CN101387654A - 涡轮增压发动机的涡轮速度传感器诊断 - Google Patents

涡轮增压发动机的涡轮速度传感器诊断 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涡轮增压发动机的涡轮速度传感器诊断。一种诊断涡轮速度传感器的操作的方法，所述涡轮速度传感器监测内燃机系统内的涡轮增压器，所述方法包括：确定所述发动机系统是否运行于高速和低速范围中的一个内；以及基于发动机系统是否确定于所述高速范围和所述低速范围中的一个来确定阈值涡轮速度值。基于所述涡轮速度传感器产生的信号监测所述涡轮增压器的实际涡轮速度值。将所述实际涡轮速度值与所述阈值涡轮速度值作比较，并基于所述比较步骤产生诊断信号。

Description

涡轮增压发动机的涡轮速度传感器诊断
[0001]本申请要求于2007年8月24日提交的美国临时申请No.60/957，820的优先权。上述申请的内容通过参考并入本文。
技术领域
[0002]本公开涉及内燃机，尤其涉及涡轮增压发动机的涡轮速度传感器诊断。
背景技术
[0003]内燃机在气缸内燃烧空气与燃料(A/F)混合物以产生驱动扭矩。更具体地，燃烧事件往复地驱动活塞，活塞驱动曲轴，提供从发动机输出的扭矩。在期望的曲轴角度点燃或点火A/F混合物。一些内燃机包括涡轮增压器，这增大了发动机吸入的增压空气密度。涡轮增压器由废气驱动，从而废气的热能转换为压缩进入发动机的空气的机械能。
[0004]发动机制造商始终设法改善内燃机的排放输出和控制。为此，常常使用多个传感器来监测各种发动机运行参数。在使用涡轮增压器的情形下，还可包括监测涡轮增压器运行参数的各种传感器，例如涡轮增压器速度传感器。通常包括传感器诊断以确定监测发动机运行参数的各种传感器是否精确地监测了各种发动机运行参数。但是，传统的发动机系统需要深入的初始标定努力和另外的硬件，这些都增加了研发和制造发动机系统的成本和时间。另外，传统传感器诊断系统并不确定传感器在其整个运行范围内是否提供精确的读数。
发明内容
[0005]因此，本公开提供了一种监测内燃机系统内涡轮增压器的涡轮速度传感器的诊断操作方法。所述方法包括确定所述发动机系统是否运行于高速和低速范围中的一个内，和基于发动机系统是否运行于所述高速范围和所述低速范围内的一个来确定阈值涡轮速度值。基于所述涡轮速度传感器产生的信号监测所述涡轮增压器的实际涡轮速度值。将所述实际涡轮速度值与所述阈值涡轮速度值作比较，和基于所述比较步骤产生诊断信号。
[0006]在另一特征中，所述方法还包括确定所述发动机系统是否运行于稳定状态。只有所述发动机系统运行在所述稳定状态时才执行所述比较和产生步骤。
[0007]在其它特征中，所述比较步骤包括确定所述实际涡轮速度值是否小于所述阈值涡轮速度值。其中如果所述实际涡轮速度值小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为故障信号。可选地，只有当发动机温度大于阈值发动机温度时才执行所述比较步骤。
[0008]在其它特征中，所述方法还包括基于通过所述涡轮增压器的压力比和空气流量来确定估计的涡轮速度值。所述阈值涡轮速度值基于所述估计涡轮速度值。可选地，所述确定估计涡轮速度值步骤包括使用专用于所述涡轮增压器的压缩机图。
[0009]在其它特征中，所述方法还包括确定第二阈值涡轮速度值，以及限定在所述阈值涡轮速度值与所述第二阈值涡轮速度值之间的诊断涡轮速度范围。所述比较步骤包括确定所述实际涡轮速度值是否在所述诊断涡轮速度范围内。可选地，如果所述实际涡轮速度值在所述诊断涡轮速度范围内，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不在所述诊断涡轮速度范围内那么所述诊断信号为故障信号。
