CN115929466A - 气缸诊断方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于诊断气缸的系统和方法。在一个示例中，系统包括具有耦合到曲轴的多个气缸的发动机、曲轴转速传感器和控制器。控制器被配置为在标称发动机运行期间，从曲轴转速传感器接收第一输出；在发动机运行期间，从曲轴转速传感器接收第二输出，其中燃料供应扰动被引入到多个气缸中的气缸中；响应于第一输出与第二输出之间的差小于阈值差，指示所述气缸是不健康的；以及响应于所述指示，调整发动机的一个或多个运行参数。

Description

气缸诊断方法和系统

技术领域

本文公开的主题的实施例涉及用于诊断发动机气缸的系统和方法。

背景技术

气缸健康监测器可用于检测由燃料供应错误或其他类型的气缸退化引起的气缸熄火(misfire)或其他问题。通常，此类气缸健康监测器假设在给定时间只有一个发动机气缸不健康。因此，气缸健康监测器可能无法可靠地检测多个不健康的气缸。

发明内容

在一个实施例中，系统包括具有耦合到曲轴的多个气缸的发动机、曲轴转速传感器和控制器。控制器被配置为：在标称发动机运行(nominal engine operation)期间，从曲轴转速传感器接收第一输出；在发动机运行(engine operation)期间，从曲轴转速传感器接收第二输出，其中燃料供应扰动被引入到多个气缸中的气缸中；响应于第一输出和第二输出之间的差异小于阈值差异，指示该气缸是不健康的；以及响应于该指示，调整发动机的一个或多个运行参数。

附图说明

图1示出了根据本公开实施例的车辆的示意图。

图2示出了根据本公开实施例的图1发动机气缸的示意图。

图3是示出根据本公开实施例的用于在爆音测试(pop test)期间诊断气缸的方法的高级流程图。

图4是示出了根据本公开第一实施例的用于在爆音测试期间基于曲轴转速传感器输出的信号的频率分量来诊断气缸的方法的流程图。

图5和图6是示出了根据本公开实施例的用于获得实部和虚部频率分量的方法的流程图。

图7是示出了根据本公开第二实施例的用于在爆音测试期间基于曲轴转速传感器输出的信号的频率分量来诊断气缸的方法的流程图。

图8示出了在爆音测试期间多个健康气缸的半阶(half-order)频率分量的示例图。

图9示出了在爆音测试期间多个健康气缸的变化向量的示例图。

图10示出了在爆音测试期间包括不健康气缸的多个气缸的半阶频率分量的示例图。

图11示出了在爆音测试期间包括不健康气缸的多个气缸的变化向量的示例图。

图12示出了在爆音测试期间包括两个不健康气缸的多个气缸的半阶频率分量的示例图。

图13示出了在爆音测试期间包括两个不健康气缸的多个气缸的变化向量的示例图。

图14显示了不健康和健康气缸的变化向量的示例图。

具体实施方式

本公开的实施例在以下描述中公开，并且可以涉及用于基于曲轴转速传感器的输出来诊断气缸的系统和方法。例如，控制器可以配置成在标称发动机运行期间，从耦合到具有多个气缸的发动机的曲轴转速传感器接收第一输出，其中发动机的每个气缸接收相同量的燃料。控制器可在发动机运行期间从曲轴转速传感器接收第二输出，其中燃料供应扰动被引入到多个气缸中的气缸中。控制器可以响应于第一输出和第二输出之间的差异小于阈值差异来指示气缸不健康。当检测到不健康气缸时，控制器可以调整发动机的一个或多个运行参数，例如可以降低发动机功率以减少施加在发动机的其余健康气缸上的负担。

曲轴转速传感器的输出可以包括基于时域的齿间速度向量(time-domain basedtooth-to-tooth speed vector)，这是由于曲轴转速传感器检测耦合到曲轴的轮(其可以具有90个齿)上的每个齿的通行。为了监测气缸健康状况，曲轴转速传感器输出在逐缸顺序燃料扰动(cylinder-by-cylinder sequentialfuel disturbance)期间被采样，例如过量供应燃料(称为气缸发出爆音)。使用离散傅里叶变换(DFT)箱(bin)(例如，Goertzel滤波器)将传感器输出转换到与发出爆音的气缸引入的频率内容(例如，半阶频率)相对应的频域。由发出爆音的气缸引入的频率内容主要是该气缸正在点火的频率(例如，在四冲程发动机上每两转一次，在二冲程发动机上每转一次)。相比于其他信号处理技术，使用DFT/Goertzel滤波器可以降低处理需求(考虑到发动机控制单元的资源有限，这很有利)，并提供二进制的“健康/不健康”判断。

DFT输出结果为复数，其实部和虚部可以在复平面上绘制。如图8-13所示并在下文中详细描述的那样，在没有扰动发生的情况下，标称的所有健康气缸在图形的原点附近被绘制，其值为零。由于引入了其他扰动，在这种情况下是死缸，它会使信号失真，从而偏离原点。如果该算法只需要在相对健康的发动机(例如，只有一个死缸)上工作，则可以使用发出爆音的DFT幅度/相位来确定特定气缸的健康状况，或者可以使用没有发出爆音的DFT来指示是否存在死缸。然而，当问题扩大到允许多个死缸或其他扰动时，健康/不健康数据点的范围扩大，使得单点评估具有挑战性。

因此，根据本文公开的实施例，计算非爆音点和爆音点之间的变化。假设所有其他应力源保持相同，则如果被命令的发出爆音的气缸完全是死缸(尽管有命令，但是没有发生实际扰动)，则该变化的幅度应该为0，并且如果被命令的发出爆音的气缸是健康的，则该变化应该相对较大。该变化的幅度与“爆音”的强度成比例，并且可以基于发动机的惯性/摩擦。在较重的发动机上或有较多摩擦损失的发动机上，变化的幅度会较小。该变化的方向与被测气缸的点火角有关。

图1示出了包括发动机的系统的实施例，该发动机具有多个气缸。具体地，图1示出了车辆系统100的实施例的框图。在所示示例中，发动机耦合到车辆并且被描绘为轨道车辆106(例如，机车)。车辆可以通过多个车轮112在轨道102上运行。如图所示，车辆可包括发动机104。发动机可以包括多个气缸101(图1中仅示出了一个代表性气缸)，每个气缸包括至少一个进气阀103、排气阀105和燃料喷射器107。每个进气阀103、排气阀105和燃料喷射器107可以包括致动器，该致动器可以通过来自发动机的控制器110的信号被致动。在其他非限制性实施例中，发动机可以位于固定平台中。合适的固定平台可包括发电厂应用。其他合适的车辆可包括船舶、采矿或工业设备、公路车辆和非公路车辆推进系统。

发动机可以从进气通道114接收用于燃烧的进气。进气通道114可以包括空气过滤器160，该空气过滤器160过滤来自车辆外部的空气。发动机中燃烧产生的排气被供应至排气通道116。排气流经排气通道，并从轨道车辆的排气管中流出。排气通道可以包括排气传感器162，排气传感器162可以监测排气的温度和/或空燃比，并且可以耦合到控制器以向控制器提供监测数据。

在一个示例中，发动机可以是柴油发动机，该柴油发动机通过压缩点火来燃烧空气和柴油。在另一个示例中，发动机可以是双燃料发动机或多燃料发动机，其在对空气-气体燃料混合物进行压缩期间，在喷射柴油燃料时可以燃烧气体燃料和空气的混合物。在其他非限制性实施例中，发动机可以通过压缩点火(和/或火花点火)来另外燃烧燃料，包括汽油、煤油、天然气、生物柴油或其他具有相似密度的石油馏出物。

