CN109899141A - 用于诊断颗粒过滤器的压差传感器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提出了用于诊断内燃机的颗粒过滤器（1）的压差传感器（2）的方法和装置，其中，所述压差传感器（2）通过第一压力管路（3）与所述颗粒过滤器之前的废气系统（10）连接，并且利用第二压力管路（4）与所述颗粒过滤器之后的废气系统（11）连接。此外，存在一些机构，为了诊断所述压差传感器（2），这些机构在能量方面对所述压差传感器（2）的压差信号进行分析。

Description

用于诊断颗粒过滤器的压差传感器的方法和装置

技术领域

本发明涉及根据独立的专利权利要求所述类型的用于诊断颗粒过滤器的方法和装置。

背景技术

由DE 10 2014 209 840 A1已经公开了用于诊断颗粒过滤器的方法和装置，其中，分析颗粒过滤器的压差，即颗粒过滤器之前和之后的压力。

发明内容

相比之下，用于诊断内燃机的颗粒过滤器的压差传感器的根据本发明的方法或根据本发明的装置具有如下优点：对压差传感器的压差信号在该信号的能量方面的分析允许特别简单地诊断压差传感器，且特别地也允许诊断压力管路。因此，能够以十分低的花费、尽管如此却以高的可靠性识别出压差传感器的或压力管路的功能故障。

其他优点和改进通过从属的专利权利要求的特征得到。特别简单地形成压差信号的能量，其方式为，在多个时间点对压差信号进行采样，利用带通对所述压差信号进行滤波，求平方，并且然后进行累加。特别地，这样就能可靠地识别出压力管路的脱落或者相对于环境压力有泄漏。

通过简单地对与比较值相比较的能量进行分析，因此可以对压差传感器进行特别简单的诊断，所述比较值根据内燃机的运行条件借助功能可靠的压差传感器而得到。如果所述能量超过或者低于如此形成的比较值，就将压差传感器简单地识别为有故障。为了排除因动态作用造成的掺假，只有当在足够长的时间段内存在内燃机的稳定的运行条件时，才分析压差信号的能量。对这种稳定的运行条件的要求是相对低的，因为在负载变化小于10%并且转速变化小于200RPM在中等程度的至高的负载范围内，例如超过半秒钟的时间段就足够了。即便在内燃机动态地运行的情况下，也可以足够频繁地发现这种稳定的运行阶段。如果已确定出压差传感器的这种故障，则可以通过观察压差信号的符号或者通过采用更为繁琐的方法，比如通过利用互相关，来区分在哪个压力管路中出现了故障。同样可以确定是否在两个压力管路上同时出现了故障。

附图说明

在附图中示出了本发明的实施例，并且在后续的说明中对其进行详细解释。其中：

图1示出了带有颗粒过滤器、端部消声器和压差传感器的废气系统；

图2示出了分析步骤的顺序；并且

图3示出了按照规定正常运转的和有故障的压差传感器的压差信号的时间曲线。

具体实施方式

在图1中示出了带有颗粒过滤器1和端部消声器5的废气系统。内燃机的废气经由废气输送部10被引至颗粒过滤器1，流经颗粒过滤器1，然后流经废气连接管11，随后流经端部消声器5，并且随后经由废气排出部12排放给周围环境。通过流经颗粒过滤器1，把废气中含有的颗粒从废气流中滤除，从而经由废气连接管11仅把在很大程度上没有颗粒的废气输送给端部消声器5。然后，在端部消声器5中进行声音上的减弱，以便废气在经由废气引出部12而排出时仅产生小的或者至少得以减小的噪声水平。

此外，为了识别出有多少颗粒因从废气中过滤而已经存蓄在颗粒过滤器1中，设置了压差传感器2。通过分析废气流中的在颗粒过滤器之前和之后的压差，可以判断在颗粒过滤器1中已经含有多少颗粒，这是因为，颗粒过滤器1中含有的颗粒使得可供通流之用的横截面减小，并且因此，颗粒过滤器1上的压降是负荷的量度、即颗粒过滤器1中含有的颗粒量的量度。为此，压差传感器2利用第一压力管路3与颗粒过滤器之前的废气输送部10连接，并且利用第二压力管路4与颗粒过滤器1之后的废气连接管11连接。压差传感器2含有膜片，该膜片的偏移与在第一压力管路3和第二压力管路4中的相对压力有关，且产生相应的压差信号。如果基于压差传感器2的信号确定了颗粒过滤器1含有大量颗粒，则可以根据其他边界条件引入所谓的再生过程，在该再生过程中，颗粒过滤器1中含有的颗粒通过氧化被烧掉，即被转化为气态的产品。为了进行所述再生，即颗粒过滤器1中含有的颗粒进行燃烧，必须在颗粒过滤器1中产生相应的温度，并且，经由废气输送部10所输送的废气还必须含有足够量的氧气，以便在颗粒过滤器1中进行氧化。通过相应地控制内燃机，可以实施这种再生过程。

