专利名称：分析气缸压力信号的燃油系统喷油正时诊断的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的操作和控制，包括压燃式发动机。
背景技术：
本部分中的声明仅仅提供与本发明相关的背景信息而不构成现有技术。燃烧正时或相位对诊断燃烧过程中的问题是有用处的。对于在一组特定的参数下 操作的正常燃烧过程，可以预测燃烧相位位于一小范围内。偏离这小范围内的燃烧循环表 示在燃烧室内的工况超出了预期参数的范围。燃烧循环的分析可以多种方式进行。评估燃烧相位的已知方法依赖于估算燃烧热、燃烧所做的功、或其它反应度量标 准。这些方法检查原始数据并对燃烧数据内的趋势或累积数据点作出反应。然而，压燃式 发动机和其它发动机控制方案在宽泛的发动机工况下操作。有效及时的控制，包括燃油控 制、燃油调节、充量点火正时控制、废气再循环(EGR)控制，对满足操作者对性能和燃油经济 性的需求和符合排放要求来说是必要的。此外，存在许多可变性，包括与部件、系统、运行条 件和燃油有关的可变性例如喷油器、燃油管线和燃油压力、环境压力和环境温度、和十六 烷值和酒精含量。燃烧中的可变性影响各个气缸的热释放和功输出，结果导致发动机的非 最佳性能。基于实时的发动机性能的燃烧可变性的测量对诊断燃烧过程中的不稳定性是有 价值的并为降低低效的或高排放操作的周期提供有用的信息。处理复杂的或有噪声的信号并使它们变为有用信息的方法是已知的。这一类方法 包括通过快速傅立叶变换(FFT)的谱分析。FFT将周期的或重复的信号分解为许多谐波信 号的和，该谐波信号对把信号转化为其频谱的分量是有用的。一旦确定了信号的分量，可分 析这些分量并可从信号中获取信息。发动机性能的变化在气缸压力和压力比方面可能是明显的。当监测发动机时和当 发动机点火时，多种插入式和非插入式压力传感装置用于检测内燃机气缸内的压力是已知 的。—种能将包含与燃烧相关的信息的信号，如燃烧室的压力读数，转换为实时地描 述燃烧正时的分量的系统对控制灵敏的发动机控制方案和增加发动机效率、燃油经济性和 排放控制是有用的。
发明内容
一种在贫理想配比下运行并属于压燃范围的发动机，包括气缸和气缸盖，气缸具 有由在上止点和下止点之间往复运动的活塞限定的可变容积燃烧室。一种用于诊断发动机 内燃烧的方法，包括在燃烧循环期间从气缸监测压力，并以预定的度量标准为气缸生成测 得燃烧相位值，该预定的度量标准选择为基于监测到的压力的快速傅立叶变换来指示燃烧 循环。基于喷油曲柄角的以所述预定的度量标准所选的始点将测得燃烧相位值与预期的燃 烧相位值比较。基于该比较确定大于允许的燃烧相位差的燃烧相位差。
现在将参考附图用例子的方式描述一个或多个实施例，其中 图1为根据本发明的具体实施例配置的内燃机的剖视图2为根据本发明的具体实施例的作为改变喷油曲柄角始点的结果的多个最终燃烧 相位曲线的曲线图3为根据本发明的在压缩/做功事件期间燃烧室内观测到的示例性的压力的曲线 图，包括为燃烧循环所共有的气缸压力和为无燃烧而循环的气缸所共有的电动机带动压 力；
图4为根据本发明的示例性的分压力比曲线的曲线图5为根据本发明的示例性的燃烧相位标定曲线的曲线图，其中示出了 SOI曲柄角和 最终燃烧相位值；
图6为根据本发明的示例性的净燃烧压力相位标定曲线的曲线图，其中示出了 SOI曲 柄角和最终净燃烧压力相位值。图7为使用根据本发明描述的方法的示例性过程的流程图。
