用于激光壓力換能器的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供通過使用激光壓力換能器準(zhǔn)確地估計(jì)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管或排氣歧管壓力的方法和系統(tǒng)。激光電路耦合到被安裝到發(fā)動機(jī)歧管的壓敏隔膜。歧管壓力被基于隔膜的撓曲而推斷，而撓曲基于將激光脈沖發(fā)射到隔膜內(nèi)和檢測到來自隔膜的反射脈沖之間的計(jì)時(shí)而被估計(jì)。
【專利說明】
用于激光壓力換能器的方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請涉及用于準(zhǔn)確且低成本地測量歧管壓力而被耦合到發(fā)動機(jī)歧管的激光壓力換能器(transducer)的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動機(jī)系統(tǒng)可以在各種位置包括一個(gè)或更多壓力換能器，其用于測量發(fā)動機(jī)操作參數(shù)，如歧管壓力(MAP)、排氣壓力、增壓壓力、大氣壓力等。然后，所測量的參數(shù)被用來控制發(fā)動機(jī)設(shè)置。例如，基于所測量的參數(shù)，可調(diào)整各種發(fā)動機(jī)致動器的設(shè)置，如進(jìn)氣節(jié)氣門、排氣催化劑、渦輪增壓器、微粒過濾器等的操作。此外，這些測量會影響用于廢氣排放的發(fā)動機(jī)控制和發(fā)動機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性。各種可用的壓力換能器設(shè)計(jì)包括，例如，壓阻式(PRT)換能器和電容式換能器。但是，這種換能器由于它們所位于的惡劣環(huán)境而具有短的壽命。在排氣壓力換能器的情況下尤其如此。例如，由于它們的電路暴露于腐蝕性液體，電容式換能器和PRT換能器可變得劣化。因?yàn)橛蓳Q能器提供的測量顯著地影響發(fā)動機(jī)控制，因此換能器可能需要頻繁的替換，以允許有可靠的讀數(shù)。
[0003]具有改善的性能的排氣換能器的一個(gè)實(shí)例由Goto等人在美國8，208，143中提供。其中，排氣傳感器使用光導(dǎo)纖維，從而借助激光燈照射排氣，所照射的光橫穿排氣路徑。傳輸通過排氣后，光被檢測器測量。基于由檢測器接收到的光，各種排氣參數(shù)，如濃度、溫度等被確定。在其它的實(shí)例中，可使用電阻值隨著傳感器的變形而變化的應(yīng)變計(jì)型壓力換能器，其中，傳感器的變形量與傳感器附近的壓力相關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]但是，本發(fā)明人已經(jīng)意識到這些方法的潛在問題。作為一個(gè)實(shí)例，這些換能器可以仍然易受來自排氣成分的腐蝕的影響。例如，由于傳感器基底耦合在排氣通道的橫截面的兩端，由于接觸高溫排氣和腐蝕性排氣成分，所以其可容易地劣化。結(jié)果，即使激光器是功能性的，傳感器也需要被替換。此外，在排氣環(huán)境中設(shè)置檢測器可以使對光源的觀察易于被碳煙阻擋。因此，仍然存在昂貴的保修問題。另外，可存在需要召回發(fā)動機(jī)部件的可能性，從而降低車輛制造商的客戶質(zhì)量感覺。作為另一個(gè)實(shí)例，傳感器可以是成本過高的。例如，當(dāng)被組裝到密封的隔膜時(shí)，應(yīng)變計(jì)換能器組件可涉及安裝表面的嚴(yán)格的清潔和借助電橋(bridge)粘合劑將應(yīng)變計(jì)手動施加到隔膜。然后，剩余區(qū)域可需要填充封裝化合物。多個(gè)步驟增加成本和復(fù)雜性，其可使得傳感器太昂貴。
[0005]在一個(gè)實(shí)施例中，上述問題中的一些可通過用于發(fā)動機(jī)的方法解決，所述方法包括:響應(yīng)于從發(fā)動機(jī)歧管內(nèi)隔膜彈回來的所接收的發(fā)動機(jī)激光脈沖，調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。這樣，壓力傳感器可以被提供在由發(fā)動機(jī)歧管中壓力變化而撓曲的(deflected)隔膜內(nèi)。
[0006]作為一個(gè)實(shí)例，發(fā)動機(jī)歧管可經(jīng)配置以包括激光壓力換能器系統(tǒng)。激光壓力換能器系統(tǒng)可包括耦合到發(fā)動機(jī)歧管的中空隔膜。例如，隔膜可模制到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管，從而估計(jì)進(jìn)氣歧管壓力。作為另一個(gè)實(shí)例，隔膜可安裝到或壓制到排氣歧管上，從而估計(jì)排氣歧管壓力。二極管激光器和激光檢測器可安裝到隔膜的頂部。例如，激光器和檢測器可安裝到將隔膜保持在發(fā)動機(jī)歧管中的殼體?？蓪⒏裟さ膬?nèi)腔密封，從而減少頻繁和嚴(yán)格的清潔需要。激光器可經(jīng)操作以預(yù)先限定的頻率將激光脈沖發(fā)射到隔膜的內(nèi)部(并且朝著隔膜的底部)。然后，脈沖可以從內(nèi)部反射并朝頂部反彈，在頂部它們可以由檢測器檢測。基于來自激光器的激光脈沖的發(fā)射和在檢測器的反射脈沖的檢測之間所經(jīng)過的時(shí)間可確定隔膜的變形。發(fā)動機(jī)所經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間可以與已知該隔膜沒有變形時(shí)(如在發(fā)動機(jī)關(guān)閉條件期間)的校準(zhǔn)條件期間獲知的閾值持續(xù)時(shí)間比較。當(dāng)所經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間相對于校準(zhǔn)閾值減少時(shí)，估計(jì)的隔膜變形可以增加。此外，基于由安裝在隔膜上的在激光器和檢測器旁邊的熱傳感器確定的隔膜溫度，可以調(diào)整變形估計(jì)。熱傳感器可以基于接收到來自隔膜內(nèi)部的紅外輻射的感測來估計(jì)隔膜溫度。所估計(jì)的隔膜變形可與隔膜所經(jīng)受的歧管壓力的量直接地相關(guān)。在一些實(shí)施例中，和靜態(tài)壓力測量相比，激光器的輸出還可用來執(zhí)行隔膜撓曲的多普勒頻移分析，從而提供更高分辨率的動態(tài)壓力測量。然后，可基于歧管壓力估計(jì)來調(diào)整多個(gè)操作參數(shù)(節(jié)氣門開口和增壓壓力)中的一個(gè)。通過使用激光器壓力換能器，靜態(tài)壓力測量和動態(tài)壓力測量中的每一個(gè)都可借助相同的壓力換能器實(shí)現(xiàn)。同樣地，歧管壓力的多普勒平移分析也在傳統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)壓力傳感器的能力之外。
[0007]這樣，可提供成本更低的歧管壓力換能器/傳感器而不會損害傳感器的精度或可靠性。通過使用激光器、檢測器以及耦合到密封隔膜的熱傳感器，傳感器電路可免受發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管或排氣歧管的惡劣環(huán)境，從而改善傳感器的耐久性并減少保修問題。通過依靠可容易地組裝的激光器部件(例如，可借助貼裝機(jī)/拾取和放置機(jī)器組裝到單塊電路板上的電路)，可降低將壓力換能器組裝到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管或排氣歧管的成本和復(fù)雜性。通過改善壓力測量的可靠性，可減少發(fā)動機(jī)控制錯誤。
[0008]應(yīng)當(dāng)理解，提供上面的
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了以簡化的形式介紹將在以下【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述的一些概念。并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵或必要特征，其范圍由【具體實(shí)施方式】后的權(quán)利要求唯一限定。此外，所要求保護(hù)的主題并不限于解決上面或本公開任何一部分中提及的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0009]圖1示出經(jīng)構(gòu)造具有激光壓力換能器系統(tǒng)的示例內(nèi)燃機(jī)。
[0010]圖2示出圖1的激光壓力換能器系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
[0011]圖3A-B示出被模制到進(jìn)氣歧管內(nèi)的激光壓力換能器系統(tǒng)的示例視圖。
