用於加熱氧傳感器的控制系統和方法
2023-05-31 16:29:36 2
專利名稱：用於加熱氧傳感器的控制系統和方法
技術領域：
本公開涉及發動機的氧傳感器和排氣系統，更具體地涉及用於加熱氧傳感器的控制系統和方法。
背景技術：
本文提供的背景描述用於大體介紹公開的內容。當前署名的發明人的工作，在本背景技術部分所描述的範圍內以及在提交時可能不作為現有技術的說明書的方面，都既不明確也不暗示地視為相對於本公開的現有技術。內燃發動機燃燒空氣和燃料的混合物以產生扭矩。燃燒所產生的排氣在排到大氣中前通過排氣系統。通常，排氣系統包括測量排氣中的氧水平的氧傳感器。基於氧水平確定發動機的空氣/燃料(A/F)比，基於A/F比控制發動機。隨著時間的過去，排氣中的顆粒可在氧傳感器上聚積，增加了氧傳感器的響應時間。氧傳感器的響應時間是在A/F比變化後、在氧傳感器對A/F比的變化做出響應前所經過的時間量。最終，在氧傳感器上的沉積物可完全削弱氧傳感器檢測氧的能力。當響應時間超過了可接受的界限時，或當氧傳感器檢測氧的能力被完全削弱時，氧傳感器可被更換。
發明內容
控制系統包括溫度確定模塊和加熱器控制模塊。溫度確定模塊確定發動機排氣系統中的氧傳感器的溫度。通過激勵氧傳感器的加熱元件來將氧傳感器的溫度提高到大於 800攝氏度，加熱器控制模塊施加熱循環來燃燒氧傳感器上的沉積物。此外，本發明還涉及以下技術方案。1. 一種控制系統，包括
確定發動機排氣系統中的氧傳感器的溫度的溫度確定模塊；以及加熱器控制模塊，所述加熱器控制模塊通過激勵所述氧傳感器的加熱元件來將所述氧傳感器的溫度提高到大於800攝氏度，從而施加熱循環來燃燒所述氧傳感器上的沉積物。2.如技術方案1的控制系統，其特徵在於，所述加熱器控制模塊施加所述熱循環持續預先確定的時間段。3.如技術方案1的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於所述加熱元件的電阻確定所述氧傳感器溫度的溫度確定模塊。4.如技術方案3的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於提供給所述加熱元件的電壓和電流確定所述加熱元件的電阻的電阻確定模塊。5.如技術方案1的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於發動機操作情況和車輛行駛裡程中的至少一個而命令所述加熱器控制模塊施加熱循環的第一循環模塊。6.如技術方案5的控制系統，其特徵在於，所述第一循環模塊基於發動機的進氣系統中的質量空氣流量命令所述加熱器控制模塊施加熱循環。7.如技術方案5的控制系統，其特徵在於，所述第一循環模塊基於發動機何時起動而命令所述加熱器控制模塊施加熱循環。8.如技術方案1的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於所述氧傳感器的響應時間而命令所述加熱器控制模塊施加熱循環的第一循環模塊。9.如技術方案8的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於發動機的空氣/燃料 (A/F)比確定所述氧傳感器的響應時間的響應時間確定模塊。10.如技術方案9的控制系統，其特徵在於，進一步包括基於由所述氧傳感器指示的氧水平確定發動機的A/F比的A/F比確定模塊。11. 一種方法，包括
確定發動機的排氣系統中的氧傳感器的溫度；以及
通過激勵所述氧傳感器的加熱元件來將所述氧傳感器的溫度提高到大於800攝氏度來施加熱循環以便燃燒所述氧傳感器上的沉積物。12.如技術方案11的方法，其特徵在於，進一步包括施加所述熱循環持續預先確定的時間段。13.如技術方案11的方法，其特徵在於，進一步包括基於所述加熱元件的電阻確定所述氧傳感器的溫度。14.如技術方案13的方法，其特徵在於，進一步包括基於提供給所述加熱元件的電壓和電流確定所述加熱元件的電阻。15.如技術方案11的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機操作情況和車輛行駛裡程中的至少一個施加所述熱循環。16.如技術方案15的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機的進氣系統中的質量空氣流量施加所述熱循環。17.如技術方案15的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機何時起動而施加所述熱循環。18.如技術方案11的方法，其特徵在於，進一步包括基於所述氧傳感器的響應時間施加所述熱循環。19.如技術方案18的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機的空氣/燃料(A/ F)比確定所述氧傳感器的響應時間。20.如技術方案19的方法，其特徵在於，進一步包括基於由所述氧傳感器指示的氧水平確定發動機的A/F比。本公開的其它的應用領域將從下面的詳細介紹中變得清楚。應該理解的是，詳細介紹和具體實施例僅用於說明目的，不是旨在限制公開的範圍。