合适的轨道车辆可以是柴电机车(diesel-electric locomotive)。合适的柴电机车可包括干线运输车、重载货物运输车、铁路客运车辆、调车机、转辙机等。柴电机车可包括其他动力源，如混合动力(电池)、燃料电池、氢气发动机等。虽然柴油被用作示例燃料，但也可以使用其他燃料。合适的其他燃料可包括汽油、煤油、乙醇、生物柴油、天然气和其组合。如图1所示，发动机可以耦合至发电系统，该发电系统包括交流发电机/发电机122和多个牵引电机124。例如，发动机可以是柴油发动机和/或天然气发动机，其产生的扭矩输出可以被传输给交流发电机/发电机，交流发电机/发电机与发动机机械耦合。在一个实施例中，发动机104可以是使用柴油和天然气的多燃料发动机。

交流发电机/发电机产生的电能可以被存储并随后传输至各种下游电气部件。作为示例，交流发电机/发电机可以电耦合至多个牵引电机，并且交流发电机/发电机可以向多个牵引电机提供电力。如图所示，多个牵引电机中的每一个可以耦合到多个车轮之一，以提供牵引力来推动轨道车辆。一种示例性配置可以包括每个车轮组(例如，多个车轮的子集)一个牵引电机。如本文中所描绘的，六个牵引电机可以对应于轨道车辆的六对动轮中的每一对。在另一示例中，交流发电机/发电机可以耦合至一个或多个电阻网络126。该电阻网络可以通过该电阻网络产生的热量来消耗多余的发动机扭矩，其中该电阻网络产生的热量是由交流发电机/发电机产生的电力产生的。此外或替代性地，电阻网络可在动态制动模式下使用，以耗散由牵引电机产生的电力。

在一些实施例中，车辆系统可包括布置在进气通道114和排气通道116之间的涡轮增压器120。涡轮增压器可增加吸入进气通道的环境空气的充气量，以在燃烧期间提供更大的充气密度，从而增加功率输出和/或发动机运行效率。涡轮增压器可包括至少一个压缩机(未示出)，所述至少一个压缩机可至少部分地由至少一个相应的涡轮机(未示出)驱动。在一些实施例中，车辆系统可以包括后处理系统，该后处理系统耦合在涡轮增压器的上游和/或下游的排气通道中。在一个实施例中，后处理系统可以包括柴油氧化催化剂(DOC)和/或柴油微粒过滤器(DPF)。在其他实施例中，后处理系统可以附加地或替代地包括一个或多个排放控制装置。这样的排放控制装置可以包括选择性的催化还原(SCR)催化剂、三元催化剂、NOx捕集器或各种其他装置或排气后处理系统。

如图1所示，车辆系统可以包括热管理系统150(例如，发动机冷却系统)。该冷却系统可以使冷却剂(例如，水、乙二醇等)在发动机中循环，以吸收发动机废热，并将加热的冷却剂分配到热交换器，例如散热器152(例如，散热器热交换器)。合适的冷却剂可以是水。风扇154可以耦合至散热器，以在车辆缓慢移动或停止而发动机运行时维持通过散热器的气流。在一些示例中，风扇速度可以由控制器控制。被散热器冷却的冷却剂可以进入水箱(未显示)。然后可通过水或冷却剂泵156将冷却剂泵送回发动机或车辆系统的另一部件。

控制器可以控制与车辆相关的各种部件。作为示例，车辆系统的各种部件可以经由通信信道或数据总线耦合到控制器。在一个示例中，控制器可以包括计算机控制系统。控制器可以附加地或可替代地包括存储器，该存储器容纳非暂时性计算机可读存储介质(未示出)，该非暂时性计算机可读存储介质包括用于实现车载监视和轨道车辆操作控制的代码。在一些示例中，控制器可以包括彼此通信的多个控制器，例如用于控制发动机的第一控制器和用于控制轨道车辆的其他运行参数(例如牵引电机负载、鼓风机速度等)的第二控制器。第一控制器可以基于从第二控制器接收的输出来控制各种致动器，和/或第二控制器可以基于从第一控制器接收到的输出来控制各种致动器。

控制器可以从多个传感器接收信息，并且可以向多个致动器发送控制信号。控制器在监督发动机和/或轨道车辆的控制和管理的同时，可以从各种发动机传感器接收信号，如本文进一步阐述的，以确定运行参数和工作条件，并相应调整各种发动机致动器，以控制发动机和/或轨道车辆的运行。例如，控制器可以从各种发动机传感器接收信号，包括但不限于发动机转速、发动机负载、进气歧管空气压力、增压压力、排气压力、环境压力、环境温度、排气温度、排气空燃比、微粒过滤器温度，微粒过滤器背压、发动机冷却剂压力等。

图2描绘了多缸内燃机的燃烧室或气缸200的实施例，多缸内燃机例如是上面参考图1描述的发动机104。气缸200可以由气缸盖201和气缸体203定义，气缸盖201容纳进气阀、排气阀以及燃料喷射器，如下所述。在一些示例中，多缸发动机的每个气缸可以包括耦合到公共缸体的单独气缸盖。

发动机可以至少部分地由包括控制器110的控制系统控制，控制器110可以进一步与车辆系统通信，车辆系统例如是上面参照图1描述的车辆系统100。如上所述，控制器110还可接收来自各种发动机传感器的信号，包括但不限于来自曲轴转速传感器209的发动机转速、发动机负载、增压压力、排气压力、环境压力、CO₂水平、排气温度、NOx排放、来自耦合到冷却套筒228的温度传感器230的发动机冷却剂温度(ECT)等。在一个示例中，曲轴转速传感器可以是霍尔效应传感器、可变磁阻传感器或线性可变差动传感器，曲轴转速传感器被配置为基于曲轴的轮上的一个或多个齿的速度来确定曲轴转速。相应地，控制器110可以通过向诸如交流发电机、气缸阀、节气门、燃料喷射器等的各种部件发送命令来控制车辆系统。

气缸(即，燃烧室)200可以包括燃烧室壁204，活塞206位于燃烧室壁204中。活塞206可以耦合到曲轴208，从而活塞的往复运动被转换成曲轴的旋转运动。在一些实施例中，发动机可以是四冲程发动机，其中每个气缸在曲轴208的两转期间按照点火顺序点火。在其他实施例中，发动机可以是二冲程发动机，其中每个气缸在曲轴208的一转期间按照点火顺序点火。

气缸200从包括进气流道(intake runner)210的进气口接收用于燃烧的进气。进气流道210通过进气歧管接收进气。例如，进气流道210可以与发动机的除气缸200之外的其他气缸连通，或者进气流道210可以专门与气缸200连通。

由发动机中的燃烧产生的排气被供应到包括排气流道(exhaust runner)212的排气口。排气流过排气流道212，在一些实施例中通过排气歧管流向涡轮增压器(图2中未示出)，以及通过排气歧管流向大气。例如，排气流道212可以进一步接收来自发动机的除气缸200之外的其他气缸的排气。

发动机的每个气缸可以包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀。例如，所示的气缸200包括位于气缸200的上部区域中的至少一个进气提升阀214和至少一个排气提升阀216。在一些实施例中，发动机的每个气缸，包括气缸200，可以包括位于气缸盖处的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。

进气阀214可由控制器110通过致动器218控制。类似地，排气阀216可以由控制器110通过致动器220控制。在一些情况下，控制器110可以改变提供给致动器218和220的信号以控制相应进气阀和排气阀的打开和关闭。进气阀214和排气阀216的位置可以分别由各自的阀门位置传感器222和224确定。例如，阀致动器可以是电动阀致动型或凸轮致动型或其组合。

可以同时控制进气阀定时(timing)和排气阀定时，或者可以使用可变进气凸轮定时、可变排气凸轮定时、双独立可变凸轮定时和固定凸轮定时中的任何可能的定时。在其他实施例中，进气阀和排气阀可以由公共阀致动器(common valve actuator)或致动系统、或可变阀定时致动器或致动系统控制。此外，进气阀和排气阀可以由控制器基于工况进行控制以具有可变升程。

