CN102893000B - 在内燃发动机中使用缸内压力传感器的诊断装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种诊断发动机系统内故障的方法，发动机系统包括多个气缸，该方法包括：监测发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与发动机系统内的气缸相关；确定具有相关缸内压力传感器的给定气缸的压力有关参数；以及基于压力有关参数来诊断发动机系统内故障的存在。

Description

在内燃发动机中使用缸内压力传感器的诊断装置及方法
技术领域
本发明涉及车辆诊断装置及方法。特别地，本发明涉及用于在车辆的燃料递送系统中诊断引起废气排放水平的变动的故障的诊断单元。本发明扩展至在燃料递送系统中诊断故障的方法和扩展至标定如此装置/方法的方法。
背景技术
通过引进较严格的排放规定(特别是在美国)，车载诊断(OBD)需求已经出现，目的在于指出引起过度的车辆排放水平(基于排放阈值的诊断)的故障。这些需求包括识别故障的来源，以便快速和引导性地修复问题。
其中一个需要故障指示的系统是车辆的燃料递送系统。规定要求燃料喷射量、压力和正时故障类型的诊断，其可能引起燃烧的质量/数量的增加/减少，从而引起排放水平的变动。要注意任何的故障诊断系统/方法需要可靠地在车辆发动机(速度和载荷)的全部操作范围工作，而且能够对环境条件、驾驶状况和风格及燃料质量的变化而保持稳定。
燃料喷射量、气缸压力和喷射正时的变动(其中极端的情形是不点火)引起发动机曲轴的旋转速度的改变。现在的曲轴(轴)速度不点火诊断方法通过将一个气缸上的平均发动机速度与下一个气缸上的平均发动机速度作比较来实现。这些方法随着曲轴齿的数量而改变，平均发动机速度在曲轴齿的数量上计算，但是该原理在以下方面保持相同：通过检测何时气缸的不点火引起相对于邻近气缸的旋转速度的减速而进行诊断(注意：在上下文中“邻近”意味着在点火次序中邻近而不必是物理上邻近)。
加速计(指的是“爆震”传感器)已经广泛地用于气缸不点火检测，其中爆震传感器输出被反馈至发动机控制单元，发动机控制单元然后通过调整其它气缸的操作而补偿不点火。
诸如上面描述的诊断技术典型地依赖一些不同的传感器装置的使用，其中一些可以为特定的诊断方法定制。
本发明的一个目的是提供一种诊断系统或者方法，其允许在车辆的发动机的全部操作范围内对发动机燃料系统内的故障情况的可靠诊断或识别。本发明的进一步目的是提供一种诊断方法，其能诊断一定范围的车辆故障，比如压缩比错误、窜气错误、发动机不点火和燃料供应过量情形。本发明的再一个目的是提供一种诊断方法，其能自诊断传感器系统内的故障，例如传感器漂移。
发明内容
依照本发明的第一方面，提供一种诊断发动机系统内故障的方法，发动机系统包括多个气缸，该方法包括：监测发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与发动机系统内的气缸相关；确定具有相关缸内压力传感器的给定气缸的压力有关参数；以及基于压力有关参数来诊断发动机系统内故障的存在。
本发明认识到发动机系统内的故障可以通过监测从缸内压力传感器收到的压力信号来确定。诸如气缸内的压力、从气缸压力计算出的指示平均有效压力(IMEP)、或从气缸压力计算出的上止点位置之类的各种压力有关参数可以被确定，并用于诊断在发动机系统内故障的存在(例如传感器漂移、过量、气缸窜气、气缸不点火等等)。
方便地，当发动机系统处在电动回转(motoring)情形时可以执行确定步骤，并且该方法可以任选地进一步包括在发动机系统进入电动回转情形之后等候预定时段。这避免诊断由热状况和进气压力稳定性引起的“虚假”错误。作为等候预定时段的替代方案，该方法可以进一步包括测量发动机气缸内的压力和温度直到满足预先限定的测试条件。
