CN103982311B - 空气-燃料比传感器退化的偏移缓解 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及空气‑燃料比控制的各种实施例。在一个实施例中，一种方法包括用第一控制结构响应空气燃料比传感器反馈调节向发动机的燃料喷射，和响应空气‑燃料比传感器不对称退化用不同的第二控制结构响应空气燃料比传感器反馈调节向该发动机的燃料喷射。

Description

空气-燃料比传感器退化的偏移缓解
技术领域
本申请涉及空气-燃料比传感器退化的偏移缓解。
背景技术
由于传感器的保护罩和用于电-化学处理所需要的时间的原因，空气-燃料比传感器通常可能给反馈信号添加相对小的附加延迟/滞后。退化的传感器(可能在其保护罩被污染的情况下的传感器)可能添加更多的延迟/滞后。例如，退化的传感器信号可能被延迟(但是在其他方面和实际信号一样)或滤波(在时间展开上是实际信号的减小幅值)。在这种情况下，由于大于预期的延迟/滞后，反馈控制器可能不像希望的那样工作。
在一个例子中，为了补偿这种延迟/滞后，空气-燃料控制器可以包括预测的补偿延迟控制结构，例如，史密斯预估器。史密斯预估器可以使控制器能够通过前馈机制调整该系统的连续动态特性，其中当测量的信号不同于史密斯预估器的估测时该前馈机制补偿延迟/滞后。
但是本发明人已经认识到用这种方法的若干潜在的问题。例如，预测的补偿延迟控制结构的准确度可能会受到非线性的空气-燃料比传感器退化的影响。例如，预测的补偿延迟控制结构产生不对称故障的偏移，其中延迟或滤波滞后被施加于空气-燃料比转变(例如，稀至浓或浓至稀)的一个方向上，而不是另一个方向。具体说，即使在不对称空气-燃料比传感器故障被识别出时提供偏置，偏移也导致校正过量和其他的反馈控制误差。这种反馈控制误差导致增加被调节的气体NOx、CO和NMHC的排放物。
发明内容
本发明人已经发现一种用于缓解偏移的途径，以便当识别出空气-燃料比传感器的不对称故障时增加反馈控制的准确度。在一个示例中，方法包括调节空气-燃料控制器的结构以缓解由不对称故障引起的延迟，而不是调节偏置或增益参数。
在一个示例中，方法包括用第一控制结构响应空气-燃料比传感器反馈来调节对发动机的燃料喷射。该方法还包括响应空气-燃料比传感器不对称退化，用不同的第二控制结构响应空气-燃料比传感器反馈来调节对发动机的燃料喷射。具体说，为了合适的控制准确度，第一控制结构包括史密斯预估器延迟补偿器，其取决于空气-燃料比传感器的线性动态运行。而且，第二控制结构包括该空气-燃料比传感器退化的行为的内部模型。该内部模型可以包括该退化的空气-燃料比传感器的实际的不对称行为的模型。因此，在动态线性运行期间该控制器通过史密斯预估器提供准确的补偿延迟，并且通过转换到补偿不对称特征的内部模型，响应识别非线性不对称运行而保持控制精度。以这种方式，可以消除由于不对称故障由史密斯预估器引起的偏移和过调两者。
应当明白，提供上面的发明内容是为了以简单的形式介绍精选的构思，这种构思在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着视为所主张主题的关键的或基本的特征，所主张主题的范围由随附具体实施方式的权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不限于解决上面或本发明的任何部分指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的发动机系统。
图2示出根据本发明的实施例的补偿延迟的闭环回路燃料控制系统。
图3示出根据本发明实施例的具有传感器退化内部模型的补偿延迟的闭环回路燃料控制系统。
图4示出六种离散型排气传感器退化行为。
图5示出在空气-燃料比传感器的不对称的稀至浓延迟故障期间未缓解(non-mitigated)的空气-燃料比控制的示例。
图6示出在空气-燃料比传感器的不对称的稀至浓延迟故障期间缓解的(mitigated)空气-燃料比控制的示例。
图7示出根据本发明实施例的用于控制燃料喷射的方法。
具体实施方式
