专利名称：异常气缸特性的车载诊断的制作方法
异常气缸特性的车载诊断
本发明要求在2005年12月21日提交的美国临时申请 No.60/753,091的申请日的优先权，该专利申请通过引用而结合到本文 中。本发明部分地涉及在DE-FC04-02AL67636下由政府支持而执行 的工作。
背景技术：
排放规定在世界范围内强调减少细颗粒物排放。细颗粒与有害健 康影响的关联比大颗粒更强，而且发动机是细颗粒的主要来源。实际 上，在发动机技术中减少粒子质量排放的改变已导致所排放的微小粒 子(太小而不构成太大质量)的数目的急剧增加。核模态(nuclei mode) 颗粒的直径范围在5-50纳米。它们由硫酸和部分燃烧的燃料以及润滑 油的混合物组成。大多数核模态粒子直至排气燃烧产物在大气中稀释 和冷却时才形成，此时核模态粒子的气相前体更倾向于经历气体至颗 粒的转化。
为了满足未来的排放标准，未来柴油发动机很可能将必须装配复 杂的燃烧控制系统，并iU艮可能装配包括颗粒过滤器和捕集器的后处 理系统。有效的排气颗粒传感器可提供信息来帮助减少来自发动机的 颗粒排放，并且因此使得捕集器和其它后处理装置更加可行。颗粒捕
-fc器可能较小或可能不太经常更新，从而减小了燃料经济性方面的费
用和罚款。
还需要减少发动机排放中的氮氧化物。然而，众所周知减少发动 机排气中的颗粒物可能会导致更多的氮氧化物，反之亦然。因此，必 需做出权衡，并且关于发动机排气的组成的更多信息将有助于获得最 佳结果。
现有的发动机排放传感器监控总体发动机排放的长期趋势(1-10 秒的持续时间)或固定测试循环的整体总排放。然而，在许多发动机中， 一个或两个气缸造成大部分排放，这些峰值超过排放标准。由本申请 人所做出的测试示出气缸与气缸之间和循环与循环之间的发动机排 放的相当大的实际变化。当在所有气缸上取平均时这种现象被掩盖。
因此，本发明使用传感器来瞬时地监控单个气缸的特性或发动枳J 循环特性，以便测量基于"不超过"极限而不是平均水平的当前和未来 的排放规定的适应性。从传感器所获得的信息也可用于发动机控制或 维修。可记录从传感器获得的信息以在正常维修周期期间使用，并且 也可用于改变发动机参数来减少来自故障气缸的较高排放。
在附图中的构件未必按照比例绘制。
图l是示出颗粒物传感器的基本构件的示例示图。
图2是图1的传感器的侧视图。
图3是图1的传感器插入到排气管中的示例示图。
图4是将车载(onboard)诊断用于发动机排放监控的系统的示例示 图，其表示传感器在发动机排气通道中的位置。
图5是显示来自测试发动机的实验数据的曲线图。
图6是在正常发动机操作期间所产生的颗粒物浓度的图示。
图7是在发动机操作期间当一个气缸出现故障时颗粒物浓度的图示。
图8是当 一个气缸出现故障时在发动机操作期间的电荷传感器信 号的图示。
图9a和图9b是诊断流程图的示例。
图10是来自分别位于柴油机颗粒过滤器的两侧上的两个电荷传 感器的信号的差异的图示。
图11是在柴油机颗粒过滤器下游的电荷传感器信号的图示。
具体实施例方式
虽然本发明容许各种形式的实施例，但在附图中示出且在下文中 描述了某些实施例，应了解的是，本公开内容被认为是本发明的范例 且并不意图将本发明限制为所表示和描述的具体实施例。
作为一个实施例的示例，传感器可监控在发动机气缸的排气冲程 期间在颗粒物上的电荷。不同的电荷传感器在本领域中已知。例如， 某些为接触电荷传感器，某些为镜像电荷传感器，该镜像电荷传感器 可测量通过的排气流中的颗粒的电荷，而与是否接触传感器无关。某 些为离子传感器。用于在发动机气缸的排气冲程期间监控颗粒物上的 电荷的传感器的示例在下文中描述。相关技术描述于美国专利
No.6,971,258中，其通过引用而结合到本文中。由于电荷是纯电现象， 因此响应速率很高并且可实时监控排放。可实现逐个气缸和逐个循环 的监控。
作为一个实施例的示例，电荷传感器利用具有玻璃或陶乾电馈通 的高温金属环、盘或网，以提供对所传感的信号的电隔离。读取电子 电路测量电离、电荷或电流传输，以及诸如温度的其它参数。