[0012]圖4示出安裝到排氣歧管上的示例激光壓力換能器系統(tǒng)。
[0013]圖5示出用于基于通過激光壓力換能器系統(tǒng)產(chǎn)生的歧管壓力估計(jì)來調(diào)整發(fā)動機(jī)操作的高水平流程圖。
[0014]圖6示出具有設(shè)置在各個(gè)排氣流道中的各個(gè)微粒過濾器的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
[0015]圖7示出基于由排氣激光壓力換能器估計(jì)的歧管壓力，識別圖6的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)部件的劣化的高水平流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本文提供了用于成本節(jié)約且耐久的激光壓力換能器的方法和系統(tǒng)。壓力換能器可以耦合到發(fā)動機(jī)系統(tǒng)(如圖1和圖6中的發(fā)動機(jī)系統(tǒng))的進(jìn)氣歧管或排氣歧管，從而準(zhǔn)確地估計(jì)歧管壓力(例如，進(jìn)氣或排氣歧管壓力)。壓力換能器可被構(gòu)造為密封的隔膜，其安裝有與激光器、檢測器以及熱傳感器中的每一個(gè)相關(guān)的電路(圖2)。如圖3所示，隔膜可模制到進(jìn)氣歧管，或如圖4所示壓制到排氣歧管上。發(fā)動機(jī)控制器經(jīng)構(gòu)造可執(zhí)行控制程序，如圖5中的程序，從而將來自激光器的激光脈沖發(fā)射到隔膜內(nèi)，并且然后在檢測器處檢測從隔膜內(nèi)部反彈回的反射脈沖。歧管壓力可與隔膜變形的量相關(guān)，所述變形基于激光脈沖的發(fā)射和反射脈沖的檢測之間經(jīng)過的時(shí)間而被確定?？刂破鹘?jīng)構(gòu)造也可執(zhí)行控制程序，如圖7中的程序，從而基于由激光壓力換能器估計(jì)的排氣歧管壓力識別發(fā)動機(jī)部件的劣化(如燃料噴射器或個(gè)別流道微粒過濾器或失火事件)。這樣，可準(zhǔn)確地獲得歧管壓力，同時(shí)延長歧管壓力傳感器的壽命。
[0017]圖1示出車輛系統(tǒng)6的示意圖。車輛系統(tǒng)6包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)8。發(fā)動機(jī)系統(tǒng)8可包括具有多個(gè)汽缸30的發(fā)動機(jī)10。發(fā)動機(jī)10包括發(fā)動機(jī)進(jìn)氣裝置23和發(fā)動機(jī)排氣裝置25。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣裝置23包括通過進(jìn)氣道42流體耦合到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管44的節(jié)氣門62。發(fā)動機(jī)排氣裝置25包括排氣歧管48，其最終通到將排氣傳送到大氣的排氣道35。
[0018]在所示實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)8是經(jīng)構(gòu)造具有渦輪增壓器50的增壓發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。渦輪增壓器50包括通過排氣渦輪54的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由軸53驅(qū)動的進(jìn)氣壓縮機(jī)52。節(jié)氣門62可位于進(jìn)氣壓縮機(jī)52下游且在(任選的)后置冷卻器上游的進(jìn)氣通道42中。當(dāng)包括后置冷卻器時(shí)，后置冷卻器經(jīng)構(gòu)造可降低由增壓設(shè)備壓縮過的進(jìn)氣的溫度。
[0019]進(jìn)氣歧管44可包括耦合在節(jié)氣門62下游的激光壓力換能器106和用于估計(jì)進(jìn)氣歧管壓力(MAP)的后置冷卻器56。如圖3所闡述，壓力換能器106可模制為進(jìn)氣歧管(或管或氣室)的一部分。如圖2所闡述，激光壓力換能器可包括隔膜，其中基于隔膜的變形估計(jì)歧管壓力。隔膜可由與進(jìn)氣歧管的材料相同的材料制成，如由玻璃纖維塑料制成。這改善傳感器的耐久性。發(fā)動機(jī)控制器可基于所估計(jì)的進(jìn)氣歧管壓力調(diào)整一個(gè)或更多發(fā)動機(jī)操作參數(shù)，如增壓水平、節(jié)氣門開口和/或排氣再循環(huán)量。
[0020]發(fā)動機(jī)排氣裝置25可包括一個(gè)或更多排放控制設(shè)備70，其可安裝在排氣內(nèi)緊密耦合位置。一個(gè)或更多排放控制設(shè)備可包括三元催化劑、稀NOx過濾器、SCR催化劑等。已經(jīng)被處理過然后經(jīng)過排放控制設(shè)備70的排氣管排氣可通過排氣道35排到大氣。
[0021]排氣歧管48也可包括為估計(jì)排氣歧管壓力而被耦合在排放控制設(shè)備70上游的激光壓力換能器108。在替代實(shí)例中，激光壓力換能器可以設(shè)置在排氣歧管的筆直區(qū)域中的渦輪54上游的排氣歧管內(nèi)。這個(gè)位置也能夠檢測到阻塞的或丟失的排放控制設(shè)備70。如圖4中所闡述的，壓力換能器108可壓制到排氣道35(或管或氣室)上。如圖2中所闡述的，激光壓力換能器可包括隔膜，其中基于隔膜的變形估計(jì)歧管壓力。隔膜可由剛或鋁制成。這會提高傳感器在排氣歧管的惡劣且腐蝕環(huán)境下的耐久性?；谒烙?jì)的歧管壓力，發(fā)動機(jī)控制器可調(diào)整一個(gè)或更多的發(fā)動機(jī)操作參數(shù)，如增壓水平、節(jié)氣門開口和/或排氣催化劑溫度。
[0022]車輛系統(tǒng)6可還包括控制系統(tǒng)14。所述顯示的控制系統(tǒng)14從多個(gè)傳感器16(本文描述其各種實(shí)施例)接收信息，并且將控制信號發(fā)送到多個(gè)致動器81(本文描述其各種實(shí)施例)。作為一個(gè)實(shí)例，傳感器16可包括排氣傳感器126(位于排氣歧管48內(nèi))、溫度傳感器128、進(jìn)氣歧管壓力換能器106以及排氣壓力換能器108。其它傳感器，如附加的壓力傳感器、溫度傳感器、空燃比傳感器以及組成傳感器也可以耦合到車輛系統(tǒng)6中的各個(gè)位置。作為另一個(gè)實(shí)施例，致動器可包括燃料噴射器66、節(jié)氣門62、通過渦輪增壓器50的增壓水平輸出等?？刂葡到y(tǒng)14可包括控制器12?？刂破骺蓮母鞣N傳感器接收輸入數(shù)據(jù)、處理輸入數(shù)據(jù)，并且基于與一個(gè)或多個(gè)程序相應(yīng)的被編入其中的指令或代碼響應(yīng)于處理過的輸入數(shù)據(jù)而觸發(fā)致動器。參考圖5示出一個(gè)示例程序。
[0023]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，其示出激光壓力換能器的示例性實(shí)施例200。激光壓力換能器可耦合到進(jìn)氣歧管(如圖1中的傳感器106)或排氣歧管(如傳感器108)。換能器200包括隔膜202。在一個(gè)實(shí)施例中，其中換能器耦合到發(fā)動機(jī)排氣歧管，隔膜202可澆鑄到(cast into)(或壓制到或加工到)排氣歧管中。另外，集成的隔膜可由耐較高溫度的材料，如鋁或鋼制成。在另一個(gè)實(shí)施例中，其中換能器耦合到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管，隔膜202可模制到進(jìn)氣歧管中，例如，被模制為進(jìn)氣歧管上平坦的點(diǎn)(spot)。另外，集成隔膜可由與進(jìn)氣歧管的材料相同的材料制成，如復(fù)力斯(flex)(纖維玻璃塑料)。在其它實(shí)例中，換能器隔膜可由具有塑料或金屬隔膜的常規(guī)換能器殼體制成，并且可以使用傳感器線路(如，儀表傳感器(gauge sensor)線路)。
[0024]二極管激光器204和激光檢測器206可安裝到隔膜202的頂部，并且被引導(dǎo)至隔膜底部的內(nèi)表面。另外，熱傳感器208可安裝到隔膜的頂部，并且被引導(dǎo)至隔膜底部的內(nèi)表面?？商娲兀鈱W(xué)部件可安裝到將隔膜保持在發(fā)動機(jī)歧管中的殼體。同樣地，由于近年來二級管激光器技術(shù)擴(kuò)散到生產(chǎn)產(chǎn)品中，激光器的成本已經(jīng)顯著地降低。另外，與二極管激光器和檢測器關(guān)聯(lián)的電路可以用貼裝機(jī)/拾取和放置機(jī)器容易地組裝到單塊電路板上。結(jié)果，二極管激光器204、檢測器206以及熱傳感器208可容易地且成本節(jié)約地耦合到隔膜202的頂部。因此，與應(yīng)變計(jì)組件相比，這可以降低激光壓力換能器的成本和復(fù)雜性，所述應(yīng)變計(jì)組件要求嚴(yán)格地清潔安裝表面，用粘合劑將應(yīng)變計(jì)手動施加到隔膜，并且用封裝化合物小心地填充隔膜的腔。
