CN102454459B - 用于加热氧传感器的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于加热氧传感器的控制系统和方法。控制系统包括温度确定模块和加热器控制模块。温度确定模块确定发动机排气系统中的氧传感器的温度。通过激励氧传感器的加热元件来将氧传感器的温度提高到大于800摄氏度，加热器控制模块施加热循环来燃烧氧传感器上的沉积物。

Description

用于加热氧传感器的控制系统和方法

技术领域

本公开涉及发动机的氧传感器和排气系统，更具体地涉及用于加热氧传感器的控制系统和方法。

背景技术

本文提供的背景描述用于大体介绍公开的内容。当前署名的发明人的工作，在本背景技术部分所描述的范围内以及在提交时可能不作为现有技术的说明书的方面，都既不明确也不暗示地视为相对于本公开的现有技术。

内燃发动机燃烧空气和燃料的混合物以产生扭矩。燃烧所产生的排气在排到大气中前通过排气系统。通常，排气系统包括测量排气中的氧水平的氧传感器。基于氧水平确定发动机的空气/燃料（A/F）比，基于A/F比控制发动机。

随着时间的过去，排气中的颗粒可在氧传感器上聚积，增加了氧传感器的响应时间。氧传感器的响应时间是在A/F比变化后、在氧传感器对A/F比的变化做出响应前所经过的时间量。最终，在氧传感器上的沉积物可完全削弱氧传感器检测氧的能力。当响应时间超过了可接受的界限时，或当氧传感器检测氧的能力被完全削弱时，氧传感器可被更换。

发明内容

控制系统包括温度确定模块和加热器控制模块。温度确定模块确定发动机排气系统中的氧传感器的温度。通过激励氧传感器的加热元件来将氧传感器的温度提高到大于800摄氏度，加热器控制模块施加热循环来燃烧氧传感器上的沉积物。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种控制系统，包括：

