CN102057150A - 在带有可变阀控制的发动机系统中诊断故障的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于诊断在内燃机(1)上的一个或多个可变控制的进气阀(8)和/或排气阀(12)的功能的方法；该方法具有下述步骤：借助压力曲线模型确定模拟的压力指标(Pmod)，该压力指标提供了关于内燃机(1)的空气系统中的压力的指标，其中压力曲线模型根据工作点描述了无故障的内燃机(1)的压力曲线；提供空气系统中的实际的、瞬时的压力(Pman)的指标；根据所述模拟的压力指标(Pmod)和空气系统中所述实际的压力(Pman)的指标确定偏差量；根据所述偏差量识别所述进气阀(8)和/或所述排气阀(12)的功能故障。

Description

在带有可变阀控制的发动机系统中诊断故障的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于通过对进气管压力的监控来诊断内燃机的气缸的进气阀和排气阀的功能的一种方法和一种装置。
现有技术
将进气管压力传感器应用于检测内燃机中的进气阀的故障行为。在此，当在开关进气阀的情况下能够确定故障时，将进气管压力的曲线转换到频域中，并且通过确定缺少的谐振来检测该曲线。这种方式然而并不适合于在带有可变控制的进气阀和排气阀的内燃机中确定何时以及在哪一个阀上出现了故障。
电动液压的阀系统(EHVS：电动-液压阀系统)在内燃机中使用，该阀系统包括阀，该阀在用于将空气-燃料-混合物吸入气缸中的进气侧上和在用于将废气排出到废气歧管中的排气侧上都带有液压致动器。电动-液压的阀提供了可能性，即单独地和完全变化地控制进气阀和排气阀，其中阀中的每个的控制在任意的、带有变化的和可匹配的上升时间的时间点对于打开和关闭都是可能的。由此可以实现对于内燃机的工作的燃烧策略的更宽的范围。
电动液压的阀通常不包括用于确定实际的调节状态、例如阀冲程的装置。因此不可能的是，获得直接的反馈，该反馈说明了调节状态，或说明了关于下面情况的信息，即所涉及的阀是否处于打开的或关闭的状态中。
为了检测阀的故障，因此需要一种用于诊断阀的功能的方法。致动器的诊断可以通过在每个致动器上设置位置传感器来实现。这种附件然而大大提高了整个系统的成本。因此必需的是，提出可替换的方法，并且优选地间接地应用另外的传感器，该传感器已经存在于发动机系统中并且其需要用于另外的目的。
发明内容
因此本发明的目的是：提供用于诊断内燃机的可变控制的阀的故障的一种方法和一种装置，其中在不带有用于检测阀的阀冲程的传感器的情况下进行诊断。本发明的目的还在于：当检测到进气阀和排气阀的故障时识别故障的类型。
该目的通过根据权利要求1所述的方法以及通过根据从属权利要求所述的装置来实现。
本发明的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
根据第一方面，提出了一种用于诊断在内燃机上的多个可变控制的进气阀和/或排气阀的功能的方法。该方法具有下述步骤：
-借助压力曲线模型确定模拟的压力指标，该压力指标提供了关于内燃机的空气系统中的压力的指标，其中压力曲线模型根据工作点描述了无故障的内燃机的压力曲线；
-提供空气系统中的实际的、瞬时的压力的指标；
-根据模拟的压力指标和空气系统中的实际的压力的指标确定偏差量；
-根据偏差量识别当控制进气阀和/或排气阀时的故障。
由于阀是内燃机的空气系统的一部分，因此阀的故障对于空气系统中的传感器、例如空气质量传感器和进气管压力传感器产生了直接的影响。阀功能对于另外的传感器(例如凸轮轴角度、过量空气系数探测器)的影响可能需要关于另外的发动机致动器和其状态的附加的信息，因此在上述方法中，将空气进气传感器作为输入量的压力曲线模型降低了在阀的功能故障的故障检测中的复杂性。对此，对于功能正常运行的内燃机，模拟空气系统中的压力曲线并且将对于工作点得出的模拟的压力与空气系统中的实际的压力相比较。根据压力彼此之间的偏差确定在阀控制时的故障。此外，可以通过故障来实施阀调节的可信性测试，其由安装在阀上的位置传感器进行检测。
此外，故障可以根据偏差量并根据阈值识别，该阈值取决于内燃机的转速。
根据一个实施方式，故障的类型根据确定的时间段的位置来识别，在该时间段中借助于偏差量识别故障。