[0010]根据下文中所提供的详细描述，可清楚本公开适用性的其它方面。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施例，但是其详细描述和具体实例仅仅是示意性目的，而不是限制本公开的范围。
附图说明
[0011]本文所示的附图仅仅是示意性目的，而不是以任何方式限制本公开的范围。
[0012]图1为包括涡轮增压器的发动机系统的功能框图；
[0013]图2示出了典型涡轮增压器的典型压缩机图；
[0014]图3为示出由本公开的涡轮速度传感器诊断控制执行的典型步骤的流程图；
[0015]图4为示出执行涡轮速度传感器诊断控制的典型上层模块的功能框图；
[0016]图5为示出执行涡轮速度传感器诊断控制的低速诊断部分的典型下层模块的功能框图；以及
[0017]图6为示出执行涡轮速度传感器诊断控制的高速诊断部分的典型下层模块的功能框图。
具体实施方式
[0018]实质上，下列优选实施例的描述仅仅是示意性的，而绝不是限制本发明及其应用或使用。为简便起见，附图中使用相同的附图标记来表示相似的元件。如本文所使用的，术语模块指的是特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享、专用或群组的)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它合适部件。
[0019]现在参考图1，示出了典型发动机系统10。发动机系统10包括具有进气歧管14和排气歧管16的发动机12。空气与燃料混合，空气/燃料混合物在发动机12的气缸18内燃烧。虽然图1中所示典型发动机包括4个气缸，但是应当理解，发动机可包括更多或更少的气缸。例如，可预见具有2、3、5、6、8、10和12个气缸的发动机。
[0020]发动机系统10还包括涡轮增压器20。离开排气歧管的废气驱动涡轮增压器20，该增压器20压缩了从大气通过空气滤清器22和空气冷却器24吸入发动机的空气。计量通过节气门26进入进气歧管14的压缩空气。
[0021]涡轮增压器20还可包括由发动机控制模块控制的可变喷嘴28，以改变进入涡轮增压器20的废气流动角度和速度。更具体地，可控制涡轮增压器内的废气能量转换或利用，使得可调整涡轮增压器20提供的增压量。可选择地，涡轮增压器20可包括废气旁通阀，致动该废气旁通阀以使离开排气歧管16的废气绕开。更具体地，废气可有选择地绕开，使得其并不驱动涡轮增压器20。这样，可调节涡轮增压器20提供的增压量。
[0022]控制模块30调节发动机系统10的运行。更具体地，控制模块30基于多个发动机运行参数调节节气门26和涡轮增压器20的可变喷嘴28的运行。空气流量(MAF)传感器32基于进入发动机系统10的空气流产生MAF信号，进气温度传感器50基于进气空气的温度(TIA)产生信号。
[0023]歧管绝对压力(MAP)传感器36产生MAP信号，进气歧管温度(IMT)传感器34产生IMT信号，发动机温度传感器38基于发动机温度(TENG)产生信号。TENG可基于如流过发动机系统10的冷却剂流或油流的温度。发动机速度传感器40基于曲轴(未示出)的转速产生RPMENG。可选地，可使用速度密度方法估计MAF，该方法基于发动机运行参数估计MAF，所述发动机运行参数包括，但不限于，RPMENG、废气再循环(EGR)率(即，在使用EGR系统的情形下)、进气歧管温度(IMT)、进气歧管压力(MAP)和发动机排量。
[0024]涡轮速度传感器42产生涡轮速度信号，基于此确定实际涡轮速度(RPMTACT)。还应了解，可选地，可分别设置入口和出口压力传感器44、46(以虚线示出)，以分别监测涡轮入口压力PIN和出口压力POUT。还包括大气压力传感器48，其响应于大气压力(PBARO)。
[0025]本公开的涡轮速度传感器诊断控制既包括低速诊断，也包括高速诊断。首先详细描述低速诊断部分。当发动机系统在稳定状态怠速时，废气流和废气温度低。结果，涡轮增压器20的涡轮部分获得有限的废气能，其速度非常底。通过监测RPMENG、节气门位置、增压压力、发动机系统10怠速了多长时间以及其它发动机参数，涡轮速度传感器诊断控制可确定发动机系统10是否运行于低怠速情形。
