CN102146850B - 利用压力传感器检测可变气门正时发动机中的操作误差的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用压力传感器检测可变气门正时发动机中的操作误差的系统。一种方法和控制模块包括压力传感器数据比较模块，其将测得的压力体积信号段与理想的压力体积段比较。当检测到气门驱动硬件故障时，气门驱动硬件补救模块响应于测得的压力体积信号段与理想压力体积段的比较来执行硬件补救。

Description

利用压力传感器检测可变气门正时发动机中的操作误差的系统
政府权力声明
依据与能源部(DoE)的美国政府合约No.DE-FC26-05NT42415产生本发明。美国政府享有本发明中特定权利。
技术领域
本发明涉及可变气门驱动系统，尤其地涉及用于减小操作可变气门驱动系统中的误差的系统。
背景技术
在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息，并且不一定构成现有技术。
车辆包括产生驱动扭矩的内燃机。更具体地，有选择地打开进气阀，以将空气吸入发动机的气缸。该空气与燃料混合，以形成燃烧混合物。在气缸内压缩燃烧混合物，并燃烧该燃烧混合物，以在气缸内驱动活塞。有选择地打开排气阀，以在燃烧之后允许废气从气缸离开。
旋转凸轮轴调整进气和排气阀的打开和关闭。凸轮轴包括与凸轮轴一起旋转的多个凸轮凸角。凸轮凸角的轮廓确定气门升程进度。更具体地，气门升程进度包括气门打开的时间量(持续时间)和气门打开的大小或程度(升程)。
可变气门驱动(VVA)技术通过改变随着发动机运行条件而变化的气门提升事件、正时、和持续时间来改善燃料经济性、发动机效率、和/或性能。两级VVA系统包括诸如液压控制可切换的滚柱指轮跟随器(SRFF)的可变气门组件。SRFF对进气和/或排气阀实现两种离散的气门状态(例如低升程状态或高升程状态)。
参考图1，更详细地示出液压升降机构(即SRFF机构)10。本领域的技术人员应理解的是，SRFF机构10本质上仅是示例性的。SRFF机构10枢转地安装在液压间隙调节器12上，并接触有选择地打开和关闭到气缸20的入口通道18的进气阀16的阀杆14。响应于安装有多个凸轮凸角(例如低升程凸轮凸角24和高升程凸轮凸角26)的进气凸轮轴22的旋转有选择地提升和降低发动机进气阀16。进气凸轮轴22绕进气凸轮轴轴线28旋转。尽管示例性实施例描述了在发动机进气阀16上操作的SRFF机构10，但本领域的技术人员应理解的是，SRFF机构可相似地在排气阀30上操作。这样的构造对于实现HCCI运行工况是需要的。
控制模块基于需要的发动机转速和负荷使SRFF机构从低升程状态转变成高升程状态，并且反之亦然。例如，以诸如4,000转每分钟(RPM)的高发动机转速运行的内燃机通常需要SRFF机构以高升程状态操作，以维持气门机构稳定性。
通过控制油到诸如相位器的凸轮驱动器的流动获得液压凸轮相位器的运动和定位。通过一种阀实现流动控制，该阀能够将油供应至相位器中的叶片的一侧的体积，同时为叶片的另一侧上的体积提供到孔口或者返回容器的通路。油流的速率是暴露的流口的面积的函数。通过改变可从螺线管获得的向滑阀施加的力的大小来获得流动的控制。
如上所述，两级SRFF在低升程状态下可具有最高操作转速。高于最高发动机转速时操作低升程状态的机构的惯性将超过维持SRFF与凸轮凸角之间的接触的弹簧力。SRFF与凸轮之间引起的分离可最终使部件疲劳并造成损伤。防止损伤增强发动机的耐用性。
发明内容
本发明提供一种识别气门驱动故障并采取补救措施以防止发动机硬件损伤的诊断方法。
在本发明的一个方面中，方法包括产生气缸压力传感器信号、将理想燃烧压力信号与气缸压力信号比较并响应于将理想燃烧压力信号与气缸压力信号比较而执行气门驱动硬件补救。
在本发明的另一方面中，控制模块包括将测得的压力体积信号段与理想的压力体积段比较的压力传感器数据比较模块。气门驱动硬件补救模块响应于将测得压力体积信号段与理想压力体积段比较来执行硬件补救。
