CN107989734B - 检测发动机汽缸点火中的不规则性 - Google Patents

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Abstract

一种动力系组件包括具有至少一个汽缸的发动机以及可操作地连接到该发动机的至少一个电机。电动机速度传感器可操作地连接到并且构造成获得电机的电动机速度数据。控制器可操作地连接到电动机速度传感器。控制器包括处理器和有形的非暂时性存储器，该存储器其上记录有用于执行检测至少一个汽缸中的点火不规则性的方法的指令。由处理器执行指令使得控制器能以预定时间间隔从电动机速度传感器获得电动机速度数据，直到达到预定时间窗口。获得在预定时间窗口期间的电动机速度数据的快速傅立叶变换。控制器构造成至少部分地基于快速傅立叶变换来控制发动机。

Description

检测发动机汽缸点火中的不规则性
背景技术
本公开涉及在动力系组件中检测发动机汽缸点火中的不规则性。借助于从曲轴位置传感器获得的角速度数据对曲轴加速度进行监测，从而可以识别出发动机汽缸点火的不规则性。然而，这种方法需要耗费大量的时间。
发明内容
一种动力系组件包括具有至少一个汽缸的发动机以及可操作地连接到该发动机的至少一个电机。电动机速度传感器可操作地连接到并且构造成获得电机的电动机速度数据。控制器可操作地连接到电动机速度传感器。控制器包括处理器和有形的非暂时性存储器，该存储器其上记录有用于执行检测汽缸中的点火不规则性的方法的指令。由处理器执行指令使得控制器能以预定时间间隔从电动机速度传感器获得电动机速度数据，直到达到预定时间窗口。获得在预定时间窗口期间的电动机速度数据的快速傅立叶变换。控制器构造成至少部分地基于快速傅立叶变换来监测和/或控制发动机。
控制器可以编程为由快速傅立叶变换获得发动机点火频率(EFF)，该发动机点火频率(EFF)是在计算出的发动机点火频率的预定范围内的相对最大值。计算出的发动机点火频率可以作为在预定时间窗口期间的平均发动机转速与因子的乘积来获得。该因子是发动机中的汽缸数除以二(ncyl/2)。平均发动机转速可以从由发动机转速传感器获得的发动机转速数据确定。
控制器可以编程为从快速傅立叶变换获得第一参考频率(F1)下的第一幅度(AF1)。从快速傅立叶变换获得第二参考频率(F2)下的第二幅度比值(AF2)。从快速傅立叶变换获得发动机点火频率(EFF)下的第三幅度(AEFF)。控制器可以编程为确定第一幅度(AF1)和第二幅度比值(AF2)中的至少一个是否等于或高于第三幅度(AEFF)[AF1或AF2&gt；AEFF]。
控制器可以编程为获得作为第一幅度和第三幅度的比值的第一比值(AF1/AEFF)，并且确定第一幅度比值(An/AFF)是否等于或高于第一阈值(T1)。如果第一比值(An/AFF)等于或高于第一阈值(T1)，则控制器编程为移到第一预定操作模式(O1)和/或在用户界面上显示第二消息。第一参考频率(F1)可以是发动机点火频率(EFF)的一半，使得(EFF＝2*F1)。
控制器可以编程为获得作为第二幅度和第三幅度的比值的第二比值(AF2/AEFF)。如果第一比值(An/AFF)低于第一阈值(T1)，则控制器编程为确定第二比值(AF2/AFF)是否等于或高于第二阈值(T2)。第二参考频率(F2)可以是第一参考频率(F1)的一半，使得(F1＝2*F2)。
如果第二比值(AF2/AFF)等于或高于第二阈值(T2)，则控制器可以编程为在用户界面上显示第二消息。如果第二比值(AF2/AFF)低于第二阈值(T2)，则控制器可以编程为在用户界面上显示第三消息。如果第二比值(AF2/AFF)等于或高于第二阈值(T2)，则控制器可以编程为移到第二预定操作模式(O2)。如果第二比值(AF2/AFF)低于第二阈值(T2)，则控制器可以编程为移到第三预定操作模式(O3)。该组件提供了能够在实际的不规则汽缸点火事件之前检测出问题的早期检测系统。
结合附图，通过以下对用于实施本公开的最佳方式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
图1是具有发动机、电动机速度传感器和控制器的动力系组件的示意性局部视图；
图2是用于控制图1的组件的方法的流程图；以及
图3是图1的电动机速度传感器的快速傅立叶变换信号的示例，其示出了幅度与频率。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指代相同的部件，图1示意性地示出了动力系组件10。组件10可以是装置12的一部分。装置12可以是移动平台，例如但不限于标准乘用车、运动型多功能车、轻型卡车、重型车辆、ATV、厢式车、公共汽车、转运车、自行车、机器人、农具、运动相关设备、船只、飞机、火车或其他运输装置。装置12可以采取许多不同的形式，并且包括多个和/或替代的部件和设施。
