CN116761931A - 排气监测系统 - Google Patents

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Abstract

本主题总体上涉及一种车辆(100)。本主题具体地涉及一种车辆(100)中的排气监测系统(200)。本发明消除了对上游氧传感器的需要，从而降低了与车辆(100)中的额外氧传感器相关的额外成本。本发明使用来自已经设置在车辆(100)中的一个或多个传感器的输入，诸如发动机速度、MAP值、发动机温度传感器值、节气门位置传感器值、发动机负荷值、点火燃料量、点火正时，通过λ传感器模块(203)确定上游氧传感器值。

Description

排气监测系统
技术领域
本主题总体上涉及一种车辆。本主题具体但不排他地涉及一种在车辆中的排气监测系统。
背景技术
空气污染是全球关注的主要问题之一。主要原因之一是汽车工业以及汽车消费者数量的持续增长。
由于汽车已被证明是造成污染的主要原因，汽车公司正致力于提高内燃机还有催化转化器(一种后处理系统)的燃烧效率，催化转化器将由于不完全燃烧产生的有毒排放物(CO、HC、NOx)转化为无害物质。这种催化转化器将NOx还原为N2，将CO和HC氧化为CO2和H2O(因为它在排放控制中起着关键作用)，催化转化器的功能(诸如储氧能力(OSC)、转化效率)被证明是至关重要的，因此必须确保催化转化器的功能起作用，并且必须监测与其功能的任何偏差，并且必须向用户报告所述偏差，以便可以在不损害排放和性能的情况下尽早更换催化转化器。
已知技术公开了一种车载催化诊断系统，其用于通过由上游氧传感器和下游氧传感器两者的输出测量转化器的储氧能力(OSC)来监测催化转化器的转化效率。创建了一种用于OSC的方法，并将其与测量值进行比较，这些值的比值预测了催化转化器的健康状况。
目前，车辆排气系统带有两个氧传感器，一个氧传感器位于催化转化器的上游，并且另一个氧传感器位于催化转化器的下游。对催化转化器使用多个氧传感器(如通用排气氧传感器(UEGO)、加热型排气氧传感器(HEGO))会增加成本。任何传感器的任何故障都可能导致功能异常，并提供与催化转换器健康相关的不正确反馈。
附图说明
参考速克达式鞍座式车辆的实施例以及附图描述具体实施方式。在所有附图中使用相同的数字来指代相似的特征和部件。
图1例示了根据本主题的示例性鞍乘车辆的右侧视图。
图1a例示了车辆中的排气监测系统的框图。
图2例示了根据本主题的排气监测系统。
图3例示了根据本主题的排气监测系统，其中，λ传感器模块的位置远离车辆。
图4例示了根据本主题的催化转化器监测系统的另一个实施例，其中，下游氧传感器由热传感器(303)代替。
图5例示了根据本主题的排气监测系统的实施例，其中，热传感器(303)安装在催化转化器的外表面上。
图6至图8例示了描绘根据本主题的上游氧传感器的确定的流程图。
具体实施方式
催化剂转化过程与催化转化器的储氧能力(OSC)相关。根据已知的技术，车载催化诊断系统中OSC的测量是通过偏置空燃比来完成的，即，将系统从闭环强制切换到开环，从而根据空气-燃料混合物的阈值来清除富混合物或贫混合物。这种测量催化转化器健康状况的方法会导致进入EFI(电子燃料喷射)回路，在OSC测量期间影响车辆的排放和性能。
为了消除额外传感器所涉及的额外成本，根据已知技术，使用单一FIS(模糊干扰系统)实施虚拟λ传感器(VLS)模型，以便通过处理气缸压力来预测空燃比。将速度和气缸压力参数作为数据集，作为VLS模型的可能输入。之后，使用聚类分析来找到合适的输入、以及使用模糊逻辑的输出的可能范围。但即使是这种由模糊干涉系统实施的虚拟λ传感器也有其自身的缺点。该方法将气缸压力作为主要输入。将气缸压力视为唯一输入可能会使该方法无效，并且没有消除任何误差的余地。
因此，本发明的目的是提供一种车辆中的排气监测系统，其消除对上游氧传感器的需求来降低与额外氧传感器相关联的额外成本，同时克服上述所有问题和现有技术的其他问题。根据本发明，一种排气监测系统配置为使用来自已经设置在车辆中的一个或多个传感器的输入，诸如发动机速度、MAP(歧管绝对压力)值、发动机温度传感器值、节气门位置传感器值、发动机负荷值、点火燃料量、点火正时，通过λ传感器模块来确定上游氧传感器值。
