CN107084034A - 用于预测传感器响应时间的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于预测传感器响应时间的方法和系统。独立于PM传感器上的实际的或预测的烟尘负荷，提供一种用于预测微粒物质(PM)传感器的响应时间以及根据完成的响应时间预测重置PM传感器的方法和系统。可以利用基于时间的多项式函数和传感器输出拟合在稳态交通工具操作期间收集的烟尘累积数据，并且即使全部的信号是有噪声的，也可以从曲线拟合估计再生调节。

Description

用于预测传感器响应时间的方法和系统
技术领域
本描述通常涉及用于预测微粒物质(PM)传感器的响应时间的方法和系统。
背景技术
内燃发动机可以产生诸如能够被排气到大气的烟尘和浮尘的微粒物质(PM)和污染物。各种技术已经被开发用于在排气被释放到大气之前过滤这种PM。作为示例，为了提高排放适应性，可以在发送机排气系统中包括微粒过滤器(PF)。一个或多个PM传感器(还被称为烟尘传感器)可以位于微粒过滤器(PF)的上游和/或下游，并且可以被用于感测过滤器上的PM负荷、调节过滤器的再生和/或诊断过滤器的功能。
当包括时，PM传感器可以被用于基于在传感器元件处的电流和/或电导的测量变化和沉积在元件上的PM的量之间(诸如，在配对测量电极之间)的相关性来感测夹带在排气中的PM的浓度和/或通量。因此，一旦烟尘累积信号强度达到阈值，则需要周期性地再生和重置PM传感器。在其之后传感器可以被再生和重置的传感器信号达到阈值所需要的时间被称为传感器的响应时间。这个响应时间与排气中的PM浓度成反比。为了满足排放规定，PM传感器被要求间歇性地再生和重置(例如，在每个排放测试循环内至少一次)。此外，为了满足排放标准，对于发动机控制器可能期望的是每驱动循环收集最大数量的传感器响应时间信号(例如，针对联邦测试程序循环，每18分钟至少4个)。
由Min Sun在US 9,032,719中示出的一个示例方法公开了基于烟尘累积重置PM传感器的方法。其中，PM传感器电流可以随着该传感器上的烟尘的沉积而增加。在一段时间(被称为传感器的响应时间)之后，PM传感器电流可以达到与传感器上烟尘负荷达到阈值负荷的相关的阈值。此时，再生和重置该PM传感器。
然而，发明者已经认识到的是PM传感器可能易于受到来自存在于排气和/或水滴中的较大微粒物的冲击的污染，因此影响PM传感器灵敏度并且导致电流测量和PM传感器再生方面的误差。这种有误差的数据可能不能反映排气中的实际烟尘浓度，并且因此不应该用于确定传感器响应时间和微粒过滤器效率。由于噪声的重复发生，因此大量的数据可能不能被用于PM传感器操作并且需要被丢弃。在缺少实际响应时间的情况下，来自平均响应时间的烟尘浓度计算可能具有降低的精确性。对于短驱动，由于在给定驱动循环中缺乏时间，因此可能不存在烟尘浓度的足够测量。由此，这个降低了烟尘监测系统的精确度。例如，对于微粒过滤器下游的烟尘传感器，如果平均响应时间高于实际响应时间，则烟尘将被低估，从而可能未能检测烟尘经过有故障的过滤器泄露到排气流中，并且不利地影响排放质量。同样，可能不能检测过滤器的劣化(例如，由于高烟尘泄露)。此外，通过丢弃大量的数据，在给定驱动循环中可能难以满足完成车载诊断和满足目标完成率(target completionratio)的要求。
发明内容
发明者在此已经识别出一种方法，通过该方法可以至少部分地解决以上描述的问题。一种示例方法包括在传感器噪声低于阈值时，收集发动机操作期间的排气烟尘传感器数据；将基于时间的曲线拟合(fitting)到收集的数据；基于曲线拟合预测传感器响应时间；以及响应于所述曲线拟合高于阈值，独立于所述传感器的烟尘负荷而再生烟尘传感器。按照这种方式，可以提高PM传感器诊断的完成率。同样，通过使用所预测的传感器输出，可以估计排气中的烟尘浓度和/或烟尘通量。
作为示例，在一段时间上收集对应于微粒物质(PM)传感器上的烟尘累积的电流信号。在噪声PM传感器电流信号的情况下(也就是，在出现大于信号强度的阈值变化的变化时)，所累积的数据不被用于确定实际烟尘响应时间。用于再生PM传感器的响应时间(当传感器上累积的烟尘负荷达到阈值时)可以从所累积的信号中的至少一部分进行预测。实际响应时间可以对应于PM传感器的一个再生事件的结束和紧接随后的再生事件的开始之间(在其之间中不具有其它再生事件)流逝的时间的持续时间。由此，在稳态驱动状况期间，PM传感器信号可以较少噪声的，并且传感器噪声在交通工具瞬变期间可以倾向于较高。因此，在稳态状况期间累积的全部信号的至少一部分可以被用于预测传感器的响应时间。由此，甚至可以在所累积的信号达到预定再生阈值之前执行预测，并且可以较早地进行传感器浓度测量。多项式(二次)可以被用于拟合从在稳态状况期间累积的数据中产生的图形(plot)。甚至在实际信号达到阈值之前，响应时间也可以通过外推拟合到累积图形的曲线来预测。此外，二次拟合的线性项可以被用于估计PM传感器上的烟尘浓度，其还被用于预测烟尘水平达到阈值所需要的时间(响应时间)。可以通过将图形的确定系数(R2)与阈值进行比较来估计二次拟合的质量，并且如果R2值高于阈值(也就是，该拟合是足够可靠的)，则传感器响应时间可以通过将二次拟合外推到累积图形来进行预测并且进行存储。所预测的响应时间可以被用于更新PM传感器的平均响应时间。一旦已经累积足够的数据以实现可靠的响应时间的预测，就可以立即再生PM传感器以及重新开始新数据集的收集。具体地，可以独立于实际的和/或预测的响应时间再生传感器。如果R2值低于阈值(即，拟合是不可靠的)，并且如果响应时间非常长或非常短，则可以丢弃数据集。然后可以再生和重置PM传感器以在预定响应时间处开始另一轮的累积。预定响应时间可以基于平均响应时间，或基于自传感器的最近再生以来流逝的持续时间。
按照这个方式，通过依赖于在当传感器噪声较低时的状况期间(诸如在稳态状况期间)累积的信号，可以计算PM传感器烟尘浓度并且即使全部传感器信号(例如，在驱动循环内)是有噪声的也能够调节再生。通过将二次拟合应用于从稳态状况期间累积的烟尘传感器数据中生成的图形来预测PM传感器的响应时间，可以提高PM传感器测量的响应时间的精确度。通过将较大部分的累积信号用于响应时间预测(并且丢弃较小部分)，诊断可以在驱动循环内被完成，而不降低估计响应时间的精确度。通过预测响应时间和再生PM传感器，一旦累积了用于实现可靠的预测的足够数据，新的数据集收集就就可以开始，而不必等待实际的和/或预测的响应时间。结果，可以在每一驱动循环收集较大数量的传感器响应时间信号，从而提高传感器的完成率。使用到累积图形的二次拟合的技术效果是烟尘累积还可以从所拟合的数据的线性项进行估计。通过使用这两种技术(也就是，通过将二次拟合外推到累积图形和通过使用相同拟合的线性项)来从到烟尘累积图形的拟合中估计传感器上的烟尘负荷，有可能提高平均信号的精确度，并且因此可以提高烟尘浓度测量的精确度。例如，可以使用经由第二方法获悉的响应时间确认经由第一方法获悉的响应时间。同样，更精确的预测响应时间可以替代对于给定驱动循环可能是不精确的实际响应时间被用于传感器烟尘浓度测量。通过将较大比例的累积信号用于响应时间预测，在排放测试循环(诸如联邦测试程序循环)中完成至少一次PM浓度测量的可能性被增大，从而提高发动机排放适应性。将理解的是，使用到在传感器处累积的信号的一部分的二次拟合来预测传感器响应时间的方法可以相似地被用于存在于交通工具中的多个不同传感器。
应该理解，提供上述发明内容以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的所选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，所述主题的范围由随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述或本公开任何部分提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出发动机和定位在排气流中的相关联的微粒物质(PM)传感器的示意图。
图2示出图1的PM传感器的示例实施方式。
图3示出说明可以被实现用于预测PM传感器的响应时间的方法的流程图。
图4示出二次曲线到在稳态发动机操作期间累积的PM传感器信号的示例拟合。
图5示出基于测量和预测响应时间的PM传感器的示例再生。
具体实施方式
