CN1297738C - 空气流量传感器故障判定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对内燃机的空气流量传感器故障判定装置，用于判定空气流量传感器的故障，在该内燃机的进气通道中装有空气流量传感器、节气阀和置于节气阀下游的压力传感器，该空气流量传感器故障判定装置包括：第一计算单元，用于根据空气流量传感器的输出信号计算第一进气量；第二计算单元，用于根据压力传感器的输出计算第二进气量；以及判定单元，用于根据第一进气量与第二进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障，由此，故障判定可以根据第一进气量与第二进气量之间的比较来实施，第一进气量根据空气流量传感器的输出计算得到，第二进气量根据置于进气通道中的节流阀下游的压力传感器的输出计算得到。

Description

空气流量传感器故障判定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于判定内燃机进气系统故障的装置及方法。
背景技术
空气流量传感器(AFS)是用于检测吸入内燃机(发动机)的进气量的装置。当空气流量传感器的电路发生断路或发生了被认为是特性异常的故障时，将会导致进气量检测的错误，并且这是排放物(废气)恶化的起因。因此，空气流量传感器需要被监测以便了解是否存在故障。
在已被审查的日本专利申请公报02-55616中描述了一种技术，在该技术中，空气流量传感器的故障是通过把根据空气流量传感器输出计算的进气量与对应于节气阀打开位置设定的故障判定值进行比较来判定的。另外，在日本专利No.3047589中描述了一种技术，在该技术中故障诊断区域是与进气管中的压力相对应设置的。
由于根据以上所述的相关技术的这些AFS故障检测方法都是利用特殊的驱动区域(driving area)，比如没有发动机载荷和转速波动的区域，这些方法都具有检测频率降低的问题。本发明的一个目的是提供一种故障检测方法，该方法能够减轻对执行AFS故障检测的驱动区域的限制，从而提高执行故障检测的频率。
发明内容
着眼于解决这个问题，根据本发明的第一方面，为内燃机提供一种空气流量传感器故障判定装置用来判定空气流量传感器的故障，在内燃机的进气通道中安装了空气流量传感器、节气阀和设置在节气阀下游的压力传感器，空气流量传感器故障判定装置包括：第一计算单元，用于根据空气流量传感器的输出信号计算第一进气量；第二计算单元，用于根据压力传感器的输出计算第二进气量；以及判定单元，用于根据第一进气量与第二进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障，所述判定单元被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，当特性位于正常区域并且故障日志记录了空气流量传感器的一个故障时，如果判定故障时的驱动区域与当前驱动区域重叠，则允许正常状态判定，而如果故障发生时的驱动区域与当前驱动区域不重叠，则不允许正常状态判定。
此外，为内燃机提供一种空气流量传感器故障判定方法，用来判定空气流量传感器的故障，在内燃机的进气通道中安装了空气流量传感器、节气阀和设置在节气阀下游的压力传感器，空气流量传感器故障判定方法包括以下步骤：第一计算步骤，用于根据空气流量传感器的输出信号计算第一进气量；第二计算步骤，用于根据压力传感器的输出计算第二进气量；以及判定步骤，用于根据第一进气量与第二进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障，所述判定步骤被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，当特性位于正常区域并且故障日志记录了空气流量传感器的一个故障时，如果判定故障时的驱动区域与当前驱动区域重叠，则允许正常状态判定，而如果故障发生时的驱动区域与当前驱动区域不重叠，则不允许正常状态判定。
根据本发明第一方面的空气流量传感器故障判定装置或方法，故障判定是基于根据空气流量传感器的输出计算得到的第一进气量与根据设置在进气通道节气阀下游的压力传感器的输出计算得到的第二进气量之间的比较来进行的。由于第一进气量和第二进气量在正常驱动区域是高度可靠的，所以通过使用那些进气量进行故障判定可使空气流量传感器的故障判定能够在相对宽的驱动区域进行。
根据本发明的第二方面，提供了如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，还包括补偿装置，用于针对节气阀打开位置变化时节气阀下游充入的空气量的变化而对第二进气量进行补偿，其中判定单元根据由补偿装置补偿后的第二进气量与第一进气量之间的比较来判定空气流量传感器故障。