[0025]隔膜202可以是中空的，同時(shí)腔被密封。在施加壓力時(shí)，隔膜的外表面可以是可變形的。在隔膜202(如在進(jìn)氣歧管或排氣歧管中，基于換能器的位置)附近的充氣可施加壓力到隔膜上，從而使其變形。具體地，當(dāng)歧管壓力增加時(shí)，隔膜的變形可增加。控制器12可以經(jīng)構(gòu)造以基于從隔膜(內(nèi)部)彈回的接收的激光脈沖，估計(jì)隔膜的變形，并且使隔膜的變形與歧管壓力估計(jì)相關(guān)。然后，如圖5中闡述，基于所估計(jì)的歧管壓力，可調(diào)整一個(gè)或更多發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。
[0026]控制器12可以經(jīng)構(gòu)造以操作激光器204，從而將激光脈沖發(fā)射到隔膜的內(nèi)部。具體地，激光器204可將激光脈沖210發(fā)射到隔膜的底部，并且朝著隔膜的底部。激光脈沖210可以是較低功率的脈沖。例如，所使用的激光脈沖可在低能量強(qiáng)度下掃描頻率。作為示例，激光器可以用重復(fù)的線性頻率斜坡調(diào)頻。位于隔膜頂部的檢測器206可接收從隔膜的底表面反射的回波脈沖212。具體地，激光發(fā)射后，反射離開隔膜的光能由檢測器206檢測。通過將激光器和檢測器指向來自隔膜的密封腔之內(nèi)的隔膜內(nèi)部，激光器以及激光器和檢測器的光學(xué)器件(optics)都可保持清潔。因此，這允許進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量，同時(shí)增加壓力換能器系統(tǒng)的耐久性和壽命。
[0027 ]激光脈沖210的發(fā)射和反射脈沖212的檢測之間的時(shí)間差(即經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間)可用來估計(jì)隔膜的變形量。時(shí)間差可以進(jìn)一步與時(shí)間閾值比較。例如，因?yàn)榧す馄?04到隔膜202底表面的距離小，所以通過檢測器206檢測反射的激光脈沖可發(fā)生在皮秒時(shí)間范圍內(nèi)。因此，基于激光脈沖覆蓋完全沒有變形的隔膜的長度并且返回所用時(shí)間(例如，I皮秒)的時(shí)間閾值可被用作與測量的時(shí)間差相比較的參考值。參考值可在隔膜沒有變形時(shí)的選擇狀態(tài)期間獲得，如在隔膜組裝到歧管后不久，或在發(fā)動機(jī)關(guān)閉狀態(tài)期間。對于發(fā)射的激光脈沖，如果用少于I皮秒的時(shí)間檢測反射的光能，這指示隔膜變形。因此，當(dāng)檢測反射脈沖所用的時(shí)間從閾值減少時(shí)，所估計(jì)的隔膜變形可以增加。因?yàn)楦裟ぷ冃问怯捎趤碜云绻苤械某錃馐┘釉诟裟ど系膲毫?，所以可基于增加的隔膜變形推斷歧管壓?MAP)。在一些實(shí)例中，使用具有重復(fù)的線性頻率斜坡的調(diào)頻激光束，通過頻率調(diào)制方法可估計(jì)隔膜變形(從而估計(jì)MAP) ο
[0028]也可調(diào)整壓力估計(jì)，以補(bǔ)償由于溫度發(fā)生的隔膜變形的變化。具體地，熱傳感器208可以經(jīng)構(gòu)造以基于在熱傳感器208處從隔膜202內(nèi)部接收的紅外輻射214，估計(jì)隔膜的溫度。如參考圖5中所闡述的，控制器可基于所估計(jì)的溫度和所估計(jì)的隔膜撓曲，通過參考查找表來估計(jì)歧管壓力。如果所估計(jì)的歧管壓力(MAP)在有效范圍內(nèi)(如基于隔膜的長度)，則MAP信號可用來調(diào)整發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。否則，換能器輸出可被認(rèn)為是錯誤的且在已劣化的精度范圍內(nèi)。
[0029]應(yīng)當(dāng)理解，除了上面討論的靜態(tài)壓力測量，通過使用相同的激光壓力換能器還可以進(jìn)行較高解析度的動態(tài)壓力測量，而且同時(shí)施加所估計(jì)的隔膜撓曲/變形的多普勒頻移測量。其中，通過比較兩個(gè)不同時(shí)間下的隔膜撓曲，并且觀察撓曲之間的多普勒頻移，可推斷MAP的變化。例如，當(dāng)考慮到MAP必須檢測是否接近可以損壞進(jìn)氣的大靜態(tài)值時(shí)，可比較兩種類型測量的值。
[0030]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3A-B，其示出耦合到進(jìn)氣歧管的激光壓力換能器系統(tǒng)的示例視圖。具體地，圖3A示出耦合到進(jìn)氣歧管的壓力換能器的俯視圖300，而圖3B示出俯視圖350。
[0031]俯視圖300示出進(jìn)氣歧管302，其連接到汽缸蓋304，并且經(jīng)構(gòu)造通過流道306將進(jìn)氣空氣充氣(intake aircharge)遞送到發(fā)動機(jī)汽缸(未示出)。進(jìn)氣歧管302由耐熱材料，如纖維玻璃塑料制成。進(jìn)氣歧管經(jīng)構(gòu)造可具有在進(jìn)氣歧管的平面上方突出的交叉結(jié)構(gòu)(cross-structure)307。交叉結(jié)構(gòu)307將結(jié)構(gòu)剛性提供到進(jìn)氣歧管302。在交叉結(jié)構(gòu)307之間的是平坦區(qū)域308。
[0032]進(jìn)氣歧管激光換能器106(圖1中)可模制到進(jìn)氣歧管302。具體地，隔膜310可模制到進(jìn)氣歧管302的平坦區(qū)域308中。換句話說，平坦區(qū)域中的一個(gè)可以是壓敏隔膜。隔膜的中央位置允許其與歧管中心的壓力成比例地?fù)锨?，然后由激光換能器轉(zhuǎn)換為電輸出。
[0033]隔膜310可由與進(jìn)氣歧管的材料相同的材料，如纖維玻璃塑料構(gòu)成。然后，激光器電路部件312可被容納(be housed)在隔膜的頂部。具體地，激光器電路部件312可被印刷到容納在隔膜頂部上的激光電路板318上。激光器電路部件312可包括二極管激光器(用于發(fā)射激光脈沖)、激光檢測器(用于檢測反射的激光脈沖)以及熱傳感器(用于從隔膜內(nèi)部接收紅外輻射)。
[0034]圖3B中的側(cè)視圖350示出被模制到進(jìn)氣歧管302的隔膜310，且被模制在隔膜的頂部上的激光器殼體316。隔膜310被模制到進(jìn)氣歧管302的平坦區(qū)域308中，從而在進(jìn)氣節(jié)氣門314的下游且在將空氣遞送到汽缸的流道306的上游的位置處可估計(jì)歧管空氣充氣壓力。激光器殼體可被構(gòu)造為使得激光器電路板318可滑入殼體中。這降低了激光換能器系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
[0035]在一個(gè)實(shí)例中，隔膜310具有暴露于主要的進(jìn)氣歧管壓力的大體上平坦的表面，其中激光器電路部件312被設(shè)置在暴露于進(jìn)氣歧管內(nèi)部體積的平坦的表面的相對一側(cè)。激光器電路部件可包括垂直地瞄準(zhǔn)暴露于進(jìn)氣歧管的內(nèi)部體積的表面的后側(cè)的激光器。隔膜310的大體上平坦表面可與進(jìn)氣歧管壁的內(nèi)表面大體對準(zhǔn)，使得其與歧管壁齊平，以便不會比進(jìn)氣歧管壁的其他附近部分更遠(yuǎn)地伸入到進(jìn)氣歧管的內(nèi)腔內(nèi)。
[0036]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4，其示出耦合到排氣歧管的激光壓力換能器系統(tǒng)的示例性實(shí)施例400。實(shí)施例400示出排氣歧管408，其經(jīng)構(gòu)造通過排氣道35從下游將通過排放控制設(shè)備70后已處理過的排氣遞送到大氣。排氣歧管408由耐熱材料，如纖維玻璃、塑料、鋼或鋁，制成。
[0037]排氣歧管激光壓力換能器108(圖1中)可壓制到排氣歧管408中。更具體地，隔膜410可壓制到排氣通道35中。可替代地，在類似于上述關(guān)于進(jìn)氣歧管激光壓力換能器構(gòu)造的構(gòu)造中，隔膜400可被澆鑄或機(jī)械加工為排氣歧管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的部件，該配置類似于參考進(jìn)氣歧管激光壓力換能器的上述配置，其中排氣歧管的平坦區(qū)域被配置成壓敏隔膜。集成隔膜410可由耐熱材料制成，包括與排氣歧管材料相同的材料，如鋁或鋼(例如，304不銹鋼)和/或塑料。然后，激光器電路部件412可以被容納在隔膜的頂部。具體地，激光器電路部件412可被印刷到激光器電路板418上，所述激光器電路板418被容納在隔膜的頂部上的殼體416內(nèi)。激光器電路部件412可包括二極管激光器(用于發(fā)射激光脈沖)、激光檢測器(用于檢測反射的激光脈沖)以及熱傳感器(用于從隔膜的內(nèi)部接收紅外輻射)。激光器殼體可被構(gòu)造成使得激光電路板418可滑入殼體內(nèi)。可替代地，電路板可壓制到殼體中。這降低了激光換能器系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