确定发动机排气系统中的氧传感器的温度的温度确定模块；以及

加热器控制模块，所述加热器控制模块通过激励所述氧传感器的加热元件来将所述氧传感器的温度提高到大于800摄氏度，从而施加热循环来燃烧所述氧传感器上的沉积物。

2. 如技术方案1的控制系统，其特征在于，所述加热器控制模块施加所述热循环持续预先确定的时间段。

3. 如技术方案1的控制系统，其特征在于，进一步包括基于所述加热元件的电阻确定所述氧传感器温度的温度确定模块。

4. 如技术方案3的控制系统，其特征在于，进一步包括基于提供给所述加热元件的电压和电流确定所述加热元件的电阻的电阻确定模块。

5. 如技术方案1的控制系统，其特征在于，进一步包括基于发动机操作情况和车辆行驶里程中的至少一个而命令所述加热器控制模块施加热循环的第一循环模块。

6. 如技术方案5的控制系统，其特征在于，所述第一循环模块基于发动机的进气系统中的质量空气流量命令所述加热器控制模块施加热循环。

7. 如技术方案5的控制系统，其特征在于，所述第一循环模块基于发动机何时起动而命令所述加热器控制模块施加热循环。

8. 如技术方案1的控制系统，其特征在于，进一步包括基于所述氧传感器的响应时间而命令所述加热器控制模块施加热循环的第一循环模块。

9. 如技术方案8的控制系统，其特征在于，进一步包括基于发动机的空气/燃料（A/F）比确定所述氧传感器的响应时间的响应时间确定模块。

10. 如技术方案9的控制系统，其特征在于，进一步包括基于由所述氧传感器指示的氧水平确定发动机的A/F比的A/F比确定模块。

11. 一种方法，包括：

确定发动机的排气系统中的氧传感器的温度；以及

通过激励所述氧传感器的加热元件来将所述氧传感器的温度提高到大于800摄氏度来施加热循环以便燃烧所述氧传感器上的沉积物。

12. 如技术方案11的方法，其特征在于，进一步包括施加所述热循环持续预先确定的时间段。

13. 如技术方案11的方法，其特征在于，进一步包括基于所述加热元件的电阻确定所述氧传感器的温度。

14. 如技术方案13的方法，其特征在于，进一步包括基于提供给所述加热元件的电压和电流确定所述加热元件的电阻。

15. 如技术方案11的方法，其特征在于，进一步包括基于发动机操作情况和车辆行驶里程中的至少一个施加所述热循环。

16. 如技术方案15的方法，其特征在于，进一步包括基于发动机的进气系统中的质量空气流量施加所述热循环。

17. 如技术方案15的方法，其特征在于，进一步包括基于发动机何时起动而施加所述热循环。

18. 如技术方案11的方法，其特征在于，进一步包括基于所述氧传感器的响应时间施加所述热循环。

19. 如技术方案18的方法，其特征在于，进一步包括基于发动机的空气/燃料（A/F）比确定所述氧传感器的响应时间。

20. 如技术方案19的方法，其特征在于，进一步包括基于由所述氧传感器指示的氧水平确定发动机的A/F比。

本公开的其它的应用领域将从下面的详细介绍中变得清楚。应该理解的是，详细介绍和具体实施例仅用于说明目的，不是旨在限制公开的范围。

附图说明

从详细说明和附图将更全面地理解本公开，其中：

图1是根据本公开原理的发动机系统的示例的功能框图；

图2是根据本公开原理的发动机控制系统的示例的功能框图；

图3是示出根据本公开原理的用于加热发动机的排气系统中的氧传感器的方法的流程图。

图4是根据本公开原理的用于评估加热氧传感器的控制系统和方法的测试系统的功能框图。

图5是示出根据本公开原理的用于加热氧传感器的控制系统和方法的有效性的图。

具体实施方式

下述介绍在本质上仅仅是说明性的，不是旨在限制本公开、其应用或用途。为了清楚，图中将使用相同的标号来标示相同的元件。如本文所用，短语A、B和C中的至少一个应被理解为表示逻辑（A或B或C），使用非排它性逻辑或。应该理解的是，方法中的步骤可以不同的顺序执行，而不改变本公开的原理。

如本文所用，术语模块可指包括以下部件或是其一部分：专用集成电路（ASIC）、电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列（FPGA）、执行代码的处理器（共享的、专用的或成组的）、提供所述功能的其它合适部件、或诸如片上系统的上述某些组合或所有的组合。术语模块可包括存储处理器执行的代码的存储器（共享的、专用的或成组的）。

如上述所用，术语代码可包括软件、固件和/或微代码，并且可指程序、例程、函数、类和/或对象。如上所用，术语共享意指来自多个模块的一些或所有代码可利用单个（共享）处理器执行。另外，来自多个模块的一些或所有代码可由单个（共享）存储器存储。如上所用，术语成组意指来自单个模块的一些或全部代码可利用一组处理器执行。另外，可利用一组存储器存储来自单个模块的一些或全部代码。

本文介绍的装置和方法可由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来实现。计算机程序包括存储在非暂时的实体计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括存储的数据。非暂时的实体计算机可读介质的非限制示例是非易失存储器、磁存储装置和光存储装置。

发动机的排气系统通常包括氧传感器来确定发动机的空气/燃料（A/F）比。氧传感器通常包括陶瓷结构和在陶瓷结构之上或之内的加热元件。陶瓷结构包括氧离子流过的微观孔隙。氧传感器产生与流过孔隙的氧离子量成比例的电压。

当A/F比处于或接近化学计量点时，催化转换器在降低排放方面是最有效率的。因此，氧传感器提供反馈，以便能够进行A/F比的闭环控制。当发动机最初起动时，氧传感器的响应时间不足以用于闭环控制A/F比，直到将氧传感器加热到激励温度。通常，激励温度在大约300摄氏度（℃），或大约572华氏度（℉）。

当发动机起动时，在排气将氧传感器加热到该激励温度前，可能经过了几分钟。因此，使用加热元件来比仅使用排气加热实现更快地提高氧传感器的温度。当发动机开启时，可控制加热元件到固定电压或固定温度。加热元件的典型控制范围是在600℃和800℃之间。

在氧传感器的寿命期间，来自排气的沉积物可堵塞氧传感器的陶瓷元件中的孔隙。这些沉积物可包括碳、磷、硅、硫、锌、铅、锰和/或钙。沉积物在氧传感器的孔隙中的聚积抑制了氧传感器使氧离子流过孔隙的能力。从而，氧传感器的响应时间增加了。氧传感器的响应时间是在发动机A/F比变化后、氧传感器对A/F比的变化做出响应前所经过的时间量。当其响应时间超出了可接受的界限时，氧传感器可被更换。

根据本公开的原理的控制系统和方法运用了被动方式和主动方式来保持氧传感器的响应时间性能。在被动方式中，施加热循环来燃烧氧传感器之中或之上的沉积物。在主动方式中，定期地施加热循环以防止氧传感器上的沉积物聚积。施加热循环可包括将氧传感器加热到预先确定的温度和/或持续预先确定的时间段。预先确定的温度可大于加热元件的典型控制范围（如，大于800℃）。

以此种方式保持氧传感器的性能，减少了氧传感器必须被更换的次数。从而，更换成本降低且客户满意度提升。另外，以此种方式保持氧传感器的性能，可能对偶发高温操作的车辆特别有益，例如带有开始/停止和/或扩展范围的功能的混合动力车。施加热循环可能是防止这些车辆中的沉积物聚积的唯一方式。