本发明提供以下技术方案：
方案1.一种方法，包括：
产生气缸压力信号；
将理想燃烧压力信号与所述气缸压力信号比较；以及
响应于理想燃烧压力信号与所述气缸压力信号的比较，执行气门驱动硬件补救。
方案2.根据方案1所述的方法，其中，产生气缸压力信号包括产生缸内压力传感器信号。
方案3.根据方案1所述的方法，其中，基于所述气缸压力传感器信号确定测得的压力体积段。
方案4.根据方案3所述的方法，还包括确定理想的燃烧压力体积段，并且其中将理想的燃烧压力信号与所述气缸压力信号比较包括将测得的压力体积段与所述理想的燃烧压力体积段比较。
方案5.根据方案4所述的方法，还包括确定发动机位置信号，并且其中确定测得的压力体积段包括基于所述发动机位置信号确定测得的压力体积段。
方案6.根据方案5所述的方法，还包括确定发动机位置信号，并且其中确定测得的压力体积段包括基于所述发动机位置信号和发动机温度确定测得的压力体积段。
方案7.根据方案6所述的方法，其中，确定发动机位置信号包括曲柄角窗。
方案8.根据方案1所述的方法，其中，产生气缸压力传感器信号包括产生滤波的压力传感器信号。
方案9.根据方案1所述的方法，其中，产生气缸压力传感器信号包括在均质充气压燃式(HCCI)发动机中产生压力传感器信号。
方案10.根据方案1所述的方法，其中，执行气门驱动硬件补救包括降低发动机转速。
方案11.根据方案1所述的方法，还包括基于将所述理想的燃烧压力信号与所述气缸压力信号比较来确定凸轮驱动硬件故障，并且其中执行气门驱动硬件补救包括响应于所述凸轮驱动硬件故障执行所述气门驱动硬件补救。
方案12.根据方案1所述的方法，其中，确定凸轮驱动硬件故障包括确定高升程故障。
方案13.根据方案1所述的方法，其中，确定凸轮驱动硬件故障包括确定低升程故障。
方案14.根据方案1所述的方法，其中，执行气门驱动硬件补救包括降低发动机转速。
方案15.一种控制模块，包括：
压力传感器数据比较模块，其将测得的压力体积信号段与理想的压力体积段比较；以及
气门驱动硬件补救模块，其响应于将所述测得的压力体积信号段与所述理想的压力体积段比较，执行硬件驱动补救。
方案16.根据方案15所述的控制模块，其中，所述测得的压力传感器信号包括滤波的压力传感器信号。
方案17.根据方案15所述的控制模块，还包括确定发动机位置的发动机位置模块，并且其中所述压力传感器数据比较模块基于所述发动机位置确定所述压力体积信号段。
方案18.根据方案15所述的控制模块，其中，所述压力传感器数据比较模块基于将所述理想的燃烧压力信号与所述气缸压力信号比较而确定凸轮驱动硬件故障。
方案19.根据方案15所述的控制模块，其中，所述凸轮驱动硬件故障包括高升程故障或低升程故障。
方案20.根据方案15所述的控制模块，其中，所述硬件驱动补救包括发动机转速降低。
本发明适用性的其它领域将通过以下提供的详细说明而变得明显。应理解的是，详细说明和具体的示例仅用于说明的目的，而不用于限制本发明的范围。
附图说明
在此描述的附图仅用于说明的目的，而绝不用于以任何方式限制本发明的范围。
图1是根据现有技术的示例性液压升降机构的剖视图；
图2是包括根据本发明的控制系统的示例性车辆的功能框图；
图3是控制模块74的详细示意性框图表示；
图4是根据本发明用于保护硬件的方法的流程图；
图5是对于进气阀提前关闭条件而言在高升程状态和低升程状态下正常运行的发动机的缸内压力相对扫过体积的图表；
图6是在进气阀推迟关闭的条件下对于正常的低升程状态和高升程状态而言的气缸压力相对扫过体积的图表；
图7是标准节流的自动循环发动机的气缸压力相对扫过体积的图表；
图8是在主动燃料管理的条件下正常高升程操作的气缸压力相对扫过体积的图表；
图9是在进气阀提前关闭条件下当指令高升程状态时与单一低升程故障对应的数据图；
图10是在HCCI操作期间当指令低升程状态时的单一高升程故障的压力相对扫过体积的图表；
