技術領域
[0001] 本
發(fā)明大體上涉及煙灰感測領域，特別地涉及監(jiān)測煙灰傳感器的功能能力。
背景技術
[0002] 目前使用差壓傳感器(也稱為“ΔP傳感器”)可以滿足EU5和US MY 2010-2012排放法規(guī)的要求。此類傳感器能通過測量排氣流中的壓力而檢測顆粒
過濾器的效率和/或故障。如果顆粒過濾器損壞，例如它開裂，則實際壓力讀數(shù)將不同于預計的讀數(shù)，由此可以診斷出故障。
[0003] 即將出臺的排放法規(guī)(EU6, US MY2013)規(guī)定相比目前的EU5和US MY 2010-2012法規(guī)顯著降低尾氣管排放的容許
水平。這種改變的結果將是差壓傳感器將不能夠可靠地(在未來法規(guī)的意義上)檢測顆粒過濾器的故障。為了穩(wěn)健地檢測導致尾氣管煙灰排放超出OBD (車載診斷)
閾值的降低的過濾效率，將需要安裝在顆粒過濾器下游的煙灰傳感器。
[0004] 各種類型的煙灰傳感器是目前已知或正在開發(fā)的。例如，
專利申請WO2007/000446公開了一種帶有至少兩個
電極的煙灰傳感器，該至少兩個電極彼此間隔較小間隙且兩者間的
電阻隨著煙灰從排氣沉積并跨接兩者間的間隙而減小。煙灰傳感器包括用于在每次測量之后燃盡煙灰
沉積物的加熱元件。美國專利申請2007/0158191描述了一種具有相同構造的煙灰傳感器，其帶有施加在電極頂部上的附加的高電阻保護層。隨著煙灰沉積在保護層上，電極之間的電阻減小。US 2009/0056416公開了一種顆粒物傳感器，其具有以面向關系布置在排氣流中的相互隔離的電極-高壓電極和檢測電極。通過測量積聚在檢測電極上的電荷或由檢測電極上電荷的積聚所產生的
電壓來測量顆粒物。我們可以想到其它煙灰傳感器，例如，測量由至少兩個電極之間的煙灰的沉積所產生的在電極之間的電容變化的傳感器，或光學煙灰傳感器。
[0005] 已經認識到，能夠檢測煙灰傳感器是否正確工作是有必要的。諸如接地
短路或
電池短路的簡單故障可以使用簡單的診斷檢查容易地檢測。當輸出傳感器
信號位于正常范圍內時，檢查傳感器的似然性/合理性(即，它是否正確工作)是更困難的。例如，煙灰傳感器可能卡滯在范圍內并且因此提供錯誤的讀數(shù)。US 2011/0015824公開了一種用于煙灰傳感器的功能診斷的方法，其中傳感器的電壓系數(shù)被測量并與存儲的無故障煙灰傳感器的電壓系數(shù)相比較。US 2006/0107730公開了一種用于監(jiān)測顆粒傳感器的功能能力的方法，其中實際測量值與預計結果相比較。如果檢測到在測量值與預計結果之間的顯著偏差，則認為傳感器有
缺陷。
[0006] 這兩種方法都具有“循環(huán)引用”的問題。這些方法的目的是檢測排氣中的過度高的煙灰量，診斷傳感器故障中的困難在于區(qū)別反映排氣的異常條件的正確(但例外的)讀數(shù)與這樣的故障。當傳感器實際上正確工作，但排氣出現(xiàn)問題時，存在檢測到傳感器故障的顯著的
風險。存在這樣的方法：該方法在煙灰層在傳感器表面上積聚期間隨時間推移而監(jiān)測煙灰傳感器信號。然而，如果煙灰傳感器布置在現(xiàn)代化的顆粒過濾器下游，則僅有很少量的煙灰將到達煙灰傳感器處。因此，將花費相對長的時間使煙灰在傳感器表面上積聚至傳感器讀數(shù)可與預測值相比較的水平。然而，在典型應用中，不可接受的是在能夠確定傳感器是否正確工作之前必須等待較長的時間。US 2006/0107730在上游煙灰過濾器再生期間監(jiān)測煙灰傳感器的行為。這里的缺點是傳感器診斷必須延遲到顆粒過濾器再生之后。