在本发明的一个变体中，压力有关参数可以是指示平均有效压力(IMEP)，并且，当发动机系统处在电动回转情形时可以执行确定步骤，且如果给定气缸的IMEP值处在预定范围之外，则可以布置诊断步骤以诊断传感器漂移错误。在这个示例中，压力有关参数是指示平均有效压力(IMEP)，并且诊断步骤包括将确定的MEP值与从发动机模型计算的IMEP值作比较。方便地，由上述IMEP评估检测的传感器漂移错误的存在可以任选地通过确定气缸的上止点(TDC)偏移值并跟踪该TDC偏移值的运动来验证。
方便地，在给定气缸的IMEP正被监测时，如果确定的IMEP值和计算的IMEP值之间的差高于阈值并且如果确定的IMEP值大于计算的IMEP值，则可以布置诊断步骤以诊断给定气缸上的燃料供应过量情形。此外，如果确定的IMEP值和计算的IMEP值之间的差高于阈值并且如果计算的IMEP值大于确定的IMEP值，则可以布置诊断步骤以诊断给定气缸上的不点火情形。
在本发明的进一步的变体中，在确定步骤中确定的压力有关参数可以是给定气缸的上止点(TDC)位置，并且诊断步骤可以包括将确定的TDC位置与预测的TDC位置作比较以获得发动机系统内的气缸的TDC偏移值。如果偏移被识别，这可以用于偏移与已识别偏移的气缸相关的喷射器内的正时需求。可替代地，偏移可以被引入发动机控制策略内。
在TDC偏移已经被识别时，通过比较TDC偏移值与之前获得/计算的TDC偏移值之间的差，可以布置诊断步骤以诊断气缸窜气情形。如果两个TDC偏移值之间的差相差第一量，那么可以诊断气缸窜气情形。
例如，TDC偏移可能相差-0.5到+0.5的曲轴角度数。如果偏移低于-0.5曲轴角度数，那么可以诊断窜气或压缩失效(换言之，如果TDC偏移值沿负曲轴角方向移动并且TDC偏移值之间的绝对差超过第一阈值，那么可以诊断窜气或压缩失效)。
在之前计算/获得的TDC偏移已经被识别时，如果另一TDC偏移值与之前计算/获得的TDC偏移值之间的差相差第二量，则可以布置诊断步骤以诊断气缸传感器漂移情形。例如，如果偏移高于+0.5曲轴角度数，那么可以诊断传感器失效。
方便地，通过确定给定气缸的指示平均有效压力(IMEP)并且在给定气缸的IMEP值在预定范围之外时诊断传感器漂移错误，可以任选地对传感器漂移情况(从上述的TDC偏移值评估来识别)进行验证。
在本发明的进一步变体中，在确定步骤中确定的压力有关参数可以是每个发动机循环的最大气缸压力，并且如果确定的最大气缸压力落在基准气缸压力周围的一定值范围之外，则可以布置诊断步骤以诊断给定气缸的压缩比错误情形。基准气缸压力可以储存在查找表中，查找表储存在发动机控制单元中或与发动机控制单元相关。应注意该基准值取决于进气歧管绝对压力。
优选地，发动机系统内的每个气缸可以与缸内压力传感器相关，并且该方法可以包括监测发动机系统内的每个缸内压力传感器的输出信号、确定每个气缸的压力有关参数、以及基于确定的压力有关参数来诊断发动机系统内的故障的存在。此外，该方法还可以包括基于来自诊断步骤的输出而输出错误信号，例如用于在发动机控制中使用。
依照本发明的第二方面，提供一种布置用于诊断发动机系统内的故障的ECU，发动机系统包括多个气缸，ECU包括：监测装置，其布置成监测发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与发动机系统内的气缸相关；处理装置，其布置成确定具有相关缸内压力传感器的给定气缸的压力有关参数，并且布置成基于压力有关参数来诊断发动机系统内故障的存在。
本发明扩展至一种计算机可读媒介，其包括布置成构造计算机或者电子控制单元以实现根据本发明第一方面的方法的计算机程序。