[0038]應(yīng)當(dāng)理解，在替代實(shí)施例中，進(jìn)氣歧管激光壓力換能器和排氣歧管激光壓力換能器系統(tǒng)中的任一個(gè)都可包括常規(guī)的換能器殼體，其具有塑料或金屬隔膜以及將激光電路板部件連接到隔膜的傳感器線路。
[0039]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，其示出的實(shí)例方法500用于操作激光壓力換能器系統(tǒng)以估計(jì)歧管壓力，以及基于所估計(jì)的歧管壓力調(diào)整發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。該方法能夠響應(yīng)于從發(fā)動機(jī)歧管內(nèi)隔膜彈回的所接收的激光脈沖，調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。
[0040]在502，可以確認(rèn)，激光壓力換能器的激光器被通電并且正在發(fā)送脈沖(或能夠發(fā)送脈沖)。如果不是，在503，可以使激光器斷電。另外，故障狀態(tài)可以被發(fā)送到PCM控制器。例如，指示有故障的激光壓力換能器的診斷代碼可以由發(fā)動機(jī)控制器設(shè)置。
[0041]如果激光器正在工作，在504，該方法包括操作激光器，以將激光脈沖發(fā)射到隔膜的內(nèi)部。激光器可安裝或壓制到隔膜的頂部上，并且因此經(jīng)構(gòu)造可將發(fā)射的激光脈沖指向到隔膜的內(nèi)部，且更具體地，指向到隔膜的底部表面。例如，激光脈沖可從安裝在隔膜上的激光器朝耦合到發(fā)動機(jī)歧管的隔膜發(fā)射。激光脈沖可與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率同步發(fā)射。在506，方法包括在安裝或壓制到隔膜頂部的檢測器處檢測從隔膜底部表面反射的激光脈沖。具體地，在安裝到隔膜的檢測器處可以接收到從與歧管的內(nèi)部相對的隔膜的內(nèi)部反射的激光脈沖。
[0042]在508，方法包括確認(rèn)激光檢測器正在接收有效范圍內(nèi)的距離信號。因此，在激光脈沖的發(fā)射和反射脈沖的檢測之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間與隔膜的頂部(激光脈沖被發(fā)射的地方)和隔膜的底部(反射激光脈沖的地方)之間的距離相關(guān)。如果在檢測器處接收的距離信號大于相應(yīng)于隔膜長度的信號，則可確定檢測器沒有正接收在有效范圍內(nèi)的距離信號。如果信號不在有效范圍內(nèi)，則方法回到503，其中激光器被斷電，且故障狀態(tài)被指示。
[0043]如果激光檢測器正在接收在有效范圍內(nèi)的距離信號，則在510，方法包括確認(rèn)熱傳感器(也安裝到隔膜的頂部)正在讀取有效的溫度信號(Td)。例如，隔膜預(yù)期的溫度可基于發(fā)動機(jī)工況而被確定。如果熱傳感器讀數(shù)高于或低于預(yù)期的讀數(shù)超過閾值量，可確定熱傳感器輸出是不準(zhǔn)確的。如果熱傳感器讀數(shù)是有效的，則在512，方法包括設(shè)置診斷代碼，以指示熱傳感器被劣化。例如，可設(shè)置精度劣化的溫度故障狀態(tài)。另外，隔膜溫度可設(shè)置為默認(rèn)的溫度(例如，60° F)。
[0044]下一步，在514，方法包括基于在激光脈沖的發(fā)射和激光脈沖的檢測之間經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算到隔膜的距離(Dmeas)。例如，通過使用具有重復(fù)的線性頻率斜坡的調(diào)頻激光束，用頻率調(diào)制方法可以確定該距離。
[0045]在516，方法包括基于相對于閾值的激光脈沖計(jì)時(shí)(timing)，估計(jì)隔膜變形(或撓曲)的量。同樣地，隔膜可模制到歧管(或壓制或澆鑄到歧管)中。因此，基于發(fā)動機(jī)歧管(其可以是進(jìn)氣或排氣歧管)中隔膜經(jīng)受的壓力的量，隔膜的變形可以變化。具體地，當(dāng)歧管壓力增加時(shí)，隔膜的變形可以增加，并且相應(yīng)地，到隔膜的距離(以及在激光脈沖的發(fā)射和反射脈沖的檢測之間經(jīng)過的時(shí)間)可以減小。在一個(gè)實(shí)例中，發(fā)動機(jī)在激光脈沖的發(fā)射和激光脈沖的檢測之間的估計(jì)時(shí)間差可以與隔膜沒有變形時(shí)(例如在發(fā)動機(jī)沒有正操作之時(shí))的校準(zhǔn)條件期間所估計(jì)的時(shí)間差比較?？商娲?，發(fā)動機(jī)工況期間所估計(jì)的到隔膜的距離可以與隔膜沒有變形的校準(zhǔn)條件期間所估計(jì)的到隔膜的閾值距離比較。當(dāng)所估計(jì)的時(shí)間差從閾值減小時(shí)，由于歧管壓力產(chǎn)生的隔膜的估計(jì)變形也可以增加。同樣，當(dāng)?shù)礁裟さ墓烙?jì)距離減小時(shí)，由于歧管壓力產(chǎn)生的隔膜變形也可以增加。
[0046]在518，基于隔膜的變形可估計(jì)歧管壓力?；谒烙?jì)的隔膜的溫度(Td)，可進(jìn)一步調(diào)整歧管壓力估計(jì)。例如，在給定的溫度下，當(dāng)隔膜的變形增加時(shí)，施加在隔膜上的歧管壓力的估計(jì)可相應(yīng)地增加?？刂破骺蓞⒖急淮鎯榈礁裟さ木嚯x(或激光器計(jì)時(shí))和隔膜溫度的函數(shù)的查找表，以確定相應(yīng)的歧管壓力(MAP)。
[0047]在520，可確定歧管壓力是否在有效范圍內(nèi)。例如，基于發(fā)動機(jī)工況，可確定預(yù)期的歧管壓力。如果所估計(jì)的歧管壓力高于或低于預(yù)期的壓力超過閾值量，可確定壓力信號是無效的。如果壓力信號被確定是無效的，在524，方法包括設(shè)置已劣化的范圍精度故障狀態(tài)(例如，通過設(shè)置診斷代碼)。另外，所估計(jì)的(無效的)壓力可被存儲在控制器的存儲器中，但是不用于調(diào)整發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。
[0048]如果壓力信號被確定是有效的，在522，方法包括設(shè)置有效的壓力狀態(tài)。另外，所估計(jì)的(有效的)壓力可被存儲在控制器的存儲器中。在526，基于所估計(jì)的歧管壓力，可調(diào)整一個(gè)或更多發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。例如，調(diào)整可包括響應(yīng)于所估計(jì)的歧管壓力，調(diào)整進(jìn)氣節(jié)氣門開口，調(diào)整增壓水平，調(diào)整排氣再循環(huán)的量，以及調(diào)整排氣催化劑溫度中的一個(gè)或更多。
[0049]在另外的實(shí)施例中，通過耦合到排氣歧管的激光壓力換能器估計(jì)的排氣歧管壓力可與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和位置正時(shí)數(shù)據(jù)一起用來診斷具有設(shè)置在各個(gè)排氣流道中的各個(gè)微粒過濾器(例如，汽油微粒過濾器或GPF)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的燃料噴射器。參考圖6提供這種發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的示例。參考圖7，其示出響應(yīng)于接收到從發(fā)動機(jī)歧管中隔膜彈回的激光脈沖，指示發(fā)動機(jī)失火和燃料噴射器劣化中的一個(gè)或更多的示例方法。
[0050]圖6示出在發(fā)動機(jī)600的汽缸648A-D的排氣流道662A-D內(nèi)具有各個(gè)微粒過濾器664A-D的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)600的示例的示意圖。所顯示的發(fā)動機(jī)600的當(dāng)前構(gòu)造具有四個(gè)汽缸。但是，可使用具有不同構(gòu)造(例如，具有更多或更少的汽缸)的發(fā)動機(jī)。此外，在一些實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)600可以是圖1中發(fā)動機(jī)系統(tǒng)8的示例。