以下描述涉及用于预测微粒物质(PM)传感器的响应时间和重置该PM传感器的系统和方法。在这个示例中，PM传感器被耦连到诸如图1所示的发动机系统的发动机系统。PM传感器可以被耦连到微粒物质过滤器的上游和/或下游的排气通道。由于PM在空气中的呼吸危害，因此PM传感器被用于测量在任何燃烧排气中的传导烟尘微粒的浓度和/或流量。在图2中示出耦连到排气通道的PM传感器的详细描述。在汽车工业中使用PM传感器的一个示例是用于控制或诊断汽车的规定PM排放的排放。发动机控制器被配置为执行诸如图3的示例例程的控制例程，以基于在稳态驱动状况期间获得的烟尘累积信号来预测PM传感器的响应时间。如图4所说明的，二次曲线可以被拟合到累积的PM传感器信号并且被用于响应时间预测。图4中示出基于完成响应时间预测的PM传感器再生的示例。以此方式，在稳态交通工具操作期间收集的PM传感器信号可以被用于预测传感器的响应时间，以及可以更新平均响应时间并且可以在每一驱动循环收集最大数量的传感器响应时间以满足联邦标准。
图1示出交通工具系统6的示意性描述。交通工具系统6包括发动机系统8和(一种可能的情况)微粒物质(PM)传感器和系统。发动机系统8可以包括具有多个汽缸30的发动机10。发动机10包括发动机进气装置(intake)23和发动机排气装置(exhaust)25。发动机进气装置23可以可选地包括经由进气通道42流体地耦连到发动机进气歧管44的节气门62。发动机排气装置25包括最终通向将排气传送到大气的排气通道35的排气歧管48。发动机排气装置25可以包括一个或多个排放控制装置70，其可以被安装在排气中的紧密耦连位置。一个或多个排放控制装置可以包括三元型催化剂、稀NOx捕集器、SCR催化剂等。发动机排气装置25还可以包括定位在排放控制装置70上游和/或下游的微粒过滤器(PF)102，其暂时地过滤来自进入气体的PM。PF 102可以具有由例如多孔堇青石或多孔碳化硅组成的结构，其内部带有多个通道用于过滤来自柴油排气的微粒物质。
在穿过PF 102之后，已经被过滤PM的尾管排气可以在PM传感器106中进行测量并且在排放控制装置70中进一步处理以及经由排气通道35排出到大气。除了PM传感器106之外，另一个PM传感器105可以被耦连到PF 102上游的发动机排气装置25。在所描述的示例中，PM传感器105和106是电阻式传感器，其基于在PM传感器的传感器元件两端测量的电导估计PF 102过滤效率。测量的电导被用于计算尾管PM排放和PF 102效率。PM传感器105可以被用于测量PF 102上游的烟尘浓度并且提高PF效率计算和/或确定PF烟尘负荷，以允许调节PF再生。可替换地，PM传感器105可以单独地被用于计算PM尾管排放。在图2示出(多个)PM传感器105和/或PM传感器106的示意视图，如以下进一步详细地描述。
由于微粒过滤的失效而逸出PF 102的烟尘负荷可以被沉积在PM传感器106的电极上。响应于烟尘累积信号强度达到预定阈值，需要再生和重置PM传感器。PM传感器信号达到阈值所需要的时间被定义为PM传感器的响应时间。在一个示例中，在瞬变发动机操作期间和/或由于传感器元件上的大烟尘微粒或水滴的冲击，烟尘累积信号可能有噪声的(例如，在信号中带有间歇性的尖峰和/或突降)，从而导致PM传感器响应时间的有误差的估计。在这种情况期间，无噪声的烟尘累积信号的一部分(诸如在交通工具的稳态操作期间累计的信号)可以被用于预测PM传感器响应时间。在稳态操作期间收集的烟尘传感器数据与瞬变发动机操作在共同的(相同的)驱动循环上被收集。因此在任何噪声信号存在的情况下不需要丢弃在驱动循环内收集的整个数据集合。一旦累积了足够可靠的数据并且完成响应时间的预测，则甚至可以在达到实际和/或预测响应时间之前再生和重置PM传感器并且可以开始新的数据集合的累积。关于图3讨论了描述使用在静态操作上累积的数据来预测PM传感器响应时间的示例方法。
交通工具系统6可以进一步包括控制系统14。控制系统14被示出具有接收来自多个传感器16(在本文中描述其各种示例)信息的控制器12以及将控制信号发送至多个致动器81(在本文中描述其各种示例)的控制器12。作为一个示例，传感器16可以包括流速传感器126、排气传感器(位于排气歧管48中，包括温度传感器128、压力传感器129、氧气传感器、NOx传感器、NH3传感器)和PM传感器105和PM传感器106。诸如额外的压力、温度、空气/燃料比、排气流速和组分传感器的其它传感器可以被耦连到交通工具系统6中的各种位置。作为另一个示例，致动器可以包括燃料喷射器66、节气门62、排气门以及分别控制PF和PM传感器的过滤器再生(未示出)的PM传感器控件。控制系统14可以包括控制器12。控制器12可以被配置有存储在非暂时性存储器上的计算机可读指令。控制器12接收来自图1的各种传感器的信号、处理信号、并且采用图1的各种致动器来基于所接收的信号和存储在控制器的存储器上的指令调整发动机操作。本文中参照图3描述的示例例程。图3适用于PM传感器的任何控制，无论烟尘是来自发送机排气还是是来自任何其它来源。
图2示出微粒物质(PM)传感器200的示例实施例的示例性视图。在一个实施例中，PM传感器200可以是图1中的(多个)PM传感器105和106中的一者。PM传感器200可以被配置为测量排气中的PM质量、PM通量和/或浓度，并且由此，PM传感器200可以被耦连至微粒过滤器(诸如图1中示出的PF 102)上游和/或下游的排气通道(例如，诸如图1中所示的排气通道35)。
如图2所示，PM传感器200设置在排气通道235内部，其中排气从柴油微粒过滤器朝向排气尾管流动，如通过箭头246所指示。在另一个示例中，PM传感器200可以被设置在微粒过滤器上游的排气通道235的内部。PM传感器200包括保护管250，其可以用以保护PM传感器200的容纳在其内的PM传感器元件254，并且可以额外地用以重定向在PM传感器元件254的上方的排气流动，如下将解释的。
PM传感器元件254包括形成“梳状”结构的一对的互相交叉的电极220。这些电极通常可以由诸如铂、金、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等的金属或导电陶瓷以及氧化物、粘合剂、合金和包含以上金属或导电陶瓷中的至少一者的组合物来制造。电极220被形成在基板216上，该基板通常由高度电绝缘材料制造。可能的电绝缘材料可以包括诸如氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、二氧化硅以及包含以上的至少一者的组合物的氧化物，或能够抑制电通信并且提供对一对互相交叉的电极的物理保护的任何类似材料。在两个电极的梳“齿”之间的空间可以通常在10微米至100微米的范围中，其中每个单独的“齿”的线宽具有大约相同的值，不过后者不是必须的。如图2所示(在侧视图中)，互相交叉的电极220沿着基板216延伸并且覆盖基板216的部分。
该对互相交叉的电极220中的正电极利用连接导线224被连接到第一电路258的电压源228的正端子。该对互相交叉的电极220中的负电极经由连接导线220被连接到测量装置226，并且进一步被连接到第一电路258的电压源228的负端子。互连导线222和互相连接导线224、电压源228和测量装置226是第一电路258的一部分并且被容纳在排气通道35的外部(作为一个示例，远离<1米)。另外，电路258的电压源228和测量装置可以通过诸如图1的控制器12的控制器进行控制。在一个示例中，代替控制器12，凭借到PM传感器200的适合引线连接的附近专用控制器可以被用于控制PM传感器200，以避免任何杂散电导(strayconductance)。可替换地，专用控制器可以被配置作为控制器12内的控制模块。由此，测量装置226可以是能够读取电极两端的电流变化的任何装置，诸如微安计。在另一个实施例中，装置226可以是伏特计，也能够估计电极两端的电阻的变化。因为在电极220之间沉积了PM或烟尘微粒，所以电极对之间的电阻可以开始降低，这通过由测量装置226测量的电流的增加来指示。控制器12可以能够确定电流并且推测PM传感器200的平面电极220上的对应的PM或烟尘负荷。通过监测PM传感器电极220(在元件254上)上的负荷，可以确定排气烟尘负荷(流动排气246中的PM的浓度)，并且从而被用于诊断和监测PF的健康和功能。另外，可以测量每秒以质量为单位的通量率、每秒的微粒、每秒每体积的质量等。
