用于自动检测在内燃发动机的排气歧管与压力传感器之间延伸的传感器管道的堵塞的方法与流程

1.本发明涉及一种用于自动检测在内燃发动机的排气歧管与压力传感器之间延伸的传感器管道的堵塞的方法。
2.本发明可以应用于中型和重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管本发明将针对卡车进行描述，但本发明不限于这种特定的车辆，而是还可以用于其他车辆，诸如公共汽车、工作机器和船只。


背景技术：

3.以已知方式，内燃发动机可以包括用于测量排气压力(也称为“背压”)的排气压力传感器并将其用作发动机的控制参数。排气压力传感器通常不直接连接到排气歧管，而是连接到与排气歧管连接的管道。该管道不应与将排气引向大气的排气管道相混淆。为避免误解，在本文中将排气压力传感器管道命名为“p3管道”。
4.排气背压是在发动机的排气阀之后且在涡轮之前在排气歧管中测量的压力。
5.该压力借助于epg(排气压力调节器，也称为排气瓣(exhaust flap))来控制，主要出于两个原因：
6.第一个原因是执行排气制动。实际上，在增加的排气背压水平下，发动机必须将排气压缩到更高的压力，这涉及附加的机械功和/或由排气涡轮提取的更少能量，这可能影响进气歧管增压压力。因此，功率将降低，导致发动机制动。
7.第二个原因是帮助发动机更快地达到正确的工作温度。随着时间的推移，排气传感器管道(或p3管道)可能被烟灰堵塞，或者可能生锈。所有这些都会降低发动机性能并降低效率。例如，部分堵塞的p3管道会使排气传感器减慢其测量。这将对不同的空气&气体致动器产生负面影响，尤其是对排气瓣。排气瓣的错误控制可能会对eats(排气后处理系统)产生严重影响。
8.jp2018048561a公开了一种用于内燃发动机的排气压力传感器管30a的堵塞检测系统和相关方法。该公开解释说，如果管30a被堵塞，则排气通道15中的排气ga的压力不会完全传递到排气压力传感器30，并且由排气压力传感器30感测的压力值p将明显小于实际压力。该公开教导了在排气制动阀22关闭时监测排气背压。通常，即，当压力传感器管畅通(未被堵塞)时，排气背压应当显着升高。如果传感器没有测量到这种压力增加，则意味着压力传感器管至少部分被堵塞。在实践中，d1教导了在排气阀制动器关闭之后由传感器测量的压力值p与预设值p1进行比较，如果p低于p1，则认为压力管道(“p3管道”)被堵塞。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种用于检测p3管道堵塞的新方法，该方法实现简单(软件解决方案)并且可以立即可用(无需任何补充硬件)。
10.jp2018048561a的方法是基于p3传感器测量，但策略与本发明的策略不同。通常，
本发明的方法在发动机水平上不是侵入性的。相反，jp2018048561a的策略涉及获得对排气瓣的控制以执行分析，而本发明的策略是完全透明的且不需要对不同的致动器进行任何特定的控制。另一个事实是，本发明的方法不包括将所测量的压力与预定值进行比较，而是分析和监测其在驾驶循环期间的行为。在该示例中，似乎竞争对手基于p3信号的绝对幅值来执行分析，而不是分析其行为，这是我们在解决方案中所做的事情。
11.这种新方法的实施方式将能够在售后市场操作中节省大量时间和金钱。该解决方案将能够执行预测性维护，并在发生更严重的问题之前通知客户(车主)需要对发动机进行干预。
12.本发明的目的通过一种用于自动检测在内燃发动机的排气歧管与压力传感器之间延伸的传感器管道的堵塞的方法来实现，其中，压力传感器能够记录表示随时间变化的相对压力的信号。根据本发明，该方法包括以下步骤中的至少一个：
13.a)当发动机在稳定操作状态下运行时，确定信号在第一时间段内的振荡的平均幅值，当所述平均幅值小于第一阈值时，传感器管道被认为被堵塞；
