专利名称：使用离散傅立叶变换逼近的发动机失火检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及发动机失火检测系统。
背景技术：
这里提供的背景技术描述用于总体上介绍本发明的背景。当前所署名发明人的在本背景技术部分中所描述的程度上的工作，以及本描述的在申请时可能不构成现有技术的各方面，既非明示也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。内燃发动机(ICE)通过ICE的气缸内的空气/燃料混合物的点燃和燃烧而供以动力。气缸内的压力在燃烧期间增大，从而产生驱动扭矩。当在燃烧循环期间在气缸内存在不适当的压力累积时，会发生发动机失火。发动机失火会导致发动机性能劣化和排放增加。在发动机操作期间未能检测到发动机失火会对发动机部件产生损坏。另外，发动机失火的错误检测会导致不必要的车辆维护。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种检测发动机失火的方法。所述方法包括确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的子谐波频率的范围。基于基本频率来确定子谐波频率的范围。所述基本频率可以与发动机发火事件相关联。所述子谐波频率小于所述基本频率。基于所述子谐波频率的所述范围以及所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值。基于所述频率含量幅值和所述子谐波频率的所述范围产生速度不均勻能量(EVN)信号。基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。离散傅立叶变换的使用提供了比使用其它变换例如快速傅立叶变换的计算优势 (减少的代数等式)。例如，当对于指定的子谐波频率执行离散傅立叶变换时，可以仅使用很少的代数等式。在其它特征中，提供了一种发动机失火检测系统，所述发动机失火检测系统包括 采样控制模块、分析模块和状态模块。所述采样控制模块基于基本频率来确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的子谐波频率的范围。所述子谐波频率小于所述基本频率。所述分析模块基于所述子谐波频率的所述范围并基于所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值。所述分析模块基于所述子谐波频率的所述频率含量幅值产生速度不均勻能量(EVN)信号。所述状态模块基于所述EVN 信号和失火门限来检测所述失火。本发明进一步的适用范围将通过下文提供的详细描述而变得显而易见。应当理解的是，该详细描述和具体示例仅用于说明目的，而并非旨在限制本发明的范围。本发明还提供如下方案
1、一种检测发动机的失火的方法，其包括基于基本频率来确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的一个的子谐波频率的范围，其中，所述子谐波频率小于所述基本频率；
基于所述子谐波频率的所述范围并基于所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值；
基于所述频率含量幅值和所述子谐波频率的所述范围产生速度不均勻能量(EVN)信号；以及
基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。2、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述基本频率是发动机点火频率。 3、根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括 产生采样指令信号；以及
基于所述发动机速度信号和所述采样指令信号产生S个发动机速度采样，其中，S是大于1的整数，
其中，所述频率含量幅值基于所述S个发动机速度采样产生。4、根据方案1所述的方法，其特征在于，对于所述子谐波频率的所述范围内的选定频率，所述EVN信号是所述频率含量幅值的欧几里德范数。5、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述频率含量幅值包括实部和虚部，以及其中，所述EVN信号基于所述实部和所述虚部中的至少一个产生。6、根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括基于所述发动机速度信号和所述发动机的空气负载产生所述失火门限。7、根据方案6所述的方法，其特征在于，所述空气负载基于所述发动机的每气缸
空气量值来确定。8、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述EVN信号基于子谐波频率的所述范围的第一指标和第二指标产生，
其中，所述第一指标大于所述第二指标。9、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述频率含量幅值基于发动机速度采样与某个平方根所得乘积的总和来产生，其中所述平方根为以下两个值之和的平方根，其中一个值为2 π (k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求余弦的平方，另一个值为
