CN1869629B - 空气/燃料不平衡检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

空气/燃料不平衡检测系统和方法。一种用于检测内燃机排放的方法，该方法通常包括基于发动机速度和流入发动机的气流确定参考空气/燃料混合物信号。该方法包括确定从空气/燃料混合物传感器中获得实际空气/燃料混合物信号，并且比较参考空气/燃料混合物信号与实际空气/燃料混合物信号。该方法还包括基于所述比较确定是否发生了空气/燃料不平衡情况，并且基于是否发生空气/燃料不平衡情况的所述确定来设定维护标志。

Description

空气/燃料不平衡检测系统和方法
技术领域
本发明涉及发动机控制，尤其是涉及采用空气/燃料不平衡检测的发动机排放控制。
背景技术
内燃机在气缸中压缩并且点燃燃料和空气混合物以产生动力。在空气/燃料混合物中的任何不平衡都可能会在从气缸排出的排气中产生不希望的排放物。氧气浓度传感器可测量排气中的氧气浓度水平。通过测量在排气中的氧气浓度，可调节空气/燃料混合物以提高效率和减少不希望的排放物。
发明概要
用来检测内燃机中排放物的方法通常包括基于发动机速度和流入发动机的气流确定参考空气/燃料混合物信号，从空气/燃料混合物传感器确定实际空气/燃料混合物信号，比较参考空气/燃料混合物信号与实际空气/燃料混合物信号，基于该比较确定空气/燃料不平衡情况是否发生，并且基于空气/燃料不平衡情况的是否发生设定维护指示。
在一个特征中，参考空气/燃料混合物信号的确定包括从基于发动机速度和流入发动机的气流的查询表中获得参考信号。
在另一个特征中，基于所述比较来确定空气/燃料不平衡情况是否发生，该确定包括确定实际空气/燃料混合物信号是否比参考空气/燃料混合物信号具有更高的频率含量。
在又一个特征中，基于所述比较来确定空气/燃料不平衡情况是否发生，该确定包括确定实际空气/燃料混合物信号是否比参考空气/燃料混合物信号具有更长的轨迹长度。
本发明的进一步应用的领域将在下面提供的详细描述中变得明显。需要理解的是详细描述和具体例子，尽管表示了本发明的优选实施例，然而仅仅为了示例的目的并不意图限制本发明的范围。
附图简述
本发明将从详细的说明书，附加的权利要求以及附图中得到更加充分的理解，其中：
图1是表示包括根据本发明的教导构造的控制装置的发动机的示意图；
图2是表示随着气流流入发动机以及发动机速度增加，空气/燃料混合物传感器信号中的高频含量增加例子的曲线图；和
图3是表示根据本发明的教导所构造的示例的空气/燃料不平衡检测系统的流程图。
具体实施方式
下面的多个实施例的描述实际上仅仅是示例并不意图去限制本发明、其应用或者使用。如在此所使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的，专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或其它能提供所述功能的合适的组件和组合。而且，车辆控制模块可以与采用数字和/或模拟输入和输出的多个车辆系统和/或汽车通信网络相通信，该汽车通信网路包括，但不限于，下面通常被使用的车辆通信网络标准：CAN，SAE J1850和GMLAN.
参见图1，车辆10包括具有空气/燃料不平衡检测系统14的发动机12.在一个例子中，发动机12是可产生扭矩输出的内燃机，该扭矩可通过传动系(未示出)传输到车轮上。依据上述例子，发动机12包括进气歧管16和节气门18，该节气门18可调节进入进气歧管16中的气流。从进气歧管16中来的气流和从燃料泵20来的燃料被分配到多个气缸22中并且通过点火系统24进行点燃。尽管图1中示出了四个气缸22，然而需要理解的是可以采用不同数目的气缸22，例如，2，3，5，6，8，10，12等。
每个气缸22包括进气阀26，排气阀28，火花塞30和燃料喷射阀32来调节气缸22中的燃烧.每个气缸可具有超过一个的进气阀26，排气阀28，火花塞30和/或燃料喷射阀32。一顶置的凸轮轴(未示出)或带有内部凸轮的推杆(未示出)可通过摇臂或凸轮随动件(未示出)驱动每个进气阀26和排气阀28。每个火花塞30可连接到点火系统24并且点燃在每个气缸22中的空气/燃料混合物。燃料泵20可在燃料系统中压缩燃料，该燃料被传送到每个燃料喷射阀32并且可选择地雾化进入相应的气缸22中。
排气歧管34从每个气缸22中接收排气(即，燃烧气体)并且通过排气管36将排气输送到消声器38中。从消声器中出来后，排气通向大气。催化转化器40可连接在排气管36和消声器38之间以减少在排气中的排放物.
