用于点火系统的火花塞结垢检测的制作方法
【专利说明】用于点火系统的火花塞结垢检测
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年12月19号提交的标题为“SPARK PLUG FOULING DETECT1NFOR IGNIT1N SYSTEM(用于点火系统的火花塞结垢检测)”的美国临时专利申请号61/918, 593的优先权，为了所有目的，其整个内容通过弓I用被并入本文。
技术领域
[0003]本公开涉及用于在内燃发动机中检测和区别由于碳烟的火花塞结垢/积碳(fouling)与由于燃料添加剂的结垢的方法和系统。
【背景技术】
[0004]发动机点火系统可以包括用于向火花点火式发动机的燃烧室输送电流以点燃空气-燃料混合物并开始燃烧的火花塞。基于发动机工况，火花塞结垢可能会发生，其中火花塞隔离物的点火尖端变得覆有外来物质，诸如燃料、机油或碳烟。一旦结垢，则火花塞不能针对所有发动机循环提供触发汽缸燃烧的适度电压，直到火花塞被充分地清洁或被更换。作为一种示例，可以通过从火花塞尖端烧除堆积的碳烟来清洁火花塞。
[0005]在不良燃料品质控制的领域中，由热积垢火花塞引起的火花塞结垢和预点火是显著的问题。燃料添加剂(诸如甲基环戊二烯基三羰基锰(MMT)、铅或二茂铁)会在火花塞陶瓷上积聚导电且绝热的沉积物。这种积聚会导致失火或预点火(PD。由于可能严重地存在在升压发动机中的高转速和负荷时的失火或PI，所以车辆制造商会建议非常短的火花塞更换间隔。
【发明内容】
[0006]发明人在此已经认识到火花塞结垢的原因可以确定将要采取的控制措施。例如，由于碳烟堆积的火花塞结垢可能会不必要如由于燃料添加剂的火花塞结垢所需那样频繁地更换火花塞。同样，由于碳烟的火花塞结垢可能会更不倾向于预点火，而由于燃料添加剂的火花塞结垢可能会需要额外的预点火缓解(或预制止)控制措施。此外，燃料添加剂的存在能够加速排气催化剂和排气空燃比传感器退化。
[0007]因此，在一种示例中，通过一种用于发动机的方法可以更好地检测并区别火花塞结垢的不同原因，该方法包括:对于每个发动机汽缸，基于在一个或更多个给定车辆驱动循环上的具有高于阈值持续时间的点火电流转变时间的燃烧循环的比例，区别由于碳烟堆积的火花塞结垢与由于燃料添加剂堆积的火花塞结垢。以此方式，可以更好地解决由于燃料添加剂的火花塞结垢。
[0008]作为一种示例，一种发动机点火系统可以包括火花塞、点火线圈和控制线，火花塞被耦接至每个发动机汽缸，点火线圈用于开始火花塞处的点火，控制线用于调整点火线圈的控制电流。发动机控制器可以将停顿(dwell)命令输出到控制线，以便开始点火线圈的停顿。响应于停顿命令，控制线的电流会升高。控制器然后可以监测自停顿命令开始流逝直至控制线电流降至预定值之下的持续时间，在本文中这也被称为转变时间。预期的转变时间可以基于停顿命令。如果对于在给定的驱动循环期间的阈值次数的燃烧循环(例如，某一比例的燃烧或发动机循环)，实际的转变时间多于预期的时间，那么可以推测由于燃料添加剂而引起火花塞结垢。因此，可以设定指示火花塞更换的诊断代码，并且可以执行预制止火花塞结垢引起的预点火的各种缓解措施。
[0009]可替代地，如果转变时间超过阈值持续时间的发动机循环的比例不大于阈值百分比，那么火花塞可能是由于碳烟堆积而结垢。因此，可以设定用于清洁火花塞的诊断代码，并且为了从火花塞烧除碳烟，可以升高发动机转速-负荷和/或可以提前花火正时，以便在一段持续时间上使火花塞的尖峰温度升高至阈值温度之上。如果在升高尖峰温度之后转变时间保持在预期的转变时间之上，那么可以确定由于燃料添加剂堆积而引起火花塞结垢。
