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CN103244295A - 用于适应在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法和装置 - Google Patents

用于适应在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法和装置 Download PDF

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CN103244295A CN2013100489916A CN201310048991A CN103244295A CN 103244295 A CN103244295 A CN 103244295A CN 2013100489916 A CN2013100489916 A CN 2013100489916A CN 201310048991 A CN201310048991 A CN 201310048991A CN 103244295 A CN103244295 A CN 103244295A
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Abstract

本发明涉及用于适应在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法和装置。在用于分析在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法中，其中空气输入通道通过具有至少一个废气反馈阀的废气反馈装置与内燃机的废气通道连接并且氧气传感器在空气输入通道中被设置在废气反馈导入的下游，其中传感器信号根据一个特征参量或者多个特征参量被校正，其描述传感器信号与氧气浓度或与其相关的参量和/或与其他物理参量的相关性。根据本发明规定，在废气反馈阀关闭时在内燃机的一个或多个运行点上检测氧气传感器的输出信号以及其他运行点参数并且将其存储并且在假定气体成分相应于纯空气气体成分的情况下由此导出氧气传感器的特征参量的适应。

Description

用于适应在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于分析在内燃机的空气输入通道中的氧气传感器的信号的方法，其中空气输入通道通过具有至少一个废气反馈阀的废气反馈装置与内燃机的废气通道连接并且氧气传感器在空气输入通道中被设置在废气反馈导入装置的下游，其中传感器信号根据一个特征参量或者多个特征参量被校正，其描述传感器信号与氧气浓度或与其相关的参量和/或与其他物理参量的相关性。
此外，本发明还涉及用于执行本发明方法的装置。
背景技术
现代的内燃机常常具有用于外部的废气反馈（AGR）的系统。在这方面，理解为在排气管和吸管之间的管道连接，该管道连接可以借助排气反馈阀（AGR阀）被上调和进口节流并且该管道连接可能设置有泵装置。在该管道连接中，经燃烧的废气流动返回到吸管中，或者通过在废气反压和吸管压力之间的落差被驱动地、或者通过泵装置实现。没有泵装置的变型方案要常用得多。
如果内燃机被装备有废气涡轮增压机，那么通常废气的抽取点在涡轮机的上游并且用于吸管的输入点在压缩机的下游。但是也可以考虑用于吸管的输入点在压缩机的上游。废气至吸入的空气的混合可以改善内燃机的效率和/或原始排放。
在最重要的车辆市场中法律上的排放和车载诊断法规使得不可避免在内燃机的废气通道中使用氧气传感器。
在本发明中，氧气传感器的概念表示任何类型的气体传感器，该气体传感器发出与氧化和还原性气体成分的浓度相关的信号。在燃烧之前氧化性和还原性气体成分的比例由拉姆达值定义。在足够高的空气过量的发动机运行（贫油运行）情况下，在废气中没有还原性成分存在并且作为氧化性成分几乎仅仅存在氧气。因此，在该工作点中测量拉姆达与测量氧气浓度意义相同。
用于内燃机的市场上可获得的氧气传感器已经针对在废气管道中的使用而被开发并且通常作为其原始测量参量为拉姆达值的拉姆达探测器、或者作为其原始测量参量为NOx浓度但是并且此外也可以提供拉姆达信号的NOx-传感器被构造。
氧气传感器信号通常被输入给发动机控制设备，该发动机控制设备基于其和其他的测量值调节内燃机的运行参数。此外，在发动机控制设备中实现了用于优化运行和在线诊断氧气传感器的方法。例如下面的方法属于此:
·用于产生氧气传感器的其他信号的方法，该信号与传感器温度相关。这例如可以是电阻值。  
