CN105526019A - 操作可变电压氧传感器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了用于调节氧传感器的基准电压的变化率的方法和系统。在一个示例中，方法可以包括以斜坡率逐渐地将氧传感器的基准电压从较低第一电压增加到较高第二电压。斜坡率可以基于发动机工况。

Description

操作可变电压氧传感器的方法和系统
技术领域
本说明书总体涉及用于调节内燃机的可变电压氧传感器的运行以降低该传感器的劣化的方法和系统。
背景技术
可以操作进气和/或排气传感器以提供对于各种排气组分的指示。例如，美国专利20120037134描述了使用进气氧传感器来检测发动机进气稀释。在替换的方法中，可以通过排气氧传感器来估计发动机稀释。估计的发动机稀释可以用于调节各种发动机运行参数，诸如加燃油和空燃比。如另一示例，美国专利5145566描述了使用排气氧传感器来检测排气中的水含量。使用进气或排气氧传感器估计出的水含量可以被用于推测发动机运行期间的环境湿度和/或在发动机内燃烧的燃料的酒精含量。
在一些示例中，氧传感器可以是可变电压(VVs)氧传感器。VVs氧传感器的基准电压可以在较低的基电压和较高的目标电压之间可调节，在所述较低的基电压中不将水分离，在较高的目标电压中将水分离。随后，氧传感器在两个基准电压下的输出可以用于确定发动机的进气或排气空气中的水含量。
发明内容
然而，本发明人已经认识到直接从基电压到目标电压并且再反向进行地重复变化VVs氧传感器基准电压的潜在问题。如一个示例，在基准电压之间重复地转换可能导致传感器发黑处理(blackening)和/或泵浦电流振铃(pumpingcurrentringing)。例如，较低和较高基准电压之间的单阶跃(singlestep)转换可以导致VVs传感器的泵浦电池电压和泵浦电流。当重复超过成千上万个循环时，这可以导致传感器劣化。由于振铃所导致的长稳定时间(settlingtimes)可以使氧传感器返回其基极基准电压的能力劣化，进而增加了在开环燃料操作内花费的时间。
在一个示例中，可以通过以斜坡率逐渐地将氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压。用这种方式，可以更加逐渐地变化氧传感器的基准电压，进而降低传感器上的应力并且提高传感器的寿命。
如一个示例，将氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压可以包括以斜坡率在一系列阶跃中递增地从第一电压转换到第二电压，而不是在单阶跃内完成。斜坡率可以基于发动机工况，诸如环境湿度和发动机加燃油。例如，在低湿度状态下和/或当通常环境空气流过传感器时(例如，在减速燃料切断事件期间)，传感器超调(overshoot)、失调(undershoot)以及稳定可以增加。因此，通过在低湿度期间和/或降低发动机加燃油条件期间降低斜坡率，由于超调、失调和稳定时间，可以降低传感器发黑处理和振铃，进而降低氧传感器的劣化。
应该理解的是，提供以上内容是为了用简化的形式引入选择的概念，该概念将在具体实施方式中被进一步描述。但并不意味着识别了所要求保护主题的关键或本质特征，所述主题的范围由具体实施方式之后的权利要求书唯一地限定。进一步地，所要求保护的主题不局限于解决了上文或本公开任何部分内指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1显示了包括排气氧传感器和进气氧传感器的发动机的示意图。
图2显示了示例氧传感器的示意图。
图3显示了在不同交通工具加燃油条件期间使用单阶跃变化的氧传感器的基准电压(Vs)和由此产生的泵浦电流(Ip)的示例变化的两个图表。
图4显示了响应于氧传感器的基准电压以不同速率变化，氧传感器的泵浦电流的示例变化的图表。
图5显示了氧传感器的基准电压的变化的示例波形图，其包括单阶跃变化和较低斜坡率变化。
图6显示了示出用于调节氧传感器的运行的方法的流程图。
图7显示了示出基于发动机运行参数的氧传感器的基准电压的斜坡率变化的图表。
具体实施方式
下文具体实施方式涉及用于调节氧传感器的基准电压的变化率的系统和方法。如图1所示，交通工具发动机可以包括位于发动机的进气和/或排气道内的氧传感器。如图2所示，氧传感器可以是可变电压(VVs)氧传感器，其中VVs氧传感器的基准电压在较低的基极基准电压和较高的基准电压之间可调节。在一个示例中，较低和较高基准电压值在一个阶跃内的转换可以导致VVs氧传感器的泵浦电池电压和泵浦电流两者的超调和/或失调，参见图3。当重复超过多个连续循环时，这可以导致氧传感器劣化。如一个示例，通过以渐进的速率或在增量阶跃中将氧传感器的基准电压从较低的第一基准电压逐渐地增加(例如，倾斜变化(ramping))到较高的第二基准电压的方式可以降低氧传感器劣化。用这种方式，可以降低泵浦电池电压和泵浦电流的超调和失调，如图4所描绘的。图5描述了用于逐渐地变化氧传感器的基准电压以降低劣化的示例方法。例如，方法可以包括通过单阶跃变化将氧传感器的基准电压从较低的第一电压增加到中间电压，并且随后以降低的速率从中间电压增加到较高的第二电压，所述中间电压在第一和第二电压之间。还可以基于发动机运行参数(诸如发动机加燃油和/或环境湿度)来调节基准电压的变化率，如图7所示。用这种方式，可以减小氧传感器上的应力，并且可以增加氧传感器的寿命，进而基于氧传感器的输出增加发动机控制。
现在参考图1，该图示出了显示多缸发动机10的一个汽缸的示意图，所述多缸发动机10可以被包括在汽车的推进系统内。可以通过包括控制器12的控制系统且通过经由输入设备130的来自交通工具操作者132的输入至少部分地控制发动机10。在该示例中，输入设备130包括加速器踏板和用于生成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，气缸)30可以包括燃烧室壁32，其中活塞36被定位在燃烧室壁内。活塞36可以被耦连到曲轴40，从而将活塞的往复运动转换成曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间传动系统被耦连到交通工具的至少一个驱动轮。进一步地，可以经由飞轮将启动马达耦连到曲轴40以便实现发动机10的启动操作。