本发明的另一个实施例提供了一种车辆中的排气监测系统，其包括用于确定上游氧传感器值的λ传感器模块。在一个实施例中，λ传感器模块为独立的控制器，其可以电连接到车辆的发动机控制单元。λ传感器模块也可以为发动机控制单元的集成部件。在另一个实施例中，λ传感器模块可以远程存在于远程服务器中，并且发动机控制单元可以通过诸如Wi-Fi、蓝牙、GPS/GPRS的无线装置与远程服务器通信。λ传感器模块作用为上游氧传感器，但是通过从车辆中使用的多个传感器获取输入来提供更精确的输出。
本发明的另外一个实施例提供了一种具有λ传感器模块的排气监测系统，其接收来自车辆中各种传感单元的输入，以确定上游氧值。
本发明的另一个实施例提供了一种排气监测系统，其中，上游氧值通过使用统计模型的分类模块和使用分析模型的性能模块来确定。在统计模型中，校准试验在几个行驶循环和环境条件下进行。连续地记录一个或多个发动机参数。从统计模型测试获得的数据根据不同水平的当量比(空燃比)进行分类，并且根据实施到排气监测系统或模块中的催化转化器的不同健康水平进行分类。在统计模型中实施分类技术，能够对在确定空燃比中有更好贡献的参数进行分类。而分析模型将发动机参数作为输入进行处理，并以空燃比(AFR)或当量比的形式产生输出，这使得能够以百分比的形式确定催化转化器的性能。
图1例示了根据本主题的示例性鞍乘车辆100的右侧视图。鞍乘车辆(简称为“车辆”)(100)包括由虚线示意性示出的主框架(130)，主框架(130)充当车辆(100)的结构构件。此外，车辆(100)包括前轮(101)和后轮(102)。本主题不限于具有两个车轮的机动车辆，因为其仅被认为是为了便于解释说明，并且其适用于任何鞍乘车辆。主框架(130)包括头管(131)、主管(132)、以及一个或多个后管(133)。根据当前实施例，头管(131)设置在车辆100的前部部分中。主管(132)从头管(131)向后延伸，并且主管(132)然后形成弯曲部分(134)。在弯曲部分(134)之后，主管(132)基本上向下延伸。一个或多个后管(133)从弯曲部分(134)向后延伸。在一实施方式中，主管(132)为单个管状构件。在另一实施方式中，主管(132)可以由两个或更多个管形成，这两个或更多个管连续连接以形成单个结构。一个或多个后管(133)具有连接到弯曲部分(134)的前端。向后倾斜延伸的一个或多个后管(133)可以进一步包括一个或多个弯曲，以便适应车辆(100)的布局。在具有两个后管的实施例中，其前部部分(未示出)朝着弯曲部分(134)收敛，并且两个后管朝着向后的方向间隔开并使用一个或多个横向构件(未示出)连接在一起。
车辆(100)包括转向系统(未示出)和前悬架单元(140)，前悬架单元(140)为转向系统的一部分。转向系统可以相对于头管(131)旋转移动。车把组件(150)连接到转向系统，用于操纵车辆(100)。前悬架单元(140)可旋转地支撑前轮(101)。动力单元(120)固定地安装到框架组件(130)。在一个实施例中，框架组件(130)包括从头管(131)倾斜向下延伸的下管(135)。动力单元(120)由主管(132)和下管(135)固定地支撑。为内燃(IC)机的动力单元(120)设置有电机(125)(以虚线示出)。在一实施方式中，电机(125)安装到动力单元(120)的曲轴(未示出)，以与其一起旋转。电机(125)优选但不限于集成式起动发电机(ISG)。电机(125)配置为执行内燃机的起动操作，在内燃机操作期间对车辆(100)的电池(未示出)充电，甚至辅助内燃机。动力单元120通过传动系统(未示出)联接到后轮102。在一实施方式中，第二轮(102)由摆臂(未示出)可旋转地支撑。