在一些实施例中，发动机的每个气缸可以配置有一个或多个燃料喷射器以向其提供燃料。作为非限制性示例，图2显示气缸200包括燃料喷射器226。燃料喷射器226被示为直接耦合到气缸200以直接在其中喷射燃料。以这种方式，燃料喷射器226提供所谓的燃料直接喷射到燃烧气缸200中。燃料可以从包括燃料箱232、燃料泵和燃料轨(未示出)的高压燃料系统输送到燃料喷射器226。在一个示例中，燃料是通过压缩点火在发动机中燃烧的柴油燃料。在其他非限制性实施例中，燃料可以是通过压缩点火(和/或火花点火)的汽油、煤油、生物柴油或具有相似密度的其他石油馏出物。此外，在一些示例中，发动机的每个气缸可以被配置为接收替代柴油燃料或除了柴油燃料之外的气体燃料(例如，天然气)。气体燃料可以经由进气歧管(如下文所述)或其他合适的输送机构提供给气缸200。

图3示出了用于通过气缸测试来诊断气缸的方法300，该气缸测试包括施加逐缸燃料供应扰动(本文称为爆音测试)和执行曲轴转速传感器的输出的频谱分析。方法300可由控制器(例如图1-2的控制器110)根据存储在控制器上的非临时性指令并结合一个或多个传感器(例如曲轴转速传感器209)以及一个或多个致动器(例如，燃料喷射器)来执行。

在302，方法300包括确定发动机运行参数。所确定的参数可以包括发动机转速、发动机负载、自上次执行气缸测试以来的时间、发动机熄火状态(例如，如果指示发生熄火)和其他参数。在304，方法300包括确定是否满足气缸测试的条件。执行气缸测试的条件可以包括之前识别到气缸熄火或自上次执行气缸测试以来已经逝去了阈值时间量(或距离或发动机循环)。在一些示例中，气缸测试可以在低发动机转速条件下进行，例如当发动机以低于440RPM的转速运行时(例如，怠速，在一些示例中可以是330RPM)。因此，执行气缸测试的条件可以包括发动机怠速条件或发动机启动期间。此外，在一些示例中，可以响应于用户请求(例如，通过用户输入到人机界面)来执行气缸测试，或者可以自动执行气缸测试(例如，响应于自上次执行气缸测试以来已经逝去了阈值时间量，以及响应于发动机条件得到满足)。当在发动机怠速条件期间响应于用户请求而执行气缸测试时，辅助负载(如风扇、鼓风机等)可以被关闭或断开，这可以减少发动机上的额外扰动。然而，在一些示例中，可以在气缸测试期间保持辅助负载。

如果不满足执行气缸测试的条件，则方法300返回以继续对执行气缸测试的条件进行监测，直到执行气缸测试的条件得到满足。一旦执行气缸测试的条件得到满足，方法300就进行到306以在正常燃料供应期间对曲轴传感器的输出进行采样以形成第一非爆音信号。正常燃料供应可包括每个气缸接收大约等量的燃料。在308，方法300包括对发动机的第一气缸过量供应燃料，并对曲轴传感器的输出进行采样以形成第一爆音信号。当第一气缸被过量供应燃料时，取决于主导发动机状况(prevailing engine condition)，可以检测到可听见的爆音声，因此在一些示例中气缸测试可以被称为爆音测试。在一个示例中，第一气缸可以被过量供应特定量的燃料达特定持续时间(例如，15-30秒)。在另一个示例中，可以使用组1/组2方法对第一气缸过量供应燃料，其中发动机的总扭矩(或燃料供应)由控制器的转速调节器确定，然后在两组气缸之间按所需比例分配。在对第一气缸过量供应燃料并同时进行气缸测试期间，组1气缸和组2气缸之间的这个比率是不均匀的，例如组2可以包括第一气缸，而组1可以包括其余的气缸，使得在一段持续时间内，第一气缸会接收增加量的燃料(相比于其余的气缸而言)同时发动机的总扭矩得到保持，这段持续时间可以根据施加在发动机上的辅助负载或其他因素动态地确定(如下面参照图7所解释的)。

当过量供应燃料时，爆音和非爆音信号的频率分量(下文将更详细地解释)可以显示出与正常气缸和过量供应燃料的气缸(例如，组1/组2气缸)之间的扭矩变化成比例的分离，因此可能需要最大化组1/组2气缸之间的扭矩差异。如上文所述，这可以通过相比于组1气缸而言对组2气缸过量供应燃料来实现，但可能存在对过量供应燃料的量的实际限制，例如当空燃比达到化学计量空燃比时可能出现的喷射持续时间能力以及烟雾和燃烧问题(假设发动机正常运行时为稀燃)。因此，通过调整气缸组之间的喷射定时，可以进一步分离组1/组2气缸之间的扭矩。例如，过量供应燃料的气缸(组2)可以具有提前的喷射定时，同时增加空燃比以限制烟雾产生。正常气缸(组1)可能由于正常燃料供应而具有高空燃比，因此烟雾不是问题。因此，可延迟过量供应燃料期间正常气缸的燃料喷射定时。因此，在过量供应燃料期间，过量供应燃料的气缸可以被调整为具有提前的燃料喷射定时并且正常气缸可以被调整为具有延迟的喷射定时(每个都相对于被命令扭矩的标称喷射定时)，这可以允许增加的扭矩分离，同时使得在过量供应燃料的气缸中实现增加的扭矩所需的燃料总量最小化。这样做时，过量供应燃料的气缸可以具有更高的空燃比(相比于保持喷射定时并且提供更多燃料以增加扭矩的情况)，从而降低烟雾产生并最小化燃烧问题。此外，虽然本文描述了顺序的过量供应燃料过程，但是应该理解，可以以类似的方式引入其他燃料供应扰动，而不是向每个气缸过量供应燃料。例如，每个气缸可以依次燃料不足，使得每个气缸以逐缸的方式接收相比于其余气缸的减少量的燃料。

虽然这里将第一爆音信号描述为在获得第一非爆音信号之后获得，但是在一些示例中，可以在获得第一非爆音信号之前获得第一爆音信号。然而，在获得第一爆音信号之前获得第一非爆音信号可能会减少测试活动的总时间，这是因为起始点也可能是基线点，因此转换较少。在310，恢复正常燃料供应并且对发动机的每个气缸顺序地重复该过程，使得每个气缸在每次过量燃料供应事件之间具有正常燃料供应偏移(excursion)的情况下被过量供应燃料，并且在每次正常燃料供应和过量燃料供应偏移期间对曲轴传感器输出进行采样，以获得发动机每个气缸的非爆音信号(指示正常/等量燃料供应期间的曲轴传感器输出)和爆音信号(指示过量燃料供应期间的曲轴传感器输出)。

在312，可以基于每个气缸的爆音和非爆音信号来识别一个或多个不健康的气缸。下面参照图4和图7描述如何基于爆音和非爆音气缸识别不健康气缸的额外细节。简而言之，爆音和非爆音信号可以被转换到频域，并且可以分析半阶频率分量(或另一合适的频率分量)，以确定在过量燃料供应期间是否存在施加在曲轴上的增加的扭矩振动。如果未识别出特定气缸的扭矩振动增加，则该气缸可以被视为不健康(例如，由于气缸未接收足够的燃料、由于气缸未完全压缩，或阻止完全燃烧的其他问题)。在气缸测试的低发动机转速条件期间，不健康的气缸(例如，熄火)可能无法与健康的气缸区分开来。然而，当气缸在低发动机转速条件期间被过量供应燃料时，半阶幅度增加，这可以如下所述那样被检测到。

在314，方法300确定是否有任何气缸被识别为不健康。如果没有气缸被识别为不健康(例如，所有气缸都是健康的)，则方法300结束。因为气缸是健康的，所以不对发动机运行参数进行调整，并且可以保持当前的发动机运行参数。在一些示例中，可以通知操作员所有气缸都是健康的，和/或气缸的健康状态可以存储在控制器的存储器中。然而，如果任何气缸被确定为不健康，则方法300进行到316以通知操作员不健康气缸和/或设置指示不健康气缸的诊断代码。在一些示例中，可以响应于对不健康气缸的识别来调整一个或多个运行参数。调整后的运行参数可包括调整不健康气缸的燃料喷射参数，例如调整对不健康气缸的燃料喷射量、持续时间和/或定时。例如，可以停止对不健康气缸的燃料供应，并通过增加对健康气缸的燃料供应来保持发动机扭矩。其他运行参数调整可以包括废气再循环量、增压压力等。更进一步，响应于不健康气缸的识别，发动机可以被降额(derate)(例如，每个健康气缸的发动机负载/功率可以被降低)或停机，以避免发动机退化。然后方法300返回。