從詳細說明和附圖將更全面地理解本公開，其中
圖1是根據本公開原理的發動機系統的示例的功能框圖； 圖2是根據本公開原理的發動機控制系統的示例的功能框圖； 圖3是示出根據本公開原理的用於加熱發動機的排氣系統中的氧傳感器的方法的流程圖。圖4是根據本公開原理的用於評估加熱氧傳感器的控制系統和方法的測試系統的功能框圖。圖5是示出根據本公開原理的用於加熱氧傳感器的控制系統和方法的有效性的圖。
具體實施例方式下述介紹在本質上僅僅是說明性的，不是旨在限制本公開、其應用或用途。為了清楚，圖中將使用相同的標號來標示相同的元件。如本文所用，短語A、B和C中的至少一個應被理解為表示邏輯(A或B或C)，使用非排它性邏輯或。應該理解的是，方法中的步驟可以不同的順序執行，而不改變本公開的原理。如本文所用，術語模塊可指包括以下部件或是其一部分專用集成電路(ASIC)、 電路、組合邏輯電路、現場可編程門陣列(FPGA)、執行代碼的處理器(共享的、專用的或成組的)、提供所述功能的其它合適部件、或諸如片上系統的上述某些組合或所有的組合。術語模塊可包括存儲處理器執行的代碼的存儲器(共享的、專用的或成組的)。如上述所用，術語代碼可包括軟體、固件和/或微代碼，並且可指程序、例程、函數、類和/或對象。如上所用，術語共享意指來自多個模塊的一些或所有代碼可利用單個 (共享)處理器執行。另外，來自多個模塊的一些或所有代碼可由單個(共享)存儲器存儲。 如上所用，術語成組意指來自單個模塊的一些或全部代碼可利用一組處理器執行。另外，可利用一組存儲器存儲來自單個模塊的一些或全部代碼。本文介紹的裝置和方法可由一個或多個處理器執行的一個或多個電腦程式來實現。電腦程式包括存儲在非暫時的實體計算機可讀介質上的處理器可執行指令。電腦程式還可包括存儲的數據。非暫時的實體計算機可讀介質的非限制示例是非易失存儲器、磁存儲裝置和光存儲裝置。發動機的排氣系統通常包括氧傳感器來確定發動機的空氣/燃料(A/F)比。氧傳感器通常包括陶瓷結構和在陶瓷結構之上或之內的加熱元件。陶瓷結構包括氧離子流過的微觀孔隙。氧傳感器產生與流過孔隙的氧離子量成比例的電壓。當A/F比處於或接近化學計量點時，催化轉換器在降低排放方面是最有效率的。 因此，氧傳感器提供反饋，以便能夠進行A/F比的閉環控制。當發動機最初起動時，氧傳感器的響應時間不足以用於閉環控制A/F比，直到將氧傳感器加熱到激勵溫度。通常，激勵溫度在大約300攝氏度(°C)，或大約572華氏度(°F)。當發動機起動時，在排氣將氧傳感器加熱到該激勵溫度前，可能經過了幾分鐘。因此，使用加熱元件來比僅使用排氣加熱實現更快地提高氧傳感器的溫度。當發動機開啟時， 可控制加熱元件到固定電壓或固定溫度。加熱元件的典型控制範圍是在600°C和800°C之間。在氧傳感器的壽命期間，來自排氣的沉積物可堵塞氧傳感器的陶瓷元件中的孔隙。這些沉積物可包括碳、磷、矽、硫、鋅、鉛、錳和/或鈣。沉積物在氧傳感器的孔隙中的聚積抑制了氧傳感器使氧離子流過孔隙的能力。從而，氧傳感器的響應時間增加了。氧傳感器的響應時間是在發動機A/F比變化後、氧傳感器對A/F比的變化做出響應前所經過的時間量。當其響應時間超出了可接受的界限時，氧傳感器可被更換。根據本公開的原理的控制系統和方法運用了被動方式和主動方式來保持氧傳感器的響應時間性能。在被動方式中，施加熱循環來燃燒氧傳感器之中或之上的沉積物。在主動方式中，定期地施加熱循環以防止氧傳感器上的沉積物聚積。施加熱循環可包括將氧傳感器加熱到預先確定的溫度和/或持續預先確定的時間段。預先確定的溫度可大於加熱元件的典型控制範圍(如，大於800°C )。以此種方式保持氧傳感器的性能，減少了氧傳感器必須被更換的次數。從而，更換成本降低且客戶滿意度提升。另外，以此種方式保持氧傳感器的性能，可能對偶發高溫操作的車輛特別有益，例如帶有開始/停止和/或擴展範圍的功能的混合動力車。