CN102828827B

CN102828827B - Cps爆震检测系统

Info

Publication number: CN102828827B
Application number: CN201210193495.5A
Authority: CN
Inventors: K.J.巴斯勒普; J.C.萨瓦拉朱拉多
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN102828827A; US8538666B2; US20120316761A1; DE102012209555A1; DE102012209555B4

Abstract

本发明涉及CPS爆震检测系统。一种控制系统包括：感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成CPS信号的缸压传感器。CPS故障检测模块基于CPS信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号。状态检测模块基于CPS信号和故障信号生成CPS状态信号。

Description

CPS爆震检测系统

技术领域

本公开涉及发动机传感器系统，且更特定地涉及用于气缸压力发动机爆震传感器的故障检测系统和方法。

背景技术

在此提供的背景描述用于总地展示本公开背景的目的。目前署名的发明人的工作－就在背景技术部分描述的程度而言－以及说明书的不可以另外地构成提交时的现有技术的多个方面，既不明确地也不隐含地视作抵触本公开的现有技术。

内燃机将空气通过进气口吸入到进气歧管内。空气与燃料混合形成空气和燃料（A/F）混合物。A/F混合物在气缸内燃烧以驱动活塞，而活塞则可旋转地使曲轴转动以产生驱动转矩。

在一定的情况中，可能发生发动机爆震。发动机爆震对应于由于气缸室内的不受控燃烧导致的振动。在持续的时间阶段中的发动机爆震例如导致对于活塞、气缸环和/或排气门的损坏。发动机爆震也增加了噪声/振动/粗糙性（NVH）。发动机控制系统可实施爆震检测，以检测、降低和/或防止发动机爆震，因此改进发动机性能和车辆操控性。

发明内容

一种控制系统包括检测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成CPS信号的缸压传感器（CPS）。CPS故障检测模块基于CPS信号在爆震频率范围内的特征有选择地生成故障信号。状态检测模块基于CPS信号和故障信号生成CPS状态信号。

方法包括使用缸压传感器（CPS），感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成CPS信号，基于CPS信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号，且基于CPS信号和故障信号生成CPS状态信号。

本发明提供以下技术方案：

方案1. 一种控制系统，包括：

缸压传感器（CPS），所述缸压传感器感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成CPS信号；

CPS故障检测模块，所述CPS故障检测模块基于CPS信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号；和

状态检测模块，所述状态检测模块基于CPS信号和故障信号生成CPS状态信号。

方案2. 根据方案1所述的控制系统，进一步包括：

快速傅里叶变换（FFT）模块，所述快速傅里叶变换（FFT）模块基于CPS信号生成FFT，其中FFT包括对应于多个频率范围的多个子组。

方案3. 根据方案1所述的控制系统，其中CPS信号在爆震频率范围内的特征包括谱功率的度量，且其中谱功率的度量基于至少一个发动机参数。

方案4. 根据方案3所述的控制系统，其中CPS故障检测模块进一步基于上谱极限和下谱极限选择地生成故障信号，其中上谱极限和下谱极限基于至少一个发动机参数和CPS信号的燃烧频率范围。

方案5. 根据方案4所述的控制系统，其中至少一个参数包括发动机速度、环境温度、发动机负荷和对应于燃烧频率范围的FFT。

方案6. 根据方案4所述的控制系统，其中CPS故障检测模块包括故障确定模块，所述故障确定模块基于上谱极限、下谱极限和谱功率的度量确定CPS状态信号。

方案7. 根据方案6所述的控制系统，其中故障确定模块基于谱功率的度量是否处在上谱极限和下谱极限之内来确定CPS状态信号。

方案8. 根据方案7所述的控制系统，其中当CPS状态信号指示谱功率的度量不处在上谱极限和下谱极限之内时，故障计数增加。

方案9. 根据方案8所述的控制系统，进一步包括爆震控制模块，所述爆震控制模块基于CPS信号和故障计数促动多个燃料喷射器和多个火花塞的一个或多个。

方案10. 一种方法，包括：

使用缸压传感器（CPS），所述缸压传感器感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成CPS信号；

基于CPS信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号；和

基于CPS信号和故障信号生成CPS状态信号。

方案11. 根据方案10所述的方法，进一步包括：

基于CPS信号生成快速傅里叶变换（FFT），其中FFT包括对应于多个频率范围的多个子组。

方案12. 根据方案10所述的方法，其中CPS信号在爆震频率范围内的特征包括谱功率的度量，且其中谱功率的度量基于至少一个发动机参数。

方案13. 根据方案12所述的方法，其中进一步包括基于上谱极限和下谱极限选择地生成故障信号，其中上谱极限和下谱极限基于至少一个发动机参数和CPS信号的燃烧频率范围。