现在参考图1，示出的是示例性发动机系统100的功能框图。发动机系统100包括发动机102，发动机102基于来自驾驶员输入模块104的驾驶员输入来燃烧空气/燃料混合物以产生车辆的驱动扭矩。空气通过节气门阀112被吸入进气歧管110。仅用于示例，节气门阀112可包括具有可旋转的叶片的蝶形阀。发动机控制模块（ECM）114调节节气门阀112的开度来控制吸入进气歧管110的空气量。进气系统116包括进气歧管110和节气门阀112。

来自进气歧管110的空气被吸进发动机102的气缸。尽管发动机102可包括多个气缸，但为了说明目的，示出了单个代表性气缸118。仅用于示例，发动机102可包括2、3、4、5、6、8、10和/或12个气缸。ECM114可选择性地使某些气缸停用，这可在某些发动机操作情况下提高燃料经济性。

发动机102可利用四冲程循环操作。以下描述的四冲程称为进气冲程、压缩冲程、燃烧冲程和排气冲程。在曲轴（未示出）的每一转期间，四冲程中的两个发生在气缸118内。因此，气缸118经历所有四个冲程需要曲轴两转。

在进气冲程期间，来自进气歧管110的空气通过进气阀122被吸进气缸118。ECM214控制燃料喷射器124来调节燃料喷射，以获得期望的A/F比。可在中央位置或多个位置将燃料喷射进入进气歧管110，诸如各气缸的进气阀122附近。在各种实施方式(未示出)中，可直接将燃料喷射进入气缸或喷射进入与气缸关联的混合室。燃料ECM114可停止将燃料喷射进入停止工作的气缸。

所喷射的燃料与空气混合并在气缸118中产生A/F混合物。在压缩冲程期间，气缸118内的活塞(未显示)压缩A/F混合物。发动机102可以是压缩点火发动机，在此情况下气缸118内的压缩点燃A/F混合物。可替代地，发动机102可以是火花点火发动机，在此情况下，ECM114给气缸118中的火花塞128供能，这会点燃A/F混合物。可相对于活塞在其顶端位置(称为上止点(TDC))的时间来限定火花的正时。

ECM114可基于活塞位于TDC之前或之后多远控制火花正时。因为活塞位置直接与曲轴旋转相关，所以火花塞128的操作可与曲轴角度同步。在各种实现中，ECM114可停止将火花提供到停止工作的气缸。

产生火花可被称作点火事件。ECM114可以有能力改变用于各点火事件的火花正时。当火花正时信号在上一个点火事件和下一个点火事件之间改变时，ECM114甚至可以有能力改变下个点火事件的火花正时。

在燃烧冲程期间，A/F混合物的燃烧向下驱动活塞，从而驱动曲轴。燃烧冲程可限定为活塞到达TDC和活塞返回下止点(BDC)之间的时间。

在排气冲程期间，活塞开始从BDC向上移动，并通过排气阀130排出燃烧的副产物。燃烧副产物通过排气系统134从车辆排出。

进气阀122和排气阀130可由ECM114控制的凸轮轴（未示出）控制。ECM114可通过停止进气阀122和/或排气阀130的打开来使气缸118停止工作。在各种其它的实现中，进气阀122和/或排气阀130可由除了凸轮轴之外的设备控制，如电磁致动器。

发动机系统100可包括增压装置，该增压装置向进气歧管110提供加压空气。例如，图1显示了包括热涡轮机160-1的涡轮增压器，通过流经排气系统134的热的排气向热涡轮机160-1提供功率。涡轮增压器还包括通过涡轮机160-1驱动的冷空气压缩机160-2，其压缩流入节气门阀112的空气。在各种实现中，通过曲轴驱动的增压器(未示出)可压缩来自节气门阀112的空气，并将压缩空气输送到进气歧管110。

废气门162可允许排气绕过涡轮机160-1，由此降低涡轮增压器的增压(进气空气压缩的量)。ECM114可通过控制废气门162的位置来调整增压。在各种实现中，ECM114可控制具有不同几何形状的涡轮增压器和/或多个涡轮增压器。

中间冷却器（未示出）可耗散包含在压缩空气充量内的一些热量，该热量在空气压缩时产生。压缩空气充量还可从排气系统134的构件吸收热。虽然为了说明目的而分开示出，但是涡轮机160-1和压缩机160-2可以彼此附接，从而将进气空气置于与热排气紧密接近。

排气系统134可包括排气再循环（EGR）阀170和催化转换器172。EGR阀170可位于涡轮机160-1的上游并可由ECM114控制来重新引导排气回到进气歧管110。催化转换器172通过化学反应降低排气的排放。

排气中的氧水平可利用氧传感器174来测量。氧传感器174可以是氧化锆或二氧化钛传感器。氧传感器174可包括陶瓷元件（未示出）和加热元件175。氧传感器174可位于催化转换器172的上游、催化转换器172的下游或在催化转换器172中。

