CN105275705B - 评估用于内燃发动机的起动机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

示出了包括起动机的内燃发动机。一种用于监控起动机的方法包括确定由小齿轮螺线管和马达螺线管操作成在发动机起动事件期间激活和旋转电动马达的小齿轮所消耗的电能，所述小齿轮能够啮合接合发动机的飞轮的起动机环形齿轮部分。在发动机起动事件期间监控小齿轮螺线管和马达螺线管中的电流振铃，和基于在发动机起动事件期间的电能消耗和电流振铃，识别在小齿轮螺线管和马达螺线管中的故障。

Description

评估用于内燃发动机的起动机的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的起动系统。
背景技术
本节中的陈述仅提供涉及本发明的背景信息且可能不构成现有技术。
车辆电气系统包括如马达的电机和辅助驱动装置，其接收来自储能装置的电力且通过源自控制模块及其它控制装置和逻辑电路的信号来控制。一个电路是起动系统，该起动系统包括电动起动机马达，其包括当由点火开关激活时激活所述起动机马达来旋转内燃发动机的螺线管。在起动机马达螺线管中的故障可能会导致发动机曲轴故障，该故障导致发动机不起动的事件。
发明内容
示出了包括起动机的内燃发动机。一种用于监控起动机的方法包括确定由小齿轮螺线管和马达螺线管操作成在发动机起动事件期间激活和旋转电动马达的小齿轮所消耗的电能，所述小齿轮啮合接合发动机的飞轮的起动机环形齿轮部分。在发动机起动事件期间监控小齿轮螺线管和马达螺线管中的电流振铃（current ringing），并且基于在发动机起动事件期间的电流振铃和电能消耗，识别在小齿轮螺线管和马达螺线管中的故障。
本申请还提供了以下技术方案。
方案1.一种用于监控内燃发动机的起动机的方法，包括：
确定由小齿轮螺线管和马达螺线管运行以激活和旋转电动的起动机马达的小齿轮所消耗的电能，所述小齿轮在发动机起动事件期间能够啮合接合所述发动机的飞轮的起动机环形齿轮部分；
监控在所述发动机起动事件期间所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的电流振铃；以及
基于在所述发动机起动事件期间所述电流振铃和所述所消耗的电能，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的故障。
方案2.如方案1所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能包括：
确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的等效电阻；
基于所述小齿轮螺旋管和所述马达螺线管的所述等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于在所述发动机起动事件期间的电流，确定螺线管能量。
方案3.如方案2所述的方法，其中，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻包括：
监控在所述小齿轮螺线管激活之前的所述马达螺线管激活期间经过所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的电流和电池电压；以及
基于所述电池电压和所述电流，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻。
方案4.如方案2所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间的所述电流来确定所述螺线管能量包括将这样的项积分，所述项包括将在所述发动机起动事件期间的所述电流乘以所述电池电压。
方案5.如方案2所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能还包括：
基于温度，调节所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的温度调节的等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于所述发动机起动事件期间的所诉电流，确定螺线管能量。
方案6.如方案1所述的方法，其中，识别在所述小齿轮螺线管中的故障包括当所述所消耗的电能大于预定的电能阈值时，识别在所述小齿轮螺线管中的故障。
方案7.如方案1所述的方法，其中，识别在所述马达螺线管中的故障包括当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于预定的电流振铃阈值时，识别在所述马达螺线管中的故障。
方案8.如方案7所述的方法，其中，当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于所述预定的电流振铃阈值时，识别在所述马达螺线管中的所述故障包括确定与所述电流振铃相互关联的时间因子以及当与所述电流振铃相互关联的时间因子小于预定的时间因子阈值时，识别在所述马达螺线管中的​​所述故障。
方案9.如方案1所述的方法，还包括：
基于所述起动机的所述电能和所述电流振铃，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的健康状态（SOH）；以及
基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障。
方案10.如方案9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障包括：
当所述小齿轮和所述马达螺线管的所述SOH小于预定的SOH阈值以及与所述电流振铃相互关联的时间因子小于预定的时间因子阈值时，识别所述马达螺线管故障。
