排气传感器诊断和控制自适应的制作方法
【专利摘要】本发明涉及排气传感器诊断和控制自适应。提供了用于调整耦联在发动机排气装置中的排气传感器的前馈控制器的方法和系统。在一个实施例中，该方法包含响应于来自排气传感器的前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射，以及响应于氧传感器退化的类型而调整前馈控制器的一个或多个参数。以此方式，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器，以增加空气-燃料控制系统的性能。
【专利说明】排气传感器诊断和控制自适应
【背景技术】
[0001]具有前馈(anticipatory)控制器的排气传感器可以设置在车辆的排气系统中，以检测从车辆的内燃发动机中排出的排气的空燃比。排气传感器读数可以用来控制内燃发动机的运转，以推动车辆。
[0002]排气传感器的退化会引起可能导致排放增加和/或车辆驾驶性能减低的发动机控制退化。因此，排气传感器退化的准确确定和随后对前馈控制器参数的调整可以降低基于来自退化的排气传感器的读数的发动机控制的可能性。具体地，排气传感器可以表现出六种离散类型的退化行为。退化行为类型可以分成过滤型退化行为和延迟型退化行为。表现出过滤型退化行为的排气传感器会具有退化的时间常数的传感器读数，而表现出延迟型退化行为的排气传感器会具有退化的时间延迟的传感器读数。响应于传感器退化，可以调整前馈控制器参数，以增加退化的排气传感器的读数的准确性。
[0003]响应于退化的行为而调整排气传感器的前馈控制器参数的以前方法包括，不考虑传感器退化的类型和大小而减小前馈控制器增益。在一个示例中，为了维持前馈控制器系统的稳定性，可以积极地减小控制器增益，以降低系统不稳定性。然而，以此方式调整控制器参数会导致空气燃料控制系统的性能降低。
【发明内容】
[0004]本发明人已经认识到上述问题，并且已经确定了用于响应于氧传感器退化的类型而调整排气传感器的前馈控制器的一个或多个参数的方法。氧传感器退化的类型可以包括过滤退化或延迟退化。在一个示例中，可以通过大于预期时间常数的退化时间常数指示过滤退化，以及可以通过大于预期时间延迟的退化时间延迟指示延迟退化。可以从退化时间常数和/或退化时间延迟确定传感器退化的大小。调整前馈控制器的一个或多个参数可以包括调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。控制器时间常数和时间延迟可以被前馈控制器的延迟补偿器使用。
[0005]在一个示例中，响应于延迟退化可以以第一量调整前馈控制器的参数，以及响应于过滤退化可以以第二不同量调整前馈控制器的参数。然后可以响应于来自前馈控制器的排气氧反馈而调整发动机的燃料喷射。调整参数的量可以进一步基于退化时间常数和/或退化时间延迟的大小。因此，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器。以此方式，可以增加空气-燃料控制系统的性能。
[0006]当单独或结合附图时从以下【具体实施方式】看，本发明的上述优点和其它优点以及特征将是明显的。
[0007]应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍构思的选择，这些构思在【具体实施方式】中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随【具体实施方式】之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1示出了包括排气传感器的车辆的推进系统的实施例的示意图。
[0009]图2示出了表示排气传感器的对称过滤型退化行为的曲线图。
[0010]图3示出了表示排气传感器的非对称浓至稀(rich-to-lean)过滤型退化行为的曲线图。
[0011]图4示出了表示排气传感器的非对称稀至浓(lean-to-rich)过滤型退化行为的曲线图。
[0012]图5示出了表示排气传感器的对称延迟型退化行为的曲线图。
[0013]图6示出了表示排气传感器的非对称浓至稀延迟型退化行为的曲线图。
[0014]图7示出了表示排气传感器的非对称稀至浓延迟型退化行为的曲线图。
[0015]图8示出了对被命令进入DFSO的示例退化排气传感器响应的曲线图。
[0016]图9是图示用于基于退化类型和大小调整排气传感器的前馈控制器的参数的方法的流程图。
[0017]图10是图示用于基于过滤退化行为确定气传感器的前馈控制器的调整参数的方法的流程图。
[0018]图11是图示用于基于延迟退化行为确定气传感器的前馈控制器的调整参数的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]以下描述涉及用于调整被耦联在发动机排气装置中的排气传感器(诸如图1所示的排气传感器)的前馈控制器的系统和方法。具体地，可以响应于氧传感器退化的类型而调整前馈控制器的一个或多个参数。在图2-7介绍了排气传感器(例如，排气氧传感器)的六种类型的退化行为。六种类型的退化行为可以分成两组:过滤型退化和延迟时间退化。可以通过传感器响应的退化时间常数指示过滤型退化，并且可以通过传感器响应的退化时间延迟指示延迟型退化。可以基于退化的大小和类型调整前馈控制器的参数，由此改变排气传感器的输出。图9介绍了用于基于退化的类型和大小调整排气传感器的前馈控制器的参数并且随后调整发动机的燃料喷射的方法。图10和11示出了用于基于退化行为确定前馈控制器的调整参数的方法。以此方式，可以基于退化行为的类型和大小自适应前馈控制器，以增加空气-燃料控制系统的性能。
