CN107687374B - 获知发动机的进气氧浓度 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及获知发动机的进气氧浓度。用于获知发动机的进气氧浓度的系统和方法。在一个实施例中，该系统包括进气氧传感器和电子控制单元。进气氧传感器被配置为测量进入空气的氧浓度和输出指示进气氧浓度值的信号。电子控制单元被配置为接收指示进气氧浓度值的信号，确定燃料是否正被喷射到发动机中，确定发动机是否正在超限运转状态中操作，控制阀以使发动机的进气路径的空气压力扫过多个空气压力，及存储指示跨过多个空气压力的进气氧浓度值的信息以获知发动机的进气氧浓度。

Description

获知发动机的进气氧浓度
关于联邦资助研究的声明
本发明是在由美国能源部授予的DOE合作协议编号DE-EE0003303的政府支持下作出的。美国政府对本发明享有某些权利，这些权利在DOE合作协议编号DE-EE0003303；W(A)-2012-007，CH-1656下在国内和国外发明权的提前豁免中进一步限定。
技术领域
本发明涉及获知（learning）发动机的进气氧浓度。
背景技术
常规氧传感器定位在发动机的排气路径中，以检测排气路径中的排气的氧浓度。常规氧传感器还可以定位在发动机涡轮增压器的下游。
发明内容
尽管常规氧传感器能够提供排气氧浓度值。但某些情况下，进气氧浓度值，且尤其是在压力的受控范围内的进气氧浓度值，是期望的。例如，获知在空气压力的范围内的进气氧浓度值可以用于发动机空气路径的闭环控制，从而产生更高精度的发动机控制系统和提高的燃料效率。然而，在使用具有排气再循环（EGR）系统的发动机时，由于发动机的进气路径中的排气使得在该空气压力的范围内获知进气氧浓度可能是不准确的。因此，存在对于获知具有EGR系统的发动机的精确的进气氧浓度的需要。
以下阐述本文所公开的某些实施例的概述。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供这些某些实施例的简要概述，并且这些方面并不旨在限制该公开的范围。实际上，该公开可以包括以下可能未阐述的各种方面。
一个实施例提供一种用于获知发动机的进气氧浓度的系统，所述系统包括进气氧传感器和电子控制单元。所述进气氧传感器被配置为测量进入空气的氧浓度，和输出指示进气氧浓度值的信号。所述电子控制单元以通信方式连接到所述进气氧传感器并被配置为：接收指示所述进气氧浓度值的信号；确定燃料是否正被喷射到发动机中；至少部分地基于燃料不是正被喷射到所述发动机中的确定，确定所述发动机是否正在超限运转（over-run）状态中操作；响应于确定所述发动机正在超限运转状态中操作，控制阀以使发动机的进气路径的空气压力扫过多个空气压力；以及响应于控制所述阀以使进气路径的空气压力扫过多个空气压力，存储指示跨过所述多个空气压力的进气氧浓度值的信息以获知所述发动机的进气氧浓度。
另一实施例提供一种用于获知发动机的进气氧浓度的方法。所述方法包括利用进气氧传感器测量进入空气的氧浓度并且输出指示进气氧浓度值的信号。所述方法还包括：利用电子控制单元接收指示所述进气氧浓度值的信号；确定燃料是否正被喷射到发动机中；至少部分地基于燃料不是正被喷射到所述发动机中的确定，确定所述发动机是否正在超限运转状态中操作；响应于确定所述发动机正在超限运转状态中操作，利用电子控制单元控制阀以使所述发动机的进气路径的空气压力扫过多个空气压力；以及响应于控制所述阀以使进气路径的空气压力扫过所述多个空气压力，利用电子控制单元存储指示跨过所述多个空气压力的进气氧浓度值的信息以获知所述发动机的进气氧浓度。
通过考虑详细描述和附图，其他方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
图1是示出包括发动机、排气再循环（EGR）系统和进气氧传感器的系统的图解。
图2是示出图1的电子控制单元的框图。
图3是示出在具有关闭的排气再循环（EGR）阀的发动机中排气再循环（EGR）的速率相对于发动机转矩和发动机转速的发动机控制参数图。
图4是示出在具有关闭的排气再循环（EGR）阀的发动机中在进气氧传感器处在压力范围内的传感器电流的图表。
图5是示出用于获知发动机的进气氧浓度的方法的流程图。
具体实施方式
在详细解释任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在以下图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式被实践或执行。