保护管250可以是具有上游管壁208(例如，上游面对壁)、下游管壁206(例如，下游面对壁)和顶部表面212的中空柱形管。当定位在排气通道235中时，其中PF定位在PM传感器(诸如图1中的PM传感器106)的上游，上游管壁208可以比下游管壁206更接近PF。另外，通过排气通道135流动的排气可以首先接触PM传感器的上游管壁208。顶部表面212可以进一步包括插入部分252，通过该插入部分PM传感器元件254和其附带的电连接件可以被插入到保护管250并且被机械地保持在适当位置，并且该插入部分被进一步密封以保护容纳在PM传感器200内的PM传感器元件254。保护管250可以经由传感器凸起(boss)202和凸起204被安装到排气通道235(图1中的排气通道35)上，使得保护管250的中心轴沿着Y轴，并且还使得保护管250的中心轴通常垂直于排气通道35和通过排气通道的排气流。如图2所示，保护管250延伸到排气通道235的一部分中。保护管延伸到排气通道中的深度可以取决于排气管直径。在一些示例中，保护管可以延伸到排气管直径的大约三分之一至三分之二。保护管250的底部(在210处)可以是直线或可以以形成引入排气流到PM传感器200中的入口的角度切割。PM传感器200还包括远离PM传感器200的入口一定距离定位的出口214。出口214可以包括沿着保护管250的后壁和前壁中的一个或多个定位的单个孔或多个孔(未示出)，或可以存在其它装置以引导流离开保护管250。由此，保护管250的前壁和后壁可以是与上游管壁208和下游管壁206不同的中空柱形保护管250的表面。虽然出口214在图2中被示为椭圆孔，然而可以使用其它形状和尺寸的出口214，而不脱离本公开的范围。
进入排气流246(也被称为进入排气或进入排气气体)指的是PM传感器200上流的排气，其进入PM传感器200的入口210。在一个示例中，排气流246可以是离开PF的排气(在图1中的PM传感器106的情况下)。在另一个示例中，排气流246可以是送入PF的流(在图1中的PM传感器105的情况下)。流动到入口开口210中的排气流247流动到PM传感器200的保护管250中。排气流247可以包括进入排气流246的一部分或代表性样本(即，良好混合部分)。存在于排气流247中的微粒的集合244可以大体上沉积在PM传感器元件254上并且粘附到电极220和间隙表面。排气流251可以是进入排气246的经由出口214离开PM传感器电极的那部分。
当微粒的集合244被沉积在PM传感器元件254特别是在电极220边缘和在非导电性传感器基板216的间隙上时，由于导电PM桥接电极间隙，因此通过测量装置226在第一电路258中测量的电流增加。控制器12可以基于通过测量装置226测量的电流计算PM传感器电极220上的烟尘负荷。当电流达到阈值电流时，可以推测烟尘负荷已经达到阈值负荷。达到这个负荷和电流的时间将与排气246和排气247的烟尘浓度或烟尘通量中的任一者主要成反比。此时，控制器(图1中的控制器12)将存储时间信号并且使用其它传感器(诸如图1中的传感器16)计算PM值。另外，此时基板216和电极220必须被清洁以重新开始PM累积。因此，可以再生PM传感器电极220以清洁具有沉积在它们之上的任何微粒的电极表面。由于排放规定，通常需要PM传感器获得一次初始清洁以及在任何给定排放测试循环(诸如联邦测试程序循环、世界和谐瞬变循环、新欧洲行驶循环)内一个响应时间测量至少一次。循环基于国家和/或管理机构的相应规定在世界各地变化。因此，重要的是精确测量PM传感器响应时间，使得传感器再生可以精确地发生。
PM传感器元件254还包括集成到传感器基板216中的加热元件218，使得热量容易地传递到电极220。加热元件218可以被耦连到第二电路259并且可以包括温度传感器和加热器。形成加热元件218的加热器和温度传感器的可能的材料可以包括铂、金、钯等；以及具有铂/氧化铝、铂/钯、铂和钯导电陶瓷、合金、氧化物以及包括上述材料的至少一种的组合物。加热元件218可以被用于再生PM传感器(即，烧掉烟尘微粒)元件254。具体地，在PM传感器元件254的微粒物质负荷224或烟尘负荷高于阈值时的状况期间，电流可以通过产生热的加热元件218进行循环，该热可以被用于烧掉来自传感器元件254的电极表面的累积的烟尘微粒224。在PM传感器再生期间，控制器12可以使用耦连到第二电路259的外部电压源230提供电流，这是操作电阻式加热元件218(是R的电阻值)所需要的。该方法包括加热电极220表面到足够高的温度以使用排气中的氧气燃烧烟尘微粒。特别地，必须彻底地清洁基板216表面。此外，控制器12可以关闭开关232(耦连到第二电路259)达预定时间(或使用脉冲调制技术)，以使第二电路259完整并且经由电源230将电流(I)施加到加热元件218，从而提升加热元件218的温度(传送的功率是I2R)。可替换地，在电流通过加热元件218时，传感器元件上的烟尘负荷的减小可以通过监测(传感器226的)电流的变化进行估计，并且响应于电流值达到阈值，开关223可以被致动到打开位置，从而指示完成传感器再生。在一个示例中，可以通过耦连到与电路258和电路259相似的额外电路的传感器测量电极220表面的温度。额外电路可以有益于加热器218控制和电极220烟尘导电性测量。可以使用电路259中的电流传感器测量加热器218的电阻。
由于PM的开始负荷将是零或将是已知量，所以通过再生和重置PM传感器200，其可以恢复到更适合用于收集排气烟尘的状况(例如，无负荷或仅部分负荷的状况)。一个传感器再生的结束和另一个传感器再生的开始之间消逝的时间可以被定义为传感器响应时间。响应时间可以不是固定的时间段，而是可以基于影响排气中的烟尘水平、烟尘导电性等的交通工具工况(例如，发动机负荷、速度)、气体温度和燃料质量等进行改变。可以通过控制器12部分地或全部地补偿响应时间的差值。
在一个示例中，由于电极220上的大烟尘微粒和/或水滴的冲击，因此烟尘累积信号可能是有噪声的，例如具有大烟尘薄片、灰尘微粒等。例如，在信号中可能存在突然的尖峰和突降(也就是，高于数据中的阈值变化)。这可能导致PM传感器200响应时间的有误差的估计。在这种状况期间，实际响应时间可以被忽视并且代替地可以使用预测响应时间来更新平均响应时间并且确定排气中的烟尘浓度。具体地，烟尘累积信号(通过装置226记录的电流)的没有噪声的一部分(诸如在交通工具的稳态操作期间累积的信号)甚至在PM传感器元件254的烟尘负荷达到阈值之前可以被用于预测PM传感器200响应时间。二次方程可以被拟合到在稳态操作期间获得的烟尘累积图形(电流)，并且响应时间甚至可以通过在实际信号达到阈值之前外推该曲线拟合进行预测。可替换地，二次拟合的线性项也可以被用于估计传感器烟尘累积速率并且因此估计排气PM浓度。可以平均化从拟合到累积图形的曲线的外推和该拟合的线性项中获得的烟尘负荷和PM传感器响应时间估计，以获得排气中的烟尘浓度的更精确估计。在第一状况期间，响应于曲线拟合高于阈值(确定系数的值，R2)，可以在第一时间开始烟尘传感器再生；并且在第二状况期间，响应于曲线拟合低于阈值，可以在比第一时间更晚的第二时间开始烟尘传感器再生。第一时间可以是曲线拟合超过阈值时的时间，并且第二时间包括自紧接在之前的传感器的再生完成之后消逝的阈值持续时间。在完成响应时间的预测后，可以存储响应时间并且可以再生和重置PM传感器，而不是等待该阈值。
按照这种方式，通过监测位于微粒过滤器下游的PM传感器的沉积率和/或响应时间，即使传感器数据是有噪声的也有可能诊断位于PM传感器上游的微粒过滤器的泄漏。相似地，通过监视位于微粒过滤器的上游的PM传感器，有可能确定PF上的PM沉积的速率。
图1和图2示出具有各种构件的相对定位的示例配置。如果示为彼此直接地接触或直接地耦连，则至少在一个示例中，这种元件可以分别被称作为直接地接触或直接地耦连。相似地，示为彼此邻接或相邻的元件至少在一个示例中可以分别彼此邻接或彼此相邻。作为示例，彼此共面接触放置的组件可以被称作为共面接触。作为另一个示例，彼此分开定位并且在其之间只有空间而没有其它组件的元件在至少一个示例中可以被这样称谓。
图3说明用于基于在稳态交通工具操作期间收集的烟尘累积信号预测耦连到微粒过滤器下游的发动机排气通道的微粒物质(PM)传感器的响应时间的示例方法300。用来实施方法300和本文中包含的方法的剩余部分的指令可以通过控制器(或多个控制器)基于存储在控制器的存储器上的指令并且结合从发动机系统的传感器(诸如参照图1和图2上述的传感器)接收的信号来执行。根据以下描述的方法，控制器可以采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作。在开始该方法之前，可以存在传感器再生、传感器保护操作、诊断检查和校准。
