CN106555688A - 用于空燃比失衡监测器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于空燃比失衡监测器的系统和方法。提供了用于基于来自多个退化监测器的输出检测空气‑燃料失衡的方法和系统。在一个示例中，一种方法包括：在响应于位于催化剂下游的排气传感器的输出反馈发动机空燃比控制期间，在确定催化剂为标称之后，响应于基于排气传感器输出仅在特定频率范围内确定的催化剂传递函数，指示汽缸失衡，并且响应于指示的汽缸失衡调整致动器。以这种方式，可以准确地识别并缓和空燃比失衡，由此减少排放物。

Description

用于空燃比失衡监测器的系统和方法
技术领域
本说明书总体上涉及用于控制车辆发动机以检测空燃比失衡的方法和系统。
背景技术
车辆可以包括用于处理内燃发动机的排气的三元催化剂(TWC)。反馈控制可以被用来调节发动机的空燃比(AFR)，从而使得发动机排气成分可以以提高催化剂效率的方式被调整。某些车辆可以包括位于TWC上游的通用或宽域排气氧(UEGO)传感器和位于TWC下游的加热型排气氧(HEGO)传感器，用于控制AFR近化学计量。UEGO传感器提供反馈以调整关于化学计量的发动机排出气体。HEGO传感器提供反馈以使发动机AFR偏向更富或更稀，从而提高催化剂效率。
排气歧管包括来自每个发动机汽缸的个体排气流道，所述排气流道集合为催化剂上游的单个管。为了使发动机起动排放物最少，催化剂被放置为尽可能接近汽缸排气口，以快速地加热催化剂。同时，考虑到有限的可用空间，UEGO传感器的位置被优化以测量来自每个汽缸的气体的最佳混合。由于催化剂上游的排气管空间是有限的，出现在自然吸气式发动机中的一般问题是区域流动。具体地说，区域流动是供排气以同质的方式混合的有限空间所导致的通过排气系统的不平衡的富/稀流动。如果每个汽缸AFR与其他汽缸匹配，这种区域流动现象不是问题，并且可以维持化学计量AFR。然而，如果由于(比如)零件之间的可变性导致存在汽缸之间的AFR失衡或者存在有意诱发的机载诊断(OBD)失衡，排气流取决于在排气流道中的位置将包括不同水平的AFR。如果这种区域流动现象导致UEGO传感器不能够测量每个汽缸的气体的适当混合，所述富/稀气体将快速地淹没催化剂并作为增加的CO和NOx排放物离开尾管。
其他解决AFR失衡的尝试包括使用一个或更多个HEGO和/或UEGO传感器监测发动机AFR。在U.S.7,802,563中由Behr等人示出了一种示例方式。其中，一种用于监测发动机的AFR的方法包括：将排气从一组汽缸传送至氧传感器，在这组汽缸的点火频率以上对所述氧传感器进行采样，确定窗口间隔内的这些样本之间的差，以及当至少所述窗口间隔与窗口间隔的总数的比例超过阈值时指示这组汽缸中AFR失衡。
然而，在此，发明人已经意识到此类系统和方法的潜在问题。作为一个示例，上文所讨论的系统依赖用于每组汽缸的个体排气传感器，它们中的某一些可以专用于AFR失衡监测。作为另一示例，如果这些排气氧传感器中的一个或更多个退化，方法可能由于传感器的有偏运行错误地指示AFR失衡。进一步，如果用于监测发动机AFR的排气氧传感器中的一个或更多个处于催化剂的下游，方法可能由于催化剂的退化错误地指示AFR失衡。
发明内容
在一个示例中，通过一种方法可以解决上述问题，所述方法包括：在响应于位于催化剂下游的排气传感器的输出反馈发动机空燃比控制期间，响应于基于所述排气传感器输出仅在特定频率范围内确定的催化剂传递函数指示汽缸失衡，并且响应于指示的汽缸失衡调整致动器。方法进一步包括：在指示所述汽缸失衡之前，确定所述催化剂为标称的(nominal)。以这种方式，可以准确地识别并缓和空燃比失衡，由此减少排放物。
应当理解的是，提供以上概述是为了以简化的形式引入在具体实施方式部分进一步说明的一系列概念。这并不意图确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求的主题的范围由所附权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上文所述的或本公开的任何部分中的任何缺点的实现方式。
附图说明
图1示出了示例发动机系统的示意性绘图；
图2示出了示例催化剂控制系统的示意性图示；
图3示出了图示一种用于识别空燃比失衡的示例方法的高级流程图；
图4示出了图示一种用于基于催化剂传递函数增益量值识别空燃比失衡的示例方法的高级流程图；
图5示出了图示一种用于多个监测器的示例方法的高级流程图；并且
图6和图7示出了图示一种用于识别AFR失衡的示例方法的一组图形。
具体实施方式
以下说明涉及用于识别和减轻空气-燃料失衡的系统和方法。具体地，描述了用于基于来自多个监测器的输出检测空气-燃料失衡的方法和系统。所述系统和方法可以实现在车辆中，如图1中描绘的车辆系统。如图2中所描绘的，车辆可以包括多汽缸发动机系统和排气后处理系统，以及用于监测和控制AFR的多个反馈控制环路。如果多个汽缸中的一个相对于其他汽缸具有空气-燃料失衡，排气流动可能不均匀并且富/稀排气将快速地淹没催化剂并且作为增加的CO和NOx排放物离开尾管。进一步，催化剂和/或排气氧传感器的退化可能触发对AFR失衡的错误检测。一种用于检测AFR失衡的方法(诸如图3中所描绘的方法)包括融合AFR失衡监测器与阈值催化剂监测器的输出，以提高AFR失衡检测的有效性。具体地，在确定是否存在AFR失衡之前，所述方法首先排除阈值催化剂或退化催化剂的可能性，因为用于通过计算催化剂传递函数增益量值(magnitude)来检测AFR失衡的方法(诸如图4中所描绘的方法)可以基于催化剂的标称可操作性。虽然关于AFR失衡和阈值催化剂描绘了图3和图4的方法，一种用于检测退化的状况的方法(诸如图5中所描绘的方法)一般可以包括对多个退化监测器的输出进行评估以识别单个退化部件。以这种方式，在指示退化的部件之前可以考虑系统部件之间的相互依赖性，由此提高退化监测器的准确度并进而减少排放物。图6和图7图示了示例数据，所述示例数据展示了基于催化剂传递函数增益量值来检测AFR或汽缸失衡的能力。
