CN114198217A - 估计催化剂的储氧容量的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的发动机系统包括：内燃发动机，其具有废气出口；排气系统，其具有三元催化剂和开关型后氧传感器；以及发动机控制模块，其控制发动机系统。发动机控制模块包括：第一控制逻辑，其用于基于多个测得的输入来估计三元催化剂储氧容量；第二控制逻辑，其用于估计开关型后氧传感器的老化效应；以及第三控制逻辑，其计算三元催化剂的滤波后的估计的三元催化剂储氧容量。

Description

估计催化剂的储氧容量的方法
技术领域
引言
本公开总体上涉及一种估计用于车辆内燃发动机的催化转化器的催化剂的储氧容量（oxygen storage capacity）的方法。
背景技术
准确地估计三元催化剂的储氧容量的能力引起提高内燃发动机的燃料节约。在减速操控期间利用燃料切断来估计储氧容量的当前方法并未提供足够准确的估计值以允许提供这种燃料节约的更进取的燃料策略。结果是，需要一种估计储氧容量的新方法，以在不向发动机系统增加硬件的情况下实现显著的燃料节约。
另外，催化剂必须恰当地并以一定的容量工作，以有效地减少排放并通过车辆法规。监测催化剂起作用的能力实现了该目的。
因此，需要一种针对有效燃料策略来估计储氧容量的新方法，以提高燃料效率并监测其起作用的能力，而不增加车辆硬件中的附加成本。
发明内容
在示例性方面中，一种用于车辆的发动机系统包括：内燃发动机，其具有废气出口；排气系统，其具有三元催化剂和开关型后氧传感器；以及发动机控制模块，其具有控制逻辑序列，该控制逻辑序列包括：第一控制逻辑，其用于基于多个测得的输入使用下式来估计三元催化剂储氧容量：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中[CO]、[H2]和[O2]是三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；第二控制逻辑，其用于估计开关型后氧传感器的老化效应；以及第三控制逻辑，其计算三元催化剂的滤波后的估计的三元催化剂储氧容量。
在另一个示例性方面中，控制逻辑序列进一步包括第四控制逻辑，该第四控制逻辑被构造成基于滤波后的估计的三元催化剂储氧容量来控制内燃发动机。
在另一个示例性方面中，第二控制逻辑使用下式来估计开关型后氧传感器的老化效应：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
在另一个示例性方面中，第一控制逻辑通过使用下式进行归一化来估计三元催化剂储氧容量：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
。
在另一个示例性方面中，控制逻辑序列进一步包括如下控制逻辑，该控制逻辑通过对开关型后氧传感器的富至贫（rich-to-lean）和贫至富响应求积分来确定开关型后氧传感器动态响应时间。
在另一个示例性方面中，第一控制逻辑进一步使用下式来确定估计的开关型后氧传感器电压：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
。
在另一个示例性方面中，所述多个测得的输入包括以下各者中的至少一者：催化剂前当量比（pre-catalyst equivalence ratio）、燃料流速、废气压力、催化剂前废气温度、氧传感器电压、计量的质量空气流量值、发动机转速值、催化剂温度和燃料控制状态值。
方案1. 一种用于车辆的发动机系统，所述发动机系统包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有废气出口；
排气系统，所述排气系统具有三元催化剂和开关型后氧传感器；以及
发动机控制模块，所述发动机控制模块具有控制逻辑序列，并且其中，所述发动机控制模块控制所述发动机系统并且所述控制逻辑序列包括：
第一控制逻辑，所述第一控制逻辑用于基于多个测得的输入使用下式来估计三元催化剂储氧容量：
Figure 372112DEST_PATH_IMAGE001
；
其中[CO]、[H2]和[O2]是所述三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；
第二控制逻辑，所述第二控制逻辑用于估计所述开关型后氧传感器的老化效应；以及
第三控制逻辑，所述第三控制逻辑计算所述三元催化剂的滤波后的估计的三元催化剂储氧容量。
方案2. 根据方案1所述的系统，其中，所述控制逻辑序列进一步包括第四控制逻辑，所述第四控制逻辑被构造成基于所述滤波后的估计的三元催化剂储氧容量来控制所述内燃发动机。
方案3. 根据方案1所述的系统，其中，所述第二控制逻辑使用下式来估计所述开关型后氧传感器的老化效应：
