CN101271030A - 具有检测区域的爆震系统 - Google Patents

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Abstract

具有检测区域的爆震系统。用于发动机的爆震检测模块包括统计存储模块和处理模块。统计存储模块存储与发动机工作的M个区域以及发动机的N个气缸对应的M乘N个振动剖面，其中M和N是大于1的整数。处理模块确定发动机工作在M个区域的哪一个区域中，并且为N个气缸中的一个气缸通过比较测量的振动数据和与M个区域中一个区域和N个气缸中一个气缸相对应的所选择的一个振动剖面来确定爆震是否已经出现。

Description

具有检测区域的爆震系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年3月23日提交的美国临时专利申请No.60/919,951的利益。上述申请的公开内容合并在此作为引用。
技术领域
本公开涉及检测发动机爆震并更具体地涉及使用数字信号处理来检测发动机爆震。
背景技术
这里提供的背景描述是为了一般性地给出本公开的上下文。当前指定的发明人的工作在此背景部分中以及说明书各方面中描述的程度可能不能成为提交时的现有技术，这些工作没有明显地也没有隐含地被承认为针对本公开的现有技术。
现在参考图1，给出了根据现有技术的爆震控制系统100的功能框图。爆震控制系统100包括发动机102，该发动机102包括多个气缸104。发动机102包括测量发动机102的振动的振动传感器106。振动可以由气缸104内的早期爆炸引起，也称之为爆震。在各种实施方式中，振动传感器106可以包括压电加速器。
振动传感器106的输出由模拟到数字(A/D)转换器110接收。A/D转换器110数字化振动传感器106的输出并将数字化的输出传递到数字信号处理器(DSP)114。DSP114对数字化输出执行快速傅立叶变换(FFT)。数字化输出的频率内容被传送到爆震检测模块116。
爆震检测模块116确定爆震是否基于振动传感器106的输出的频率内容而出现。爆震检测模块116可以在由DSP114计算的FFT的频率上选择峰值强度或均值强度。爆震检测模块116可以将均指或峰值强度与阈值强度比较，如果超过阈值强度，确定爆震存在。
爆震检测模块116可使阈值强度适应于与在发动机102中出现的爆震无关的背景振动。爆震检测模块116将爆震信息传送到爆震控制模块118。基于爆震信息，爆震控制模块118改变发动机102的参数以减小爆震。例如，爆震控制模块118可以命令发动机102延迟点火花(spark)。
发明内容
用于发动机的爆震检测模块包括统计存储模块和处理模块。统计存储模块存储与发动机工作的M个区域以及发动机的N个气缸对应的M乘N个振动剖面，其中M和N是大于1的整数。处理模块确定发动机工作在M个区域的哪一个区域中，并且为N个气缸中的一个气缸通过比较测量的振动数据和与M个区域中一个区域和所述N个气缸中一个气缸相对应的所选择的一个振动剖面来确定爆震是否已经出现。
在其它特征中，每个振动剖面包括平均值和标准偏差值。如果测量的振动数据大于所选择的一个振动剖面的平均值加上预定数乘以所选择的一个振动剖面的标准偏差值，则处理模块确定爆震已经出现。在处理模块已经确定了爆震还没有出现之后，处理模块用测量的振动数据更新所选择的一个振动剖面。
在进一步的特征中，每个振动剖面包括计数值，并且当所选择的一个振动剖面被更新时，处理模块更新所选择的一个振动剖面的计数值。每个振动剖面包括平方和以及总数，并且当所选择的一个振动剖面被更新时，处理模块更新所选择的一个振动剖面的平方和以及总数。
在又进一步的特征中，当所选择的一个振动剖面的计数值达到预定数时，处理模块重新计算所选择的一个振动剖面的平均值和标准偏差值。处理模块计算振动剖面的真实标准偏差。统计存储模块包括非易失性存储器。测量的振动数据基于的是在与N个气缸中一个气缸对应的规定时间窗口期间做出的测量。
