燃料系统中基于流体静力学的燃料压力传感器性能诊断系统和方法

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示例性的，绝不用于限制本发明、其应用或使用。为了清晰起见，在附图中使用相同的附图标记来表示类似的元件。如本文所使用的，措词“A、B和C中至少一个”应当被理解为意指使用非排他性逻辑“或”的逻辑“A或B或C”。应当理解的是，方法中的步骤可以以不同的顺序被执行，而不会改变本发明的原理。

如本文所使用的，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它合适部件。

本发明的燃料压力传感器性能诊断系统和方法基于感测到的燃料轨压力(FRP)和模型化的FRP(FRP_mod)的比较检测燃料压力传感器的故障。FRP_mod可以基于从燃料泵到燃料轨的燃料流和从燃料轨到发动机的燃料流的比较。该比较对应于燃料轨压力的改变。所述诊断系统和方法可以将燃料轨评估为控制体以及将燃料评估为具有体积模量值，以基于泵流率和发动机流率确定FRP_mod。

参考图1，示出了内燃发动机系统100的示例性实施方式。空气通过空气入口104进入发动机102并且行进到进气歧管106。布置在入口104中的空气质量流量传感器108基于进入发动机102的空气生成空气质量流量(MAF)信号，并且将MAF信号发送给发动机控制模块(ECM)110。

进气节气门(ITV)112可以设置在入口104中以控制进入发动机102的空气。ECM 110可以通过节气门信号控制ITV 112，该节气门信号可以基于来自驾驶员的输入或其它输入条件。ITV 112可以打开或关闭以增加或减小空气质量流量。节气门位置传感器114基于ITV位置生成节气门位置(TP)信号，并且将TP信号发送给ECM 110。进气歧管106将空气输送到气缸116。

燃料喷射器118可以附接到燃料轨120以将燃料喷射到气缸116中。所喷射的燃料量产生具有空气/燃料比的空气/燃料混合物。该空气/燃料比可以是气缸116内的空气充量和所喷射的燃料质量的质量比。空气/燃料混合物可以是大约14.7/1的化学计量的空气/燃料比。可以基于来自MAF传感器108的空气质量流量来确定空气充量。期望的燃料质量可以基于该空气质量流量。

燃料喷射器118与燃料轨120流体连通，并且包括喷射器开口。喷射器开口可以包括有效截面积(A_e)，穿过该有效截面积(A_e)燃料可被喷射到气缸116中。燃料喷射器118可以在参考燃料压力(P_ref)下使燃料以参考流率(dm_f/dt)_ref流动通过该开口。仅作为举例，燃料喷射器118可以在40psi下使燃料以24lb/hr的流率流动。

ECM 110可以基于喷射持续时间来打开和关闭喷射器118。喷射持续时间可以是喷射器打开并可使燃料流动通过喷射器118的时间。仅作为举例，喷射器118可以在喷射持续时间大于零时打开，并且在该喷射持续时间保持打开。

燃料压力传感器121感测燃料轨120的燃料轨压力(FRP)，并且将基于该压力的FRP信号发送给ECM 110。ECM 110可以基于FRP和期望的燃料质量来确定喷射持续时间。仅作为举例，ECM 110可以在喷射持续时间打开喷射器118，以输送期望的燃料质量。

气缸116内的活塞(未示出)压缩空气/燃料混合物。在火花点燃式汽油发动机中，火花塞122可以点燃空气/燃料混合物。ECM 110可以生成火花信号以通过火花塞122控制点火。在柴油机或压燃式发动机中，空气/燃料混合物可以通过在气缸116内压缩而被点燃。本发明的原理可以应用到汽油发动机和柴油发动机。

在点燃后，空气/燃料混合物燃烧并且导致气缸116内的压力增加。该压力在发动机102中导致活塞旋转曲轴(未示出)，并且产生驱动转矩。发动机速度传感器124基于曲轴的每分钟转数检测曲轴的旋转运动，并且将发动机速度(RPM)信号发送给ECM 110。

空气/燃料混合物的燃烧还导致在气缸116中形成废气。活塞迫使废气通过排气系统排出气缸116，该排气系统包括排气歧管126和排气管128。废气可以包含一定量的在空气/燃料混合物的燃烧中残余的氧。

氧传感器130可以位于排气系统中。氧传感器基于废气中的氧浓度生成氧信号，并且将该氧信号发送给ECM 110。氧量可以对应于在气缸116中燃烧的空气/燃料混合物。例如，当空气/燃料混合物大于所述化学计量比时(即，稀混合物)，该废气可包含比当空气/燃料混合物小于所述化学计量比时(即，富混合物)更多的氧。ECM 110可以使用废气中的氧量来调节喷射持续时间。

继续图1中的发动机系统，低压泵(LPP)132可以将燃料从燃料箱134供应给燃料管线136。LPP 132可以由电动机提供动力，该电动机通过由ECM 100生成的LPP占空比(DC)信号来控制。例如，当LPP占空比增加时，电动机速度可以增加，从而导致LPP 132将更多的燃料供应给燃料管线136。LPP 130可以以第一压力将燃料提供给燃料管线136。第一压力可以是比燃料轨120中的燃料压力更低的低燃料压力。

