CN101892918B - 利用汽缸压力传感器进行的燃料喷射及燃烧故障诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用汽缸压力传感器进行的燃料喷射及燃烧故障诊断，提供了有助于检测燃烧发动机内的燃烧故障的系统和方法，包括在发动机工作期间确定发动机上所存在的汽缸的汽缸功率密度值以及基于汽缸功率密度值确定汽缸的汽缸不平衡参数。将汽缸不平衡参数与所提供的诊断阈值进行比较。

Description

利用汽缸压力传感器进行的燃料喷射及燃烧故障诊断

技术领域

本公开通常涉及燃烧发动机的工作，更具体地涉及燃烧故障诊断。

背景技术

本部分内容仅提供与本公开相关的背景信息，可能并不构成现有技术。

现代的燃烧发动机通常装备有基于微处理器的控制器和传感器，用以随时间的变化来监测并有利地改变工作参数。总的来说，这种系统的示例是那些对影响燃料燃烧的参数进行控制的系统，这些参数包括点火正时、燃料喷射质量和正时、排气再循环以及发动机冷却等。

大体上，对于给定的发动机rpm(每分钟转数)或者发动机rpm的范围而言，正如工程师或其他人员基于可包括燃料经济性、排放物、功率输出或任何其他所选标准而预先确定的那样，处于控制之下的许多参数的值或设定值的特定组合或范围提供最可取的发动机运转。一旦建立了标准，则可命令发动机工作以进行良好地运转。然而，由于发动机系统部件随时间的变化或者其他因素，发动机可能产生不良性能，包括不良燃烧结果(例如不点火或部分燃烧)。

发明内容

有助于检测燃烧发动机内的燃烧故障的系统和方法，包括在发动机工作期间确定发动机上所存在的汽缸的汽缸功率密度值以及基于汽缸功率密度值确定汽缸的汽缸不平衡参数。将汽缸不平衡参数与所提供的诊断阈值进行比较。

本发明提供如下技术方案。

技术方案1：一种有助于检测燃烧发动机内的燃烧故障的方法，包括：

在所述发动机工作期间确定所述发动机上所存在的汽缸的汽缸功率密度值；

基于所述汽缸功率密度值确定所述汽缸的汽缸不平衡参数；

提供诊断阈值；

将所述汽缸不平衡参数与所述诊断阈值进行比较。

技术方案2：如技术方案1所述的方法，进一步包括：

当至少一个汽缸不平衡参数的值超过所述诊断阈值时，指示存在燃烧故障。

技术方案3：如技术方案2所述的方法，其中所述燃烧故障是在单一发动机汽缸内发生的燃烧故障。

技术方案4：如技术方案2所述的方法，其中所述发动机置于机动车辆内，所述指示包括在机载诊断系统内设置诊断代码。

技术方案5：如技术方案1所述的方法，其中基于传感器的输出确定所述汽缸功率密度值，所述传感器选自包括压力传感器和热传感器的组。

技术方案6：如技术方案1所述的方法，其中利用时间域内的压力比确定所述汽缸功率密度值。

技术方案7：如技术方案1所述的方法，其中利用频率域内的压力比确定所述汽缸功率密度值。

技术方案8：如技术方案1所述的方法，其中，通过首先基本确定单个汽缸的热量释放然后使汽缸功率密度基本等于所述汽缸热量释放来确定所述汽缸功率密度值。

技术方案9：如技术方案2所述的方法，其中所述发动机置于机动车辆内，并且其中，所述汽缸功率密度值、所述汽缸不平衡参数和所述燃烧故障中的至少一个被无线传输到远方监测站。