[0051]如圖6所示，發(fā)動機(jī)600包括具有通到空氣濾清器624的進(jìn)氣通路622的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管620。氣體流量控制設(shè)備(例如，進(jìn)氣節(jié)氣門626)可被放置在空氣濾清器624的下游，以調(diào)節(jié)到發(fā)動機(jī)缸體(block)640的空氣流率。作為示例，踩加速器踏板期間進(jìn)氣節(jié)氣門626可以是打開的節(jié)氣門，松加速器踏板期間其可以是關(guān)閉的節(jié)氣門。進(jìn)氣可流經(jīng)節(jié)氣門626，然后進(jìn)入渦輪增壓器的壓縮機(jī)627。受壓縮的進(jìn)氣可以通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣通路630流動到發(fā)動機(jī)汽缸空氣進(jìn)氣門642A-D。作為示例，基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)載荷和/或AFR，發(fā)動機(jī)汽缸空氣進(jìn)氣門642A-D可調(diào)整到發(fā)動機(jī)汽缸648A-D的氣體流量。
[0052]排氣再循環(huán)(EGR)可從EGR導(dǎo)管670通過EGR進(jìn)氣控制閥680，流入發(fā)動機(jī)EGR進(jìn)氣通路632，然后到發(fā)動機(jī)汽缸EGR進(jìn)氣門644A-D。如當(dāng)前實(shí)施例中所示，發(fā)動機(jī)空氣進(jìn)氣通路630與發(fā)動機(jī)EGR進(jìn)氣通路632相分離，并且在到達(dá)它們相應(yīng)的發(fā)動機(jī)汽缸氣門之前，兩種氣體不允許混合。但是，在其它實(shí)施例中，兩種氣體可以混合，并且流進(jìn)通到一個(gè)控制閥的單個(gè)通路，所述控制閥調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動機(jī)汽缸的氣體進(jìn)氣量。盡管示出高壓(HP)EGR系統(tǒng)(S卩，排氣經(jīng)由EGR導(dǎo)管670從渦輪增壓器的渦輪629的上游流到壓縮機(jī)627下游的進(jìn)氣通路)，應(yīng)當(dāng)理解，附加的或替代的EGR構(gòu)造可包括在發(fā)動機(jī)600中。例如，在一些實(shí)施例中，LP EGR系統(tǒng)(即排氣從渦輪629的下游流到壓縮機(jī)627的上游的進(jìn)氣通路)可以被包括在發(fā)動機(jī)600中。
[0053]位于發(fā)動機(jī)缸體640內(nèi)的發(fā)動機(jī)汽缸648A-D分別從燃料噴射器646A-D接收燃料。排氣流道662A-D在第一端分別親合到發(fā)動機(jī)汽缸648A-D，并且在第二端組合以形成排氣歧管通路666作為排氣歧管660的一部分。來自排氣歧管660的排氣有選擇地流過EGR導(dǎo)管670和/或渦輪629。流過渦輪629的排氣然后被提供到一個(gè)或多個(gè)排氣后處理設(shè)備，如三元催化劑(TWC) 672。在典型的排氣系統(tǒng)中，單個(gè)的、大的微粒過濾器可被放置在TWC的下游。如圖2所不，各個(gè)微粒過濾器664A-D中的每一個(gè)可設(shè)置在發(fā)動機(jī)汽缸648A-D的排氣流道662A-D中不同的流道中。因此，從第一汽缸流出的排氣僅僅流過第一微粒過濾器(例如，來自汽缸648A的排氣僅僅流過微粒過濾器664A)。換句話說，微粒過濾器僅僅接收來自各自汽缸的排氣(例如，微粒過濾器664A接收僅僅來自汽缸648A的排氣)。這樣，可以小于典型排氣系統(tǒng)內(nèi)包括的微粒過濾器的所述多個(gè)各個(gè)微粒過濾器可以被包括在發(fā)動機(jī)600內(nèi)以代替在其他車輛內(nèi)通常位于TWC的下游的單個(gè)的、大的微粒過濾器。應(yīng)當(dāng)理解，在其他示例中，除了TWC下游的單個(gè)的、大的微粒過濾器之外，各個(gè)微粒過濾器也可以被包括在發(fā)動機(jī)600中。微粒過濾器664A-D可包含用于捕集和/或去除來自經(jīng)過過濾器的排氣的微粒的合適材料。
[0054]單個(gè)激光排氣壓力換能器668可設(shè)置在每個(gè)排氣流道的下游且在渦輪629的上游。但是，應(yīng)當(dāng)理解，后處理設(shè)備、渦輪以及排氣壓力傳感器的其它布置可以被包括在發(fā)動機(jī)600的其它示例中。例如，各個(gè)激光壓力換能器可設(shè)置在TWC672和渦輪629的上游且在排氣歧管660內(nèi)的，在每個(gè)微粒過濾器(如，664A-D)的下游的每個(gè)排氣流道662A-D內(nèi)。來自汽缸的排氣流道的排氣在排氣歧管660中合并。來自每個(gè)排氣流道的排氣可流到EGR導(dǎo)管670或TWC672 AGR導(dǎo)管670使排氣流向EGR進(jìn)氣控制閥680。在排氣被釋放到大氣之前，TWC672將有害的排氣化合物轉(zhuǎn)換成安全的化合物。
[0055]在這個(gè)構(gòu)造中，排氣激光壓力換能器668可測量排氣歧管660中排氣的壓力?；邳c(diǎn)火時(shí)間，壓力傳感器668可確定來源于各個(gè)發(fā)動機(jī)汽缸的排氣(例如，來自于該汽缸的通過相關(guān)的排氣流道流動到排氣歧管的排氣)的壓力。點(diǎn)火時(shí)間可以與各個(gè)汽缸點(diǎn)火事件相關(guān)，以便將壓力測量與各個(gè)汽缸點(diǎn)火事件相關(guān)聯(lián)。對壓力傳感器信號進(jìn)行采樣的頻率可以是選擇的頻率，并且可以被定時(shí)以對應(yīng)于各個(gè)汽缸點(diǎn)火事件。在一個(gè)實(shí)施例中，可在控制器每次接收到表面點(diǎn)火感測(PIP)信號時(shí)對壓力傳感器信號進(jìn)行采樣。每當(dāng)耦合到曲軸的輪的齒(或缺失齒)經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，就從曲軸傳感器(如圖1中的霍爾效應(yīng)傳感器120)發(fā)送PIP信號。由于曲軸位置與各個(gè)汽缸點(diǎn)火事件中的每一個(gè)相關(guān)，所以可利用所述位置來確定各個(gè)汽缸點(diǎn)火事件中的哪個(gè)汽缸點(diǎn)火事件對應(yīng)于樣品中在該曲軸位置處獲得的壓力傳感器信號測量。
[0056]各個(gè)汽缸排氣壓力測量提供信息以診斷燃料噴射器646A-D，如失火事件(如圖7中闡述)以及微粒過濾器664A-D中高的微粒物質(zhì)載荷。另外，排氣壓力測量可用來診斷切換事件(switching event)期間的空氣-燃料汽缸不平衡。作為一個(gè)實(shí)例，如果壓力傳感器668確定個(gè)別汽缸的排氣壓力振幅高于汽缸點(diǎn)火事件之前的預(yù)期排氣壓力，那么可確定汽缸已經(jīng)失火。作為另一個(gè)示例，如果壓力傳感器668測量個(gè)別汽缸的排氣壓力振幅正低于預(yù)期排氣壓力振幅和/或平均排氣壓力振幅，那么可以確定該汽缸的各個(gè)微粒過濾器的微粒物質(zhì)載荷高于預(yù)期的和/或可接受的微粒物質(zhì)載荷。因此，基于來自壓力傳感器668的測量，響應(yīng)于診斷出在個(gè)別微粒過濾器上的高微粒載荷，控制器可命令該微粒過濾器的再生。
[0057]在上述實(shí)例中，預(yù)期的排氣壓力可基于發(fā)動機(jī)工況，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火順序、火花正時(shí)或被確定為發(fā)動機(jī)參數(shù)的函數(shù)的預(yù)定值，如空氣質(zhì)量。同樣，平均排氣壓力可以是與每個(gè)汽缸相關(guān)聯(lián)的排氣壓力振幅在一段時(shí)間內(nèi)(例如，選擇的數(shù)個(gè)發(fā)動機(jī)循環(huán))的平均測量值。
[0058]作為另一個(gè)實(shí)例，響應(yīng)于汽缸的排氣壓力振幅測量值低于閾值，可指示與汽缸相關(guān)聯(lián)的燃料噴射器(例如，將燃料噴射到該汽缸內(nèi)的燃料噴射器)被劣化。響應(yīng)于劣化的燃料噴射器的該確定，可命令發(fā)動機(jī)調(diào)整，以便解決劣化的燃料噴射器的影響(例如，來自已劣化燃料噴射器的微粒物質(zhì)輸出的增加引起微粒過濾器上微粒載荷的增加)。在一些實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)調(diào)整可包括延遲火花正時(shí)以增加汽缸溫度，從而再生微粒過濾器和/或清潔燃料噴射器的污垢。