[0010]以此方式，通过识别由于燃料添加剂的火花塞结垢并将它与由于碳烟堆积的火花塞结垢区别开，可以减少并及时缓解火花塞结垢引起的预点火。此外，可以及时地识别并解决排气催化剂和空燃比传感器退化。通过基于故障或退化的迹象而非预定时间段或车辆使用量提供火花塞更换建议，不会过早提供火花塞更换建议，从而为驾驶员降低总的车辆操作成本。通过诊断火花塞完好状况，延长发动机寿命。
[0011]应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在【具体实施方式】中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围被紧随【具体实施方式】之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0012]图1是发动机的示意图。
[0013]图2示出了根据本公开的实施例的点火系统的示意图。
[0014]图3是根据本公开的实施例的用于确定火花塞结垢和预点火的方法的流程图。
[0015]图4示出了根据本公开的实施例的点火系统在各种状况下响应于停顿命令的操作的波形。
[0016]图5示出了用于区别由于碳烟堆积的火花塞结垢与由于燃料添加剂堆积的火花塞结垢的方法的流程图。
[0017]图6示出了用于基于相对于阈值的排气氧传感器的转变频率确定排气氧传感器退化的方法的流程图。
[0018]图7示出了用于基于排气催化剂上游的第一排气氧传感器与排气催化剂下游的第二排气氧传感器之间的转变频率比确定排气催化剂退化的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]以下描述涉及用于确定发动机系统(诸如图1的发动机系统)中的一个或更多个火花塞的结垢类型的系统和方法。如在图2处示出的，耦接至火花塞的点火线圈可以包括控制线。一旦将停顿命令应用于控制线以便开始点火线圈的停顿(dwell)，就可以确定从停顿命令开始到控制线的电流降至预定值之下的转变点的转变时间。图3示出了用于基于相对于阈值的转变时间确定火花塞结垢的方法。在图4处示出了用于不同水平的火花塞结垢的示例控制电流。在一些示例中，由于碳烟和燃料添加剂堆积中的任一个的火花塞结垢都可以造成转变时间超过预期的转变时间的增加(例如，针对车辆驱动循环内的某一比例的燃烧循环)。因此，如在图5处示出的，一旦基于在给定的驱动循环内的一定比例的发动机循环上转变时间高于阈值持续时间来确定火花塞结垢的类型，就可以采用缓解措施以便确定结垢是由于碳烟还是由于燃料添加剂堆积。如果火花塞结垢是由于燃料添加剂，那么还会导致由于燃料添加剂的排气氧传感器退化和/或排气催化剂退化。图6-7呈现了用于基于相对于设定阈值的一个或更多个排气氧传感器的转变频率确定排气氧传感器退化和排气催化剂退化的方法，所述设定阈值基于由于燃料添加剂的火花塞结垢的存在性。
[0020]图1描述了用于车辆的发动机系统100。车辆可以是具有与路面接触的驱动轮的道路车辆。发动机系统100包括发动机10，发动机10包含多个汽缸。图1详细地描述了一个这样的汽缸或燃烧室。发动机10的各种部件可以由电子发动机控制器12控制。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，活塞36被设置在汽缸壁32内并且被耦接至曲轴40。燃烧室30被显示为经由相应的进气门152和排气门154与进气歧管144和排气歧管148连通。每个进气和排气门可以通过进气凸轮51和排气凸轮53操作。可代替地，进气和排气门中的一个或更多个可以通过机电控制的气门线圈和衔铁组件操作。进气凸轮51的位置可以由进气凸轮传感器55确定。排气凸轮53的位置可以由排气凸轮传感器57确定。
