CN104047750B - 内燃机燃油喷射量监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内燃机燃油喷射量监控方法，在满足喷油器性能监控实施条件下，第一步，采集内燃机瞬时转速，并计算平均转速，将内燃机瞬时转速与平均转速的差值进行滤波处理，保留内燃机发火频率对应的转速波动分量；第二步，计算每气缸对应的转速波动分量的最大值与最小值的差值，将此差值作为每气缸实际燃油喷射量的特征值，即每气缸对应的转速增量；第三步，通过统计每气缸燃油喷射量的特征值在内燃机转过设定的圈数内超过转速增量上限阈值和转速增量下限阈值的概率来监控每气缸的燃油喷射量是否在正常范围内。本发明在使用瞬时转速作为判断喷油器喷油量是否正常前对其进行了齿修正和滤波处理，监控结果准确，并且无需改动原有内燃机控制策略。

Description

内燃机燃油喷射量监控方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其是一种内燃机燃油喷射量监控方法。

背景技术

内燃机的燃油喷射量对于内燃机的正常、高效、环保运转非常重要，当喷油器老化或者发生故障时，会导致燃油喷射量不准确，造成排放恶化和油耗的上升。中国专利申请CN1773101A提出了一种共轨燃油喷射系统喷油器故障诊断的方法，该方法首先采集发动机喷油后的瞬态转速，根据瞬态转速的差异确定各缸的补偿油量，再根据各缸补偿油量的变化趋势和分布规律初步确定故障，然后通过喷油前后共轨腔内的压力变化对故障进行精确定位。这种方法存在两处不足：第一，飞轮盘制造安装误差、曲轴扭振、发动机摩擦、负荷及气缸压力等都对发动机瞬态转速有影响，上述专利在没有对瞬态转速进行任何处理情况下，依然根据瞬态转速来确定各气缸的补偿油量是不合理的；第二，该方法只能应用于共轨燃油喷射系统，不能应用于其他如电子控制式单体泵和电子控制式泵喷嘴等燃油喷射系统。

中国专利申请CN1469037A提出了一种用于发动机的燃油喷射量的控制系统。其技术手段如下：1、在一定条件下，控制每缸进行K次喷射，检测每缸转速变化值和全部缸平均转速变化值的差值，根据差值确定针对每缸的第一修正值，使得各缸的转速平稳；2、在控制每缸进行K次喷射时，根据目标转速和平均转速的差值，确定全部缸的第二修正值，使得平均转速稳定在目标转速；3、在一定条件下，控制每缸进行N次喷射，检测每缸转速变化值和全部缸平均转速变化值的差值，根据差值确定针对每缸的第三修正值，使得各缸的转速平稳；4、在控制每缸进行N次喷射时，根据目标转速和平均转速的差值，确定全部缸的第四修正值，使得平均转速稳定在目标转速；5、将第一修正值和第二修正值加到一个喷射量指令值上得到一个第一喷射量指令值，将第三修正值和第四修正值加到一个喷射量指令值上得到第二喷射量指令值，根据第一喷射量指令值和第二喷射量指令值的差值辨别出喷射器个体差异、缸间喷射量变化和喷射器老化退化量。此方法通过以上技术手段辨别喷射器个体差异、缸间喷射量变化和喷射器老化退化量，但是其存在以下不足之处:该方法是在稳定空转状态下实施，并且将喷射模式在不同次数之间强制切换，而在该工况下，发动机喷射模式是根据发动机运行、排放等指标由实验人员进行标定得到，如果强制转换，会对车辆运行的舒适性和排放产生不利影响。

由上可见，目前存在的喷油量监控方法主要存在以下几个问题：1、对瞬时转速中的各种噪声扰动不能有效的进行处理，从而影响监控结果；2、监控方法对原内燃机控制策略有影响，可能对内燃机的正常运转造成不利影响；3、监控方法的适用范围不够广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机燃油喷射量监控方法，具体讲是一种用于检测喷油器老化后的喷油量是否在正常范围内的方法，可以检测出喷油器因长期使用后老化造成的不正常多喷和少喷的现象。本发明采用的技术方案是：