高压泵(HPP)138将燃料从燃料管线136供应给燃料轨120。HPP 138可以是通过轴140与发动机102的曲轴连接的离心泵。HPP138可以通过带和带轮系统(未示出)连接到曲轴。当曲轴旋转时，HPP 138旋转并且以泵流率(Q_pmp)将燃料供应给燃料轨120。

Q_pmp可以基于发动机速度。Q_pmp可以基于HPP 138的特性。例如，该特性可以包括泵流动容量和/或泵频率。泵频率可以是每发动机转数的泵送事件数目。泵容积排量(pump volume displacement)可以是每个泵送事件所泵送的燃料量。

HPP阀142可以位于HPP 138的入口附近。HPP阀142可以控制从燃料管线136进入HPP 138的燃料。阀142可以由电动机打开或关闭，该电动机通过由ECM 110生成的HPP占空比信号来控制。例如，当HPP占空比增加时，供应给电动机的电压可增加，从而导致阀142打开。

当阀142打开时，燃料可以流进HPP 138。增加其开度可以增加流进HPP 138的燃料。Q_pmp还可以基于HPP占空比。HPP占空比可以基于发动机速度或空气质量流量。HPP 138以第二压力将加压燃料供应给燃料轨120，该第二压力大于第一压力。燃料轨120将燃料输送给燃料喷射器118。

现在参考图2，示出了发动机控制模块110的示例性实施方式。ECM 110可以包括确定燃料泵流率(Q_pmp)的泵流率模块202。Q_pmp可以基于发动机速度和HPP阀占空比。Q_pmp可以基于泵特性，所述泵特性包括泵容量和泵频率。

ECM 110可以包括确定发动机燃料流率(Q_eng)的发动机流率模块206。Q_eng可以基于喷射器118的燃料流率。单个喷射器118可以在单一喷射中喷射所期望的燃料质量。当喷射器118在喷射持续时间打开时，发生单一喷射。单一喷射的燃料流率可以基于期望的燃料质量、喷射持续时间、以及燃料密度来确定。发动机流率确定模块206可以基于所期望的燃料质量、喷射持续时间、发动机速度、以及燃料喷射器的数目来确定Q_eng。

燃料供给确定模块208可以基于MAF信号确定期望的燃料质量。期望的燃料质量是与气缸116内空气质量混合以产生所期望的空气/燃料比的燃料质量。期望的燃料质量可以基于气缸116内的空气质量和化学计量的空气/燃料比来确定。

基本燃料供给模块210可以确定对于燃料喷射器118的基本燃料供给持续时间或基本脉冲宽度(BPW)。BPW可以基于期望的燃料质量和感测到的FRP。仅作为举例，BPW可以是基于燃料质量和燃料压力的查找表。对于所给定的期望的燃料质量和感测到的FRP，可以确定BPW。

燃料喷射持续时间模块212基于BPW和燃料修正值生成喷射持续时间。例如，燃料修正可以基于来自氧传感器130的氧信号。当压力传感器121发生故障时，燃料修正可以修正喷射持续时间。

仅作为举例，发生故障的压力传感器121可能指示出FRP值比燃料轨120中实际存在的更高。然后该更高的且不正确的FRP值可能用于从查找表确定BPW。该BPW可能小于使用了正确的FRP值时的BPW。由此，喷射持续时间还可能小于为输送期望的燃料质量所需的时间。

该减少的喷射持续时间可能导致比期望的燃料质量更少的燃料喷射到气缸116中，因为喷射器118打开更短的持续时间。氧传感器130可以检测由于所喷射的燃料减少所导致的废气中增加的氧量。燃料喷射持续时间模块212可以基于该氧量来调节喷射持续时间，以对不正确的FRP值进行补偿。

模型压力确定模块214基于Q_pmp和Q_eng确定模型化的燃料轨压力(FRP_mod)。模型压力确定模块214可以将燃料轨120评估为控制体，以及将燃料评估为具有体积模量值(β)。FRP_mod可以初始地设定成等于感测到的FRP值。该诊断可以基于Q_pmp和Q_eng之间的差来确定燃料轨压力的变化。所述差可能导致对应于FRP_mod的变化的、燃料轨120中的体积的变化。模型压力确定模块214可以基于Q_pmp和Q_eng、初始的感测到的FRP、和β来确定FRP_mod。

传感器诊断模块216将FRP_mod和感测到的FRP进行比较。当FRP_mod和感测到的FRP之间的差的绝对值大于预定压力阈值时，传感器诊断模块216输出燃料压力传感器121的故障状态。传感器诊断模块216可以将该状态指示给基本燃料供给模块210。当生成故障状态时，基本燃料供给模块216可以使用FRP_mod和期望的燃料质量确定BPW，而不是使用感测到的FRP确定BPW。

关于模型压力确定模块214，可以基于流体静力学原理来确定FRP_mod。从数学上讲，可以根据流体静力学原理，利用液压体积模量公式来确定FRP_mod：

$\beta =V_0\left(\frac{\mathrm{\Delta P}}{\mathrm{\Delta V}}\right)---\left(1\right)$

