CN107701321A - 识别内燃发动机汽缸中不点火现象的发生的方法 - Google Patents

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Abstract

一种识别不点火现象在内燃发动机(1)中的发生的方法，该发动机具有至少一个汽缸(3)，汽缸通过排气管(8)连接到由排气门(9)调节的排气歧管(7)；和声音传感器(21)，其布置在排气管(8)的区域中；该方法包括确定汽缸(3)的以发动机角度的度数表达的检测窗口；对每个燃烧循环，通过由排气门(9)的开启产生的声音信号在相应的检测窗口中的贡献来估计汽缸(3)的成功燃烧指数(SMIi)的值；和取决于阈值(THR)和成功燃烧指数(SMIi)之间的比较来识别汽缸中不点火现象的发生(3)。

Description

识别内燃发动机汽缸中不点火现象的发生的方法
技术领域
本发明涉及一种识别内燃发动机汽缸中不点火现象的发生的方法。
背景技术
市售的内燃热力发动机循环地受到一系列控制，以便确定燃烧的特征，例如为了确定爆震现象的发生而确定燃烧的特征，并因此相应地调节燃烧的参数(例如火花提前值)，以及确定可能的故障，并因此确定需要修理的信号。这些控制中的一些，特别是影响污染性排放物的那些控制，现已由应用于汽车制造并将很快也应用于摩托车的法律强制实施多年。为了执行这些控制，制造商传统上使用由安装在内燃热力发动机中的传感器提供的信号；例如，为了确定爆震现象的出现，制造商通常使用由加速度计提供的信号，该加速度计固定到曲轴箱或内燃热力发动机的头部。
另一方面，就不点火现象的发生而言，制造商传统上在试验期间使用由传感器(特别是压力感应器)提供的信号，该传感器布置成通过汽缸的冠端并直接面对燃烧室以便对每个燃烧循环检测在汽缸内产生的压力波，而在目前生产的车辆中，在正常操作期间，通过来自音轮传感器的信号检测不点火现象，音轮传感器装配到曲轴的一端以检测其转速。
适当地处理由压力感应器检测的压力信号以便计算每排量单位的指示功，即扣除泵送损失后的有用功，其由每个汽缸的指示平均有效压力IMEPi通过下述公式限定：
其中：
IMEPi第i个汽缸的指示平均有效压力；
θ由曲轴覆盖的发动机角度；和
pi有用功，其由第i个汽缸在燃烧循环期间产生并成比例于由压力感应器在燃烧室中检测到的压力的发展。
在已对所检查的汽缸获得IMEPi的测量值之后，对于由负的IMEPi值表征的那些燃烧循环，可识别出不点火现象的发生。事实是，在不点火的情况下，有用功等于零，而泵送损失不等于零，从而产生的结果是负的指示平均有效压力IMEPi。
然而，使用这样的压力感应器相当昂贵，其布置成通过汽缸冠端并直接面对燃烧室以便对每个燃烧循环检测所产生的压力波，这是由于成本和传感器数量(每个汽缸都需要压力感应器)两者并由于固定传感器所需的过程，此外，这样的压力传感器不能在车辆的整个寿命期间确保高性能，这是因为布置在燃烧室中的压力传感器发生劣化(出于该原因，其使用仅限于试验阶段)。
另一方面，基于来自音轮传感器的信号的算法不需要安装附加的传感器，因此可以简单且低成本地实施，但是当车辆在滑的道路或土路上行驶且发动机rpm值较高时，这些算法在存在双质量飞轮的情况下通常不太可靠。
EP2180178描述一种控制燃热力发动机的方法，该发动机具有至少一个汽缸，该汽缸限定可变容积燃烧室并具有声音压力传感器；该方法包括通过分析由声音压力传感器在检测窗口中检测到的声音压力波的强度来估计内燃热力发动机的至少一个功能参数的值，功能参数特别是爆震指数。声音压力传感器容纳在控制单元内(且因此与发动机缸体物理上分离)，但是它也可以定位在不同的位置，例如在节气门的控制装置内、在进气歧管上、在合适的支架上(特别是布置在发动机舱室内的支架上)、在道路车辆的框架上或(更不常见地)在道路车辆的乘员舱室内。总之，将声音压力传感器布置在控制单元内是优选的，因为这不需要附加的组装操作或连线。然而，EP2180178中公开的该方法不能够以可靠的方式识别不点火现象的发生。本发明的目的是提供一种识别不点火现象在内燃发动机中的发生的方法，所述控制方法消除了上述缺点，并且特别是能够简单且低成本地实施。