车辆(100)包括安装在主管(132)上并设置在车把组件(150)后方的燃料箱(740)。此外，座椅组件(165)设置在燃料箱(740)后方。在一实施方式中，座椅组件(165)在纵向方向F-R上呈细长结构，并由后管(133)支撑。在另一实施方式中，如图1所示，座椅组件(165)由骑行者座椅(160)和后座座椅(162)形成，后座座椅(163)设置在骑行者座椅(160)的后方。此外，车辆(100)包括安装到前悬架(140)并配置为覆盖第一车轮(101)的至少一部分的前挡泥板(115)。后挡泥板(170)悬挂在座椅组件(165)下方。后挡泥板(170)配置为阻止水或灰尘从第二车轮(102)溅到路人和其他车辆上。
图1a例示了车辆(100)中的排气监测系统(200)的框图。排气监测系统(200)包括燃烧单元(202)，诸如发动机(202)，发动机(202)接收用于燃烧的空气-燃料混合物并提供能量使车辆(100)运动。发动机(202)配置为由发动机控制单元(201)控制。发动机(202)连接到进气歧管(未示出)，进气歧管提供气流以帮助发动机(202)的燃烧室内部的燃料燃烧。
节气门阀(未示出)控制进入进气歧管的空气量，并且节气门阀由骑行者手动或电动操作。节气门阀的开度由节气门位置传感器(未示出)测量，并且节气门位置传感器(未示出)向发动机控制单元(201)发送节气门位置信号。类似地，歧管空气压力传感器(未示出)向发动机控制单元(201)发送歧管空气压力信号。发动机控制单元(201)控制并监测发动机(202)和其他车辆部件。诸如催化转化器(207)的反应增强单元配置为从燃烧单元接收一种或多种类型的气态物质。
设置在ECU(201)内部或作为独立控制器(如图1a所示)的λ传感器模块(203)，配置为接收来自感测单元(212)的输入，并处理接收的输入，以确定上游氧值。λ传感器模块(203)包括对统计模型进行操作的分类模块(203a)和对分析模型进行操作的性能模块(203b)，以确定上游氧值。ECU(201)将由λ传感器模块(203)确定的上游氧值与下游氧传感器输出进行比较。ECU(201)将气态物质在催化转化器(207)中的停留时间(T)与预定阈值时间(T’)进行比较，以便根据催化转化器(207)剩余的使用寿命或覆盖的使用寿命的百分比来确定当量比。将这个信息指示给用户，这使得车辆的用户能够知道车辆的催化转化器(207)的健康状况，而无需使用额外的上游氧传感器。分类模块(203b)和性能模块(203b)在车辆加速、减速时或在执行燃料切断命令时确定上游氧值。
图2例示了根据本发明的实施例的排气监测系统(200)。排气监测系统(200)包括燃烧单元，诸如发动机(202)，其接收用于燃烧的空气-燃料混合物并提供能量使车辆(100)运动。发动机(202)配置为由发动机控制单元(201)控制。发动机控制单元(201)以电子方式配置为接收来自感测单元(212)(诸如节气门位置传感器、歧管空气压力(MAP)传感器、热传感器(303)、速度传感器、发动机温度传感器等)的输入。
发动机(202)在燃料燃烧后会产生被称为排放物的有毒气体，并且为了在燃烧后释放微粒和其他有毒气体，排气歧管(206)使得可以释放此类气体。排气歧管(206)连接到排气管(210)。排气管(210)包括上游部分(211)和下游部分(205)。上游部分(211)位于发动机(202)与催化转化器(207)之间，而下游部分(205)位于催化转化器与下游排气开口(212)之间。催化转化器(207)位于上游部分(211)与下游部分(205)之间。为了监测排气以及排气的转化，使用氧传感器(208)。氧传感器位于下游部分(205)中，并监测催化转化器(207)的运行效率。车辆(100)可以设置有车载诊断系统，以连续监测排放物。位于上游部分(211)或排气歧管(206)上的氧传感器有助于监测发动机(202)的空气/燃料比。位于上游部分(211)的氧传感器发送指示富或贫燃料混合物的信号。在富燃料混合物中，空气含量相对于燃料较少，并且氧传感器发送高电压信号，而对于贫燃料混合物(空气比燃料多)，氧传感器产生低电压信号。氧传感器数据由排气监测系统分析，以向发动机控制单元(201)提供关于催化转化器(207)健康状况的重要信息，该信息通过连接到下游氧传感器(208)的催化转化器监测器(203)监测。经过一段时间后，催化转化器(207)开始劣化，并且催化转化器的转化效率开始下降。这对车辆的效率构成了威胁，也对环境造成了危害。有必要用新的催化转化器替换旧的催化转化器(207)。尽管多个氧传感器或λ传感器可以用于监测转化效率，但是实施多个氧传感器或λ传感器增加了车辆(100)的总体成本。
