CN103511047A - NOx传感器合理性监测 - Google Patents

Abstract

一种车辆，包括发动机、排气系统和控制器。排气系统包括选择性催化还原（SCR）装置和后氮氧化物（NOx）传感器。与NOx传感器通信的控制器包括处理器和有形非瞬时存储器。多个数据脉谱图和多个二进制脉谱图记录在该存储器中。每一个数据脉谱图由不同的排气性能值对索引。每一数据脉谱图的每一个单元由估计的下游NOx水平填充。二进制脉谱图由所述排气系统性能值对中的一对索引。每一个二进制脉谱图的每一个单元由二进制数值，即0或1填充。控制器使用数据脉谱图和二进制脉谱图来执行关于排气系统的控制动作，例如验证后NOx传感器的合理性。

Description

NOx传感器合理性监测

技术领域

本公开涉及用于监测来自用于发动机排气系统中的类型的后/下游氮氧化物（NOx）传感器的输出读数的合理性的方法和设备。

背景技术

柴油发动机以及，在较小程度上，其他内燃发动机，产生氮氧化物（NOx）气体作为燃料燃烧过程的副产物。NOx气体可以多种形态存在于排气流中，包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）和一氧化二氮（N₂O）。选择性催化还原（SCR）装置通常被用作车辆排气系统的一部分，以在排气被排放到大气中之前将NOx气体还原。SCR装置和例如氨或尿素等相关还原剂的催化动作最终将NOx气体转变为惰性副产物，例如氮气和水。

在具有柴油发动机的车辆中，NOx传感器通常定位在SCR装置的上游和下游。上游或前NOx传感器测量由发动机排出的Nox水平，而下游/后NOx传感器测量在由SCR装置处理之后残留在排气流中的NOx水平。前和后NOx传感器测量值一起被用于计算总NOx去除效率。由于在由车辆排放的NOx气体水平中要求高可信度，因此，一些政府机构要求计算和记录NOx去除效率。另外，需要来自后NOx传感器的任何读数的合理性的定期监测，以确保柴油排气系统的总体操作完整性。

发明内容

本文公开了一种车辆，其使用车载控制器来监测来自下游/后氮氧化物NOx传感器的读数的合理性。该车辆可包括内燃发动机，例如但不限于柴油发动机。该车辆包括前NOx传感器、后NOx传感器和控制器。控制器使用一组校准的脉谱图，所述脉谱图每一个由排气系统性能值对索引，例如选择性催化还原（SCR）装置温度、模拟的SCR效率、NH3加载偏差和/或SCR温度梯度。通过使用这些脉谱图，控制器能够确定NOx猛涨的高可能性的区域，所述区域是可被传统的传感器合理性方法避开的区域。随后使用脉谱图识别的区域作为用于发动后NOx性能诊断的进入条件，由此改进这样的计算的鲁棒性，同时还减少下面说明的伪故障被报告情况。

特别地，该车辆可包括内燃发动机、排气系统和控制器，控制器具有处理器。排气系统包括SCR装置以及前和后NOx传感器。与NOx传感器通信的控制器包括处理器和有形非瞬时存储器，多个数据脉谱图和对应的多个二进制脉谱图记录在所述有形非瞬时存储器上。每一个数据脉谱图由不同排气系统性能值对索引，并且每一个数据脉谱图的每一个单元由估计的下游NOx水平填充。二进制脉谱图由所述排气系统性能值对中的对应的一对索引。处理器使用数据脉谱图和二进制脉谱图，利用来自后NOx传感器的测量值以及利用提取的信息来执行关于排气系统的控制动作。例如，控制器可仅在所有二进制脉谱图返回相同的二进制值（例如1）时，确定该后NOx传感器读数是合理的。

本文中还公开了一种用于车辆的方法，车辆具有内燃发动机、排气系统和控制器，排气系统包括一对NOx传感器和SCR装置。该方法包括将上面所述的数据脉谱图和二进制脉谱图记录在控制器的存储器中，其中每一个脉谱图由对应的排气系统性能值对索引。该方法进一步包括通过控制器接收排气系统性能值，然后使用来自NOx传感器和来自数据和二进制脉谱图的信息来通过处理器执行关于排气系统的控制动作。

本文中还公开了一种与车辆一起使用的控制器，所述车辆具有发动机、排气系统的车辆的控制器。该控制器包括主机和有形非瞬时存储器。主机具有与排气系统的前和后NOx传感器通信的处理器。可由处理器执行的一组处理指令以及上面所述的数据脉谱图和二进制脉谱图记录在存储器中，该指令。处理器配置为选择性地执行处理指令，以由此从数据脉谱图和从二进制脉谱图提取数据，以确定后NOx传感器读数是否合理，并且之后作为控制动作，诊断后NOx传感器的性能。