发明内容
根据本发明，提供一种识别不点火现象在内燃发动机中的发生的方法，该发动机具有至少一个汽缸，在汽缸中限定具有可变容积的燃烧室；其中汽缸连接到由至少一个排气门调节的排气管；该方法包括下述步骤：
面向排气管并在接近排气门的位置处容纳至少一个声音传感器；其中声音传感器设计成检测由排气门的开启产生的声音信号；
通过声音传感器检测由排气门的开启产生的声音信号；
确定以发动机角度的度数表达的检测窗口，在该窗口中检测每个燃烧循环期间汽缸中不点火现象的发生；其中关联于汽缸的角度窗口的起始时刻和宽度取决于每分钟转数和负荷可变；
对每个燃烧循环，通过由排气门的开启产生的声音信号在相应的检测窗口中和在所关注的频率带中的贡献来估计汽缸的成功燃烧指数的值；其中成功燃烧指数是积分指数(integral index)；
限定成功燃烧指数的阈值(THR)；
比较该阈值和成功燃烧指数；
在所述成功燃烧指数小于或等于阈值的情况下，识别出汽缸中不点火现象的发生；和
在接连地检测到给定数量的不点火现象的情况下，向驾驶员发送警报信号。
附图说明
将参考附图描述本发明，附图示出本发明的非限制性实施例，其中：
-图1是内燃发动机的示意图，该发动机具有控制单元，用于实施根据本发明的识别不点火现象的发生的方法；
-图2是图1所示内燃发动机的汽缸的示意图；
-图3a，图3b示出在常规燃烧循环的情况下以及在该窗口中发生不点火现象的燃烧循环的情况下，在接近图1中的汽缸排气管处检测到的声音信号的发展；
-图4示出在汽缸的排气行程中选择的图3a、图3b所示声音信号的一部分的快速傅里叶变换(FFT)；
-图5示出在指示平均有效压力和声音成功燃烧指数之间的比较；和
-图6示出在图5的指示平均有效压力和声音成功燃烧指数之间的相关性。
具体实施方式
在图1中，标号1整体表示摩托车(未示出)的内燃发动机，其具有四个汽缸3(在图1中仅示出一个汽缸)，汽缸限定相应的可变容积燃烧室。
每个汽缸3通过进气管5并通过节气门10接收新鲜空气(即，来自外部的空气)，该进气管由至少一个进气门6调节，该节气门可在关闭位置和最大开启位置之间调节。每个汽缸3连接到排气系统11，该排气系统具有一个或多个催化转化器(未详细示出)以通过排气管8将在汽缸3中的燃烧产生的气体释放到大气中，该排气管由至少一个排气门9调节。每个汽缸3可通过进气管5连接到进气歧管4(在汽车应用的情况下)并可通过排气管8连接到排气歧管7，该进气管由至少一个进气门6调节，该排气管由至少一个排气门9调节。在该情况下，进气歧管4通过进气管5并通过节气门10接收新鲜空气(即，来自外部的空气)，该进气管由至少一个进气门6调节，该节气门可在关闭位置和最大开启位置之间调节，而排气歧管7连接到排气系统11，该排气系统具有一个或多个催化转化器(未详细示出)以通过排气管8将在汽缸3中的燃烧产生的气体释放到大气中，该排气管由至少一个排气门9调节。在排气歧管7的下游和进气歧管4的上游，可设置有涡轮增压器(未示出)，其利用排气气体所具有的能量来增加进气歧管4吸入的新鲜空气的速度和压力。
多个喷射器12(特别是，每个汽缸3具有两个喷射器)联接到进气管5以便循环地喷射燃料到进气管5中(替代地，喷射器12可以直接喷射到汽缸3中)。此外，在火花点火发动机的情况下，四个火花塞13(每个汽缸3具有一个火花塞)联接到汽缸3以便循环地点燃出现在汽缸3内的混合物。
根据图2，每个汽缸3具有相应的活塞14，该活塞设计成沿着汽缸3线性地滑动并通过连杆16机械地连接到曲轴15。进而，曲轴15通过介于其间的离合器18机械地连接到齿轮箱17，以便将扭矩传递到摩托车的驱动轮(未示出)。
内燃发动机1包括控制系统19，其设计成控制内燃发动机1的操作。控制系统19包括至少一个电子控制单元20，其控制内燃发动机的操作，布置在接近内燃发动机1处并通常容纳在车辆的发动机舱室(未示出)内。每个汽缸3的火花塞由控制单元20循环地控制以便在其电极之间产生火花，从而点燃在汽缸3内压缩的气体。此外，控制系统19包括连接到控制单元20的多个传感器21。控制内燃发动机1操作的传感器21包括多个声音传感器21(麦克风21)，每个声音传感器布置成接近并面向将每个汽缸3连接到排气系统的排气管8。特别是，每一个麦克风21都面向排气管8，接近相应的排气门9。
