用于估计排气传感器的老化的方法和用于实现这种方法的工业车辆与流程

本发明涉及一种用于估计放置在工业车辆的柴油内燃发动机的排气管线中的排气传感器的老化的方法。本发明也涉及一种适于实现这种方法的工业车辆。本发明还涉及一种用于所述排气传感器的预测维护方法。

背景技术：

通常在车辆中使用排气传感器(例如氧传感器探头，也称为λ探头)，以便测量由柴油内燃发动机释放的排气的氧比(oxygenratio)。所测量到的氧比提供了关于发动机的运行的关键信息。该信息用于控制发动机和/或相关联的排放处理系统。

λ探头的已知缺点是它们的性能和可靠性例如会因为诸如微粒物的燃烧副产物在探头内部积聚而随时间降低。退化的λ探头可能导致车辆运行不当。为了避免这种情形，希望对探头的老化进行估计，以便能够在探头出故障之前更换它。

ep-2,828,510-b1公开了一种方法，在该方法中，基于由λ探头响应于排气中的氧浓度的变化而传送的测量信号的频率响应来估计λ探头的老化。然而，这种已知方法在车辆的运行期间实时地实现是复杂的，因为它需要依靠发动机的用于预测氧浓度的、基于计算机的物理模型。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种实现起来可靠且简单的、用于估计放置在柴油内燃发动机的排气管线中的排气传感器的老化的方法。

为此，本发明涉及一种用于估计放置在工业车辆的柴油内燃发动机的排气管线中的排气传感器的老化的方法，该方法由工业车辆的电子控制单元自动执行，该方法包括：

-获取排气传感器的估计剩余寿命的初始值；

-测量在预定义时间段期间由发动机在若干个预定义发动机运行模式中的每一种预定义发动机运行模式下花费的时间；

-针对所述发动机运行模式中的每一种发动机运行模式，根据在预定义时间段期间由发动机在所述发动机运行模式下花费的时间并且根据与所述发动机运行模式相关联的预定义老化率来计算出寿命损失值；

-通过从所述初始值中减去每个计算出的寿命损失值来更新所述估计剩余寿命值。

由于本发明，该老化估计比已知的老化估计方法(在已知的老化估计方法中，由车辆实时地实现复杂的基于计算机的物理微粒排放模型)实现起来更简单，因为与所述已知方法相比，它涉及不太复杂的计算且需要更少的计算资源。

根据有利的方面，本发明包括单独考虑的或根据所有可能的技术组合考虑的、从属权利要求2至12的特征中的一个或多个。

根据另一方面，本发明的实施例涉及根据权利要求13所述的预测维护方法。

根据有利的方面，本发明的实施例包括单独考虑的或根据所有可能的技术组合考虑的、从属权利要求14和15的特征中的一个或多个。

根据另一方面，本发明的实施例涉及根据权利要求16所述的计算机程序产品。

根据又一方面，本发明的实施例涉及根据权利要求17所述的计算机可读介质。

根据另一方面，本发明的实施例涉及根据权利要求18所述的电子控制单元。

根据又一方面，本发明的实施例涉及根据权利要求19所述的工业车辆。

附图说明

通过阅读仅作为说明性示例提供并参考附图做出的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是根据本发明的工业车辆的简化图；

-图2是包括排气传感器的图1的工业车辆的发动机系统的简化图；

-图3是图2的发动机系统的电子控制单元的简化图；

-图4是示出了用于估计图2的发动机系统的排气传感器的老化的方法的流程图；

-图5是示出了图2的发动机系统的排气传感器的估计剩余寿命值的演变的示例的图；

-图6是示出了用于图2的发动机系统的排气传感器的预测维护方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了包括发动机系统2的工业车辆1。根据优选的实施例，车辆1是半挂卡车。在其它实施例中，车辆1可以是任何工业车辆，优选是轮式工业车辆，例如牵引车或自卸卡车，或者军用地面车辆或公共汽车，或者诸如装载机、推土机、挖掘机、压实机、刮板机或任何等效车辆的重型建筑车辆。

