内燃发动机中的辉光点火检测的制作方法

本发明总体上涉及内燃发动机中的燃烧管理。本发明更具体地涉及一种用于监测火花点火内燃发动机中的辉光点火发生的方法。

背景技术：

在多气缸火花点火内燃发动机中，研究表明，不期望的燃烧模式产生爆炸波或过压，其最终会导致发动机部件的不可逆破坏。在现代汽车中，这些不期望的燃烧模式通常通过处理来自位于下发动机组中的振动传感器的信号来检测，该振动传感器被称为爆震传感器。爆震传感器被构造成测量在特定曲柄角窗口期间的发动机组振动，并且检测异常点火事件。然而，爆震传感器检测限于在预定正时范围内产生明显振动模式的燃烧。

当在正常火花之前由热点或炽热颗粒在气缸中引发燃烧时，出现一种被称为辉光点火的特定异常燃烧类型。辉光点火事件之后的燃烧具有正常行为，即传播是像正常燃烧中那样以火焰前锋进行的，但是辉光点火在气缸中产生不期望的高最大压力。这种类型的异常燃烧的发生不产生可以使用传统爆震传感器感测的压力峰值。

作为爆震传感器检测的替代，已知的是处理来自已经安装在发动机中的传感器的信号以检测异常燃烧模式或不点火，例如来自曲柄位置传感器的信号。如已知的，曲柄位置传感器被设计成与目标轮配合，该目标轮与曲轴旋转地成一体。目标轮具有齿和槽的周边图案，并且传感器被布置成检测齿的通过，从而产生具有脉冲序列的对应的传感器信号。由曲柄位置传感器产生的信号允许确定曲轴的瞬时位置和旋转速度。

us9,097,126例如使用曲轴传感器信号来识别随机预点火。其中描述的方法包括预点火检测模块，该预点火检测模块基于所谓的“周期”来确定预点火事件是否已经发生，其中周期是两个连续时间戳(对应于由目标轮的齿产生的脉冲)之间的持续时间。更具体地，该方法对比时间段之间的差异(增量)。

发明目的

本发明的目的是提供一种用于检测内燃发动机中的辉光点火事件的改进方法。

技术实现要素：

根据本发明，一种用于监测内燃发动机中的辉光点火的方法包括以下步骤：

-在对应于与给定发动机气缸中的压缩冲程相关的曲轴减速阶段的检测窗口上监测所述发动机的曲轴速度；

-基于由其相应的曲轴速度和曲柄角限定的两点之间的曲轴速度减速梯度来确定辉光指标，其中，所述第一点(pinit)由预定曲轴角度和所述减速期间的对应速度限定，并且所述第二点(pmin)是所述减速期间达到的最低速度点；

-将所述辉光指标与预定阈值对比，以便检测辉光点火的存在或不存在。

在本发明的上下文中，术语辉光点火以其常规含义使用，因此对于火花点火发动机，表示在燃烧循环早期通常在压缩冲程期间发生的点火。辉光点火通常由气缸中的热点或炽热颗粒产生。

本发明基于这样的认识，即辉光点火虽然不引起振动，但引起气缸压力的显著早期上升。辉光点火的高压在相应气缸的压缩冲程期间产生。由辉光点火引起的压力改变抵抗活塞朝向点火上止点的移动，并进一步增大了气缸中活塞正在进行的减速度。

也就是说，与正常燃烧相比，由于辉光点火引起的压力的早期上升使点火上止点之前的活塞更明显地减速。结果，当存在辉光点火时，与正常燃烧相比，曲轴速度朝向压缩阶段的结束以更陡的速率下降到更低的值。本发明的方法提出了对于发动机气缸监测曲轴相对于相应气缸中的压缩而发生的减速，并基于曲轴的减速梯度确定辉光指标，该减速梯度表征将受辉光点火的存在影响的减速的陡度。

应当理解，在本方法中，在由预定角位置限定的第一点和在减速期间达到的最低速度点的第二点之间确定减速梯度。第一点通过校准来限定，通常是在减速阶段的一部分中，该减速阶段对于正常燃烧和异常燃烧都保持基本稳定。然而，已经观察到，第二点的位置取决于辉光点火的发生，在这种情况下，发动机速度在较早的曲柄位置处下降到较低的值。

还可以注意到，在本方法中，优选地在减速的大部分中计算减速梯度，远大于将目标轮的两个齿分开的曲柄角。换句话说，在对应于目标轮的多个齿的曲柄角范围内确定减速梯度，这比在两个连续齿之间计算的更可能受人为因素影响的梯度更可靠。

最低速度点优选地是在检测窗口中达到的最小曲轴速度点，但是可以替代地位于与最小曲轴速度的预定偏差内。

第一点的预定曲轴角度可以在点火上止点之前的-60°至-18°之间，优选地在-48°至-24°之间。

检测窗口被校准以包含发动机循环的关注阶段，并且至少应当从第一点的角位置延伸到包括正常燃烧的最小速度的角位置。实际上，检测窗口可以例如从-90°至+30°的曲柄角范围内变动。因此，在窗口中将最小速度点确定为最低速度点。