作为一个示例，电荷传感器可位于汽车火花塞上。这种方法4是供 非常好的高温和高压平台，其可易于放置到发动机排气通道中，诸如 直接在发动机排气管、歧管或集管中。如果发动机具有涡轮增压器， 则传感器可被放置于涡轮增压器的下游。这种设计也符合低成本大夫见 模制造。可由商业实验室级电荷放大器来提供信号电子装置。
在图1至图3的示例中，传感器10可使用Swagdoc⑧配件12和/ 或高温陶瓷馈通绝缘体12和/或连接器。传感器10的4果针14可置于 发动机的排气通道中。探针14的长度15和直径16可基于传感参数 和发动机参数而变化。
一个改进问题为积聚在传感器探针上的烟尘和在很高温度下的 操作将使信号直接对地短路。然而，有源元件被非常薄的非传导涂层
钝化，其说明不存在烟尘层所导致的短路。因此，传感器探针响应并 不因烟尘积聚和高温而降低。在图1至图3的示例中，探针14:^皮非 常薄的非传导涂层或层17钝化(如图2所示)，其说明在发动机操作期
间不存在由于探针14所累积的烟尘层而造成的电气短路。
传感器10的一个实施例可为标准火花塞11，该标准火花塞11具 有被移除的外部电极且具有4至6英寸的不锈钢延伸部14，该延伸部 14具有大约1/8英寸的直径并且被焊接到中心电极上。传感器10可 安装于排气流23中。图3表示在排气管18中安装传感器10的示例。 可存在焊接到排气管18内的不锈钢套环24。套环24可被制成为带有 尺寸过大的螺紋接口 ，以便可容易地利用具有不同探针类型的其它传 感器IO替换传感器10。
在测试中，通过多个连续的发动机循环内所记录的数据来计算传 感器信号的均方根值(rms)，并且使其与来自Bosch烟度计、扩散充电 器、光电气溶胶传感器以及凝聚颗粒计数器的测量值相关。在电荷传 感器的rms值与低至大约0.1 Bosch数的Bosch烟度之间存在非常好 的相互关系。
用于测量氮氧化物的传感器在本领域中已知。这种传感器也可位 于火花塞上且安装于发动机排气通道中。
图4是将车载诊断用于发动机排放监控的系统的示例示图，其表 示传感器在发动机排气通道中的位置的示例。用于测量颗粒物的传感 器31,32和33和用于测量氮氧化物的传感器35安装于来自发动机39 的排气管37中。还示出了废气再循环41和柴油机颗粒过滤器43。除 了产生传感器信号外，该系统需要具有数据处理能力，以实时地乂人信 号提取信息。因此，信号处理电子装置45接收并放大传感器信号， 并且向发动机控制单元47提供输入。发动机控制单元47连接至发动 机39，该发动机39包括其燃料喷射和进气歧管系统。除了来自排气 通道中的传感器的信号外，发动机控制单元47还可接收关于发动机 参数的信号，这些发动机参数诸如燃料流量、废气再循环、喷射正时、
针阀升程、曲轴角度、气缸压力、阀门位置和升程、歧管真空度、燃 料/空气混合物、发动机进气的性质等。发动机控制单元47可提供控 制信号来调整燃料混合物、喷射正时、废气再循环的百分比、阀门控
排放包括颗粒物、氮氧化物或二者)的信息的装置，用于使该信息与单 个气缸排放相关的装置，以及用于减少单个气缸的颗粒物或氮氧化物 的排放的装置(其均实时地)的示例(如下文所述的示例)。
来自气缸排气的颗粒物和氮氧化物的快速传感可大约在毫秒级 完成，并且可实时地提供气缸与气缸之间变化的信息。该信息可揭示 故障气缸，并且可揭示发动机在不同条件下的排气动态。诊断软件可 使用这种信息，以记录气缸数据用于在周期性维修期间使用，以改变 单个气缸输入条件以便修改单个气缸排气状态，以及以在来自气缸的
不当排放超过预定水平时诸如向用户仪表板发送警告信号。这描述了 用于随时间跟踪发动机排放和用于提供不当发动^L排放浓度超过预 定水平的实时指示的装置的示例。
图5是显示来自测试发动机的实验数据的曲线图，其表示可从来
自发动机排气的这种传感导出的诊断信息的示例。曲线图描绘了电压