方案11.如方案9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的所述电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障包括：
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于预定的SOH阈值以及在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能大于预定的电能阈值时，识别所述小齿轮螺线管故障。
方案12.如方案9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的故障包括：
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于第一预定的SOH阈值且大于第二预定的SOH阈值以及在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能处于能够允许的范围之内时，识别螺线管退化。
方案13.一种用于监控用于内燃发动机的起动机的电动马达的小齿轮螺线管和马达螺线管的方法，包括：
监控电流和在发动机起动事件期间所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能；
确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能；
监控在所述发动机起动事件期间与激活所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管相关联的电流振铃；以及
基于所述电流振铃和在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的一个的故障。
方案14.如方案13所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能包括：
监控在所述小齿轮螺线管激活之前的所述马达螺线管激活期间经过所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的电流和电池电压；
基于所述电池电压和所述电流，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻，在所述发动机起动事件期间确定电流；以及
基于在所述发动机起动事件期间的所述电流，确定螺线管能量。
方案15.如方案14所述的方法，其中，基于在所述发动机起动期间的所述电流来确定所述螺线管能量包括将这样的项积分，所述项包括将在所述发动机起动事件期间的所述电流乘以所述电池电压。
方案16.如方案14所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能还包括：
基于温度，调节所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的温度调节的等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于所述发动机起动事件期间的所述电流，确定螺线管能量。
方案17.如方案13所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能和所述电流振铃，识别在所述小齿轮螺线管中的故障包括，当在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能大于阈值时，识别在所述小齿轮螺线管中的故障。
方案18.如方案13所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能和所述电流振铃，识别在所述马达螺线管中的故障包括，当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于阈值时，识别在所述马达螺线管中的故障。
方案19.如方案13所述的方法，还包括：
基于所述电流振铃和由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的健康状态（SOH）；以及
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于第一阈值且与电流振铃相互关联的时间因子小于阈值时，识别在马达螺线管故障以及当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于所述第一阈值且在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能大于阈值时，识别小齿轮螺线管故障。
附图说明
结合附图借助于示例，现将描述一个或多个实施例，在附图中：
图1根据本公开示出了包括起动系统和控制系统的示例性的内燃发动机；
图2根据本公开示出了构造成评估内燃发动机的起动机马达螺线管的起动机马达螺线管健康状态（SOH）监控程式；
图3根据本公开示出了在起动事件之前和期间包括相对于时间的电池电流、起动机螺线管电流和电池电流的所监控和所评估的起动机马达参数的状态；
图4-1、4-2和4-3根据本公开示出了用于图1的起动系统和发动机在发动机起动事件期间相对于时间的所测量和所评估的起动机马达螺线管电流；
图5根据本公开以流程图的形式示出了起动机螺线管电流评估程式，用于评估用于内燃发动机的起动机马达螺线管；
图6根据本公开示意性示出了用于确定在发动机起动事件期间起动机螺线管起作用的时间段的程式；
图7根据本公开示出了确定当所述起动机螺线管在发动机起动事件期间起作用时用于确定螺线管能量的实际的和调节的螺线管能量的程式；
图8-1根据本公开示出了包括用于采用功能性起动机螺线管的起动机的电能、用于采用在小齿轮螺线管中具有故障的起动机螺线管的起动机的电能和用于采用在马达螺线管中具有故障的起动机螺线管的起动机的电能的结果；
