CN102639846B - 用于诊断在单缸λ调节中的偏差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在带有至少两个气缸和一个设计成宽带λ传感器的传感设备的内燃机中在单缸λ调节时诊断偏差的方法和装置，在该内燃机中，通过泵电池评估泵电流并且将泵电流至少暂时用于各个气缸的λ调节。按本发明规定，除了泵电流外，还确定泵电池上的泵电压或泵电压变化并且将该值传达给诊断装置。因而可以更好地无任何附加材料费用地诊断单缸λ调节的偏差，这尤其鉴于越来越苛刻的法律规定而尤其对于在线诊断来说具有优势。一种所述方法的优选的应用规定了使用在带有多组部废气系统的内燃机中。

Description

用于诊断在单缸λ调节中的偏差的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在带有至少两个气缸和一个设计成宽带λ传感器的传感设备的内燃机中诊断在单缸λ调节时的偏差的方法和装置，其中，通过泵电池评估泵电流以及将这个泵电流至少暂时用于各个气缸的λ调节。

背景技术

λ调节，结合催化转换器，就是当今最为有效的汽油机废气净化方法。特别有效的是使用三元或选择性催化转换器。这种催化转换器具有的特性是，将碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物减少至98%以上，倘若发动机在约1%的范围中围绕化学计量的空燃比λ=1运行时。在此，λ值表明，实际存在的空燃混合物与值λ=1偏离得有多远，λ=1对应理论上完全燃烧所需的质量比即14.7kg空气对1kg汽油，也就是说，λ值是所输入的空气质量与理论所需的空气需求的比例。空气过剩时λ>1（稀混合物）。燃料过剩时λ<1（浓混合物）。

在λ调节时，测量废气以及根据测量结果例如借助喷射系统迅速修正输入的燃料量。

使用λ传感器作为测量传感器，λ传感器一方面可以设计成所谓的两点式λ传感器或跳跃传感器，并且另一方面可以设计成稳定的λ传感器或宽带λ传感器。这种λ传感器的作用以公知方式以有固体电解质的电镀氧浓差电池的原理为基础。两点式λ传感器的特性曲线在λ=1时具有传感器电压的跳跃式下降。因此通常直接安装在废气弯管后的两点式λ传感器允许了主要仅在浓废气和稀废气之间的差别。宽带λ传感器反之则允许了废气中在围绕λ=1的宽广的区域中λ值的精确测量。两种λ传感器类型由陶瓷传感器元件、保护管以及由电缆、插头和这些元件之间的连接装置构成。保护管由一个或多个带有开口的金属缸构成。废气由于扩散或对流而通过这些开口进入并且到达传感器元件。两种λ传感器类型的传感器元件在此被不同地构造。

两点式λ传感器的传感器元件由导引氧离子的电解质构成，在电解质的内部有用基准气体填充的空腔。基准气体具有一定的恒定的氧浓度，但没有任何氧化的或还原的组分。在很多情况下，基准气体是空气。无论是在与废气接触的外侧上的还是在空腔内侧上，都安装有电极，电极通过电缆与插头触点连接。按照能斯特原理，通过电解质产生一个电压，接下来被称为能斯特电压，该电压由在废气中和基准气体中的氧化的和还原的废气成分的浓度决定。若除氧气外废气中没有任何氧化或还原的成分，那么能斯特电压则通过下列方程

（1）

说明。在该方程中，代表基准气体侧的电位，代表废气侧的电位，和代表基准气体或废气中的氧气分压力，T代表温度，R代表一般的废气常量以及F代表法拉第常量。能斯特电压可以通过插头触点测量以及充当两点式λ传感器的信号。

宽带λ传感器的传感器元件在表面上具有开口，废气通过开口进入。连接在进入开口的是一个孔隙层，废气通过孔隙层扩散到空腔中。这个空腔被导引氧离子的电解质材料与外部废气分离。无论是在外部在电解质上还是在空腔的一侧上都有电极，电极通过电缆与插头触点连接。处在其间的电解质被称为泵电池。此外，在传感器元件的内部有带有一定的恒定不变的氧浓度的基准气体，其中电解质材料通过传感器元件与空腔分离。另一个也与插头触点连接的电极与基准气体接触。在这个电极与空腔侧的电极之间的电解质被称为测量电池。