本内燃机燃油喷射量监控方法主要包括三个步骤：在满足喷油器性能监控实施条件下，第一步，采集内燃机瞬时转速，并计算平均转速，将内燃机瞬时转速与平均转速的差值进行滤波处理，保留内燃机发火频率对应的转速波动分量；第二步，计算每气缸对应的转速波动分量的最大值与最小值的差值，将此差值作为每气缸实际燃油喷射量的特征值，即每气缸对应的转速增量；第三步，通过统计每气缸燃油喷射量的特征值在内燃机转过设定的圈数内超过转速增量上限阈值和转速增量下限阈值的概率来监控每气缸的燃油喷射量是否在正常范围内。

飞轮齿盘存在制造误差，在计算发动机平均转速时，一般要使用十多个甚至几十个的齿间隔的和来计算，个别齿较小的齿间隔误差对计算结果影响不大；但是在计算瞬时转速时要通过几个齿甚至一个齿的间隔来推算出其所对应的瞬时转速，因此个别飞轮齿微小的制造误差就可以影响其对应的瞬时转速。由此可见，在计算瞬时转速前对每个采集到的齿间隔进行修正显得尤为重要。本发明采集计算瞬时转速前，在内燃机倒拖工况下学习飞轮齿盘的制造误差，记下每个齿或每几个齿的学习误差系数；将采集到的每个齿或每几个齿的间隔时间经过误差系数修正后再计算所对应的瞬时转速，作为滤波处理前的瞬时转速。

求取计算得到的瞬时转速的平均值，计算内燃机瞬时转速与平均转速的差值。将内燃机瞬时转速与平均转速的差值通过带通滤波器进行滤波处理，该带通滤波器的通带中心频率为内燃机的发火频率。通过上述滤波处理可以保留下内燃机做功引起的转速波动分量，滤除其它干扰引起的转速波动分量。

所述带通滤波器可以采用频域滤波器或时域滤波器。

在上述第三步中，监控每气缸的燃油喷射量的具体方法是：在内燃机转过设定的圈数内，统计每气缸燃油喷射量的特征值超过转速增量上限阈值和下限阈值的次数；若气缸燃油喷射量的特征值大于转速增量上限阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸燃油喷射器处于不正常多喷的状态；若气缸燃油喷射量的特征值小于转速增量下限阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸燃油喷射器处于不正常少喷的状态；否则，则判定该气缸燃油喷射器正常。

其中，转速增量上限阈值和下限阈值由内燃机一个或多个工作循环内每缸燃油喷射量的特征值的平均值分别乘以转速增量上限阈值系数和下限阈值系数得到；转速增量上限阈值系数和下限阈值系数由内燃机平均转速和目标燃油喷射量决定。转速增量上限阈值系数和下限阈值系数的标定规律为：相同目标燃油喷射量下，转速越高转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大，反之，转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小；相同平均转速下，目标燃油喷射量越大转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小，反之，转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大。

内燃机燃油喷射量的监控实施必须满足以下喷油器性能监控实施条件：在给定时间内，油门踏板开度的变化量小于一给定的阈值；内燃机平均转速的变化量在一给定的阈值范围内且平均转速小于一给定的阈值；内燃机水温大于一给定的阈值。车身附件负载的开关无变化；并且没有检测到失火现象的发生。

检测失火现象的方法为：在内燃机转过设定的圈数内，统计每气缸燃油喷射量的特征值小于相应循环的失火判断阈值的次数，若某气缸燃油喷射量的特征值小于失火判断阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸失火；否则，则判定其正常。其中，失火判断阈值由每缸燃油喷射量的特征值的平均值乘以失火判断系数得到；失火判断系数由内燃机平均转速和目标燃油喷射量决定。

本发明的优点：本发明可以检测出喷油器因长期使用后老化造成的不正常多喷和少喷的现象，以便发出预警信息，通知检修人员对老化喷油器进行调整，防止喷油器性能进一步劣化造成排放的恶化和油耗的上升。在一定程度上起到保护环境，节能减排的效果。本发明在使用瞬时转速作为判断喷油器喷油量是否正常前对其进行了齿修正和滤波处理，监控结果更加准确。而且本发明对于原有内燃机控制策略没有任何改动，对其工作状态无任何影响。此发明适用于任何装有曲轴位置传感器的内燃机控制系统。