因此，如果气缸被切断或停止工作，则该气缸的曲轴加速贡献将小于其余有贡献的气缸。对于V12四冲程发动机，曲轴每转一圈，每个气缸就会点火一次。因此，每个气缸对曲轴都有特定的加速贡献。该特定加速可以在曲轴转速传感器的半阶频谱分析中被识别出。类似地，如果一个气缸由于某种原因开始过量燃料供应，则对曲轴的贡献将再次是特定的，因此可以在曲轴转速传感器的频谱分析中是可识别的。

一旦识别出气缸退化，控制系统就可以采取必要的调整，以优化发动机性能、效率和排放符合性例行程序。如有指示，控制系统还可以切断对退化气缸的所有燃料供应，以帮助保护发动机免受可能发生的任何进一步的二次退化的影响。

在低发动机转速下，健康气缸通常会熄火，因为喷射器处于其工作范围的低端。这使得使用频谱分析检测断缸(cut out cylinder)变得很困难，因为在健康的发动机和有断缸的发动机之间看到的功率水平是重叠的，没有明显的分离可以用来识别断缸。上述参照图3描述的方法通过将频谱分析与爆音测试相结合，克服了这些障碍。在爆音测试期间，每个气缸按特定的顺序被过量供应燃料。被过量供应燃料的健康气缸将具有相对较高的半阶功率水平，而断缸将具有相对较低的半阶功率水平。控制系统可以利用这种功率水平的分离来确定各个气缸在低发动机转速下的健康状况。一旦控制系统确定存在工作状态低于完全健康状态的气缸，则控制系统就可以围绕该气缸采取特定措施，以优化发动机在受损气缸情况下的性能或切断对该气缸的燃料供应，以帮助保护发动机免受进一步退化。例如，发动机控制器系统可以采取措施来相应地调整EGR速率和阀，以充分补偿喷射器未按预期点火的情况。即使在系统受损的情况下，也可以进行这种调整，以帮助在一定程度上保持排放合规性。控制器还可以对发动机的总负载或功率进行降额，以帮助缓解退化的进程并允许车辆有足够的机会跛行回家。

图4是示出了根据本公开第一实施例的通过对曲轴传感器的输出进行频谱分析来诊断气缸的方法400的流程图。方法400可以由控制单元(例如控制器110)根据存储在其上的非临时性指令来执行。方法400可以单独或组合地检测半阶或更高阶的扭矩振动。在一个示例中，方法400可以仅检测半阶扭矩振动，例如当发动机是四冲程发动机时。在其他示例中，方法400可以检测一阶扭矩振动，例如当发动机是二冲程发动机时。其他阶扭矩振动的检测位于本公开的范围内。

在402，方法400包括将第一爆音信号和第一非爆音信号输入Goertzel滤波器，以获得发动机第一气缸的爆音和非爆音实部和虚部。第一爆音信号和第一非爆音信号可如上文参照图3所述那样来获得，例如，分别在第一气缸的过量燃料供应和正常燃料供应期间从曲轴传感器获得。在获得爆音和非爆音信号的同时，可以停用诸如空气压缩机、冷却风扇等的辅助负载，以减少可能的扰动。第一爆音信号和第一非爆音信号可包括用于指示在一个或多个完整的发动机循环(例如，曲轴的两转)内曲轴轮的每个齿经过曲轴传感器之间的时间量(Xn)的信息。在一个示例中，曲轴轮可以包括多个齿，并且可以针对曲轴轮的每个齿确定第一齿和第二相邻齿经过曲轴传感器之间的时间量。在一个示例中，曲轴轮可以包括90个齿，因此可以在一个发动机循环中收集大约180个Xn样本。

Xn的每个值都被输入到Goertzel滤波器中。关于Goertzel滤波器的附加细节在下文中参照图5进行描述。简言之，Goertzel滤波器基于前两个Xn项和可校准系数计算针对每个Xn的项(Sn)。Goertzel滤波器的最后两项S_N和S_N-1以给定频率输出，并用于确定每个信号的实部和虚部，其附加细节如下参考图6所示。简言之，在发动机循环期间采集的多个Xn样本表示可以被处理以确定信号的实部和虚部的信号。基于爆音信号相比于非爆音信号的实部和虚部，可以确定气缸是否健康。实部和虚部可以以给定频率确定，例如每秒一次(例如，1Hz)。如上文参照图3的描述，在第一气缸在特定持续时间(如15-30秒)内被过量供应燃料的同时可以获得第一爆音信号，并且第一非爆音信号可以在类似持续时间内获得。在模式转换期间和接近模式转换(例如，从正常供应燃料转换到过量供应燃料，反之亦然)时获得的爆音和非爆音信号部分可以被丢弃，而在过量供应燃料持续时间的中间或正常供应燃料持续时间的中间的每个信号部分可以进入Goertzel滤波器。因此，可以为第一爆音信号输出多个实部和虚部(例如，5-15)，并且可以为非爆音信号输出对应的多个实部和虚部(例如，5-15)。

在404，方法400包括针对发动机第一气缸确定爆音信号的中值实部和中值虚部以及非爆音信号的中值实部和中值虚部。爆音和非爆音信号的中值实部和中值虚部可以使用在爆音和非爆音信号的输出期间收集的分量的中值来计算(例如，可以确定爆音信号的所有实部的中值，可以确定爆音信号的所有虚部的中值，等等)。

在406，方法400包括针对发动机的第一气缸确定爆音实部、虚部对和非爆音实部、虚部对之间的变化幅度。例如，可以确定爆音实部、虚部对与非爆音实部、虚部对之间的差的绝对值。

在一些示例中，变化的幅度可以表示为从非爆音实部、虚部对到爆音实部、虚部对的向量，其中可以绘制向量的幅度和方向，以显示分量值之间的差异的绝对值。图9中显示了如上所述绘制的绝对值的图形的例子，并将在下文进行详细解释。这样，可以计算爆音信号的半阶频率分量和非爆音信号的半阶频率分量之间的变化幅度。在一些示例中，可以将变化幅度计算为爆音和非爆音实部与爆音和非爆音虚部之间的方差(squareddifference)之和的平方根。

在410，方法400包括针对发动机中的每个额外气缸顺序地重复402、404和406。除非被操作者中止，否则当方法400启动时，所有气缸都可以被测试。在412，方法400包括确定所计算的变化幅度中的任何一个是否小于阈值。阈值可以根据健康气缸的平均变化幅度来选择，这样，低于阈值的变化幅度可以指示不健康的气缸。在一些示例中，阈值可以另外或替代性地被选择，以对错误宣布气缸不健康(这促使不需要的维护/错误警报)与错过死缸的风险进行均衡。

如果计算出的变化幅度没有一个低于阈值，则方法400继续进行到414，以指示所有气缸都是健康的，然后方法400结束。然而，如果变化幅度中的一个或多个变化幅度小于阈值，则方法400进入416，以指示变化幅度低于阈值的已识别气缸是不健康的。

因此，方法400提供一种气缸测试，该气缸测试可以在发动机怠速期间响应于用户请求而执行。在方法400的气缸测试期间，可以停用施加在发动机上的所有辅助负载(例如，风扇、鼓风机、压缩机)，并且每个气缸可以通过针对被过量供应燃料的气缸的燃料指令上的固定持续时间加法器，以顺序方式被过量供应燃料(一次一个)。控制器可以在顺序的过量供应燃料期间保持设定的发动机转速(例如，330RPM)。曲轴转速传感器输出可以在过量供应燃料事件和过量供应燃料事件之间的正常供应燃料偏移期间被获得，并被输入到Goertzel滤波器以获得与一次/每发动机循环的频率相对应的DFT箱实部和虚部，并且该计算以给定频率(例如1Hz)更新。实部和虚部的中值被用来计算每个气缸的爆音和非爆音之间的变化幅度(例如，通过方差之和的平方根)。每个变化幅度与预校准的阈值进行比较，以确定相应的气缸是健康的还是不健康的。每次启动气缸测试时，每个气缸都会被测试，除非气缸测试被操作员中止。此外，在气缸测试期间，发动机定时可以被超限(overridden)。