技术方案10：一种用于检测工作中的燃烧发动机内的燃烧故障的系统，包括：

具有多个汽缸的内部燃烧发动机；

至少一个传感器，其布置在邻近所述发动机的有效感测区域内，足以响应于所述发动机工作期间的工作特性而产生输出；和

控制器，所述控制器构造成

接收来自所述至少一个传感器的所述输出作为输入，

基于所述至少一个传感器的所述输出计算所述汽缸的汽缸功率密度值，

基于所述汽缸功率密度值确定汽缸功率不平衡参数，并且将所述汽缸不平衡参数与预定的诊断阈值进行比较。

技术方案11：如技术方案10所述的系统，其中所述工作特性是汽缸压力。

技术方案12：如技术方案10所述的系统，其中利用时间域内的汽缸压力比确定所述汽缸功率密度值。

技术方案13：如技术方案10所述的系统，其中利用频率域内的汽缸压力比确定所述汽缸功率密度值。

技术方案14：如技术方案10所述的系统，其中通过首先基本确定单个汽缸的热量释放然后使汽缸功率密度基本等于所述汽缸热量释放来确定所述汽缸功率密度值。

技术方案15：如技术方案10所述的系统，其中所述控制器进一步构造成当汽缸不平衡参数与所述诊断阈值的差异达到预定量时，指示存在燃烧故障。

技术方案16：如技术方案15所述的系统，其中所述控制器进一步构造成在与所述发动机的工作关联的诊断系统内设置诊断代码。

技术方案17：如技术方案10所述的系统，进一步包括无线发射器，所述无线发射器构造成从所述控制器接收信息并且将所述信息无线传输到远方接收站。

附图说明

现在将以示例的方式参照附图描述一个或多个实施例，在附图中：

图1根据本公开示出了对于不同燃料喷射正时，作为曲柄角θ的函数的示例性压力比；

图2根据本公开示出了压力比的一个示例性功率谱，表示功率是频率谐波的函数；

图3根据本公开示出了有用的逻辑示意图；

图4根据本公开示出了工作中的6汽缸燃烧发动机的可能输出；以及

图5根据本公开提供了一幅流程图，示出了有助于检测燃烧故障的方法。

具体实施方式

本公开提供了有助于检测工作中的燃烧发动机上所存在的一个或多个汽缸内的燃烧故障的方法和系统。在第一实施例中，通过利用下面的关系式计算压力比PR，确定在发动机工作期间多个实时点处的汽缸功率密度：

$\mathrm{PR}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{P_{\mathrm{cyl}}\left(\mathrm{\θ}\right)}{P_{\mathrm{mot}}\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left[1\right]$

其中，θ表示以度为单位的发动机曲轴的角位置，P_cyl表示汽缸压力，并且P_mot表示汽缸拖动压力(cylinder motoring pressure)。P_mot自身由下面的关系式给出：

P_mot(θ)＝P_in(V_in/V(θ))^r             [2]

其中，P_im表示燃烧前预定曲柄角处的采样汽缸压力(或者其等同物，例如进气门关闭时的进气歧管压力)，V_im表示在那个特定曲柄角处的汽缸容积，并且r是比热比。

在定义了这些关系之后，现在可以提供图1所示的图形表示，示出了对于不同燃料喷射正时，作为曲柄角θ的函数的示例性压力比PR。

在一个实施例中，对于每个发动机汽缸，时间域内的汽缸功率密度(W)，即(W_i)，由下面的关系式给出：

$W_i=\frac{1}{N}\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_1}^{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_2}{\left(\mathrm{PR}\right)}^2\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left[3\right]$

对于i＝1，2，...n，W_i中的下标或标记i表示汽缸，n是汽缸数，而N是采样PR点数。这使得W_i成为PR被采样的曲柄角范围处的PR轨迹(trace)的均方根。一旦针对每个汽缸确定了汽缸功率密度W_i，这个信息有助于提供汽缸不平衡指数，该汽缸不平衡指数包括汽缸不平衡参数或值，下面将进行描述。

在一个替代性实施例中，对于工作中的燃烧发动机，可利用压力比PR的功率谱来确定汽缸功率密度，该压力比例如使用下面的公式[4]在频率域中进行计算：

P(ω)＝FFT(PR(10°，120°))              [4]

