多孔体制成的扩散电阻层68覆盖排气侧电极63和在其上配置排气侧电极63的固体电解质62的上表面，并将屏蔽层69层叠到扩散电阻层68的顶部上。然后用覆盖层67覆盖包括扩散电阻层68和屏蔽层69在内的整个元件。扩散电阻层68和屏蔽层69的两侧部被以一角度倒角或形成。该屏蔽层69是致密的层，阻止排气通过该层，而扩散电阻层68当然允许排气从其中通过。结果，在通过覆盖层67之后，在元件的环境气氛中的排气从扩散电阻层68的两侧部进入该扩散电阻层68，并通过该扩散电阻层68到达排气侧电极63。覆盖层67和扩散电阻层68两者决定输送到排气侧电极63的氧的量。但是，与覆盖层67的平均孔径和孔隙率相比，扩散电阻层68的平均孔径较小，并且扩散电阻层68的孔隙率较低，从而，PM不能堆积于扩散电阻层68。就像第一种形式那样，传感器输出根据堆积于覆盖层67的PM的量而变化。 [0090] 图9和10表示第三种结构。该第三种结构是圆筒形的所谓的杯形结构，带有电极63和64安装于其上的被封闭的固体电解质62的底部。空气室65形成于固体电解质62的内侧，空气侧电极64配置在固体电解质62的内侧。排气侧电极63配置在固体电解质62的外侧，并且整体被覆盖层67从外侧覆盖。就像第一种结构那样，传感器输出根据堆积于覆盖层67的PM的量变化。 [0091] 顺便提及，上游氧浓度传感器40也可以被用于检测通常的空燃比。从而，上游氧浓度传感器40既可以用于推定被捕集到DPF中的PM的量，也可以用于检测空燃比。 [0092] 下面，将描述与推定被捕集到DPF中的PM的量相关的另外一种形式。在该另外一种形式中，如图11所示，在DPF31下游、或者更具体地说紧靠下游的排气通路15中，还设置有用于检测流出DPF31的排气的氧浓度的氧浓度传感器，即，下游氧浓度传感器41。下游氧浓度传感器41具有和上游氧浓度传感器40相同的结构。其它的结构和图1中所示的前面所述的形式相同。 [0093] 在该另外一种形式中，推定供应给上游氧浓度传感器40的排气的空燃比A/Fe，并根据该推定的空燃比A/Fe、来自于上游氧浓度传感器40的输出If(即，上游传感器输出If)和下游氧浓度传感器41的输出Ir(即，下游传感器输出Ir)，推定出被捕集到DPF31中的PM的量。当被捕集的PM的量超过预定的值时，判定为要对过滤器进行再生的时刻，从而实施过滤器再生控制。 [0094] 发明人等通过深入的研究发现，氧浓度传感器的输出值根据供应给氧浓度传感器的排气的空燃比和供应给氧浓度传感器的排气的压力而变化。图12表示这三个因素之间的关系。如图所示，当供应给氧浓度传感器的排气的空燃比A/F恒定时，氧浓度传感器的输出值(用竖轴表示)随着排气压力(用水平轴表示)的增加而逐渐增大。同时，DPF上游的压力和DPF的上游与下游之间的压差随着被捕集到DPF中的PM的量的增加而增大。从而，通过利用上游和下游氧浓度传感器40和41作为压力传感器监测相同的空燃比条件下的DPF上游与下游之间的压差，可以推定被捕集到DPF中的PM的量。当被捕集到DPF中的PM的量超过预定值时，确定为是对过滤器进行再生的时刻。根据上游和下游氧浓度传感器40和41的压差、或者对应于输出值的排气压力的差，是表示被捕集到DPF中的PM的量的指标值。 [0095] 不仅具有第一、第二和第三种结构的氧浓度传感器、而且具有下面描述的第四和第五种结构的氧浓度传感器也适合应用于所述另外一种形式。 [0096] 在图13和14所示的第四种结构中，传感器元件60的排气侧电极63由多孔体制成，但不被覆盖。而是代之以将排气侧电极63装入排气室70。该排气室70由设置在固体电解质62上的绝缘层61a和设置在该绝缘层61a上的屏蔽层69确定。在屏蔽层69上形成针孔(即，微孔)71。仅利用该针孔71将元件的环境气氛和排气室70连通。