在302处，例程包括确定微粒物质再生是否已经完成。在PM传感器再生期间，将电压从耦连到电路的电压源施加到热耦连到传感器元件的电路(诸如图2中的第二电路259)。控制器可以将耦连到电路的开关(诸如图2中的开关232)致动到闭合位置，从而使电路完整。在闭合开关之后，电路完整并且电流流过电路，加热耦连到传感器元件的加热元件(诸如图2中的加热元件218)。通常地，再生非催化表面需要高于600℃的温度。来自加热元件的热通过烧掉传感器元件特别是电极上累积的烟尘来清洁它们。随后，当传感器电极足够地清洁(诸如当由传感器输出的电流已经下降时)时，控制器可以将开关断开以停止加热加热元件。在一个示例中，开关可以被维持在闭合位置达预定的时间量，该预定时间量是烧掉对应于阈值烟尘累积信号强度所累积的烟尘负荷所需的。在另一个示例中，可以通过检测电流的变化(下降)来估计在传感器元件上的烟尘负荷的降低，并且响应于电流值达到较低阈值，开关可以被致动到断开位置。通过再生PM传感器，可以恢复到更适用于进一步收集排气烟尘的状况(例如，完成无负荷或部分负荷的状况)。将理解的是，当传感器正在再生时，无传感器数据进行收集。如果没有完成再生，则在303处，例程包括通过维持电路闭合(或维持脉冲宽度调制)继续完成传感器再生。
如果传感器再生完成，则可以推测传感器已经准备好烟尘和数据收集。因此，在304处，控制器可以初始收集来自PM传感器的烟尘累积数据。这包括PM传感器中的累积电流测量。可以通过是微粒物质(PM)传感器的电路(诸如图2中的第一电路258)的一部分的装置(诸如图2中的装置226)来实施电流测量。由于在PM传感器元件(诸如图2中的传感器元件254)上的烟尘微粒的累积，可以观察到穿过耦连到传感器元件的电路(诸如图2中的电路258)的电流信号的增加。烟尘累积信号的强度与粘附到传感器元件上的PM微粒的烟尘负荷直接成比例，并且信号强度可以随着PM传感器元件上的烟尘负荷增加而持续增加。烟尘累积负荷信号的强度是通过微安计(诸如图2中的微安计226)测量的电信号。该电信号是取决于保护管(诸如图2中的保护管250)、PM传感器的电极设计、电压、在之前的再生中没有燃烧的残留烟尘、流量、温度和其它因素的增益。电流变化的速率也是烟尘累积的速率的函数。
在306处，可以在开始信号收集的同时开始计时器，以便使控制器能够记录自PM传感器处开始烟尘累积信号收集之后流逝的时间(被称为T0)。这可以是紧接在之前的传感器再生之后的时间。紧接在传感器重置之后收集的PM传感器数据可以被用于传感器的校准或自诊断。存在电流接近于零或在零处的时间段，其中还没有在电极上收集烟尘微粒并且这个时间可以被称为传感器的死区时间(dead time)。在一个示例中，达到1μA阈值的信号强度需要的时间可以是PM传感器的死区时间。从传感器再生的结束开始并且在足够长的时间已经流逝以便电极冷却之后(从T0开始)，达到烟尘负荷的阈值所需的时间(Tref)是传感器的响应时间，在该烟尘负荷的阈值处需要PM传感器再生。可替换地，死区时间可以是没有被用于计算响应时间的时间量。响应时间对于微粒传感器可以不是固定的时间段，而是可以基于影响排气中的烟尘水平的交通工具工况(例如，发动机负荷、速度)、燃料质量和PF效率而改变。由于排放规定，PM传感器被要求在一个排放测试循环(诸如联邦测试程序循环、WHTC、NEDC)中测量PM排放和计量PF效率至少一次。同样，规定要求交通工具驱动循环的某些部分中的PM测量；因此，较快速的测量将提升完成率。
在308处，可以检索烟尘累积信号。例如，控制器可以随着时间的推移记录信号强度随着传感器元件上的烟尘累积的增加而增加。一旦已经确定烟尘累积信号，则可以记录信号与时间的图形。在310处，例程包括确定在所收集的信号中的信噪比是否高于阈值。高信噪比对应于诸如交通工具的稳态操作期间的平滑的数据收集。这种低噪声数据可以被用于可靠地预测PM传感器的响应时间。在完成预测后，可以再生和重置传感器，而不必等待测量的和/或预测的响应时间。在完成再生事件后，针对下一个数据集的数据收集可以开始，从而有可能在每驱动循环包括较多数量的传感器响应时间测量。低信噪比对应于在瞬变发动机操作期间或在PM传感器上的大微粒物质、水滴等的冲击期间收集的有噪声的数据。从这种有噪声的信号中预测响应时间是不太可能的。
如果确定信噪比低于阈值，则在312处，例程包括确定自开始信号收集(从时间T0开始)之后的持续时间是否高于阈值时间。在一个示例中，这个阈值时间可以是预定的持续时间。在另一个示例中，预定时间可以取决于在一个或多个驱动循环上收集的平均响应时间。因此，每次在成功的响应时间测量和/或预测之后更新平均响应时间，还可以更新阈值时间。如果确定自开始信号收集(从时间T0开始)之后的持续时间低于阈值时间，则在318处，可以继续收集烟尘累积信号。此时可以不再生PM传感器。如果在312处确定自开始信号收集之后的持续时间高于阈值时间，则在314处，可以再生和重置PM传感器。在传感器的再生和重置期间可以不收集信号。在传感器再生之后，可以针对下一个数据集开始信号收集(例如，图3的例程可以再次运行)。由于最后捕捉的数据集包括有噪声的数据，因此该数据可以不被用于预测和更新传感器的响应时间。
如果在310处确定信噪比为高，则在316处，例程包括确定交通工具是否正在以稳态状况操作。在稳态操作下，发动机操作参数(诸如发动机速度、负荷、温度等)可以保持稳定并且可以不显著地波动。同样，在交通工具的稳态操作期间，交通工具的速度可以不频繁地变化。在这种状况下，烟尘以相对恒定的速度累积在PM传感器上并且累积图形可以示出对应于累积烟尘负荷的烟尘累积信号强度单调递增。同样，在该时间段期间，在烟尘累积信号中不期望有噪声(尖峰和突降)。
如果确定交通工具没有以稳态状况操作，则在318处，可以继续烟尘累积信号的收集。在一个示例中，在319处，例程包括确定电流(信号)强度是否高于电流阈值。如果确定信号强度高于阈值，则例程可以移动到步骤326，其中，可以停止记录自开始信号累积(从步骤306)之后流逝的时间的计时器。如果确定信号强度低于阈值，则可以对应于PM传感器元件上的烟尘负荷的累积继续实施电流测量。如果在316处，确定交通工具正在以稳态操作，则在320处，甚至在所累积的信号达到预定再生阈值之前，也可以将在稳态状况期间累积的全部信号的一部分(到目前为止)用于预测传感器响应时间。多项式(例如，二次)方程可以被用于拟合到从到目前为止在交通工具的稳态操作期间收集的烟尘累积数据中产生的图形。在非稳态操作期间收集的数据被拒绝用于曲线拟合并且不被用于拟合图形。可以计算二次方程的系数，以提供到烟尘累积图形的接近拟合。可以通过图形的确定系数(R2)来确定拟合的质量。R2(0<R2<1)的值越接近1，拟合越好。
在322处，例程包括确定用于二次曲线拟合的R2的值是否高于阈值。该阈值可以对应于基于拟合到烟尘累积图形的曲线可靠预测响应时间所需要的拟合的质量。在一个示例中，R2的阈值是0.7。如果确定R2的值低于阈值，则在324处，可以改变用于拟合烟尘累积图形的二次方程的系数，以获得较好的拟合(较高的R2值)。可以改变在曲线拟合中使用的二次方程的系数以获得这样的拟合：其具有高于得到的R2阈值的值。
如果确定R2的值高于阈值，则在326处，可以停止记录自开始信号累积以来(从步骤306开始)流逝的时间的计时器。在这个时间段期间收集的(高信噪比)信号可以被用于预测PM传感器的响应时间。
在328处，可以使用一种或多种方法从曲线拟合预测PM传感器的响应时间。在第一示例方法中，在330处，曲线拟合可以被外推以确定对应于预设阈值信号强度的时间(Tref)。在这种方式中，使用外推的曲线拟合，有可能提前预测PM传感器的响应时间(达到阈值所需的时间)(也就是，在对应于实际响应时间的持续时间消逝之前)。作为示例，基于烟尘负荷在未来外推时间(Tref)处到达PM传感器的投影速率和模拟速率的电流的阈值信号强度可以是小于12μA。在第二示例方法中，在332处，拟合多项式的线性斜率项可以被用于估计在一段时间上PM传感器上累积的平均烟尘负荷。在稳态操作状况期间，烟尘累积是均匀的，因此排气烟尘浓度可以从所估计的平均烟尘负荷率进行推测，所估计的平均烟尘负荷率随着通过电流率测量的速率的增加而增加。能够将烟尘负荷速率转变为预测响应时间。此外，在第三示例方法中，当实际电流(信号)强度达到阈值电流时确定的时间(在步骤319处)可以被记录为Tref。
