CN103201484A - 用于诊断机动车内燃发动机的排气催化器和/或排气传感器的方法 - Google Patents

用于诊断机动车内燃发动机的排气催化器和/或排气传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于诊断排气催化器和/或在所述排气催化器（4）下游和/或上游布置在机动车内燃发动机（1）的排气系统（3）中的排气传感器（5；6）的方法。根据本发明，设有下列方法步骤：（a）以具有低于化学当量比的空燃比（λ）的空气-燃料混合物运行所述内燃发动机（1），（b）停止所述内燃发动机（1），（c）在所述内燃发动机（1）停转后在关断燃料输送的情况下执行不点火的拖拽运行，其中，通过所述排气系统（3）将所述内燃发动机（1）吸入的空气输送到所述排气催化器（4）和所述排气传感器（5；6），（d）以点火运行模式和低于化学当量比的空燃比（λ）启动所述内燃发动机（1）的自运转，以及（e）对所述排气传感器（5；6）的至少在所述内燃发动机（1）停止之后直到接下来自运转的时间段内提供的信号就能预先规定的评价标准进行评价。

Description

用于诊断机动车内燃发动机的排气催化器和/或排气传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于诊断排气催化器和/或在所述排气催化器下游和/或上游布置在机动车内燃发动机的排气系统中的排气传感器的方法，其中，对所述排气传感器的信号就能预先规定的评价标准进行评价。
背景技术
针对尤其是具有储氧能力的三元催化器的诊断，已提出过诸多方法，其中，对机动车内燃发动机运行时空燃比跃变式变化的影响就尤其是布置在催化器后面的排气探针的各种信号参数进行评价。
举例而言，在DE102006010769A1中，将具有稀空燃比的发动机运行模式跃变式地变换到具有富空燃比的发动机运行模式，求得并评价前置式催化器λ探针与后置式催化器λ探针的信号变化曲线的差分面积
Figure BDA00003135602400011
。DE102005028001A1中提出，对后置式催化器探针为了在从稀燃运行模式变换到富燃运行模式以及返回时分别达到确定的信号值而总共所需要的时间间隔进行评价。
上述方法的缺点在于，无论在稀燃运行的时间期间还是在富燃运行的时间期间，排气催化器的排气净化功率一般减弱，有害物质不经转化而到达环境中。
通过过渡到惯性运行模式中或从惯性运行模式过渡出来通常也导致空燃比跃变式变化。举例而言，在DE102004061603A1中，对在从惯性运行模式跃回到具有预定空燃比的牵引运行模式中时λ探针的信号变化曲线进行评价。在此，其缺点是，惯性运行模式往往是不期望的或者是不可建立的。
发明内容
本发明的目的是，给出一种用于诊断排气催化器和/或在排气催化器下游和/或上游布置在机动车内燃发动机的排气系统中的排气传感器的方法，其中，现有技术中出现的缺点尽可能得到避免。
所述目的通过具有权利要求1所述特征的方法来实现。
在根据本发明的方法中，以具有低于化学当量比的/比化学当量比更浓的/低于化学计量比的空燃比（λ）的空气-燃料混合物运行内燃发动机，富燃运行。从内燃发动机的富燃运行出发停止所述内燃发动机，即实施发动机停机。在内燃发动机停转后在关断燃料输送的情况下进行内燃发动机的拖拽运行，其中，通过排气系统将内燃发动机吸入的空气输送到排气催化器和排气传感器。接着，以点火运行模式和低于化学当量比的空燃比进行内燃发动机的自运转的启动。在此提出，在结束拖拽运行模式、即从停转阶段出来后的一段预设或能预先规定的时间间隔后启动内燃发动机的自运转。为了诊断排气催化器和/或排气传感器，对排气传感器的至少在内燃发动机停止之后直到接下来自运转的时间段内提供的信号就能预先规定的评价标准进行评价。借助于评价标准判断：排气传感器或排气催化器是否具有正常状态或者是否存在有缺陷的功能或故障。
