用于测试NOX传感器的方法与流程

本发明涉及用于测试NO_x传感器的方法。

背景技术：

与汽油发动机相比，柴油发动机使用更贫的空气燃料比。吸入气体中的更大量的空气促使更加完全的燃烧以及更好的燃料效率，并且因此与汽油发动机相比降低了碳氢化合物和一氧化碳的排放。然而，由于柴油发动机中的更高的压力和更高的温度，并且高温导致吸入空气中的O₂和N₂发生组合，因此氮氧化合物排放(包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)，统称为“NO_x”)倾向于更高。

为了满足关于NO_x排放的越来越严格的政府规定，发动机制造商已经开发了一些NO_x降低方法。一种方法是废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)，其中，一定比例的废气被吸回到或被压回到吸入气体中并且与进入燃烧室的新鲜的吸入气体和燃料混合。另一种方法是选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)。SCR工艺使用催化剂和无水氨(NH₃)或含水的NH₃或者可转化为NH₃的前体(precursor)，例如尿素，将NO_x还原为双原子的N₂和水。

除了NOx排放，柴油发动机也产生颗粒物质(particulate matter，“PM”)或烟灰，与汽油发动机相比，产生的颗粒物质或烟灰的量更大。PM是复合排放物，其包括元素碳、源于燃料的重碳氢化合物、润滑油和源于燃料中的硫的水合硫酸。用于降低或去除柴油废气中的PM的一种方法是黑烟过滤器(diesel particle filter，“DPF”，或称柴油颗粒过滤器)。DPF被设计为在允许废气从中通过的同时收集PM。

一个或多个NO_x传感器可以用于电子地控制的柴油发动机。NO_x传感器可能出现故障，从而该传感器提供不精确的NO_x指示。由该传感器提供的错误数据可能导致诊断故障码(diagnostic trouble codes，“DTC”)的出现或者性能失调，诊断故障码或性能失调不能直接指出作为根本诱因的出现故障的传感器。此种性能失调的示例可以是过量的柴油机废气处理液(diesel exhaust fluid，“DEF”)消耗。例如，与出现故障的简单的传感器(例如，发动机冷却剂温度传感器)不同，对于维护技术人员而言，通过在电子维护工具上显示的由传感器测量的NO_x测量值对NO_x进行实时观察，很难确定NO_x信号是不合理的。

技术实现要素：

公开了一种用于测试定位在发动机下游的NO_x传感器的方法。所述方法包括：使发动机运转；接收指示来自NO_x传感器的值的信号；以及确定所述值是否处于已确定的范围之内或之外。所述已确定的范围基于从正在开动的发动机中排出的废气的已知特征。

附图说明

对附图的详细说明适用于如下的附图，其中：

图1是具有一对NO_x传感器的示例性动力系统的简化示意图；以及

图2是用于测试所述NO_x传感器之一或二者的方法的示例。

具体实施方式

参考图1，示出了用于向各种机器提供动力的动力系统100的示意图，所述各种机器包括高速卡车，建筑车辆、海上船舶、固定式发电机、汽车、农业车辆和娱乐车辆。发动机106可以是能够产生废气的任何种类的发动机，其中废气如方向箭头192所示。例如，发动机106可以是内燃机，诸如汽油发动机、柴油发动机、气体燃料燃烧发动机(例如，天然气)，或任何其他产生废气的发动机。发动机106可以具有任意尺寸，并且具有任意数量的缸体，并且具有任意构造(例如，“V”型，直列型和放射形)。发动机106可以包括各种传感器，诸如温度传感器、压力传感器和质量流量传感器。

动力系统100可以包括吸气系统107，该吸气系统107包括用于将新鲜吸入空气引入到发动机106的部件，如方向箭头189所示。除了这些部件之外，吸气系统107可以包括与缸体、压缩机112、增压空气冷却器116和节气阀致动器134连通的进气歧管。

压缩机112可以是固定几何压缩机、可变几何压缩机或任意其他类型的压缩机，该压缩机能够从压缩机112的上游接收新鲜吸入气体。压缩机112将新鲜吸入气体压缩到升高的压力水平。如图所示，增压空气冷却器116被定位在压缩机112的下游，并且冷却新鲜吸入气体。

