CN1468373A - Nox传感器的自诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种最好布置在发动机的排气设备中的NOX传感器的自诊断方法，该传感器为测量废气的NOX浓度而具有一个用于调节氧分压力的调节装置和一个提供表征废气NOX浓度的NOX信号用的NOX测量装置。该方法首先确定一个表征废气λ值的λ信号，最好是一个宽带λ信号或一个λ阶跃信号，将λ信号的确定的值与在规定工作参数时的废气的可信的λ值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。另一种办法是，也可将NOX信号的值与在规定工作参数时的NOX浓度的可信的值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。本发明的自诊断装置用来实施该方法。

Description

NOX传感器的自诊断方法和装置

本发明涉及一种具有在独立权利要求前序部分中所述特征的NOX传感器的自诊断方法和装置。

                        背景技术

为了减少汽车的有害物质排放，近年来提出了所谓的随车诊断(OBD)，并在越来越多的国家中，通过法律规定把OBD应用到新批准生产的汽车中。从1995年以来，在美国已逐步贯彻的OBD II要求监控与排放有关的所有部件，特别是催化器、空燃比(Lambda)探测器、废气再循环、油箱排气、燃烧断续器、测试器接口、操作保护装置和二次进气系统。在被OBD II监控的部件产生功能故障或失灵的情况下，诊断灯点亮并存储一个故障代码，所以汽车的或车间的司机就可采取相应措施来消除故障。

为了满足法定的废气标准，在稀薄混合气运转和分层进气运转中具有较少耗油量的现代内燃机中，必须进行NOX排放的附加的再处理。为了解决这个问题，最好在排放设备中使用一个NOX存储催化器。为了达到发动机的高的排放稳定性，在该存储催化器后面连接一个NOX传感器，用它可进行稀薄混合气运转和NOX再生运转的特别精确的调节。

就上述的随车诊断要求而言，也要求对NOX传感器的功能进行监控。在这方面，文献EP 08 92265 A1已提出了一种测定气体氧化物的气体传感器，这种传感器在一个双扩散室系统中进行废气测定。扩散室具有测量用的能斯脱元件(Nernst-zellen)。在第一扩散室内，从混合气抽出氧分子，并在第二扩散室中把被测定气体氧化物例如氮氧化物分解为氮和氧。把加到第一扩散室的抽运元件电压调节到一个恒定值，此值相当于在该室中的一个恒定的氧浓度。为了自诊断该传感器，必须验证在第一扩散室中被调到一个恒定值的氧浓度是否在一个加热过程结束后仍保持在一个预定的范围内。如果不是这样，则推断为一种故障。文献EP 0892265 A1列举了作为NOX传感器可能产生的功能性故障有：一个主抽运元件或一个辅助抽运元件的功能故障，到一个NOX传感器控制器或到一个加热装置的线路中断以及传感器电极的功能故障。此外，文献EP 0887640A1描述了这类气体传感器的自诊断功能的另一种方法，该方法是对表征传感器温度的气体传感器的内阻进行监控，如果相应的内阻在一个预定的时间内未达到一个预定的值，则被断定为气体传感器的一个故障。

上述这些方法存在这样的缺点：从传感器的不同的诊断中区分出不同的可能的故障原因是有限的，因为分别只有一个与第一扩散室对应的抽运元件电压或与该内阻等效的电压是根据电压范围进行监控的。这就给维护、修理和采取避免故障的预防性措施造成困难。

                        发明内容

本发明的目的是提出最好布置在内燃机排气设备中的NOX传感器的自诊断的一种方法和一种装置，用这种方法可达到不同的和可靠的故障诊断。

这个目的是通过独立权利要求所述的特征来实现的。

根据本发明，在一个最好布置在内燃机排气设备中的NOX传感器中，确定一个表征废气的λ值的λ信号的值。为了测定废气的NOX浓度，NOX传感器具有一个调节氧分压力的调节装置和一个NOX、测量装置来提供一个表征废气的NOX浓度的NOX信号。将确定的λ信号值与在规定工作参数情况下废气的可信的λ值进行比较并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。这样，NOX传感器的不同的和可靠的故障诊断就变得可能，因为由NOX传感器提供的废气λ值的信息反映了NOX传感器的瞬态工作方式，而用于比较的λ值的可信的值则基于与NOX传感器的工作方式无关的其他传感器测量的λ值或λ值的模型化。

