CN115199425A - 氧传感器自适应阻抗控制 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“氧传感器自适应阻抗控制”。提供了用于自适应氧传感器的目标阻抗的方法和系统。在一个示例中，一种方法可包括基于氧传感器的感测元件两端的估计电压与所述感测元件的参考RMS电压之间的差值来更新所述氧传感器的目标阻抗。可基于所述更新的目标阻抗来调整所述氧传感器的温度。

Description

氧传感器自适应阻抗控制
技术领域
本说明书总体上涉及用于通过自适应氧传感器中的目标控制阻抗来提高O2传感器的精度的方法和系统。
背景技术
进气和/或排气传感器被用来操作以提供内燃发动机中的各种气体成分的指示。例如，来自氧传感器的输出用于确定排气的空燃比(AFR)和评估催化转化部件的健康状况。氧传感器可设置在发动机进气通道中，以确定当进气与排气再循环(EGR)气体组合时的氧浓度。例如，氧浓度的这些指示可用于调整各种发动机操作参数，诸如加燃料和目标AFR。具体地，使用氧传感器的排气测量用于修整燃料和评估气缸间的加燃料差异。对空燃比的精确控制为改善的排放和发动机效率提供了机会。氧传感器的基本感测原理使用Nernst原理的概念，其中传感器的输出电压是元件温度和氧浓度的函数。因此，这些氧传感器可由加热元件加热以实现期望的操作温度范围，使得提供期望的氧感测。
氧传感器的电极和电解质阻抗的测量可用于控制氧传感器的温度。例如，可采用闭环控制来控制氧传感器温度，其中基于氧传感器中的氧感测元件的目标阻抗来确定传感器预期温度。
已经使用各种方法来加热氧传感器以获得期望的操作温度范围。在Okamoto于US6,696,673中示出的一种示例方法中，气体浓度检测器的检测器元件由加热器激活，同时避免对加热器的过度加热功率供应。检测该检测器元件的阻抗，并且控制加热器电流源的占空比以使阻抗达到目标水平。将检测器元件预热到低于检测器元件被激活的温度的温度。预热控制中的占空比逐渐增加到在操作中控制开始时的全占空比。
本发明人已认识到上述方法的潜在问题。作为一个示例，当使用氧传感器时，传感器随时间而老化，并且感测元件在任何给定温度下的阻抗都会变化。Okamoto所示的方法不能补偿由于老化而引起的这种阻抗变化。感测元件的温度与阻抗成反比。如果继续使用最初为(新)传感器设定的原始目标阻抗来加热感测元件，并且目标温度下的阻抗上升，则感测元件将被加热至比期望温度更高的温度。这种较高的温度将导致在某些空燃比下被压低的Nernst电压，并且将使实际燃料控制偏离最佳控制点。另外，传感器的过度加热也可能加速传感器老化，这可进一步改变阻抗。
发明内容
在一个示例中，上述问题可通过一种用于车辆的发动机的方法来解决，所述方法包括：定义新的氧传感器的初始目标阻抗并且捕获维持该阻抗点所需的命令均方根(RMS)电压。然后将作为该传感器的学习值或作为传感器的特征化群体的平均值的该RMS加热器电压用于确定传感器阻抗老化的量值。在氧传感器的寿命期间，将比较实际加热器RMS电压和新传感器RMS电压，并且将基于当前和初始RMS值之间的差值来调整阻抗设定点。以此方式，通过在氧传感器的操作过程中自适应目标阻抗，可改进传感器温度控制。
作为一个示例，对于新的氧传感器，可对表进行校准以映射在多个发动机稳态转速-负荷状况下对应于目标阻抗的施加到传感器元件的RMS加热器电压。在后续稳态发动机操作期间，在氧传感器起燃时，可估计对应于当前目标阻抗的施加到传感器元件来加热传感器元件的命令的经滤波的RMS电压(Vc)。可从校准表查找对应于当前目标阻抗和发动机工况的参考电压(Vt)。可基于命令电压(Vc)和参考电压(Vt)之间的差值来更新目标阻抗。另外地，可基于用于感测元件温度的闭环控制的更新的目标阻抗来改变比例和积分闭环控制参数。此外，可基于更新的阻抗来检测零件更换，诸如用较新的氧传感器替换较旧的氧传感器。阻抗自适应可在驾驶循环内实施多达阈值次数。
以此方式，通过在氧传感器的操作期间更新目标电压，可考虑到传感器的老化，并且可基于实际目标阻抗而不是初始目标阻抗来控制传感器的温度。通过使用更新的目标阻抗，可提高传感器输出的准确性。使用更新的目标阻抗来考虑到传感器老化的技术效果在于可减少由于不准确的目标阻抗引起的传感器元件的过热，并且可减慢传感器的进一步老化。总之，通过在氧传感器的操作寿命内自适应目标电压，可继续将感测元件加热到期望的操作温度，并且提高氧传感器操作的准确性和可靠性，从而使得能够维持发动机性能。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提及的任何缺点的实现方式。
附图说明
图1示出了包括进气和排气氧传感器的示例发动机系统。
图2示出了示例氧传感器的示意图。
图3A示出了说明可被实现来自适应氧传感器的目标阻抗的方法的流程图的第一部分。
图3B示出了说明可被实现来自适应氧传感器的目标阻抗的方法的流程图的第二部分。
图4示出了氧传感器的根据温度的传感器元件阻抗。
图5示出了传感器元件阻抗随老化的变化的曲线图。
图6示出了氧传感器中的目标阻抗的示例自适应。
具体实施方式
以下描述涉及用于自适应氧传感器中的目标阻抗的系统和方法。氧传感器可设置在进气通道或排气通道中，如图1的发动机系统所示。图2示出了可能受热老化影响的氧传感器的示意图。在图5中示出了传感器元件阻抗随老化的变化。发动机控制器可被配置为执行控制例程(诸如图3A至图3B的示例例程)，以基于施加到传感器元件的命令电压与从查找表中检索的参考电压之间的差值来自适应氧传感器的目标阻抗。在图4中示出了感测元件的温度与传感器元件阻抗之间的关系。在图6中示出了在驾驶循环内自适应目标阻抗的示例。