应当注意，可以使用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实现各种实施例。此外，应当理解，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，这些硬件、软件和电子部件或模块可被示出和描述为好像大多数部件仅以硬件实现那样。然而，本领域普通技术人员基于对该详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可以以可用一个或多个处理器执行的软件（例如，存储在非暂态计算机可读介质上的软件）实现。因此，应当注意，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实现本发明。例如，说明书中描述的“控制单元”和“控制器”能够包括一个或多个处理器、包括非暂态计算机可读介质的一个或多个存储器模块、一个或多个输入/输出接口、以及连接本文所述的部件的各种连接件（例如，系统总线）。额外地，为了描述的目的，本文所述的各种“阀”和“致动器”可以共同地、单独地或其某种组合通常称为“阀”。额外地，在一些实施例中，本文所述的阀各自包括基于电气信号控制阀的机械位置的对应的致动器设备。
图1是包括发动机、排气再循环（EGR）系统和进气氧传感器的系统10的图解。在所示出的实施例中，系统10包括发动机12、进气路径14、排气路径16、排气再循环（EGR）系统18、进气氧传感器24、电子控制单元（ECU）26、进气节流阀30、排气阀32、高压涡轮增压器34、低压涡轮增压器36以及空气箱42。EGR系统18包括排气再循环（EGR）阀20和排气再循环（EGR）冷却器22。高压涡轮增压器34包括涡轮增压器控制设备38。低压涡轮增压器36包括涡轮增压器控制设备40。发动机12包括进气阀44和排气阀46。
在所示的示例中，系统10结合EGR系统18和进气氧传感器24利用发动机12。进气氧传感器24在排气再循环混合之后定位在进气路径14中，例如在EGR冷却器22的下游。在一些实施例中，发动机12是压燃式发动机或火花点火式发动机。例如，发动机12可以是重型柴油发动机或中型柴油发动机。
进气氧传感器24输出指示在进气路径14中的测量的氧浓度值的信号。来自进气氧传感器24的信号由ECU 26在系统10的空气路径的闭环控制中使用，从而在操作发动机12时产生更高的精度。在一些实施例中，ECU 26使用来自进气氧传感器24的信号来记录跨过不同压力的范围的新的氧浓度值。例如，该不同压力的范围是1 bar到3.5 bar。ECU 26可以在没有来自EGR系统18的排气的情况下使用新的氧浓度值作为在进气路径14中的空气的新的参考值。ECU 26还使用来自进气氧传感器24的信号来获知进气氧传感器24的特定特性。ECU26使用进气氧传感器24的特定特性来抵消与进气氧传感器24相关联的老化和传感器与传感器之间的变化性，并调节在不同空气压力下泵送电流的变化。在一些实施例中，进气氧传感器24是氮氧化物传感器或能够测量进入空气的氧浓度的其他合适的设备。
图2是图1的ECU 26的框图。在所示实施例中，ECU 26包括多个电气和电子部件，其向ECU 26内的部件和模块提供功率、操作控制和保护。例如，ECU 26除了别的之外包括电子控制器50（诸如可编程电子微处理器、微控制器或其他合适的处理设备）、电源60、和输入/输出模块70。
电子控制器50除了别的之外包括电子处理器52和存储器54。电子处理器52以通信方式联接到存储器54并且执行能够存储在存储器54中的指令。电子控制器50被配置为从存储器54检索/取回并且执行除了别的之外与本文所述的控制过程和方法相关的指令。例如，ECU 26可以将发动机12的经获知的进气氧浓度应用于存储在存储器54中的闭环发动机控制逻辑。在其他实施例中，ECU 26包括额外的、较少的或不同的部件。ECU 26可以在几个独立的电子控制单元中实现，每个电子控制单元均被配置为执行本文所列的特定功能。额外地，ECU 26可以包含输入特定类型的传感器数据并执行相关过程的子模块。例如，ECU 26的进气氧浓度模块可以从存储器54检索所记录的氧浓度值，确定跨过进气路径14中的不同压力的范围进气氧传感器24的泵送电流的关系，并且基于进气氧传感器24的泵送电流的关系来控制发动机12、其他ECU或发送数据输出。
ECU 26、子模块、额外ECU（例如，燃料喷射器控制单元）、额外传感器（例如，排气氧传感器）、进气氧传感器24、EGR阀20、进气节流阀30、排气阀32、涡轮增压器控制设备38和40、进气阀44以及排气阀46可以经由通信总线80链接到输入/输出模块70。在一些实施例中，利用EGR阀20、进气节流阀30、排气阀32、涡轮增压器控制设备38和40、进气阀44以及排气阀46被包括的致动器设备经由通信总线80链接到输入/输出模块70。
