专利名称：排气氧传感器性能的监测的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有内燃发动机的设备中的排气氧传感器的性能的监测和诊断。
背景技术：
车辆动力系常装配有监测车辆排气导管中的排气的氧含量的排气氧传感器。已知 各种类型的排气氧传感器，包括但不限于宽域排气氧传感器(UEG0)。不同于仅指示 有无氧的存在的一些排气传感器，UEGO传感器提供了成比例于排气中的氧的浓度的 输出，从而允许监测供应到车辆发动机的空燃比。
然而，在稀空燃比工况期间(即高排气氧含量的时期)，和/或随着老化，UEG0 传感器输出中可以显示较大的可变性。此外，在提高的排气温度和排气压力期间，例 如，在微粒过滤器再生期间UEGO传感器可以显示明显的变化。URGO传感器的不正常
的性能会导致不正常的发动机操作，因为当驾驶工况改变时，发动机控制器可以使用 UEGO传感器的输出去调节提供到发动机的空气和燃料的量。
发明内容
因此，在一个方法中，通过从来自排气氧传感器的信号确定第一空燃比；从来自 微粒过滤器的上游的温度、微粒过滤器两端的压力差和进入到发动机的空气流量及进 入到发动机的燃料流量中的一个或多个，确定第二空燃比；比较第一空燃比和第二空 燃比；若第一空燃比不满足相对于第二空燃比的预定的关系，诊断氧传感器的错误状 态，在包括内燃发动机、排气氧传感器及微粒过滤器的设备中氧传感器输出的一致性 的问题可以至少部分地解决。以此方式，可以避免使用氧传感器的错误输出去调节发 动机工况。
图l示出发动机系统的实施例；
图2示出监测氧传感器的性能的方法的实施例的流程图；及 图3示出监测氧传感器的性能的方法的另一个实施例的流程图。
具体实施例方式
如本文进一步的详细描述，在一些工况下在如UEGO传感器的氧传感器的输出中 具有明显的变化。解决该问题的一个策略涉及从传感器的输出确定第一空燃比，从排
放系统微粒过滤器两端的压力降结合其他的发动机变量确定第二空燃比，及比较第一 空燃比和第二空燃比。两个空燃比的明显的偏差可以指示氧传感器的输出是错误的。 在一些实施例中，可以从发动机变量计算两个或多个空燃比并比较从氧传感器输出确 定的空燃比从而对确定提供附加的可信度。同样，在不同的发动机工况期间可以使用 不同的计算空燃比的方法。例如，在相对较浓空燃比操作期间可以使用计算空燃比的 一种方法，而在相对较稀空燃比操作期间可以使用另一种方法。在测量的空燃比确定 为错误的情况下，可以忽略错误的测量值，而从氧传感器获得新的测量值。
本文描述的方法的各种示例可以结合如图1中所述的示例的发动机和排气系统 理解。具体地，图1示出包括多个燃烧室(仅示出其中的一个)的示例内燃发动机 10。发动机10可以通过电子发动机控制器12控制。在一个示例中，发动机10可以
是共轨直喷式柴油发动机。
发动机10的燃烧室30包括燃烧室壁32,活塞36位于其中并连接到曲轴40。燃 烧室30如图所示通过进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。虽 然该示例示出单个进气门和排气门，但一个或多个汽缸可以包括多个进气门和/或排 气门。
燃料喷射器66如图所示直接连接到燃烧室30用于成比例于经电子驱动器68从 控制器12接收的信号脉冲宽度fpw直接输送液体燃料至其中。燃料可以通过包括燃 料箱、燃料泵、及共同的燃料导管(未示出)的燃料系统(未示出)输送。在一些实 施例中，发动机10可以包括每个具有多个进气门和/或排气门的多个燃烧室。
进气歧管44可以包括节气门体42和具有节流板64的节气门62。在该具体的示 例中，经提供到节气门62包括的电动马达或执行器的信号通过控制器12可以改变节 流板64的位置，该配置通常称为电子节气门控制(ETC)。以此方式，可以操作节气 门62以在其他发动机汽缸之间改变提供到燃烧室30的进气。通过节气门位置信号 TP，节流板64的位置可以提供到控制器12。进气歧管42还包括分别提供信号MAF 和MAP到控制器12的质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122。此外， 示意性地示出包括通过轴94连接的进气压缩机90和排气涡轮92的涡轮增压器系统。 虽然图1中所示压缩机90在节气门62的下游，但应理解压缩机90还可以位于节气 门62的上游。此外，节气门可以位于压缩机90的上游和下游两者。
催化转化器76如图所示与排气歧管48连通。在一些实施例中，催化转化器76 可以是稀NOx捕集器(LNT, lean NOx trap)。此外，柴油微粒过滤器(DPF ) 72如 图所示位于催化转换器76的下游。DPF可以主动地或被动地操作，过滤介质可以使
