CN101208588A - 用于判定内燃发动机的爆震的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
发动机ECU执行程序，所述程序包括：计算每个曲柄角处的由爆震传感器检测的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差的绝对值ΔS(I)(S200)；当出现大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)(在S202中为“是”)并且大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目等于或小于Q(1)(在S300中为“是”)时，校正振动波形(S304)；计算相关系数K(S308)，其为与校正的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差相关的值；以及当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目大于预定数目Q(1)时(在S300中为“否”)，在不校正振动波形的情况下，计算相关系数K。基于相关系数K，判定是否出现爆震。
Description
技术领域
本发明涉及用于判定内燃发动机的爆震的装置和方法，尤其是涉及一种基于内燃发动机的振动波形判定是否出现爆震的技术。
背景技术
通常，已经提出了多种判定是否出现爆震(爆燃)的方法。例如，有一种基于内燃发动机内检测的振动幅度是否大于爆震判定值来判定爆震发生的技术。日本专利公开公报No.2003-021032披露的用于内燃发动机的爆震控制装置包括：爆震传感器，其检测内燃发动机中的爆震；统计处理部，其统计处理通过爆震传感器检测的输出信号；第一临时判定部，其基于统计处理部的处理结果判定爆震发生；第二临时判定部，其基于爆震传感器检测的输出信号的波形判定爆震发生；以及最终判定部，其基于第一临时判定部的爆震临时判定和第二临时判定部的爆震临时判定最终判定爆震发生。当第一临时判定部和第二临时判定部都判定发生了爆震时，最终判定部最终判定发生了爆震。
根据该公报披露的爆震控制装置，使用了通过统计处理程序进行的爆震临时判定和通过波形程序进行的爆震临时判定，并且仅当两个临时判定都判定发生了爆震时，才最终判定发生了爆震。因此，甚至是对于单独采用统计处理程序或波形程序的爆震判定错误判定的输出信号，也能够精确地判定爆震的发生。
同时，在内燃发动机内，除由于爆震所致的振动外，当进气门或排气门坐置于其气门座上时也可发生振动。由于喷射器(具体地说，向气缸内直接喷射燃料的缸内直接喷射器)或者向喷射器供应燃料的高压泵的致动也可发生振动。当这种振动和由于爆震引起的振动一起被检测为噪声时，即使发生了爆震，所检测的波形也不同于爆震时所检测的波形。在这种情况下，如果如日本专利公开公报No.2003-021032中披露的爆震控制装置中那样基于波形判定爆震是否出现，即使发生了爆震，其也可能错误地判定没有发生爆震。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于判定内燃发动机的爆震的装置等，其能够精确地判定是否出现了爆震。
根据本发明的用于判定内燃发动机的爆震的装置包括：曲柄位置传感器，其检测所述内燃发动机的曲柄角；爆震传感器，其检测所述内燃发动机的对应于所述曲柄角的振动幅度；以及操作单元，其连接至所述曲柄位置传感器以及所述爆震传感器。所述操作单元基于所述内燃发动机的振动幅度以预定的曲柄角间隔检测振动波形。所述操作单元对每个预定曲柄角计算所检测的波形和波形模型之间的振动幅度差，其中所述波形模型是预定为所述内燃发动机的振动的参考波形的波形模型。当出现大于预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于预定数目时，所述操作单元校正所检测的波形。当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于所述预定数目时，所述操作单元基于所述校正的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机中是否发生了爆震。当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目大于所述预定数目时，所述操作单元基于所检测的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机中是否发生了爆震。
根据本发明，检测内燃发动机的对应于曲柄角的振动幅度。基于振动幅度，检测预定曲柄角间隔内的振动波形。当爆震发生时，此波形呈爆震特有的形状。因此，例如，使用形成为与发生爆震相关的振动波形的波形模型作为参考并且将该波形模型与得到的波形比较，能够判定是否出现爆震。但是，在内燃发动机中，除了由爆震引起的振动外，由于进气门和排气门坐置于其气门座上，可发生强烈并且短促的振动(发生周期比由爆震产生的振动短)。由于喷射器(特别是，向气缸内直接喷射燃料的缸内直接喷射器)或向喷射器供应燃料的高压泵的致动也可发生强烈并且短促的振动(发生周期比由爆震产生的振动短)。当这种振动与由爆震产生的振动一起被检测为噪声时，即使发生了爆震，检测的波形也不同于爆震时的波形。当使用包括噪声的波形做出是否出现爆震的判定时，即使发生了爆震，也可能由于不同的波形而错误地判定为没有发生爆震。