方案14. 根据方案13所述的方法，其中至少一个参数包括发动机速度、环境温度、发动机负荷和对应于燃烧频率范围的FFT。

方案15. 根据方案13所述的方法，进一步包括基于上谱极限、下谱极限和谱功率的度量确定CPS状态信号。

方案16. 根据方案15所述的方法，进一步包括基于谱功率的度量是否处在上谱极限和下谱极限之内确定CPS状态信号。

方案17. 根据方案16所述的方法，进一步包括当CPS状态信号指示谱功率的度量不处在上谱极限和下谱极限之内时，使故障计数增加。

方案18. 根据方案17所述的方法，进一步包括基于CPS信号和故障计数促动多个燃料喷射器和多个火花塞的一个或多个。

本公开的另外的应用领域将从如下提供的详细描述中变得显见。应理解的是详细描述和具体示例仅意图于图示目的，且不意图于限制本公开的范围。

附图说明

本公开将从如下的详细描述和附图中变得更完整地理解，其中：

图1是根据本公开的发动机系统的功能方框图；

图2是根据本公开的控制模块的功能方框图；

图3是根据本公开的缸压传感器故障检测模块的功能方框图；

图4是缸压传感器的功率谱图；和

图5是爆震检测诊断方法的流程图。

具体实施方式

如下描述仅在本质上是说明性的，且不意图于限制本公开、其应用或使用。为清晰的目的，相同的参考数字将在附图中用于指示类似的元件。如在此所使用，术语“A、B和C的至少一个”应解释为意味着逻辑关系（A或B或C），即使用了非排他性的逻辑“或”。应理解的是在方法中的步骤可以以不同的次序执行而不改变本公开的原理。

如在此所使用，术语模块可指以下部件的一部分或包括以下部件：专用集成电路（ASIC），电子电路，组合逻辑电路，场可编程门阵列（FPGA），执行代码的处理器（共享处理器，专用处理器或处理器组），提供所述功能性的其他合适的部件，或以上所述的一些或全部的组合，例如芯片上系统。术语模块可包括存储了由处理器执行的代码的存储器（共享存储器，专用存储器或存储器组）。

术语代码如在此所使用可包括软件、固件和/或微代码，且可指程序、例行程序、功能、类和/或对象。术语“共享”如在上文中所使用意味着来自多个模块的一些或全部代码可使用单独的（共享的）处理器执行。另外，自多个模块的一些或全部代码可通过单独的（共享的）存储器存储。术语“组”如在上文中所使用意味着来自单独模块的一些或全部代码可使用处理器组执行。另外，来自单独模块的一些或全部代码可使用存储器组存储。

用于发动机的爆震检测系统可包括爆震传感器（或发动机的每个气缸的爆震传感器）和爆震检测单元。典型地，爆震传感器应用加速度计来检测发动机爆震。爆震传感器基于发动机爆震的强度生成模拟电压信号。爆震检测电路处理爆震信号以检测发动机爆震。

车辆可包括缸压传感器（CPS）以监测发动机的气缸内的压力。根据本公开的爆震检测系统使用CPS来检测发动机爆震。例如，爆震检测系统从CPS接收CPS信号，且基于CPS信号检测发动机爆震。此外，爆震检测系统测量CPS信号的燃烧频率范围内的谱功率，以诊断CPS检测发动机爆震的能力。例如，爆震检测系统确定CPS的带宽是否已恶化到不足以用于爆震检测的程度。

现在参考图1，车辆10包括发动机12。发动机12包括多个气缸14。可以理解的是虽然示出6个气缸，也可以使用3、4、5、8、10、12和16个气缸的应用。空气通过进气歧管16和通过节气门20调节的进气口18被吸入到发动机12内。被吸入到发动机12内的空气的环境温度可使用进气温度（IAT）传感器22来测量。空气被分配到气缸14内，且与来自燃料箱（未示出）的燃料混合。例如，燃料可通过多个燃料喷射器24喷射到气缸14内。

气缸14内的空气和燃料（A/F）混合物被活塞（未示出）压缩，且被多个火花塞26燃烧。A/F混合物的燃烧驱动活塞，所述活塞可旋转地使曲轴28转动，以产生驱动转矩。发动机速度传感器30测量曲轴28的转速。排气从气缸14通过排气歧管32和排气系统34排出。