用各种类型的材料和几何构造。 一个示例构造包括具有在相对端阻塞的交替通道的壁 流式蜂窝陶瓷(wall-flow ceramic monolith),从而强制排气流通过相邻通道的公
共壁，使微粒物质沉积于其上。
虽然该示例示出LNT在DPF的上游，但DPF也可以定位在LNT的上游。此外，可
以使用其他的催化装置，包括但不限于柴油氧化催化剂(DOC,未示出)。若期望的 话，N0x捕集器、DPF和/或其他的催化装置还可以结合在一个转化器总成中。例如， 虽然LNT和DPF通常视为分离的实体，但有可能将两者结合在一个载体(substrate) 上，例如以N0x存储剂和铂族金属涂层的壁流式陶瓷DPF元件。
为提供更精确的对发动机操作和/或排气空燃比的控制，在排气系统中可以使用 一个或多个排气传感器。例如，提供UEG0传感器80以监测排气氧浓度，并提供排气 氧信号到控制器12。此外，压力差传感器82可以用来监测DPF 72两端的压力降， 温度传感器84可以用来监测DPF72的上游的排气温度。此外，还可以使用各种附加 的排气传感器，包括但不限于各种NOx传感器、氨传感器等。
控制器12如图l所示为微计算机，包括微处理器单元102、输入/输出端口 104、 存储执行程序和校准值的电子存储媒体，在该具体示例中所示为只读存储器UOM) 芯片106、随机存取存储器(RAM) 108、保活存储器(KAM) 110、及数据总线(I/O)。 控制器12包括可以由控制器执行的在计算机可读媒体上存储的代码。除了上述那些 信号之外，控制器12如图所示还接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号，包 括来自连接到发动机冷却套管114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT); 来自连接到曲轴40指示发动机转速(RPM)的霍尔效应传感器118的齿面点火传感器 信号(PIP);来自节气门位置传感器120的节气门位置TP;及来自传感器122的绝 对歧管压力信号MAP。
取决于工况，发动机10中的燃烧可以是各种类型。虽然图l示出压缩点火式发 动机，但应理解本文描述的实施例可以用在任何合适的发动机中，包括但不限于柴油 和汽油压缩点火式发动机、火花点火式发动机、直喷式发动机或进气道喷射式发动机 等。此外，可以使用各种燃料和/或燃料混合物如柴油、生物柴油等。
如上所述，随着传感器老化，在较高排气温度和/或较高压力的时期中(如在微 粒过滤器再生期间)等，UEGO传感器80的输出在稀空燃比工况下显示相对较大的可 变性。因为控制器12利用UEGO传感器80的输出来控制各种发动机工况，包括但不 限于空气质量流量、燃料流量、气门正时、喷射正时等，在UEGO传感器80的输出中 的可变性可以导致控制器12基于错误的传感器输出调节发动机工况。为克服这样的 问题，控制器12可以控制为通过比较从传感器输出确定的空燃比和从其他的发动机 变量计算的一个或多个空燃比验证UEGO传感器80的输出。
控制器12可以利用任何合适的发动机变量以计算用于验证UEGO传感器输出信号 的一个或多个空燃比。例如，控制器12可以利用DPF72两端的压力降，结合其他的 发动机变量计算用于验证UEGO传感器输出信号的一个或多个空燃比。
DPF 72两端的压力差是DPF的炭黑负载(soot loading)的函数。若在DPF中 的炭黑水平上升，在通过排气系统的一定的质量流量下DPF两端的压力差也上升。炭 黑负载数学上可以通过如下方程表示为Rd。
<formula>complex formula see original document page 7</formula>在该方程中，Pl=DPF的上游的气体压力，p2=DPF的下游的气体压力，Rd。-将清浩 的DPF的R。正规化为1的正规化系数(本文中可以称为炭黑负载因数)，li-动力粘 度，Q^通过以下方程给出。
(2) ^排气=(^空气+ ^燃料)*289*
在该方程中，A空气和A燃料分别是进入到发动机10的质量空气流量和燃料流率, T为DPF 72的上游的排气的温度，p为DPF 72的上游的压力。
变量m空气和A燃料相关于空燃比入，入可以由以下方程确定，其中C等于化学计 量空燃比。<formula>complex formula see original document page 7</formula>'空气
、Cy^A燃料乂
这些关系允许使用测量的DPF 72两端的压力降和DPF 72的上游的排气温度， 从进入到发动机10的质量空气流量和从通过发动机10的质量燃料流量分别进行空燃 比的计算。如下所示
