CN102066729A

CN102066729A - 通过分析发动机气缸压力信号和曲轴速度信号的燃料系统诊断

Info

Publication number: CN102066729A
Application number: CN2009801228614A
Authority: CN
Inventors: Y-Y.王; I.哈斯卡拉; C-B.M.关; F.A.马特库纳斯; P.A.巴蒂斯顿
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: CN102066729B; WO2009155132A2; DE112009001479B4; DE112009001479T5; US7761223B2; US20090312941A1; WO2009155132A3

Abstract

一种用于在发动机内区分燃烧问题和传感器故障的方法包括：监测来自所述发动机内的气缸的压力传感器数据，监测来自不同于压力传感器的来源的描述燃烧健康的发动机数据，分析所述压力传感器数据以诊断异常燃烧事件，将所述异常燃烧事件与发动机数据的分析进行比较，和如果所述比较诊断出压力传感器故障则指示压力传感器故障警告。

Description

通过分析发动机气缸压力信号和曲轴速度信号的燃料系统诊断

技术领域

本公开涉及包括压燃式发动机的内燃机的运行和控制。

背景技术

在此部分的陈述仅提供涉及本公开的背景信息，且不一定构成现有技术。在发动机内的燃烧涉及将燃料和空气引入到燃烧室内，且导致燃料空气混合物或充气点燃以利用因此形成的功。燃料和空气的引入和点燃通过控制燃烧室的特征、在气缸内起作用的活塞的位置、调节体积且因此调节燃烧室内的最终条件来正时。燃烧中涉及的事件的正时和作为结果的燃烧的性质影响了发动机的最终效率和排放。

燃烧正时或定相对于燃烧过程中的问题诊断是有益的。所得到的压力或活塞上的作用的幅度对于这些问题的诊断也是有益的。对于在一组特定的参数下运行的正常的燃烧过程，燃烧结果在小范围内是可预测的。偏离此小范围的燃烧循环指示了燃烧室内的条件处于预期的参数之外。燃烧循环的分析可以以多种形式进行。

估计以信号功率测量的幅度或估计燃烧相位的已知方法依赖于对于燃烧热、燃烧做功或其他反应指标的估计。这些方法回顾历史数据且对燃烧数据内的趋势或累积的数据点作出反应。然而，压燃式发动机和其他发动机控制方法在宽的发动机条件下运行。有效的且及时的控制，包括燃料控制、燃料调整、进气点燃正时控制、废气再循环（EGR）控制，需要满足操作者对于性能和燃料经济性的需求且符合排放要求。此外，存在很多可变性，包括涉及到如下项的可变性：部件，例如燃料喷射器；系统，例如燃料管线和压力；运行条件，例如环境压力和温度；和燃料，例如十六烷值和乙醇含量。燃烧的可变性影响了从单独气缸的放热和功输出，从而导致发动机的非最佳性能。基于实时发动机性能的燃烧可变性的测量对于诊断燃烧过程中的不稳定性是有价值的，且提供了有益于降低低效运行或高排放运行的周期的信息。

已知用于计算其形式为幅度或燃烧相位的燃烧指标的方法，所述方法基于燃烧结果的直接测量值，例如来自燃烧室的直接压力测量值或由燃烧导致的净曲轴速度。另外，已知用于处理复信号或噪声信号且将其还原为有用信息的方法。一个这样的方法包括通过快速傅立叶变换（FFT）的谱分析。FFT将周期性或重复性信号变成谐波信号之和，用于将信号转换为其频率谱的成分。一旦信号成分已被识别，则信号成分可被分析，且可从信号中获取信息。当发动机在作为例如实施在柴油机应用中的压缩点火的均质充气压缩点火（HCCI）下运行时，或在其他自燃方案下运行时，这样的估计可能是特别重要的，因为气缸条件的小的改变可能干扰造成有效和顺序的自燃点火所需的条件，而有效和顺序的自燃点火是在合适地运行的发动机内明显地得到效率、燃料经济性以及低排放的益处所需要的。

然而，压力传感器特别易于失效。与燃烧室直接连通的压力传感器经受快速且极端的压力改变。响应于由压力传感器诊断到的所觉察的燃烧问题的发动机设定改变可能对于发动机性能具有明显影响，特别是如果作为基础的压力读数不可靠时。

发明内容

一种用于区分发动机内的燃烧问题和传感器故障的方法，包括监测来自所述发动机内的气缸的压力传感器数据且监测来自与压力传感器不同的源的描述了燃烧健康（良好状况）的发动机数据。分析压力传感器数据以诊断异常燃烧事件，且发动机数据被分析且与异常燃烧事件进行比较。如果比较诊断出压力传感器故障，则指示压力传感器故障警告。