[0021]燃料喷射器66被示为设置为将燃料直接喷射到汽缸30内，本领域技术人员称之为直接喷射。可替代地，燃料可以被喷射至进气道，本领域技术人员称之为进气道喷射。燃料喷射器66与来自控制器12的信号的脉冲宽度FPW成比例地输送液体燃料。燃料通过包括燃料箱、燃料泵和燃料轨道的燃料系统(未示出)输送至燃料喷射器66。自响应于控制器12的驱动器68向燃料喷射器66供应操作电流。此外，进气歧管144被显示为与可选电子节气门62连通，电子节气门62调整节流板64的位置，以控制到发动机汽缸30的气流。这可以包括控制来自进气升压室146的升压空气的气流。在一些实施例中，节气门62可以省略，并且可以经由单个空气进气系统节气门(AIS节气门)82控制到发动机的气流，其中该空气进气系统节气门(AIS节气门)82被耦接至空气进气通道42并且被布置在升压室146上游。
[0022]在一些实施例中，发动机10被配置为提供排气再循环或EGR。当包括EGR时，经由EGR通道135和EGR阀138从涡轮164下游的排气系统中的位置向在空气进气系统(AIS)节气门82下游的位置处的发动机空气进气系统提供EGR。当存在驱动流动的压力差时，可以将EGR从排气系统吸到进气空气系统。能够通过部分关闭AIS节气门82来产生压力差。节流板84控制压缩机162入口的压力。可以电动控制AIS，并且可以基于可选位置传感器88调整其位置。
[0023]压缩机162从空气进气通道42吸入空气，供应给升压室146。在一些示例中，空气进气通道42可以包括具有过滤器的空气室(未示出)。排气使经由轴161耦接至压缩机162的涡轮164旋转。真空操作的废气门致动器72允许排气绕过涡轮164，使得能够在变化的工况下控制升压压力。在替代实施例中，废气门致动器可以是压力或电动致动的。响应于增加的升压需求(诸如在操作者踩加速器踏板期间)，可以关闭废气门72 (或可以减小废气门的开度)。通过关闭废气门，能够增加涡轮上游的排气压力，从而升高涡轮转速和峰值功率输出。这允许增加升压压力。此外，当压缩机再循环阀被部分打开时，能够使废气门朝向关闭位置移动，以维持期望的升压压力。在另一示例中，响应于减小的升压需求(诸如在操作者松加速器踏板期间)，可以打开废气门72 (或可以增加废气门的开度)。通过打开废气门，能够降低排气压力，从而降低涡轮转速和涡轮功率。这允许降低升压压力。
[0024]压缩机再循环阀158 (CRV)可以被提供在围绕压缩机162的压缩机再循环路径159中，因此可以使空气从压缩机出口运动到压缩机入口，以便降低可以在压缩机162两端形成的压力。增压空气冷却器157可以被设置在压缩机162下游的通道146中，用于冷却输送至发动机进气装置的升压空气充气。在所描述的示例中，压缩机再循环路径159被配置为使已冷却的压缩空气从增压空气冷却器157的下游再循环至压缩机入口。在替代示例中，压缩机再循环路径159可以被配置为使压缩空气从压缩机的下游和增压空气冷却器157的上游再循环至压缩机入口。可以通过来自控制器12的电信号打开和关闭CRV 158。CRV 158可以被配置为具有默认的半开位置的三态阀，它能够从半开位置移动到完全打开位置或完全关闭位置。
[0025]响应于控制器12，无分电器点火系统90经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。点火系统90可以包括感应线圈点火系统，其中点火线圈变压器被连接至发动机的每个火花塞。在下文中关于图2更详细地描述可以在图1的发动机中使用的示例点火系统。
[0026]第一排气氧传感器126被示为耦接至催化转化器70上游的排气歧管148。第二排气氧传感器186被示为耦接在转化器70下游的排气装置中。第一排气氧传感器126和第二排气氧传感器186可以是通用排气氧(UEGO)传感器、加热型排气氧传感器(HEGO)或双态排气氧传感器(EGO)中的任何一种。UEGO可以是线性传感器，其中输出是与空燃比成比例的线性泵送电流。