按照能斯特原理，通过测量电池加载下文中被称为测量电压的电压，测量电压由空腔和基准气体中氧化的和还原的废气成分的浓度决定。因为基准气体中的浓度是公知的且是不变化的，所以与空腔中的浓度的相关性变弱。

为了运行λ传感器，λ传感器必须通过插头与评估单元连接，评估单元例如位于发动机控制器中。测量电压通过电极检测并且传达给评估单元。在评估单元中有调节回路，调节回路通过测量电池由此将电压保持到一个额定值，即，通过泵电池产生所谓的泵电流。因为通过氧离子实现了电解质中的电流，所以空腔中的氧浓度受到影响。为了将测量电压在瞬态振荡状态下保持恒定，必须在稀的范围内（λ>1）从空腔中泵出和通过扩散势垒后扩散一样多的氧气。反之，在浓的范围内（λ<1）必须将这样多的氧气泵入到空腔中，使后扩散的还原的废气分子得到补偿。在考虑到事实，即，空气中的氧气平衡通过泵电流调节器保持恒定的情况下，从扩散方程中得到在扩散流以及因而泵电流和废气中的氧浓度之间的线性关系。泵电流现在在评估单元中测量并且转达给发动机控制器的主计算器。从之前所述的得出，泵电流是废气中氧气平衡的一个线性信号。λ值和氧气平衡之间的相互关系虽然是非线性的，下列方程表明这一点：

（2）

但曲线的曲率在对发动机控制十分重要的区域内足够小，以便允许从泵电流精确地确定λ值。

宽带λ传感器例如由DE102005061890A1以及由DE102005043414A1公开，其中，DE102005061890A1说明了宽带λ传感器的结构，在该文档中，按本发明规定了在其结构上使用一定的化学元件。

在带有两个或多个气缸的内燃机中，单个气缸的λ值或由于例如因进气管中的压力波而引起的不同的空气填充度，或由于例如因喷射阀的公差而引起的不同的燃料量，或由于这两个诱因的组合，而可以是不同的，其中，这些气缸将废气排出到废气弯管中，废气弯管的管汇入一个共同的废气管中。这种气缸个体的λ波动可以如下所述产生不利影响。

当例如在废气管中设三元催化转换器且来自各个气缸的废气非均匀地分布在催化转换器横截面上时，就无法进行令人满意的废气转化。在用稀的废气加载的催化转换器节段中，氧化的废气成分不会被转化，反之，在用浓的废气加载的催化转换器节段中，还原的废气成分不会被转化。此外，当在用浓的空燃混合物运行的气缸中没有实现燃料的完全燃烧时，效率下降因而燃料消耗上升。此外，来自用浓的空燃混合物运行的气缸的没有完全燃烧的燃料和来自用稀薄的空燃混合物运行的气缸的过剩空气在废气管中发生后反应。由此释放能量，能量会导致热过载，直至导致设在废气系统中的组件，尤其是催化转换器的损坏。

因此值得追求的是，在封闭的调节回路中不仅将所有气缸的平均λ值调节到额定值，还将每个气缸的λ值调节到额定值。这种方法在接下来被称为单缸λ调节。此外，美国车载诊断法规（OBD）在车型生产年份2011要求识别气缸个体的λ波动，这在下文中也被称为失调诊断或配平诊断。

单缸λ调节已经由现有技术公开。因此例如DE10260721A1说明了一种用于诊断λ传感器的动态特性的方法和装置，λ传感器至少暂时用于气缸个体的λ调节。在此，检测λ调节的至少一个调整参数并且将其与可预定的最大阈值相比较。在超过最大阈值的情况下，λ传感器的动态特性在针对气缸个体的λ调节的可应用性上被评估为不充分。