·用于控制和调节氧气传感器的加热的方法，具有将传感器保持在优化的温度窗中的目标。为此使用上面提及的温度信号。  
·用于补偿氧气传感器温度相关性的方法，对于传感器温度偏离目标温度、也即偏离针对其指定了传感器特性曲线的值的情形，
·用于补偿氧气传感器压力相关性的方法，对于传感器安装地点的压力偏离针对其指定了传感器特性曲线的值的情形。  
·用于特性曲线平衡的方法。这里，在与传感器信号无关地已知氧气浓度的特殊运行点，将传感器信号与针对氧气浓度指定的信号值进行比较，并且从该比较中确定校正值，随后借助校正值校正传感器信号。在已知的方法中，与传感器信号无关地已知的氧气浓度是在纯空气中的浓度值。如果传感器被安装在废气管道中，那么当然氧气传感器暴露在纯空气中的运行点必然是少并且短时的。几乎所有的已知的方法为此支持所谓的推进运行（Schubbetrieb）。问题在于，推进运行并不能通过发动机控制被强迫，而是与驾驶者的瞬间愿意相关。
例如由DE 2744844 A1和US 2007/0044472 A1已知了在内燃机吸管中的氧气浓度。基于该传感器的该信号例如可以调节外部废气反馈。
这样，DE 2744844 A1描述了一种用于调节输入到内燃机的混合物的空气-燃料比的方法，其中规定，在内燃机的吸管中用传感器采样代表混合物的空气-燃料比的参数，在传感器温度低于预先给定的、在其之上传感器能运行的值的第一状态期间加热传感器，在达到预先给定的值之上的温度后中止对传感器的加热，并且将为内燃机产生的混合物的空气-燃料比根据所采样的参数调节到所希望的值上，其方式是，调节内燃机的流量吞吐量以便产生输入燃料的混合物。此外，还描述了用于执行该方法的相应的装置。
但是，将氧气传感器使用在吸管中比使用在内燃机废气通道中明显更不广泛。因此，针对在吸管中的氧气传感器的运行，还不存在如针对在废气管道中的运行那样高度开发的方法。
这样，DE 102005056152 A1例如描述了一种方法和用于执行用于校准由被设置在内燃机的废气区域中的宽度拉姆达传感器提供的拉姆达测量信号的方法的相应装置，其中校正值被采用来确定用于拉姆达实际值的尺度，其中校正值在内燃机的预先给定的运行状态期间被确定，在其中不进行燃料配给并且内燃机的转速在阈值之上，其中在预先给定的运行状态期间根据宽度拉姆达传感器的传感器温度来确定校正值。因此，该方法描述了用于学习在废气管道中拉姆达探测器中的温度相关性的方法。
对于用于在废气管道中的运行的一系列方法，如其例如先前描述过的，在吸管中的环境条件与废气管道中的环境条件的差别是重要的。有时候，在吸管中的环境条件引起需要新的解决方案的特殊困难。但是有时候，它们也提供了针对以在废气管道中的环境条件是不可能的方法的可能性，即使其为此同样是值得期待的。在运行在吸管或者普遍地在空气输入管道中的氧气传感器情况下的特殊要求尤其是温度相关性。因为在空气输入管道中的氧气传感器暴露在冷空气并且不热的废气中，因此存在提高的如下概率：传感器加热的功率不够来将传感器带入目标温度。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种方法，借助其可以提高在空气输入管道中的氧气传感器的输出信号的精度并且尤其是能够补偿温度和/或压力相关性。
此外，本发明的任务还是提供一种用于执行该方法的相应装置。
本发明的公开
涉及该方法的任务通过权利要求1至9的特征被解决。
按照本发明规定，在内燃机的一个或多个运行点上在废气反馈阀关闭时检测氧气传感器的输出信号以及其他运行点参数并且将其存储并且在假定气体成分相应于纯空气气体成分的情况下由此导出氧气传感器的特征参量的适应（Adaption）。该方法在此利用了：在空气输入管道中的氧气传感器在废气反馈阀关闭的情况下暴露于纯空气中。与在废气管道中的状况不同，因此经常有如下运行点，在其中氧气传感器被暴露于静止的并且相对高的纯空气流中。这是有利的前提，以便一方面能够执行特性曲线平衡并且另一方面实现尤其是压力和温度相关性的补偿，以此可以提高在空气输入通道中的氧气传感器的信号的精度。
在此，规定，其他的物理参量是传感器的地点处的压力p和/或是传感器温度T，其中所述物理参量对于传感器信号的作用通过特征参量来描述。
有利的方法变型方案在氧气传感器的特征参量的优化适应方面规定：从氧气传感器的输出信号以及其他运行点参数根据作为缩放因子的氧气浓度、描述温度相关性的多项式系数P_T(T)的系数、描述传感器信号与压力p的相关性的压力p的校正数k、或者前述的校正项的任意组合来计算用于传感器特性曲线的特性曲线斜率F_KL的校正参量，借助校正项可以通过校正函数校正氧气传感器的输出信号。因此，尤其是可以保证温度影响和压力影响的消除。在该背景下，应注意，与温度的相关性也可以作为加法项在校正中引入。但是有利的是，作为乘法项引入的多项式P_T(T)。