Figure 289253DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 923452DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
方案4. 根据方案1所述的系统，其中，所述第一控制逻辑通过使用下式进行归一化来估计所述三元催化剂储氧容量：
Figure 318661DEST_PATH_IMAGE004
。
方案5. 根据方案1所述的系统，其中，所述控制逻辑序列进一步包括控制逻辑，所述控制逻辑通过对所述开关型后氧传感器的富至贫和贫至富响应求积分来确定所述开关型后氧传感器动态响应时间。
方案6. 根据方案1所述的系统，其中，所述第一控制逻辑进一步使用下式来确定估计的开关型后氧传感器电压：
Figure 133033DEST_PATH_IMAGE005
。
方案7. 根据方案1所述的系统，其中，所述多个测得的输入包括以下各者中的至少一者：催化剂前当量比、燃料流速、废气压力、催化剂前废气温度、氧传感器电压、计量的质量空气流量值、发动机转速值、催化剂温度和燃料控制状态值。
方案8. 一种用于车辆的发动机系统，所述发动机系统包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有废气出口；
排气系统，所述排气系统具有三元催化剂和开关型后氧传感器，并且其中，所述排气系统包括废气入口，所述废气入口与所述内燃发动机的所述废气出口下游连通；以及
发动机控制模块，所述发动机控制模块适于：
基于多个测得的输入使用下式来估计所述三元催化剂的储氧容量：
Figure 955496DEST_PATH_IMAGE001
其中[CO]、[H2]和[O2]是所述三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；
估计所述开关型后氧传感器的电压输出；以及
基于所述开关型后氧传感器的估计的电压输出和所述开关型后氧传感器的实际电压输出之间的比较来校正估计的储氧容量。
方案9. 根据方案8所述的系统，其中，所述发动机控制模块进一步适于基于所述校正的三元催化剂储氧容量来控制所述内燃发动机。
方案10. 根据方案8所述的系统，其中，所述发动机控制模块进一步适于使用下式来估计所述开关型后氧传感器的老化效应：
Figure 691371DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 890271DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
方案11. 根据方案8所述的系统，其中，所述发动机控制模块通过使用下式进行归一化来估计所述三元催化剂的储氧：
Figure 559149DEST_PATH_IMAGE004
。
方案12. 根据方案8所述的系统，其中，所述发动机控制模块进一步通过对所述开关型后氧传感器的富至贫和贫至富响应求积分来确定开关型后氧传感器动态响应时间。
方案13. 根据方案8所述的系统，其中，发动机控制模块使用下式来估计所述开关型后氧传感器的电压输出：
Figure 552513DEST_PATH_IMAGE005
。
方案14. 根据方案8所述的系统，其中，所述多个测得的输入包括以下各者中的至少一者：催化剂前当量比、燃料流速、废气压力、催化剂前废气温度、氧传感器电压、计量的质量空气流量值、发动机转速值、催化剂温度和燃料控制状态值。
方案15. 一种估计用于车辆的发动机系统中的三元催化剂的储氧容量的方法，所述发动机系统包括：内燃发动机，其具有废气出口；以及排气系统，其具有三元催化剂和开关型后氧传感器，所述方法包括：
基于多个测得的输入使用下式来估计三元催化剂储氧容量：
Figure 900318DEST_PATH_IMAGE001
；
其中[CO]、[H2]和[O2]是所述三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；
估计所述开关型后氧传感器的老化效应；以及
计算所述三元催化剂的滤波后的估计的三元催化剂储氧容量。
方案16. 根据方案15所述的方法，其中，估计所述三元催化剂储氧容量进一步包括使用下式进行归一化：
Figure 637330DEST_PATH_IMAGE004
。
方案17. 根据方案15所述的方法，所述方法进一步包括基于所述滤波后的估计的三元催化剂储氧容量来控制所述内燃发动机。
方案18. 根据方案15所述的方法，所述方法进一步包括使用下式来估计所述开关型后氧传感器的老化效应：
Figure 160715DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 590559DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