具体实施例方式现在参考附图，其中图示仅仅是为了说明某些具体实施例的目的而不是限制某些 具体实施例的目的，图1是描述根据本发明实施例构造的内燃机10、控制模块15、和废气后 处理系统15的示意图。示范性的发动机包括多缸直喷压燃式内燃机，其具有连接到曲轴M 并在气缸20内可移动的往复式活塞22，其限定了可变容积燃烧室34。响应于操作者转矩 需求(Tcj keq),曲轴M可操作地连接到车辆变速器和动力传动系统以将牵引转矩传递到变 速器和动力传动系统。发动机优选采用四冲程工作，其中每个发动机燃烧循环包括分成四 个180度阶段(进气-压缩-做功-排气)的曲轴M的720度角转动，这四个阶段描述在发 动机气缸20内活塞22的往复运动。多齿目标轮沈连接到曲轴并随其转动。发动机包括 监测发动机工作的传感装置和控制发动机工作的执行机构。传感装置和执行机构用于发送 信号地或可操作地连接到控制模块5。发动机优选包括直喷四冲程内燃机，其包括由在气缸内上止点和下止点之间往复 运动的活塞限定的可变容积燃烧室和包含进气门和排气门的气缸盖。活塞在重复循环内往 复运动，每个循环包括进气、压缩、做功和排气冲程。发动机优选具有主要为贫理想配比的空气/燃油工况。本领域技术人员理解本发 明的各方面适用于在主要以贫理想配比运行的其它发动机配置，例如，贫燃点燃式发动机。 在压燃式发动机的正常工作期间，在每个发动机循环期间当燃油充量喷射入燃烧室内并伴 随进入空气形成气缸充量时燃烧事件发生。随后充量在压缩冲程通过其压缩作用燃烧。发动机适合于在宽范围的温度、气缸充量(空气、燃油和废气再循环)和喷油事件 下工作。这里描述的方法特别适于与以贫理想配比工作的直喷压燃式发动机一起操作以确 定与在正在进行的工作期间每个燃烧室内的热释放相关的参数。该方法还适用于其它发动 机配置，包括点燃式发动机，包括那些适合于使用勻质充量压燃式(HCCI)策略的发动机。该 方法适合于在每个气缸每个发动机循环使用多燃油喷射事件的系统，例如，使用用于燃油 重整的引燃喷射、用于发动机功率的主喷射事件、和(在适用的情况下的)用于后处理管理的后燃燃油喷射事件的系统，每个均影响气缸压力。传感装置安装在发动机上或发动机附近以监测物理特征并生成与发动机和环境 参数相关的信号。传感装置包括曲轴转动传感器，其包括通过感测多齿目标轮26齿上的边 缘来监测曲轴转速(RPM)的曲轴传感器44。曲轴传感器是公知的，可包括，例如，霍尔效应 传感器、感应传感器或磁阻传感器。从曲轴传感器44 (RPM)输出的信号输入控制模块5。 这里存在燃烧压力传感器30，其包括适用于监测气缸内压力(C0MB_PR)的压力传感装置。 燃烧压力传感器30优选包括非插入式装置，其包括具有环形截面的测力传感器，该环形截 面适用于在用于电热塞观的开口处安装到气缸盖内。燃烧压力传感器30和电热塞观配 合安装，燃烧压力机械地通过电热塞传递到传感器30。传感器30的传感元件的输出信号 COMBJ3R与气缸压力成比例。传感器30的传感元件包括压电陶瓷或适用于上述目的的其它 装置。其它传感装置优选包括用于监测歧管压力(MAP)和环境大气压力(BARO)的歧管压 力传感器，用于监测进气流量(MAF)和进气温度(Tin)的质量型空气流量传感器，和冷却剂 传感器(COOLANT )。该系统可包括排气传感器(未示出)，其用于检测一个或多个排气状态参 数，例如，温度、空气/燃油比和成分。本领域技术人员理解这里可存在用于控制和诊断目 的的其它传感装置和方法。除了其它装置，操作者转矩需求Tclkeq形式的操作者输入，通常 通过节气门踏板和刹车踏板获得。发动机优选装备有用于监测操作并用于系统控制目的的 其它传感器(未示出)。每个传感装置用于发送信号地连接到控制模块5以提供信号信息， 通过控制模块将该信号信息转换为表示相应的监测到的参数的信息。可以理解，这种配置 是说明性的，并非限制性的，其包括可被功能相等的装置和算法替代的各种传感装置。执行机构安装在发动机上并通过控制模块5响应于操作者输入控制以实现各种 性能目标。执行机构包括电控制节气门装置，其响应于指令输入(ETC)控制节气门开度，以 及响应于指令输入(INJ_PW)控制多个燃油喷射器12用于直接将燃油直接喷射入每个燃烧 室内，所有这些都响应于操作者转矩需求(Ttj KEQ)而被控制。这里存在排气再循环阀32和 冷却器(未示出)，其响应于控制模块的控制信号(EGR)控制外部再循环废气到发动机进气 门的流动。电热塞观包括已知装置，其安装在每个燃烧室内，适用于与燃烧压力传感器30 一起使用。