CN106968815B

CN106968815B - 控制空燃比的方法

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Publication number: CN106968815B
Application number: CN201610878440.6A
Authority: CN
Inventors: 大卫·约翰·库宾斯基
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2016-10-08
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: CN106968815A; DE102016118368A1; US20170096956A1; DE102016118368B4; US9745909B2

Abstract

公开一种空燃比的射频控制。公开了一种使用RF信号确定催化剂的氧化态的方法。所述方法可包括：将射频信号引入到包括催化剂的谐振室中，对催化剂上游的发动机空燃比进行调制以产生均匀脉冲和不同于均匀脉冲的至少一个改变的脉冲的序列，在所述序列期间对射频信号的两个或更多个谐振模式的频率响应进行比较以确定催化剂的氧化态。所述方法还可包括：基于所述比较步骤调节空燃比。可将两个或更多个改变的脉冲插入到空燃比序列中。所述改变的脉冲可具有不同于均匀脉冲的脉冲宽度和/或幅度。所述方法可用于调节空燃比以校正或赋予偏差。

Description

控制空燃比的方法

技术领域

本公开涉及例如使用射频电信号对空燃比的控制。

背景技术

对于有害的尾气排放物的最佳转化而言，对进入车用催化剂(诸如三元催化剂(TWC))的废气的空燃(A/F)比(λ)进行控制会是必要的。排放物(诸如氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)和CO)的转化均会受到 A/F比的影响。如果没有适当地控制A/F比，则有害的排放物可能会从车辆排出。为了准确地控制A/F比，可将传感器或其它检测装置放置在催化剂的上游和/或下游。但是，这种装置可能并不总是准确的/校准的，并且可能会随时间或因环境条件而经历变化。

发明内容

在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可包括：将射频信号引入到包括催化剂的谐振室中；对催化剂上游的发动机空燃比进行调制以产生均匀脉冲和不同于均匀脉冲的至少第一改变的脉冲的序列；在所述序列期间对射频信号的两个或更多个谐振模式的频率响应进行比较以确定催化剂的氧化态。

所述序列可以包括两个改变的脉冲。在一个实施例中，一个改变的脉冲可以以稀部分开始，另一个改变的脉冲可以以浓部分开始。第一改变的脉冲的脉冲宽度可大于均匀脉冲的脉冲宽度，且/或第一改变的脉冲的脉冲幅度可大于均匀脉冲的脉冲幅度。在一个实施例中，改变的脉冲的平均空燃比与均匀脉冲的平均空燃比相同。所述两个或更多个谐振模式可以从由T₁₁₁、T₁₁₂、 T₁₁₃、T₁₁₄和T₁₁₅组成的组中进行选择。所述比较步骤可包括：在所述序列期间对至少三个谐振模式的频率响应进行比较。确定催化剂的氧化态可包括：确定所述催化剂是否被完全氧化、被完全还原、被氧化且伴随以浓偏差或被还原且伴随以稀偏差。所述方法还可以包括：基于所述比较步骤调节空燃比。

在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可以包括：将射频信号引入到包括催化剂的谐振室中；将改变的脉冲插入到催化剂上游的发动机空燃比的均匀脉冲的序列中；在所述序列期间对射频信号的两个或更多个谐振模式的频率响应进行比较以确定所述催化剂的氧化态；基于所述比较调节空燃比。

在一个实施例中，如果所述比较步骤确定在催化剂中存在稀偏差，则所述调节步骤包括下列中的一个或更多个：减少序列中稀部分的时间，增加序列中浓部分的时间，在序列中的浓部分期间喷射更多的燃料，或在序列中的稀部分期间喷射更多的燃料。在另一实施例中，如果所述比较步骤确定在催化剂中存在浓偏差，则所述调节步骤包括下列中的一个或更多个：增加序列中稀部分的时间，减少序列中浓部分的时间，在序列中的浓部分期间喷射更少的燃料，或在序列中的稀部分期间喷射更少的燃料。

所述插入步骤可包括将两个改变的脉冲插入到序列中。一个改变的脉冲可以以稀部分开始，另一个改变的脉冲可以以浓部分开始。改变的脉冲的脉冲宽度可大于均匀脉冲的脉冲宽度，或者改变的脉冲的脉冲幅度可大于均匀脉冲的脉冲幅度。

在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可包括：将射频信号引入到包括催化剂的谐振室中以在谐振室中产生多个谐振模式；对谐振室上游的发动机空燃比进行调制以在谐振室中产生包括多个均匀脉冲和两个改变的脉冲的脉冲序列；对所述多个谐振模式中的两个或更多个谐振模式的频率响应进行测量和比较以确定催化剂的氧化态。

在一个实施例中，所述两个改变的脉冲的脉冲宽度大于均匀脉冲的脉冲宽度，或者所述两个改变的脉冲的脉冲幅度大于均匀脉冲的脉冲幅度。所述调制步骤可包括在序列中产生三个或更多个改变的脉冲。一个改变的脉冲可以以稀部分开始，另一改变的脉冲可以以浓部分开始。