方案19. 根据方案15所述的方法，所述方法进一步包括通过对所述开关型后氧传感器的富至贫和贫至富响应求积分来确定所述开关型后氧传感器动态响应时间。
方案20. 根据方案15所述的方法，所述方法进一步包括使用下式来确定估计的开关型后氧传感器电压：
Figure 301026DEST_PATH_IMAGE005
。
当结合附图理解时，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点容易从以下详细描述显而易见。
附图说明
本文中描述的附图仅用于图示目的而非旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的示例性发动机系统的示意图；
图2图示了图1的系统中的三元催化剂的一维部分；
图3是根据本公开的示例性三元催化剂观测器模型的示意性表示；
图4是图示根据本公开的方法的示例性流程图；
图5是图示根据本公开的发动机系统中的三元催化剂观测器的示例性性能的曲线图；以及
图6是图示开关型后氧传感器的示例性响应的曲线图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。如说明书中使用的术语”约”被限定为在具体数字附近的值，其对操作的结果不产生显著影响。
参考图1和图2，图示了车辆的发动机系统10的示意图并且现在将对其进行描述。发动机系统10包括内燃发动机（ICE）12、排气系统14和发动机控制模块15。排气系统14包括催化器组件16和氧传感器18。更特别地，催化器组件16具有废气入口20和废气出口22、以及三元催化剂24。氧传感器18安置在废气出口22中，并且可以是开关型后氧传感器。废气入口20接收来自ICE的废气并将废气引导到三元催化剂24。三元催化剂24包括陶瓷衬底26，在该陶瓷衬底上安置有催化金属涂层28。在本示例中，催化金属涂层28包括氧化铈（Ce2O3）。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，其他金属氧化物或金属氧化物的组合可被并入到三元催化剂24中。例如，催化金属涂层28可包括铂（Pt）、钯（Pd）和铑（Rh）的氧化物、以及其他金属氧化物。
发动机控制模块15优选地为电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、控制逻辑、用于存储数据的存储器和至少一个I/O外围设备。控制逻辑包括用于监测、操纵和生成数据的多个逻辑例程。发动机控制模块15控制所述多个致动器、泵、阀以及与根据本公开原理的发动机系统10控制相关联的其他装置。控制逻辑可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实施。例如，控制逻辑可呈程序代码的形式，其存储在电子存储器存储装置（memory storage）上并且可由处理器执行。发动机控制模块15接收车辆上的若干传感器中的每一者的输出信号、执行控制逻辑并将命令信号发送到若干控制装置。例如，以软件程序代码实施、可由发动机控制模块15的处理器执行的控制逻辑包括用于实施下文进一步描述的方法的控制逻辑。
本公开提供了对在共同未决、共同转让的美国专利申请16/560,361号中描述的三元催化剂储氧容量实时观测器的改善，该专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文中。在美国专利申请16/560,361号中描述的三元催化剂储氧模型也可与本公开的实施方式一起使用。
为了本公开的目的，三元催化剂实际上被分成多个段30。在图2中示出了一个这种段31，并且该段表示一维部分，通过该部分发生催化反应。进入该段中的废气的成分包括处于进气温度Tgin的[O2]in、[CO]in、[CO2]in、[H2]in和[H2O]in。在催化反应之后，从该段中出来的处理后的气体包括处于出气温度Tgout的[O2]out、[CO]out、[CO2]out、[H2]out和[H2O]out。例如，第一催化反应是由下式表示的储氧反应：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure DEST_PATH_IMAGE008
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
第二催化反应是由下式表示的一氧化碳氧化反应：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，以及
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