在使用AFS计算进气量的情况下，我们知道，在节气阀打开位置改变的瞬时在计算值中会产生一个过冲(overshoot)。
此外，如第一方面提出的空气流量传感器故障判定方法，还包括一个补偿步骤，用于针对节气阀打开位置变化时节气阀下游充入的空气量的变化而对第二进气量进行补偿，其中判定步骤根据由补偿步骤补偿后的第二进气量与第一进气量之间的比较来判定空气流量传感器故障。
根据本发明第二方面的空气流量传感器故障判定装置或方法，根据如此生成的过冲对第二进气量进行补偿。也就是，一个与在第一进气量中产生的过冲相应的过冲被加入到第二进气量中，并且根据第一和第二进气量之间的比较来判定AFS的故障，由此，可以在抵消了所产生的过冲的影响的情况下进行故障判定。
根据本发明的第三方面，提供了如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，其中，第一计算单元、第二计算单元和判定单元构成一台带有存储器的计算机，该存储器中保存了故障日志。
有一些原因会导致AFS的故障在某个特定驱动区域产生而不在其他驱动区域产生的情况。
此外，如第一方面提出的空气流量传感器故障判定方法，其中，第一计算步骤、第二计算步骤和判定步骤使用保存了故障日志的存储器进行运算。
根据本发明第三方面的空气流量传感器故障判定装置或方法，即使在AFS特性位于正常区域时，如果AFS的驱动区域与确定故障时的驱动区域不重叠，则不允许正常状态判定，反之，如果AFS的驱动区域与确定故障时的驱动区域重叠，则允许正常状态判定，由此，在特定驱动区域中产生的AFS故障可以被适当地处理。
根据本发明的第四方面，提供了如本发明的第三个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，其中，判定单元被编程用来确定在一段预定监测时间后确定空气流量传感器的输出变化是否等于或大于一个预定值，并且在输出没有如此变化的情况下不允许正常状态判定。
此外，如本发明的第三个方面提出的空气流量传感器故障判定方法，其中，判定步骤被编程用来确定在一段预定监测时间后确定空气流量传感器的输出变化是否等于或大于一个预定值，并且在输出没有如此变化的情况下不允许正常状态判定。
由于当AFS的输出在预定检测时间中没有变化时也存在AFS出故障的可能性，所以在确认AFS的输出变化后允许正常状态判定。
根据本发明的第五方面，提供了如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，其中，第一计算单元、第二计算单元和判定单元构成一台带有存储器的计算机，该存储器中保存了故障日志，并且其中，判定单元被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，并且当特性位于故障区域时，如果故障日志记录了空气流量传感器的一个故障，则点亮警告灯，如果不存在故障日志，则把故障日志输入存储器。
此外，如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定方法，其中，第一计算步骤、第二计算步骤和判定步骤使用保存了故障日志的存储器进行运算，其中，判定步骤被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，并且当特性位于故障区域时，如果故障日志记录了空气流量传感器的一个故障，则点亮警告灯，如果不存在故障日志，则把故障日志输入存储器。
根据本发明第五方面的空气流量传感器故障判定装置，由于执行AFS故障判定的频率可以增大，所以当检测到一个故障时，如果故障日志不存在，也就是，这样检测到的故障是第一个单一故障，则这样检测到的故障被记录为故障日志，并且当在后续的判定中检测到一个故障时，故障警告灯被点亮，由此可以提高故障警告灯点亮的可靠性。
根据本发明的第六方面，提供了如本发明的第五个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，其中判定单元被编程用于对在预定数量的驱动周期中连续做出的正常状态判定进行响应，来关掉警告灯并删除故障日志。
此外，如本发明的第五个方面提出的空气流量传感器故障检测方法，其中判定步骤被编程用于对在预定数量的驱动周期中连续做出的正常状态判定进行响应，来关掉警告灯并删除故障日志。
根据本发明的第六方面，当作为故障检测的结果，警告灯被点亮，并且在预定数量的驱动周期中连续做出了正常状态判定时，由于该AFS故障被理解为暂时的或者故障判定被理解为暂时有误，所以警告灯被关掉。这样，AFS的暂时故障或者暂时的判定错误可以被适当地处理。
