CN104847511A - 诊断排气传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及诊断排气传感器的方法。提供了用于发动机排气的实施例。在一个示例中，方法包括将由气体分析器测得的多个排气成分的每个相应浓度分类成氧化剂或还原剂之一，气体分析器从发动机接收排气流。该方法还包括基于所分类的浓度来确定排气空燃比并且基于所确定的排气空燃比来验证从发动机接收排气流的排气传感器的输出。

Description

诊断排气传感器的方法

技术领域

本申请涉及检测排气气体传感器劣化的方法。

背景技术

排气传感器可以被定位在车辆的排气系统内，以便检测离开车辆的内燃发动机的排气的空燃比。排气传感器读数可以被用于控制内燃发动机的操作以推进车辆。具体地，响应于所检测到的空燃比，可以调整汽缸的燃料喷射量。排气传感器的劣化可能导致排放物增加和/或车辆操纵性能降低。因此，准确确定传感器劣化(特别是在交付车辆以便道路运行之前)可以提供增强的发动机操作。

发明内容

发明人已经认识到以上问题并且找到至少部分解决这些问题的途径。在一个示例中，方法包括将由气体分析器测得的多个排气成分的每个相应浓度分类成氧化剂或还原剂之一，气体分析器从发动机接收排气流。该方法还包括基于所分类的浓度来确定排气空燃比，并且基于所确定的排气空燃比来验证从发动机接收排气流的排气传感器的输出。

例如，测试台上的车辆内的发动机控制器和气体分析器可以各自与验证控制器单独地通信。气体分析器可以测量离开车辆的尾管排放物的各成分的浓度，并且将各成分浓度数据传输到验证控制器。这些各个浓度可以被分类成氧化剂或还原剂之一，并且验证控制器可以基于所分类的成分来确定第一空燃比。接着，可以将该第一空燃比与暴露于车辆排气系统内的排气的排气传感器的输出(例如，空燃比)进行比较。可以进行该比较，使得第一空燃比和排气传感器输出是时间同步的并且因此指代同一部分的排气。如果检测到两个空燃比之间的差值，则排气传感器劣化可以被确认。

以此方式，在使车辆上路之前，可以检测劣化的排气传感器。通过采用气体分析器确定多个排气成分的各浓度，能够更准确地计算空燃比，从而允许更稳健地确定排气传感器劣化。

当单独或结合附图阅读以下具体实施方式时，本说明书的以上优点和其他优点以及特征将是显而易见的。

应该理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式引入一批概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着识别了所主张的主题的关键特征或必要特征，所主张的主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。而且，所主张的主题不局限于解决了上文指出的或者本公开的任何部分中指出的任何缺点。

附图说明

图1示意性地示出示例车辆系统。

图2示出图1的示例车辆系统的示意诊断设置。

图3是根据本公开的实施例示出用于发动机控制器的示例方法的流程图。

图4是根据本公开的实施例描绘用于验证控制器的示例方法的流程图。

具体实施方式

排气传感器可以被提供在车辆(例如，图1和图2中所示的车辆)的排气道内，以确定离开发动机的排气的空燃比。在道路上运行车辆之前，通过在测试台上评估排气传感器的性能，可以诊断排气传感器的劣化。在此，发动机可以以特定的空燃比运行，并且可以由发动机控制器根据排气传感器的输出来确定排气空燃比(图3)。当发动机继续以特定空燃比运行时，来自排气管的排放物可以被输送到气体分析器中，气体分析器耦接到验证控制器。诸如氧气(O₂)、氢气(H₂)、一氧化炭(CO)、碳化氢(HC)、一氧化氮(NO)以及氨气(NH₃)的排放物成分种类的浓度可以由气体分析器测量，并且被传递到验证控制器。第二排气空燃比可以由验证控制器通过将这些种类分类成还原剂和氧化剂来确定。通过将由验证控制器基于成分浓度确定的空燃比和根据排气传感器输出确定的空燃比进行比较，可以检测出排气传感器的劣化(图4)。

图1示出车辆系统6的示意描述。车辆系统6包括具有多个汽缸30的发动机10。发动机10包括进气23和排气25。进气23包括经由进气道42流体耦接到发动机进气歧管44的节气门62。排气25包括通向排气道35的排气歧管48，排气道35将排气输送到大气。排气25可以包括一个或多个排放控制装置70，排放控制装置70可以被安装在排气内紧密耦接的位置。一个或多个排放控制装置可以包括三元催化剂、稀NO_x捕集器、柴油或汽油颗粒过滤器、氧化催化剂等。应当理解，其他部件可以被包括在发动机内，例如各种气门和传感器。