与以秒为单位的时间之间的关系。信号51和52在11次发动机循环 上取平均以消除寄生噪声的影响。信号51从测试发动机的一个气缸 中的压力传感器检测。线54标明从信号51确定的一个发动机循环的 周期。信号52从排气通道中的位置类似于图4中的传感器31的电荷 传感器检测。当检测到最小的颗粒物时产生信号52中的相对高点， 且当检测到最大的颗粒物时产生信号52中的相对低点。在大约0.036 秒的相对高点至在大约0.043秒的相对低点示出峰间读数，其反映从 一个气缸排放的颗粒物，如线56所标明。在信号52中明显的显著不 同的峰间读数表示来自不同气缸的排放的很大变化。此外，特定气缸 的峰间读数的随时间的显著变化也是重要的诊断指标。
原理示于图6至图8中。图6和图7分别表示在正常发动机操作
期间和在发动机操作期间 一个气缸出现故障时所产生的颗粒物浓度 的示例。当发动机正常操作时，来自每个气缸的排气颗粒浓度将大约 相同，如图6所示。如果这些气缸中的一个气缸出现问题，则来自该 特定气缸的颗粒物可能会增加，如图7所示。图8表示诸如来自位置
类似于图4中的传感器31的电荷传感器的信号的示例。图8表示示
出了在存在故障气缸的情况下在发动机操作期间颗粒物异常的信号 的示例。通过这种异常信号配置，可记录数据，其将提供有用的信息 以在预定维修期间采用。此外，可在发动机操作时修改故障气缸的操 作以作为暂时调整直至可预定进行维修。例如，可通过调整废气再循
环41或由发动机控制单元47所控制的其它参数(诸如燃料混合物或喷 射正时)来修改气缸操作。因此，从排气通道中的传感器所提取的信息 可实时地与来自单个气缸的颗粒物浓度相关。
如上文所述，还需要减少发动机排气中的氮氧化物，但减小颗粒 物的浓度可能会导致更多的氮氧化物，反之亦然。可采取不同的办法 来控制排放。可从发动机排气通道中的传感器获得的车载诊断信息将 有助于优化排放控制。
图9a和图9b表示诊断流程图的一个示例。通过发动机控制单元 47来维持对来自电荷传感器31和氮氧化物传感器35的信号的监控 (61)。记录来自传感器31和35和来自发动机控制单元47的数据(62)。 发动机控制单元47检测(63)氮氧化物浓度是否超过预定极限。如果它 们没有超过预定极限，则发动机控制单元47检测(64)颗粒物信号是否 存在异常。如果存在这种异常，则使异常的正时与其它的发动机参数 相关以确定(65)该异常所归属的气缸。然后进行询问(66)以检测对于所 确定的气缸是否存在输入条件的差异。如果存在这种差异，则将对它 们进行调整(67)直至不存在这种差异。继续检测(68;)颗粒物信号是否仍 示出所确定气缸的异常。如果并不示出异常，则调整(69)气缸输入条 件直至不再检测到异常。如果发动机控制单元47检测到(63)氮氧化物 浓度并不超过预定水平，则存在与其它发动机参数的相互关系来确定
(65a)过量的氮氧化物所归属的气缸。然后，进行询问(66a)以检测所确 定的气缸是否存在输入条件的差异。如果存在这种差异，则可对它们 进行调整(67a)直至不存在这种差异。继续^r测(68a)氮氧化物是否继续 超过预定水平。如果它们超过预定水平，则调整气缸输入条件(69a)直 至氮氧化物不再超过预定水平。图9a与图9b只是可采用的诊断流程 图的一个示例。
通常，可调整的输入条件可包括燃料混合物或喷射正时，以减少 来自故障气缸的较高排放。可能存在其它的可调整的输入条件，例如 可能为诸如废气再循环百分比或阀门控制。
作为排放控制策略的 一个示例，可能调整发动机正时以减少氮氧 化物且使用过滤器来减少颗粒物。测量柴油机颗粒过滤器的上游和下