根据本发明的另一种实施方式，NOX信号的值与在规定工作参数情况下的NOX浓度的可信值进行比较并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。

根据本发明的又一种实施方式，在既考虑λ信号又考虑NOX信号的情况下，形成一个NOX诊断信号。

在本发明的一种优选方式中，NOX传感器具有两个共同作用的扩散室，以便测定废气中的NOX浓度。其中，第一扩散室具有一个用于调节第一扩散室中的氧分压力的测量抽运元件，而第二扩散室则具有一个提供一个表征废气中NOX浓度的NOX信号用的NOX测量抽运元件。这两个测量抽运元件最好按能斯脱原理工作。根据本发明，借助于氧测量抽运元件来确定一个表征废气λ值的λ信号。λ信号的确定值与在规定工作参数情况下的废气的可信的λ值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。

如果确定一个必要时最好是第一扩散室的调节到一个恒定值的调节信号，将确定的值与在规定工作参数情况下的可信值进行比较并根据比较结果形成另一个相应的NOX传感器诊断信号，则可进一步提高诊断的精确度和种类。

如果NOX传感器具有一个加热装置和一个相应的温度测试装置，该温度测试装置的一个温度信号的值与在规定工作参数情况下的NOX传感器温度的可信值进行比较并根据比较值形成一个温度信号诊断信号，则亦可提高诊断的精确度和种类。

如果加热装置具有一个调节器并在规定的调节时间后监控温度信号的值是否相当于一个低于NOX传感器规定工作温度的温度，则可按特别简单的方式查出加热装置和/或温度测试装置范围内的故障。

在本发明的一种特别简单的实施方式中，温度测试装置是根据确定NOX传感器的内阻的原理进行工作的。

如果在未加热和加热NOX传感器时进行λ信号、NOX信号、抽运元件信号或温度信号的比较，则可达到特别广泛的诊断。

随后在进行λ信号、NOX信号、调节信号或温度信号的比较时，如果监控是否保持规定的最大值、最小值或公差值，则可特别便捷地检出到电源电位的或接地的短路或线路中断。

在本发明的另一种实施方式中，对工作参数的预定值在规定的时间间隔内中断诊断信号的形成，这样就可避免错误的故障信号。此外，为了避免错误的故障信号，在本发明的另一个实施形式中，以一定的条件为前提，消除设定的故障信号。这种消除最好与内燃机存在规定的工作参数联系起来。

根据本发明的又一个实施形式，如果把相当于确定的故障的NOX传感器诊断信号与相应工作参数的值一起存储起来，则可提高维护和修理措施的效率。

如果只在没有消除的故障信号时才点亮信号灯，则可达到对故障报警的可靠性的提高。

一个布置在内燃机排气设备中的NOX传感器的自诊断用的本发明装置用来实施本发明的方法并可达到内燃机的NOX排放的精确的和可靠的控制。

在该装置的一种优选结构型式中，排气设备具有一个NOX存储催化器和一个位于其上游任意位置的预催化器。NOX传感器可布置在NOX存储催化器的下游和/或上游。这种装置改善了内燃机的环境宜人的和可靠的工作。

本发明的其他特征和优点可从各项从属权利要求中以及从结合附图所示的本发明优选实施例的下面的说明中得知。

附图表示以下示意图：

图1带有排气设备的一台内燃机；

图2发动机控制器的组成部分；

图3一个双室NOX传感器；

图4一个NOX传感器的典型的测量信号变化曲线；

图5一个NOX信号的监控范围；

图6一个宽带λ信号的监控范围；

图7一个λ阶跃信号的监控范围；

图8一个抽运元件信号的监控范围；

图9一个温度信号的监控范围。

在图1所示汽车内燃机10后面连接了一个排气设备20，该排气设备具有一个预催化器21、最好一个常规的三元催化器和一个NOX存储催化器22。为了控制或调节内燃机10，设置了一个发动机控制器30，该控制器包括一个诊断装置40，用于布置在NOX存储催化器22下游的一个NOX传感器23的自诊断。其他的NOX传感器可布置在NOX存储催化器22的上游。此外，排气设备20具有一个探测预催化器21上游的废气的λ值用的最好为线性的λ探测器25以及一个测量预催化器21下游的废气温度用的温度传感器24。在废气设备20上连接了一个废气再循环系统27。