在其它特征中，爆震检测模块还包括数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器在规定时间窗口期间执行包括F个点的快速傅立叶变换(FFT)。DSP在规定时间窗口期间执行多个FFT，并且处理模块将多个FFT组合成合计的FFT。测量的振动数据包括强度值并且处理模块将F个点减小到强度值。
一种用于检测发动机中爆震的方法包括：存储与发动机工作的M个区域以及发动机的N个气缸对应的M乘N个振动剖面，其中M和N是大于1的整数；确定发动机工作在M个区域的哪一个区域中；为所述N个气缸中的一个气缸测量振动数据；并且为N个气缸中的一个气缸通过比较测量的振动数据和与M个区域中一个区域和N个气缸中一个气缸相对应的所选择的一个振动剖面来确定爆震是否已经出现。
本发明公开可应用的其它领域将从之后提供的详细描述而变得清楚。应当理解的是，详细描述和特定的例子尽管指示了本公开的优选实施例但仅旨在说明的目的而不旨在限制本公开的范围。
附图说明
通过详细的描述以及附图，本公开将被更全面地理解，其中：
图1是根据现有技术的爆震控制系统的功能框图；
图2是根据本公开的原理的示例性爆震控制系统的功能框图；
图3是根据本公开的原理的爆震检测模块的示例性功能框图；
图4是根据本公开的原理的示例性统计存储模块内容的图形表示；和
图5是描绘根据本公开的原理的由图3的处理模块执行的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
随后的描述本身仅仅是示例性的并且决不试图限制本公开及其应用或用途。为了清楚的目的，相同的附图标记将在附图中用于标识类似的元素。如这里所使用的，A、B和C的至少一个上的短语应当被理解为用非排他性逻辑or来表示逻辑(A或B或C)的意思。应当理解，方法内的步骤可以用不同的顺序来执行而会改变本公开的原理。
如这里所使用的，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、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/或提供所描述功能的其它适合组件。
与现有技术相比，背景发动机振动可以更精确地被特征化以增加发动机中爆震检测的精确性。例如，不去确定发动机的单个背景振动剖面，而可以为每个气缸单独地确定背景振动剖面。此外，可以对各种发动机工作条件，为每个气缸确定多个背景振动特性。
例如，可以在给定的发动机速度和负载处为每个气缸确定背景振动剖面。这可以防止发动机瞬变期间比如当发动机的速度快速增加时的假爆震检测。根据本公开，不同的背景振动剖面可以考虑更大的速度。以这种方式，改变发动机条件所引起的更大振动不会被错误地检测为爆震。
现在参考图2，给出了根据本公开的原理的示例性爆震控制系统200的功能框图。系统200包括发动机202和控制模块204。发动机202包括至少一个气缸排206。每个气缸排206包括一个或多个气缸208。每个气缸排206包括至少一个振动传感器210。
发动机202包括发动机每分钟转数(RPM)传感器212。RPM传感器212可以连接到发动机202的曲轴(未示出)。发动机202还可以包括空气质量流量(MAF)传感器216和其它传感器218。控制模块204包括模拟前端240，其接收来自振动传感器210的信号。模拟前端230还可以接收来自其它振动传感器的信号(如果存在)，并且可以在来自振动传感器的信号之间进行选择。
例如，发动机202可以包含多排气缸，其每一个具有相应的振动传感器。如果第一排206的气缸208之一正在被测量，则模拟前端240可以选择振动传感器210。如果第二排的气缸正在被测量，则模拟前端240可以选择第二振动传感器。
如果多个振动传感器存在于在气缸排206中，则模拟前端240可以基于哪一个气缸208正在被测量来选择一个或多个振动传感器。所选择的振动传感器可以是最靠近所测量气缸的振动传感器。模拟前端240可以包括差分输入电路。差分输入电路可以将来自振动传感器210的差分输入转换成单端输出。