在该第四种结构中，针孔71决定被输送到排气侧电极63的氧的量。除此之外的所有其它部分与前面描述的结构相同。 [0097] 图15表示第五种结构，该结构基本上和图8所示的第二种结构类似，其不同之处为：不设置由多孔体制成的覆盖层67，在作为由多孔体制成的扩散电阻层68的排气导入部的两侧部，设置有毒物质捕集层72。该有毒物质捕集层72是主要捕集诸如油中的硅和玻璃成分等晶粒生长物质的层。该有毒物质捕集层72对于输送的氧的量和氧气向排气侧电极63的扩散基本上没有影响。如上所述，传感器的输出电流I可以用下面的表达式(3)表示。 [0098] [0099] 这里，氧扩散系数D依赖于气体扩散路径。在第四种结构中，氧扩散系数D依赖于在针孔71中的分子迁移机构。在第五种结构中，氧扩散系数D依赖于在扩散电阻层68中的分子迁移机构。当相对于氧分子的平均自由程l02(例如，0.049mm)而言针孔的直径d足够大(即，作为指导，d＞＞20l02)时，在这种针孔中的扩散，在两个分子之间碰撞的几率显著地大于在分子与针孔的内壁之间碰撞的几率(即，分子扩散区域)。因为这时的氧扩散系数D与压力成比例，所以，氧浓度传感器的输出与排气压力成比例地变化。从这个观点出发，为了使分子扩散占主导地位，在第四种结构中，针孔的直径d优选至少为0.1mm，在第五种结构中，扩散电阻层68的孔隙率优选至少为20％。顺便提及，在第一、第二和第三种结构中，覆盖层67和扩散电阻层68两者的孔隙率至少为20％。 [0100] 下面，将参照图16描述与这种形式相关的过滤器再生程序的第三种形式。由ECU100以预定的循环重复地执行所示的程序。 [0101] 首先，在步骤S301，如在步骤S101中那样，计算空燃比A/Fe的推定值。接着，在步骤S302，如在步骤S102中那样，获取上游传感器输出If。然后，在步骤S303，获取下游传感器输出Ir。 [0102] 之后，在步骤S304，计算在获取的上游传感器输出If与获取的下游传感器输出Ir之间的差，即，计算上游/下游传感器输出差ΔIfr(If-Ir)，然后，与预定的阈值B进行比较。如果上游/下游传感器输出差ΔIfr等于或者小于阈值B，则推定为被捕集到DPF31中的PM的量未超过过滤器最大捕集量，从而程序的这一循环结束。另一方面，如果上游/下游传感器输出差ΔIfr大于阈值B，则推定为被捕集到DPF31中的PM的量超过过滤器最大捕集量，从而，就像在步骤S104中那样，在步骤S305中执行过滤器再生控制，并且，就像在步骤S105中那样，在步骤S306中执行传感器再生控制，之后，结束该程序的这一循环。 [0103] 返回来参照图12，随着PM堆积于DPF31，DPF31上游的排气压力上升，结果，上游/下游传感器输出差ΔIfr(＝If-Ir)逐渐增大。从而，可以借助该上游/下游传感器输出差ΔIfr推定被DPF31捕集的PM的量。当被捕集的PM的量与过滤器最大捕集量相匹配时，对应于DPF上游/下游压力差W的各个空燃比的上游/下游传感器输出差ΔIfrw变成在各个空燃比下的阈值B。随着空燃比变大，传感器的输出相对于排气压力的斜率增大，从而，随着推定的空燃比A/Fe的值增大，阈值B变成更大的值。例如，在推定的空燃比A/Fe等于20时实际获得的上游传感器输出If与下游传感器输出Ir之间的差(即，If20-Ir20)等于或者小于对应于该推定空燃比的阈值B(B＝ΔIfrW20)时，推定为被捕集到DPF31中的PM的量等于或者小于过滤器最大捕集量，从而，不进行过滤器再生。相反地，当该差(即，If20-Ir20)大于阈值B时，推定为被捕集到DPF31中的PM的量超过过滤器最大捕集量，从而，进行过滤器的再生。 [0104] 在该另外一种形式中，同样地，上游和下游氧浓度传感器40和41只需要配置在排气通路中，从而，不需要添加单独的排气通路。