本发明还扩展至一种控制发动机系统的方法，其包括向发动机模型输出在本发明第一方面确定的TDC偏移值用以在发动机控制中使用。
应注意本发明的第一方面的优选特征也可以应用于本发明的第二方面。
附图说明
为了使本发明可以更容易地理解，现将参照附图，其作为示例，在附图中：
图1示出了发动机系统的代表图；
图2示出在冷怠速时观察到的发动机的传感器漂移；
图3示出在松脚驾驶驾驶情形时观察到的发动机的传感器漂移；
图4是示出根据本发明的实施方式的松脚诊断方法的流程图；
图5是IMEP对比空气质量流的绘图，其示出故障压力传感器的检测；
图6示出根据本发明的实施方式的进一步的诊断方法的流程图；
图7是IMEP对比时间的绘图，其示出不点火气缸的影响；
图8和图9是适用于本发明的发动机控制单元的一般代表图以及代表依照本发明的基本方法的流程图；
图10示出用于故障传感器和气缸窜气情形的压力信号迹线和TDC偏移值。
具体实施方式
在下列的描述和相关附图中，相同的附图标记用来指示相同的特征。
下列的术语也可能在下列的描述和相关附图中参照：IMEP-指示平均有效压力，用在针对发动机扭矩控制的该研发中(bar)(指示发动机扭矩＝IMEP×发动机扫气量(常数))；CA50％-在50％的积累热释放率时的曲轴角位置(在这里参照作为燃烧位置的中心)(曲轴角度数)；V-气缸容积(变量)(cm3)；Q-燃料质量或产生的燃烧热；TDC-上止点(参照0曲轴角)；ECU：电子控制单元。
在压缩点火内燃发动机中，比如柴油发动机中，燃烧在一个或多个燃烧室或气缸内发生，每个室部分地由往复运动的活塞和部分地由气缸盖中形成的气缸内径的壁来限定。活塞在气缸内滑动，以便当发动机正在运行时，燃烧室的容积周期性地增大和减小。当燃烧室在其最小容积时，活塞被称为处在‘上止点’(TDC)，而且当燃烧室在其最大容积时，活塞被称为处在‘下止点’(BDC)。
图1示出了本申请人的同在审查中的欧洲专利申请08168714.7中描述的发动机系统1的代表图。发动机系统1包括多个气缸2。来自气缸压力传感器3的缸内压力测量值被供给至(箭头5)车辆的发动机控制单元7内。根据图中描述的系统的控制方法通常由“高级别”算法框9代表，其输出是发送到发动机的喷射器13的喷射控制变量11。
在传感器输出5被高级别算法9使用之前，“低级别”算法15清零传感器数据而且计算多个燃烧参数，然后这些燃烧参数被高级别算法9使用。
为了减少ECU上的计算载荷和使发动机模型9能够在所有的发动机速度下都足够快速地计算喷射控制变量，缸内压力测量值可以方便地过采样。
因此，在低级别算法15内，传感器3的过采样的输出被滤波模块17滤波以生成原始气缸压力阵列19。然后原始阵列19可以传给标度和诊断模块21，其执行压力测量定界和其它标度功能，以便输出校正压力阵列23。请注意申请人的专利申请EP1936157描述了一种压力定界方法，其可以在这里使用。
校正压力阵列23然后送到燃烧参数计算模块25，其计算在下面描述的多个燃烧参数，这些燃烧参数然后可以被发动机模型使用以控制发动机操作。
在模块25中计算的参数可以包括：以bar为单位的指示平均有效压力(IMEP)(注意，指示发动机扭矩＝IMEP发动机×扫气量(常数))；CA50％，积累热释放率(HRR)；峰值压力和峰值压力的位置；相对于曲轴角的压力导数，DP/Da，用于燃烧噪音计算(特别地，可以计算最大DP/Da和这个最大值的位置)。
如上所指出，根据EP申请08168714.7公开的控制方法一般由“高级别”算法框9代表。该控制方法提供一个机制用于经由扭矩模型27确定燃料量并用于经由燃烧中心位置模型29确定喷射正时。两个模型都通过参照一个或多个数学函数来预测喷射参数(如下所述)。为了要维持各种发动机模型27、29的精确度，模型系数参照实际测量的发动机参数来调整。调整的模型系数永久地储存在ECU7的非易失性存储器31内。