附图说明

图1是示出了NOx、碳氢化合物和一氧化碳的转化效率与空燃(A/F) 比的曲线图的示例；

图2是根据实施例的氧传感器在排气系统中的放置的示意图；

图3是根据实施例的在λ＝1附近进行上游和下游A/F调制的示意图；

图4是根据实施例的车辆排气系统中的射频(RF)信号的产生和检测配置的示意性示例；

图5是示出了在包含三元催化剂(TWC)的谐振腔中检测到的反射模式的曲线图的示例；

图6A是示出了对于若干谐振模式的随时间的谐振频率变化的曲线图的示例；

图6B是示出了从稀A/F比到浓A/F比的阶梯转变(step transition)的曲线图的示例；

图6C是示出了在图6B的阶梯转变期间TWC上游和下游的氧水平的曲线图的示例；

图7A是示出了两个谐振模式下稀转变到浓时随时间的归一化频率变化的曲线图的示例；

图7B是示出了两个另外的谐振模式下稀转变到浓时随时间的归一化频率变化的曲线图的示例；

图7C是图7A和图7B所示的模式的电场平方的模拟值沿着谐振腔z轴的曲线图；

图8是示出若干谐振模式对单个稀到浓阶梯变化的响应的曲线图的示例，包括其中一种模式具有低灵敏度的区域；

图9是在交变的稀和浓周期期间对两个谐振模式进行比较的曲线图的示例，示出了一个模式灵敏而另一个模式不灵敏；

图10是在较长的交变的稀和浓周期期间对两个谐振模式进行比较的曲线图的示例，示出了两个谐振模式均灵敏；

图11是示出了在浓和稀的状态下单个谐振模式的谐振频率随温度变化的曲线图的示例；

图12是示出了在稀到浓阶梯变化期间催化剂老化对谐振频率变化的影响的曲线图的示例；

图13是催化剂的氧化态的示意图，其中A/F调制中存在稀偏差(lean bias)；

图14是包括插入的单个双宽度改变的脉冲的A/F调制序列的示意图；

图15是示出了两个谐振模式对诸如图14中所示的单个双宽度改变的脉冲的相对响应的曲线图的示例；

图16是示出了催化剂的四种可能的氧化态的示意图；

图17是包括单个双宽度改变的脉冲的A/F调制序列的示意图，所述脉冲具有第一稀部分和第二浓部分；

图18是示出了图16所示的四个氧化态中每个氧化态的两个谐振模式在图17的序列期间的谐振模式响应的曲线图的示例；

图19是包括单个双宽度改变的脉冲的A/F调制序列的示意图，所述脉冲具有第一浓部分和第二稀部分；

图20是示出了图16所示的四个氧化态中每个氧化态的两个谐振模式在图19的序列期间的谐振模式响应的曲线图的示例；

图21是包括两个双宽度改变的脉冲的A/F调制序列的示意图，其中，第一脉冲以稀部分开始，第二脉冲以浓部分开始；

图22是示出了图16所示的四个氧化态中每个氧化态的两个谐振模式在图21的序列期间的谐振模式响应的曲线图的示例；

图23是根据实施例的将谐振模式的频率响应进行比较以确定催化剂的氧化态的方法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。

如图1所示，仅在λ＝1附近的A/F的窄窗口中可以实现氮氧化合物(NOx)、碳氢化合物(HC)和CO的同时转化。对空燃(A/F)比(λ)在λ＝1附近的调制的控制(这对于通过TWC的最佳的排放物转化可能是必要的)一般是通过来自于置于TWC上游和下游两者的氧传感器的反馈来实现的。图2示出了包括位于发动机14下游的三元催化剂12和位于TWC 12上游和下游的氧传感器16的系统10的典型布置。图3示出了在TWC上游和下游检测的空燃比随时间的示意图。“上游”A/F比可在λ＝1附近随时间进行调制。当下游氧传感器检测到稳定的气体浓度(大约λ＝1)时，可实现最佳的气体(例如，NOx、HC和CO)转化，而不需要所示的上游氧传感器的A/F调制。

TWC可以通过使用储氧组分(诸如二氧化铈(CeO₂))来实现这一点，储氧组分能够容易地改变其氧化态并在期望的化学反应中用作氧源或氧汇。例如，这种储存材料的氧化部分可在A/F调制的浓部分期间帮助还原剂(HC、 CO、H₂)的氧化，而部分还原的部分可以在稀间隔期间帮助NOx还原成N₂。为实现最佳的转化，使A/F偏差(时间平均的A/F值)的变化最小化也会是重要的。由于传感器响应和/或燃料喷射器的不准确性，可能发生A/F控制的漂移。可通过置于TWC下游的氧传感器对A/F控制进行微调调节。例如，不希望的稀偏差可能导致储氧材料被高度氧化，并最终导致下游氧传感器响应的稀切换。这可能会导致不希望的NOx排放。类似地，不希望的浓偏差可能最终还原TWC的储氧材料，导致下游氧传感器响应的浓切换以及不希望的碳氢化合物和CO排放。A/F调制的偏差可以被描述为在λ＝1-Δ+δ与λ＝1+Δ+δ之间的变化，其中，|δ|<|Δ|。对于无偏差，δ＝0。

使用下游氧传感器作为A/F控制的反馈可能导致的一个潜在问题是，只能在不希望的气体排放发生之后检测时间平均的A/F值的不希望的变化。传感器增加的A/F灵敏度可使这些排放最小化，但这些不期望的排放正是氧传感器检测的量。为了解决这个问题，已开发出使用射频(RF)微波技术的方法，该方法可以直接并就地检测TWC的储氧状态。由于可在不希望的排放发生之前检测催化剂的氧化态的变化，所以这可以使得消除不希望的气体通过催化剂的下游成为可能。