燃烧室30可以经由进气道42从进气歧管44中接收进气空气，并且可以经由排气道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气道48可以分别经由进气门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可以包括两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。
在该示例中，可以分别经由凸轮致动系统51和53来控制进气门52和排气门54。凸轮致动系统51和53可以分别包括一个或多个凸轮并且可以利用一个或多个凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可以由控制器12操作以使气门操作改变的可变气门升程(VVL)系统。进气门52和排气门54的位置可以分别通过位置传感器55和57来确定。在替换的实施例中，电动气门致动系统可以控制进气门52和/或排气门54。例如，汽缸30可以替换地包括经由电动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。
在一些实施例中，发动机10中的每个汽缸可以被配置有一个或多个燃料喷射器以便于向其提供燃料。如非线性示例，汽缸30被显示为包括一个燃料喷射器66。燃料喷射器66被显示为直接耦连到汽缸30以便与经由电子驱动器68从控制器12中接收的信号FPW的脉宽成比例地向汽缸内直接喷射燃料。用这种方式，燃料喷射器66向燃烧室30内提供已知的燃料直接喷射(之后也被称为“DI”)。
将会意识到的是，在替换的实施例中，喷射器66可以是进气道喷射器，其向汽缸30上游的进气口提供燃料。还会意识到的是，汽缸30可以从多个喷射器(诸如多个进气道喷射器、多个直接喷射器或者其组合)中接收燃料。
燃料系统172内的燃料箱可以保存不同燃料质量的燃料，诸如不同的燃料组成。这些差异可以包括不同的酒精含量、不同辛烷值、不同蒸发热、不同燃料混合和/或其中的组合等。发动机可以使用含有燃料混合气(诸如，E85(大约85％的乙醇和15％的汽油)或M85(大约85％的甲醇和15％的汽油))的酒精。替换地，发动机可以用存储在箱内的其他比例的汽油与乙醇来操作，包括100％的汽油和100％的乙醇，并且两者间的比例可以变化，这取决于操作者供应给箱的燃料的酒精含量。而且，燃料箱的燃料特性可以频繁地改变。在一个示例中，驾驶员可以在一天用E85再注满燃料箱，并且下一天用E10，并且下一天用E50。因此，基于再注满时燃料箱内剩余燃料的水平和组成，燃料箱组成可以动态地变化。
因此，箱再注满的经常改变可以导致燃料系统172内燃料的燃料组成的频繁改变，进而影响由喷射器66输送的燃料组成和/或燃料质量。由喷射器66喷射的不同燃料组成可以在此被称为燃料类型。在一个示例中，不同的燃料组成可以通过它们的研究法辛烷值(RON)等级、酒精百分比、乙醇百分比等来定性地描述。
将会意识到的是，虽然在一个实施例中，发动机可以经由直接喷射器喷射可变的燃料混合气来操作，但是在替换实施例中，发动机可以通过使用两个喷射器以及通过使来自每个喷射器的喷射的相对量改变的方式来操作。还会意识到的是，当通过来自升压设备(诸如涡轮增压器或机械增压器(未显示))的升压来操作发动机时，可以随着可变燃料混合气的酒精含量的增加而增加升压限制。
继续参考图1，进气道42可以包括具有节流板64的节气门62。在该特定示例中，可以通过控制器12经由被提供给电动马达或致动器的信号来使节流板64的位置变化，所述电动马达或致动器被节气门62包括，这种配置一般被称为电子节气门控制(ETC)。用这种方式，可以操作节气门62以使提供给燃烧室30与其他发动机汽缸的进气空气改变。节流板64的位置可以通过节气门位置信号TP提供给控制器12。进气道42可以包括质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122以便向控制器12分别提供信号MAF和MAP。
在选择的工作模式下，点火系统88可以响应于来自控制器12的点火提前信号SA，经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管显示的是火花点火组件，但是在一些实施例中，发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室可以操作在具有或没有点火火花的压缩点火模式中。
可变电压(VVs)氧传感器126被显示为耦连到排放控制设备70上游的排气道48。排放控制设备70被显示为沿着VVs氧传感器126下游的排气道48布置。该设备70可以是三元类催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他的排放控制设备或其组合。在一些实施例中，在发动机10的运行期间，通过在特定的空燃比范围内操作发动机的至少一个汽缸，可以周期地重设排放控制设备70。
如图1的示例所示，该系统还包括被耦连到进气道44的进气空气传感器127。传感器127可以是VVs氧传感器，但是其还可以是用于提供排气空燃比的指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。
进一步地，在所公开的实施例中，排气再循环(EGR)系统可以经由EGR通道140将所期望的部分排气从排气道48传送到进气道44。被提供给进气道44的EGR的数量可以通过控制器12经由EGR气门142变化。进一步地，EGR传感器144可以被布置在EGR通道140内并且可以提供一个或多个排气的压力、温度和浓度的指示。在一些状态下，可以使用EGR系统调节燃烧室内空气和燃料混合气的温度，因此提供了一种控制某些燃烧模式期间的点火正时的方法。进一步地，在一些状态期间，通过控制排气门正时，诸如通过控制可变气门正时机制，可以将一部分燃烧气体保留或捕集在燃烧室内。
