使用氮氧化物传感器的诊断系统和方法 【技术领域】
本发明涉及内燃机, 且更具体地涉及使用氮氧化物 (NOX) 传感器的诊断系统和方法。 背景技术 在此提供的背景说明是为了总体上介绍本发明背景的目的。 当前所署名发明人的 工作 ( 在背景技术部分描述的程度上 ) 和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各 方面, 既不明显地也非隐含地被承认为与本发明相抵触的现有技术。
内燃机在气缸中燃烧空气 / 燃料 (A/F) 混合物以产生驱动扭矩。A/F 混合物的燃 烧产生可通过排气岐管和排气系统从气缸驱出的排气。 排气系统可包括处理排气以减少排 放物的部件。例如, 排气可包括氮氧化物 (NOX)。
处理排气的部件可包括但不局限于, 外部排气再循环 (EGR) 系统、 催化转化器以 及选择性催化还原 (SCR) 系统。此外, 排气系统可包括测量由排气系统输出的 NOX 量的一
个或多个 NOX 传感器。因此, 一个或多个 NOX 传感器可用作反馈以调节发动机操作 ( 即, 发 动机 A/F 比 ) 和 / 或排气系统操作 ( 即, EGR 的百分比 ), 从而减少排气中 NOX 的量。 发明内容 发动机系统包括位置控制模块、 氮氧化物 (NOX) 估计模块以及诊断模块。 位置控制 模块基于发动机所产生的排气中第一氮氧化物 (NOX) 水平来改变凸轮轴移相器和排气再循 环 (EGR) 阀中至少一个的位置。NOX 估计模块估计凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的位 置变化之后预定时段内排气中 NOX 的量, 其中估计 NOX 量基于与凸轮轴移相器和 EGR 阀中至 少一个的多个位置变化相对应的多个预定 NOX 量。诊断模块基于预定阈值以及估计 NOX 量 与第二 NOX 水平之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态, 其中第一和第 二 NOX 水平使用 NOX 传感器来测量。
发动机系统包括氮氧化物 (NOX) 估计模块和诊断模块。NOX 估计模块基于凸轮轴 移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置的预定函数来估计发动机所产生的排气 中 NOX 的量。诊断模块基于预定阈值以及估计 NOX 量与由 NOX 传感器测量的排气中实际 NOX 量之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态。
一种方法包括基于发动机所产生的排气中第一氮氧化物 (NOX) 水平来改变凸轮轴 移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置 ; 估计凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个 的位置变化之后预定时段内排气中 NOX 的量, 其中估计 NOX 量基于与凸轮轴移相器和 EGR 阀 中至少一个的多个位置变化相对应的多个预定 NOX 量 ; 以及基于预定阈值以及估计 NOX 量与 第二 NOX 水平之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态, 其中第一和第二 NOX 水平使用 NOX 传感器来测量。
一种方法包括基于凸轮轴移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置的预 定函数来估计发动机所产生的排气中 NOX 的量 ; 以及基于预定阈值以及估计 NOX 量与由 NOX
传感器测量的排气中实际 NOX 量之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状 态。
本发明涉及下述技术方案。
1. 一种发动机系统, 包括 :
位置控制模块, 所述位置控制模块基于发动机所产生的排气中第一氮氧化物 (NOX) 水平来改变凸轮轴移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置 ;
NOX 估计模块, 所述 NOX 估计模块估计在凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的位置 变化之后预定时段内排气中 NOX 的量, 其中估计 NOX 量基于与凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少 一个的多个位置变化相对应的多个预定 NOX 量 ; 和
诊断模块, 所述诊断模块基于预定阈值以及估计 NOX 量与第二 NOX 水平之间的差来 确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态, 其中第一和第二 NOX 水平使用 NOX 传感器来 测量。
2. 根据方案 1 所述的发动机系统, 其中, 当所述差小于预定阈值时, 诊断模块确定 凸轮轴移相器和 EGR 阀中的至少一个处于故障状态。