(k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求正弦的平方，其中，k表示子谐波，η表示发动机速度采样。10、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述EVN信号基于如下值的平方根来产生，所述值为将所平方的频率含量幅值中的值在对于在第一范围指标和第二范围指标之间的子谐波频率上求和，以及
其中，所述第一范围指标大于所述第二范围指标。11、一种发动机失火检测系统，其包括
采样控制模块，所述采样控制模块基于基本频率来确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的一个的子谐波频率的范围，其中，所述子谐波频率小于所述基本频率；
分析模块，所述分析模块基于所述子谐波频率的所述范围并基于所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值，
其中，所述分析模块基于所述子谐波频率的所述频率含量幅值产生速度不均勻能量(EVN)信号；以及
状态模块，所述状态模块基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。12、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述基本频率是发动机发火频率。
13、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述采样控制模块产生采样指令信号， 并基于所述发动机速度信号和所述采样指令信号产生S个发动机速度采样，其中，S是大于 1的整数，以及
其中，所述分析模块基于所述S个发动机速度采样产生所述频率含量幅值。14、根据方案10所述的系统，其特征在于，对于所述子谐波频率的所述范围内的选定频率，所述分析模块产生所述EVN信号作为所述频率含量幅值的欧几里德范数。15、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述频率含量幅值包括实部和虚部，以及
其中，所述EVN信号基于所述实部和所述虚部中的至少一个产生。16、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述状态模块基于所述发动机速度信号和所述发动机的空气负载产生所述失火门限。17、根据方案16所述的系统，其特征在于，所述状态模块基于所述发动机的每气缸空气量值来确定所述空气负载。18、根据方案10所述的系统，其特征在于，分析模块基于子谐波频率的所述范围的第一指标和第二指标来产生所述EVN信号，
其中，所述第一指标大于所述第二指标。19、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述分析模块基于发动机速度采样与某个平方根所得乘积的总和来产生所述频率含量幅值，其中所述平方根为以下两个值之和的平方根，其中一个值为2π (k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求余弦的平方，另一个值为2π (k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求正弦的平方，其中，k表示子谐波，η表示发动机速度采样。20、根据方案10所述的系统，其特征在于，所述分析模块基于以下值的平方根来产生所述EVN信号，所述值为将所平方的频率含量幅值中的值在对于在第一范围指标和第二范围指标之间的子谐波频率上求和，以及
其中，所述第一范围指标大于所述第二范围指标。
通过详细描述和附图将会更全面地理解本发明，附图中 图1是根据本发明原理的发动机控制系统的功能框图2是根据本发明原理的发动机失火检测系统的功能框图； 图3是示例性曲轴传感器信号的图示；
图4Α是当不存在发动机失火时产生的瞬时发动机速度的示例性图示； 图4Β是在发动机失火期间产生的瞬时发动机速度的示例性图示； 图5示出了根据本发明原理的检测发动机失火的方法；
图6Α是根据本发明原理的当不存在发动机失火时产生的发动机速度信号的示例性频率含量幅值的图示；图6B是根据本发明原理的在发动机失火期间产生的发动机速度信号的示例性频率含量幅值的图示；
图7A-7C是根据本发明原理的针对不同气体负载产生的示例性速度不均勻信号的图 示；
图8是根据本发明原理的3维失火门限表面的示例性图示；以及图9示出了根据本发明原理的检测发动机失火的方法。
具体实施例方式下面的描述本质上仅是示例性的并且决不是要限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同的附图标记标识相似的元件。如这里所使用的，短语A、B和 C中的至少一个应当被解释为使用非排他逻辑或的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，在不改变本发明的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的步骤。如这里所使用的，术语模块指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或固件程序的处理器(共用的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其它适合组件。发动机失火可以使用基于正时的方法和/或基于频率的方法来检测。正时方法可以包括比较预定的校准门限值内的曲轴速度信号，以检测发动机失火。