图1图示了示出多汽缸发动机10的一个汽缸的示意图，所述多汽缸发动机可以被包括在机动车的推进系统中。发动机10可以至少部分地通过包括控制器12的控制系统并且通过来自车辆操作者132经由输入设备130的输入所控制。在本示例中，输入设备130是加速器踏板，并且它包括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(例如，汽缸)30可以包括燃烧室壁32，活塞36位于其中。活塞36可以耦连至曲轴40，从而使得活塞的往复运动被转换成曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过中间传动系统耦连至车辆的至少一个驱动轮。进一步，起动机马达可以经由飞轮接合曲轴40，从而启用发动机10的起动操作。
燃烧室30可以经由进气道42从进气歧管44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可以经由相应的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在某些示例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。在这个示例中，进气门52和排气门54可以经由一个或更多个凸轮通过凸轮致动而被控制，并且可以利用凸轮廓线变换(CPS)系统、可变凸轮正时(VCT)系统、可变气门正时(VVT)系统和/或可以由控制器12操作以改变气门操作的可变气门提升(VVL)系统中的一个或更多个。进气门52和排气门54的位置可以分别被位置传感器55和57确定。在可替代示例中，进气门52和/或排气门54可以通过电动气门致动而被控制。例如，汽缸30可以可替代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。
在某些示例中，发动机10的每个汽缸可以配置有用于为其提供燃料的一个或更多个燃料喷射器。作为非限制性示例，示出了汽缸30包括一个燃料喷射器66，从燃料系统172为这个燃料喷射器供应燃料。示出了燃料喷射器66直接耦连至汽缸30用于与经由电子驱动器68从控制器12接收的信号的脉宽FPW成比例地直接在其中喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器66提供了所谓的向燃烧室30内燃料的直接喷射(下文中也称为“DI”)。
将理解的是，在替代示例中，喷射器66可以是向汽缸30上游的进气口中提供燃料的进气道喷射器。还将理解的是，汽缸30可以从多个喷射器接收燃料，多个喷射器诸如多个进气道喷射器、多个直接喷射器或其组合。
继续图1，进气道42可以包括具有节流板64的节气门62。在这个具体示例中，节流板64的位置可以由控制器12经由提供给电动马达或致动器的信号而被改变，电动马达或致动器被包含在节气门62(一般称为电子节气门控制(ETC)的配置中)。以这种方式，节气门62可以被操作以改变提供给燃烧室30以及其他发动机汽缸的进气空气。节流板64的位置可以被节气门位置信号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，用于为控制器12提供相应的信号MAF和MAP。
在选择操作模式下，点火系统88可以响应于来自控制器12的火花提前信号SA经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。虽然示出了火花点火部件，在某些示例中，在具有或不具有点火火花的情况下，发动机10的燃烧室30或一个或更多个其他燃烧室可以操作在压缩点火模式。
示出了上游排气传感器126耦连至排放物控制设备70上游的排气道48。上游传感器126可以是用于提供排气空燃比的指示的任何适当传感器，诸如线性宽带氧传感器或UEGO(通用或宽范围排气氧)传感器、双态窄带氧传感器或EGO传感器、HEGO(加热的EGO)传感器、NOx传感器、HC传感器或CO传感器。在一个示例中，上游排气传感器126是被配置成用于提供输出(如电压信号)的UEGO，所述输出与排气中存在的氧量成比例。控制器12使用所述输出来确定排气空燃比。
示出了排放物控制设备70沿着排气道48被布置在排气传感器126的下游。设备70可以是三元催化剂(TWC)，被配置成用于减少NOx并氧化CO和未燃烧的碳氢化合物。在某些示例中，设备70可以是NOx捕集器、各种其他排放物控制设备或其组合。
示出了第二下游的排气传感器129耦连至排放物控制设备70下游的排气道48。下游传感器129可以是用于提供排气空燃比的指示的任何适当传感器，诸如UEGO、EGO、HEGO等。在一个示例中，下游传感器129是HEGO，其被配置成指示排气在穿过催化剂之后的相对富程度或稀程度。这样，HEGO可以提供切换点形式或在排气从稀转换至富的点处的电压信号的形式的输出。
进一步，在公开的示例中，排气再循环(EGR)系统可以将排气的期望部分经由EGR通道140从排气道48传送至进气道42。提供给进气道42的EGR量可以由控制器12经由EGR阀142改变。进一步，EGR传感器144可以被布置在EGR通道内，并且可以提供排气的压力、温度和浓度中的一个或更多个的指示。在某些情况下，EGR系统可以用于调节燃烧室内的空气和燃料混合物的温度。
控制器12在图1中作为微型计算机示出，包括微处理器单元102、输入/输出端口104、在本具体示例中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、不失效存储器(KAM)110和数据总线。控制器12可以从耦连至发动机10的传感器接收各种信号，除之前所讨论的那些信号之外，还包括：来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自耦连至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自耦连至曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型传感器)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(MAP)信号。发动机转速RPM可以由控制器12从信号PIP产生。
存储介质只读存储器106可以用代表非瞬时指令的计算机可读数据进行编程，非瞬时指令可由处理器102执行以执行下述方法以及预期但未具体列出的其他变体。