在所示出的示例中，车辆1被示出为挨着维护车间设备3，但设备3可以省略。

如图2上所见，发动机系统2包括柴油内燃发动机10、电子控制单元12、排气管线14和排气传感器16。

发动机10适于给车辆1的至少一个传动系提供动力。电子控制单元12(也称为发动机控制单元(ecu))被编程为控制发动机10的运行。

排气管线14适于排空由发动机10产生的排气和燃烧副产物(例如微粒物，即，烟灰)。

排气传感器16安装在排气管线14中，以测量由发动机10产生并在排气管线14内循环的排气的氧比。排气传感器16被操作性地联接到ecu12。排气传感器16能够向ecu12发送与排气管线中的氧比成比例的电流值信号。ecu12被编程为根据所接收到的电流值信号来计算氧比。

根据优选的实施例，排气传感器16是氧线性传感器探头，也称为λ探头。λ探头是公知的，在此不再详细描述。

在许多实施例中，发动机系统2与一个或多个排放处理系统(例如排气再循环(egr)系统或催化转化器)相关联，所述排放处理系统用于减轻由发动机10释放的排气和燃烧副产物的影响。优选地，所述排放处理系统由ecu12控制。

例如，在一些实施例中，egr阀18联接到排气管线14，用于使排气的至少一小部分朝着发动机10的空气吸入歧管(未详细示出)再循环。优选地，egr阀18被放置在排气传感器16上游。

系统2也包括空气吸入管线20和燃料吸入管线22，该空气吸入管线20用于朝着发动机10的空气吸入歧管供应新鲜空气，该燃料吸入管线22用于朝着发动机10提供柴油燃料。燃料吸入管线22连接到车辆1的燃料箱。

在一些可选的实施例中，发动机10适于通过生物柴油与传统柴油燃料(即，基于石油的柴油)的掺混物运行。在实践中，车辆1的使用者可以选择用传统柴油或用传统柴油和生物柴油的掺混物来填充燃料箱。生物柴油掺混率被定义为该掺混物中的生物柴油与传统柴油之比。例如，“b5”燃料是包括5％体积的生物柴油和95％体积的传统柴油的掺混物并因此具有等于5％的掺混率。

在这些可选的实施例中，系统2优选包括传感器24，该传感器24用于测量通过燃料吸入管线22供应到发动机10的生物柴油的掺混率。例如，传感器24位于燃料箱中或位于燃料吸入管线22中。

图3示意性地示出了ecu12的示例。ecu12包括输入/输出接口30、中央处理器32(cpu)、存储器34，优选还包括定时器单元36。

输入/输出接口30允许ecu12例如通过诸如现场总线或专用电缆的数据交换链路、或者无线数据链路而操作性地联接到发动机系统2的致动器和传感器。优选地，排气传感器16通过接口30连接到ecu12。在所示出的示例中，egr阀18和传感器24也通过接口30被连接。

cpu32能够读取并修改存储器34的内容，并且执行存储器34中存储的指令。优选地，cpu32是可编程微控制器或微处理器。

存储器34是非易失性计算机存储器(例如，非暂时性计算机可读介质)，其包括一个或多个存储器模块，例如，诸如闪速存储器的固态存储技术或任何其它适当的数据存储技术的模块。

定时器单元36可以包括数字时钟。在一些实施例中，定时器单元36由cpu12的内部时钟实现。

在所示出的示例中，ecu12被配置成使用存储在存储器34中并由cpu32自动执行的可执行指令40来控制发动机10的运行。

在实践中，在发动机10的运行期间，ecu12优选被编程为根据所测量的发动机运行变量的值使发动机10在预定义的发动机运行模式之间自动地切换。每种发动机运行模式均与发动机运行变量的预定义参考值(例如，参考值的集合或区间)相关联。当所测量的发动机运行变量对应于与所述发动机运行模式中的一种发动机运行模式相关联的预定义参考值时，则选择所对应的发动机运行模式。在发动机10的运行期间，通过系统2的传感器不断地或至少周期性地测量发动机运行变量。

