CN106795827A - 用于跳过点火式发动机的进气诊断 - Google Patents

用于跳过点火式发动机的进气诊断 Download PDF

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Abstract

描述了各种各样用于检测在内燃发动机中的、所命令的空气进气的失效的方法和安排。在一些实施例中，监测进气歧管压力。空气进气事件产生进气歧管压力的波动，这被记录下。通过诊断滤波器处理该信号以帮助确定实际进气是否与所命令的进气相匹配。在其他实施例中，将所测量的曲轴加速度与估算的曲轴加速算进行对比。如果这两个量相差出阈值量，则检测到进气故障。还可以组合这两种检测方法。所描述的方法尤其良好适用于以具有汽缸停用的跳过点火模式和/或动态点火水平调整模式来运行的发动机。

Description

用于跳过点火式发动机的进气诊断
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年10月23日提交的临时申请号62/067,873的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及用于诊断内燃发动机中的进气故障的方法和机构。不同实施例涉及对进气歧管压力和/或曲轴角加速度的测量和分析以诊断进气故障。
背景技术
现今在运行中的多数车辆是通过内燃(IC)发动机来供能的。内燃发动机典型地具有多个汽缸或发生燃烧所在的其他工作室。由发动机产生的动力取决于递送至每个工作室的燃料和空气的量。
内燃发动机的燃料效率可以通过改变发动机排量而有实质性改善。这允许在需要时可获得最大转矩，还可以通过在不需要最大转矩时使用较小的排量而显著地减少泵送损失并改善热效率。现今实现一个可变排量发动机的最常见的方法是基本上同时停用一组气缸。在此方法中，当希望跳过燃烧事件时，与所停用的汽缸相关联的进气阀和排气阀保持关闭并且没有燃料喷射。例如，8缸可变排量发动机可以停用这些缸中的一半(即，4个缸)，这样使得仅使用剩余的四个缸进行运转。现今可获得的可商购的可变排量发动机典型地仅支持两种或至多三种排量。
改变发动机的有效排量的另一种发动机控制方法被称为“跳过点火”发动机控制。总的来说，跳过点火式发动机控制设想在所选点火时机过程中选择性地跳过某些缸的点火。因此，特定汽缸可以在一个发动机循环过程中被点火、并且然后在下一个发动机循环过程中被跳过、并且在下下一个发动机循环过程中被选择性地跳过或点火。以此方式，对有效发动机排量的更加精细的控制成为可能。例如，对4缸发动机中的每隔两个缸进行点火将提供有效减少最大发动机排量的1/3，这是通过简单地停用一组缸来产生均匀的点火图案所不能获得的分量排量。类似地，在3缸发动机中每隔一个汽缸进行点火将提供1/2的有效排量，这是通过简单地停用一组汽缸所不能获得的。
美国专利号8,131,445(通过引用结合于此)传授了一种使用动态跳过点火运行方法的连续可变排量发动机，该发动机允许使用单独的汽缸停用平均出任何点火汽缸分数。以跳过点火运行的连续可变排量模式中，所递送的转矩量一般严重依赖于点火分数或没有被跳过的燃烧事件分数。在其他跳过点火方法中，可以从由一组可用的点火图案或分数选定特定的点火图案或点火分数。
为了以动态跳过点火控制来运行，必须以比这些汽缸一直启用的情况更复杂的方式来控制进气阀和排气阀。确切地说，这些进气阀和/或排气阀在跳过的工作循环过程中保持关闭以便使泵送损失最小化。这与依靠所有气缸运转的一个发动机形成对照，在该发动机中，这些进气阀和排气阀在每个工作循环中开启和关闭。现今在用的多数车辆使用凸轮轴来打开和关闭这些进气阀。阀系可以结合凸轮相位器来控制相对于曲轴的阀门打开和关闭的定时。一些凸轮操作发动机还具有可调阀升程。例如，一些发动机具有使阀在“高升程”水平与“低升程”水平之间切换的机构；例如，对于“高升程”最大为11mm的升程以及对于“低升程”最大为4mm的升程。作为对凸轮控制阀的替代方案，一些发动机使用电子阀致动，因为阀运动没有受到凸轮轴旋转限制，所以这在阀打开方面具有更多的灵活性。
对于凸轮操作阀，一种用于将阀停用的方法是将可折叠阀挺杆结合到阀系中。为了将阀启用，挺杆保持其完全伸开，并且为了将阀停用，挺杆折叠从而不会将凸轮凸部轮廓传递至阀。阀的启用/停用是由螺线管控制的，该螺线管通过将高压油提供至可折叠挺杆来使得阀停用。存在其他机构来使具有凸轮操作阀的发动机中的阀停用。
美国专利申请号14/487,563、14/582,008和14/700,494传授了在燃烧事件后感测排气阀打开失效的方法，它们各自通过引用以其全文结合于此。如在这些申请中所指出的，排气阀打开失效将导致高压燃烧气体困在汽缸中，这可能在进气阀尝试对抗这种高压而打开时引起进气阀及其关联机构的损坏。
进气阀在跳过点火控制下的启用或停用失效还可能在发动机运行方面具有有害影响。进气阀打开失效将导致错过计划中的点火事件。这可能引起将未燃烧的碳氢化合物传输至发动机排气并且可能导致不可接受的排放物。还将存在发动机转矩损失并且增加的发动机粗爆性。进气阀关闭失效可能导致增加的泵送损失和在排放气体中有害地影响催化转化器的过量氧气。在凸轮调整机构中的失效还可能引起排放物和发动机性能问题。在所有情况下，可能需要将有关进气阀和凸轮失效的信息传达至车辆车载诊断(OBD)系统以满足政府规程，例如由加州空气资源委员会(CARB)强制实施的那些规程。因此希望定时确定实际汽缸空气进气是否与所命令的操作相准确匹配。