在某些示例中，控制器12可以向光板或显示面板131输出系统退化的指示。指示可以是视觉警告，诸如照明光或消息。消息可以包括指示退化状况的性质的诊断代码。例如，控制器12可以经由光板或显示面板131指示退化的催化剂。指示可以是代表催化剂或其他部件退化的字母数字代码。
如上所述，图1仅示出了多汽缸发动机的一个汽缸，并且每个汽缸可以类似地包括其自己的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
图2示出了催化剂控制架构200的内层和外层反馈控制环路的示意性图示。催化剂控制架构200包括发动机系统206和催化剂控制系统214，其中，发动机10包括排气系统225。
发动机系统208可以包括具有多个汽缸230的发动机10。发动机10包括发动机进气装置42和发动机排气装置48。发动机进气装置42包括与发动机进气歧管44流体连通的节气门62。发动机排气系统225包括通向排气道235的排气歧管48，排气道将排气传送至大气。发动机排气系统225可以包括一个或更多个排放控制设备70，排放控制设备可以以紧密耦连位置被安装在排气装置中。一个或更多个排放控制设备可以包括三元催化剂、稀NOx捕集器、微粒过滤器、氧化催化剂等。将理解的是，其他部件可以被包括在发动机中，其他部件诸如各种阀和传感器，如图1中(例如)所描绘的。
车辆系统206可以进一步包括催化剂控制系统214。催化剂控制系统214被示为从排气氧传感器126和129接收信息并向燃料喷射器66发送控制信号。作为一个示例，排气氧传感器可以包括位于排放控制设备70上游的排气传感器126、和位于排放控制设备70下游的排气传感器129。其他传感器，诸如压力传感器、温度传感器、空燃比传感器和成分传感器可以被耦连至车辆系统206内的各个位置。催化剂控制系统214可以从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，并且响应于被处理的输入数据基于在其中编程的对应于一个或更多个程序的指令或代码应用致动器。催化剂控制系统214可以被配置有存储在非瞬时存储器中的指令，指令致使催化剂控制系统214基于经由一个或更多个传感器所接收的信息借助一个或更多个致动器执行控制程序。在此参照图3描述了示例控制程序。
在一个示例中，排放控制设备70是三元催化剂，排气传感器126是UEGO传感器，并且排气传感器129是HEGO传感器。
催化剂控制系统214将AFR调节至期望的AFR近化学计量并且基于HEGO电压与预定HEGO电压设定点的偏差对此调节进行微调。内层环路控制器207使用上游UEGO传感器126进行较高带宽反馈控制，而外层环路控制器205使用HEGO传感器129进行较低带宽控制。催化剂控制系统214可以由发动机控制器(诸如控制器12)实现。
内层环路控制器207可以包括比例积分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器，比例积分微分控制器通过产生合适的燃料命令(例如，燃料脉冲宽度)来调节发动机AFR。求和结点222将来自内层环路控制器207的燃料命令与来自前馈控制器220的命令结合。这个结合的命令集合被传递至发动机10的燃料喷射器66。UEGO传感器126向内层环路控制器207提供反馈信号，UEGO反馈信号与发动机10与TWC 70之间的发动机原料气的氧含量或者发动机排气成比例。外层环路控制器205生成被提供给内层环路控制器207的UEGO参考信号(例如，期望的空燃比)。UEGO参考信号在结点216处与UEGO反馈信号结合。结点216所提供的误差或差异信号然后可以由内层环路控制器207用于调整燃料命令，以便发动机10内的实际AFR接近期望的AFR。HEGO传感器129向外层环路控制器205提供反馈。HEGO反馈信号可以用于调整经由结点216提供给内层环路控制器207的UEGO参考信号，或者空燃比参考信号。另外，外层环路控制器205通过在催化剂输入施加低幅度(amplitude)空燃比方波，进行工作以提高催化剂效率。方波允许进入催化剂的排气成分改变，从而补充催化剂中的氧气和CO，由此提高碳氢化合物氧化和NOx减少。
因此，图1和图2的系统提供了一种系统，该系统包括：发动机，其包括多个汽缸和一个排气系统，排气系统包括催化剂和位于催化剂上游和下游的(多个)氧传感器；以及控制器，其包括存储在非瞬时存储器中的指令，当指令被执行时致使控制器：基于氧传感器输出的数据，计算催化剂传递函数的增益；响应于检测到标称催化剂，响应于增益在阈值以上指示汽缸失衡；并且响应于汽缸失衡调整致动器。在此关于图3至图5进一步描述了这种系统中实现的示例方法。
图3是图示了根据本公开的用于识别AFR失衡的示例方法300的高水平流程图。具体地，方法300涉及基于在对应于命令的方波输入的特定频率范围内催化剂的频域传递函数的量值来确定AFR失衡。在此将参照图1和图2中所描绘的部件和系统对方法300加以描述，但是应当理解的是，该方法可以应用于其他系统而不背离本公开范围。方法300可以由控制器12实现，并且可以作为可执行指令被存储在非瞬时存储器中。
方法300开始于305。在305处，方法300包括评估工况。工况可以包括但不限于发动机温度、环境温度、发动机转速、发动机负荷、自发动机停止以后的时间、发动机AFR和HEGO传感器电压。在发动机工况被确定之后，方法300前进至310。
在310处，方法300包括监测催化剂增益以检测AFR失衡。具体地，监测催化剂增益可以包括：确定在对应于命令的方波输入的特定频率范围内催化剂的频域传递函数的量值，并且将所述量值与阈值进行比较。如在此关于图4进一步描述的，方法通过使用简化的TWC模型来确定量值，模型包括系统增益k、时间延迟τd和积分器，例如用以下等式表达的：
或等效地，
其中，y是催化剂输出AFR，u是催化剂输入AFR，s是频域拉普拉斯算子，并且是时域导数(derivative)算子。在区域流动排气系统上AFR失衡的情况下，或者在阈值催化剂的情况下，与化学计量的明显排气偏离被下游氧传感器表示为增大的系统增益。因此，系统增益k可以被分成校准的标称系统增益k0和缩放增益kscl以表示退化所造成的偏差，例如k＝k0×kscl。确定催化剂传递函数的量值因此可以包括确定缩放增益kscl(在此还称为催化剂增益或催化剂增益量值估计)。当外层环路AFR控制环路被启用时，该方法可以继续监测催化剂增益以检测AFR失衡。