参考图1，组件10包括发动机14和至少一个电动机16。发动机14和电动机16各自产生能够传递到变速器18的动力。发动机14可以是能够将烃燃料转化为机械动力以产生扭矩的合适的内燃机。电机16可以是三相交流电机(例如永磁电机)、感应电机或本领域技术人员采用的其他类型的电动机/发电机。参考图1，发动机14用于经由输入轴20将扭矩传递到变速器18。输出轴22将变速器18操作地连接到用于装置12的传动系统24，从而将输出动力例如提供到装置12的车轮(未示出)。
参考图1，发动机14包含由汽缸26表示的多个汽缸。每个汽缸26容纳由活塞28表示的相应活塞。凸轮轴30位于发动机14内，用于打开和关闭与每个汽缸26相关联的相应阀。尽管该实施例示出了四个汽缸，但是应当理解，发动机14可以包括更少或更多的汽缸。发动机14可以是二冲程发动机系统、火花点火式发动机、柴油发动机或本领域技术人员采用的其他类型的发动机。
参考图1，组件10包括具有至少一个处理器P和至少一个存储器M(或非暂时性有形计算机可读存储介质)的控制器C，该存储器其上记录有用于执行方法100的指令，该方法如图2所示用于检测每个汽缸26中的点火不规则性。存储器M可以存储控制器可执行指令集，并且处理器P可以执行存储在存储器M中的控制器可执行指令集。图1的控制器C构造成(即，特别地编程为)执行方法100的各方框，并且可以采用诸如电动机速度传感器40的传感器。
参考图1，电动机速度传感器40可操作地连接到并且构造成获得电机16的电动机速度数据。发动机转速传感器44与控制器C进行通信(例如，电子通信)并能够测定发动机14的转速。电动机速度传感器40构造成将旋转位置数据馈送到控制器C。电动机速度传感器可以包括用于存储旋转位置数据的存储缓冲器42。电机16可操作地联接到发动机14，从而使得发动机14中的不平衡导致了电机16的电动机速度数据的速度扰动。在一个示例中，电动机速度传感器40是无刷发送机旋转变压器。电动机速度传感器40可以是差动旋转变压器或本领域技术人员采用的其他类型的传感器。
现参考图2，示出了存储在控制器C上并且可由其执行的方法100的流程图。方法100不需要按照本文所述的具体顺序来进行。此外，应当理解，可以去掉一些方框。方法100的开始和结束分别由“S”和“E”表示。控制器C编程为从电动机速度传感器40接收电动机速度数据的快照，并对其进行快速傅立叶变换分析。发动机14的健康的周期性点火脉冲将以预期的频率和功率谱出现在快速傅立叶变换中。不健康的点火脉冲或系统干扰将显示为意想不到的功率谱和频率。适当的采样率及其他参数可以提供对发动机汽缸点火和动力系共振问题的更早的诊断。控制器C(和方法100的执行)通过在需要最少校准的复杂发动机系统中快速且早期地检测汽缸点火中的不规则性来改进装置12的功能性。
方法100可以从方框102开始，其中控制器C编程为以预定时间间隔从电动机速度传感器40获得电动机速度数据，直到达到预定时间窗口。在一个实施例中，预定时间间隔为5毫秒，而预定时间窗口为5秒。电动机速度数据可以经由内部I/O处理器、CAN通信协议、接入方法或本领域技术人员采用的其他方法传送到控制器C。
在图2的方框104中，控制器C编程为计算预定时间窗口的电动机速度数据(在方框102中收集)的快速傅立叶变换(FFT)。图3是图1的电动机速度传感器40的快速傅立叶变换信号200的示例，其示出了幅度(A)与频率(F)。傅立叶分析将来自其原始域的信号(例如时间)转换为频域中的表示，反之亦然。如所理解的，快速傅立叶变换程序通过计算序列的离散傅里叶变换(DFT)或其逆变换并将DFT矩阵分解为稀疏因子的乘积来快速地计算出这种变换。快速傅立叶变换返回的数据可以用给定频率窗口的幅度(即幅值)和相位来表示。
在方框106中，控制器C编程为从快速傅立叶变换信号200获得作为计算出的发动机点火频率(EFFc)的预定范围204内的峰值202(即相对最大值)的发动机点火频率(EFF)。在一个示例中，预定范围可以是4％。例如，如果计算出的发动机点火频率(EFFc)为54Hz，则控制器C可以编程为在54+2Hz内寻找相对最大值。
可以由控制器C获得作为在预定时间窗口期间的平均发动机转速与因子的乘积的计算出的发动机点火频率(EFFc)。该因子是发动机中的汽缸数除以二(ncyl/2)。例如，如果平均发动机转速为1620rpm(其相当于27Hz)并且汽缸数为4，则计算出的发动机点火频率(EFFc)为54Hz(27*4/2)。平均发动机转速可以从由发动机转速传感器40获得的发动机转速数据确定。此外，控制器C可以编程为基于其他方法(例如有限元分析(FEA)或其他方法)在无需采用传感器的情况下确定平均发动机转速。
在方框108中，控制器C编程为从快速傅立叶变换信号200获得第一参考频率(F1)下(图3中示出为峰值206)的第一幅度(AF1)。从快速傅立叶变换信号200获得第二参考频率(F2)(图3中示出为峰值208)下的第二幅度比值(AF2)。从快速傅立叶变换信号200获得发动机点火频率(EFF)(图3中示出为峰值202)下的第三幅度(AEFF)。在方框108中，控制器C编程为确定第一幅度(AF1)和第二幅度比值(AF2)中的至少一个是否等于或高于第三幅度(AEFF)。如果AF1>AEFF或者AF2>AEFF，则方法100进行到方框110。否则，方法100循环回到方框102，如线109所示。
