CN101440739B - 容许柔性燃料的催化转化器的诊断方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于催化转化器的监测系统。所述的系统包括：基于燃料系统内的燃料的传感成分确定燃料成分的燃料确定模块；基于燃料成分选择性地确定化学计量的F/A比值的燃料/空气(F/A)确定模块；以及基于化学计量的F/A比值计算目标OSC的氧气储存容量(OSC)诊断模块，其比较目标OSC值和参考值，并基于比较结果诊断催化转化器。

Description

容许柔性燃料的催化转化器的诊断方法

技术领域

本发明涉及用于车辆的诊断系统，并且尤其涉及用于监测催化转化器的效率的方法和系统。

背景技术

在此部分的陈述只提供涉及本发明的背景信息且可能并不构成现有技术。

乙醇(ethanol)，也称为乙基醇(ethyl alcohol)，是一种易燃，无色的化合物，其可与汽油混合向内燃机提供燃料。柔性燃料车辆(flexible fuel vehicle)具有的适应性能够容许车辆在不同的汽油和乙醇的共混物下运转。例如，E85燃料包括85％的乙醇和15％的汽油的混合物。实际中的柔性燃料传感器和方法检测燃料中的乙醇浓度。基于所述浓度的水平，相应地调整空气/燃料比值且控制发动机运转。

在燃烧过程中，汽油和乙醇被氧化，而且氢(H)和碳(C)与空气结合。形成各种化合物且释放于尾气物流中，该尾气物流包括二氧化碳(CO₂)，水(H₂O)，一氧化碳(CO)，氮氧化物(NC_x)，未燃烧的烃(HC)，硫氧化物(SO_x)以及其他的化合物。然而，燃料中乙醇的使用减少了尾气中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NO_x)的数量。

汽车尾气系统包括催化转化器，其通过将CO、HC和NO_x这些气体化学转化成二氧化碳、氮气和水而进一步减少尾气中的CO、HC和NO_x的水平。为了合适的转化能力，诊断规则需要周期性监测催化转化器。典型的监测方法使用两个尾气氧气传感器且通过使用传感器信号推断催化转化器的转化能力。一个传感器检测与催化转化器的进口尾气物流相关的氧气水平。该进口O₂传感器也是主要的反馈机构，其将发动机的燃料-空气比值(F/A)维持在正确的化学水平上(at the chemically correct)，或者维持支持催化转化过程所需的化学计量的F/A比值。第二个或出口O₂传感器监测离开催化转化器的尾气物流的氧气浓度。离开的尾气物流中过量的O₂浓度导致“贫燃料(lean)”传感器信号。离开的尾气物流中O₂的不足或缺乏导致“富燃料(rich)”传感器信号。

传统的催化转化器监测方法涉及到存在于进口和出口O₂传感器之间定量化催化转化能力的经验关系。这些方法比较传感器的幅值、响应时间、响应速率和/或频率组成(frequency content)数据。所有的这些测量值都受催化转化器的特性——即氧气储存容量(OSC)影响。OSC是指催化转化器在贫燃料(lean)条件下储存过量氧气和在富燃料(rich)条件下释放氧气的能力。当催化转化器的转化能力降低时，氧气储存和释放的数量减少。因此，OSC的损失涉及到转化能力的损失。

基于OSC的催化转化器的监测方法和系统描述于共同转让的美国专利6,874,313中。上述方法和系统涉及不同类型的烃燃料。如已经实施的，所述的方法和系统未必正确地诊断使用备选燃料如E85或柴油运转的发动机系统的催化转化器。

发明内容

因此，提供了一种用于催化转化器的监测系统。所述的系统包括：基于燃料系统内的燃料成分确定燃料类型的燃料确定模块；基于燃料类型选择性地确定化学计量的F/A比值的燃料/空气(F/A)确定模块；以及基于化学计量的F/A比值计算目标OSC的氧气储存容量(OSC)诊断模块，其比较目标OSC值和参考值，并基于比较结果诊断催化转化器。