附图说明

图1为高压共轨燃油系统结构简图。

图2为安装在曲轴上的飞轮齿盘和曲轴转速传感器安装位置示意图。

图3为飞轮齿位置偏差修正系数计算流程图。

图4为以单个飞轮齿作为一个瞬时转速段的内燃机瞬时转速示意图。

图5为图4中的瞬时转速去除平均转速后的示意图。

图6为图5中信号经过带通滤波器滤波后的示意图。

图7为转速增量和判断阈值示意图。

图8为转速增量下限阈值系数示意图。

图9为转速增量上限阈值系数示意图。

图10为失火判断阈值系数示意图。

图11为喷油器性能监控实施条件判断的流程图。

图12为喷油器性能监控实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过以高压共轨燃油喷射系统作为实例来详细说明本发明所提出的内燃机燃油喷射量监控方法，以用于监控老化的喷油器的燃油喷射量是否在正常范围内。

图1是高压共轨燃油系统结构简图。图中燃油从带有粗滤器的油箱1中吸入至燃油精滤器2，其中一部分燃油在高压油泵3的柱塞腔内加压形成高压燃油并从油泵出油阀口流经高压油管汇集入共轨管5，为喷油器7的高压喷射提供稳定持续的高压燃油源，多余部分从油泵上的溢流阀处与喷油器7回油一起流回油箱1；高压燃油从共轨管5经高压油管分别流向各缸的喷油器7；喷油器7根据电子控制单元(ECU)8输出的脉冲给定时刻和给定宽度，按特征喷射特性将燃油喷入内燃机各缸的燃烧室中。共轨管5一端安装有燃油压力传感器6，实时监控共轨管5内的燃油压力情况，当燃油压力超过允许的最大值时，泄压阀4打开，共轨管内的燃油压力迅速降低到安全范围内，以保证整个系统的安全。共轨系统的电子控制单元8采集各个传感器实时检测的柴油机和共轨系统状态参数，通过内置的控制策略及储备数据发出精确的电流脉冲信号，并使对应的共轨泵(高压油泵)电磁阀、喷油器电磁阀等产生电磁力，以驱动对应的执行器进行动作，使供油量、轨压、喷油角度和喷油量按需求进行反馈调节。共轨喷油系统所采用的传感器9包括：转速传感器，共轨压力传感器，冷却液温度传感器，燃油温度传感器，曲轴转角传感器(或凸轮轴转角传感器)，加速踏板传感器等多种，有的内燃机上还装有：车速传感器，空气流量传感器，大气压力传感器，增压压力传感器，大气温度传感器等其他传感器。电子控制单元8的执行器驱动信号10包括：喷油器电磁阀和高压油泵电磁阀驱动信号。

图2是安装在曲轴上的飞轮齿盘和曲轴转速传感器安装位置示意图。标记11是飞轮齿盘，齿盘上均匀分布60个齿，但有二个齿空缺，即图2中的缺齿14，ω₁表示缺齿对应的曲轴角度。飞轮齿盘11通过定位孔13准确安装在曲轴上，随曲轴做旋转运动。曲轴转速传感器12和飞轮齿盘11的相对位置由ω₀决定。当齿靠近传感器的顶部时，铁磁材料制成的脉冲盘切割传感器中永久磁铁的磁力线，通过霍尔效应产生转速脉冲信号输出。计算n个飞轮齿的脉冲信号间隔时间即可推算出当前n个飞轮齿所对应的内燃机瞬时转速。由于飞轮齿盘的制造误差和安装时的偏心误差，使得各个飞轮齿的实际位置偏离理想位置，造成采集到的瞬时转速不准确。为了获取准确的瞬时转速信息，需要计算每个飞轮齿的修正系数，计算方法和流程如图3所示。

图3是飞轮齿位置偏差修正系数计算流程图。在步骤100计算飞轮转动一圈对应的相邻飞轮齿间隔时间的平均值。由于飞轮齿间隔的修正系数和转速无关，因此在步骤110中对平均齿间隔时间进行归一化处理(将每个齿间隔时间除以平均齿间隔时间得到对应的修正系数)。接下来在步骤120中对归一化的结果进行迭代运算(即多次计算每个齿间隔时间的齿间隔修正系数)，当迭代运算的次数达到最大次数时，输出迭代运算结果作为对应的齿间隔修正系数(每个齿间隔时间的齿间隔修正系数的平均值)。