图1是示出车辆系统100中的多缸发动机10的一个气缸的示意图。发动机10可至少部分地通过包括控制器12的控制系统和通过来自车辆操作者132经由输入装置130的输入来控制。在该示例中，输入装置130包括加速踏板和踏板位置传感器134，所述踏板位置传感器用于生成比例踏板位置信号PP。发动机10的燃烧室(气缸)30可包括燃烧室壁32，活塞36定位在所述燃烧室壁中。活塞36可联接到曲轴40，使得活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可经由中间变速器系统联接到车辆的至少一个驱动轮。此外，起动机马达可经由飞轮联接到曲轴40以实现发动机10的起动操作。
燃烧室30可经由进气通道42从进气歧管44接收进气并且可经由排气通道48排出燃烧气体。进气歧管44和排气通道48可经由相应的进气门52和排气门54选择性地与燃烧室30连通。在一些实施例中，燃烧室30可包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。
在该示例中，进气门52和排气门54可经由相应的凸轮致动系统51和53通过凸轮致动来控制。凸轮致动系统51和53可各自包括一个或多个凸轮并且可利用凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一者或多者，所述系统可由控制器12操作以改变气门操作。进气门52和排气门54的位置可分别由位置传感器55和57确定。在替代实施例中，进气门52和/或排气门54可通过电动气门致动来控制。例如，燃烧室30可替代地包括经由电动气门致动来控制的进气门和经由凸轮致动(包括CPS和/或VCT系统)来控制的排气门。
燃料喷射器66被示出为直接地联接到燃烧室30以用于与经由电子驱动器68从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地直接在其中喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器66向燃烧室30中提供所谓的直接燃料喷射。例如，燃料喷射器可安装在燃烧室的侧面或燃烧室的顶部(如图所示)。燃料可通过燃料系统(未示出)输送至燃料喷射器66，所述燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料轨。在一些实施例中，燃烧室30可替代地或另外地包括按以下配置布置在进气歧管44中的燃料喷射器：向燃烧室30上游的进气道中提供所谓的燃料进气道喷射。
进气通道42可包括具有节流板64的节气门62。在该特定示例中，可由控制器12经由提供给与节气门62包括在一起的电动马达或致动器的信号来改变节流板64的位置，这是一种通常称为电子节气门控制(ETC)的配置。以这种方式，可操作节气门62以改变提供给燃烧室30以及其他发动机气缸的进气。节流板64的位置可通过节气门位置信号TP提供给控制器12。进气通道42可包括进气温度(IAT)传感器125和大气压力(BP)传感器128。IAT传感器125估计将在发动机操作中使用的进气温度并向控制器12提供信号。类似地，BP传感器128估计用于发动机操作的环境压力并向控制器12提供信号。进气通道42还可包括用于向控制器12提供相应的信号MAF和MAP的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。
排气传感器126被示出为在排放控制装置70的上游联接到排气通道48。传感器126可以是用于提供排气空燃比(AFR)的指示的任何合适的传感器，诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧传感器)、双态或二元氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。参考图2描述HEGO传感器的详细实施例。可使用氧传感器来估计进气和排气两者的AFR。基于AFR估计，可调节发动机操作参数，例如加燃料。另外，通过利用排气中的AFR估计，可提高排放控制装置的操作效率。
氧传感器的输出在400摄氏度以上变得活跃，并且在约500至800摄氏度的期望元件操作温度下是最佳的，这取决于传感器设计和工况。传感器可包括加热元件以将感测元件的温度增加至期望操作温度。氧传感器的感测元件的阻抗可用于控制氧传感器的温度。氧传感器的温度可基于在驾驶循环开始时的初始目标阻抗进行闭环控制，其中初始目标阻抗作为调整供应到氧传感器加热器的功率的比例积分(PI)控制器的设定点。感测元件的目标阻抗可能因热老化而随时间变化。为了在驾驶循环期间自适应传感器的目标阻抗，可在具有第一组工况和初始目标阻抗的车辆操作期间测量氧传感器的感测元件两端的命令RMS电压。可从预先校准的表查找对应于初始阻抗和第一组工况的参考RMS电压。第一组工况包括发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量和排气温度中的一者或多者。可基于命令RMS电压与参考RMS电压之间的差值以及初始目标阻抗来估计更新的目标阻抗。可使用加权因子、EWMA滤波器或其他形式的加权或平均来将调整供应到氧传感器加热器的功率的PI控制器的设定点改变为更新的阻抗。将参考图3A至图3B讨论用于更新感测元件的目标阻抗并基于更新的目标阻抗来控制感测元件的温度的详细方法。
排放控制装置70被示出为沿着排气通道48布置在排气传感器126的下游。装置70可以是三元催化器(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或它们的组合。在一些实施例中，在发动机10的操作期间，可通过在特定空燃比内操作发动机的至少一个气缸来周期性地重置排放控制装置70。