[0026]涡轮速度传感器诊断控制还可确定TENG是否足够热(例如，将TENG与阈值比较)，以提供精确的诊断结果。如果发动机系统10运行于低怠速情形，并且足够热，那么将RPMTACT与涡轮速度阈值(RPMTTHR)作比较。如果RPMTACT小于RPMTTHR，那么认为涡轮速度传感器对于低速诊断是精确的。如果RPMTACT不小于RPMTTHR，那么认为涡轮速度传感器对于低速诊断是不精确的。低速诊断可执行多次，例如，由此如果故障的数目超过阈值故障数目，那么设定表示涡轮速度传感器在低速范围内不精确的故障标记。可选地或者额外地，可使用计数器，其中如果在预定时间期限内出现阈值数目的故障，那么设定故障标记。
[0027]对于高速诊断部分，在重载和/或高速时变暖的发动机给涡轮增压器20提供了充足的废气能，以在高速驱动涡轮增压器20。涡轮速度传感器诊断控制还可确定TENG是否足够热，与上面通过将TENG与阈值相比的低速诊断相同，以提供精确的高速诊断结果。涡轮速度传感器诊断控制使用压缩机图来提供具体运行状况的估计涡轮速度RPMTEST。图2中示出了典型压缩机图，其映射了基于压力比(PR)的RPMTEST、MAF和压缩机运行效率。在稳定状态，RPMT为PR的函数，其基于压缩机入口温度(PIN)和压缩机出口温度(POUT)、以及通过涡轮增压器20的MAF。PIN和POUT可分别通过可选的入口压力传感器44和出口压力传感器46测量。还应了解，可基于MAF和PBARO估计PIN，可基于MAF和MAP以及其它因素(包括，但不限于，进气空气滤清器压力损失和增压空气冷却器损失，其可为MAF以及空气滤清器22和增压空气冷却器24的流动阻力的函数)估计POUT。涡轮速度传感器诊断控制还基于发动机运行参数(包括，但不限于，RPMENG变化率和其过程、以及燃料供给变化率和其过程)确定发动机系统10是否运行于稳定状态。
[0028]使用压缩机图估计给定PR和MAF的涡轮速度范围。由于制造中发动机彼此之间涡轮增压器系统效率的差，实际涡轮速度将有一定程度的不同。例如，当涡轮增压器更有效率运行时，RPMTACT较高，当涡轮增压器运行效率较低时，RPMTACT较低。可加上安全余量以形成上下涡轮速度阈值，其限定了涡轮速度传感器的高速诊断范围。如果RPMTACT在高速诊断范围内，那么涡轮速度传感器对于高速诊断是精确的。如果RPMTACT不在高速诊断范围内，那么认为涡轮速度传感器对于高速诊断是不精确的。并且，如上面参考低速诊断所描述的，可使用计数器和/或计时器来使对噪声和错误故障的故障设定更加可靠。
[0029]作为可选方案，可通过压缩机图提供单个估计的RPMT值(RPMTEST)。基于RPMTEST与RPMTACT确定速度差(△RPM)。△RPM与阈值△RPM(△RPMTHR)作比较(△RPMTHR)。如果△RPM小于△RPMTHR，那么认为涡轮速度传感器对于高速诊断是精确的。如果△RPM不小于△RPMTHR，那么认为涡轮速度传感器对于高速诊断是不精确的。并且，该实施例也可使用计数器和/或计时器。
[0030]现在参考图3，详细描述涡轮速度传感器诊断控制执行的典型步骤。在步骤300中，控制监测发动机运行参数。在步骤302中，控制确定发动机是否运行在稳定状态，如上面详细描述的。如果发动机未运行在稳定状态，那么控制循环回步骤300。
[0031]在步骤304中，控制确定发动机是否足够热，如上面详细描述的。如果发动机未足够热，那么控制循环回步骤300。如果发动机运行在稳定状态并且发动机足够热，那么控制在步骤306中确定涡轮增压器是否运行在高速。如果涡轮增压器未运行在高速，那么控制继续至步骤310。如果涡轮增压器运行在高速，那么控制继续至步骤308。