图8-2根据本公开示出了包括用于采用功能性起动机螺线管的起动机的等效电阻、用于采用在小齿轮螺线管中具有故障的起动机螺线管的起动机的等效电阻和用于采用在马达螺线管中具有故障的起动机螺线管的起动机的等效电阻的结果；
图9根据本公开示出了马达螺线管隔离程式，用于隔离在马达螺线管中的故障；
图10根据本公开示出了相对于时间绘制的马达螺线管因子的校准；
图11根据本公开示出了计算用于评估螺线管能量的螺线管功能可用性的程式；以及
图12根据本公开示出了用于确定和评估起动机螺线管SOH的程式。
具体实施方式
现在参见附图，其中，所示出的仅出于例述特定示例性实施例的目的，而不是出于限制其的目的，图1示意性地示出了内燃发动机10，其包括起动系统12和控制系统50。起动系统12优选地包括电连接到电池20的起动机40。内燃发动机10被构造为执行发动机停止/起动功能，包括采用起动系统12以在前进的动力系统和车辆运行期间实现发动机自动起动。发动机10和起动系统12包括采用起动系统的任意内燃发动机，所述起动系统被构造为执行与发动机停止/起动功能有关的发动机起动事件。传送到控制系统50以及自其传送的信息传送可以使用一个或多个通信路径来实现，例如，通信总线30，其可包括一个或多​​个直接连接、局域网总线和串行外围接口总线。
发动机10配备有可转动的曲轴14和飞轮13，其中飞轮13包括起动机环形齿轮部分，其构造成啮合接合起动机40的小齿轮41。发动机10包括其它致动器和传感装置，用于监控操作且输送燃料以形成燃烧进料（combustion charge）来产生响应于操作者转矩需求的转矩。在一个实施例中，发动机10被构造为通过火花点火系统控制燃烧的火花点火式发动机，且可以包括在均质进料火花点火燃烧模式中操作。替代地，发动机10可以被构造为通过喷射燃料的定时控制燃烧的压缩点火式发动机。发动机致动器优选地包括在如此装配的发动机上的燃料喷射器、空气流量控制器、火花点火系统、以及与控制发动机运行以控制上述发动机状态相关联的其它装置。发动机传感装置优选地包括冷却剂温度传感器或用于监控发动机温度15的其它装置和曲轴位置传感器18，其构造成监控曲轴14且因此发动机10的转速17。
电池20可以是任何电能存储装置，且在一个实施例中是多节低压铅酸电池，例如12V电池。电池20的操作参数包括电池温度25、电池电压27和电池电流29。电池操作参数在前进的系统操作期间可以直接监控、评估或在其它方面上确定。
起动器40优选地包括永久磁铁直流电动马达45，其可旋转地联接到轴42，其固定联接至小齿轮41。小齿轮41是可动的驱动小齿轮，其啮合接合飞轮13的起动机环形齿轮，其附连到发动机10的曲轴14。起动机40优选地包括串联螺线管布置，其包括小齿轮螺线管43和马达螺线管44以实现分开且独立的控制小齿轮41的向前滑动和对起动机马达45供能而旋转轴42。小齿轮螺线管43和马达螺线管44经由共同的电力电缆优选地电连接到电池20。因此，小齿轮螺线管和马达螺线管在电池和电接地之间并联地电连接并且螺线管等效电阻是小齿轮螺线管43和马达螺线管44的电阻的戴维宁等效（Thevenin-equivalent）。马达螺线管控制信号47激活马达螺线管44以使轴42旋转，其中基于马达螺线管控制信号47的特性来确定转动速度和转矩。小齿轮螺线管控制信号46激活小齿轮螺线管43以使可动的驱动小齿轮41向前滑动以啮合接合飞轮13的起动机环形齿轮，从而使发动机10旋转。这样的构型允许发动机起动顺序包括激活起动机马达45以使轴42旋转而与发动机10速度同步并且当速度同步时激活可动的驱动小齿轮来啮合接合飞轮13的起动机环形齿轮，从而当发动机转速为非零时允许发动机起动。
控制器50通过传递发动机起动信号以激活起动机开关来开始发动机起动事件，该起动机开关构造成将起动机马达16电连接到电池20。响应于操作者接通命令或响应于发动机停止/起动功能的一部分的发动机自动起动命令，发动机起动事件可以被开始。控制系统50被构造成在每个起动事件期间控制发动机10的操作。发动机起动事件包括激活起动机40而同时地控制发动机燃料供给和火花点火式发动机上的火花。每个起动事件优选地包括起动发动机10的命令，其中起动机开关被激活以将起动机马达16电连接到电池20以及随着小齿轮的激活螺线管​​43的相应的激活，激活马达螺线管44以使起动机马达45旋转以推压轴42和小齿轮41进入与飞轮13的起动机环形齿轮部分的啮合。控制系统50通过执行与燃料供给和将发动机10点火有关的其它发动机控制功能同时地控制发动机燃料供给和火花点火式发动机上的火花来起动发动机10。
控制器50在前进的车辆运行期间响应于操作者命令和车载要求执行发动机停止/起动功能以自动地停止（自动停止）和自动地重新起动（自动起动）发动机运行。借助于示例，当车辆处于停止状态时（例如当在交通信号灯等待时），自动停止命令可以被执行以实现发动机关闭状态。响应于执行激活起动机开关的来自控制系统50的命令，例如在前进的车辆运行期间在自动停止命令之后，自动起动发动机起动事件可被执行。响应于由操作者动作（例如踩下加速踏板）引起的自动起动命令，发动机可以执行起动事件以在发动机接通状态下运行。停止/起动功能可以提供改进燃料效率和/或减少排放的益处。
控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器和类似术语是指一个或多个专用集成电路（ASIC）、一个或多个电子电路、一个或多个中央处理单元（优选一个或多个微处理器）和相关联的内存和存储器（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）、一个或多个组合逻辑电路、一个或多个输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、和提供所描述的功能的其它部件中一个或多个的任一个或各种组合，所述内存和存储器执行一个或多个软件或固件程序或程式。软件、固件、程序、指令、程式、代码、算法和类似术语是指包括校准和查找表的任何指令集。控制模块具有控制程式组，其被执行以提供所需功能。程式诸如由中央处理单元执行并且可操作以监控来自传感装置和其它网络控制模块的输入，且执行控制和诊断程式以控制致动器的操作。程式在前进的发动机和车辆运行期间可以以规则的间隔执行，例如每100微秒、3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。替代地，程式可以响应于事件的发生而被执行。