燃油喷射器12是燃油喷射系统的元件，其包括多个高压燃油喷射器装置，每个均 适用于响应于控制模块的指令信号INJ_PW直接将包括大量燃油的燃油充量直接喷射到其 中一个燃烧室内。每个燃油喷射器12从燃油分配系统(未示出)被供给加压燃油，并具有包 括最小脉冲宽度和相关联的最小可控燃油流率和最大燃油流率的操作特征。发动机可装备可控气门系，该气门系操作以调节每个气缸进气门和排气门的开度 和关度，包括气门正时、相位(即，相对于曲柄角和活塞位置的正时)，和气门开度的升程大 小中的任何一个或多个。一个示范性的系统包括可变凸轮相位器，其适用于压燃式发动机、 点燃式发动机和勻质充量压燃式发动机。控制模块5优选包括一个或多个通用数字计算机，通常包括微处理器或中央处理 单元、包括非易失性存储器的存储介质(非易失性存储器包括只读存储器(ROM)和电可编程 序只读存储器(EPR0M))、随机存取存储器、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、和输入 /输出电路和装置(1/0)，以及合适的信号调节和缓冲电路。控制模块具有一组控制算法， 包括存储在非易失性存储器内并执行以提供每个计算机相应功能的常驻程序指令和标准。算法通常在预置循环周期期间被执行以致于每个算法在每个循环周期至少执行一次。使用 预置标准，算法通过中央处理单元执行并可操作以监测来自上述传感装置的输入并执行控 制和诊断程序以控制执行机构的操作。循环周期通常每隔一定时间被执行，例如在正在运 转的发动机和车辆运行期间每隔3. 125,6. 25、12. 5、25和100毫秒。作为选择，算法可响应 于事件的发生而执行。控制模块5执行存储在其中的算法代码以控制在系统上装备的上述执行机构从 而控制发动机运转，包括节气门位置、燃油喷射质量和正时、EGR阀位置以控制再循环废气 的流动、电热塞操作、以及对进气门和/或排气门正时、相位和升程的控制。控制模块适用 于接收用于确定操作者转矩需求Tclkeq的来自操作者(例如，节气门踏板位置和刹车踏板位 置)输入信号和来自指示发动机转速(RPM)和进气空气温度(Tin)和冷却剂温度和其他环境 条件的传感器的输入信号。发动机内发生的燃烧很难直接监测。传感器可检测和测量进入气缸的燃油流量和 空气流量，传感器可监测应用到火花塞的特定电压、如按程序的喷油始点(SOI)或按程序的 点火正时之类的输入值可以是已知的，或处理器可收集大量信息，该信息可预测对产生自 点火必要的条件，但是这些读数和数据点总体仅仅是对燃烧的预测而不能测量实际燃烧结 果。气缸压力读数提供描述燃烧室内工况的确实的读数。基于对燃烧过程的理解，可分析 气缸压力以估算特定气缸内燃烧过程状态，在燃烧相位和燃烧强度方面描述燃烧。在已知 工况下在已知正时处已知充量的燃烧产生气缸内可预测的压力。通过描述在某些曲柄角的 燃烧的相位和强度，特定燃烧循环的开始和进程可描述为燃烧的估算状态。通过估算气缸 的燃烧过程的状态并将该状态与预期气缸读数比较，可在故障、缺火、或效率低的运转方面 对气缸进行评估。这种评估对运行在HCCI或压燃的情况下的发动机特别重要，因为在气缸 状况中小的变化可妨碍对产生高效有序自点火必要的条件，该自点火对获得在正常运行发 动机中显然的效率、燃油经济性和低排放是必要的。一种评估燃烧相位的方法包括处理气缸压力传感器读数和比较由压力读数确定 的燃烧相位信息。压燃式发动机内的喷油正时是燃烧相位的控制因素。在其他静态或稳定 的发动机工况下(具有固定EGR和空气燃油比)，调节SOI将具有在燃烧相位中可预测的结 果。图2示出了根据本发明的在一定的SOI值范围上在分压比(FPR)为0. 5处测量的燃烧 相位。每条所描述的曲线表示在不同所选的SOI曲柄角处整个燃烧循环上的燃烧室内的分 压比。这些曲线示出了当SOI前移时，在FPR达到0. 5处曲柄角也前移。FI^R是对可归因于在特定曲柄角以前所产生的燃烧的压力升高的多少的公知测 量。FI^R对估算质量分率燃烧或在特定曲柄角以前在燃烧室内燃烧掉的充量百分比是有用 的。FI^R可通过本领域中公知的许多方法计算。例如，一种计算FI^R的方法是从燃烧始点到 某个测量点对燃烧室内压力测量值求积分，然后基于预期的燃烧引起的总压力升高将该积 分标准化或比例化。这产生量化燃烧过程的进程的0到1之间的FPR。计算FPR的另一种 方法通过以下公式实现