位于下游部分(205)中的下游氧传感器(208)将指示催化转化器(207)的储氧能力的信号发送到λ传感器模块(203)。λ传感器模块(203)可以为具有其自己的存储器和RAM(只读存储器)的独立控制器。λ传感器模块(203)也可以与发动机控制单元(201)集成。
图3例示了排气监测系统(200)，其中，λ传感器模块(203)的位置远离车辆(100)。发动机控制单元(201)获取所有车辆参数，并通过通信模块(301)将收集的参数发送到λ传感器模块(203)。通信模块(301)可以为无线技术，诸如Wi-Fi或蓝牙或GPRS/GPS系统。通信模块(301)连接到远程云服务器(204)，远程云服务器(204)中存储有用于处理的λ传感器模块(203)。远程云服务器(204)具有存储λ传感器模块(203)的控制器或处理器。
图4例示了排气监测系统(200)的另一个实施例，其中，下游氧传感器(208)由热传感器(303)代替，热传感器(303)诸如NTC(负温度系数)型热传感器(303)。热传感器(303)可以放置在下游部分(205)中，类似于下游氧传感器的位置。催化转化器(207)的健康/效率可以由其OSC和其温度映射两者来确定。通过使用发动机温度传感器和进气温度传感器，通过真值表的线性插值来估计排气温度，真值表包括发动机温度、进气温度和发动机负荷的值中的至少一者。位于催化转化器(207)下游的热传感器(303)获得排气后催化转化器(207)的温度。通过比较这两个值，我们将能够确定催化转化器(207)的健康状态。如果温度差小于预定阈值，则催化转化器已经劣化，因为催化转化器内部的反应产生更多热量(放热反应)。
图5例示了排气监测系统的另一个实施例，其中，热传感器(303)安装在催化转化器的外表面上，并完全取消了下游氧传感器(208)。在另一个实施例中，热传感器(303)位于发动机控制单元(202)内。取决于催化转化器(207)的健康状况，催化转化器(207)的温度改变。这种改变也将影响排气，因此催化转化器下游测量的温度也能够确定催化转化器(207)的健康状态。首先，通过接收来自设置在车辆发动机上的热传感器(303)的信号来确定排气端口处的排气温度。然后基于从设置在催化转化器(207)下游的热传感器(303)接收的信号确定催化转化器(207)下游的排气温度。将上述两个温度进行比较，以确定催化转化器的健康状况(207)。
图6至图8例示了描绘上游氧值的确定的流程图。在步骤(501)中，点火钥匙被打开。在步骤502中，λ传感器模块(203)接收发动机速度信号，并检查发动机速度是否大于阈值发动机速度。当发动机速度大于阈值发动机速度时，在步骤503中，λ传感器模块(203)测量一个或多个参数，诸如瞬时发动机速度、歧管空气压力、节气门位置、喷射的燃料量、发动机负荷、大气压力和发动机温度。在步骤504中，根据歧管空气压力确定发动机负荷值。在步骤505中，测量燃料喷射器的工作周期，并且在步骤506中，测量工作周期中喷射的燃料量。然后在步骤507中，基于由来自歧管空气压力传感器的测量的歧管空气压力确定的发动机速度(rpm(每分钟转数))和发动机负荷值，确定点火正时。
此外，在步骤508中，通过上面解释说明的实施例中的任一实施例确定上游氧值。为了确定上游氧值，在进行到步骤509之前，图7描绘了随后的另一个过程。在步骤601中，λ传感器模块(203)检查车辆(100)是否处于瞬时状态，即车辆(100)正在加速或减速或者处于稳定速度。在检查瞬时状态的同时，还检查燃料切断命令。如果车辆没有加速或减速或者没有执行燃料切断命令，则上游氧值通过发动机rpm(每分钟转数)、歧管空气压力、节气门位置、发动机负荷、喷射的燃料量和点火正时由发动机方程式确定(步骤602)。通过发动机方程式，可以预测燃烧正时，并确定燃烧期间产生的能量的量，并且还可以确定空燃比(贫燃料还是富燃料)。