在其他的特征中，提供了一种诊断催化转化器的方法。所述的方法包括：基于燃料类型选择性地确定化学计量的燃料/空气比值；基于化学计量的燃料/空气比值计算催化转化器的目标氧气储存容量(OSC)；以及基于氧气储存容量诊断催化转化器。

通过本文中提供的描述，其它适用领域将变得明显。应该理解所述的描述和具体的实施例仅意图于解释说明的目的，而不意欲限制本发明的范围。

附图说明

本文中所述的附图只用于举例说明的目的，而不意图以任何方式限制本发明的范围。

图1是车辆的功能方块图，其包括执行根据本发明的容许柔性燃料的催化转化器的诊断方法的控制模块。

图2是数据流图，其举例说明了容许柔性燃料的催化转化器的诊断系统。

图3是流程图，其举例说明了容许柔性燃料的催化转化器的诊断方法。

图4是曲线图，其举例说明了燃料的简化的化学燃烧模型。

图5是曲线图，其举例说明了在数据收集周期期间进口和出口O₂传感器的响应。

图6是曲线图，其举例说明了氧气储存容量(OSC)的计算。

图7是流程图，其举例说明了氧气储存容量(OSC)的诊断方法。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的而不意欲限制本发明、其应用或使用。应该理解的是，贯穿附图，相应的附图标记指示相似的或相应的零件和部件。如在此使用的，术语模块是指专用的集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共用的、专用的或集群的)和执行一个或多个软件或固件程序的储存器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适当组件。

现在参考图1，车辆10包括发动机12、尾气系统14和控制模块16。发动机12包括进气歧管17、气门(throttle)位置传感器(TPS)18和质量空气流量(MAF，mass air flow)传感器20。气门位置传感器18和MAF传感器20与控制模块16通讯。尾气系统14包括催化转化器22、前催化剂或进口氧气传感器24，以及后催化剂或出口氧气传感器26。进口和出口氧气传感器24，26与控制模块16通讯以分别提供进口和出口F/A比值信号。控制模块16与燃料系统28通讯以控制到发动机12的燃料流量。燃料系统包括柔性燃料传感器29。柔性燃料传感器29发出燃料信号到控制模块16以指示燃料系统28中的燃料成分。或者，车辆可在控制模块16中使用虚拟柔性燃料传感器方法，其利用从进口氧气传感器24计算而习知的燃料微调(fuel trim)的变化来估计燃料成分。以这种方式，控制模块16确定或估计发动机12的化学计量的F/A比值。此外，控制模块16基于在此描述的容许柔性燃料的催化转化器诊断方法来诊断尾气系统14的催化转化器22。

现在参考图2，数据流图举例说明了可以嵌入控制模块16的容许柔性燃料的催化转化器诊断系统的各种实施方案。根据本发明的催化转化器诊断系统的各种实施方案可包括嵌入在控制模块16的任何数量的子模块。所示的子模块可以组合和/或被更进一步划分用以同样地监测催化转化器22。系统的输入可从车辆10内的传感器接收，从车辆10内其他的控制模块(未显示)接收，和/或由控制模块16内的其他的子模块(未显示)确定。在各种实施方案中，图2的控制模块16包括使能模块40、燃料确定模块42、燃料/空气(F/A)比值模块44以及氧气储存容量(OSC)诊断模块46。

使能模块40接收燃料事件信号48作为输入。燃料事件信号48指示燃料系统28(图1)中的剩余燃料的状态。使能模块40基于燃料事件信号48确定何时发生加燃料事件，并因此设定加燃料事件标记50。在各种实施方案中，燃料事件信号48指示燃料系统28(图1)当前的燃料水平。使能模块40比较当前的燃料水平和先前的燃料水平以确定何时发生加燃料事件。应该知道的是，可以用其他的方法来检测加燃料事件。燃料确定模块42接收加燃料事件标记50和指示燃料系统28(图1)中的燃料成分的燃料传感器信号52作为输入。基于燃料传感器信号52并在加燃料事件发生之后，燃料确定模块42确定燃料系统28(图1)中的燃料成分54。在各种实施方案中，燃料确定模块42基于发动机的运转参数(也即，燃料微调变化值)估计燃料成分以及基于估计成分确定燃料成分54。这些方法消除了对燃料传感器信号52的需要。