当起动发动机102时，氧传感器174的性能可能不足以闭环控制A/F比，直到氧传感器174达到了激励温度，如300℃或572℉。因此，ECM114可使用加热元件175来比仅使用排气加热实现更快地加热氧传感器174。ECM114可通过控制电源176来为加热元件175提供功率而利用加热元件175来加热氧传感器174。

ECM114可测量发动机系统100的各种操作情况，并基于测量到的操作情况控制发动机系统100。利用电流表或电流传感器177可测量提供给加热元件175的电流。利用温度传感器178可测量排气的温度。利用电压表或电压传感器179可测量发动机系统100的电压。

可使用RPM传感器180测量曲轴的速度，单位是每分钟转数（RPM）。可利用发动机冷却剂温度(ECT)传感器182来测量发动机冷却剂的温度。ECT传感器182可位于发动机102内或位于冷却剂循环的其它位置，例如散热器（未示出）处。

可利用歧管绝对压力(MAP)传感器184来测量进气歧管110内的压力。在各种实现中，可测量发动机真空，其为环境空气压力与进气歧管110内的压力之间的差异。流入进气歧管110中的空气的质量流率可使用质量空气流量（MAF）传感器186测量。在各种实现中，MAF传感器186可位于也包括节气门阀112的壳体内。

可利用一个或多个节气门位置传感器(TPS)190测量节气门阀112的位置。可以使用进气空气温度（IAT）传感器192来测量吸入发动机102的空气的环境温度。可利用车轮速度传感器193测量由发动机系统100驱动的车轮（未示出）的旋转速度。ECM114可利用来自这些传感器的信号来控制发动机系统100。

ECM114可与变速器控制模块194通信以协调变速器（未示出）内的换档。例如，ECM114可在换档期间减小发动机扭矩。ECM114可与混合动力控制模块196通信以协调发动机102和电动马达198的操作。

电动马达198还可作为发电机使用，并可用于产生供车辆电气系统利用和/或用于电池储备的电能。在各种实现中，ECM114、变速器控制模块194和混合动力控制模块196的各种功能可集成在一个或多个模块中。

改变发动机参数的各系统可称为接收致动器值的致动器。例如，节气门阀112可被称为致动器，而节气门开度面积可称为致动器值。类似地，火花塞128可被称为致动器，而相应的致动器值可以是相对于气缸TDC的火花提前量。

其它致动器可包括燃料喷射器124、废气门162和EGR阀170。对于这些致动器，致动器值可分别对应于燃料供给速度、增压压力和EGR阀开度面积。ECM114可控制致动器值以促使发动机102产生期望的发动机输出扭矩。

ECM114可运用被动方式和/或主动方式来保持氧传感器174的性能。在被动方式中，当氧传感器174的响应时间大于预先确定的时间时，ECM114施加热循环来燃烧氧传感器174上的沉积物。在主动方式中，ECM114定期地施加热循环来防止氧传感器174上的沉积物聚积。ECM114通过给加热元件175提供功率来将氧传感器174加热到预先确定的温度和/或持续预先确定的时间段而施加热循环。

现在参考图2，ECM114包括被动循环模块200、主动循环模块202和加热器控制模块204。被动循环模块200基于氧传感器174的响应时间命令加热器控制模块204来施加热循环。主动循环模块202基于发动机操作情况和/或车辆行驶里程命令加热器控制模块204来施加热循环。加热器控制模块204通过将氧传感器174加热到预先确定的温度和/或持续预先确定的时间段来施加热循环。加热器控制模块204通过控制电源176为加热元件175提供功率来加热氧传感器174。

当氧传感器174的响应时间大于预先确定的时间时，被动循环模块200命令加热器控制模块204施加热循环。被动循环模块200从响应时间确定模块210接收氧传感器174的响应时间。响应时间确定模块210基于从A/F比确定模块212接收到的A/F比确定氧传感器174的响应时间。A/F比确定模块212基于从氧传感器174接收到的氧水平确定A/F比。

氧传感器174可输出指示离开图1的发动机102的排气中的氧水平的电压。A/F比确定模块212可从氧传感器174接收输出电压，并且可基于接收到的输出电压确定A/F比。例如，当输出电压是0.3伏（V）时，A/F比确定模块212可确定A/F比是稀的。在另一示例中，当输出电压是0.6V时，A/F比确定模块212可确定A/F比是浓的。

基于何时调节A/F比和何时氧传感器174响应于调节，响应时间确定模块210确定氧传感器174的响应时间。基于从A/F比控制模块214接收到的输入，响应时间确定模块210确定何时调节A/F比。A/F比控制模块214可通过燃料喷射和/或节气门控制调节A/F比。基于从A/F比确定模块212接收到的A/F比，响应时间确定模块210确定氧传感器174何时响应。例如，当A/F比确定模块212输出浓的A/F比时，响应时间确定模块210可确定氧传感器174响应于从稀到浓的调节。