在所示实施例中，进气氧传感器24经由通信总线80将指示进气氧浓度值的信号与输入/输出模块70进行通信。在一些实施例中，通信总线80是CAN总线。在其他实施例中，进气氧传感器24根据具体应用的需要在其他合适的协议（例如，诸如J1939的协议）下与输入/输出模块70进行通信。在一些实施例中，输入/输出模块70直接使用专用信号线输出信息。
返回参考图1，进气氧传感器24经受进气路径14中的空气压力的范围，该空气压力的范围大于常规排气氧传感器在排气路径16中所经受的空气压力的范围。进气氧传感器24的泵送电流（例如，传感器电流）的关系随空气压力的变化而变化。因此，ECU 26在应用的使用寿命期间确定并监视在不同的压力范围内的该关系，以确保进气氧传感器24的精度。
ECU 26控制EGR阀20打开或关闭。当ECU 26控制EGR阀20打开时，来自发动机12的排气经由EGR冷却器22再循环进入进气路径14中。也就是说，EGR系统18使得进气歧管空气除了来自空气箱42的空气之外还包括来自排气路径16的排气。因此，当EGR阀20关闭时（例如，当发动机12不产生转矩时），ECU 26执行进气氧浓度获知。在一些情况下，当ECU 26控制EGR阀20关闭时，仍然存在排气通过EGR阀20的一些泄漏。排气的泄漏干扰氧浓度的获知。为减小排气干扰进入空气的进气氧浓度的获知的影响，ECU 26在发动机12的超限运转状态期间（例如，当没有发动机12的正转矩产生时）执行氧浓度获知。
额外地，在一些实施例中，ECU 26使用可变阀致动来控制进气阀44和排气阀46打开或关闭。使用可变阀致动，ECU 26可以控制排气阀46延迟关闭和/或进气阀44延迟打开，这导致进气路径14中的空气压力扫过多个空气压力。在其他实施例中，ECU 26控制可变阀致动设备，以控制进气阀44和排气阀46的打开或关闭。
图3是示出在具有关闭的排气再循环（EGR）阀的发动机中排气再循环（EGR）的速率相对于发动机转矩和发动机转速的发动机控制参数图100。在一些实施例中，当EGR阀关闭时，高达8％的排气存在于发动机的进气路径中。
图4是示出在具有关闭的排气再循环（EGR）阀的发动机中在进气氧传感器处在压力的范围内的传感器电流的图表200。填充点表示当不存在来自排气再循环（EGR）系统的泄漏时进气氧传感器的泵送电流。未填充点表示当存在来自EGR系统的泄漏时进气氧传感器的泵送电流。填充点紧密符合曲线202。在一些实施例中，填充点具有0.347的最佳拟合k值。由于来自EGR系统的泄漏的干扰，未填充点不很好地符合曲线202。
图5是用于获知发动机的进气氧浓度的方法300的流程图。关于图1的系统10描述图5。ECU 26使用方法300在发动机12的使用寿命内以及在发动机12的超限运转状态期间获知进气氧浓度。超限运转状态被定义为发动机12旋转，并且没有燃料喷射到发动机12中。一段时间后，存在于系统10中的所有燃烧过的气体将经过EGR阀20泵送出去。在一些实施例中，该时间段为在燃料不再喷射到发动机12中之后发动机12的至少两次回转。
在超限运转状态期间，发动机12变为空气泵，并且在没有排气通过进气路径14的情况下泵送空气。在一些实施例中，当包括发动机12的车辆在不需要燃料的情况下正在下坡行驶并且正在滑行时，可能发生发动机12的超限运转状态。
进气氧传感器24测量进入空气的氧浓度（框302）。进气氧传感器24输出指示进气氧浓度值的信号（框304）。ECU 26接收指示进气氧浓度值的信号（框306）。
ECU 26确定燃料是否正被喷射到发动机12中（框308）。例如，在一些实施例中，ECU26可以基于来自燃料喷射器控制单元或排气氧传感器的输出来确定燃料是否正被喷射到发动机12中。在其他实施例中，ECU 26可以基于来自燃料喷射器的信号来确定燃料是否正被喷射到发动机12中。在又其他实施例中，ECU 26确定来自由ECU 26确定的转矩路径的正燃料设定点的缺乏。转矩路径以驾驶员需求（例如，踏板位置）开始并且以燃料设定点结束。在驾驶员需求和燃料设定点之间，ECU 26计算传动系转矩和损耗。
ECU 26还至少部分地基于燃料不被喷射到发动机12中的确定来确定发动机12是否正在超限运转状态中操作（框310）。响应于确定燃料不被喷射到发动机12中，ECU 26控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312）。响应于控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力，ECU 26存储指示跨过多个空气压力的进气氧浓度值的信息以获知发动机12的进气氧浓度（框314）。