發(fā)明內容
[0007] 本發(fā)明的目的是允許更快地檢測煙灰傳感器故障。該目的由根據(jù)
權利要求1所述的方法或根據(jù)權利要求10所述的裝置實現(xiàn)。
[0008] 一種監(jiān)測響應于來自排氣流的煙灰在傳感器表面上的沉積的煙灰傳感器的功能能力的方法包括采集煙灰傳感器的測量信號并運行似然性檢查，在似然性檢查中，確定測量信號是否與預計結果一致。根據(jù)本發(fā)明，檢測是否存在來自排氣流的液體(例如水)在傳感器表面上冷凝的條件。附加地或備選地，這樣的條件具體地例如通過主動冷卻傳感器表面而產生。似然性檢查接著包括確定測量信號是否反映液體的冷凝。
[0009] 本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，來自排氣的水發(fā)生冷凝的條件通常在
冷啟動之后不久存在于燃燒
發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中。假設在發(fā)動機啟動時排氣管線是干燥的并且處于環(huán)境
溫度下，則來自熱排氣的水將在排氣管線的相對冷的壁和特別是煙灰傳感器的表面上冷凝。隨著傳感器表面接著逐漸升溫，水將在短時間之后
蒸發(fā)。水在傳感器表面上的存在反映在由煙灰傳感器輸出的測量信號中(例如，作為一
對電極之間的電阻的下降或電容的增加等)。如果在預計存在時(即，在物理環(huán)境使得冷凝應發(fā)生時)在測量信號中不存在冷凝的水的指紋，則煙灰傳感器很有可能是有缺陷的。相比以上闡述的用于煙灰傳感器診斷的方法，本發(fā)明采用的似然性檢查可以在燃燒發(fā)動機啟動之后很短時間內時進行。技術人員應理解，本發(fā)明的方法尤其很適合在
機動車輛上使用，因為冷啟動是頻繁的。因此，煙灰傳感器優(yōu)選地布置在
壓縮點火發(fā)動機的排氣管線中，并且似然性檢查優(yōu)選地在
壓縮點火發(fā)動機的冷啟動之后立即運行。
[0010] 冷凝存在的條件可以假設為在每次冷啟動之后(例如，在發(fā)動機保持關閉一定時間之后)存在。然而，根據(jù)本發(fā)明，對冷凝條件的存在的檢測包括測量或估計傳感器表面上的溫度。應當指出，可以直接在傳感器表面上測量溫度。備選地，可以在排氣系統(tǒng)的另一個
位置處測量溫度，并且可以接著基于描述排氣系統(tǒng)的熱性質的數(shù)學模型而估計傳感器表面上的溫度。該模型可以考慮例如排氣管線的材料的
熱容量、排氣的
質量流量、外部溫度等。另一種可能是使用發(fā)動機參數(shù)(例如，噴射的
燃料的量、空氣質量流量、EGR率、發(fā)動機效率等)作為數(shù)學模型的輸入參數(shù)來估計傳感器表面的溫度，其中該模型提供作為發(fā)動機參數(shù)的函數(shù)的煙灰傳感器表面溫度的演化。
[0011] 優(yōu)選地，該方法還包括檢測液體從傳感器表面蒸發(fā)的條件的存在。檢測蒸
發(fā)條件的存在可包括對傳感器表面上的溫度的測量或估計，其可以與檢測冷凝條件的存在相同的方式實現(xiàn)。附加地或備選地，該方法還可包括例如通過加熱煙灰傳感器表面而專
門產生這樣的條件。似然性檢查接著可包括確定測量信號是否反映液體的蒸發(fā)。例如，如果來自排氣的水的冷凝轉化為由煙灰傳感器輸出的測量信號的下降，則水的后續(xù)蒸發(fā)將導致測量信號的上升。如果測量信號表現(xiàn)出不但下降而且隨后上升，則提高了傳感器正正常工作的可能性。