虽然在本文中将确定健康与不健康气缸描述为基于爆音和非爆音信号的实部、虚部对的变化幅度，但是除了变化幅度之外或替代变化幅度，可以采用其他方法。例如，本文描述的每个变化向量的方向取决于气缸点火时的发动机位置(例如，气缸的点火角)。可以分析针对给定气缸计算的变化向量方向，以确认气缸测试被正确执行。例如，每个变化向量的方向应该对应于该气缸的点火角，因此如果变化向量的方向与该气缸的点火角冲突，则可以指示测试无效。此外，如果不能确定变化向量方向，则可以指示气缸不健康(例如，变化向量太小而无法肯定地确定其方向)。

参考图5的方法500，它图示了通过Goertzel滤波器对曲轴传感器信号执行的样本收集和递归求和。如前所述，发动机曲轴具有定时轮(timing wheel)，该定时轮带有均匀间隔的齿以控制在发动机的正确角位置处喷射燃料。控制器读取每个齿的通行。即使齿间距均匀，齿之间的时间DT(n)(也称为X_n)仍然会因曲轴的扭矩振荡而变化，其中曲轴的扭矩振荡由单个气缸点火的脉动性质和曲轴的弹性特性引起。当所有气缸均匀点火时，它们进入曲轴的扭矩脉冲是相当相等的，并且气缸之间的相位差导致较低扭矩阶数的低净值。当一个气缸的扭矩较低或较高时，则其余扭矩值不会抵消，可以计算出曲轴扭矩阶数的更高净值。方法500可以作为方法400的一部分或方法700的一部分而执行(下文将更详细地描述)，以生成用于计算发动机每个气缸的爆音和非爆音信号的实部和虚部的项。

因此，在502，方法500包括获得如上所述计算的X_n值(例如，曲轴转速传感器检测到第一齿与曲轴转速传感器检测到第二齿之间的时间量，其中第二齿是第一齿的紧邻齿)。在504，基于X_n、S_n-1和S_n-2确定第一项S_n。为了确定S_n，将获得的X_n值输入方程S_n＝_n+oeff*_n-1-n-2，其中Coeff的值取决于计算的阶数(例如，半阶、一阶等)，其中S_n-1和S_n-2是之前计算的两个S_n。计算S_n后，S_n-1被设置为S_n-2，S_n被设置为S_n-1，样本计数在506处增加1。然后在508确定样本计数是否等于或大于阈值计数。阈值计数可以是传感器在一个完整的发动机循环中检测到的齿数(例如，曲轴旋转两圈，则阈值计数是定时轮上齿数的两倍)，也可以是用于表明已收集足够的数据从而能够确定扭矩振动阶数的其他适当的计数。在一个示例中，定时轮有90个齿，阈值计数可以为180。在另一个实施例中，控制器可以通过曲轴传感器一次读取定时轮的多个齿。例如，曲轴传感器可以一次捕获四个齿。因此，控制器可以读取具有90个齿的曲轴轮的45个样本。在另一个示例中，如果曲轴轮有90个齿，并且控制器可以一次捕获两个齿，则可以采集90个样本。这样，阈值计数可以根据一次采样的齿数而变化。

如果计数不大于阈值计数，方法500循环回502，并为下一个X_n计算S_n。如果计数等于或大于阈值计数，则在510处输出两个最终项S_N和S_N-1，并在512处将所有值重置为零，以重新开始下一个发动机循环。这样，对曲轴两圈内的所有齿进行求和，然后计算实部和虚部(如下所述)。

图6是示出了基于方法500输出的项来确定爆音和非爆音信号的实部和虚部的方法600的流程图。在602，方法600包括获得S_N和S_N-1。如上面参照图5所解释的，S_N和S_N-1是递归Goertzel算法输出的两个最终项。因此，S_N和S_N-1表示整个采样信号的期望频率分量(例如，半阶)，并且包括实部和虚部频率分量。在604，基于S_N和S_N-1确定实部。实部可以根据以下等式确定：

实部＝(S_N-S_N-1*cosine)

在606，基于S_N-1确定虚部。可以根据以下等式确定虚部：

虚部＝(S_N-1*sine)

应当理解，方法500和600可以针对在方法400或方法700的气缸测试期间获得的每个爆音信号和每个非爆音信号而被执行。因此，当每个气缸爆音和非爆音时，通过方法500和600、以本文所述的频率、针对发动机的每个气缸输出实部和虚部。

图7是示出了根据本公开第二实施例的通过对曲轴传感器的输出进行频谱分析来诊断气缸的方法700的流程图。方法700可以由控制单元(例如控制器110)根据存储在其上的非临时性指令来执行。方法700可以单独或组合地检测半阶或更高阶的扭矩振动。在一个示例中，方法700可以仅检测半阶扭矩振动，例如当发动机是四冲程发动机时。在其他示例中，方法700可以检测一阶扭矩振动，例如当发动机是二冲程发动机时。其他阶数的扭矩振动的检测位于本公开的范围内。方法700可以响应于确定已经满足执行气缸测试的条件而自动执行，例如，作为上述方法300的一部分。

在702，方法700包括将第一爆音信号和第一非爆音信号输入Goertzel滤波器，以获得发动机第一气缸的爆音和非爆音实部和虚部。第一爆音信号和第一非爆音信号可如上文参照图3所述那样被获得，例如，分别在第一气缸的过量燃料供应和正常燃料供应期间从曲轴传感器获得。实部和虚部可以以与1次/每发动机循环的频率相对应的频率进行计算，并且该计算可以以给定频率而定期更新，例如每秒十次(例如，10Hz)。如上文参照图3所述，第一爆音信号可在第一气缸被过量供应燃料时被获得，第一非爆音信号可以在第一气缸未被过量供应燃料时被获得。然而，与图3的方法不同，在方法700中执行的过量供应燃料(以及相应的爆音信号收集)没有被执行预定持续时间。相反，执行过量供应燃料并收集爆音信号，直到观察到信号收敛，这表明可能作用于信号上的任何外部扰动(例如，添加/删除辅助负载)均已经稳定。这样，当执行第一气缸的过量供应燃料时，可以获得爆音信号并将其持续输入到Goertzel滤波器中，以便以给定更新频率(例如，10Hz)获得爆音实部和虚部。当恢复正常供应燃料时，获得非爆音信号并将其持续输入到Goertzel滤波器中，以便以给定更新频率(例如10Hz)获得非爆音实部和虚部。

在704，方法700包括在具有固定数量的输出样本的滑动窗口(moving window)上估计爆音和非爆音信号的实部和虚部的中值和分布。这些样本可以是接收到的实部和虚部。实部和虚部的分布可以是偏离中值的确定的绝对偏差。

在706，方法700包括确定样本是否在设定时间内收敛。收敛可以定义为爆音和非爆音信号的实部和虚部的中值绝对偏差(例如，偏离样本中值的偏差的绝对值的中值)低于校准阈值。一旦样本一致，则可以指示收敛，当诸如辅助负载(例如，空气压缩机)等的扰动不再存在和/或发生变化时，可以实现收敛。设定时间可以是30秒或可根据经验确定的另一合适时间。

如果样本未在设定时间内收敛，则方法700前进到708以指示第一气缸不健康。不收敛的样本可以由爆音和非爆音信号的实部和虚部的不低于校准阈值的中值绝对偏差来定义。如果样本未在设定时间内收敛，则可以指示气缸不健康，这可以触发气缸的重新测试(在下文中进行解释)。