[0059]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，其提供了基于由排氣激光壓力換能器估計(jì)的排氣歧管壓力來識別燃料噴射器的劣化、各個(gè)流道微粒過濾器的劣化以及失火事件中的至少一個(gè)的示例方法700。雖然參考圖6中發(fā)動機(jī)系統(tǒng)描述了該方法，但是應(yīng)當(dāng)理解，該方法可類似地用于其它的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造。
[0060]在702，該方法包括檢索發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和位置正時(shí)數(shù)據(jù)。這包括檢索與每個(gè)發(fā)動機(jī)汽缸中點(diǎn)火事件的正時(shí)以及每個(gè)汽缸中活塞的位置有關(guān)的數(shù)據(jù)。換句話說，可確定每個(gè)汽缸處于哪個(gè)沖程(stroke)中，并且還可以確定在給定的發(fā)動機(jī)汽缸中點(diǎn)火事件是否已經(jīng)發(fā)生。
[0061]在704，方法包括基于從排氣激光壓力換能器(如圖1中的換能器108或圖6中的傳感器668)的隔膜的內(nèi)部彈回的激光脈沖，估計(jì)排氣歧管壓力。如參考圖5所闡述的，測量排氣歧管壓力可包括將激光脈沖從安裝在隔膜上的二極管激光器發(fā)射到隔膜的內(nèi)部，然后在同樣安裝在隔膜上的檢測器處檢測從隔膜的內(nèi)部彈回的激光脈沖。然后基于激光脈沖的發(fā)射和反射脈沖的檢測之間經(jīng)過的時(shí)間，估計(jì)從激光器到隔膜的距離。將距離與閾值比較，以確定由于將力施加到隔膜上的歧管壓力引發(fā)的隔膜的撓曲或變形的量。然后基于距離(或撓曲)計(jì)算歧管壓力估計(jì)。歧管壓力估計(jì)還基于隔膜的溫度，所述隔膜的溫度由安裝在隔膜上的熱傳感器估計(jì)，所述熱傳感器接收來自隔膜內(nèi)部的紅外輻射。
[0062]測量排氣壓力可包括采集定時(shí)對每個(gè)汽缸進(jìn)行的排氣壓力測量的樣品。在一個(gè)實(shí)例中，相同的操作可以針對每個(gè)汽缸的排氣沖程定時(shí)進(jìn)行。因此，每個(gè)樣品可包括與來自給定汽缸的排氣輸出相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)壓力脈沖。同樣地，通過激光壓力換能器估計(jì)的排氣壓力測量值可以被連續(xù)地獲得(例如，使得操作期間從排氣壓力傳感器輸出不間斷的信號，樣品是從傳感器輸出的信號的選擇部分)或僅僅可在采樣時(shí)間期間獲得?；趯⒉蓸訒r(shí)間和/或與每個(gè)汽缸的點(diǎn)火時(shí)間相關(guān)的壓力脈沖發(fā)生的時(shí)間比較，排氣壓力分布(例如，在排氣壓力振幅測量樣品中的壓力脈沖的振幅)可以與各個(gè)汽缸相關(guān)聯(lián)。由于汽缸的排氣沖程期間排氣從各個(gè)汽缸進(jìn)入排氣歧管可以發(fā)生排氣壓力脈沖(如，排氣壓力傳感器信號的峰值)，所以在選擇的時(shí)間進(jìn)行的排氣壓力測量可以與在該時(shí)間引起排氣壓力脈沖的各個(gè)汽缸相關(guān)聯(lián)。
[0063]在706，方法包括將產(chǎn)生的/估計(jì)的排氣壓力分布與預(yù)期的壓力分布比較，其包括每個(gè)汽缸的排氣壓力峰值的分布。預(yù)期的分布可基于包括點(diǎn)火順序或每個(gè)汽缸的發(fā)動機(jī)工況。在替代實(shí)例中，所估計(jì)的排氣壓力分布(例如，排氣壓力峰值的振幅)可與閾值比較。閾值可以基于預(yù)期的排氣壓力振幅，且可包括防護(hù)帶(guard band)(例如，一系列排氣壓力值，最高排氣壓力值作為防護(hù)帶的最上部邊緣，并且最低排氣壓力值作為防護(hù)帶的最下部邊緣)。
[0064]在708，可確定測量的排氣壓力分布是否等于預(yù)期的排氣壓力分布(或在其閾值距離內(nèi))。如果是，然后在710，方法包括指示不存在燃料噴射器或微粒過濾器(耦合在流道中)的劣化。另外，沒有失火可被指示。
[0065]如果測量的分布和預(yù)期分布之間存在偏差，然后在712，基于測量的分布與預(yù)期分布的偏差，控制器可識別燃料噴射器劣化、微粒過濾器劣化以及失火事件中的一個(gè)或更多。例如，在713，控制器可以基于各個(gè)汽缸的測量排氣壓力比給定汽缸的點(diǎn)火(或火花)事件之后給定汽缸的預(yù)期排氣壓力低得多(如，低于預(yù)期排氣壓力超過閾值差)來指示失火事件。這樣，當(dāng)由激光壓力換能器估計(jì)的歧管壓力是排氣壓力時(shí)，控制器可以基于估計(jì)的歧管壓力并且還可以基于汽缸火花正時(shí)來指示汽缸失火事件。
[0066]作為另一個(gè)示例，在714，基于因汽缸中減少的燃料遞送而發(fā)生的給定汽缸的測量排氣壓力低于閾值，控制器可指示燃料噴射器劣化。這樣，當(dāng)由激光壓力換能器估計(jì)的歧管壓力是排氣壓力時(shí)，控制器可以基于與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火正時(shí)相關(guān)的估計(jì)的歧管壓力來指示汽缸燃料噴射器的劣化。
[0067]作為另一個(gè)示例，在715，控制器可以基于給定汽缸的測量排氣壓力低于相應(yīng)的預(yù)期排氣壓力來指示微粒過濾器的劣化。
[0068]用這種方式，基于由激光壓力換能器估計(jì)的歧管壓力，并且進(jìn)一步基于與汽缸活塞位置(指示汽缸在哪個(gè)沖程中)和汽缸點(diǎn)火正時(shí)(指示汽缸火花事件什么時(shí)候發(fā)生)相關(guān)的估計(jì)的歧管壓力的振幅，可識別一個(gè)或多個(gè)發(fā)動機(jī)部件的劣化(包括識別部件劣化所在的汽缸)。
[0069]例如，控制器經(jīng)構(gòu)造可執(zhí)行用于發(fā)動機(jī)的方法，該方法包括:將激光脈沖從安裝在隔膜上的激光器發(fā)射到耦合到發(fā)動機(jī)歧管的隔膜內(nèi)；在安裝到隔膜的檢測器處接收從隔膜的內(nèi)部反射出的激光脈沖;基于發(fā)射和接收之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間來估計(jì)到隔膜的距離；以及基于所估計(jì)的距離調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。該方法還可以包括在安裝到隔膜的熱傳感器處從隔膜的內(nèi)部接收紅外輻射，以及基于接收的紅外輻射估計(jì)隔膜的溫度。在這里，所述調(diào)整包括基于所估計(jì)的距離并且進(jìn)一步基于所估計(jì)的隔膜溫度來估計(jì)歧管壓力，以及基于所估計(jì)的歧管壓力調(diào)整發(fā)動機(jī)操作，其中在給定溫度下，所估計(jì)的歧管壓力隨著到隔膜的估計(jì)的距離的增加而增加。激光器、檢測器以及熱傳感器中每一個(gè)都被安裝到隔膜的頂部，并且發(fā)射出的激光脈沖被從隔膜的頂部發(fā)射到隔膜的內(nèi)部，而反射脈沖被從隔膜的底部反射到處于隔膜頂部的檢測器。到隔膜的距離可包括從激光器到隔膜底部的距離。該方法還包括基于估計(jì)的歧管壓力并且進(jìn)一步基于汽缸火花正時(shí)來指示汽缸失火事件。
[0070]在另一個(gè)實(shí)例中，車輛系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)，其包括排氣歧管;澆鑄到排氣歧管中的隔膜，其中隔膜的頂部耦合到排氣歧管，并且隔膜的底部被設(shè)置在排氣歧管的排氣道中；安裝到隔膜頂部的二極管激光器和激光探測器;安裝到隔膜頂部用于感測隔膜內(nèi)的紅外輻射的熱傳感器；以及控制器?？刂破骺梢越?jīng)構(gòu)造具有存儲在非臨時(shí)存儲器上的計(jì)算機(jī)可讀指令，其用于操作激光器以將激光脈沖發(fā)射到隔膜的內(nèi)部;在檢測器處檢測從隔膜的底部反射出的激光脈沖；以及基于激光脈沖被發(fā)射出和反射脈沖被檢測到之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間，估計(jì)歧管壓力。此外，控制器可以經(jīng)構(gòu)造以基于估計(jì)歧管壓力調(diào)整發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。發(fā)動機(jī)還包括進(jìn)氣節(jié)氣門和渦輪增壓器，使得所述調(diào)整包括在估計(jì)的歧管壓力降到閾值以下時(shí)增加進(jìn)氣節(jié)氣門的開口和/或增加渦輪增壓器的輸出。激光脈沖被發(fā)射出和反射脈沖被檢測到之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間可以是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)期間估計(jì)的第一持續(xù)時(shí)間，且控制器還可包括用于將第一持續(xù)時(shí)間和閾值比較的指令，所述閾值基于發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)狀態(tài)期間激光脈沖被發(fā)射出和反射脈沖被檢測到之間經(jīng)過的第二持續(xù)時(shí)間，其中在發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)狀態(tài)期間隔膜完全沒有變形。換句話說，第二持續(xù)時(shí)間被用作參考。控制器可還包括基于熱傳感器的輸出估計(jì)隔膜溫度的進(jìn)一步指令，基于熱傳感器的輸出調(diào)整估計(jì)的歧管壓力。