结果，能够避免使排气通路的结构复杂化，不会限制其设计自由度。 [0105] 在该另外一种形式中，利用氧浓度传感器作为压力传感器，测量DPF31的上游与下游之间的压差。然而，也可以与这种技术紧密相关地检测诸如在DPF31中的破裂等异常，下面对此进行描述。 [0106] 如果在DPF31中发生诸如破裂等异常，在发生异常时，DPF31上游的排气压力将会突然变化。更具体地说，当发生异常时，排气压力会突然减小(即，与发生异常之前相比，在发生异常之后，排气压力会突然降低)。从而，通过用位于DPF31上游的上游氧浓度传感器40检测这一突然变化(即，减小)，可以检测DPF31中的异常。 [0107] 图17是表示DPF异常检测程序的第一种形式的流程图。所示的该程序由ECU100以预定的循环重复地执行。当排气空燃比稳定时、即基本上恒定时，例如在发动机稳定地运转时，执行该第一种形式。 [0108] 首先，在步骤S401，计算出在执行所述程序的这一循环(n)的时候的推定空燃比A/Fen的值，即，计算出当前的推定空燃比A/Fen。然后，在步骤S402，获取在执行该程序的所述循环的时候的上游传感器输出Ifn，即，获取当前的上游传感器输出Ifn。 [0109] 在步骤S403，计算出上一个循环(n-1)的上游传感器输出与这一个循环的上游传感器输出之间的差，即，计算出当前循环的上游传感器输出的变化率Un(＝Ifn-Ifn-1)。然后，在步骤S404，将该上游传感器输出的变化率Un的绝对值与预定的阈值C(＞0)进行比较。 [0110] 如果所述上游传感器输出变化率Un的绝对值等于或者小于阈值C，则判定为在DPF31中未发生诸如破裂等异常，直接结束程序的这一循环。另一方面，如果上游传感器输出变化率Un的绝对值大于阈值C，则在步骤S405中判定为在DPF31中发生了诸如破裂等异常，并结束程序的这一循环。顺便提及，如果在步骤S405中判定为发生了异常，优选地，使警告装置等动作，以便向使用者发出出现异常的警报。 [0111] 如从图12看出的那样，当作为DPF31中的破裂的结果、DPF31上游的压力下降时，上游传感器的输出降低。从而，当该降低的量大于预定的值时，可以判定为在DPF31中存在破裂。这里，在DPF31中发生破裂时上游传感器输出降低的量因该时刻的排气空燃比的不同而不同。从而，对于不同的空燃比，预先设定不同的阈值C，随着空燃比的增大，将该阈值C设定成较大的值。在步骤S404中，使用用于与在步骤S401中计算的推定空燃比A/Fe相同的空燃比的阈值C。 [0112] 图18是表示DPF异常检测程序的第二种形式的流程图。所示的程序由ECU100以预定的循环重复地执行。该第二种形式只提取和检测DPF上游的压力降低的量，从而消除了由排气空燃比的变化引起的任何影响，其中，所述排气空燃比的变化可能是发动机的运转状态的变化引起的结果。 [0113] 首先，在步骤S501，就像在步骤S401中那样，计算出在执行所述程序的这一循环(n)的时候的推定的空燃比A/Fen的值，即，计算出当前的推定空燃比A/Fen。然后，在步骤S502，就像在步骤S402中那样，获取在执行所述程序的这一循环的时候的上游传感器输出Ifn，即，获取当前的上游传感器输出Ifn。 [0114] 然后，在步骤S503，计算出在执行所述程序的这一循环的时候的排气压力Pn，即，计算出当前的排气压力Pn。即，预先将定义如图12中所示的关系的映象存储在ECU100内。ECU100由所述映象根据当前的推定空燃比A/Fen和当前的上游传感器输出Ifn，计算出与所述当前的推定空燃比A/Fen和当前的上游传感器输出Ifn相对应的排气压力Pn。 [0115] 然后，在步骤S504，计算当前的上游传感器输出变化率Un。