发明内容
描述了各种各样用于检测在内燃发动机中的、所命令的空气进气的失效的方法和安排。在一些实施例中，监测进气歧管压力。空气进气事件产生进气歧管压力的波动，这被记录下。通过诊断滤波器处理该信号以帮助确定实际进气是否与所命令的进气相匹配。当检测到进气故障时，可以产生进气故障信号来识别故障。
在其他实施例中，一种用于检测内燃发动机中的汽缸的进气失效的方法利用曲轴角加速度中的波动。所测量的角加速度与基准角加速度进行对比。如果所测量的值偏差多于规定阈值，则产生故障信号。在一些实施例中，该故障信号是在发生故障的同一发动机循环过程中产生的。
在其他实施例中，基于进气歧管压力的诊断可以与基于曲轴加速度的诊断组合来提供更高的进气故障检测准确度。
所描述的方法尤其良好适用于以具有汽缸停用的跳过点火模式和/或动态点火水平调整模式来运行的发动机。
使用所描述的技术可以检测各种不同的进气故障，包括进气阀启用失效、进气阀停用失效和阀升程故障(例如，阀升程过低和/或阀升程过高)。
在非排他性的实施例中，对表明进气歧管压力的信号进行滤波以减少该进气歧管压力信号的低频信号分量。然后将经滤波的信号与故障阈值进行对比，并且当经滤波的信号超过该故障阈值时产生故障信号。在一些实施例中，使用互补滤波器来对该进气歧管信号进行滤波。
附图说明
通过参照以下结合附图给出的说明，可以最好地理解本发明及其优点，在附图中：
图1是示出了内燃发动机的一个汽缸的一部分的示意图。
图2是阀升程对曲轴转角的代表性绘图。
图3是针对高升程和低升程阀规划的、汽缸空气进气质量(MAC)对凸轮转角的代表性绘图。
图4是根据本发明的特定实施例的发动机控制器和进气故障检测单元的框图。
图5A是在正常跳过点火运行期间进气歧管绝对压力(MAP)和点火使能信号对时间的代表性绘图。
图5B是进气故障期间进气歧管绝对压力(MAP)和点火使能信号对时间的代表性绘图。
图6是根据本发明的特定实施例的诊断滤波器电路的框图。
图7A是根据本发明的实施例的诊断滤波器的输出的代表性绘图。
图7B是根据本发明的实施例的表明进气故障的输出信号的代表性绘图。
图8是根据本发明的实施例的用于产生表明进气故障的输出信号的系统的框图。
图9是受试汽缸针对不同类型的进气事件跨发动机循环吸收和产生的转矩的代表性绘图。
图10是受试汽缸针对不同类型的进气事件跨发动机循环引起的计算曲轴加加速度(crankshaft jerk)的代表性绘图。
在附图中，有时使用相同的参考号来表示相同的结构要素。还应当认识到，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。
具体实施方式
本发明是用于确定在内燃发动机中空气进气失效的方法和设备。进气失效可能由于进气阀启用或停用失效或者对阀升程命令的不适当响应。由于在跳过点火运行中固有的频繁的汽缸启用/停用，本发明对于动态跳过点火控制的内燃发动机特别有用。在一些实施例中，算法使用进气歧管绝对压力来确定进气阀是否已经按照其命令状态而适当致动。在其他实施例中，算法使用进气歧管绝对压力来确定凸轮阀升程设定是否已经按照其命令状态而适当致动。在其他实施例中，可以使用曲轴角加速度的测量值或其时间导数来确定同一功能。在更进一步的实施例中，这些方法可以相结合以提供更加鲁棒的诊断。在此描述的诊断技术改善了发动机效率、减少了有害排放物并且降低了发动机部件劣化的风险。这些技术能够在发生故障的同一发动机循环中检测该故障并且确定是哪个汽缸具有该故障。
总的来说，跳过点火式发动机控制设想在所选点火时机过程中选择性地跳过某些缸的点火。因此，例如，特定汽缸可以在一个点火时机过程中被点火并且然后可以在下一个点火时机过程中被跳过，并且然后在下一个点火时机过程中被选择性地跳过或点火。可以逐个点火时机地作出点火/跳过决定，并且点火控制器典型地包括跟踪已经请求但没有递送的、或已经递送但没有请求的点火的一部分的累加器功能。此决定典型地是在点火事件之前的一定数量的点火时机做出，以便给予该控制系统时间来针对跳过或点火事件正确地规划该发动机。跳过点火控制与常规可变排量发动机操作形成对照，在常规可变排量发动机的运行中，在某些低负载运行条件的过程中停用固定的一组汽缸。
当可变排量发动机中的汽缸被停用时，该汽缸的活塞典型地仍然往复运动，然而，空气和燃料都没有被递送到该汽缸，因此该活塞在发动机循环上并不递送任何净动力。由于“被停用”的汽缸不递送动力，所以成比例地增加了剩余汽缸上的负载，由此允许这些剩余汽缸以提高的热力学效率来运行。通过跳过点火控制，在空气不被泵送穿过汽缸并且在被跳过工作循环过程中无燃料被递送的意义上，汽缸也优选地在被跳过的工作循环循环中被停用。这需要阀停用机构，其中汽缸的进气阀和排气阀在工作循环过程中保持关闭。在这种情况下，在被跳过的工作循环过程中，没有空气被引入到停用的汽缸中，由此减少泵送损失。