发动机10可以从燃料系统(未显示)接收燃料，燃料系统包括燃料箱以及一个或多个用于对被输送到发动机10的喷射器66的燃料加压的泵。虽然仅示出单个喷射器66，但是额外的喷射器可以被提供给每个汽缸。应当理解，燃料系统可以是非回流燃料系统、回流燃料系统或者不同其他类型的燃料系统。燃料箱可以保持多种燃料混合物，包括具有一范围的酒精浓度的燃料，例如各种汽油-乙醇混合物，包括E10、E85、汽油等及其组合。

车辆系统6可以进一步包括控制系统14。控制系统14被示为从多个传感器16(传感器的各种示例将在本文中描述)接收信息并且向多个执行器81(执行器的各种示例将在本文中描述)发送控制信号。作为一个示例，传感器16可以包括位于排放控制装置上游的排气传感器126(例如，线性UEGO传感器)、温度传感器128以及下游排气传感器129(例如，二元HEGO传感器)。诸如压力传感器、温度传感器以及组分传感器的其他传感器可以被耦接到车辆系统6内不同的位置，如本文更加详细讨论的。歧管气流(MAF)的估计值可以从耦接到进气歧管44并且与控制器12通信的MAF传感器125获取。替换地，MAF可以从替换的发动机工况(例如由耦接到进气歧管44的MAP传感器124所测得的质量空气压力(MAP))推断出。

在一个示例中，执行器可以包括“消息中心”，消息中心包括操作显示器82，其中例如，响应于排气传感器劣化的指示，消息可以被输出给车辆操作者，指示需要替换传感器。作为另一示例，执行器可以包括燃料喷射器66和节气门62。控制系统14可以包括发动机控制器12。控制器可以基于被编程在其中的与一个或多个例程对应的指令或代码从各种传感器接收输入数据、处理输入数据、以及响应于所处理的输入数据而触发执行器。本文针对图3-4描述示例控制例程。

通过在如图2中描绘的试验台上测试图1的车辆系统，可以为排气传感器126和129诊断劣化。在图2中描绘了车辆200，其包括车体203，车体203具有被标为“前”的前端和被标为“后”的后端。车辆200可以包括多个车轮53。发动机10被示为具有多个汽缸30，每个汽缸由燃料喷射器66供给燃料。因此，先前在图1中介绍的车辆和发动机部件在图2中类似地编号，并且不再重新介绍。

气体分析器20可以经由探测器(未显示)从车辆200接收排气。气体分析器20可以是红外气体分析器，其中基于成分气体对所发射的红外光中的特定波长的吸收来确定排气样品内的成分气体。气体分析器可以测量一范围的种类的浓度，一些示例中包括4个种类、5个种类或者更多。这些种类可以包括H₂、CO、NO、HC、NH₃以及O₂中的一个或多个。通过使用气体分析器来测量各种类的浓度，可以更加准确且可靠地确定空燃比。

气体分析器20被示为位于远离车辆200并且(例如，从尾管的末端)接收尾管排放物，尾管排放物可以表示已经离开了排放装置70的排放物。借助这种设置，可以监测排气传感器129的稳健性。在另一示例中，气体分析器20可以从预排放装置排出孔(tap)接收排气。在此，来自排放装置70的上游的排气可以被分析并且被用于诊断位于排放装置70上游的排气传感器126。

如图2中描绘的，气体分析器20可以连接到验证控制器36。验证控制器36可以远离车辆200。在一个示例中，验证控制器36可以是计算机，其包括处理器，处理器被配置为接收并处理输入数据，并且执行存储在其存储器内非暂时性指令。验证控制器36还可以与发动机控制器12通信，并且从发动机控制器12接收数据。因此，验证控制器36可操作地耦接到发动机控制器12和气体分析器20。

以此方式，验证控制器36可以命令发动机控制器12以给定的空燃比操作发动机10，并且从发动机控制器12接收与来自发动机10的排气系统中的排气传感器的输出有关的反馈。同样地，验证控制器36可以从气体分析器20接收多个排气成分浓度。每个排气成分浓度可以由验证控制器36分类成聚合还原剂或氧化剂。基于气体分析器20可以测量的成分的范围，还原剂组可以包括四个或更少的种类，而氧化剂组可以包括两个或更少的种类。基于氧化剂和还原剂的这些分类，可以确定空燃比，如将参考图4所描述的。

图3是根据本公开示出用于发动机控制器操作排气传感器评估的方法300的流程图。具体地说，发动机控制器可以以给定的空燃比操作发动机并且监测来自排气传感器的输出，该输出可以被传输到验证控制器。方法300可以由发动机控制器(例如，图1和图2中的发动机控制器12)执行。