然后，为了判定是否出现噪声，计算每个预定曲柄角的检测波形与波形模型之间的振动幅度差。如果出现大于预定值的幅度差并且大于预定值的幅度差的数目等于或小于预定数目，那么可能包括强烈并且短促的振动，即噪声。在这种情况下，校正检测的波形。基于校正波形和波形模型之间的比较，判定在内燃发动机内是否发生了爆震。因此，能够抑制由于波形不同而即使发生了爆震也错误地判定为没有发生爆震的情形。另一方面，如果出现大于预定值的幅度差并且大于预定值的幅度差的数目大于预定数目，那么可能包括强烈但不短促的振动，即并非由噪声引起的振动。在这种情况下，不校正波形，基于检测波形和波形模型之间的比较结果，判定在内燃发动机内是否发生了爆震。从而，能够抑制由于不适当校正波形引起的、即使没有发生爆震也错误地判定为发生了爆震的情形。因此，能够提供一种用于判定内燃发动机的爆震的装置，其能够精确地判定是否发生了爆震。
优选地，所述操作单元校正所检测的波形，使得所述大于所述预定值的幅度差中的至少一个减小。
根据本发明，校正检测的波形使得大于预定值的幅度差中的至少一个减小。因此，能够抑制包括在波形中的噪声的影响。从而相互比较校正的波形和波形模型以判定是否发生了爆震。因此，能够抑制即使发生了爆震也错误判定为没有发生爆震的情形。
另外优选地，所述操作单元校正所检测的波形，使得在所述大于所述预定值的幅度差中，比所述大于所述预定值的幅度差的数目小的幅度差减小。
根据本发明，校正检测的波形，使得在大于预定值的幅度差中，部分幅度差减小。从而，在包括幅度大并且短促的振动但其并非由噪声引起的情况下，能够抑制不适当的波形校正。因此，能够抑制即使没有发生爆震也错误判定为发生了爆震的情形。
另外优选地，所述操作单元基于所述幅度差进一步从所述幅度差大于所述预定值处的曲柄角中选择幅度差要减小处的曲柄角，并且所述操作单元校正所检测的波形，使得在大于所述预定值的幅度差中，所选择的曲柄角处的幅度差减小。
根据本发明，校正波形，使得在大于预定值的幅度差中，基于幅度差选择的曲柄角处的幅度差减小。从而，例如能够在检测的波形和波形模型相互非常不同的曲柄角处，校正检测的波形。从而，能够有效地抑制噪声的影响。因此，能够抑制即使发生爆震也错误判定为没有发生爆震的情形。此外，能够在检测的波形和波形模型之间的差很小的曲柄角处，校正检测的波形。从而，能够防止校正的影响过大。因此，能够抑制即使没有发生爆震也错误判定为已经发生了爆震的情形。
另外优选地，所述操作单元优先选择幅度差较大的曲柄角。
根据本发明，校正波形，使得在大于预定值的幅度差中，幅度差较大的曲柄角处的幅度差减小。从而，能够在检测的波形与波形模型相互非常不同的曲柄角处，校正检测的波形。因此，能够有效地抑制由噪声引起的影响。因此，能够抑制即使发生了爆震也错误判定为没有发生爆震的情形。
附图说明
图1是通过发动机ECU控制的发动机的示意性配置图，所述发动机ECU是根据本发明第一实施方式的爆震判定装置；
图2是示出爆震时发动机内产生的振动的频带的曲线图；
图3是示出图1中的发动机ECU的控制框图；
图4是示出发动机内的振动波形的曲线图；
图5是示出存储在发动机ECU的ROM内的爆震波形模型的曲线图；
图6是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.1)；
图7是示出存储在发动机ECU的ROM或SRAM中的预定值V(KX)的映射的图表；
图8是示出幅度值LOG(V)的频率分布的曲线图(No.1)；
图9是示出幅度值LOG(V)的频率分布的曲线图(No.2)；
图10是示出幅度值LOG(V)的频率分布的曲线图(No.3)；
图11是示出幅度值LOG(V)的频率分布的曲线图(No.4)；
图12是示出用于形成幅度值LOG(V)的频率分布的幅度值LOG(V)的图；
图13是示出通过发动机ECU执行的程序的控制结构的流程图(No.1)，所述发动机ECU是根据本发明第一实施方式的爆震判定装置；
图14是示出通过发动机ECU执行的程序的控制结构的流程图(No.2)，所述发动机ECU是根据本发明第一实施方式的爆震判定装置；
图15是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.2)；
图16是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.3)；
图17是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.4)；
图18是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.5)；
图19是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.6)；以及
图20是用于比较振动波形和爆震波形模型的曲线图(No.7)。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施方式。在下面的描述中，相同的部件设置有相同的参考标记。它们具有相同的名称和功能。因此，相同部件的详细描述不再重复。
参照图1，将描述安装有根据本发明实施方式的爆震判定装置的车辆的发动机100。例如，根据本发明的爆震判定装置通过由发动机ECU(电子控制单元)200执行的程序实现。