此外，排气再循环(EGR)系统140可经由EGR通道142将排气的期望部分从排气通道48引导至进气歧管44。可由控制器12经由EGR阀144来改变提供给进气歧管44的EGR的量。此外，EGR传感器146可布置在EGR通道142内，并且可提供对排气的压力、温度和成分浓度中的一者或多者的指示。线性氧传感器172可定位在进气节气门的下游的进气通道处以促进EGR调节。在一些状况下，EGR系统140可用于调节燃烧室内的空气和燃料混合物的温度，因此提供在一些燃烧模式期间控制点火正时的方法。此外，在一些状况期间，通过控制排气门正时(诸如通过控制可变气门正时机构)，可将燃烧气体的一部分保留或捕集在燃烧室中。
控制器12在图1中被示为微计算机，所述微计算机包括：微处理器单元102、输入/输出端口104、用于可执行程序和校准值的电子存储介质(在该特定示例中，被示出为只读存储器芯片106)、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。除了先前讨论的那些信号之外，控制器12还可从联接到发动机10的传感器接收各种信号，包括来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自联接到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自联接到曲轴40的霍尔效应传感器118(或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；来自传感器122的绝对歧管压力信号MAP；以及来自排气压力传感器的排气流量。发动机转速信号RPM可由控制器12根据信号PIP来生成。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可用于提供对进气歧管中的真空或压力的指示。应当注意，可使用上述传感器的各种组合，诸如使用MAF传感器而不使用MAP传感器，反之亦然。在化学计量操作期间，MAP传感器可给出发动机扭矩的指示。此外，该传感器连同检测到的发动机转速一起可提供对引入气缸中的充气(包括空气)的估计。在一个示例中，还用作发动机转速传感器的传感器118可在曲轴的每转中产生预定数量的等距脉冲。
存储介质只读存储器106可被编程有计算机可读数据，所述计算机可读数据表示可由处理器102执行以用于执行在下文描述的方法以及预期但未具体列出的其他变体的非暂时性指令。如上所述，图1示出了多缸发动机的一个气缸，并且每个气缸可以类似地包括其自身的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。
控制器12从图1的各种传感器接收信号，并且采用图1的各种致动器以基于接收到的信号和存储在控制器12的存储器上的指令来调整发动机操作。在一个示例中，控制器12启动例程以更新用于氧传感器126和172中的温度控制的目标阻抗。
车辆系统100可包括可供一个或多个车轮175使用的多个扭矩源。在所示的示例中，车辆系统100是包括电机153的混合动力电动车辆系统(HEV)，然而在其他示例中，在不脱离本公开的范围的情况下，车辆系统可以不是混合动力电动车辆系统。电机153可以是马达或马达/发电机。当一个或多个离合器173接合时，发动机10的曲轴40以及电机153经由变速器155连接到车轮175。在所描绘的示例中，第一离合器设置在曲轴40与电机153之间，并且第二离合器设置在电机153与变速器155之间。控制器12可将信号发送到每个离合器173的致动器以接合或脱离离合器，以便使曲轴与电机153和与所述电机连接的部件连接或断开，并且/或者使电机153与变速器155和与所述变速器连接的部件连接或断开。变速器155可以是齿轮箱、行星齿轮系统或另一种类型的变速器。动力传动系统可以以各种方式配置，包括被配置为并联、串联或串并联式混合动力车辆。
电机153从牵引电池158(本文中也描述为车载能量存储装置、能量存储装置或电池)接收电力以向车轮175提供扭矩。例如在制动操作期间，电机153还可用作发电机以提供电力来对牵引电池158充电。
车载能量存储装置158可周期性地从驻留在车辆外部(例如，并非车辆一部分)的电源191接收电能，如由箭头194所指示。作为非限制性示例，车辆系统100可被配置为插电式混合动力电动车辆(PHEV)，其中电能可经由电能传输电缆193从电源191供应到能量存储装置158。在从电源191对能量存储装置158进行再充电操作期间，电传输电缆193可将能量存储装置158和电源191电联接。在车辆推进系统进行操作以推进车辆时，电传输电缆193可使电源191与能量存储装置158之间断开。控制器12可识别和/或控制存储在能量存储装置处的电能的量，所述电能的量可称为荷电状态(SOC)。
在其他示例中，可省略电传输电缆193，其中可在能量存储装置158处从电源191无线地接收电能。例如，能量存储装置158可经由电磁感应、无线电波和电磁谐振中的一者或多者从电源191接收电能。因此，应当理解，可使用任何合适的方法来从不构成车辆的部分的电源对能量存储装置158进行再充电。
图2示出了被配置为测量进气通道中的进气气流或排气通道中的排气流中的氧(O2)的浓度的氧传感器200的示例实施例的示意图。在一些示例中，传感器200可以是HEGO传感器。因此，例如，传感器200可对应于图1的氧传感器126和172中的一者或两者。然而，应当理解，传感器126和172在一些方面可偏离传感器200，例如，它们可采用一个或多个修改。
如图2所示，传感器200包括以堆叠配置布置的一种或多种陶瓷材料的多个层。在图2的实施例中，三个陶瓷层被描绘为层201、202和203。这些层包括一个或多个固体电解质层，其中在电解质的任一侧上的相关联电极能够传导离子氧并将电子传导到电极。合适的固体电解质的示例包括但不限于氧化锆基材料。此外，在一些实施例中，加热器207可设置为与层热连通以增加层的离子传导率。尽管所描绘的氧传感由五个陶瓷层形成，但是应当理解，氧传感器可包括其他合适数量的陶瓷层。