当A/F比保持在化学计量点附近时，图1的催化转换器172在降低排放方面可能是最有效率的。因此，除了在特殊的条件期间，如选择了拖拉模式，可利用闭环控制调节A/F比，其中，氧传感器174提供反馈。在闭环控制A/F比期间，A/F比可能会从浓到稀和从稀到浓的很小百分比（如，2%）地抖动。当A/F比抖动时，可能会有从A/F比控制模块214调节A/F比的时间到由氧传感器174指示的A/F比反映该调节的时间滞后。该时间滞后是氧传感器174的响应时间。氧传感器174的典型响应时间可以是大约30毫秒（ms）。

当氧传感器174的响应时间大于预先确定的时间时，被动循环模块200可命令加热器控制模块204将热循环施加于氧传感器174。根据排放标准，预先确定的时间可以是大约1.5倍的可接受界限。例如，可接受界限可能是100ms，预先确定的时间可以是150ms。在另一示例中，预先确定的时间可能在大约100ms和大约200ms之间。被动循环模块200可通过将控制信号发送给加热器控制模块204来命令加热器控制模块204施加热循环。

如上所述，基于发动机操作情况和车辆行驶里程，主动循环模块202命令加热器控制模块204将热循环施加于氧传感器174。发动机操作情况可包括发动机是否已起动、发动机是否将要起动以及已经通过图1的排气系统134的空气总量（即，积累的空气流量）。

主动循环模块202可基于从车轮速度传感器193接收到的车轮速度和对应车轮的直径确定车辆行驶里程。主动循环模块202可基于从驾驶员输入模块104接收到的驾驶员输入确定驾驶员何时起动发动机102。基于从混合动力控制模块196接收到的输入，主动循环模块202可确定发动机102何时自动起动或何时将要自动起动，诸如可在起动/停止混合控制中发生。

基于从MAF传感器186接收到的质量空气流量，主动循环模块202可确定累积的空气流量。基于质量空气流量值和对应该值的时间段，主动循环模块202可确定累积的空气流量。例如，质量空气流量可在第一时间段内具有第一值，在第二时间段内具有第二值。分别基于第一值和第一时间段的乘积、第二值和第二时间段的乘积，主动循环模块202可确定第一时间段和第二时间段的累积空气流量。

基于发动机操作情况和车辆行驶里程，主动循环模块202可定期起动热循环。当每次发动机102起动或将要起动时，主动循环模块202可起动热循环一次或多次。例如，当驾驶员起动发动机102时、当发动机102自动起动时或者当发动机102将要自动起动时，主动循环模块202可起动热循环。

当发动机102起动时，水可能存在于排气系统134中，直到排气系统134到达某温度，通常是大约54℃。如果在这之前加热氧传感器174，冷凝在排气系统134的内壁上的水可能接触到氧传感器中的陶瓷元件，引起陶瓷元件的水冲击。因此，当发动机102起动时，主动循环模块202可避免起动热循环，直到排气系统134到达预先确定的温度，或直到已经经过预先确定的时间段。

每次累积的空气流量增加预先确定的质量时，主动循环模块202可起动热循环一次或多次。可基于确定累积的空气流量和氧传感器174上的沉积物聚积之间的关系所进行的测试来确定预先确定的质量。可选择预先确定的质量以确保氧传感器174上的沉积物聚积不会削弱氧传感器174的性能在可接受水平以下。例如，预先确定的质量可以是大约1百万克空气（1 million grams of air）。

每次车辆行驶里程增加预先确定的行驶里程时，主动循环模块202可起动热循环一次或多次。例如，车辆每行驶1000英里，主动循环模块202可起动热循环一次。

当热循环由被动循环模块200或主动循环模块202起动时，加热器控制模块204将热循环施加于氧传感器174。加热器控制模块204可通过将氧传感器174加热到预先确定的温度和/或持续预先确定的时间段来施加热循环。预先确定的温度和预先确定的时间段可通过测试确定。可进行测试来确定氧传感器174的温度、对应于温度的时间段和氧传感器174上沉积物的燃烧之间的关系。

在正常操作期间，加热器控制模块204可控制氧传感器174的加热元件175到使用600℃到800℃之间的典型控制范围的温度。当施加热循环时，加热器控制模块204可加热氧传感器174到可大于典型控制范围的预先确定的温度。例如，预先确定的温度可大于800℃（如，大约900℃）、大于820℃、大于840℃、大于860℃、大于880℃、大于900℃、大于920℃、大于940℃、大于960℃或大于980℃。附加地或替代性地，加热器控制模块204可加热氧传感器174持续预先确定的时间段。例如，预先确定的时间段可以大于5分钟（如，大约20分钟）。