发动机100是内燃发动机，其中从空气滤清器102吸进的空气和从喷射器104喷射的燃料的空气-燃料混合物由火花塞106点火并且在燃烧室内燃烧。点火正时控制为MBT(最大转矩时的最小点火提前角)，在MBT，输出转矩最大但是根据发动机100的例如发生爆震等的操作状态推迟或提前。
在空气-燃料混合物燃烧时，活塞108被燃烧压力压低，曲轴110旋转。燃烧后的空气-燃料混合物(排气)通过三元催化剂112滤清并且排出汽车。通过节气门114调节吸进发动机100的空气量。
通过发动机ECU 200控制发动机100。连接到发动机ECU 200的有：爆震传感器300、水温传感器302、设置成面对正时转子304的曲柄位置传感器306、节气门开度位置传感器308、车速传感器310、点火开关312以及空气流量计314。
爆震传感器300设置到发动机100的气缸体上。爆震传感器300由压电元件形成。爆震传感器300响应于发动机100的振动而产生电压。电压的幅度与振动的幅度相应。爆震传感器300将代表电压的信号传送到发动机ECU 200。水温传感器302检测发动机100的水套中的冷却水的温度，并且将代表检测结果的信号传送到发动机ECU 200。
正时转子304设置到曲轴110上并且随着曲轴110旋转。在正时转子304的外周上，以预定的间隔设置有若干突起。曲柄位置传感器306设置成面对正时转子304的突起。当正时转子304旋转时，正时转子304的突起和曲柄位置传感器306之间的气隙改变，因此，经过曲柄位置传感器306的线圈部分的磁通量增加和减少以在线圈部分内产生电动势。曲柄位置传感器306将代表电动势的信号传送到发动机ECU 200。发动机ECU 200基于传自曲柄位置传感器306的信号检测曲轴110的曲柄角和转数。
节气门开度位置传感器308检测节气门的开度位置并且将代表检测结果的信号传送到发动机ECU 200。车速传感器310检测车轮(未图示)的转数并且将代表检测结果的信号传送到发动机ECU 200。发动机ECU 200基于车轮的转数计算车速。在起动发动机100时，驾驶员接通点火开关312。空气流量计314检测进入发动机100的进气量并且将代表检测结果的信号传送到发动机ECU 200。
发动机ECU 200由供应自作为电源的辅助电池320的电力操作。发动机ECU 200基于传自各传感器和点火开关312的信号以及存储在ROM(只读存储器)202或SRAM(静态随机存取存储器)204中的映射和程序进行计算，并且控制所述装置以使发动机100达到所需的操作状态。
在本实施方式中，发动机ECU 200基于传自爆震传感器300的信号和曲柄角检测在预定的爆震检测门(knock detection gate)(预定第一曲柄角和预定第二曲柄角之间的部分)内的发动机100振动波形(后面称其为“振动波形”)，并且基于检测的振动波形判定发动机100中是否发生了爆震。在本实施方式中，爆震检测门是燃烧冲程内从上止点(0°)至90°。但爆震检测门不限于此。
当爆震发生时，在发动机100内产生频率接近如图2中实线所示频率的振动。由爆震产生的振动的频率不是恒定的，并且在一定的频率范围内变化。因此，在此实施方式中，如图2中所示，检测包括在第一频带A、第二频带B以及第三频带C内的振动。在图2中，CA表示曲柄角。由爆震产生的振动的频带数不限于三个。
参照图3，将进一步描述发动机ECU 200。发动机ECU 200包括A/D(模/数)转换器400、带通滤波器(1)410、带通滤波器(2)420、带通滤波器(3)430以及积分部450。
A/D转换器400将传自爆震传感器300的模拟信号转换成数字信号。带通滤波器(1)410仅允许传自爆震传感器300的信号中的第一频带A内的信号通过。换言之，通过带通滤波器(1)410，从爆震传感器300检测的振动中仅提取出第一频带A内的振动。
带通滤波器(2)420仅允许传自爆震传感器300的信号中的第二频带B内的信号通过。换言之，通过带通滤波器(2)420，从爆震传感器300检测的振动中仅提取出第二频带B内的振动。
带通滤波器(3)430仅允许传自爆震传感器300的信号中的第三频带C内的信号通过。换言之，通过带通滤波器(3)430，从爆震传感器300检测的振动中仅提取出第三频带C内的振动。
积分部450每次5°曲柄角地积分由带通滤波器(1)410至(3)430选择的信号，即振动幅度。所积分的值后面将称为积分值。在每个频带内计算积分值。通过这种积分值的计算，检测每个频带内的振动波形。
此外，将第一频带A至第三频带C中计算的积分值累加以对应于曲柄角。换言之，对第一频带A至第三频带C的振动波形进行合成。
因此，如图4中所示，检测出发动机100的振动波形。换言之，第一频带A至第三频带C的合成波形用作发动机100的振动波形。
检测的振动波形与如图5中所示的存储在发动机ECU 200的ROM202中的爆震波形模型比较。爆震波形模型预先形成为当发动机100内发生爆震时的振动波形的模型。
在爆震波形模型中，振动的幅度表示为0至1范围内的无因次数，并且振动幅度并不单一地相应于曲柄角。换言之，在本实施方式的爆震波形模型中，判定出在振动幅度的峰值之后振动幅度随着曲柄角的增加而减小，但是不能判定出振动幅度变成峰值的曲柄角。
本实施方式中的爆震波形模型相应于由爆震产生的振动幅度的峰值之后的振动。还可以存储相应于由爆震引起的振动的上升沿之后的振动的爆震波形模型。
基于通过实验强迫产生爆震时检测的发动机100的振动波形，预先形成和存储爆震波形模型。