14.b)从发动机已经断开的时间开始，在第二时间段内监测信号，当信号在所述第二时间段内的积分大于第二阈值时，传感器管道被认为被堵塞。
15.根据本发明的有利但非强制性的方面，该方法可以包括单独或组合考虑的以下特征中的一个或多个：
[0016]-第一时间段包括在5s至10s之间。
[0017]-所述第二阈值取决于发动机切断时的排气压力而变化。为了清楚起见，术语“切断(is shut off)”是指动词“切断(shutting)”，而不是发动机本身的状态。基本上，发动机切断的时间是驾驶员操作点火钥匙(或类似物)以关闭发动机的时间，即，发动机从on状态(运行)切换到off状态(未运行)的时间。
[0018]-第一阈值取决于发动机的操作点而变化。
[0019]-所述第一阈值是可以从理论模型或实验推导出的预期正常平均幅值的百分比，通常为50％。
[0020]-所述第二阈值是预期正常压力积分的百分比，通常为50％。“预期正常压力积分”是正常情况下(即，当传感器管道未堵塞时)的积分值。
[0021]-第二时间段对应于发动机切断的时间与发动机的电子控制单元切断的时间之间的时间段，并且该第二时间段包括在1s至10s之间。
[0022]-当检测到传感器管道被堵塞时，向驾驶员发送信号，这种信号优选地是显示在车辆仪表板上的灯。
[0023]-只要发动机的电子控制单元开启，该方法的步骤就被反复地实施。
[0024]-第一时间段被选择为多于点火循环的至少两个连续燃烧阶段、优选三个连续燃烧阶段。以已知方式，点火循环包括与气缸一样多的燃烧阶段。
[0025]-第一时间段被设定为等于发动机曲轴达到特定曲柄角度度数所用的时间，曲柄角度度数是发动机气缸数所固有的。以已知的方式，在四冲程发动机中，曲轴在点火循环中转动两次。
[0026]-对于4缸应用，所述特定曲柄角度度数等于22.5
°
，而对于6缸应用，所述特定曲柄角度度数等于15
°
。
[0027]-该方法包括预备步骤，该预备步骤包括：监测发动机的一个或多个操作参数，诸如i)发动机转速和扭矩或ii)燃料消耗；以及在进行步骤a)之前检查所述操作参数是否稳定，即，是否已经达到稳定操作状态。
[0028]
本发明还涉及一种内燃发动机(ice)组件，包括排气歧管、压力传感器以及在排气歧管与压力传感器之间延伸的传感器管道。根据本发明，所述发动机组件还包括电子控制单元(ecu)，以用于使用如上限定的方法检测传感器管道的堵塞。通常，它所指的ecu优选地是发动机的控制单元，这意味着存在同一个ecu以用于控制发动机并且用于实施本发明的诊断方法。
[0029]
优选地，发动机是四冲程发动机。它可以是ci(压缩点火)发动机或si(火花点火)发动机。
[0030]
优选地，有线或无线装置将电子控制单元(ecu)连接到压力传感器。
[0031]
有利地，电子控制单元被配置用于：接收发动机的一个或多个操作参数，诸如i)发动机转速和扭矩或ii)燃料消耗；以及处理所接收到的信息，以在实施方法的步骤a)之前检查所述操作参数随着时间的推移是否稳定，即，是否已经达到稳定操作状态。
[0032]
最后，本发明涉及一种包括如上定义的内燃发动机组件的车辆。
[0033]
通常，车辆是中型或重型车辆，诸如卡车。
[0034]
本发明的其他优点和有利特征在以下描述中公开。
附图说明
[0035]
参考附图，下面对作为示例引用的本发明的两个实施例进行更详细的描述。
[0036]
在附图中：
[0037]-图1是重型车辆(通常是卡车)的示意图，其包括具有入口歧管和出口歧管的内燃发动机；
[0038]-图2是图1的内燃发动机的出口歧管的详细视图，其表示排气压力传感器经由传感器管道连接到排气歧管；