时间段可以定义为在单个的阀的顺序控制的时间点之间的时间范围，其中当进气阀和/或排气阀的控制标记出时间段的开始，在该时间段中根据偏差量识别出故障，则识别出进气阀和/或排气阀的故障。
根据一个实施方式，压力曲线模型可以根据训练信号并根据当无故障的内燃机工作时空气系统中的实际的、瞬时的压力的指标进行训练。
压力曲线模型可以根据带有傅里叶系数的傅里叶关系式模拟空气系统中的周期性的压力曲线，其中傅里叶系数根据测得的压力指标确定。
根据另一个方面，提出了一种用于诊断在内燃机上的多个可变控制的进气阀和/或排气阀的功能的装置，该装置包括：
-模拟单元，用于借助压力曲线模型确定模拟的压力指标，该压力指标提供了关于内燃机的空气系统中的压力的指标，其中压力曲线模型根据工作点描述了无故障的内燃机的压力曲线；
-单元，用于根据模拟的压力指标和空气系统中的实际的压力的指标确定偏差量；
-分析单元，用于根据偏差量识别进气阀和/或排气阀的控制中的故障。
根据一个实施方式，可以设置有开关，以便根据模拟单元的训练信号提供空气系统中的实际的、瞬时的压力的指标，因此压力曲线模型根据当无故障的内燃机工作时测得的压力指标进行训练。
根据另一个方面，提出了一种计算机程序，该计算机程序包含程序代码，当该程序代码在数据处理单元上被执行时，该程序代码实施了上述的方法。
附图说明
以下参考附图详细说明本发明的优选的实施方式。图中示出：
图1示出了具有进气阀的气缸的空气输送部分的示意性的横截面视图；
图2示出了具有空气输入和废气排出的内燃机的俯视图；
图3示出了用于发动机系统中的可自由控制的阀的可能的自由度的视图；
图4示出了用于表明根据本发明的方法示意性的框图；
图5示出了用于表明单个的阀的由压力传感器测得的压力曲线和调节长度(冲程)的信号-时间图；
图6示出了由压力传感器测得的进气管压力的压力曲线和信号模型，该信号模型说明了模拟的进气管压力曲线的傅里叶级数的前六个谐振；并且示出了在模拟的信号与实际的压力曲线之间的故障的曲线；
图7示出了在故障情况下当应用傅里叶级数的前六个谐振时实际的压力曲线和模拟的压力曲线的示意性的视图，其中在第一气缸中排气阀未打开；并且示出了在实际的和模拟的压力曲线之间的平方的故障的曲线；
图8示出了在模拟的信号与故障的信号之间的平方的被过滤的故障的曲线，其中第一和第三气缸的排气阀未打开；
图9示出了在进气管中的实际的压力和模拟的压力信号的曲线；以及示出了平方的故障的曲线；
图10示出了在模拟的压力信号与故障的压力信号之间的平方的和被过滤的故障的曲线，不仅是对于第一气缸的进气阀的故障，而且也是对于第三气缸的进气阀的故障；
图11示出了在模拟的压力信号与实际的故障的压力信号之间的平方的和被过滤的故障的曲线，对于第一和第三气缸的故障的进气阀和排气阀；
图12示出了实际的压力信号和模拟的压力信号在故障情况下的曲线，其中进气阀晚于所期望地打开；
图13示出了压力信号和模拟的信号在故障情况下的曲线，其中第一气缸的排气阀晚于所期望地关闭。
具体实施方式
在图1中示出了用于内燃机1的单个的气缸2的空气输送系统的横截面视图。空气输送系统包括进气管3，在该进气管中布置了节气门4，以便通过进气管3对通向气缸2的空气输送进行控制。
在节气门4的上游通常设置了空气质量传感器6，以便检测流到内燃机1的气缸2中的空气量。在节气门4的下游还设置了压力传感器7，其检测了进气管3中的取决于节气门4的位置的空气压力。根据进气阀8的打开状态，空气从进气管3中通过相应的进气阀8由进气管3吸入气缸2的燃烧室中。
在图2中示出了具有内燃机1的发动机系统的俯视图，该内燃机具有四个气缸2。气缸以Z1-Z4在其在气缸组中的布置顺序示出。气缸2的点火顺序相应于Z1-Z3-Z2-Z4。发动机系统包括共同的空气输送装置10，在该空气输送装置中布置了节气门4。在节气门4的上游布置了空气质量传感器6以及在节气门4的下游布置了进气管压力传感器7，利用该压力传感器可以检测进气管3中的瞬时的压力。
内燃机1的四个气缸2分别配有进气阀8和排气阀12。进气管3分支，以便将空气输送至各自的气缸2的相应的进气阀8。气缸2的排气阀12用于将燃烧废气从气缸2中排出到废气歧管13中。在所示出的发动机系统中，所应用的进气阀8和排气阀12是可自由控制的阀，其打开状态可以变化地调节。