下面描述该识别不点火现象在内燃发动机中的发生的方法，该方法由电子控制单元20或与电子控制单元20通信的另一专用控制单元实施。
由电子控制单元20实施的该识别不点火现象在内燃发动机中的发生的方法包括通过合适地处理来自连接到电子控制单元20的声音传感器21的信号来识别不点火现象的发生。
如已知的那样，完整的燃烧循环是接连的四个行程的结果，在燃烧循环结束时，曲轴4的两周旋转覆盖720°的角度。参考直接喷射系统，在进气行程和/或后续的压缩行程和/或后续的膨胀行程期间，燃料喷射到汽缸3的燃烧室中，且在膨胀行程中或在先前的压缩行程的最后部分中，火花塞的电极产生火花，该火花点燃汽缸3内的空燃混合物，从而开始实际燃烧，这产生温度和压力的增加。
在进气行程中，活塞14的运动产生在汽缸3内真空，该真空在相应的进气门7开启时从进气管5吸入空气。
在进气行程和/或后续的压缩行程期间(且如果需要，在后续的膨胀行程期间)，将燃料喷射到汽缸3的燃烧室中。在压缩行程中，活塞14在燃烧室内的向上运动压缩位于汽缸3内的空燃混合物，从而造成压力和温度的增加。在膨胀行程中或在先前压缩行程的最后部分中，火花塞13的电极产生火花，该火花点燃汽缸3内的空燃混合物，从而开始实际燃烧，这产生温度和压力的增加。
最后，在排气行程期间，活塞14的运动使得燃烧后的气体通过相应的排气门9排出以便释放到排气管8中。在正确燃烧的情况下(参见图3a)，在排气门9开启时，特征性高频噪音(“喷气声(puff)”)由于出现在汽缸3燃烧室内的压力(大于大气压力)与出现在排气管8中的稍低压力之间的压力差异而产生，该排气管8将每个汽缸3连接到紧接排气门9下游排气歧管7。在不点火的情况下(参见图3b)，在排气门9开启时产生的特征性噪音显著小于在正确燃烧的情况下产生的噪音，因为出现在汽缸3燃烧室内的压力的值类似于出现在排气管8中的压力，该排气管8将每个汽缸3连接到紧接排气门9下游的排气歧管7。
在汽缸3排气门9开启时产生的特征性高频噪音由声音传感器21检测。
每个声音传感器21可检测在一个或多个汽缸的排气门9开启时产生的特征性高频噪音。
根据优选变型，为每组汽缸3设置声音传感器21。
然后，适当地处理由连接到电子控制单元20的声音传感器21检测到的信号以建立指数，该指数给出不点火发生或没有发生的指示。
首先，由声音传感器21检测到的信号由窗口框在通过曲轴4覆盖720°角度的两周旋转获得的完整燃烧循环的角度窗口内，其存储在电子控制单元20内；每个角度窗口是以发动机角度的度数表达的并关联于汽缸3以识别可能的不点火现象。通过音轮传感器的信号来识别每个角度窗口，该音轮传感器装配到曲轴15的一端以检测其转速。
特别是，在电子控制单元20内存储与四个汽缸3中的每个关联的角度窗口的初始值和持续期，以用于识别可能的不点火。与四个汽缸3中的每个关联的角度窗口的初始值和持续期取决于转数和负荷可变。
根据图4，然后对由声音传感器21获得并由窗口框住的信号进行采样和处理，以便通过已知的快速傅里叶变换FFT算法产生离散傅里叶变换DFT，其提供由声音传感器21检测到的声音信号的频谱的采样版本，这意味着其产生值，这些值在模(即，振幅)和相位方面对应于给定的等距间隔开的频率由声音传感器21检测到的声音信号的频谱所采取。换言之，离散傅里叶变换DFT表示对由声音传感器21检测到的声音信号的频谱的频率采样。特别是，由于在正确燃烧的情况下，在排气门9开启时产生的特征性噪音(“喷气声”)能够以高频率感知，在100kHz至200kHz之间对声音传感器21获得的该信号进行采样。
因此，在电子控制单元20内存储向量，其包括N个元素(也称为仓(bin))，其表示对由声音传感器21检测到的声音信号的频谱频率采样。换言之，仓表示离散傅里叶变换DFT的频率离散化步级。
在已获得由声音传感器21检测到的声音信号的离散傅里叶变换DFT之后，电子控制单元20配置成通过下述公式计算成功燃烧指数SMIi：