在图1中控制器12被显示为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端104、在该特定示例中被显示为只读存储器芯片106的用于可执行程序和校准值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器110以及数据总线。控制器12可以从被耦连到发动机10的传感器接收各种信号，除了先前论述的那些信号外，还包括来自质量空气流量传感器120的感应质量空气流量(MAF)的测量；来自被耦连到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自被耦连到曲轴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)；以及来自传感器122的绝对歧管压力信号(MAP)。发动机转速信号RPM可以由控制器12从信号PIP中生成。
存储介质只读存储器106可以使用计算机可读数据来编程，计算机可读数据表示处理器102可执行的指令以便进行下文所述的方法和可预料但是不可具体地列举的各种变化。
如上文所述，图1只显示了多缸发动机中的一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其自己的一组进气/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
接下来，图2显示了氧传感器200的示例实施例的示意图，该氧传感器200被配置以测量进气道内进气气流或排气道内排气流中氧气(O2)的浓度。例如，传感器200可以作为图1中的VVs氧传感器126或127来操作。传感器200包含以堆叠配置布置的多层一种或多种陶瓷材料。在图2的实施例中，五个陶瓷层被描绘为层201、202、203、204以及205。这些层包括能够传导氧离子的一层或多层固体电解质。合适的固体电解质的示例包括，但不限于，氧化锆基材料。进一步地，在一些实施例中，可以放置加热器207以与所述层进行热传导以便增加所述层的离子传导率。虽然所描绘的氧传感器由五个陶瓷层形成，但是将会意识到的是氧传感器可以包括其他合适数量的陶瓷层。
层202包括材料或创建了扩散路径210的材料。扩散路径210被配置为经由扩散作用将排气引入到第一内腔222中。扩散路径210可以被配置为允许进气空气或排气的一种或多种成分(包括但不限于期望的分析物(如O2))以比通过泵浦电极对212和214可以将分析物泵浦入和泵浦出内腔222的速率更加限制的速率扩散到内腔222中。用这种方式，可以在第一内腔222内获得化学计量水平的O2。
传感器200进一步包括通过层203与第一内腔222分离的且在层204内的第二内腔224。第二内腔224被配置为维持恒定的氧气分压力以等于化学计量条件，例如，第二内腔224中存在的氧气水平等于如果空燃比是化学计量的则进气空气或排气将会有的氧气水平。第二内腔224内的氧气浓度通过泵浦电压Vcp保持恒定。在此，第二内腔224可以被称为基准电池(referencecell)。
一对感测电极216和218被放置以使第一内腔222和基准电池224通信。感测电极对216和218检测浓度梯度，由于进气空气或排气内的氧气浓度高于或低于化学计量水平，所以浓度梯度可以在第一内腔222和基准电池224之间发展。可以通过稀进气空气或排气混合气引起高氧浓度，而通过富混合气可以引起低氧浓度。
一对泵浦电极212和214被放置以与内腔222通信，且被配置为从内腔222中电化泵浦选择的气体组分(例如，O2)通过层201并且处于传感器200之外。替换地，泵浦电极对212和214可以被配置为电化泵浦选择的气体通过层201并且进入内腔222。在此，泵浦电极对212和214可以被称为O2泵浦电池。
电极212、214、216以及218可以由各种合适的材料组成。在一些实施例中，电极212、214、216以及218可以至少部分地由催化氧分子的分离的材料构成。这种材料的示例可以包括，但不限于，含有铂和/或银的电极。
将氧气电化地泵浦到内腔222之外或之内的工艺包括将电压VP施加在泵浦电极对212和214两端。被施加给O2泵浦电池的泵浦电压VP将氧气泵浦到第一内腔222之内或之外以便维持泵浦电池腔内氧气的化学计量水平。所产生的泵浦电流IP与排气内氧气的浓度成比例。控制系统(图2中未显示)根据所施加的泵浦电压VP的强度来生成泵浦电流信号IP，所述泵浦电压VP被要求以维持第一内腔222内的化学计量水平。因此，稀混合气将会使氧气被泵浦出内腔222，并且富混合气将会使氧气被泵浦入内腔222。
应该意识到的是，本文所述的氧传感器仅仅是氧传感器的示例实施例，并且氧传感器的其他实施例可以具有额外的和/或替换的特征和/或设计。
在一个示例中，氧传感器200(和图1中所示的氧传感器126和127)可以是可变电压(可变Vs或VVs)氧传感器，其中该传感器的基准电压可以在较低的或基电压和较高电压之间调节，在所述较低的或基电压下氧气被检测到(并且没有将水分离)，在较高电压下可以将气流内的水分子分离。诸如，在基极操作期间，氧传感器可以以基极基准电压操作。在基极基准电压下，当水碰到传感器，传感器的受热元件可以使水蒸发并且对其测量以作为局部蒸汽或稀释剂。氧传感器还可以用第二模式操作，其中基准电压被增加到第二基准电压。第二基准电压可以高于基极基准电压。当进气氧传感器操作在第二基准电压下时，传感器的受热元件分离空气中的水并且随后测量水浓度。因此，在第二基准电压下所产生的传感器的泵浦电流可以指示气流中的氧气量与来自分离的水分子中的氧气量之和。随后，泵浦电流在第一电压和第二电压之间的变化可以指示氧传感器所在的位置中的气流内的水量。
用这种方式，图2中的VVs氧传感器可以被用于估计在进气歧管内接收的新鲜空气的氧含量(如果传感器被定位在发动机的进气道内)，或者发动机排出的排气的氧含量(如果传感器被定位在发动机汽缸下游的排气道内)。VVs氧传感器还可以用于估计发动机内燃烧的燃料内的酒精量和环境湿度。