在302处，发动机控制器可选地从验证控制器接收指定的空燃比。指定的空燃比可以是在发动机操作期间使用的特定的空燃比。因此，在304处，发动机控制器可选地调整燃料喷射量，以提供指定的空燃比。在另一示例中，步骤302和304可以被省掉，并且发动机控制器可以根据存储在发动机控制器上的指令而不是根据由验证控制器指定的发动机空燃比来调整发动机空燃比。

在306处，方法300包括确定发动机工况。工况可以包括发动机转速(Ne)、发动机载荷、排气质量流量以及其他工况。排气质量流量可以被确定以便确保排气传感器和气体分析器之间的时间同步，使得它们对同一部分的排气取样。排气质量流量可以被直接测量，或者其可以基于发动机转速和载荷来估计。

接下来在308处，方法300基于来自排气传感器的输出确定排气空燃比λ2。在一个示例中，借助图2中所描绘的设置(其中气体分析器对来自尾管的排气取样)，可以使用来自放置在排放装置下游的排气传感器的输出来确定λ2。在气体分析器对来自排放装置上游的排气取样的另一示例中，可以使用来自放置在所述排放装置上游的排气传感器的输出来确定λ2。在310处，发动机控制器将所确定的空燃比λ2传输到验证控制器。可以获取多个λ2读数并且传输到验证控制器，以确保数据的可靠性。在312处，发动机控制器将发动机工况数据进一步传输到验证控制器。如之前解释的，这些工况可以包括排气质量流量、发动机转速等。可以重复方法300，以基于排气传感器在多种指定的空燃比下的输出收集空燃比(λ2)读数。

现在转向图4，其根据本公开描绘了用于验证控制器的示例方法400的流程图。具体地说，验证控制器可以从气体分析器接收各气体种类的浓度，这些浓度可以被用于计算第一空燃比，接着将第一空燃比与根据排气传感器确定的空燃比(λ2)进行比较，从而检测排气传感器劣化。方法400可以由验证控制器(例如，图2的验证控制器36)执行。

在402处，方法400包括从发动机控制器(例如，图1和图2中的发动机控制器12)接收空燃比(λ2)读数。发动机控制器可以基于来自排气传感器的输出确定空燃比(λ2)，如参考图3所描述的。在404处，验证控制器从气体分析器(例如，图2中的气体分析器20)获取各种排气种类的各浓度。这些种类可以包括氧气(O₂)、氢气(H₂)、一氧化炭(CO)、碳化氢(HC)、一氧化氮(NO)以及氨气(NH₃)中的一种或多种。

在406处，验证控制器基于这些排气种类的化学特性将它们分类成两组：氧化剂和还原剂。例如，还原剂可以包括HC、CO、H₂以及NH₃，而氧化剂组可以包含O₂和NO。如在408处所示，还原剂组可以包括少于4种的种类，例如HC、CO以及H₂。如在410处所示，氧化剂组可以包括少于两种的种类，例如O₂。

在412处，验证控制器基于已分类的浓度来确定第一空燃比(λ1)。可以根据已分类的氧化剂和还原剂如下计算第一空燃比(λ1)：

累积的还原剂 $\left[A\right]=(2+\frac{y}{2})\left[{\mathrm{CH}}_y\right]+\left[\mathrm{CO}\right]+\left[H_2\right]+\left[{\mathrm{NH}}_3\right]\·\·\·\left(1\right)$

累积的氧化剂 ${\left[O_2\right]}_{\mathrm{eff}}=\left[O_2\right]+\frac{1}{2}\left[\mathrm{NO}\right]\·\·\·\left(2\right)$

空燃比 $1\left(\frac{{2\left[O_2\right]}_{\mathrm{eff}}+0.39}{\left[A\right]+0.39}\right)\·\·\·\left(3\right)$

与在典型的空燃比确定中所利用的标准种类相比，上面所示的公式3使用数量减少的种类来确定空燃比λ1。根据种类的化学特性将它们分类成还原剂和氧化剂(如公式1和2所示)可以使得空燃比计算(如公式3所示)在计算强度上降低。与根据各气体种类进行的典型的空燃比确定相比，根据公式3所计算的空燃比还可以是更准确的。