图1展示了内燃发动机110的汽缸，该内燃发动机包括汽缸161、活塞163、进气歧管165、火花塞190、以及火花间隙191和排气歧管169。节气门171控制空气从空气过滤器或其他空气源到进气歧管中的流入。空气穿过进气阀185从进气歧管165引入到汽缸161中。燃料通过端口喷射或直接喷射到汽缸中而添加至此空气(在图1中未示出)。通过存在于火花间隙191中的火花使空气/燃料混合物开始燃烧。来自燃烧的膨胀气体增加了汽缸中的压力并且向下驱动活塞163。活塞的往复直线运动由连接曲轴183的连杆189转化为旋转运动。燃烧气体通过排气阀187从汽缸161排放。
可以使用凸轮轴(图1中未示出)使进气阀和排气阀与曲轴旋转同步移动。旋转中的凸轮轴调整进气阀和排气阀的打开和关闭。凸轮轴包括多个凸轮凸部，这些凸轮凸部各自具有与阀升程规划相关联的轮廓。阀升程规划包括阀打开的时间量(即，历时)和阀打开的幅度或程度(即，升程)。阀相对于曲轴的相位确定可以由凸轮相位器(图1中未示出)控制。一些发动机采用允许可变阀升程的阀系。阀升程可以是连续控制的或逐级可选的，例如，两级或三级。进气阀的可变升程可以减少泵送损失并且可以通过更好的空气/燃料气体动力学而有助于改善燃烧。
图2展示了与两级阀规划相关联的阀升程轮廓。曲线202和204展示了与排气阀正时相位调整的极端值相关联的排气阀升程轮廓。曲线206和208展示了针对“高升程”规划的、与进气阀正时相位调整的极端值相关联的进气阀升程轮廓。曲线210和212展示了针对“低升程”规划的、与进气阀正时相位调整的极端值相关联的进气阀升程轮廓。实曲线202、206和210代表与最大凸轮相位器提前相关联的阀升程轮廓。虚曲线204、208和212代表与最大凸轮相位器滞后相关联的阀升程轮廓。
图3展示了空气进气对于不同凸轮相位器和阀升程规划的结果量。总体上，“低升程”规划222与“高升程”规划224相比将更少的空气引入到汽缸中。可以使用在此描述的诊断来检测在引入空气226的量中的这种不同。引入空气的量将还随着MAP和发动机速度而改变。在引入空气质量(即，空气进气质量(MAC))中的改变将影响进气歧管压力和曲轴角加速度。这些改变可以被在此描述的诊断设备和方法感测到并且用于确定引入空气的量是否与命令值基本匹配。如果所测量的值偏差多于规定阈值，则可以产生故障信号。
参见图4，将描述根据本发明特定实施例的发动机控制器100。发动机控制器100包括点火分数计算器112、点火正时确定模块120、发动机控制单元140和进气故障检测单元102。
首先，点火分数计算器112接收输入信号，该输入信号被处理成对所希望发动机输出的要求。点火分数计算器112被安排成确定在所选择的运行条件下会对于递送所希望的输出相适合的点火分数、点火序列、点火图案或点火密度。该点火分数指示了在当前(或指定的)运行条件下为了递送所希望的输出而要求的点火分数或百分比。点火分数计算器产生命令点火分数113，该命令点火分数被点火正时确定模块120和进气失效检测单元102接收。
点火正时确定模块120被安排成用于发出点火命令序列(例如，驱动脉冲信号115)以致使发动机递送由所命令的点火分数113指定的点火百分比。由点火正时确定模块120输出的该系列点火命令传递到点火控制单元(ECU)140，该点火控制单元协调实际点火。点火正时确定模块120被安排成将多种多样的点火信息递送至进气故障检测单元102。这可以包括但不限于驱动脉冲信号115或点火序列、对于特定工作室的点火决定、表明那个工作室的编号或标识的信号、和/或选定工作室的点火历史。在多种不同应用中，此信息可以直接在进气故障检测单元102与点火正时确定模块120之间发送，或者进气故障检测单元102能够推断此信息。例如，如果点火正时确定模块120将点火/跳过信号发送至进气故障检测单元102，则可以在信号线161和162上发送在凸轮规划和相位上额外的信息。这两段信息(点火/跳过决定和阀规划)将允许进气故障检测单元102确定哪个汽缸被点火/跳过以及与点火时机相关联的预期MAC(其是否应当为点火)。进气失效检测单元102可以包括延迟框143，该延迟框补偿在所命令的阀致动信号115和/或信号113与实际阀运动之间的延迟。应理解的是，在图4中示出的发动机控制器可以通过多种方式进行配置，例如，进气失效检测单元102可以整合到发动机控制器100中。
许多跳过点火式发动机方法的优点在于有关未来点火决定的信息是在点火实际发生之前已知的。本发明的不同实现方式利用了这个特征。更确切地，以多种多样的方式来使用点火信息，从而估算在MAP和/或曲轴加速度方面的预期波动。然后可以做出所观测到的波动是否与所估算的波动一致的对比。如果所观测到的波动距所估算的波动超过限定范围，则可以得到故障指示。可以使用进气失效检测单元102来检测在进气阀和阀升程水平方面的故障。尽管本发明设想使用动态跳过点火式发动机控制，但这不应被认为是限制性的。本发明可以用于依靠所有汽缸运行的发动机或可变排量发动机，即，固定排量等级。这些控制系统一般具有与跳过点火控制发动机相比更加均匀间隔的进气事件，尽管引入空气的量与跳过点火控制相比可能改变得更多。