图2和图3举例说明传感器漂移的问题，传感器漂移是在工作使用一段时间后在气缸压力传感器上观察到的。图2示出了在冷怠速状态中的发动机系统的气缸压力对比曲轴角的多个迹线。能够看到各个压力曲线未对齐，并且这代表长时间段使用之后发展成的传感器读数的漂移。
图3示出了用于松脚情形中的发动机系统的相似的迹线(即，电动回转情形)。该图的一部分已经被扩大，而且能看到在压力曲线上的特定点处传感器漂移对应于若干曲轴角度数的偏移。
要注意在图2和图3中显示的结果在耐用性测试后从测试发动机获得。随着时间的过去，工作中的发动机也会经历传感器输出中的相同的漂移。
图4是示出根据本发明的实施方式的诊断算法的流程图，用于当发动机系统正在电动回转时(即，“松脚”情形)使用。
在步骤100中，车辆ECU启动该诊断算法。该启动可能响应于驾驶员或维护命令，或者可替代地，算法可以周期性地运行。
在步骤102中，ECU执行检查以查看发动机是否处在松脚情形中(换句话说，发动机正在电动回转并且没有燃料供应到喷射器)。如果发动机不电动回转，那么过程将停在步骤104。
在步骤106中，ECU检查以确保发动机内的压力和温度条件适合运行诊断算法。该步骤本质上检查发动机已经处于松脚情形中足够久以允许运行诊断。如果压力/温度条件不满足，那么过程将停止在步骤108。
如果满足压力/温度条件，那么ECU可以运行三个基本子过程I、II或III中的一个。过程I设计用于诊断传感器漂移错误。过程II能够诊断传感器漂移或窜气错误。过程III能够诊断发动机的气缸内的压缩错误。
在过程I中，ECU首先在步骤110中检查压力传感器的输出是否已经用来确定发动机气缸的真正上止点位置。如果没有执行“TDC学习”，那么过程将停止在步骤112。
如果知道每个气缸的TDC位置，那么过程移动到步骤114，在其中从压力传感器计算每个气缸的IMEP值。IMEP值可以通过在从TDC之前的180°曲轴角到TDC之后的180°曲轴角(即，压缩和做功冲程)的间隔中获取压力值来计算。然后IMEP可以根据下列公式计算：
IMEP hp = 1 V ∫ - 180 CAD 180 CAD PdV
这里，CAD＝曲轴角度数，V是气缸内的容积，P是测量压力值，而IMEPhp是高压循环(即，压缩至做功冲程)的指示平均有效压力。
在步骤116中，ECU确定每个气缸的计算IMEP是否处在预定范围内。如果所有的气缸处在标准操作范围内，那么过程将停止在步骤112。
如果一个或多个气缸显示IMEP读数处在给定范围外，那么过程在步骤118中返回传感器漂移错误。
在过程II中，ECU在步骤120中最初进行相对于每个气缸的角位置的最大气缸压力的测量。这是在多个发动机循环内执行的统计测量。该步骤确定每个气缸的有效上止点位置。
在步骤122中，ECU进行检查以查看对于每个气缸在步骤120中测量的TDC位置是否已经与预期TDC位置相比较(注意：预期TDC位置可以预加载而且储存在ECU上)。如果从预期TDC位置的偏移还没有确定，那么在步骤124中，ECU确定测量值和预期值之间的偏移。应注意：由于热损失，电动回转发动机的气缸中的最大压力是在气缸的几何上止点之前大约1曲轴角度数。因此，由ECU计算的偏移与热力学TDC位置(几何TDC前的1°曲轴角)有关。
如果在测量的TDC位置和预期TDC位置之间的初始偏移已经被计算，那么诊断过程移动到步骤126，在其中对于每个气缸确定与之前的偏移计算的差。
在步骤128中，对于每个气缸估计偏移的变动。如果变动处在预先限定的界限内，那么诊断过程在步骤130结束。