继续在315处，方法300包括监测催化剂以检测阈值催化剂。由于上述的用于估计催化剂传递函数的量值的方法对AFR失衡敏感，监测催化剂以检测阈值催化剂优选地不基于催化剂增益。作为替代，方法300可以在不发生燃料喷射和燃烧时的状况期间监测催化剂，以便催化剂监测器不会不利地受潜在AFR失衡影响。作为示意性和非限制性示例，方法300可以通过计算催化剂中所储存的氧量，在减速燃料切断(DFSO)状况期间监测催化剂。例如，如US 8,756,915中由Sealy等人所述的，一种用于监测催化剂的方法包括：在DFSO持续时间之后，基于致使传感器变得比阈值更富所需的富生成物的量指示催化剂的退化，其中所需的富生成物的量可以与存储在催化剂中的氧量相关。
继续在317处，方法300包括基于315处的催化剂监测器输出，确定是否检测到阈值催化剂。如上文并在此进一步描述的，阈值催化剂的存在可以造成缩放增益kscl增大(例如，标称值1以上)，并且因此，当确定是否存在AFR失衡时阈值催化剂可以被视为噪声因素。因此，如果检测到阈值催化剂，不管缩放增益如何，方法并不会指示AFR失衡。
如果检测到阈值催化剂(“是”)，方法300前进至320。在320处，方法300包括指示阈值催化剂。在325处，方法300包括基于阈值催化剂调整致动器。具体地，方法300响应于催化剂传递函数增益量值，调整致动器以试图减少发动机排放物。在一个示例中，发动机燃料喷射器被调整从而减小方波AFR的幅度，方波AFR的幅度被提供给正在被诊断可能的退化的催化剂。然后方法300结束。
因此，如果催化剂退化，方法不试图检测AFR失衡。然而，返回至317，如果未检测到阈值催化剂(“否”)，方法300前进至335。在335处，方法300包括确定是否存在AFR失衡。可以通过将催化剂传递函数增益量值与失衡阈值进行比较来确定AFR失衡：如果增益量值估计在失衡阈值以上，则检测到AFR失衡；否则，未检测到AFR失衡。
作为示例，可以使用借助完整有用寿命(FUL)的催化系统跨多个驱动周期进行的测试，来预定失衡阈值，其中，多个AFR失衡是有意引起的。除对失衡的简单检测之外，在某些示例中，确定是否存在AFR失衡进一步包括确定AFR失衡的类型和量。例如，方法可以参照查找表来确定量(例如10％、15％、20％等)和类型(例如，富或稀)。仍进一步，在某些示例中，方法可以至少部分基于增益量值估计来确定造成失衡的具体汽缸和/或汽缸组。以这种方式，如在此进一步描述的，方法可以调节致动器(例如，燃料喷射器)来减轻失衡。
作为说明性示例，图6示出了图示在此描述的用于基于催化剂增益估计检测AFR失衡的方法的图形600。具体地，图形600包括在十六次个体测试期间所获取的多个催化剂增益估计610，其中，在具有和不具有AFR失衡两种情形下，使用FUL催化剂系统，跨多个驱动周期执行个体测试。在每种情况下，非入侵式方法开始于1.0的初始缩放增益估计并且当外层环路控制器被启用时继续更新。催化剂增益估计613对应于前六个测试，在这前六个测试中，在个体汽缸上引发或者20％富或者20％稀的AFR的AFR失衡。催化剂增益估计617对应于其中未引发AFR失衡的测试。如所示的，不管失衡是富还是稀，该方法基于催化剂增益估计正确地识别AFR失衡的存在。
作为另一说明性示例，图7示出了图示在此描述的用于基于催化剂增益估计检测AFR失衡的方法的图形700。特别是，图形700包括在十三次个体测试期间所获取的多个催化剂增益估计710，其中，在具有和不具有AFR失衡两种情形下使用FUL催化剂系统跨多个驱动周期执行个体测试。在每个情况下，非入侵式方法开始于1.0的初始缩放增益估计，并且当外层环路控制器被启用时继续更新。为了展示方法确定不同水平AFR失衡的能力，在前三次测试期间引发不同的失衡水平，而在随后的十次测试中未引发失衡。具体地，具有测试号码一至三的催化剂增益估计713分别对应于单个汽缸上引发的10％、15％和20％富的失衡水平。同时，具有测试号码四至十三的催化剂增益估计717对应于其中未引发失衡的测试。如所示的，催化剂增益估计被示为随着增加的AFR失衡水平而几乎线性地增大，同时维持与平衡的测试在统计上显著的分离。因此，在此描述的AFR失衡监测器能够使AFR失衡检测阈值减小，同时增大排放输出能力。
再次参照图3的335，如果不存在AFR失衡(“否”)，方法300前进至340，其中，未检测到AFR失衡。如果未检测到AFR失衡，方法300可以不提供AFR失衡的指示。然后方法300结束。在某些示例中，至少在外层控制环路被激活时，方法继续循环(例如，返回305)。在其他示例中，方法可以使计时器递增以追踪自上次AFR失衡确定以后的时间量，并且AFR失衡确定可以被周期性地执行以节约处理资源。
然而，再次参照335，如果检测到AFR失衡(“是”)，方法300前进至345。在345处，检测到AFR失衡。如果检测到AFR失衡，方法300可以提供AFR失衡的指示。在一个示例中，方法300经由改变光板或显示面板的工作状态来提供AFR失衡的指示。
继续在350处，方法300包括基于AFR失衡来调整致动器。具体地，方法300响应于催化剂传递函数增益量值，调整致动器以试图减少发动机排放物。在某些示例中，方法调整致动器(例如，发动机燃料喷射器)以进一步确定AFR失衡的量和/或类型，检测哪个汽缸和/或汽缸组包括AFR失衡等。基于这些确定，方法可以进一步调整致动器以解决AFR失衡。然后方法300结束。
应当理解的是，虽然图3将在310处对AFR失衡的监测和在315处监测催化剂描绘为顺序或连续地操作，但在某些示例中，两个监测器同时或并行操作。如果在任何时间检测到阈值催化剂，方法指示阈值催化剂并停止对AFR失衡的监测。如果AFR失衡监测器检测到AFR失衡阈值以上的缩放增益，则方法在指示AFR失衡之前等待催化剂监测器表示“是”或“否”。
因而，图3的方法提供了一种基于催化剂传递函数增益量值估计而检测AFR失衡的方法。在基于增益量值估计进行AFR失衡确定之前，方法解决增益量值估计中的潜在噪声源(例如，阈值催化剂)。以这种方式，方法避免了其他退化部件所导致的错误地检测AFR失衡。在此关于图4进一步描述了用于计算催化剂传递函数增益量值估计的示例方法。