第三催化反应是由下式表示的氢氧化反应：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，以及
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
使用以下等式计算储氧值（OSV），其中OSC是储氧容量：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
从催化剂段中出来的处理后的废气成分计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE020
现在转向图3，图示了三元催化剂观测器模型32并且现在将对其进行描述。三元催化剂观测器模型32包括卡尔曼滤波器34和三元催化剂动力学模型36。三元催化剂动力学模型36包括开关型后lambda传感器模型（switch-type post lambda sensor model）38。至三元催化剂观测器模型32中的输入40包括例如催化剂前当量比（pre-catalyst equivalenceratio）、燃料流速、废气压力、催化剂前废气温度、氧传感器18电压、质量空气流量值、发动机转速值、催化剂温度和燃料控制状态值。三元催化剂观测器模型32的输出42包括储氧值（OSV）、催化剂后当量比（EQR）、催化剂后开关电压、储氧容量（OSC）和催化剂前EQR偏移值。
现在转向图4并继续参考图3，图示了动态估计三元催化剂24的OSC的方法50的流程图。方法50包括利用用以表示传感器中的氧离子浓度的归一化变量来确定氧离子对废气种类的响应性并同时使用下式估计对传感器的老化影响的第一步骤52：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是开关型后氧传感器动态响应时间，
其中[CO]、[H2]和[O2]是使用三元催化剂模型（先前描述了其示例）的三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数。
方法50继续到步骤54，在该步骤处，使用下式来估计开关型lambda传感器输出电压：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
然后，方法50继续到步骤56，在该步骤处，观测器使用卡尔曼滤波器来校正估计的储氧且然后计算三元催化剂储氧容量。
参考图5，图示了描绘三元催化剂观测器模型32和方法50的性能的曲线图60并且现在将对其进行描述。曲线图60包括y轴62，其描绘了随以秒为单位的时间64（x轴）的估计的OSC。参考虚线表示可接受的最差性能（WPA）均值66、WPA-4σ 68、不可接受的最好性能（BPU）+2σ 70（70是对于具有WPA后O2传感器的BPU）和BPU均值72。性能线表示计算的基于时间的WPA均值74、基于时间的WPA-4σ 76、基于时间的BPU +2σ 78和基于时间的BPU均值80。竖直虚线表示两个联邦测试程序（FTP）周期的等效时间82。由括号83包含的若干条线表示WPA退化的后氧传感器。由括号84包含的若干条线表示未退化的后氧传感器。括号86表示WPA-4σ和BPU+2σ之间的差异。
估计的OSV用于确定燃料策略。例如，当估计的OSV低时，并入贫燃料策略（空气/燃料比小于化学计量的）以将较少燃料引入到发动机中。较少燃料需要较少的氧气来燃烧燃料，从而使更多氧气存储在催化剂中。替代地，化学计量的和富的空气/燃料比使得较少的氧气可用于存储在催化剂中，且因此催化剂中的CO和H2的氧化耗尽了催化剂的储氧。当前的燃料策略不具有准确的OSV估计值的输入，且因此需要假定OSV为低的，并且需要更多氧气来增加存储量，从而导致发动机性能降低和较高的燃料消耗。具有更准确的OSV估计值的能力允许发动机校准更准确地确定何时催化剂需要氧气来增加OSV并因此运行一种燃料策略，该燃料策略更适合发动机性能和使用该燃料策略所控制的其他参数。
催化剂24的储氧容量是催化剂有效减少排放的能力的指标。例如，如果催化剂已经老化达到显著的程度，则储氧容量将为低的，并且当储氧容量低于阈值时，能够认为催化剂不足以执行其减排功能。另外，如果在车辆中安装了错误类型的催化剂，其也可能无法满足储氧容量阈值，这也将指示催化剂未适当实现功能。因此，本系统被构造成发送指示储氧容量低于阈值的信号，使得可采取校正动作。例如，该信号可用于致动故障灯，诸如“检查发动机”灯。另外或在替代方案中，车辆控制器可使用该信号来执行其他校正动作，诸如限制车辆的燃料供应直到催化剂被更换并满足储氧容量最小阈值。