结合附图理解时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点通过下面实现本发明的最佳模式的详细描述变得显而易见。

附图说明

图1是具有后氮氧化物（NOx）传感器和控制器的车辆的示意图，所述控制器具有记录脉谱图，控制器使用所述记录脉谱图来监测来自后NOx传感器的读数的合理性。

图2是描绘图1中所示的车辆操作的一组示例性时间迹线，时间标示在水平轴上，幅值标示在垂直轴上。

图3是可与本发明的诊断方法一起使用的示例性数据脉谱图的示意图。

图3A是对应于图3中所示的数据脉谱图的示例性二进制脉谱图的示意图。

图4是描绘用于监测来自图1的车辆中的后NOx传感器的读数的合理性的示例性方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，具有排气系统13的示例性车辆10显示在图1中。车辆10包括控制器40，控制器40配置为执行体现方法100的过程指令，其示例在下面参照图4进行描述。方法100的执行使控制器40能够用作关于后氮氧化物（NOx）传感器142的合理性监测器，后氮氧化物传感器142为车辆10上使用的一对传统的NOx传感器42和142中的一个。在执行方法100中，控制器40还识别用于诊断排气系统13中的后NOx传感器142的性能的理想进入条件。

NOx传感器42和142可由适当的金属氧化物构造，例如氧化钇稳定氧化锆（yttria stabilized zirconia，YSZ）。如本领域中完全理解的，随时间推移，例如本文所述的NOx传感器42、142等的NOx传感器可在特定值下出现故障，或这样的传感器的响应时间可变得不可接受的慢。传感器退化可由于被烟灰阻塞、传感器破裂、和/或碳氢化合物传感器中毒而发生。

但是，正常工作的NOx传感器可能被错误地诊断为已经出现故障。这可在控制系统在非理想条件下开始NOx去除效率诊断时发生，或可能由于在条件适当时没有启动这样的诊断而发生。本方法因此旨在改进车辆10中NOx去除效率诊断和后NOx传感器142合理性监测的鲁棒性，由此防止伪故障。本方法可具有降低通常由于不正确诊断造成的不必要保修费的益处。

车辆10包括具有进气口20的内燃发动机12，例如排出显著水平的氮氧化物（NOx）气体的柴油发动机或任何其他发动机。虽然后文为了说明一致性而描述了柴油应用，但是本领域普通技术人员将意识到，可关于其他发动机设计采取类似的方法。在车辆10上，从箱18吸入的柴油燃料16的燃烧产生排气流（箭头29），该排气流然后在被最终从排气管27排放到周围大气中之前通过排气系统13进行处理。由柴油燃料16的燃烧释放的能量在变速器14的可旋转输入构件24上产生扭矩。来自发动机12的输入扭矩通过变速器14的各齿轮组、离合器、制动器和互连构件（未示出）被传递到可旋转输出构件26。来自变速器14的输出扭矩因而被传递到一组驱动轮28，图1中为了简明示出仅显示了驱动轮28中的一个。

示意性地显示在图1中的排气系统13与发动机12的排气端口（一个或多个）17流体连通。根据该实施例，排气系统13可包括以任何期望顺序布置的氧化催化器30、选择性催化还原（SCR）装置32、和柴油颗粒过滤器（DPF）34。SCR装置32配置为使用来自适当还原剂（例如氨(NH3)或尿素）和活性催化剂的箱（未示出）的喷射将NOx气体转变为水和氮气作为燃烧的惰性副产物。例如，SCR装置32可配置为陶瓷砖或陶瓷蜂窝结构、板结构或任何其他合适的设计。氧化催化器30、SCR装置32和DPF34一起提供排气流（箭头29）的必要调节。温度传感器22和122可分别定位在SCR装置32的上游和下游，其中相应的测量温度（箭头23，123）被传送到控制器40。

车辆10还可包括燃料喷射装置36，其与控制器40电子通信，并且通过来自控制器40的一组控制信号（箭头15）被控制。燃料喷射装置36与箱18流体连通。当被控制器40提供信号时，燃料喷射装置36选择性地将燃料16中的一些喷射到排气流（箭头29）中，例如在氧化催化器30的上游或直接喷射到氧化催化器30中。喷射的燃料16然后以受控方式在氧化催化器30中燃烧，以产生足以使颗粒过滤器34再生的水平的热量。