RF技术可以包括监测谐振腔内的电磁辐射，其示例在图4中示出。RF 系统20可以包括放置在金属谐振腔24内的催化剂22(例如TWC)，谐振腔 24通常是其端面为金属网筛26的管子，网筛26允许气体流动但包含并反射电磁能。单个电绝缘的金属天线28可以置于催化剂的上游或下游，或者可以放置两个天线28，一个放置在催化剂22的上游，一个放置在催化剂22的下游。也可使用其它配置和/或数量的天线。

天线28可发送并检测射频电信号(例如，从3kHz到300GHz)。这可以通过可电连接到一个或两个天线的被称为网络分析器30的仪器完成。网络分析器30是可被配置成测量电气网络散射参数的仪器。它可以通过传输和分析一定频率范围内的反射和/或发射的信号的幅度和相位而完成此操作。如果具有单个天线28，则网络分析器30可以将信号发送到天线并改变信号的频率，检测反射的能量返回。如果具有两个(或更多个)天线28，则网络分析器30可以检测通过催化剂22的传输的能量。对于各种频率，腔内发生自然电磁谐振，其可以随后在反射的能量中被检测到。谐振频率可以是腔的几何形状和放置在其内的材料的介电性能的函数。

通过集中于电磁谐振附近的频率，该技术可以提供用于监测催化剂的介电性能的变化的灵敏方法。催化剂内的变化(例如稀气体到浓气体转变时 TWC中二氧化铈的氧化态的还原)会导致催化剂的介电性能的大变化。介电性能的变化会影响电磁辐射的速度和波长，这可导致谐振模式的频率变化。这种频率变化可以由网络分析器30检测到，从而提供了用于跟踪催化剂的状态变化的非接触式和原位方法。

图5中示出了在包含TWC的腔的频率扫描中可见的谐振模式的示例。此数据以及在此示出的其余数据是关于产生电磁信号并检测反射的能量的单天线系统的。所述数据中向下的尖峰是谐振发生的频率并由标号TE_1mn标记，其中，最后一个因子“n”是沿谐振腔的轴向尺寸的半波长的数量。实线是指长时间暴露于具有过量氧的“稀”气体中，导致TWC中的二氧化铈被完全氧化。虚线是指长时间暴露于具有不足以燃烧还原剂的氧的“浓”气体中，导致TWC中的二氧化铈被还原。TE_lmn谐振模式的频率随时间的曲线图展示了谐振将向下移动到较低的频率，并在稀气体到浓气体变化时具有较低的强度。

图6A 至图 6C 展示了在发生在t＝300秒处的稀气体到浓气体阶梯变化(λ＝1.036 到λ＝0.965)(图6B)期间某些谐振模式的频率随时间的变化。下游的宽域废气氧(UEGO)(O₂)气体传感器(图6C)示出了浓气体花费约50秒的时间完全通过催化剂的下游，这是因为它需要那么长的时间来还原TWC中的二氧化铈。在图6A中，相应的TE_11n模式(n＝1，2，3，4)显示了频率随着时间而减小(Δf％是频率从起始稀状态的分数变化)，但是每个模式是通过随时间改变分数量和速率而进行变化的。每个模式的谐振频率在下游UEGO传感器指示TWC中的储氧已经耗尽的时间附近停止变化。

图7A 至图 7C 中示出了对于在t≈110秒附近开始的稀气体到浓气体的阶梯变化， TE_11n模式的频率随时间变化的另一比较。在图7A 至图 7C 中，所述数据已经被归一化，使得数值1代表稀状态下的起始频率，数值0代表浓状态下的终止频率。图 7A至图7C中的曲线图展示了各个模式的归一化频率以不同速率变化。例如， TE₁₁₁谐振模式的频率从t≈110秒附近开始随时间几乎线性减小，直到它在t≈220秒附近达到其终止频率(二氧化铈被还原)为止。相比之下，TE₁₁₂模式的相对响应是不同的，因为在从约150到180秒的时间间隔期间TE₁₁₂模式随时间几乎没有变化。然而，在该相同的时间段期间，TE₁₁₁以几乎恒定的速率减小。谐振频率变化的这些相比的变化可以被用于更好地确定TWC的二氧化铈组分的氧化态的变化发生的位置。

可以认为，图7C提供了在谐振模式之间的相对灵敏度的变化的原因。这里，对于若干TE_11n模式，|E_T(z)|²被绘制为沿谐振腔的轴向距离的函数。 |E_T(z)|²是横向电场的轴向分量(z方向)的平方，并且已知，谐振频率的变化取决于此量和(例如由于催化剂的氧化态的变化而引起的)介电性能的局部变化的乘积。此电场在腔的端部(例如，图7C 中z＝0cm处和z≈28cm处)变为零。对于某些模式，所述电场在腔内的其他地方也变为零。例如，TE₁₁₂模式在沿腔轴线的中间位置附近具有零值。已经发现，在电场的轴向分量为零的区域中的催化剂性能的变化将不会导致谐振频率改变。因此，通过将催化剂适当地定位在谐振腔内，可以在期望的位置设置具有还原灵敏度的谐振模式。通过与其他模式的响应进行比较，这可以确定催化剂的变化发生的位置。