此外，有利的方法变型方案规定，检测许多用于氧气传感器的输出信号的值以及其他的运行点参数并且借助超定的等式组、用于减少残余偏差的优化方法、回归方法或递归的最小平方算法来确定校正项。借助这样的在文献中充分描述的数学算法，这些校正项可以被配合（angefittet）。当足够的值可以利用时，在回归方法中尤其是相关系数被提高，这有助于计算的提高的统计安全性并且由此改善了适应。
在该方法的执行方面，被证实为有利的是，为了检测和存储运行点参数而测量或者模型式地确定在传感器安装地点处或在其附近的压力p或者温度T。当由于传感器出错而不拥有直接可得到的关于压力和/或温度的信息时，于是可以应用后者。这样的模型在现在已经在许多情形中在发动机控制系统中被实现了。这些值-三重组（S_roh，p，T）于是可以借助上面描述的方法来分析，其中S_roh表示未经校正的传感器信号。
为了最小化测量噪声，可以规定，为了记录在时间上例如借助低通滤波器对传感器信号和/或运行点参数进行滤波和/或相应地将在预先确定数量的测量值上的平均值作为经平滑的平均值来构造。
如果在废气反馈阀关闭后经过一个可运用的延迟时间之后才执行氧气传感器的输出信号和运行点参数的检测，则可以保证，通过了至少一定的空气量并且调整出与纯空气的氧气分压相应的氧气分压。因此，可以最小化误差。此外，利用该延迟时间也可以消除可能存在的、在运行条件变换时的起振过程，其否则同样会使得结果失真。该可运用的延迟时间在此可以针对在空气输入通道中的几何情况。
有利的是，有目的地为了检测氧气传感器的输出信号和运行点参数，在确定的时间和/或在达到内燃机的确定运行状态时关闭废气反馈阀。由此，适配于适应要求，运行点可以被调整为有效的，也即不仅仅在取决于驾驶者的瞬间愿望的推动运行中，而且也在在减小驾驶者影响方面特别有利的运行阶段中，或者当应该记录其他运行点参数时。
在先前所描述的方法变型方案中，可以规定，描述取决于测量性物理参量的传感器信号的传感器特性曲线作为拉姆达值的、拉姆达的倒数或者其他与氧气浓度相关的参量的函数来描述。因此，可以使用不同传感器类型，例如宽度拉姆达探测或者NOx传感器作为氧气传感器。
在一个有利的方法变型方案中被证实为有利的是，通过校正系数F(p)按照下式来描述氧气传感器的压力相关性
，其中针对传感器特性曲线，p定义测量的或者由模型导出的压力，p0定义指定的标称压力，并且k表示校正数。当氧气传感器在压力p＝p0处运行时，该系数取值1。借助校正数，可以参数化校正系数F(p)。
该方法的有利的应用，如在其变型方案中描述过的，规定从氧气传感器的传感器信号中计算氧气浓度、拉姆达值或与其相关的参量，以便在内燃机中保证优化的拉姆达调节和有害物质排放的减少。在此，该使用不仅仅限于在车辆中的内燃机。
涉及装置的任务通过如下方式来解决，将氧气传感器与发动机控制装置连接，其中，如先前借助其变型方案所描述过地，该方法的功能在发动机控制装置中被实现并且具有相应的存储单元用于存储输出信号和运行点参数以及计算单元用于确定对于传感器特性的一个或多个特征参量的校正参量。在此，该功能可以被用作软件，这在更新时带来优点。因此可以保证车载诊断，如立法者尤其是针对车辆中的内燃机的运行所规定的。
因此，尽管完全不同的环境条件，市场上常见的宽度拉姆达探测器或者NOx传感器（如其通常在内燃机的废气通道中所安装的）可以作为氧气传感器在内燃机的空气输入通道中被安装并且被运行。
附图说明
下面借助在图中所示的所示的实施例进一步阐述本发明。其中：
图1以示意图示出了技术环境，在其中可以应用本发明的方法。
具体实施方式
图1以示意图也即非常简化地示例性示出技术环境，在其中可以应用本发明。以柴油发动机的形式示出了内燃机10，其具有燃料配给系统11、输入空气流21所导入的空气输入通道20、以及内燃机10的废气流32所导入的废气通道30。
沿着空气输入通道20，在输入空气流21的流动方向上设置有涡流增压机22的压缩段23和节流阀24。废气反馈25通过废气反馈阀26将空气输入通道20与废气通道30连接。此外，在空气输入通道20中设置有氧气传感器27，其例如可以被构造为宽度拉姆达探测或者被构造为NOx传感器。
在废气流32的流动方向上，在内燃机10之后示出了涡流增压机22的废气涡轮机31以及作为废气再处理系统40的组成部分的第一废气探测器43、柴油机氧化催化器形式的氧化催化器41、第二废气探测器44、以及柴油机颗粒过滤器形式的颗粒过滤器42。废气探测器43、44可以被实施为拉姆达探测器。
