CN108194212B - 分缸空燃比不均匀性监测系统和方法 - Google Patents

分缸空燃比不均匀性监测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分缸空燃比不均匀性监测系统，包括：发动机、氧传感器、控制模块和监测模块，控制模块用于控制发动机，采集监测数据并发送给监测模块；监测模块用于基于所接收的监测数据确定是否进行监测操作，监测操作包括：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值。本发明还提供了一种分缸空燃比不均匀性监测方法。本发明通过干涉各汽缸空燃比，结合单个汽缸角粗暴度变化的方法进行监测。克服了现有技术缺陷，在短时间内精确检测出各汽缸的不均匀性，响应速度和准确率明显提高，可满足未来法规的苛刻要求。

Description

分缸空燃比不均匀性监测系统和方法
技术领域
本发明涉及一种分缸空燃比不均匀性监测系统和方法，适用于安装均质燃烧发动机的车辆，本发明具体应用于发动机车载诊断(OBD，On-Board Diagnostic)排放控制技术领域。
背景技术
针对越来越严苛的法规，发动机汽缸做功的不均匀性对排放产生的影响不能再忽略不计，美国加州OBD法规要求必须监测分缸空燃比不均性。
目前大多数监测方法都是基于氧传感器信号获取或氧闭环控制反馈，或者直接采用氧传感器空燃比信号处理，实现分缸空燃比不均匀性监测。这种方法只能应用于汽缸数量较少的进气管喷射发动机，而对于多汽缸发动机或者直喷发动机而言，采用空燃比信号无法对发动机进行汽缸不均匀性监测，实用性受到限制。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种分缸空燃比不均匀性监测系统和方法，能够在短时间内精确检测出汽缸的不均匀性，及时准确地识别故障，可满足未来法规的苛刻要求。
本发明采用的技术方案为：
本发明实施例提供一种分缸空燃比不均匀性监测系统，包括：发动机、氧传感器、控制模块和监测模块，所述控制模块用于控制所述发动机，采集监测数据并发送给所述监测模块，所述监测数据包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息，所述过量空气系数测量值通过所述氧传感器测得；所述监测模块用于基于接收所述监测数据，并基于所接收的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作，所述监测操作包括：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值。
进一步地，在基于所接收的监测数据确定执行监测操作时，所述监测模块具体执行如下监测操作：设置发动机的某个气缸的过量空气系数测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数测量值按照预设速率继续变稀；对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数测量值；对剩余的气缸依次重复执行上述操作，直到所有的气缸都执行过上述操作，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值；将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值；将所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
进一步地，所述粗暴度通过下述公式(1)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (1)
其中，Ri为第i个气缸的粗暴度，Ti为第i个气缸的分段时间，Ti-1为第i-1个气缸的分段时间，Ti-2为第i-2个气缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，所述分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内运转所需的时间。
进一步地，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
本发明另一实施例提供一种分缸空燃比不均匀性监测方法，包括：采集监测数据，所述监测数据包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息；基于所采集的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作；在确定对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作时，执行如下监测操作：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值。
进一步地，所述监测操作具体包括：设置发动机的某个气缸的过量空气系数测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数测量值按照预设速率继续变稀；对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数测量值；对剩余的气缸依次重复执行上述操作，直到所有的气缸都执行过上述操作，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值；将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值；将所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
进一步地，所述粗暴度通过下述公式(2)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (2)
其中，Ri为第i个气缸的粗暴度，Ti为第i个气缸的分段时间，Ti-1为第i-1个气缸的分段时间，Ti-2为第i-2个气缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，所述分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内运转所需的时间。
进一步地，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测系统和方法，本发明通过干涉各汽缸空燃比，结合单个汽缸角粗暴度变化的方法进行监测。克服了现有技术缺陷，在短时间内精确检测出各汽缸的不均匀性，响应速度和准确率明显提高，可满足未来法规的苛刻要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测方法的粗暴度阈值图表设置示例；