图4为内燃机平均转速为660rpm时，以单个飞轮齿作为一个瞬时转速段，计算其所对应的瞬时转速所得到的结果,该转速信号经过了误差修正。图5是将瞬时转速减去了其平均值的结果，可被视为转速波动分量。图6是如图5所示信号经过带通滤波器滤波后的结果。所述带通滤波器可以是频域滤波器也可以是时域滤波器。在本发明的一个实例中，以频域滤波器来说明。对于六缸四冲程内燃机，一个工作循环(即燃烧循环)转过两圈，对应120个飞轮齿。这里以单个飞轮齿作为一个瞬时转速段，采集计算m个工作循环的瞬时转速。若将一个工作循环对应的频率定义为基准频率1，则发火频率为6。这样就可以确定带通滤波器的通带，如通带可定义为[6-Δ,6+Δ]，Δ可以根据实际情况进行确定。通过离散傅里叶变换把瞬时转速波动分量信号转换为频域的信号，保留频带为[6-Δ,6+Δ]之间的信号值，滤除其它频率的值，经过反变换后即可得到滤波后的瞬时转速波动分量。

图7是转速增量和判断阈值示意图。转速增量15是根据图6的转速波动分量计算得到的。每个气缸对应图6中的一个波峰和波谷，波峰和波谷的差值即为该气缸对应的转速增量。转速增量平均值16是m(m>＝1)个工作循环的转速增量平均值。转速增量平均值乘以转速增量上限阈值系数就得到转速增量上限阈值17，转速增量平均值乘以转速增量下限阈值系数就得到转速增量下限阈值18。

图8是转速增量下限阈值系数示意图，根据转速增量下限阈值系数表格所绘制，转速增量下限阈值系数表格预设在内燃机ECU内；图9是转速增量上限阈值系数示意图，根据转速增量上限阈值系数表格所绘制，转速增量上限阈值系数表格预设在内燃机ECU内；通过当前内燃机的平均转速和目标燃油喷射量查取上述表格即可得到当前循环对应的转速增量上限阈值系数和下限阈值系数。转速增量上限阈值系数和下限阈值系数由内燃机平均转速和目标燃油喷射量决定。转速增量上限阈值系数和下限阈值系数的标定规律为：相同目标燃油喷射量下，转速越高转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大，反之，转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小；相同平均转速下，目标燃油喷射量越大转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小，反之，转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大。

图10是失火判断阈值系数示意图，根据失火判断阈值系数表格所绘制，失火判断阈值系数表格可预置在内燃机ECU内。通过当前内燃机的平均转速和目标燃油喷射量查取上述失火判断阈值系数表格得到当前循环的失火判断系数。将失火判断系数乘以当前工作循环每气缸燃油喷射量特征值的平均值得到当前工作循环的失火判断阈值。在内燃机转过设定的n转内，统计每气缸燃油喷射量的特征值小于相应循环的失火判断阈值的次数，若某气缸燃油喷射量的特征值小于失火判断阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸失火；否则，则判定其正常。

图11是喷油器性能监控实施条件判断的流程图。首先在步骤200中判断条件A是否满足，如果条件A满足，则进行步骤210,如果不满足，则进行步骤280，结束此次条件判断。条件A可以是油门踏板开度的变化量小于一给定的阈值。在步骤210中判断条件B是否满足，如果条件B满足，则进行步骤220，如果不满足，则进行步骤280，结束此次条件判断。条件B可以是内燃机平均转速的变化量在一给定的阈值范围内且平均转速小于一给定的阈值。在步骤220中判断条件C是否满足，如果条件满足，则进行步骤230，如果不满足，则进行步骤280，结束此次条件判断。条件C可以是内燃机水温大于给定阈值。在步骤230中判断条件D是否满足，如果条件满足，则进行步骤240，如果不满足，则进行步骤280，结束此次条件判断。条件D可以是车身附件负载的开关无变化，如空调、风扇、发电机等开关无跳变。在步骤240中判断条件E是否满足，如果条件满足，则进行步骤250，如果不满足，则进行步骤280，结束此次条件判断。条件E可以是内燃机没有出现失火现象。在步骤250中设置一计数器，该计数器累加1。在步骤260中判断计数器是否达到给定阈值，如果没有，则返回步骤200，开始新的一次条件判断，如果达到给定阈值，则进行步骤270。在步骤270中，置位喷油器性能检测使能标志位,然后就可以进行内燃机燃油喷射量监控。