[0039]-图3包括对于未堵塞的p3管道和堵塞的p3管道的两个图表，其表示排气歧管压力振荡的幅值与发动机操作点(扭矩、速度)的关系；
[0040]-图4是示出了当传感器管道正常(未堵塞)时以及当传感器管道(p3管道)被堵塞时，压力传感器测量值随时间的演变的曲线图；
[0041]-图5是表示本发明的方法的步骤的流程图，即，通过监测背压振荡来检测p3管道的堵塞的方法；
[0042]-图6是示出了在内燃发动机(ice)关闭之后、当传感器管道正常(未堵塞)时以及当传感器管道(p3管道)堵塞时，压力传感器测量值随时间的演变的曲线图；
[0043]-图7是表示本发明的方法的步骤的流程图，即，通过监测背压在其降至零巴(相对压力)之前的演变来检测p3管道堵塞的方法；以及-图8和图9是粗略地表示本发明的两种替代方法的步骤的两个流程图。
具体实施方式
[0044]
图1表示重型车辆，通常是卡车1。卡车1包括内燃发动机(ice)组件10，其包括未详
细示出的入口歧管(或进气歧管)和在图2中详细表示的出口歧管(或排气歧管)12。
[0045]
在变体中，本发明显然可以应用于其他类型的车辆，通常应用于包括内燃发动机的任何车辆：它可以是公共汽车、客车、船只或工作机器。
[0046]
ice组件10还包括压力传感器14以及在排气歧管12与压力传感器14之间延伸的传感器管道16。在下文中，传感器管道16可以被称为“p3管道”。
[0047]
压力传感器14使得能够记录表示排气歧管12内的相对压力随时间变化的信号。
[0048]
ice组件10还包括电子控制单元(ecu)，如图2所示，以用于使用下文详述的特定方法检测传感器管道16的堵塞。
[0049]
通常，ecu通过有线或无线方式连接到压力传感器14，使得由压力传感器14测量的数据作为输入参数发送到ecu。
[0050]
有利地，上述ecu是控制发动机操作的ecu。通常，尤其是，该ecu取决于驾驶员要求的加速(油门输入)，而控制到发动机的气缸中的燃料喷射的策略。在变体中，用于实施本发明的方法的ecu可以不同于控制发动机操作的ecu，这意味着它可以是不同的(附加的)ecu。
[0051]
通常，排气压力(或“背压”)具有至少两个尖峰。
[0052]
由于排气阀的打开，气缸自发泄放(discharge)而产生第一尖峰。在发动机的每个工作冲程结束之前，排气阀打开，并且高压燃烧排气被释放到排气歧管中。由于发动机排气阀的间歇性打开和关闭，从气缸排出的高压排气以压缩波脉冲的形式沿排气歧管传递。
[0053]
第二尖峰是由于活塞的上升运动。该阶段在活塞到达上死点(或顶部死点)时结束，即分别在排气冲程结束和进气冲程开始时。
[0054]
即使在怠速条件下并且在全功能的p3管道16的情况下，那些波脉冲也达到非常显着的值。当管道16被部分堵塞时，该值减少(大约是其正常值的5至6倍)。当p3管道16被完全堵塞时，由传感器14测量的压力值变得稳定，这意味着不再检测到振荡。
[0055]
这是由于在p3管道16内部自然形成的塞子(未示出)的构造。准确地，该塞子(或阻塞物)具有多孔构造，使得进入p3管道16的压力波的实际幅值一旦通过塞子就被滤波。
[0056]
图3反映了在“正常的”p3管道16(即，未堵塞的管道)和堵塞的p3管道的情况下由p3传感器14测量的压力值之间的不同行为。
[0057]
通常，在高发动机负载(发动机扭矩)和高发动机转速(发动机图中的红色区域)下，p3振荡的幅值更大。可以注意到，在堵塞的p3管道的情况下(右图)，p3振荡的幅值在所有发动机图中均保持恒定。
[0058]
即使在怠速条件下(发动机开启，车辆停止)，两种情况之间的差异也很明显。不过，最大的差异可以在高发动机负载和速度下找到。
[0059]