作为说明性而非限制性的示例，发动机运行变量选自包括以下项的组：发动机10的燃料消耗率、发动机10的氮氧化物气体(nox)排放率、发动机10的烟灰排放率、发动机扭矩模式、后处理烃喷射用量、传感器16的内置加热元件的激活/停用循环的次数、以及排气温度。

ecu12通过使用系统2的连接到该ecu12的致动器设定发动机10的一个或多个运行参数而将发动机10切换到所选定的发动机运行模式。这种发动机运行参数的示例包括：每个燃烧循环期间的喷射燃料量和燃料喷射定时。

使发动机10在不同的发动机运行模式之间切换是用于优化发动机10的运行并减少排气和燃烧副产物释放的已知策略。例如，如果系统2的传感器检测到所排放的nox气体的量超过预定义极限，则发动机10被(至少暂时)强制切换到nox气体排放率低得多的发动机运行模式。

根据本发明的实施例，ecu12也被配置成使用存储在存储器34中并由cpu32自动执行的可执行指令42来估计排气传感器16的老化。例如，可执行指令42是计算机程序产品或计算机可读介质的一部分并且意图于当在诸如ecu12的计算机上运行时实现所述方法。

例如，排气传感器16的估计剩余寿命值由ecu12根据发动机10在上述各种运行模式下花费的时间自动计算出，每种运行模式都与预定义老化率相关联。

每个预定义老化率均表示当发动机10在对应的发动机运行模式下运行时、排气传感器16退化(即，过早老化)的速度。例如，引起微粒物的高排放率的发动机10的运行模式导致排气传感器16的更快老化，且因此与比释放较少微粒物的发动机运行模式高的老化率相关联。

在一些实施例中，估计剩余寿命值50和预定义老化率数据集52被存储在存储器34中。预定义老化率数据52可以存储为查找表或任何其它适当的数字数据结构。

可以使用理论烟灰模型来预先计算每个预定义老化率。该烟灰模型将每种发动机运行模式与预测的烟灰排放率联系起来。也可以使用实验数据(例如，通过在真实生活条件下运行和/或在受控测试场景下运行的车辆1中测量实际的烟灰排放率并监测排气传感器16随时间的行为和退化而获得的实验数据)来预先计算出老化率。

排气传感器16的估计剩余寿命可以用小时或任何合适的时间单位来表示，或者可以表示为距离，例如以公里为单位或以英里为单位。优选地，排气传感器16的估计剩余寿命被表示为预定义标度(predefinedscale)上的相对值，该标度的最高值对应于处于崭新状态(即，出厂的新排气传感器)下的排气传感器16。在图5的所示出的示例中，该标度的最高值等于100％并且最低值等于0％。在例如对车辆1执行的维护操作期间用新传感器更换排气传感器16之后，可以将估计剩余寿命值手动地重置为最高值。

在实践中，排气传感器16可以在达到标度的最低值之前很久就显现出退化和不合适的行为。例如，一旦剩余寿命值低于预定义阈值，就认为排气传感器16过于退化了。作为说明性示例，可以将该阈值选择为等于或低于预定义标度上的30％或25％。该阈值能够由车辆1的制造商或由车辆1的使用者(例如，由车队管理者)设定。

图4的流程图示出了由ecu12自动执行的用于估计排气传感器16的老化的方法的示例性实施例。

最初，在步骤s100期间，ecu12例如通过从存储器34中读取当前的估计剩余寿命值50来获取排气传感器16的估计剩余寿命的初始值。

然后，在步骤s102中，ecu12测量在预定义时间段δt期间由发动机10在所述预定义发动机运行模式中的每一种发动机运行模式下花费的时间。ecu12可以使用定时器单元36来统计发动机10在每种运行模式下花费的时间。

可以将发动机10在每种发动机运行模式下花费的时间(即，每种运行模式的持续时间)存储在存储器34中。例如，时间计数器与所述发动机运行模式中的每一种发动机运行模式相关联，并且这些计数器中的每一个计数器只有在对应的运行模式在使用中时才递增。实际上，取决于情况，在时间段δt期间，发动机10可以保持在相同运行模式下或者可以在两种或更多种发动机运行模式之间切换。