下面的描述涉及空气-燃料控制系统，该控制系统提供多种不同的控制结构以在不同的条件期间基于来自空气-燃料比传感器的反馈调节空气和/或燃料。更具体地说，该空气-燃料控制系统可以利用史密斯预估器延迟补偿器基于该空气-燃料比传感器的线性行为补偿燃烧和排气传播延迟效应。而且，响应空气-燃料比传感器的非线性行为——例如会降低史密斯预估器的准确度的不对称故障——的检测，该空气-燃料控制系统可以将控制结构改变成不同的控制机构，以缓解不对称行为并且实现理想配比的运行。具体说，史密斯预估器延迟补偿器可以补充有包括故障的空气-燃料比信号的非线性不对称行为的附加模型，从而使控制系统成为非线性的内部模型控制器的类型。具体说，非线性不对称行为的模型可以是设置在史密斯预估器的反馈路径中的传感器故障模型，以缓解在由于不对称故障由史密斯预估器的修正所引起的偏移和过调。以这种方式，在空气-燃料比传感器的线性和非线性运行期间，空气燃料控制系统可以保持控制准确度。
图1是示出多缸内燃发动机10的一个汽缸的示意图，该发动机10可以被包括在车辆的推进系统中，其中排气传感器126可以用来确定由发动机10产生的排气的空气-燃料比。该空气燃料比(和其他的运行参数一起)在各种运行模式中作为空气-燃料控制系统的一部分可以用于发动机10的反馈控制。发动机10可以由包括控制器12的控制系统和由经由输入装置130的来自车辆操作者132的输入被至少部分地控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即，汽缸)30可以包括具有设置在其中的活塞36的燃烧室壁32。活塞36可以连接于曲轴40以便将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速系统连接于车辆的至少一个驱动车轮。而且，起动机马达可以经由飞轮连接于曲轴40，以能够进行发动机10的起动运行。
燃烧室30可以经由进气通道42接收来自进气歧管44的进气空气并且经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48能够经由各自的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多进气门和/或两个或更多排气门。
在这个示例中，进气门52和排气门54可以经由相应的凸轮致动系统51和53通过凸轮致动来控制。凸轮致动系统51和53每个可以包括一个或更多个凸轮并且可以利用由控制器12操作的凸轮轮廓变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统的其中一个或更多个以改变气门运行。进气门52和排气门54的位置可以分别由位置传感器55和57确定。在可替代实施例中，进气门52和/或排气门54可以由电子气门致动控制。例如汽缸30可以可替代性地包括经由电子气门致动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。
燃料喷射器66被示为以提供被称为燃料进气道喷射到燃烧室30上游的进气道中的配置被设置在进气通道44中。燃料喷射器66与经由驱动器68从控制器12接收的信号的脉冲宽度FPW成正比地喷射燃料。燃料可以由包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的燃料系统提供给燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可以可替代地或附加地包括直接连接于燃烧室30的燃料喷射器，用于以被称为直接喷射的方式将燃料直接喷射到其中。
在选择的运行模式下，点火系统88能够响应来自控制器12的火花提前信号SA通过火花塞92向燃烧室30提供点火火花。虽然在一些实施例中示出火花点火部件，不过发动机10的燃烧室30或一个或更多个其他的燃烧室可以在用或不用点火火花的情况下以压缩点火模式运行。
空气-燃料比排气传感器126被示为在排放控制装置70上游连接于排气系统50的排气通道48。传感器126可以是用于提供对排气空气-燃料比的指示的任何合适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)。其他的实施例可以包括不同的排气传感器，例如双态氧传感器或EGO、HEGO(加热的EGO)、NOx、HC或CO传感器。在一些实施例中，排气传感器126可以是设置在排气系统中的多个排气传感器中的第一排气传感器。例如，附加的排气传感器可以设置排放控制装置70的下游。