此外，动力系统100包括排气系统140，该排气系统140具有用于将废气从发动机106引导到大气的部件。废气的压力和体积驱动涡轮机111，从而允许涡轮机111经由轴驱动压缩机112。压缩机112、轴和涡轮机111的组合已知为涡轮增压器108。

动力系统100的一些实施例也可以包括第二涡轮增压器109，该涡轮增压器109与涡轮增压器108协作(即，串联涡轮增压)。第二涡轮增压器109包括第二压缩机114、第二轴和第二涡轮机113。压缩机114可以是能够从第二压缩机114的上游接收新鲜吸入气体的固定几何压缩机、可变几何压缩机或任意其他类型的压缩机，并且在新鲜吸入气体进入发动机106之前，将新鲜吸入气体压缩到升高的压力水平。

动力系统100也可以具有EGR系统132，该EGR系统132用于接收如方向箭头194所示的废气的再循环部分。吸入气体由方向箭头190表示，并且该吸入气体是新鲜吸入气体与废气的再循环部分的组合。EGR系统132可以具有EGR阀122和EGR混合器。EGR阀122可以允许废气的再循环部分的特定量返回到吸气歧管中。

如进一步示出，排气系统140可以包括后处理系统120，废气的至少一部分通过该后处理系统120。后处理系统120移除存在于接收自发动机106的废气中的多种化学成分以及颗粒排放物。

后处理系统120示出未具有柴油氧化催化剂(diesel oxidation catalyst，“DOC”)163、DPF 164和SCR系统152，但是对于这些部分的需求取决于动力系统100的特定尺寸和应用。SCR系统152具有还原剂输送系统135、SCR催化剂170和氨氧化催化剂(AOC)174。废气可以流动通过DOC 163、DPF 164、SCR催化剂170和AOC 174，并且随后如刚才提及的那样被排放到大气中。换言之，在示出的实施例中，DPF 164被定位在DOC 163的下游，并且SCR催化剂170定位在DPF 164的下游，AOC 174定位在SCR催化剂170的下游。DOC 163、DPF 164、SCR催化剂170和AOC 174可以被联接在一起。在后处理系统120中处理的并且被释放到大气中的废气与未经处理的废气相比明显地包括较少的污染物，诸如PM、NO_x以及碳氢化合物。

DOC 163可以以各种方式被配置并且包括催化剂物质，该催化剂物质在收集、吸收和/或转换包含在废气中的碳氢化合物、一氧化碳和/或氮氧化物方面是有用的。此种催化剂物质可以包括例如铝、铂、钯、铑、钡、铈和/或碱金属，碱土金属，稀土金属或他们的组合。DOC 163可以包括例如陶瓷衬底、金属滤网、泡沫或本领域已知的任意其他多孔材料，并且催化剂材料可以被定位在例如DOC 163的衬底上。DOC(s)也可以氧化包含在废气中的NO，由此将NO转换为SCR催化剂170上游的NO₂。

DPF 164可以是本领域已知的能够降低废气中的PM浓度(例如，烟灰和灰尘)的各种微粒过滤器中的任一种，从而满足必需的排放标准。能够从发动机106的废气中移除PM的任何结构都可以使用。例如，DPF 164可以包括具有蜂窝状截面的壁流式(wall-floW)陶瓷衬底，该陶瓷衬底由堇青石、碳化硅、或其他适当的材料构造而成，以移除PM。DPF 164可以被电联接到控制器，诸如ECU 142，其控制DPF 164的各种特性。

如果DPF 164被单独使用，那么其首先能够有助于满足排放需求，但是很快会被烟灰填满，并且需要更换。因此，DPF 164与DOC 163组合，这有助于经由再生处理来延长DPF 164的寿命。ECU 142可以使用算法和传感器的组合测量DPF 164中的PM堆积，也就是已知的过滤器填充(filter loading)。当发生过滤器填充时，ECU 142管理再生处理的开始和持续过程。