3. 根据方案 1 所述的发动机系统, 还包括 :
EGR 管路, 所述 EGR 管路将发动机所产生的排气再循环到发动机的进气岐管 ; 和
EGR 阀, 所述 EGR 阀控制被引入到发动机的进气岐管中的再循环排气的量。
4. 根据方案 1 所述的发动机系统, 还包括 :
NOX 传感器, 所述 NOX 传感器测量发动机所产生的排气中 NOX 的量。
5. 根据方案 1 所述的发动机系统, 其中, 凸轮轴移相器的所述位置对应于相应气 缸的进气阀和排气阀两者都处于第一状态的时段, 且其中所述时段对应于内部 EGR 的量。
6. 一种发动机系统, 包括 :
氮氧化物 (NOX) 估计模块, 所述 NOX 估计模块基于凸轮轴移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置的预定函数来估计发动机所产生的排气中 NOX 的量 ; 和
诊断模块, 所述诊断模块基于预定阈值以及估计 NOX 量与由 NOX 传感器测量的排气 中实际 NOX 量之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态。
7. 根据方案 6 所述的发动机系统, 其中, 当所述差小于预定阈值时, 诊断模块确定 凸轮轴移相器和 EGR 阀中的至少一个处于故障状态。
8. 根据方案 6 所述的发动机系统, 还包括 :
EGR 管路, 所述 EGR 管路将发动机所产生的排气再循环到发动机的进气岐管 ; 和
EGR 阀, 所述 EGR 阀控制被引入到发动机的进气岐管中的再循环排气的量。
9. 根据方案 6 所述的发动机系统, 还包括 :
NOX 传感器, 所述 NOX 传感器测量发动机所产生的排气中 NOX 的量。
10. 根据方案 6 所述的发动机系统, 其中, 凸轮轴移相器的所述位置对应于相应气 缸的进气阀和排气阀两者都处于第一状态的时段, 且其中所述时段对应于内部 EGR 的量。
11. 一种方法, 包括 :
基于发动机所产生的排气中第一氮氧化物 (NOX) 水平来改变凸轮轴移相器和排气 再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置 ;
估计在凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的位置变化之后预定时段内排气中 NOX的量, 其中估计 NOX 量基于与凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的多个位置变化相对应的 多个预定 NOX 量 ; 以及
基于预定阈值以及估计 NOX 量与第二 NOX 水平之间的差来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态, 其中第一和第二 NOX 水平使用 NOX 传感器来测量。
12. 根据方案 11 所述的方法, 还包括 :
当所述差小于预定阈值时, 确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中的至少一个处于故障状 态。
13. 根据方案 11 所述的方法, 还包括 :
使用 EGR 管路来将发动机所产生的排气再循环到发动机的进气岐管 ; 以及
使用 EGR 阀来控制被引入到发动机的进气岐管中的再循环排气的量。
14. 根据方案 11 所述的方法, 还包括 :
使用 NOX 传感器来测量发动机所产生的排气中 NOX 的量。
15. 根据方案 11 所述的方法, 其中, 凸轮轴移相器的所述位置对应于相应气缸的 进气阀和排气阀两者都处于第一状态的时段, 且其中所述时段对应于内部 EGR 的量。
16. 一种方法, 包括 : 基于凸轮轴移相器和排气再循环 (EGR) 阀中至少一个的位置的预定函数来估计 发动机所产生的排气中 NOX 的量 ; 以及
基于预定阈值以及估计 NOX 量与由 NOX 传感器测量的排气中实际 NOX 量之间的差 来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中至少一个的状态。
17. 根据方案 16 所述的方法, 还包括 :
当所述差小于预定阈值时, 确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中的至少一个处于故障状 态。
18. 根据方案 16 所述的方法, 还包括 :
使用 EGR 管路来将发动机所产生的排气再循环到发动机的进气岐管 ; 以及
使用 EGR 阀来控制被引入到发动机的进气岐管中的再循环排气的量。
19. 根据方案 16 所述的方法, 还包括 :
使用 NOX 传感器来测量发动机所产生的排气中 NOX 的量。
20. 根据方案 16 所述的方法, 其中, 凸轮轴移相器的所述位置对应于相应气缸的 进气阀和排气阀两者都处于第一状态的时段, 且其中所述时段对应于内部 EGR 的量。
本发明的进一步应用领域从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是, 详细 说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图将更充分地理解本发明, 在附图中 :