<formula>complex formula see original document page 7</formula>在一个实施例中，方程(4)用来计算在相对较浓空燃比搡作期间(在柴油发动 机中可以是接近化学计量比的稀空燃比)的空燃比，方程(5)用来计算在相对较稀 空燃比工况期间(即离化学计量比较远)的空燃比。在另一个示例中，空燃比可以通 过方程(4)和方程(5)计算，两者计算的空燃比与从UEGO输出信号确定的空燃比比较。
图2示出监测氧传感器的性能的方法200的实施例的流程图。应理解方法200可 以用于任何合适的氧传感器，包括但不限于UEGO传感器。方法200首先包括，在202, 确定DPF的上游的排气温度，在204,确定DPF的上游的排气压力。排气温度和压力 可以以任何合适的方式确定。首先对于排气温度，排气温度可以通过设置在DPF的上 游的排气系统中的传感器直接测量(如图1中的84指示)，和/或可以从发动机变量 计算。
接下来对于DPF的上游的排气压力，在一个实施例中，压力可以通过(在206 )
测量DPF两端的压力降，例如经图1中的压力差传感器82确定，然后通过(在20S) 将压力差加到假设或设定(assumed)的固定下游压力计算上游压力。在DPF是排气 导管中的最后一个排气处理装置时，设定的固定下游压力可以是大气压力；当其他的 排气处理装置位于DPF的下游时，设定的固定下游压力可以稍高于大气压力，或可以 具有任何其他合适的值。
接下来，在210,例如，基于DPF两端的压力差和其他的发动机变量(如排气质 量流量)经查找表确定炭黑负载因数R。。然后在212，从氧传感器获得第一空燃比， 在214,例如相比较于可以比化学计量比稀的预选的空燃比，确定发动机是否在较浓 空燃比或较稀空燃比工况下操作。若发动机在较浓空燃比工况下操作，则在216测量 燃料流率，在21S,使用上述方程(4)从DPF的上游的排气压力、DPF的上游的排气 温度、R。、及燃料流率计算第二空燃比。另一方面，若发动机在较稀空燃比工况下搡 作，则在220测量质量空气流量，在222,使用上述方程(5)从DPF的上游的排气 压力、DPF的上游的排气温度、RD、及质量空气流量计算第二空燃比。
方法200接下来包括在224比较第一空燃比和第二空燃比以确定第一空燃比和第 二空燃比是否具有彼此预定的关系。可以对第一空燃比和第二空燃比进行任何合适的 比较。例如，确定第一空燃比是否在第二空燃比的预选的百分比之内，第一空燃比是 否在第二空燃比的预选的统计偏差之内等。
若确定第一空燃比和第二空燃比满足彼此预定的关系，则方法200包括，在226 使用第一空燃比以调节发动机工况。另一方面，若确定第一空燃比和第二空燃比不满 足彼此预定的关系，则在228诊断第一空燃比为错误。在该情况下，方法200返回到 202并重新开始。获得新的排气温度和压力的值，获得新的第一空燃比，及计算新的 第二空燃比并相比较于第一空燃比。若发现新的第一空燃比满足与新的第二空燃比的 预定的关系，则在226使用新的第一空燃比以调节发动机工况，以此方式，方法200 可以循环，直到获得确定为足够可靠的空燃比。在一些实施例中，重复错误诊断的发 生，或甚至单次错误诊断的发生可以触发指示器发光警告操作者传感器错误。
图3示出监测排气系统中的氧传感器的性能的方法的另一个实施例的流程图。方 法300包括在302,确定DPF的上游的排气温度，在304,确定DPF的上游的排气压 力，如方法200所述。方法300还包括检测质量空气流量(在306 ),测量燃料流率 (在308 )、及查找DPF炭黑负载因数R。(在310)。
接下来，方法300包括，在312,从氧传感器获得第一空燃比。此外，方法300 包括，在314和316,计算第二空燃比和第三空燃比。从DPF的上游的排气压力(例 如，从通过传感器的压力差测量值确定)、DPF的上游的排气温度、RD、及测量的质 量空气流量计算第二空燃比，而从DPF的上游的排气压力、DPF的上游的排气温度、 RD、及测量的燃料流率计算第三空燃比。接下来，在318确定第一空燃比、第二空燃 比、及第三空燃比是否满足彼此预定的关系(或一个或多个预定的关系)。若为是，
则在320使用第一空燃比以调节发动机工况。另一方面，若确定第一空燃比、第二空 燃比、及第三空燃比不满足彼此预定的关系，则在228诊断传感器读数为错误，方法 300返回到302重新开始。以此方式，方法300可以循环(如方法200所述)直到获 得确定为足够可靠的空燃比。可以使用任何合适的预定的关系以确定第一空燃比、第 二空燃比、及第三空燃比是否在足够接近的一致性之内以确定读数不为错误。例如， 可以确定第一空燃比是否在第二空燃比和第三空燃比两者的预选的百分比之内，第一 空燃比是否在第二空燃比和第三空燃比的预选数目的统计偏差之内等。