当ECU 26控制阀以使进气路径14的空气压力扫过多个空气压力时，ECU 26利用方法300在不同的进气压力下获知进气氧传感器24的传感器特性。通过ECU 26的该获知确保跨过发动机12的整个操作范围的精度。在一些实施例中，ECU 26可以通过从不同压力下的两个或更多个进气氧浓度值导出或外推曲线（例如，类似于上述曲线202的曲线）来获知传感器特性。ECU 26可以使用外推的曲线作为在进气氧传感器24处跨过多个空气压力的进入空气的氧浓度值的参考。
为了使进气路径14的空气压力扫过多个空气压力，ECU 26可以控制进气节流阀30、涡轮增压器控制设备38和40中的一个或两个、排气制动机构、EGR阀20、进气阀44和/或排气阀46的致动，以改变进气路径14中的空气压力。例如，在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制进气节流阀30的致动。
在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制涡轮增压器控制设备的致动。例如，涡轮增压器控制设备可以是涡轮增压器控制设备38和40中的一个（例如，废气门、可变叶片几何形状、喷嘴、或其他合适的涡轮增压器控制设备）。
在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制排气制动机构的致动。例如，排气制动机构是任何设备，其用于致动放置在排气路径16中的阀的位置以控制来自发动机12的排气的流动（例如排气阀32）。
在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制EGR阀20的致动。在其他实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制进气阀44或排气阀46（例如，ECU 26将排气阀46的一个或多个控制为排气压缩阀）。
在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制由下述组成的集合中的多于一个的致动：进气节流阀30、涡轮增压器控制设备38和40中的一个或两个、排气制动机构、EGR阀20、进气阀44或排气阀46。在一些实施例中，上述集合中的多于一个的致动包括彼此同时致动。
额外地，在一些实施例中，为了控制阀以使发动机12的进气路径14的空气压力扫过多个空气压力（框312），ECU 26控制可变阀致动设备以控制进气阀44或排气阀46。例如，可变阀致动设备是用于致动进气阀44和/或排气阀46的位置的任何设备。
ECU 26可以在发动机12的操作期间控制系统10的各种致动器和阀，并且当发动机12处于超限运转状态时，使用进气氧传感器24的输出来确定进气路径14的进气氧浓度。在进气氧传感器24的使用寿命内，ECU 26还可以应用各种因素（例如，由获知传感器特性而确定的因素）。额外地，ECU 26可以控制系统10的各种致动器和阀，以使用方法300快速扫过多个压力设定点（例如，至少两个压力设定点）且在短时间段（例如，在不喷射燃料之后的至少两次发动机回转）内。在一些实施例中，这允许ECU 26快速且正确地获知进气氧传感器24的基于压力的特性，而不受来自在更长时间段内变化的其他误差源（例如，变化的湿度、传感器老化和其他误差源）的影响。为了描述的目的，用于使用方法300扫过几个压力设定点的系统10的各种致动器和阀可以共同地、单独地或其某种组合通常称为“阀”。阀是直接或间接地控制通过进气路径14的进入空气的流动的任何设备或系统。
实施例的各种特征和优点在所附权利要求中阐述。

Claims (16)

1.一种用于获知发动机的进气氧浓度的系统，所述系统包括：
进气氧传感器，其被配置为
测量进入空气的氧浓度，和
输出指示进气氧浓度值的信号；以及
电子控制单元，其以通信方式连接到所述进气氧传感器并被配置为
接收指示所述进气氧浓度值的所述信号，
确定燃料是否正被喷射到发动机中，
至少部分地基于所述燃料不是正被喷射到所述发动机中的确定，确定所述发动机是否正在超限运转状态中操作，
响应于确定所述发动机正在所述超限运转状态中操作，控制阀以使所述发动机的进气路径的空气压力达到多个空气压力，以及