本申请的受让人已经在多种多样的跳过点火和其他发动机设计方面提交了多个专利申请，例如，美国专利号7,954,474；7,886,715；7,849,835；7,577,511；8,099,224；8,131,445；和8,131,447；8,616,181；8,701,628；9,120,478以及美国专利申请号13/774,134；13/963,686；13/963,759；和13/961,701，其各自出于所有目的通过引用以其全文结合于此。前述申请中的许多申请描述了可以整合到发动机控制器100和进气失效检测单元102中或者与该发动机控制器和该进气失效检测单元连接的点火控制器、点火分数计算器、滤波器、动力传动系参数调整模块、点火正时确定模块、和其他机构。
基于进气歧管压力的诊断
在一些实施例中，可以使用利用进气歧管绝对压力(MAP)方面的信息的算法来确定进气故障。在MAP中的变化可能得自于多种分量的叠加：(1)用于调整平均汽缸充注的可能稳定地缓慢变化的平均歧管压力；(2)反映驾驶者输入的缓慢变化的分量或者在跳过点火式发动机的情况下响应于点火密度改变的平均歧管压力的较快的增加和衰退；(3)较高频率波，这些频率波是由间隔的进气激励的进气歧管自然共振，就像由间隔的吹动激响的铃铛；以及最后的(4)由单独的进气或漏掉的进气激励的波。
图5A绘制了对于以1250rpm和2/3的点火分数的跳过点火模式运行的八缸发动机的跨多个点火时机的测量MAP。2/3的点火分数导致随着在点火使能信号502中高到低的变化而显现的点火-点火-跳过-点火……的图案。可以通过位于进气歧管中的一个或多个压力传感器来确定该测量MAP。该一个或多个MAP传感器具有大于1kHz的自然带宽。图5A示出了在测量MAP 504中的规律图案。在点火事件过程中空气到汽缸中的进气导致MAP下降。相反地，与汽缸跳过相关联的不存在空气进气导致在跳过进气事件过程中MAP增加。
如果发动机以类似于图5A中示出的规律点火图案运行，进气失效将随着与那个图案偏离而显现。图5B示出了与图5A中的相同运行条件，除了汽缸在所命令的跳过事件510过程中未能停用。在MAP 512中存在持续下降而不是升高。可以检测到这种打破MAP信号图案并且用作进气故障诊断。
图6示出了诊断滤波器600，该诊断滤波器可以用于将低频MAP信号分量(1)和(2)与较高的频率分量(3)和(4)分开。经滤波的输出608与MAP信号输入612相比，基本上减少了低频信号分量。去除低频分量使得后续的诊断阈值对比和逻辑更加简单，因为其时间尺度远不同于由(3)和(4)导致的信号。由于命令进气或停用造成的最后分量(4)可以与其预期值进行对比并且用于诊断合适的进气表现，即，汽缸跳过/点火是否按照命令执行和/或阀升程规划是否按照命令执行。所使用的诊断滤波器可以通过使用两个完全相同的级联一阶低通滤波器602和604对输入信号612进行滤波并且然后由输入信号612减去这个输入610来构建，如图6中示出的。这种架构导致没有任何DC偏置的经输出滤波的信号608并且减少了低频含量。诊断滤波器600可以被称为互补滤波器，因为其将高频分量分离出来并将这些高频分量与总信号隔离。这种滤波器具有最小的相位延迟，这允许在与发生故障的同一发动机循环过程中检测进气故障。虽然在图6中示出的滤波器结构运作良好，但它不是仅有的可能形式，并且可以使用其他类型的低通滤波器结构。
输入至第一低通滤波器602和第二低通滤波器604的ω填充是基于进气歧管截止频率、歧管填充或清空指数时间常数的倒数。歧管的3dB截止频率ω歧管可以通过歧管尺寸和动态响应或一些其他手段来确定。频率ω填充可以是歧管的3dB截止频率ω歧管的K倍，并且K可以在10的量级上。常数K取决于多种不同发动机参数，例如但不限于，歧管容积、总发动机排量、和汽缸的数量。它还可以根据多个发动机参数而改变，例如但不限于，凸轮转角、阀升程规划、和发动机速度。它还可以随着诸如离散或连续实现方式的控制实现方式架构而改变。如之前提及的，从初始信号612减去输出610导致不具有DC和较低的频率分量的输出滤波的信号608，从而将诊断集中于由阀运行故障引入的较高的频率分量。诊断滤波器600使用ω填充来减少来自驾驶者输入和低频填充和清空干扰的低频压力变化的影响。这有助于应用阈值，因为滤波器输出在故障时产生大的正偏差。由故障产生的正偏差将超过所应用的阈值。
图7A示出了来源于图5B中示出的MAP信号504的结果诊断滤波器输出608。还包括在图7A中以用于参考的是MAP信号504和点火使能信号502。区域720代表无故障区域，其中发动机适当地执行来自发动机控制器的进气命令。再一次地，命令跳过事件510未能将进气阀停用，并且该汽缸经历进气事件。当这个故障发生时，诊断滤波器输出608超过阈值710，从而产生进气故障信号(在图7A中未示出)。注意到的是，滤波器输出608具有接近为零的平均值(参照图7A中的右侧竖直轴线)。
以上描述的故障诊断设备和方法对于以重复点火图案运行的发动机而言运作良好；然而，它在动态跳过点火运行下可能并不鲁棒。动态跳过点火运行与更加常规的发动机中的运行是非常不同的，在更加常规的发动机中，每个工作室稳定点火；例如，对于4冲程发动机而言发动机每两转点火一次。因为动态跳过点火式发动机控制可以涉及具有不同点火序列的不同工作室，所以尤其是当点火分数改变时的瞬变运行过程中存在较大可能性有复杂的MAP表现。
