CN101614616A - 用于检测内燃机空气系统中的故障的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测具有进气歧管和排气歧管的内燃机的空气系统中的故障的方法，该方法包括：测量在排气歧管中流动的废气的氧气浓度；a)估计进气歧管中的进气氧气控制值；估计进气歧管中的进气氧气参考值；计算进气偏差值；以及将进气偏差值和预定第一阀值进行比较；b)估计排气歧管中的排气氧气控制值；计算排气偏差值；以及将排气偏差值和预定的第二阀值进行比较；c)确定排气氧气浓度设定点；计算新鲜空气流设定点；测量新鲜空气质量流值；计算空气流偏差设定点；以及将空气流偏差和第三预定阀值以及第四预定阀值进行比较；以及最后检测作为在步骤a)、b)和/或c)比较结果的组合的函数的空气系统中的故障。

Description

用于检测内燃机空气系统中的故障的方法

技术领域

本发明涉及内燃机空气系统中的故障检测。

背景技术

内燃机中的燃烧过程产生NO_x(主要是NO和NO₂)、CO、CO₂、HC(碳氢化合物)和PM(颗粒物质)。

CO₂的量取决于喷入气缸中的燃料的量，CO和HC的量取决于内燃机的燃烧效率。NO_x的量取决于燃烧温度以及引入到气缸的氧气的量，而PM的量严格取决于空燃比(λ)。

为了优化产生的PM和NO_x的量，内燃机设置有EGR(废气再循环)回路。EGR系统使废气从排气歧管再循环到进气歧管以便稀释引入到内燃机中的新鲜空气。这导致在燃烧过程中排放优化，因为引入了更大量的H₂O和CO₂，其具有降低了燃烧温度的高热容量。稀释吸入气流的另一效果在于能够控制吸入气流中的O₂的量。该系统的相反效果在于新鲜空气越稀释，空燃比(λ)减小越大。这导致更大量的PM排放。

流入气缸的废气量受到EGR阀的控制。

在传统的内燃机中，还存在空气质量传感器(或空气流量计)、空气压力传感器、空气温度传感器和进气歧管处的氧气传感器。

空气质量传感器适合于测量通过节流阀进入进气歧管的新鲜气流。

空气压力和温度传感器分别适合于测量进入气缸的燃气的温度和压力。它们布置在新鲜空气流和循环燃气流之间的混合点的下游的进气歧管中。

在传统的发动机中，存在电子控制单元(ECU)，该电子控制单元被布置成以估计进入气缸的燃气流以及控制进气歧管中的废气再循环。

为了检测发动机运行中的故障，所述ECU通过计算给定实体的所需(或设定点)值和从传感器得到的对应测量值之间的差值进行偏差误差检测，从而检测由于其内部故障引起的空气系统性能的偏差。

已经表明，排放物能通过引入在进气歧管中的废气再循环的控制中的氧气浓度监测而受到限制。

然而，适合于测量进气歧管中的实际氧气量的氧气传感器比较昂贵，并且不能快速地提供数据，这导致在从预定氧气设定点获得实际氧气量的偏差的指示延迟。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种改进的方法，该方法不使用由氧气传感器直接提供的数据而检测将进气歧管中的氧气浓度考虑在内的空气系统中的故障。

该目的和其他目的是通过根据本发明的一种用于检测具有进气歧管和排气歧管的内燃机的空气系统中的故障的方法得以实现的。

附图说明

从以下参照附图且仅通过非限制性的例子提供的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，其中：

图1是根据本发明的要执行以检测空气系统中的故障的操作的流程图；

图2是要被执行以实现空气流的偏差误差监测的操作的流程图。

具体实施方式

简要地，根据本发明的方法是基于使用双重检查以监测氧气浓度估计偏差；首先检查进气歧管中的氧气浓度值，另一检查是基于排气歧管中的氧气浓度值。

图1表示根据本发明的方法的要被执行以检测空气系统中的故障的操作的流程图。

该方法包括第一步骤100，其测量通过布置在发动机排气管路中的通用排气氧气(UEGO)传感器的排气流中的氧气浓度。UEGO传感器被布置成以提供与所述排气中的氧气百分比成比例的模拟输出[O₂]_{em_UEGO}。