在一个例子中，空气/燃料混合物传感器42可在位于排气歧管34和催化转化器40之间的一处连接到排气管36上。空气/燃料混合物传感器42对流过排气管36的排气进行采样并且检测，例如，氧气浓度、排气温度和/或排气湿度。空气/燃料混合物传感器42的一种类型可以为例如氧气浓度传感器(O2传感器)，该传感器检测排气中双原子氧气含量并且可以将空气/燃料混合物信号44传送到控制模块46中。空气/燃料混合物信号44可以包括与氧气量相匹配的电压。
在一个例子中，从空气/燃料混合物传感器42中来的信号44可具有正弦曲线的形状，因为内燃机的往复特性。在一个例子中，空气/燃料混合物传感器42是提供氧气浓度信号的氧气浓度传感器。随着发动机速度增加和/或进入发动机12气流的增加，信号44的频率和/或幅度增加。可以显示出，当在发动机12中发生空气/燃料不平衡时，从空气/燃料混合物传感器42来的信号44除了正常燃烧信号的部分外还具有额外的高频含量。在一个例子中，在相应气缸中的燃料喷射阀可能会变得部分堵塞并且因而阻碍正常的燃烧。不合适的燃烧会产生不希望的排放。尽管在发动机12中的其它燃料喷射阀运行在正常模式下。依据上述例子，空气/燃料混合物传感器42可产生额外的高频含量，因为不正常的运行(例如，部分堵塞)燃料喷射阀。
控制模块46基于包括发动机运行参数48和操作者输入信号50的多个输入信号控制空气/燃料不平衡检测系统14和发动机12的多种运行情况。尽管这里示出了单个控制模块46，然而也可采用一个或多个控制模块46。而且，控制模块46可包括多个子模块。运行参数48可包括，例如，诸如周围湿度、温度和/或空气压力的环境指标。操作者输入信号50可包括，例如，加速踏板位置信号、刹车踏板位置信号和其它在现有技术已知的输入信号。远程信息处理系统52，例如OnStar
Figure 061848783_0
，也可以从控制模块46中提供输入信号和接收输出信号。而且，远程信息处理系统52可以与远程维护设备54相通信。
控制模块46可与空气/燃料混合物传感器42相通信并且从中接收空气/燃料混合物信号44。控制模块46也可与发动机传感器54进行通信。发动机传感器54包括一个或多个传感器，这些传感器可将，例如，发动机速度、发动机温度和/或发动机油压传送到控制模块46中。控制模块46可与节气门传感器56进行通信以确定和/或控制节气门18的位置。节气门传感器56可包括一个或多个传感器。例如，节气门传感器56可包括气流传感器，其可确定流入节气门18下游的进气歧管16的空气量。在另一个例子中，节气门传感器56可包括温度传感器和湿度传感器以确定流入进气歧管16气流的温度和湿度。
参见图2，控制模块46(图1)可包括查询表100。该查询表100包括第一轴线102，其表示了增加(左到右)发动机速度(例如，每分钟的转数)。第二轴104表示了增加(下到上)通过进气歧管16(图1)的气流(例如，以每分钟立方英尺计)。第一波形106表示从空气/燃料混合物传感器42(图1)获得的空气/燃料混合物信号44。在一个例子中，第一波形106为从空气/燃料混合物传感器42得到的信号44的图形表示，该信号44用一时间周期(例如，以秒计)的电压(例如，以微伏计)进行表示。依据上述例子，电压是基于(例如，可表示为函数)排气中的氧气浓度。波形106可具有正弦形状，因为内燃机12的往复特征。第二波形108也是在一定时间段所表示的电压信号44的图形表示，并且显示了所增加的频率和/或幅度的波形，因为所增加的发动机速度和/或流入发动机12(图1)中气流。
第一波形106具有表示时间(例如，以秒计)的第一轴110，和表示电压(例如，以微伏计)的第二轴112。第二波形108具有表示时间(例如，以秒计)的第一轴114和表示电压(例如，以微伏计)的第二轴116。需要理解的是，尽管在此没有具体的表示，然而查询表100可包含多个波形，这些波形表示基于发动机速度和进入发动机12(图1)的气流从空气/燃料混合物传感器42(图1)中得到的信号44。