NOx传感器42相对于SCR装置32定位在上游，例如在发动机12的出口处。因而，NOx传感器42被后文称为前NOx传感器42。后NOx传感器142相对于SCR装置32定位在下游，例如恰在DPF34之前。因而，NOx传感器142被后文称为后NOx传感器142。NOx传感器42和142可能在结构和功能方面相似。来自相应的上游和下游NOx传感器42和142的NOx水平测量值（箭头11，111）被馈送到控制器40中。控制器40然后通过本方法100的执行确定是否存在适当进入条件用于监测来自后NOx传感器142的测量值的合理性。

图1的控制器40可具体化为用作车辆控制模块的数字计算机或微计算机，和/或具体化为具有处理器64和例如只读存储器（ROM）或闪存的有形非瞬时存储器65的比例积分微分（PID）控制器装置。控制器40也可具有随机存取存储器（RAM）、电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模拟-数字（A/D）和/或数字-模拟（D/A）电路，和任何所需的输入/输出电路和相关装置，以及任何所需的信号调制和/或信号缓冲电路。方法100和任何所需的参考校准值可被存储在控制器40内或被控制器40容易地访问，以提供下面所述的功能。

在特定实施例中，控制器40可具体化为所示的主机，或分布式系统，并且可包括发动机控制模块（ECM）50、诊断控制模块（DCM）60和记录的一组脉谱图70。如下面参照图3和3A所说明的，脉谱图70可包括校准数据脉谱图72和相应的二进制脉谱图74，其中给出的脉谱图对（72和74一起）用于排气系统性能值的多个不同对中的每一对。这些值中的一些可包括由ECM50产生或记录的发动机性能值（箭头52）。发动机性能值（箭头52）可在RS232串行总线或任何其他适当通讯通道上被传输到DCM60，并且由DCM60在本方法100的执行中使用。同样，DCM60访问记录在脉谱图70中的信息，其中，来自脉谱图70的信息最终由控制器40用于产生适用于命令各控制动作的执行的诊断信号（箭头54），下面参照图4说明所述控制动作中的一些。

参照图2，结合图1中所示的示例性车辆10的结构，一组迹线80示出本方法100的基本方法。该组迹线包括迹线82、84和86，每一个具有绘制在垂直轴上的幅值A。时间（t）绘制在水平轴上。

迹线82代表图1的变化的排气流（箭头29）。在t₀处，该流最小。在t₁处开始，该流增加，例如当图1的车辆10的驾驶员下压加速器踏板以命令来自发动机12的输出扭矩时。排气流在t₁和t₃之间增加，在t₃处，由迹线82示出的排气流变少，可能是响应于驾驶员释放加速器踏板。

迹线84代表由图1的前NOx传感器42测得的变化的NOx水平。几乎紧接着驾驶员在t₁处请求来自发动机12的更大的输出扭矩之后，前NOx传感器42开始读取到增加的NOx水平。这样的水平在约t₂处开始稳定，之后或多或少地保持恒定。

图2的迹线86代表由图1的后NOx传感器142测得的变化的NOx水平。由于发动机12和后NOx传感器142之间的距离，以及从排气流去除一些NOx的SCR装置32的插入，迹线86不开始升高，直到前NOx传感器42响应之后。该延时可见于t₁和t₂之间的间隔中。t₂之后，后NOx传感器142的输出升高、平稳、并且最终在当驾驶员减小对发动机12的扭矩需求时的t₃处下降。

总NOx去除效率可由控制器40使用下面的基本公式计算：

$\frac{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{IN}}-{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{OUT}}}{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{IN}}}$

其中，NOx_IN为由前NOx传感器42测得的或图2的迹线84的NOx气体的量，NOx_OUT为由后NOx传感器142测得的或图2的迹线86的NOx气体的量。当在更多适当时刻执行的测试揭示前或后NOx传感器42、142正在正确运转时，诊断编码可被设置为指示更换该传感器的需要。本方法100通过紧密监测发动后NOx传感器142的合理性监测和性能诊断的进入条件而改进了后NOx传感器142的总诊断方法的鲁棒性。

参照图3，图1的控制器使用基于脉谱图的诱发条件，该条件涉及不同车辆性能值之间的相互作用。在特定实施例中，这些值包括SCR温度、估计的SCR效率、NH3加载偏差、和排气流。对应的NOx值，例如估计的或预先计算的下游NOx水平，被记录在对应的数据脉谱图72中，该数据图72可具有至少九个单元V₃，如图所示。