由于从低于化学当量比的发动机运行模式变换到空气被输送到排气传感器的拖拽运行模式，在排气传感器的位置上，快速地几乎跃变式地从还原性气氛向氧化气氛变换。在接下来过渡到内燃发动机的自运转中时发生相反的变换。
由于在拖拽运行模式下关断向内燃发动机输送燃料，并且仅仅空气由内燃发动机从进气侧泵送至排气管，因此这个运行阶段无排放。如优选提出的那样，如果内燃发动机在其停转之前和之后以仅仅低的低于化学当量比的空燃比运行，那么在这些运行阶段中有害物质排放也低。因此，总体而言，根据本发明的诊断方法在有害物质极低的情况下进行。
另外，优选提出，结合内燃发动机或机动车的启动-停止运行模式实施所述诊断方法，如此一来，与机动车行驶运行相联系的问题也绝不会与所提出的两次λ值变化的设置相联系。特别是不必等待或导致惯性运行。
根据本发明的拖拽运行模式例如通过用电启动机驱动内燃发动机而实现，所述电启动机优选实施为起动机-发电机。
根据所述方法的技术方案，在具有电动驱动装置的机动车上实施该方法。亦即，该机动车实施为所谓的混合动力车辆，所述混合动力车辆既可由内燃发动机驱动，也可由电动机驱动。在此特别优选，在所述诊断方法的拖拽运行模式下由电动机拖拽内燃发动机。根据本发明的方法特别是在混合动力车辆中提供优点，因为不再存在在此由于制动作用而特别不期望的、在发动机输出端与变速器之间具有传力链的惯性运行模式。
根据所述方法的另一个技术方案，对实施为具有跃变特征的λ探针（所谓的跃变探针或二元探针）的排气传感器进行诊断。该排气传感器优选在排气系统中布置于排气催化器下游，但也可以设置于排气催化器上游。对于这种λ探针而言典型的是与λ相关的信号变化曲线，该信号变化曲线在λ=1.0时具有输出信号突然变化的跃变点。为了诊断跃变探针，该跃变探针的信号变化曲线的评价优选通过与布置在排气催化器前面的另外的λ探针所提供的信号的变化曲线进行比较来进行。尤其是提出，所述另外的λ探针实施为输出信号根据λ连续变化的所谓的宽域λ探针。这种系统方案尤其是结合实施为三元催化器的排气催化器广泛应用于汽车工程。在此特别有利的是，根据本发明的另一个技术方案，附加地或作为替换方案，对实施为连续的λ探针的、尤其是在排气系统中布置于排气催化器上游的排气传感器进行诊断。当然，也可以对在排气系统中布置于排气催化器下游的宽域λ探针进行诊断。也可以通过与计算或存储的参考信号变化曲线或λ变化曲线进行比较性评价来对实施为跃变探针的、尤其是布置于排气催化器下游的排气传感器和/或实施为宽域探针的、尤其是布置于排气催化器上游的排气传感器和/或排气催化器进行诊断。
根据所述方法的另一个技术方案，对能够储存氧的排气催化器进行诊断。这个排气催化器优选实施为氧化催化器或具有储氧能力的三元催化器。在此，优选就可受储氧能力大小影响的评价标准对连接在后面的排气传感器的信号变化曲线进行评价。
根据所述方法的另一个技术方案，在方法步骤'a'中，即在停止内燃发动机前以具有低于化学当量比的空燃比的空气-燃料混合物运行内燃发动机时，以λ值约为0.98的空气-燃料混合物运行内燃发动机。这样能实现有害物质极低的运行。
根据所述方法的另一个技术方案，在方法步骤'd'中，即当内燃发动机在拖拽阶段之后自运转时，为内燃发动机供应λ值处于约0.98至约0.90范围内的起还原作用的空气-燃料混合物。因此，在这个运行阶段中有害物质排放也很低。