施加熱循環可能是防止這些車輛中的沉積物聚積的唯一方式。現在參考圖1，示出的是示例性發動機系統100的功能框圖。發動機系統100包括發動機102，發動機102基於來自駕駛員輸入模塊104的駕駛員輸入來燃燒空氣/燃料混合物以產生車輛的驅動扭矩。空氣通過節氣門閥112被吸入進氣歧管110。僅用於示例，節氣門閥112可包括具有可旋轉的葉片的蝶形閥。發動機控制模塊(ECM) 114調節節氣門閥 112的開度來控制吸入進氣歧管110的空氣量。進氣系統116包括進氣歧管110和節氣門閥 112。來自進氣歧管110的空氣被吸進發動機102的氣缸。儘管發動機102可包括多個氣缸，但為了說明目的，示出了單個代表性氣缸118。僅用於示例，發動機102可包括2、3、 4、5、6、8、10和/或12個氣缸。ECMl 14可選擇性地使某些氣缸停用，這可在某些發動機操作情況下提高燃料經濟性。發動機102可利用四衝程循環操作。以下描述的四衝程稱為進氣衝程、壓縮衝程、 燃燒衝程和排氣衝程。在曲軸(未示出)的每一轉期間，四衝程中的兩個發生在氣缸118內。 因此，氣缸118經歷所有四個衝程需要曲軸兩轉。在進氣衝程期間，來自進氣歧管110的空氣通過進氣閥122被吸進氣缸118。 ECM214控制燃料噴射器IM來調節燃料噴射，以獲得期望的A/F比。可在中央位置或多個位置將燃料噴射進入進氣歧管110，諸如各氣缸的進氣閥122附近。在各種實施方式(未示出)中，可直接將燃料噴射進入氣缸或噴射進入與氣缸關聯的混合室。燃料ECM114可停止將燃料噴射進入停止工作的氣缸。所噴射的燃料與空氣混合併在氣缸118中產生A/F混合物。在壓縮衝程期間，氣缸118內的活塞(未顯示)壓縮A/F混合物。發動機102可以是壓縮點火發動機，在此情況下氣缸118內的壓縮點燃A/F混合物。可替代地，發動機102可以是火花點火發動機，在此情況下，ECMl 14給氣缸118中的火花塞1 供能，這會點燃A/F混合物。可相對於活塞在其頂端位置(稱為上止點(TDC))的時間來限定火花的正時。ECM114可基於活塞位於TDC之前或之後多遠控制火花正時。因為活塞位置直接與曲軸旋轉相關，所以火花塞128的操作可與曲軸角度同步。在各種實現中，ECM114可停止將火花提供到停止工作的氣缸。產生火花可被稱作點火事件。ECM114可以有能力改變用於各點火事件的火花正時。當火花正時信號在上一個點火事件和下一個點火事件之間改變時，ECM114甚至可以有能力改變下個點火事件的火花正時。在燃燒衝程期間，A/F混合物的燃燒向下驅動活塞，從而驅動曲軸。燃燒衝程可限定為活塞到達TDC和活塞返回下止點(BDC)之間的時間。
在排氣衝程期間，活塞開始從BDC向上移動，並通過排氣閥130排出燃燒的副產物。燃燒副產物通過排氣系統134從車輛排出。進氣閥122和排氣閥130可由ECM114控制的凸輪軸(未示出)控制。ECM114可通過停止進氣閥122和/或排氣閥130的打開來使氣缸118停止工作。在各種其它的實現中， 進氣閥122和/或排氣閥130可由除了凸輪軸之外的設備控制，如電磁致動器。發動機系統100可包括增壓裝置，該增壓裝置向進氣歧管110提供加壓空氣。例如，圖1顯示了包括熱渦輪機160-1的渦輪增壓器，通過流經排氣系統134的熱的排氣向熱渦輪機160-1提供功率。渦輪增壓器還包括通過渦輪機160-1驅動的冷空氣壓縮機160-2， 其壓縮流入節氣門閥112的空氣。在各種實現中，通過曲軸驅動的增壓器(未示出)可壓縮來自節氣門閥112的空氣，並將壓縮空氣輸送到進氣歧管110。廢氣門162可允許排氣繞過渦輪機160-1，由此降低渦輪增壓器的增壓(進氣空氣壓縮的量)。ECMl 14可通過控制廢氣門162的位置來調整增壓。在各種實現中，ECMl 14可控制具有不同幾何形狀的渦輪增壓器和/或多個渦輪增壓器。中間冷卻器(未示出)可耗散包含在壓縮空氣充量內的一些熱量，該熱量在空氣壓縮時產生。壓縮空氣充量還可從排氣系統134的構件吸收熱。雖然為了說明目的而分開示出，但是渦輪機160-1和壓縮機160-2可以彼此附接，從而將進氣空氣置於與熱排氣緊密接近。排氣系統1；34可包括排氣再循環(EGR)閥170和催化轉換器172。EGR閥170可位於渦輪機160-1的上遊並可由ECM114控制來重新引導排氣回到進氣歧管110。催化轉換器172通過化學反應降低排氣的排放。排氣中的氧水平可利用氧傳感器174來測量。氧傳感器174可以是氧化鋯或二氧化鈦傳感器。氧傳感器174可包括陶瓷元件(未示出)和加熱元件175。