根据优选的实施例，所述预定义时间段δt具有多于或等于一秒钟或者优选多于或等于一分钟的持续时间。

然后，在步骤s104期间，针对在时间段δt期间起作用的所述发动机运行模式中的每一种发动机运行模式来计算出寿命损失值。每个寿命损失值取决于：

-在时间段δt期间，由发动机10在对应的发动机运行模式下花费的时间，和

-与所述发动机运行模式相关联的预定义老化率。

作为说明性而非限制性的示例，如果发动机10花费了时间段δt在第一发动机运行模式和不同的第二发动机运行模式之间切换，则基于在第一运行模式下花费的总时间t1并基于与第一运行模式相关联的第一预定义老化率r1来计算出第一寿命损失值，而且，基于在第二运行模式下花费的总时间t2并基于与第二运行模式相关联的第二预定义老化率r2来计算出第二寿命损失值。

例如，预定义老化率值由cpu32从存储在存储器34中的预定义老化率数据集52中取出。

每个寿命损失值都是通过将在时间段δt期间由发动机在发动机运行模式下花费的时间t1或t2乘以与对应的发动机运行模式相关联的预定义老化率(分别为r1或r2)来计算的。

最后，在步骤s106期间，通过将初始值减去每个计算出的寿命损失值来更新所述估计剩余寿命值。更新后的值可以存储在存储器34中以代替剩余寿命值50。

在实践中，优选在发动机10的运行期间连续地重复该方法。在许多实施例中，针对多个相继的时间段δt中的每一个时间段重复上述步骤s102、s104和s106，这意味着：在一些情况下，可以在给定的时刻运行该方法的若干实例。

因此，人们理解，剩余寿命值是通过将先前的估计剩余寿命值减小如下的量而递归地估计的：该量表示在时间段δt期间由发动机10在对应的运行模式下的操作所引起的排气传感器16的预测退化。

与复杂的基于计算机的物理微粒排放模型由车辆实时地实现的已知的老化估计方法相比，该方法实现起来更简单，因为与已知方法比，该方法涉及不太复杂的计算且要求更少的计算资源。老化率数据的使用也允许更精确地估计排气传感器16的退化。车辆1的使用者也能够通过修改计算所述估计剩余寿命的方式(例如，通过例如为了考虑到车辆1的具体用途(例如，如果车辆1主要用在城市环境中或用于高速公路上的长途旅行)来更新老化率值)而容易地使老化方法个性化。与修改物理排放模型相比，改变记录在存储器34中的老化率值52做起来更简单。

根据有利的替代实施例，取决于表示发动机10的使用历史和/或发动机10的所测量的运行变量的变量，通过一个或多个校正系数来校正在步骤s104期间计算出的寿命损失值。可以在步骤s104期间应用这种校正。

例如，通过校正系数来校正所计算出的寿命损失值可以包括：将所计算出的寿命损失值与取决于所述校正系数的数值因子相乘，或将取决于所述校正系数的偏移量与所计算出的寿命损失值相加，或使用以所述校正系数作为参数的预定义数学函数(例如以所述校正系数作为指数的幂律)来修改所计算出的寿命损失值，或它们的任何组合。

根据一些示例实施例，所述校正系数可以取决于：

-供应到发动机10的燃料中的生物柴油的掺混率，例如由传感器24测量到的掺混率；

-egr阀18的开度(即，egr阀的打开横截面面积与总横截面面积之比)；

-发动机10的烟灰排放率，例如，通过模型估计出的或者由放置在排气管线14中(优选放置在置于排气管线14下游的催化转化器中)的微粒浓度传感器测量到的烟灰排放率；

-发动机10的冷启动次数，该冷启动次数有利地被记录在存储器34中的计数器54(图3)中；

-由发动机10提供的输出扭矩。

根据不同的替代实施例，可以使用上述校正系数的任何组合来校正寿命损失值。所应用的校正可以从一种发动机运行模式到另一种发动机运行模式不同，和/或从一时间段δt到另一时间段δt不同。上述校正是可选的并且可以省略。

应用这种校正的优点是：通过考虑可能使传感器16的老化加速的许多因素来提高所述估计剩余寿命值的可靠性。例如，燃料质量，尤其是生物柴油的存在可能导致与仅使用传统柴油的情况下不同的烟灰排放率。根据另一示例，当发动机冷启动时，常常有冷凝水被滞留在排气管线14中，这可能损坏传感器16。