图11是当指令低升程时、在一个或多个可切换的滚柱指轮跟随器处于高升程状态时对于节流自动循环发动机而言的缸内压力相对扫过体积的图表；
图12是当指令低升程时、在一个或多个可切换的滚柱指轮跟随器处于高升程状态时的仅排气可切换的滚柱指轮跟随器的缸内压力相对扫过体积的图表；以及
图13是排气和进气两者的可切换的滚柱指轮跟随器故障的缸内压力相对扫过体积的图表。
具体实施方式
以下优选实施例的说明本质上仅是示例性的，并且决不用于限制本发明、其应用、或使用。为清楚起见，附图中相同的附图标记用于标识相似的元件。如在此所使用地，“启动”指的是利用所有发动机气缸的操作。“停用”指的是利用比发动机的所有气缸少的气缸(一个或多个气缸未启动)的操作。如本文所使用的，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的(共用、专用、或分组的)处理器和存储器、组合逻辑电路、或提供所描述的功能性的其他合适的部件。
相对于每气缸四个气门的构造提供本发明说明。本发明同样适用于每气缸2个和3个气门的发动机。
现在参考图2，发动机系统40包括燃烧空气和燃料混合物以产生驱动扭矩的发动机42。发动机42可以是均质充气压燃式(HCCI)发动机。空气通过节气门46被吸入进气歧管44。节气门46调整到进气歧管44中的空气质量流量。进气歧管44内的空气被分配到气缸48中。尽管图示了六个气缸48，但应意识到的是，本发明的诊断系统可在具有包括但不局限于2、3、4、5、8、10、和12个气缸的多个气缸的发动机中实现。
燃料喷射器(未示出)将燃料注入发动机。燃料喷射可将燃料直接注入气缸或注入进气歧管。燃料喷射器可以是与电子或机械燃料喷射系统相关联的喷射器、汽化器的喷口或端口、或用于将燃料与进气混合的其它系统。控制燃料喷射器，以便为给发动机加燃料提供期望的空气-燃料(A/F)比。
进气阀52有选择地打开和关闭，以使得空气/燃料混合物能够进入气缸48。通过进气凸轮轴54调整进气阀位置。活塞(未示出)压缩气缸48内的空气/燃料混合物。可提供每气缸超过一个的进气阀。
火花塞56启动空气/燃料混合物的燃烧，以驱动气缸48中的活塞。活塞驱动曲轴(未示出)，以产生驱动扭矩。当排气阀58处于打开位置时，迫使气缸48内的燃烧排气离开排气口。可提供每气缸超过一个的排气阀。通过排气凸轮轴60调整排气阀位置。在排气系统中处理排气。尽管图示了单个进气和排气阀52和58，但应意识到的是，发动机42每气缸48可包括多个进气和排气阀52和58。
发动机系统40可包括分别调整进气和排气凸轮轴54和60的旋转正时的进气凸轮相位器62和排气凸轮相位器64。更具体地，相应进气和排气凸轮轴54和60的正时或相位角相对于彼此或相对于气缸48内的活塞的位置或相对于曲轴位置可延迟或提前。
这样，可相对于彼此或相对于活塞在气缸48内的位置调整进气和排气阀52和58的位置。通过调整进气阀52和排气阀58的位置，调整吸入气缸48的空气/燃料混合物的量、因此调整了发动机转矩。
凸轮相位器62可包括电动驱动或液压驱动的相位器驱动器65。液压驱动相位器驱动器65例如包括电控流体控制阀、诸如机油控制阀(OCV)66，对流入相位器驱动器65或从相位器驱动器65流出的流体供应进行控制。
另外，低升程凸轮凸角(未示出)和高升程凸轮凸角(未示出)安装至进气和排气凸轮轴54、56中的每一个。低升程凸轮凸角和高升程凸轮凸角与进气和排气凸轮轴54和60一起旋转，并与液压升降机构操作地接触，液压升降机构例如在图1中所描绘的切换滚柱指轮跟随器(SRFF)机构。通常，不同的SRFF机构对每个气缸48的进气和排气阀52和58中的每一个进行操作。在本实现中，每个气缸48均包括两个SRFF机构。
每个SRFF机构均为进气和排气阀52和58中的每一个提供两级气门升程。两级气门升程包括低升程和高升程，并且分别基于低升程凸轮凸角和高升程凸轮凸角。在低升程操作(即低升程状态)期间，低升程凸轮凸角根据低升程凸轮凸角规定的几何形状使SRFF机构枢转至第二通路，从而将进气和排气阀52和58中的一个打开第一预定量。在高升程操作(即高升程状态)期间，高升程凸轮凸角根据高升程凸轮凸角规定的几何形状使SRFF机构枢转至另一通路，从而将进气和排气阀52和58中的一个打开比第一预定量大的第二预定量。