第一空燃比λ1在自方法300中发动机控制器确定λ2时起一延时处确定。如在414处所示，延时可以是基于方法300的步骤312处的从发动机控制器接收的排气质量流量的测量值。替换地或另外地，排气质量流量可以基于所接收的发动机转速和载荷来确定。在416处，验证控制器将根据种类分类获取的第一空燃比(λ1)与在方法300的步骤308处根据排气传感器输出所确定的空燃比λ2进行比较。在416处，将两个读数之间的差值λdiff计算为绝对值。在418处，将绝对值λdiff与阈值(例如，阈值_max)进行比较。在一个示例中，阈值_max可以是5％的差值。在另一示例中，阈值_max可以是10％的差值。如果操作者确定在上路操作之前在车辆内包括的全新的排气传感器应当执行行业标准，则阈值_max可以是较小的5％的差值。替换地，如果操作者确定燃料喷射调整可以被用于维持所确定的空燃比，则较大的10％的差值可以是可接受的。然而，以上示例阈值是非限制性的，因为其他阈值是可能的。

如果绝对值λdiff大于阈值_max，则在420处指示劣化的传感器。如果检测到劣化的传感器，则可以指导车辆的操作者更换排气传感器，以便向车辆提供健康的排气传感器以便道路操作。另一方面，如果绝对值λdiff低于阈值_max，则确定并且在422处指示排气传感器是稳健的。因此，当根据所述排气传感器的输出所确定的空燃比(λ2)与根据排放物内各气体浓度计算出的空燃比(λ1)相同时，排气传感器可以被视为是稳健的。

在一些示例中，在步骤422之后，方法400可以结束。然而，在其他示例中，方法400可以在424处执行额外的检查，将λdiff与不同的较低的阈值(例如，阈值_min)进行比较。在一个示例中，如果在步骤418处的阈值_max差值是5％，则阈值_min可以是2％。替换地，如果在步骤418处已经使用了10％的阈值_max差值，则阈值_min可以是5％。这些示例阈值是非限制性的，因为其他的阈值是可能的。

如果λdiff大于阈值_min，则可以命令发动机控制器在428处调整燃料喷射量或者正时，以便在方法400结束之前补偿空燃比的较小差值。如果λdiff低于阈值_min，则方法400不调整燃料喷射并且结束。由于空燃比λ1和λ2存在小偏差，在424处的可选的检查可以被实行以更新存储在发动机控制器上的信息(例如，查找表)，这个信息将排气空燃比和发动机空燃比关联。

虽然上面参考图3和图4讨论的实施例经由气体分析器从车辆尾管接收排气来诊断位于排放控制装置下游的排气传感器，但是在一些实施例中，气体分析器还可以诊断排放控制装置上游的排气传感器。然而，基于来自气体分析器的输出所确定的排气空燃比可以被调整，以考虑排放控制装置的活动性。例如，排放控制装置可能转化一种或多种排气成分(例如，碳氢化合物或NO_X)，导致这些成分在气体分析器处的浓度低于在排放控制装置上游的排气中原本呈现的浓度。因此，可以基于排气温度、氧气存储能力或影响催化剂活性的其他因素来调整排气空燃比。

因此，上面参考图3和图4提出的方法300和400提供了一种诊断发动机的排气系统内的排气传感器的方法。该方法包括使用验证控制器命令发动机控制器以给定的空燃比操作发动机，并且从发动机控制器接收第一排气空燃比，所述第一排气空燃比是基于来自从发动机接收排气的排气传感器的输出确定的。此外，验证控制器基于从发动机接收排气的气体分析器的输出来确定第二排气空燃比，其中来自气体分析器的输出包括多个排气成分浓度，这些排气成分浓度被分类成还原剂组或氧化剂组。进一步地，第二排气空燃比在自第一排气空燃比被确定时起一延时处确定。验证控制器基于第一排气空燃比和第二空燃比来指示排气传感器的劣化。

以此方式，在使车辆上路之前，可以诊断车辆内的排气传感器。通过使用气体分析器来确定排气成分浓度，可以估计更可靠的空燃比。通过将排气传感器的输出与根据排气成分浓度确定的空燃比进行比较，可以更准确地检测劣化。总之，可以控制排放物并且可以增强可驾驶性。

注意到，本文所包括的示例控制和估计例程能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和例程可以作为可执行指令被存储在非暂时性存储器中。本文所述的具体例程可以表示任意数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可以以所示的顺序执行，并行执行，或者在某些情况下可以被省略。同样地，处理的顺序未必是实现本文所述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是提供处理顺序是为了便于说明和描述。取决于所使用的特定策略，可以重复执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。进一步地，所描述的动作、操作和/或功能可以以图形方式表示将被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器内的代码。

应当理解，本文公开的配置和例程在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应以限制意义来考虑，因为许多变化是可能的。例如，以上技术能够被应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他的发动机类型。本公开的主题包括各种系统和配置以及本文公开的其他特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。