在334处，在完成成功的曲线拟合程序以确定达到阈值信号强度的时间(Tref)(或经由实际Tref测量)后，不再需要在当前数据循环中累积信号。因此此时，可以独立于电流信号强度并且不需要等待实际的和/或预测的响应时间而再生或重置PM传感器。在PM传感器再生期间，使用电来加热耦连到传感器元件的加热元件，从而导致累积在传感器元件上的烟尘被烧掉。在曲线拟合高于第一阈值(R2的值低于第一阈值)的情况下，控制器可以响应于电流信号(第一电流的输出)超过电流的第二阈值(与第一阈值不同)而开始传感器的再生。
在336处，达到阈值信号强度所需要的时间可以被记录并且被用于计算PM传感器的响应时间(Tref-T0)。在一个示例中，通过每一种方法(分别在步骤319、330和332中提及)估计的达到阈值信号强度的时间可以被用于得到平均响应时间。例如，平均响应时间可以是经由两种示例方法确定的响应时间的统计平均值或加权平均值。通过使用至少两个技术预测平均响应时间，有可能提高用于测量PM浓度和尾管排放的响应时间的精确度。在338处，可以利用最近确定(预测)的响应时间更新在驱动循环上收集的平均响应时间。可替换地，烟尘浓度和/或通量的计算可以从所估计的响应时间中实施，并且然后可以在驱动循环期间从多个测量中计算平均烟尘浓度和/或通量。
在340处，可以从耦连到PF下游的排气通道的PM传感器的平均响应时间(Tref-T0)中测量PF的效率。同样，通过使用其它传感器数据和计算机模型，可以推测PF的有效百分函数。在PM传感器耦连到PF下游的排气通道的情况下，响应时间可以被用于推断送入到PF的气体中的平均烟尘浓度。在响应时间范围上在PF上累积的烟尘与在PF上游的PM传感器上累积的烟尘负荷直接地成比例。随着PF上的烟尘负荷达到预定义的阈值负荷，需要再生(清洁)过滤器。排气微粒物质过滤器的烟尘负荷部分基于定位在排气微粒物质过滤器上游的排气烟尘传感器的响应时间进行预测，并且排气微粒物质过滤器可以基于排气微粒物质过滤器的所预测的烟尘负荷进行再生。然后PM过滤器再生可以基于估计的待被沉积在PF内的PM的质量和PM传感器的再生来调节。按照这个方式，该方法包括估计排气烟尘浓度和与所预测传感器输出成比例的和排气烟尘流速中的一个或多个。该方法进一步包括使用上游排气烟尘传感器和下游排气烟尘传感诊断PF效率。在一个示例中，估计PF效率可以不基于在PF上游耦连的PM传感器，而是在PF下流耦连的PM传感器可以单独与从模型和耦连到控制器的其它传感器得到的所推测的烟尘浓度估计一起使用。效率估计可以基于所更新的平均响应时间，包括基于所更新的平均响应时间低于阈值持续时间和在过滤器入口处的所估计的烟尘通量来指示过滤器退化(泄漏)。定位在PF下游的烟尘传感器还可以被用于基于在过滤器出口处的(测量或估计的)烟尘通量与在过滤器入口出的烟尘通量进行比较来估计PF的效率。存在于微粒过滤器上游和微粒过滤器下游的PM传感器在针对相应传感器完成采样的点处提供烟尘浓度的精确估计。通过遵循该方法，存在较少的机会由于电流的尖峰而损失测量循环。一旦重置传感器，其就可以被重新校准并且传感器上的烟尘累积可以被重新开始用于下一个数据集。
在以上示例中，不论是否发生烟尘传感器信号瞬变(例如，尖峰或突降)，响应时间都基于在稳态状况期间收集的烟尘传感器数据来预测。换言之，默认地总是使用稳态数据来预测响应时间，并且一旦确定预测响应时间，就可以再生和重置烟尘传感器。这个方法进一步包括从所预测的传感器响应时间来估计排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的一个或多个，并且基于排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的一个或多个诊断来自交通工具的微粒物质排放。按照这个方式，通过利用在驱动循环上累积的较大量的传感器信号(并且丢弃较小量的累积信号)，增加了在给定排放测试循环(诸如联邦测试程序循环)中完成至少一次PM传感器烟尘浓度测量的可能性。同样，更精确的响应时间可以代替实际响应时间被用于传感器PM测量(例如，在毫克/英里PM方面)，该实际响应时间可能不适用于特定的数据集，这是由于电极上的烟尘微粒负荷的预测不足或者过度预测。
将理解的是，虽然参照烟尘传感器信号的输出来描述从到累积信号的一部分的二次拟合中预测响应时间的所描述的方法，然而该方法可以相似地用于存在于交通工具中的多个其它传感器或用于控制器中的模拟的累积信号(虚拟传感器)。在以上描述的方法可以被使用的情况下，具有增加或减少的信号的其它传感器的示例包括反压传感器、温度传感器(处于已知的增大加热模式)、燃料箱净压力传感器、速度传感器(处于已知的加速模式或减速模式)、空气/燃料比率传感器等。
图4示出具有拟合到累积图形的微粒物质(PM)传感器信号的示例烟尘累积图形400。水平线(x轴)指示以秒为单位的时间并且y轴示出PM传感器中的烟尘累积信号强度(以μA为单位的穿过传感器元件的电流的幅度)。烟尘累积信号强度与沉积在传感器元件上的烟尘的量直接成比例。在交通工具的操作期间，烟尘可以在耦连到微粒过滤器(PF)上游和/或下游的排气通道的PM传感器上累积。由此，一旦烟尘累积信号达到阈值，PM传感器就需要被再生或重置。传感器信号达到阈值所需要的时间被称为传感器的响应时间。为了满足排放规定，PM传感器被要求间歇性地再生和重置(例如，在每个排放测试循环内至少一次)。垂直标记t1–t4识别在烟尘累积和PM传感器再生期间显著的时刻。水平线I1指示对应于阈值信号强度的电流的幅值(以μA为单位)，该在阈值信号强度处可以再生和重置传感器。
图形402示出随着时间的推移烟尘传感器的聚集输出(烟尘累积数据)。从t0到t1收集的数据的第一部分可以被用于校准传感器。在其期间发生校准的从t0到t1的时间段可以被称作为传感器的死区时间。在一个示例中，达到1μA的信号强度的所需要时间可以是PM传感器的死区时间。在这个示例中，时间t1指示传感器的死区时间的结束。死区时间可以被设想为其中烟尘微粒积累但是没有桥接电极对之间的间隙的时间。在这个示例中示出的死区时间不是按比例的，并可以是较长的持续时间(相比于t0和t1之间的时间)。
在时间t1和t2之间，收集的烟尘负荷数据可以显示对应于累积的烟尘负荷的电流幅值的单调增加。在这个时间段期间，由于交通工具正在稳态状况下操作，因此烟尘累积信号可以是大体上无噪声的(电流在预期的范围内而不具有突然的尖峰和/或突降)。
在时间t3处，在这个示例的累积数据中存在噪声的突然增大。有噪声的信号可以发生在瞬变发动机操作期间，其来自于电磁兼容性(EMC)噪声和/或由于大烟尘微粒、灰尘微粒或水珠冲击在传感器元件上造成。这种有噪声的数据可以被认为是有误差的并且可能不能反映传感器上的实际烟尘负荷。在这个示例中，PM传感器信号中的突然的尖峰(例如，高于再生水平)可能不具有传感器上的PM负荷中的对应尖峰。由此，如果基于突然的增加再生PM传感器，则传感器可能被过早地进行再生。结果，控制器可以忽视该信号并且不利用所累积的数据来确定传感器响应时间。如果控制器使用来自实际数据(t3-t1)的响应时间，则这将导致排气中的高烟尘浓度的有误差的计算。
为了使累积的数据的很大部分能够被用于确定传感器的响应时间，并且降低对预定平均响应时间的依赖性，控制器可以依赖于在稳态操作期间(也就是，在t1和t3之间，以及在发生t3处的错误信号之前)在传感器处收集的数据来预测响应时间。预测的响应时间然后可以被用于传感器再生。交通工具稳态操作的确定可以基于发动机工况和电流信号(线402)中的至少一个。
从图形402观察到的是在时间t1和时间t2之间的数据的一部分是不含任何噪声的。图形的这个区域(在时间t1和时间t3之间)被称为序列(series)1。序列1中的数据可以对应于在交通工具的稳态操作期间的均匀烟尘累积。在这种稳态操作期间(诸如时间t1和t3之间)收集的烟尘累积数据甚至可以在达到响应时间之前被有效地用于预测传感器响应时间。二次方程可以被拟合到序列1中的数据以获得曲线拟合406。用于曲线拟合406的R2的值与R2的阈值进行比较。在这个示例中，用于曲线拟合406的R2的值高于阈值并且因此拟合406可以被用于预测传感器响应时间。可以外推拟合406以确定在拟合406和线I1之间的交叉点。对应于这个交叉点的时间(t4)对应于PM传感器的预测响应时间。由此，如果在不具有例如PM传感器上的大烟尘微粒和/或水滴的冲击的情况下交通工具继续在稳态状况下操作，则烟尘累积信号将被期望在时间t4处达到阈值信号强度(线I1)。因此，在确定(预测)响应时间之后，可以独立于传感器的实际信号强度(也就是，独立于实际信号是高于再生阈值还是低于再生阈值)和所预测的响应时间在t3处再生和重置传感器。在传感器的再生和重置之后，可以开始下一个数据集的收集。按照这个方式，通过早期再生传感器，有可能在驱动循环内(按照联邦规定)最大化响应时间测量的数量、烟尘负荷估计和传感器再生。