气门驱动器硬件包括但不局限于凸轮、SRFF、OCV、和相位器。位置传感器68感测凸轮相位器62的位置，并产生指示凸轮相位器62的位置的凸轮相位器位置信号。压力传感器70产生压力信号，该压力信号指示向凸轮相位器62的相位器驱动器65供应的流体供给的压力。压力传感器70是可选的。发动机转速与位置传感器72响应于发动机42的旋转速度，并以每分钟转数（RPM）为单位产生发动机转速信号。曲轴的位置也可由传感器72确定。
控制模块72可包括处理器和存储器、诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、和/或合适的电子存储装置。控制模块74与位置传感器68、压力传感器70、和发动机转速与位置传感器72通信连通。控制模块74可从示例性车辆的包括但不局限于氧传感器和/或发动机冷却剂温度传感器的其他传感器76接收输入。
缸内压力传感器78可设置在发动机42的每个气缸内。缸内压力传感器78产生与每个气缸中的压力对应的信号。如以下将描述地，压力传感器78可用于确定SRFF的硬件故障或OCV的故障。如以下所提出地，可直接使用或处理与压力对应的电信号，以确定硬件故障。
控制模块74执行本发明的诊断系统。诊断系统至少基于压力传感器信号检测发动机42的SRFF机构或与之相关的OCV66中的一个或多个的故障状态。更具体地，诊断系统识别与故障SRFF机构或OCV相关的气缸48中的一个气缸，从而使得控制模块74能够指令补救措施(例如限制发动机转速)，以免损伤发动机42。
歧管绝对压力(MAP)传感器80可用于产生向控制模块74传送的MAP信号。通过确定与各气缸对应的MAP，可在高速进气故障中确定SRFF的故障。
现在参考图3，更详细地图示控制模块74。可从气门驱动硬件补救模块120产生控制模块74的输出。气门驱动硬件补救模块120可降低发动机转速，以防止对气门驱动硬件的损伤。
发动机位置模块130可产生与曲轴的位置对应的发动机位置信号。发动机位置模块130可允许用于燃烧循环不同段的选择性处理。
可向压力处理模块134提供压力信号模块132。压力处理模块134可处理压力信号、诸如对压力传感器信号滤波。
可向压力传感器数据比较模块136提供压力处理模块134的输出。压力传感器数据比较模块136可将处理过的压力传感器数据与来自压力体积段存储器138的理想压力传感器段比较。理想的压力体积段可以是预定的，并且在车辆构造期间存储在存储器内。在车辆开发期间可标定预定的理想压力体积段。
向气门驱动硬件补救模块120提供压力传感器数据比较模块136的输出。例如，当压力传感器数据超过硬件故障阈值时，可能存在指示诸如进入高升程状态或低升程状态的故障的SRFF误差或OCV误差的问题。
现在参考图4，提出一种用于硬件保护的非侵入式方法。在步骤210中，确定理想的压力体积段(pressure volume segments)。理想的压力体积段对应于燃烧过程的不同段，并因此对应于发动机位置。理想的段可在车辆的构造期间存储到存储器中。理想的压力体积段可以是没有硬件故障——诸如高升程状态进入故障或低升程状态进入故障——的理想压力体积段。在步骤212中，确定发动机位置。如果发动机正常地操作，则发动机位置应对应于指令操作位置。在步骤214中，从缸内压力信号获得信号。在步骤216中，可通过滤波或其他处理对缸内压力信号进行处理。缸内压力信号可与步骤212中由发动机位置确定的扫过体积相关。
在步骤218中，将处理过的或未处理的压力信号与理想的压力体积段比较。在步骤220中，如果该比较未指示故障，则再次执行步骤210。在步骤220中，如果该比较指示了故障，则可执行步骤222。在步骤220中可通过与理想压力体积段的差异指示故障。当然，在发动机的正常操作期间可出现一定量的差异。然而，将通过与理想压力体积段明显的差异证明故障。如以下将图示地，差异模式的识别可允许关于故障类型的确定。