在一个例子中，从空气/燃料混合物传感器42中获得每个参考信号的时间增量是5秒。依据上述例子，每个都具有5秒的时间增量的多个参考信号储存在查询表100中。参考信号是基于发动机速度和/或气流的，并且可被控制模块46获取，以用于与从气流混合物传感器42得到的实际信号44进行比较。需要理解的是，周期时间可基于不同的考虑进行改变，例如发动机尺寸、运行参数和/或发动机速度。同时需要理解的是，查询表100可以预先的方式(例如，在出厂设定中预先编程)和/或现场的方式(例如，在车辆交给用户后在某点处进行编程(或再次编程))提供有多个参考波形。查询表100也可通过远程信息处理系统52进行编程(或再次编程)。
参见图1和2，空气/燃料不平衡检测系统14可确定空气/燃料的不平衡，该不平衡会产生不希望的排放。空气/燃料混合物传感器42检测实际的空气/燃料混合物信号44。信号44在一预定的时间周期获得，例如，5秒。在该预定的时间周期结束时，空气/燃料不平衡检测系统14将该周期时间与发动机速度和气流进行关联。基于所关联的发动机速度和关联的气流从空气/燃料混合物传感器42中获得参考信号，并且与实际的空气/燃料混合物信号44进行比较。需要理解的是，从空气/燃料混合物传感器得到的参考信号可从查询表100中获得。基于该比较，空气/燃料不平衡检测系统14确定空气/燃料不平衡情况是否发生。当空气/燃料不平衡发生时，空气/燃料不平衡检测系统14设定维护标志。基于该维护标志，空气/燃料不平衡检测系统14会点亮一维护灯，调节燃料喷射阀所喷射的燃料量和/或通过远程信息处理系统52与远程维护设备相联系。
在一个例子中，从空气/燃料混合物传感器42中来的信号将不表示在发动机12中的空气/燃料不平衡。在另一个例子中，发动机12可采用比正常情况额外多的燃料进行运行(即，运行在富状态)。依照上述例子，一非正常情况包括，但不限于，发动机12运行在比正常运行温度低的情况下(例如，冷发动机情况)，这就需要发动机12在富空气/燃料混合物的情况下运行。更具体的，控制模块46可基于在发动机12中所需燃料量的化学计量估计来控制流入发动机12的燃料流。在该设置中，空气/燃料混合物传感器42可与燃料喷射阀30和控制模块46一起进行闭环控制。在非正常情况下，燃料喷射阀30增加比化学计量估计值多或少的燃料以提供，例如，富空气/燃料混合物。在该设置中，可能存在有燃料喷射阀30和空气/燃料混合物传感器42的开环控制而不是闭环控制。需要理解的是，空气/燃料混合物传感器42可对排气进行采样，以便以化学计量的方式估计需要多少燃料以用于在发动机12中的燃烧。
参见图3，燃料不平衡检测系统200确定从空气/燃料混合传感器42(图1)获得的信号44中的高频含量，从而确定空气/燃料不平衡是否发生。在步骤202中，控制判断系统是否准备就绪。该系统准备就绪的判断基于控制模块的故障、运行参数、发动机速度和发动机负荷。发动机准备就绪的判断也可基于发动机12是否处于与空气/燃料混合物传感器的闭环控制。如果系统已经准备就绪，那么控制进行到步骤204。如果系统没有准备就绪，那么控制结束。
在步骤204中，控制对空气/燃料混合物传感器42(图1)信号进行采样。在一个例子中，空气/燃料混合物传感器42是O2传感器。在一个例子中，控制在一预定周期上对空气/燃料混合物传感器42进行采样，该预定周期例如为5秒。需要理解的是，也可采用其它的周其，只要其适合一定的发动机模块和一定的运行参数。同时需要理解的是，从空气/燃料混合物传感器42获得的信号44(图1)可以电压表示并且表示为正弦形状。
在步骤206中，控制判断是否已经收集了足够的采样。例如，当在整个上述确定的周期中获得了足够的数据时，控制确定足够的采样已经被收集。在一个例子中，电压在5秒周期中以大约12.5毫秒增量进行收集，从而可收集400个电压采样。当控制已经确定足够多的采样已经被收集时，控制继续到步骤208。当控制确定没有足够多的采样被收集时，控制返回到步骤204。