此外，曲线拟合406的线性斜率项可以被用于估计在时间t1和时间t3之间在PM传感器上累积的平均烟尘负荷。在稳态操作状况期间，烟尘累积是均匀的，因此预测的响应时间(t4-t0)可以从时间t1和时间t3之间的平均烟尘沉积的速率进行估计。当从曲线拟合的线性斜率项预测响应时间时，可能需要考虑其它因素(例如，发动机速度、发动机负荷、温度、排气流量)。通过两种技术(曲线拟合的外推和曲线拟合的线性斜率项的使用)估计的响应时间可以被用于得到预测响应时间(t4-t0)。按照这个方式，通过使用由两种技术预测的平均响应时间，有可能提高用于PM传感器再生的响应时间的精确度。
如果包括有噪声的信号的整个数据集(经过时间t1)被考虑用于预测响应时间，则不太可能使用曲线拟合方法可靠地预测响应时间。作为示例，在时间t1之后收集的本文中被称作为数据序列2的整个数据集可以被用于预测响应时间。具体地，控制器可以将曲线拟合到数据序列2(实心点)。虚线404示出拟合到序列2数据的示例最佳方形曲线。可以通过将曲线拟合的确定系数值(R2)与预定阈值进行比较来确定曲线拟合的质量。在这个示例中，曲线拟合404的R2可以低于R2的阈值。这可能是由于序列2中的数据的大部分是有噪声的并且可能不适用于在响应时间预测中使用的事实造成的。由于曲线拟合404的低质量，其可能不能用于估计传感器响应时间。同样，由于可靠的响应时间的不可用性，因此使用这种技术将会造成微粒过滤器(PF)烟尘负荷估计的不精确性。
在一个示例中，如果实际响应时间被用于再生并且烟尘累积是缓慢的(诸如在瞬变发动机状况期间的向下的尖峰的情况期间)，响应时间将过高并且PM传感器(耦连在PF的下游)将不能够检测发生的退化的PF。在另一个示例中，如果实际响应时间较短(诸如在瞬变发动机状况期间的向上的尖峰或噪声的情况期间)，PM传感器(耦连在PF的下游)的效率估计将是有误差的，从而导致非退化的PF的错误检测。因此，在无噪声稳态信号可用的情况下，使用预测响应时间来确定PM传感器效率和PF性能是有利的。
在进一步的示例中，控制器还可以基于当前和未来驱动状况调节PM传感器再生。例如，控制器可以依赖于来自交通工具导航系统(例如，车载GPS装置)、交通工具对交通工具(V2V)通信系统等的数据来预测未来的驱动状况。基于所预测的响应时间以及进一步基于所预测的驱动状况，控制器可以提早调节PM传感器再生和计算PM浓度。作为示例，具有导航(例如，GPS)系统的交通工具的控制器可以确定交通工具即将进入具有65MPH速度限制(例如，基于通过交通工具操作者计划的并且进入到导航系统中的行进路线)的公路。本文中，控制者可以使用在交通工具以40MPH操作期间收集的烟尘累积信号来预测烟尘传感器的响应时间(对应于40MPH交通工具速度)，而不必等待实际信号强度达到阈值。在完成响应时间预测后，可以再生和重置PM传感器，并且控制器可以做出该烟尘累积设置在40MPH的速度限制下被实施的标记。可以对应于在65MPH下的交通工具操作收集新的数据集(在传感器再生之后)。通过比较对应于不同交通工具速度的响应时间的不同集合，有可能在多个交通工具速度和对应的工况下区分和检测微粒过滤器(PF)健康。还可能的是通过确定瞬变发动机状况的未来可能性、从稳态数据中预测响应时间以及在瞬变发送机操作期间再生和重置传感器来避免收集有噪声的数据。控制器还可以填充和更新存储在控制器的存储器中的作为平均交通工具速度的函数的响应时间的查找表。控制器然后可以在下次交通工具以65MPH操作时使用在交通工具以65MPH稳态操作期间获悉的序列数据行为，并且如果发生中断时间信号瞬变，则使用该信息来提早调节传感器再生。这个方法不但提高了在短驱动循环中完成响应时间确定和传感器再生的机会，而且还提高了从驱动循环内的较高数量的响应时间信号累积中计算的平均响应时间的精确度。
图5示出了说明基于所测量和所预测的响应时间的微粒物质(PM)传感器的再生的示例操作序列500。水平轴(x轴)指示时间并且垂直标记t0–t8识别用于传感器再生的显著的时间。从顶部起的第一图形示出发动机速度(线502)随时间的改变。第二图形(线504)示出随着时间的推移PM传感器的传感器元件上的烟尘负荷累积。烟尘负荷与以μA为单位测量的PM传感器烟尘累积电流信号直接地成比例。在第一阈值烟尘负荷由虚线506所示，在该烟尘负荷处需要再生和重置PM传感器。第二(较低)如虚线508所示，在该第二烟尘负荷处PM传感器元件处的可以被认为是清洁。第二阈值可以是零或小的电流值(<1μA)。被拟合到在交通工具的稳态操作期间收集的烟尘累积信号的二次曲线由虚线505所示。第三图形和最后的图形510描述了PM传感器再生。
时间t0可以对应于PM传感器再生和重置事件的结束，在其之后是传感器校准。在时间t1之前，发动机以稳态状况操作其中随着时间的推移发动机速度没有显著变化。在这个时间期间，诸如交通工具速度、发送机负荷、发动机温度等的交通工具操作参数可以没有显著地波动。由于发动机的稳态操作，因此烟尘可以以相对恒定的速率累积在PM传感器上。穿过耦连到传感器元件的电路的电流与累积在PM传感器上的烟尘负荷成比例，并且因此累积图形(线504)可以示出使对应于累积的烟尘负荷的电流幅值的单调增加。在这个时间期间，烟尘累积信号可以大体上是无噪声的(电流是在期望的范围内而不具有突然的尖峰和/或突降)。由于交通工具正在稳态状况下操作，因此二次曲线(虚线505)可以被拟合到时间t1之前的烟尘累积图形。根据曲线拟合(线505)，可以预测烟尘负荷达到阈值烟尘负荷所需要的时间(传感器响应时间)，在该阈值烟尘负荷处可以执行传感器再生。可以通过外推曲线拟合以得到烟尘负荷可以达到阈值负荷时的时间或者通过利用二次拟合的线性斜率项来实施响应时间预测。在这个示例中，预测烟尘负荷达到阈值506时的时间在t3处。因此，使用在时间t1之前的稳态发动机操作(无噪声信号)期间收集的数据，可以在时间t1处预测响应时间(t3-t0)。
由此，在t1之前，在预测响应时间之前，耦连到PM传感器的电路的开关被保持断开并且PM传感器没有再生。如果开关处于断开状态，则电路是不完整的，并且不存在通过其流动的电流，然而当开关处于闭合状态时，耦连到PM传感器的电路是完整的并且电流通过其流动。由于电流流过电路，因此PM传感器内的加热元件可以得到加热，导致累积在传感器元件上的烟尘被烧掉，从而清洁传感器元件。
在时间t1处，在完成响应时间预测后，传感器甚至可以在烟尘负荷达到阈值506之前再生。此时，控制器可以发送信号以将耦连到PM传感器的电路的开关致动到闭合位置。一旦电路完整，传感器元件就被通过该电路的电流加热，从而开始PM传感器再生。在再生过程期间，PM传感器上的烟尘负荷可以如从时间t1和t2之间的烟尘累积信号强度的降低中推断的那样稳定地减少。在再生期间，开关可以被维持在闭合位置达预定的时间量，该时间量是用来燃烧对应于阈值负荷506的烟尘负荷量所要求的。替换地，传感器元件上烟尘负荷的减少可以通过监测电流的减少并响应于电流值达到第二阈值508来估计，该开关可以被致动到断开位置。一旦再生过程被完成，在时间t2处，传感器可以被重置并且一组新的烟尘累积信号可以被收集。一旦传感器被重置，传感器就可以被要求校准。传感器信号在重置期间不累积。
在时间t2和t4之间，车辆继续以稳态状况运行并且对应地PM传感器上的烟尘负荷可以单调递增。类似于最后的烟烟尘累积周期，在时间t3和t4至之间，二次可以被拟合到烟尘累积曲线(忽略时间t2和t3之间的死区时间)。该组烟尘累积的PM传感器响应时间可以从曲线拟合到在时间t3和t4之间的稳态操作期间收集的无噪声信号来预测。基于曲线拟合，可以预测的是，PM传感器烟尘负荷将在时间t6处达到第一阈值负荷。在完成响应时间预测后，甚至可以在烟尘负荷在该数据集达到阈值506之前在时间t4处再生传感器。传感器可以在时间t4和t5之间再生。在在再生过程中，电路的开关被保持在闭合位置。一旦烟尘负荷降低至第二阈值508，在时间t5处，再生过程可以通过将电路的开关致动到断开位置来推迟，由此阻止电流流过电路。在PM传感器的再生之后，传感器可以被重置以启用烟尘累积。传感器再生所需要的时间对于每一数据集可以不相等但是可以取决于在传感器上累积的烟尘的水平。烟尘负荷越高，其用来烧掉的时间就越长。