发动机转速可以处于0 RPM，即在断开状态，且在开始起动事件之前不旋转。替代地，发动机在开始起动事件之前无燃料供给的条件下可以以低速旋转。这可以包括车辆运行，其中，车辆在起动事件期间正在移动。响应于操作者接通命令到起动机开关，接通的发动机起动事件被执行，例如当操作者首先进入车辆开始旅程时。可以理解的是，接通的发动机起动事件包括操作者开始的远程起动事件及其它类似操作。
用于监控起动机螺线管的健康状态（SOH）的程式包括在每个发动机起动事件期间确定由起动机螺线管​​消耗的电能的量。螺线管故障包括由于螺线管线圈过热和螺线管电短路引起的性能和功能退化。这包括确定起动机螺线管的等效电阻来监控螺线管在螺线管起作用直到发动机10点火和起动的时间期间的能量消耗。当螺线管等效电阻增加时，螺线管能量消耗减少并且当螺线管出现电短路时，螺线管能量消耗增加。在两种情况下，螺线管起作用的时间会增加。通过监控能量、螺线管等效电阻和起动机起作用时间的变化，可以从这些参数的变化推断螺线管健康状态（SOH）。故障监控包括隔离在小齿轮螺线管或马达螺线管中的故障。
图2示意性示出了起动机马达螺线管健康状态（SOH）监控程式（监控程式）200，其构造成评估用于内燃发动机的起动机马达的螺线管。 SOH是装置或系统的剩余的使用寿命的指示，优选地表示为装置或系统的总寿命的百分比。起动机马达螺线管SOH是起动机马达螺线管的SOH的指示。监控程式200根据所监控的参数在起动事件期间确定螺线管起作用直到发动机起动的螺线管能量消耗和时间，且基于这样的能源消耗和时间，考虑到与发动机、车辆、和周围条件相关的其它因素来确定起动机马达螺线管SOH。起动机马达螺线管SOH可以用来决定是否允许在前进的车辆运行期间的后续发动机停止/起动事件。
在每个起动事件期间被监控的用于起动系统的优选的操作参数包括曲柄信号201、电池电压（Vbat）203、电池电流（Ibat）205、发动机转速（Neng）207和起动机马达温度（TSM）209。操作参数可以使用车载传感器直接监控、从其它传感器所获得的信息推断、使用简化为在控制器中实施的程式的模型来评估或以其它方式来确定。
当曲柄信号201指示发动机曲柄转动起作用，即发动机起动事件正在发生时，监控程式200开始。开始监控程式200包括响应于曲柄信号201，确定触发和复位信号（210）以在发动机停止/起动事件期间每次发动机起动重新初始化参数。这包括响应于曲柄信号201设置触发信号TS 211为T（t）= 1并且设置复位信号R 213为R =最大值[0，（T（t）-T（t-1））] ，其中，（t）表示当前发生的起动事件并且（T-1）表示前一次起动事件。
触发信号Ts211和复位信号R213用来使电池电压203、电池电流205、发动机转速207和起动机马达温度209的监控和跟踪状态开始，这用于第二程式220中，所述第二程式包括螺线管电流评估程式222、螺线管起作用时间程式224、确定实际的和调节的螺线管能量的程式226、马达螺线管隔离程式228和计算螺线管功能可用性的程式229。基于来自所述第二程式220的输出，第三程式230计算螺线管SOH 235。
图3图形地示出了起动事件之前和期间所监控的和所评估的起动机马达参数的状态，参数包括相对于时间310的电池电流302、起动机螺线管电流304和电池电流306，其中，电池电流306用与电池电流302相同的数据使用扩大的、即放大的电流比例来描述，以描述螺线管电流的分布。可在马达螺线管起作用期间且在小齿轮螺线管激活之前在时间点312和314之间评估螺线管等效电阻。当仅使用电池电流测量时，发生在时间点312和314之间的在小齿轮啮合环形齿轮之前电池电流306等于螺线管电流304的持续时间是很短的。在时间点314，起动机马达电流302比螺线管电流304大几个数量级。螺线管等效电阻在时间点312和314之间的间隔内被评估，且电池电压和等效电阻使用电压、电流和螺线管等效电阻之间已知的关系被用来评估在时间点314和316之间的间隔内的螺线管电流。起动机激活在时间点316结束。
图4-1、4-2和4-3图形地示出了用于参照图1描述的起动系统12和发动机10的在发动机起动事件期间相对于时间所测量和所评估的起动机马达螺线管电流。图4-1分别描述了用于起动系统12根据制造商规格在标称周围条件下进行操作的所测量和所评估的起动机马达螺线管电流412和414。图4-2分别描述了对于在标称环境条件下起动系统12带有小齿轮螺线管故障而运行的所测量和所评估的起动机马达螺线管电流422和424。如所示出的，小齿轮螺线管故障导致在发动机起动期间电流图线在量值上显著降低。图4-3分别描述了对于在标称环境条件下起动系统12带有马达螺线管故障而运行的所测量和所评估的起动机马达螺线管电流432和434。如所示出的，马达螺线管故障导致在发动机起动的初期部分期间电流实质上振铃。这些特征与螺线管能耗有关且用于检测和隔离在起动机马达螺线管中的故障。
图5以流程图形式示意性示出了用于评估用于内燃发动机的起动机马达（例如图1的起动系统12和发动机10）的螺线管电流评估程式222。螺线管电流评估程式222优选地在控制模块50中执行而作为一个或多个程式和相关联的校准以评估小齿轮激活螺线管和用于起动机马达的马达螺线管的等效电阻。表1作为图5的关键而提供，其中带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表1