[0012] 似然性檢查可以在每次檢測到存在液體冷凝的條件時運行。冷凝物可以在除啟動之外的其它時間形成于傳感器表面上。在機動車輛中，排氣系統(tǒng)可以充分地冷卻以允許在不存在燃料噴射的“長的”下坡段之后冷凝。
[0013] 優(yōu)選地，如果似然性檢查在預定次數(shù)的連續(xù)運行中失敗，則輸出指示煙灰傳感器故障的警告信號。警告信號可以在似然性檢查僅失敗一次之后輸出。然而，優(yōu)選地，警告信號在似然性檢查已連續(xù)失敗至少兩次之后輸出。
[0014] 有利地，通過例如在預定時間間隔處或在壓縮點火發(fā)動機關閉之后加熱傳感器表面而吹掃掉沉積在煙灰傳感器的傳感器表面上的煙灰。為此，煙灰傳感器可配有加熱元件(例如，加熱導體)。此類加熱元件接著也可用來加熱傳感器表面，以便蒸發(fā)冷凝的液體。
[0015] 本發(fā)明的一個方面涉及包括指令的
計算機程序(產品)，該指令在由處理器(例如，煙灰傳感器
控制器的處理器)執(zhí)行時使處理器實施如上文所述的方法。
[0016] 本發(fā)明的另一個方面涉及一種用于壓縮點火(即柴油)發(fā)動機的排氣處理裝置，該裝置包括響應于來自排氣流的煙灰在傳感器表面上的沉積的煙灰傳感器和傳感器控制器(例如，
微處理器、專用集成
電路、
現(xiàn)場可編程門陣列等)，該傳感器控制器可操作地連接煙灰傳感器以接收來自煙灰傳感器的測量信號并且被構造成運行包括確定測量信號是否與預計結果一致的似然性檢查。傳感器控制器被構造成檢測來自排氣流的諸如水的液體在傳感器表面上的冷凝的存在和/或產生冷凝的條件，并且似然性檢查包括確定測量信號是否反映液體的冷凝。如果傳感器控制器被構造成主動產生液體冷凝的條件，則煙灰傳感器優(yōu)選地包括由傳感器控制器控制的冷卻器以降低傳感器表面的溫度。
[0017] 有利地，傳感器控制器被構造成檢測液體從傳感器表面蒸發(fā)的條件的存在和/或實現(xiàn)這種條件。在這種情況下，似然性檢查包括確定測量信號是否反映液體的蒸發(fā)。
[0018] 排氣處理優(yōu)選地包括布置在煙灰傳感器上游的顆粒過濾器。
[0019] 煙灰傳感器優(yōu)選地包括加熱元件(例如，加熱導體)以使液體從傳感器表面蒸發(fā)和/或吹掃掉沉積在傳感器表面上的煙灰。
[0020] 排氣處理裝置可包括可操作地連接到傳感器控制器的溫度傳感器，傳感器控制器被構造成基于從溫度傳感器接收的溫度信號而估計傳感器表面上的溫度。備選地，傳感器控制器可以可操作地連接
發(fā)動機控制單元以接收壓縮點火發(fā)動機的溫度數(shù)據(jù)和/或操作數(shù)據(jù)。傳感器控制器可接著基于從發(fā)動機控制單元接收的數(shù)據(jù)估計傳感器表面上的溫度?？蛇x地，傳感器控制器可以完全地或部分地一體化在發(fā)動機控制單元中。傳感器控制器和發(fā)動機控制單元可因此共同承擔當執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法時所執(zhí)行的任務。例如，發(fā)動機控制單元可被構造成計算用來與測量信號相比較的預計值，以檢查測量信號的似然性。這被視為有利的
實施例，因為發(fā)動機控制單元通常具有對于確定傳感器表面上的條件是否使得液體可以在其上面冷凝所需的所有可供使用的相關數(shù)據(jù)和參數(shù)。
[0021] 傳感器控制器優(yōu)選地被構造成在似然性檢查在預定次數(shù)的連續(xù)運行中失敗時輸出警告信號。
附圖說明