图 1A 是描述排气 NOX 浓度对比于排气再循环 (EGR) 变化量的曲线图 ;
图 1B 是描述内部 EGR 量对比于变化凸轮轴移相器位置的曲线图 ;
图 1C 是描述在延长的操作时段内氮氧化物 (NOX) 传感器的耐用度和精确度的两 个曲线图 ;
图 2 是根据本发明的示例性发动机系统的功能框图 ;图 3A 是根据本发明的控制模块的示例性第一实施例的功能框图 ;
图 3B 是根据本发明使用 NOX 传感器来确定凸轮轴移相器和排气再循环 (EGR) 阀 中一个的状态的第一方法的流程图 ;
图 4A 是根据本发明的控制模块的示例性第二实施例的功能框图 ; 以及
图 4B 是根据本发明使用 NOX 传感器来确定凸轮轴移相器和 EGR 阀中一个的状态 的第二方法的流程图。 具体实施方式
以下说明本质上仅为示范性的且绝不意图限制本发明、 它的应用、 或使用。 为了清 楚起见, 在附图中使用相同的附图标记来标识类似的元件。如在此所使用的, 短语 A、 B和C 的至少一个应当理解为意味着使用非排他逻辑或的一种逻辑 (A 或 B 或 C)。 应当理解的是, 方法内的步骤可以以不同顺序执行而不改变本发明的原理。
如本文所使用的, 术语模块指的是专用集成电路 (ASIC)、 电子电路、 执行一个或更 多软件或固件程序的处理器 ( 共享的、 专用的、 或组 ) 和存储器、 组合逻辑电路、 和 / 或提供 所述功能的其他合适的部件。 排气再循环 (EGR) 可能是内部或外部的。更具体地, 外部 EGR 可能指的是经由外 部 EGR 系统从排气岐管至进气岐管的排气引导。外部 EGR 系统可包括控制引入到 ( 即, 再 循环到 ) 进气岐管中的排气的量的 EGR 阀。
现参考图 1A, 排气 NOX 浓度随着 EGR 百分比增加而降低。换句话说, EGR 阀的相对 位置可直接影响排气 NOX 浓度。
在另一方面, 内部 EGR 可由于进气和排气阀正时重叠而出现。更具体地, 进气和排 气阀正时重叠可导致在相应排气阀开启并随后关闭之后燃烧期间所产生的排气的一部分 被捕获在气缸中。因此, 排气的该部分有效地再循环, 用于下一次燃烧事件。
现参考图 1B, 内部 EGR 随着凸轮轴移相器位置的增加而增加。 换句话说, 凸轮轴移 相器的相对位置可直接影响内部 EGR, 且因此可直接影响排气 NOX 浓度。
如上所述, EGR 阀位置和凸轮轴移相器位置两者可对应于排气 NOX 浓度。因此, 排 气 NOX 浓度可用于确定 EGR 阀 ( 即, 外部 EGR 系统 ) 和凸轮轴移相器中的一个是否出故障 ( 即, 处于故障状态 )。更具体地, NOX 传感器可测量排气中 NOX 的量作为反馈, 用于确定外 部 EGR 阀和凸轮轴移相器中的一个是否处于故障状态。
现参考图 1C, 示出了 NOX 传感器在延长的时间段内的耐用度和精确度。更具体地, NOX 传感器在新传感器 (+/-5% ) 时以及老化经过 135 英里 (+/-5% ) 时具有相同的精确度。 因此, NOX 传感器可用于始终如一地并精确地确定外部 EGR 系统和凸轮轴移相器中的一个的 状态。
因此, 呈现了测量发动机所产生的排气中 NOX 浓度的系统和方法。测量 NOX 浓度可 用于确定外部 EGR 系统和凸轮轴移相器中的一个是否出故障 ( 即, 处于故障状态 )。
在第一实施例中, 所呈现的系统和方法确定由 NOX 传感器测量的 NOX 量的实际变化 与 NOX 量的预期变化之间的差。NOX 量的预期变化可对应于 EGR 阀和凸轮轴位置中一个的 位置变化。然后, 该差可与预定阈值进行比较, 以确定外部 EGR 系统和凸轮轴移相器中一个 的状态。
在第二实施例中, 所呈现的系统和方法确定由 NOX 传感器测量的实际 NOX 量与使用 预定 NOX 模型确定的估计 NOX 量之间的差。预定 NOX 模型可为 EGR 阀位置和凸轮轴位置中 至少一个的函数。然后, 该差可与预定阈值进行比较, 以确定外部 EGR 系统和凸轮轴移相器 中一个的状态。
现参考图 2, 发动机系统 10 包括发动机 12。发动机 12 燃烧空气 / 燃料 (A/F) 混 合物以产生驱动扭矩。空气通过入口 16 抽吸到进气岐管 14 中。节气门 ( 未示出 ) 可被包 括以调节进入到进气岐管 14 中的空气流。进气岐管 14 内的空气被分配到多个气缸 18 中。 虽然示出了六个气缸 18, 但是应当理解的是发动机 12 可包括其它数量的气缸。
发动机系统 10 包括与发动机系统 10 的部件通信的控制模块 20。例如, 部件可包 括本文所描述的发动机 12、 传感器和 / 或致动器。控制模块 20 可实施本发明的系统和方 法。
空气从入口 16 通过空气质量流量 (MAF) 传感器 22 传送。MAF 传感器 22 产生表示 流经 MAF 传感器 22 的空气流率的 MAF 信号。进气岐管绝对压力 (MAP) 传感器 24 布置在进 气岐管 14 中位于入口 16 与发动机 12 之间。MAP 传感器 24 产生表示进气岐管 14 中空气压 力的 MAP 信号。 发动机曲轴 ( 未示出 ) 以发动机速度或与发动机速度成比例的速率旋转。曲轴传 感器 26 感测曲轴的位置并产生曲轴位置 (CP) 信号。 CP 信号可与曲轴的旋转速度和气缸事 件相关。仅作为示例, 曲轴传感器 26 可为可变磁阻传感器。替代性地, 可使用其它合适方 法来感测发动机速度和气缸事件。