其中，P(ω)表示频率域中的PR，ω是频率，FFT(快速傅立叶变换)表示用以计算频率谱的运算，并且(PR(10°，120°))是曲柄角10°和120°之间采样的/计算的PR轨迹，在该起始曲柄角和终止曲柄角的非限制性示例中，所选择的10°和120°仅用于示例的目的。

图2示出了PR的一个示例性功率谱，表示功率是频率谐波的函数。对于所存在的每个汽缸i，汽缸功率密度W_i的表达式可以下面的形式表示：

W_i＝|P(ω₁)|+|P(ω₂)|+|P(ω₃)+…|P(ω_m)|             [5]

其中，每个ω_i表示一直到汽缸数m的预定频率或谐波，如下面将要描述的，该表达式可用于定义汽缸不平衡指数。因此，在不同的实施例中，汽缸功率密度可由时间域或频率域中的压力比确定。通过布置在发动机上的合适传感器来采集或者以其他方式提供汽缸功率密度的数据使得能够定义汽缸不平衡参数，可将该汽缸不平衡参数与预选择的诊断阈值进行比较以指示存在汽缸燃烧故障条件。在一些实施例中，当汽缸不平衡参数与诊断阈值的差异达到预定量时，即可指示存在故障，该预定量可以是零或者任何非零数，只要能够有效指示燃烧故障。燃烧故障的指示可表现为视觉信号、听觉信号的形式、或者本领域一般已知的或认可的任何其他形式，这些形式跟向操作者或电子系统指示、识别或警示与燃烧发动机工作相关的事件或参数有关，所述与燃烧发动机工作相关的事件或参数包括在机载(on-board)诊断系统内设置诊断代码。

在替代性实施例中，借助于至少一个合适的有效温度或压力传感器，确定燃烧循环结束时单个汽缸所释放的热量，并且通过使功率密度等于净热量释放来确定功率密度W_i。当使用了压力传感器时，对于发动机内的给定汽缸，热量释放率由下式给出：

$\frac{{\mathrm{dQ}}_{\mathrm{ch}}}{\mathrm{d\θ}}=\frac{r}{r-1}p\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{r-1}V\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d\θ}}\×\frac{{\mathrm{dQ}}_{\mathrm{ht}}}{\mathrm{d\θ}}---\left[6\right]$

其中，θ表示曲柄角，Q_ch表示从汽缸充量(charge)释放的作为曲柄角的函数的热量，r表示比热比，

表示随曲柄角变化的汽缸容积变化率，p表示汽缸压力，并且Q_ht表示作为曲柄角的函数的热量损耗。

燃烧循环所导致的从汽缸释放的热量与被喷射进入汽缸内的燃料量有关，如下式所示：

$m_f=\frac{Q_{\mathrm{ch}}}{\mathrm{\α}\·Q_{\mathrm{LHV}}}---\left[7\right]$

其中，m_f表示被喷射的燃料质量，Q_LHV是燃料的低热值，并且α常数，其与所考虑的发动机燃烧效率有关。

忽略热传导，净热量释放或功率密度由下式给出。

$W_i=\∫\frac{r}{r-1}p\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{r-1}V\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{d\θ}}---\left[8\right]$

替代性地，可利用下面的热量释放方程的离散时间形式来确定功率密度：

$W_i=\mathrm{\Σ}{P}_{k+1}-P_k{\left(\frac{V_k}{V_{k+1}}\right)}^r---\left[9\right]$

其中，k是曲柄角标记(index)，P_k表示在曲柄角k处的汽缸压力，V_k表示在曲柄角k处的汽缸容积。

因此，通过使功率密度等于或基本等于由于燃烧而致的净热量释放，在燃烧期间燃烧掉的被喷射燃料的量直接与功率密度(W_i)有关。

在提供了用于确定来自燃烧发动机汽缸的功率密度(W_i)的方法之后，根据本公开一些实施例的方法包括对汽缸不平衡指数进行定义，该汽缸不平衡指数包含利用工作中的燃烧发动机上所存在的多个汽缸的功率密度(W_i)的比所得到的多个数值。因此，汽缸不平衡指数包括汽缸功率不平衡参数的集合，其反映了多个发动机汽缸相对于彼此的燃烧特性的实时比较。在一个优选实施例中，汽缸不平衡指数的一种定义由下式给出：