如果样本在设定时间内收敛，则方法700进行到710，710包括基于爆音信号的实部和虚部以及非爆音信号的实部和虚部计算第一气缸的变化幅度。变化幅度可以表示为从非爆音实部和虚部到爆音实部和虚部的向量，其中可以绘制向量的幅度和方向，以显示分量值之间的差的绝对值。可以如上文参照图4所述那样来计算变化幅度。如上文所述，可以将变化幅度与阈值进行比较以确定气缸是否健康。如果变化幅度小于阈值，则表明气缸不健康。

在712，方法700包括确定气缸是否健康。如果样本在设定时间内收敛且变化幅度大于阈值，则可以确定气缸健康。如果样本未在设定时间内收敛和/或变化幅度不大于阈值，则可以确定气缸不健康。如果未确定气缸不健康(例如，气缸健康)，则方法700进行到716，这将在下文进行解释。如果确定气缸不健康，则方法700进行到714，在714，对第一气缸进行重复测试，如果第二次测试失败，则指示气缸不健康。在一个示例中，重复测试可以包括为正在重新测试的气缸收集新的爆音和非爆音信号。这样，如果气缸连续两次测试失败，则可以表明气缸不健康。

在716，方法700包括对发动机中的每个额外气缸重复进行气缸测试。在测试每个气缸时，可以记录每个气缸的健康指标。方法700可以结束。

因此，方法700提供了在低发动机转速条件期间可以自动执行(例如，没有明确的用户输入)的气缸测试。在方法700的气缸测试期间，可以根据每个辅助负载的需求来添加、维持或移除置于发动机上的辅助负载(例如，风扇、鼓风机、压缩机)，并且每个气缸可以通过针对被过量供应燃料的气缸的组1/组2燃料供应方法、以顺序的方式被过量供应燃料(一次一个)。控制器可以在顺序过量供应燃料期间保持爆音气缸上的设定总指示扭矩。可以在过量供应燃料事件和过量供应燃料事件之间的正常供应燃料偏移期间获得曲轴转速传感器的输出，并将该输出输入给Goertzel滤波器，以便以给定频率(例如，10Hz)获得DFT箱的实部和虚部。然而，通过在事件采样的基础上进行所有计算，只有唯一的循环可用于计算(仅使用新发动机循环的一个时间步长)。收集曲轴传感器输出的持续时间(以及每个气缸的爆音和非爆音的持续时间)可以是动态的，以确保在不存在来自辅助负载的扰动时对传感器进行采样。为此，可以分析具有固定数量的DFT样本(例如，实部和虚部)的滑动窗口，以估计被测点的实部/虚部的中心(中值)和扩散(中值绝对偏差)。对测量点进行测试，直到由采样点的中值绝对偏差确定的“收敛”低于校准极限。这样“等待”，直到反馈信号的扰动(例如空气压缩机之类的辅助负载)不再存在并且采样数据一致。

一旦样本收敛，实部和虚部的中值就被用于计算每个气缸的爆音和非爆音之间的变化向量的幅度(例如，通过方差之和的平方根)。将每个变化向量的幅度与预校准阈值进行比较，以确定各个气缸是否健康。此外，如果样本从不收敛(对于该气缸而言)，或者相对于基线点的DFT变化幅度不超过阈值，则可将气缸诊断为不健康。在一些示例中，如果检测到气缸不健康，则测试可以重新设定基线，然后重新测试气缸。观察到连续两次失败(在两条基线上)，表明气缸不健康。

在一些示例中，当检测到不健康气缸时，功率可以与检测到的不健康气缸的数量成比例地进行限制。如果16缸发动机上的一个气缸不健康，则功率被限制在标称缺口调用(nominal notch call)的15/16，以将其他气缸的功率水平保持在标称水平。在一些示例中，在气缸测试期间，发动机定时和轨压力可以在测试过程中被超限。在基线测试(例如，非爆音)期间，气缸测试可以包括将所有气缸纳入单一的集合，所有气缸的燃料供应一致。该测试可以在爆音点期间寻找组1和组2气缸扭矩之间的充分分离，作为有效测试点的标准。例如，如果组1/组2气缸的气缸扭矩之间的差低于阈值，则该测试可以被视为无效，并可以进行新的测试。为了增加气缸扭矩的分离，可以调整气缸之间的燃料喷射定时，例如，相比于组1气缸，组2气缸(爆音气缸)可以具有提前的定时。

方法700的自动气缸测试可以根据自上次测试被执行以来的时间或控制器最近是否被重启，来执行。如果自控制器重启以来尚未对任何气缸进行诊断，则将在条件允许时执行测试。此外，如果在超过校准极限的情况下尚未对任何气缸进行诊断，则可在条件允许时执行测试。

在一些示例中，气缸测试可以仅对超过校准时间限制尚未被诊断的气缸进行测试。该测试可能不会一次诊断整个发动机，并且该测试可以因标称发动机运行而中断。当车辆未使用时(例如，在阈值时间内为空载功率(idle power))，控制器可以适时地启动测试。在气缸测试期间不会禁用辅助负载，并且通过使用对输出样本的收敛标准来拒绝瞬态。在执行测试之前，控制器可以寻找足够低的扭矩需求，以便预期在组1和组2气缸扭矩之间有足够的分离。该测试可以在多个发动机转速(335RPM、440RPM或580RPM)下执行。测试中使用的校准阈值/超限值(override values)的大小(爆音气缸扭矩、健康阈值等)可以根据发动机转速来选择。气缸健康阈值(例如，与变化向量的幅度相比较的阈值)可根据发动机转速和爆音幅度来选择。

虽然本文描述的气缸测试(例如，在方法400和700中)是通过对气缸过量供应燃料来进行的，但应理解的是，类似的方法可通过不同类型的指令扰动而被使用，例如顺序地切断对每个气缸的燃料供应而不是顺序地对每个气缸过量供应燃料。此外，不是一次扰动一个气缸并分析半阶频率分量，而是可以一次扰动多个气缸(例如，一次对两个气缸过量供应燃料)并分析不同的频率分量(例如，一次对N个气缸过量供应燃料，并查看第1/N个频率内容)。此外，只要将结果与预校准的签名进行比较，就可以应用替代的信号处理技术，例如RMS误差、交叉相关、小波分析等。气缸健康状况不佳的评估可用于确定发动机的功率限制。这将减少运行时间，同时通过以额定功率继续运行来对其余的健康气缸进行过压。

每个气缸的爆音/非爆音比较(不管比较方法、DFT或其他)与气缸的相对强度(在爆音期间产生的扭矩)相关，并且可以随时间变化，以实现基于条件的维护。每个气缸的爆音/非爆音比较可用于比较发动机中气缸的相对强度(在爆音期间产生的扭矩)，这可用作对气缸之间的发动机负载进行均衡的反馈机制。此外，在已知命令的爆音大小的情况下，每个气缸的爆音/非爆音比较或所有气缸的平均值/中值可用于估计发动机的物理特性(例如惯性)，这可用作用于动态调整转速调节器调谐的反馈机制。

现在转向图8，它示出了第一示例图形800，该第一示例图形800示出了发动机中的多个健康气缸在它们爆音或非爆音时的数据点。绘制在图形800上的实部和虚部可以是针对每个气缸的每个信号在预定义范围(例如，15秒)内收集的数据的聚合的平均值。

第一轴804可以是对信号(例如，爆音或非爆音)的实部的半阶幅度进行量化的轴。第二轴806可以是对信号(例如，爆音或非爆音)的虚部的半阶幅度进行量化的轴。第一数据点808可以表示第一气缸(在本例中，可以是发动机左岸上的第一气缸，称为L1)的爆音信号的、沿着轴804的实部的半阶幅度中值和沿着轴806的虚部的半阶幅度中值。第二数据点810可以表示第一气缸的非爆音信号的、沿着轴804的实部的半阶幅度中值和沿着轴806的虚部的半阶幅度中值。发动机的每个其他气缸都以类似方式绘制，例如，在爆音和非爆音期间获得的实部、虚部对。当发动机中的所有气缸都健康时，可以看到从气缸的爆音信号数据点到同一气缸的非爆音信号数据点的数据偏移。