在图4和图5的实施例(实施例a)中，用于检测p3管道堵塞的方法包括，当发动机10在稳定操作状态下运行时，确定第一时间段t1内的信号的振荡的平均幅值a1(由传感器16记录)。
[0060]
对于该记录，当在发动机气缸中喷射的燃料量随时间的推移大致稳定时，发动机被认为处于“稳定操作状态”。这与燃料量并不真正稳定的“过渡状态”相反。“稳定操作状态”也可以称为其中发动机的速度和扭矩保持恒定的状态。
[0061]
因此，并且为了确定发动机是否处于稳定操作状态，ecu可以监测喷射到发动机气缸中的燃料量的演变。由于这种控制本身是已知的，因此本文不再进一步详述。
[0062]
通常，稳定操作状态的示例是“怠速状态”，其中，车辆停止，发动机开启并与车轮断开接合。稳定操作状态的另一示例是“滑行状态”，其中，车辆移动，发动机开启并与车轮断开接合。稳定操作状态的另一示例是“巡航状态”，其中，车辆在平坦道路上以恒定速度移动。
[0063]
通常，第一时间段t1包括在5s至10s之间。
[0064]
详细地，并且如图4所示，ecu监测由压力传感器14记录的(电)信号。通常已知该信号表示“背压”，即，排气歧管内的压力。
[0065]
在本实施例中，如图8和图9所示，该方法包括以下步骤：
[0066]
排气背压快速采集(1)：
[0067]
在该示例中，在每个特定的cad槽(曲柄角度度数)中获取排气背压(“原始”压力)，cad槽是发动机的气缸数所固有的。通常，对于4缸应用，每22.5
°
cad(曲柄角度度数)可以获得一次排气背压，而对于6缸应用，每15
°
cad可以获得一次排气背压。
[0068]
曲轴度数是用于测量活塞行程(位置)的单位(等于一个“普通”度数)，例如用以调整点火。四冲程循环发动机是一种内燃发动机，其利用四个不同的活塞冲程(进气、压缩、做功和排气)来完成一个操作循环。活塞在气缸中进行两次完整的行程以完成一个操作循环。操作循环涉及曲轴的两次旋转(720
°
)。换言之，在四冲程发动机中，曲轴对于点火循环转动两次。当活塞处于其最高点(即，顶部死点(tdc))时，曲轴角度(曲柄角度)处于0
°
曲柄角度度数。
[0069]
如图5所示，“原始”压力存储在缓存中以使其可用于下一步骤。
[0070]
该步骤对应于排气背压快速采集(图9上的步骤)。
[0071]
排气背压振荡(3)：
[0072]
如图5所示，下一步骤是构建背压缓存，即，数据缓存。该数据缓存存储由传感器14在每个曲柄角度事件(这是发动机的气缸数所固有的)处测量的所有的排气背压数据，使得软件解决方案可以监测排气背压波。
[0073]
然后，从存储在该数据缓存中的最大值与最小值之间的差异获得排气压力波的幅值。
[0074]
为了提高解决方案的稳健性，并且为了避免因失火现象(当发动机内的一个或多个气缸未能正确点火时)而使诊断出现偏差，可以修改缓存长度(即，图4中的时间段t1)，以便考虑不仅一个气缸的排气压力波，而且还考虑多个气缸的排气压力波。
[0075]
实际上，当在一个气缸中发生失火时，压力波的幅值会急剧下降，并且这可能会被误认为p3管道堵塞。
[0076]
换言之，已知内燃发动机的气缸在被称为点火循环的特定循环之后被点火。这意味着气缸内的燃烧阶段是按时间顺序进行的。因此，点火循环包括多个连续的燃烧阶段，其数量显然取决于发动机的气缸数。通常，在点火循环期间的燃烧阶段数等于发动机的气缸数。
[0077]
如果将时间段t1选择为少于或等于一个气缸的燃烧阶段，并且在该特定气缸中发生失火，则测量波的幅值将非常低，并且这可以解释为由管道堵塞引起。为了避免这种误解，将时间段t1选择为包含至少两个、优选三个连续的燃烧阶段(在三个不同的气缸中)，
即，持续足够的时间以在至少两个、优选三个连续的燃烧阶段期间记录数据。更准确地，可以选择时间段t1，使得可以记录整个点火序列。以这种方式，即使一个或多个发动机气缸内的燃烧已经失效，也可以检测到波脉冲。