由于经滤波的输出608在瞬变发动机运行中漂移并且可能导致错误的故障指示，所以可以通过将额外的处理应用于经滤波的输出608来实现改善的故障检测。在图7B中示出了这种方法的结果。此图与具有共同标记符的图7A类似，除了经滤波的输出608已经由输出信号730代替并且阈值710和740可以不同。在图7B中，一旦输出信号730超过阈值740就检测到进气故障。再次地，注意到的是，滤波器输出730具有接近为零的平均值(参照图7B中的右侧竖直轴线)。
可以使用图8中示出的系统产生输出信号730。图8是系统800的示意图，该系统采取来自诊断滤波器600的经滤波的输出608和来自发动机控制器100(图4中示出)的点火信息来作为输入。系统800采取在经滤波的输出608与信号810的延迟版本之间的差值来产生输出信号730。延迟的量是由可变延迟框802确定的，该可变延迟框作为输入而具有来自发动机控制器的输入点火信息804。在一个实施例中，输入点火信息804包括运行点火分数。由延时框802应用的延时间隔可以是点火分数的分母乘以点火时机之间的时间。这有效地产生了输出信号730，该输出信号将针对当前点火时机的经滤波的输出608表现与其在最后一次类似的点火时机(即，在周期点火图案中的同一阶段)时的值进行对比。如在图7B中示出的，在无故障运行的区域720中，在输出信号730中与经滤波的输出608相比存在较少的变化。在瞬变过程中，点火分数可以不是统一的，因此点火分数的分母没有唯一限定。在这种情况下，所选择的延时可以是具有与受测试的时机相同的命令进气条件的最近的点火时机。这种算法在输出信号730上与经滤波的输出608相比还具有较低的噪音。
应理解的是，可以调整采样和滤波的速率以提供鲁棒的故障检测而没有过多的处理要求。例如，MAP信号可以以1毫秒的速率递送，而诊断滤波器输出608可以以较小的频率间隔更新，例如图7A和图7B中描绘的90度曲轴转角。采样和处理速率可以基于时间、曲轴旋转(角)、或其多种不同的组合及置换。同样，用于故障检测的阈值水平可以是基于发动机MAP、发动机速度和其他变量的变量。
对进气故障检测设备和方法的前述说明使用了检测进气失效的实例，该进气失效来自于命令跳过事件错误地导致所不旨在的汽缸进气事件。相同的方法和设备可以与对阈值的适当调整一起使用，从而检测其他类型的进气失效，例如，点火命令导致跳过、高升程命令导致低升程或低升程命令导致高升程。还应理解的是，可以使用其他滤波方法来将与特定进气时机相关的波动隔离并且确定它们是否匹配预测波动。
基于曲轴角加速度的诊断
在一些实施例中，可以使用利用曲轴角加速度方面的信息的算法来确定进气故障。图9示出了与不同类型的命令进气阀动作相关联的、跨发动机循环的汽缸转矩轮廓。具有高升程阀规划的点火命令在上止点(TDC)之后产生大转矩脉冲，曲线1010。具有低升程阀规划的点火命令在上止点(TDC)之后产生较小的转矩脉冲，曲线1012。两个曲线1010和1012还在TDC之前显示有负转矩脉冲。相比之下，由于进气阀保持关闭而不具有进气的命令跳过导致产生或吸收小的转矩，曲线1014。这些转矩特征信号的区别可以用于诊断进气故障。
可以估算所有发动机汽缸的转矩特征信号和其他发动机负载来确定作用在曲轴上的总净转矩。在跳过点火运行中，每个汽缸的转矩特征信号可以逐周期地改变，并且在计算总净转矩时必须对此加以考虑。由于曲轴角加速度与转矩成比例，就可以计算净曲轴角加速度。所计算的角加速度可以被限定为基准角加速度。基准角加速度代表不存在任何故障时的预期曲轴角加速度。
可以使用来自曲轴旋转传感器的输入来确定实际曲轴角加速度，该曲轴旋转传感器测量在安装于曲轴上的指示物相继经过固定点的多次经过之间的时间段。所测量的曲轴加速度信号可以与基准加速度进行对比。如果所测量的加速度信号距基准加速度偏差多于规定阈值，则产生故障信号。
有利的是，在受试汽缸的压缩冲程与动力冲程之间在TDC略微之前和稍微之后的时间窗口1013中对所测量的曲轴加速度与基准曲轴加速度进行对比。如图9中示出的，在这个区域中不同进气状态(高升程、低升程、无升程)之间的转矩不同是最大的，因此在这个时间窗口期间检测不同是最容易的。可以跨整个时间窗口1013或其任一部分或多个部分来进行对比。
在确定基准加速度方面，关键的是考虑除受试汽缸之外的其他发动机汽缸的运行。总体上，在发动机点火顺序中与受试汽缸相邻的发动机汽缸在进气故障测试窗口1013期间在转矩方面具有最多影响并且在确定基准加速度时对其加以考虑是最重要的。特别重要的是这些汽缸是否跳过或点火，因为(如图9中示出的)最大转矩是在压缩冲程和动力冲程过程中产生的，并且相邻汽缸的这些冲程可以与受试汽缸的故障检测窗口部分地重叠。相邻的汽缸点火图案可以采取四种可能的形式，即，跳过-跳过、跳过-点火、点火-跳过、点火-点火。基准阈值可以取决于相邻的汽缸图案而改变。在美国专利申请号14/207,109和14/880,652描述了相邻汽缸在来自受试汽缸的预期转矩方面的影响，这些专利申请通过引用结合于此。在其他实施例中，可以使用考虑又另外的(例如，不相邻的)汽缸效果的更加复杂的汽缸压力模型来确定基准曲轴加速度。这可以是考虑除了仅仅在点火顺序中的相邻汽缸之外的所有汽缸或汽缸的较大子组的影响的模型。在结合的‘652申请中描述了一些这样的模型。