氧傳感器174可位於催化轉換器172的上遊、催化轉換器172的下遊或在催化轉換器172中。當起動發動機102時，氧傳感器174的性能可能不足以閉環控制A/F比，直到氧傳感器174達到了激勵溫度，如300°C或572 0F。因此，ECM114可使用加熱元件175來比僅使用排氣加熱實現更快地加熱氧傳感器174。ECMl 14可通過控制電源176來為加熱元件175 提供功率而利用加熱元件175來加熱氧傳感器174。ECMl 14可測量發動機系統100的各種操作情況，並基於測量到的操作情況控制發動機系統100。利用電流表或電流傳感器177可測量提供給加熱元件175的電流。禾Ij用溫度傳感器178可測量排氣的溫度。利用電壓表或電壓傳感器179可測量發動機系統100的電壓。可使用RPM傳感器180測量曲軸的速度，單位是每分鐘轉數(RPM)。可利用發動機冷卻劑溫度(ECT)傳感器182來測量發動機冷卻劑的溫度。ECT傳感器182可位於發動機 102內或位於冷卻劑循環的其它位置，例如散熱器(未示出)處。可利用歧管絕對壓力(MAP)傳感器184來測量進氣歧管110內的壓力。在各種實現中，可測量發動機真空，其為環境空氣壓力與進氣歧管110內的壓力之間的差異。流入進氣歧管110中的空氣的質量流率可使用質量空氣流量(MAF)傳感器186測量。在各種實現中，MAF傳感器186可位於也包括節氣門閥112的殼體內。可利用一個或多個節氣門位置傳感器(TPQ 190測量節氣門閥112的位置。可以使用進氣空氣溫度(IAT)傳感器192來測量吸入發動機102的空氣的環境溫度。可利用車輪速度傳感器193測量由發動機系統100驅動的車輪(未示出)的旋轉速度。ECM114可利用來自這些傳感器的信號來控制發動機系統100。ECM114可與變速器控制模塊194通信以協調變速器(未示出)內的換檔。例如， ECMl 14可在換檔期間減小發動機扭矩。ECM114可與混合動力控制模塊196通信以協調發動機102和電動馬達198的操作。電動馬達198還可作為發電機使用，並可用於產生供車輛電氣系統利用和/或用於電池儲備的電能。在各種實現中，ECM114、變速器控制模塊194和混合動力控制模塊196 的各種功能可集成在一個或多個模塊中。改變發動機參數的各系統可稱為接收致動器值的致動器。例如，節氣門閥112可被稱為致動器，而節氣門開度面積可稱為致動器值。類似地，火花塞1 可被稱為致動器， 而相應的致動器值可以是相對於氣缸TDC的火花提前量。其它致動器可包括燃料噴射器124、廢氣門162和EGR閥170。對於這些致動器， 致動器值可分別對應於燃料供給速度、增壓壓力和EGR閥開度面積。ECM114可控制致動器值以促使發動機102產生期望的發動機輸出扭矩。ECMl 14可運用被動方式和/或主動方式來保持氧傳感器174的性能。在被動方式中，當氧傳感器174的響應時間大於預先確定的時間時，ECMl 14施加熱循環來燃燒氧傳感器174上的沉積物。在主動方式中，ECM114定期地施加熱循環來防止氧傳感器174上的沉積物聚積。ECMl 14通過給加熱元件175提供功率來將氧傳感器174加熱到預先確定的溫度和/或持續預先確定的時間段而施加熱循環。現在參考圖2，ECM114包括被動循環模塊200、主動循環模塊202和加熱器控制模塊204。被動循環模塊200基於氧傳感器174的響應時間命令加熱器控制模塊204來施加熱循環。主動循環模塊202基於發動機操作情況和/或車輛行駛裡程命令加熱器控制模塊 204來施加熱循環。加熱器控制模塊204通過將氧傳感器174加熱到預先確定的溫度和/ 或持續預先確定的時間段來施加熱循環。加熱器控制模塊204通過控制電源176為加熱元件175提供功率來加熱氧傳感器174。當氧傳感器174的響應時間大於預先確定的時間時，被動循環模塊200命令加熱器控制模塊204施加熱循環。被動循環模塊200從響應時間確定模塊210接收氧傳感器 174的響應時間。響應時間確定模塊210基於從A/F比確定模塊212接收到的A/F比確定氧傳感器174的響應時間。A/F比確定模塊212基於從氧傳感器174接收到的氧水平確定 A/F 比。氧傳感器174可輸出指示離開圖1的發動機102的排氣中的氧水平的電壓。A/F 比確定模塊212可從氧傳感器174接收輸出電壓，並且可基於接收到的輸出電壓確定A/F 比。例如，當輸出電壓是0.3伏(V)時，A/F比確定模塊212可確定A/F比是稀的。在另一示例中，當輸出電壓是0. 