螺线管电流评估过程500通过监控触发信号TS 211（504）来执行（502），当触发信号TS 211被设置为（T = 1）（504）（1）时，开始操作。所评估的螺线管电阻初始设置为等于标称螺线管电阻（），其中所评估的螺线管电流（Isol）设置为等于零（506）。
电池电流IB和起动机马达转速Nspd被监控（508）。当电池电流IB小于用于螺线管电流的最大阈值（IB <Isol_max）以及起动机马达转速Nspd等于零（Nspd = 0）（508）（1）时，所评估的螺线管电阻被计算为电池电压VB和电池电流IB的比率（512）且操作继续。当电池电流IB不小于用于螺线管电流的最大阈值（IB <Isol_max）或起动机马达转速Nspd不等于零（Nspd= 0）（508）（0）时，所评估的螺线管电阻被设置为等于来自前一次迭代的所评估的螺线管电阻（=）（510）。因此螺线管​​电流评估过程500的这部分确定所评估的螺线管电阻，其对应于参见图3所描述和所确定的如在时间点312和314之间评估的螺线管等效电阻。 因此，螺线管电阻由在小齿轮螺线管激活之前的马达螺线管激活期间监控流过小齿轮和马达螺线管的电池电压和电流来确定。
随着持续监控起动机马达转速Nspd和电池电压VB，螺线管电流评估过程500的操作持续进行，以便确定电池电流（514）。当起动机马达转速Nspd保持为零且电池电压VB大于阈值电压（514）（1）时，临时螺线管电流被设置为等于当前的电池电流（）（518）。当起动机马达转速Nspd不保持为零或电池电压VB大于阈值电压（514）（0）时，基于电池电压VB和所评估的螺线管电阻的比率（516 ）计算所评估的螺线管电流。起动机马达转速Nspd与阈值速度Nspd（thr）进行比较（520）以确定发动机是否已经开始运行并且当起动机马达转速Nspd小于阈值速度Nspd（thr）（520）（0）时，通过设置所评估的螺线管电流等于临时电池电流（522）持续执行这个程式500。当起动机马达转速Nspd不小于阈值速度Nspd（thr）（520）（1）时，表示发动机正在运行，所评估的螺线管电流被获取用于本程式以确定实际的和温度调节的螺线管能量226且所评估的螺线管电流项被复位到零（524）并且程式500的此次迭代结束（526）。在这种方式下，在发动机起动事件期间所评估的螺线管电流可以基于电池电压和所评估的螺线管电阻的比率来计算。
图6以流程图形式示意性示出了螺线管起作用时间程式224，用于确定在发动机起动事件期间起动机螺线管起作用的时间段。螺线管​​起作用时间程式224优选地作为一个或多个程式和相关联的校准在控制模块50中执行以确定用于发动机马达的小齿轮激活螺线管和马达螺线管中的一者或两者起作用的时间段。表2作为图6的关键而提供，其中，带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表2
每次迭代（602），复位信号R213被监控（604）并且触发信号TS 211被监控（608）。当复位信号R213被激活时，即设置为等于1（604）（1），螺线管起作用时间Soltime复位为0（606）。当复位信号R 213未激活时，即不设置为等于1（604）（0），触发信号TS 211被监控以确定何时被激活，即，设置为等于1（608）（1）。当触发信号TS 211没有被激活时（608）（0），也没有进一步的作用且程式继续监控复位信号R（604）。当触发信号TS 211被激活时（608）（1），螺线管速度被监控以确定它是否大于阈值速度（Nspd≥Nspd（thr）是吗？）（610），指示发动机是否已起动。当螺线管速度大于或等于阈值速度（610）（1），用于本迭代的螺线管起作用时间被设置为等于用于前一次迭代的螺线管起作用时间（Soltime（t）= Soltime（t-1））（612）并且程式224的此迭代结束（616）。当螺线管速度小于阈值速度时（610）（0），用于本迭代的螺线管起作用时间由时间段ΔT（Soltime（t）= Soltime（t-1）+ΔT）（614）增加且程式224的此迭代结束（616）。以这种方式，螺线管起作用时间被确定为与实现阈值螺线管速度相关联的时间段或最小时间段。
图7以流程图的形式示意性地描述了确定实际的和温度调节的螺线管能量226的程式，用于在发动机起动事件期间当起动机螺线管起作用时确定螺线管能量。确定实际的和温度调节的螺线管能量226的程式优选地作为一个或多个程式和相关联的校准在控制模块50中执行以评估由激活用于起动机马达的小齿轮螺线管和马达螺线管所消耗的能量。表3作为图7的关键而提供，其中，带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表3
每次迭代（702），复位信号R213被监控（704）并且触发信号TS 211被监控（708）。当复位信号R213被激活时，即设置为等于1（704）（1），实际的螺线管能量Esol_act和温度调节的螺线管能量Esol_adj被复位为0（706）。当复位信号R213未激活时，即不设置为等于1（704）（0），触发信号TS 211被监控以确定何时被激活，即设置为等于1（708）（1）。当触发信号TS211没有被激活（708）（0），也没有进一步的作用且程式继续监控复位信号R（704）。当触发信号TS 211被激活时（708）（1），螺线管起作用时间Soltime与阈值螺线管起作用时间Soltime_thr进行比较（710）。在螺线管起作用期间的时间段期间（710）（0），实际的螺线管能量Esol_act和温度调节的螺线管能量Esol_adj按照以下关系被积分（714）：
[1]
[2]
其中，ISOL表示螺线管电流；
VB表示电池电压；
（t）表示本迭代；
（t-1）表示前一次迭代；以及
ΔT是经过的时间。
螺线管​​电流ISOL是使用等效电阻和参照图5所述的螺线管电流评估程式222来评估的。
按照下列关系式，螺线管电阻是与温度有关的：
[3]
其中，Rsol_adj_nom是温度调节的标称电阻；
Rsol_ nom是标称电阻；
T0是在测量该电阻时的标称温度；
T是螺线管的当前温度；以及