[0020]图1是不出多气缸发动机10的一个汽缸的不意图，多气缸发动机10可以被包括在车辆的推进系统中，其中排气传感器126可以用来确定由发动机10产生的排气的空燃t匕。空燃比(以及其他运转参数)可以用于发动机10在各种运转模式下的反馈控制。发动机10可以至少部分地由包括控制器12的控制系统以及经由输入装置130来自车辆操作者132的输入来控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的燃烧室(即汽缸)30可以包括燃烧室壁32，活塞36设置在其中。活塞36可以耦联至曲轴40，使得活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可以经由中间变速器系统耦联至车辆的至少一个驱动轮。此外，启动马达可以经由飞轮耦联至曲轴40，以实现发动机10的启动运转。
[0021 ] 燃烧室30可以经由进气道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由排气道48排出燃烧气体。包括节流板64的节气门62可以提供在进气歧管44与进气道42之间，用于改变提供给发动机汽缸的进气的流速和/或压力。调整节流板64的位置可以增大或减小节气门62的开口，由此改变进入发动机汽缸的进气的质量空气流量或流速。例如，通过增大节气门62的开口，可以增加质量空气流量。相反，通过减小节气门62的开口，可以减少质量空气流量。以此方式，调整节气门62可以调整进入燃烧室30用于燃烧的空气量。例如,通过增加质量空气流量,可以增加发动机的扭矩输出。
[0022]进气歧管44和排气道48可以经由各自的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧室30可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。在这个示例中，可以经由各自的凸轮致动系统51和53通过凸轮致动控制进气门52和排气门54。凸轮致动系统51和53均可以包括一个或多个凸轮，并且可以使用可由控制器12运转以改变气门运转的凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个。进气门52和排气门54的位置可分别由位置传感器55和57确定。在可替代的实施例中，进气门52和/或排气门54可以通过电气门致动控制。例如，汽缸30可以可替代地包括经由电力气门驱动控制的进气门和经由包括CPS和/或VCT系统的凸轮致动控制的排气门。
[0023]燃料喷射器66被显示为以如下构造布置在进气歧管44中，该构造提供向燃烧室30上游的进气口的所谓的燃料的气口喷射。燃料喷射器66可以经由电子驱动器68与从控制器12接收的信号FPW的脉冲宽度成比例地喷射燃料。燃料可以通过包括燃料箱、燃料泵和燃料管路的燃料系统(未示出)输送至燃料喷射器66。在一些实施例中，燃烧室30可以可替代地或另外地包括直接耦联至燃烧室30的燃料喷射器，该燃料喷射器用于以所谓的直接喷射的方式将燃料直接喷射到燃烧室30中。
[0024]在选定的运转模式下，响应于来自控制器12的点火提前信号SA，点火系统88可以经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。尽管示出了火花点火部件，但在一些实施例中，在具有或不具有点火火花的情况下都可以以压缩点火模式使发动机10的燃烧室30或一个或多个其他燃烧室运转。
[0025]排气传感器126被显示为耦联至排放控制装置70上游的排气系统50的排气道48。排气传感器126可以是用于提供排气空燃比指示的任何合适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO (通用或宽域排气氧传感器)、双态氧传感器或EG0、HEG0 (加热型EGO) >NOx,HC或CO传感器。在一些实施例中，排气传感器126可以是设置在排气系统中的多个排气传感器中的第一个。例如，另外的排气传感器可以设置在排放控制装置70的下游。
[0026]排放控制装置70被显示为沿排气传感器126下游的排气道48布置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC)、Ν0χ捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在一些实施例中，排放控制装置70可以是设置在排气系统中的多个排放控制装置中的第一个。在一些实施例中，在发动机10的运转期间，排放控制装置70可以通过使发动机中的至少一个汽缸在特定空燃比内运转而周期性地重置。