6V時，A/F比確定模塊212可確定A/F比是濃的。基於何時調節A/F比和何時氧傳感器174響應於調節，響應時間確定模塊210確定氧傳感器174的響應時間。基於從A/F比控制模塊214接收到的輸入，響應時間確定模塊210確定何時調節A/F比。A/F比控制模塊214可通過燃料噴射和/或節氣門控制調節 A/F比。基於從A/F比確定模塊212接收到的A/F比，響應時間確定模塊210確定氧傳感器174何時響應。例如，當A/F比確定模塊212輸出濃的A/F比時，響應時間確定模塊210可確定氧傳感器174響應於從稀到濃的調節。當A/F比保持在化學計量點附近時，圖1的催化轉換器172在降低排放方面可能是最有效率的。因此，除了在特殊的條件期間，如選擇了拖拉模式，可利用閉環控制調節A/ F比，其中，氧傳感器174提供反饋。在閉環控制A/F比期間，A/F比可能會從濃到稀和從稀到濃的很小百分比(如二％)地抖動。當A/F比抖動時，可能會有從A/F比控制模塊214調節 A/F比的時間到由氧傳感器174指示的A/F比反映該調節的時間滯後。該時間滯後是氧傳感器174的響應時間。氧傳感器174的典型響應時間可以是大約30毫秒(ms)。當氧傳感器174的響應時間大於預先確定的時間時，被動循環模塊200可命令加熱器控制模塊204將熱循環施加於氧傳感器174。根據排放標準，預先確定的時間可以是大約1. 5倍的可接受界限。例如，可接受界限可能是100ms，預先確定的時間可以是150ms。 在另一示例中，預先確定的時間可能在大約IOOms和大約200ms之間。被動循環模塊200 可通過將控制信號發送給加熱器控制模塊204來命令加熱器控制模塊204施加熱循環。如上所述，基於發動機操作情況和車輛行駛裡程，主動循環模塊202命令加熱器控制模塊204將熱循環施加於氧傳感器174。發動機操作情況可包括發動機是否已起動、發動機是否將要起動以及已經通過圖1的排氣系統134的空氣總量(即，積累的空氣流量)。主動循環模塊202可基於從車輪速度傳感器193接收到的車輪速度和對應車輪的直徑確定車輛行駛裡程。主動循環模塊202可基於從駕駛員輸入模塊104接收到的駕駛員輸入確定駕駛員何時起動發動機102。基於從混合動力控制模塊196接收到的輸入，主動循環模塊202可確定發動機102何時自動起動或何時將要自動起動，諸如可在起動/停止混合控制中發生。基於從MAF傳感器186接收到的質量空氣流量，主動循環模塊202可確定累積的空氣流量。基於質量空氣流量值和對應該值的時間段，主動循環模塊202可確定累積的空氣流量。例如，質量空氣流量可在第一時間段內具有第一值，在第二時間段內具有第二值。 分別基於第一值和第一時間段的乘積、第二值和第二時間段的乘積，主動循環模塊202可確定第一時間段和第二時間段的累積空氣流量。基於發動機操作情況和車輛行駛裡程，主動循環模塊202可定期起動熱循環。當每次發動機102起動或將要起動時，主動循環模塊202可起動熱循環一次或多次。例如，當駕駛員起動發動機102時、當發動機102自動起動時或者當發動機102將要自動起動時，主動循環模塊202可起動熱循環。當發動機102起動時，水可能存在於排氣系統134中，直到排氣系統134到達某溫度，通常是大約M°C。如果在這之前加熱氧傳感器174，冷凝在排氣系統134的內壁上的水可能接觸到氧傳感器中的陶瓷元件，引起陶瓷元件的水衝擊。因此，當發動機102起動時， 主動循環模塊202可避免起動熱循環，直到排氣系統134到達預先確定的溫度，或直到已經經過預先確定的時間段。每次累積的空氣流量增加預先確定的質量時，主動循環模塊202可起動熱循環一次或多次。可基於確定累積的空氣流量和氧傳感器174上的沉積物聚積之間的關系所進行的測試來確定預先確定的質量。可選擇預先確定的質量以確保氧傳感器174上的沉積物聚積不會削弱氧傳感器174的性能在可接受水平以下。例如，預先確定的質量可以是大約1百萬克空氣(1 million grams of air)。每次車輛行駛裡程增加預先確定的行駛裡程時，主動循環模塊202可起動熱循環一次或多次。例如，車輛每行駛1000英裡，主動循環模塊202可起動熱循環一次。當熱循環由被動循環模塊200或主動循環模塊202起動時，加熱器控制模塊204 將熱循環施加於氧傳感器174。加熱器控制模塊204可通過將氧傳感器174加熱到預先確定的溫度和/或持續預先確定的時間段來施加熱循環。預先確定的溫度和預先確定的時間段可通過測試確定。