在该示例中，在传感器再生期间，在时间t4和t5之间，如果信号收集被继续，则将在烟尘累积信号中检测到增大的噪声水平(如在PM传感器再生没有被开始的情况下被显示为假设的虚线)。即使在平滑的发动机运行期间，这种有噪声的信号也可能由于大烟尘微粒和/或传感器元件上的水滴的冲击而产生。由于误差信号，在时间t4和t5之间收集的烟尘累积数据可能不是可靠的，以用于传感器响应时间的估计。以此方式，通过利用在稳态状况期间累积的信号，PM传感器响应时间预测和再生甚至可以在全部信号时有噪声时被实施。
在该示例中，在时间t5和t7之间，车辆运行可能是暂时的(非稳定)。这可能是由于诸如增加的道路粗糙性、高发动机负荷等状况造成的。由于非稳态运行，在该时间段期间存在显著的发动机速度的变化。同样在该时段，PM传感器上的烟尘负荷累积是不均匀的。由于没有稳定的车辆运行和均匀的烟尘沉积，在该时间期间，不太可能将二次方程拟合到烟尘累积曲线的任何部分。然而对传感器响应时间推力的误差数据也可能导致无效的传感器再生。在这样的情况下，可以将传感器响应时间的预定值用于传感器再生。传感器响应时间的之前的精确测量和预测可以被用来确定预定值。每次响应时间被准确地预测时，数据被考虑朝向更新平均响应时间。同样，可能存在基于对应的车辆工况的多个预定响应时间。作为示例，可以存在一组对应于不同的车辆速度或发动机转速的学习的平均响应时间。在通过预定的响应时间之后，在t7处，可以预期PM传感器上的烟尘负荷接近第一阈值烟尘负荷506。
同样，在时间t7和t8之间，PM传感器再生事件基于预定的响应时间实施再生事件。再生事件响应于在时间t8处的指示完成再生事件，烟尘负荷已经被降低至第二阈值508。在完成再生事件后，PM传感器可以被重置。在时间t8后，烟尘可以继续沉积在PM传感器上并且传感器可以被进一步再生并且在完成响应时间预测后或在缺乏稳态数据时在通过预定响应时间后被进一步再生和重置。以此方式，大部分的累积烟尘负荷信号可以被用来预测响应时间，该响应时间可以被进一步用来估计排气中的烟尘浓度、PF功能性和PM传感器效率。此外，通过实施早期再生(无需等待实际或预测的响应时间)，发动机控制器有可能在每个行驶周期收集最大数量的传感器响应时间信号(以满足联邦排放标准)。可以注意到，图5示出三种可能的示例并且不表示可能发生的关于PM传感器上的烟尘累积的所有可能的信号情景。
一种用于车辆的方法，其包括：在传感器噪声低于阈值时，收集发动机操作期间的排气烟尘传感器数据；将基于时间的曲线拟合到收集的数据；基于曲线拟合预测传感器响应时间；以及响应于曲线拟合高于阈值，独立于传感器的烟尘负荷而再生烟尘传感器。任意或全部前述示例，附加地或可选地，其进一步包括基于预测的传感器响应时间更新传感器的平均响应时间。任意或全部前述示例，附加地或可选地，其进一步包括基于更新的平均响应时间诊断位于排气烟尘传感器的上游和下游中的一者的微粒物质过滤器，并且基于更新的平均响应时间低于阈值持续时间而指示过滤器退化。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，其中独立于烟尘负荷的再生包括独立于实际传感器浓度和预测的烟尘浓度中的每一者而再生。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，其中曲线拟合是二次曲线拟合。任意或全部前述示例，附加地或可选地，其进一步包括从预测的传感器响应时间中估计排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的一个或多个，并且基于排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的一个或多个诊断微粒物质排放。在任意前述示例中，附加地或可选地，其进一步包括响应于曲线拟合低于阈值，调整曲线拟合的相关系数。在任意前述示例中，附加地或可选地，其进一步包括响应于曲线拟合低于阈值，基于传感器的烟尘负荷再生烟尘传感器。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，其进一步包括当曲线拟合高于阈值时在较早的时间再生烟尘传感器，并且当曲线拟合低于阈值时在较迟的时间再生烟尘传感器。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，当传感器噪声高于阈值时收集的数据被从曲线拟合中摒弃。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，在传感器噪声低于阈值时收集发动机操作期间的排气烟尘传感器数据包括在稳态操作期间收集的数据，并且其中预测基于仅基于在稳态操作期间收集的数据。
用于发动机的另一示例方法包括：收集排气烟尘传感器处的数据；当传感器噪声低于阈值时，将基于时间的曲线拟合到在稳态发动机操作期间收集的数据；基于曲线拟合预测传感器响应时间；在第一状况期间，响应于曲线拟合高于阈值，在第一时间处开始烟尘传感器再生；以及在第二状况期间，响应于曲线拟合低于阈值，在晚于所述第一时间的第二时间处开始烟尘传感器再生。在前述示例中，附加地或可选地，第一时间是当曲线拟合超过阈值时的时间，并且其中第二时间包括自传感器的紧接在之前的再生事件完成后消逝的阈值持续时间。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，阈值包括用于曲线拟合的确定的系数值。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，烟尘传感器被定位在排气微粒物质过滤器的上游，该方法进一步包括基于烟尘传感器的再生来再生排气微粒物质过滤器，以及基于过滤器的再生来测量排气微粒物质过滤器的效率。任意或全部前述示例，附加地或可选地，其进一步包括：在第一状况期间，在第一时间处中断排气烟尘传感器处的数据收集；和在第二状况期间，在第二时间处中断排气烟尘传感器处的数据收集。定位在微粒过滤器(PF)上游的烟尘传感器的响应时间可以被用来计算上游烟尘浓度，该烟尘浓度可以被进一步被控制器用来确定PF再生时间或者测量作为PF效率计算的一部分的上游烟尘通量。定位在PF下游的烟尘传感器的响应时间可以被控制器用来测量作为PF效率计算的一部分的下游烟尘通量。
在又一示例中，耦连到发动机系统的排气传感器系统包含：传感器元件，其包含电极对和加热元件；耦连到传感器元件的第一电路；耦连到加热元件的第二电路；以及带有存储在非临时性存储器上的计算机可读指令的控制器，所述计算机可读指令用于：基于第一电路的输出收集传感器数据；估计所收集的传感器数据的曲线拟合；响应于曲线拟合超过阈值，独立于实际传感器数据开始传感器的再生；基于曲线拟合预测传感器响应时间；以及基于计算排气烟尘值(例如，烟尘浓度，微粒过滤器负荷和效率)。在前述示例中，附加地或可选地，第一电路包括测量设备，该测量设备用于响应于传感器元件上的烟尘积累而记录电极对中的电流变化，并且第二电路包括用于开始传感器元件的再生的开关，并且其中所述控制器包括用于基于预测的响应时间更新用于当前行驶循环的传感器系统的平均传感器响应时间的进一步的指令。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，所述再生包括闭合第二电路的开关并且使电流流过加热元件。在任意或全部前述示例中，附加地或可选地，所述阈值是第一阈值，并且其中控制器包括用于下列操作的进一步的指令：响应于第一电路的输出超过第二阈值，开始传感器的再生，当曲线拟合未超过第一阈值时，第二阈值不同于第一阈值。
以此方式，即使在存在有噪声的烟尘累积信号时，也有可能利用在稳态状况期间累积的信号来预测PM传感器再生计划，并且估计微粒物质过滤器中的烟尘浓度。通过将累积信号的更大部分用于响应时间预测(并且丢弃较小的部分)，可以在不降低传感器响应时间的估计的精确度的情况下在行驶周期内完成车载诊断。通过预测响应时间并且在预测完成后再生PM传感器，可以在不必等待实际和/或预测响应时间的情况下开始新的集合的数据收集，因此每个形式周期可以收集最大数量的传感器响应时间信号。使用二次拟合到累积曲线的技术效果是PM传感器上的烟尘累积可以使用至少两种技术来估计(诸如通过将二次拟合外推到响应时间估计的第一阈值并且通过使用相同拟合的线性项来估计烟尘浓度)，由此改善传感器响应时间预测的精确度。当利用信号的较大量时，在一个排放测试循环内实现PM传感器再生以及重置至少一次的可能性被增大。同样，通过一旦对应的响应时间被预测就重置一次累积，可以在给定的行驶周期内实施更多的累积。通过改善位于微粒物质过滤器上游的PM传感器的精确度，PM过滤器的再生可以被更精确地计划，从而改善发动机性能和燃料经济性。通过利用PM传感器的烟尘浓度估计，PF效率可以被估计并且微粒物质过滤器的泄露速率和效率的诊断监测可以被完成。