如果任何气缸的偏移变动低于第一阈值/“相差第一量”(例如，如果TDC偏移从初始学习TDC偏移下降到0.5曲轴角度数以下)，那么ECU可以根据评估(步骤132)确定气缸中存在窜气错误。如果偏移变动高于第二阈值/“相差第二量”(例如，如果TDC偏移从初始学习TDC偏移上升到0.5曲轴角度数以上)，那么对于那个气缸输出传感器漂移错误(步骤118)。
传感器漂移错误或窜气错误的确定也在图10中显示。图10中的竖轴线表示预期TDC位置。预期TDC位置和测量的TDC位置之间的初始偏移以400显示。在正常参数内操作的发动机系统产生压力信号402，其在初始偏移位置具有最大值。
TDC偏移可以周期性地重新计算。如果TDC偏移相对于初始TDC偏移位置沿着负曲轴角方向移动(向位置404移动)，那么这指示气缸窜气情形。对于这种情形的对应压力信号迹线以迹线406显示。
如果TDC偏移相对于初始TDC偏移位置沿着正曲轴角方向移动(向位置408移动)，那么这指示气缸传感器漂移情形。对于这种情形的对应压力信号迹线以迹线410显示。
在过程III中，ECU在步骤134中最初确定每个气缸的最大压力测量值，并且在步骤136中确定压力值是否在预定范围内。如果这些值在范围内，那么诊断过程停止在步骤138。如果任何气缸的压力值在预定范围外，那么诊断过程返回所讨论的气缸的压缩比错误(步骤140)。
图5示出可以由依照本发明的实施方式的诊断方法检测的气缸压力传感器漂移的例子。该图示出在松脚驾驶情形并且冷却剂温度在0℃-80℃的范围的情况下计算的IMEP对比空气质量流的分析结果。可以看到四个气缸传感器中的三个返回处在有效、框起来的区域150内的IMEP读数。然而，在气缸3上的传感器是有缺陷的，因为错误测量IMEP(见圆形区域152)。
图6图示了可以在正常操作条件期间执行的诊断过程(即，当喷射器正在接收燃料和向发动机喷射燃料时)。
在步骤200中，诊断过程开始，而在步骤202中，ECU检查发动机处于运行模式中。如果不是，那么诊断过程在步骤104结束。然后在步骤106中ECU检查车辆是否处于电动回转中(松脚情形)。如果发动机是电动回转的，那么过程在步骤108终止。最后，ECU在步骤110中检查上止点位置是否已经被确定。如果TDC没有确定，那么过程在步骤112终止。
在步骤214中，来自每个气缸的压力传感器的压力信号用来测量随着时间的过去(即，经历N个循环)每个气缸内的IMEP。在步骤216中，计算出测量IMEP对估计IMEP的比率。因此，要注意在步骤216中基于当前发动机操作条件的估计IMEP值由ECU7计算或被ECU7接收。应注意本申请人的同在审查中的欧洲专利申请08168714.7涉及一种发动机控制模型，其中计算每个气缸的诸如IMEP之类的参数。
在步骤218中，ECU检查测量IMEP对估计IMEP的比率是否在给定范围内。如果该比率小于第一阈值(步骤220)，那么对于所讨论的气缸将返回不点火故障。如果确定该比率超过第二阈值(步骤222)，那么对于所讨论的气缸将返回燃料供应过量故障。如果该比率在预定可允许范围内，那么诊断过程在步骤224终止。
图7表示气缸上的不点火错误(下部迹线的IMEP变化表示不点火的影响)。
图8和图9是适合用于本发明的发动机控制单元的一般代表图和代表依照本发明的基本方法的流程图。
在图8中，ECU7包括监测装置300和处理装置302。在图9中，依照本发明的实施方式的方法包括监测310缸内压力传感器的输出、确定312压力有关参数以及诊断314发动机系统内的故障。
可以理解上述实施方式只是作为示例给出而并非旨在限制本发明，本发明的范围由所附权利要求来限定。还应理解所述各实施方式可以单独地或组合地使用。

Claims (8)

1.一种诊断发动机系统（1）内故障的方法，所述发动机系统包括多个气缸，该方法包括：