ρ为用于线材料的电阻率的热系数，其对于铜线为0.00393 /℃。
当螺线管没有起作用时（710）（1），实际的螺线管能量Esol_act和温度调节的螺线管能量Esol_adj按照以下关系式从前一次迭代（712）进位过来（carry over）：
[4]
[5]
因此，螺线管能量和电阻可以被确定并用来评估如本文所述的（包括参照图8-1和8-2）起动机SOH。
图8-1图形地示出了结果，其包括用于采用功能性的起动机螺线管802的起动机的电能（焦耳），用于采用具有小齿轮螺线管804故障的起动机螺线管的起动机的电能（焦耳）和用于采用具有马达螺线管806故障的起动机螺线管的起动机的电能（焦耳）。与一系列可允许的电能（焦耳）相关联的工作带（operating band）808也同样示出。图8-2图形地示出了结果，其包括用于采用功能性起动机螺线管812的起动机的等效电阻（欧姆），用于采用具有小齿轮螺线管814故障的起动机螺线管的起动机的等效电阻（欧姆）和用于采用具有马达螺线管816故障的起动机螺线管的起动机的等效电阻（欧姆）。与一系列可允许的等效电阻（欧姆）相关联的工作带818也同样示出。结果表明，在小齿轮螺线管故障的情况下，螺线管能量和电阻两者分别落在工作带808和818之外。结果表明，在马达螺线管故障的情况下，螺线管能量和电阻两者分别可能落在工作带808和818内。因此，需要附加的信息以检测和隔离马达螺线管故障的存在。
图9以流程图的形式示意性地描述了马达螺线管隔离程式228，用于隔离在马达螺线管中的故障。马达螺线管隔离程式228优选地作为一个或多个程式和相关联的校准在控制模块50中执行。如结合图4-3所示出的，马达螺线管的故障引起在起动机开始运行期间螺线管电流振铃。因而马达螺线管隔离程式228操作成在起动事件期间依据电流振荡的量和电流振荡的幅度来测量电流振铃。表4作为图9的关键而提供，其中，带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表4
每次迭代（902），定时器及最大电流（IBmax）初始化为零（904）并且复位信号R被监控（906）。此环继续执行，同时复位信号R被激活，即设置为等于1（906）（1）。当复位信号R被去激活，即设置为等于零（906）（0），最大电流IBmax按照以下关系式被确定为来自前一个周期的峰值电流IBmax（t-1）和来自前一个周期的电流IB（t-1）的最大值（908）：
[6]
用于本周期t的电流IB（t）和峰值电流IBmax（t）的比率也根据以下关系式来确定：
[7]
当前周期的电流IB（t）与马达螺线管阈值电流IB_th_ms相比较，且比率与马达螺线管阈值比率rth_ms相比较（910）。在当前周期的电流IB（t）大于或等于马达螺线管阈值电流IB_th_ms，以及比率小于马达螺线管阈值比率rth_ms或起动机马达转速Nspd等于或小于时（910 ）（1），定时器增加（914）。在当前周期的电流IB（t）不大于或等于马达螺线管阈值电流IB_th_ms，或者比率不小于马达螺线管阈值比率rth_ms以及起动机马达速度Nspd不等于或小于（910）（0），则定时器对于此迭代保持不变（912）。
马达螺线管因子（factorms）基于定时器的幅度从预定的校准中选出（916）。图10图形地示出了示例性校准曲线，其包括相对于在水平x轴上的定时器的幅度的在垂直y轴上的马达螺线管因子（factorms）。马达螺线管因子与阈值马达螺线管因子相比较（918），且当马达螺线管因子小于阈值马达螺线管因子时（918）（1），在马达螺线管中的故障被检测（920）且这程式的此迭代结束（924）。当马达螺线管因子大于或等于阈值马达螺线管因子时（918）（0），在马达螺线管中未检测到故障（922）并且程式的此迭代结束（924）。因而马达螺线管隔离程式228操作成在起动事件期间依据电流振荡的量和电流振荡的幅度测量电流振铃。
图10图形地示出了用于相对于在水平x轴上的时间180绘制的在垂直的Y轴上的马达螺线管因子（factorms）190的校准。马达螺线管因子190的范围从与时间的低量相对应的最大值1.0至随着时间增加接近0.0的最小值。时间180与这样的时间段相关联，在该时间段期间电池电流振荡，即在发送机起动期间振铃，且时间180提供在马达螺线管中的存在故障的指示。
图11示意性地描述了通过评估螺线管能量来确定螺线管功能可用性229的程式。评估螺线管能量的程式优选地作为一个或多个程式和相关联的校准在控制模块50中执行。表5作为图11的关键而提供，其中，带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表5
当开始程式720时，实际的螺线管能量（Esol_act（t））被评估以确定实际的螺线管能量是否在由高标称螺线管能量（Es_Hi_nom）和低标称螺线管能量（ Es_Low_nom）所限定的能量带之内（722），其中按照制造商规格为起动系统操作确定能量带。当螺线管能量处于能量带内时（722）（1），能量螺线管因子（Esol_factor）被设置为等于1（724）且此迭代结束。
当螺线管能量处于能量带之外（722）时（0），螺线管能量因子与高标称螺线管能量相比较（726），当它大于高标称螺线管能量时（726）（1），螺线管能量因子作为实际的螺线管能量和高标称螺线管能量的比率被计算（728）。当它小于高标称螺线管能量时（726）（0），螺线管能量因子作为实际螺线管能量和温度调节的螺线管能量中的最小值，与低标称螺线管能量的比率而被计算（730）。
用于此迭代的温度调节的螺线管能量（Esol_adj（t））被评估以确定它是否处于由高标称螺线管能量和低标称螺线管能量所限定的能量带之内（732）。当温度调节的螺线管能量大于或等于高标称螺线管能量或者小于或等于低标称螺线管能量时（732）（1），故障标志（fault flag）被设置为等于1（Fflag = 1） （736）并且此迭代结束（738）。当温度调节的螺线管能量不大于或等于高标称螺线管能量以及不小于或等于低标称螺线管能量（732）时（0），故障标志被设置为等于0（Fflag = 0）（734）并且此迭代结束（738）。