在步骤222中，可执行气门驱动硬件保护故障补救措施。一种补救措施是降低发动机转速，直到不再检测到故障为止。在步骤224中，该方法结束。
现在参考图5，图示了节流型奥托循环发动机的两个理想空气标准开式循环表示的图表。虚线表示两个进气可切换的滚柱指轮跟随器均成功地构造成用于高升程操作。实线表示当两个可切换的滚柱指轮跟随器均成功地构造成用于低升程操作时的图表。该操作对应于进气阀提前关闭(EIVC)。
现在参考图6，相对于进气阀推迟关闭(LIVC)方案提出与图5所图示的图表相似的图表。在图6中，虚线图示两个可切换的滚柱指轮跟随器成功地构造成用于标称升程操作，而实线图示当至少一个可切换的滚柱指轮跟随器成功地构造成用于低升程操作时的气门机构。
现在参考图7，提出用于发动机的HCCI操作的图表。虚线图示进气可切换的滚柱指轮跟随器和排气可切换的滚柱指轮跟随器均成功地构造成用于高升程操作。实线图示进气和排气可切换的滚柱指轮跟随器均成功地构造成用于低升程操作。
现在参考图8，提出用于顶置凸轮轴应用的主动燃料管理(AFM)的图表。虚线图示进气和排气可切换的滚柱指轮跟随器都成功地构造成用于高升程操作。实线图示当气门机构具有无升程状态下的进气和排气可切换的滚柱指轮跟随器时的理想操作。
在本发明中可检测不同的故障模式、诸如当指令高升程时的单一低升程/无升程故障、当指令低升程或无升程时的单一高升程故障、当指令高升程时的双重低升程/无升程故障或当指令低升程/无升程时的双重高升程故障。
现在参考图9，利用来自缸内压力传感器的数据图示了当指令高升程时的单一低升程故障。通过将该图表与图5所图示的图表比较，尤其地在圆圈区域400中，信号的校准没有校准。
现在参考图10，提出当在HCCI模式中指令低升程时的单一高升程故障的图表。如能通过靠近箭头500所图示的图表的下部所看到地，同图7相比，校准不对应。因此，通过以下的图表图示出高升程故障。
现在参考图11，虚线图示低升程故障，而实线图示成功的低升程操作。如能看到地，低升程操作故障从成功的低升程操作移位。图11对应于仅一个进气可切换的滚柱指轮跟随器误差。
图13以虚线图示仅排气可切换的滚柱指轮跟随器误差，而以实线图示成功的仅排气可切换的滚柱指轮跟随器。
现在参考图13，虚线表示当指令低升程和高升程时的排气可切换的滚柱指轮跟随器和进气可切换的滚柱指轮跟随器都故障。
以上应指出的是，当在发动机的排气侧出现单一低升程故障时，在循环的排气部分期间的缸内压力可能提高。可通过使排气凸轮轴提前使得活塞速度大约大于排气门关闭(EVC)，使排气可切换的滚柱指轮跟随器故障更加容易可检测到。可利用PMEP、点火IMEP、IMEP的点火变异系数(COV)或气缸压力信号的其他度量检测该故障。
可利用相似的逻辑检测发动机的进气侧的单一低升程可切换的滚柱指轮跟随器故障。可限制进入发动机的质量流，以在压容图的泵送部分期间使缸内压力低于标称运行条件。另外，如果这样定相，则在监测的同时通过检查峰值气缸压力和/或在点火状态期间通过查看相对降低的IMEP，可看到引入质量的减少。由于可能在有效的进气阀提前或推迟关闭周围出现的阻塞质量状态，所以使进气凸轮轴提前或推迟可通过引起有效压缩比有助于单一进气低升程故障。可利用PMEP、点火IMEP或单独的空气燃料比偏差检测该故障。长期和短期的加燃料校正系数的大差值也可证明该变化。
当在一个气缸的两进气阀上出现一对可切换的滚柱指轮跟随器故障时，双重进气可切换的滚柱指轮跟随器低升程故障可在IVO事件期间引起具有进气爆音膨胀排气的重要再压缩。
同样可检测高升程故障。通常，由于被捕集的残余的损失或错误的加燃料状态，所以高升程故障不会支持HCCI操作。排气高升程故障在IVO事件期间没有进气膨胀排气的情况下或者在PMEP中具有大的差异的情况下可引起HCCI排气捕集的总损失。对于双重高升程故障，可以相同的方式检测单一高升程故障和双重高升程故障。