现有技术或早期专利申请的主题是，为了失调诊断或气缸个体的λ调节而利用两点式或宽带λ传感器的λ信号。在此存在一系列困难。

一种困难在于，λ信号的相关的频率被强烈阻尼。通过保护管造成了显著阻尼。这既涉及两点式λ传感器，也涉及宽带λ传感器。但在宽带λ传感器中还有其它的阻尼效果，亦即通过扩散势垒以及根据调节器设计的不同，通过泵电流调节器的动力。所有阻尼效应在此都是渐进地作用。由气缸个体的波动引起的在真实的λ值中的频率可以通过扩散势垒在转速范围2000/分时被阻尼50%以上。在转速更高时，阻尼仍然加强。信噪比恶化，这使失调诊断和气缸个体的λ调节变得困难。因此在阻尼的观点下，两点式λ传感器在λ=1的范围内相比宽带λ传感器具有优势。

但宽带λ传感器相对两点式λ传感器也具有优势。一个优势在于，用宽带λ传感器的λ调节可以将平均的λ恒定地调节到一个额定值。反之，在两点式λ传感器中普遍的方法引起所谓的两点式调节、λ传感器信号的振荡，因而仅将平均值在一定时间内调整到额定值。气缸个体的λ波动因此通过调节干预被更强的振荡叠加，这使识别变得困难。

此外公知一种方法，按照该方法，用于气缸个体的λ值的观察者算法得到宽带λ传感器的测量值的支持。因为观察者算法基于系统的模型，所以该算法在下文中也被称为模型支持的方法，该模型作为输入参数具有气缸个体的λ值以及作为输出参数具有λ平均值。观察者算法的一个重要的参数是λ传感器的运行点相关的静止时间。所述方法由此变得困难，即，静止时间由于产品带宽以及通过老化而发生变化。为了消除这种困难，说明了一种静止时间适配方法，但该方法同样伴随着缺陷。因为为了适配，需要主动的燃料调整。此外，静止时间可以仅不充分地表示静止时间变化的可能的运行点相关性。

发明内容

因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法和一种装置，它们通过利用传感设备的特性确保了单缸λ调节以及更好的失调诊断。

本发明的与方法相关的技术问题由此得到解决，即，除泵电流外，还确定泵电池上的泵电压或泵电压变化，并且将该值转达给诊断装置。在此有利的是，设计成宽带λ传感器的传感设备的泵电池用和两点式λ传感器一样的原理运行并且关于前述阻尼方面的缺陷在使用宽带λ传感器时不会造成影响。因此可以既改善失调诊断，又优化单缸调节。

特别有利的是，泵电压或泵电压变化结合设计成宽带λ传感器的传感设备的常规λ信号在诊断装置中被评估，如接下来要说明的那样。

若用传感设备的常规λ信号将所有气缸的平均λ值调节为等于或近似1并且评估泵电压的信号，那么也可以识别到很小的气缸个体的泵电压波动，气缸个体的波动可以用于失调诊断以及用于单缸诊断，因为，同样如在两点式λ传感器中那样，在这个波动很小的λ范围内，泵电压的相关性特别强烈。

在此也已表明特别有利的是，滤波器的传递特性与运行点相关地被预定以及尤其与内燃机的转速相关地受到影响。与转速适应的传递功能实现了频率范围的动态调适，此时会在泵电压信号中出现气缸个体的λ波动。

就附加地改善后的干扰信号抑制而言，还可以规定，从泵电压的经滤波的信号的梯度值中减去一个校正项，该校正项以模型形式（modellhaft）用于无误差的系统并且同样与运行点相关地被预定，并且将差在时间上积分。

在超过时间积分的一定的阈值时，诊断出失调故障，这被输入上级发动机控制装置的误差存储器中或通过警告显示。因此可以实现一种鉴于未来的美国车载诊断法规的稳定的失调诊断。

一种同样优选的方法变型方案规定，泵电压的时间信号经受频率分析，并且基于这些在频率分析时求出的频率成分进行失调诊断或气缸同步。为此，泵电压的时间信号经受傅里叶分析，并且确定了发动机摆动频率部分以及必要时这个发动机摆动频率的整数倍。

若通过将泵电压的信号与传感设备的常规的λ信号比较求出了传感设备的静止时间或其它动态特性参量，那么由此可以在传感设备的常规λ信号的基础上对模型支持的气缸同步调节的模型参数进行适配。传感设备的传感器元件的老化效应可以例如在气缸同步调节中被考虑到。