层202包括形成扩散路径210的一种或多种材料。扩散路径210被配置为经由扩散将气体引入第一内腔222中。扩散路径210可被配置为允许进气或排气的一种或多种成分(包括但不限于期望的分析物(例如，O2))以比可通过泵送电极对212和214将所述分析物泵入或泵出的速率更受限制的速率扩散到内腔222中。以这种方式，可在第一内腔222中获得化学计量水平的O2。
一对泵送电极212和214设置为与内腔222连通，并且被配置为以电化学方式从内腔222泵送选定的气体成分(例如，O2)穿过层201并泵出传感器200。替代地，这对泵送电极212和214可被配置为以电化学方式将选定的气体泵送穿过层201并泵入内腔222。在本文中，泵送电极对212和214可被称为O2泵送单元。
以电化学方式将氧气泵出或泵入内腔222的过程包括在泵送电极对212和214两端施加电压Vp。施加到O2泵送单元的泵送电压Vp将氧气泵入或泵出第一内腔222，以便在腔泵送单元中维持化学计量水平的氧气。所得的泵送电流Ip与排气中的氧浓度成比例。合适的控制系统(图2中未示出)根据在第一内腔222内维持化学计量水平所需的所施加的泵送电压Vp的强度来生成泵送电流信号Ip。因此，稀混合气将导致氧气被泵出内腔222，而浓混合气将导致氧气被泵入内腔222。
应当理解，本文描述的氧传感器仅是氧传感器的示例实施例，并且氧传感器的其他实施例可具有附加和/或替代的特征和/或设计。
众所周知，材料的传导率随温度而变化。对于诸如氧化锆的氧离子传导电解质，离子传导率通常随温度升高而增加。其他因素(诸如杂质、晶界、结构和几何形状)可能会影响氧化锆的传导率。对于固定的几何形状和结构，氧化锆元件的阻抗(与电导率成反比)与元件的温度直接相关。因此，可通过测量氧传感器元件的阻抗来确定氧传感器元件的温度。可通过测量氧传感器元件两端的电压降(例如，通过使用AC技术)来测量氧传感器元件的阻抗。对于氧传感器200，例如，可在包括层201以及电极212和214的泵送单元228两端具体地测量传感器元件阻抗。在该方法中，单元的阻抗测量可基于所施加的电压和与该单元相关联的所得电流，例如，可基于施加到泵送单元的泵送电压Vp和所得的泵送电流Ip来确定泵送单元228的阻抗。
在一些方法中，使用氧传感器的阻抗来控制氧传感器的温度。如上所述，由于氧传感器元件的阻抗可用作传感器元件的温度的指示，因此可实时地测量传感器元件的阻抗并将该阻抗用于控制其温度，例如，可通过闭环方式控制加热器(诸如加热器207)的输出以将目标传感器元件阻抗与实际(例如，测量的)传感器元件阻抗之间的差值最小化，并且由此将期望的传感器温度与实际传感器温度之间的差值最小化。以此方式，可通过根据阻抗控制加热器输出来使氧传感器充斥期望的传感器温度。
一些氧传感器元件的阻抗随着传感器元件温度降低而增加(例如，呈指数地增加)。另外，一些氧传感器元件的阻抗随老化而变化(诸如增加)。对于老化的传感器，对应于期望的传感器温度的目标阻抗可能会增加。然而，如果基于初始目标阻抗对感测元件的温度进行闭环控制，则单元的温度实际上可能增加到超过期望传感器温度。作为示例，对于新的氧传感器，750℃的期望传感器元件温度可对应于350欧姆的初始目标阻抗。在传感器老化之后，目标阻抗可能增加到500欧姆。然而，如果继续基于初始目标阻抗来控制温度，则单元的温度可能增加到远高于期望温度750℃的温度，从而导致传感器操作不准确并加速传感器的老化。因此，如在图3A和图3B中进一步详述，可在驾驶循环期间更新氧传感器元件的目标阻抗以考虑到老化。
图4示出了示例氧传感器的根据温度的传感器元件阻抗的示例曲线图400。例如，示例氧传感器可对应于图1的氧传感器126和172中的一者或两者。x轴表示以摄氏度为单位的氧传感器的温度，并且y轴表示以欧姆为单位的传感器元件阻抗。线402示出了对应于温度变化的阻抗变化。在所描绘的示例中，传感器元件阻抗与传感器的温度成反比。传感器元件阻抗根据温度呈指数地减小。
图5示出了传感器元件阻抗老化的示例曲线图(条形图)500。例如，示例氧传感器可对应于图1的氧传感器126和172中的一者或两者。y轴表示以欧姆为单位的传感器元件阻抗。第一条502示出了新的未使用的氧传感器的阻抗，第二条504示出了已经使用了可能是传感器的典型寿命的指定时间的氧传感器的阻抗，第三条506示出了已经遭受50％附加寿命老化的氧传感器的阻抗，并且第四条508示出了已经遭受100％附加寿命老化的氧传感器的阻抗。在该示例中，传感器元件的阻抗随着使用(随时间推移)而增加。
以此方式，图1和图2提供了用于车辆中的发动机的系统，所述系统包括：氧传感器；以及控制器，所述控制器将指令存储在非暂时性存储器中，所述指令在被执行时致使控制器：在驾驶循环启动时，基于初始目标阻抗来调整供应到与氧传感器的感测元件热接触的加热元件的功率，并且在稳定的发动机转速和发动机负荷状况期间，在氧传感器的温度增加至操作温度范围后，估计氧传感器的感测元件两端的命令RMS电压与对应于第一目标阻抗和当前车辆工况的参考RMS电压之间的差值；基于差值来更新初始目标阻抗，并且基于更新的目标阻抗来调整供应到加热元件的功率。
图3A和图3B示出了用于基于氧传感器的感测元件两端的电压降来自适应氧传感器(诸如图1的氧传感器126和172)的目标阻抗的示例方法300。用于执行方法300和本文中所包括的其余方法的指令可由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(诸如以上参考图1和图2描述的传感器)接收到的信号来执行。根据以下描述的方法，控制器可采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作。