爆震波形模型通过使用发动机100形成，所述发动机100是一种其尺寸和爆震传感器300的输出值是尺寸公差和爆震传感器300的输出值的公差的中值的发动机(后面称作“中间特性发动机”)。换言之，爆震波形模型是在中间特性发动机内强迫地产生爆震的情况下的振动波形。形成爆震波形模型的方法不限于此，还可以通过仿真来形成该模型。
在检测波形和爆震波形模型的对比中，如图6中所示，将标准化的波形和爆震波形模型相互比较。这里，标准化意味着通过例如用检测的振动波形的积分值的最大值除每个积分值而将振动的幅度表示成0至1范围内的无因次数。但是，标准化的方法不限于此。
在此实施方式中，发动机ECU 200计算相关系数K，其为与标准化的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差相关的值。利用振动幅度变成标准化后的振动波形中的最大值的正时以及振动幅度变成合成的爆震波形模型中的最大值的正时，计算每个曲柄角(每5°曲柄角)处的标准化后的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差的绝对值(偏差量)，从而计算出相关系数K。
如果每个曲柄角处的标准化后的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差的绝对值是ΔS(I)(I是自然数)，并且通过爆震波形模型的振动幅度对曲柄角积分获得的值(爆震波形模型的面积)是S，则相关系数K通过等式K＝(S-∑ΔS(I))/S计算，其中∑ΔS(I)是ΔS(I)的总和。在此实施方式中，振动波形的形状与爆震波形模型的形状越接近，所计算的相关系数K的值越大。因此，如果振动波形中包括有爆震以外的因素引起的振动波形，则相关系数K计算为较小的值。计算相关系数K的方法不限于此。
此外，发动机ECU 200基于积分值的最大值(峰值)计算爆震幅度N。如果最大积分值为P，并且代表没有发生爆震的发动机100的振动幅度的值是BGL(背景水平)，则爆震幅度N通过等式N＝P/BGL计算。应当指出，用于计算爆震幅度N的最大积分值P经过对数转换。计算爆震幅度N的方法不限于此。
BGL计算为通过从幅度值LOG(V)的频率分布的中值V(50)中减去标准偏差σ和系数(例如“1”)的积所得的值，这将在后面描述。计算BGL的方法不限于此，并且BGL还可预先存储在ROM 202内。
在本实施方式中，发动机ECU 200将计算出的爆震幅度N和存储在SRAM 204中的判定值V(KX)互相比较，并进一步将检测的波形与存储的爆震波形模型互相比较。然后发动机ECU 200判定在每个点火周期发动机100内是否发生了爆震。
如图7中所示，判定值V(KX)存储为通过使用发动机速度NE和进气量KL作为参数将操作状态划分为各个范围的映射。在此实施方式中，为每个气缸提供了九个范围，其按如下进行划分：低速(NE＜NE(1))；中速(NE(1)≤NE＜NE(2))；高速(NE(2)≤NE)；低负荷(KL＜KL(1))；中负荷(KL(1)≤KL＜KL(2))；以及高负荷(KL(2)≤KL)。范围的数目不限于此。还可使用发动机速度NE和进气量KL以外的参数划分范围。
在发动机100或车辆出货时，通过实验等预先确定的值被用作存储在ROM 202中的判定值V(KX)(出货时判定值V(KX)的初始值)。但是，由于爆震传感器300的劣化和输出值的变化，发生在发动机100内的相同的振动的幅度可能检测为不同的值。在这种情况下，需要校正判定值V(KX)并且通过使用相应于实际检测的幅度的判定值V(KX)判定是否发生了爆震。
因此，在此实施方式中，基于代表幅度值LOG(V)和每个幅度值LOG(V)的检测频率(次数、概率)之间关系的频率分布计算爆震判定水平V(KD)，其中幅度值LOG(V)是通过对数转换幅度V获得的值。
对使用发动机速度NE和进气量KL作为参数的每个范围计算幅度值LOG(V)。用于计算幅度值LOG(V)的幅度V是预定曲柄角之间的幅度的峰值(每5°的积分值的峰值)。基于计算的幅度值LOG(V)，计算出幅度值LOG(V)的频率从最小值起的累积和达到50％的中值V(50)。此外，计算出等于或小于中值V(50)的幅度值LOG(V)的标准偏差σ。例如，在此实施方式中，通过如下计算方法计算每个点火周期的中值V(50)和标准偏差σ，其近似于基于多个幅度值LOG(V)(例如200个周期)计算出的中值和标准偏差。
如果当前检测的幅度值LOG(V)大于先前计算的中值V(50)，那么通过将预定值C(1)加到先前计算的中值V(50)所获得的值被计算作为当前中值V(50)。另一方面，如果当前检测的幅度值LOG(V)小于先前计算的中值V(50)，那么通过从先前计算的中值V(50)减去预定值C(2)(例如C(2)和C(1)的值相等)所获得的值被计算作为当前中值V(50)。
如果当前检测的幅度值LOG(V)小于先前计算的中值V(50)并且大于通过从先前计算的中值V(50)减去先前计算的标准偏差σ所获得的值，那么从先前计算的标准偏差σ减去大小为预定值C(3)两倍的值所获得的值计算作为当前标准偏差σ。另一方面，如果当前检测的幅度值LOG(V)大于先前计算的中值V(50)或者小于从先前计算的中值V(50)减去先前计算的标准偏差σ所获得的值，那么通过将预定值C(4)(例如C(3)和C(4)的值相等)加到先前计算的标准偏差σ所获得的值计算作为当前的标准偏差σ。计算中值V(50)和标准偏差σ的方法不限于此。而且，中值V(50)和标准偏差σ的初始值可以是预先设定的值或者可以是“零”。