现在参考图6，曲线图600图示了开关型后lambda传感器的响应。开关型后lambda传感器的响应性取决于传感器的年龄。一般而言，较旧的传感器具有较慢的响应。可根据针对富至贫过渡和贫至富过渡中的每者的发动机加燃料过程的两个校准表来确定响应性。曲线图600的水平轴602对应于时间，且竖直轴604对应于来自开关型后lambda传感器的电压。到该表的输入是富至贫过渡606和贫至富过渡608中的每者的积分值。可在发动机燃料切断响应期间执行该过程，例如以获得考虑到老化对开关型后氧传感器的影响的传感器响应。以这种方式，可确定可能已随时间而变化的实际传感器响应，且然后可在上述方法和系统中使用该实际传感器响应以考虑到对传感器响应性的老化影响。这进而提供了改善对三元催化剂的储氧容量的估计的能力。
虽然已详细描述了示例，但是熟悉本公开所涉及领域的人员将认识到在所附权利要求范围内的用于实践所公开的方法的各种替代性设计和示例。

Claims (10)

1.一种用于车辆的发动机系统，所述发动机系统包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有废气出口；
排气系统，所述排气系统具有三元催化剂和开关型后氧传感器；以及
发动机控制模块，所述发动机控制模块具有控制逻辑序列，并且其中，所述发动机控制模块控制所述发动机系统并且所述控制逻辑序列包括：
第一控制逻辑，所述第一控制逻辑用于基于多个测得的输入使用下式来估计三元催化剂储氧容量：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中[CO]、[H2]和[O2]是所述三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；
第二控制逻辑，所述第二控制逻辑用于估计所述开关型后氧传感器的老化效应；以及
第三控制逻辑，所述第三控制逻辑计算所述三元催化剂的滤波后的估计的三元催化剂储氧容量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制逻辑序列进一步包括第四控制逻辑，所述第四控制逻辑被构造成基于所述滤波后的估计的三元催化剂储氧容量来控制所述内燃发动机。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二控制逻辑使用下式来估计所述开关型后氧传感器的老化效应：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一控制逻辑通过使用下式进行归一化来估计所述三元催化剂储氧容量：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制逻辑序列进一步包括控制逻辑，所述控制逻辑通过对所述开关型后氧传感器的富至贫和贫至富响应求积分来确定所述开关型后氧传感器动态响应时间。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一控制逻辑进一步使用下式来确定估计的开关型后氧传感器电压：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个测得的输入包括以下各者中的至少一者：催化剂前当量比、燃料流速、废气压力、催化剂前废气温度、氧传感器电压、计量的质量空气流量值、发动机转速值、催化剂温度和燃料控制状态值。
8.一种用于车辆的发动机系统，所述发动机系统包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有废气出口；
排气系统，所述排气系统具有三元催化剂和开关型后氧传感器，并且其中，所述排气系统包括废气入口，所述废气入口与所述内燃发动机的所述废气出口下游连通；以及
发动机控制模块，所述发动机控制模块适于：
基于多个测得的输入使用下式来估计所述三元催化剂的储氧容量：
Figure 191631DEST_PATH_IMAGE001
其中[CO]、[H2]和[O2]是所述三元催化剂出口处的CO、H2和O2浓度，且Kf和Kb是校准常数；
估计所述开关型后氧传感器的电压输出；以及
基于所述开关型后氧传感器的估计的电压输出和所述开关型后氧传感器的实际电压输出之间的比较来校正估计的储氧容量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述发动机控制模块进一步适于基于所述校正的三元催化剂储氧容量来控制所述内燃发动机。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述发动机控制模块进一步适于使用下式来估计所述开关型后氧传感器的老化效应：
Figure 702247DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 481984DEST_PATH_IMAGE003
是开关型后氧传感器动态响应时间。
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