在302处，可估计发动机和车辆工况，包括车辆速度、发动机转速、发动机负荷、发动机温度等。此外，控制器可从控制器存储器中检索初始目标温度以调整传感器的操作温度。初始目标阻抗可以是氧传感器的原始目标阻抗或在先前驾驶循环期间执行的先前目标阻抗自适应期间更新的目标阻抗。
传感器元件(诸如图2中的泵送单元228)的操作温度可基于在驾驶循环开始时的初始目标阻抗来进行闭环控制。氧传感器可在感测元件的温度增加至在期望的操作温度范围内的温度时起燃并感测氧浓度。可基于初始目标阻抗来控制与感测元件热连通的加热器(诸如图2中的加热器207)的输出。作为示例，可使用控制器(诸如比例积分(PI)控制器、比例积分微分(PID)控制器或比例微分(PD)控制器)来最小化目标传感器元件阻抗与实际(例如，测量的)传感器元件阻抗之间的差值。
在304处，例程包括确定是否满足用于自适应目标阻抗的条件。所述条件可包括在发动机负荷、转速、排气流量和温度没有显著变化(诸如高于10％)的情况下的稳态发动机操作。另外，例程可确认未执行任何发动机部件的任何诊断例程。如果确定不满足阻抗自适应的条件，则在306处，氧传感器可继续以初始目标阻抗进行操作。阻抗自适应可被延迟，直到满足条件为止。
如果满足用于自适应目标阻抗的条件，则在308处，可在校准的持续时间内估计氧传感器参数。校准的持续时间可在5秒至10秒的范围内。所估计的氧传感器参数可包括氧传感器的温度和通过氧传感器的空气/排气流量。作为示例，可基于来自进气歧管空气流量传感器的输出来估计或基于空气压力传感器的输出来计算通过进气氧传感器的空气流量，并且可基于来自排气压力传感器的输出来估计通过排气氧传感器的空气流量。
在310处，例程包括确定发动机操作参数在校准的持续时间内是否是基本上稳态的。在一个示例中，可通过发动机操作参数在校准的持续时间内处于可校准界限内来指示基本上稳态。可校准界限可包括具有温度上限和温度下限的目标排气温度。在一个实施例中，这些界限可在距目标温度20℃至50℃的范围内。另外地，可监测其他参数(诸如发动机转速、发动机负荷和平均空燃比)的稳定性。作为示例，当排气流量和温度在五秒的时间段内基本上稳定时，将发生氧传感器阻抗学习。当存在这些条件时，将启用学习。如果确定发动机操作参数在校准的持续时间内不是基本上稳态的，则可推断出氧传感器参数对于传感器元件两端的电压的有效测量是不稳定的而无法用于目标阻抗自适应。在312处，可推迟阻抗自适应，直到氧传感器参数稳定为止。
如果确定发动机操作参数在校准的持续时间内是基本上稳态的，则在314处，可估计对应于当前工况(诸如发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量和初始目标阻抗)的感测元件两端的命令加热器RMS电压(Vc)。例如，可在泵送单元(所述泵送单元包括图2中的层201以及电极212和214)两端具体地测量氧传感器元件两端的电压降。所测量的命令电压(Vc)可以是均方根(RMS)电压。在一个示例中，RMS命令电压(Vc)可通过低通滤波器(诸如指数加权移动平均低通滤波器)进行滤波。
在318处，可从控制器存储器查找或检索对应于当前工况的感测元件两端的预先校准的参考电压(Vt)。可对表进行预先校准以映射在多个发动机稳态转速-负荷状况下对应于目标阻抗的施加到传感器元件来加热传感器元件的RMS电压。可将表存储在控制器存储器中，并且可用于查找参考电压，其中当前工况(发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量、排气温度和初始目标阻抗中的一者或多者)作为输入并且参考电压作为输出。在一个示例中，参考电压(Vt)可通过低通滤波器(诸如指数加权移动平均低通滤波器)进行滤波。
在320处，估计命令电压(Vc)与参考电压(Vt)之间的差值(ΔV)。在322处，可基于命令电压(Vc)和参考电压(Vt)之间的差值来更新目标阻抗。在一个示例中，更新的目标阻抗可以是Vc与Vt之间的差值乘以加权因子的函数。然后，可将更新的目标阻抗添加到先前的目标阻抗并且与先前的目标阻抗进行平均。阵列可包括在一系列发动机工况(诸如发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量中的一者或多者)下传感器元件的学习到的(在每次迭代之后更新的)阻抗值。在更新目标阻抗时，可将更新值存储在阵列中。存储在阵列中的目标阻抗值与最新的更新目标阻抗一起可用于估计平均目标阻抗。预定数量的值(样本)可用于这种平均。然后可将平均目标阻抗的这个值用作新的目标阻抗。
继续图3B，例程包括确定更新的目标阻抗是否在阈值范围内。阈值范围可包括预先校准的第一上限和第二下限。下限可对应于加权的先前估计的目标阻抗(诸如指数加权移动平均(EWMA)目标阻抗)。上限可对应于目标阻抗，超过所述目标阻抗，传感器元件的温度控制可能是错误的。如果确定更新的目标阻抗不在阈值范围内，则可将更新的目标阻抗设置为范围的上限。此外，可执行氧传感器的诊断例程以检测传感器元件的任何劣化。
如果确定更新的目标阻抗在阈值范围内，则可将目标阻抗设置为更新的目标阻抗。在328处，例程包括确定更新的目标阻抗是否指示零件更换。随着老化(随时间推移)，传感器元件的目标阻抗增加。然而，如果观察到目标阻抗相对于原始目标阻抗(在更新目标阻抗之前用于温度控制)已经减小超过阈值量(诸如大于10％)，所述原始目标阻抗是诸如在当前或先前驾驶循环期间的紧接的前一阻抗自适应的目标阻抗，则可推断出氧传感器已被替换。还可通过目标阻抗降低至较新且较少使用的传感器的目标阻抗来确认零件更换。如果确定指示零件更换，则在330处，可将目标阻抗重置为新的或新维修的氧传感器的阻抗。