附图说明

现在将通过示例参考附图描述一个或多个实施例，其中：

图1是根据本公开的示例性实施例构造的内燃机的截面视图；

图2是根据本公开的利用了燃烧压力传感器和曲轴速度感测组件的动力总成系统的示意图；

图3是根据本公开的曲轴速度感测组件，曲轴传感器和控制模块的示意图；

图4是根据本公开的被分解为其成分信号的幅度的典型的复信号（complex signal）的曲线图；

图5是根据本公开的已燃质量分数曲线的曲线图；

图6是根据本公开的在多缸发动机内的一系列燃烧循环期间可观察的典型曲轴速度的曲线图；

图7是根据本公开的以基于压力的燃烧相位和压力信号功率幅度为基础判断测量的燃烧值的典型标准的曲线图；

图8是根据本公开的以基于曲轴速度的燃烧相位和曲轴速度信号功率幅度为基础判断测量的燃烧值的典型标准的曲线图；

图9是根据本公开的其中显示了SOI曲轴转角，作为结果的燃烧相位值的典型的燃烧相位标定曲线的曲线图，和估计测量的燃烧相位值的典型方法的曲线图；和

图10是根据本公开的估计压力传感器读数与曲轴速度读数从而判断诊断的异常燃烧事件是否由于故障的压力传感器导致的典型方法的曲线图。

具体实施方式

现在参考附图，其中所示出仅用于图示特定的示例性实施例的目的，且不用于限制实施例的目的，图1是描述了根据本发明的实施例构造的内燃机10、控制模块5和排气处理系统15的视图。示例性的内燃机包括多缸直接喷射压燃式内燃机，所述内燃机具有往复运动的活塞22，所述活塞接附到曲轴24且在气缸20内可移动，所述气缸20限定了可变体积的燃烧室34。曲轴24运行地接附到车辆变速器和传动系，以响应于操作者转矩要求（To_REQ）将牵引转矩输入到其上。发动机优选地使用四冲程运行，其中每个发动机燃烧循环包括720度的曲轴24的角度旋转，所述角度旋转分为描述了活塞22在发动机气缸20内的往复移动的四个180度的阶段（进气－压缩－膨胀－排气）。多齿的目标曲柄轮26接附到曲轴且随曲轴旋转。发动机包括感测装置以监测发动机运行，且包括控制发动机运行的促动器。感测装置和促动器在信号上或运行上连接到控制模块5。

发动机优选地包括直接喷射的四冲程内燃机，所述内燃机包括可变体积燃烧室，其由气缸内在上止点和下止点之间往复运动的活塞和包括进气门和排气门的气缸盖限定。活塞在重复的循环中往复，每个循环包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程。

发动机优选地具有主要为化学计量比稀侧的空气/燃料运行状况。本领域一般技术人员将理解到本公开的各方面可应用于主要以化学计量比稀侧运行的其他发动机构造，例如稀燃火花点燃发动机。在压燃式发动机的正常运行期间，在每个发动机循环内当燃料供送喷射到燃烧室内以与进气空气形成气缸充气时发生燃烧事件。充气随后通过在压缩行程期间充气的压缩作用而燃烧。

发动机适合于在宽的温度、气缸充气（空气、燃料和EGR）和喷射情况的范围上运行。在此所述的方法特别地适合于与以化学计量比稀侧运行的直接喷射压燃式发动机运行，以确定与正在进行的运行期间在燃烧室的每个内的放热相关的参数。方法进一步可适用于其他发动机构造，包括火花点燃式发动机，包括适合于使用均质充气压缩点火（HCCI）策略的那些发动机。本发明可适用于利用了每发动机循环每气缸多点燃料喷射事件的系统，例如使用了如下喷射的系统：用于燃料重整的先导喷射，用于发动机动力的主喷射事件，和如可能用于后处理管理的后燃烧燃料喷射事件，所述每个喷射影响了气缸压力。

感测装置安装在发动机上或附近，以监测物理特征且生成可与发动机和环境参数相关的信号。感测装置包括曲轴旋转传感器，包括用于通过曲柄轮26的齿上的感测边沿来监测曲轴速度（RPM）的曲轴传感器44。曲轴传感器是已知的，且可以例如包括霍尔效应传感器，感应传感器或磁阻传感器。来自曲轴传感器44的信号输出（RPM）输入到控制模块5。存在燃烧压力传感器30，所述压力传感器30包括适合于监测缸内压力（COMB_PR）的压力感测装置。燃烧压力传感器30优选地包括非介入式装置，所述装置包括力传感器，所述力传感器具有适合于在用于火花塞28的开口处安装到气缸盖内的环形横截面。燃烧压力传感器30与火花塞28一起安装，使得燃烧压力机械地通过火花塞传递到传感器30。传感器30的感测元件的输出信号COMB_PR与气缸压力成比例。传感器30的感测元件包括压电陶瓷或其他合适的装置等。其他感测装置优选地包括用于监测歧管压力（MAP）和环境大气压（BARO）的歧管压力传感器，用于监测进气质量空气流量（MAF）和进气空气温度（T_IN）的质量空气流量传感器，以及冷却剂传感器35（COOLANT）。系统可包括用于监测一个或多个排气参数－例如温度，空气/燃料比，和成分－的状态的排气传感器（未示出）。本领域一般技术人员将理解到可能存在用于控制和诊断目的的其他感测装置和方法。具有操作者转矩要求To_REQ形式的操作者输入典型地通过节气门踏板和制动踏板等装置获得。发动机优选地装配有其他传感器（未示出），以用于监测运行和系统控制的目的。感测装置的每个信号连接到控制模块5，以提供信号信息，所述信号信息通过控制模块转化为代表各监测的参数的信息。应理解的是此构造是示例性的而非限制性的，包括可由功能上等价的装置和算法替换的多种感测装置。

促动器安装在发动机上且被控制模块5响应于操作者的输入控制，以实现多种性能目标。促动器包括电控节气门装置（ETC），所述装置控制节气门开度到指令输入，和用于响应于指令输入（INJ_PW）将燃料直接喷射到燃烧室的每个内的多个燃料喷射器12，所有装置响应于操作者转矩要求（To_REQ）被控制。存在响应于来自控制模块的控制信号（EGR）控制外部循环的废气到发动机进气的流动的废气再循环阀32和冷却器（未示出）。火花塞28包括已知的装置，所述装置安装在燃烧室的每个内，适合于与燃烧压力传感器30一起使用。