模拟前端240可以包括模拟滤波器，用于对振动传感器210的输出进行滤波。例如，模拟滤波器可以是具有25kHz低通截止频率的一阶滤波器。模拟前端240可以包括增益/衰减模块，比如自动增益控制模块。可替换地，增益/衰减模块可以放大或衰减一个预定量。
模拟前端240的输出被传送到模拟到数字(A/D)转换器242。A/D转换器242将其输入的数字化版本输出到数字信号处理(DSP)模块244。A/D转换器242可以例如具有10位或更大的分辨率。DSP模块244可以向所接收的信号应用数字滤波器。例如，DSP模块244可以实现具有20kHz截止频率四阶椭圆形有限脉冲响应(IIR)数字滤波器。
可替换地，DSP模块244可以实现串联的两个二阶IIR滤波器以提高稳定性。DSP模块244可以执行数字抽取并可以移除DC偏置。对于每个气缸208，DSP模块244在爆震窗口期间执行至少一个FFT。爆震窗口可以用曲轴旋转度(rotational degree)来定义。
爆震窗口可以对应于气缸的活塞上死点(TDC)。例如，如果发动机202包括四个气缸208，四个气缸208的TDC可以分别出现在曲轴旋转的0°、90°，180°和270°。在相对于每个气缸208的TDC定义的爆震窗口内为该气缸计算FFT。爆震窗口可以相对TDC固定。
例如，每个气缸的爆震窗口可以在TDC之前从两个曲轴旋转度扩展，一直到TDC之后的一个曲轴旋转度。爆震检测模块250可以向DSP模块244指定爆震窗口。爆震窗口可以根据发动机RPM或其它发动机工作参数而变化。
可以单独为每个气缸指定爆震窗口。如果爆震窗口足够长，DSP模块244可以在该爆震窗口期间计算多个FFT。如果当爆震窗口结束时最后的FFT只部分地完成，则最后的FFT被填零(zero-padded)。控制模块204可以包括第二A/D转换器和第二DSP模块来允许一个气缸的爆震窗口与另一个气缸的爆震窗口重叠。
在各种实施方式中，DSP模块244执行128点FFT。如果对于气缸的爆震窗口执行多个FFT，则DSP模块244可以将FFT合并成合计的FFT，并将合计的FFT(aggregate FFT)传递到爆震检测模块250。可替换地，DSP模块244可以将所有计算的FFT传递到爆震检测模块250。
爆震检测模块250或DSP模块244可以按点(或按频率盒)来合计多个FFT。对于每个频率盒，可以选择多个FFT中的最大值或平均值。在各种实施方式中，因为混叠(aliasing)，一半的FFT频率盒被忽略。
爆震检测模块250可以命令模拟前端240按照哪个振动传感器来选择当前期望的值。当爆震检测窗口开始和/或结束时，爆震检测模块250还可以发信号给DSP模块244。爆震检测模块250从传感器接收模块256接收传感器值。
传感器接收模块256可以接收来自RPM传感器212、MAF传感器216和其它传感器218的传感器信号。传感器接收模块256可以调节进入的信号，包括与模拟前端240所执行的功能相似的功能，和/或可以将进入的信号转换为数字的。在各种实施方式中，爆震检测模块250可以被实现为发动机控制模块的一部分。
RPM传感器212可以基于曲轴角度传送信号使得爆震检测模块250可以确定爆震窗口何时出现。基于来自传感器接收模块256的信号，爆震检测模块250可以确定发动机202当前工作在哪个区域中。区域可以基于发动机速度而被确定，发动机速度可以由RPM传感器212和发动机负载来指示，发动机负载可以由MAF传感器216来指示。在各种实施方式中，68个区域对应于17个发动机速度和4个发动机负载。
对于每个气缸爆震窗口，爆震检测模块250可以接收来自DSP模块244的合计FFT。爆震检测模块250将所接收的合计FFT与为当前气缸和区域所存储的背景振动剖面进行比较。爆震检测模块250可以通知爆震控制模块260何时已经发生爆震并且可以指定爆震的强度。