使用中值V(50)和标准偏差σ，可计算爆震判定水平V(KD)。如图8中所示，通过将系数U(1)(U(1)是常数并且例如U(1)＝3)和标准偏差σ的积加到中值V(50)所获得的值是爆震判定水平V(KD)。计算爆震判定水平V(KD)的方法不限于此。
幅度值LOG(V)的大于爆震判定水平V(KD)的比例(频率)被确定为发生爆震的频率，并且被当作爆震比例KC。如果爆震比例KC大于阈值KC(0)，那么判定值V(KX)校正为减小预定的校正量，使得推迟点火正时的频率变高。如果爆震比例KC小于阈值KC(0)，那么判定值V(KX)校正为增加预定的校正量，使得提前点火正时的频率变高。
系数U(1)是基于通过实验等获取的数据和结果得到的系数。当U(1)＝3时大于爆震判定水平V(KD)的幅度值LOG(V)基本上与实际发生爆震的点火周期中的幅度值LOG(V)一致。还可以使用“3”以外的其它值作为系数U(1)。
如果在发动机100中没有发生爆震，则幅度值LOG(V)的频率分布变成如图9中所示的正态分布，并且幅度值LOG(V)的最大值V(MAX)和爆震判定水平V(KD)彼此一致。另一方面，通过发生的爆震，可检测到更大的幅度V。当计算出大幅度值LOG(V)时，如图10中所示，最大值V(MAX)变得大于爆震判定水平V(KD)。
当发生爆震的频率变得更高时，如图11中所示，最大值V(MAX)变得更大。频率分布中的中值V(50)和标准偏差σ随着最大值V(MAX)变大而变得更大。因此，爆震判定水平V(KD)变得更大。
小于爆震判定水平V(KD)的幅度值LOG(V)不判定为发生爆震的周期中的幅度值LOG(V)。因此，随着爆震判定水平V(KD)变大，在实际已发生爆震时判定没有发生爆震的频率变大。
因此，在此实施方式中，图12中虚线包围的范围中的幅度值LOG(V)用来排除大于阈值V(1)的幅度值LOG(V)，从而获得中值V(50)和标准偏差σ。图12的图表绘出了得到幅度值LOG(V)的周期内的每个相关系数K的计算的幅度值LOG(V)。
阈值V(1)是通过将系数U(2)(U(2)是常数，例如U(2)＝3)和等于或小于中值的幅度值LOG(V)的标准偏差的积加到幅度值LOG(V)的频率分布的中值而获得的值。
通过仅提取小于阈值V(1)的幅度值LOG(V)来计算中值V(50)和标准偏差σ，中值V(50)和标准偏差σ不会变得过大，并且变为稳定值。因此，能够抑制爆震判定水平V(KD)变得过高。因此，能够抑制当实际已发生爆震时判定为没有发生爆震的频率不会变高。
提取用于计算中值V(50)和标准偏差σ的幅度值LOG(V)的方法不限于此。例如，在上述小于阈值V(1)的幅度值LOG(V)中，可以提取相关系数K大于阈值K(1)的点火周期中计算的幅度值LOG(V)。
参照图13和14，下面将描述作为根据本发明的爆震判定装置的发动机ECU 200执行的程序的控制结构，以通过判定每个点火周期中是否发生了爆震而控制点火正时。
在步骤100(后面“步骤”将简写为“S”)中，发动机ECU 200基于传自曲柄位置传感器306的信号检测发动机速度NE，并且基于传自空气流量计314的信号检测进气量KL。
在S102中，发动机ECU 200基于传自爆震传感器300的信号检测发动机100的振动幅度。振动幅度表示为爆震传感器300的输出电压。振动幅度可以表示为相应于爆震传感器300的输出电压的值。在燃烧冲程中的上止点和90°(90°的曲柄角)之间进行幅度的检测。
在S104中，发动机ECU 200计算通过每5°曲柄角(以5°)积分爆震传感器300的输出电压(表示振动幅度的值)获取的值(积分值)。对于从第一频带A至第三频带C的每个频带中的振动计算积分值。此外，第一频带A至第三频带C中的积分值累加以相应于曲柄角，从而检测出发动机100的振动波形。
在S106中，发动机ECU 200计算第一频带A至第三频带C的合成波形(发动机100的振动波形)中积分值中的最大积分值(峰值P)。
在S108中，发动机ECU 200标准化发动机100的振动波形。在此，标准化意味着通过用计算出的峰值除每个积分值将振动幅度表示为从0至1范围内的无因次数。
在S200中，发动机ECU 200计算每个曲柄角处的标准化后的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差的绝对值ΔS(I)。
在S202中，发动机ECU 200判定是否出现大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)。当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)出现(在S202中为“是”)时，程序移动至S300。否则(在S202中为“否”)，程序移动至S400。
在S300中，发动机ECU 200判定大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目是否等于或小于预定数目Q(1)。当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目等于或小于预定数目Q(1)(在S300中为“是”)时，程序移动至S302。否则(在S300中为“否”)，程序移动至S400。