前述方法的一种优选的应用规定了使用在有多组部排气系统（Mehrbank-Abgassystemen）的内燃机中，其中，气缸被集合成多个组并且各个气缸组的废气在分开的废气通道中导引。

涉及装置的技术问题由此解决，即，在诊断装置中可以实施前述方法并且尤其是可以评估通过传感设备的泵电池施加的泵电压的信号。

附图说明

接下来借助附图所示实施例详细说明本发明。附图中：

图1是内燃机的示意图，以及

图2a和2b在示意图中示出了在不同的废气组分下作为传感设备的宽带λ传感器。

具体实施方式

图1示例性示出了一个技术范畴，在该技术范畴中可以使用按本发明的方法。图中示出了内燃机1，由发动机缸体40和进气道10组成，进气道向发动机缸体40供应燃烧空气，其中，进气道10中的空气量可以用进气测量装置20确定。内燃机1的废气在此经由废气净化设备导引，废气净化设备具有废气通道50作为主要部件，在废气通道中，沿废气的流动方向必要时在催化转换器70前设第一传感设备60以及必要时在催化转换器70后设第二传感设备80。

传感设备60、80与控制装置90连接，控制装置从传感设备60、80的数据和进气测量装置20的数据中计算出混合物以及触发用于计量燃料的燃料配量装置30。设一个诊断装置100，与控制装置90连接或集成在控制装置内，用诊断装置可以评估传感设备60、80的信号。诊断装置100此外还可以与在此未示出的显示/存储单元连接。用在废气通道50中布置在发动机缸体40后的传感设备60可以借助控制装置90调整λ值，λ值适用于废气净化设备以达到最佳的净化效果。在废气通道50中布置在催化转换器70后的第二传感设备80可以同样在控制装置90中被评估并且用于在按现有技术的方法中确定废气净化设备的氧气储存能力。

在此示例性地示出了内燃机1，内燃机具有仅一个废气通道50。但按本发明的方法也涉及一种带有多组部废气系统的内燃机1，其中，气缸被集合成多个组并且不同气缸组的废气在分开的废气通道50中导引。

图2a和2b示意性示出了传感设备60，该传感设备如在按本发明的方法中规定的那样，设计成宽带λ传感器并且一方面用浓的废气110（图1a）以及另一方面用稀的废气120（图1b）加载。

传感设备60，如其在DE102005061890A1中说明的那样，包括泵电池，泵电池带有外电极62和内电极67、带有测量电极68和基准电极69的测量电池。测量电极68和基准电极69被短路。传感设备60通常在平面技术中由多个固体电解质层61构成。此外，设一置入绝缘装置的加热装置以加热传感器元件（在图中未示出）。废气110、120可以通过形式为钻孔的开口64以及穿过扩散势垒65输送到测量空间66。在测量空间66内布置有泵电池的内电极67和测量电池的测量电极68。外电极62在传感设备60的面朝废气110、120的外侧上具有保护层63。基准电极69布置在基准空气通道中，基准空气通道用环境空气填充。

通过能斯特单元测量在测量电极68和基准电极69之间的电位差，亦即所谓的能斯特电压160。从外部向泵电池施加电压。这个电压产生了被称为泵电流150的电流，用它与极性相关地输送氧离子。

电子调节电路促使，泵电池始终向测量空间66输送或从测量空间导出如此多的形式为氧离子的氧气，使得在测量空间66中产生了λ=1的λ值，其中，在稀的废气120（空气过剩）时，氧气被泵出以及相反在浓的废气110中氧气被输入。通过调节电路调整的泵电流150取决于废气中的空气系数λ并且形成了宽带λ传感器的初始信号。泵电流150在稀的废气120的情况下是正的，此时主要是O₂和NO作为导电成分，在浓的废气110的情形下，泵电流是负的，此时用CO、H₂和HC（碳氢化合物）作为导电成分。

按照本发明规定，在设计成宽带λ传感器的传感设备60中，除了泵电流150外还测量泵电压，泵电压通过泵电池，也就是说在外电极62和内电极67之间施加，泵电压被传达给控制装置90并且必要时结合从泵电流150导出的常规λ信号用于失调诊断或用于单缸调节。