注意，本文包含的示例控制和估计例程可以与各种发动机和/或车辆系统配置使用。本文公开的控制方法可以作为可执行指令被存储在非临时性存储器上并且可以由控制系统实施，该控制系统包括控制器结合各种传感器、制动器以及其他发动机硬件。本文描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，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。由此，所说明的各种动作、操作和/或功能可以按照所说明的顺序执行、并性地执行、或者可以在一些情况下被省略。同样，处理顺序并不是用来实现本文描述的示例实施例的特征和优势所必须要求的，而是被提供以便于说明和描述。根据所使用的特定策略，所说明的动作、操作和/或功能可以被重复地执行。进一步，所描述的动作、操作和/或功能可以图形化地表示要被编程到发动机控制系统中的计算可读存储介质的非临时性存储器中的代码，其中所描述的动作通过执行系统中的指令来实施，该系统包括各种发动机硬件组件结合电子控制器。
将理解的时，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当以限制性的意义来考虑，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以被应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置、以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖性的和非显而易见的组合和子组合。
将进一步理解，上述技术可以被应用于在气体流中产生烟尘微粒物质(PM)的非发动机系统，诸如可能具有或者可能不具有微粒填充器但是可能需要PM通量或浓度测量的燃烧系统、发电厂、家庭加热系统等。上述技术可以被应用于任何电阻式传感器，其检测任何气体流或液体流中的PM。上述技术可以被应用于来自传感器的任何累积信号。
所附的权利要求书特别指出被视为新颖性和非显而易见的某些组合和自组合。这些权利要求可能涉及“一”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应该被理解为包括一个或多个这样的元件的合并，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或者通过在该申请或者相关申请中的提出新的权利要求来主张。这样的权利要求，无论在范围上比原始权利要求更宽、更窄、与原始权利要求相同或不同，均被认为包含在本公开的主题的范围内。

Claims (20)

1.一种用于车辆的方法，其包括：
在传感器噪声低于阈值时，收集发动机操作期间的排气烟尘传感器数据；
将基于时间的曲线拟合到收集的数据；
基于曲线拟合预测传感器响应时间；以及
响应于所述曲线拟合高于阈值，独立于所述传感器的烟尘负荷而再生所述烟尘传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于预测的传感器响应时间更新所述传感器的平均响应时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括基于更新的平均响应时间诊断位于所述排气烟尘传感器的上游和下游中的一者的微粒物质过滤器，并且基于所述更新的平均响应时间低于阈值持续时间而指示过滤器退化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中独立于烟尘负荷的再生包括独立于实际传感器浓度和预测的烟尘浓度中的每一者而再生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述曲线拟合是二次曲线拟合。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括从所述预测的传感器响应时间估计排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的一个或多个，并且基于排气烟尘浓度和排气烟尘流速中的所述一个或多个诊断微粒物质排放。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于所述曲线拟合低于所述阈值，调整所述曲线拟合的相关系数。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于所述曲线拟合低于所述阈值，基于所述传感器的所述烟尘负荷再生所述烟尘传感器。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括当所述曲线拟合高于所述阈值时在较早的时间再生所述烟尘传感器，并且当所述曲线拟合低于所述阈值时在较迟的时间再生所述烟尘传感器。
10.根据权利要求1所述的方法，其中当传感器噪声高于所述阈值时收集的数据被从所述曲线拟合中摒弃。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在传感器噪声低于阈值时收集发动机操作期间的排气烟尘传感器数据包括在稳态操作期间收集的数据，并且其中所述预测仅基于在所述稳态操作期间收集的数据。
12.一种用于车辆发动机的方法，其包括：
收集排气烟尘传感器处的数据；
当传感器噪声低于阈值时，将基于时间的曲线拟合到在稳态发动机操作期间收集的数据；
基于曲线拟合预测传感器响应时间；
在第一状况期间，响应于所述曲线拟合高于阈值，在第一时间处开始烟尘传感器再生；以及
在第二状况期间，响应于所述曲线拟合低于所述阈值，在晚于所述第一时间的第二时间处开始烟尘传感器再生。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一时间是当所述曲线拟合超过所述阈值时的时间，并且其中所述第二时间包括自所述传感器的紧接在之前的再生事件完成后消逝的阈值持续时间。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述阈值包括用于所述曲线拟合的确定的系数值。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述烟尘传感器被定位在排气微粒物质过滤器的上游，所述方法进一步包括基于所述烟尘传感器的再生来再生所述排气微粒物质过滤器，以及基于所述过滤器的再生测量所述排气微粒物质过滤器的效率。
16.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括：
在所述第一状况期间，在所述第一时间处中断所述排气烟尘传感器处的数据收集；和
在所述第二状况期间，在所述第二时间处中断所述排气烟尘传感器处的数据收集。
17.一种耦连到发动机的排气传感器系统，其包含：
包含电极对的传感器元件和加热元件；
耦连到所述传感器元件的第一电路；
耦连到所述加热元件的第二电路；以及
控制器，其具有存储在非临时性存储器上用于下列操作的计算机可读指令：
基于所述第一电路的输出收集传感器数据；
估计收集的传感器数据的曲线拟合；
响应于所述曲线拟合超过阈值而独立于实际传感器数据开始所述传感器的再生；以及
基于所述曲线拟合预测传感器响应时间。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一电路包括测量设备，所述测量设备用于响应于所述传感器元件上的烟尘累积而记录所述电极对的电流变化，并且所述第二电路包括开关，所述开关用于开始所述传感器元件的再生，并且其中所述控制器包括用于下列操作的进一步的指令：基于所述预测的响应时间针对当前驱动循环更新所述传感器系统的平均传感器响应时间。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述再生包括关闭所述第二电路的所述开关并且使电流过所述加热元件。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述阈值是第一阈值，并且所述控制器包含用于下列操作的进一步的指令：
当所述曲线拟合未超过所述第一阈值时，响应于所述第一电路的所述输出超过不同于所述第一阈值的第二阈值，开始所述传感器的再生。
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