F/A比值模块44接收燃料成分54作为输入。基于燃料成分54，F/A比值模块44确定理想化学计量的F/A比值56。OSC诊断模块46接收化学计量的F/A比值56、质量空气流量(MAF)58、气门位置(TPS)60、进口O₂传感器信号62和出口O₂传感器信号64作为输入。基于接收信号，OSC诊断模块46确定催化转化器22(图1)的氧气储存容量并且基于确定的OSC和参考值的比较来诊断催化转化器22(图1)。基于诊断，OSC诊断模块46设定失败编码66。其中如果诊断出故障则设定所述的失败编码66为真或“测试失败”。

现在参考图3，流程图举例说明了由控制模块16执行的容许柔性燃料的催化转化器的诊断方法。所述方法可以在发动机运转过程中定期地运转。在90处控制器(Control)评估是否已经发生加燃料事件。如果加燃料事件已经发生，则延迟诊断直到在92处准确地确定燃料成分。否则控制器转到在94处评估当前的燃料成分。如果在94处燃料成分为典型的固定的烃混合物，在96处基于预定值设置化学计量的F/A比值。如果燃料成分是多于一种的典型烃的备选混合物，例如E85(85％乙醇与15％汽油共混)，基于燃料混合物的成分在98处计算化学计量的F/A比值。在设定F/A比值之后，控制器转入在99中执行OSC诊断。

更特别地，图2的OSC诊断模块46的细节和图3的过程步骤99将会在图4-7的上下文中进行讨论。参照图4，烃和备选燃料的简化的化学燃烧模型将会被详细地描述。燃烧模型基于当量比(F_R)，所述的当量比被定义为实际F/A比值(F/A_实际)除以所确定的化学计量的F/A比值(F/A_化学计量)。在O₂释放(即，富燃料发动机运转)周期期间，化学燃烧模型为：

            (1-u)C_XH_Y+(u)C_vH_(2v+1)OH+(1/F_R)(a)O₂→

                  [-2(1-1/F_R)(a)+(1-u)x+(u·v)]CO₂+

                  [2(1-1/F_R)(a)]CO+

                  [(y/2)(1-u)+(u)(v+1)]H₂O.

在O₂储存周期期间，化学燃烧模型为：

               (1-u)C_XH_Y+(u)C_vH_(2v+1)OH+(1/F_R)(a)O₂→

                     [(1-u)x+(u·v)]CO₂+

                     [(1/F_R-1)(a)]O₂+

                     [(y/2)(1-u)+(u)(v+1)]H₂O.

其中a，u，v，x是系数。系数a表示由以下等式确定的简化常量：

                      a＝(1-u)(x+y/4)+(3/2)(u·v).

系数u表示全部燃料混合物的燃料混合物中醇的比值。系数v表示醇燃料的分子中碳原子的数目。系数x表示非醇烃燃料的分子中碳原子的数目。系数y表示非醇烃燃料的分子中的氢原子。

O₂释放周期需要催化剂为尾气中每摩尔过量的CO释放1/2摩尔的O₂以完全转化CO。O₂储存周期需要催化剂为尾气中每摩尔过量的O₂储存1摩尔的O₂。由催化剂释放的O₂和在F/A加料混和物(charge mixture)中的进口O₂质量的比值为：

               [2(1-1/F_R)(a)]/[2(1/F_R)(a)]＝F_R-1

正数表示O₂释放，负数表示O₂储存。

如图4的曲线所示，当F_R大于1(即富燃料发动机运转)时，催化转化器22内储存的O₂被释放。当F_R小于1(即贫燃料发动机运转)时，过量的O₂被储存。被释放的氧气的速率和与F/A混合物相关的质量空气速率(the mass air rate)的比值为：