燃料喷射器12是燃料喷射系统的元件，所述燃料喷射系统包括多个高压燃料喷射器装置，每个所述燃料喷射器装置适合于响应于来自控制模块的指令信号INJ_PW将包括一定质量燃料的燃料充量直接喷射到燃烧室的一个内。从燃料分配系统（未示出）为供给加压燃料，且每个燃料喷射器12具有包括最小脉宽和相关的最小可控制燃料流量和最大燃料流量的运行特征。

发动机可装配有可控气门机构，所述气门机构可运行以调整气缸的每个的进气门和排气门的打开和关闭，包括气门正时、相位（即相对于曲轴转角和活塞位置的正时）和气门打开升程的幅度的一个或多个。一个示例性的系统包括可变凸轮相位调整，所述可变凸轮相位调整可应用于压燃式发动机、火花点燃式发动机和均质充气压缩点火发动机。

控制模块5优选地包括一个或多个一般用途数字计算机，所述计算机一般地包括：微处理器或中央处理单元；包括非易失性存储器的存储介质，所述非易失性存储器包括只读存储器（ROM）和电可编程只读存储器（EPROM），随机存取存储器（RAM）；高速时钟；模数（A/D）和数模（D/A）转换电路；和输入/输出电路和装置（I/O）和合适的信号调节和缓冲电路。控制模块具有一组控制算法，包括存储在非易失性存储器内且被执行以提供每个计算机的各功能的常驻程序指令和标定。算法典型地在预先设定的循环周期期间执行，使得每个算法在每个循环周期至少执行一次。算法通过中央处理单元执行，且可运行以监测来自前述感测装置的输入，且使用预设的标定执行控制和诊断程序以控制促动器的运行。在正在进行的发动机和车辆运行期间，循环周期典型地以规则的间隔执行，例如以每3.125，6.25，12.5，25和100毫秒的间隔执行。替代地，算法可响应于事件的发生而执行。基于事件的算法和发动机运行包括来自燃烧传感器30的压力监测，其中对应于曲柄轮26上通过的每个齿进行测量。因此，当曲柄轮包括60X－2X轮时，曲轴每旋转6度燃烧感测就发生，一个齿和测量值对应于对于每个活塞在0 TDC处的曲柄设定。

控制模块5执行存储在其内的算法代码，以在装配好的系统上控制前述促动器以控制发动机的运行，所述促动器包括节气门位置，燃料喷射质量和正时，控制再循环的废气流量的EGR阀位置，火花塞运行和进气门和/或排气门正时、相位和升程的控制。控制模块适合于从操作者接收输入信号（例如，节气门踏板位置和制动踏板位置），以确定操作者转矩要求To_REQ，且从指示发动机速度（RPM）和进气空气温度（T_IN）和冷却剂温度和其他环境条件的传感器接收信号。

现在参考图2，图中图示的动力总成系统8已根据公开的实施例构造。动力总成系统8包括发动机10，燃烧压力传感器30，曲轴24，变速器组件40，曲轴速度感测组件50，曲轴传感器44和输出轴90。曲轴24是发动机10的部件，曲轴24起作用以将来自平移的活塞在发动机内往复运动的动力转化为使输出轴旋转。本公开的此实施例合并了燃烧压力传感器30，以监测发动机10的气缸内的燃烧室内的压力。本公开的此实施例进一步合并了成直线地位于发动机10和变速器组件40之间的曲轴速度感测组件50；然而，应认识到的是曲轴速度感测组件50可通过能够量化曲轴24的旋转位置的任何装置替换，或通过能够量化发动机的旋转速度的传动系的任何接附的部分替换。曲轴传感器44定位在曲轴速度感测组件50处，使得曲轴传感器44可测量与曲轴24的位置相关的旋转数据。控制模块5与曲轴传感器44通信，以收集由曲轴传感器44得到的任何数据。

图3描绘了根据本公开的示例性实施例的曲轴速度感测组件50、曲轴传感器44和控制模块5之间的相互作用。控制模块5可包括数据处理器，或可简单地包括端口或连接到端口，通过所述端口可由系统外部的装置收集数据。在此特定的实施例中，曲轴24的任何旋转产生了曲柄轮26的大体上匹配的或成比例的旋转。

曲轴传感器44与曲柄轮26相互作用，使得曲轴传感器44可获得关于曲柄轮26的每个旋转的详细数据。曲柄轮26的一个已知的实施例阐述了多个目标轮凸出的指示器与磁性曲轴传感器44结合的使用。如在现有技术中已知，磁性传感器可用于检测位于传感器附近的金属块的改变。当轮旋转时，每个单独的凸出的指示器或在一些实施例中每个凸出的指示器的每个上升沿和每个下降沿在曲轴传感器44内产生一个脉冲，且所述脉冲被传递到控制模块5。在一个已知的实施例中，曲柄轮26包含有其处无指示的空缺部分。空缺部分作为旋转标记起作用，使得任何随后的已收集数据的处理可在特定的脉冲之间区分。如前所述，曲轴速度感测组件50连接到曲轴24，使得曲轴24的任何旋转产生了曲柄轮26的大体上匹配或成比例的旋转。在一个实施例中，曲柄轮26被标记，使得到达传感器的空缺部分与发动机10的到达上止点位置的标记气缸相关。当曲柄轮26旋转经过空缺部分时，发动机控制特征可将发动机功能定时到相对于空缺部分的已知位置的随后的旋转读数且因此定时到相对于发动机的标记气缸的上止点位置的随后的旋转读数。可标定到已知的气缸位置的功能包括气门正时，火花正时和燃料喷射器正时。虽然此优选实施例利用凸出的指示器描述，但可使用许多不同的指示形式，包括替代凸出指示器的凹陷，替代凸出指示器的凹槽切口，光学可识别的条或其他图案，或可转换为来自旋转的轮或轴的数据流的任何其他形式的指示。