正时方法还可以包括确定在整个发动机循环内不同的分辨率时间段的瞬时曲轴速度信号之间的最大差。可以将最大差与其他校准门限值比较。瞬时发动机速度是使用采用小于360曲轴度的角间隔的发动机速度计算来确定的。例如，可以将在第一曲轴位置测量的第一瞬时曲轴速度与在第二曲轴位置测量的第二瞬时曲轴速度进行比较。可以基于曲轴传感器信号以及相应的第一计数器和第二计数器得出瞬时曲轴速度。第一曲轴速度信号的第一分辨率可以大于第二曲轴速度信号的分辨率。可以将比较的结果与最大差门限比较，以检测发动机失火。因为正时方法包括基于传感器齿轮(例如，具有58个齿的齿轮)产生的曲轴速度信号，所以失火检测会受到曲轴速度信号中的高频率分量(例如，噪声和扭转振动)的影响。作为正时方法的替换方案，可以使用频率方法。与正时方法相比，频率方法不容易遭受因高频率分量所致的误差。频率方法可以包括曲轴传感器信号和/或曲轴速度信号的频率分析。频率方法可以包括曲轴传感器信号和/或曲轴速度信号的快速傅立叶变换(FFT)或离散傅立叶变换 (DFT)。尽管频率分析在处理污染有噪声和高频率扭转振动的数据方面是有效的，但需要大量的处理时间和存储量来执行分析。FFT和DFT需要大量的计算。执行计算的控制模块可能不能在预定的时间段内完成计算(即，对于实时性能而言，计算可能不会足够快地执行)。这里描述的实施例对于高频率分量例如噪声和扭转振动来说是稳健的，并且使检测失火所执行的计算量最小化。现在参照图1，示出了发动机控制系统100。发动机控制系统100可以包括发动机控制模块(ECM)102和发动机104。空气通过节气门106进入发动机104。节气门106的开度可以由节气门致动器模块108来控制。ECM 102可以产生节气门指令信号110，以操作节气门致动器模块108。ECM 102可以基于加速器踏板信号111产生节气门指令信号110。节气门106可以包括节气门位置传感器(TPS) 112，后者产生TPS信号114。节气门致动器模块108可以提供闭环控制，并基于节气门指令信号110和TPS信号114来操作节气门106。 进入节气门106的空气流可以由质量空气流量(MAF)传感器116来检测，MAF传感器116产生MAF信号118。加速器踏板传感器119可以产生加速器踏板信号111。
发动机104可以包括进气歧管120。空气进入进气歧管120，并产生进气歧管压力。 进气歧管压力可以由歧管绝对压力(MAP)传感器122来检测，MAP传感器122产生MAP信号 124。ECM 102可以产生燃料指令信号126，以操作燃料致动器128。燃料致动器128可以是燃料喷射器。燃料致动器128将预定量的燃料提供给发动机104。ECM 102可以基于节气门指令信号110、MAF信号118和MAP信号124产生燃料指令信号126。发动机104可以包括气缸130。发动机104可以包括Neyl个气缸，其中，Ncyl是整数。仅为了示例目的，示出了单个气缸130。空气/燃料混合物可以通过进气门132进入气缸130。空气/燃料混合物可以由火花塞134点燃。空气/燃料混合物的点燃使得空气/ 燃料混合物燃烧，从而推动驱动曲轴136的活塞(未示出)。曲轴136的速度可以由曲轴传感器137来检测，曲轴传感器137产生曲轴速度信号158。燃烧使得在气缸130中产生废气。 废气可以通过排气门133从气缸130排出，并经由排气系统140离开发动机104。ECM 102可以产生操作火花致动器模块144的火花指令信号142。火花致动器模块144可以向火花塞134提供电流以便火花产生和燃烧目的。ECM 102可以使火花正时与进气门132和排气门133的正时协调。进气门132可以由进气凸轮轴146致动。排气门133可以由排气凸轮轴148致动。气门132和133的正时可以分别使用进气凸轮相位器150和排气凸轮相位器152来调节。ECM 102可以包括凸轮相位器致动器模块154，以操作进气凸轮相位器150和排气凸轮相位器152。ECM 102可以包括失火检测模块160。发动机失火检测模块160可以包括采样控制模块162、速度模块164、分析模块166和操作状态模块168。失火检测模块160可以检测发动机失火，并基于MAP传感器信号124和曲轴传感器信号158产生失火状态信号170。 作为示例，失火可以基于曲轴传感器信号158中的波动来检测。ECM 102还可以包括诊断模块172，诊断模块172基于失火状态信号170执行一种或多种发动机诊断算法。图2示出了图1的失火检测模块160的功能框图。加速器踏板传感器119和曲轴传感器137向失火检测模块160提供相应的信号111、158。采样控制模块162可以包括曲轴频率模块174、采样指令模块176和子谐波频率 (SHF)范围模块178。曲轴频率模块174可以确定曲轴速度信号182 (非瞬时速度信号)的基本频率λ。和子谐波频率。曲轴速度信号182可以基于曲轴传感器信号158产生。曲轴频率模块174可以产生可包括基本频率λ ^和子谐波频率的曲轴频率信号180。基本频率 λ C1可以是发动机发火频率(火花或点燃频率)。子谐波频率是比基本频率λ ^」、的频率。采样指令模块176可以基于曲轴传感器信号158产生采样指令信号184。采样指令模块176可以包括相位锁定环模块185，后者使采样指令信号184的频率稳定。SHF范围模块178可以确定子谐波频率，并基于曲轴频率信号180产生SHF信号186。子谐波频率的范围可以包括上限频率fub (第一频率)和下限频率flb (第二频率)，其中，fub>flb。