[0032]在步骤310中，控制确定基于涡轮速度传感器信号确定的RPMTACT是否小于RPMTTHR。如果RPMTACT小于RPMTTHR，那么控制在步骤312中指示低速通过，控制结束。如果RPMTACT不小于RPMTTHR，那么控制在步骤314中指示低速故障，控制结束。应当理解，可累计通过指示数量或故障指示数量，并与通过和故障指示的总数相比较，以确定涡轮速度传感器在低速范围内是否是精确的。
[0033]在步骤308中，控制确定PR和MAF。在步骤316中，控制使用压缩机图基于PR和MAF确定RPMTEST。在步骤318中，控制确定△RPM是否大于△RPMTHR。如果△RPM不大于△RPMTHR，那么控制在步骤320中指示高速通过，控制结束。如果△RPM大于△RPMTHR，那么控制在步骤322中指示高速故障，控制结束。并且，应当理解，可累计通过指示数量或故障指示数量，并与通过和故障指示的总数相比较，以确定涡轮速度传感器在高速范围内是否是精确的。
[0034]现在参考图4，详细描述执行涡轮速度传感器诊断控制的典型上层模块。典型模块包括稳定状态模块400和诊断例程模块402。稳定状态模块400监测发动机运行参数，确定发动机系统是否运行于稳定状态，并向诊断例程模块402输出相应的信号。诊断例程模块监测发动机运行参数，并执行本文所述的低速和高速诊断部分。诊断例程模块402输出指示涡轮速度传感器对于低速和高速范围是否是精确的信号。诊断信号可包括，但不限于，低速通过信号、高速通过信号、低速故障信号和/或高速故障信号。
[0035]现在参考图5，详细描述执行低速诊断部分的典型模块。典型模块包括低怠速状态模块500、比较器模块502和低速通过/故障模块504。低怠速模块500监测发动机运行参数，确定发动机是否运行在低怠速状态，如本文所描述的，并向低速通过/故障模块504输出相应的信号。比较器模块502确定是否RPMTACT大于RPMTTHR，并向低速通过/故障模块输出相应的信号。低速通过/故障模块504基于低怠速状态模块500和比较器模块502的信号产生诊断信号。
[0036]现在参考图6，详细描述执行高速诊断部分的典型模块。由于压缩机速度、压力比、流量和效率的关系是在一种大气和温度测试条件下映射出的，所以这些关系只对特定的测试条件有效。压缩机图是参考标准参考温度(TREF)和压力(PREF)条件建立的，所以如果我们使用与该图成比例的或修正的压力和温度参数，该图就可用于其它热的或冷的环境和高海拔情形。加法器模块600将为摄氏度温标的TIA转换为开氏温度的绝对温度温标。在除法器模块602将该和除以参考温度(TREF)，压缩机图通过该参考温度构造并参考该参考温度。在平方根模块604确定这个商的平方根，以提供温度修正因数(KTBMP)。该温度修正因数(KTEMP)既可用于MAF输入修正，也可用于涡轮速度估计输出(RPMTEST)修正。出口压力差(△POUT)模块606基于MAF确定△POUT。类似地，入口压力差(△PIN)模块608基于MAF确定△PIN。将△POUT提供给差模块610，该模块将POUT确定为PBARO与△POUT之间的差。在除法器模块613将POUT除以参考压力(PREF)以提供压力修正因子(KPRESS)，压缩机图通过该参考压力构造并参考该参考压力。在各除法器模块614和乘法器模块616分别基于KPRESS和KTEMP修正MAF，以提供修正的MAFC。
[0037]将△PIN提供给加法器模块618，该模块将PIN确定为MAP与△PIN的和。除法器模块620基于POUT和PIN确定PR。将MAFC和PR输入涡轮速度(RPMT)模块，该模块使用压缩机图确定估计的RPMT(RPMTEST)。乘法器模块624基于KTEMP修正RPMTEST，以提供修正的RPMTEST(RPMTESTC)。差模块626基于RPMESTC和RPMTACT确定△RPM。比较器模块628将△RPM与RPMTHR作比较，并基于此产生信号。例如，如果△RPM小于RPMTHR，那么比较器模块628可产生表示认为涡轮速度传感器对于低速诊断是精确的“0”信号。如果△RPM不小于RPMTHR，那么比较器模块628可输出表示认为涡轮速度传感器对于低速诊断是不精确的“1”信号。高速通过/故障模块630基于比较器模块628的信号产生诊断信号。