[0022] 本發(fā)明的另外的細節(jié)和優(yōu)點將從參照附圖的非限制性實施例的以下詳細描述顯而易見，在附圖中：圖1是煙灰傳感器的示意性透視圖；
圖2是帶有其進氣通道和其排氣系統(tǒng)的壓縮點火發(fā)動機的示意性布局；
圖3是示出在標準化的駕駛循環(huán)期間的煙灰傳感器的測量信號的坐標圖。
具體實施方式
[0023] 圖1示出根據(jù)已知的原理(參見例如US 2011/0015824以供參考)工作的煙灰傳感器10的示例。煙灰傳感器10包括形成暴露于排氣的傳感器表面14的絕緣基底12(例如由陶瓷制成)。
測量電極16布置成在傳感器表面14上以交叉構型彼此分離。只要傳感器表面14不含煙灰粒子，電極16就彼此電絕緣。當煙灰粒子18沉積在傳感器表面14上時，它們最終跨接電極16之間的間隙，從而響應于施加在電極16之間的電壓而允許
電流在電極16之間流動。沉積在傳感器表面14上的煙灰粒子越多，在電極16之間形成的導電通道就越多，并且測量的電流越高。煙灰傳感器包括布置成與基底12熱傳導
接觸的加熱元件20。為了吹掃掉傳感器表面14的煙灰，煙灰傳感器10被加熱至使得煙灰被排氣中包含的殘余
氧氧化的溫度。煙灰傳感器10的材料選擇成能經受煙灰的燒盡溫度。
[0024] 煙灰傳感器10還包括連接到電極16和加熱元件20的傳感器控制器22，以便控制其操作。該傳感器備選地在積聚和再生模式下操作。在積聚模式期間，煙灰粒子18沉積在傳感器表面14上，這改變了電極16之間的電阻。在積聚模式下，傳感器控制器22嘗試驅動預定電流流過電極16并測量所得電壓。在電流保持恒定時，
輸出電壓改變。在再生模式期間，傳感器控制器22驅動電流流過加熱元件20。傳感器由此被加熱至煙灰的燃盡溫度，從而將煙灰從傳感器表面14除去。
[0025] 傳感器控制器22被構造成導出排氣中的煙灰的濃度(例如，以檢測布置在煙灰傳感器上游的顆粒過濾器的過濾效率的任何損失)以及診斷煙灰傳感器本身。傳感器診斷包括電池短路、接地短路和開路檢測。此外，傳感器控制器22執(zhí)行似然性檢查以檢測其它類型的錯誤，例如煙灰傳感器是否卡滯在范圍內。
[0026] 似然性檢查包括比較煙灰傳感器的測量信號與其預計行為。特別地，傳感器控制器22基于在煙灰傳感器10處的物理條件確定在預計冷凝時測量信號是否反映來自排氣的水在傳感器表面14上的冷凝。當水在傳感器表面14上冷凝時，它使電極16短路，導致電極之間的電阻的顯著下降?？梢宰⒁獾?，純水是很好的絕緣體，因此電極16之間的
導電性實際上歸因于溶解于水中的雜質。在排氣管線的環(huán)境中且在排氣流的存在下，形成于傳感器表面上的小水滴被雜質充分地污染以確保電流的傳導。
[0027] 圖2示出車輛的柴油壓縮點火發(fā)動機24。發(fā)動機24包括上游連接到進氣通道28且下游連接到帶有排氣后處理的排氣系統(tǒng)30的發(fā)動機缸體26。
[0028] 進氣通道28包括用于過濾從外部吸入發(fā)動機的空氣的
空氣過濾器32、空氣質量流量傳感器34、
渦輪增壓器36、
中間冷卻器38和上游連接到進氣
歧管26a的節(jié)流
閥40。
[0029] 排氣系統(tǒng)30包括下游連接到發(fā)動機的
排氣歧管26b的
渦輪增壓器36的渦輪42、氧化催化劑裝置44和布置在尾氣管48上游的柴油顆粒過濾器46。
[0030] 圖2的排氣系統(tǒng)30配有若干用于檢測相關排氣參數(shù)的傳感器。溫度傳感器50測量在