根据本发明的第七方面，提供了如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定装置，其中，至少在压力传感器正常时，空气流量传感器的故障才能判定。
此外，如本发明的第一个方面提出的空气流量传感器故障判定方法，其中，至少在压力传感器正常时，空气流量传感器的故障才能判定。
这是为了进行正常的故障判定。
附图说明
图1是说明根据本发明的一个实施例的总体配置的方框图。
图2是说明在节气阀的打开位置发生很大变化时计算得到的节气阀进气量Gair-th与气缸进气量Gair-cyl之间关系的曲线图。
图3是说明空气流量传感器的正常范围和故障范围的曲线图。
图4是说明根据本发明实施例的一个处理过程的流程图。
具体实施方式
接下来，将参考附图描述本发明的实施例。图1是一个显示发动机系统总体的概念图。进气经过进气管11，然后根据节气阀15的开度被提供给汽缸10。在汽缸10中燃烧产生的气体通过排气管23被排放到大气中。
用于喷射燃料的喷油嘴21被安装在进气管中并接近于汽缸10。用来检测吸入空气流速的空气流量传感器13被安装在节气阀15的上游。空气流量传感器是气流计，叶片式空气流量传感器、卡曼涡流空气流量传感器以及热线式空气流量传感器是公知的气流计。本发明可以使用这些空气流量传感器中的任何一种。
虽然没有在图中显示，但还是有一个曲柄角度传感器被安装在发动机的曲轴上，用来响应于发动机的旋转输出的每一个给定角度的基准角度信号。
曲柄角度传感器、用于检测发动机冷却液温度的冷却液温度传感器、空气流量传感器、空燃比传感器以及安装在发动机相应部分的其他传感器的输出被输入到由微计算机组成的电子控制单元30的输入接口31。输入接口31处理如此输入的信号并将输出传送给驱动状况判定单元37。驱动状况判定单元根据输入信号判断车辆的驱动状况并将输出传送给控制操作单元39。控制操作单元根据车辆的驱动状况执行一个操作以对空燃比进行控制，并输出信号来驱动喷油嘴21、火花塞以及其他组件。
根据由空气流量传感器13判定的气流速度的输出来计算用来控制燃料喷射量的进气量。空气流量传感器13的输出在ECU 30的输入接口31进行波形处理(wave processed)，然后被发送到模/数转换器(ADC)33。ADC对空气流量传感器13的判定输出进行采样，并且依次将顺序的采样值传送到进气量计算单元35。
众所周知，空气流量传感器13的输出包含一个周期为T的脉动，该周期中构成发动机的进气冲程(TDC)。空气量计算单元35包括一个用于处理从ADC 33发送来的采样值的数字滤波器，用来输出从采样值中除去了脉动频率分量后所得到的结果。通常，数字滤波器可以任意设置被滤掉的频率分量。比如，梳状滤波器被用于进气量计算单元35中的数字滤波器，它在空气流量传感器输出的脉动频率表现出显著衰减特性。通过改变采样频率和分接头的数量可以给予数字滤波器不同的特性。通过使用这个特性可以检测Gair-afs。
接下来，参照图2，众所周知，当节气阀打开位置改变很大时，在根据空气流量传感器判定的空气量得到的进气量Gair-afs中会产生一个过冲。这种现象被认为是由于充入节气阀15下游的进气歧管19(图1)的空气量GB的改变而产生的。这里，Gair-afs(g/sec)被转换为每汽缸进气量Gair-th(g/TDC)并且要进行以下的处理。比如，对于四缸发动机，Gair-th＝Gair-afs*60/(NE*2)，对于六缸发动机，Gair-th＝Gair-afs*60/(NE*3)。
另外，众所周知，这个瞬时现象可以用下面的公式来补偿，由此来计算将被吸入汽缸10内的空气量Gair-cyl。
[公式1]
Gair-cyl＝Gair-th-ΔPB·V/(R·T)
其中，ΔPB为进气管压力，由安装在进气管中的压力传感器17(图1)检测，V为歧管的容积，R为气体常数以及T为吸入气体的温度。
在图1中所示的补偿单元36是一种进行补偿的装置。控制操作单元39很据如此补偿后的进气量计算燃料喷射量，并且把一个控制信号发送给喷油嘴21。另一方面，如图1所示的实施例中，一个没有如上所述针对根据AFS的输出在空气量计算单元35计算的空气量进行补偿的值发送到故障判定单元47。
参照图1，ECU 30包括另一个进气量计算单元43。进气量计算单元43根据安装在进气管中的压力传感器17检测的进气管压力，按照下面的公式计算进气量估计值GAIRPB(g/TDC)。
[公式2]
GAIRPB≈PB×Vcyl/(R×T)
其中，Vcyl是汽缸的容积，R是气体常数以及T是导入气体的温度。
然后，这个GAIRPB被发送到ΔPB补偿单元45，并且接着按照下面的公式计算GAIRMAPS。
[公式3]
GAIRMAPS＝(GAIRPB+ΔGB)×K×NE/60