[0038]作为图6中所示实施例的可选方案，可知，可从压缩机图(即，从RPMT模块622)基于MAFC和PR确定高速诊断范围。如上面详细描述的，可给限定该范围的涡轮速度上值和下值加上安全余量，以提供涡轮速度传感器的高速诊断范围。如果RPMTACT在高速诊断范围内，那么认为涡轮速度传感器对于高速诊断是精确的。如果RPMTACT不在高速诊断范围内，那么认为涡轮速度传感器对于高速诊断是不精确的。
[0039]本领域的技术人员从前面的描述应当理解，本发明广泛的教导可以多种形式执行。因此，尽管根据其特定实施例描述了本发明，但是由于通过对附图、说明书和所附权利要求的研究，其它修改对于技术人员也是显而易见的，所以本发明的实际范围不应当这样限制。

Claims (25)

1.一种诊断涡轮速度传感器的操作的方法，所述涡轮速度传感器监测内燃机系统内的涡轮增压器，所述方法包括：
确定所述发动机系统是否运行于高速范围和低速范围中的一个内；
基于发动机系统是否运行于所述高速范围和所述低速范围中的一个来确定阈值涡轮速度值；
基于所述涡轮速度传感器产生的信号监测所述涡轮增压器的实际涡轮速度值；
将所述实际涡轮速度值与所述阈值涡轮速度值作比较；以及
基于所述比较步骤产生诊断信号。
2.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述发动机系统是否运行于稳定状态，其中只有所述发动机系统运行在所述稳定状态时才执行所述比较和产生步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中在发动机温度大于预定发动机温度时有选择地执行所述比较步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述比较步骤包括：
确定所述实际涡轮速度值是否小于所述阈值涡轮速度值，
其中如果所述实际涡轮速度值小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值大于或等于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为故障信号。
5.如权利要求1所述的方法，还包括基于通过所述涡轮增压器的压力比和空气流量来确定估计涡轮速度值，其中所述阈值涡轮速度值基于所述估计涡轮速度值。
6.如权利要求5所述的方法，其中确定估计涡轮速度值的步骤包括使用专用于所述涡轮增压器的压缩机图。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
确定第二阈值涡轮速度值；以及
限定在所述阈值涡轮速度值与所述第二阈值涡轮速度值之间的诊断涡轮速度范围；
其中所述比较步骤包括确定所述实际涡轮速度值是否在所述诊断涡轮速度范围内。
8.如权利要求7所述的方法，其中如果所述实际涡轮速度值在所述诊断涡轮速度范围内，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不在所述诊断涡轮速度范围内那么所述诊断信号为故障信号。
9.一种监测涡轮速度传感器的操作的诊断系统，所述涡轮速度传感器用于内燃机系统内的涡轮增压器，所述诊断系统包括：
第一模块，其确定所述发动机系统是否运行于高速范围和低速范围中的一个内；
第二模块，其基于发动机系统是否运行于所述高速范围和所述低速范围中的一个来确定阈值涡轮速度值；
第三模块，其基于所述涡轮速度传感器产生的信号监测所述涡轮增压器的实际涡轮速度值；
第四模块，其将所述实际涡轮速度值与所述阈值涡轮速度值作比较；以及
第五模块，其基于所述第四模块的输出产生诊断信号。