RF模式的相对响应的比较可以产生关于催化剂的变化发生的位置的信息。例如，图8至图10示出了不同持续时间的稀-浓气体脉冲的相对响应。在图8中，示出了对单个长持续时间的稀-浓气体阶梯变化(+0.7％→-0.7％净O₂)的响应。谐振模式随时间的相对变化与将催化剂中新还原的部分和之前氧化的部分分开的几乎呈阶梯状的边界是一致的，所述边界随时间线性地移动通过催化剂。在图9中，示出了TE₁₁₂和TE₁₁₃模式对交变的5秒钟稀气体脉冲和5秒钟浓气体脉冲(±0.7％净O₂)的变化。TE₁₁₃模式没有响应指示(由于A/F调制导致的)催化剂的氧化态的改变发生在前部区域(以从左上角到右下角绘制的阴影线显示)，在该区域中TE₁₁₃模式几乎没有响应甚至没有响应。图10证实了这一点，此处的稀脉冲和浓脉冲的持续时间加倍到 10秒。对于这种情况，催化剂中二氧化铈的氧化态的改变(以以从左上角到右下角绘制的阴影线显示)延伸到其中对TE₁₁₃模式的响应最小的区域以外，并且观察到大得多的相对的TE₁₁₃响应。因此，通过与催化剂内预期的电场分布的认知相结合而对所述模式的相对响应进行比较，可确定对稀-浓气体脉冲的反应沿催化剂轴线长度发生的位置。

除监测谐振模式的响应的相对差异以确定二氧化铈的反应在催化剂内发生的位置之外，还可以检测其中一个模式的响应以推断催化剂内二氧化铈的平均氧化态。对于这一点，可以使用TE₁₁₁模式(但是也可使用其他模式)。如图6C 所示，该模式示出了随时间近似线性的变化，这是因为完全氧化的催化剂通过浓气体阶梯变化而被还原。当催化剂被完全氧化时(例如，图6C 中 t＝300秒之前)和当其被完全还原时(例如，图6C 中t＝360秒之后)的谐振频率的认知可以允许确定催化剂的平均氧化态。例如，测量的介于完全氧化和完全还原中间的频率可指示催化剂中的储氧(例如，从稀状态)已被平均还原50％。然而，仅使用一个谐振频率值无法表示储氧是如何沿着催化剂轴线分布的(例如，前半部分是否被还原，后半部分是否被氧化)。

上述的多模RF信号可以用于测量和控制TWC的储氧。当与现有的氧传感器一起使用时，该技术可以提供潜在的优势：在TWC下游发生不希望的排放之前，检测空气/燃料扰动在λ＝1附近的不希望的偏差。这可以通过使测量的谐振频率与TWC的氧装载状态相关联而实现。然而，一个潜在的问题是每个模式的谐振频率可以随温度漂移。另一个潜在的问题是催化剂的总储氧可以随时间改变(例如，“老化”)，因此在其全储氧状态和耗尽储氧状态两者下的谐振频率随时间改变。谐振频率也可由于谐振室的反射表面的小扰动而漂移。对幅度和持续时间对称的稀/浓气体脉冲的相对响应表明在催化剂的前部内发生反应。然而，上述的问题可能使得难以确定TWC的剩余部分内二氧化铈的氧化态。

如图11所示，TE₁₁₁模式的谐振频率随催化剂温度的升高而降低。示出了氧化的情况(例如，当放置在稀气体中持续较长的时间时)和还原的情况 (例如，当放置在浓气体中持续较长的时间时)两者的数据。稀状态和浓状态二者的频率均随温度降低，它们的差值(例如，稀状态的频率–浓状态的频率)随示出的范围的温度稍微增加。在图11示出的示例中，在450℃至600 ℃范围内还原状态(例如，浓状态)频率的变化与在450℃处从稀状态到浓状态的变化可进行比较。在2.52GHz和520℃处的点40表示二氧化铈的平均氧化态为约50％的状态(假设对于TE₁₁₁模式从稀状态到浓状态的频率变化为线性变化)。温度的不确定性以及完全氧化的状态和完全还原的状态两者的频率如何随温度变化的认知的不确定性可导致TWC中二氧化铈的平均氧化态的估计的误差。

除谐振频率随温度变化之外，催化剂的总储氧可以随时间变化(老化)。这可能导致在其全储氧状态和耗尽储氧状态下的谐振频率的变化。图12示出了TE₁₁₁谐振模式对t＝150秒附近开始的从稀气体到浓气体阶梯变化 (λ＝1.04→λ＝0.96)的响应。示出了新的催化剂(实线)和烘箱老化的催化剂(虚线)二者的数据。在示出的示例中，由于具有较少的储氧(较少的二氧化铈)，因此烘箱老化的催化剂达到其还原态的时间比新的催化剂达到其还原态的时间少约20秒。由于稀状态和还原态的频率随老化而变得不太确定，对储氧容量(和剩余的分数量)的认知也是如此。这些影响可使确定已使用多少储氧以及TWC中剩余多少储氧的能力变得复杂化。

除由于温度和老化导致的变化之外，谐振频率还可由于谐振室的反射表面的扰动而漂移。虽然没有示出示例，然而已经表明，谐振频率可以被谐振腔的几何形状的微小变化所影响。例如，图11示出的频率可以被谐振腔端部的金属网筛的翘曲所扰动。虽然可以使谐振腔的几何形状更稳健或更一致，但是问题指向于在使特定模式(例如，TE₁₁₁)的谐振频率与TWC的二氧化铈的氧化态相关联的方法方面的困难。