NOX传感器23是一种在下面尚待详细说明的可加热的双室NOX传感器，它的输出信号输入一个NOX传感器控制器26中，该控制器输出信号UO2、UVP、UNOX、UVS、URI，这些信号通过对应的信号输入端31输入发动机控制器30。在NOX传感器控制器26上加一个供电电压U_Batt。接地电位UO表示。NOX传感器控制器26最好布置在空间上接近NOX传感器23的地方，以便在这两个传感器之间只需要短的信号线。由NOX传感器控制器26发出的信号通过导线或电缆线束供入发动机控制器30的测量信号输入端31。这些信号从测量信号输入端31输入诊断装置40。作为其他部件，发动机控制器还具有一个NOX传感器信号处理装置50、一个NOX存储催化器-诊断装置60和一个NOX存储催化器-调节装置70。最好用一个温度调节的NOX传感器23，其调节通过一个NOX传感器加热装置80来进行，该加热装置通过一个接头32与NOX传感器控制器26连接。

图2表示发动机控制器30的这两个部件之间的信号通路的示意图。由NOX传感器信号处理装置50算出一个NOX物流信号52，并将该信号输入NOX存储催化器-诊断装置60和NOX存储催化器-调节装置70。此外，从NOX传感器信号处理装置50把一个NOX浓度信号51输入这两个装置60和70。如果NOX存储催化器诊断装置60检测出一个故障，则发出一个故障信号61。NOX存储催化器-调节装置70产生一个理论λ信号71以及一个NOX存储信号72，用这个信号可要求NOX存储催化器22的再生。

内燃机10的工作参数例如废气温度、负荷、转数、未处理排放等都由发动机控制器30按公知的方式作为NOX传感器23、温度传感器24、λ探测器25以及其他(未示出的)传感器的信号进行采集。内燃机10的工作参数由发动机控制器30通过调节机构例如内燃机10的供气管11中的一个节流阀12或废气再循环系统27来控制。发动机控制器30和内燃机10或调节机构之间的通信通过一个电缆系统或总线系统33来完成。

图3所示用来测量废气的NOX浓度的NOX传感器是具有第一和第二扩散室232、236的双室传感器。含有NOX、O2和其他成分的一部分废气可通过扩散势垒区233到达第一扩散室232。扩散室232具有一个按能斯脱原理工作的、带抽运电极P1的氧测量抽运元件231。借助该抽运电极可改变扩散室232中的氧含量。废气通过另一个扩散势垒235到达第二扩散室236。这个扩散室具有一个同样按能斯脱原理工作的、带抽电极P2的NOX测量抽运元件237。废气中合有的氮氧化物通过内部的P2电极的一种特殊材料催化分解成N2和O2。为了进行系统校准，象公知的那样，用一个带电极P3的参考元件234。

NOX传感器23的工作方式可用废气的λ值对应的λ信号来确定。在氧测量抽运元件231上加一个抽运电压UVS。电流ICP是这样调节的，使第一扩散室232中的氧浓度形成一个恒定的、最好是化学计量的值。从抽运电流IP1中计算宽带λ值UO2。电压UVP相当于一个λ阶跃信号。通过扩散室237的抽运元件电流IP2可确定一个与废气中的NOX浓度相应的电压信号UNOX。

为了保证在NOX测量时所需的最低温度。NOX传感器23具有一个加热元件238，加热电压UH可由加热装置80供入该加热元件。一个对应的温度测量装置发出一个温度信号，从该温度信号可确定NOX传感器温度。温度测量最好按公知的方式通过确定NOX传感器内阻RI来进行。在这种情况中，作为温度测量装置就是NOX传感器23本身和NOX控制器26，该控制器从内阻测量中算出一个表示内阻RI的电压信号URI。