曲轴位置通常可以借助于曲柄位置传感器来监测，该曲柄位置传感器被布置成感测包括预定齿/槽图案并与曲轴旋转地联接的目标轮。

关于预定的减速阈值，可以以任何适当的方式来限定。特别地，它可以基于较早的阈值。

在实施方式中，减速阈值thrshdecel可以使用如下公式计算：

thrshdecel＝avgdecel+offsetdecel

其中，avgdecel是先前减速梯度值的平均值；以及

offsetdecel是表征正常燃烧和辉光点火燃烧模式之间的极限的预定偏离。

特别地，可以针对所有发动机气缸的减速梯度的一个或多个先前的值来计算所述减速梯度的所述平均值avgdecel。此外，offsetdecel可以是avgdecel的一部分，优选地是所述减速梯度的所述平均值的一半。

附图说明

从以下参照附图对非限制性实施方式的详细描述中，本发明的另外细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是被布置在内燃发动机中的曲柄位置传感器的简图；

图2是表示对于4个燃烧循环的气缸压力相对于曲柄角的曲线图；

图3是示出了对于与图2中相同的燃烧循环的发动机速度相对于曲柄角的曲线图；

图4是示出了对于燃烧循环的发动机速度相对于曲柄角的曲线图；以及

图5是减速辉光指标相对于时间的曲线图。

具体实施方式

如本领域所公知的，在火花点火内燃发动机例如汽油操作的发动机中，设置多个传感器来监测发动机参数，包括用于监测曲轴的角位置的曲柄位置传感器。曲柄位置传感器通常被布置成与带齿的轮或目标轮配合，该带齿的轮或目标轮与曲轴旋转地成一体，当相应的齿经过传感器的前面时，产生具有脉冲序列的传感器信号。基于该信号确定曲轴旋转速度。曲轴速度当然也称为发动机速度，以rpm表述，并且这两个术语在此可以用作等同物。

参考图1，曲柄位置传感器10被布置成与旋转地固定到发动机的曲轴14的目标轮12配合。曲轴14连接到安装在发动机气缸18中的活塞16，与活塞一起限定燃烧室19。尽管图1仅示出一个活塞16和一个气缸18，但是发动机通常包括3、4或多达8个气缸。

通常，目标轮12可以是n个齿的轮12，该目标轮包括由间隙隔开的多个齿20。这里，目标轮12包括由间隙等距地隔开的58个齿20，以及其中缺失2个等距地隔开的齿的较大间隙22。因此，除了围绕间隙22之外，两个连续的齿以大约6°(360°/60＝6°)的旋转距离分开。间隙22用作同步参考。

曲柄位置传感器10监测旋转目标轮12的齿20的经过。传感器10可以例如包括霍尔效应传感器或感应传感器。图1所示的传感器产生曲柄位置信号，该曲柄位置信号包括目标轮12的齿每次经过传感器前面时产生的脉冲。

在其它实施方式中，可以使用目标轮和传感器单元的任何合适的组合。例如，目标轮可以替代地是具有与光学传感器相关联的视觉标记的轮。

曲柄位置传感器10连接到控制模块26，该控制模块接收由传感器10产生的信号并基于脉冲序列确定曲轴位置。控制模块26被构造成对于每次脉冲产生时间戳，并且随后确定两个齿/脉冲之间的时间段，并且基于该时间段和两个齿之间的距离来计算曲轴的旋转速度。因此，对于由目标轮齿限定的每个预定角位置确定曲轴速度。

如本文所用，术语正常燃烧表示由发动机控制单元(ecu)命令的火花塞的火花引发的燃烧。正常燃烧产生导致空气/燃料混合物燃烧并提供扭矩的正常条件，而不会发生诸如爆震、预点火或辉光点火的异常现象。术语辉光点火和预点火是指引发异常燃烧的事件，与正常条件下的燃烧相反。

用于识别内燃发动机中的辉光点火的本方法基于在给定发动机气缸中点火之前在曲轴的减速阶段期间曲轴的减速梯度的确定。然而，对于该减速阶段的特定部分确定减速梯度。实际上，已经观察到，辉光点火的存在显著影响曲轴速度。

转到图2，其示出了对于由线30表示的正常燃烧循环、由线32表示的存在辉光点火的燃烧循环和由34表示的存在预点火的两个燃烧循环，发动机气缸中的缸内压力相对于曲柄角(ca)的曲线图。图3中的曲线图表示对于相同燃烧循环的曲轴速度相对于ca。压力曲线图反映了燃烧室中真正发生的情况。实际上可以观察到辉光点火和预点火的特征在于显著的压力峰值，尽管在不同的时间处。尽管辉光点火发生在后期压缩阶段，在点火上止点之前，预点火发生在较晚，明显在上止点之后。

观察曲轴旋转速度，可以注意到其描述了类似正弦波的曲线。实际上，曲轴速度与各个气缸中的活塞冲程关联地变化。可以看出，曲轴速度在点火tdc之前减小(由于压缩冲程)并且之后增大(由于燃烧/膨胀)。对于4气缸发动机，曲轴速度将描述在完整燃烧循环(720°)内的4个正弦波周期。