在S302中，发动机ECU 200判定大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目是否等于或小于预定数目Q(2)。当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目等于或小于预定数目Q(2)(在S302中为“是”)时，程序移动至S304。否则(在S302中为“否”)，程序移动至S306。
在S304中，发动机ECU 200校正标准化的振动波形，使得幅度与ΔS(I)大于阈值ΔS(0)的曲柄角处的爆震波形模型的幅度一致(使得ΔS(I)减至“0”)。
在S306中，发动机ECU 200校正标准化的振动波形，使得幅度与Q(3)(Q(3)＜Q(1))个曲柄角——优先是ΔS(I)大于阈值ΔS(0)的曲柄角中具有较大ΔS(I)的曲柄角——处的爆震波形模型的幅度一致(使得ΔS(I)减至“0”)。
在S308中，发动机ECU 200比较校正的振动波形和爆震波形模型，并且计算相关系数K，其中相关系数K是与校正的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差相关的值。
在S400中，发动机ECU 200比较标准化的振动波形(未校正)和爆震波形模型，并且计算相关系数K，其中相关系数K是与标准化的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差相关的值。
在S500中，发动机ECU 200计算爆震幅度N。在S502中，发动机ECU 200判定相关系数K是否大于预定值以及爆震幅度N是否大于判定值V(KX)。如果相关系数K大于预定值并且爆震幅度N大于判定值V(KX)(在S502中为“是”)，则程序移动至S504。否则(在S502中为“否”)，程序移动至S508。
在S504中，发动机ECU 200判定发动机100中发生了爆震。在S506中，发动机ECU 200推迟点火正时。
在S508中，发动机ECU 200判定发动机100中未发生爆震。在S510中，发动机ECU 200提前点火正时。
下面将基于上述配置和流程图描述作为根据本实施方式的爆震判定装置的发动机ECU 200的操作。在下面的描述中，假设上述预定数目Q(1)是“3”，Q(2)是“2”，以及Q(3)是“1”。
在发动机100的操作期间，基于传自曲柄位置传感器306的信号检测发动机速度NE，基于传自空气流量计314的信号检测进气量KL(S100)。此外，基于传自爆震传感器300的信号检测发动机100的振动幅度(S102)。
在燃烧冲程的上止点和90°之间，计算第一频带A至第三频带C的每个中的振动的每5°的积分值(S104)。第一频带A至第三频带C中的计算积分值累加以相应于曲柄角，从而检测出图4中所示发动机100的上述振动波形。
由于使用每五度的积分值来检测振动波形，所以可以检测抑制了微小变化的振动波形。因此，容易相互比较检测的振动波形和爆震波形模型。
基于计算的积分值，计算第一频带A至第三频带C的合成波形(发动机100的振动波形)中的积分值的峰值P(S106)。
用计算的峰值P除发动机100的振动波形中的积分值以标准化振动波形(S108)。通过标准化，振动波形中的振动幅度被表示为0至1范围内的无因次数。这样，不管振动的幅度如何，可以相互比较检测的振动波形和爆震波形模型。因此，不必存储大量相应于振动幅度的爆震波形模型，因此方便了爆震波形模型的形成。
通过振动幅度变为标准化后的振动波形中的最大值的正时和振动幅度变为合成的爆震波形模型的最大值的正时(参见图6)，计算出每个曲柄角处的标准化后的振动波形和爆震波形模型的彼此偏差的绝对值ΔS(I)(S200)。
在此，如图15中所示，因为获得了近似于爆震波形模型的振动波形，当没有大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)时(在S202中为“否”)，认为得到的振动波形不包括由爆震以外的噪声引起的振动(由于进气门116、排气门118、喷射器104(特别是，直接向气缸内喷射燃料的缸内直接喷射器)、泵120(特别是，向喷射器供应燃料的高压泵)的致动引起的振动)。
在此，基于计算的ΔS(I)的总和，即∑ΔS(I)，以及通过爆震波形模型中的振动幅度对曲柄角积分获得的值S，通过K＝(S-∑ΔS(I))/S计算相关系数K(S400)。
这样，可以将检测的振动波形和爆震波形模型之间的一致程度转化成数值以客观地判定此程度。此外，通过相互比较振动波形和爆震波形模型，可以从例如振动的衰减趋势等振动的行为分析振动是否为爆震时的振动。
此外，爆震幅度N通过用BGL除峰值P计算(S500)。从而，可以更详细地分析发动机100的振动是否由爆震引起。
如果相关系数K大于预定值并且爆震幅度N大于预定判定值V(KX)(在S502中为“是”)，则判定发生了爆震(S504)并且推迟点火正时(S506)。因此，抑制了爆震的发生。如果相关系数K不大于预定值或者爆震幅度N不大于预定的判定值(在S502中为“否”)，则判定没有发生爆震(S508)并且提前点火正时(S510)。从而，通过互相比较爆震幅度N和判定值V(KX)，对每个点火周期判定是否发生爆震，并且推迟或提前点火正时。
同时，已经知道，由于进气门116、排气门118、喷射器104、泵120等引起的振动具有如下特点：与由爆震引起的振动相比，其幅度更大但衰减得更快。即，由于噪声引起的振动的发生周期比由于爆震引起的振动的发生周期短。