图3为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测方法的粗暴度阈值图表设置示例；图3为本发明实施例提供的分缸空燃比不均匀性监测方法的流程示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种分缸空燃比不均匀性监测系统，包括：发动机1、控制模块2、监测模块3和氧传感器5。该氧传感器5可为线性氧传感器，安置在发动机1的排气管上，用于采集发动机各气缸的过量氧气系数λ测量值，并将采集的数据发送给控制模块2。控制模块2主要负责发动机点火、喷油、进气、扭矩的控制，以使发动机正常运行，与监测模块3通信连接，用于采集监测数据并发送给所述监测模块3，所述监测数据可包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息。监测模块3为在线监测模块，可通过采集和控制通道6、采集通道7、通信通道8等获取控制模块2采集的监测数据，并基于所接收的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作，具体可通过运行相关软件的监测算法以判断是否可以执行监测操作。
在本发明中，空燃比与过量空气系数可通过公知的公式进行换算，即，可以理解为通过过量空气系数的测量值就可知道相应的空燃比。
在本实施例中，所述监测操作可包括：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值。
具体地，在基于所接收的监测数据确定执行监测操作时，所述监测模块3具体执行如下监测操作：
S101、设置某个气缸的过量空气系数λ测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数λ测量值按照预设速率继续变稀；
在该步骤中，可先选择某个气缸的过量空气系数λ测量值进入稀混合气区域(λ＝1.03)，然后按照一定斜率，例如，每毫秒，λ增加0.002的速度继续变稀。
S102、对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数λ测量值。即执行混合气浓稀切换操作，恢复该气缸的自适应功能，使得混合气一直保持在理论空燃比附近。
在该步骤中，所述粗暴度可通过下述公式(1)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (1)
其中，Ri为第i缸的粗暴度，Ti为第i缸的分段时间，Ti-1为第i-1缸的分段时间，Ti-2为第i-2缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内(例如，起点为做功上止点前60度，持续转角为360/N，N为汽缸数)运转所需的时间。
以4缸机为例，点火缸序可能为1-3-4-2-1-3-4-2，假设i缸为2缸，则i-1缸应当为4缸，i-2缸应当为3缸，i-3缸应当为1缸，i+1缸为1缸，i+2缸为3缸。随着λ逐渐增大，i缸的发动机瞬时粗暴度会降低，观察粗暴度变化，当粗暴度达到预定的幅度时，停止混合气变稀的操作，保存最终的λ值。执行混合气浓稀切换动作，恢复混合气自适应功能。其中预设幅度由每个发动机转速和负荷固定工况点决定，存储在粗暴度阈值图表中，粗暴度阈值图表的设置可如图2所示。
在图2中，X轴为负荷，Y轴为转速，Z轴为粗暴度阈值。X轴范围0～50％，每隔5％一个坐标点；Y轴起点为500转/分，每隔200转一个坐标点，终点为2600rpm。具体阈值设置需要根据不同发动机并结合分缸不均匀阈值来进行设置，然而，设置的粗暴度阈值的趋势需要与图2所示出的趋势一致。分缸不均匀性阈值设置可通过检测尾气排放来进行设置，当任何一种排放污染物即将达到OBD阈值时，此时结合粗暴度阈值图表设置分缸不均匀性阈值。
S103、对剩余的气缸依次重复执行上述操作S101和S102，直到所有的气缸都执行过上述操作S101和S102，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值。
具体地，将其他没有进行设置的气缸进行自适应操作，λ目标值为1，在系统稳定后，发动机在下一个运转循环，参照上述操作S101和S102，采用同样的处理方式，设置下一缸的空燃比进入稀混合气区域并完成评估，依次进行，直到所有缸都完成一次，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值。
S104、将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值。
S105、将步骤S104所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
在该步骤中，如果平均值与某个气缸之间的差值超过分缸不均匀性阈值，则表示该差值所对应的气缸存在不均匀故障。分缸不均匀性阈值的设置可参考上述操作S102中的内容。
在本实施例中，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态，即无失火故障，氧传感器就绪，碳罐系统未激活；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种分缸空燃比不均匀性监测方法，由于该方法所解决问题的原理与前述监测系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。
图3为本发明实施例提供的一种分缸空燃比不均匀性监测方法的流程示意图。如图3所示，本发明实施例提供的一种分缸空燃比不均匀性监测方法。包括以下步骤：
S201、采集监测数据，所述监测数据包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息。
S202、基于所采集的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作。
S203、在确定对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作时，执行如下监测操作：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值。
进一步地，步骤S203中的监测操作具体包括：
步骤一、设置发动机的某个气缸的过量空气系数测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数测量值按照预设速率继续变稀；