速度模块164可以包括瞬时速度模块188、每分钟转(RPM)模块190和速度采样模块192。瞬时速度模块188可以确定曲轴136的瞬时速度ω，并基于曲轴传感器信号158 产生瞬时速度信号194。瞬时速度模块188可以使用计数器196来确定瞬时速度ω。RPM模块190可以确定发动机104的速度，并基于曲轴传感器信号158产生发动机速度信号182。RPM模块190可以使用计数器198来确定发动机速度。速度采样模块192可以基于瞬时速度信号194产生发动机速度采样ω (i)，i=l、 2、…、S，其中，S是速度采样的数量(例如，S=120)。速度采样ω⑴可以根据采样指令信号184以采样频率fs产生。可以将速度采样ω (i)存储在存储器200中。采样S的数量可以基于来自平均循环模块208的平均循环信号202来确定。速度采样模块192可以基于瞬时速度信号194、采样指令信号184和平均循环信号202产生一个或多个速度采样信号 204。分析模块166可以包括DFT模块206、平均循环模块208和速度不均勻能量(EVN) 计算模块210。DFT模块206基于平均循环信号202和速度采样信号204执行DFT逼近。 DFT模块206在由SHF范围模块178确定的子谐波频率范围内执行DFT逼近。DFT模块206 通过执行DFT逼近产生速度采样ω (i)的频率含量幅值Ω (k)，其中，k=l、…、S。频率含量幅值表示曲轴传感器信号158和瞬时发动机速度信号194中的一个的频率含量。可以将频率含量幅值Ω (k)存储在存储器212中。DFT模块206可以基于SHF范围信号186、平均循环信号202和速度采样信号204产生频 率含量信号214。平均循环模块208确定平均循环ACave的数量，并产生平均循环信号202。数据被收集并被平均的时段可以基于平均循环的数量。下面将更详细地对此加以描述。EVN计算模块210确定EVN值，并基于SHF范围信号186和频率含量信号214产生EVN信号216。操作状态模块168可以包括负载估计模块218、EVN门限模块220和EVN比较模块 222。负载估计模块218确定发动机104的气缸的空气负载，并基于加速器踏板信号111产生空气负载信号224。空气负载可以由发动机104的每气缸空气量(APC)的水平来表征。 负载估计模块218可以包括扭矩请求模块225，后者基于加速器踏板信号111确定驾驶员扭矩请求。EVN门限模块220可以基于发动机速度信号182和空气负载信号224产生失火门限信号226。EVN比较模块222基于EVN信号216和失火门限信号226产生失火状态信号 170。现在还参照图3，示出了包括多个脉冲228的曲轴传感器信号158的示例性图示。 每个脉冲228与曲轴的固定的角位移230相关联。仅举例，位移230可以是6°的曲轴角位移。一个或多个脉冲228可以在预定的曲轴位置232处受到抑制。例如，对于曲轴的每次旋转，在曲轴位置232处，曲轴传感器信号158中的两个脉冲受到抑制。对于每次发动机旋转，曲轴传感器156可以产生58个脉冲。曲轴传感器156可以称作58x传感器。曲轴传感器信号158的在脉冲受到抑制的部分可以称作曲轴传感器信号158的“凹槽”234。在每个凹槽234之后，可以将脉冲串数分配给脉冲串228中的每一个。可以使用脉冲串数建立曲轴脉冲计数，如图3所示。对于每次发动机旋转，可以检测曲轴传感器信号158的凹槽234。发动机的速度可以基于凹槽234的检测来确定。图2的RPM模块190可以基于凹槽234的检测来确定发动机速度。现在还参照图4A和图4B，示出了发动机速度信号的示例性图示。图4(a)示出了在没有发动机失火的情况下发动机104的瞬时发动机速度的图示194’。图4(b)示出了在发动机失火的情况下(单个气缸连续失火)发动机104的瞬时发动机速度的图示194’ ’。基于曲轴传感器信号的相应脉冲来更新瞬时发动机速度。图2的瞬时速度模块188可以确定瞬时发动机速度。在图5中，示出了检测发动机的失火的示例性方法238。方法238可以包括离线过程和实时过程。离线过程可以包括步骤240，步骤240执行离线过程，从而基于发动机速度收集预定的EVN门限值。离线过程可以通过在预定的操作条件下操作发动机来执行，例如， 通过在预定的发动机速度下和在预定的空气负载的情况下操作发动机来执行。实 时过程可以包括步骤242-250，并可以包括基于在相应的操作条件期间所确定的预定EVN门限值中之一和实时所计算的EVN值的失火检测。发动机失火检测模块160的控制可以执行实时过程的相关联步骤。在步骤242中，发动机失火检测模块160检测瞬时发动机速度。可以基于曲轴传感器信号158来确定瞬时发动机速度。可以基于曲轴传感器信号158的两个连续脉冲228 之间的正时差来确定瞬时发动机速度。瞬时发动机速度可以以等于或大于平均循环202的数量的基本频率的2倍的频率进行采样，以产生速度采样ω (i) 204。在步骤244中，发动机失火检测模块160执行DFT逼近。曲轴速度信号的示例DFT 表达式由等式1提供。对于第k子谐波，DFT分析可以如下执行计算发动机速度采样ω (i) 的频率含量幅值(输出频谱)Ω (k)，例如，使用等式1-3中的一个或多个。等式3是等式2 的幅值，等式2使用Euler公式从等式1导出。
Q(k)=j>(n)expi~jMi^in:1)) k=i,…,s⑴
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,Q , = f Ifcoz2π(Κ' )(η )丫 cjn 2π(Κ- )(η^)