本发明方法基于这样的理念，即把NOX传感器23提供的、对应于废气的λ值和/或NOX浓度的信息用于自诊断。为此，把NOX传感器提供的信号与可信值进行比较。为此诊断装置40具有比较装置和测算装置，前者用来对信号的值与规定的试样进行比较并形成一个比较结果，后者则用来形成和输出一个相应的NOX传感器诊断信号。诊断装置40最好由一个微控制器组成，它包括一个中央处理器(CPU)、一个程序存储器、一个数据存储器以及输入和输出接口。在发生故障时，发出一个故障信号41。但如果没有检测出故障，则由诊断装置40最好发出一个有效信号42，该信号输入NOX存储催化器-诊断装置60和NOX存储催化器-调节装置70。

下面首先就基于分析λ值的信号的情况时的方法进行较详细的说明。例如在一个只读存储器(ROM)中作为特性曲线存储的试样表示λ信号的可信值并根据内燃机的工作参数进行选择。NOX控制器26最好算出一个宽带λ信号UO2和/或一个λ阶跃信号UVP，并把这两个信号与相应的可信值进行比较。不言而喻，为了确定可信值，也可用布置在预催化器下游的λ传感器24提供的信号以及其他传感器的信号。

对试样而言，一方面可考虑通过NOX传感器23的老化或霉化来产生故障。这方面的例子是抽运元件231、237之一中的故障或传感器电极P1、P2、P3的腐蚀。另一方面可通过例如对电池电压UBatt、对接地电压UO短路或在信号从NOX传感器控制器26输入发动机控制器30的信号输入端31时引起线路中断来产生故障。在这两种情况中，故障都导致在内燃机10预定工作参数时上述信号的不可信的值。

此外，最好考虑内燃机10的不同运转点，例如分层充气运转、均匀稀薄混合气运转、全负荷运转、滑转和/或内燃机的NOX催化器再生，因为内燃机10的不同运转点分别相应于废气的不同的λ值。下面举一个例子来说明这个问题。

在滑转中，例如汽车在下坡路段上时，内燃机10的喷油停止，此时由内燃机10吸入的空气通过排气阀进入排气设备20，而氧的浓度不发生明显的变化。现在对NOX传感器23的λ信号与λ探测器25的信号进行比较。该探测器显示一个最大的氧浓度。与此相反，如果NOX传感器在一个预定的时间间隔发出一个λ信号，该信号相当于具有较低氧浓度的废气，则它相对于λ探测器25的信号来说是一个不可信的值。所以，当内燃机处于滑转时，应考虑一个与这种运转相应的可信λ值来进行比较。此时，还要考虑信号动态。例如考虑排气设备具有一个最终的气体工作时间，所以可在一个布置在NOX催化器下游的NOX传感器上观察一个具有一个延迟时间的与滑转对应的λ值，在相应的时间内，NOX传感器诊断信号的输出中断。

基于λ信号监控的诊断的一种附加的或替换的方法是，可对信号UNOX以及补充地对NOX传感器的信号UVS和URI进行监控。此时，原则上完全按λ信号的情况进行。然后，从对应于单个信号UO2，UVP，NOX，UVS和URI的诊断信号中可通过组合形成一个总的NOX传感器诊断信号。

一个特别重要的工作参数是NOX传感器的温度。在测量废气的NOX浓度时，该传感器必须具有一个最低温度。图4表示该传感器加热前后的信号UO2、UVP、UNOX、UVS和URI的时间变化过程的原理图。在达到最低温度之前，信号的值基本上位于一个恒定的水平。图4中的RI表示具有负温度特性的NOX传感器的与温度有关的内阻。大约从时间值200起，RI显示出急剧下降。从这个相当于加热到工作温度的NOX传感器23的时刻起，所述的信号值比先前时间间隔内的信号值具有较大的变化。在监控NOX传感器23的上述信号时，最好考虑NOX传感器23的加热前后的信号的不同特性。