如果未指示零件更换，则在332处，可将用于调整供应到氧传感器加热器的功率的PI控制器的设定点更新为更新的目标阻抗。此外，可在改变设定点时更新比例增益常数和积分增益常数。PI控制器可接收设定点目标阻抗与感测元件的实际测量阻抗之间的差值(I_误差)。在PI控制器处，可通过比例增益(Kpi)来处理和/或修改(缩放)I_误差。可通过积分增益(Kii)来类似地处理和/或修改(缩放)I_误差的积分。然后将这些项中的一项或它们的和输出到信号。PI控制器的输出信号可以是要发送到加热元件的最终控制信号。在更新目标阻抗时，如在步骤320中估计的命令电压(Vc)和参考电压(Vt)之间的差值(ΔV)可减小至零。
在334处，用于考虑氧传感器的目标阻抗已被更新的次数的自适应计数器可在完成更新目标阻抗后递增。作为示例，在完成目标阻抗的每次更新后，自适应计数器可增加一。此外，可更新阵列以包括更新的目标阻抗。在一个示例中，阵列可包括以规则间隔对应于不同里程表读数和发动机工况的目标阻抗。阵列可存储在控制器存储器中并且还与中央云/服务器共享，以用于校准在未来的自适应中使用的类似表。在另一个示例中，可用加权目标阻抗值(诸如EWMA目标阻抗)来更新阵列。可使用目标阻抗的最后更新的平均值，直到在当前或未来的驾驶循环中执行目标阻抗的下一次自适应为止。在336处，例程包括确定自适应计数器是否已达到阈值。阈值可对应于在驾驶循环期间可执行的目标阻抗自适应的最高数量。为了避免频繁地改变目标阻抗，可执行目标阻抗的自适应直到阈值次数。在一个示例中，阈值数量可在3至5的范围内。
如果确定自适应计数器低于阈值，则在338处，可在满足条件时在驾驶循环的其余部分期间继续进行未来的阻抗自适应(诸如在步骤304中)。如果确定自适应计数器在驾驶循环内已经达到阈值，则在340处，可在驾驶循环的其余部分内禁用阻抗自适应。氧传感器可以最后更新的目标阻抗或目标阻抗的估计平均值进行操作。
以此方式，在满足目标阻抗自适应的条件时，可估计对应于一组当前车辆工况和当前的第一目标阻抗的氧传感器的感测元件两端的命令RMS电压，可从控制器存储器检索对应于所述一组当前车辆工况和第一目标阻抗的感测元件的参考RMS电压，可估计根据命令RMS电压与参考RMS电压之间的差值而变的第二目标阻抗，并且可以基于第二目标阻抗来调整氧传感器的温度。
图6示出了说明在驾驶循环期间氧传感器(诸如图1的氧传感器126和172)中的目标阻抗的自适应的示例操作序列600。氧传感器的阻抗可由于老化而随时间增加，并且目标阻抗将相应地更新。水平轴线(x轴)表示时间，并且竖直标记t1至t3表示重新自适应过程中的重要时间。
第一曲线(线602)表示经由曲轴传感器估计的发动机转速。第二曲线(线604)示出了氧传感器的温度。虚线605表示氧传感器提供稳定且准确的输出的阈值操作温度(也称为起燃温度)。氧传感器可包括用于氧浓度估计的感测元件和热联接到感测元件的加热元件，所述加热元件用于加热感测元件并将传感器温度维持在阈值温度605或高于阈值温度。第三曲线(线606)表示在传感器的感测元件两端施加的命令电压。虚线608示出了从查找表检索的参考电压。第四曲线(线610)表示传感器元件的目标阻抗。可经由PI控制器来控制氧传感器温度，其中基于感测元件的目标阻抗来确定传感器温度。第五曲线(线612)表示传感器的目标阻抗已被更新的次数的计数器。
在时间t1之前，车辆未经由发动机扭矩来推进，并且发动机保持静止。在时间t1，发动机从静止状态起动，并且氧传感器经由热联接到氧传感器的传感器元件的加热元件进行加热。供应到加热元件的功率可基于传感器元件的目标阻抗进行闭环控制。从阻抗查找表中检索目标阻抗，所述阻抗查找表在每次阻抗自适应之后更新。作为示例，在驾驶循环开始时用于温度控制的目标阻抗是在紧接的前一驾驶循环结束时更新的EWMA阻抗，如从查找表存储和获得。估计对应于目标阻抗的传感器元件两端的电压降。
在时间t2，响应于氧传感器温度增加至阈值温度605并且达到发动机稳态转速-负荷状况，发起目标阻抗的自适应。从控制器存储器查找或检索对应于当前工况的感测元件两端的预先校准的参考电压，如虚线608所示。对估计命令电压(V1)与参考电压(V2)之间的差值(ΔV)进行估计。差值ΔV与由传感器元件感测的电压和用于传感器温度控制的当前目标阻抗的实际目标阻抗的当前目标成比例。
在时间t3，传感器元件的目标阻抗从初始目标阻抗T1更新为更新的目标阻抗T2。由于老化引起的传感器元件的阻抗增加，更新的目标阻抗高于初始目标阻抗。在更新目标阻抗之后，用于估计在驾驶循环内执行的目标阻抗的自适应次数的计数器增加一。从时间t3开始，目标阻抗更新为目标阻抗T2，并且基于更新的目标阻抗T2来调整供应给加热元件的功率。在更新目标阻抗后，传感器元件两端的估计电压降与参考电压之间的差值减小到零。
以此方式，通过适时地自适应传感器元件的目标电压来考虑到氧传感器的老化，可改进氧传感器的温度控制。通过基于更新的目标阻抗来加热传感器元件，可减少传感器元件的过热，并且可减少传感器的进一步老化。总之，通过定期地自适应氧传感器的目标电压，感测元件可始终加热到操作温度，从而提高氧传感器操作的准确性和可靠性。
在另一个示例实施例中，可基于对应于当前工况的第一RMS电压来执行目标阻抗的更新。基于当前工况、排气温度和流量，可从预先校准的查找表查找第一输出RMS电压。然后，可将氧传感器的感测元件两端的命令电压暂时调整为该第一RMS电压，可执行传感器的阻抗测量。可从第二可校准的查找表查找参考阻抗，其中排气温度和流量作为输入并且参考阻抗作为输出。参考阻抗与测量阻抗之间的差值可用于使目标设定点朝向参考阻抗自适应。一旦完成自适应，传感器就可再次使用具有自适应的阻抗设定点的PI控制器以阻抗控制进行操作，直到发生下一次自适应测量为止。