其中β是燃料的体积模量，V₀是燃料轨中的燃料体积，ΔP是燃料轨压力中的净变化，并且ΔV是燃料轨中燃料体积的净变化。材料的体积模量表示在给定量的外部压力下将会压缩多少材料。可以将压力的变化与分数式的体积压缩比的比率定义为体积模量。

体积模量可以被重新写成包括随燃料轨内燃料体积变化的时间依赖性：

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\beta }_e}{V}\times \frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

其中β_e是有效体积模量，其可以基于燃料的温度和组分。例如，该有效体积模量可以从可校准的查找表获得。dV/dt＝Q是燃料轨系统中的体积的燃料流改变率。模型化的FRP可以由下式表示：

${\mathrm{FRP}}_{\mathrm{mod}}\left(t\right)={\mathrm{FRP}}_{\mathrm{mod}}(t-1)+\left(\frac{{\beta }_e\times \mathrm{\Delta V}}{V}\right)---\left(3\right)$

其中FRP_mod(t)是在时刻t的模型化的FRP，FRP_mod(t-1)是FRP_mod的前一个值，V是燃料轨的控制体积，ΔV是燃料体积中的净变化。

初始地，FRP_mod可以设定成感测到的FRP。燃料体积中的净变化(ΔV)可以是由于在Q_pmp和Q_eng之间的体积的燃料流率差(ΔQ)所致。例如，当泵流率大于发动机流率时，ΔV可以是正的。通过HPP 138泵送到燃料轨120中的燃料多于从燃料轨120喷射到发动机102中的燃料。该燃料体积(ΔV)的净变化可以计算为：

ΔV＝Δt×(Q_pmp-Q_eng)                  (4)

其中Δt是该体积变化发生的时间，Q_pmp是体积的泵流率，Q_eng是体积的发动机流率。

泵流率模块202可以基于HPP 138的物理特性、发动机速度(RPM)、以及HPP阀占空比(DC_valve)来确定Q_pmp。例如，Q_pmp可以由下式确定：

Q_pmp＝V_disp×f_pmp×RPM×DC_valve        (5)

其中，泵的特性可包括每发动机转数的泵送频率(f_pmp)和泵容积排量(V_disp)。

发动机流量确定模块206可以基于发动机速度、计算出的喷射器燃料质量流率、燃料密度、以及喷射持续时间确定发动机流率Q_eng。仅作为举例，基于参考压力(P_ref)，喷射器118以参考喷射器流率(dm_f/dt)_ref使燃料流动。可以基于P_ref和(dm_f/dt)_ref确定单个喷射器质量流率(dm_f/dt)。仅作为举例，(dm_f/dt)可以由下式确定：

$\frac{{\mathrm{dm}}_f}{\mathrm{dt}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{FRP}}_{\mathrm{mod}}}{P_{\mathrm{ref}}}}\times {\left(\frac{{\mathrm{dm}}_f}{\mathrm{dt}}\right)}_{\mathrm{ref}}---\left(6\right)$

发动机流率Q_eng可以基于单个喷射器质量流率、燃料密度、发动机速度、以及喷射燃料的燃料喷射器的数目来确定：

模型压力确定模块214可以基于Q_pmp和Q_eng来生成FRP_mod。

现在参考图3，流程图300描绘了发动机控制系统的示例性步骤。当控制从可校准的查找表作为燃料温度和燃料组分(例如，乙醇百分比)的函数获得体积模量(β_e)和燃料密度(ρ)时，在步骤302控制开始。在步骤304中，控制基于来自FRP传感器121的FRP信号确定感测到的FRP。在步骤306中，控制初始地设定FRP_mod等于感测到的FRP。

当泵流率模块202基于发动机速度、HPP阀DC、以及泵特性确定泵流率(Q_pmp)时，在步骤308中控制继续。在步骤310中，发动机流率模块206基于燃料喷射持续时间、计算到的喷射器燃料质量、发动机速度、燃料密度、以及喷射器数目确定发动机流率(Q_eng)。

在步骤312中，控制基于在先的FRP_mod、体积模量、以及Q_pmp和Q_eng之间的差来确定FRP_mod。根据燃料轨120的流率的净变化，可以增加或减小在先的FRP_mod。

在步骤314中，控制可以确定FRP_mod和感测到的FRP之间的差。在步骤316中，控制确定该差是否大于预定阈值。该差可以包括FRP_mod和感测到的FRP之间的差的绝对值。控制还可以确定多于一个阈值。

仅作为举例，当感测到的FRP大于FRP_mod时控制可以确定第一阈值，以及当感测到的FRP小于FRP_mod时控制可以确定第二阈值。在步骤318中，当FRP_mod和感测到的FRP之间的差大于预定阈值时，控制可以指示压力传感器121的故障。控制可以指示BPW应当基于FRP_mod，而不是基于感测到的FRP。否则，控制返回步骤302。

本发明的广泛教导能够以各种形式实施。因此，尽管本发明包括特定示例，但是不应如此限制本发明的真实范围，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求书后，其它修改修改对于技术人员来说将变得明显。