但是，如果车辆加速或减速，或者如果执行了燃料切断命令，则在步骤603中，从由诸如发动机rpm、点火正时和发动机负荷值等参数组成的映射真值表确定上游氧传感器值，即，实施统计模型。通过重复测试并校准为这些参数生成数据，其中，根据实施例，该表为查找表。在生成并存储来自测试过程的参数值之后，创建数据库。将数据库中的数据提供给λ传感器模块。λ传感器模块(203)使用由参数(即发动机rpm、点火正时和发动机负荷值)生成的数据库来产生上游氧值。
在确定上游氧值后，在步骤509中处理上游氧值和下游氧传感器值。在处理期间，遵循如图8中的流程图所示的以下步骤。在步骤702中，确定上游氧值的转变。燃料混合物的转变可以为从贫到富，反之亦然。λ传感器模块(203)的计时器被触发以在转变期间打开。当下游氧传感器值进行转变时，λ传感器模块的计时器停止。在步骤704中，从λ传感器模块(203)的计时器确定也称为停留时间(T)的时间段。停留时间(T)实际上是实体停留在催化转化器中的平均时间长度。催化转换器的健康状况由ECU基于查找表来确定。如果停留时间(T)小于预定阈值时间(T’)(在步骤705中)，则在步骤707中不采取行动，这表明催化转化器工作正常，但是如果计时器值大于阈值，则在步骤706中生成指示信号以指示催化转化器工作不正常，需要用新的催化转化器替换。
附图标记列表
车辆(100)
主框架(130)
前轮(101)
后轮(102)
头管(131)
主管(132)
后管(133)
弯曲部分(134)
动力单元(120)
下管(135)
车把组件(150)
座椅组件(165)
骑行者座椅(160)
后座座椅(162)
前挡泥板(115)
排气监测系统(200)
前悬架单元(140)
后挡泥板(175)
发动机(202)
热传感器(303)
发动机控制单元(201)
催化转换器(207)
排气歧管(206)
上游部分(211)
下游部分(205)
排气开口(212)
氧传感器(208)
λ传感器模块(203)
通信模块(301)
远程云服务器(203)
分类模块(203a)
性能模块(203b)

Claims (18)

1.一种车辆(100)中的排气监测系统(200)，所述排气监测系统(200)包括：
燃烧单元(202)，配置为由发动机控制单元(201)控制；
反应增强单元(207)，配置为从所述燃烧单元(202)接收一种或多种类型的气态物质；
一个或多个感测单元(212)，以电子方式配置为向所述发动机控制单元(201)提供一个或多个输入；以及
λ传感器模块(203)，配置为接收并处理从所述一个或多个感测单元(212)接收的所述一个或多个输入，以确定对应于所述反应增强单元(207)的上游区域的上游氧值。
2.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述发动机控制单元(201)配置为接收所述上游氧值并与下游氧传感器输出进行比较；
其中，所述发动机控制单元(201)配置为将停留时间(T)与预定阈值时间(T’)进行比较，以确定当量比。
3.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述反应增强单元(207)为催化转化器。
4.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述燃烧单元(202)为内燃机。
5.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述一个或多个感测单元(212)为氧传感器、热传感器(303)、速度传感器和MAP传感器、发动机温度传感器；
其中，所述热传感器(303)安装在催化转化器的外表面上。