因此，如图16中所示，当得到了近似于爆震波形模型的振动波形但是存在大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)(在S202中为“是”)且其数目等于或小于“3”(在S300中为“是”)，认为所得到的振动波形可能包括由于噪声引起的振动。
特别地，当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目等于或小于“2”时(在S302中为“是”)，认为所得到的振动波形很有可能包括由于噪声引起的振动。
在这种情况下，如果简单地将获得的振动波形与爆震波形模型相比较，则由于出现较大的ΔS(I)，所以在发生爆震时可能做出没有发生爆震的错误判定。
然后，如图17中所示，校正振动波形使得幅度与ΔS(I)大于阈值ΔS(0)的曲柄角处的爆震波形模型的幅度一致(S304)。相互比较校正的振动波形和爆震波形模型，并且计算相关系数K(S308)。
从而，能够抑制包括在振动波形中的、由噪声引起的振动的影响。因此，能够抑制在发生爆震时错误判定没有发生爆震。
另一方面，当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目等于或小于“3”(在S300中为“是”)并且大于“2”(在S302中为“否”)时，则得到的振动波形可能包括也可能不包括由噪声引起的振动。
如果在这种情况下校正了振动波形，则当没有发生爆震时可能错误判定为发生了爆震。因此，在这种情况下，如图19中所示，校正振动波形使得幅度与“一个”曲柄角——优先为ΔS(I)大于阈值ΔS(0)的曲柄角中ΔS(I)较大的曲柄角——处的爆震波形模型的幅度一致。从而，能够抑制对振动波形的不适当的校正。
从而相互比较校正的振动波形和爆震波形模型，并且计算相关系数K(S308)。因此，能够抑制当没有发生爆震时以为发生了爆震的错误判定。
这里，如图20中所示，因为得到了与爆震波形模型非常不同的振动波形，所以当出现大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)(在S202中为“是”)并且数目是“6”(大于“3”)(在S300中为“否”)时，得到的振动波形很有可能不包括由噪声引起的振动。
因此，在不校正振动波形的情况下，将得到的振动波形和爆震波形模型相互比较，并且计算相关系数K(S400)。因此，能够抑制在没有发生爆震时错误判定发生了爆震。
如上所述，通过作为根据本实施方式的爆震判定装置的发动机ECU，在每个曲柄角处计算振动波形和爆震波形模型之间的振动幅度差ΔS(I)。当出现大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)并且其数目等于或小于Q(1)时，校正振动波形使得幅度与ΔS(I)大于阈值ΔS(0)的曲柄角处的爆震波形模型的幅度一致。从而，能够抑制包括在振动波形中的、由噪声引起的振动的影响。以这种方式校正的振动波形和爆震波形模型相互比较以判定是否出现爆震。从而，能够抑制在发生爆震时错误判定为没有发生爆震。另一方面，当大于阈值ΔS(0)的ΔS(I)的数目大于Q(1)时，在不校正振动波形的情况下，将得到的振动波形和爆震波形模型互相比较以计算相关系数K。从而，能够抑制在没有发生爆震时错误判定为发生了爆震。因此，能够精确地判定是否出现爆震。
应当注意的是，虽然在此实施方式中优先校正了ΔS(I)较大的曲柄角处的振动波形，但是也可以优先校正爆震波形模型中幅度较大的Q(3)个曲柄角处的振动波形。
此外，还可以优先校正ΔS(I)较小的曲柄角处的振动波形。这能够抑制校正的影响。
虽然对本发明进行了详细的描述和说明，但是应当清楚地了解这些描述和说明仅为说明和示例而不是限定，本发明的精神和范围仅由所附的权利要求限定。
Claims (15)
1.一种用于判定内燃发动机的爆震的装置，包括：
曲柄位置传感器(306)，其检测所述内燃发动机(100)的曲柄角；
爆震传感器(300)，其检测所述内燃发动机(100)的对应于所述曲柄角的振动幅度；以及
操作单元(200)，其连接至所述曲柄位置传感器(306)以及所述爆震传感器(300)，其中
所述操作单元(200)基于所述内燃发动机(100)的振动幅度以预定的曲柄角间隔检测振动波形，
所述操作单元(200)对每个预定曲柄角计算所检测的波形和波形模型之间的振动幅度差，其中所述波形模型是预定为所述内燃发动机(100)的振动的参考波形的波形模型，
当出现大于预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于预定数目时，所述操作单元(200)校正所检测的波形，
当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于所述预定数目时，所述操作单元(200)基于所述校正的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震，并且
当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目大于所述预定数目时，所述操作单元(200)基于所检测的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震。
2.如权利要求1所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述操作单元(200)校正所检测的波形，使得所述大于所述预定值的幅度差中的至少一个减小。