[0071]應(yīng)當(dāng)理解，雖然上面討論的激光壓力換能器被描述為發(fā)動機(jī)(進(jìn)氣或排氣)歧管壓力換能器，但這并不意味著是限制性的，并且激光壓力換能器可類似地用在替代位置以便壓力感測。例如，在一個(gè)替代表述中，激光壓力換能器可耦合到發(fā)動機(jī)汽缸，用于估計(jì)汽缸內(nèi)壓力。其中，鋼襯件可包括活塞行進(jìn)區(qū)上面的隔膜區(qū)域。然后，激光器電路殼體可安裝在活塞行進(jìn)區(qū)的后側(cè)上。響應(yīng)于接收到從耦合到汽缸(在汽缸內(nèi))的隔膜彈回的激光脈沖，控制器可調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。隔膜可被澆鑄或壓制在活塞行進(jìn)區(qū)上面的汽缸內(nèi)。作為實(shí)例，發(fā)動機(jī)控制器可以經(jīng)構(gòu)造以將激光脈沖從安裝在隔膜上的激光器發(fā)射到耦合到發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)側(cè)的隔膜內(nèi)；在安裝到隔膜的檢測器處接收從隔膜內(nèi)部反射出的激光脈沖;基于發(fā)射和接收之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間估計(jì)隔膜的變形；以及基于所估計(jì)的變形估計(jì)汽缸內(nèi)壓力。在另一個(gè)表述中，控制器可操作安裝在激光壓力換能器上的激光器，從而估計(jì)從激光器到隔膜底部表面的距離，所述換能器具有耦合到燃燒室的隔膜。激光器可將激光脈沖發(fā)射到隔膜的內(nèi)部(例如，底部)。激光探測器也可耦合到隔膜，并且可以經(jīng)構(gòu)造以檢測從隔膜內(nèi)部反射出之后的已發(fā)射激光脈沖的反射?；诩す饷}沖的發(fā)射和激光脈沖的檢測之間經(jīng)過的時(shí)間，可以估計(jì)從激光器到隔膜底部表面的距離。然后基于所估計(jì)的距離可確定汽缸內(nèi)壓力。汽缸內(nèi)壓力可以基于汽缸內(nèi)溫度估計(jì)而被進(jìn)一步調(diào)整。熱傳感器也可耦合到隔膜，并且可以經(jīng)構(gòu)造以檢測從隔膜內(nèi)部接收的紅外輻射。發(fā)動機(jī)控制器可以基于所估計(jì)的距離和所估計(jì)的汽缸內(nèi)溫度中的每一個(gè)(例如，通過參考查找表)來估計(jì)汽缸內(nèi)壓力。然后，一個(gè)或多個(gè)發(fā)動機(jī)操作參數(shù)，如發(fā)動機(jī)燃料加注(燃料加注量或正時(shí))、火花正時(shí)、進(jìn)氣節(jié)氣門開口以及增壓壓力，可以基于所確定的汽缸內(nèi)壓力而被調(diào)整。
[0072]應(yīng)當(dāng)理解，在另外更多實(shí)施方式中，使用壓力容器的控制區(qū)域上的激光器和熱傳感器，上面討論的激光壓力換能器可被用于從遠(yuǎn)處對壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程測量。因此，這種激光壓力換能器可有利地用來測量極熱的或極冷的汽缸，如原子反應(yīng)堆。遠(yuǎn)程感測(包括通過窗口)可允許測量直接接觸不可行或不實(shí)用的區(qū)域內(nèi)的壓力，如高超音速車輛外部上或在嚴(yán)重的EMC環(huán)境中。
[0073]為了使用激光壓力換能器來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力測量，換能器系統(tǒng)可包括激光器、檢測器以及IR傳感器，以從壓力容器的外面遠(yuǎn)距離地觀察隔膜。對于固定的距離和固定的相對位置，激光器裝置可與上面參照歧管壓力換能器論述的裝置相同。其中，隔膜撓曲可以被映射為壓力容器的壓力。對于平面的相對移動，如具有隔膜的主體相對于激光器/檢測器移動位置，激光器可以在平面的移動期間照射隔膜的右邊邊緣和左邊邊緣上的目標(biāo)，然后它們的距離可以被測量。這可需要兩個(gè)額外的激光器。兩個(gè)目標(biāo)的距離的平均值可用來建立隔膜的“零壓力”撓曲。然后，隔膜撓曲可被確定為測量的隔膜距離減去“零壓力”撓曲距離。然后，撓曲映射到壓力。
[0074]對于三維空間中的相對移動，如具有隔膜的主體相對于激光器/檢測器移動位置，目標(biāo)可被設(shè)置在隔膜的左邊邊緣、右邊邊緣、頂部邊緣以及底部邊緣，選擇的目標(biāo)可以被激光器照射，并且它們的距離可以被測量。這可需要多達(dá)四個(gè)額外的激光器。四個(gè)目標(biāo)的距離的平均值可用來建立隔膜的“零壓力”撓曲。然后，隔膜撓曲可被確定為測量隔膜距離減去“零壓力”撓曲距離。然后，燒曲被映射到壓力。
[0075]這樣，通過依靠具有壓敏隔膜的激光壓力換能器，可以準(zhǔn)確地且成本節(jié)約地估計(jì)歧管壓力。通過使用激光器以將耦合到發(fā)動機(jī)歧管的隔膜的撓曲與歧管壓力相關(guān)聯(lián)，可以增加歧管壓力估計(jì)的可靠性。通過將激光發(fā)射器和檢測器耦合到隔膜的密封內(nèi)部腔，防護(hù)傳感器電路免于腐蝕性液體(例如排氣中的那些腐蝕液體)。
[0076]用這種方式，可以提供更加成本節(jié)約的歧管壓力換能器/傳感器，同時(shí)不會損害傳感器的精度或可靠性。通過使用耦合到密封隔膜的激光器、檢測器以及熱傳感器，可減少傳感器電路暴露于腐蝕性液體和高溫。因此，這改善了壓力傳感器的耐久性和壽命，同時(shí)也減少了與劣化的壓力傳感器相關(guān)聯(lián)的發(fā)動機(jī)保修問題。通過將更可靠且更耐久的歧管壓力傳感器用于發(fā)動機(jī)控制，可改善燃料經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動機(jī)性能。
[0077]要注意的是，本文包括的示例控制和估計(jì)程序可與各種發(fā)動機(jī)和/或車輛系統(tǒng)構(gòu)造一起使用。本文公開的控制方法和程序可作為可執(zhí)行指令存儲在非臨時(shí)存儲器中，且可以由控制系統(tǒng)進(jìn)行，所述控制系統(tǒng)包括與各種傳感器、致動器以及其它發(fā)動機(jī)硬件組合的控制器。本文描述的具體程序可表示任何數(shù)量的處理策略，如事件驅(qū)動、中斷驅(qū)動、多任務(wù)、多線程等等中的一個(gè)或多個(gè)。因此，示出的各種動作、操作和/或功能可以按照所示出的順序、并行地或以在某些情況下省略地執(zhí)行。同樣地，處理的順序不是為實(shí)現(xiàn)本文所描述的示例性實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)而必須的，而是為了便于說明和描述提供。根據(jù)使用的特定策略，可重復(fù)執(zhí)行所示動作、操作和/或功能中的一個(gè)或多個(gè)。此外，所描述的動作、操作和/或功能可以用圖表表示成待編程到發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)的非臨時(shí)存儲器內(nèi)的代碼，其中通過執(zhí)行系統(tǒng)中的指令進(jìn)行所述動作，所述系統(tǒng)包括與電子控制器組合的各種發(fā)動機(jī)硬件部件。
[0078]應(yīng)該理解，本文公開的構(gòu)造和程序在本質(zhì)上是示例性的，且這些具體實(shí)施例不應(yīng)考慮具有限制性意義，因?yàn)樵S多變化是可能的。例如，以上技術(shù)可應(yīng)用于V-6、1-4、1-6、1-3、V-12、對置4缸、以及其它的發(fā)動機(jī)類型。本公開的主題包括本文公開的各個(gè)系統(tǒng)和構(gòu)造以及其他特征、功能和/或?qū)傩缘乃行路f的和非顯而易見的組合以及子組合。