可進行測試來確定氧傳感器174的溫度、對應於溫度的時間段和氧傳感器174上沉積物的燃燒之間的關係。在正常操作期間，加熱器控制模塊204可控制氧傳感器174的加熱元件175到使用600°C到800°C之間的典型控制範圍的溫度。當施加熱循環時，加熱器控制模塊204可加熱氧傳感器174到可大於典型控制範圍的預先確定的溫度。例如，預先確定的溫度可大於 8000C (如，大約900°C)、大於820°C、大於840°C、大於860°C、大於880°C、大於900°C、大於 920°C、大於940°C、大於960°C或大於980°C。附加地或替代性地，加熱器控制模塊204可加熱氧傳感器174持續預先確定的時間段。例如，預先確定的時間段可以大於5分鐘(如，大約20分鐘)。加熱器控制模塊204可從溫度確定模塊206接收氧傳感器174的溫度。溫度確定模塊206基於加熱元件175的電阻和加熱元件175的電阻與氧傳感器174的溫度之間的預先確定的關係確定氧傳感器的溫度。這種關係可以等式或查詢表的形式表示。溫度確定模塊206可從電阻確定模塊208接收加熱元件175的電阻。電阻確定模塊208基於提供給加熱元件175的電壓和提供給加熱元件175的電流確定加熱元件175的電阻。電阻確定模塊208可從電流傳感器177接收提供給加熱元件 175的電流。電阻確定模塊208可假設提供給加熱元件175的電壓等於發動機系統100的電壓。電阻確定模塊208可從電壓傳感器179接收該電壓。現在參考圖3，用於加熱發動機排氣系統中的氧傳感器的方法可在300開始。在 302，方法確定發動機是否已起動或將要起動。如果302為假，方法繼續確定發動機是否已起動或將要起動。如果302為真，方法在304繼續。在304，方法確定發動機開啟的時間段是否小於第一時間段。如果304為假，方法在306繼續。如果304為真，方法在308繼續。當排氣系統中存在水時，如果加熱氧傳感器，氧傳感器可能會損傷。通常，排氣系統中存在水，直到排氣系統被加熱到大約。因此，第一時間段可通過基於用排氣加熱氧傳感器直到排氣系統中不再存在水所需的時間量的測試來預先確定。在308，方法確定累積的空氣流量。累積的空氣流量是在一段時間內已通過排氣系統的空氣的總量。累積的空氣流量可基於發動機進氣系統中的質量空氣流量傳感器指示的質量空氣流量來確定。方法在310繼續，確定累積的空氣流量是否小於預先確定的質量。 如果310為假，方法在306繼續。如果310為真，方法在312繼續。預先確定的質量可基於建立累積的空氣流量和氧傳感器上的沉積物聚積之間的關系所進行的測試來確定。預先確定的質量可對應於允許氧傳感器上的沉積物聚積的最大量。所允許的氧傳感器上的沉積物聚積的最大量可對應於氧傳感器的響應時間的可允許最大值。在312，方法確定車輛行駛裡程。方法可基於由車輪速度傳感器指示的車輪速度、車輪速度傳感器聯接的車輪的直徑和對應於車輪速度的時間段來確定車輛行駛裡程。方法在314繼續，確定車輛行駛裡程是否小於預先確定的行駛裡程。如果314為假，方法在306 繼續。如果314為真，方法在316繼續。預先確定的行駛裡程可基於將車輛行駛裡程與氧傳感器上的沉積物聚積關聯所進行的測試來確定。預先確定的行駛裡程可對應於允許氧傳感器上的沉積物聚積的最大量。所允許的氧傳感器上的沉積物聚積的最大量可對應於氧傳感器的響應時間的可允許最大值。在306，方法確定氧傳感器的加熱元件的電阻。方法可基於提供給加熱元件的電流和提供給加熱元件的電壓確定加熱元件的電阻。電流和電壓可在電源和加熱元件之間的位置測量到。可替代地，電壓和電流可在發動機的電氣系統中的其它位置測量到。方法在318繼續，確定氧傳感器的溫度。方法可基於在加熱元件的電阻和氧傳感器的溫度之間的預先確定的關係確定氧傳感器的溫度。預先確定的關係可以查詢表或等式的形式表示。方法在320繼續，激勵加熱元件來將氧傳感器加熱到預先確定的溫度。預先確定的溫度可基於確定氧傳感器的溫度和氧傳感器上沉積物的燃燒之間的關系所進行的測試確定。預先確定的溫度是氧傳感器上的沉積物燃燒的溫度。預先確定的溫度可大於800°C、 大於820°C、大於840°C、大於860°C、大於880°C⑶卩，大約900°C)、大於900°C、大於920°C、 大於940°C、大於960°C或大於980°C。在322，方法確定加熱時間段是否大於預先確定的時間段。如果322為假，方法返回到306。如果322為真，方法在316繼續。加熱時間段是氧傳感器被加熱到預先確定的溫度的時間段。預先確定的時間段可基於確定氧傳感器的溫度、對應於溫度的時間段和氧傳感器上沉積物的燃燒之間的關系所進行的測試確定。