排放控制装置70被示为沿着排气通道48设置在排气传感器126下游。装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx收集器、各种其他的排放控制装置或其组合。在一些实施例中，排放控制装置70可以是设置在排气系统中的多个排放控制装置中的第一排放控制装置。在一些实施例中，在发动机10的运行期间，可以通过在具体的空气/燃料比内运行发动机的至少一个汽缸来周期性地重置排放控制装置70。
在图1中控制器12被示为微型计算机，包括：微处理单元102、输入/输出端口104、在这个具体的示例中示为只读存储芯片106的用于可执行程序和校正值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12可以接收来自连接于发动机10的传感器的各种信号，除了上面提到的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感器120的被引入质量空气流量(MAF)的测量；来自连接于冷却水套114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自连接于曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来传感器122的绝对歧管压力信号MAP。发动机转速RPM可以通过信号PIP由控制器12产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用来提供对进气歧管中的真空或压力的指示。应当指出，可以用上述传感器的各种组合，例如有MAF传感器而没有MAP传感器，或反之亦然。在理想配比运行期间，MAP传感器能够提供对发动机转矩的指示。而且，这个传感器与检测的发动机转速一起能够提供对被引入到汽缸中的充气(包括空气)的估测。在一个示例中，也叫做发动机转速传感器的传感器118可以针对曲轴的每一转产生预定数目的等间隔脉冲。
而且，至少一些上面所述的信号可以用在空气-燃料比传感器控制系统和下面更详细地描述的方法中。例如，控制器12可以构造成响应来自空气-燃料比传感器以及其他传感器的反馈用第一控制结构调节对发动机的燃料喷射。而且，控制器12可以构造成利用传感器反馈来确定空气-燃料比传感器退化，例如不对称退化。美国专利8,145,409还提供用于确定空气-燃料比传感器退化的各种方法的详细说明。响应确定空气-燃料比传感器的不对称退化，控制器12可以构造成响应空气-燃料比传感器反馈用不同的第二控制结构调节对发动机的燃料喷射。
应当指出，存储介质只读存储器106可以用计算机可数据编程，该数据表示通过用于执行下面所描述的方法及其他变型的处理器102可执行的指令。
图2示出根据本发明的实施例的补偿延迟的闭环回路燃料控制系统200。该控制系统200根据来自线性或通用排气氧(UEGO)传感器的反馈运行。参考(基准)源202在控制系统200的输入端产生控制信号，其被各种中间控制框调节以在该控制系统的输出端提供希望的燃料控制信号204。该控制信号可以根据希望的空气-燃料比由参考源产生，控制系统的另一部分确定该希望的空气-燃料比，以优化排放(空气-燃料方波有助于增加催化剂效率)、燃料经济性和操作性能。在这些图中，该参考被假定为标准化的空气-燃料比，当被引入到燃烧汽缸中的燃料和空气混合物有非常足够的燃料和氧气来燃烧而没有任何过剩的燃料或氧气(叫做理想配比混合物)时该标准化的空气-燃料比的值为1。该控制系统200包括补偿延迟的闭环回路燃料控制结构，更具体地说，史密斯预估器(SP)控制结构206、瞬态燃料控制(TFC)超前补偿器208和设备(plant)控制结构210。
SP控制结构构206被构造成补偿UEGO传感器的响应延迟。该SP控制结构适应该系统的已知延迟/滤波以便正确地补偿空气-燃料扰动。来自参考源202的控制信号和该控制系统的输出端的反馈之差被提供给比例积分(PI)控制器212。控制信号和反馈之差可以通过由SP控制结构的内部反馈回路218所产生的误差来修正。