在方框110中，控制器C可以编程为获得作为第一幅度和第三幅度的比值的第一比值(AF1/AEFF)，并且确定第一幅度比值(An/AFF)是否等于或高于第一阈值(T1)。第一参考频率(F1)可以是发动机点火频率(EFF)的一半，使得(EFF＝2*F1)。
如果第一比值(An/AFF)等于或高于第一阈值(T1)，则方法100进行到方框112，其中控制器C编程为移到第一预定操作模式(在图2中表示为“O1”)和/或向用户界面50(如图1所示)显示第一消息或提醒(在图2中表示为“M1”)，以便告知发动机14需要检查。用户界面50可以是仪表板(未示出)中的驾驶员信息屏幕，其可以包括点亮的提醒图标。用户界面50可以是从装置12的屏幕(未示出)反射出的平视显示器。第一预定操作模式(O1)构造成限制由发动机14接收的功率。在一个示例中，第一预定操作模式(O1)构造成防止装置12的高加速度，如在“跛行回家”模式中那样。
参考图2，如果第一比值(An/AFF)低于第一阈值(T1)，则方法100从方框110进行到方框114。在方框114中，控制器C编程为获得作为第二幅度和第三幅度的比值的第二比值(AF2/AEFF)，并且确定第二比值(AF2/AFF)是否等于或高于第二阈值(T2)。第二参考频率(F2)可以是第一参考频率(F1)的一半，使得(F1＝2*F2)。
为了获得第一和第二阈值(T1、T2)，可以在基准温度下以各种电动机速度在试验间或实验室中对校准数据加以考虑。可以通过采用有限元分析和组件10的各部件的物理特性来为特定发动机14获得第一和第二阈值(T1、T2)。
参考图2，如果第二比值(AF2/AFF)等于或高于第二阈值(T2)，则方法100从方框114进行到方框116，其中控制器C编程为移到第二预定操作模式(O2)和/或在用户界面50上显示第二消息(M2)。第二消息(M2)可以是“检查发动机汽缸”的闪烁消息。第二预定操作模式(O2)可以构造成减少针对车辆附件的功率。方法100从方框116循环回到方框102，如线117所示。第二消息(M2)可以包括“检查燃料喷射器”或“检查火花塞”消息。
如果第二比值(AF2/AFF)低于第二阈值(T2)，则方法100从方框114进行到方框118，其中控制器C编程为移到第三预定操作模式(O3)和/或在用户界面50上显示第三消息(M3)。第一预定操作模式(O1)表示汽缸点火中最大程度的不规则性，第二操作模式(O2)表示中间程度，而第三操作模式(O3)表示最低程度。方法100从方框118循环回到方框102，如线119所示。
控制器C可以是装置12的其他控制器的整体部分，或者是可操作地与其连接的单独的模块。控制器C包括计算机可读介质(也称为处理器可读介质)，其中包括参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的非暂时性(例如，有形)介质。这种介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。例如，非易失性介质可包括光盘或磁盘以及其他持久存储器。例如，易失性介质可以包括动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。这样的的指令可以由一个或多个传输介质传输，包括同轴电缆、铜线和光纤，其中包括包含联接到计算机的处理器的系统总线的线。一些形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡片、纸带、其他具有孔图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、其他存储芯片或存储盒、或其他计算机可读的介质。
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详细描述和附图或图示是用于支持和描述本公开，但是本公开的范围仅由权利要求来限定。尽管已经详细描述了用于实施所要求保护的公开内容的一些最佳方式和其他实施例，但是仍存在有用于实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，附图中所示的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不一定被理解为彼此无关的实施例。相反，可以将在实施例的一个示例中描述的每个特征与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征相组合，从而产生并未以文字描述或未参考附图描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落在所附权利要求的范围框架内。

Claims (9)

1.一种动力系组件，包括：
具有至少一个汽缸的发动机；
可操作地连接到所述发动机的至少一个电机；