一示例。在图4的示例中，在排气通道中存在柴油机颗粒过滤器43。 在发动机39的操作期间，柴油机颗粒过滤器43将载入并且将必须在 某个时间量后进行更新。图4表示分别位于柴油机颗粒过滤器43的 上游和下游的电荷传感器32和33。可分别监控并记录来自传感器32 和33的信号I,和12。两个信号I！和12的差异将随着柴油^L颗粒过滤 器43的负载增加而随着时间减小。这种情况示于图10中，其为I!-l2 随着时间的图示。如果该差异变得小于某预定水平71，则它可能指示 应该更新柴油机颗粒过滤器43。发动机控制单元47还可被编程为用 于在这种情况发生时诸如向用户仪表板发送警告信号。这描述了用于 ;险测应当何时更新柴油机颗粒过滤器的装置的示例。
图11是12随着时间的图示。如果12突然高于某预定水平73，这 指示柴油机颗粒过滤器43可能被穿透。柴油机颗粒过滤器失效的这 种指示显示需要进行维修以更换过滤器。发动机控制单元47可被编 程为用于在超过水平73时诸如向用户仪表板发送警告信号。这描述 了用于判断发动机排气通道中的柴油机颗粒过滤器的效率恶化的装 置的示例。
通过前文所述，应注意到的是，在不偏离本发明的新颖概念的真
实精神和范围的情况下可以实行各种修改和变化。应了解的是，不预 期或推断关于所示或所述的具体实施例的限制。
权利要求
1.一种用于监控发动机排放的车载诊断系统，所述系统包括至少一个传感器；数据处理器；所述至少一个传感器中的每个构造为且在尺寸方面设定为用于放置于发动机的排气通道中；所述数据处理器适于实时地从所述至少一个传感器提取信息；所述至少一个传感器中的每个选自电荷传感器和用于检测氮氧化物的传感器；其中，如果所述至少一个传感器中的一个是电荷传感器，则从所述至少一个传感器中的所述一个传感器提取的信息可与来自所述发动机的单个气缸的颗粒物浓度相关。
2. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述数 据处理器包括用于放大所述至少一个传感器的信号的信号处理电子 装置。
3. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述车 载诊断系统还包括所述至少一个传感器中的一个是用于检测氮氧化物的传感器； 所述数据处理器适于检测用于检测氮氧化物的所述传感器的信 号何时超过预定水平。
4. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述车 载诊断系统还包括所述至少 一个传感器中的 一个是电荷传感器；所述数据处理器包括发动机控制单元，用于检测从所述至少一个 传感器中的所述一个传感器提取的信息是否存在异常并且用于确定 所述异常所归属的气缸。
5. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述数 据处理器适于提取表示发动机参数的信息，所述发动机参数选自燃 料流量、废气再循环百分比、喷射正时、针阀升程、曲轴角度、气缸 压力、阀门位置、阀门升程、歧管真空度、燃料/空气混合物以及发动 机进气性质。
6. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述数 据处理器包括发动机控制单元，用于响应于所述提取的信息来发送控 制信号以实时地调整至少一个发动机参数。
7. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述数 据处理器适于发送控制信号以调整选自如下组的至少一个发动机参 数燃料混合物、喷射正时、废气再循环百分比以及阀门控制。
8. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述车 载诊断系统还包括用于记录指示所述单个气缸性能的数据的数据库。
9. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述数 据处理器适于在所述至少一个传感器中的一个传感器的信号超过预 定水平时发送警告信号。