[0027]控制器12在图1被示为微型计算机，其包括微处理器单元102、输入/输出端口104、在这个具体示例中作为只读存储器芯片106示出的用于可执行程序和校准数值的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器110和数据总线。控制器12可以接收来自耦联至发动机10的传感器的各种信号，除了之前所讨论的那些信号外，还包括来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量计(MAF)的测量；来自耦联至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT);来自耦联至曲轴40的霍尔效应传感器118 (或其他类型)的表面点火感测信号(PIP);来自节气门位置传感器的节气门位置(TP);以及来自传感器122的歧管绝对压力信号MAP。发动机转速信号RPM可以通过控制器12由信号PIP产生。来自歧管压力传感器的歧管压力信号MAP可以用来提供进气歧管内的真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，例如有MAF传感器而没有MAP传感器，反之亦然。在理论配气比的运转期间，MAP传感器可以给出发动机扭矩的指示。此外，该传感器连同所检测的发动机转速可以提供进入气缸内的充气(包括空气)的估算。在一个示例中，也用作发动机转速传感器的传感器118可以在曲轴的每次旋转产生预定数量的等间距脉冲。
[0028]此外，上述信号中的至少一些可以在各种排气传感器退化确定方法中使用，这将在下文中进一步描述。例如，发动机转速的倒数可以用来确定与喷射-进气-压缩-膨胀-排气循环相关的延迟。作为另一示例，速度的倒数(或MAF信号的倒数)可以用来确定与排气从排气门54到排气传感器126的通过相关的延迟。上述不例以及发动机传感器信号的其他应用可以用来确定被命令空燃比改变与排气传感器响应速率之间的时间延迟。
[0029]在一些实施例中，可以在专用控制器140中进行排气传感器退化确定与校准。专用控制器140可以包括处理设备142,以负责与排气传感器126的退化确定的产生、校准以及确认相关的信号处理。具体地，对于车辆的动力系统控制模块(PCM)的处理设备而言，用来记录排气氧传感器的响应速率的样本缓冲器(例如，每排发动机每秒产生大约100个样本)可能过大。因此，专用控制器140可以与控制器12可操作地耦联，以进行排气传感器退化确定。注意，专用控制器140可以接收来自控制器12的发动机参数信号，并且可以向控制器12发送发动机控制信号和退化确定信息以及其他通信。
[0030]排气传感器126可以包含前馈控制器。在一个示例中，前馈控制器可以包括PI控制器和延迟补偿器(诸如史密斯预估器(例如，SP延迟补偿器))。PI控制器可以包含比例增益Kp和积分增益I。史密斯预估器可以用于延迟补偿，并且可以包括时间常数IVsp和时间延迟TD_SP。因此，比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟可以是排气传感器的前馈控制器的参数。调整这些参数可以改变排气传感器126的输出。例如，调整上述参数可以改变由排气传感器126产生的空燃比读数的响应速率。响应于排气传感器的退化，可以调整在上面列出的控制器参数，以补偿退化，并且增加空燃比读数的准确性，由此增加发动机控制和性能。专用控制器140可以被可通信地耦联至前馈控制器。因此，专用控制器140和/或控制器12可以基于利用任何可用的诊断方法确定的退化类型调整前馈控制器的参数，这将在下文中进行描述。在一个示例中，可以基于退化的大小和类型调整排气传感器的控制器参数。在下文中参照图2-7讨论六种类型的退化行为。在下文中参照图9-11介绍调整排气传感器的控制器的增益、时间常数和时间延迟的进一步细节。
[0031]注意，存储介质只读存储器106和/或处理设备142可以用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示可由处理器102和/或专用控制器140执行、用于执行以下所述方法以及其他变型的指令。
[0032]如上所述，可以基于由排气传感器在浓至稀转变和/或稀至浓转变过程中产生的空燃比读数的响应速率的延迟所表示的六种离散行为中的任一种，或在一些示例中每一种，确定排气传感器退化。图2-7各示出了表示六种离散类型的排气传感器退化行为其中一种的曲线图。曲线图标绘了空燃比(λ)与时间(秒)。在每个曲线图中，虚线表示被命令的λ信号，其可以发送给发动机部件(例如，燃料喷射器、汽缸气门、节气门、火花塞等)，以产生经过(progresses through)包含一个或多个稀至浓转变和一个或多个浓至稀转变的循环的空燃比。在所描述的附图中，发动机进入以及退出减速燃料切断(例如，DFS0)。在每个曲线图中，短划线表示排气传感器的预期的λ响应时间。在每个曲线图中，实线表示将由退化的排气传感器响应于被命令的λ信号而产生的退化λ信号。在每个曲线图中，双箭头线表示给出的退化行为类型与预期λ信号不同之处。
[0033]图1的系统可以提供用于包括如下发动机的车辆的系统，所述发动机包括燃料喷射系统和耦联在发动机的排气系统中的排气传感器，所述排气传感器具有前馈控制器。该系统还可以包括包含可执行指令的控制器，以便响应排气传感器的退化而调整前馈控制器的一个或多个参数，其中调整量基于排气传感器的退化行为的大小和类型。另外，可以基于来自前馈控制器的排气氧反馈调整燃料喷射系统的燃料量和/或正时。