如果没有检测到爆震，则爆震检测模块250可以使用所接收的合计FFT来更新当前气缸和区域的背景振动剖面。爆震检测模块250可以基于合计FFT的各个频率盒来计算单个强度值。该单个强度值可以接着与背景振动剖面比较并可以用于更新背景振动剖面。
在各种实施方式中，某个区域中的某个气缸的背景振动剖面可以包括平均强度和标准偏差。如果当前强度值大于背景平均强度加上预定数量的标准偏差，则爆震检测模块250可以确定正在发生爆震。预定数量的标准偏差可以由准直仪确定。
爆震检测模块250可以用任何其它适合方式确定爆震，比如通过确定当前强度值是否比平均背景值大一个预定量。爆震控制模块260与发动机202协作以降低爆震。例如，爆震控制模块260可以命令发动机202延迟点火花。爆震控制模块260可以在发动机控制模块中实现。
现在参考图3，给出了根据本公开的原理的爆震检测模块250的示例性功能框图。爆震检测模块250包括处理模块302和统计存储模块304。爆震检测模块250还可以包括校准存储模块308。
处理模块302与DSP模块244、传感器接收模块256、和爆震控制模块260通信。处理模块302接收来自DSP模块244的合计FFT。处理模块302可以根据合计FFT计算单个强度值。该计算可以根据所测量的当前区域和/或当前气缸来执行。
处理模块302可以只分析与最可能表示爆震事件的频率相对应的FFT频率盒的子集。频率盒选择信息可以存储在校准存储模块308。校准存储模块308包括非易失性存储器并且可以由准直仪编程。
在各种实施方式中，频率盒选择信息指示达所涉及的三个频率盒范围。处理模块302可以接着平均或找到强度的峰值以为每个频率盒范围创造单个范围值。处理模块302可以接着平均或采用单个范围值的峰值以创建总强度值。
计算选择比如是在计算每个单个范围值时和在计算总值时是平均还是采用峰值，计算选择可以存储在校准存储模块308中。处理模块302比较当前总强度值和来自对应于当前气缸和区域的统计存储模块304的强度值。
统计存储模块304可以包括非易失性存储器以通过发动机重启事件来保存背景振动剖面。非易失性存储器可以例如包括闪速存储器(包括NAND和NOR闪速存储器)、相变存储器、磁性RAM、和/或多状态存储器。统计存储模块304和校准存储模块308可以在单个存储器内实现。统计存储模块304可以接收来自校准存储模块308的初始值。
初始值允许统计存储模块304以近似的背景振动强度和标准偏差开始。以这种方式，已经出现爆震情况下的早期读数不会错误地被包括在背景振动剖面中。当车辆第一次启动或在手工重设统计存储模块304时，可以使用来自校准存储模块308的初始值。当服务技术人员或由内部诊断例程确定统计存储模块304中的值是无效时，手工重设可以由服务技术人员或由内部诊断例程启动。
如果总强度值大于该气缸和负载的平均强度加上预定数量的标准偏差时，处理模块302可以确定已经出现爆震。预定数量的标准偏差可以在校准存储模块308中被编程。
如果总强度值不表示爆震，则总强度值可以合并到当前气缸和区域的振动剖面中。在各种实施方式中，处理模块302可以为每个气缸和区域保持移动(running)平均和移动标准偏差。
可替换地，处理模块302可以在为给定区域中的给定气缸测量P个点之后，计算新的平均值和标准偏差。数量P可以由准直仪确定并存储在校准存储模块308中。在各种实施方式中，P是1000。在各种实施方式中，所计算的标准偏差是真实的标准偏差而不是近似的。
现在参考图4，给出根据本公开的原理的统计存储模块304示例性内容的图形表示。统计存储模块304可以包括二维表400，该表包括由气缸和区域指定的单元格。只是举例，表400可以包括4个气缸和12个区域的单元。只是举例，12个区域可以包含4个RPM范围和三个负载范围。
如果根据发动机速度和发动机负载确定区域，表400可以可替换地被表示为由气缸、RPM和负载指示的三维表。表400的代表性单元在402示出。单元402包括与新的总强度值比较的平均和标准偏差值。