其中，ΔGB是进气歧管中的空气变化(g/TDC)，K是每1rpm的进气冲程TDC的数量，NE是发动机的转速(rpm)。如参照图2的描述，在节气阀开度变化时根据AFS的输出在AFS空气量计算单元35中计算出的进气量Gair-afs中产生的过冲。在这个实施例中，AFS故障判定单元47接收没有对如此生成的过冲进行补偿的进气量Gair-afs。ΔGB补偿单元45被设计用于根据PB来将这个过冲加到进气量估计值中。也就是，不是将过冲从Gair-afs中减去，而是将过冲加到GAIRPB中，由此对Gair-afs和GAIRPB进行比较。
当然，在补偿单元36进行过冲补偿后的进气量Gair-th(与图2中的Gair-cyl一致)可以作为输入到AFS故障判定单元的一个输入，并且，根据没有经过ΔGB补偿的PB得到的进气量估计值可以作为另一个输入，由此可以进行故障判定。
AFS故障判定单元47根据图3来确定AFS故障，图3是基于根据PB得到的空气量估计值与AFS判定的空气量之间的对应关系得到的。也就是，当两个量之间的关系位于处在图3中间位置的“正常范围”时，AFS被判定为正常，反之，当两个量之间的关系位于处在图3上部或下部位置的“故障确定区”时，AFS被判定为发生故障。AFS故障判定单元47是通过保存在ECU 30的ROM中的程序来实现的。
接下来，参照图4来描述故障判定的过程。用上述的方法根据AFS的输出计算出一个进气量(S101)，并且根据压力传感器的输出PB计算出一个进气量(S103)。通过检查发动机转速和发动机冷却液温度以及启动后计时器和PB传感器正常状态判定标志的状态来确定是否满足对AFS故障检测实施监测的条件(S105)。比如，监测实施的条件包括发动机转速(NE)位于600rpm和5000rpm之间，发动机冷却液温度要等于或高于70℃，发动机启动三秒以后以及PB传感器正常(输出有变化)。
这样，当发动机在正常条件下运行时可以实施监测。此外，在步骤S107中，判定了发动机是否出要求暂时停止监测的运行状态。比如，当发动机载荷大于正常载荷时，监测暂时停止(NG)。
接下来，使用参照图3描述的方法判定AFS的特性是否存在偏移或AFS是否在正常区域工作(S109)。当AFS保持正常时(OK)，根据压力传感器的输出PB计算出的进气量被存入存储器，作为表示当前监测中的驱动区域的参数(S111)。OK计时器的当前值被存入存储器，并且NG计时器被保持，然后前进到步骤S115。
在步骤S115中，判定是否有以前的故障日志，如果有，则前进到步骤S117，在步骤S117中判定当前驱动区域(在S111中保存)与以前故障日志的驱动区域是否重叠。当判定两个区域重叠时，允许AFS的正常状态判定(S119)，反之，当不重叠时，不允许AFS的正常状态判定(S121)。当以前有AFS故障被判定并且存在故障日志时，仅仅在AFS在与以前故障判定时的驱动区域相同的驱动区域中处于正常区域的条件下，才允许正常状态判定。这是因为在驱动区域不同的情况下，存在判定产生差异的可能性。
接下来，在步骤S123中，判定AFS输出值的变化是否等于或大于预定范围。如果AFS的输出值没有如此变化，则结束流程。当AFS输出值的变化等于或大于预定范围时，则前进到步骤S127，在步骤S127中判定是否过了预定的监测时间，如果过了监测时间并且设置了正常状态判定使能标志(在S119中设置)(S129)，则做出AFS正常的判定(S131)。当在步骤S129中不允许正常状态判定时(在S121中不允许)，流程被终止。
当在步骤S131中做出了正常状态判定时，在步骤S133判定警告灯是否被点亮。该警告灯是安装在车辆仪表板或靠近驾驶员车体部分上的灯，并且警告灯被设计成在存在异常状态时点亮。如果警告灯没有被点亮，则删除故障日志并且结束流程。相反，如果警告灯被点亮时，不应立刻关掉警告灯，而要在三个驱动周期(驱动周期，D/C)中连续做出正常判定时才能被关掉。这是为了确认被判定出故障的AFS恢复到正常状态。
当在步骤S105中判定监测实施条件没有满足时，如果不存在以前故障的日志，则保存有不必要驱动区域的存储器被重置(S141)，并且用于监测时间的计时器被初始化，然后结束流程。
当AFS被判定位于特性偏移区域或故障区域时，正在实施监测的驱动区域被保存在存储器中(S147)，并且NG计时器的当前值也被保存在存储器中(S149)。当过了监测时间时，做出AFS异常状态判定(S153)。如果监测时间还没过，则结束流程，流程将在下一个处理循环中重复。
这样，尽管到目前为止只描述了本发明的特定实施例，但是本发明并不限于所描述的实施例。

Claims (14)

1.一种针对内燃机的空气流量传感器故障判定装置，用于判定空气流量传感器的故障，在该内燃机的进气通道中装有空气流量传感器、节气阀和置于节气阀下游的压力传感器，
该空气流量传感器故障判定装置包括：