现在参考图3，两幅图表300和308显示了可变电压氧传感器(例如，图1中所示的VVs氧传感器126或127)随着时间的变化的基准电压和所产生的泵浦电流。图表300由两个绘图302和304组成，两个绘图302和304分别显示了在一般的排气状态下氧传感器(如，VVs氧传感器)关于时间的基准电压和泵浦电流。氧传感器的基准电压和泵浦电流两者在较低第一值和较高的第二值之间周期地变化。第一基准电压V1可以具有这样的值，以至于从电池中泵浦氧，但是足够低以至于含氧化合物(诸如水)在传感器处不会被分离(例如，在一个示例中，V1可以是大于450mV)。施加第一基准电压V1可以以第一泵浦电流I1的形式生成传感器的输出，该输出指示气体样品内的氧气量。一旦确定氧气量，就可以将第二泵浦电压V2施加到氧传感器的氧泵浦电池。第二电压V2可以大于被施加到传感器的第一电压V1。具体地，第二电压V2可以具有足够高的值以便分离期望的含氧化合物。例如，第二电压V2可以足够高以便使水分子分离成氢和氧(例如，在一个示例中，V2可以约为1.1V)。施加第二电压V2可以生成第二泵浦电流I2，其指示气体样品内的氧气和水的量。将会理解的是在此使用的“氧气和水的量”中的术语“水”指的是来自气体样品内分离水分子的氧气量。
在非加燃油状态期间(如，DFSO事件)，基于第一泵浦电流和第二泵浦电流可以确定环境湿度(如，交通工具周围新鲜空气的绝对湿度)。在这种情况下，可以从第二泵浦电流中减去第一泵浦电流以获得指示来自气体样品内分离的水分子(例如，水量)的氧气量的值。该值可以与环境湿度成比例。此外，燃料内的酒精量以及因此的该燃料类型可以在正常加燃油状态期间被识别。在下文中正常加燃油状态可以指其中燃料正被喷射到发动机汽缸内的任何状态。在这种情况下，排气内的水量可以与被喷射到发动机的燃料内的酒精量(如，乙醇的百分比)成比例。因为环境湿度也可以促进排气内的水量，所以在非加燃油状态期间(如，DFSO事件)确定的环境湿度可以从所述水量中减去以产生被喷射到发动机的燃料内的酒精量的更加准确的测量值。
返回到图表300，氧传感器的基准电压经由单阶跃变化在第一电压V1和第二电压V2之间转换。也就是说，基准电压从第一电压V1直接变化为第二电压V2并且再返回而没有转换为第一电压V1和第二电压V2之间的任何中间电压。相应地，泵浦电流也从第一泵浦电流I1转换为第二泵浦电流I2并且再返回。但是，如图表300所示，由于基准电压变化发生在从其较高(upper)值到较低值的一个单阶跃内，所以泵浦电流失调其较低值(I1)。如果其持续多个重复的循环(如，成千上万次循环)，IP失调306可以导致传感器劣化。
图表308由两幅绘图310和312组成，它们分别显示了发动机处于非加燃油状态下氧传感器随时间的基准电压和泵浦电流。在一个示例中，非加燃油状态可以包括减速燃料切断(DFSO)事件。在DFSO事件中，只有环境空气流过氧传感器并且因此该传感器被暴露于比正常加燃油状态期间的湿度低的状态(例如，当发动机正将燃料喷射到发动机汽缸内时)。如可以从绘图312中观察到的，较低的湿度状态可以恶化IP失调。DFSO状态下的IP失调316大于正常加燃油状态下的IP失调306。此外在DFSO状态期间，当基准电压从第一较低电压升高到第二较高电压时，可以观察到IP超调314。在这种情况下，IP超过其目标较高(upper)值(I3)并且随后耗费时间以稳定(settle)回落到较高(upper)IP值I3。IP超调314和稳定时间的延迟两者可以导致传感器劣化。在DFSO事件期间举例说明的较低湿度状态可以导致IP超调和失调两者并且因此可以导致增加的传感器损坏和降低的传感器功能。因此，氧传感器的基准电压的阶跃变化，和较低的湿度状态，都可以促进传感器劣化。
现在转向图4，图表400显示由两个不同的斜坡率产生的氧传感器IP的两幅绘图，所述斜坡率被用于在第一较低值和第二较高值之间调节氧传感器Vs。Vs在第一和第二值之间交替以便使用早先在图3中描述的方法确定各种发动机运行参数(例如，排气的水含量、进气空气的水含量、环境湿度、被喷射进发动机的燃料内的酒精量等)。Vs绘图402和404显示了第一较低电压(V1)斜坡上升到第二较高电压(V2)，但是是以不同的速率。Vs绘图402显示了从V1到V2的增加速率和从V2到V1的降低速率小于Vs绘图404的速率。图表400还包括由Vs绘图402内施加的电压产生的IP绘图406和由Vs绘图404内施加的电压产生的IP绘图408。在Ip绘图406中，Ip超调412的量值和Ip失调416的量值小于绘图408内Ip超调410的量值和Ip失调418的量值。因此，如绘图402，以比绘图404内较快的速率更加渐进的速率将氧传感器基准电压从V1斜坡上升至V2可以降低Ip超调的量值。相似地，如绘图402，以比绘图404内较快的速率更加渐进的速率将电压从V2降低到V1可以降低Ip失调的量值。
在一个示例中，绘图404中所示的基准电压的变化率可以是单阶跃变化，其中基准电压从V1直接转换成V2并且再返回。在另一示例中，绘图404中所示的基准电压的变化率可以是比绘图404中所示的基准电压的变化率(其可以具有较小的斜率)更快的速率(并且因此绘图404具有更大的斜率)。以比单阶跃变化的速率小的速率在V1和V2之间转换和/或降低在V1和V2之间的变化率可以降低Ip超调和失调的量值，进而降低了由于传感器发黑处理和/或泵浦电流振铃而引起的氧传感器的劣化。因此，可以增加氧传感器的寿命。进一步地，降低V1和V2之间的变化率可以降低稳定时间(例如，降低传感器返回到其基电压V1所花费的时间)，进而降低了在开环燃料操作中花费的时间。
图5显示了在较低的第一电压V1和较高的第二电压V2之间转换氧传感器的基准电压(Vs)的示例斜坡函数的图表500。斜坡函数的目的是为了在第一和第二电压之间提供更加渐进的转换从而可以降低传感器劣化。在时间间隔504期间，第一基准电压(例如，第一电压)被施加在泵浦电池两端(例如，泵浦电极对212和214)，该电压足够低以至于不将水分子分离。在一个示例中，第一电压约450mV。在其他的实施例中，第一电压可以是不将水分离所处的不同的基准电压。第一电压可以生成泵浦电流，泵浦电流被用于测量气体样品的氧含量，如上述方法所描述的。