监测（310）所述发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器（3）的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与所述发动机系统内的气缸相关；
确定（312）具有相关缸内压力传感器的给定气缸的压力有关参数；以及
基于所述压力有关参数来诊断（314）所述发动机系统内故障的存在，
其中，在所述确定步骤中确定的所述压力有关参数是所述给定气缸的上止点位置，并且所述诊断步骤（110，122）包括将确定的上止点位置与预测的上止点位置作比较以获得所述发动机系统内的气缸的上止点偏移值；
所述方法进一步包括：获得另一上止点偏移值，并且如果所述另一上止点偏移值与之前获得的上止点偏移值相差第二量，则布置所述诊断步骤以诊断气缸传感器漂移情形（118）。
2.如权利要求1所述的方法，其中，当所述发动机系统处在电动回转情形时执行所述确定步骤，并且所述方法任选地进一步包括在所述发动机系统进入所述电动回转情形之后等候（102）预定时段。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括测量所述发动机气缸内的压力和温度直到满足预先限定的测试条件。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括获得另一上止点偏移值，并且如果所述另一上止点偏移值与之前获得的上止点偏移值相差第一量，则布置所述诊断步骤以诊断（132）气缸窜气情形。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：通过在所述发动机系统处于电动回转情形时确定所述给定气缸的指示平均有效压力值并且在所述给定气缸的指示平均有效压力值在预定范围之外时诊断传感器漂移错误（118），验证从上止点偏移值变动诊断的气缸传感器漂移情形（118）的存在。
6.如权利要求1所述的方法，其中，从上止点偏移值变动诊断的气缸传感器漂移情形（118）的存在用来对已经通过包括如下步骤的方法识别的气缸传感器漂移情形（118）进行验证：
监测（310）所述发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器（3）的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与所述发动机系统内的气缸相关；
当所述发动机系统处在电动回转情形时，确定（312）具有相关缸内压力传感器的给定气缸的指示平均有效压力；以及
如果所述给定气缸的指示平均有效压力值处在预定范围之外，则诊断（314）气缸传感器漂移情形（118）的存在。
7.一种布置用于诊断发动机系统内的故障的ECU，所述发动机系统包括多个气缸，所述ECU包括：
监测装置（300），其布置成监测所述发动机系统内的一个或多个缸内压力传感器的输出信号，所述一个或多个缸内压力传感器中的每一个与所述发动机系统内的气缸相关；
处理装置（302），其布置成确定具有相关缸内压力传感器的给定气缸的压力有关参数，并且布置成基于所述压力有关参数来诊断所述发动机系统内故障的存在，
其中，在所述确定步骤中确定的所述压力有关参数是所述给定气缸的上止点位置，并且所述诊断步骤（110，122）包括将确定的上止点位置与预测的上止点位置作比较以获得所述发动机系统内的气缸的上止点偏移值；
所述处理装置（302）布置成获得另一上止点偏移值，并且如果所述另一上止点偏移值与之前获得的上止点偏移值相差第二量，则布置所述诊断步骤以诊断气缸传感器漂移情形（118）。
8.一种控制发动机系统的方法，包括向发动机模型输出权利要求1所述的方法获得的上止点偏移值用以在发动机控制中使用。
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