(M_O2/M_空气)(F_R-1)；每秒O₂克数/每秒空气克数。

M_O2是一摩尔空气中O₂的质量。M_空气是空气的平均摩尔质量。

O₂的摩尔比与空气的摩尔比的比值被假定为常数。

OSC诊断在发动机12的燃料切断模式过程中执行。燃料切断模式在车辆超限运动(overrun)条件下发生，例如车辆10向下滑行(coast downhill)时。燃料切断模式可以通过气门位置60和进气歧管压力来确定。当在燃料切断模式时，发动机12的尾气物流的F/A比值等于零。在发动机12于燃料切断模式运转预定时段并且被用信号告知以返回正常运转(或非燃料切断模式)后，OSC诊断开始。更具体地，校准预定时段以便用氧气完全使催化转化器22饱和。

现在参考图5和6，时间t＝0指示OSC诊断的开始。最初，F_R被指定为固定的富燃料百分比。指定当量比为固定的富燃料百分比，其结果是F/A_实际大于F/A_化学计量。当发动机12在富燃料条件下运转时，进口氧气传感器24检测到富燃料的转变并且相应地向控制模块16发出信号。进口氧气传感器24达到参考信号所需的延迟时间被指示为t_进口延迟。参考信号指示何时来自发动机12的尾气达到F/A_化学计量。出口氧气传感器26检测到富燃料的转变而且相应地向控制模块16发出信号。出口氧气传感器信号64被相对于进口氧气传感器信号62延迟。出口氧气传感器26达到参考信号所需的转变时间被指示为t_出口延迟。预定量的空气(例如大约1.5g)流过惰性催化转化器22(图1)所需的滞后时间被指示为t_滞后。

OSC诊断模块46(图2)确定其间计算催化转化器22(图1)的目标OSC的目标时间。被指示为t_目标的目标时间基于t_进口延迟、t_出口延迟和t_滞后。更具体地，OSC诊断模块46监测进口和出口传感器信号62，64以确定t_进口延迟和t_出口延迟。OSC诊断模块46估计t_滞后作为使固定质量的空气在氧气传感器之间通过所需的时间间隔：

t_滞后＝K_{空气_质量_克数}/MAF(t_测试结束)

此过程假定至测试结束的尾气流动条件是已知的。参照图4，测试结束的时间可被估计为：

t_测试结束＝t_出口延迟-t_进口延迟

此时间常量将随催化剂的OSC而变化并且直到测试条件通过后才能够被确定。另外，在诊断期间，空气的质量流动速率在本质上是瞬时的并且不能被假定为是常量。因为这些原因，MAF 58在转变周期的固定持续时间子区间内取平均值并且被储存。然后，所估计的滞后周期通过所储存的MAF 58的向后积分来计算，从t＝t_测试结束开始，当总和等于K_{空气_质量_克数}时终止。根据定义，其在t＝t_测试结束-t_滞后时发生。目标时间为：

t_目标＝t_出口延迟-t_进口延迟-t_滞后

目标时间为刚好在F/A变为大于化学计量的F/A 56之后的时间周期。

除了监测上述时间之外，OSC诊断模块46储存进入发动机12的质量空气流量(MAF)的子区间平均值以及F_R补偿的MAF期间(见图6)。子区间被定义为与MAF和F_R期间相关联的数据采样率(data sample rate)的整数倍。此方法不排除使子区间等于采样率和基于单值的子区间平均值。然而，控制模块储存器的更有效的应用可以在不显著地影响通过规定较大子区间而计算的OSC的准确性的情况下获得。来自MAF传感器20的MAF 58作为信号提供给控制模块16。源于简化的O₂释放模型的逐渐增加的OSC由以下关系式表示：

$\∂\mathrm{OSC}=\mathrm{\α}[\mathrm{MAF}\left(t\right)\×\mathrm{\β}][F_R\left(t\right)-1]\∂t$