根据所述方法的另一个技术方案，对排气传感器的信号就信号陡度、滞后时间、建立时间和对称性这些评价标准至少之一进行评价。在此，信号陡度由λ变化时表征信号上升梯度或下降梯度的信号参数确定。滞后时间通过λ变化后信号的稳定状态持续时间来给出。建立时间通过在λ变化的意义上从信号开始变化直到达到确定的尤其是近似稳定的终值所需要的时间来表征。在就对称性进行评价时，对λ上升变化和下降变化时的信号进行比较。
附图说明
从下面对优选实施例的说明中以及借助附图得到本发明的其它优点、特征和细节。前文在说明中列举的特征和特征组合以及下文在附图说明中提及和/或附图中单独示出的特征和特征组合既可以分别以所给出的组合应用，也可以以其它组合或单独地应用，而不偏离本发明的范围。附图表示：
图1具有排气系统的机动车内燃发动机的结构示意图，其用于实施根据本发明的方法；
图2具有图1中所示结构的信号变化曲线以及运行参数时间进程的曲线图；及
图3具有假设的输入参量的参考信号R的示例性的时间上的信号变化曲线的曲线图以及作为任意传感器的示例性响应的假设的响应信号A。
具体实施方式
下面在图1中示意性所示的系统的实施方案可理解为仅仅示例性的且不应认为有限制的有利实施方式，表示一个优选构造成汽油机的内燃机1，该内燃机用于驱动未示出的机动车，所述内燃机通过吸入空气管路2获得其燃烧用空气，通过燃料供应装置获得燃料。优选借助喷射阀这样直接喷入燃料，使得在发动机1的燃烧室内形成待燃烧的空气-燃料混合物，附图对此未作详示。
空气-燃料混合物燃烧时产生的燃烧排气被排气系统3输送给用于排气催化净化的排气催化器4。排气催化器4优选实施为具有储氧能力的三元催化器，是排气净化设备的组成部分，该排气净化设备可包括其它用于净化排气的部件，例如连接在后面的氮氧化物储存催化器和/或SCR催化器，为清楚起见，附图未对此单独示出。
在排气催化器4的输入侧在排气系统3中设有第一排气传感器6。在排气催化器4的输出侧设有第二排气传感器5。此外，在排气催化器4上游还设有用于检测排气温度的温度传感器9。不失一般性地，下文以排气传感器5、6实施为λ探针为出发点，这些λ探针发出与空燃比λ或氧分压相关的输出信号。
在当前情况下出发点在于，第一λ探针6实施为连续工作式λ探针。诸如宽域探针或LSU探针等名称对应的也是这种可发出根据λ值连续变化的输出信号的探针类型。第二λ探针5在当前情况下实施为跃变探针（Sprungsonde）。诸如两点探针（2-Punkt-Sonde）或二元探针
Figure BDA00003135602400051
等名称对应的也是这种可发出的输出信号在λ值为1.0时具有跃变点的探针类型。这类排气传感器的工作原理及其典型的与λ相关的输出信号变化曲线为本领域技术人员所熟知，因此此处不再加以赘述。当然，也可以使用其它产生尤其是根据λ值变化的输出信号的探针或传感器类型。例如可以使用氮氧化物传感器来代替第一和/或第二λ探针5、6。
λ探针5、6和温度传感器9通过信号线8连接到电子控制器7上。控制器7则进一步通过一条或多条其它数据线10连接到发动机1上，并且可以根据相连探针或传感器5、6、9的信号控制发动机的运行。在此，控制器7还从相应的传感器或探测器、例如布置在吸入空气管路2中的未示出的空气质量测量仪获得关于内燃机1和排气净化设备的重要的状态参量的信息，例如转速、温度、压力，另一方面还能向执行器例如排气再循环阀、排气涡轮增压器（未示出）及其它运行单元输出控制信号作为调节参量。控制器7还能按需要或者另外能预先规定地对燃料喷入进行调节。为此，控制器7可调用存储的特性曲线族或计算例程和/或控制例程。为了执行上述功能，控制器7可以通过此处仅示例性示出的、与对应部件连接的数据线8、10进行通信，这些数据线可实施为单向或双向信号线或控制线。