图12以流程图的形式示意性示出了第三程式230，用于确定和评估起动机螺线管SOH。第三程式230优选地作为一个或多个程式和相关联的校准在控制模块50中执行。表6作为图12的关键而提供，其中，带有数字标记的块和相对应的功能被说明如下。
表6
当开始程式（750）时，第三程式230按照以下关系式计算螺线管SOH（752）：
[8]
其中，Esol_factor是螺线管能量因子，和
factorms是马达螺线管因子。
螺线管SOH和第一阈值（SOH_th_1）相比较（754）且当螺线管SOH大于第一阈值时（754）（1），螺线管被视为有功能的且正常的（755）。
当螺线管SOH不大于第一阈值时（754）（0），操作通过比较马达螺线管因子（factorms）和阈值因子（factorms_th）（756）而继续。当马达螺线管因数小于或等于阈值因子时（756）（1），马达螺线管故障被检测出（757）。
当马达螺线管因子不小于或等于阈值因子时（756）（0），螺线管SOH与第一阈值（SOH_th_1）和第二阈值（SOH_th_2）相比较，且故障标志Fflag被评估（758）。当螺线管SOH小于第一阈值且大于第二阈值，且故障标志为“0”时（758）（1），则确定的是螺线管功能已退化。第一阈值和第二阈值基于采用具有与在不同的操作条件下执行发动机起动的能力有关的诱发故障的螺线管的起动器的评估，和起动螺线管SOH相对应的确定以及基于用于在其运行直到发动机起动的期间所需的螺线管能量而被确定。当螺线管SOH不小于第一阈值或不大于第二阈值，或故障标志不为“0”时（758）（0），小齿轮螺线管故障被检测出（760）。以这种方式，本文所描述的程式可检测由过热、与小齿轮螺线管电线短路有关的故障、电刷磨损和马达螺线管故障所引起螺线管的退化。
本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。当阅读和理解本说明书时，进一步的修改和变型容易被其它人所想到。因此，本发明并不旨在限于一个或多个特定的实施例，其作为设想成用于实施本公开的最佳方式，而是本公开将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (19)

1.一种用于监控内燃发动机的起动机的方法，包括：
确定由小齿轮螺线管和马达螺线管运行以激活和旋转电动的起动机马达的小齿轮所消耗的电能，所述小齿轮在发动机起动事件期间能够啮合接合所述发动机的飞轮的起动机环形齿轮部分；
监控在所述发动机起动事件期间所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的电流振铃；以及
基于在所述发动机起动事件期间所述电流振铃和所述所消耗的电能，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的故障。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能包括：
确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的等效电阻；
基于所述小齿轮螺旋管和所述马达螺线管的所述等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于在所述发动机起动事件期间的电流，确定螺线管能量。
3.如权利要求2所述的方法，其中，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻包括：
监控在所述小齿轮螺线管激活之前的所述马达螺线管激活期间经过所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的电流和电池电压；以及
基于所述电池电压和所述电流，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻。
4.如权利要求2所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间的所述电流来确定所述螺线管能量包括将这样的项积分，所述项包括将在所述发动机起动事件期间的所述电流乘以所述电池电压。
5.如权利要求2所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能还包括：
基于温度，调节所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的温度调节的等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于所述发动机起动事件期间的所述电流，确定螺线管能量。
6.如权利要求1所述的方法，其中，识别在所述小齿轮螺线管中的故障包括当所述所消耗的电能大于预定的电能阈值时，识别在所述小齿轮螺线管中的故障。
7.如权利要求1所述的方法，其中，识别在所述马达螺线管中的故障包括当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于预定的电流振铃阈值时，识别在所述马达螺线管中的故障。
8.如权利要求7所述的方法，其中，当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于所述预定的电流振铃阈值时，识别在所述马达螺线管中的所述故障包括确定与所述电流振铃相互关联的时间因子以及当与所述电流振铃相互关联的时间因子小于预定的时间因子阈值时，识别在所述马达螺线管中的所述故障。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于所述起动机的所述电能和所述电流振铃，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的健康状态（SOH）；以及