一种用于车辆的发送机的示例方法，其包括：基于氧传感器的感测元件两端的命令均方根(RMS)电压与对应于初始阻抗的所述感测元件的参考RMS电压之间的差值来更新所述氧传感器的初始目标阻抗，以及基于所述更新的目标阻抗来调整所述氧传感器的温度。在前述示例中，另外地或任选地，在车辆操作期间在第一组工况下并且在调整所述氧传感器的所述温度时基于所述初始目标阻抗来估计所述感测元件两端的所述命令RMS电压。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，从预先校准的表查找对应于所述初始阻抗和所述第一组工况的所述参考RMS电压。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述第一组工况包括发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量和排气温度中的一者或多者。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，基于所述命令RMS电压与所述参考RMS电压之间的差值以及所述初始目标阻抗来估计所述更新的目标阻抗。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述方法还包括响应于所述更新的目标阻抗高于阈值阻抗，将所述更新的目标阻抗限于所述阈值阻抗。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述方法还包括用所述更新的目标阻抗和里程表读数的指数加权移动平均来更新第二预先校准的表。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述氧传感器的所述温度基于在驾驶循环开始时的所述初始目标阻抗进行闭环控制，其中所述初始目标阻抗作为调整供应到氧传感器加热器的功率的比例积分(PI)控制器的设定点。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述方法还包括将所述PI控制器的所述设定点更新为所述更新的阻抗。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述方法还包括针对在驾驶循环期间实施的阻抗更新的次数来更新计数器，并且响应于所述计数器的值超过阈值，在所述驾驶循环的其余部分期间禁用其他目标阻抗更新。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述方法还包括响应于所述更新的目标阻抗低于所述初始目标阻抗，指示所述氧传感器的零件更换。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述氧传感器联接到所述发动机的进气通道或排气通道。
用于发动机中的氧传感器的另一个示例包括：在满足目标阻抗自适应的条件时，估计对应于一组当前车辆工况和当前的第一目标阻抗的所述氧传感器的感测元件两端的命令RMS电压；检索对应于所述一组当前车辆工况和所述第一目标阻抗的所述感测元件的参考RMS电压；估计根据所述命令RMS电压与所述参考RMS电压之间的差值而变的第二目标阻抗；以及基于所述第二目标阻抗来调整所述氧传感器的温度。在前述示例中，另外地或任选地，调整所述温度包括将所述第二目标阻抗用作调整供应到与所述感测元件热连通的氧传感器加热器的功率的比例积分(PI)控制器的设定点。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，检索所述参考RMS电压包括从第一查找表查找所述RMS电压，其中所述当前车辆工况作为输入并且所述参考RMS电压作为输出，所述当前车辆工况包括发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量和里程表读数中的一者或多者。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，第二目标阻抗还基于所述第一目标阻抗和所述当前车辆工况。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，所述目标阻抗自适应的条件包括以下一者或多者：所述氧传感器的所述温度在第一阈值范围内、通过所述传感器的空气/排气流量在第二阈值内，以及发动机转速和发动机负荷的低于阈值的变化率。
用于车辆中的发动机的另一个示例系统包括：氧传感器；以及控制器，所述控制器将指令存储在非暂时性存储器中，所述指令在被执行时致使所述控制器：在驾驶循环开始时，基于初始目标阻抗来调整供应到与所述氧传感器的感测元件热接触的加热元件的功率；以及在稳定的发动机转速和发动机负荷状况期间，在所述氧传感器的温度增加至操作温度范围时，估计所述氧传感器的所述感测元件两端的加权的命令RMS电压与对应于第一目标阻抗和当前车辆工况的加权的参考RMS电压之间的差值；基于所述差值来更新所述初始目标阻抗；以及基于所述更新的目标阻抗来调整供应到所述加热元件的功率。在前述示例中，另外地或任选地，所述更新的目标阻抗高于所述初始目标阻抗。在前述示例中的任一或全部示例中，另外地或任选地，基于所述差值来更新所述初始目标阻抗包括根据所述差值、加权因子和所述初始目标阻抗来估计所述更新的目标阻抗，并且其中所述控制器包括其他指令以：在紧接的后续发动机操作期间，基于所述更新的目标阻抗来调整供应到所述加热元件的功率。
应当注意，本文所包括的示例控制和估计例程可与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和例程可作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来实施。本文所述的具体例程可表示任何数量的处理策略(诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务、多线程等)中的一者或多者。因此，所示的各种动作、操作和/或功能可按所示的顺序执行、并行执行，或者在一些情况下被省略。同样，处理顺序不一定是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供。可根据所使用的特定策略而重复地执行所示的动作、操作和/或功能中的一者或多者。另外，所描述的动作、操作和/或功能可图形地表示将被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过结合电子控制器在包括各种发动机硬件部件的系统中执行指令来实施所描述的动作。