在步骤200中，发动机的电子控制单元ECU估计进气歧管中的进入氧气的控制值[O₂]_{im_control}，例如如美国专利No.7,117,078所公开的。

在步骤300中，ECU根据以下公式估计进气歧管中的进入氧气的参考值[O₂]_{im_ECU}：

${\left[O_2\right]}_{\mathrm{im}\_\mathrm{ECU}}=0.233(1-\frac{m_{\mathrm{TOT}}-m_{\mathrm{MAF}}}{m_{\mathrm{TOT}}}\frac{1}{\mathrm{\λ}})---\left(1\right)$

其中m_MAF是在步骤400中通过适合于测量通过节流阀进入进气歧管中的新鲜空气流的空气质量传感器测得的新鲜空气质量流值，λ是基于由所述UEGO传感器测量的氧气浓度[O₂]_{em_ECU}由ECU测量的空燃比，以及m_TOT是在步骤500中根据以下公式计算的进气歧管中的总空气质量流：

$m_{\mathrm{TOT}}=\mathrm{\ηV}\frac{P}{\mathrm{RT}}---\left(2\right)$

其中，V是气缸的容积，P是由压力传感器测得的进气歧管中的压力，T是由温度传感器测得的进气歧管中的温度，η是估计的充气系数。

在步骤600中，ECU根据以下公式计算进气偏差值[O₂]_{im_dev}：

[O₂]_{im_dev}＝[O₂]_{im_control}-[O₂]_{im_ECU}    (3)

并且验证所述偏差值[O₂]_{im_dev}是否大于第一预定阀值THl。

根据公开于US7,117,078中的主题以及以上公开的公式1，进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器以及空气质量传感器用来估计进气歧管中的进气氧气控制值[O₂]_{in_control}以及进气氧气参考值[O₂]_{im_ECU}。

因此，能影响普通输入量(例如，包含在估计中的传感器中的漂移，固定到看似可信值的传感器的测量值，等)的故障模式不能通过该检查被检测到。

因此，进气偏差值[O₂]_{im_dev}的以上计算被设计成以便检测会在进气氧气浓度估计值中产生偏差的空气系统的所有故障类型，但其不能将分离单一的故障，因为存在能影响该偏差的许多故障。

为此，在步骤700中ECU还估计排气歧管中的排气氧气控制值[O₂]_{em_control}，例如如7,117,078所公开的。在步骤800中，ECU根据以下公式计算排气偏差值[O₂]_{em_dev}：

[O₂]_{em_dev}＝[O₂]_{em_control}-[O₂]_{em_UEGO}  (4)

并验证所述偏差值[O₂]_{em_dev}是否大于第二预定阀值TH2。其中[O₂]_{em_UEGO}是由UEGO传感器测量的排气歧管中的氧气浓度。

根据公开于US7,117,078中的主题，进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器以及空气质量传感器用来估计排气歧管中的排气氧气控制值[O₂]_{em_control}以及进气歧管中的进气氧气控制值[O₂]_{in_control}。

通过该双重检查，能够将故障原因分成两个不同的组。

如果故障是通过第二次检查被检测到而没有被第一次检查被检测到，那么会是由于已被用作估计进气歧管中的进气氧气控制值[O₂]_{im_control}和进气氧气参考值[O₂]_{im_ECU}二者的输入的传感器之一的故障所致。实际上，相同的传感器用于估计进气氧气控制值[O₂]_{im_control}、排气氧气控制值[O₂]_{em_control}以及进气氧气参考值[O₂]_{im_ECU}，而排气歧管中的氧气浓度[O₂]_{em_ECU}是由UEGO传感器测量的。

如果第二次检查显示出偏差，其意味着用于估计排气氧气控制值[O₂]_{em_control}的传感器之一中存在故障，因为比较的其它项，其是排气歧管中的氧气浓度[O₂]_{im_UEGO}，是测量值，因此不受进气歧管处的传感器的影响。

如果第一次检查没有显示任何偏差，其意味着通常用作估计进气氧气控制值[O₂]_{im_control}和进气氧气参考值[O₂]_{im_ECU}的输入的传感器中的故障影响两次估计，这将导致不会发现任何偏差。