现在转向图5和图6，描述了基于以上实施例的排气传感器16的预测维护方法。优选使用维护车间设备3来自动实现该预测维护方法。例如，设备3使用诸如车载诊断(odb)连接器的数据交换链路连接到ecu12。根据其它实施例，该方法可以由ecu12自动地实现。

图5示出描绘了排气传感器16在发动机10的不同运行时间的估计剩余寿命值的演变的图60。例如，运行时间可以表示为发动机10自传感器16的最后一次更换以来的运行小时数。替代地，运行时间可以对应于车辆1从传感器16的最后一次更换以来跑过的距离(以英里或公里为单位)。三个点p1、p2和p3分别对应于在三个运行时间值t1、t2和t3处的估计剩余寿命值。这些估计剩余寿命值可以转换成时间值或距离值，例如使用预定义转换表来转换。

图6的流程图示出了该预测维护方法的示例性实施例。

在第一步骤s110期间，获取排气传感器16在第一发动机运行时间值t2处的第一剩余寿命值(对应于点p2)和同一个排气传感器16在第二发动机运行时间值t1处的至少一个第二剩余寿命值(对应于点p1)。第二发动机运行时间值t1比第一发动机运行时间值t2旧(即，早)。t1和t2可以对应于在维护车间处的相继的维护操作。使用上述方法来估计第一剩余寿命值p2和第二剩余寿命值p1。例如，第一剩余寿命值p2对应于当车辆目前为了在维护车间的维护操作而停止t2时估计的目前值，而第二剩余寿命值p1对应于当车辆为了在维护车间的先前维护操作而停止t1时估计的剩余寿命值的过去值，但其它实施例也是可能的。例如，当该车辆不必为了维护操作而停止时，能够在不同的发动机运行时间值t1和t2在车辆上估计p1和p2。

然后，在s112期间，计算出所述剩余寿命值在第一发动机运行时间值t1与第二发动机运行时间值t2之间的过去时间区间内的过去减小率。

在进一步的步骤s114期间，通过推算所述剩余寿命值在第二值与第三值之间的未来时间区间内的未来减小率来估计在第三发动机运行时间值t3处的未来剩余寿命值(对应于点p3)，该推算是基于所估计出的过去减小率。

例如，t3可以对应于所计划的下一次维护操作，并且所述过去时间区间和未来时间区间对应于车辆的所计划的维护间隔。

最后，在步骤s116期间，如果所估计的未来剩余寿命值低于预定义阈值(即，若低于它则排气传感器16将被视为过于退化的阈值)，则产生警告。在一些实施例中，该警告由设备3的人机接口产生。在一些其它实施例中，该警告由车辆1的人机接口产生。例如，如果在所计划的下一次维护操作时的所述估计的未来剩余寿命值低于预定义阈值，则作为抢先更换并且为了避免在所计划的下一次维护操作之前再次使车辆停止，警告消息能够劝告驾驶员或使用者在实际维护操作t2期间更换排气传感器16。

在一些实施例中，该方法进一步包括步骤s118：基于所估计的过去减小率来估计排气传感器16的剩余寿命变得低于所述预定义阈值的未来发动机运行时间值。

该预测维护方法通过向车辆1的使用者(例如，维护操作员和/或车队管理者)指示排气传感器16是否很可能坚持到车辆1的所计划的下一次维护操作或者是否需要抢先更换而便于车辆1的维护。

如果所预测的未来剩余寿命值低于该阈值，则优选进行排气传感器16的抢先更换，以便避免故障或失灵以及使车辆停止的中间维护操作。如果所预测的未来剩余寿命值高于该阈值，则没必要更换，因为它可以推迟到所规划的下一次维护访问。

这比已知的维护方法更经济，在已知的维护方法中，即使传感器仅经历了有限的老化并且也许能够坚持更久，也只是基于由制造商给出的理论最大寿命值抢先地且系统地更换排气传感器16。这是因为这些理论寿命值是平均值，其可能并不总是与车辆1的实际过去使用相对应。相反，使用以上方法获得的估计剩余寿命值更准确，因为它们考虑了实际如何使用发动机10。

上述实施例和替代方案可以彼此组合，以便产生本发明的新实施例。