如同标记气缸的正时可与曲柄轮26相关，剩余气缸的正时也可与曲柄轮26相关。多个曲轴位置可与单独的凸出指示关联地使用，且与发动机10的多个气缸的已知正时相关。以此方式，曲轴速度感测组件50可用于控制气缸间的发动机功能。

在发动机内发生的燃烧难于直接监测。传感器可检测且测量进入气缸的燃料流量和空气流量，传感器可监测施加到火花塞的特定的电压，输入值，例如编程的喷射开始（SOI）或编程的点火正时，可以是已知的，或处理器可获得预测生成自燃所需的条件的信息的总和。然而，这些读数和数据点一起仅是燃烧预测而不测量实际的燃烧结果。在以上所述的示例性实施例中，可利用两个截然不同的方法直接从实际燃烧结果估计燃烧：压力传感器30提供关于燃烧室内的压力的信息，且紧靠接附到曲轴的多齿曲柄轮26的曲轴速度传感器44以曲轴速度形式提供了关于发动机的净功输出的数据。从压力传感器30和曲轴速度传感器44提供到控制模块5的信号提供了关于发动机内发生的燃烧的详细信息。

气缸压力读数提供了描述燃烧室内情况的切实的读数。基于对燃烧过程的理解，可分析气缸压力以估计特定的气缸内的燃烧过程的状态，从而以燃烧相位和燃烧强度来描述燃烧。已知充气在已知正时在已知条件下的燃烧在气缸内产生了可预测的压力。通过描述在一定的曲轴转角下燃烧的相位和强度，可描述特定燃烧循环的初始和进展。通过估计气缸的燃烧过程的状态和将状态与预期的气缸读数比较，可在故障、缺火或低效运行方面评价气缸。这样的评价在HCCI或压缩燃烧下的发动机运行中可能是特别地重要，因为气缸条件的小的改变可能干扰造成有效和顺序的自燃点火所需的条件，而有效和顺序的自燃点火是在合适地运行的发动机内明显地得到效率、燃料经济性以及低排放的益处所需要的。

来自位于燃烧气缸内或与燃烧气缸连通的压力变换器的压力读数包含了直接涉及燃烧室内发生的燃烧的信息。用于量化燃烧室内由于燃烧导致的压力的一个方便的测量值是压力比（PR），或测量的气缸压力（P_CYL）与泵气压力（P_MOT）的比值，其中P_MOT计算为作为活塞压缩密闭的气体而不发生燃烧的结果而存在于燃烧室内的压力。因此，PR在任何曲轴转角下可表达为：

（1）

曲轴转角(θ)是曲轴经历燃烧循环的测量值，且在现有技术中广泛地用作跟踪事件的指标和燃烧循环内的可测量量。净燃烧压力（NCP(θ)）是频繁地使用的术语，用于描述P_CYL(θ)和P_MOT(θ)之间差异，或在燃烧室内在给定曲轴转角下归因于燃烧的压力升高。因为通过PR或NCP描述的压力升高直接归因于燃烧，所以这些压力术语的理解导致了关于气缸功率或信号功率和燃烧相位方面的燃烧的理解。

信号功率是描述作为燃烧的结果而在燃烧室内部产生的压力的幅度的术语。许多用于计算信号功率的方法在现有技术中是已知的。一个方法利用了来自气缸内的压力读数以跟踪信号功率（SP），且通过如下等式表达：

（2）

在此示例性的等式中，PR用于跟踪信号功率；然而，本领域一般技术人员将认识到的是比例地跟踪燃烧循环的幅度的任何变量成可在此等式内作为PR的替代类似地使用，例如P_CYL或NCP。通过将PR在燃烧循环中的N个样本上采样，此等式产生了在燃烧循环中来自气缸的信号功率的幅度的测量值。

计算信号功率的另一个方法利用了快速傅立叶变换以分析压力读数。快速傅立叶变换（FFT）是现有技术中熟知的数学方法。已知为谱分析的一个FFT方法利用了复信号且将信号分为其成分部分，且可表达为谐波的加和。通过FFT分析以f(θ)表示的压力变换器信号可表达为如下：

（3）

信号f(θ)的每个成分N表达了燃烧室内的压力上的周期性输入，N的每个增加的增量包括更高频率的信号。图4图示了根据本公开的输入信号的幅度成分的示例图。多个谐波频率ω₀产生了输入信号的成分的幅度。FFT产生了关于信号的每个成分的信息，如上述以A_N表达的幅度、和以

_N表达的相位。对于通过燃烧循环的PR应用FFT可通过如下等式表达：

（4）

P(ω)代表了PR信号的单独成分的幅度。总的PR信号的幅度因此可表达为单独成分幅度的幅度加和。此加和可通过如下等式表达：

（5）

此等式着眼于总压力读数强度，且基于所有成分到压力复信号的加和判断幅度。替代地，实验分析已示出由于燃烧和活塞移动通过燃烧循环的各个阶段导致的压力振荡P_CYL(θ)趋向于为最低的第一频率谐波。通过将此第一谐波信号隔离，可测量和估计P_CYL(θ)的直接归因于燃烧的部分。以此方式，FFT可用于将复信号分为多个成分部分，且每个成分部分的单独的幅度可加和以确定源信号功率的幅度。