此外，还原剂输送系统135可以包括用于存储还原剂的还原剂罐101。还原剂的一个示例是具有32.5％的高纯尿素和67.5％的去离子水(例如，DEF)的溶剂，随着该溶剂行进通过分解管191，该溶剂分解以生成NH₃。此种还原剂在大约12华氏度(零下11摄氏度)时开始结冰。如果当机器被关闭时还原剂结冰，那么在SCR系统152能够起作用之前还原剂可能需要解冻。

还原剂输送系统135可以包括被安装到还原剂罐101的还原剂集管(header)136，还原剂集管136在一些实施例中还包括用于测量还原剂罐101中的氧化剂的量的液位传感器104。液位传感器104可以包括浮标(或浮子)，该浮标被构造为在被包含在还原剂罐101中的还原剂的液面体空气接合表面处浮动。液位传感器104的其他实施方式也是可能的，并且可以包括例如如下方式中的一种或多种：(1)使用一个或多个超声波传感器，(2)使用一个或多个光学液面测量传感器，(3)使用被布置在还原剂罐101中的一个或多个压力传感器，以及(4)使用一个或多个电容传感器。

在示出的实施例中，还原剂集管136包括接收来自发动机106的冷却剂的罐加热元件105。动力系统100包括冷却系统103，该冷却系统103包括还原剂冷却剂(即，用于还原剂的冷却剂)供给通道187以及还原剂冷却剂返回通道193。冷却系统103根据特定的应用可以是开放式系统或封闭式系统，然而冷却剂可以是任意形式的发动机冷却剂，包括新鲜水、海水、防冻混合物等。

还原剂冷却剂供给通道187的第一段196被流体地定位在发动机106和罐加热元件105之间，以用于将冷却剂供给到罐加热元件130。冷却剂循环通过罐加热元件130，从而加热还原剂罐101中的还原剂，因此降低冷却剂在其中结冰的风险和/或在启动的时候解冻还原剂。在替代实施例中，罐加热元件105替代地可以是电阻加热元件。还原剂冷却剂供给通道187的第二段197被流体地定位在罐加热元件105和还原剂输送机构183之间以用于将冷却剂输送到该还原剂输送机构183。冷却剂加热还原剂输送机构183，从而降低还原剂在其中结冰的风险。

还原剂冷却剂返回通道193的第一段198被定位在还原剂输送机构183和罐加热元件130之间，并且还原剂用冷却剂返回通道193的第二段199被定位在发动机106和罐加热元件130之间。第一段198和第二段199将冷却剂返回到发动机106。

分解管191可以被定位在还原剂输送机构183的下游但位于SCR催化剂170的上游。还原剂输送机构183可以是例如注射器，该注射器被选择性地控制以将还原剂直接注射到到废气中。如图所示，SCR系统152可以包括还原剂混合器172，该还原剂混合器172被定位在SCR催化剂170的上游和还原剂输送机构183的下游。

还原剂输送系统135额外地可以包括还原剂压力源和还原剂抽取通道184。还原剂抽取通道184可以被流体地联接到还原剂罐101和还原剂压力源之间。虽然还原剂抽取通道184被示出为延伸到还原剂罐101中，在其他实施例中，还原剂抽取通道184可以经由还原剂集管136被联接到抽取管。还原剂输送系统135还可以包括还原剂配量通道185和还原剂返回通道195。还原剂返回通道195被示出为延伸到还原剂罐101中，虽然在动力系统100的一些实施例中，还原剂返回通道195可以经由还原剂集管136被联接到返回管。还原剂输送系统135还可以包括还原剂供给模块110，例如Bosch还原剂供给模块，例如，Bosch Denoxtronic 2.2-Urea Dosing System for SCR Systems(用于SCR系统的尿素配量系统)。

还原剂输送系统135还可包括还原剂配量通道185和还原剂返回通道195。所示的还原剂返回通道195延伸进入还原剂罐101，尽管在动力系统100的一些实施例中还原剂返回通道195也可经由还原剂集管136连接到返回管。并且，除此之外，还原剂输送系统135还可具有被定位在还原剂抽取通道184、还原剂配量通道185和还原剂返回通道195中的阀、孔、传感器和泵。