預先確定的時間段可以大於5分鐘(如，大約20分鐘)。在316，方法在濃和稀之間抖動A/F比。在閉環控制A/F比期間，方法可從濃到稀和從稀到濃小百分比地連續抖動A/F比。方法在3 繼續，監測由氧傳感器指示的氧水平。通過產生指示氧水平的電壓，氧傳感器可指示氧水平。電壓還可指示發動機的A/F比。例如，0.3V的電壓可指示高氧水平和稀A/F比。在另一示例中，0. 6V的電壓可指示低氧水平和濃A/F比。方法在3 繼續，確定A/F比。基於氧傳感器指示的氧水平，方法可確定A/F比。 方法可直接從氧傳感器產生的電壓確定A/F比。方法在3 繼續，確定氧傳感器的響應時間。氧傳感器的響應時間是A/F比被抖動的時間與由氧傳感器指示的A/F比反映該抖動的時間之間的時間滯後。當方法連續抖動 A/F比時，方法可連續地確定氧傳感器的響應時間。方法在330繼續，確定響應時間是否小於預先確定的時間。如果330為假，方法返回到306。如果330為真，方法在332繼續。預先確定的時間可以是允許閉環控制A/F 比以滿足排放標準的氧傳感器的最大響應時間。例如，預先確定的時間範圍可從IOOms到 200ms ο在332，方法確定發動機是否停止。如果332為假，方法返回到304。如果332為真，方法在334結束。
以這種方式，方法可運用主動方式和/或被動方式來保持氧傳感器的響應時間在可接受水平內。以任何一種方式，方法可不斷執行各種檢查，當各檢查滿足預先確定的標準時，將熱循環施加到氧傳感器。以主動方式，各檢查可查看發動機操作情況和車輛行駛裡程。以被動方式，各檢查可查看氧傳感器的響應時間。儘管圖3示出的方法包括用於被動方式和主動方式兩者的各種檢查，這些方式中的每一個可單獨執行，每種方式中的各種檢查的一些或全部可被省略。另外，各檢查可以異於圖3示出的順序執行。現在參照圖4，示出了測試系統400。測試系統400可被用於根據本公開的原理評估加熱氧傳感器的控制系統和方法的有效性。測試系統400包括氧傳感器174、加熱元件 175和電源176。但是，各種氧傳感器、加熱元件和電源可被運用在測試系統400中。可控制電源176來激勵加熱元件175，從而加熱氧傳感器174。電源176通過加熱器端子402、 404連接於加熱元件175。電源406可連接於氧傳感器174的信號終端408、410。可控制電源406來為信號終端408、410提供功率。從電源406供給氧傳感器174的電流可利用電流表或電流傳感器 412測量。當氧傳感器174在排氣系統中，如圖1中所示，信號終端408、410之間的電位差與擴散通過氧傳感器174的氧量成比例。流過傳感器174中的孔隙的氧離子產生電流，該電流導致信號終端408、410之間的電位差。信號終端408、410可連接於控制器，以便將信號終端408、410之間的電位差提供給控制器。然後，控制器可基於信號終端408、410之間的電位差確定排氣中的氧水平和/或A/F比。相比之下，在測試系統400中，測量提供給信號終端408、410的功率以及流經氧傳感器174的電流來確定氧傳感器174擴散氧的能力。流經氧傳感器174的電流可被稱為泵浦電流(pumping current)。信號終端410可以是輸入終端，信號終端408可以是輸出終端，泵浦電流可利用電流傳感器412測量。隨著氧傳感器擴散氧的能力降低，氧傳感器174的響應時間增加。因此，由於泵浦電流指示了氧傳感器擴散氧的能力，所以泵浦電流還指示了氧傳感器174的響應時間。下面列出的等式1提供了泵浦電流與氧傳感器174擴散氧的能力之間的關係。Ip= (4*F*D*Q*C)/L等式 1
在等式ι中，Ip表示泵浦電流，F表示法拉第常數，D表示氧傳感器174的擴散係數，Q 表示氧傳感器174的擴散面積，C表示流經氧傳感器174的氣體中的氧濃度，L表示擴散長度。擴散係數可基於用於氧傳感器174中的陶瓷元件的類型而改變。擴散係數還可基於被流經氧傳感器174的排氣的沉積物堵塞或阻礙的孔隙的數量而改變。擴散面積可以是陶瓷元件和氧傳感器174的面積。由於當氧傳感器174處於開放區域的環境中時可使用測試系統400，氧濃度可以就是空氣中氧的濃度(S卩，22%)。擴散長度可以是陶瓷元件和氧傳感器174的厚度。泵浦電流指示了氧傳感器174擴散氧(S卩，使氧離子流動通過陶瓷元件)的能力。 隨著氧傳感器174的陶瓷元件中的孔隙被堵塞，擴散係數減小，因而泵浦電流減小。相反， 隨著氧傳感器174的孔隙中的沉積物被燃燒並允許氧離子再次流經孔隙，擴散係數增加，因而泵浦電流增加。