进气阀 34 选择性地开启和关闭, 以使得空气进入到气缸 18 中。进气凸轮轴 30 调 节进气阀位置。进气凸轮轴移相器 32 控制进气凸轮轴 30 的位置。虽然示出了两个凸轮轴 30、 36( 即, 双顶置凸轮轴或 DOHC), 但是应当理解的是, 可实施为一个凸轮轴 ( 即, 单顶置凸 轮轴或 SOHC)。
控制模块 20 致动燃料喷射器 28 以将燃料喷射到气缸 18 中。活塞 ( 未示出 ) 压 缩并燃烧气缸 18 内的 A/F 混合物。在做功冲程期间, 活塞驱动曲轴以产生驱动扭矩。当排 气阀 40 处于开启位置时, 源自于气缸 18 中的燃烧的排气被迫使通过排气岐管 42 排出。排 气凸轮轴 36 调节排气阀位置。排气凸轮轴移相器 38 控制排气凸轮轴 36 的位置。
排气岐管压力 (EMP) 传感器 44 产生表示排气岐管 42 中的压力的 EMP 信号。排气 处理系统 46 可处理排气。仅作为示例, 排气处理系统 46 可包括催化转化器、 氧化催化剂 (OC)、 选择性催化还原 (SCR) 系统、 NOX 吸收器、 NOX 吸附器以及颗粒物质 (PM) 过滤器中的 至少一个。NOX 传感器 48 可产生表示排气处理系统 46 下游的排气中 NOX 的量的信号。
发动机系统 10 可包括外部 EGR 系统 50。EGR 系统 50 包括 EGR 阀 52 和 EGR 管路 54。EGR 系统 50 可将排气的一部分从排气岐管 42 引入到进气岐管 14 中。EGR 阀 52 可安 装在进气岐管 14 上。EGR 管路 54 可从排气岐管 42 延伸到 EGR 阀 52, 从而在排气岐管 42 与 EGR 阀 52 之间提供连通。控制模块 20 可致动 EGR 阀 52 来增加或减少引入到进气岐管 14 中的排气的量。
控制模块 20 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中一个的状态。更具体地, 控制模块 20 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀中的一个是否处于故障状态。控制模块 20 可基于 NOX 量的预定变化和预定 NOX 水平中的一个以及由 NOX 传感器 48 测量的 NOX 量来
确定凸轮轴移相器 32、 38 或 EGR 阀是否处于故障状态。
发动机 12 还可包括涡轮增压器 56。 涡轮增压器 56 可由通过涡轮机入口所接收的 排气来驱动。仅作为示例, 涡轮增压器 56 可包括可变喷嘴涡轮机。涡轮增压器 56 增加进 入到进气岐管 14 中的空气流以引起进气岐管压力增大 ( 即, 增压压力 )。控制模块 20 致动 涡轮增压器 56 以选择性地限制排气流, 从而控制增压压力。
现参考图 3A, 更详细地描述了控制模块 20 的示例性第一实施例 60。控制模块 60 可包括位置控制模块 62、 NOX 估计模块 64 和诊断模块 66。
位置控制模块 62 可基于由 NOX 传感器 48 生成的排气中 NOX 测量量来改变凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置。例如, 如果 NOX 测量量大于排放要求, 那么位置控制模块 62 可增加 EGR 的量。更具体地, 例如, 位置控制模块 62 可通过开启 EGR 阀 52 来增加外部 EGR, 或位置控制模块 62 可通过增加进气和排气阀 34、 40 之间的重叠来增加内部 EGR。 替代 性地, 位置控制模块 62 可改变凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 两者的位置。例如, 当在发动机操 作中需要高于预定阈值的 EGR 量时, 可执行凸轮轴 30、 36 中一个的位置变化。
NOX 估计模块 64 可确定由凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置变化引起的 NOX 量的预期 ( 估计 ) 变化。更具体地, NOX 估计模块 64 可基于位置变化以及相应于不同的位 置变化的多个 NOX 预定量来确定 NOX 量的估计变化。
诊断模块 66 从 NOX 估计模块 64 接收估计 NOX 量。诊断模块 66 基于预定阈值以及 NOX 量的估计变化和 NOX 量的实际变化之间的差来确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中 一个的状态。更具体地, NOX 量的实际变化是位置变化之前的 NOX 量与位置变化之后的 NOX 量之间的差, 所述位置变化前后的 NOX 量均由 NOX 传感器 48 来测量。