在内部反馈回路218内，SP滤波器或预测块214以串联方式与SP延迟块216连接，以便SP延迟块接收SP滤波器块的输出。来自PI控制器212的控制信号输出被反馈到SP滤波器块214的输入。该SP滤波器块214利用为发动机转速和负荷(标准化的汽缸空气进气)的函数的时间常数。SP延迟块216利用也是发动机转速和负荷的函数的延迟。SP控制结构提供两个估测的控制信号，包括具有纯延迟(216的输出)和不具有纯延迟(214的输出)的系统的响应。只要延迟块216的输出和测量的UEGO信号相互匹配，则该SP控制结构允许PI控制器基本上能够像实际系统不具有纯延迟或是无延迟一样运行，，。
TFC超前补偿器208引入与发动机温度有关的修正量，以便补偿壁湿效应。引入TFC超前补偿器以除去或减少壁湿效应，其中喷射的燃料的一部分附着在燃料喷射道壁上并且形成其后被蒸发的燃料浆(puddle)。蒸发的速率决定于发动机温度，因此由蒸发燃料引起的扰动也能够根据发动机温度被估测。
TFC超前补偿器208接收来自PI控制器212的输出的补偿延迟的控制信号。该TFC超前补偿器208根据与发动机温度有关的时间常数和与温度有关的增益来调节从PI控制器212接收的控制信号，以产生与发动机温度有关的控制信号。被与发动机温度有关的时间常数和高频增益修改的控制信号被输送给由结构210表示的设备(发动机)。
设备结构210包括表示发动机物理部件的各种块，其被建模成用于燃料控制。该设备包括燃料浆块220、燃烧和混合块222以及延迟块224。该燃料浆块220接收来自由TFC超前补偿器208的信号输出所驱动的喷射器的燃料。燃料浆块建模被附着在进气口壁上并形成其后被蒸发以影响空气-燃料比的燃料浆的燃料的估测量，并且作为一个示例可以以X-Tau模型为特征。该燃料浆块220以串联方式连接于燃烧和混合块222并且为燃烧和混合块提供输入。在210中的这些设备模型块作为构思的辅助出现在这里以阐明实际的物理系统的哪些方面通过闭环回路燃料-控制控制来解决。例如，块220被连接至块208，并且块222和224对应至块214和216。
块222建模由燃烧和排气歧管气体混合所产生的总的滤波行为并且在块214中被大体地表示为一阶滤波器。如果根据图2构造模拟模型，则在210中的路径是合适的位置以插入存在于实际的发动机中的加油误差(扰动)，例如不准确的燃料供给(喷射器易变性、燃料压力等)、与预期的化学成分(例如，汽油乙醇混合物)不匹配的燃料、通过炭罐净化阀进入的燃料、来自在大气流变化之后形成的燃料奖的燃料(该大气流变化是TFC不能完全考虑到的，等等)。扰动可以是系统设计者不能准确地预先防止并且因此必然被闭环回路控制所处理的误差。燃烧和混合块222以串联的方式与延迟块224连接并且为该延迟块提供输入。
延迟块224建模与车辆发动机的内部燃烧和排气流动力学有关的延迟。延迟块224的最终输出在204由UEGO传感器处理并且转换成标准化的空气-燃料(LAM)信号。来自块224的这种“测量的”LAM信号(注意，图2中的框图简化了真实系统的LAM转换过程的实际收集和电压)是控制器206所用的反馈信号。
图2的控制系统200的一个问题在于当UEGO传感器例如由于不对称故障而退化并且非线性地工作时，具有PI反馈控制结构的SP引起燃料控制信号的偏移。具体说，SP控制器结构使控制信号沿着不对称故障的方向在空气-燃料比转变期间过调命令信号。SP反馈允许使用增加过调的较高PI增益。偏移的量基于检测的故障的类型，但是实际的偏移受实际的空气-燃料比转变的程度(多大，多经常)的影响。作为控制方法的一部分，对于通常的空气-燃料转变，该SP控制结构必需假定为线性运行。如果车辆运行违反这些假定(例如，非线性空气-燃料比行为)，那么SP控制结构的准确度可能降低并且可能产生偏移。该SP控制系统200能够适应物理系统的已知延迟和滤波行为并且也能够被修正成同样适应已知的传感器退化。
图3示出根据本发明实施例的在内部模型中具有传感器退化模型的补偿延迟的闭环回路燃料控制系统300。故障的内部模型可以构造成缓解偏移和过调，否则这种偏移和过调在例如由于UEGO传感器的不对称故障而在非线性运行期间由SP控制结构形成。具体说，该控制系统200的SP控制结构206在控制系统300中转换成等效的内部模型控制器302。SP控制结构通过如下方式被转换，即分开PI控制器的向前路径304(其具有从带有滤波块214(其具有(TCs+1)的拉普拉斯变换)和延迟块216的内部反馈回路的(Kp+Ki/s)的拉普拉斯变换)。具体说，滤波块的副本被加到PI控制器的向前路径304并且结果被算术地减去。在所示的实施例中，假定Kp＝Ki*TC，这导致在内部模型控制器302的向前路径304中的拉普拉斯变换((Kp/Ki)s+1)/(1/Ki)s+1。