加热器控制模块204可从温度确定模块206接收氧传感器174的温度。温度确定模块206基于加热元件175的电阻和加热元件175的电阻与氧传感器174的温度之间的预先确定的关系确定氧传感器的温度。这种关系可以等式或查询表的形式表示。温度确定模块206可从电阻确定模块208接收加热元件175的电阻。

电阻确定模块208基于提供给加热元件175的电压和提供给加热元件175的电流确定加热元件175的电阻。电阻确定模块208可从电流传感器177接收提供给加热元件175的电流。电阻确定模块208可假设提供给加热元件175的电压等于发动机系统100的电压。电阻确定模块208可从电压传感器179接收该电压。

现在参考图3，用于加热发动机排气系统中的氧传感器的方法可在300开始。在302，方法确定发动机是否已起动或将要起动。如果302为假，方法继续确定发动机是否已起动或将要起动。如果302为真，方法在304继续。在304，方法确定发动机开启的时间段是否小于第一时间段。如果304为假，方法在306继续。如果304为真，方法在308继续。

当排气系统中存在水时，如果加热氧传感器，氧传感器可能会损伤。通常，排气系统中存在水，直到排气系统被加热到大约54℃。因此，第一时间段可通过基于用排气加热氧传感器直到排气系统中不再存在水所需的时间量的测试来预先确定。

在308，方法确定累积的空气流量。累积的空气流量是在一段时间内已通过排气系统的空气的总量。累积的空气流量可基于发动机进气系统中的质量空气流量传感器指示的质量空气流量来确定。方法在310继续，确定累积的空气流量是否小于预先确定的质量。如果310为假，方法在306继续。如果310为真，方法在312继续。

预先确定的质量可基于建立累积的空气流量和氧传感器上的沉积物聚积之间的关系所进行的测试来确定。预先确定的质量可对应于允许氧传感器上的沉积物聚积的最大量。所允许的氧传感器上的沉积物聚积的最大量可对应于氧传感器的响应时间的可允许最大值。

在312，方法确定车辆行驶里程。方法可基于由车轮速度传感器指示的车轮速度、车轮速度传感器联接的车轮的直径和对应于车轮速度的时间段来确定车辆行驶里程。方法在314继续，确定车辆行驶里程是否小于预先确定的行驶里程。如果314为假，方法在306继续。如果314为真，方法在316继续。

预先确定的行驶里程可基于将车辆行驶里程与氧传感器上的沉积物聚积关联所进行的测试来确定。预先确定的行驶里程可对应于允许氧传感器上的沉积物聚积的最大量。所允许的氧传感器上的沉积物聚积的最大量可对应于氧传感器的响应时间的可允许最大值。

在306，方法确定氧传感器的加热元件的电阻。方法可基于提供给加热元件的电流和提供给加热元件的电压确定加热元件的电阻。电流和电压可在电源和加热元件之间的位置测量到。可替代地，电压和电流可在发动机的电气系统中的其它位置测量到。

方法在318继续，确定氧传感器的温度。方法可基于在加热元件的电阻和氧传感器的温度之间的预先确定的关系确定氧传感器的温度。预先确定的关系可以查询表或等式的形式表示。

方法在320继续，激励加热元件来将氧传感器加热到预先确定的温度。预先确定的温度可基于确定氧传感器的温度和氧传感器上沉积物的燃烧之间的关系所进行的测试确定。预先确定的温度是氧传感器上的沉积物燃烧的温度。预先确定的温度可大于800℃、大于820℃、大于840℃、大于860℃、大于880℃（如，大约900℃）、大于900℃、大于920℃、大于940℃、大于960℃或大于980℃。

在322，方法确定加热时间段是否大于预先确定的时间段。如果322为假，方法返回到306。如果322为真，方法在316继续。

加热时间段是氧传感器被加热到预先确定的温度的时间段。预先确定的时间段可基于确定氧传感器的温度、对应于温度的时间段和氧传感器上沉积物的燃烧之间的关系所进行的测试确定。预先确定的时间段可以大于5分钟（如，大约20分钟）。

在316，方法在浓和稀之间抖动A/F比。在闭环控制A/F比期间，方法可从浓到稀和从稀到浓小百分比地连续抖动A/F比。

方法在324继续，监测由氧传感器指示的氧水平。通过产生指示氧水平的电压，氧传感器可指示氧水平。电压还可指示发动机的A/F比。例如，0.3V的电压可指示高氧水平和稀A/F比。在另一示例中，0.6V的电压可指示低氧水平和浓A/F比。

方法在326继续，确定A/F比。基于氧传感器指示的氧水平，方法可确定A/F比。方法可直接从氧传感器产生的电压确定A/F比。

方法在328继续，确定氧传感器的响应时间。氧传感器的响应时间是A/F比被抖动的时间与由氧传感器指示的A/F比反映该抖动的时间之间的时间滞后。当方法连续抖动A/F比时，方法可连续地确定氧传感器的响应时间。