由於氧傳感器174擴散氧的能力與氧傳感器的響應時間直接相關，那麼泵浦電流與氧傳感器的響應時間直接相關。參考圖5，圖500示出了在施加熱循環之前和之後的兩氧傳感器的泵浦電流。圖 500中示出的數據可利用圖4中示出的測試系統400獲得。在施加熱循環之前和之後的第一傳感器的泵浦電流在502示出，在施加熱循環之前和之後的第二傳感器的泵浦電流在504示出。在施加熱循環之前的第一傳感器的泵浦電流在506示出，在施加熱循環之後的第一傳感器的泵浦電流在508示出。在施加熱循環之前的第二傳感器的泵浦電流在510示出，在施加熱循環之後的第二傳感器的泵浦電流在 512示出。在獲得圖500中示出的結果之前，通過加速測試，第一傳感器和第二傳感器經受了相當於150000英裡。當獲得圖500中示出的結果時，傳感器的泵浦電流被測量，熱循環被施加到傳感器，傳感器的泵浦電流被再次測量。通過將第一傳感器和第二傳感器的溫度增加到900°C持續20分鐘，熱循環被施加於第一傳感器和第二傳感器。如圖500中所示，在施加熱循環前，第一傳感器的泵浦電流大約137毫安(mA)，在施加熱循環後，第一傳感器的泵浦電流大約159mA。因此，在熱循環施加到第一傳感器後，第一傳感器的泵浦電流增加了大約22mA。在將熱循環施加到第一傳感器後，第一傳感器的泵浦電流中的這種增加表明施加熱循環減小了第一傳感器的響應時間。將熱循環施加於第二傳感器，產生了類似的結果，增加了第二傳感器的泵浦電流。 如圖500中所示，在施加熱循環前，第二傳感器的泵浦電流大約94mA，在施加熱循環後，第二傳感器的泵浦電流大約119mA。因此，在施加了熱循環後，第二傳感器的泵浦電流增加了大約20mA。如同第一傳感器，將熱循環施加到第二傳感器後，第二傳感器的泵浦電流中的這種增加表明將熱循環施加到第二傳感器減小了第二傳感器的響應時間。因此，圖500顯示，將熱循環如本公開所述施加於氧傳感器，減小了氧傳感器的響應時間，因而改善了氧傳感器的性能。本公開的寬泛的教導可以多種形式來實施。因此，儘管本公開包括特定的示例，但本公開的真實範圍不應受到此限制，因為在研究了附圖、說明書和權利要求後，本領域技術人員將清楚其它的改型。
權利要求
1.一種方法，包括確定發動機的排氣系統中的氧傳感器的溫度；以及通過激勵所述氧傳感器的加熱元件來將所述氧傳感器的溫度提高到大於800攝氏度來施加熱循環以便燃燒所述氧傳感器上的沉積物。
2.如權利要求1的方法，其特徵在於，進一步包括施加所述熱循環持續預先確定的時間段。
3.如權利要求1的方法，其特徵在於，進一步包括基於所述加熱元件的電阻確定所述氧傳感器的溫度。
4.如權利要求3的方法，其特徵在於，進一步包括基於提供給所述加熱元件的電壓和電流確定所述加熱元件的電阻。
5.如權利要求1的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機操作情況和車輛行駛裡程中的至少一個施加所述熱循環。
6.如權利要求5的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機的進氣系統中的質量空氣流量施加所述熱循環。
7.如權利要求5的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機何時起動而施加所述熱循環。
8.如權利要求1的方法，其特徵在於，進一步包括基於所述氧傳感器的響應時間施加所述熱循環。
9.如權利要求8的方法，其特徵在於，進一步包括基於發動機的空氣/燃料(A/F)比確定所述氧傳感器的響應時間。
10.如權利要求9的方法，其特徵在於，進一步包括基於由所述氧傳感器指示的氧水平確定發動機的A/F比。
全文摘要
本發明涉及用於加熱氧傳感器的控制系統和方法。控制系統包括溫度確定模塊和加熱器控制模塊。溫度確定模塊確定發動機排氣系統中的氧傳感器的溫度。通過激勵氧傳感器的加熱元件來將氧傳感器的溫度提高到大於800攝氏度，加熱器控制模塊施加熱循環來燃燒氧傳感器上的沉積物。
文檔編號F01N9/00GK102454459SQ20111034119
公開日2012年5月16日 申請日期2011年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者吉布森 B., M. 霍爾 E., L. 科奇巴 M. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司