图8至图10中所示的对于对称的L/R(稀/浓)调制的相对响应指示由于调制而导致的储氧反应发生在TWC的前部内，位于TE₁₁₃模式灵敏度低的区域。然而，关于催化剂的剩余部分的可靠信息可以因上文指出的“噪声”因素而变得复杂。所公开的系统和方法可以包括引入一个或更多个独特的或改变的稀/浓脉冲并监测RF响应。这可以提供关于催化剂的剩余部分的状态的信息。这种技术可以不依赖于在催化剂的平均氧化态谐振频率之间的相关性的准确度，如参照图11所讨论的方法。相反，所公开的技术可依赖于谐振模式之间频率的相对变化，诸如在引入独特的或改变的A/F脉冲期间监测模式的频率如何相对于彼此改变(例如，增加、减小或保持不变)。

所公开的技术的效用的示例在图13所示的TWC氧化态中可见。在此示例中，预期的状态是二氧化铈在整个催化剂长度上被还原的浓气体偏差状态。这可以实现以例如改善NOx排放。然而，在图13所示的示例中，A/F调制中存在未知和不希望的稀偏差。该稀偏差可以沿催化剂50的轴线(例如，从图的左边到右边)缓慢地氧化催化剂50。在图13所示的示例中，氧化部分 52覆盖催化剂的大约第一半，还原部分54形成第二半。对几乎对称的A/F 调制(例如，时间和幅度相等的稀脉冲和浓脉冲)的RF响应将类似于图9 示出的响应，指示(由于循环的A/F调制导致的)循环反应发生在催化剂的前部。每个模式的平均频率的向上漂移可以指示缓慢地氧化催化剂的稀偏差的存在，然而，如之前所描述的，这可被误解为温度降低(例如，图11)。

所公开的用于确定例如图13所示出的稀偏差的存在的方法或技术可包括使用如图14示出的A/F脉冲时序的变化。在图14示出的实施例中，将单个双宽度的空气/燃料调制脉冲60插入到对称均匀的A/F脉冲流62中。对称脉冲的每半个周期的持续时间示出为T，而插入于对称脉冲的单个双宽度脉冲的半个周期的持续时间示出为2T。参照图15，示出了TE₁₁₂和TE₁₁₃模式对放置在对称均匀的A/F脉冲流中的单个双宽度空气/燃料脉冲的示意性相对响应。在图15中，单个双宽度脉冲以稀脉冲开始(例如，2T的稀脉冲之后为2T的浓脉冲)。然而，如将在下文描述的，独特的脉冲可以以浓脉冲开始。由于催化剂的氧化的前部分的存在，在单个双宽度稀脉冲的第二半64期间 TWC的氧化可发生在进一步的下游，在氧化区域和还原区域的边界处以及 TE₁₁₃模式灵敏的区域中。因此，仅对于此部分而言，观察到TE₁₁₃模式的频率响应的增加的阶梯变化。因为在此中心区域中TE₁₁₂模式几乎没有响应，所以对于单个双宽度稀脉冲的第二半64而言显示几乎没有响应。随后的双宽度浓脉冲66还原催化剂的前部中氧化的二氧化铈，并且通过TE₁₁₂模式而不是 TE₁₁₃模式可以看出。

所公开的方法/技术可以适用于在多个催化剂的氧化态之间进行识别或区分。图16示出了四个常见的示例性情况。为了本公开的目的，可以假设 TWC的前部通过对称均匀的稀/浓气体调制被交替地还原和氧化。在此所述的四个示例性情况可描述催化剂的越过该前部区域的剩余部分：催化剂被完全氧化，这可以是由于A/F调制中的长期稀偏差导致的(#1，左上)；催化剂被完全还原，这可以是由于A/F调制中的长期浓偏差导致的(#2，右上)；A/F调制中的浓偏差，还原之前氧化的催化剂(#3，左下)；A/F调制中的稀偏差，氧化之前还原的催化剂(#4，右下，也示出在图13和图15中)。

图17和图18示出了TE₁₁₂模式和TE₁₁₃模式对放置在对称均匀的A/F调制序列72中的单个双宽度A/F脉冲70的射频响应。示出了关于图16中所述的四种情况的实验数据。双宽度脉冲出现在每个图中所示的盒状区域，并且图中的数据来自于对在催化剂的入口处具有550℃气体温度的TWC进行的测量。对于图17示出的单个双宽度脉冲70(其开始是2T的稀脉冲然后是2T 的浓脉冲，别处的半周期是T)，情况#1和情况#4给出独特的响应，在图18 中示出。状态#2和状态#3给出类似的响应(如圆圈所示)，虽然与情况1和情况4不同，但是这两个响应无法用于在这两者之间进行区分。

图19和图20示出了关于这四种情况的类似的RF响应(图20)，但针对的是插入单个双宽度A/F脉冲80(首先以2T的浓脉冲开始，然后是2T的稀脉冲(图19))。对于这种脉冲序列，情况#2和情况#3给出独特的响应，而状态#1和状态#4给出相似的响应。参照图21和图22，已经找到对于这四种情况产生独特的响应的技术。如图21所示，可将两个单个双宽度A/F脉冲放置在对称均匀的A/F调制序列中。在示出的实施例中，第一双宽度脉冲90以稀脉冲开始，第二双宽度脉冲92以浓脉冲开始。然而，可以颠倒顺序使得第一脉冲以浓脉冲开始，第二脉冲以稀脉冲开始。如图22所示，可使用该方法唯一地识别所有四种情况。