方法在330继续，确定响应时间是否小于预先确定的时间。如果330为假，方法返回到306。如果330为真，方法在332继续。预先确定的时间可以是允许闭环控制A/F比以满足排放标准的氧传感器的最大响应时间。例如，预先确定的时间范围可从100ms到200ms。

在332，方法确定发动机是否停止。如果332为假，方法返回到304。如果332为真，方法在334结束。

以这种方式，方法可运用主动方式和/或被动方式来保持氧传感器的响应时间在可接受水平内。以任何一种方式，方法可不断执行各种检查，当各检查满足预先确定的标准时，将热循环施加到氧传感器。以主动方式，各检查可查看发动机操作情况和车辆行驶里程。以被动方式，各检查可查看氧传感器的响应时间。

尽管图3示出的方法包括用于被动方式和主动方式两者的各种检查，这些方式中的每一个可单独执行，每种方式中的各种检查的一些或全部可被省略。另外，各检查可以异于图3示出的顺序执行。

现在参照图4，示出了测试系统400。测试系统400可被用于根据本公开的原理评估加热氧传感器的控制系统和方法的有效性。测试系统400包括氧传感器174、加热元件175和电源176。但是，各种氧传感器、加热元件和电源可被运用在测试系统400中。可控制电源176来激励加热元件175，从而加热氧传感器174。电源176通过加热器端子402、404连接于加热元件175。

电源406可连接于氧传感器174的信号终端408、410。可控制电源406来为信号终端408、410提供功率。从电源406供给氧传感器174的电流可利用电流表或电流传感器412测量。

当氧传感器174在排气系统中，如图1中所示，信号终端408、410之间的电位差与扩散通过氧传感器174的氧量成比例。流过传感器174中的孔隙的氧离子产生电流，该电流导致信号终端408、410之间的电位差。信号终端408、410可连接于控制器，以便将信号终端408、410之间的电位差提供给控制器。然后，控制器可基于信号终端408、410之间的电位差确定排气中的氧水平和/或A/F比。

相比之下，在测试系统400中，测量提供给信号终端408、410的功率以及流经氧传感器174的电流来确定氧传感器174扩散氧的能力。流经氧传感器174的电流可被称为泵浦电流（pumping current）。信号终端410可以是输入终端，信号终端408可以是输出终端，泵浦电流可利用电流传感器412测量。

随着氧传感器扩散氧的能力降低，氧传感器174的响应时间增加。因此，由于泵浦电流指示了氧传感器扩散氧的能力，所以泵浦电流还指示了氧传感器174的响应时间。

下面列出的等式1提供了泵浦电流与氧传感器174扩散氧的能力之间的关系。

Ip = (4*F*D*Q*C)/L       等式1

在等式1中，Ip表示泵浦电流，F表示法拉第常数，D表示氧传感器174的扩散系数，Q表示氧传感器174的扩散面积，C表示流经氧传感器174的气体中的氧浓度，L表示扩散长度。

扩散系数可基于用于氧传感器174中的陶瓷元件的类型而改变。扩散系数还可基于被流经氧传感器174的排气的沉积物堵塞或阻碍的孔隙的数量而改变。扩散面积可以是陶瓷元件和氧传感器174的面积。由于当氧传感器174处于开放区域的环境中时可使用测试系统400，氧浓度可以就是空气中氧的浓度（即，22%）。扩散长度可以是陶瓷元件和氧传感器174的厚度。

泵浦电流指示了氧传感器174扩散氧（即，使氧离子流动通过陶瓷元件）的能力。随着氧传感器174的陶瓷元件中的孔隙被堵塞，扩散系数减小，因而泵浦电流减小。相反，随着氧传感器174的孔隙中的沉积物被燃烧并允许氧离子再次流经孔隙，扩散系数增加，因而泵浦电流增加。由于氧传感器174扩散氧的能力与氧传感器的响应时间直接相关，那么泵浦电流与氧传感器的响应时间直接相关。

参考图5，图500示出了在施加热循环之前和之后的两氧传感器的泵浦电流。图500中示出的数据可利用图4中示出的测试系统400获得。

在施加热循环之前和之后的第一传感器的泵浦电流在502示出，在施加热循环之前和之后的第二传感器的泵浦电流在504示出。在施加热循环之前的第一传感器的泵浦电流在506示出，在施加热循环之后的第一传感器的泵浦电流在508示出。在施加热循环之前的第二传感器的泵浦电流在510示出，在施加热循环之后的第二传感器的泵浦电流在512示出。

在获得图500中示出的结果之前，通过加速测试，第一传感器和第二传感器经受了相当于150000英里。当获得图500中示出的结果时，传感器的泵浦电流被测量，热循环被施加到传感器，传感器的泵浦电流被再次测量。通过将第一传感器和第二传感器的温度增加到900℃持续20分钟，热循环被施加于第一传感器和第二传感器。