其中逐渐增加的OSC以每单位时间储存的氧气的克数计量，α是1摩尔空气中氧气的质量被除以1摩尔空气的质量，而β是每个催化转化器中质量空气流量分数。优选地，对于如图1所示的具有单一的催化转化器22的尾气系统，β等于1。对于每N/2个汽缸具有一个催化转化器的尾气系统来说，β等于0.5。在t_目标处的OSC由在目标周期中逐渐增加的OSC的数值积分或总和表示：

OSC＝α×β×T×∑[MAF(nT)][F_R(nT)-1]，n＝0到t_目标/T

其中T表示取样数据周期，MAF(nT)表示在时间nT处的MAF，F_R(nT)表示在时间nT处的燃料当量比。此关系的优选等价形式被表示为：

OSC＝{∑[MAF(nT)×F_R(nT)]-∑[MAF(nT)]}×(α×β×T)，n＝0到t_目标/T

此形式的小舍入误差的数值积累倾向更小。

一旦出口氧气传感器26获得参考信号(即，检测来自催化转化器的尾气的F/A_化学计量)，OSC诊断模块46便确定目标OSC。再次参考图6，为了确定目标OSC，OSC诊断模块46根据前述的优选OSC关系计算OSC。OSC诊断模块46在目标时间内对储存的F_R补偿MAF和储存的MAF测量结果进行积分。其对应于位于其各自的曲线下方的区域。这些区域间的差由两条曲线之间的区域图示表示，其被乘以常量α×β×T，以获得目标周期内的OSC。如果非比例(unscaled)结果是期望的话，常量作为可任选被忽略的标量(scaler)。将计算的OSC与参考OSC值比较以确定催化转化器22是通过或是失败。

参照图7，流程图举例说明了通过图2的OSC诊断模块46执行的和图3的过程步骤99中所示的OSC诊断方法。控制器确定是否在100处存在燃料切断模式。如果燃料切断模式不存在，控制器返回。否则，控制器在启动监测之前在102、104和106检查特定的条件。在102处，控制器确定发动机12是否在闭环燃料控制(CLFC，closed loop fuel control)下运转了足够的时间。如果为否，控制器返回而在100处监测燃料切断模式。如果发动机12在CLFC下已经运转足够的时间，控制器在104处确定是否催化转化器22已经达到运转温度。如果在104处温度没有达到，控制器返回到100。如果温度已经达到，控制器在106处继续。在106处，控制器确定是否催化转化器22已经暴露在空气流中足够的时间以达到氧气饱和。如果催化转化器22没有充分地暴露，控制器返回到100。如果催化转化器22已经充分地暴露，控制器在108处在发动机12离开燃料切断模式后启动OSC诊断。

在离开燃料切断模式后，控制器在110处指令F_R为固定的富燃料％。在112处，控制器使用如上所述的MAF传感器20不断地记录MAF和F_R补偿的MAF的子区间的测量结果。在114处，控制器跟踪进口和出口氧气传感器24，26的信号。在116处，控制器确定是否出口氧气传感器26已经达到参考信号。如果出口氧气传感器26已经达到参考信号，控制器在118处继续。如果没达到参考信号，控制器返回到112。在118处，控制器从中确定t_出口延迟、t_进口延迟、t_滞后以及t_目标。在124处，控制器使用上述优选的差分方程相对于目标时间积分被储存的OSC相关量并获得目标OSC值。在126处，控制器评估目标OSC值。如果目标OSC不高于参考值，在128处指示测试失败。如果目标OSC高于参考值，在122处指示测试通过。

本领域技术人员现在能从前面的描述中认识到，本发明的宽泛教导能够以多种形式实现。因此，虽然本发明结合其特定实例进行描述，但本发明的真实范围不应被此限定，因为本领域技术人员在对附图、说明书和以下权利要求研究后，其它变化将变得显而易见。

Claims (18)