这里重要的是，压差传感器2的测量信号允许可靠地确定颗粒过滤器1的负荷。在此已表明，第一压力管路3和第二压力管路4容易出错。特别地，在两个压力管路中会出现孔眼，或者出现不密封的连接部位，或者出现软管连接松动，从而于是要么在第一压力管路3上要么在第二压力管路4并未施加颗粒过滤器之前或之后的压力，而是施加了环境压力。根据本发明的诊断现在提供了如何能够可靠地识别出在颗粒过滤器1之前和之后的压力管路中的故障的方法和装置。

在图1中还附加地示出了控制器6，就根据本发明的方法而言，该控制器至少分析压差传感器2的信号。但通常，控制器6是马达控制器，其不仅分析压差传感器2的信号，而且分析其他对于控制内燃机来说所必需的信号，并且操控内燃机的相应的执行机构。该控制器6特别是在构造成马达控制部时因而承担了全部的控制任务，以便实现根据本发明的方法。

根据本发明提出，在压差信号的能量方面分析压力传感器2的压差信号。为了介绍该处理方法，在图3中相对于时间t示出了压差信号Δp。在图3中用曲线31示出了按照规定正常运转的压差传感器2的压差信号Δp的时间曲线，其中，两个压力管路正确地与压差传感器2连接。此外，用曲线32示出了有故障的压差传感器2的压差信号Δp的时间曲线，其中，要么第一压力管路要么第二压力管路相对于环境压力有泄漏。如可见的那样，压力总是随着时间而改变，其中，始终当颗粒过滤器被新鲜的废气脉动流过时，压差具有最大值。在图3中所示的压力曲线分别具有两个最大值，即涉及两个燃烧过程，其中，燃烧过程的分别从内燃机的气缸中排出的废气量各自脉动式地（pulsierend）流经颗粒过滤器。

由于压力脉动以声速传播，排放脉动（Auslasspulse）几乎同时到达过滤器之前和之后的位置。由此在理论上使得压差传感器的膜片上的压力脉动消失，从而这些压力脉动不能被传感器测得。

实际上，由于过滤器的原因，出现了颗粒过滤器1之后的压力脉动的减弱。由此并且由于轻微的时间偏差，压力脉动仍然以减小的压力幅度被传感器检测到，这比如在图3的曲线31中可看到的那样。

而在故障情况下，在有故障的压力管路上不再施加压力脉动（软管脱落）或者施加至少减小的压力脉动（软管有缺陷），从而在传感器膜片上不出现压力脉动的消失。以此，相比于在传感器无故障的情况下，在故障情况下所测量的脉动能量更大，这也在图3的压力曲线32上有所体现。

测量已表明，在故障情况下在各个运行点的脉动能量也可能小于无故障情况下的脉动能量，这是因为，由于废气系中的反射，已有的脉动幅度也可能会消失。

为了计算脉动能量，必须首先对压差信号进行预处理，以便仅仅提取出对于随后的能量计算来说至关重要的信号分量（点火频率的范围或者点火频率的多倍）。一种简单的方法是，使得信号无平均值，其方式为，在静止的条件下把信号平均值从信号中减掉。但这通常需要把信号暂存一定的时间段。一种节约资源的变型方案是，利用只让相关频率（例如点火频率）通过的带通对信号滤波。现在计算脉动能量，其方式为，对所产生的信号求平方并累加。

特别简单地，压差信号的能量可以通过如下方式来计算：在多个时间点对压差信号进行采样并且对其进行带通滤波，并相应地进行累加。为了使得负的分量不减小该总和，为此在累加之前对所采样的信号求平方，并且然后才进行累加。在此，采样要以足够高的频率进行，特别是要比各个燃烧过程的频率更快地进行采样。即使在信号处理理论上在此应采用至少为燃烧过程的频率的两倍大小的频率，也应力求明显更高的采样频率。燃烧过程典型地具有高达200Hz（4缸奥托，600U/min）的频率，从而1 KHz的采样频率是足够的。

然后，可以将压差信号的如此形成的能量简单地与比较值相比较，以判断压差传感器2或其输入管路（通常是压力软管）是否运行正常。由于压力比附加地还与内燃机的负载和转速有关，在此有利的是，比较值同样与内燃机的其他运行参数有关。例如对于具有无故障的、即功能可靠的压差传感器2的内燃机而言，它们可以一次性地被获得并被存储在特性曲线族中。于是如果实际测得的能量明显地超过或低于该比较值，则可认为压差传感器有故障。