图4是图示了根据本公开的用于检测AFR失衡的示例方法400的高水平流程图。特别是，方法400涉及确定在对应于命令的方波输入的特定频率范围内催化剂的频域传递函数的量值，并且基于所述量值确定是否存在AFR失衡。在此将参照图1和图2中所描绘的部件和系统对方法400加以描述，但是应当理解的是，该方法可以应用于其他系统而不背离本公开的范围。方法400可以由控制器12实现，并且可以作为可执行指令被存储在非瞬时存储器中。
方法400开始于402。在402处，方法400包括评估发动机工况。工况可以包括但不限于发动机温度、环境温度、发动机转速、发动机负荷、自发动机停止以后的时间、发动机AFR和HEGO传感器电压。在发动机工况被确定之后，方法400前进至404。
在404处，方法400对发动机空燃比应用空气-燃料调制。调制的幅度大约以化学计量为中心，或者在某些示例中可以应用小偏离。空气-燃料调制频率可以基于传递函数正在被估计的催化剂的体积和位置，或者基于诸如发动机转速和负荷的其他因素。作为非限制性示例，频率可以在1至2Hz内。在一个示例中，频率可以是1.5Hz。在开始调制发动机的AFR之后，方法400前进至406。在某些示例系统中，当外层环路控制被启用时，步骤404已经起作用(active)。
在406处，方法400判断发动机的外层AFR控制环路是否已经被激活。在一个示例中，在发动机的内层AFR控制环路被激活并且正控制到近化学计量的期望AFR之后，在后部的HEGO传感器达到阈值温度之后，并且响应于自发动机起动后经过阈值时间量，外层AFR控制环路可以被激活。以这种方式，如果车辆操作在燃料切断模式、冷起动或其中后催化剂AFR对于催化剂传递函数确定可能不可靠的其他状况下时，方法400可以避免确定催化剂传递函数的量值。如果方法400判断外层AFR控制环路是起作用的(“是”)，方法400前进至408。否则(“否”)，方法400前进至410。
在410处，方法400停用AFR失衡监测器。由于HEGO输出可能在当前工况下是不可靠，因此AFR失衡监测器被停用。方法400在AFR失衡监测器被停用之后返回406，并且将试图运行直到下一程序循环。
在408处，方法400激活计时器并使计时器递增。在外层AFR控制环路被激活之后，计时器允许系统避免在模式过渡期间确定催化剂传递函数量值。在计时器被递增之后，方法400前进至409。
在409处，方法400判断计时器的值是否大于阈值。如果是这样(“是”)，方法400前进至412。否则(“否”)，方法400返回至计时器被递增的408。
在412处，方法400准备被监测的催化剂的输入和输出以用于处理。特别是，上游UEGO的输出电压被转换成空燃比。同样，HEGO传感器输出被转换成空燃比。来自这些传感器的电压输出代表排气中的氧浓度。经由使电压通过具有AFR作为输出的传递函数，将电压转换成AFR。
另外，以具有可调整的时间常数tc(例如，对采样频率附近引入的信号噪声的典型防范)的高通滤波器作用于从HEGO传感器输出估计的尾管AFR，从而如以下等式中所示估计输出的导数：
其中，是催化剂输出气体空燃比y的估计导数，s是拉普拉斯算子，并且tc是可调整的时间常数。从UEGO确定的催化剂AFR输入被转换成受试催化剂(subject catalyst)的建模输出。特别是，以系统延迟τd、具有时间常数tc的低通滤波器和系统增益k0作用于UEGO确定的AFR即输入u，从而提供催化剂输出气体AFR的建模导数，如以下等式中描述的：
其中，是催化剂输出AFRy的建模估计导数，s是拉普拉斯算子，tc是可调整的时间常数，u是催化剂输入AFR，并且τd是时间延迟。系统增益k0和时间延迟τd代表标称催化剂系统并且一般是发动机变量(诸如通过发动机系统的质量流量)的函数。在传感器输出被转换为AFR并且被如上所述滤波之后，方法400前进至414。
在414处，方法400将带通滤波器应用于测量的下游或后催化剂AFR的导数以及建模的下游AFR的导数滤波可以通过以下等式来表达：
其中，Gbp指代带通滤波器的传递函数，是的带通滤波的版本，是的带通滤波的版本，并且tcl和tch是带通滤波器的低和高截止频率。在信号已经被带通滤波之后，方法400前进至416。
在416处，方法400对和应用低通或移动平均滤波器。低通滤波可以通过以下等式表达：
其中，Glp指代低通滤波器的传递函数，是的低通滤波的版本，并且是的低通滤波的版本。低通滤波器被应用以便输入/输出定相不影响催化剂的传递函数增益的估计结果。在信号已经被低通滤波之后，方法400前进至418。
在418处，方法400确定模型误差ε。根据以下等式确定模型误差：
其中，ε是模型误差，并且kscl是被给定起始值(例如，1)的催化剂传递函数增益量值估计，每次程序循环之后在方法迭代时，算法调整kscl。在确定了催化剂传递函数增益量值估计之后，方法400前进至420。
在420处，方法400确定更新的催化剂传递函数增益量值估计。具体地，方法400应用积分器和校准的(例如，可调整的)增益γ来更新催化剂传递函数增益量值，如以下等式中指示的：
在催化剂传递函数增益量值被更新之后，方法400前进至421。
在421处，方法400判断所述估计是否已满足成熟度指标(maturity metric)。在一个示例中，成熟度指标是时间量(例如，十分钟)。在其他示例中，成熟度指标可以包括车辆行驶的距离。依据持续改变来估计发动机变量的更复杂的方法是又一种估计成熟度的有效方式。如果方法400判断已满足成熟度指标(“是”)，方法400前进至422。否则(“否”)，方法400返回至418。
在422处，方法400判断估计的催化剂传递函数增益量值kscl是否大于指示AFR失衡的阈值量值kafrim。如果是这样(“是”)，方法400前进至426。否则(“否”)，方法400前进至424。
在424处，方法400指示未检测到AFR失衡。方法400可以不提供AFR失衡的指示。方法400前进至428。
在428处，方法400输出在420处计算的估计的催化剂传递函数增益量值或增益缩放因数kscl，以便父进程(parent process)(如上文描述的方法300)可以最终确定是否存在AFR失衡(例如，在确定阈值催化剂是否正引起增大的增益缩放因数)。另外，如果确定检测到AFR失衡，方法400可以响应于催化剂传递函数增益量值在失衡阈值以上并且单独的催化剂监测器检测到标称催化剂，调整致动器以试图减少发动机排放物，例如如上文关于图3描述的。在一个示例中，发动机燃料喷射器被调整，从而减小被提供给催化剂的方波AFR的幅度。当催化剂按照期望操作时可能期望更高的幅度方波，这是因为由于前部反应部位正在高效地操作因此可能需要附加气体穿过并刷新接近催化剂下游侧的催化剂反应部位。然而，如果催化剂退化，具有同样幅度的方波会导致稀或富突破。因此，可以经由按时调整燃料喷射器来减少方波幅度。在增益缩放因数被输出后，方法400前进到退出。