[0078]
在图4的示例中，已经将时间段t1选择为包含两个燃烧阶段(因为它包含两个尖峰)。
[0079]
排气背压振荡诊断(5)：
[0080]
为了开始评估，发动机(包括进气节流阀(itv)、排气压力调节器(epg)、egr(排气再循环)阀和可变几何涡轮机(vgt))的空气&气体致动器应当达到目标位置。此外，发动机转速和扭矩也应当达到目标位置并保持稳定状态。
[0081]
通过校准，有可能达到发动机图中的任何点。怠速附近的点可以受益于在驾驶循环期间执行成功评估的高水平机会。不过，即使堵塞的管道与未堵塞的p3管道之间的背压振荡幅值方面的差异非常明显，优选在发动机处于怠速操作状态时运行诊断。
[0082]
一旦满足所述条件，软件(即，ecu)将开始对排气背压振荡的幅值评估。
[0083]
准确地，ecu计算在时间段t1期间背压波的平均幅值。为此，并且如图5所示，ecu确定信号的最大值和最小值，并利用每个脉冲的最大值与最小值之间的差异来计算所述脉冲的幅值。然后，ecu通过将所有幅值的总和除以在时间段t1期间记录的信号中的脉冲事件(或尖峰)的数量来计算平均幅值。
[0084]
当所述平均幅值小于第一阈值时，传感器管道16被认为被堵塞。在这种情况下，向驾驶员发送信号。优选地，这种信号是显示在车辆仪表板上的灯。
[0085]
在示例中，第一阈值取决于发动机的操作点而可变化，其由发动机扭矩和速度给出。实际上，并且如上文提及的，发动机负载(扭矩)和速度越高，振荡幅值就越高。
[0086]
发动机扭矩和速度是每次均已知的参数。换言之，这些是提供给用于控制发动机操作的ecu的输入参数。
[0087]
基本上，第一阈值可以从预先建立的3d图中推导出，其中，为每个发动机转速(2d)和扭矩(3d)确定第一阈值(1d)。这种3d图可以基于实验和/或理论模型。
[0088]
通常，所述第一阈值是预期正常平均幅值的百分比，例如50％。
[0089]
可以通过该方法检测到的另一异常行为是在其中预期排气压力会改变的特定事件期间p3传感器14的缓慢“响应”。例如，已知当发动机关闭时，排气歧管内的压力(或排气背压)预计会下降到大气压。然而，当在p3管道16内形成塞子(或阻塞物)时，即，当p3管道被堵塞时，塞子起到滤波器的作用，这意味着由p3传感器14测量的信号不会像排气歧管内的实际压力那样快速变化。通常，当p3管道被堵塞时，压力传感器16可以在1ms(例如)期间测量到10kpa的压降，而排气歧管内的实际压力在同一时间段内下降了50kpa。在特定事件(此时预计压力会改变)之后由压力传感器14记录的信号的演变被称为信号的“响应”。
[0090]
在图6和图7的实施例(实施例b)中，该方法包括从发动机10已经关闭(或切断)的时间开始在第二时间段t2内监测信号。
[0091]
在该示例中，第二时间段对应于发动机10切断的时间与发动机10的电子控制单元(ecu)切断的时间之间的时间段。该时间段包括在1s至10s之间。
[0092]
在本实施例中，并且如图8和图9所示，该方法包括以下步骤：
[0093]
排气背压滤波(2)：
[0094]
在该方法中，由传感器14测量的“原始”排气背压借助于有限脉冲响应(fir)滤波器进行滤波，以便为下一步骤准备信号。此步骤对应于排气背压滤波(图9中的步骤)。
[0095]
排气背压响应(4)：
[0096]
目标排气背压可以由ice的ecu根据发动机的操作点(速度、扭矩)来设定。在这方面，排气背压可以由不同的致动器控制，诸如epg、vgt、itv或wg(排气门)，以便达到所述目标排气背压。通常，当要实现发动机制动时，必须将背压提高到高目标以便增强制动效果。需要增加背压的另一示例是帮助发动机更快地达到适当的工作温度，例如以使得eats的一个或多个部件(诸如dpf)再生。