如上所述，还原剂的一个示例是具有32.5％高纯度尿素和67.5％去离子水(例如，DEF)的溶剂，随着该溶剂行进通过分解管191，该溶剂分解以生成NH₃。在SCR催化剂170存在的情况下，NH₃与NO_x发生反应，并且将NO_x降解为危害较小的排放物，诸如N₂和水。SCR催化剂170可以是本领域中已知的各种催化剂中的任一种。例如，在一些实施例中，SCR催化剂170可以是基于矾的催化剂。但是在其他实施例中，SCR催化剂170可以是基于沸石的催化剂，诸如铜沸石，或铁沸石。AOC 174可以是各种流过式催化剂中的任一种，用于与NH₃发生反应并且由此生成N₂。一般地，AOC 174被用于去除从SCR催化剂170中漏出或逸出的NH₃。如图所示，AOC 174和SCR催化剂170可以被定位在相同的壳体中，但是在其他实施例中，它们可以彼此分开。

发动机106的电子控制系统138可以包括电子控制单元(ECU)142，其用于监控和控制发动机106的操作。如图1所示，ECU 142可以包括处理器144和与处理器144通信的存储器143。处理器144可以使用例如微处理器或其他适当处理器实现。存储器143可以使用任意适当计算机可读介质实现，并且可以包括RAM和/或ROM。

存储器143可以存储软件，诸如算法和/或数据，用于配置处理器144以执行ECU 142的一个或多个功能。替代地，ECU 142可以包括被配置成用于执行这些功能的离散的电子电路。在一个实施例中，ECU 142能够执行扭矩估算功能。例如，ECU 142能够估算由发动机106产生的平均曲轴扭矩。在其他实施例中，ECU 142能够执行动力损失探测功能。例如，ECU 142能够在发动机106的一个或多个缸中检测动力损失状况。在另一实施例中，ECU 142能够执行缸体-动力百分比估算功能。例如，ECU 142能够估算由发动机106的多个缸中的一个或多个缸实现的正常动力的百分比。

ECU 142也可以包括用于选择性地与维护工具148(例如诊断/维护计算机)通信的输入/输出接口146。接口146可以使用任意适当的技术实现。例如，接口146可以使用无线或有线数据接口实现。

维护工具148可以包括处理器150和与处理器150通信的存储器149。存储器149可以存储软件，诸如算法和/或数据，该软件用于配置处理器150以执行维护工具148的一个或多个功能。可选地，维护工具148可以包括被配置成执行这些功能的离散的电子电路。维护工具148也可以包括：用于向操作者展示输出的输出装置，诸如显示屏和/或打印机；以及用于接收来自操作者的指令和/或数据的输入装置，诸如键盘和/或定点装置。

维护工具148也可以用于监测和/或控制发动机106和/或电子控制系统138的操作。例如，操作者(例如，服务技术人员)可以使用维护工具148在发动机106和/或电子控制系统138上执行诊断测试。维护工具148可以被用于对ECU 142的处理器144进行编程。例如，操作者可以使用维护工具148经由接口146将新软件下载到ECU 142的存储器143中。在本公开的示例性实施例中，维护工具148可以用于校正由ECU 142执行的功能，如下文讨论的那样。

电子控制系统138也可以包括与ECU 142通信的显示器154。显示器154可以显示与发动机106和/或电子控制系统138的操作相关的信息。在一个实施例中，ECU 142可以控制显示器154以显示与发动机扭矩、动力损失和/或缸体动力百分比相关的数据。显示器154可以使用任意适当类型的显示器实现。例如，显示器154可以使用图像和/或字符显示器实现，诸如液晶显示器(LCD)。显示器154可以被定位在对于发动机106的操作者而言可视的位置处。例如，显示器154可以被定位在由发动机106提供动力的作业机械的操作站中。