随后，在时间间隔506期间将基准电压从不使水分子分离所处的第一电压增加到使水分子分离所处的第二电压。在一个示例中，第二电压可以是约1.2V(如，1200mV)。在替换实施例中，第二电压可以是在该传感器处使水分子分离所处的不同电压。在时间间隔508期间施加第二电压可以生成第二泵浦电流，第二泵浦电流可以用于估计气体样品中氧和水的数量，随后其可以被用于估计环境湿度和喷射燃料内的酒精含量，如更前面的上文所述。随后，在时间间隔510期间，将基准电压从第二电压降低到第一电压并且在时间间隔内维持第一电压。以下将是用于在第一较低电压和第二较高电压之间增加或降低Vs的方法的几个实施例的描述。注意到这点很重要，即在以下所有的方法中，增加或降低电压的速率可以预先设定或者可以根据交通工具发动机的运行参数是可变的。如示例，如果检测到较低的湿度状态，则在第一和第二基准电压之间斜坡变化(ramp)的氧传感器所处的速率可以被降低，因为较低的湿度状态可以导致更大的传感器劣化(如图7中更具体地描述)。
在时间间隔506和510期间，基准电压可以以可调节的斜坡率在第一和第二电压之间转换。斜坡率可以是线性函数，或者另一光滑函数，当基准电压接近第二较高(upper)电压时该函数的增加速率可以逐渐变小。在另一实施例中，可以在一系列小的增量阶跃中增加电压，当基准电压接近第二电压时所述小的递增阶跃可以在大小上相等或者可以在大小上降低。
在另一实施例中，如在时间间隔506的绘图502所描绘的，基准电压可以从第一电压V1被增加到中间电压IV，在该中间电压下水分子刚好开始在一个单阶跃内被分离。换句话说，基准电压可以经由阶跃变化并且没有任何额外的介入阶跃(interveningstep)，直接从第一电压增加到中间电压IV。在一个示例中，如图表500所示，中间电压约为900mV。在另一示例中，中间电压可以是第一和第二电压之间的不同电压，在该电压下氧传感器处的水分子从没有被分离转换成被分离。在又一示例中，中间电压可以是水分子开始在氧传感器处分离之前的基准电压。
随后，基准电压从中间电压逐渐地增加到第二电压。因为当在不会将水分子分离所处的电压电平之间(如，450和900mV之间)阶跃时传感器劣化不可以发生，所以不可以在时间间隔506内实施斜坡函数以便将Vs从第一电压增加到中间电压。因此，在一个阶跃内从第一电压转换为中间电压降低了良性电压电平处所花费的时间并且增加了传感器可以进行的采样速率，因此增加了它的精确度。基准电压可以从中间电压增加到第二电压所处的降低的速率可以通过线性函数或当基准电压接近第二较高(upper)电压时增加速率可以逐渐变小的另一光滑函数来确定。还可以在一系列小的增量阶跃中将电压从中间电压增加到第二电压，当基准电压接近第二电压时所述小的递增阶跃可以在大小上相等或者可以在大小上降低。如绘图502的时间间隔510所示，可以逆向应用该相同工艺。可以用逐渐斜坡变化的方式(例如，以增量阶跃，或通过线性或其他光滑函数)将基准电压从第二电压降低到水分子开始停止分离所处的中间电压(如，900mV)。最后，在单阶跃中(或以比从第二电压到中间电压的斜坡率更高的速率)将基准电压从中间电压降低到第一电压。
同样，在一个实施例中，方法可以包括以比单个变化阶跃的速率更加渐进的速率使氧传感器的基准电压在第一和第二电压之间进行斜坡变化(或转换)。在另一实施例中，方法可以包括降低基准电压在第一和第二电压之间转换所处的速率。由于降低了在第一和第二氧传感器基准电压之间转换的速率，所以可以降低氧传感器劣化。
图6显示了用于调节氧传感器的操作的方法600(诸如，图1中所示的氧传感器126或127)。用于执行方法600的指令可以被存储在控制器的存储器上(例如，图1中所示的控制器12的只读存储器芯片106)。同样，控制器可以基于从各种发动机传感器中接收的信号来执行方法600，如图1在上文所述的。
方法600开始于602，即估计和/或测量发动机运行参数。发动机运行参数包括环境湿度、发动机转速和载荷、空燃比、质量空气流量、发动机温度、燃料喷射量等。方法600从602前进到604，其中控制器基于发动机工况确定氧传感器的期望斜坡率。如上所述，期望斜坡率可以是在第一电压和第二电压之间调节氧传感器的基准电压所处的期望速率。第一电压可以是不使水分子分离所处的较低的基电压，并且第二电压可以是较高的使水分子分离所处的目标电压。期望的斜坡率可以基于包括环境湿度和发动机加燃油状态的发动机工况。例如，当环境湿度降低时，期望斜坡率可以降低。在另一示例中，当发动机燃料降低时，期望斜坡率可以降低。在又一示例中，非加燃油状态期间(诸如减速燃料切断事件(DFSO))的期望斜坡率可以小于发动机正将燃料喷射进发动机汽缸内时所在的斜坡率。在其他的示例中，当氧传感器周围的空气中的含氧量增加时，期望斜坡率可以降低。
在606，该方法包括基于确定的期望斜坡率确定期望的增量阶跃大小和用于斜坡的阶跃发生所用的时间间隔。期望的增量阶跃大小可以基于斜坡发生(或从第一电压增加到第二电压)所用的时间间隔、期望的斜坡率以及期望的阶跃大小。期望的阶跃大小可以是基准电压的期望的增量增加。期望的阶跃还可以基于斜坡内总共的阶跃数量。替换地，斜坡内的阶跃总数量可以基于斜坡率、阶跃大小以及斜坡的时间间隔。
一旦控制器确定增量阶跃大小，则随后其向氧传感器发送信号以据此调节基准电压。注意到这点是很重要的，即在每个斜坡变化期间，当电压从第一电压正被增加到第二电压时，增量阶跃大小可以不是恒定的。如示例，可以期望当所施加的电压接近第二较高(upper)电压(在该电压下较大的传感器损坏可以发生)时电压的增加速率变小。在步骤606的另一实施例中，可以实施光滑的斜坡函数(如，线性的、对数的或其他光滑函数)。在该实施例中，可以从步骤604中确定所述斜坡，或基准电压的增加速率。斜坡率可以是恒定的(如，线性)，但是也可以在电压从第一电压增加到第二电压的时间间隔期间发生变化。如示例，当所施加的电压接近第二电压时，斜坡率可以降低，在第二电压下水分离并且可能潜在地引起对传感器的更大损坏。
在确定期望斜坡率、增量阶跃大小(如果斜坡函数不是光滑函数)以及电压增加的时间间隔之后，方法600可以可选地前进到608，其中控制器将信号发送到氧传感器以在一个阶跃中(例如，不是以降低的增加速率)将基准电压从第一电压增加到中间电压。中间电压可以是大于第一电压且小于第二电压的电压。在一个示例中，中间电压可以是水开始被分离所处的基准电压。在另一示例中，中间基准电压可以是高于将水分离所处的电压的基准电压。在又一示例中，中间电压可以是不会将水分离所处的基准电压。同样，在开始在步骤604中确定降低的斜坡率之前，经由阶跃函数将氧传感器的基准电压从第一电压增加到中间电压。