在步骤208，控制判断空气/燃料混合物传感器42(图1)的输出信号的特征。在一个例子中，控制判断从空气/燃料混合物传感器42获得的信号轨迹的长度(即，波形的图形表示)。更具体的，控制通过在一周期上测量单个的线段长度来从空气/燃料混合物传感器42中获得轨迹的长度。依据上述例子，电压在大约每个12.5毫秒被获得，因此第一电压(即，V1)在第一时间(即，T1)被获得并且第二电压(即，V2)在第二时间(即，T2)被获得。第三电压(即，V3)在第三时间(即，T3)被获得，从而使得在第一时间(T1)，第二时间(T2)和第三时间(T3)之间的差值，例如，分别为大约12.5毫秒。下面的公式将被使用，例如，来确定从第一电压(V1)到第二电压(V2)，以及从第二电压(V2)到第三电压(V3)的轨迹的长度.
12 → = ( V 2 - V 1 ) 2 ( T 2 - T 1 ) 2 和 23 → = ( V 3 - V 2 ) 2 ( T 3 - T 2 ) 2
依据上述例子，当每个采样在大约12.5毫秒的增量上被收集并且采样长度为大约5秒时，可收集400个采样。下面的公式用于对所有的单个线段值求和以获得贯穿样本的轨迹长度的估计值。
轨迹长度
Figure S06184878320060622D000071
其中n＝1，2，...397，398，399并且m＝n+1。
需要理解的是，上述用于线段长度的公式仅仅是近似于正弦波形的长度，因为上述公式假定了一直线测量。尽管上述公式也可用来确定在查询表100(图2)中的每个参考波形的轨迹长度以与其比较。如此，估计值被示出以提供充分的精度。在另一个实施例中，控制可通过采用其它合适的数学原理，例如但不限于，傅立叶变换和/或其它的波形匹配算法确定轨迹长度和/或波形的其它的特征。
在步骤210中，，控制确定发动机参数。在一个例子中，控制确定发动机速度和流入进气歧管16(图1)的气流。在另一个例子中，控制可确定发动机负荷、环境温度、和节气门位置。在步骤212中，控制将从空气/燃料传感器42获得的输出(即，实际信号)与参考值(例如，较早获得的信号)进行比较，该参考值的选择基于在步骤210中确定的车辆参数。在一个例子中，控制比较从空气/燃料混合物传感器42(图1)获得的实际信号并且将其与在查询表100(图2)中获得的参考信号进行比较。在步骤210中确定的发动机参数与在步骤208中确定的实际信号相关联。相同的发动机参数与查询表100中的波形相关联，以从表中获得参考信号。在一个例子中，控制将比较实际输出信号和参考信号的相对高频含量。在另一个例子中，控制可确定从空气/燃料混合物传感器获得的实际信号的信号轨迹长度。然后控制将实际信号轨迹长度与参考信号轨迹长度进行比较。依据上述例子，控制可确定从空气/燃料混合物传感器获得的实际信号的高频含量是否具有比参考信号相对更多的高频含量。
在步骤214中，控制确定是否在发动机12中存在空气/燃料不平衡。在一个例子中，控制确定从空气/燃料混合物传感器42中获得的实际信号44(图1)是否具有比参考信号更多的高频含量。当控制确定从空气/燃料混合物传感器42中获得的实际信号44具有比参考信号更少的高频含量时，控制继续到步骤216。当控制确定从空气/燃料混合物传感器42中获得的实际信号44具有比参考信号更多的高频含量时，控制继续到步骤218。在步骤216中，控制设定一通过标记。经过步骤216，控制结束。在步骤218中，控制设定一失败标记。经过步骤218，控制继续到步骤220。
在步骤220中，控制设定一维护标志。维护标志的设定可包括通知驾驶员发动机存在问题。在一个例子中，维护标志的设定可包括在汽车仪表板(未示出)上点亮一指示灯。在另一个例子中，维护标志的设定可包括在控制模板46(即，发动机计算机)上设定一标记，使得当驾驶员将车辆带入一维护设备时，在典型的诊断程序(未示出但是现有技术中已知)期间维护技术员会检测该标记。
在步骤222中，控制可调节燃料喷射系统参数以补偿该不平衡。在一个例子中，燃料喷射阀可进行调节以补偿在一个或多个燃料喷射阀中的堵塞.例如，在2003年12月30公开的、标题为“CylinderController for Three-Cylinder Engine”(用于三缸发动机的单缸控制器)的共同申请的美国专利6,668,812中公开了这样一种不平衡修正系统，该专利在此以其全部内容作为参考并被结合.