权利要求
1.一种诊断发动机内燃烧的方法，该发动机以贫理想配比运行并属于压燃范围，该发 动机包括气缸和气缸盖，该气缸具有由在该气缸中的在上止点和下止点之间往复运动的活 塞限定的可变容积燃烧室，所述方法包括在燃烧循环期间从所述气缸监测压力；在预定的度量标准处为所述气缸生成测得燃烧相位值，所述度量标准选择为基于所述 监测到的压力的快速傅立叶变换来指示所述燃烧循环；基于在所述预定度量标准处的喷油曲柄角的选择的始点将所述测得燃烧相位值与预 期燃烧相位值作比较；和基于所述比较确定大于允许燃烧相位差的燃烧相位差。
2.权利要求1的方法，其中所述预定度量标准包括选择的分压比；和所述生成所述测得燃烧相位值包括通过使用所述快速傅立叶变换的谱分析来处理所 述监测到的压力以确定包括与所述监测到的压力的气缸压力分量相关联的第一谐波波形 的波形；计算所述波形的相位分量；和根据所述相位分量选择测得燃烧相位值，其中测得分压比等于所述预定分压比。
3.权利要求2的方法，其中所述预定分压比在大约0.3到0. 7之间。
4.权利要求2的方法，其中所述预定分压比等于0.5。
5.权利要求2的方法，其中所述测得分压比通过确定在曲柄角处的测得压力比减去1与估算的完全燃烧压力比 减去1的比值来计算；所述测得压力比通过在所述曲柄角处测量的气缸压力除以在所述曲柄角处估算的电 动机带动压力来计算；和所述估算的完全燃烧压力比通过在上止点之后90度估算的气缸压力除以在上止点之 后90度估算的电动机带动压力来估算。
6.权利要求1的方法，其中所述预定度量标准包括选择的分压比； 所述生成所述测得燃烧相位值包括生成净燃烧压力相位值；和 所述生成所述净燃烧压力相位值包括通过使用所述快速傅立叶变换的谱分析处理所 述监测到的压力以确定包括与所述监测到的压力的气缸压力分量相关联的第一谐波波形 的波形；处理所述波形以计算净燃烧压力，使用第二快速傅立叶变换以计算所述净燃烧压力的相位分量，和 根据所述净燃烧压力的所述相位分量选择所述净燃烧压力相位值，其中测得分压比等 于所述预定分压比。
7.权利要求6的方法，其中所述预定分压比在大约0.3到0. 7之间。
8.权利要求6的方法，其中所述选择的分压比等于0.5。
9.权利要求6的方法，其中所述测得分压比通过确定在曲柄角处的测得压力比减去1与估算的完全燃烧压力比减去1的比值来计算；其中所述测得压力比通过在所述曲柄角处测量的气缸压力除以在所述曲柄角处估算 的电动机带动压力来计算；和其中所述估算的完全燃烧压力比通过在上止点之后90度估算的气缸压力除以在上止 点之后90度估算的电动机带动压力来估算。
10.权利要求6的方法，其中所述测得分压比通过对所述净燃烧压力从所述燃烧循环 的始点到曲柄角求积分并将该积分比例化到0到1之间以估算所述测得分压比。
11.权利要求1的方法，其中所述将所述测得燃烧相位值与所述预期燃烧相位值作比 较包括基于模拟的燃烧室运行估算所述预期燃烧相位值。
12.权利要求1的方法，其中所述将所述测得燃烧相位值与所述预期燃烧相位值作比 较包括通过标定数据确定所述预期燃烧相位值。
13.—种诊断发动机内燃烧的方法，该发动机以贫理想配比运行并属于压燃范围，该 发动机包括气缸和气缸盖，该气缸具有由在该气缸中的在上止点和下止点之间往复运动的 活塞限定的可变容积燃烧室，所述方法包括在燃烧循环期间从所述气缸监测压力；基于所述监测到的压力生成测得喷油曲柄角始点，其中所述测得喷油曲柄角始点通过 使用快速傅立叶变换以生成测得燃烧相位值并处理所述测得燃烧相位值以估算所述测得 喷油曲柄角始点来计算；将所述测得喷油曲柄角始点与预定喷油曲柄角始点作比较；和基于所述比较确定大于允许的喷油曲柄角始点差值的喷油曲柄角始点差值。