方法600可以从步骤606或可选步骤608中前进到步骤610。如果方法600从步骤606到达步骤610，则随后控制器向氧传感器发送信号以便以步骤604和/或606中确定的速率或阶跃大小将基准电压从第一电压调节到第二电压。替换地，如果方法600从步骤608到达步骤610，则随后控制器发送信号给氧传感器以便以步骤604和/或606中确定的速率或阶跃大小将基准电压从中间电压调节到第二电压。因此，通过将步骤608合并到方法600内，可以用比直接进行从步骤606到步骤610所费时间少的时间将基准电压从第一电压增加到第二电压，因为逐渐斜坡变化开始于较高的电压(例如，中间电压而不是第一基电压)，这导致了传感器的较高的循环速率。因此，可以增加氧传感器的测量精度。此外，如果方法600结合可选步骤608，则传感器的健全(health)可以不被降低，因为传感器劣化可以只发生在水在传感器处分离所处的电压阶跃间隔期间，如参考图5而在上文更详细地描述的。
在步骤610一旦所施加的电压达到期望的第二较高电压，则方法600前进到步骤612，在步骤612控制器可以基于来自传感器在第一和第二电压下的反馈来估计发动机运行参数。控制器可以基于氧传感器在第一和第二电压下的泵浦电流之差来确定环境湿度、发动机空燃比、氧传感器附近气体的水含量、燃料内的酒精含量以及EGR速率等。随后，方法600前进到步骤614，在步骤614控制器基于所估计的运行参数(例如，基于氧传感器输出估计的运行参数)来调节发动机操作。如示例，如果排气道内未燃烧的燃料量达到足够高的第一阈值，则发动机可以增加被再循环到进气道内的排气量。在另一示例中，控制器可以基于所估计的空燃比来调节燃料喷射。
用这种方式，控制器可以基于氧传感器的输出来调节发动机操作。进一步地，控制器可以基于包括环境湿度和发动机加燃油的发动机运行参数来确定将氧传感器的基准电压从第一较低电压增加到第二较高电压(和从第二电压降低到第一电压)的速率。结果，可以降低由于传感器发黑处理和振铃而产生的传感器劣化。
如图6所示，在一个实施例中，方法包括在单阶跃中将氧传感器的基准电压从第一电压增加到中间第二电压；和在多个阶跃中递增地将基准电压从中间第二电压增加到第三电压。在一个示例中，多个阶跃中的每个的阶跃大小基于期望的斜坡率、用于从中间第二电压增加到第三电压的总共斜坡变化时间，以及期望阶跃时间长度。进一步地，期望斜坡率可以基于环境湿度和发动机加燃油状态中的一个或多个。该方法可以进一步地包括在减速燃料切断事件期间降低期望斜坡率并且增加总共斜坡变化时间。在一个示例中，该方法可以进一步包括随着环境湿度的降低而降低期望斜坡率并且增加总共斜坡变化时间。第一电压可以是其中不会将水分离的基电压并且第三电压可以是其中将水分离的目标电压。更进一步地，中间第二电压在第一电压和第三电压之间。
图7显示图表700，其演示了控制器(如图1中所示的控制器12)如何基于发动机运行参数(诸如加燃油和/或环境湿度)来调节氧传感器在较低第一电压和较高第二电压之间的基准电压斜坡率。绘图706描绘了被喷射到发动机内的燃料可以如何随着时间变化，并且类似地绘图708显示了经过发动机的空气环境湿度可以如何随着时间变化。绘图702显示了响应于绘图706和708的加燃油和/或环境湿度的变化，对氧传感器的基准电压斜坡率的调节。绘图704显示图702中所产生的氧传感器泵浦电流变化。
在时间t0和t1之间，加燃油和环境湿度两者均被显示为处于第一水平。因此，该时间间隔可以表示正常的发动机工况，在该工况下发动机正被加燃油(如，燃料正被喷射到发动机汽缸内)并且环境湿度高于较低的阈值水平。在时间t1，控制器可以检测到正被喷射到发动机内的燃料量降低到阈值水平以下。在一个示例中，发动机加燃油降低到阈值水平以下可以是由于DFSO事件或其他非加燃油状态。因为来自燃料的水促进燃烧室内气体混合气总湿度，所以这可以降低气体混合气的湿度。此外，在非加燃油状态期间，流到排气氧传感器(被定位在发动机汽缸下游的排气道内)的排气的氧含量可以增加。湿度的降低和氧含量的增加可以导致氧传感器的增加的泵浦电流超调、失调和/或稳定时间，进而促进了传感器的劣化。因此，响应于发动机加燃油的降低，控制器可以降低氧传感器(例如，排气氧传感器)的基准电压从第一电压增加到第二电压并且从第二电压降低到第一电压所处的斜坡率。可以在绘图702中观察到该工艺。在时间t1和t2之间，其中被喷射到发动机的燃料从第一水平F1降低，基准电压从第一较低电压增加到第二较高电压所处的速率(例如，绘图702中线条的第二个斜坡712)小于时间t0和t1之间的速率(例如，小于绘图702中线条的第一个斜坡710)。
在时间t2，一旦加燃油状态返回到第一水平F1，绘图702的基准电压的斜坡率(例如，第一和第二电压之间的变化率)返回到与时间间隔t0到t1期间斜坡率的相似速率。因此，时间t2之后再次增加基准电压的斜坡率。在时间t3，控制器检测到环境湿度从第一水平A1降低到较低的阈值水平以下。当交通工具进入特别干燥的环境时可以发生这种情况，在所述特别干燥的环境中环境空气中的水分含量是非常低的。因为低湿度状态可以导致增加的氧传感器劣化，所以控制器可以降低基准电压在较低第一电压和较高第二电压之间转换所处的斜坡率。在时间t3之后如绘图702所示，较低第一电压和较高第二电压之间的变化率(例如，绘图702中的线条的第三斜率714)小于当环境湿度处于第一水平A1并且发动机加燃油处于第一水平F1之时的时间t0和t1以及时间t2和t3之间的变化率。