控制模块36调节发动机12的运行。仅作为示例，控制模块36可控制节气门20和燃料喷射器24，以控制发动机12内的A/F比。仅作为示例，控制模块36可控制火花塞26以控制发动机12的点火正时。

CPS 38基于发动机12的一个或多个气缸14内的压力生成缸压信号。虽然示出了一个CPS 38，但也可以使用多个缸压传感器。例如，对于气缸14的每个可使用一个CPS，以测量单独的气缸14内的压力。控制模块36从CPS 38接收缸压信号，且基于缸压信号检测发动机爆震。另外，控制模块36诊断CPS 38基于缸压信号检测发动机爆震的能力。

仅作为示例，控制模块36也从IAT传感器22接收IAT，且从发动机速度传感器30接收发动机速度。控制模块36基于在不同的已知发动机参数（仅作为示例，IAT和发动机速度）下的预期的CPS信号行为执行缸压信号的数字信号处理（DSP），以诊断CPS 38。控制模块36可然后基于CPS 38的状态改变发动机12的运行。例如，控制模块36可基于CPS 38的状态激活故障指示器（例如，发动机检查灯），或促动燃料喷射器24和火花塞26。

除CPS 38之外，爆震检测系统可包括一个或多个选择的爆震传感器40，以检测发动机爆震。仅作为示例，可包括爆震传感器40，以在故障或降级防止CPS 38检测发动机爆震时（即，当CPS 38故障时）提供冗余。如果车辆10包括选择的爆震传感器40，控制模块36可使用爆震传感器40感测发动机爆震，而作为使用CPS 38的替代。

现在参考图2，控制模块36更详细地示出。控制模块36包括模拟滤波模块42，所述模拟滤波模块42从CPS 38接收缸压信号。仅作为示例，模拟滤波模块42可以是具有临界频率为25 Hz的一阶模拟滤波器。模拟滤波模块42将缸压信号滤波，且提供滤波的缸压信号到模拟-数字（A/D）转化模块44。A/D转化模块44将模拟缸压信号转化为数字缸压信号。仅作为示例，A/D转化模块44可生成具有10比特的最小长度的数字信号。

增益/衰减模块46接收数字缸压信号。增益/衰减模块46可将增益施加到数字缸压信号。增益/衰减模块46也可衰减数字缸压信号。仅作为示例，施加增益到缸压信号和/或衰减缸压信号可改进缸压传感器38的诊断精度。数字滤波模块48从增益/衰减模块46接收信号。数字滤波模块48对数字缸压信号执行数字滤波（例如，DSP）。仅作为示例，数字滤波模块48可包括带有20 Hz的临界频率（Fc）的四阶椭圆无限冲激响应（IIR）滤波器。仅作为示例，数字滤波模块48可交替地包括两个串联的二阶椭圆IIR滤波器，以改进系统稳定性。缓冲模块50接收滤波后的数字缸压信号。缓冲模块50在快速傅里叶变换（FFT）处理之前将缸压信号缓冲。

FFT模块52接收缸压信号。FFT模块52生成缸压信号的一个或多个快速FFT。仅作为示例，FFT模块52可生成128点或256点FFT。FFT模块52可基于缸压信号的长度（即基于在缸压信号内的爆震窗的长度）生成超过一个FFT。例如，更长的缸压信号可能要求超过一个FFT。

爆震检测模块54接收一个或多个FFT。爆震检测模块54基于一个或多个FFT检测发动机爆震。例如，爆震检测模块54基于一个或多个FFT确定发动机爆震水平。爆震检测模块54基于发动机爆震水平（例如，当发动机爆震水平超过预先确定的发动机爆震阈值时）生成爆震控制信号。爆震检测模块54也可从选择的爆震传感器40接收爆震信号，以检测发动机爆震。

爆震控制模块56接收爆震控制信号且基于发动机爆震信号控制多种发动机参数。例如，爆震控制模块56可基于发动机爆震信号控制燃料喷射器22、火花塞24和/或激活故障指示器（例如，发动机检查灯）。

CPS故障检测模块58从FFT模块52接收FFT。CPS故障检测模块58基于一个或多个FFT确定CPS 38的状态（例如，CPS 38检测发动机爆震的能力）。例如，CPS故障检测模块58基于FFT确定用于缸压信号的谱功率的度量（a metric of spectral power），且基于谱功率的度量和一个或多个其他的发动机参数确定CPS 38的状态。其他的发动机参数仅作为示例可包括发动机速度和环境温度（例如，IAT）。虽然发动机速度和IAT在整个本公开中作为示例的发动机参数使用，但也可认识到的是发动机参数不限制于发动机速度和IAT。其他的发动机参数可包括但不限制于发动机负荷。