应理解方法200和方法300的步骤可以以任何合适的顺序执行，包括但不限于所 示的那些，和/或一个或多个步骤可以在各种实施例中并行执行。另外，虽然在UEGO 传感器的背景中描述，但应理解本文描述的思想可以用于任何其他的合适的传感器， 包括但不限于组合UEGO/NOx传感器。此外，应理解在本文中公开的配置和例程本质 上是示例性的，且这些具体实施例不应被视为具有限制意义，因为大量的变体是可能 的。本发明的主题包括在本文中公开的各种系统和配置，及其他特征、功能，和/或 属性的所,有新颖和非显而易见的组合及子组合。
本发明的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权 利要求可能引用"一个"元素或"第一"元素或其等价。这样的权利要求应被理解为 包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的 元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本发明权 利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权 利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括 在本发明的主题之内。
权利要求
1.一种在包括内燃发动机、排气导管、沿着排气导管设置的微粒过滤器、沿着排气导管设置的氧传感器、沿着排气导管设置的压力传感器的设备中，诊断氧传感器的性能的方法，包括从来自排气氧传感器的信号确定第一空燃比；从所述微粒过滤器的上游的温度、所述微粒过滤器两端的压力差及进入到发动机的空气流量和进入到发动机的燃料流量中的一个或多个，确定第二空燃比；比较所述第一空燃比和所述第二空燃比；及若所述第一空燃比不满足相对于所述第二空燃比的预定的关系，诊断所述氧传感器的错误状态。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，从进入到所述发动机的空气流量确定所述第二空燃比，还包括在稀于预选的空燃比的搡作期间确定所述第二空燃比。
3. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，从进入所述发动机的燃料流量确定 所述第二空燃比，还包括在浓于预选的空燃比的操作期间确定所述第二空燃比。
4. 如权利要求l所述的方法,其特征在于，还包括从所述微粒过滤器两端的压 力差确定所述微粒过滤器的上游的压力。
5. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括若诊断到错误状态，从来自 所述氧传感器接收的另一信号确定新的第一空燃比。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括基于所述新的第一空燃比调 节发动机工况。
7. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，还包括通过温度传感器确定所述微 粒过滤器的上游的排气温度。
8. —种在包括内燃发动机、排气导管、沿着排气导管设置的微粒过滤器、沿着 排气导管设置的氧传感器、沿着排气导管设置的压力传感器的设备中，诊断氧传感器 的性能的方法，包括确定供应到所述发动机的空燃比是否浓于或稀于预选的空燃比；通过从所述氧传感器接收的信号确定第一空燃比；若供应到所述发动机的空燃比较浓，从所述微粒过滤器的上游的压力和进入到所述发动机的燃料流量确定第二空燃比；若供应到所述发动机的空燃比较稀，从所述微粒过滤器的上游的压力和进入到所述发动机的空气流量确定第三空燃比；比较所述第一空燃比与所述第二空燃比或第三空燃比；及若所述第一空燃比不满足相对于所述第二空燃比或第三空燃比的预定的关系，诊 断所述氧传感器的错误状态。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括从所述微粒过滤器两端的压 力差确定所述微粒过滤器的上游的压力。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括若诊断到错误状态，通过从 所述氧传感器接收的另一个信号确定新的第一空燃比。
全文摘要
本发明公开了一种排气氧传感器性能的监测方法。在一个实施例中包括从来自排气氧传感器的信号确定第一空燃比；从微粒过滤器的上游的温度、微粒过滤器两端的压力差、及进入到发动机的空气流量和进入到发动机的燃料流量中的一个或多个，确定第二空燃比；比较第一空燃比和第二空燃比；若第一空燃比不满足相对于第二空燃比的预定的关系，诊断氧传感器的错误状态。
文档编号F02D41/22GK101344043SQ200810128398
公开日2009年1月14日 申请日期2008年7月10日 优先权日2007年7月13日
发明者艾弗拉姆·布拉默 申请人:福特环球技术公司