如绘图702中所示，可以基于发动机工况来调节电压在较低第一电压和较高第二电压之间增加或降低的斜坡率。斜坡率(在此也被称为基准电压的变化率)可以随着被喷射到发动机的汽缸内的燃料量和/或环境湿度的降低而降低。在另一示例中，斜坡率可以仅在燃料喷射量和/或环境湿度降低到各自的阈值水平以下时降低，所述阈值水平基于氧传感器超调、失调和/或泵浦电流输出的稳定时间可以导致传感器劣化所处的水平。在一些示例中，DFSO事件可以与较低湿度状态同时发生。在该示例中，氧传感器基准电压的斜坡率可以响应于DFSO和降低的湿度状态两者而降低。例如，如果控制器检测到较低的湿度状态和DFSO事件两者，则可以将斜坡率降低到比在时间t1和t2之间或者在t3之后所观察到的斜坡率更大的程度(第一电压和第二电压之间的转换可以甚至更加渐进)。即，DFSO事件(或非加燃油事件)和降低的湿度事件可以不是单独的(exclusive)，并且两者同时发生可以导致比在图表700中观察到的斜坡率更加渐进的斜坡率。
在第一电压(例如，不将水分离的基电压)和第二电压(例如，将水分离的目标电压)之间的斜坡率或者更加渐进的转换小于单阶跃(也被称为第一电压和第二电压之间的单阶跃变化)的速率。如本文所述，在发动机操作期间，氧传感器基准电压以控制器基于发动机工况而设置的速率在时间间隔期间在较低第一电压和较高第二电压之间交替。随后，基准电压的变化率可以基于发动机运行参数可调节。但是，在一个实施例中，基准电压的变化率(例如，斜坡率)可以总是小于第一电压和第二电压之间单个直接阶跃变化的变化率。因此，可以存在基于电压之间单阶跃变化的速率的氧传感器斜坡率可以保持处于以下的阈值斜坡率。
用这种方式，方法可以包括以斜坡率在第一电压和第二电压之间逐渐地变化氧传感器的基准电压，所述斜坡率基于发动机工况。如上所述，氧传感器可以是被定位在发动机的排气道或进气道内的可变电压氧传感器。可变电压氧传感器的基准电压可以在第一电压和第二电压之间调节，其中第一电压是在传感器处不将水分离所处的较低电压，并且第二电压是在传感器处将水分离的较高电压。通过以基于发动机工况的斜坡率逐渐地调节氧传感器基准电压来达到技术效果，进而降低氧传感器劣化并且增加基于氧传感器输出的发动机控制准确度。具体来说，以较慢的斜坡率在第一和第二电压之间转换可以降低传感器超调、失调以及稳定时间，传感器超调、失调以及稳定时间可以导致传感器振铃和发黑处理效果，进而可以劣化传感器。进一步地，当氧传感器周围气体内的氧含量增加时，这些效果可以变得更加显著。因此，当排气和/或进气气体的氧含量增加时，进一步降低氧传感器的基准电压斜坡率(例如，在排气氧传感器的降低的发动机加燃油期间和进气与排气氧传感器两者的降低的环境湿度期间)可以进一步降低氧传感器的劣化。
如一个实施例，方法包括以斜坡率逐渐地将氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压，所述斜坡率基于发动机工况。在一个示例中，斜坡率基于环境湿度且所述斜坡率随着环境湿度的降低而降低。在一个示例中，斜坡率基于发动机加燃油且所述斜坡率随着发动机加燃油的降低而降低。该方法还包括在发动机非加燃油状态期间将斜坡率从第一水平降低到较低的第二水平。
在一个实施例中，该方法还包括用单阶跃变化将基准电压从第一电压增加到中间电压，并且随后以斜坡率将基准电压从中间电压增加到第二电压，斜坡率的变化率小于单阶跃变化。在一个示例中，中间电压是低于不将水分离且高于将水分离的电压。此外，第一电压是基本基准电压并且第二电压是将水分离所处的目标电压。该方法进一步包括以斜坡率逐渐地将基准电压从第二电压降低到第一电压。在一个示例中，氧传感器是被定位在发动机的排气道内的排气氧传感器，并且该方法还包括基于氧传感器在第一电压和第二电压下的输出来确定排气空气的水含量。该方法可以进一步包括基于所确定的水含量来估计燃料酒精含量。在另一示例中，氧传感器是被定位在发动机的进气歧管内的进气氧传感器，并且该方法还包括基于氧传感器在第一电压和第二电压下的输出确定进气空气的水含量。
在又一实施例中，发动机系统可以包括被定位发动机汽缸下游的排气道内的排气氧传感器和控制器，所述控制器具有计算机可读指令以便：在第一状态期间当发动机汽缸正被加燃油时，以第一斜坡率逐渐地将排气氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压，并且在第二状态期间当发动机汽缸没有正被加燃油时，以第二斜坡率逐渐地将排气氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压，所述第二斜坡率比第一斜坡率更加渐进。在第一和第二状态期间将排气氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压包括在一系列增量阶跃中将基准电压从第一电压增加到第二电压，增量阶跃的数量和所述系列增量阶跃中每个的大小基于第一斜坡率和第二斜坡率中的每个。进一步地，排气氧传感器是可变电压氧传感器，其中第一电压是基电压，并且第二电压是目标电压，目标电压基于由排气氧传感器将要测量的期望气体组分。发动机系统可以进一步包括位于发动机汽缸上游的进气道内的进气氧传感器。
注意，本文所包括的示例控制和估计程序可以与各种发动机和/或交通工具系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以被存储为非临时存储器内的可执行指令，并且可以由包括与各种传感器、制动器和其他的发动机硬件结合的控制器的控制系统来执行。本文公开的具体程序可以表示一种或多种任何数量的工艺策略，诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所述的各种动作、操作和/或功能可以用所说明的顺序、平行地或在某些情况下用省略的顺序进行。同样地，工艺次序没有必要要求以实现本文所述的示例实施例的特征和优点，而是被提供以便于说明和描述。所说明动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复进行，这取决于所使用的特定策略。进一步地，所述动作、操作和/或功能可以图解地表示成代码以便编进发动机控制系统内计算机可读存储介质的非临时存储器内，其中所述动作可以通过执行包括各种发动机硬件组件与电子控制器的系统内的指令来完成。
将会意识到的是本文公开的配置和程序在本质上是示例性的，并且这些具体实施例不被认为具有限制意义，因为数个变化是可能的。诸如，以上技术可以被应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。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/或属性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