10. 根据权利要求1所述的车载诊断系统，其特征在于，所述车载诊断系统还包括所述至少 一个传感器中的第 一传感器是电荷传感器； 所述至少一个传感器中的第二传感器是电荷传感器；当所述至少 一个传感器中的第 一传感器位于所述排气通道中的 柴油机颗粒过滤器的上游并且所述至少一个传感器的第二传感器位 于所述柴油机颗粒过滤器的下游时，所述数据处理器适于在所述至少 一个传感器的第一传感器与第二传感器的相应信号之间的差异低于 预定水平时发送警告信号。
11. 一种用于监控发动机排放的方法，所述方法包括 监控位于发动机的排气通道中的电荷传感器的信号； 检测所述电荷传感器的信号是否出现异常；如果检测到所述异常，则确定所述异常所归属的所述发动机的气 缸；如果;f企测到所述异常，则实时地调整至少一个发动^U参数直至不再检测到所述异常。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述确定步骤 包括接收表示选定的发动机参数的信号；使所述异常的正时与所述选定的发动机参数相关。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括接收表示气缸输入条件的至少 一个信号；使用所述气缸输入条件信号来检测所述异常所归属的所述确定 气缸的输入条件是否不同于其它气缸的输入条件；则调整所述至少一个发动机参数中的至少一个参数直至所述确定气 缸的输入条件不再不同于所述其它气缸的输入条件；在调整所述至少一个发动机参数直至所述确定气缸的输入条件 不再不同于所述其它气缸的输入条件之后，检测是否仍然发生所述异 常。
14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括从表示发动机条件的信号提取信息，所述发动机条件选自燃料流 量、废气再循环百分比、喷射正时、针阀升程、曲轴角度、气缸压力、 阀门位置、阀门升程、歧管真空度、燃料/空气混合物以及发动机进气性质。
15. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个 发动机参数选自燃料混合物、喷射正时、废气循环百分比以及阀门 控制。
16. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括记录指示所述发动机的单个气缸性能的数据。
17. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括监控位于所述排气通道中的用于检测氮氧化物的传感器的信号； 检测氮氧化物浓度是否超过预定水平。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如果所述浓度超过所述预定极限，则实时地调整至少一个发动机 参数直至所述浓度不再超过所述预定极限。
19. 一种用于监控发动机排;改的方法，所述方法包括监控位于发动机的排气通道中的用于检测氮氧化物的传感器的 信号；检测氮氧化物的浓度是否超过预定水平；如果所述氮氧化物浓度超过所述预定水平，则确定过量的氮氧化 物所归属的所述发动机的气釭；如果所述浓度超过所述预定水平，则实时地调整至少一个发动机 参数直至所述浓度不再被检测为超过所述预定极限。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括接收表示气缸输入条件的至少 一个信号；使用所述气缸输入条件信号来检测所述过大浓度所归属的所述 确定气缸的输入条件是否不同于其它气缸的输入条件；如果所述确定气缸的输入条件不同于所述其它气缸的输入条件， 则调整所述至少一个发动机参数中的至少一个参数直至所述确定气 缸的输入条件不再不同于所述其它气缸的输入条件；在调整所述至少一个发动机参数直至所述确定气缸的输入条件 不再不同于所述其它气缸的输入条件之后，检测所述浓度是否仍然超 过所述预定水平。
21. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括监控位于所述排气通道中的电荷传感器的信号；检测所述电荷传感器的信号是否发生异常；如果检测到所述异常，则确定所述异常所归属的所述发动机的气缸；如果检测到所述异常，则实时地调整所述至少一个发动机参数中 的至少 一个参数直至不再检测到所述异常。
22. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括接收表示气缸输入条件的至少 一个信号；使用所述气缸输入条件信号来检测所述异常所归属的所述确定 气缸的输入条件是否不同于其它气缸的输入条件；如果所述异常所归属的所述确定气缸的输入条件不同于所述其 它气缸的输入条件，则调整所述至少一个发动机参数中的至少一个参数直至所述异常所归属的所述确定气缸的输入条件不再不同于所述 其它气缸的输入条件；在调整所述至少一个发动机参数直至所述异常所归属的所述确否仍然发生所述异常。
23. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括从表示发动机条件的信号提取信息，所述发动机条件选自燃料流 量、废气再循环百分比、喷射正时、针阀升程、曲轴角度、气缸压力、 阀门位置、阀门升程、歧管真空度、燃料/空气混合物以及发动机进气 性质。
24. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一个 发动机参数选自燃料混合物、喷射正时、废气再循环百分比以及阀 门控制。
25. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括记录指示所述发动机的单个气缸性能的数据。
26. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当所述传感器的信号超过预定水平时发送警告信号。
27. —种用于监控发动机排放的方法，所述方法包括实时地监控位于发动机的排气通道中的柴油机颗粒过滤器上游 的电荷传感器的信号；实时地监控位于所述柴油机颗粒过滤器下游的电荷传感器的信号。
28. 根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包 括在所述下游传感器的信号超过预定水平时发送警告信号。
29. 根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包括检测在所述上游传感器与所述下游传感器的相应信号之间的差异是否低于预定水平；当所述上游传感器与所述下游传感器的相应信号之间的差异低 于所述预定水平时发送警告信号。
30. —种用于监控发动机排放的车载诊断系统，所述系统包括的信息的装置，所述不当发动机排放包括颗粒物和氮氧化物中的至少 一种；用于实时地使所述不当发动机排放信息与所述发动机的单个气 缸的排放相关的装置；用于实时地减少所述发动4儿的单个气缸的不当发动机排放的装置。
31. 根据权利要求30所述的车载诊断系统，其特征在于，所述实时指示的装置。
32. 根据权利要求30所述的车载诊断系统，其特征在于，所述 车载诊断系统还包括用于随时间跟踪不当发动机排放的装置。
33.根据权利要求30所述的车载诊断系统，其特征在于，所述 车载诊断系统还包括用于确定选自如下组的至少 一个条件的装置更 新所述排气通道中的柴油机颗粒过滤器的时间，以及所述排气通道中 的柴油机颗粒过滤器的效率恶化。
全文摘要
本发明提供一种尤其用于检测异常气缸特性的发动机排放监控的车载诊断的方法和系统。在某些实施例中，在排气通道中的至少一个传感器测量指示颗粒物的电荷。在某些实施例中，至少一个传感器测量氮氧化物。可使用瞬时排放的指示来实现发动机控制的实时调整且可对其进行记录用于维修目的。
文档编号F01N3/00GK101375025SQ200680052934
公开日2009年2月25日 申请日期2006年12月19日 优先权日2005年12月21日
发明者B·C·克拉夫特菲尔, D·B·基特尔森, H·马, M·L·罗德斯 申请人:霍尼韦尔国际公司