下面用图5至9来表示信号UNOX、UO2、UVP、UVS和URI的电压监控的优选范围。不言而喻，下面所述的情况只是一些例子，本发明决不受这些例子的限制。

图5表示NOX信号UNOX的范围监控示意图。在时刻TZ接通内燃机10的点火，然后在TMS起动发动机。从时刻TH起，NOX传感器23被加热。在TMS和TH之间的时间间隔内，监控NOX信号是否在一个预定的公差范围B1内。图中的缩写i.0表示在这种情况中没有故障。从时刻TMS起，监控NOX信号是否小于一个预定的最小值，该值相当于对地UO短路。这种监控也可在超过时刻TH即在NOX传感器23加热时进行。在两种情况中，最好只有在预定的时间间隔内出现测量信号超过预定的极限时，才检测出某种故障。如果直到时刻TV没有出现超过预定的极限，则形成一个表示NOX信号有效的诊断信号。此外，也可监控在加热NOX传感器23时该信号是否大于一个预定的阈值。其次，如果内燃机10的滑行停止至少推迟一定的时间，则有利于进行范围B2内短路后的监控。

图6表示λ信号UO2的一个范围监控的示意图。范围B3和B4相当于图5的NOX传感器信号的范围B1和B2。范围B5表示要在该范围内进行λ信号超过一个最大值的监控。

图7表示带有范围B6、B7和B8的NOX传感器23的λ阶跃信号UVP的范围监控示意图，图中的这三个范围分别相当于图6的范围B3、B4和B5。

图8表示抽运元件信号UVS的范围监控示意图。范围B9和B10相当于公差带监控和最小故障监控。范围B14考虑例如由于电池电压UBatt短路引起的最小故障。其他范围B11、B12、B13和B15则考虑第一测量抽运元件231只允许在一个很窄的公差带内波动一个给定的电压值。但如果要在一个很窄的公差带内进行诊断，则由于制造引起的不同的NOX传感器之间的数值分散性，例如在更换NOX传感器后，需要使这种数值分散性重新适配上面给定的电压值。

图9表示代表NOX传感器的内阻RI的信号URI的范围监控示意图。这里的前提是，传感器内阻具有一个负的温度特性。在范围B16，在发动机起动后和在NOX加热之前，检测是否存在一个相当于低温的温度信号。如从图4可以看出，在起动后，内阻的实际值是相当高的。但在这种情况中，只是在前一种工作之后很短的时间内即在一个预热的传感器时，则这种情况是不适用的。为了考虑这种情况，例如可用冷却系统的水温作为可信度检验的工作参数。在传感器从时刻TH起被加热后，在范围B17内检测传感器温度是否在一个不允许的数值范围内。在预定的调节时间后，这个范围B17在温度调节时显示出一个故障。这种情况相当于一个加热调节的比例积分调节器在预定的时间停止。其原因可能例如加热电压对地或对UBatt短路、线路中断或有缺陷的加热元件所致。为了考虑冷却后的发动机的情况，在这种情况中，最好通过一个外部温度传感器测试的外部温度值来考虑，并相应延长调节时间。此外，在包括公差带i.O.的整个电压U的范围内进行监控，是否发生一个额定值的时间恒定误差长于一个给定的调节时间。这种情况也相当于在温度调节时的一个故障。范围B18描述这样一种情况，即NOX传感器没有加热，所以电阻值超过最大值，或存在供应电压短路。范围B19表征低于传感器电阻值的一个预定最小值、线路中断或对地短路。

根据诊断信号的值可进行设定的故障信号的消除。为此，在一个规定的时间间隔内，最好排除故障产生或不产生。此外，对这种排除可设定这样的条件，例如NOX传感器23已加热、废气温度位于规定的极限内或加热调节装置80没有发出故障信号81。还可设定这样的条件，即NOX传感器内阻RI的值不位于理论范围内。在这种情况下，只有存在未排除的故障信号时，信号灯才点亮。

如果设定一个故障信号41，可将它存储起来，最好与相应的工作参数一起存储起来，以便使随后的故障诊断简便一些。这种存储也可在消除故障信号时进行，以便对维护和检修工作提供偶然故障的信息。

Claims (17)