泵电池在此和两点式λ传感器那样运行。一面承受废气110、120，另一面则承受基准气体，但基准气体的成分不是一成不变的，基准气体具有恒定的能斯特电位。在此无关紧要的是，恒定的能斯特电位通过泵电流150调整。但必须考虑到，与在两点式λ传感器中不同的是，电流流过泵电池。因此通过泵电池的电压不符合上述的能斯特方程（1），该能斯特方程描述了无电流的电解质。更确切地说泵电流调节器为了产生泵电流150，必须调整电压，这个电压有别于上述方程式（1）。这种区别由泵电流150和泵电池的内阻造成。在简化的假设下，即，除氧气外不存在氧化或还原的废气成分时，泵电压通过下列方程式说明：

（3）

在此，代表废气侧上的电位，代表空腔侧上或测量空间66内的保持恒定的电位，和代表测量空间66内或废气110、120中的氧气分压力。代表泵电池的内阻,代表泵电流150以及T代表温度，R代表一般的气体常量以及F代表法拉第常量。

泵电流方向是从废气侧到空腔侧。氧离子电流在此与电流方向相反，因为氧离子被加载成负的。因为越是必须泵入更多的氧离子，废气就越浓，所以泵电流150随着废气的氧气浓度或氧气分压力上升。

在所述方法的另一种实施变型方案中规定，鉴于在单缸λ调节时的失调诊断，将带有带通或差动特性的滤波器D应用于所测得的泵电压，滤波器仅仅穿透的频率，所述频率通过各个气缸的λ波动被激励。D的传递特性可以与运行点相关并且尤其与内燃机1的转速相关。从梯度的值中减去校正项K，校正项对应对无误差的系统而言可行的梯度。K可以同样与运行点相关。但为了更为简单的记录方式，D和K的相关性在下文中不再详细解释。对无误差的系统而言，D（）和K的差始终是负的。但短暂的、与各个气缸的λ波动无关的干扰可以将这个差暂时变成正的。

因此为了达到可靠的失调诊断，由差形成一个向下以零为界限的积分。这个积分被称为W并且是失调诊断的诊断值。W的形成规则为：

（4a）以及

（4b）

当W超过一定的阈值时，诊断出失调误差。

用之前所述的方法变型可以更好地无需附加材料费用地诊断出单个气缸λ调节的偏差，这鉴于越来越苛刻的法律规定而尤其在在线诊断上具有优势。

Claims (7)

1.用于在带有至少两个气缸和一个设计成宽带λ传感器的传感设备（60）的内燃机（1）中在单缸λ调节时诊断偏差的方法，在该内燃机中通过泵电池评估泵电流（150）并且将泵电流至少暂时用于各个气缸的λ调节，其特征在于，除了用于各个气缸的λ调节的泵电流（150）外还确定泵电池上的泵电压或泵电压变化并且将该所述泵电压或泵电压变化在诊断装置（100）中评估，以便实施所述诊断，其中将带有带通或差动特性的滤波器应用于泵电压的所测得的信号，其中所述滤波器的传递特性与运行点相关地得到预定并且与内燃机（1）的转速相关地得到影响，其中从泵电压的经滤波的信号的梯度值减去校正项，所述校正项以模型形式用于无误差的系统并且同样与运行点相关地得到预定，并且在时间上对差进行积分，并且其中在超过时间积分的确定的阈值时诊断出失调误差。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，结合传感设备（60）的常规的λ信号在所述诊断装置（100）中评估所述泵电压或泵电压变化。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用传感设备（60）的常规的λ信号将所有气缸的平均λ值调节为等于或接近1并且评估泵电压。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使泵电压经受频率分析，并且基于该在频率分析中求出的频率部分进行失调诊断。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，通过泵电压与传感设备（60）的常规λ信号的比较求出传感设备（60）的静止时间或其它动态的特性参量。

6.按权利要求1至5之一所述的方法在带有多组部废气系统的内燃机（1）中的应用，其中气缸被集合成多个组并且不同气缸组的废气在分开的废气通道中导引。

7.用于在内燃机（1）中在单缸λ调节时诊断偏差的机构，其特征在于，设置了用于实施按权利要求1至5之一所述的诊断方法的诊断装置。