基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障。
10.如权利要求9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障包括：
当所述小齿轮和所述马达螺线管的所述SOH小于预定的SOH阈值以及与所述电流振铃相互关联的时间因子小于预定的时间因子阈值时，识别所述马达螺线管故障。
11.如权利要求9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的所述电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的所述故障包括：
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于预定的SOH阈值以及在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能大于预定的电能阈值时，识别所述小齿轮螺线管故障。
12.如权利要求9所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能、所述电流振铃和所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的故障包括：
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于第一预定的SOH阈值且大于第二预定的SOH阈值以及在所述发动机起动事件期间所述所消耗的电能处于能够允许的范围之内时，识别螺线管退化。
13.一种用于监控用于内燃发动机的起动机的电动马达的小齿轮螺线管和马达螺线管的方法，包括：
监控电流和在发动机起动事件期间所述起动机的所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能；
确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能；
监控在所述发动机起动事件期间与激活所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管相关联的电流振铃；以及
基于所述电流振铃和在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的电能，识别在所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管中的一个的故障。
14.如权利要求13所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能包括：
监控在所述小齿轮螺线管激活之前的所述马达螺线管激活期间经过所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的电流和电池电压；
基于所述电池电压和所述电流，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻，在所述发动机起动事件期间确定电流；以及
基于在所述发动机起动事件期间的所述电流，确定螺线管能量。
15.如权利要求14所述的方法，其中，基于在所述发动机起动期间的所述电流来确定所述螺线管能量包括将这样的项积分，所述项包括将在所述发动机起动事件期间的所述电流乘以所述电池电压。
16.如权利要求14所述的方法，其中，确定在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能还包括：
基于温度，调节所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述等效电阻；
基于所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的温度调节的等效电阻，确定在所述发动机起动事件期间的电流；以及
基于所述发动机起动事件期间的所述电流，确定螺线管能量。
17.如权利要求13所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能和所述电流振铃，识别在所述小齿轮螺线管中的故障包括，当在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能大于阈值时，识别在所述小齿轮螺线管中的故障。
18.如权利要求13所述的方法，其中，基于在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能和所述电流振铃，识别在所述马达螺线管中的故障包括，当在所述发动机起动事件期间所述电流振铃大于阈值时，识别在所述马达螺线管中的故障。
19.如权利要求13所述的方法，还包括：
基于所述电流振铃和由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能，确定所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的健康状态（SOH）；以及
当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于第一阈值且与电流振铃相互关联的时间因子小于阈值时，识别在马达螺线管故障以及当所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管的所述SOH小于所述第一阈值且在所述发动机起动事件期间由所述小齿轮螺线管和所述马达螺线管所消耗的所述电能大于阈值时，识别小齿轮螺线管故障。
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