在426处，方法400指示检测到AFR失衡。在一个示例中，方法400经由改变光板或显示面板的操作状态，提供AFR失衡的指示。在检测到AFR失衡之后，方法400前进至428。
因此，图3和图4的方法提供了一种用于AFR失衡监测器的方法。该方法包括确定催化剂传递函数增益量值估计，并将增益量值估计与响应于标称催化剂的AFR失衡阈值进行比较。特别地，该方法包括：经由为催化剂供应由于改变空燃比所产生的排气来扰乱催化剂，将来自上游氧传感器的数据传送通过模型，以提供模型输出导数估计，并且将来自下游氧传感器的数据传送通过高通滤波器以提供尾管空燃比导数估计，对模型输出进行带通滤波以提供带通模型输出导数估计，并对尾管空燃比导数估计进行带通滤波以提供带通尾管空燃比导数估计，根据带通尾管空气燃料比导数估计与带通模型输出导数估计之差估计催化剂传递函数增益量值，并响应于催化剂传递函数增益量值在阈值以上指示空燃比失衡。在方法的第一示例中，方法进一步包括：在估计催化剂传递函数增益量值之前，对带通模型输出导数估计和带通尾管空燃比导数估计进行低通滤波。在方法可选地包括第一示例的第二示例中，方法进一步包括：确定低通滤波的带通模型输出导数估计与低通滤波的带通尾管空燃比导数估计之间的误差。在方法可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个的第三示例中，方法进一步包括：响应于催化剂传递函数增益量值指示阈值催化剂，不指示空燃比失衡。在方法可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个的第四示例中，方法进一步包括：响应于检测到氧传感器中的一个或更多个退化，不指示空燃比失衡。
虽然上述方法将阈值催化剂视为对AFR失衡确定的噪声因素，但应当理解的是，其他噪声源也可能影响AFR失衡确定。例如，退化的排气氧传感器可以进一步影响AFR失衡检测的有效性。因此，如在此关于图5进一步描述的，用于退化监测的方法可以包括将多个退化监测器的输出组合成单个退化确定。
图5是图示了根据本公开的用于评估多个退化监测器的输出的示例方法500的高水平流程图。特别地，方法500涉及基于来自多个退化监测器的输出来确定单个退化。在此将参照图1和图2中所描绘的部件和系统对方法500加以描述，但是应当理解的是，方法可以应用于其他系统而背离本公开范围。方法500可以由控制器12实现，并且可以作为可执行指令被存储在非瞬时存储器中。
方法500开始于505。在505处，方法500评估发动机工况。工况可以包括但不限于发动机温度、环境温度、发动机转速、发动机负荷、自发动机停止以后的时间、发动机AFR和HEGO传感器电压。在发动机工况被确定之后，方法500前进至510。
在510处，方法500评估多个退化监测器的输出。作为非限制性示例，多个退化监测器可以包括阈值催化剂监测器、排气氧传感器退化监测器、和发动机AFR失衡监测器。
在515处，方法500基于多个退化监测器的输出确定是否检测到单个退化。如果个体监测器检测到单个退化(“是”)，则方法500前进至517。在517处，方法500指示检测到单个退化。在某些示例中，方法500通过改变光板或显示面板的操作状态来提供单个退化的指示。然后方法500结束。
返回至515，如果未检测到单个退化(“否”)，方法500前进至520。在520处，方法500确定是否检测到多个退化(例如，不止一个退化)。如果未检测到多个退化(“否”)，方法500前进至522。在522处，方法500指示未检测到退化，因为基于多个退化监测器的输出，既未检测到单个退化也未检测到多个退化。然后方法500结束。
如果检测到多个退化(“是”)，方法500前进至525。在525处，方法500确定多个退化是否相关或互相依赖。如果例如对一个部件的评估取决于对另一部件的评估，则这些退化可能是互相依赖的。例如，如果催化剂或排气氧传感器退化，则AFR失衡确定可能无效，因为这种确定假定催化剂和/或传感器的正常运行。同样，如果检测到阈值催化剂和退化的排气传感器，由于排气传感器的退化，可能错误地检测阈值催化剂。然而，可能的是，所检测到的多个退化可能不是相互依赖的。例如，蒸发式排放物控制系统内发生的退化可能不直接影响排气系统内的退化监测器，并且因此该方法可以将这些退化视为不相关。
如果这些退化不相关(“否”)，方法500前进至527。在527处，方法500指示检测到多个退化。在某些示例中，方法500通过改变光板或显示面板的操作状态来提供多个退化的指示。然后方法500结束。
如果这些退化相关(“是”)，方法500前进至530。在530处，方法500基于个体退化的组合确定单个退化。例如，查找表或函数可以基于个体退化的组合输出单个退化确定。该查找表或函数可以进一步基于具体退化水平来确定单个退化。作为示意性示例，上文关于图3描述的AFR失衡监测器方法可以检测AFR失衡但不检测阈值催化剂，并且用于检测AFR失衡的催化剂增益估计可以接近AFR失衡阈值。同时，传感器监测器可以检测具有基本退化水平的退化的排气氧传感器。方法500然后可以基于所检测到的退化及其相应的退化水平确定单个退化(例如，排气氧传感器的退化)而不是两种退化(例如，传感器退化和AFR失衡)。
在535处，方法500指示检测到单个退化，其中，指示的单个退化包括在530处确定的单个退化。在某些示例中，方法500通过改变光板或显示面板的操作状态来提供单个退化的指示。方法500可以进一步调整致动器以减轻单个退化。然后方法500结束。
以这种方式，可以通过避免减轻潜在无效退化的动作(该动作可能进一步增加排放物)来减少排放物。
响应于只在特定频率范围内确定的催化剂传递函数指示汽缸失衡的技术效果在于：如果催化剂退化，将不会错误地检测汽缸失衡。另一技术效果是调整致动器以减轻检测到的退化。而另一技术效果是排放物的减少。