应当理解，本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被视为具有限制性含义，因为众多变化是可能的。例如，上述技术可应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。此外，除非明确地相反指出，否则术语“第一”、“第二”、“第三”等不意图表示任何顺序、位置、数量或重要性，而是仅用作标记以区分一个元件与另一个元件。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/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
如本文所使用，除非另外指定，否则术语“大约”被解释为表示所述范围的±5％。
所附权利要求特别地指出被视为新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指代“一个”要素或“第一”要素或其等同物。此类权利要求应理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类要素。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过修正本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。此类权利要求与原始权利要求相比无论在范围上更宽、更窄、等同还是不同，都被视为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种用于车辆的发动机的方法，其包括：
基于氧传感器的感测元件两端的命令均方根(RMS)电压与对应于初始阻抗的所述感测元件的参考RMS电压之间的差值来更新所述氧传感器的初始目标阻抗，以及基于所述更新的目标阻抗来调整所述氧传感器的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中在车辆操作期间在第一组工况下并且在调整所述氧传感器的所述温度时基于所述初始目标阻抗来确定所述感测元件两端的所述命令RMS电压。
3.如权利要求2所述的方法，其中从预先校准的表查找对应于所述初始阻抗和所述第一组工况的所述参考RMS电压。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述第一组工况包括发动机转速、发动机负荷、发动机温度、排气流量和里程表读数中的一者或多者。
5.如权利要求4所述的方法，其中基于所述命令RMS电压与所述参考RMS电压之间的差值以及所述初始目标阻抗来估计所述更新的目标阻抗。
6.如权利要求5所述的方法，其还包括响应于所述更新的目标阻抗高于阈值阻抗，将所述更新的目标阻抗限于所述阈值阻抗。
7.如权利要求5所述的方法，其还包括用所述更新的目标阻抗和所述里程表读数的指数加权移动平均来更新第二预先校准的表。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述氧传感器的所述温度基于在驾驶循环开始时的所述初始目标阻抗进行闭环控制，其中所述初始目标阻抗作为调整供应到氧传感器加热器的功率的比例积分(PI)控制器的设定点。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括将控制器的所述设定点更新为所述更新的阻抗。
10.如权利要求8所述的方法，其还包括针对在驾驶循环期间实施的阻抗更新的次数来更新计数器，并且响应于所述计数器的值超过阈值，在所述驾驶循环的其余部分期间禁用其他目标阻抗更新。
11.如权利要求1所述的方法，其还包括响应于所述更新的目标阻抗低于所述初始目标阻抗超过阈值量，指示所述氧传感器的零件更换。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述氧传感器联接到所述发动机的进气通道或排气通道。
13.一种用于车辆中的发动机的系统，其包括：
氧传感器；以及
控制器，所述控制器将指令存储在非暂时性存储器中，所述指令在被执行时致使所述控制器：
在驾驶循环开始时，基于初始目标阻抗来调整供应到与所述氧传感器的感测元件热接触的加热元件的功率；以及
在稳定的发动机转速和发动机负荷状况期间，在所述氧传感器的温度增加至操作温度范围时，
估计所述氧传感器的所述感测元件两端的加权的命令RMS电压与对应于第一目标阻抗和当前车辆工况的加权的参考RMS电压之间的差值；
基于所述差值来更新所述初始目标阻抗；以及
基于所述更新的目标阻抗来调整供应到所述加热元件的功率。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述更新的目标阻抗高于所述初始目标阻抗。
15.如权利要求13所述的系统，其中基于所述差值来更新所述初始目标阻抗包括根据所述差值、加权因子和所述初始目标阻抗来估计所述更新的目标阻抗，并且其中所述控制器包括其他指令以：
在紧接的后续发动机操作期间，基于所述更新的目标阻抗来调整供应到所述加热元件的功率。
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