示例性数据脉谱图72显示在图3中，其使用样本数据填充。给出的数据脉谱图72可分别通过期望的数据对V₁和V₂索引，例如SCR温度(°C)和排气质量流动速率(kg/hr)。例如，SCR温度可具有0到200°C、200到300°C、和300到400°C的示例性水平，该温度可在图1的车辆10中使用温度传感器22就地测量。可使用其他水平，和/或可添加附加的单元V₃来覆盖更高的温度。同样，质量流动速率，这里以50kg/hr的增量显示，可被离线计算或测量，例如使用空气-燃料比率和燃料消耗数据，或使用任何其他适当方法。该特定数据脉谱图72的单元V₃可使用变化的实际NOx水平或相对的NOx水平的校准值填充，该校准值可以是通过实验确定的或是估计的。

参照图3A，显示了示例性二进制脉谱图74，其对应于图3的数据表72。因而，每一个二进制表74可具有与其对应的数据表72相同数量的单元V₃。单元V₃中的每一个使用对应的二进制值填充。特定单元V₃是否需要0还是1的确定可离线进行，例如在校准期间进行。如图3中显示具有1的单元，例如，可对应于相对较高的下游NOx水平，而0可能设置在具有相对较低下游NOx水平的单元中。其他数据可填充数据脉谱图72，并且因此NOx水平仅是非限制性示例。

图3的数据脉谱图72，一旦被填充和记录在图1的控制器40的存储器中，可由图3A的二进制图74重叠。在此，其他数据和二进制脉谱图72和74可以被不同地索引，例如通过SCR温度和估计的SCR效率、SCR温度和在图1的SCR装置32中的NH3加载、排气流动速率和上游NOx水平（即，由图1的前NOx传感器42测量的NOx）、SCR温度和SCR温度梯度等。虽然在最简单实施例中可使用单个的数据和二进制脉谱图配对，但是多个脉谱图配对可用于改进总方法100的鲁棒性。当已经创建全部二进制脉谱图74时，图1的控制器40能够依据各二进制脉谱图74中的二进制值进行NOx效率计算。

参照图4，显示了用于监测由后NOx传感器142输出到图1的控制器40的任何读数的合理性的示例性方法100。开始于步骤102，图1的控制器40可开始监测多种车辆性能值，例如发动机速度、排气温度和排气流动速率。作为步骤102的一部分，控制器40可计算例如SCR装置32（参见图1）的NOx去除效率或模拟或估计的氨（NH3）加载量等值，并且可使用相应的前和后NOx传感器42和142测量上游和下游NOx水平。所有值可被记录在控制器40的存储器中。然后方法100可进行到步骤104。

在步骤104处，控制器40可将来自步骤102的值与数据脉谱图72（参见图3）中的对应的一个相关联。步骤104可能需要多个这样的比较。例如，如果使用四个不同的数据脉谱图72，其中每一个具有不同的车辆值配对，例如在一个中为SCR温度和质量排气流动速率，在另一个中为SCR温度和NH3加载偏差，则步骤104会将测量/计算的数据对与给定的数据脉谱图72相关联。步骤104的一部分可需要识别对应于该对的特定单元V₃（参见图3）。

在步骤106处，图1的控制器40接下来从相应的二进制脉谱图74（参见图3A）提取相关联的二进制数。提取的用于每一配对的二进制数被记录在控制器40的存储器中，作为该步骤的一部分。

在步骤108处，控制器40确定来自步骤106的二进制值中的任何一个是否为0。如果是，则方法100进行到步骤112。否则，如果在步骤106处所有提取的二进制值等于1，则方法100进行到步骤110。

在步骤110处，控制器40可诊断后NOx传感器142的性能。作为步骤110的一部分，图1的NOx传感器142可将其测量的NOx水平（箭头111）传送到控制器40。控制器40可然后计算在不同时间点（例如t₁，t₂等）处如由后NOx传感器142读取的NOx水平。控制器40可然后将这些读数（其每一个可对应于不同的车辆油门事件，例如重踩油门，轻踩油门等）与校准阈值相比较。校准阈值可作为一组期望值预先记录在存储器中，该期望值是使用校准车辆离线验证的、使用理论值计算的或是使用任何其他方式获得的。可作为步骤110的一部分或后序步骤而采取的控制动作包括记录表明期望结果是否出现的诊断编码。