通过空气输入通道20可以给内燃机10输入新鲜空气。该新鲜空气在此由涡流增压机22的压缩段23压缩，其中涡流增压机22通过废气涡轮机31被废气流32驱动。通过节流阀24可以调整所输入的空气量。为了减少有害物质，通过废气反馈25以与内燃机10的运行参数有关的量给输入空气流21混合来自废气通道30的废气。废气反馈速率在此可以借助废气反馈阀26来调整。
在示例性示出的废气再处理系统40中，由内燃机10排放的有害物质被转化或者被过滤。这样，在氧化催化器41中碳氢化合物以及一氧化碳被氧化，而颗粒过滤器42将碳颗粒挡住。同样可以设想用于废气再处理系统40的其他装置或者其他类型的内燃机10。
为了运行内燃机10和废气再处理系统40，为此所需的控制和调节功能集成在发动机控制装置50中。氧气传感器27的信号以及废气探测器43、44的信号为此输入给发动机控制装置50。相应于这些信号并且在考虑其他数据的情况下，在所示的例子中操控节流阀24、燃料配给系统11和废气反馈阀26。
为了补偿在氧气传感器27的输出信号中的温度和压力相关性，按照本发明方法规定，在内燃机10的一个或多个运行点处在废气反馈阀26关闭的情况下检测在氧气传感器27的输出信号以及其他运行点参数并且将其存储并且在假定气体成分相应于纯空气气体成分的情况下由此导出氧气传感器27的特征参量的适应。
该方法在此利用了：在空气输入管道20中的氧气传感器27在废气反馈阀26关闭的情况下暴露于纯空气中。与在废气管道30中的状况不同，因此经常有如下运行点，在其中氧气传感器被暴露于静止的并且相对高的纯空气流中。此外，使得运行点可以适配于适应要求地被调整为有效的。相反，例如上述的废气探测器43、44的探测器在废气通道30中仅仅在推动运行期间、也即根据驾驶者的瞬间愿望被暴露在纯空气中。
视单独或者组合地实施而定，该方法针对下面的、取决于传感器样本的传感器特性来适应校正参量（其中对于所述传感器特性事先仅仅知道一个范围、但是不知道精确的值）：
·特性曲线斜率
·温度相关性和
·压力相关性。
此外，该方法包括将适应的校正参量应用到传感器信号上，其中目标是获得要测量的物理参量拉姆达或者氧气浓度的精确信号。
在有利的方法变型方案中该适应方法包括下面的子步骤：
1. 定义校正参量以及确定函数关系，借助该函数关系能够将其应用到传感器信号上。  
2. 记录在多个运行点处的测量值以及
3. 执行用于确定经适应的校正参量的适应方法。
在第1步骤中，确定校正参量。在有利的方法变型方案中，是下面的校正参量：
·用于特性曲线斜率的数F_KL
·用于温度相关性的多项式P_T(T)和
·用于压力相关性的数k。
它们按照下面的校正函数被应用到传感器信号上：
Figure 2013100489916100002DEST_PATH_IMAGE004
其中
S_roh是未经校正的传感器信号
S_korr是经校正的传感器信号
p是在传感器安装地点的压力
p0是针对其指定了传感器特性曲线的压力，以及
T是传感器温度。
在第2步骤中，记录在多个运行点处的值S_roh,p和T，其中废气反馈阀26关闭。在关闭废气反馈阀26后一定的等待时间之后才开始所述记录，以便确保在氧气传感器27的安装地点处流过纯空气。此外，为了消除噪声以合适的方式对这些值进行过滤，例如通过低通滤波器或者在一定时间段上的平均值构成来实现。如果在氧气传感器27的安装地点附近没有压力和/或温度传感器可以利用，对于这些值可以采用建模方法的输出值来用于压力p和/或用于温度T。但是通常，温度T从氧气传感器27的内阻来确定。由此，得到一系列值-三重组（S_roh，p，T）。
上面描述的校正参量F_KL,P_T(T)和k在第3步骤中借助适应方法被确定。这基于下面的考虑进行：
Figure 2013100489916100002DEST_PATH_IMAGE006
其中值S_Luft是针对纯空气的指定的传感器特性曲线的值。
值-三重组（S_roh，p，T）的测量一般遭受不同的干扰影响，例如由于环境调节在测量期间的变化、压力或温度测量或建模的不精确性、空气的碳氢化合物污染等等。因此，有益的是，通过记录尽可能多的来自第2步骤的值-三重组来确定针对F_KL,P_T(T)和k的超定的等式组并且在合适的回归方法的意义上对其进行求解。这样的方法例如可以是最小方差方法或者其他在文献中描述的方法。
通过在线地执行这样的适应方法并且借助任意新记录的值-三重组进行更新，得到了对于所搜寻的校正参量的适应方法。

Claims (13)