燃烧相位是相对于曲轴转角描述燃烧循环的过程的术语。在燃烧循环内确定燃烧相位产生了关于实际SOI和燃烧健康的信息。例如，如果SOI迟于编程的SOI正时在气缸内发生，则燃烧相位将延迟且燃料空气充气的燃烧将基于气缸内的条件以不同的速率发生。类似地，如果气缸内的条件导致缺火或部分燃烧，则由燃料空气充气的燃烧造成的压力升高将降低。燃烧相位因此产生了关于燃烧过程的重要信息。

估计燃烧相位的一个方法包括处理气缸压力变换器读数且将由压力读数确定的燃烧相位信息与预期值进行比较。在现有技术中已知计算燃烧相位的多种方法。一个方法利用了已燃质量分数百分比来估计燃烧相位。图5图示了根据本公开的示例性的已燃质量分数曲线，所述曲线描述了对于特定的燃烧循环在气缸内已燃烧的燃料空气充气的百分比。在点火后的某点处，已燃充气的百分比开始升高。燃烧加速直至某点直至有限的剩余燃料和空气开始限制燃烧，且百分比继续升高但升高缓慢，因为充气的剩余迹量被燃烧。在完全燃烧中，充气的100％将被燃烧。通过已燃质量分数曲线量化燃烧相位的一个方法是将已燃质量分数百分比作为指标，且将指标实现处的测量的曲轴转角与预期指标实现处的预期曲轴转角进行比较。已燃质量分数可通过多种已知方法计算。一个方法是通过分压比估计已燃质量分数。分压比可通过如下等式计算：

（6）

PR(θ)－1产生了在特定曲轴转角下归因于燃烧的压力测量值。PR(90°)－1产生了在燃烧完成后燃烧最大值处的归因于燃烧的压力测量值，经过上止点90°被选择为仍在膨胀行程内的一个曲轴转角，在该曲轴转角后假定基本上完全燃烧。FPR(θ)产生了与图5中图示的已燃质量分数曲线等价的曲线，且因此如以上所述FPR值可选择为用于已燃质量分数百分比的指标值以用于估计燃烧相位的用途。

已燃质量分数或FPR的不同的值可选择为指标值。例如，在图5中图示的曲线中，50％的已燃质量分数附近的值产生了具有最陡的曲线且因此具有最大分辨率的指标值，用于指示相应的被指示的曲轴转角。然而，其他曲线或燃烧条件可使得选择不同的百分比作为有利的指标。另外，使用已燃质量分数百分比还是使用分压比在运算上都是可逆的，从而选择指标曲轴转角和将百分比值与指标曲轴转角进行比较。与所利用的指标值或方法无关，已燃质量分数或分压比提供了通过压力读数确定燃烧相位的手段。

用于估计燃烧相位的另一个方法可如上所述利用FFT，以分析来自气缸的燃烧室的压力信号。如上所述，FFT产生了关于信号分量在幅度和相位方面的信息。燃烧相位可通过如下等式计算：

（7）

如以上在等式（3）中所述，包括展示了不同的谐波频率的多个信号成分的相位信息。如上文所提及，分析已显示由于燃烧和活塞移动通过燃烧循环的各个阶段所导致的压力振荡P_CYL(θ)趋向于是最低频率的第一谐波。通过将此第一谐波信号隔离，可测量和估计P_CYL(θ)。因此第一谐波的角度，即φ₁，是跟踪燃烧相位信息的主项。通过FFT分析气缸压力读数因此可产生燃烧相位的测量值。

除分析归因于燃烧的气缸压力外，在现有技术中还已知其他估计燃烧的方法。如上文所提及，曲轴速度由于发动机内的燃烧循环和相关的膨胀行程而改变。单独的气缸内的燃烧循环的小改变将改变活塞的加速，从而影响在由控制模块5接收的信号内表现的曲轴速度。例如，部分气缸缺火可能导致带有延迟的正时的燃烧循环。此延迟的正时将导致曲轴速度相对比预期曲轴速度的可测量的改变。因此，曲轴速度含有描述了燃烧循环的直接信息，包括燃烧相位信息。已知充气在已知正时处在已知条件下的燃烧产生了气缸内可预测的结果。基于对燃烧过程的理解和不同输入对燃烧相位的影响，可分析曲轴速度以估计特定气缸内的燃烧。通过估计气缸的燃烧过程状态且将该状态与预期的气缸读数或与其他气缸的读数比较，可在故障、缺火或低效运行方面评价气缸。