3.如权利要求2所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述操作单元(200)校正所检测的波形，使得在所述大于所述预定值的幅度差中，比所述大于所述预定值的幅度差的数目小的幅度差减小。
4.如权利要求3所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述操作单元(200)基于所述幅度差进一步从所述幅度差大于所述预定值处的曲柄角中选择幅度差要减小处的曲柄角，以及
所述操作单元(200)校正所检测的波形，使得在大于所述预定值的幅度差中，所选择的曲柄角处的幅度差减小。
5.如权利要求4所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述操作单元(200)优先选择幅度差较大的曲柄角。
6.一种判定内燃发动机的爆震的方法，其包括如下步骤：
检测所述内燃发动机(100)的曲柄角；
检测所述内燃发动机(100)的对应于所述曲柄角的振动幅度；
基于所述内燃发动机(100)的振动幅度以预定的曲柄角间隔检测振动波形；
对每个预定曲柄角计算所检测的波形和波形模型之间的振动幅度差，其中所述波形模型是预定为所述内燃发动机(100)的振动的参考波形的波形模型；
当出现大于预定值的幅度差并且所述大于预定值的幅度差的数目等于或小于预定数目时，校正所检测的波形；
当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于所述预定数目时，基于所述校正的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震；并且
当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目大于所述预定数目时，基于所检测的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震。
7.如权利要求6所述的判定内燃发动机的爆震的方法，其中
所述校正所检测的波形的步骤包括以下步骤：校正所检测的波形，使得所述大于所述预定值的幅度差中的至少一个减小。
8.如权利要求7所述的判定内燃发动机的爆震的方法，其中
所述校正所检测的波形的步骤包括以下步骤：校正所检测的波形，使得在所述大于所述预定值的幅度差中，比所述大于所述预定值的幅度差的数目小的幅度差减小。
9.如权利要求8所述的判定内燃发动机的爆震的方法，进一步包括如下步骤：
基于所述幅度差从所述幅度差大于所述预定值处的曲柄角中选择幅度差要减小处的曲柄角，其中
所述校正所检测的波形的步骤包括以下步骤：校正所检测的波形，使得在大于所述预定值的幅度差中，所选择的曲柄角处的幅度差减小。
10.如权利要求9所述的判定内燃发动机的爆震的方法，其中
所述选择幅度差要被减小处的曲柄角的步骤包括以下步骤：优先选择幅度差较大处的曲柄角。
11.一种用于判定内燃发动机的爆震的装置，包括：
用于检测所述内燃发动机(100)的曲柄角的装置(306)；
用于检测所述内燃发动机(100)的对应于所述曲柄角的振动幅度的装置(300)；
用于基于所述内燃发动机(100)的振动幅度以预定的曲柄角间隔检测振动波形的装置(200)；
对每个预定的曲柄角计算所检测的波形和波形模型之间的振动幅度差的装置(200)，其中所述波形模型是预定为所述内燃发动机(100)的振动的参考波形的波形模型；
用于当出现大于预定值的幅度差并且所述大于预定值的幅度差的数目等于或小于预定数目时校正所检测的波形的校正装置(200)；
用于当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目等于或小于所述预定数目时基于所述校正的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震的装置(200)；以及
用于当出现大于所述预定值的幅度差并且所述大于所述预定值的幅度差的数目大于所述预定数目时基于所检测的波形和所述波形模型之间的比较结果判定所述内燃发动机(100)中是否发生了爆震的装置(200)。
12.如权利要求11所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述校正装置(200)包括用于校正所检测的波形使得所述大于所述预定值的幅度差中的至少一个减小的装置。
13.如权利要求12所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述校正装置(200)包括用于校正所检测的波形使得在所述大于所述预定值的幅度差中比所述大于所述预定值的幅度差的数目小的幅度差减小的装置。
14.如权利要求13所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，进一步包括
选择装置，其用于基于所述幅度差从所述幅度差大于所述预定值处的曲柄角中选择幅度差要减小处的曲柄角，其中
所述校正装置(200)包括用于校正所检测的波形使得在所述大于所述预定值的幅度差中所选择的曲柄角处的幅度差减小的装置。
15.如权利要求14所述的用于判定内燃发动机的爆震的装置，其中
所述选择装置(200)包括用于优先选择幅度差较大处的曲柄角的装置。
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