不同地是，如果故障由两次检查都被检测到，那么会是由于属于空气系统的其他传感器、促动器或部件之一的故障所致。

在步骤900中ECU定义预定进气氧气浓度设定点[O₂]_spIM，并且在步骤100中，计算作为在步骤200中估计的进气歧管中的进气氧气浓度设定点[O₂]_spIM和进气氧气控制值[O₂]_{im_control}之间的差值的进气歧管中的最终氧气估计偏差。

为了分离影响所述最终氧气估计值偏差的故障，以前的两侧检查的结果与基于标准的气流偏差误差监测的第三次检查比较，这将在下面参照2进行公开。

在步骤1100中新鲜气流设定点Air_reference是通过以下公式计算的：

${\mathrm{Air}}_{\mathrm{reference}}=\frac{\frac{{\left[O_2\right]}_{\mathrm{spEM}}}{{\left[O_2\right]}_{\mathrm{air}}}{M}_{\mathrm{fuel}}+C_{\mathrm{sp}}{M}_{\mathrm{fuel}\_\mathrm{Burnt}}}{1+\left[\frac{{\left[O_2\right]}_{\mathrm{spEM}}}{{\left[O_2\right]}_{\mathrm{air}}}\right]}---\left(5\right)$

其中M_fuel是喷射燃料的量，M_{fuel_Burnt}是带入到燃烧过程的喷射燃料量的部分，C_sr是化学计算的空燃比，[O₂]_spEM是排气歧管中的排气氧气浓度的设定点，其通过控制单元ECU计算，如在此及后所公开的，[O₂]_air是新鲜空气中的氧气浓度(例如在体积浓度的情况下为20.95％)。

排气氧气浓度设定点是根据以下两种选择通过ECU提供的：

1)其被确定为发动机工作点(发动机速度和载荷)的函数；

2)其在步骤300中是根据以下公式计算的：

${\left[O_2\right]}_{\mathrm{spEM}}=\frac{\left(\mathrm{\η}\frac{p_{\mathrm{boost}}{V}_{\mathrm{eng}}{N}_{\mathrm{eng}}}{R_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}120}\right){\left[O_2\right]}_{\mathrm{spIM}}-C_{\mathrm{sr}}{M}_{\mathrm{fuel}\_\mathrm{Burnt}}{\left[O_2\right]}_{\mathrm{air}}}{\left(\mathrm{\η}\frac{p_{\mathrm{boost}}{V}_{\mathrm{eng}}{N}_{\mathrm{eng}}}{R_{\mathrm{im}}{T}_{\mathrm{im}}120}\right)+M_{\mathrm{fuel}}}---\left(6\right)$

在此，η是充气系数，V_eng是发动机排量，N_eng是发动机的转速，R_im是理想气体定律常数，T_im是进气歧管温度设定点，p_boost是预定升压设定点。

另外，升压设定点p_boost和进气歧管温度设定点T_im可以分别用由布置在进气歧管中的传感器测量的实际压力和实际温度进行替换。另外，上述参数的其他组合也是可以的。

简言之，两种选择因此是可能的：

1)排气氧气浓度设定点[O₂]_spEM是在控制单元ECU内被确定的，并且其然后用来通过公式5计算空气参考值Air_reference；

2)进气氧气浓度设定点[O₂]_spIM是在控制单元ECU内被确定的，并且其用来通过公式6计算对应的排气氧气浓度设定点，从而具有一个值，该值能用于公式5中以计算空气参考值Air_reference。

新鲜空气流的设定点Air_reference与测量的新鲜空气质量流m_MAF相比较以便在步骤1400中计算气流偏差Airflow_dev，并且根据以下公式验证所述气流偏差是否包括在第三阀值TH3和第四阀值TH4之间：

Airflow_dev＝Air_reference-m_MAF＞TH3(7)

Airflow_dev＝Air_reference-m_MAF＜TH4(8)

所述气流偏差Airflow_dev是表示理想的新鲜气流和实际气流之间的差值的误差项。在该情况下，对由两次前述检查使用的那些所共有的唯一传感器是空气质量传感器。

基于上述公开的三次检查，能够检测到影响所述进气歧管中的最终氧气浓度估计值的故障，并且通过交互检查，还能够分离这些故障，例如如表1所示。

表1

	检查1	检查2	检查3
				传感器1	×	×	×
传感器2		×	×
				传感器3		×	×
传感器4		×	×
				传感器5			×
传感器6			×