渦輪增壓器渦輪28的出口處的排氣溫度。煙灰傳感器10布置在顆粒過濾器46下游的尾氣管中。煙灰傳感器可以為此前參照圖1討論的電阻式，但它也可以是另一種類型(例如，電容式)，前提條件是冷凝在傳感器表面上的水反映由煙灰傳感器輸出的測量信號。
[0031] 發(fā)動機24還配有包括EGR閥54和EGR冷卻器56的排氣再循環(huán)(EGR)裝置52。EGR通過使排氣的一部分再循環(huán)回發(fā)動機缸體26的
燃燒室而工作。由于
柴油發(fā)動機通常以過量的空氣操作，它們能以非常高的EGR率操作，尤其是在低負載下，此時否則將存在非常大量的過量空氣。
[0032] 發(fā)動機包括發(fā)動機控制單元58，例如微處理器、
專用集成電路、現(xiàn)場可編程門陣列等，其控制發(fā)動機24的不同部件的操作，特別是燃料噴射器(未示出)、
節(jié)流閥40、EGR裝置52。發(fā)動機控制單元58連接到各種傳感器，例如空氣質量流量傳感器34、溫度傳感器50。
圖中并未示出發(fā)動機控制單元58可以連接到的所有傳感器。發(fā)動機控制單元58還連接到煙灰傳感器10的傳感器控制器22。
[0033] 發(fā)動機控制單元58監(jiān)測由溫度傳感器50測量的溫度。該溫度信號也提供至傳感器控制器22。傳感器控制器接著基于由溫度傳感器50測量的溫度和描述排氣系統(tǒng)的熱性質(例如，排氣管線的材料的熱容量、排氣的質量流量、外部溫度等)的數(shù)學模型來估計煙灰傳感器表面上的溫度。如果溫度估計達到或低于
露點，則傳感器控制器預計在測量信號中檢測到冷凝水的“指紋”。
[0034] 在發(fā)動機24的冷啟動之后，水蒸氣將在排氣系統(tǒng)壁和傳感器表面上冷凝。結果，傳感器輸出電壓將顯著降低，尤其是在還沒有煙灰積聚在傳感器10上時。隨著發(fā)動機和整個排氣系統(tǒng)變熱，傳感器表面的溫度將最終超出露點。傳感器將變干并且將具有與沉積在傳感器表面上的煙灰的量一致的
輸出信號。
[0035] 圖3示出在從發(fā)動機24的冷啟動開始20分鐘的時間間隔期間煙灰傳感器10的測量信號的演化。在初始干燥的排氣系統(tǒng)的情況中，由傳感器控制器22運行的似然性檢查包括檢測1) 緊接在發(fā)動機啟動之后由于水在傳感器表面上的冷凝導致的測量信號61(傳感器輸出電壓，由虛線表示)中的下降(在60處示出)；
2) 當溫度估計指示達到露點時測量信號增加(在62處示出)至其初始值；
3) 由于煙灰粒子的積聚導致的測量信號隨時間推移的略微減小(在64處示出)。
[0036] 似然性檢查的(可選的)第三部分需要知道煙灰傳感器10的“正?！毙袨?。該部分應僅用作似然性檢查的其它部分的補充，因為否則將難以分辨煙灰傳感器上游的顆粒過濾器46的故障與煙灰傳感器本身的故障。
[0037] 在圖3的示例中，虛線66表示由傳感器控制器基于溫度信號、作為輸入接收的諸如噴射到
氣缸中的燃料的當前量的其它參數(shù)預測的測量信號的行為。傳感器電壓61在約600s之后的急劇下降表明上游顆粒過濾器的故障。在這樣的情況下(即，如果在預測信號和實際測量信號之間存在顯著的不一致)，傳感器控制器22輸出指示異常高的煙灰濃度(或顆粒過濾器的故障)的警告信號。如果煙灰傳感器未通過似然性檢查，則傳感器控制器輸出指示煙灰傳感器未像應該那樣工作的警告信號。應當指出，圖3所示任何數(shù)值、曲線的形態(tài)等僅用于舉例說明目的。測量信號和預測信號的實際形態(tài)將取決于所用煙灰傳感器的類型和對測量信號的任何處理(例如，縮放、反相、偏差校正、平滑化等)。