其中：
SMIi第i个燃烧循环的成功燃烧指数；
N元素或仓的数量，其表示对由声音传感器21检测到的声音信号的频谱的频率采样，并表示存储在电子控制单元20中的缓冲区的的一部分；
Sfj第j个元素或仓的离散傅里叶变换DFT的模的值。
应指出，并不考虑缓冲区的全部元素或仓，而是仅考虑涉及受该现象影响的频率的那些元素或仓(例如，参考图4，只有范围从20kHz至60kHz的元素或仓包含有关不点火的信息)；因此，要考虑的元素或仓的数量不等于缓冲区的整个长度，而使等于其子集。
在图5中，可以对于转速为3000rpm的摩托车的汽缸3在指示平均有效压力IMEP(通常用于检测不点火现象的发生并以上述公式[1]表达)的发展和成功燃烧指数SMIi之间进行比较；可以看到，具有负IMEP值的燃烧循环(即，在其期间未发生燃烧的那些循环)与在该窗口中成功燃烧指数SMIi下降到接近零值的燃烧循环相同。
图6确立对于转速为3000rpm的摩托车的汽缸3在成功燃烧指数SMIi的值和图5所示指示平均有效压力IMEP的值之间的关系；可以看到，存在两个点云，第一点云识别常规燃烧循环(即，在其期间实际上发生燃烧的燃烧循环)并由成功燃烧指数SMIi和指示平均有效压力IMEP两者的正值表征，和第二点云识别非常规燃烧循环(即，在其期间未发生燃烧的燃烧循环)并由成功燃烧指数SMIi的较低值和指示平均有效压力IMEP的负值两者表征。
通过图6，为了检查是否在所检查的汽缸3中发生不点火，以及如果需要，检查在所检查的汽缸3中发生不点火的程度，在试验性的设置阶段，可以识别成功燃烧指数SMIi的阈值THR，所述阈值THR取决于发动机点可变，发动机点通过负荷指数和通过每分钟转数(rpm)明确地识别。
在已获得成功燃烧指数SMIi之后，电子控制单元20配置成在所述成功燃烧指数SMIi小于或等于阈值THR情况下识别出不点火现象的发生；反之亦然，在所述成功燃烧指数SMIi大于阈值THR的情况下，识别出常规燃烧循环发生。
根据替代实施例，然后通过带通滤波(通带通常范围从5Hz到80kHz)对由声音传感器21获得并由窗口框住的信号进行滤波，以便排除与在所检查的汽缸的排气门9开启时产生的特征性噪音(“喷气声”)之外的现象关联的不期望的成分。
在已对由声音传感器21检测到的声音信号进行滤波之后，电子控制单元20配置成计算成功燃烧指数SMI。根据第一实施例，成功燃烧指数SMI是在角度检测窗口中检测到的声音压力波的经滤波强度的均值。替代地，成功燃烧指数SMI是在角度检测窗口中检测到的声音压力波的经滤波强度的总和。
根据另一变型，成功燃烧指数SMI是在角度检测窗口中检测到的声音压力波的经滤波强度的最大绝对值。为了计算成功燃烧指数SMI，也可以使用更复杂的公式，其在一方面，增加成功燃烧指数SMI的置信度和可靠性，但在另一方面，导致电子控制单元20较高的计算负担。
在该情况下，同样地，为了检查是否在所检查的汽缸3中发生不点火，以及如果需要，检查在所检查的汽缸3中发生不点火的程度，在试验性的设置阶段中，识别成功燃烧指数SMI的阈值THR，所述阈值THR取决于发动机点可变，发动机点通过负荷和通过每分钟转数(rpm)明确地识别。
在已获得成功燃烧指数SMI之后，电子控制单元20配置成在所述成功燃烧指数SMI小于或等于阈值THR情况下识别出不点火现象的发生；反之亦然，在所述成功燃烧指数SMI大于阈值THR的情况下，识别出常规燃烧循环的发生。
应指出，在上述实施例两者中，成功燃烧指数SMI都是积分指数。替代地，成功燃烧指数SMI是在时域中或在频域中的积分指数。
为了避免损坏催化转化器(未示出且布置在排气门9下游)且同时避免所产生污染物(主要是未燃碳氢化合物)的增加，如果电子控制单元20检测到给定数量的不点火，则点亮仪表板中的MIL灯，以便向驾驶员警告发生了故障，如根据国际OBD法规所规定的那样。例如，在电子控制单元20检测到不点火事件的次数大于(在初步阶段确定并根据国际OBD法规的规定确立的)安全值SV的情况下，电子控制单元20配置成用信号向驾驶员指示故障。