${\stackrel{\‾}{B}}_1=1-\frac{W_2}{W_1},{\stackrel{\‾}{B}}_2=1-\frac{W_3}{W_2},...,{\stackrel{\‾}{B}}_i=1-\frac{W_{i+1}}{W_i},...,{\stackrel{\‾}{B}}_n=1-\frac{W_1}{W_n},---\left[10\right]$

和

${\hat{B}}_1=1-\frac{W_3}{W_1},{\hat{B}}_2=1-\frac{W_4}{W_2},...,{\hat{B}}_i=1-\frac{W_{i+2}}{W_i},...,{\hat{B}}_n=1-\frac{W_2}{W_n},---\left[11\right]$

其中，

的一系列值表示1减去在点火顺序上彼此相接的两个相继汽缸的功率密度之比而得的数值，汽缸的标记能够任选地布置为点火顺序。

的一系列值表示1减去在点火顺序上每隔一个汽缸的功率密度之比而得的数值。

一旦产生出来，包括了汽缸不平衡指数的数据可存储在机载机动车辆或其他包括燃烧发动机的产品上，例如存储在机载控制器内，该控制器包括与其操作性连接的计算机存储器，其中汽缸不平衡指数包括与燃烧发动机上所存在的彼此相关的汽缸(在一个实施例中是所有汽缸)的功率密度有关的数值。

在一个实施例中，至少一个预定诊断阈值作为输入提供到控制器，该控制器具有包括压力感测或有效热量传感器的输入以便提供燃烧热量释放数据，并且随时间重复地迭代对汽缸不平衡指数中给出的值进行确定。将如此产生的汽缸不平衡指数中给出的值与所提供的诊断阈值进行比较，并且当汽缸不平衡指数中的值超过了所提供的诊断阈值时，即指示出燃烧故障。在一个优选实施例中，输入到控制器的传感器是构造成感测汽缸压力的压力传感器。图3示出了根据前面的描述有用的逻辑示意图。

图4示出了工作中的6汽缸燃烧发动机的一个可能输出，把根据本公开的方法应用于该燃烧发动机，其中，与净热量输出有关的诊断阈值被指定为具有-0.4的值。从图4可以看出，所测得的汽缸2、4、6的性能处于诊断阈值之外，对于这样的结果，可指示出针对这些汽缸的燃烧故障条件。当存在燃料喷射器时，这种燃烧故障条件可能是由于燃料喷射器错误引起的，而这可能与喷射器正时或输送的燃料量有关。可能导致指示出燃烧故障的其他条件包括燃料充量的部分燃烧、汽缸压缩特性以及发动机不点火；然而，只要适当地预先选择诊断阈值，也可指示出任何影响燃烧的不良或异常事件。

图5提供了一幅流程图，示出了关于本公开的一些实施例有助于检测燃烧故障的方法。

可以利用控制器或其他辅助计算手段有效地实施本文所描述的有助于确定燃烧发动机内的燃烧故障的方法和计算。在优选实施例中，所选择的控制器构造成从布置在燃烧发动机上有效感测位置的至少一个传感器接收输入，以提供关于汽缸压力的信息或燃烧发动机汽缸内所产生热量的有效指示。控制器自身可包括计算机存储器或者可操作性地连接到外部存储器源。无论如何，当根据本公开来操作控制器时，控制器导致对汽缸功率不平衡参数进行确定，而汽缸功率不平衡参数可被看作是汽缸不平衡指数的组成部分。控制器还设置有预先选择的诊断阈值。在一些实施例中，诊断阈值可包括两个阈值，一个是上阈值一个是下阈值。控制器进一步构造成将功率不平衡参数与诊断阈值进行比较，并且当功率不平衡参数的值超过了诊断阈值所产生的有效界限时指示出存在燃烧故障。在这点上，控制器的使用使得能够重复迭代地实施上述过程，而重复迭代可以是逐次迭代(successiveiteration)。