单元402还可以包括用于计算将来平均和标准偏差值的统计信息。例如，单元402可以包括计数、移动总量和移动平方和。当为在给定区域中操作的给定气缸测量新的强度值时，为对应的单元递增计数元件。求和元件还可以由总强度值增加，而平方和元件由强度的平方增加。
一旦计数元件达到预定值时，新的平均值和标准偏差可以被计算并被存储在单元402中。通过存储总数和平方和，真实的标准偏差可以被计算，如与标准偏差的近似值相对比。在计算之后，计数元件、求和元件和平方和元件可以接着被重设为预定值，比如零。
存储总数和平方和使计算平均值和标准偏差所要求的存储量最小化。这相比于在当平均值和标准偏差被计算时的时间之前存储所有强度值更有效。例如，如果每1000个读数对平均值和标准偏差进行计算，单元402将需要计算1000个值。根据本公开，单元402只需要存储3个值。
现在参考图5，一个流程图说明根据本公开的原理的由图3的处理模块302执行的示例性步骤。控制开始于步骤502，其中变量C被设置为将首次经历活塞上死点(TDC)事件的气缸的气缸数量。控制在步骤504中继续，其中对变量C指定气缸执行一个或多个FFT。在对应于气缸C的爆震窗口期间可以执行FFT。
控制在步骤506中继续，其中控制将变量Z设置为表示当前发动机工作区域的数量。例如，可以存在M乘N个区域，其中M表示RPM范围的数量并且N表示发动机负载范围的数量。在各种实施例中，M等于17并且N等于4。
在各种实施方式中，车辆的发动机RPM范围可以被分段成M个互斥的区，每个区从0到M-1进行编号。车辆的发动机负载范围可以被分段为从0到N-1进行编号的N个区。变量Z可以通过将当前RPM范围数量乘以N并将它加到当前负载范围数量来确定。任何其它适合的映射可以用于确定区域数量。
控制在步骤508中继续，其中总强度值被计算。如上所讨论的，在多个FFT上和在所涉及的频率范围上，该值可以通过平均或选择所涉及的频率范围内的峰值来计算。总强度值可以用FFTCZ来标记，以指示与在区域Z中工作的发动机的气缸C相对应的值。
控制在步骤510中继续，其中FFTCZ与所存储的统计值比较。例如，如果FFTCZ大于当前气缸和区域(FFTAVECZ)的平均强度加上预定数量的对应标准偏差(FFTSTDCZ)，则控制确定已经出现爆震。如果已经检测到爆震，则控制转移到步骤512；否则，控制转移到步骤514。
在步骤512中，爆震的出现被信号表示并且控制在步骤516中继续。除了爆震的存在与否外，爆震的强度也可以被信号表示。在步骤514中，控制信号表示没有检测到爆震。控制在步骤518中继续，其中当前气缸和区域的背景振动剖面被更新。
例如，计数元件被递增，求和元件被增加FFTCZ并且平方和元件被增加FFTCZ的平方。控制在步骤520中继续。如果当前气缸和区域(CountCZ)的计数元件已经达到预定数量，比如1000，则控制转移到步骤522；否则转移到步骤516。
在步骤522中，平均强度和标准偏差的新值被计算。控制在步骤524中继续，其中对应的计数和统计值被重设。控制接着在步骤516中继续。在步骤516中，变量C被设置为将经历TDC事件的下一个气缸，并且控制返回到步骤504。
本领域技术人员现在可以从前面的描述中理解本公开的广泛教导能以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特殊的例子，本公开的真实范围不应当如此限制，因为在研究了附图、说明书和随后的权利要求后，其它修改将对于本领域实施者是很清楚的。

Claims (26)

1.一种用于发动机的爆震检测模块，包括：
统计存储模块，存储与所述发动机工作的M个区域以及所述发动机的N个气缸对应的M乘N个振动剖面，其中M和N是大于1的整数；和
处理模块，确定所述发动机工作在所述M个区域的哪一个区域中，并且为所述N个气缸中的一个气缸通过比较测量的振动数据和与所述M个区域中所述一个区域和所述N个气缸中所述一个气缸相对应的所选择的一个所述振动剖面来确定爆震是否已经出现。
2.权利要求1的爆震检测模块，其中每个所述振动剖面包括平均值和标准偏差值。