现在本领域的技术人员通过前述说明意识到的是，能以各种形式实现本发明宽广的教导。因此，尽管已结合本发明特定的示例描述了本发明，但由于通过对附图、说明书、和所附权利要求书的研究，其它的改进将对熟练的从业者变得显而易见，所以本发明的真实范围不应如此受限制。

Claims (17)

1.一种识别气门驱动故障的方法，包括：
确定理想燃烧压力体积段；
产生测量压力体积段；
将理想燃烧压力体积段与所述测量压力体积段比较以确定理想燃烧压力体积段与所述测量压力体积段之间的差异；
基于所述差异来诊断切换滚柱指轮跟随器(SRFF)机构中的故障；以及
响应于所述故障，执行气门驱动硬件补救。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：产生缸内压力传感器信号，其中，基于缸内压力传感器信号产生测量压力体积段。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括确定发动机位置信号，并且其中确定测量压力体积段包括基于所述发动机位置信号确定测量压力体积段。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括确定发动机位置信号，并且其中确定测量压力体积段包括基于所述发动机位置信号和发动机温度确定测量压力体积段。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定发动机位置信号包括曲柄角窗。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，产生缸内压力传感器信号包括产生滤波的压力传感器信号。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，产生缸内压力传感器信号包括在均质充气压燃式(HCCI)发动机中产生压力传感器信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，执行气门驱动硬件补救包括降低发动机转速。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括基于将所述理想燃烧压力体积段与所述测量压力体积段比较来确定凸轮驱动硬件故障，并且其中执行气门驱动硬件补救包括响应于所述凸轮驱动硬件故障执行所述气门驱动硬件补救。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定凸轮驱动硬件故障包括确定高升程故障。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，确定凸轮驱动硬件故障包括确定低升程故障。
12.一种控制模块，包括：
压力传感器数据比较模块，其将测量压力体积信号段与理想压力体积段比较以确定理想压力体积段与所述测量压力体积信号段之间的差异；以及
气门驱动硬件补救模块，其基于所述差异来诊断切换滚柱指轮跟随器(SRFF)机构中的故障，且响应于所述故障，执行硬件驱动补救。
13.根据权利要求12所述的控制模块，其中，所述测量压力体积信号段包括滤波的压力传感器信号。
14.根据权利要求12所述的控制模块，还包括确定发动机位置的发动机位置模块，并且其中所述压力传感器数据比较模块基于所述发动机位置确定所述压力体积信号段。
15.根据权利要求12所述的控制模块，其中，所述压力传感器数据比较模块基于将所述理想压力体积段与所述测量压力体积信号段比较而确定凸轮驱动硬件故障。
16.根据权利要求15所述的控制模块，其中，所述凸轮驱动硬件故障包括高升程故障或低升程故障。
17.根据权利要求12所述的控制模块，其中，所述硬件驱动补救包括发动机转速降低。
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