响应于控制所述阀以使所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，存储指示所述多个空气压力下的进气氧浓度值的信息以获知所述发动机的所述进气氧浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀是进气节流阀，并且其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元被进一步配置为控制所述进气节流阀的致动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀是涡轮增压器控制设备，其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元被进一步配置为控制所述涡轮增压器控制设备的致动。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述涡轮增压器控制设备是废气门或可变几何形状的叶片中的一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀是排气制动机构，其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元被进一步配置为控制所述排气制动机构的致动。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述排气制动机构是定位在所述发动机的排气路径中以控制排气的流动的排气阀。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀是排气再循环阀，其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元被进一步配置为控制所述排气再循环阀的致动。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述发动机包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀，并且其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元还被配置为控制所述一个或多个进气阀的致动或所述一个或多个排气阀的致动。
9.根据权利要求1所述的系统，其还包括：
进气节流阀；
涡轮增压器控制设备；
排气制动机构；和
排气再循环阀，
其中，所述发动机包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀，并且
其中，为了控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，所述电子控制单元被进一步配置为控制由下述组成的集合中的多于一个的致动：
所述进气节流阀，
所述涡轮增压器控制设备，
所述排气制动机构，
所述排气再循环阀，
所述一个或多个进气阀，或
所述一个或多个排气阀。
10.一种用于获知发动机的进气氧浓度的方法，所述方法包括：
利用进气氧传感器，测量进入空气的氧浓度；
利用所述进气氧传感器，输出指示进气氧浓度值的信号；
利用电子控制单元，接收指示所述进气氧浓度值的所述信号；
利用所述电子控制单元，确定燃料是否正被喷射到发动机中；
至少部分地基于所述燃料不是正被喷射到所述发动机中的确定，利用所述电子控制单元，确定所述发动机是否正在超限运转状态中操作；
响应于确定所述发动机正在所述超限运转状态中操作，利用所述电子控制单元，控制阀以使所述发动机的进气路径的空气压力达到多个空气压力；以及
响应于控制所述阀以使所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力，利用所述电子控制单元，存储指示所述多个空气压力下的进气氧浓度值的信息以获知所述发动机的所述进气氧浓度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制进气节流阀的致动。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制涡轮增压器控制设备的致动。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制排气制动机构的致动。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制排气再循环阀的致动。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制所述发动机的一个或多个进气阀或所述发动机的一个或多个排气阀的致动。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述阀以使所述发动机的所述进气路径的所述空气压力达到所述多个空气压力还包括控制由下述组成的集合中的多于一个的致动：
进气节流阀，
涡轮增压器控制设备，
排气制动机构，
排气再循环阀，
一个或多个进气阀，或
一个或多个排气阀。
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