作为一个实施例，一种方法包括：在响应于位于催化剂下游的排气传感器的输出反馈发动机空燃比控制期间，响应于基于排气传感器输出只在特定频率范围内确定的催化剂传递函数指示汽缸失衡，并且响应于指示的汽缸失衡调整致动器。在方法的第一示例中，指示汽缸失衡基于催化剂传递函数的增益在阈值以上。方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：在指示汽缸失衡之前，确定催化剂为标称的。方法的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中催化剂传递函数基于与排气传感器输出相比的建模输出。方法的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中特定频率范围基于被选择以优化催化剂效率的预定催化剂方波调制频率。方法的第五示例可选地包括第一至第四示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中反馈发动机空气-燃料控制是外层环路反馈控制，方法进一步包括：在外层环路反馈控制期间，进一步响应于位于催化剂上游的氧传感器执行内层环路反馈发动机空燃比控制，其中，外层环路包括添加至反馈控制的叠加(superimposed)方波。方法的第六示例可选地包括第一至第五示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中特定频率范围分别用频率上限和下限从上面和下面限制了叠加方波的频率，频率下限大于零。方法的第七示例可选地包括第一至第六示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中在反馈控制期间，发动机经历瞬时且稳态工况，同时确定催化剂传递函数。方法的第八示例可选地包括第一至第七示例中的一个或更多个，并且进一步包括，其中催化剂是三元催化剂。方法的第九示例可选地包括第一至第八示例中的一个或更多个，并且进一步包括：其中空燃比控制包括调整燃料喷射脉冲宽度。
作为另一实施例，一种方法包括：响应于检测到多个退化，基于多个退化指示单个退化，并基于单个退化调整致动器。方法的第一示例包括：其中多个退化包括汽缸失衡、阈值催化剂、退化的燃料喷射器以及退化的排气氧传感器中的至少两个。方法的第二示例可选地包括第一示例，并且进一步包括：指示多个退化中的至少两个退化，如果至少两个退化不是互相依赖的话。方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或更多个，其中通过对检测多个退化的多个退化监测器的输出进行评估来确定所指示的单个退化。方法的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，其中对多个退化监测器的输出进行评估包括：将多个退化监测器的输出与所检测到的每个退化的类型进行比较。
在又一实施例中，系统包括：发动机，其包括多个汽缸和一个排气系统，排气系统包括催化剂和位于催化剂上游和下游的多个氧传感器；以及控制器，其包括存储在非瞬时存储器中的多条指令，当被执行时致使控制器：基于氧传感器输出的数据计算催化剂传递函数的增益；响应于催化剂监测器指示催化剂不在阈值水平，响应于所述增益在阈值以上指示汽缸失衡；并且响应于汽缸失衡调整致动器。在系统的第一示例中，仅在预定强制函数(forcing function)的特定频率范围加减偏移量内计算催化剂传递函数的增益。系统的第二示例可选地包括第一示例，其中预定强制函数的特定频率范围基于被选择以优化催化剂效率的预定催化剂方波调制频率。系统的第三示例可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个，其中偏移量在围绕预定催化剂方波调制频率的预定范围内是可调整的。系统的第四示例可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个，其中发动机进一步包括多个燃料喷射器，并且其中响应于汽缸失衡调整致动器包括调整多个燃料喷射器中的至少一个的燃料脉冲宽度。
作为另一实施例，一种方法包括：经由为催化剂供应由变化的空燃比所造成的排气，扰乱催化剂；将来自上游氧传感器的数据传送通过模型以提供模型输出导数估计，并将来自下游氧传感器的数据传送通过高通滤波器以提供尾管空燃比导数估计；对模型输出进行带通滤波以提供带通模型输出导数估计，并对尾管空燃比导数估计进行带通滤波以提供带通尾管空燃比导数估计；根据带通尾管空燃比导数估计与带通模型输出导数估计之差估计催化剂传递函数增益量值；并且响应于催化剂传递函数增益量值在阈值以上，指示空燃比失衡。在方法的第一示例中，方法进一步包括：在估计催化剂传递函数增益量值之前，对带通模型输出导数估计和带通尾管空燃比导数估计进行低通滤波。在方法可选地包括第一示例的第二示例中，方法进一步包括：确定低通滤波的带通模型输出导数估计与低通滤波的带通尾管空燃比导数估计之间的误差。在方法可选地包括第一和第二示例中的一个或更多个的第三示例中，方法进一步包括：响应于基于储存在催化剂内的氧量检测到催化剂的退化，不指示空燃比失衡。在方法可选地包括第一至第三示例中的一个或更多个的第四示例中，方法进一步包括：响应于检测到氧传感器中的一个或更多个的退化，不指示空燃比失衡。
注意，本文包括的示例控制和估计方法可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非瞬时存储器中并且可以通过包括控制器的控制系统结合各个传感器、致动器以及其他发动机硬件执行。本文描述的特定程序可以代表任何数量的处理策略中的一个或更多个，诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。这样，所图示的各个动作、操作和/或功能可以以图示的顺序执行、并行执行或在某些情况下省略。同样，处理的顺序并不是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必须要求的，而是为了方便说明和描述而提供。可以取决于正在使用的具体策略重复地执行所图示的动作、操作和/或功能中的一个或更多个。进一步地，描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示有待被编程至发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非瞬时存储器内的代码，其中，通过在包括各种发动机硬件部件的结合电子控制器的系统中执行这些指令，实施描述的动作。