如图500中所示，在施加热循环前，第一传感器的泵浦电流大约137毫安（mA），在施加热循环后，第一传感器的泵浦电流大约159mA。因此，在热循环施加到第一传感器后，第一传感器的泵浦电流增加了大约22mA。在将热循环施加到第一传感器后，第一传感器的泵浦电流中的这种增加表明施加热循环减小了第一传感器的响应时间。

将热循环施加于第二传感器，产生了类似的结果，增加了第二传感器的泵浦电流。如图500中所示，在施加热循环前，第二传感器的泵浦电流大约94mA，在施加热循环后，第二传感器的泵浦电流大约119mA。因此，在施加了热循环后，第二传感器的泵浦电流增加了大约20mA。如同第一传感器，将热循环施加到第二传感器后，第二传感器的泵浦电流中的这种增加表明将热循环施加到第二传感器减小了第二传感器的响应时间。

因此，图500显示，将热循环如本公开所述施加于氧传感器，减小了氧传感器的响应时间，因而改善了氧传感器的性能。

本公开的宽泛的教导可以多种形式来实施。因此，尽管本公开包括特定的示例，但本公开的真实范围不应受到此限制，因为在研究了附图、说明书和权利要求后，本领域技术人员将清楚其它的改型。

Claims (16)

1.一种控制系统，包括：

确定发动机排气系统中的氧传感器的温度的温度确定模块；

加热器控制模块，所述加热器控制模块通过激励所述氧传感器的加热元件来将所述氧传感器的温度提高到大于800摄氏度，从而施加热循环来燃烧所述氧传感器上的沉积物；以及

第一循环模块，当发动机开启的时间段大于或等于第一时间段时，所述第一循环模块基于以下情况中的至少一个而命令所述加热器控制模块施加热循环：（i）发动机的进气系统中的累积的质量空气流量增加预先确定的质量；（ii）车辆行驶里程增加预先确定的行驶里程，

其中，所述第一时间段通过基于用排气加热所述氧传感器直到排气系统中不再存在水所需的时间量的测试来预先确定。

2.如权利要求1的控制系统，其特征在于，所述加热器控制模块施加所述热循环持续预先确定的时间段。

3.如权利要求1的控制系统，其特征在于，进一步包括基于所述加热元件的电阻确定所述氧传感器温度的温度确定模块。

4.如权利要求3的控制系统，其特征在于，进一步包括基于提供给所述加热元件的电压和电流确定所述加热元件的电阻的电阻确定模块。

5.如权利要求1的控制系统，其特征在于，所述第一循环模块还基于发动机何时起动而命令所述加热器控制模块施加热循环。

6.如权利要求1的控制系统，其特征在于，进一步包括基于所述氧传感器的响应时间而命令所述加热器控制模块施加热循环的第二循环模块。

7.如权利要求6的控制系统，其特征在于，进一步包括基于发动机的空气/燃料（A/F）比确定所述氧传感器的响应时间的响应时间确定模块。

8.如权利要求7的控制系统，其特征在于，进一步包括基于由所述氧传感器指示的氧水平确定发动机的空气/燃料比的空气/燃料比确定模块。

9.一种方法，包括：

确定发动机的排气系统中的氧传感器的温度；

通过激励所述氧传感器的加热元件来将所述氧传感器的温度提高到大于800摄氏度来施加热循环以便燃烧所述氧传感器上的沉积物；以及

当所述发动机开启的时间段大于或等于第一时间段时，基于以下情况中的至少一个而命令所述加热器控制模块施加热循环：（i）发动机的进气系统中的累积的质量空气流量增加预先确定的质量；（ii）车辆行驶里程增加预先确定的行驶里程，

其中，所述第一时间段通过基于用排气加热所述氧传感器直到排气系统中不再存在水所需的时间量的测试来预先确定。

10.如权利要求9的方法，其特征在于，进一步包括施加所述热循环持续预先确定的时间段。

11.如权利要求9的方法，其特征在于，进一步包括基于所述加热元件的电阻确定所述氧传感器的温度。

12.如权利要求11的方法，其特征在于，进一步包括基于提供给所述加热元件的电压和电流确定所述加热元件的电阻。

13.如权利要求9的方法，其特征在于，进一步包括还基于发动机何时起动而施加所述热循环。

14.如权利要求9的方法，其特征在于，进一步包括基于所述氧传感器的响应时间施加所述热循环。

15.如权利要求14的方法，其特征在于，进一步包括基于发动机的空气/燃料（A/F）比确定所述氧传感器的响应时间。

16.如权利要求15的方法，其特征在于，进一步包括基于由所述氧传感器指示的氧水平确定发动机的空气/燃料比。