[0097]
通常，当设定新的目标排气背压时，由压力传感器14测量的压力值通常应当改变以满足新的目标(具有最大500ms的时间响应)。然而，如果与传感器14连接的p3管道16被堵塞，则时间响应可以更长，例如900ms。
[0098]
该诊断的目的是检测压力传感器14的“响应”何时变慢，以便检测p3出管道16正在堵塞。
[0099]
为此，在每次发动机停止时执行评估。
[0100]
当发动机关闭时(即，当点火钥匙切断时)，背压(在此被认为是相对压力)通常下降到0kpa。因此，可以在每个驾驶循环中至少执行一次评估。
[0101]
当检测到潜在诊断区域时，计算滤波后的背压信号[在步骤(2)中获得]的积分。实际上，积分值是背压降低速度的指标。因此，积分越高，信号降低(或信号下降)越慢。
[0102]
在图6中，第一信号(部分堵塞的管道)的积分由阴影区域表示。为附图清楚起见，我们没有表示同一时间段t2内的另外两条曲线的积分。不过，我们可以很容易地看到，与在管道堵塞的情况下测量到的信号对应的曲线的积分高于在部分堵塞配置中的曲线的积分，而在部分堵塞配置中的曲线的积分本身也高于在正常配置中的曲线的积分。
[0103]
为了对此离散化，该积分被认为是在第二时间段t2期间的背压“蓄能器”。
[0104]
图6能够比较三种不同情况下的响应：p3管道未堵塞或正常(最粗/最暗的线)，部分堵塞(细线)和完全堵塞(虚线)。
[0105]
排气背压慢响应诊断(6)：
[0106]
为了确定排气背压的积分值是否可用于执行诊断，当发动机关闭(即，从“on”状态切换到“off”状态)时，可以考虑另外两个互补条件：
[0107]
(1)发动机转速条件：在发动机关闭时，发动机转速值应当在预定区间之间。这是为了在发动机停止之前避免可能干扰背压行为的发动机转速加速。
[0108]
(2)排气背压条件：在发动机关闭时，背压值应当在预定区间之间。这是避免在发动机停止阶段处的背压水平过低或过高(可能影响背压积分计算)，以提高诊断的稳健性。
[0109]
如果满足所有条件，则将在步骤(4)中计算的积分值与第二阈值(或故障极限)进行比较。
[0110]
通常，所述第二阈值取决于发动机已经关闭时的排气压力而变化。
[0111]
实际上，当发动机关闭时排气背压越高，达到大气压的时间就越长。
[0112]
基本上，第二阈值可以从预先建立的1d图中推导出，其中，为每个排气背压确定第二阈值(1d)。这种1d图可以使用实验数据和/或理论模型来建立。
[0113]
例如，所述第二阈值是预期正常压力积分的百分比，通常为50％。
[0114]
如果排气背压的积分值大于该故障极限，则将检测到故障。这意味着当信号的积分大于第二阈值时，传感器管道16被认为被堵塞。
[0115]
最终决定(7)：
[0116]
一旦完成一次评估，就处理结果以评估诊断的最终状态。
[0117]
通过校准，有可能以两种不同的方式设定警报：
[0118]
(1)只要一个子诊断(背压振荡或背压响应)得出p3管道被堵塞的结论，就触发警报；
[0119]
或者
[0120]
(2)仅当两个子诊断(背压振荡和背压响应)都得出p3管道被堵塞的结论时，才会触发警报。这意味着如果其中一个子诊断的结论是p3管道未堵塞，则不触发警报。
[0121]
通常，当驾驶员接收到警报信号时，他必须去车间并且应当更换p3管道。
[0122]
最后但并非最不重要的，只要发动机的电子控制单元是开启的，该方法的步骤就被反复地实施。基本上，只要驾驶员在钥匙锁中转动点火钥匙以唤醒系统，ecu就处于开启。
[0123]
应当理解，本发明不限于上述和附图所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。