[0079]下面的權(quán)利要求特別指出被視為新穎和非顯而易見的某些組合和子組合。這些權(quán)利要求可指“一個(gè)”元件或“第一”元件或其等同物。應(yīng)該理解，這些權(quán)利要求包括一個(gè)或更多這些元件的結(jié)合，既不要求也不排除兩個(gè)或更多這些元件。所公開的特征、功能、元件和/或?qū)傩缘钠渌M合和子組合可通過本權(quán)利要求書的修正或通過在這個(gè)或相關(guān)申請中提出新權(quán)利要求來要求保護(hù)。這樣的權(quán)利要求，無論是更寬于，更窄于，等于，或不同于原始的權(quán)利要求的范圍，也被視為包括在本公開的主題之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于發(fā)動機(jī)的方法，其包括: 響應(yīng)于接收到的從發(fā)動機(jī)歧管內(nèi)的隔膜彈回的激光脈沖而調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述發(fā)動機(jī)歧管是進(jìn)氣歧管和排氣歧管中的一個(gè)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述隔膜被模制到所述進(jìn)氣歧管中。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述隔膜被壓制到所述排氣歧管的排氣道中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光脈沖被激光器發(fā)射到所述隔膜的內(nèi)部，且其中所述激光脈沖在從所述隔膜的所述內(nèi)部反射出后在檢測器處被接收，所述激光器和檢測器中的每一個(gè)都被安裝到所述隔膜，且其中所述激光脈沖與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火頻率同步地發(fā)射。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其還包括，響應(yīng)于從所述隔膜的所述內(nèi)部接收到的紅外輻射而估計(jì)所述隔膜的溫度，所述紅外輻射在耦合到所述激光器并安裝到所述隔膜的紅外傳感器處被接收。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述調(diào)整包括，基于所述激光脈沖估計(jì)所述隔膜的撓曲，基于所述撓曲估計(jì)歧管壓力，以及響應(yīng)于估計(jì)的所述歧管壓力調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中基于所述激光脈沖估計(jì)所述隔膜的撓曲包括將所述激光器發(fā)射激光脈沖和所述檢測器檢測到反射的激光脈沖之間的時(shí)間差與時(shí)間閾值比較，以及基于所述比較估計(jì)所述撓曲。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述時(shí)間閾值基于在所述隔膜沒有被撓曲時(shí)的校準(zhǔn)狀態(tài)期間所述激光器發(fā)射激光脈沖和所述檢測器檢測到反射的激光脈沖之間的時(shí)間差。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中調(diào)整發(fā)動機(jī)操作包括響應(yīng)于估計(jì)的所述歧管壓力，調(diào)整進(jìn)氣節(jié)氣門開口，調(diào)整增壓水平，調(diào)整燃料流量，調(diào)整排氣再循環(huán)的量，調(diào)整火花正時(shí)，調(diào)整凈化流量，調(diào)整RPM，以及調(diào)整排氣催化劑溫度中的一個(gè)或多個(gè)。11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述歧管壓力是排氣壓力，所述方法還包括基于與發(fā)動機(jī)點(diǎn)火正時(shí)相關(guān)的估計(jì)的所述歧管壓力，指示汽缸燃料噴射器的劣化。12.一種用于發(fā)動機(jī)的方法，其包括: 從安裝在隔膜上的激光器朝耦合到發(fā)動機(jī)歧管的所述隔膜發(fā)射激光脈沖； 在安裝到所述隔膜的檢測器處，接收從與所述歧管的內(nèi)部相對的所述隔膜的內(nèi)部反射的激光脈沖；以及 基于所述發(fā)射和所述接收之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間，調(diào)整發(fā)動機(jī)操作。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其還包括，基于所述發(fā)射和所述接收之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間估計(jì)到所述隔膜的距離，在安裝到所述隔膜的熱傳感器處接收來自所述隔膜的所述內(nèi)部的紅外輻射，以及基于接收的所述紅外輻射估計(jì)所述隔膜的溫度。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述調(diào)整包括基于估計(jì)的所述距離并且進(jìn)一步基于所述隔膜的估計(jì)的所述溫度來估計(jì)歧管壓力，以及基于估計(jì)的所述歧管壓力調(diào)整發(fā)動機(jī)操作，在給定溫度下，估計(jì)的所述歧管壓力隨著到所述隔膜的估計(jì)的所述距離的增加而增加。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述激光器、檢測器以及熱傳感器中的每一個(gè)都被安裝到所述隔膜的頂部，其中發(fā)射的所述激光脈沖被從所述隔膜的所述頂部發(fā)射到所述隔膜的所述內(nèi)部，并且反射的所述脈沖被從所述隔膜的底部反射到在所述隔膜頂部處的所述檢測器，且其中到所述隔膜的所述距離包括從所述激光器到所述隔膜的所述底部的距離。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其還包括基于估計(jì)的所述歧管壓力且還基于汽缸火花正時(shí)來指示汽缸失火事件。17.—種車輛系統(tǒng)，其包括: 發(fā)動機(jī)，其包括排氣歧管； 澆鑄到所述排氣歧管中的隔膜，其中所述隔膜的頂部被耦合到所述排氣歧管，并且所述隔膜的底部被設(shè)置在所述排氣歧管的排氣道內(nèi)； 二極管激光器和激光檢測器，其耦合到所述隔膜的所述頂部； 熱傳感器，其安裝到所述隔膜的頂部，用于感測所述隔膜內(nèi)的紅外輻射；以及 控制器，其具有計(jì)算機(jī)可讀指令以便: 操作所述激光器以將激光脈沖發(fā)射到所述隔膜的內(nèi)部； 在所述檢測器處檢測從所述隔膜的所述底部反射出的激光脈沖；以及基于激光脈沖被發(fā)射和反射脈沖被檢測之間經(jīng)過的持續(xù)時(shí)間，估計(jì)歧管壓力；以及 基于估計(jì)的所述歧管壓力，調(diào)整發(fā)動機(jī)操作參數(shù)。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)動機(jī)還包括進(jìn)氣節(jié)氣門和渦輪增壓器，且其中所述調(diào)整包括當(dāng)估計(jì)的所述歧管壓力下降到閾值以下時(shí)，增加所述進(jìn)氣節(jié)氣門的開口和/或增加所述渦輪增壓器的輸出。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述激光脈沖被發(fā)射和所述反射脈沖被檢測之間經(jīng)過的所述持續(xù)時(shí)間是在發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)期間估計(jì)的第一持續(xù)時(shí)間，并且其中所述控制器還包括用于將第一持續(xù)時(shí)間和閾值進(jìn)行比較的指令，所述閾值基于發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)狀態(tài)期間所述激光脈沖被發(fā)射和所述反射脈沖被檢測到之間經(jīng)過的第二持續(xù)時(shí)間，所述隔膜在所述發(fā)動機(jī)校準(zhǔn)狀態(tài)期間完全沒有變形。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還包括基于所述熱傳感器的輸出估計(jì)所述隔膜的溫度的指令，且其中估計(jì)的所述歧管壓力基于所述熱傳感器的所述輸出而被調(diào)整。
【文檔編號】G01B11/16GK105973524SQ201610135542
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】D·R·馬丁, K·J·米勒
【申請人】福特環(huán)球技術(shù)公司