变换的史密斯预估器返回路径218增添有故障模型块306。该故障模型块306构造成重现由故障的空气-燃料比信号。具体地，在浓至稀转变和/或稀至浓转变期间，故障模型块306可以重现由UEGO传感器产生的空气-燃料比读数的响应速率的延迟所指示出的六种离散退化行为中的任何一个或更多个。
图4示出六种离散类型的排气传感器退化行为。该图绘出标准化的空气-燃料比(LAM)与时间(以秒为单位)的关系曲线。在每个图中，点线表示命令的LAM信号，该信号可以被发送给发动机部件(例如燃料喷射器、汽缸气门、节气门、火花塞等)以产生空气-燃料比，该空气-燃料比通过包括一个或更多个稀至浓转变和一个或更多个浓至稀转变的循环改变。在每个图中，短划线表示排气传感器的预期LAM响应时间。在每个图中，实线表示退化的排气传感器响应命令的LAM信号将产生的退化的LAM信号。在每个图中，双箭头线表示不同于预期LAM信号的给定的退化行为类型的地方。
第一种类型退化行为是对称的滤波响应型，其包括针对浓至稀和稀至浓两种调制对命令的LAM信号的缓慢的排气传感器响应。换句话说，退化的LAM信号可以在预期的时间开始浓至稀和稀至浓的转换，但是响应速率会低于预期响应速率，这导致减少的稀和浓峰值时间。
第二种类型退化行为是不对称的浓至稀滤波响应型，其包括针对浓至稀空气-燃料比的转变的命令LAM信号的缓慢的排气传感器响应。这种行为类型可以在预期时间开始浓至稀转变，但是响应速率会低于预期响应速率，这会导致减少的稀峰值时间。这种类型的行为可以被认为是不对称的，因为在浓至稀的转变期间排气传感器的响应缓慢(或比预期的慢)，而在稀至浓转变期间排气传感器的响应正常。
第三种类型退化行为是不对称的稀至浓滤波响应型，其包括针对稀至浓空气/燃料比的转变的命令LAM信号的缓慢的排气传感器响应。这种行为类型可以在预期的时间开始稀至浓的转变，但是响应速率会低于预期响应速率，这可以导致减少的浓峰值时间。这种类型的行为可以被认为是不对称的，因为在稀至浓的转变期间排气传感器的响应缓慢(或比预期的慢)，而在浓至稀的转变期间排气传感器的响应不缓慢。
第四种类型退化行为是对称的延迟型，其包括针对浓至稀和稀至浓两种调制对命令的LAM信号的延迟响应。换句话说，退化的LAM信号可以在从预期时间延迟的时间开始浓至稀和稀至浓的转变，但是相应的转变可以以预期响应速率发生，这导致移位的稀和浓峰值时间。
第五种类型退化行为是不对称的浓至稀延迟型，其包括对从浓至稀空气-燃料比的命令的LAM信号的延迟响应。换句话说，退化的LAM信号可以在从预期时间延迟的时间开始浓至稀的转变，但是转变可以以预期响应速率发生，这导致移位的稀峰值时间。这种类型的行为可以被认为是不对称的，因为在从浓至稀的转变期间排气传感器的响应从预期的开始时间延迟，而在从稀至浓的转变期间不延迟。
第六种类型退化行为是不对称的稀至浓延迟型，其包括对从稀至浓空气-燃料比的命令的LAM信号的延迟响应。换句话说，退化的LAM信号可以在从预期的时间延迟的时间开始稀至浓的转变，但是转变可以以预期响应速率发生，这导致移位的浓峰值时间。这种类型的行为可以被认为是不对称的，因为在从稀至浓的转变期间排气传感器的响应从预期的开始时间延迟，而在浓至稀的转变期间不延迟。
应当指出，不对称退化行为可以增加两个方向(即，浓至稀和稀至浓)的测量的响应。当不对称的退化的幅度增加时这种效果可以变得更加显著。应当明白，退化的排气传感器可以呈现上面所描述的退化行为中的两种或两种以上的组合。
返回到图3，故障模型块306可以具体构造成缓解由于UEGO传感器退化所造成的非线性工作而由史密斯预估器产生的偏移。故障模型块306用包括在内部反馈回路218中的故障UGEO信号的非线性不对称行为的模型补充史密斯预估器延迟补偿器，使控制系统成为非线性内部模型控制器的类型。具体说，故障模型块306构造成产生模拟308的输出的退化信号。该故障模型块306具有故障类型(例如，上面所述的六种退化行为之一)和该故障的对应幅度。故障模型块306利用该信息以在内部模型控制器中重现故障行为以便补偿该故障行为。以这种方式，在非线性工作期间史密斯预估器的偏移可以被补偿。换句话说，故障模型消除在故障的和实际的UEGO信号两者中的空气-燃料比漂移。