在图3中为了说明进气阀和排气阀8、12的可控制性，示出了在一个特定的时间段上的可自由控制的阀的通流横截面的不同的曲线，在该时间段期间阀打开并且再次关闭。可识别出当控制这种阀时的多个自由度。可能的是，对在打开状态中的通流横截面的大小、打开或关闭阀的速度(通过在时间上的通流横截面的提高表示)、以及阀的打开时间和关闭时间进行控制。
这种自由度可以通过阀的合适的控制而利用。如果在阀的控制与阀的行为之间存在偏差，因此就存在着故障情况。在一些故障情况中阀的行为不相应于期望的行为，这些故障情况可能对于这种发动机系统(在该发动机系统中进气阀和排气阀8、12可变化地彼此独立无关地进行控制)的工作是严重的情况。
下述的方法现在能够实现，在上述的发动机系统中，对进气阀和排气阀的故障和故障情况进行确定，此时进气阀和排气阀8、12在相应的控制中完全无法打开、进气阀8过晚地打开或者排气阀12过晚地关闭(当进气阀打开时)。
如果进气管中的压力曲线与模拟的压力曲线有偏差，则确定了阀的故障。模拟的压力曲线相应于在理想情况下可能存在的压力曲线，此时在已知的空气系统动态性中进气阀8和排气阀12的行为相应于期望的行为。在进气管中的压力曲线例如可以模拟，其措施是记录了具有无故障的进气阀8和排气阀12的内燃机1的压力曲线。随后借助于傅里叶-分析对产生的压力曲线进行分析。由于进气管3中的压力曲线是周期性的信号，因此可以得出如下所示的公式：
Figure BPA00001275991800061
在此，a0相应于常项，需要该常项用于逼近模拟的信号，Pmod相应于用于进气管压力的模拟的压力信号，N相应于谐波的编号，ω相应于基振的角频率，以及an和bn相应于偶数的和奇数的傅里叶系数。上述公式的傅里叶系数可以由此确定：
Figure BPA00001275991800062
以这种方式可以在识别内燃机1的进气阀和排气阀8、12的无故障性时，确定压力信号的曲线的相应的傅里叶系数an和bn，该傅里叶系数是模拟的压力信号的基础。压力信号也就通过傅里叶系数an和bn的确定而模拟。由于压力信号曲线取决于内燃机1的工作点，因此傅里叶系数an和bn必须是可调用的，例如存储在特性曲线族中，因此根据内燃机1的转速n、内燃机1的负荷M、内燃机1的温度T和另外的参数来模拟对于无故障的工作期望的进气管压力。根据需要模拟的进气管压力的所期望的精度，可以选择谐振的数量(标数n)。通常当n＝3时，已经获得了在模拟的压力信号曲线中的良好的结果。通过应用上述的、带有特定的系数an和bn的公式，获得了匹配于内燃机1的压力曲线模型，该模型模拟进气管压力Pman的曲线。
当带有在部分负荷工作中的废气再循环的进气阀8和排气阀12工作时(该废气再循环通过进气阀8和排气阀12的打开时间的时间上的重叠实现)，则排气阀12的关闭过程的反馈也可以通过分析进气管压力传感器7的压力曲线来确定。打开时间的重叠通过在排气阀12还打开的时间点使进气阀8较早打开而产生。也就是说，在进气阀8已经打开时，排气阀12关闭，以便将空气或空气燃料混合物吸入气缸2中。由此可以实现废气再循环。
在进气阀和排气阀8、12中的故障现在被确定，其措施是连续地将瞬时的、在进气管3中存在的、测得的进气管压力Pman与根据上述的公式对于压力曲线模拟的进气管压力Pmod相比较。模拟的进气管压力Pmod在此考虑了取决于内燃机1的瞬时的转速n的基振的频率。
当在模拟的值与瞬时的压力值之间存在偏差时，其大于预设的阈值，在偏差的时间上的位置上可以确定，在哪一个气缸2上出现了故障以及该故障是否在进气阀8或排气阀12上出现。
在图4中示出了用于表明功能诊断的框图。功能诊断借助于模拟单元20、比较单元21和分析单元22实现。模拟单元20包括特性曲线族存储器23，在该特性曲线族存储器中可以存储傅里叶系数an和bn。根据关于进气阀8和排气阀12的控制时间(打开时间点、打开持续时间或关闭时间点)的指标(其通过参数EV和IV标明并且其被提供给模拟单元20)，可以相应于进气管压力模型模拟压力Pmod，该压力在功能正常运行的内燃机1中相应于进气管3中的瞬时的压力。单个阀的顺序控制的时间点被定义。