与曲轴旋转或速度相关的传感器读数包含了直接涉及燃烧室内发生的燃烧的信息。在每个气缸发火时，活塞的膨胀行程驱动曲轴，从而使曲轴速度增加或产生角加速度。当没有来自燃烧的功被施加到发动机活塞时，曲轴由于与摩擦、负荷等相关的损失而减速。稳定的平均发动机速度条件描述了由于膨胀行程导致的速度增加与膨胀行程之外经历的速度降低相调和的情况，在该稳定的平均发动机速度条件下，曲轴的净平均速度在一段时间期间保持恒定。在发动机的理想的理论模型中，曲轴的角速度因此具有平滑上升和平滑下降图形的曲线，符合发动机内发生的燃烧循环。然而，发动机是复杂的机构，且这些压力读数除包含燃烧循环的测量值外还包含来自其他来源的多个曲轴速度振荡。图6图示了根据本公开的来自示例性的八缸发动机内的曲轴速度传感器的曲轴速度读数。如在数据图中可见，可识别出总体上升和下降的图形。此总体图形与前述的发动机内的燃烧循环的效果相关。由总体波形图中的向上和向下急动图形表示的曲线图中的小波动代表了由除膨胀行程以外的力所导致的振荡。在现有技术中存在多个方法用于将噪声数据过滤成有用信息。如上文所提及，FFT可用于分析复信号且将该信号分解为其成分部分，所述成分部分可表达为谐波的加和。曲轴速度信号的分析可类似于等式（3）中表达的关系而表示。信号f(θ)的每个成分N代表曲轴速度上的周期性输入，N的每个增加的增量包括信号或更高频率。如上所述，关于压力信号的第一谐波，可示出由燃烧或活塞移动通过燃烧循环的各个阶段导致的速度振荡趋向于变成最低频率的第一谐波。通过将此第一谐波信号隔离，可测量和估计由于燃烧导致的曲轴速度振荡。如在现有技术中已熟知，FFT提供了关于每个识别的谐波的幅度和相位的信息，分别被俘获作为上述等式（3）的每个谐波中的A_N和φ_N项。第一谐波的角度或φ₁因此是跟踪燃烧相位信息的主项。类似地，A₁与预期值的比较产生了关于曲轴速度信号的幅度的信息。通过分析FFT输出的与归因于燃烧的曲轴速度相关的成分，可量化和比较此成分的信号功率和燃烧相位信息。

当输入信号处于稳态时，通过FFT分析的信号最有效地被估计。变化的输入信号的瞬态效应可造成所执行的估计中的误差。虽然已知用于补偿瞬态输入信号的效应的方法，但在此所公开的方法在其中消除了瞬态效应的怠速或稳定的平均发动机速度条件下最好地执行。在可接受的稳定测试周期中完成测试的一个已知的方法是取样和利用控制模块内的算法来验证或舍弃在发动机稳定运行周期期间获得的测试数据。

应注意的是虽然测试数据优选地在怠速或稳定发动机运行时获取，但从这些分析导出的信息可被复杂的算法或发动机模型利用以在整个发动机运行的各种范围内实现更精确的发动机控制。例如，如果怠速下的测试和分析显示四号气缸具有部分阻塞的喷射器，则对于此气缸可在运行中不同范围内修正燃料喷射正时以补偿所察觉的问题。

在现有技术中已知评价测量数据值的方法的不同实施例。例如，测量点可与通过实验、经验、通过建模或其他技术预测得到的标定点进行比较。替代地，测量点可与近似同时地且在类似的运行条件下收集的另外的或等价的数据点进行比较。预测算法以可建立系统行为模型，且基于多个输入获得预期点。用于估计气缸内的燃烧的一个替代的方法同时利用了发动机数据的幅度和相位，以识别正常或异常的燃烧。图7描述了根据本公开的其中将来自压力数据的指示的信号功率幅度与来自压力数据的指示的燃烧相位进行比较的测试。在图中限定的区域对应于健康或正常的燃烧，且在图中限定的另一个区域对应于有问题的燃烧。处理器可分析通过将FFT应用于压力数据，例如应用于图上限定的区域而生成的数据点，且如果数据点落在有问题的燃烧区域内则指示警告。替代地，可利用如下等式在数学上进行相同或类似的分析：

（8）

可在图上确定从某点x, y到FFT的测量输出φ, Mag的距离d。点x, y可以是健康燃烧区域内的点，或者是有问题的燃烧区域内的某点。所测量的距离d然后可与半径r进行比较，且如果测量点距有问题的燃烧区域内的点过近或距健康的燃烧区域内的点过远则发出合适的警告。图8描述了等价测试，其中根据本公开将来自曲轴速度数据的指示的信号功率幅度与来自曲轴速度数据的指示的燃烧相位进行比较。处理算法或距离d可用于比较测量的曲轴速度数据与限定的区域或点。与所使用的方法无关，可评估测量的发动机数据，例如压力和曲轴速度数据以用于与正常燃烧对应的结果。

测试的结果与某标准和可接受范围的限定的比较，尤其是在发动机标定区域内，是现有技术中已知的方法。此公开将不限定方法，以此测试值和可接受范围对于发动机标定确定。虽然一些测试标准的示例性实施例在本公开中给出，但本公开不意图于限制于在此具体描述的实施例。

图9展示了根据本公开的示例性的标定曲线，所述曲线描绘了SOI值与作为结果的预期的曲轴速度相位值的关系。这样的曲线可通过实验、经验和通过建模或其他适合于精确预测发动机运行的技术预测来建立，且标定曲线的幅度可被相同的发动机用于每个气缸且用于不同的发动机设定、条件或运行范围。这样的标定曲线可与信号功率或燃烧相位值一起使用。此特定的曲线图利用了对于一组设定的发动机条件下的燃烧相位确定的测试值。对于任何选择的SOI曲轴转角值，绘出了点从而给出预期的曲轴速度相位值。此标定曲线与某一限定的公差协同使用来判断测量的曲轴速度相位对于发动机控制器内选择的或编程的SOI值是否处于当前燃烧循环的正常运行公差内。然而，用于利用和比较已知发动机参数和行为的多种方法是已知的，且可利用于与测量的燃烧度量的比较中，且本公开不意图于限制于在此所述的特定实施例。