电子控制系统138还可以包括用于感测发动机106的操作参数的一个或多个传感器。例如，系统138可以包括第一NO_x传感器118和第二NO_x传感器119，每个传感器感测代表从其旁边流过的废气的NO_x含量的参数。NO_x传感器118和119例如可以基于产生电流的电化学反应或催化反应而做出响应，该电流的大小表示废气中的NO_x浓度。NO_x传感器118和119例如可以是Continental“Smart NO_xSensors(智能NO_x传感器)”，并且除了测量NO_x含量之外还可测量氧气含量。在示出的实施例中，NO_x传感器118被示出为位于DPF 164的下游并且位于SCR催化剂170的上游，但是NO_x传感器119被示出为位于AOC 174的下游。这些只是后处理系统120中的NO_x传感器118和119的很多可能位置中的两个。

参考图2，示出了用于测试NO_x传感器(例如NO_x传感器118和119中的一个或两个)的方法200的示例。为了简单起见，只针对于NO_x传感器118进行讨论，但它也可以或者替代地可以针对NO_x传感器119进行讨论。方法200可以通过车辆的操作者(例如司机或服务技术人员)启动，并且他可以通过使用显示器154和/或使用维护工具148启动该方法。在一些实施例中，一旦被启动，方法200可以自动地处理，而不需要来自操作者的辅助。

NO_x传感器118在测试期间被安装到后处理系统120。这是为了避免移除NO_x传感器118，该移除将会损坏NO_x传感器118或者后处理系统120(例如，对两者之间的螺纹接口造成损伤)。此外，NO_x传感器118可能易于受到湿害(moisture damage)，当从后处理系统120移除并且在实验室环境下测试时，可能会发生一些事情。另外，即使后处理系统120和NO_x传感器118不被损坏，也存在与移除NO_x传感器118、并且在实验室中测试该传感器并且随后安装该传感器相关的劳务成本。

在步骤202中，方法200可确定是否NO_x传感器118处于有效状态模式。有效状态模式可指的是NO_x传感器118上存在足够高的温度(例如，500华氏度)的一种模式。如果NO_x传感器118没有处于有效状态模式，那么方法200可以进行到步骤204并且产生足够高的废气温度以使NO_x传感器118的温度升高(例如，增加发动机106的速度或负载)。

在步骤206中，方法200可包括使发动机106运转，这意味着新鲜吸入气体流入发动机106，但是没有燃料被喷入到缸中并且被点燃。发动机的运转例如可以包括驱动车辆并且然后使之靠惯性滑行，或者例如可以包括在动态情况下驱动车辆。在各种情况下，发动机106将基于曲柄和传动装置转动的动能而启动，并且将被快速减速。在词过程中，发动机106最初可能在2500rpm下转动，但是随后快速地减速到800rpm，可能仅仅在几秒的时间内。

随着发动机106运转，新鲜吸入气体进入吸气系统107和发动机106，并且然后作为废气进入后处理系统120。新鲜吸入气体(其可能仅是来自大气的空气)具有已知的物理特征，诸如0ppm的NO_x和210,000ppm的O₂。随着发动机106的运转，新鲜吸入气体变成废气，并且废气具有这些相同的物理特征。在一些情况下，方法200可以命令与NO_x传感器118相关的加热器启动。

在步骤208中，方法200可以确定燃料喷射率是否基本为0。方法208可以作为一种校验，该校验用于确保燃料喷射率实际上为0并且进一步确保废气将被转变为与新鲜吸入气体(例如，空气)非常类似(如果不等同的话)的化学组分。

在步骤210中，如果燃料喷射率基本等于0，那么方法200可以启动定时器。由于发动机106正在运转并且时间正在推移，废气将逐渐变得更加接近新鲜吸入气体的化学组分。并且此外，随着时间推移，即使是再循环的废气也将在化学组分上变得基本上与新鲜吸入气体等同。

在步骤212中，方法200可以包括确定燃料喷射量是否依旧基本等于0，从而额外地核实或校验一次。在步骤214中，如果所述确定步骤212指示燃料喷射量并非依旧基本等于0，那么方法200可以包括重设定时器。并且然后，在步骤216中，方法200可以确定时间是否已经(计时)期满。