关于进气阀8和排气阀12的控制时间的指标EV、IV由发动机控制单元或类似物来提供并且根据工作点，也就是说根据例如发动机转速n、施加的负载矩M、内燃机1或进气管3的温度T来确定，因此最后得出了模拟的压力Pmod作为根据工作点的量。另外的参数也可以被考虑。此外模拟的压力Pmod还可以根据内燃机1的工作模式，例如是根据下述的工作类型：部分负荷工作、气缸断开、自点火工作和类似情况。
特性曲线族存储器23存储了根据关于进气阀8和排气阀12的控制时间的指标EV、IV的压力Pmod的模拟值。进气管压力传感器7检测了当前的进气管压力Pman。模拟的进气管压力Pmod和测得的进气管压力Pman都被输送给比较单元21，在该比较单元中将模拟的进气管压力Pmod和测得的进气管压力Pman相互比较。由模拟的进气管压力Pmod和测得的进气管压力Pman确定了偏差量A，该偏差量被传输至分析单元22。偏差量A相应于关于在模拟的进气管压力Pmod和测得的进气管压力Pman之间的差值的指标。关于在两个进气管压力Pmod，Pman之间的差值的指标可以平方，以便获得关于在进气管压力Pmod，Pman之间的差值的绝对的指标。
如果偏差量A超出通过阈值S给定的量，则在分析单元22中识别出故障。随后生成了故障信号F，该故障信号启动了分析单元22中的诊断和/或在进气阀8和/或排气阀12上的位置传感器的可信性验证。阈值S可以根据内燃机1的转速n和/或负载矩M来确定，以便考虑到在不同的工作点中出现的压力水平。
分析单元22还获得了关于每个进气阀8和排气阀12的控制时间的指标EV、IV，因此可以根据阀8、12的瞬时的控制状态并根据故障信号F来识别(出现故障的进气阀8或排气阀12所对应的那个气缸2的)故障的故障类型和地点。特别地，可以通过在单个的阀控制变化之间的时间段的分析，例如其中一个阀8、12的打开和关闭到下一个阀8、12的打开和关闭，来定义时间段。如果故障信号F指明故障，则可以在其中出现了故障的那个时间段上来识别出现了故障的阀8、12。
借助于开关24可以将实际的进气管压力Pman输送给模拟单元20，以便在那里实施特性曲线族23的训练。该训练通过从测得的、进气管压力Pman的值中确定傅里叶系数和通过将傅里叶系数配给相应的工作点或关于进气阀和排气阀8、12的控制时间的指标EV、IV来实现。这种训练可以通过训练信号E来显示。
在图5中相对曲轴角度示出了在2000转/分钟时测得的压力(上方的曲线图)的曲线和阀打开时间。排气阀12具有比进气阀8更大的冲程(以mm为单位)。
在图6中在上方的曲线图中，测得的进气管压力Pman的曲线和模拟的压力信号Pmod彼此重叠。模拟的压力信号Pmod利用n＝6，也就是说在考虑了6个谐波的情况下模拟。下方的曲线图示出了在模拟的压力信号Pmod和实际的压力Pman之间的偏差。在该附图和在所有后续的附图中，曲线并不是在时间上，而是在旋转角度π度上描绘，以便因此实现转速独立性。
图7示出了进气管压力和借助于六个谐波模拟的压力信号Pmod的曲线，在这种情况下，即其中在第一气缸2中未打开排气阀12。下方的曲线图示出了平方的、在两个压力信号Pman，Pmod之间的偏差。对偏差平方用于能够绝对地评价偏差。
如图8中所示，在模拟的压力曲线Pmod和实际的压力曲线Pman之间的平方的偏差可以被过滤。如果这样确定的值超出预设的阈值S，则阀8、12其中之一的故障可以被确定。在根据图8的实例中大约为250kPa2的阈值S优选地根据转速选择，并且在示出的实例中确定用于3000转/分钟的转速。平方的偏差的在图8中示出的曲线为气缸Z1和气缸Z3标记了未打开的进气阀8。这由分析单元22由此确定，即偏差直接在控制打开气缸Z1和Z3的进气阀之后形成。
在图9中描述了模拟的进气管压力Pmod和实际的进气管压力Pman的曲线(上方的曲线图)，并且相应的平方的偏差在下方的曲线图中示出。在此所示出的故障情况相应于这样的故障，其中在第一气缸Z1中，排气阀12未打开。这由分析单元22由此确定，即偏差直接在控制关闭气缸Z1的排气阀之后形成。
图10示出了在模拟的进气管压力Pmod与实际的压力Pman的曲线之间的平方的和被过滤的偏差，对于这种故障情况，即气缸Z1和Z3的进气阀8未打开。应识别出故障的阈值大约为250kPa2，当转速为3000转/分钟时。
在图11中示出了在模拟的压力曲线和实际的压力曲线之间的平方的和被过滤的偏差的多个曲线，对于气缸Z1和气缸Z3的故障的进气阀8或气缸Z1和气缸Z3的故障的排气阀12。