然而，在该第二种形式中，用于计算上游传感器输出变化率Un的方法不同。在该第二种形式中，根据下面的表达式(4)计算上游传感器输出变化率Un。 [0116] Un＝Ifn-If(A/Fen，Pn-1)...(4) [0117] 其中，If(A/Fen，Pn-1)指的是在映象上对应于当前的推定空燃比A/Fen和上一次排气压力Pn-1的上游传感器输出值。 [0118] 下面将参照图19对此进行描述。在该例子中，如图中的空心星号所示，上一次的上游传感器输出Ifn-1是当推定的空燃比A/Fen-1等于20并且排气压力为Pn-1时的值，而当前的上游传感器输出Ifn是当推定的空燃比A/Fen等于18并且排气压力为Pn时的值。Ifn小于Ifn-1，并且，Pn小于Pn-1。由此看来，似乎当前的上游传感器输出Ifn比上一次的上游传感器输出Ifn-1下降得多，从而，在DPF31中可能出现破裂。然而，该下降的量也包括空燃比中的变化(即，降低)量。因而，对上游的上一次传感器输出值进行修正，以便排除空燃比中的这一变化量。即，获取在与上一次排气压力Pn-1相同的排气压力、与当前的推定空燃比A/Fen相同的空燃比下的上游传感器的输出值If(A/Fen，Pn-1)(在曲线中用黑色星号表示)。从而，可以利用空燃比的变化量修正上一次的上游传感器输出值。结果，通过获取当前的推定空燃比A/Fen和修正之后的上一次的上游传感器输出值If(A/Fen，Pn-1)之间的差，可以获取排除空燃比的变化量的纯粹的上游传感器输出值的变化量。 [0119] 顺便提及，本例子表示了空燃比和排气压力降低的情况。然而，在空燃比增大和排气压力增大两种情况下，也可以类似地获取纯粹的上游传感器输出值的变化量。顺便提及，排气压力增大的异常，例如，可能是由于DPF上游的排气系统中的部件出现故障和碎片阻塞DPF造成的结果。 [0120] 当以这种方式计算出当前的上游传感器输出的变化率Un时，就像在步骤S404中那样，在步骤S505中，将该上游传感器输出的变化率Un的绝对值与预定的阈值C(＞0)进行比较。该阈值C可以和第一种形式中使用的值相同。如果上游传感器输出的变化率Un的绝对值等于或者小于阈值C，则判定为在DPF31中未发生诸如破裂等异常，程序的这一循环结束。另一方面，如果上游传感器输出的变化率Un的绝对值大于阈值C，则在步骤S506中判定为在DPF31中发生了诸如破裂等异常，程序的这一循环结束。 [0121] 这样，在第二种方式中，利用空燃比的变化量修正上一次的上游传感器的输出值，从而能够只检测排除了空燃比变化造成的影响的DPF上游的压力变化量。从而，即使当发动机的运转状态变化，也可以合适地检测DPF中的异常，因此，能够确保大量的检测机会，而没有对于检测机会的数量的限制。 [0122] 上面尽管描述了本发明的各种示范性的实施形式，但是，其它实施形式也是可能的。例如，在前面的示范性实施形式中，内燃机是压缩点火式内燃机。但是，近年来，也存着由火花点火式内燃机产生排气中的颗粒物的例子。在这种情况下，也可以将本发明应用于火花点火式内燃机。并且，在上面所述示范性实施形式中，推定当再生过滤器的时候的过滤器PM捕集量。但是，本发明也可以应用于推定在再生过滤器之前处于中间量的过滤器PM捕集量。 [0123] 尽管参照其示范性实施形式对本发明进行了描述，但是，应当理解，本发明并不局限于所述示范性实施形式或者结构。相反地，本发明意在覆盖各种改型和等价的配置。另外，尽管在各种实施形式和结构中展示了示范性实施形式的各种部件，但是，它们只是示范性的，包括更多的、较少的或者只是单个的要素的其它组合和结构，也包括在本发明的主旨和范围内。 |
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