在步骤218中，方法200可以包括接收指示NO_x传感器118的值的信号。信号可以指示与流动通过后处理系统120的废气相关的NO_x值和O₂值中的至少一个。

在步骤220中，方法200可以包括确定所述值在已确定或已建立的(established)范围之内还是之外，所述已确定的范围可基于从正在运转的发动机106中排出的废气的已知特征。假设信号表示O₂值，那么方法200可以确定O₂值是否处于已确定的O₂范围之内，并且已确定的O₂范围例如介于145000ppm与230000ppm之间。根据方法200的具体实施例，该范围可以更宽或更窄(例如，195000ppm至215000ppm之间)，但是一般地可指示与新鲜吸入气体(例如，空气)的化学组分类似的废气。

NO_x值与已确定的(并且期望的)NO_x范围的比较可以是尤其有用的测试，尤其是当NO_x传感器118处于范围内故障模式(in-range failure mode)时。范围内故障模式可以是NO_x传感器118提供位于可接受范围内的错误信号的一种模式。

在步骤220中，如果O₂值处于已确定的O₂范围之内，那么方法200可以确定NO_x传感器118处于与相对于O₂值的通过模式(pass mode，或合格模式)中。替代地，在步骤220和222中，如果O₂值处于已确定的O₂范围之外，那么方法200可以确定NO_x传感器118处于故障模式中。

假设信号同样地表示或者替代地表示NO_x值，那么方法200在步骤224中可确定该值处于已确定的NO_x范围之内还是之外，并且已确定的范围例如介于0ppm和300ppm之间。根据方法200的具体实施例的不同，该范围可以更宽或更窄(例如，介于0ppm和75ppm之间)，但是一般地可以表示与新鲜吸入气体(例如，空气)的化学组分类似的废气。

在步骤224中，如果NO_x值位于已确定的NO_x范围之内，那么方法200可以确定NO_x传感器118处于相对于NO_x值的通过模式中。可替代地，在步骤224和226中，如果NO_x值位于已确定的NO_x范围之外，那么方法200可以确定NO_x传感器118处于故障模式中。

在步骤228中，如果NO_x值位于已确定的NO_x范围之内并且如果O₂值同时位于已确定的O₂范围之内，那么方法200可以将通过模式指示给车辆的操作者。或者可替代地，在步骤228中，如果NO_x值位于已确定的NO_x范围之外以及O₂值位于已确定的O₂范围之外这两个条件中的至少一个成立，那么方法200可以将故障模式指示给车辆的操作者。方法200的一些实施例可以只估算NOx值和O₂值中的一个，而不是两者。

通过模式或故障模式可例如经由显示器154或维护工具指示给操作者。如果NO_x传感器118处于通过模式中，那么操作者知道NOx传感器118可能正常工作。如果NO_x传感器118处于故障模式中，那么操作者知道NO_x传感器118可能出故障并且需要更换一个新的传感器。在NO_x传感器118依旧安装到后处理系统120的情况下，与在从后处理系统120上移除NO_x传感器118之后在测试实验室中执行NO_x传感器118的测试相比，了解NO_x传感器118处于通过模式还是故障模式可更加容易且更加节省成本。

在方法200的替代实施例中，发动机106可以停机，并且残余的废气已经从后处理系统120中被驱散或排出。该实施例与所述运转的状况的类似之处在于，后处理系统120中的气体是空气，而不是例如具有未知的O₂和NO_x量的预先已经燃烧的废气。该替代实施例可以使用与方法200的所述示例的许多相同的步骤相同。

虽然在附图和前述的说明书中已经详细示出和描述了本公开，但是此种图示和说明认为是特征并且不是对特征的限定，并且应当理解图示的实施例已经被示出和说明，本公开的精神的范围之内的所有改变和修改期望被保护。应当注意，本公开的替代实施例不包括描述的所有特征，但是也得利于此种特征中的优点中的至少一些。本领域的普通技术人员将容易设想到它们自己的实施方式包含本公开的特征的一个或多个并且位于由所附权利要求限定的本发明的精神范围之内。