在图3中，可以进一步注意到，当存在辉光点火时，与正常燃烧相比，曲轴速度朝向压缩阶段的结束以更陡的速率下降到更低的值。曲线的最小值向左移动，即，向较早的ca值移动。还可以看出，预点火事件相当影响f-tdc之后的发动机速度。因此，在发动机速度曲线的该区域中对发动机速度的分析允许识别辉光点火的发生。

现在将详细说明用于识别辉光点火的本方法的实施方式。在第一步骤中，监测曲轴速度。这通常是基于曲柄位置传感器10的信号来完成的。众所周知，发动机ecu或其模块通常被构造成分析传感器信号，以便将时间戳赋予每个曲柄角位置。基于两个连续脉冲/齿之间的时间周期，针对每个曲柄位置(对应于每个齿)计算瞬时发动机速度。在传统的发动机中，发动机速度由曲轴传感器持续地监测，由此不需要额外的传感器来实现本方法。

如本领域所公知的，在ecu中有利地处理原始传感器数据，以减少由于设计缺陷而导致的测量人为因素的影响，例如传感器轮中心位置中的齿隙，或由振动引起的干扰。这种处理的目的是获得相当平滑的正弦线速度变化。处理可以包括本领域已知的任何合适的信号处理方法，以使所得到的曲线平滑，例如与双级高斯过滤器结合的间隙插入。这仅仅是示例，本领域技术人员可以应用任何适当的信号准备。

ecu维持与一个或多个发动机循环中的曲轴角位置和对应的旋转速度的映射，以便由所有模块和功能访问。该映射因此存储由该对(ca；rpm)限定的点。

为了辉光检测的目的，发动机速度数据与对应的角位置一起在辉光检测模块(通常也是ecu的一部分)处被接收。在一个气缸的水平下，辉光检测模块将在检测窗口中考虑速度和角位置数据，该检测窗口对应于与该气缸的压缩冲程相关的曲轴减速阶段。转到图4，发动机速度被绘制为相对于曲柄角。每个点代表从发动机速度映射读取的点(ca；rpm)。如本领域通常的，0°的曲柄角值对应于被监测的气缸的点火上止点(f-tdc)。人们将认识到由发动机速度描述的正弦波，在f-tdc附近具有最小值。发动机速度的降低主要发生在f-tdc的左侧，即在压缩冲程(ca＜0°)期间。在经过最小值之后，发动机旋转速度由于相应气缸中的燃烧而再次增大。

本方法中使用的辉光点火指标是在跨越若干速度点的曲柄角范围内计算的减速梯度，因此是在目标轮的几个齿上计算的减速梯度。因此，减速梯度在以下两点之间：

由其曲柄角αinit和速度ninit限定的表示为pinit的第一点；以及

由其曲柄角αmin和速度nmin限定的第二点pmin。

pmin对应于在减速期间达到的最小速度的点。通过对比存储在发动机速度表中的值可以容易地确定pmin。

pinit是通常通过校准确定的预定点。它被设定成使得在pinit和pmin之间存在最小的曲柄角差。pinit优选地被限定为对应于预定的曲柄角(例如，目标轮的齿数n)。pinit被选择为在减速曲线的不受异常燃烧的发生影响的部分上。

一旦已经从prm-ca映射图确定了在关注的检测窗口内的pinit和pmin的值，减速梯度可以计算为：

如上所述，在存在辉光点火时，pmin将向左移动并向较低值移动，从而导致δndecel增大且δαdecel减小。因此，所述减速梯度增大。

可以观察到，减速梯度是基于目标轮的可变齿确定的，因为在辉光点火的情况下，最小速度(pinit)将比对于正常燃烧(并且因此对于不同的齿)更早地发生。相反，初始点pinit对应于固定齿。

将如此确定的辉光指标与检测阈值对比。当辉光指标超过检测阈值时，认为辉光点火已经在对应的燃烧循环中发生。否则，燃烧被认为是正常的。

具体地，检测阈值thrshdecel可以被确定为：

thrshdecel＝avgdecel+offsetdecel

其中，avgdecel是平均减速梯度；以及

offsetdecel是预定的偏移，其表征了在速度/负荷映射图中限定的正常和异常燃烧模式之间的极限。

avgdecel是针对所有发动机气缸的最后计算的减速梯度(最后一个循环)的平均值。为了在平均值的计算中减少异常燃烧的权重，通过将正常燃烧模式的减速梯度乘以1，并且通过将异常燃烧模式的减速梯度乘以小于1的可调节权重值，来对减速梯度进行加权。

预定偏离可以具有任何合适的值，例如平均减速度的一半。

图5的曲线图示出了对于具有三个气缸的发动机，减速梯度随时间的变化。在曲线的下部区域中的点-围绕值2.0振荡，对应于正常燃烧。围绕值2.5振荡的连续线表示检测阈值thrshdecel。最后，对于每个气缸(cyl.#1、cyl.#2、cyl.#3)示出了表示发生了燃烧的点。

可以看出，本方法中所用的所提出的辉光指标是检测发动机中辉光点火的良好标准。