[0034]图2示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第一种类型的退化行为的曲线图。第一种类型的退化行为是对称过滤型，其包括对用于浓至稀和稀至浓调节的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。换句话说，退化的λ信号会在预期的时间开始浓至稀和稀至浓的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致稀和浓峰值时间减少。
[0035]图3示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第二种类型的退化行为的曲线图。第二种类型的退化行为是非对称浓至稀过滤型，其包括对用于从浓转变至稀空燃比的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。这种行为类型会在预期的时间开始浓至稀的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致稀峰值时间减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应在从浓至稀的转变过程中缓慢(或低于预期)。
[0036]图4示出了表示可由退化的排气传感器表现出的第三种类型的退化行为的曲线图。第三种类型的退化行为是非对称稀至浓过滤型，其包括对用于从稀转变至浓空燃比的被命令λ信号的缓慢排气传感器响应。这种行为类型会在预期的时间开始从稀至浓的转变，但响应速率会低于预期的响应速率，这会导致浓峰值时间减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从稀至浓的转变过程中缓慢(或低于预期)。
[0037]图5示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第四种类型的退化行为的曲线图。第四种类型的退化行为是对称延迟型，其包括对用于浓至稀和稀至浓调节的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号会在比预期时间延迟的时间开始从浓至稀和从稀至浓的转变，但各个转变会以预期的响应速率发生，这会导致稀和浓峰值时间改变。
[0038]图6示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第五种类型的退化行为的曲线图。第五种类型的退化行为是非对称浓至稀延迟型，其包括对从浓至稀空燃比的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号会在比预期时间延迟的时间开始从浓至稀的转变，但转变会以预期的响应速率发生，这会导致稀峰值时间改变和/或减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从浓至稀的转变过程中比预期开始时间延迟。
[0039]图7示出了表示可能由退化的排气传感器表现出的第六种类型的退化行为的曲线图。第六种类型的退化行为是非对称稀至浓延迟型，其包括对从稀至浓空燃比的被命令λ信号的延迟响应。换句话说，退化的λ信号在比预期时间延迟的时间开始从稀至浓的转变，但转变会以预期的响应速率发生，这会导致浓峰值时间改变和/或减少。这种类型的行为可以被认为是非对称的，因为排气传感器的响应仅在从稀至浓的转变过程中比预期开始时间延迟。
[0040]在上文中所描述的排气传感器的六种退化行为可以分为两组。第一组包括空燃比读数的响应速率减小(例如，响应滞后增加)的过滤型退化。因此，响应的时间常数可能改变。第二组包括空燃比读数的响应时间被延迟的延迟型退化。因此，空燃比响应的时间延迟可以比预期的响应增加。
[0041]过滤型退化和延迟型退化对排气传感器的动态控制系统具有不同影响。具体地，过滤型退化行为中的任一种可以引起动态系统从一阶系统增加至二阶系统，而延迟时间退化行为中的任一种可以利用延迟将系统维持为一阶系统。如果检测到过滤型退化，映射方法可以用来将二阶系统转换为一阶系统。然后可以基于退化的时间常数来确定新的控制器时间常数、时间延迟和增益。 如果检测到延迟型退化，可以基于退化的时间延迟确定新的控制器时间延迟和增益。在下文中参照图9-11进一步描述基于传感器退化的类型和大小调整排气传感器的控制器参数的进一步细节。
[0042]各种方法可以用于诊断排气传感器的退化行为。在一个示例中，可以基于在空燃比被命令改变的过程中收集的一组排气传感器响应中的每个样本的时间延迟和行长(linelength)指示退化。图8图示了从对被命令进入DFSO的排气传感器响应确定时间延迟和行长的示例。具体地，图8示出了图示与参照图2-7所描述的λ类似的被命令的λ、预期的λ和退化的λ的曲线图210。图8图示了浓至稀和/或对称延迟退化，其中对被命令的空燃比改变的响应时间延迟被延迟。箭头202图示了时间延迟，其为从λ被命令改变到观察到测得的λ的阈值改变时(Ttl)的持续时间。λ的阈值改变可以是指示对命令改变的响应已经开始的微小改变，例如，5110120%等。箭头204表示响应的时间常数(τ63)，其在一阶系统中是从Ttl到实现63%稳态响应时的时间。箭头206表示从Ttl到实现95%期望响应时的持续时间，另外被称为阈值响应时间(τ 95)。在一阶系统中，阈值响应时间(τ 95)大约等于三倍时间常数(3* τ 63)。