CPS故障检测模块58可将缸压信号的谱功率的值与对于当前的发动机速度和IAT的预期值进行对比。如果谱功率的值不对应于预期值，则CPS故障检测模块58可确定CPS 38不能检测发动机爆震。

如果CPS故障检测模块58确定CPS 38不能检测发动机爆震，则控制模块36执行开环爆震控制。例如，控制模块36可尝试基于不同于CPS 38的输出的输入来控制发动机爆震。例如，控制模块36可基于预定的设定来促动燃料喷射器24和/或火花塞26，和/或使用其他传感器输入来检测发动机爆震。例如，其他传感器输入可对应于爆震传感器40。

现在参考图3和图4，CPS故障检测模块58包括燃烧能量确定模块62，极限产生模块64，故障确定模块66，故障计数模块68和状态确定模块70。

燃烧能量确定模块62接收一个或多个FFT，发动机速度和IAT。燃烧能量确定模块62选择对应于燃烧频率范围72的FFT，且基于选择的FFT、发动机速度和IAT来外推谱功率74的度量。谱功率74的度量包括爆震频率范围76（即指示发动机爆震的频率）。换言之，燃烧能量确定模块62基于对应于燃烧频率范围72的FFT来外推谱功率74的完整的度量，所述完整的度量包括爆震频率范围76。燃烧能量确定模块62也可将对应于爆震频率范围76的FFT采样、滤波和/或计算，以直接确定谱功率74的度量。

极限产生模块64接收对应于谱功率74的度量的一个或多个FFT、发动机速度和IAT，且相应地选择上谱极限78和下谱极限80。例如，极限产生模块64可存储对于在爆震频率范围内的选择的FFT、发动机速度和IAT的谱功率的预期值的范围。上谱极限78和下谱极限80分别对应于预期值的范围的上界限和下界限。仅作为示例，极限产生模块64可包括查询表，所述查询表存储了对于多个FFT、发动机速度和IAT的上谱极限和下谱极限。

故障确定模块66接收上谱极限78、下谱极限80和谱功率74的度量。故障确定模块66将爆震频率范围76内的谱功率74的度量与上谱极限78和下谱极限80进行对比。如果在爆震频率范围76内的谱功率74的度量不被上谱极限78和下谱极限80限制（即，如果谱功率74的度量的值超过上谱极限78或下谱极限80），则故障确定模块发送故障信号。换言之，故障信号指示了谱功率74的度量的值不对应于预期值（例如，在爆震频率范围76内），且因此CPS 38可能不能检测发动机爆震。

故障计数模块68接收故障信号。仅作为示例，故障计数模块68可进一步包括X/Y类型计数器（未示出）。故障计数模块68将在预定时段期间接收到的故障信号数量进行计数。仅作为示例，预定时段（即，报告间隔）可以是100 ms。故障计数模块68确定在报告间隔期间的故障计数（即，故障的数量）且在报告间隔之后输出故障计数。故障计数在报告间隔之后被复位。

状态确定模块70接收故障计数且确定CPS 38的状态。例如，当故障计数大于预先确定的故障计数阈值时，状态确定模块70可确定CPS 38已故障且生成故障状态信号。仅作为示例，控制模块36可基于预先确定的设定促动燃料喷射器24和/或火花塞26，和/或使用其他传感器输入（例如，来自爆震传感器40），以用于发动机12的运行。

然而，当故障计数小于或等于预先确定的故障计数阈值时，状态确定模块70可确定CPS 38正常工作。因此，状态确定模块70生成通过的状态信号。

限制参考图5，爆震检测诊断方法200在202处开始。在204处，方法200执行对于缸压信号的数字信号处理。在206处，方法200基于处理的缸压信号生成一个或多个快速傅里叶变换（FFT）。在208处，方法200基于发动机燃烧范围内的FFT和例如包括发动机速度和IAT的发动机参数生成谱功率的度量。

在210处，方法200基于FFT、发动机速度和IAT生成上谱极限78和下谱极限80。在212处，方法200将谱功率74的度量与上谱极限78和下谱极限80进行对比。如果在爆震频率范围76内谱功率74的度量位于上谱极限78和下谱极限80之间，则方法前进到214。如果否，则方法前进到212。