应当明白实际产生的偏移的量决定于空气-燃料比信号转变。在没有任何参考命令变化或空气-燃料比扰动(例如，质量流量变化形成瞬间燃料误差、炭罐净化运行等)的情况下，空气-燃料比将保持不变，并且不对称的故障效应将不形成偏移。
与控制系统300相反，一般的没有内部模型的前馈补偿器关于空气-燃料比转变的量必需做出附加的假定，该燃料比转变在运行期间发生并且对于给定的驱动循环必需被校正以便保持信号精度。具体说，控制系统200不包括不对称退化行为的模型，并且因此在空气-燃料控制信号中引起偏移。而且，任何非预期的空气-燃料比扰动均将减少任何试图的前馈偏移修正的效果和准确度。另一方面，控制系统300自调节空气-燃料比转变的程度(degree)或甚至完全没有空气-燃料比转变。因此，相对于一般的前馈补偿器，控制系统300针对未知的空气-燃料比扰动减少了潜在的校正工作并且是更加可靠的。而且，控制系统300消除了超过参考信号的空气燃料比漂移，而通过调节参考信号(例如方波)对偏移的前馈修正将仍然导致大漂移，因此可能影响操纵性能。
与控制系统300的部件基本相同的控制系统300的部件用相同的方式标识并且不再描述。但是，应当指出，在本发明的不同的实施例中以相同的方式标识的部件可以至少部分地不同。
图5示出在空气-燃料比传感器的不对称的浓至稀延迟故障期间未缓解的空气-燃料比控制的示例。例如，所示的控制行为可以由图2所示控制系统200呈现。该图绘出标准化的空气-燃料比(LAM)与时间(以秒为单位)的关系曲线。在上图中，实线迹线是命令的参考lam，而短划线迹线是实际的lam(由无故障的UEGO测量)，而点线迹线是有故障的UEGO传感器的输出。在下图中，实际的lam(短划线)和故障的UEGO(点线)信号被低通滤波，以示出信号的总体偏移，其在这里展示是很重要的，因为实际的lam将通过催化剂，该催化剂对持续的空气-燃料偏移将反应不佳。由于施加的UEGO延迟故障，实际的lam和有故障的UEGO均过调超过稀的命令值，但是，实际的lam过调得更多。SP控制器估计故障的UEGO信号，并且不真实地计算出总体偏移大致为零(1.0的lam为0偏移)，而由短划线所示的进入催化剂的实际排气的平均空气-燃料比不是理想配比的(实际的信号大于理想配比值1)。
应当指出，稀至浓延迟将产生等量的但相反的浓偏移。而且，应当指出，偏移的大小决定于输入激励的大小。例如，实际的LAM信号的较大幅度/幅值将导致较大的偏移。
图6示出在空气-燃料比传感器的不对称的浓至稀延迟故障期间缓解的空气-燃料比控制的示例。例如，所示的控制行为可以由图3所示的控制系统300呈现。该图绘出标准化的空气-燃料比(LAM)与时间(以秒为单位)的关系曲线。正如在图5中一样，实线迹线是LAM基准，而短划线迹线是实际的LAM，而点线迹线是故障的UEGO。上图表示修正的控制器306避免了实际的lam和故障的UEGO信号两者的过调。下图示出，现在实际的LAM平均被保持在1.0的值附近，并因此不存在持续的偏移。正如预期的一样，由于修正的控制器的缓解作用，滤波的故障UEGO向浓移位。甚至在由UGEO传感器的不对称故障所导致的非线性工作期间仍然保持空气-燃料比控制准确度。
上面所示的结构能够实现用于在车辆的发动机中控制空气燃料比的多种方法。因此，现在继续参考上面的结构以举例的方式描述一些这种方法。但是，应当理解完全在本发明的范围内的这些方法和其他同样也可以经由其他结构来实现。
图7示出根据本发明的实施例的用于控制燃料喷射的方法700。可以执行该方法700以缓解空气-燃料比传感器退化对空气燃料比控制的影响。具体说，可以执行该方法700以消除在由于空气燃料比传感器的不对称故障所引起的非线性工作期间距空气-燃料比控制信号的偏移。在一个示例中，方法700可以由控制器12执行。
在702，方法700可以包括确定车辆的工况。例如，确定工况可以包括接收指示车辆运行参数的传感器信号并且计算或推知各种运行参数。而且，确定工况可以包括确定车辆部件和致动器的状态。