将理解的是，本文公开的配置和方法本质上是示例性的，并且这些特定实施例并不被以限制性意义理解，因为很多变体都是可能的。例如，上述技术可以应用于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/或特性的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求书具体指出了被认为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”元件或其等价物。此类权利要求应当被理解为包括一个或更多个此类元件的合并，即不要求也不排除两个或更多个此类元件。公开的特征、功能、元件和/或属性的其他组合和子组合可以通过对本权利要求书的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求书来要求保护。无论比原始权利要求书的范围更宽、更窄、相等或不同，此类权利要求书同样被视为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：
在响应于位于催化剂下游的排气传感器的输出反馈发动机空燃比控制期间，响应于基于所述排气传感器输出仅在特定频率范围内确定的催化剂传递函数，指示汽缸失衡；和
响应于所述指示的汽缸失衡，调整致动器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中指示所述汽缸失衡基于所述催化剂传递函数的增益在阈值以上。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在指示所述汽缸失衡之前，确定所述催化剂为标称的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂传递函数基于与所述排气传感器输出相比的建模输出。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述特定频率范围基于被选择以优化催化剂效率的预定催化剂方波调制频率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述反馈发动机空气-燃料控制是外层环路反馈控制，所述方法进一步包括：在所述外层环路反馈控制期间，进一步响应于位于所述催化剂上游的氧传感器执行内层环路反馈发动机空燃比控制，其中所述外层环路包括添加至所述反馈控制的叠加方波。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述特定频率范围分别用频率上限和频率下限从上面和下面限制所述叠加方波的频率，所述频率下限大于零。
8.根据权利要求6所述的方法，其中在所述反馈控制期间，所述发动机经历瞬时且稳态工况，同时确定所述催化剂传递函数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述催化剂是三元催化剂。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述空燃比控制包括调整燃料喷射脉冲宽度。
11.一种方法，其包括：
经由为催化剂供应由变化的空燃比所造成的排气，扰乱所述催化剂；
将来自上游氧传感器的数据传送通过模型以提供模型输出导数估计，并将来自下游氧传感器的数据传送通过高通滤波器以提供尾管空燃比导数估计；
对所述模型输出进行带通滤波以提供带通模型输出导数估计，并对所述尾管空燃比导数估计进行带通滤波以提供带通尾管空燃比导数估计；
根据所述带通尾管空燃比导数估计与所述带通模型输出导数估计之差，估计催化剂传递函数增益量值；以及
响应于所述催化剂传递函数增益量值在阈值以上，指示空燃比失衡。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在估计所述催化剂传递函数增益量值之前，对所述带通模型输出导数估计和所述带通尾管空燃比导数估计进行低通滤波。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：确定所述低通滤波的带通模型输出导数估计与所述低通滤波的带通尾管空燃比导数估计之间的误差。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：响应于基于储存在所述催化剂内的氧量检测到所述催化剂的退化，不指示所述空燃比失衡。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：响应于检测到所述氧传感器中的一个或多个的退化，不指示所述空燃比失衡。
16.一种系统，其包括：
发动机，其包括多个汽缸和排气系统，所述排气系统包括催化剂和位于所述催化剂的上游和下游的氧传感器；以及
控制器，其包括存储在非瞬时存储器中的指令，当指令被执行时致使所述控制器：
基于所述氧传感器输出的数据，计算催化剂传递函数的增益；
响应于催化剂监测器指示所述催化剂不在阈值水平，响应于所述增益在阈值以上指示汽缸失衡；以及
响应于所述汽缸失衡，调整致动器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中仅在预定强制函数的特定频率范围加减偏移量内计算所述催化剂传递函数的增益。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述预定强制函数的特定频率范围基于被选择以优化催化剂效率的预定催化剂方波调制频率。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述偏移量在围绕所述预定催化剂方波调制频率的预定范围内是可调整的。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述发动机进一步包括多个燃料喷射器，并且其中响应于所述汽缸失衡调整所述致动器包括调整所述多个燃料喷射器中的至少一个的燃料脉冲宽度。
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