在步骤224中，控制可通过远程信息处理系统52(图1)将维护标志连通到维护设备54(图1)中。在一个例子中，控制可告知空气/燃料不平衡已经发生并且进一步通过远程信息处理系统52将上述测试的结果传送到用户维护设备54中.经过步骤224，控制结束。
本领域技术人员现在能够从上述描述中理解到，本发明宽的教导可采用多个形式进行实施。因此，当本发明已经采用具体的例子进行描述时，本发明的范围不应该受到限制，因为在对附图、说明书和所附权利要求进行理解后，其它的修改对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种用于检测内燃机排放的方法，其包括：
基于发动机速度和流入发动机的气流确定参考空气-燃料混合物信号；
确定从空气-燃料混合物传感器中获得的实际空气-燃料混合物信号；
比较所述的参考空气-燃料混合物信号与所述的实际空气-燃料混合物信号；
基于所述比较确定是否发生了空气-燃料不平衡情况；和
基于是否发生所述空气-燃料不平衡情况的所述确定来设定维护标志。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述的参考空气-燃料混合物信号包括从基于所述的发动机速度和所述的流入发动机的气流的查询表中获得参考信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中基于所述比较来确定是否发生空气-燃料的不平衡，该确定包括确定所述实际空气-燃料混合物信号是否比所述的参考空气-燃料混合物信号具有更多的高频率含量。
4.如权利要求1所述的方法，其中基于所述比较来确定是否发生空气-燃料的不平衡，该确定包括确定所述的实际空气-燃料混合物信号是否比所述的参考空气-燃料混合物信号具有更长的轨迹长度。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述空气-燃料混合物传感器设置到催化转化器的上游以及排气歧管的下游。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述空气-燃料不平衡情况是否发生的所述确定，来调节至少一个燃料喷射阀。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括基于所述空气-燃料不平衡情况是否发生的所述确定，通过远程信息处理系统来联系远程维护设备。
8.一种空气-燃料不平衡检测系统，其包括：
发动机，其具有至少一个气缸，该气缸中可产生燃烧气体；
连接到所述至少一个气缸的排气歧管；
连接到所述排气歧管的空气-燃料混合物传感器，其对所述燃烧气体进行采样；和
控制模块，其基于发动机速度和流入所述发动机的气流确定参考空气-燃料信号，基于所述空气-燃料混合物传感器确定实际的空气-燃料混合物信号，比较所述参考空气-燃料混合物信号与所述实际空气-燃料混合物信号，基于所述比较确定空气-燃料不平衡情况是否发生，并且基于所述空气-燃料不平衡情况是否发生的所述确定设定维护标志。
9.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块基于是否发生所述空气-燃料不平衡情况的所述确定设定维护标志。
10.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块基于所述发动机速度和所述流入发动机的气流从查询表中获得参考信号。
11.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块确定所述实际空气-燃料混合物信号是否具有比所述参考空气-燃料混合物信号更多的高频含量。
12.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块确定所述的实际空气-燃料混合物信号是否具有比所述参考空气-燃料混合物信号更长的轨迹长度。
13.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述空气-燃料混合物传感器在催化转化器的上游。
14.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块基于所述空气-燃料不平衡情况是否发生的所述确定，调节至少一个燃料喷射阀。
15.如权利要求8所述的空气-燃料不平衡检测系统，其中所述控制模块基于所述空气-燃料不平衡情况是否发生的所述确定，通过远程信息处理系统来联系远程维护设备。
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