但如果内燃机的运行条件很快地改变，则在废气系统中会出现不可预见的压力波动，所述压力波动使得难以可靠地分析压差信号的能量。因此，总是只有当在足够长的时间段内存在足够稳定的运行条件时，才要对压差信号的能量进行分析，旨在对压差传感器进行诊断。然而，所述足够长的时间段可以相对较短，例如半秒钟的稳定的运行条件就完全足以有效地分析压差信号的能量。“足够稳定”是指，运行条件不剧烈变化。对于内燃机的负载或转速而言，例如完全足够的是：它们向上或向下改变不超过10%。此外有利的是，内燃机的负载处于中间的范围内，例如对于进气管马达在30%和90%之间，或者对于带增压（废气涡轮增压器）的马达在30%和150%之间。

此外有利的是，在进一步处理之前，压差信号Δp特别是经过带通滤波，用于求得在不同的滤波之后的能量。通过高通滤波，消除了偏移信号，即信号的仅仅十分缓慢地变化的基础偏差（Untergrundversatz）。通过低通滤波器可以消除例如由于电磁感应干扰而产生的高频干扰。因此有利地在计算压差信号的能量之前进行带通滤波，其中，如此选择该带通，使得允许由于燃烧过程而产生的信号分量通过。如果滤波器是固定的，该滤波器必须设有相当宽的范围，从而允许反馈至燃烧过程的信号在内燃机的整个转速范围内通过。于是例如对于转速范围介于1000U/min（=33Hz）和600u/min（=200Hz）之间的4缸奥托-内燃机，允许25和250Hz之间的频率通过。但是替代地，也可以频带十分窄地设计所述滤波器，那么其中该滤波器必须总是适应于燃烧过程的频率。于是，在这种情况下要使用一种滤波器，该滤波器的通带范围（Durchlassbereich）随着燃烧过程的频率而改变，也就是说，在以空载运行的方式运行内燃机时，要采用滤波器的与较高转速的情况下不同的通带范围。

在图2中示出了在控制器6中实现所述方法的步骤的顺序。在第一步骤100中，进行压差信号的测量和压差信号的存储。如果把压差传感器构造成模拟传感器，则同时进行模数转换。于是把如在图3中示出的那样的信号曲线转换为一系列的采样信号。然后在步骤200中对这些采样信号进行进一步的处理，以便计算压差信号Δp的能量。为此，利用在前面所描述的带通对所采样的信号进行滤波、求平方，然后累加，并且确定积分时间内的平均值。现在，将这种取决于运行点的能量值与针对相应的运行点存储在特性曲线族中的参考能量值相比较。

然后在随后的步骤300中，对在步骤200中获取的信号进行分析，在如下方面做出诊断：如此得到的信号是否表现出压差传感器的或压力管路3、4的功能性故障。通过与所存储的比较值—所述比较值借助于功能可靠的压差传感器在内燃机的一定的运行条件下得到—的比较，于是可以确定压差传感器是否有故障。在此，所述比较值与内燃机的运行条件有关。于是，如果发现了压差传感器的故障，则可以根据压力信号的符号来确定哪一个压力管路有故障。如果在第二压力管路4上施加的是环境压力，则压差信号的符号通常是正的，而如果在第一压力管路3上施加的是环境压力，则压差信号的符号通常是负的。但这种方法并非在内燃机的所有的运行条件、特别是动态的运行条件下可靠地工作。

除了诊断压差信号外，还提出了另一种诊断（也参见DE102017211575），利用该另一种诊断也可以确定两个压力管路中的哪一个相对于环境有泄漏或者软管脱落。该方法可以连续地并行地执行，或者只有当根据对压差信号在频率方面的诊断已经确定出压差传感器2的故障时才执行。为此提出，借助于互相关函数或由此算得的互相关系数（KKF）来分析压差传感器2的测量信号和废气系统中的建模压力。通过“互相关函数”来表示，两个信号在多大程度上相似或叠合。如果例如颗粒过滤器完全是空的，则在颗粒过滤器1上只有很小的压降，即测得的压差信号和建模的压力信号彼此相当，且因而彼此十分类似。颗粒过滤器之前和之后的压力的相似度根据颗粒过滤器1的负荷而改变。此外，例如颗粒过滤器之后的压力也受端部消声器5的反压力的强烈影响。此外，废气系统中的所有的压力比也还与流过的废气的温度和量有关。这些不同的压力现在可以用来对压差传感器或第一压力管路3和第二压力管路4进行诊断。