在704，方法700可以包括响应空气-燃料比传感器反馈用第一控制结构调节向发动机的燃料喷射。例如，该第一控制结构可以包括补偿延迟的闭环回路燃料控制结构。更具体地说，该补偿延迟的闭环回路燃料控制结构可以包括史密斯预估器延迟补偿器。该史密斯预估器延迟补偿器可以在空气-燃料比传感器的线性工作期间补偿自然燃烧和排气传播延迟/迟滞效果。该补偿延迟的闭环回路燃料控制结构可以不包括空气-燃料比传感器不对称退化的模型。
在706，方法700可以包括判断空气-燃料比传感器是否已经退化。更具体地说，该方法可以包括检测空气-燃料比传感器是否已经退化成使得该空气-燃料比传感器呈现违反史密斯预估器延迟补偿器的运行假定的非线性行为。在一个示例中，该方法确定是否已经发生延迟被施加于空气-燃料比传感转变的一个方向上的不对称故障。如果确定空气-燃料比传感器已经退化，则方法700移动到708。否则方法700返回到706。
在708，方法700可以包括响应空气燃料比传感器反馈用不同的第二控制结构调节对发动机的燃料喷射。例如，该第二控制结构可以包括在内部反馈回路中的空气-燃料比传感器退化行为的模型。内部模型可以包括空气-燃料比传感器退化行为的模型。在传感器退化包括不对称故障的情况下，该内部模型可以通过故障传递函数来重现不对称故障的行为，其中该故障传递函数具有检测到的方向和不对称故障的幅度作为输入。不对称故障的方向和幅度可以从不对称故障的空气-燃料比传感器反馈来检测。根据不对称故障的方向和幅度，通过移动命令的空气-燃料比的平均或改变命令的方波的占空比，该内部模型可以调节燃料喷射。
通过在燃料控制结构中包括传感器退化的内部模型，由于不对称故障由史密斯预估器延迟补偿器引起的偏移和过调两者均从空气-燃料比信号中被消除。以这种方式，即便在传感器退化条件下也可以保持空气-燃料比控制精度。
应当明白，在空气-燃料比传感器以线性方式工作的非退化操作下，由于不存在故障，该内部模型不影响该补偿延迟的控制结构的工作。
应当理解，这里所公开的示范性的控制和估测程序可以与各种系统结构一起应用。这些程序可以表示一个或多个处理策略，例如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。因此，所公开各种步骤(操作、功能和/或动作)可以表示被编程在电子控制系统中的计算机可读存储介质中的编码。应该理解的是，在不背离本公开范围的情况下，这里描述和/或示出的一些过程步骤在一些实施例中可以被省略。同样，为实现所需结果，过程步骤的所示序列不总需要，而是为了容易示出和描述而提供。一个或多个所示的动作、功能或操作根据所用的特定策略可以重复地进行。
应当理解，本文所公开的各种物件、系统和方法在性质上是示范性的，并且这些具体的实施例或例子不被认为是限制性的，因为许多变化是预料的。因此，本发明包括本文所公开的各种系统和方法、以及其任何和所有的等同物的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。

Claims (19)

1.一种用于操作发动机的方法，包括：
用具有第一控制结构的空气燃料控制器响应空气-燃料比传感器反馈，调节向发动机的燃料喷射，该第一控制结构包括预估器；和
响应空气-燃料比传感器不对称退化，将所述第一控制结构变换成不同的第二控制结构，该第二控制结构包括被构造成重现故障而不是调整偏移或增益参数的模型，以及用所述第二控制结构响应空气-燃料比传感器反馈，调节向所述发动机的燃料喷射。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一控制结构包括没有不对称故障模型的补偿延迟的闭环回路燃料控制结构，其中所述不同的第二控制结构中包括的所述模型是所述不对称故障模型，并且其中由所述不同的第二控制结构中的所述不对称故障模型重现的所述故障是故障的空气燃料比信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预估器是被包括在所述补偿延迟的闭环回路燃料控制结构中的史密斯预估器延迟补偿器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述不对称故障模型被构造成重现在浓至稀和/或稀至浓转变期间由所述空气燃料比传感器生成的空气燃料比读数的响应速率的延迟所指示的六种离散退化行为中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述不对称故障模型通过根据所述空气-燃料比传感器的不对称故障的方向和幅度转换命令的空气-燃料比均值或改变命令的方波的占空比，调节燃料喷射。