可操作地连接到并且构造成获得所述至少一个电机的电动机速度数据的电动机速度传感器；
可操作地连接到所述电动机速度传感器的控制器，所述控制器包括处理器和有形的非暂时性存储器，所述存储器其上记录有用于执行检测所述至少一个汽缸中的点火不规则性的方法的指令；
其中由所述处理器执行所述指令使得所述控制器能：
以预定时间间隔从所述电动机速度传感器获得所述电动机速度数据，直到达到预定时间窗口；
获得在所述预定时间窗口期间的所述电动机速度数据的快速傅立叶变换；并且
其中所述控制器构造成至少部分地基于所述快速傅立叶变换来控制所述发动机；
其中所述控制器编程为：获得一计算出的发动机点火频率，所述计算出的发动机点火频率由在所述预定时间窗口期间的平均发动机转速与因子的乘积计算得出，其中所述因子是所述发动机中的至少一个汽缸的数量除以二；以及
由所述快速傅立叶变换获得发动机点火频率(EFF)，所述发动机点火频率(EFF)是在所述计算出的发动机点火频率的预定范围内的相对最大值。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述控制器编程为：
从所述快速傅立叶变换获得第一参考频率(F1)下的第一幅度(AF1)；
从所述快速傅立叶变换获得第二参考频率(F2)下的第二幅度(AF2)；
从所述快速傅立叶变换获得所述发动机点火频率(EFF)下的第三幅度(AEFF)；以及
确定所述第一幅度(AF1)和所述第二幅度(AF2)中的至少一个是否等于或高于第三幅度(AEFF)。
3.一种用于控制动力系组件的方法，所述动力系组件具有带有至少一个汽缸的发动机、至少一个电机、可操作地连接到并构造成获得所述至少一个电机的电动机速度数据的电动机速度传感器、以及控制器，所述控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，所述方法包括：
以预定时间间隔从所述电动机速度传感器获得所述电动机速度数据，直到达到预定时间窗口；
经由所述控制器获得在所述预定时间窗口期间的所述电动机速度数据的快速傅立叶变换；
至少部分地基于所述快速傅立叶变换来检测所述至少一个汽缸中的点火不规则性；
至少部分地基于所述快速傅立叶变换来控制所述发动机；
获得一计算出的发动机点火频率，所述计算出的发动机点火频率由在所述预定时间窗口期间的平均发动机转速与因子的乘积计算得出，其中所述因子是所述发动机中的至少一个汽缸的数量除以二；以及
由所述快速傅立叶变换获得发动机点火频率(EFF)，所述发动机点火频率(EFF)是在所述计算出的发动机点火频率的预定范围内的相对最大值。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
从所述快速傅立叶变换获得第一参考频率(F1)下的第一幅度(AF1)；
从所述快速傅立叶变换获得第二参考频率(F2)下的第二幅度(AF2)；
从所述快速傅立叶变换获得所述发动机点火频率(EFF)下的第三幅度(AEFF)；以及
确定所述第一幅度(AF1)和所述第二幅度(AF2)中的至少一个是否等于或高于第三幅度(AEFF)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中
所述第一参考频率(F1)是所述发动机点火频率(EFF)的一半；并且
所述第二参考频率(F2)是所述第一参考频率(F1)的一半。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
获得作为所述第一幅度和所述第三幅度的比值的第一比值(AF1/AEFF)；
确定所述第一比值(AF1/AEFF)是否等于或高于第一阈值(T1)；
如果所述第一比值(AF1/AEFF)等于或高于所述第一阈值(T1)，则移到第一预定操作模式(O1)。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
获得作为所述第二幅度和所述第三幅度的比值的第二比值(AF2/AEFF)；以及
如果所述第一比值(AF1/AEFF)低于所述第一阈值(T1)，则确定所述第二比值(AF2/AEFF)是否等于或高于第二阈值(T2)。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
如果所述第二比值(AF2/AEFF)等于或高于所述第二阈值(T2)，则在用户界面上显示第一消息；以及
如果所述第二比值(AF2/AEFF)低于所述第二阈值(T2)，则在所述用户界面上显示第二消息。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
如果所述第二比值(AF2/AEFF)等于或高于第二阈值(T2)，则移到第二预定操作模式(O2)；以及
如果所述第二比值(AF2/AEFF)低于所述第二阈值(T2)，则移到第三预定操作模式(O3)。
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