为了对压差传感器2进行诊断，为此形成互相关系数（KKF），该互相关系数如下地被计算出来：

KKF~∑_20秒(Δp_{过滤器,测量}*Δp_{过滤器,模型})/∑_20秒(Δp_{过滤器,模型})²。

为了计算KKF，在预先给定的时间段（这里为20秒）内对信号进行积分或累加。但是，其他的时间段、例如5秒也是可行的，只要该时间段足够长，以便计算稳定的互相关或者稳定的互相关系数。信号Δp_{过滤器,测量}是压差的测量值，即压差传感器的输出信号。值Δp_{过滤器,模型}是颗粒过滤器上的压降的建模值。该值是在内燃机和废气系统的应用中通过测定典型的运行值而求得的。然后将它们例如与负载和转速相关地存储在特性曲线族中，并且用于计算颗粒过滤器1上的建模的压差。除了负载和转速之外，也还可以在所述建模的压差Δp_{过滤器,模型}的计算中考虑其他值、比如颗粒过滤器1的温度或建模的负荷。

因此，通过所述KKF测得，颗粒过滤器1上的借助压差传感器2实际测得的压差与颗粒过滤器1上的由模型算得的压差在多大程度上一致。如果在第一压力管路3或第二压力管路4中出现干扰，则这对压差传感器2的实际测得的压差信号有影响，但对建模的压差无影响，因为所述建模的压差仅仅是基于模型建立而实现的。

第一压力管路3中的故障可以通过分析KKF的值得知。如果绝不存在故障，则KKF的值就是正的。如果出现了故障，即在第一压力管路3中出现了环境压力，则产生如下情况：颗粒过滤器1之前的测量压力小于颗粒过滤器之后的测量压力，即颗粒过滤器中的压降是负的，也就是说，在流经颗粒过滤器1时，气体并不会丧失压力，而是会提高其压力。于是，这导致KKF的值改变其符号，并且变为负的。因此，仅仅根据对KKF的分析就能十分简单地确定出第一压力管路3中的故障，该故障导致：于是在第一压力管路3中所施加的是环境压力。此外，KKF也可以具有负的符号，如果压力管路3和4互换的话。这可能例如在内燃机的制造中或者在维护时就已经进行了。因而如果在持续的运行期间KKF未出现符号变换，而是在投入运行时KKF持久地具有负的符号，则除了第一压力管路的故障之外，压力管路3和4的互换也可能是原因。

同样可确定出第二压力管路4中的故障。因为基于对在能量方面被预处理的压差信号的分析确定出压差传感器或压力管路3、4有故障，所以如果KKF未变换其符号，则可以与KKF一起推断出后面的压力管路4的故障。亦即，如果在步骤200中根据对幅度的分析确定出故障，并且在步骤300中附加地还分析了KKF的符号，则可以采用简单的方式确定出后面的压力管路4的故障。

Claims (10)

1.一种用于诊断内燃机的颗粒过滤器（1）的压差传感器（2）的方法，其中，所述压差传感器（2）通过第一压力管路（3）与所述颗粒过滤器之前的废气系统（10）连接，并且利用第二压力管路（4）与所述颗粒过滤器之后的废气系统（11）连接，其特征在于，为了诊断所述压差传感器（2），在能量方面对所述压差传感器（2）的压差信号予以分析。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，为了形成所述压差信号的能量，在多个时间点对所述压差信号采样，并且利用带通对所述压差信号进行滤波，并且然后求平方并累加。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，把所述能量与比较值相比较，所述比较值借助于功能可靠的压差传感器在所述内燃机的一定的运行条件下得到。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述能量超过或者低于所述比较值，就将所述压差传感器评价为有故障。

5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，只有当在足够长的时间段内识别出内燃机的稳定的运行条件时，才分析所述压差信号的能量。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，如果在超过500毫秒的时间段内，所述内燃机的负载处于20%和150%之间，并且所述负载的变化不超过10%，并且转速的变化不超过200RPM，则将所述内燃机的运行条件识别为足够稳定。

7.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述压差信号的符号来确定是在所述第一压力管路（3）中还是在所述第二压力管路（4）中出现了故障。

8.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述压差传感器（2）的压差信号与建模的压差信号一起形成互相关，并且借助于该互相关来确定是在所述第一压力管路（3）中还是在所述第二压力管路（4）中出现了故障。

9.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述压差信号在幅度方面接近为零，则识别出在两个压力管路（3、4）中的故障。

10.一种用于诊断内燃机的颗粒过滤器（1）的压差传感器（2）的装置，其中，所述压差传感器（2）通过第一压力管路（3）与所述颗粒过滤器之前的废气系统（10）连接，并且利用第二压力管路（4）与所述颗粒过滤器之后的废气系统（11）连接，其特征在于，存在一些机构，为了诊断所述压差传感器（2），这些机构在能量方面对所述压差传感器（2）的压差信号进行分析。