[0038] 似然性檢查還可包括檢測測量信號在煙灰傳感器的再生(即，煙灰的燃盡)期間是否按預計變化。
[0039] 應當指出，并不總是需要測量或估計傳感器表面上的溫度。例如，傳感器控制器22可被構造成預計測量信號在發(fā)動機的每次冷啟動之后的下降和隨后上升(在預定時間間隔內)。(發(fā)動機控制單元58可將冷啟動正發(fā)生的指示提供給傳感器控制器22)煙灰傳感器10也可配有由傳感器控制器22控制的冷卻元件(例如，熱電冷卻器)。傳感器控制器可接著不時地開啟冷卻元件并檢測是否因此而發(fā)生水的冷凝。類似地，代替估計傳感器表面14的溫度由于排氣的熱量和整個排氣系統(tǒng)30的加熱而超出露點的時間，傳感器控制器22可通過相應地控制加熱元件20(參見圖1)而主動地引起水的蒸發(fā)。具有干燥傳感器表面的目的的這樣的加熱可以比為燃盡煙灰沉積物而進行的加熱顯著更短和/或強度更低。
[0040] 傳感器控制器22有利地在每次發(fā)動機停止之前將最后一次煙灰傳感器輸出存儲到
存儲器中，以便檢測在發(fā)動機重新啟動之后的任何變化。
[0041] 似然性檢查的穩(wěn)健性的先決條件是冷凝水在測量信號中產生顯著變化。如果傳感器表面在測量開始時已經基本上載滿煙灰，則水將對測量信號產生較小影響，這使得傳感器控制器更難以評價煙灰傳感器是否正確工作。因此，建議傳感器表面在每次發(fā)動機啟動時相對清潔?？赡苄枰l繁的傳感器再生以避免傳感器在影響似然性檢查的穩(wěn)健性的煙灰積聚水平下的長時間操作。
[0042] 這種似然性檢查的重要優(yōu)點在于，它可以在啟動之后立即進行。依賴于由煙灰積聚導致的預計信號變化的此前的似然性檢查花費顯著更長的時間。此外，這些似然性檢查直到
凝結階段之后才能開始。利用根據(jù)本發(fā)明的似然性檢查，可以在顯著更短的時間之后獲得可靠得多的測試結果。
[0043] 然而，應當指出，水冷凝物可以在除啟動之外的其它時間形成于傳感器表面上。存在這樣的駕駛情況，例如長距離下坡，其中排氣系統(tǒng)可以足夠地冷卻以允許冷凝。當這樣的情況發(fā)生時，傳感器控制器可以抓住運行“計劃外的”似然性檢查的機會。
[0044] 和所有其它診斷一樣，似然性檢查優(yōu)選地在每個駕駛循環(huán)時運行。
[0045] 在不脫離所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明的所述實施例的各種
修改和變型對于本領域的技術人員將顯而易見。雖然已結合具體的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應當理解，要求保護的本發(fā)明不應不當?shù)鼐窒抻诖祟惥唧w實施例。
[0046] 圖例：10 煙灰傳感器
12 基底
14 傳感器表面
16 測量電極
18 煙灰粒子
20 加熱元件
22 傳感器控制器
24 柴油發(fā)動機
26 發(fā)動機缸體
26a
進氣歧管26b 排氣歧管
28 進氣通道
30 排氣系統(tǒng)
32 空氣過濾器
34 空氣質量流量傳感器
36 渦輪增壓器
38 中間冷卻器
40 節(jié)流閥
42 渦輪增壓器渦輪
44 氧化催化劑
46 柴油顆粒過濾器
48 排氣管
50 溫度傳感器
52 EGR裝置
54 EGR閥
56 EGR冷卻器
58 發(fā)動機控制單元
60 由于傳感器表面上的水導致的測量信號中的下降
61 測量信號
62 由于水的蒸發(fā)導致的測量信號中的增加
64 由于煙灰粒子的積聚導致的測量信號中的減小
66 預計的測量信號