第一计算单元，用于根据空气流量传感器的输出信号计算第一进气量；
第二计算单元，用于根据压力传感器的输出计算第二进气量；以及
判定单元，用于根据第一进气量与第二进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障，所述判定单元被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，当特性位于正常区域并且故障日志记录了空气流量传感器的一个故障时，如果判定故障时的驱动区域与当前驱动区域重叠，则允许正常状态判定，而如果故障发生时的驱动区域与当前驱动区域不重叠，则不允许正常状态判定。
2.根据权利要求1所述的空气流量传感器故障判定装置，还包括：
补偿装置，用于针对节气阀打开位置改变时节气阀下游充入的空气量变化而对第二进气量进行补偿，其中
判定单元根据由补偿装置补偿以后的第二进气量与第一进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障。
3.根据权利要求1所述的空气流量传感器故障判定装置，其中
第一计算单元、第二计算单元和判定单元构成一台带有存储器的计算机，该存储器中保存了故障日志。
4.根据权利要求3所述的空气流量传感器故障判定装置，其中
判定单元被编程用来判定在一段预定监测时间中空气流量传感器的输出变化是否等于或大于一个预定值，并且在输出没有如此变化的时候不允许正常状态判定。
5.根据权利要求1所述的空气流量传感器故障判定装置，其中
第一计算单元、第二计算单元和判定单元构成一台带有存储器的计算机，该存储器中保存了故障日志，并且
判定单元被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，并且当特性位于故障区域时，如果故障日志记录了空气流量传感器的一个故障，则点亮警告灯，如果不存在故障日志，则把故障日志输入存储器。
6.根据权利要求5所述的空气流量传感器故障判定装置，其中
判定单元被编程用于对在预定数量的驱动周期中连续做出的正常状态判定进行响应，来关掉警告灯并删除故障日志。
7.根据权利要求1所述的空气流量传感器故障判定装置，其中
至少在压力传感器正常时，才能判定空气流量传感器的故障。
8.一种针对内燃机的空气流量传感器故障判定方法，用于判定空气流量传感器的故障，在该内燃机的进气通道中装有空气流量传感器、节气阀和置于节气阀下游的压力传感器，
该空气流量传感器故障判定方法包括以下步骤：
第一计算步骤，用于根据空气流量传感器的输出信号计算第一进气量，
第二计算步骤，用于根据压力传感器的输出计算第二进气量，以及
判定步骤，用于根据第一进气量与第二进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障，所述判定步骤被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，当特性位于正常区域并且故障日志记录了空气流量传感器的一个故障时，如果判定故障时的驱动区域与当前驱动区域重叠，则允许正常状态判定，而如果故障发生时的驱动区域与当前驱动区域不重叠，则不允许正常状态判定。
9.根据权利要求8所述的空气流量传感器故障判定方法，还包括：
补偿步骤，用于针对节气阀打开位置改变时节气阀下游的充入空气量的变化而对第二进气量进行补偿，其中
判定步骤根据由补偿步骤补偿以后的第二进气量与第一进气量之间的比较来判定空气流量传感器的故障。
10.根据权利要求8所述的空气流量传感器故障判定方法，其中
第一计算步骤、第二计算步骤和判定步骤使用保存了故障日志的存储器进行运算。
11.根据权利要求10所述的空气流量传感器故障判定方法，其中
判定步骤被编程用来判定在一段预定监测时间中空气流量传感器的输出变化是否等于或大于一个预定值，并且在输出没有如此变化的时候不允许正常状态判定。
12.根据权利要求8所述的空气流量传感器故障判定方法，其中
第一计算步骤、第二计算步骤和判定步骤使用保存了故障日志的存储器进行运算，并且
判定步骤被编程用来确定空气流量传感器的特性是位于正常区域还是故障区域，并且当特性位于故障区域时，如果故障日志记录了空气流量传感器的一个故障，则点亮警告灯，如果不存在故障日志，则把故障日志输入存储器。
13.根据权利要求12所述的空气流量传感器故障判定方法，其中
判定步骤被编程用于对在预定数量的驱动周期中连续做出的正常状态判定进行响应，来关掉警告灯并删除故障日志。
14.根据权利要求8所述的空气流量传感器故障判定方法，其中
至少在压力传感器正常时，才能判定空气流量传感器的故障。
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