虽然所公开的技术在上文被描述为将单个双宽度空气/燃料调制脉冲包含在A/F调制脉冲流中以用于确定催化剂的氧化态的目的，但是可以包含其它独特的或改变的脉冲。在一个实施例中，独特的脉冲可以具有与原始的、计划的或均匀的脉冲序列不同的任何脉冲宽度。例如，如果均匀的脉冲的宽度为T，那么独特的或改变的脉冲宽度可以是1/3T、1/2T、2T、3T、4T等。在另一实施例中，独特的或改变的脉冲可以具有与其它脉冲相同的宽度/持续时间，但具有不同的幅度。例如，可将单个λ＝1±2Δ脉冲插入到λ＝1±Δ调制序列中，而所有的稀脉冲和浓脉冲具有相同的持续时间(例如，T)。与改变脉冲宽度类似，也可以使用其它的幅度变化，诸如1/3Δ、1/2Δ、3Δ、4Δ等。

此外，如果有两个相反的改变的脉冲被引入到调制序列中，则它们不必是镜像。如果第一改变的脉冲具有2T的宽度并以稀脉冲开始，则以浓脉冲开始的第二改变的脉冲不必也具有2T的宽度。例如，第一改变的脉冲可以具有 2T的宽度，第二改变的脉冲可以具有3T、4T或其它的宽度。类似地，如果第一改变的脉冲具有λ＝1±2Δ的幅度并以稀脉冲开始，则以浓脉冲开始的第二改变的脉冲不必也具有λ＝1±2Δ的幅度。例如，第一改变的脉冲可具有λ＝1±2Δ的幅度，第二改变的脉冲可具有λ＝1±3Δ、λ＝1±4Δ或其他的幅度。在至少一个实施例中，通过改变脉冲宽度和/或幅度，λ仍然可以平均为1。在一个实施例中，每个独特的或改变的脉冲可以是对称的(例如，如果宽度是2T，那么稀脉冲为2T，浓脉冲为2T，反之亦然)。在另一实施例中，改变的脉冲可以是不对称的。例如，就图13和图14而言，第一脉冲的初始稀部分可具有T的宽度，后续的浓部分的宽度可具有1/n*T(其中，n是整数)的宽度。这之后可以是T的稀宽度和(2-1/n)*T的浓宽度。

所公开的将至少一个独特的或改变的脉冲插入到调制序列中的技术和方法可以利用两种效应。第一，不同的RF谐振模式在催化剂的长度上具有不同的灵敏度。第二，通过以特定方式有目的地改变A/F调制，某些反应从催化剂的前部移动到轴向轮廓更深的区域，在该区域RF模式的灵敏度是不同的。因此，在A/F调制扰动期间模式相对于彼此的相对变化可以被检测和分析。随着对A/F比进行调制，当与其他模式相比时，某一模式的频率的相对变化可用于确定催化剂的轴向氧化分布。例如，通过在A/F调制期间监测TE₁₁₂模式和TE₁₁₃模式的频率，可以分析每个频率是否增加、减小或者保持不变，并且可以比较它们的行为。

与频率的实际值不同的相对变化(这可以用于频率值和储氧之间的关系中)可以用于所公开的方法或技术中以确定TWC的氧化态。所公开的方法/ 技术可以克服由温度、小的几何形状改变和/或老化引起的问题，所有这些因素都可以影响谐振频率值和储氧的相关性的准确度。一旦已确定催化剂的氧化态，便可改变A/F比以校正不希望的偏差(如果存在的话)。

图23示出了执行所公开的方法的流程图100的示例。在步骤102中，可为例如车辆发动机的内燃发动机(ICE)设置空燃(A/F)比。A/F比可具有在可被称为λ＝1.0的化学计量混合物处或其附近的平均值，其中，浓混合物为λ<1.0，稀混合物为λ>1.0。A/F比可被调制使得其在λ＝1.0之上和之下交替。所述调制可以是脉冲的形式，其中，A/F比大于λ＝1.0持续一定时间段(脉冲宽度)，然后小于λ＝1.0持续一定时间段。可以存在脉冲或调制序列，其中多个脉冲接连出现。该序列可具有均匀或规则的脉冲宽度和/或幅度(例如，在λ＝1.0之上和之下Δ)。如上所述，规则脉冲的宽度可以是T，幅度可以是λ＝1±Δ。

在步骤104中，可将相比于规则脉冲改变或独特的脉冲插入到调制序列 (例如，规则的或均匀的序列)中。改变的脉冲可以具有不同于规则脉冲的宽度和/或幅度。在一个实施例中，规则脉冲可以具有宽度T，改变的脉冲可以具有小于或大于T的脉冲宽度。改变的脉冲的脉冲宽度可以是T的倍数，例如2T、3T、4T或更多。然而，脉冲宽度可比T大任何量，诸如1.5T或2.5T 或T+1、T+2等。在另一实施例中，规则脉冲可以具有λ＝1±Δ的幅度，改变的脉冲可以具有小于或大于λ＝1±Δ的幅度。改变的脉冲的脉冲幅度可以是Δ的倍数，诸如2Δ、3Δ、4Δ或其它。然而，脉冲幅度可比Δ大任何量，诸如1.5Δ或 2.5Δ或Δ+1、Δ+2等。独特的或改变的脉冲还可以包括脉冲宽度和脉冲幅度均有所改变。独特的或改变的脉冲可以以稀脉冲或浓脉冲开始(例如，首先为浓脉冲然后为稀脉冲，或者首先为稀脉冲然后为浓脉冲)。