许多因素被利用以选择可允许的信号功率或燃烧相位差异值。可允许的值的范围必须足够大以允许测量值的正常偏差，所述正常偏差由于发动机运行中的正常变化，例如温度、燃料类型、车辆维修历史等的条件改变，以及节气门设定或车辆负荷的改变而导致。然而，可允许的值的范围必须足够小以识别明显的气缸故障。虽然测试优选地在怠速或稳定发动机运行下进行，但在瞬态条件下的使用可通过添加某修改器或将算法应用于可允许值以允许瞬态中预期的改变而实现。替代地，作为与从标定曲线导出的值的比较的替代，来自一个气缸的相位值可与随后发火的气缸的相位值进行比较，且如果值的差异超过可接受的差异，则指示警告。因为瞬态条件将类似地影响所有气缸，所以此方法可用于通过与其他气缸的比较来识别气缸内的燃烧问题。可允许值在任何所利用的方法中的范围将根据应用而不同，且可通过实验、经验和通过建模或其他适合于精确预测发动机运行的技术预测来确定。

确定信号的幅度和相位的不同实施例在现有技术中是已知的。在此所公开的方法仅是示例性实施例，且本公开不意图于限制于在此所述的示例。

异常燃烧读数可以是燃烧室内异常条件的表征，所述异常条件要求发动机控制器装置的干预或要求维修；替代地，异常读数可以是故障传感器的表征。特别地，与气缸内的燃烧室连通地布置的压力传感器受到发动机运行中每分钟数千次的剧烈压力振荡。来自气缸的指示了代表阻塞的燃料喷射器的相位延迟的压力读数可能通常地引起喷射正时的改变，但如果可检查压力传感器的故障，则可避免或减轻不正确地改变燃烧参数的负面影响。与压力传感器不同的关于燃烧循环的信息的来源，例如在曲轴速度传感器读数的分析中，允许了这样的比较。

图10图示了根据本公开的从压力传感器获得的数据与从曲轴速度传感器获得的数据的比较。图的上部分图示了从与燃烧室直接连通的压力传感器获得的数据。数据中一系列升高的峰后跟随了陡峭的下降，图示了示例性的八缸发动机内的燃烧的效果，其中与特定曲轴转角相关的每个峰的幅度和正时描述了每个气缸内每个燃烧循环的幅度和相位。在图中心的数据中的峰示出了数据从正常值的清晰的改变，特别是幅度的改变。通过以上所述的方法，此图形被标记为异常燃烧事件，指示了具有一定形式的警告是适当的。图的下部部分图示了从曲轴速度传感器获得的数据。如在图6中所述，这样的曲线指示了与归因于燃烧的曲轴速度的幅度和相位相关的信息。通过以上所述的方法或在现有技术中已知的其他方法，曲轴速度数据可被分析以识别异常燃烧的问题。在此示例性曲线中的数据，特别地在对应于压力曲线中异常读数的识别到的发火窗内的数据，示出了当与来自其他显示的气缸的数据相比时表现为处于幅度和相位的正常边界内的结果。虽然图上部上的压力数据表现为指示了气缸内的燃烧故障，但图的下部上的曲轴速度数据表现为指示了气缸内正常燃烧的结果。在压力数据内指示的警告和曲轴速度数据的常态之间的分歧指示了压力传感器故障警告可能是合适的。

压力数据和曲轴速度之间的比较可具有许多形式且不需要必然地包括相同的信息内容。例如，压力数据可与标定值相比较而在幅度上被分析，且如果测量值与标定值的差异超过可允许的压力幅度差异则指示警告。来自相同的燃烧循环的曲轴速度数据可与相继发火的气缸相比较在燃烧相位上被分析。虽然压力数据和曲轴速度数据经历不同的分析，但每个测试可被归类为指示燃烧故障还是指示正常燃烧，且被比较以用于指示传感器故障。

如在图10中示出的示例性的数据图示出了清晰的情况，其中一个数据组指示了燃烧故障，且另一个示出了正常燃烧。然而，许多情况可能不如此清晰地区分。压力数据和曲轴速度数据之间的比较的一些实施例包括正常或异常燃烧的简单的双重指示。在此情况中，边界线指示可通过长期分析比较结果而被滤除。例如，作为对于压力测试和曲轴速度测试之间的一个有分歧的比较而指示传感器故障的替代，控制模块可收集许多循环上的数据，例如1000个循环上的数据，且将此特定气缸的压力测试和曲轴速度测试之间的分歧率在许多循环上进行比较。替代地，可在压力或曲轴速度情况中的任一个或二者中使用测试，从而指示测试数据与接受值的一致性程度。例如，在关于图7和图8如上所述的测试过程中，示例性的过程被描述，由此确定了测试点距接受值的图距离。使用这样的距离或一致性程度的指示，可比较压力测试和曲轴速度测试，且虽然一个可名义上指示异常燃烧情况且另一个可名义上指示正常燃烧情况，但可比较两个点距接受值的距离或两点相互间的距离，且有裕量的情况或接近情况可被标记为不必然地指示故障的压力传感器。

应注意到的是压力传感器可用于验证曲轴速度传感器，但实验数据示出了压力传感器更可能失效而错误地指示精确结果。因此，本公开的优选实施例是利用曲轴速度测试来验证压力测试。