在步骤112处，控制器40可在重复步骤102之前记录确认不进行后NOx传感器142的诊断的决定的诊断编码。在可能的实施例中，控制器40可能定期地检验记录的“不进行”决定的次数，以验证记录在相应附图3和3A的数据脉谱图72和/或二进制脉谱图74中的数据的准确性。由于脉谱图72和74中的所有数据可被校准和记录，可期望定期验证和更新来确保本发明的方法的持续准确性。

虽然已经详细描述了用于实现本发明的最佳模式，但是本发明相关领域中的技术人员将意识到在所附权利要求范围内的用于实践本发明的多种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：

内燃发动机；

排气系统，与发动机流体连通，并且包括

选择性催化剂还原（SCR）装置；和

后NOx传感器，定位在SCR装置的下游，并且配置为测量SCR装置下游的NOx水平；和

控制器，与后NOx传感器连通，其中，控制器包括处理器和有形非瞬时存储器，在所述有形非瞬时存储器上记录有：

多个数据脉谱图，每一个由不同的排气系统性能值对索引，其中，每一个数据脉谱图的单元由估计的下游NOx水平填充；和

多个二进制脉谱图，每一个由所述排气系统性能值对中的对应的一对索引，其中，每一个二进制脉谱图中的每一个单元由二进制值填充；

其中，处理器配置为从数据脉谱图提取信息并且从二进制脉谱图提取二进制值，从后NOx传感器接收下游NOx水平的测量值，和使用二进制值和来自数据脉谱图的被提取信息验证被接收的下游NOx水平的测量值的合理性。

2.根据权利要求1所述的车辆，进一步包括：

通过控制器将来自后NOx传感器的NOx水平测量值与用于多个不同车辆油门事件的校准阈值进行比较，以由此验证被接收的下游NOx水平的测量值的合理性。

3.根据权利要求2所述的车辆，其中，处理器配置为使处理器接收排气系统性能值，并且将被接收的排气系统性能值对与数据脉谱图中的对应一个相关联。

4.根据权利要求1所述的车辆，其中，处理器配置为：

接收排气系统性能值；

将排气系统性能值的每一对与数据脉谱图中的对应一个相关联；

识别每一个数据脉谱图内的对应于该特定数据脉谱图的相关联的排气系统性能值对的特定单元；

从对应的二进制脉谱图提取对应于每一个被识别单元的二进制值；和

仅当提取的二进制值中的每一个具有相同值时，验证下游NOx水平的测量值的合理性。

5.根据权利要求1的车辆，其中，排气系统包括可操作用于测量SCR装置的温度的温度传感器，并且其中，数据表中的至少一个由测量的SCR温度索引。

6.根据权利要求5所述的车辆，其中，由SCR温度索引的所有数据表还由下述之一索引：排气流动速率、估计的SCR效率、SCR装置的加载量、SCR装置的温度梯度、和由定位在SCR装置的上游的前NOx传感器测量的NOx水平。

7.一种用于车辆中的方法，所述车辆包括控制器、内燃发动机和排气系统，所述排气系统具有选择性催化还原（SCR）装置和定位在SCR装置下游的后NOx传感器，所述方法包括：

将多个数据脉谱图记录在控制器的存储器中，其中，数据脉谱图中的每一个由不同的排气系统性能值对索引，并且其中，每一个数据脉谱图中的单元由估计的下游NOx水平填充；

记录多个二进制脉谱图，每一个二进制脉谱图具有至少九个单元，其中，每一个二进制脉谱图由所述排气系统性能值对中的对应的一对索引，并且所述至少九个单元中的每一个由1或0填充；

通过控制器接收排气系统性能值，包括从后NOx传感器接收下游NOx水平测量值；

从数据脉谱图和二进制脉谱图提取信息，和

通过处理器使用提取的信息来验证来自后NOx传感器的下游NOx水平测量值的合理性，包括：

通过控制器，将下游NOx水平测量值与用于多个不同车辆油门事件的校准阈值相比较，以由此验证下游NOx水平测量值的合理性。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

使用控制器将接收的排气系统性能值对与数据脉谱图中的对应一个相关联。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括:

通过控制器接收排气系统性能值；

将排气系统性能值的每一对与数据脉谱图中的对应一个相关联；

识别每一个数据脉谱图中的对应于该特定数据脉谱图的相关联的排气系统性能值对的单元；

从对应的二进制脉谱图提取对应于每一个被识别单元的二进制值；和

仅当每一个提取的二进制值具有相同的二进制值时，验证下游NOx水平测量值的合理性。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述排气系统包括可操作为用于测量SCR装置的温度的温度传感器，并且其中，记录多个数据脉谱图包括通过测量的SCR温度索引数据脉谱图中的至少一个。

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