图12是喷油器性能监控实施流程图。在步骤300中，判断喷油器性能监控实施条件是否满足，如果不满足，则结束此次监控，如果满足，则进行步骤310。在步骤310中计算转速增量，接下来在步骤320中根据内燃机平均转速和目标燃油喷射量计算转速增量上下限阈值系数，接下来在步骤330中计算转速增量的平均值，接下来再步骤340中将转速增量平均值乘以转速增量上下限阈值系数得到转速增量上下限阈值。接下来在步骤350中进行转速增量超限判断。接下来在步骤360中进行回转计数，在步骤370中判断回转计数是否超过给定值，如果没有超过给定值，则开始新一次的监控流程，如果超过给定值，则在步骤380中执行燃油喷射量异常判断逻辑。在给定的回转计数内，如果某气缸转速增量超过上限阈值的次数大于设定次数，则判断该气缸燃油喷射器出现不正常多喷油现象；如果某气缸转速增量超过下限阈值的次数超过设定次数，则判断该气缸燃油喷射器出现不正常少喷油现象；否则，判断该气缸燃油喷射器正常。

Claims (9)

1.一种内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：在满足喷油器性能监控实施条件下，

第一步，采集内燃机瞬时转速，并计算平均转速，将内燃机瞬时转速与平均转速的差值进行滤波处理，保留内燃机发火频率对应的转速波动分量；

第二步，计算每气缸对应的转速波动分量的最大值与最小值的差值，将此差值作为每气缸实际燃油喷射量的特征值，即每气缸对应的转速增量；

第三步，通过统计每气缸燃油喷射量的特征值在内燃机转过设定的圈数内超过转速增量上限阈值和转速增量下限阈值的概率来监控每气缸的燃油喷射量是否在正常范围内；

采集内燃机瞬时转速前，在内燃机倒拖工况下学习飞轮齿盘的制造误差，记下每个齿或每几个齿的学习误差系数；将采集到的每个齿或每几个齿的间隔时间经过误差系数修正后再计算所对应的瞬时转速，作为滤波处理前的瞬时转速。

2.如权利要求1所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述将内燃机瞬时转速与平均转速的差值进行滤波处理通过带通滤波器进行，该带通滤波器的通带中心频率为内燃机的发火频率。

3.如权利要求2所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述带通滤波器为频域滤波器或时域滤波器。

4.如权利要求1所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述第三步具体包括：

在内燃机转过设定的圈数内，统计每气缸燃油喷射量的特征值超过转速增量上限阈值和下限阈值的次数；若气缸燃油喷射量的特征值大于转速增量上限阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸燃油喷射器处于不正常多喷的状态；若气缸燃油喷射量的特征值小于转速增量下限阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸燃油喷射器处于不正常少喷的状态；否则，则判定该气缸燃油喷射器正常。

5.如权利要求1或4所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：

转速增量上限阈值和下限阈值由内燃机一个或多个工作循环内每缸燃油喷射量的特征值的平均值分别乘以转速增量上限阈值系数和下限阈值系数得到；

转速增量上限阈值系数和下限阈值系数由内燃机平均转速和目标燃油喷射量决定；相同目标燃油喷射量下，转速越高转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大，反之，转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小；相同平均转速下，目标燃油喷射量越大转速增量上限阈值系数越大，转速增量下限阈值系数越小，反之，转速增量上限阈值系数越小，转速增量下限阈值系数越大。

6.如权利要求1所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述喷油器性能监控实施条件包括以下条件：

在给定时间内，油门踏板开度的变化量小于一给定的阈值；内燃机平均转速的变化量在一给定的阈值范围内且平均转速小于一给定的阈值；内燃机水温大于一给定的阈值。

7.如权利要求6所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述喷油器性能监控实施条件还包括以下条件：

在给定时间内，车身附件负载的开关无变化；并且没有检测到失火现象的发生。

8.如权利要求7所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：检测失火现象的方法为：

在内燃机转过设定的圈数内，统计每气缸燃油喷射量的特征值小于相应循环的失火判断阈值的次数，若某气缸燃油喷射量的特征值小于失火判断阈值的次数超过设定次数，则判定该气缸失火；否则，则判定其正常。

9.如权利要求8所述的内燃机燃油喷射量监控方法，其特征在于：所述失火判断阈值由每缸燃油喷射量的特征值的平均值乘以失火判断系数得到；失火判断系数由内燃机平均转速和目标燃油喷射量决定。