随附的权利要求书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。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这种权利要求应该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多个这种元件。所公开特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求书或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来声明。这种权利要求，无论其比原始权利要求的范围更宽、更窄、相等或不同，都被认为被包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种发动机方法，包括：
以斜坡率逐渐地将氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压，所述斜坡率基于发动机工况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜坡率基于环境湿度且所述斜坡率随着环境湿度的降低而降低。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜坡率基于发动机加燃油且所述斜坡率随着发动机加燃油的降低而降低。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在发动机非加燃油状态期间将所述斜坡率从第一水平降低到较低的第二水平。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用单阶跃变化将所述基准电压从所述第一电压增加到中间电压，并且随后以所述斜坡率将所述基准电压从所述中间电压增加到所述第二电压，所述斜坡率的变化率小于所述单阶跃变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述中间电压是低于不将水分离且高于将水分离的电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电压是基本基准电压并且所述第二电压是将水分离所处的目标电压。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以所述斜坡率逐渐将所述基准电压从所述第二电压降低到所述第一电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧传感器是被定位在发动机的排气道内的排气氧传感器，并且还包括基于所述氧传感器在所述第一电压和所述第二电压的输出来确定排气空气的水含量。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括基于所述确定的水含量来估计燃料酒精含量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧传感器是被定位在发动机的进气歧管内的进气氧传感器，并且还包括基于所述氧传感器在所述第一电压和所述第二电压的输出来确定进气空气的水含量。
12.一种发动机方法，其包括：
只在单阶跃中将氧传感器的基准电压从第一电压增加到中间第二电压；以及
在多个阶跃中递增地将所述基准电压从所述中间第二电压增加到第三电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个阶跃中的每个的阶跃大小基于期望的斜坡率、用于从所述中间第二电压增加到所述第三电压的总共斜坡时间以及期望的阶跃时间长度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述期望的斜坡率基于环境湿度和发动机加燃油状态中的一个或多个。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括在减速燃料切断事件期间降低所述期望的斜坡率并且增加所述总共斜坡时间。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括当环境湿度降低时降低所述期望的斜坡率并且增加所述总共斜坡时间。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一电压是其中不将水分离的基电压，并且所述第三电压是其中将水分离的目标电压，并且其中所述中间第二电压在所述第一电压和所述第三电压之间。
18.一种发动机系统，其包括：
排气氧传感器，其被定位在发动机汽缸下游的排气道内；以及
控制器，其具有计算机可读指令以便：
在第一状态期间当所述发动机汽缸正被加燃油时，以第一斜坡率逐渐地将所述排气氧传感器的基准电压从第一电压增加到第二电压；以及
在第二状态期间当所述发动机汽缸没有正被加燃油时，以第二斜坡率逐渐地将所述排气氧传感器的所述基准电压从所述第一电压增加到所述第二电压，所述第二斜坡率比所述第一斜坡率更加渐进。
19.根据权利要求18所述的系统，其中在所述第一和第二状态期间将所述排气氧传感器的所述基准电压从所述第一电压增加到所述第二电压包括在一系列增量阶跃中将所述基准电压从所述第一电压增加到所述第二电压，增量阶跃的数量和所述系列增量阶跃中每个的大小基于所述第一斜坡率和所述第二斜坡率中的每个。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述排气氧传感器是可变电压氧传感器，其中所述第一电压是基电压，并且其中所述第二电压是目标电压，所述目标电压基于由所述排气氧传感器将测量的期望的气体组分。
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