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一控制结构的所述预估器是史密斯预估器控制结构，其包括在向前路径中的PI控制器和在内部反馈回路中的滤波块和延迟块。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述空气-燃料比传感器不对称退化是不对称故障，其中延迟被施加在空气-燃料比转变的一个方向上。
8.一种车辆，包括：
发动机，其将气体排放到排气系统中；
空气-燃料比传感器，其被设置在所述排气系统中以测量由所述发动机排放的气体的空气-燃料比；和
控制器，其包括处理器和保持指令的电子储存介质，当由所述处理器执行所述指令时：
用具有第一控制结构的空气燃料控制器响应空气-燃料比传感器反馈，调节向所述发动机的燃料喷射，该第一控制结构包括补偿延迟的闭环回路燃料控制结构；并且
响应检测到所述空气-燃料比传感器的不对称故障，将所述第一控制结构变换成不同的第二控制结构，该第二控制结构包括被构造成重现故障的空气燃料比信号而不是调整所述第一控制结构的偏移或增益参数的模型，并且用所述第二控制结构响应空气-燃料比传感器反馈，调节向所述发动机的燃料喷射。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述补偿延迟的闭环回路燃料控制结构包括史密斯预估器延迟补偿器。
10.根据权利要求8所述的车辆，其中被构造成重现故障的空气-燃料比信号的所述模型是所述空气-燃料比传感器退化的行为的内部模型。
11.根据权利要求10所述的车辆，其中所述内部模型通过根据所述空气-燃料比传感器的不对称故障的方向和幅度转换命令的空气-燃料比均值或改变命令的方波的占空比来调节燃料喷射。
12.根据权利要求8所述的车辆，其中所述空气-燃料比传感器是通用排气氧传感器。
13.一种用于操作发动机的方法，包括：
响应检测到空气-燃料比传感器的不对称故障，变换发动机的空气燃料控制器的结构，该结构响应于空气燃料比传感器反馈并且包括补偿延迟的闭环回路燃料控制结构以结合所述不对称故障的行为的模型，该模型被构造成重现故障的空气燃料比信号而不是调节偏移或增益参数，并且根据所述故障的空气燃料比信号，调节向发动机的燃料喷射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述不对称故障的行为包括具有作为输入的所述不对称故障的检测到的方向和幅度的故障传递函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中内部模型通过根据所述不对称故障的方向和幅度转换命令的空气-燃料比均值或改变命令的方波的占空比调节燃料喷射，其中所述内部模型是所述空气-燃料比传感器退化的行为。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述内部模型跟随在史密斯预估器延迟补偿器的内部反馈回路中的延迟和滤波之后。
17.根据权利要求16所述的方法，其中PI控制器的向前路径分离于所述史密斯预估器延迟补偿器的所述内部反馈回路，所述史密斯预估器延迟补偿器的所述内部反馈回路被设置成所述滤波、之后是所述延迟、之后是被构造成重现故障的空气燃料比信号的所述不对称故障的行为的模型的次序。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述空气-燃料比传感器的不退化工作期间，根据所述补偿延迟的闭环回路燃料控制结构调节向所述发动机的燃料喷射。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述补偿延迟的闭环回路燃料控制结构包括史密斯预估器延迟补偿器。
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