14.权利要求13的方法，其中所述使用所述快速傅立叶变换生成所述测得燃烧相位 值包括通过使用所述快速傅立叶变换的谱分析来处理所述压力传感器数据，以确定包括与所 述监测到的压力的气缸压力分量相关联的第一谐波波形的波形； 计算所述波形的相位分量；和根据所述相位分量选择测得燃烧相位值，其中测得分压比等于预定分压比； 其中所述处理所述测得燃烧相位值以估算所述测得喷油曲柄角始点包括使用标定数 据和所述测得燃烧相位值估算所述测得喷油曲柄角始点。
15.权利要求14的方法，其中所述测得分压比通过确定在曲柄角处的测得压力比减 去1与估算的完全燃烧压力比减去1的比值来计算，其中所述测得压力比通过在所述曲柄 角处测量的气缸压力除以在所述曲柄角处估算的电动机带动压力来计算；和其中所述估算 的完全燃烧压力比通过在上止点之后90度估算的气缸压力除以在上止点之后90度估算的 电动机带动压力来计算。
16.权利要求13的方法，其中所述测得燃烧相位值等于净燃烧压力相位值和使用所 述快速傅立叶变换生成测得燃烧相位值，包括通过使用所述快速傅立叶变换的谱分析来处理所述监测到的压力，以确定包括与所述 监测到的压力的气缸压力分量相关联的第一谐波波形的波形； 根据所述波形计算净燃烧压力；基于所述波形使用第二快速傅立叶变换计算所述净燃烧压力的相位分量；和根据所述相位分量选择所述净燃烧压力相位值，其中测得分压比等于预定分压比；其中所述处理所述测得燃烧相位值以估算所述测得喷油曲柄角始点包括使用标定数据和测得燃烧相位值估算所述测得喷油曲柄角始点。
17.权利要求16的方法，其中所述测得分压比通过确定在曲柄角处的测得压力比减 去1与估算的完全燃烧压力比减去1的比值来计算，其中所述测得压力比通过在所述曲柄 角处测量的气缸压力除以在所述曲柄角处估算的电动机带动压力来计算；和其中所述估算 的完全燃烧压力比通过在上止点之后90度估算的气缸压力除以在上止点之后90度估算的 电动机带动压力来估算。
18.权利要求13的方法，其中所述确定喷油曲柄角始点差值包括发出可视报警、可听 报警、给驾驶员信息系统的消息、通讯网络上的消息、和用于存储于记忆存储装置中的信息 中的至少一种。
19.一种诊断内燃机内燃烧的方法，包括监测燃烧室内的压力传感器数据；针对所选的喷油角始点确定与所选的分压比相对应的预期燃烧相位值；使用快速傅立叶变换处理所述压力传感器数据以确定第一谐波波形；使用所述波形计算测得燃烧相位值，该测得燃烧相位值包括测得分压比等于所述所选 的分压比时的曲柄角；以及如果所述测得燃烧相位值与所述预期燃烧相位值相差大于允许 的燃烧相位差值，则显示非正常燃烧事件。
20.权利要求19的方法，其中使用所述波形包括在一定范围的曲柄角上计算所述测 得分压比，所述计算所述测得分压比包括在所述曲柄角的范围内再细分的曲柄角处通过计算测得压力比减去1和估算的完全 燃烧压力比减去1的比值来反复确定所述测得分压比，其中所述测得分压比通过在所述所 选的曲柄角处的所述波形除以在所述再细分的曲柄角处的估算的电动机带动压力来计算， 和其中所述估算的完全燃烧压力比通过在上止点之后90度处的气缸压力除以在上止点之 后90度处电动机带动压力来估算。
全文摘要
一种诊断发动机内燃烧的方法，包括监测气缸内的压力并以选择来索引燃烧循环的预定度量标准生成气缸的测得燃烧相位值。测得燃烧相位值通过快速傅立叶变换计算并与预期燃烧相位值比较。
文档编号F02D41/04GK102066722SQ200980122647
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月3日 优先权日2008年6月16日
发明者C-B·M·关, F·A·马特库纳斯, I·哈斯卡拉, P·A·巴蒂斯顿, Y-Y·王 申请人:通用汽车环球科技运作公司