上述识别不点火现象在内燃发动机中的发生的方法具有大量的优点，原因在于由于不需要很高的计算负担，该方法易于实施，健壮，不受环境条件(例如，当摩托车行驶在土路或具有不规整表面的道路上时)影响，且特别是允许在发动机的高转速和低转速两者下，在车辆正常操作期间以及对每个燃烧循环和对每个汽缸3，以非常高的精度和置信度识别不点火现象的发生。

Claims (8)

1.一种识别不点火现象在内燃发动机(1)中的发生的方法，该发动机具有至少一个汽缸(3)，该汽缸限定具有可变容积的燃烧室；其中汽缸(3)连接到由至少一个排气门(9)调节的排气管(8)；
该方法包括下述步骤：
面向排气管(8)并在接近排气门(9)的位置处容纳至少一个声音传感器(21)；其中声音传感器(21)设计成检测由排气门(9)的开启产生的声音信号；
通过声音传感器(21)检测由排气门的开启产生的声音信号(9)；
确定以发动机角度的度数表达的检测窗口，该窗口中检测每个燃烧循环期间汽缸(3)中不点火现象的发生；其中关联于汽缸(3)的角度窗口的起始时刻和宽度取决于每分钟转数和负荷可变；
对每个燃烧循环，通过由排气门的开启产生的声音信号在相应的检测窗口中和在所关注的频率带中的贡献来估计汽缸(3)的成功燃烧指数(SMIi)的值；其中成功燃烧指数(SMIi)是积分指数；
限定成功燃烧指数(SMIi)的阈值(THR)；
比较该阈值(THR)和成功燃烧指数(SMIi)；
在所述成功燃烧指数(SMIi)小于或等于阈值(THR)的情况下，识别出汽缸(3)中不点火现象的发生；和
在接连地检测到给定数量的不点火现象的情况下，向驾驶员发送警报信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个汽缸的以发动机角度的度数表达的检测窗口包括在相应汽缸的排气门的开启和关闭之间。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：通过带通滤波对由排气门(9)的开启产生的声音信号进行滤波。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括下述步骤：通过由排气门(9)的开启产生的声音信号的经滤波强度的总和或均值来计算成功燃烧积分指数(SMIi)。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括下述步骤：通过经滤波的由排气门的开启产生的声音信号(9)在相应的检测窗口中在所关注的频率带中的贡献来计算成功燃烧积分指数(SMIi)。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：对由排气门(9)的开启产生的声音信号执行快速傅里叶变换；和
通过下述公式计算成功燃烧积分指数(SMIi)：
<mrow> <msub> <mi>SMI</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <msqrt> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>2</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中：
SMIi第i个燃烧循环的成功燃烧指数；
N元素或仓的数量，其表示对由声音传感器(21)检测到的声音信号的频谱的频率采样；
Sfj第i个元素或仓的由排气门(9)的开启产生的声音信号的快速傅里叶变换的模。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值(THR)取决于所覆盖的发动机点可变，发动机点通过每分钟转数(rpm)和通过负荷识别。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃发动机(1)对每组汽缸(3)包括声音传感器(21)。
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