传感器1由检查1、检查2以及检查3使用。传感器2有检查2和检查3使用，但没被检查1使用。如果检查2和检查3检测到故障，检查1没有检测到任何故障，能够断定故障不在传感器1上，而会是在传感器2上。取决于三个检查共有或不共有的传感器的数量，能够减小能受到故障的传感器的数量，在一些情况下，能够辨认与整个系统的故障有关的传感器。

本发明还可应用于柴油和汽油发动机。

显然，本发明的原理是一样的，在不背离由所附权利要求限定的本发明的保护范围的情况下，具体实施例和产生的细节可以相对于纯粹通过上述非限制性的例子已描述和图示内容有不少变化。

Claims (4)

1.一种用于检测具有进气歧管和排气歧管的内燃机的空气系统中的故障的方法，该方法包括以下步骤：

-测量(100)在所述排气歧管中流动的废气的氧气浓度([O₂]_{em_UEGO})；

a)-估计(200)进气歧管中的进气氧气控制值([O₂]_{im_control})；

-基于在所述排气歧管中流动的废气的所述氧气浓度([O₂]_{em_UEGO})估计(300)进气歧管中的进气氧气参考值([O₂]_{im_ECU})；

-计算(600)作为所述进气氧气控制值([O₂]_{im_control})和所述进气氧气参考值([O₂]_{im_ECU})之间差值的进气偏差值([O₂]_{im_dev})；以及

-将所述进气偏差值([O₂]_{im_dev})和预定的第一阀值(TH1)进行比较；

b)-估计(700)所述排气歧管中的排气氧气控制值([O₂]_{em_control})；

-计算(800)作为在所述排气歧管中流动的废气的所述排气氧气控制值([O₂]_{em_control})和所述氧气浓度([O₂]_{em_UEGO})之间差值的排气偏差值([O₂]_{em_dev})；以及

-将所述排气偏差值([O₂]_{em_dev})和预定的第二阀值(TH2)进行比较；

c)-确定指示所述排气歧管中的氧气浓度的排气氧气浓度设定点([O₂]_spEM)；

-计算(1100)作为所述排气氧气浓度设定点([O₂]_spEM)的函数的新鲜空气流设定点(Air_reference)；

-测量(400)新鲜空气质量流值(m_MAF)；

-计算(1400)作为所述新鲜空气流设定点(Air_reference)和所述新鲜空气质量流值(m_MAF)之间差值的空气流偏差(Airflow_dev)；以及

-将所述空气流偏差(Airflow_dev)和第三预定阀值(TH3)以及第四预定阀值(TH4)进行比较；以及最后

-将所述空气系统中的故障作为在步骤a)、b)和/或c)比较结果的组合的函数来检测。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

-定义(900)预定进气氧气浓度设定点([O₂]_spIM)；以及

-计算(1000)作为所述进气氧气设定点([O₂]_spIM)和所述进气氧气控制值([O₂]_{im_control})之间差值的所述进气歧管中的最终进气氧气估计偏差。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，估计(300)所述进气歧管中的进气氧气参考值([O₂]_{im_ECU})的步骤是根据以下公式进行的：

${\left[O_2\right]}_{\mathrm{im}\_\mathrm{ECU}}=0.233(1-\frac{m_{\mathrm{TOT}}-m_{\mathrm{MAF}}}{m_{\mathrm{TOT}}}\frac{1}{\mathrm{\λ}})$

其中，λ是空燃比，m_TOT是所述进气歧管中的总空气质量流。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，估计(300)所述进气歧管中的进气氧气参考值([O₂]_{im_ECU})的步骤是根据以下公式进行的：

${\left[O_2\right]}_{\mathrm{im}\_\mathrm{ECU}}=0.233(1-\frac{\mathrm{\ηV}\frac{P}{\mathrm{RT}}-m_{\mathrm{MAF}}}{\mathrm{\ηV}\frac{P}{\mathrm{RT}}}\frac{1}{\mathrm{\λ}})$

其中，λ是空燃比，V是发动机气缸的容积，P是所述进气歧管中的压力，T是所述进气歧管中的温度，以及η是充气系数。

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