在步骤106中，可将第二改变的或独特的脉冲插入到调制序列中。虽然第二改变的脉冲可以提供关于催化剂的状态的更大的确定性，但是在某些实施例中可以省略步骤106。在一个实施例中，第二改变的脉冲可以是第一改变的脉冲的相反或镜像脉冲。例如，如果第一改变的脉冲以稀脉冲开始并且具有2T的脉冲宽度，则第二改变的脉冲也可以具有2T的脉冲宽度但可能以浓脉冲开始。图21中示出了这样的示例。第二改变的脉冲不必是第一改变的脉冲的相反或镜像脉冲。然而，第二脉冲可能以与第一脉冲相反的A/F混合物开始(例如，如果第一脉冲以浓脉冲开始，则第二脉冲可能以稀脉冲开始，或反之亦然)。例如，如果第一改变的脉冲以稀脉冲开始并且具有2T的脉冲宽度，则第二改变的脉冲可以以浓脉冲开始并具有3T的脉冲宽度。虽然上文参照脉冲宽度的变化进行描述，但是相同的变化可应用于脉冲幅度(或两者的组合)。在至少一个实施例中，总的平均A/F比可因改变的脉冲而保持不变。例如，每个脉冲可以是对称的，使得其浓脉冲和稀脉冲具有相同的宽度和幅度。

第一和第二改变的脉冲可以在同一调制序列内执行，或者它们可以在不同的序列期间执行(例如，在由于关闭ICE而隔开的序列期间)。如果改变的脉冲在同一调制序列期间执行，则它们可被至少一个常规或规则脉冲(例如，宽度为T且幅度为λ＝1±Δ的脉冲)隔开。多个规则脉冲的隔开可以使频率之间的比较更容易，并使氧化态之间的区分更清晰。此外，虽然流程图100示出了第一改变的脉冲和第二改变的脉冲，但是也可以引入另外的改变的脉冲 (例如，第三、第四、第五或更多改变的脉冲)。另外的改变的脉冲可以是之前的改变的脉冲的重复。例如，可以有四个改变的脉冲，它们是两组第一和第二改变的脉冲。可替代地，另外的改变的脉冲可以与第一和第二改变的脉冲不同。另外的脉冲的数量可以是偶数，使得改变的脉冲成对。这可允许每对脉冲中的一个以稀脉冲开始，另一个以浓脉冲开始。例如，如果第一和第二改变的脉冲使用2T的较宽脉冲，则第三和第四改变的脉冲可以具有3T的脉冲。另外的脉冲可允许(下文更详细描述的)分析得以证实(例如，如果重复相同的脉冲)或者更准确或更稳健(例如，如果另外的脉冲是不同的)。

在步骤108中，至少在改变的脉冲和多个常规或规则脉冲出现期间可以监测、分析和比较谐振模式的频率。谐振模式可以是横向电谐振模式(TE模式)，其可以称为TE_lmn。该方法/技术已经参照T_11n模式被公开，其中，最后一个因子“n”是沿谐振腔的轴向尺寸的半波长的数量(如上所述)。然而，也可以使用其它谐振模式，诸如T₂₁₁或T₂₁₂。公开的示例集中于对T₁₁₂模式和T₁₁₃模式进行比较。再次，然而也可以使用其它T_11n模式，诸如T₁₁₁或T₁₁₄。

被选择为被监测和比较的谐振模式可以根据TWC和/或谐振室的长度、 TWC的预期氧化态或其他因素而变化。如上所述，该模式对在电场的“零点”处或附近的氧化态的变化可变得不灵敏。因此，模式可以被选择为使得在将被分析的催化剂的至少一部分上，至少一个模式不灵敏，至少一个模式灵敏。虽然所公开的示例比较和分析了两种模式，但是可以分析更多模式，诸如三个、四个或更多个模式。例如，可以比较和分析模式T₁₁₁、T₁₁₂和T₁₁₃。分析更多数量的模式可以对催化剂反应发生的位置提供更准确的指示。例如在图 15中，如果TE₁₁₁连同TE₁₁₂和TE₁₁₃一起被包含，那么在标为64的部分期间反应的位置会更可信，因为TE₁₁₂模式将保持平坦，但TE₁₁₁和TE₁₁₃模式不会。另一示例可以是如果TE₁₁₅也包含在内(参见例如图7B 至图 7C )。例如，如果在部分 64期间TE₁₁₅是平坦的而其他模式不是，则在64期间的反应区域是在两个区域中的一个，图7C 中12cm附近或17cm附近。在时间间隔64期间分析其他模式的数据可以允许确定哪个区域。例如，如果64足够长，则TE₁₁₂响应的下降斜率和TE₁₁₃的上升斜率将表明在64期间的反应是在12cm附近。相反，上升的TE₁₁₂斜率和下降的TE₁₁₃斜率将表明在64期间的反应是在17cm附近。