3.权利要求2的爆震检测模块，其中如果所述测量的振动数据大于所选择的所述一个振动剖面的所述平均值加上预定数乘以所选择的所述一个振动剖面的所述标准偏差值，则所述处理模块确定爆震已经出现。
4.权利要求1的爆震检测模块，其中在所述处理模块已经确定了爆震还没有出现之后，所述处理模块用所述测量的振动数据更新所选择的所述一个振动剖面。
5.权利要求4的爆震检测模块，其中每个所述振动剖面包括计数值，并且当所选择的所述一个振动剖面被更新时，所述处理模块更新所选择的所述一个振动剖面的所述计数值。
6.权利要求5的爆震检测模块，其中每个所述振动剖面包括平方和以及总数，并且当所选择的所述一个振动剖面被更新时，所述处理模块更新所选择的所述一个振动剖面的所述平方和以及所述总数。
7.权利要求5的爆震检测模块，其中当所选择的所述一个振动剖面的所述计数值达到预定数时，所述处理模块重新计算所选择的所述一个振动剖面的所述平均值和所述标准偏差值。
8.权利要求1的爆震检测模块，其中所述处理模块计算所述振动剖面的真实标准偏差。
9.权利要求1的爆震检测模块，其中所述统计存储模块包括非易失性存储器。
10.权利要求1的爆震检测模块，其中所述测量的振动数据基于的是在与所述N个气缸中所述一个气缸对应的规定时间窗口期间做出的测量。
11.权利要求10的爆震检测模块，还包括数字信号处理器(DSP)，该数字信号处理器在所述规定时间窗口期间执行包括F个点的快速傅立叶变换(FFT)。
12.权利要求11的爆震检测模块，其中所述DSP在所述规定时间窗口期间执行多个FFT，并且所述处理模块将所述多个FFT组合成合计的FFT。
13.权利要求11的爆震检测模块，其中所述测量的振动数据包括强度值并且所述处理模块将所述F个点减小到所述强度值。
14.一种用于检测发动机中爆震的方法，包括：
存储与所述发动机工作的M个区域以及所述发动机的N个气缸对应的M乘N个振动剖面，其中M和N是大于1的整数；
确定所述发动机工作在所述M个区域的哪一个区域中；
为所述N个气缸中的一个气缸测量振动数据；和
为所述N个气缸中所述一个气缸通过比较测量的振动数据和与所述M个区域中所述一个区域和所述N个气缸中所述的一个气缸相对应的所选择的一个所述振动剖面来确定爆震是否已经出现。
15.权利要求14的方法，其中每个所述振动剖面包括平均值和标准偏差值。
16.权利要求15的方法，还包括：如果所述测量的振动数据大于所选择的所述一个振动剖面的所述平均值加上预定数乘以所选择的所述一个振动剖面的所述标准偏差值，则确定爆震已经出现。
17.权利要求14的方法，还包括：在确定了爆震还没有出现之后，用所述测量的振动数据更新所选择的所述一个振动剖面。
18.权利要求17的方法，其中每个所述振动剖面包括计数值，并且其中所述更新还包括：更新所选择的所述一个振动剖面的所述计数值。
19.权利要求18的方法，其中每个所述振动剖面包括平方和以及总数，并且其中所述更新还包括：更新所选择的所述一个振动剖面的所述平方和以及所述总数。
20.权利要求18的方法，还包括：当所选择的所述一个振动剖面的所述计数值达到预定数时，重新计算所选择的所述一个振动剖面的所述平均值和所述标准偏差值。
21.权利要求14的方法，还包括：计算所述振动剖面的真实标准偏差。
22.权利要求14的方法，还包括：将所述振动剖面存储在非易失性存储器中。
23.权利要求14的方法，其中所述测量的振动数据基于的是在与所述N个气缸中所述一个气缸对应的规定时间窗口期间做出的测量。
24.权利要求23的方法，还包括在所述规定时间窗口期间执行包括F个点的快速傅立叶变换(FFT)。
25.权利要求24的方法，还包括：
在所述规定时间窗口期间执行多个FFT；并且
将所述多个FFT组合成合计的FFT。
26.权利要求24的方法，其中所述测量的振动数据包括强度值，并且还包括：将所述F个点减小到所述强度值。
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