当所确定的差 ( 在 NOX 量的估计变化和 NOX 量的实际变化之间 ) 小于预定阈值时, 诊断模块 66 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中的一个处于故障状态。 换句话说, 由 于凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀中的一个被阻塞或被限制不能充分移动, NOX 量的变化小于预期。
现参考图 3B, 在步骤 70 开始用于确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中一个的 状态的第一方法。在步骤 72, 控制模块 20 确定发动机 12 是否在运行。如果是, 那么控制过 程可推进到步骤 74。如果否, 那么控制过程可返回到步骤 72。
在步骤 74, 控制模块 20 可基于由 NOX 传感器 48 生成的 NOX 测量量来改变凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置。
在步骤 76, 控制模块 20 可基于凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置变化来估 计 NOX 量的变化。
在步骤 78, 控制模块 20 可确定 NOX 量的估计变化与 NOX 量的实际变化之间的差。 NOX 量的实际变化可为在凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置变化之前和之后由 NOX 传 感器 48 测量的 NOX 量之间的差。
在步骤 80, 控制模块基于所确定的差和预定阈值来确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中的一个是否处于故障状态。 更具体地, 控制模块 20 可确定所确定的差是否小于 预定阈值。如果是, 那么控制过程可返回到步骤 72。如果否, 控制过程可推进到步骤 82。
在步骤 82, 控制模块 20 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中的一个处于故 障状态。因此, 控制模块 20 可产生故障信号或产生错误标记。于是, 控制过程可在步骤 84 结束。现参考图 4A, 更详细地示出了控制模块 20 的示例性第二实施例 100。控制模块 100 可包括 EGR 控制模块 102 和诊断模块 104。
NOX 估计模块 102 可基于预定模型以及凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置来 估计发动机所产生的排气中 NOX 的量。换句话说, 预定模型可为凸轮轴移相器 32、 38 中至 少一个的位置的函数。例如, 当 EGR 阀 52 的开度增加或进气和排气阀 34、 40 之间的重叠增 加时, 估计 NOX 量可增加。
诊断模块 104 从 NOX 估计模块 102 接收估计 NOX 量。诊断模块 104 基于预定阈值 以及估计 NOX 量与由 NOX 传感器 48 测量的实际 NOX 量之间的差来确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中一个的状态。
当所确定的差 ( 在估计 NOX 量与实际 NOX 量之间 ) 大于预定阈值时, 诊断模块 104 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中的一个处于故障状态。换句话说, 由于凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀中的一个被阻塞或被限制不能充分移动, NOX 估计量大于预期。
现参考图 4B, 在步骤 110 开始用于确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中一个的 状态的第二方法。在步骤 112, 控制模块 20 确定发动机 12 是否在运行。如果是, 那么控制 过程可推进到步骤 114。如果否, 那么控制过程可返回至步骤 112。 在步骤 114, 控制模块 20 可基于凸轮轴 30、 36 和 EGR 阀 52 中一个的位置以及预定 模型来确定发动机 12 所产生的排气中 NOX 的量。
在步骤 116, 控制模块 20 可确定估计 NOX 量与由 NOX 传感器 48 测量的实际 NOX 量 之间的差。
在步骤 118, 控制模块 20 可确定所确定的差 ( 即, 绝对值 ) 是否大于预定阈值。如 果否, 那么控制过程可返回至步骤 112。如果是, 那么控制过程可推进到步骤 120。
在步骤 120, 控制模块 20 可确定凸轮轴移相器 32、 38 和 EGR 阀 52 中的一个处于 故障状态。因此, 控制模块 20 可产生故障信号或产生错误标记。于是, 控制过程可在步骤 122 结束。
本发明的广泛教导可以以多种形式实施。 因此, 虽然本发明包括特定的示例, 由于 当研究附图、 说明书和以下权利要求书时, 其它修改对于技术人员来说是显而易见的, 所以 本发明的真实范围并不如此限制。