在当前情况下还设有能拖拽或牵引内燃发动机1的未示出的电动机。该电动机可实施为常规启动机或所谓的启动机-发电机。根据一种特别优选的实施方式，电动机这样构造并且接入到机动车的也未示出的驱动系统中，使得该电动机能够至少暂时地与内燃发动机一起或单独地驱动车辆。对于优选配备所谓混合驱动装置的车辆，优选设置有启动-停止运行模式，在该启动-停止运行模式下，内燃发动机1的运行尤其是在不继续运动的停车阶段在可能情况下停止。
下面参照图2所示的曲线图详细阐述根据本发明的方法。
在图2中在具有一个公共时间轴t的曲线图I、II、III、IV中示出了信号变化曲线以及各种运行参量的时间进程。对应于曲线图II中用线迹23表示的情形，出发点在于，相应的车辆随着行驶速度v的下降而运行至停车状态，在这里所考察的时间段的其余时间历程上保持所述停车状态。在此，首先进行内燃发动机驱动至时刻t1，在该时刻，在速度v低或者可忽略不计的情况下停止向内燃发动机1输送燃料。对于停止内燃发动机1或停止燃料输送而言重要的控制信号Kaus在曲线图III中用线迹24表示。
在时刻t1停止燃料输送后不久，也就是一秒钟或数秒钟后，在时刻t2接通车辆的电动机，这通过用于对此重要的信号EMein的在曲线图IV中所示的线迹25的变化曲线表示。在此，该电动机的运行这样进行，使得内燃发动机1被拖拽并且与此相应空气通过吸入空气管路2输送到排气系统3中。在此，仍保持燃料输送的停止，如从曲线图III中的线迹24可获知的那样。优选在预设的转速、例如怠速转速下以及在空气输送方面不节流地进行内燃发动机1的拖拽运行。内燃发动机1的拖拽运行在时刻t2开始至时刻t5保持一段约为10s至30s的确定时间间隔。在此，拖拽运行结束并且电动机关断时的时刻t5通过第二λ探针5的预设信号值的达到来确定。
在经过另一段约为30s至120s的时间间隔后，在时刻t6通过用电动机短时牵引内燃发动机1以及重新开始燃料输送，使内燃发动机1以点火运行模式自运转。在此，优选内燃发动机1以机动车停车时的怠速转速运转。
对于结合上述处理方式对第一λ探针6和/或第二λ探针5和/或排气催化器4进行诊断而言，考察或者说评价λ探针5、6的信号变化曲线，下面借助曲线图I详细说明这些信号变化曲线。在此，以虚线示出的线迹20描述的是在当前情况下实施为宽域探针的第一λ探针6的输出信号，左侧的纵坐标λLSU对于其值是重要的。在当前情况下实施为跃变探针的第二λ探针5的输出信号由线迹21描述，右侧的纵坐标ULSF对于其是重要的。
直到停止的时刻t1，内燃发动机1以燃料略微过量的空燃比按照大约0.98的λ值以点火模式运行。因此，λ探针5、6首先发出与之相应的、在时间上近似的稳定的输出信号20、21。对于空燃比λLSU，第一λ探针6的信号20随着行驶速度v趋近于零首先表明缓慢的上升，随着在时刻t1停止燃料输送或者说在时刻t2接通电动机后表明变得陡峭的上升。这种上升是对排气提供减少或终止以及接下来通过用电动机进行拖拽运行而致使空气输送到排气系统3中的反应，理想情况下，这在第一λ探针6的位置上使λ值从λ≈0.98跃变地上升到λ=∞。
类似地，但由于与第一λ探针6的信号20的上升互补的特性曲线特征，第二λ探针5的信号21发生下降。在此，值得注意的是一般情况下主要由于与空气输送的氧被馈入到排气催化器4中引起的时间延迟，下文还将对此进行详细说明。
相应地，但分别在相反方向上，如果从内燃发动机和电动机停止以及排气系统3被填充空气出发，在时刻t6使内燃发动机1以低于化学当量比的空燃比按照大约λ=0.90直到大约λ=0.98的λ值自运转，则可观测到λ探针5、6的信号变化曲线。