步骤二、对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数测量值；
步骤三、对剩余的气缸依次重复执行上述操作，直到所有的气缸都执行过上述操作，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值；
步骤四、将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值；
步骤五、将所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
进一步地，步骤S203中的粗暴度可通过下述公式(2)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (2)
其中，Ri为第i个气缸的粗暴度，Ti为第i个气缸的分段时间，Ti-1为第i-1个气缸的分段时间，Ti-2为第i-2个气缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，所述分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内运转所需的时间。
进一步地，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
上述各步骤可通过前述的各模块来实现，在此不再赘述。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种分缸空燃比不均匀性监测系统，其特征在于，包括：发动机、氧传感器、控制模块和监测模块，
所述控制模块用于控制所述发动机，采集监测数据并发送给所述监测模块，所述监测数据包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息，所述过量空气系数测量值通过所述氧传感器测得；
所述监测模块用于基于接收所述监测数据，并基于所接收的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作，所述监测操作包括：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值；
其中，在基于所接收的监测数据确定执行监测操作时，所述监测模块具体执行如下监测操作：
设置发动机的某个气缸的过量空气系数测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数测量值按照预设速率继续变稀；
对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数测量值；
对剩余的气缸依次重复执行上述操作，直到所有的气缸都执行过上述操作，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值；
将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值；
将所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
2.根据权利要求1所述的分缸空燃比不均匀性监测系统，其特征在于，所述粗暴度通过下述公式(1)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (1)
其中，Ri为第i个气缸的粗暴度，Ti为第i个气缸的分段时间，Ti-1为第i-1个气缸的分段时间，Ti-2为第i-2个气缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，所述分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内运转所需的时间。
3.根据权利要求1所述的分缸空燃比不均匀性监测系统，其特征在于，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
4.一种分缸空燃比不均匀性监测方法，其特征在于，包括：
采集监测数据，所述监测数据包括发动机运行状态信息、发动机转速信息、发动机负荷信息、发动机各气缸的过量空气系数测量值、氧传感器运行状态信息和与发动机连接的碳罐系统的碳罐系统运行状态信息；
基于所采集的监测数据确定是否对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作；
在确定对各气缸的空燃比不均匀性进行监测操作时，执行如下监测操作：对各气缸的过量空气系数测量值进行干涉，对进行干涉后的发动机的曲轴瞬时粗暴度变化进行监测，以及基于监测的曲轴瞬时粗暴度确定各气缸的最终的过量空气系数测量值；
其中，所述监测操作具体包括：
设置发动机的某个气缸的过量空气系数测量值进入稀混合气区域，并使得所设置的气缸的过量空气系数测量值按照预设速率继续变稀；
对所设置的气缸的发动机曲轴瞬时粗暴度进行监测，在监测到所述粗暴度达到预设幅度时，停止使得该气缸的混合气变稀的操作，并保存最终的过量空气系数测量值；
对剩余的气缸依次重复执行上述操作，直到所有的气缸都执行过上述操作，从而得到所有气缸的最终的过量空气系数测量值；
将所得到的所有最终的过量空气系数测量值进行平均值处理得到过量空气系数测量值的平均值，并将所得到的过量空气系数测量值的平均值分别和各气缸的过量空气系数测量值做减法处理，得到平均值与各气缸之间的差值；
将所得到的平均值与各气缸之间的差值和预设的分缸不均匀性阈值进行比较，如果平均值与某个气缸之间的差值超过所述预设的分缸不均匀性阈值，则确定该气缸存在空燃比不均匀性故障。
5.根据权利要求4所述的分缸空燃比不均匀性监测方法，其特征在于，所述粗暴度通过下述公式(2)确定：
Ri＝Ti-2Ti-1+Ti-2 (2)
其中，Ri为第i个气缸的粗暴度，Ti为第i个气缸的分段时间，Ti-1为第i-1个气缸的分段时间，Ti-2为第i-2个气缸的分段时间，i的排序按照逻辑点火缸序确定，所述分段时间为气缸做功行程前后一段曲轴转角内运转所需的时间。
6.根据权利要求4所述的分缸空燃比不均匀性监测方法，其特征在于，其中，在所述监测数据满足如下条件时，确定执行监测操作：
所述发动机运行状态信息表征发动机处于无失火故障，所述氧传感器运行状态信息表征所述氧传感器处于正常工作状态，所述碳罐系统运行状态信息表征所述碳罐系统处于未激活状态；
发动机转速为1300rpm～2500rpm；
在稳态工况下，所述发动机各气缸的过量空气系数测量值维持在0.98～1.02范围内；
发动机负荷在0～50％范围内。
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