除了曲轴角加速度之外和/或附加于曲轴角加速度，可以使用角加速度的时间导数(加加速度)来检测进气故障。图10示出了随着曲轴转角而变化的加加速度。曲线1020、1022和1024分别示出了与高升程、低升程和无升程相关联的加加速度。这三个加加速度曲线实际上是图9中示出的角加速度曲线1010、1012和1014的斜率。使用曲轴加加速度的进气故障检测1023的时间窗口可以小于使用曲轴加速度1013的检测窗口，因为加加速度尖峰在时间范围内比与角加速度相关的那些尖峰更窄。
应理解的是，虽然在此描述的方法将基准角加速度或加加速度与对应的测量值进行对比，但还可以使用其他参数进行基本上等价的对比。例如，可以确定基准转矩来代替确定基准角加速度。然后可以做出所测量的转矩(基于曲轴角加速度)是否与基准值一致的比较。
此外，在一些跳过点火控制方案中，当受试汽缸被规划为要跳过但进气阀未能停用时，空气在进气冲程过程中引入汽缸中并被压缩；然而，该空气在燃烧冲程过程中没有点火。在这种操作中，汽缸如空气弹簧地运行。这种运行模式产生了不同的转矩和加加速度特征信号，类似于在图9和图10中针对其他运行模式所示出的那些。可以使用如上所述的相同技术来检测这种运行模式中的进气故障。
其他特征
虽然已经描述了通过测量MAP和曲轴加速度来对进气故障进行检测，但应理解的是这些方法可以彼此结合。也就是说，基于MAP的故障信号和基于曲轴加速度的故障信号可以输入到与门中。仅当两个输入均表明存在故障时才记录故障。在替代架构中，基于MAP和曲轴的诊断可以产生三种状态(是、否和可能)或持续输出。这些输出可以用多种不同方式相组合来产生故障信号。例如，可以将一个系统产生“可能”而另一个系统产生“是”解读为故障。替代性地，两个系统可以产生0至1之间的连续值，其中0代表绝对没有故障，而1代表绝对有故障。可以用多种不同方式组合中间值以确定是否存在故障。例如，如果基于MAP的系统给出0.8的读数，并且基于曲轴的系统给出0.6的读数，可以将这些读数相加给出1.4的值，该值可能高于表明故障的检测阈值。对多个输入加以组合的这些类型的架构可以导致与基于单个测量参数的系统相比较而言更少的误报故障检测。还可以将MAP和/或曲轴故障信号与其他诊断信号相组合；例如，进气阀接近度传感器、缸内压力传感器、排气压力传感器和/或氧传感器，从而提供进一步减少的错误水平。
可以将所产生的故障信号输入到OBD系统中。OBD系统可以在故障信号上执行统计分析以确定是否需要任何校正动作。例如，在特定汽缸上的再次发生的错误可能表明在那个汽缸的进气系统的一些方面中的失效，需要校正动作。指示器可以警告车辆驾驶者需要这种动作。
这些附图涉及执行多种不同功能的子部件和功能块。应理解的是，可以将这些子部件中的一些子部件组合到较大的单个部件中，或者可以使得一个子部件的特征转移到另一个子部件上。本发明设想了多种多样的用于执行在此描述的操作的控制方法和机构并且不限于附图中所明确示出的那些。例如，在这些不同的展示性实施例中，被提供给进气失效检测单元102的点火信息典型地被描述为来自点火分数计算器112和/或点火正时确定模块120。尽管这种架构运行良好，但应理解的是，这种信息可以来自于任何适当的源。例如，在许多实现方式中，点火分数计算器和点火正时确定模块的功能性将由发动机控制单元(ECU)或动力传动系控制器来完成，该发动机控制单元或该动力传动系控制器可以并没有合并容易识别出的执行对应功能的模块。
本发明主要是在控制适用于机动车辆中的4-冲程活塞发动机的点火的背景下进行描述的。然而，应理解的是，所描述的跳过点火方法非常适合用于多种多样的内燃发动机中。这些内燃发动机包括用于几乎任何类型的车辆—包括汽车、卡车、轮船、建筑设备、飞行器、摩托车、轻便摩托车等；并且适合于涉及工作室的点火和利用内燃发动机的几乎任何其他应用的发动机。所描述的这些不同途径用于以多种多样的不同热力学循环来运行的发动机，包括几乎任何类型的两冲程活塞发动机、柴油发动机、奥托循环发动机、双循环发动机、米勒循环发动机、艾金森(Atkinson)循环发动机、汪克尔(Wankel)发动机、轴向发动机以及其他类型的旋转发动机、混合循环发动机(例如，双奥托发动机和柴油发动机)、星型发动机等。还认为所描述的方法将良好地适用于新开发的内燃发动机，无论它们是否利用当前已知的或以后开发的热力学循环来运行。可以调整所描述的实施例以与具有相等或不等尺寸的工作室的发动机一起运作。
虽然所描述的实施例以动态跳过点火式发动机运行工作良好，但应理解的是，其可以应用于可能考虑到进气故障的可能性的其他类型的发动机控制。这几乎包括了任何跳过点火应用(其中在以具体运行模式运行的过程中单独汽缸有时被点火并且有时被跳过的运行模式中)，包括使用如在利用摇摆缸停用和/或多种不同的其他跳过点火技术时可能发生的固定点火图案或点火序列的跳过点火运行。类似的技术还用于多种不同类似跳过点火的技术中，例如动态跳过点火水平调整和可变冲程控制。在可变冲程发动机控制中，每个工作循环中的冲程数量被改变以便有效地改变发动机的排量。在动态点火水平调整中，点火汽缸的输出在跳过/点火类型图案中动态变化。例如，特定汽缸可以有时以“高”或“较高”转矩输出水平点火并且可以有时以“低”或“较低”转矩输出水平点火，其中“低”输出水平对应于“跳过”并且“高”输出水平对应于跳过点火图案中的点火。在另一个实例中，多水平跳过点火图案可以包括一些“跳过”、一些“低”点火和一些“高”点火。在申请人的美国专利申请号14/919,018中描述了各种各样动态点火水平调整和多水平跳过点火技术，该专利申请通过引用结合于此。在“高”点火与“低”点火之间进行区分的一种方式是调整阀升程，这可能引起可以使用所描述的技术来检测到的基于阀升程故障的进气故障。