随后的权利要求特别指出被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能提到“一个/一”元件或“第一”元件或其等同物。这种权利要求应被理解为包括一个或多个这种元件的合并，既不要求也不排除两个或更多个这种元件。所公开特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求来主张，或者通过在该申请或相关申请中提出新的权利要求来主张。这些权利要求，无论比原始权利要求的范围更宽、更窄、相等或不同，也都被认为被包含在本公开的主题内。

Claims (18)

1.一种方法，其包括：

将由气体分析器测得的多个排气成分的每个相应浓度分类成氧化剂或还原剂之一，所述气体分析器从发动机接收排气流；

基于所述分类的浓度确定排气空燃比；以及

基于所述确定的排气空燃比验证从所述发动机接收排气流的排气传感器的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体分析器远离在其中安装了所述发动机和排气传感器的车辆。

3.根据权利要求1所述的方法，其中对由所述气体分析器测得的所述多个排气成分的每个相应浓度进行分类包括，将氧气浓度、碳氢化合物浓度、一氧化炭浓度、一氧化氮浓度、氢气浓度以及氨气浓度中的每个分类成氧化剂或还原剂之一。

4.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述分类的浓度来确定所述排气空燃比包括，基于所述分类的浓度并且进一步基于发动机工况确定所述排气空燃比。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述发动机工况包括发动机转速、发动机载荷以及排气质量流量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述排气传感器的输出和发动机转速、发动机载荷以及排气质量流量的测量值均是从所述发动机的控制器接收的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述确定的排气空燃比来验证所述排气传感器的输出进一步包括，将根据所述排气传感器的输出确定的第二排气空燃比与所述确定的排气空燃比进行比较，并且如果所述第二排气空燃比不同于所述确定的排气空燃比多于阈值量，指示所述排气传感器的劣化。

8.一种系统，其包括：

发动机，其耦接到排气系统；

排气传感器，其位于所述排气系统内；

发动机控制器，其从所述排气传感器接收输出；

气体分析器，其从所述排气系统接收排气流；以及

验证控制器，其可操作地耦接到所述气体分析器和所述发动机控制器，并且包含用于以下的指令：

将由所述气体分析器测得的多个排气成分浓度中的每个分类成氧化剂组或还原剂组；

基于所述分类的排气成分浓度确定第一排气空燃比；

将所述第一排气空燃比与从所述发动机控制器接收的第二空燃比进行比较，所述第二排气空燃比由所述发动机控制器根据所述排气传感器的输出确定；以及

如果所述第一排气空燃比不同于所述第二排气空燃比多于阈值量，指示所述排气传感器的劣化。

9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括车辆，所述发动机、排气系统、排气传感器以及发动机控制器均被安装在所述车辆内，并且其中所述气体分析器和验证控制器远离所述车辆。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述验证控制器包括用于在自所述第二排气空燃比被确定时起一延时处确定所述第一排气空燃比的进一步指令，所述延时基于从所述发动机控制器接收的排气质量流量的测量值。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述验证控制器包括用于命令所述发动机控制器在所述第二排气空燃比被确定之前以给定的发动机空燃比操作所述发动机的进一步指令。

12.根据权利要求8所述的系统，其中所述还原剂组包括四种或更少的排气成分。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述还原剂组包括碳氢化合物、一氧化炭、氢气以及氨气中的一种或多种。

14.根据权利要求8所述的系统，其中所述氧化剂组包括两种或更少的排气成分。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述氧化剂组包括氧气和一氧化氮中的一种或多种。

16.一种方法，其包括：

向发动机控制器发送命令从而以给定的空燃比操作发动机；

从所述发动机控制器接收第一排气空燃比，所述第一排气空燃比基于从所述发动机接收排气的排气传感器的输出确定；

基于从所述发动机接收排气的气体分析器的输出确定第二排气空燃比，所述气体分析器的输出包括多个排气成分浓度，所述多个排气成分浓度被分类成还原剂组或氧化剂组，所述第二排气空燃比在所述第一排气空燃比被确定时起一延时处确定；以及

基于所述第一排气空燃比和所述第二排气空燃比，指示所述排气传感器的劣化。

17.根据权利要求16所述的方法，其中指示所述排气传感器的劣化包括，如果所述第一排气空燃比不同于所述第二排气空燃比多于阈值量，则指示所述排气传感器劣化。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括，如果所述第一排气空燃比不同于所述第二排气空燃比多于所述阈值量但是小于第二阈值量，向所述发动机控制器发送命令，以基于所述指示的传感器劣化而调整燃料喷射量和/或正时。