现在转向图9，它示出了可以是绝对值图的第二示例图形900，该第二示例图形900描绘了每个气缸的爆音与非爆音信号的实部和虚部之间的差的绝对值。在一个示例中，图形900可以表示图8的图形800中每个气缸的爆音与非爆音信号的实部和虚部之间的差的绝对值。

第一轴904可以是对气缸的爆音与非爆音信号的实部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴。第二轴906可以是对气缸的爆音与非爆音信号的虚部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴。

从图形900的原点910到第一数据点912的距离908可以被认为是(对应于第一数据点912的)第一气缸L1的变化向量。图形900中的每个数据点可以具有与原点910的相应距离，使得与图形900中每个数据点相关联的每个气缸可以具有各自的变化向量。每个气缸的变化向量的幅度可以用作衡量每个气缸健康状况的标准。在一个示例中，如果由图形900中的距离表示的变化向量的长度小于阈值(例如，接近0)，则该长度可以指示不健康的气缸。此外，可以确定变化向量的方向，并将其用于验证测试结果或作为评估气缸健康状况的替代机制。

现在转向图10，它显示了第三示例图形1000，该第三示例图形1000示出了多个健康气缸和一个不健康(例如，断开)气缸的数据点。与图8所示的数据类似，图形1000上绘制的实部和虚部是在每个气缸的爆音和非爆音期间收集的数据的聚合的平均值。

第一轴1004可以是对信号(爆音或非爆音)的实部的半阶幅度进行量化的轴。第二轴1006可以是对信号(爆音或非爆音)的虚部的半阶幅度进行量化的轴。第一数据点1008可以表示第一气缸的爆音信号的、沿着轴1004的实部的半阶幅度中值和沿着轴1006的虚部的半阶幅度中值。第二数据点1010可以表示第一气缸的非爆音信号的、沿着轴1004的实部的半阶幅度中值和沿着轴1006的虚部的半阶幅度中值。在一个示例中，第一数据点1008和第二数据点1010可以是健康气缸的数据点。第三数据点1012可以表示断开的气缸(气缸R8)的爆音信号的实部和虚部。如图形1000所示，第三数据点1012的实部和虚部的半阶幅度中值在实部和虚部值上可以与多个非爆音信号数据点相似，表明气缸可能不健康。

现在转到图11，它显示了第四示例图形1100，第四示例图形1100描绘了图10的图形1000中每个气缸的爆音与非爆音信号的实部和虚部之间的差的绝对值。第一轴1104可以是对气缸的爆音与非爆音信号的实部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴，类似于图9的第一轴904。第二轴1106可以是对气缸的爆音于非爆音信号的虚部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴，类似于图9的第二轴906。

从图形1102的原点1110到第一数据点1112的距离1108可以被认为是对应于第一数据点1112的气缸(R8)的变化向量。图形1100中的每个数据点可以具有与原点1110的相应距离，使得与图形1100中的每个数据点相关联的每个气缸可以具有变化向量。每个气缸的变化向量的幅度可以用作衡量每个气缸健康状况的标准。在一个示例中，与图形1100中与任何其他数据点相关联的任何其他幅度相比，与第一数据点1112相关联的气缸可以被认为是不健康的，因为由距离1108表示的变化向量幅度明显较短。

现在转到图12，它显示了第五图形1200，第五图形1200中包含多个健康气缸和三个在点火模式中彼此相邻的断开气缸的数据点。与图8和图10所示的数据类似，绘制了爆音和非爆音气缸的中值实部和虚部对。第一轴1204可以是对信号(爆音或非爆音)的实部的半阶幅度进行量化的轴。第二轴1206可以是对信号(爆音或非爆音)的虚部的半阶幅度进行量化的轴。第一数据点1208可以表示第一气缸(L4)的爆音信号的、沿着轴1204的实部的半阶幅度中值和沿着轴1206的虚部的半阶幅度中值。第二数据点1210可以表示第一气缸的非爆音信号的、沿着轴1204的实部的半阶幅度中值和沿着轴1206的虚部的半阶幅度中值。在所示示例中，第一数据点1208和第二数据点1210可以是健康气缸的数据点。第三数据点1212、第四数据点1214和第五数据点1216可以表示不健康气缸(例如，未接收燃料的断开的气缸)的爆音信号的实部和虚部，使得第三数据点1212、第四数据点1214和第五数据点1216的实部和虚部的半阶幅度中值与多个非爆音信号数据点的实部和虚部值相似，表明这些气缸是不健康的。如上所述，这三个不健康气缸(R1、L1和R3)可以按发动机的点火顺序而被顺序地布置。当多个气缸不健康时，特别是当多个被顺序点火的气缸不健康时，基于曲轴传感器的输出检测不健康气缸的替代方法可能不足以检测每个不健康气缸。例如，将爆音期间每个气缸的半阶频率的幅度与预定阈值进行比较可能不能足够稳健地在多个气缸不健康时检测不健康的气缸。然而，如图12所示，即使在这种情况下健康气缸的变化向量的幅度减小了，健康气缸和不健康气缸之间仍然有足够的分离来检测不健康气缸。

现在转向图13，它示出了第六示例图形1300，第六示例图形1300描绘了图12的图形1200中每个气缸的爆音与非爆音信号的实部和虚部之间的差的绝对值。第一轴1304可以是对气缸的爆音和非爆音信号的实部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴，类似于图9的第一轴904和图11的第一轴1104。第二轴1306可以是对气缸的爆音与非爆音信号的虚部的半阶幅度之间的差的绝对值进行量化的轴，类似于图9的第二轴906和图11的第二轴1106。如图所示，三个不健康气缸(R1、L1和R3)的坐标相对接近原点1310，因此每个气缸都有足够小的变化向量幅度以表明这些气缸是不健康的。

在一个示例中，由于多个断开的气缸影响整个发动机，所以图形1300中的所有变化向量可以比图形1100或900中的变化向量短，但由于这些气缸的变化向量相对短于图形1300中与其他气缸相关联的向量，因此仍可以指示不健康的气缸。

现在转到图14，它显示了一组图形1400，这组图形1400包括第一图形1402和第二图形1404，分别表示呈现各种不同级别/类型的不健康气缸的发动机的、不健康气缸和健康气缸群的变化向量长度的柱状图。

第一图例1406指示第一图形1402中表示的不同级别/类型的不健康气缸，包括一个气缸断开的集合、两个气缸断开的集合、三个气缸断开的集合和一个气缸死缸的集合。因为第一图形1402是不健康气缸群的变化向量幅度的柱状图，所以第一图形1402中没有显示来自没有死缸或断开气缸的集合的数据，如第一图例1406所示。

第二图例1408指示第二图形1404中表示的不同级别/类型的不健康和健康气缸，包括一个气缸断开的集合(例如，由于燃料喷射器断开而无法接收燃料)、两个气缸断开的集合、三个气缸断开的集合、没有任何气缸断开的集合、没有任何气缸死缸的集合以及一个气缸死缸的集合(例如，燃料喷射器是连接的，但未喷射燃料)。如通过比较第一图形1402和第二图形1404所指示的，在不健康气缸的变化向量幅度与健康气缸的变化向量幅度之间可以存在明显的分布分离。因此，即使在多个气缸不健康(例如三个气缸断开的集合)、其余健康气缸的变化向量跨越相对较宽范围的情况下，在不健康气缸与健康气缸之间仍然存在足够的分离。

使用气缸扰动期间曲轴转速传感器输出的信号的频率内容相比于没有扰动发生时曲轴转速传感器输出的信号的频率内容的幅度变化来诊断气缸的技术效果是，可以识别一个或多个不健康气缸。另一个技术效果是，与诊断不健康气缸的其他方法相比，使用Goertzel滤波器分析半阶频率内容可以减少处理需求。