已经总体上在跳过点火控制系统方面描述了本发明，该跳过点火控制系统在与用充注填充汽缸的进气事件同一循环过程中对燃料/空气充注进行点火。同样，已经总体上在跳过点火控制系统方面描述了本发明，该跳过点火控制系统在紧随将燃料/空气充注点火的动力冲程的排气冲程过程中从汽缸排放燃烧气体。这些阀控制方案均不是要求。汽缸可以引入空气充注并且在将充注点火之前等待一个或多个循环。类似地，汽缸可以将在燃烧事件之后的一个或多个发动机循环中将燃烧气体保持在该汽缸内。以此方式运行的发动机将具有不同的MAP和曲轴变化特征信号，但是在此描述的方法可以容易地适配来适应这些不同的阀控制方案。
虽然已经详细描述了本发明的几个实施例，但应当理解，本发明可以以许多其他形式来实施而不背离本发明的精神或范围。因此，本发明实施例应当被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在此给出的细节。

Claims (34)

1.一种检测在具有进气歧管的内燃发动机中的汽缸的进气故障的方法，该方法包括：
感测进气歧管压力并且产生表明该进气歧管压力的进气歧管压力信号；
对该进气歧管压力信号进行滤波以减少该进气歧管压力信号的低频信号分量；
将经滤波的进气歧管压力信号与故障阈值进行对比；并且
如果经滤波的进气歧管压力信号超过该故障阈值，则产生故障信号。
2.一种检测在具有进气歧管和曲轴的内燃发动机中的汽缸的进气故障的方法，该方法包括：
测量进气歧管压力；
将所测量的进气歧管压力与预期的进气歧管压力进行对比；
测量曲轴角加速度；
将所测量的曲轴角加速度与预期的曲轴角加速度进行对比；
当(i)所测量的进气歧管压力从该预期的进气歧管压力偏离多于第一规定阈值，并且(ii)所测量的曲轴角加速度从该预期的曲轴角加速度偏离多于第二规定阈值时产生故障信号。
3.如权利要求2所述的检测进气故障的方法，进一步包括对表明该进气歧管压力的信号进行滤波以减少该进气歧管压力信号的低频信号分量，并且将经滤波的进气歧管压力信号使用在对所测量的进气歧管压力与该预期的进气歧管压力的对比中。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，使用互补滤波器对该进气歧管信号进行滤波。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括将该互补滤波器的输出与该互补滤波器的延迟输出加以求和以获得有助于识别进气故障的输出信号。
6.如权利要求1或权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，该经滤波的进气歧管压力信号具有以零为中心的输出。
7.一种检测在具有曲轴的内燃发动机中的汽缸的进气故障的方法，该方法包括：
测量该曲轴的角加速度以产生曲轴加速度信号；
将该曲轴角加速度信号与基准角加速度进行对比，其中该基准至少部分地基于所命令的跳过/点火决定；并且
当该曲轴角加速度信号从该基准角加速度偏离多于规定阈值时产生故障信号。
8.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，该预期或基准的加速度进一步至少部分地基于阀升程规划。
9.如权利要求2至8中任一项所述的方法，其中，该预期或基准的加速度进一步至少部分地基于进气歧管压力或每汽缸充气质量。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括使该发动机以跳过点火模式来运行，由此在该内燃发动机以该跳过点火运行模式运行时发生进气故障检测。
11.如权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括使该发动机以动态点火水平调整模式来运行，其中在该内燃发动机以该动态点火水平调整运行模式运行时发生发动机进气故障检测。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该故障信号是在其中发生故障的同一发动机循环过程中产生的。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该进气故障选自由以下各项构成的组：
阀启用失效，表明当预期打开进气阀时该阀打开失效；
阀停用失效，表明当预期使得该进气阀保持关闭时该阀保持关闭失效；
阀升程过低失效，表明该进气阀升程低于预期；以及
阀升程过高阈值，表明该进气阀升程高于预期。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该进气故障表明进气阀未如希望的打开。
15.如权利要求1、4至6或者10至13中任一项所述的方法，其中，该故障阈值是阀启用失效阈值，并且该故障信号是在该经滤波的歧管压力信号超过该阀启用失效阈值时产生的，由此该进气故障表明当进气阀预期要打开时该进气阀未能打开。