6.如权利要求5所述的排气监测系统(200)，其中，所述热传感器(303)位于所述发动机控制单元(202)内。
7.如权利要求5所述的排气监测系统(200)，其中，所述热传感器(303)设置在下游部分(205)中。
8.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述发动机控制单元(202)配置为连接到位于远程云服务器(203)中的所述λ传感器模块(203)，以基于所述一个或多个输入来确定所述上游氧传感器值。
9.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述停留时间由一个或多个参数确定；
其中，所述参数为节气门开度、发动机速度、歧管空气压力、发动机负荷、空气-燃料量、排气温度。
10.如权利要求1所述的排气监测系统(200)，其中，所述λ传感器模块(203)存储在远程云服务器(204)中；
其中，所述远程云服务器(204)可以通过无线技术访问；
其中，所述无线技术为Wi-Fi、蓝牙和GPRS/GPS系统。
11.一种排气监测系统(200)，包括：
λ传感器模块(203)；
其中，所述λ传感器模块(203)包括分类模块(203a)和性能模块(203b)，
其中，所述分类模块(203a)配置为执行统计模型；并且
所述性能模块(203b)配置为执行分析模型。
12.如权利要求11所述的排气监测系统(200)，其中，所述分类模块(203a)能够对一个或多个发动机参数进行分类，以确定空燃比；
其中，所述发动机参数为发动机速度、节气门位置、歧管空气压力、大气压力、发动机负荷、喷射的燃料量和发动机温度。
13.如权利要求11所述的排气监测系统(200)，其中，所述和所述性能模块(203b)处理所述发动机参数作为输入，并产生所述空燃比(AFR)形式的输出；
其中，所述发动机参数为发动机速度、节气门位置、歧管空气压力、大气压力、发动机负荷、喷射的燃料量和发动机温度。
14.如权利要求11所述的排气监测系统(200)，其中，当所述车辆(100)经历加速、减速时或者当执行燃料切断命令时，所述分类模块(203a)和所述性能模块(203b)确定所述上游氧传感器值。
15.一种从车辆(100)中的排气监测系统(200)确定上游氧值的方法，包括步骤：
通过λ传感器模块(201)检查发动机速度；
将所述发动机速度与阈值发动机速度进行比较；
测量一个或多个参数；
确定发动机负荷值；
确定燃料喷射器的工作周期；
测量在所述工作周期中喷射的燃料量；
处理下游氧传感器值，然后确定所述上游氧传感器值。
16.如权利要求11所述的从车辆(100)中的排气监测系统(200)确定上游氧值的方法，其中，确定所述上游氧值包括步骤：
检查所述车辆(100)的加速度变化或燃料切断命令；
确定所述车辆(100)的加速度何时改变或者何时接收到燃料切断命令；以及
当没有检测到加速度变化或燃料切断命令时，基于来自一个或多个感测单元(212)的输入从真值表确定所述上游氧值。
17.如权利要求11所述的从车辆(100)中的排气监测系统(200)确定上游氧传感器值的方法，其中，所述处理下游氧值和所述上游氧传感器值包括步骤：
确定转变的上游氧值；
在燃烧状态从富到贫和从贫到富中的一种的转变期间，打开λ传感器模块(203)的计时器；
从所述计时器确定所述停留时间(T)；以及
当确定的所述时间大于预定阈值时间(T’)时，指示反应增强单元(207)的劣化。
18.一种通过车辆(100)中的排气监测系统(200)来确定催化转化器(207)的劣化的方法，包括步骤：
基于从设置在发动机上的热传感器(303)接收的信号确定排气端口处的排气温度；
基于从设置在所述催化转化器(207)下游的所述热传感器(303)接收的信号确定所述催化转化器(207)下游的排气温度；以及
比较所述排气端口处和所述催化转化器(207)下游确定的所述排气温度；以及
基于所述排气温度确定所述催化转化器(207)的劣化。
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