由于气体流动时间，尤其是受λ探针5、6的功能品质影响，与对应的在理想情况下至少近似呈矩形或突然的在时刻t1或t6的λ跃变相比，λLSU和ULSF的对应的信号上升或信号减小多少有所平滑。本发明利用这一点来诊断第一λ探针6和/或第二λ探针5，如下详细所述。
下面参照图3对可从λ探针5、6的信号变化曲线中推导出来的评价标准进行说明。为此，图3的曲线图中仅示例性地绘制了一假设的输入参量的参考信号R的在时间上的信号变化曲线以及作为任意对输入参量敏感的传感器的示例性响应的假设的响应信号A。在当前情况下，参考信号R实施为矩形跃变信号，具有从零骤升至100的边沿和以相反方向骤降的边沿。
与参考信号R相比，响应信号A是平滑的。一方面，在时刻tu的上升晚于参考信号R的上升时刻t0。直到响应信号A值得注意地上升至预设值W1的反应时间tu-t0可用作延迟时间或滞后时间，作为所属传感器的性能或品质的评价标准。如果滞后时间tu-t0超过预设值或能预先规定的值，就可作出传感器有缺陷的诊断。此外，响应信号A的上升陡度比参考信号R小。举例而言，可以考虑最大上升梯度作为所属传感器的品质或性能的评价标准，响应信号A的最陡点处的切线T的斜率给出所述最大上升梯度。此外还可确定的是，响应信号A在时刻to除了一个小的预设差值之外才接近了参考信号的终值。直到响应信号A达到预设最高值W2的相应的建立时间或响应时间to-t0是另一个优选的性能评价标准。如果建立时间to-t0超过预设值或能预先规定的值，就可作出传感器有缺陷的诊断。
当然，可能情况下还可考虑基于信号分析的其它评价标准。举例而言，可以对输出信号A设置尤其是借助于傅里叶变换的频率分析或频谱分析，或者使输出信号经历计算信号滤波，从所述计算信号滤波获得评价标准。
滞后时间、信号陡度和建立时间这些评价标准及可能情况下其它评价标准优选也合理地用于对参考信号的下降边沿的响应信号A。图3的曲线图中并未单独绘制对于诊断重要的值，但通过合理运用针对上升边沿列举的所阐述的处理方式得到。通过应用于对上升边沿和下降边沿的响应的评价标准的比较，尤其是在滞后时间、信号陡度和建立时间等方面的比较，可以求得对称关系作为传感器诊断的另外的评价标准。如果上升边沿和下降边沿的输出信号A的滞后时间、信号陡度、建立时间以及可能情况下其它信号参量超过能预先规定的最大偏差，就作出功能减弱或传感器有缺陷的诊断。
根据本发明，在与上述处理方式类似的应用中，对于实际的传感器诊断，优选将实际发生的λ上升或者由于从内燃发动机运行模式过渡到拖拽运行模式而发生的与实际λ上升最接近的λ上升用作与λ探针5、6的响应信号相关的参考信号。也优选提出，将实际的λ下降或者在接下来从内燃发动机1和电动机的停止过渡到内燃发动机1自运转时与实际λ下降最接近的λ下降考虑用作λ探针5、6的响应信号的参考信号。在此可提出，在诸如气体流动时间、空气-燃料混合物的空燃比λ等已知运行参量的基础上以计算方式求得对应的实际的λ变化曲线。也可提出，以用值的方式存储的特性曲线的形式提供与λ探针5、6的位置上的实际的λ变化曲线相应的参考信号。对于第二λ探针5的信号，也可以考虑第一λ探针6的信号作为参考信号来获取上述评价标准的定量参量。
对于排气催化器4的诊断，优选评价第二λ探针5的信号。尤其是提出，考虑第二λ探针5的输出信号相对于本发明处理方式引起的跃变式的λ变化的滞后时间或延迟时间作为基础用于与此相应的评价标准。下面将再次参照图2中的曲线图I阐述优选的处理方式。
如曲线图I所示以及如前文所述，相对于通过在时刻t1过渡到拖拽运行模式引起的λ跃变，第二λ探针5的输出信号21具有或多或少可察觉到的延迟。这种在时间上延迟的原因主要是与空气输送的氧被馈入到排气催化器4中。氧馈入到排气催化器4使得通过过渡到拖拽运行模式中造成的并且在排气催化器4的输入侧存在的跃变式的λ上升在排气催化器4的输出侧最初并不可产生作用。在此，延迟程度、即直到存在于排气催化器4输入侧的λ上升延伸至排气催化器4输出侧的时间间隔是用于排气催化器4的储氧能力的指标。但相对于新的排气催化器4减弱的储氧能力影响排气催化器4的功能。出于这种原因，储氧能力是用于排气催化器4的性能的品质标准或指标。