图1-2示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果显示为彼此直接接触或直接耦合，则至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接耦合。类似地，至少在一个示例中，被示出为彼此邻接或彼此相邻的元件可以分别彼此邻接或彼此相邻。作为示例，彼此面共享接触(face-sharing contact)地放置的部件可以被称为面共享接触。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此分开放置且仅在其中有空间而没有其他部件的元件可以被这样称呼。作为又一示例，相对于彼此而言，在彼此上方/下方，在彼此相对的侧面或在彼此的左侧/右侧所示的元件可以被这样称呼。此外，如图所示，在至少一个示例中，最顶部的元件或元件的点可以被称为部件的“顶部”，而最底部的元件或元件的点可以被称为部件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于附图的竖直轴线，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，在其他元件上方示出的元件垂直地位于其他元件上方。作为又一个示例，在附图中描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，圆形、笔直、平面、弯曲、倒圆、倒角、成角度等)。此外，在至少一个示例中，示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一个示例中，示出为在另一个元件内或在另一个元件外的元件可以被这样称呼。

如本文使用的，以单数形式表述并以词语“一个”或“一种”进行描述的元件或步骤应该理解为不排除复数形式的元件或步骤，除非这种排除被明确指出。此外，对本公开的“一个实施例”的引用不排除也包含所述特征的另外的实施例的存在。此外，除非另有明确说明，否则“包括”、“包含”或“具有”一个或多个具有特定特性的元件的实施例可以包括不具有该特性的其他元件。术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的通俗等价表达。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求或特定位置顺序。

本文公开的控制方法和例程可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件结合的控制器的控制系统来执行。本文描述的特定例程可以代表任何数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所示出的各种动作、操作和/或功能可以以所示出的顺序，并行地或者在某些情况下被省略来执行。同样，处理顺序对于实现本文所述示例性实施例的特征和优点不是必需的，而是为了便于说明和描述而提供。取决于所使用的特定策略，可以重复地执行所图示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示要被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过在包括各种发动机硬件组件以及电子控制器的系统中执行指令来执行所描述的动作。

本书面说明书使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所合并的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种气缸诊断系统，包括：

发动机，所述发动机具有耦合到曲轴的多个气缸；

曲轴转速传感器；和

控制器，所述控制器被配置为：

在标称发动机运行期间，从所述曲轴转速传感器接收第一输出；

在发动机运行期间，从所述曲轴转速传感器接收第二输出，其中燃料供应扰动被引入到所述多个气缸中的气缸中；

响应于所述第一输出与所述第二输出之间的差小于阈值差，指示所述气缸不健康；以及

响应于所述指示，调整所述发动机的一个或多个运行参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为：

处理所述第一输出以获得第一半阶频率信号的实部和虚部，处理所述第二输出以获得第二半阶频率信号的实部和虚部；以及

根据所述第一半阶频率信号的实部和虚部与所述第二半阶频率信号的实部和虚部之间的差，确定所述第一输出与所述第二输出之间的差。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一输出和所述第二输出以给定的更新频率被采样和被处理，以获得所述第一半阶频率信号的多个实部和虚部以及所述第二半阶频率信号的多个实部和虚部，并且其中所述控制器被配置为：

从所述第一半阶频率信号中识别第一中值实部和第一中值虚部，并从所述第二半阶频率信号中识别第二中值实部和第二中值虚部；和

根据所述第一中值实部和所述第一中值虚部与所述第二中值实部和所述第二中值虚部之间的差的绝对值，确定所述第一输出与所述第二输出之间的差。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃料供应扰动包括相对于所述发动机的其余气缸向所述气缸供应增加量的燃料。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被配置为响应于用户输入而向所述气缸供应所述增加量的燃料，其中所述增加量的燃料被供应给所述气缸达固定的持续时间。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被配置为在满足气缸测试条件时自动向所述气缸供应所述增加量的燃料，并且其中所述控制器被配置为在动态持续时间内向所述气缸供应所述增加量的燃料，所述动态持续时间是基于所述第一输出的样本分布。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置为响应于所述第一输出与所述第二输出之间的差大于所述阈值差而指示所述气缸是健康的。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气缸是第一气缸，所述多个气缸包括第二气缸，并且其中所述控制器被配置为：

在随后的标称发动机运行期间，从所述曲轴转速传感器接收第三输出；

在所述发动机运行期间，从所述曲轴转速传感器接收第四输出，其中燃料供应扰动被引入所述第二气缸；以及

响应于所述第三输出与所述第四输出之间的差小于所述阈值差，指示所述第二气缸不健康。

9.一种气缸诊断方法，包括：

基于燃料供应扰动被引入发动机的气缸时曲轴转速传感器的输出的频率内容相比于所述燃料供应扰动未被引入所述气缸时所述曲轴转速传感器的输出的频率内容的变化小于阈值变化，指示所述气缸是不健康的；以及

响应于所述指示，调整所述发动机的一个或多个运行参数。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括所述燃料供应扰动被引入时与所述燃料供应扰动未被引入时相比，保持恒定的发动机转速。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括所述燃料供应扰动被引入时与所述燃油供应扰动未被引入时相比，保持恒定的命令的发动机扭矩。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，基于所述燃料供应扰动被引入所述气缸时相比于所述燃料供应扰动未被引入所述气缸时、所述曲轴转速传感器的输出的频率内容的变化小于所述阈值变化，指示所述发动机的所述气缸是不健康的，包括：

当所述燃料供应扰动被引入时，获取所述曲轴转速传感器的第一输出的第一频率内容；

当所述燃料供应扰动未被引入时，获取所述曲轴转速传感器的第二输出的第二频率内容；

处理所述第一频率内容以获得所述第一频率内容的第一实部和虚部；

处理所述第二频率内容以获得所述第二频率内容的第二实部和虚部；以及

响应于所述第一实部和虚部与所述第二实部和虚部之间的变化小于所述阈值变化，指示所述发动机的所述气缸是不健康的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一频率内容和所述第二频率内容各自包括半阶频率内容，其中所述燃料供应扰动包括相对于所述发动机的其余气缸，增加供应给所述气缸的燃料量、减少供应给所述气缸的燃料量和调整所述气缸的燃料喷射定时中的一者或多者，其中所述第一实部和虚部与所述第二实部和虚部之间的变化包括具有方向的向量，所述方法还包括基于所述向量的方向指示所述发动机的所述气缸是不健康的。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括基于所述燃料供应扰动被引入所述气缸时相比于所述燃料供应扰动未被引入时所述曲轴转速传感器的输出的频率内容的变化大于所述阈值变化，指示所述气缸是健康的。

15.一种气缸诊断方法，包括：

响应于对不健康气缸过量供应燃料期间从曲轴转速传感器输出的信号的第一半阶频率分量位于对所述不健康气缸正常供应燃料期间从所述曲轴转速传感器输出的信号的第二半阶频率分量的阈值内，检测所述不健康气缸；和

响应于检测到所述不健康气缸，调整一个或多个发动机运行参数。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述不健康气缸过量供应燃料包括相比于提供给所述发动机的其余气缸的相应燃料量，向所述不健康气缸提供增加量的燃料，以及对所述不健康气缸正常供应燃料包括向所述不健康气缸提供与提供给所述其余气缸的相应燃料量相同的燃料量，并且其中在对所述不健康气缸过量供应燃料和对所述不健康气缸正常供应燃料期间，发动机转速保持不变。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一半阶频率分量包括从所述过量供应燃料期间所述曲轴转速传感器输出的信号中获得的第一中值实部、虚部对，所述第二半阶频率分量包括从所述正常供应燃料期间所述曲轴转速传感器输出的信号中获得的第二中值实部、虚部对。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，在发动机怠速条件期间，响应于用户请求，对所述过量供应燃料执行固定持续时间。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，基于发动机运行条件，适时地对所述过量供应燃料执行动态持续时间，所述动态持续时间基于所述第一半阶频率分量的样本分布，并且其中响应于检测到所述不健康气缸而调整一个或多个发动机运行参数包括降低所述发动机的其余健康气缸上的发动机负载。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括响应于对所述健康气缸过量供应燃料期间从所述曲轴转速传感器输出的信号的第三半阶频率分量大于对所述健康气缸正常供应燃料期间从所述曲轴转速传感器输出的信号的第四半阶频率分量的阈值，检测所述健康气缸。

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