n=t IlV^ / \JS是在DFT逼近过程期间处理的速度或数据采样的数量。作为示例，采样S的数量可以等于基本频率的至少2倍，对于2个发动机循环，其是至少2XN。yl个采样。频率含量幅值具有实部和虚部，如在等式2中所示。实部和/或虚部可以用于所选择的子谐波频率， 以产生EVN值。DFT逼近过程可以如下执行计算速度采样ω⑴的频率含量幅值Ω (k)，例如，使用等式1-3中的一个等式，其中，k=l、…、L，并且L<S。L是在DFT逼近过程期间处理的所选择数量的子谐波数据采样。在一个实施例中，DFT的逼近可以通过在子谐波频率的所选择范围内计算速度采样ω (i)的频率含量幅值Ω (k)来执行。这可以例如在k=Ml、…、Mn且表达式4成立时执行。Mn - M1 + 1 < Ncyl，其中，M1 彡 1(4)子谐波频率的范围可以由范围指标(index)诸如M1和Mn来指定。M1是基于SHF范围的下限频率flb确定的范围指标。Mn是基于SHF范围的上限频率fub确定的范围指标。
在步骤246中，发动机失火检测模块160可以基于频率含量幅值Ω (k)确定EVN 值或产生EVN信号。可以例如使用等式5来确定EVN值。
权利要求
1.一种检测发动机的失火的方法，其包括基于基本频率来确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的一个的子谐波频率的范围，其中，所述子谐波频率小于所述基本频率；基于所述子谐波频率的所述范围并基于所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值；基于所述频率含量幅值和所述子谐波频率的所述范围产生速度不均勻能量(EVN)信号；以及基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本频率是发动机点火频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括产生采样指令信号；以及基于所述发动机速度信号和所述采样指令信号产生S个发动机速度采样，其中，S是大于1的整数，其中，所述频率含量幅值基于所述S个发动机速度采样产生。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述子谐波频率的所述范围内的选定频率，所述EVN信号是所述频率含量幅值的欧几里德范数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率含量幅值包括实部和虚部，以及其中，所述EVN信号基于所述实部和所述虚部中的至少一个产生。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括基于所述发动机速度信号和所述发动机的空气负载产生所述失火门限。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空气负载基于所述发动机的每气缸空气量值来确定。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述EVN信号基于子谐波频率的所述范围的第一指标和第二指标产生，其中，所述第一指标大于所述第二指标。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率含量幅值基于发动机速度采样与某个平方根所得乘积的总和来产生，其中所述平方根为以下两个值之和的平方根，其中一个值为2 π (k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求余弦的平方，另一个值为(k-1) (n-1)除以发动机速度采样的总数后求正弦的平方，其中，k表示子谐波，η表示发动机速度采样。
10.一种发动机失火检测系统，其包括采样控制模块，所述采样控制模块基于基本频率来确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的一个的子谐波频率的范围，其中，所述子谐波频率小于所述基本频率；分析模块，所述分析模块基于所述子谐波频率的所述范围并基于所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值，其中，所述分析模块基于所述子谐波频率的所述频率含量幅值产生速度不均勻能量 (EVN)信号；以及状态模块，所述状态模块基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。
全文摘要
本发明涉及使用离散傅立叶变换逼近的发动机失火检测系统和方法。一种检测发动机的失火的方法包括确定曲轴传感器信号和发动机速度信号中的一个的子谐波频率的范围。基于基本频率来确定子谐波频率的范围。所述子谐波频率小于所述基本频率。基于所述子谐波频率的所述范围以及所述曲轴传感器信号和发动机速度信号中的至少一个的离散傅立叶变换产生频率含量幅值。基于所述频率含量幅值和所述子谐波频率的所述范围产生速度不均匀能量(EVN)信号。基于所述EVN信号和失火门限来检测所述失火。
文档编号G01M15/11GK102261995SQ20111011055
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者李 B., 李 H., A. 摩根 J. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司