由于识别出的燃烧问题或故障的气缸情况发出的警告可具有许多形式，包括但不限制于燃料控制参数的更换，警告灯指示，听觉音调或消息，驾驶员界面装置上的显示，或通过通信网络传递的消息。替代地，被认为不是关键的错误消息或故障标志可记录在存储装置内，所述存储装置优选地通信地连接到以上所提及的控制模块5或与所述控制模块5成整体，以用于维修人员观察而不警示驾驶员。类似地，指示传感器故障的警告可具有多种形式，包括但不限制于燃料控制参数的更换，警告灯指示，听觉音调或消息，驾驶员界面装置上的显示，或通过通信网络传递的消息。替代地，被认为不是关键的错误消息或故障标志可记录在存储装置内，所述存储装置优选地通信地连接到以上所提及的控制模块5或与所述控制模块5成整体，以用于维修人员观察而不警示驾驶员。

所述的本公开包括优选的实施例和对于实施例的修改。另外的修改和变更可在研读和理解说明书后想到。因此，本公开意图于不限制于作为执行本公开而构思的最佳模式的特定的实施例，而是本公开将包括落入附带的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于区分在发动机内燃烧问题和传感器故障的方法，所述方法包括：

监测来自所述发动机内的气缸的压力传感器数据；

监测来自不同于压力传感器的来源的描述燃烧健康的发动机数据；

分析所述压力传感器数据以诊断异常燃烧事件；

分析所述发动机数据；

将所述异常燃烧事件与所述发动机数据的所述分析进行比较；和

如果所述比较诊断出压力传感器故障，则指示压力传感器故障警告。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的监测来自不同于压力传感器的来源的描述燃烧健康的发动机数据包括监测曲轴速度数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的分析所述发动机数据包括：

计算曲轴速度信号功率幅度；和

确定所述曲轴速度信号功率幅度是否在可接受的曲轴速度信号功率幅度范围内。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述的分析所述发动机数据包括：

计算曲轴速度燃烧相位；和

确定所述曲轴速度燃烧相位是否在可接受的曲轴速度燃烧相位范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述的分析压力传感器数据包括：

计算压力信号功率幅度；和

确定所述压力信号功率幅度是否在可接受的压力信号功率幅度范围内。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定包括将所述压力信号功率幅度与标定数据进行比较。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述确定包括将所述压力信号功率幅度与对于所述发动机的相继发火的气缸计算的幅度进行比较。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述的分析所述压力传感器数据包括：

计算基于压力的燃烧相位；和

确定所述基于压力的燃烧相位是否在可接受的基于压力的燃烧相位的范围内。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述确定包括将所述基于压力的燃烧相位与标定数据进行比较。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述确定包括将所述基于压力的燃烧相位与对于所述发动机的相继发火的气缸计算的燃烧相位进行比较。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述的分析压力传感器数据包括：

计算压力信号功率幅度；

计算基于压力的燃烧相位；和

确定所述压力信号功率幅度和所述基于压力的燃烧相位是否在健康的燃烧运行范围内。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述的指示压力传感器故障警告包括如下项的至少一个：点亮警告灯指示器，发出听觉警告，在人界面装置上显示指示，和通过通信网络传达警告。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述的指示压力传感器故障警告包括将所述警告记录在存储装置内。

14.一种用于区分在发动机内燃烧问题和传感器故障的方法，所述方法包括：

监测来自所述发动机内的气缸的压力传感器数据；

监测曲轴速度数据；

分析所述压力传感器数据以诊断压力指示的异常燃烧事件；

分析所述曲轴速度数据以诊断曲轴速度指示的异常燃烧事件；

将所述压力指示的异常燃烧事件与所述曲轴速度指示的异常燃烧事件进行比较；和

如果所述比较诊断出压力传感器故障则指示压力传感器故障警告。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的分析所述压力传感器数据包括如下步骤中至少一个：

计算压力信号功率幅度且确定所述压力信号功率幅度是否在可接受的压力信号功率幅度范围内；和

计算基于压力的燃烧相位且确定所述基于压力的燃烧相位是否在可接受的基于压力的燃烧相位范围内。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述的分析所述曲轴速度数据包括如下步骤中至少一个：

计算曲轴速度信号功率幅度且确定所述曲轴速度信号功率幅度是否在可接受的曲轴速度信号功率幅度范围内；和

计算曲轴速度的燃烧相位且确定所述曲轴速度的燃烧相位是否在可接受的曲轴速度燃烧相位范围内。

17.一种用于区分在发动机内燃烧问题和传感器故障的设备，所述设备包括：

与所述发动机的气缸连通的压力传感器；

曲轴速度传感器；

与所述压力传感器和所述曲轴速度传感器连通的控制模块，所述控制模块分析来自所述压力传感器的数据和来自所述曲轴速度传感器的数据，

确定来自两个传感器的数据是否在可接受的燃烧范围内，且如果来自所述压力传感器的所述数据指示异常燃烧事件且来自所述曲轴速度传感器的所述数据指示正常燃烧，则指示压力传感器警告。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述的分析来自所述压力传感器和所述曲轴速度传感器的数据确定来自所述压力传感器的所述数据的幅度和相位的至少一个，和来自所述曲轴速度传感器的所述数据的幅度和相位的至少一个。

19.根据权利要求17所述的设备，其中所述的分析来自所述压力传感器和所述曲轴速度传感器的数据确定来自所述压力传感器的所述数据的信号幅度和燃烧相位，和来自所述曲轴速度传感器的所述数据的信号幅度和燃烧相位，其中所述可接受的燃烧范围包括指示健康的燃烧的组合的信号功率幅度和燃烧相位的区域。