1.一种用于催化转化器的监测系统，包括：

燃料确定模块，其利用基于来自所述催化转化器进口处的氧气传感器的信号进行计算而习知的燃料微调的变化来估计燃料系统内燃料的燃料成分；

基于所述燃料成分选择性地确定化学计量的F/A比值的燃料/空气(F/A)确定模块；以及

基于所述化学计量的F/A比值计算目标OSC的氧气储存容量(OSC)诊断模块，其比较所述目标OSC值和参考值，并基于比较结果诊断所述催化转化器。

2.根据权利要求1的系统，其进一步包括检测加燃料事件的使能模块，并且其中燃料确定模块在加燃料事件发生之后确定燃料成分。

3.根据权利要求2的系统，其中所述的使能模块基于当前和先前的燃料水平检测所述的加燃料事件。

4.根据权利要求1的系统，其中当燃料成分是单一规格的烃燃料时，所述的F/A确定模块设定所述化学计量的F/A比值为预定值。

5.根据权利要求1的系统，其中当燃料成分由多于一种烃燃料的共混物组成时，所述的F/A确定模块确定所述的化学计量的F/A比值。

6.根据权利要求1的系统，其中在燃料切断周期之后，所述的OSC诊断模块基于化学计量的F/A比值初始化富燃料条件，计算被催化转化器释放的氧气质量，以及基于氧气质量计算在目标时间周期内的目标OSC。

7.根据权利要求6的系统，其中所述的OSC诊断模块基于检测第一F/A比值的进口延迟时间以及检测第一F/A比值的出口延迟时间确定目标时间周期。

8.根据权利要求7的系统，其进一步包括进口传感器，其产生指示进入催化转化器的尾气的第一氧气水平的进口传感器信号并且其中基于进口传感器信号确定进口延迟时间。

9.根据权利要求7的系统，其进一步包括出口传感器，其产生指示离开催化转化器的尾气的第二氧气水平的出口传感器信号并且其中基于出口传感器信号确定出口延迟时间。

10.一种诊断催化转化器的方法，包括：

利用基于来自所述催化转化器进口处的氧气传感器的信号进行计算而习知的燃料微调的变化来估计燃料成分；

基于所述燃料成分选择性地确定化学计量的燃料/空气比值；

基于所述化学计量的燃料/空气比值计算所述催化转化器的目标氧气储存容量(OSC)；以及

基于所述目标氧气储存容量诊断所述催化转化器。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括接收指示加燃料事件发生的燃料事件信号，并且其中在加燃料事件之后估计所述燃料成分。

12.根据权利要求10的方法，其中当所述燃料成分指示为单一规格的烃燃料时，所述的选择性地确定进一步包括确定所述化学计量的F/A比值为预定值。

13.根据权利要求10的方法，其中当所述燃料成分指示为多于一种烃燃料的共混物时，所述的选择性地确定进一步包括计算化学计量的F/A比值。

14.根据权利要求10的方法，其进一步包括：

在燃料切断周期内用氧气使所述催化转化器饱和；

在所述燃料切断周期之后基于所述化学计量的F/A比值使发动机在富燃料条件下运转；

基于进入发动机内的质量空气流量计算所述催化转化器释放的氧气质量；以及

其中计算所述目标OSC进一步基于在目标时间周期内释放的氧气质量。

15.根据权利要求14的方法，所述的计算进一步包括：

确定进口氧气传感器的第一延迟时间以检测第一F/A比值；

确定出口氧气传感器的第二延迟时间以检测所述第一F/A比值；以及

基于所述第一和所述第二延迟时间计算目标时间周期。

16.根据权利要求15的方法，其进一步包括：

确定流经惰性催化转化器的空气质量所需的传送滞后时间；以及

基于所述传送滞后时间计算所述目标时间周期。

17.根据权利要求10的方法，其中所述的诊断包括基于比较所述目标OSC值和参考值来诊断所述催化转化器。

18.根据权利要求10的方法，其进一步包括基于所述的催化转化器的诊断来设定故障编码。

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