16.如权利要求1、4至6或者10至13中任一项所述的方法，其中，该故障阈值是阀停用失效阈值，并且该故障信号是在该经滤波的歧管压力信号降至该阀停用失效阈值以下时产生的，由此该进气故障表明当进气阀预期要保持关闭时该进气阀打开。
17.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该进气故障对应于阀升程故障，在该阀升程故障中进气阀打开但是未能打开所希望的量。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该故障阈值是阀升程过低阈值，并且该故障信号是在该经滤波的歧管压力信号超过该阀升程过低阈值时产生的，由此该进气故障表明进气阀升程低于预期。
19.如权利要求17所述的方法，其中，该故障阈值是阀升程过高阈值，并且该故障信号是在该经滤波的歧管压力信号降至该阀升程过高阈值以下时产生的，由此该进气故障表明进气阀升程高于预期。
20.一种被安排成控制发动机的运行的发动机控制单元，该发动机控制单元包括进气故障检测单元，该进气故障检测单元包括：
滤波器，该滤波器被安排成对表明进气歧管压力的进气歧管压力信号进行滤波以减少该进气歧管压力信号的低频信号分量；
比较器，该比较器将经滤波的进气歧管压力信号与故障阈值进行对比；并且
其中，该进气故障检测单元被配置成当该比较器确定该经滤波的进气歧管压力信号超过该故障阈值时产生故障信号。
21.一种被安排成控制发动机的运行的发动机控制单元，该发动机控制单元包括进气故障检测单元，该进气故障检测单元包括：
歧管压力比较器，该歧管压力比较器将所测量的进气歧管压力与预期的进气歧管压力进行对比；
曲轴角加速度比较器，该曲轴角加速度比较器将所测量的曲轴角加速度与预期的曲轴角加速度进行对比；并且
其中，该进气故障检测单元被配置成当(i)所测量的进气歧管压力从该预期的进气歧管压力偏离多于第一规定阈值，并且(ii)所测量的曲轴角加速度从该预期的曲轴角加速度偏离多于第二规定阈值时产生故障信号。
22.如权利要求21所述的发动机控制单元，进一步包括滤波器，该滤波器被安排成对表明该进气歧管压力的信号进行滤波以减少该进气歧管压力信号的低频信号分量，其中，该歧管压力比较器在对所测量的进气歧管压力与该预期的进气歧管压力的对比中使用经滤波的进气歧管压力信号。
23.如权利要求20或22所述的发动机控制单元，其中，该滤波器是互补滤波器。
24.如权利要求20、22或23中任一项所述的发动机控制单元，其中，该滤波器包括对该进气歧管压力信号进行滤波的级联的第一和第二一阶低通滤波器以及减法器，该减法器被安排成从该进气歧管压力信号减去低通滤波器的输出以产生该经滤波的进气歧管压力信号。
25.如权利要求20或者22至24中任一项所述的发动机控制单元，进一步包括加法器，该加法器被安排成将该滤波器的输出与该滤波器的延迟输出求和以获得有助于识别进气故障的输出信号。
26.如权利要求20或者22至25中任一项所述的发动机控制单元，其中，经滤波的进气歧管压力信号具有以零为中心的输出。
27.一种被安排成控制发动机的运行的发动机控制单元，该发动机控制单元包括进气故障检测单元，该进气故障检测单元包括：
曲轴角加速度比较器，该曲轴角加速度比较器将所测量的曲轴角加速度与预期的曲轴角加速度进行对比，其中，该预期的曲轴角加速度至少部分地基于所命令的跳过/点火决定；并且
其中，该进气故障检测单元被配置成当所测量的曲轴角加速度从该预期的角加速度偏离多于规定量时产生故障信号。
28.如权利要求21至27中任一项所述的发动机控制单元，其中，该预期加速度进一步至少部分地基于阀升程规划。
29.如权利要求21至28中任一项所述的发动机控制单元，其中，该预期加速度进一步至少部分地基于进气歧管压力或每汽缸充气质量。
30.如权利要求20至29中任一项所述的发动机控制单元，被配置成引导该发动机以跳过点火模式来运行，该发动机控制单元进一步包括点火时间确定单元，该点火时间确定单元被安排成当该发动机以该跳过点火运行模式运行时确定工作室点火的时刻，其中，该进气故障检测单元被配置成当该内燃发动机以该跳过点火运行模式运行时检测进气故障。
31.如权利要求20至29中任一项所述的发动机控制单元，被配置成引导该发动机以动态点火水平调整模式来运行，该发动机控制单元进一步包括点火时间确定单元，该点火时间确定单元被安排成当该发动机以该动态点火水平调整模式运行时确定工作室点火的幅度，其中，该进气故障检测单元被配置成当该内燃发动机以该动态点火水平调整模式运行时检测进气故障。
32.如权利要求20至31中任一项所述的发动机控制单元，其中，该进气故障检测单元被配置成在发生故障的同一发动机循环过程中产生该故障信号。
33.如权利要求20至32中任一项所述的发动机控制单元，其中，该进气故障检测单元检测的进气故障选自由以下各项构成的组：
阀启用失效，表明当预期打开进气阀时该阀打开失效；
阀停用失效，表明当预期使得该进气阀保持关闭时该阀保持关闭失效；
阀升程过低失效，表明该进气阀升程低于预期；并且
阀升程过高阈值，表明该进气阀升程高于预期。
34.如权利要求20至32之一所述的发动机控制单元，其中，该发动机控制单元包括处理器，并且该进气故障检测单元的功能实施成该处理器上执行的计算机代码。
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