至少两个模式的频率响应的比较和分析可以允许确定催化剂的氧化态。所述比较可以允许定性地测定催化剂是否被完全氧化、被完全还原、在氧化的催化剂上具有浓偏差或者在还原的催化剂上具有稀偏差。基于对模式的比较，反应的位置也可以被确定为在一定距离范围内(例如，基于灵敏区域，诸如图7C中示出的)。

在步骤110中，可基于频率响应的分析调节A/F比。如果只将单个改变的脉冲引入到调制序列中，那么只有某些氧化态可被确切地知道。例如，如图17和图18所示，如果引入先稀后浓的脉冲，那么可以确定催化剂被完全氧化或是被还原且伴随以稀偏差。如果引入先浓后稀的脉冲，那么可以确定催化剂被完全还原或是被氧化且伴随以浓偏差。然而，如果执行两个或更多个脉冲，则可以确定这四种情况中的任何情况。

基于对谐振频率响应的分析，如果所确定的情况不是预期的情况(或者由于任何其他原因)，则可以调节A/F比。可调节A/F比以校正或产生/增加偏差，诸如稀偏差或浓偏差。例如，如果检测到稀偏差并期望校正、减小或消除它，则可以(单独或组合地)采取若干非限制性措施。可以减少稀循环的时间(例如，脉冲宽度小于T)，且/或可以增加浓循环的时间(例如，脉冲宽度大于T)。可在浓循环期间喷射更多的燃料(例如，在浓循环期间增加Δ)，且/或可在稀循环期间喷射更多的燃料(例如，在稀循环期间减小Δ)。也可以进行这些变化的任何组合。

如果存在浓偏差并且期望校正、减小或消除它，则可以采取相反的措施。可以增加稀循环的时间(例如，脉冲宽度大于T)，且/或可以减少浓循环的时间(例如，脉冲宽度小于T)。可以在浓循环期间喷射更少的燃料(例如，在浓循环期间减小Δ)，且/或可以在稀循环期间喷射更少的燃料(例如，在稀循环期间减小Δ)。也可以进行这些变化的任何组合。

如果不存在偏差并期望偏差，或者如果有偏差并期望其增加，则可以采取类似的措施。例如，为了增加浓偏差，可以采取与存在不希望的稀偏差类似的措施(例如，减少稀循环时间，增加浓循环时间，在浓循环期间喷射更多的燃料，和/或在稀循环期间喷射更多的燃料)。为了增加稀偏差，可采取与存在不希望的浓偏差类似的措施(例如，增加稀循环的时间，减少浓循环的时间，在浓循环期间喷射更少的燃料，和/或在稀循环期间喷射更少的燃料)。

可使用如同图2和图4(或其组合)所示的系统执行所公开的方法/技术，但是本领域技术人员将认识到，基于本公开，可以进行改变或可以使用其它系统。该系统可包括(TWC)上游和下游的氧传感器。催化剂(例如，TWC) 可以位于谐振室内，所述谐振室可以是圆柱形、盒形(例如，矩形棱柱)或大致是圆柱形或盒形。当然，也可以使用其它的谐振室形状。可将网筛放置在谐振室的每个端部以允许气体流过但包含并反射电磁能。网筛可以由任何合适的材料形成，并且具有任何适当的形式来执行该功能，诸如金属网筛。可以将一个或更多个天线设置在谐振室内。天线可以是电绝缘的金属天线。如果有一个天线，则它可以在TWC的上游或下游。如果有多个天线，则可将至少一个置于TWC的上游并将至少一个置于TWC的下游。天线可被配置为发射和/或检测射频电信号(例如，3kHz至300GHz)。天线可以连接到网络分析器，网络分析器可以控制发射的RF信号并检测反射的RF信号。网络分析器可以被配置或编程为改变天线的频率。网络分析器可以包括处理器和存储器(例如，暂时性和/或非暂时性存储器)，并且可以被编程为分析反射的RF信号。可替代地，网络分析器可以连接到包括处理器和存储器的另一计算机，所述计算机可以被编程为分析反射的RF信号，或者对应于该信号的数据可被存储以供这样的计算机以后分析。

虽然以上描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。此外，各个实施的实施例的特征可以组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims

1.一种控制空燃比的方法，包括：

将射频信号引入到包括催化剂的谐振室中；

对催化剂上游的发动机空燃比进行调制以产生均匀脉冲和与均匀脉冲不同的至少第一改变的脉冲的序列；和

在所述序列期间对射频信号的两个或更多个谐振模式的频率响应进行比较以确定催化剂的氧化态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述序列包括两个改变的脉冲。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，一个改变的脉冲以稀部分开始，另一改变的脉冲以浓部分开始。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一改变的脉冲的脉冲宽度大于均匀脉冲的脉冲宽度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，第一改变的脉冲的脉冲幅度大于均匀脉冲的脉冲幅度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，改变的脉冲的平均空燃比与均匀脉冲的平均空燃比相同。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较步骤包括：在所述序列期间对至少三个谐振模式的频率响应进行比较。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定催化剂的氧化态包括：确定催化剂是否被完全氧化、被完全还原、被氧化且伴随以浓偏差或者被还原且伴随以稀偏差。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于所述比较步骤调节空燃比。