1. 用于分析在内燃机（10）的空气输入通道（20）中的氧气传感器（27）的信号的方法，其中空气输入通道（20）通过具有至少一个废气反馈阀（26）的废气反馈装置（25）与内燃机（10）的废气通道（30）连接并且氧气传感器（27）在空气输入通道（20）中被设置在废气反馈导入的下游，其中传感器信号根据一个特征参量或者多个特征参量被校正，其描述传感器信号与氧气浓度或与其相关的参量和/或与其他物理参量的相关性，其特征在于，在废气反馈阀（26）关闭时在内燃机（10）的一个或多个运行点上检测氧气传感器（27）的输出信号以及其他运行点参数并且将其存储并且在假定气体成分相应于纯空气气体成分的情况下由此导出氧气传感器（27）的特征参量的适应。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述其他的物理参量是传感器的地点处的压力p和/或是传感器温度T，其中所述其他的物理参量对于传感器信号的作用通过特征参量来描述。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，特征在于，从氧气传感器（27）的输出信号以及其他运行点参数根据氧气浓度、描述温度相关性的多项式P_T(T)的系数、描述传感器信号与压力p的相关性的压力p的校正数k、或者前述的校正项的任意组合来计算用于传感器特性曲线的特性曲线斜率F_KL的校正参量，借助所述校正项可以通过校正函数校正氧气传感器（27）的输出信号。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，借助超定的等式组、用于减少残余偏差的优化方法、回归方法或递归的最小平方算法来确定校正项。
5. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，为了检测和存储工作点参数，测量或者模型式地确定在传感器安装地点处或在其附近的压力p和温度T。
6. 根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在时间上对传感器信号和/或运行点参数进行滤波和/或相应地在预先确定数量的测量值上来构造平均值。
7. 根据权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，在废气反馈阀（26）关闭后经过一个可运用的延迟时间之后才执行氧气传感器（27）的输出信号和运行点参数的检测。
8. 根据权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，有目的地为了检测氧气传感器（27）的输出信号和运行点参数，在确定的时间和/或在达到内燃机（10）的确定运行状态时关闭废气反馈阀（26）。
9. 根据权利要求3-8之一所述的方法，其特征在于，根据拉姆达值、其倒数或者其他与氧气浓度相关的参量来描述传感器特性曲线的氧气浓度相关性。
10. 根据权利要求3-8之一所述的方法，其特征在于，通过校正系数F(p)按照                                               
Figure 2013100489916100001DEST_PATH_IMAGE002
来描述氧气传感器（27）的压力相关性，其中p描述测量的或者由模型导出的压力，p0描述针对其定义了传感性特性曲线的、指定的标称压力，并且k描述校正数。
11. 根据前述权利要求之一所述的方法用于从氧气传感器（27）的传感器信号计算氧气浓度、拉姆达值或与其相关的参量的应用。
12. 用于分析在内燃机（10）的空气输入通道（20）中的氧气传感器（27）的信号的装置，其中空气输入通道（20）通过具有至少一个废气反馈阀（26）的废气反馈装置（25）与内燃机（10）的废气通道（30）连接并且氧气传感器（27）在空气输入通道（20）中被设置在废气反馈导入的下游，其中氧气传感器（27）的一个特征参量或者多个特征参量可被适应，其特征在于，在发动机控制装置（50）中实现按照权利要求1至9之一所述方法的功能并且其具有相应的存储单元用于存储输出信号和运行点参数以及计算单元用于确定对于传感器特性的一个或多个特征参量的校正参量。
13. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述氧气传感器（27）被构造为宽度拉姆达探测器或者被构造为NOx传感器。
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