在214处，方法200使故障计数增加。在216处，方法200确定是否已经过了报告时间间隔。仅作为示例，报告时间窗可以是100 ms。如果是，则方法200返回到208，如果否，则方法200前进到218。

在218处，方法200确定故障计数是否小于等于预先确定的故障计数阈值。如果否，则方法200前进到220。如果是，则方法220前进到222。在222处，方法200确定CPS 38是否正常工作。在224处，方法200基于缸压信号促动燃料喷射器24和/或火花塞26，且在步骤228处结束。

在220处，方法200确定CPS 38是否已故障（仅作为示例，由于开路、CPS 38的功率谱的降级等导致）。在226处，方法200基于预先确定的设定或与CPS 38不同的传感器输入来促动燃料喷射器24和/或火花塞26。例如，其他传感器输入可以是气缸14上的加速度计（即，爆震传感器40）。方法200然后在228处结束。

本领域熟练技术人员现在可从前述描述中认识到本公开的宽泛的教示能以多种形式实施。因此，虽然此公开包括特定的示例，但公开的实际范围不应受到限制，因为当研读附图、说明书和如下的权利要求后，其他修改将对于本领域熟练从业者是显而易见。

Claims

1.一种控制系统，包括缸压传感器，所述缸压传感器感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成缸压传感器信号，其特征在于，所述系统还包括：

缸压传感器故障检测模块，所述缸压传感器故障检测模块基于缸压传感器信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号；和

状态检测模块，所述状态检测模块基于缸压传感器信号和故障信号生成缸压传感器状态信号。

2.根据权利要求1所述的控制系统，进一步包括：

快速傅里叶变换模块，所述快速傅里叶变换模块基于缸压传感器信号生成快速傅里叶变换，其中快速傅里叶变换包括对应于多个频率范围的多个子组。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中缸压传感器信号在爆震频率范围内的特征包括谱功率的度量，且其中谱功率的度量基于至少一个发动机参数确定。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中缸压传感器故障检测模块进一步基于上谱极限和下谱极限选择地生成故障信号，其中上谱极限和下谱极限基于至少一个发动机参数和缸压传感器信号的燃烧频率范围确定。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中至少一个发动机参数包括发动机速度、环境温度、发动机负荷和对应于燃烧频率范围的快速傅里叶变换。

6.根据权利要求4所述的控制系统，其中缸压传感器故障检测模块包括故障确定模块，所述故障确定模块基于上谱极限、下谱极限和谱功率的度量确定故障信号。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其中故障确定模块基于谱功率的度量是否处在上谱极限和下谱极限之内来确定故障信号。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中当故障信号指示谱功率的度量不处在上谱极限和下谱极限之内时，故障计数增加。

9.根据权利要求8所述的控制系统，进一步包括爆震控制模块，所述爆震控制模块基于缸压传感器信号和故障计数促动多个燃料喷射器和多个火花塞的一个或多个。

10.一种缸压传感器故障检测方法，其特征在于，所述方法包括：

使用缸压传感器，所述缸压传感器感测发动机的气缸压力且基于气缸压力生成缸压传感器信号；

基于缸压传感器信号在爆震频率范围内的特征选择地生成故障信号；和

基于缸压传感器信号和故障信号生成缸压传感器状态信号。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

基于缸压传感器信号生成快速傅里叶变换，其中快速傅里叶变换包括对应于多个频率范围的多个子组。

12.根据权利要求10所述的方法，其中缸压传感器信号在爆震频率范围内的特征包括谱功率的度量，且其中谱功率的度量基于至少一个发动机参数确定。

13.根据权利要求12所述的方法，其中进一步包括基于上谱极限和下谱极限选择地生成故障信号，其中上谱极限和下谱极限基于至少一个发动机参数和缸压传感器信号的燃烧频率范围确定。

14.根据权利要求13所述的方法，其中至少一个发动机参数包括发动机速度、环境温度、发动机负荷和对应于燃烧频率范围的快速傅里叶变换。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括基于上谱极限、下谱极限和谱功率的度量确定缸压传感器状态信号。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括基于谱功率的度量是否处在上谱极限和下谱极限之内确定缸压传感器状态信号。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括当缸压传感器状态信号指示谱功率的度量不处在上谱极限和下谱极限之内时，使故障计数增加。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括基于缸压传感器信号和故障计数促动多个燃料喷射器和多个火花塞的一个或多个。