在优选实施例中，具有本文所述系统的燃烧发动机、或使用了本文所述方法的燃烧发动机或二者被布置在机动车辆上。合适的机动车辆非限制性地包括常规机动车辆，例如卡车、汽车、地面运动装置、飞行器和海上船只。在一个优选实施例中，燃烧发动机是柴油发动机。对于涉及布置在机动车辆上的燃烧发动机的情况，控制器优选布置在机动车辆上；然而，本公开也包括这样的实施例，其中，将从布置在发动机上的传感器输出的数据传播(例如通过无线传输)到接收站，该接收站可以是远离机动车辆的站，其管理和监测车队的活动。在这种实施例中，操作者有可能在远方的站同时监测来自许多车辆的燃烧故障。

虽然参照一些实施例对本公开进行了描述，但应当理解的是，在本发明概念所描述的精神和范围内可作出改变。因此，本公开并不意图限于所公开的实施例，但是，本公开具有所附权利要求的措辞所允许的全部范围。

Claims (17)

1.一种有助于检测燃烧发动机内的燃烧故障的方法，包括：

在所述发动机工作期间确定所述发动机上所存在的汽缸的汽缸功率密度值；

基于所述汽缸功率密度值确定所述汽缸的汽缸不平衡参数；

提供诊断阈值；

将所述汽缸不平衡参数与所述诊断阈值进行比较；

根据比较结果来指示存在燃烧故障条件。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

当至少一个汽缸不平衡参数的值超过所述诊断阈值时，指示存在燃烧故障。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述燃烧故障是在单一发动机汽缸内发生的燃烧故障。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述发动机置于机动车辆内，所述指示包括在机载诊断系统内设置诊断代码。

5.如权利要求1所述的方法，其中基于传感器的输出确定所述汽缸功率密度值，所述传感器选自包括压力传感器和热传感器的组。

6.如权利要求1所述的方法，其中利用时间域内的压力比确定所述汽缸功率密度值。

7.如权利要求1所述的方法，其中利用频率域内的压力比确定所述汽缸功率密度值。

8.如权利要求1所述的方法，其中，通过首先确定单个汽缸的热量释放然后使汽缸功率密度等于所述汽缸热量释放来确定所述汽缸功率密度值。

9.如权利要求2所述的方法，其中所述发动机置于机动车辆内，并且其中，所述汽缸功率密度值、所述汽缸不平衡参数和所述燃烧故障中的至少一个被无线传输到远方监测站。

10.一种用于检测工作中的燃烧发动机内的燃烧故障的系统，包括：

具有多个汽缸的内部燃烧发动机；

至少一个传感器，其布置在邻近所述发动机的有效感测区域内，足以响应于所述发动机工作期间的工作特性而产生输出；和

控制器，所述控制器构造成

接收来自所述至少一个传感器的所述输出作为输入，

基于所述至少一个传感器的所述输出计算所述汽缸的汽缸功率密度值，

基于所述汽缸功率密度值确定汽缸功率不平衡参数，并且

将所述汽缸不平衡参数与预定的诊断阈值进行比较。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述工作特性是汽缸压力。

12.如权利要求10所述的系统，其中利用时间域内的汽缸压力比确定所述汽缸功率密度值。

13.如权利要求10所述的系统，其中利用频率域内的汽缸压力比确定所述汽缸功率密度值。

14.如权利要求10所述的系统，其中通过首先确定单个汽缸的热量释放然后使汽缸功率密度等于所述汽缸热量释放来确定所述汽缸功率密度值。

15.如权利要求10所述的系统，其中所述控制器进一步构造成当汽缸不平衡参数与所述诊断阈值的差异达到预定量时，指示存在燃烧故障。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述控制器进一步构造成在与所述发动机的工作关联的诊断系统内设置诊断代码。

17.如权利要求10所述的系统，进一步包括无线发射器，所述无线发射器构造成从所述控制器接收信息并且将所述信息无线传输到远方接收站。

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