1.一个最好布置在内燃机的排气设备中的NOX传感器的自诊断的方法，该传感器为测量一种废气的NOX浓度而具有一个用于调节氧分压力的调节装置和一个提供表征废气NOX浓度的NOX信号用的NOX测量装置，其特征为，首先确定一个表征废气λ值的λ信号，最好是一个宽带λ信号或一个λ阶跃信号，将求出的λ信号值与在规定工作参数时的废气的可信λ值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。

2.一个最好布置在内燃机的排气设备中的NOX传感器的自诊断的方法，该传感器为测量一种废气的NOX浓度而具有一个用于调节氧分压力的调节装置和一个提供表征废气NOX浓度的NOX信号用的NOX测量装置，其特征为，NOX信号的值与在规定工作参数时的NOX浓度的可信值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。

3.按权利要求1的方法，其特征为，将NOX信号的值与在规定工作参数情况下的NOX浓度的可信值进行比较，并根据比较结果形成另一个NOX传感器信号。

4.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，调节氧分压力用的调节装置是按能斯脱原理工作的测量抽运元件。

5.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，NOX测量装置是按能斯脱原理工作的NOX测量抽运装置。

6.按权利要求4或5至少一项的方法，其特征为，NOX传感器具有第一扩散室和必要时具有第二扩散室，它们分别对应一个测量抽运装置。

7.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，将求出的调节信号值与在规定工作参数情况下的调节信号的可信值进行比较，并根据比较结果形成一个NOX传感器诊断信号。

8.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，为了NOX传感器在规定的温度进行工作，NOX传感器具有一个相应的温度测量装置的加热装置，其中该温度测量装置发出一个温度信号，从这个温度信号中可确定NOX传感器温度；将该温度信号的值与在规定工作参数情况下的NOX传感器温度的可信值进行比较，并根据比较结果形成一个温度诊断信号。

9.按权利要求8的方法，其特征为，该加热装置具有一个温度调节器，并在一个预定的调节时间后，当该温度信号的值相当于一个低于NOX传感器规定工作温度的温度时，形成一个表征一个故障的温度诊断信号。

10.按权利要求8或9的方法，其特征为，该温度测量装置根据确定NOX传感器的内阻的原理进行工作。

11.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，在加热和不加热NOX传感器的情况下，确定λ信号、NOX信号、调节信号或温度信号的值。

12.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，为了识别线路故障，在λ信号、NOX信号、调节信号或温度信号的值与相应的可信值进行比较时，检验是否保持预定的最大值、最小值或公差值。

13.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，在一个预定的时间间隔内，在工作参数规定值的情况下，中断一个NOX传感器诊断信号和/或一个温度诊断信号的形成。

14.按前述权利要求至少一项的方法，其特征为，根据必要时形成的诊断信号的值形成一个NOX传感器总诊断信号。

15.一个最好布置在内燃机排气设备中的NOX传感器的自诊断装置，该传感器为测量废气的NOX浓度而具有一个用于调节氧分压力的调节装置和一个提供表征废气NOX浓度的NOX信号用的NOX测量装置，其特征为，设置了一个诊断机构，该诊断机构具有确定一个表征废气的λ值的λ信号、最好是一个宽带λ信号或一个λ阶跃信号的λ值的测量装置，具有λ信号的确定值与在规定工作参数情况下的废气的可信λ值进行比较的并形成一个比较结果的比较装置，以及具有形成一个NOX传感器诊断信号的测算装置。

16.一个最好布置在内燃机的排气设备中的NOX传感器的自诊断装置，该传感器为测量废气的NOX浓度而具有一个用于调节氧分压力的调节装置和一个提供表征废气NOX浓度的NOX信号用的NOX测量装置，其特征为，设置了一个诊断机构，该诊断机构具有用于NOX信号的值与在规定工作参数情况下的NOX的可信值进行比较的并形成一个比较结果的比较装置，以及具有形成一个NOX传感器诊断信号的测算装置。

17.按权利要求15或16至少一项的装置，其特征为：必要时排气设备具有一个NOX存储催化器和一个可选择布置在该NOX存储催化器上游的预催化器；一个NOX传感器布置在该NOX存储催化器下游或上游。

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