10.如权利要求9所述的诊断系统，还包括第六模块，其确定所述发动机系统是否运行于稳定状态，其中只有所述发动机系统运行在所述稳定状态时，所述第四和第五模块才分别执行所述比较和产生。
11.如权利要求9所述的诊断系统，其中所述第四模块通过确定所述实际涡轮速度值是否小于所述阈值涡轮速度值来进行比较，其中如果所述实际涡轮速度值小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为故障信号。
12.如权利要求11所述的诊断系统，其中只有当发动机温度大于阈值发动机温度时，所述第三模块才进行比较。
13.如权利要求9所述的诊断系统，还包括第六模块，其基于通过所述涡轮增压器的压力比和空气流量来确定估计涡轮速度值，其中所述阈值涡轮速度值基于所述估计涡轮速度值。
14.如权利要求13所述的诊断系统，其中所述第六模块使用专用于所述涡轮增压器的压缩机图来确定所述估计涡轮速度值。
15.如权利要求9所述的诊断系统，其中所述第二模块确定第二阈值涡轮速度值，并且限定在所述阈值涡轮速度值与所述第二阈值涡轮速度值之间的诊断涡轮速度范围；其中所述第四模块确定所述实际涡轮速度值是否在所述诊断涡轮速度范围内。
16.如权利要求15所述的诊断系统，其中如果所述实际涡轮速度值在所述诊断涡轮速度范围内，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不在所述诊断涡轮速度范围内那么所述诊断信号为故障信号。
17.一种诊断涡轮速度传感器的操作的方法，所述涡轮速度传感器监测内燃机系统内的涡轮增压器，所述方法包括：
确定所述发动机系统是否运行于高速范围和低速范围中的一个内；
确定阈值涡轮速度值，其中如果所述发动机系统运行在所述高速范围内，那么所述阈值涡轮速度值基于压力比和修正空气流量；
如果所述发动机系统运行于所述高速范围内，那么基于温度修正因数修正所述阈值涡轮速度值；
基于由所述涡轮速度传感器产生的信号监测所述涡轮增压器的实际涡轮速度值；
将所述实际涡轮速度值与所述阈值涡轮速度值作比较；以及
基于所述比较步骤产生诊断信号。
18.如权利要求17所述的方法，还包括确定所述发动机系统是否运行于稳定状态，其中只有所述发动机系统运行在所述稳定状态时才执行所述比较和产生步骤。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述比较步骤包括确定所述实际涡轮速度值是否小于所述阈值涡轮速度值，其中如果所述实际涡轮速度值小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不小于所述阈值涡轮速度值，那么所述诊断信号为故障信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中只有当发动机温度大于阈值发动机温度时才执行所述比较步骤。
21.如权利要求17所述的方法，还包括基于通过所述涡轮增压器的所述压力比和所述空气流量来确定估计涡轮速度值，其中所述阈值涡轮速度值基于所述估计涡轮速度值。
22.如权利要求21所述的方法，其中确定估计涡轮速度值的步骤包括使用专用于所述涡轮增压器的压缩机图。
23.如权利要求17所述的方法，还包括：
确定第二阈值涡轮速度值；以及
限定在所述阈值涡轮速度值与所述第二阈值涡轮速度值之间的诊断涡轮速度范围；
其中所述比较步骤包括确定所述实际涡轮速度值是否在所述诊断涡轮速度范围内。
24.如权利要求23所述的方法，其中如果所述实际涡轮速度值在所述诊断涡轮速度范围内，那么所述诊断信号为通过信号，如果所述实际涡轮速度值不在所述诊断涡轮速度范围内，那么所述诊断信号为故障信号。
25.如权利要求17所述的方法，还包括：
确定所述温度修正因数和压力修正压力；以及
基于所述温度修正因数和所述压力修正因数来修正空气流量，以提供所述修正的空气流量。
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