由第二λ传感器5的信号21相对于通过过渡到拖拽运行模式中引起的跃变式的λ上升的滞后时间或反应时间优选如下求得排气催化器4的储氧能力的指标。在第一排气传感器6的信号20达到λLSU=1.0这一λ值时的时刻t3开始对第二排气传感器5的输出信号21进行积分运算。优选在第二排气传感器5的信号21低于ULSF的能预先规定的值时的时刻t4结束积分运算。通过这种方式获得的积分在曲线图I中用线迹22示意性表示。对于排气催化器4的诊断，将所获得的积分值与预设的或能预先规定的参考值进行比较。在此举例而言，可以根据拖拽运行模式下所输送的空气流量来预设该参考值。附加地可以考虑温度相关性，其中，可以考虑温度传感器9的信号来求得温度。如果积分值低于参考值，则提出，将排气催化器4归类为以不允许的程度老化并且输出相应的故障通知。

Claims (8)

1.一种用于诊断排气催化器和/或在所述排气催化器（4）下游和/或上游布置在机动车内燃发动机（1）的排气系统（3）中的排气传感器（5；6）的方法，包括下列方法步骤：
a以具有低于化学当量比的空燃比（λ）的空气-燃料混合物运行
所述内燃发动机（1），
b停止所述内燃发动机（1），
c在所述内燃发动机（1）停转后在关断燃料输送的情况下执行不点火的拖拽运行，其中，通过所述排气系统（3）将所述内燃发动机（1）吸入的空气输送到所述排气催化器（4）和所述排气传感器（5；6），
d以点火运行模式和低于化学当量比的空燃比（λ）启动所述内燃发动机（1）的自运转，以及
e对所述排气传感器（5；6）的至少在所述内燃发动机（1）停止之后直到接下来自运转的时间段内提供的信号参照一能预先规定的评价标准进行评价。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在具有电动驱动装置的机动车上实施所述方法。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对实施为具有跃变特征的λ探针的、尤其是在所述排气系统（3）中布置于所述排气催化器（4）下游的排气传感器（5）进行诊断。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对实施为连续工作式λ探针的、尤其是在所述排气系统（3）中布置于所述排气催化器（4）上游的排气传感器（6）进行诊断。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对能够储存氧的排气催化器（4）进行诊断。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤a中，以λ值约为0.98的空气-燃料混合物运行所述内燃发动机（1）。
7.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤d中，为所述内燃发动机（1）供应λ值处于约0.98至约0.90范围内的空气-燃料混合物。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，对所述排气传感器（5；6）的信号就信号陡度、滞后时间、建立时间和对称性这些评价标准至少之一进行评价。
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