图12示出了模拟的进气管压力Pmod和实际的进气管压力Pman在故障情况下的曲线，其中进气阀8晚于对于第一气缸Z1所期望地打开。下方的曲线图示出了在两个压力曲线之间的平方的偏差。
图13示出了在故障情况下的测得的压力曲线和模拟的压力曲线，其中第一气缸Z1的排气阀8晚于所期望地关闭，并且在下方的曲线图中相应地示出了在压力曲线之间的平方的偏差。
由图5至图13的图表和特别是由图11的图表可以看出，即对于每种故障情况，在时间的位置上得出了在模拟的进气管压力Pmod和实际的进气管压力Pman的曲线之间的偏差，其可明确地对应于特定的阀、也就是说进气阀8或排气阀12和特定的气缸Z1至Z4。通过时间范围的识别(在这些时间范围中，进气管中的压力曲线决定性地通过特定的进气阀或排气阀8、12确定)，相应的阀8、12的故障功能可以以很高的可靠性来确定。时间范围特别通过在两个顺序的阀控制(其分别导致了阀8、12的打开或关闭)之间的时间段来定义。

Claims (9)

1.一种用于诊断在内燃机(1)上的一个或多个可变控制的进气阀(8)和/或排气阀(12)的功能的方法；所述方法具有下述步骤：
-借助压力曲线模型确定模拟的压力指标(Pmod)，所述压力指标提供了关于所述内燃机(1)的空气系统中的压力的指标，其中所述压力曲线模型根据工作点描述了无故障的内燃机(1)的压力曲线；
-提供空气系统中的实际的、瞬时的压力(Pman)的指标；
-根据所述模拟的压力指标(Pmod)和空气系统中所述实际的压力(Pman)的指标确定偏差量；
-根据所述偏差量识别所述进气阀(8)和/或所述排气阀(12)的功能故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述偏差量并根据取决于所述内燃机(1)的转速(n)和/或负载矩(M)的阈值识别故障。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中故障的类型根据确定的时间段的位置来确定，在该时间段中借助于所述偏差量(A)识别出故障。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述时间段定义为在单个的阀的顺序控制的时间点之间的时间范围，其中当所述进气阀和/或所述排气阀(12)的控制标记出时间段的开始，在该时间段中根据所述偏差量(A)识别出故障，则识别出所述进气阀(8)和/或所述排气阀(12)的故障。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述压力曲线模型根据训练信号并根据当无故障的内燃机(1)工作时所述空气系统中的实际的、瞬时的压力(Pman)的指标进行训练。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述压力曲线模型根据带有傅里叶系数的傅里叶关系式模拟所述空气系统中的周期性的压力曲线，其中所述傅里叶系数根据测得的所述压力指标(Pman)确定。
7.一种用于诊断在内燃机(1)上的多个可变控制的进气阀(8)和/或排气阀(12)的功能的装置，所述装置包括：
-模拟单元(20)，用于借助压力曲线模型确定模拟的压力指标(Pmod)，所述压力指标提供了关于所述内燃机(1)的空气系统中的压力的指标，其中所述压力曲线模型根据工作点描述了无故障的内燃机(1)的压力曲线；
-单元(21)，用于根据所述模拟的压力指标(Pmod)和所述空气系统中的所述实际的压力(Pman)的指标确定偏差量；
-分析单元(22)，用于根据所述偏差量识别所述进气阀(8)和/或所述排气阀(12)的功能故障。
8.根据权利要求7所述的装置，其中设置有开关(24)，以便根据所述模拟单元(20)的训练信号提供测得的压力指标，从而所述压力曲线模型根据当无故障的内燃机(1)工作时所述空气系统中的所述实际的、瞬时的压力(Pman)的指标进行训练。
9.一种计算机程序，所述计算机程序包含程序代码，当所述程序代码在数据处理单元上被执行时，所述程序代码实施了根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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