[0043]从这些参数，可以确定关于排气传感器响应的各种细节。首先，由箭头202表示的时间延迟可以与预期的时间延迟进行比较，以确定传感器是否正表现出延迟退化行为。其次，由箭头204表示的时间常数可以用来预测τ95。最后，可以基于λ在％处开始随响应的持续时间的改变确定由箭头206表示的行长。行长是传感器信号长度，并且可以用来确定响应退化(例如，过滤型退化)是否存在。可以基于如下公式确定行长:
【权利要求】
1.发动机方法，其包含: 响应于来自排气传感器的前馈控制器的排气氧反馈而调整燃料喷射；以及 响应于氧传感器退化的类型而调整所述前馈控制器的一个或多个参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧传感器退化的类型包括过滤退化或延迟退化，并且其中所述一个或多个参数包括比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
3.根据权利要求2所述的方法，其中通过大于预期时间常数的退化时间常数指示所述过滤退化，以及通过 大于预期时间延迟的退化时间延迟指示所述延迟退化。
4.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述延迟退化和所述过滤退化而调整所述积分增益。
5.根据权利要求4所述的方法，其中调整所述积分增益基于退化时间延迟和退化时间常数中的一个或多个。
6.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述延迟退化以第一量调整所述比例增益，以及响应于所述过滤退化以第二不同量调整所述比例增益。
7.根据权利要求6所述的方法，其中以所述第一量调整所述比例增益基于退化时间延迟，而以所述第二量调整所述比例增益基于退化时间常数。
8.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述过滤退化而调整所述控制器时间常数，而不响应于所述延迟退化而调整所述控制器时间常数。
9.根据权利要求8所述的方法，其中调整所述控制器时间常数基于退化时间常数。
10.根据权利要求2所述的方法，其还包含响应于所述过滤退化以第一量调整所述控制器时间延迟，以及响应于所述延迟退化以第二量调整所述控制器时间延迟。
11.根据权利要求10所述的方法，其中以所述第一量调整所述控制器时间延迟基于退化时间常数，而以所述第二量调整所述控制器时间延迟基于退化时间延迟。
12.根据权利要求1所述的方法，其还包含利用故障诱发器诱发过滤退化，所述故障诱发器外部地作用于所述前馈控制器。
13.发动机方法，其包含: 响应于延迟退化以第一量调整排气传感器的前馈控制器的参数，以及响应于过滤退化以第二不同量调整所述前馈控制器的参数；以及 响应于来自所述前馈控制器的排气氧反馈调整燃料喷射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中调整所述前馈控制器的参数包括调整比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟中的一个或多个。
15.根据权利要求14所述的方法，其中响应于所述延迟退化以所述第一量调整参数包括，基于退化时间延迟调整所述比例增益、所述积分增益和所述控制器时间延迟，而不调整所述控制器时间常数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中以所述第一量调整参数包括，当所述退化时间延迟增加时，以更大的量增加所述控制器时间延迟以及减小所述积分增益和比例增益。
17.根据权利要求14所述的方法，其中响应于所述过滤退化以所述第二量调整参数包括，基于退化时间常数调整所述比例增益、积分增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
18.根据权利要求17所述的方法，其中以所述第二量调整参数包括，当所述退化时间常数增加时，以更大的量增加所述比例增益、控制器时间常数和控制器时间延迟。
19.用于车辆的系统，包含: 发动机，其包括燃料喷射系统； 耦联在所述发动机的排气系统中的排气传感器，所述排气传感器具有前馈控制器；以及 控制器，其包括可执行指令，以响应于所述排气传感器的退化调整所述前馈控制器的一个或多个参数，其中调整量基于所述排气传感器退化行为的大小和类型。
20.根据权利要求19所述的系统，其中基于来自所述前馈控制器的排气氧反馈调整所述燃料喷射系统的燃 料量和/或正时。
【文档编号】F02D41/40GK104005825SQ201410068274
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2013年2月27日
【发明者】H·贾姆莫西, I·H·马基, D·P·菲尔沃, A·N·班克, M·J·于里克, M·卡斯迪 申请人:福特环球技术公司