专利名称：根据进气量波动检测点火不良的制作方法
技术领域：
本发明涉及到循环式发动机内部点火不良的检测的领域，更确切地说，涉及一种用于测定在循环式发动机中点火不良的一种方法和相应的装置，该方法通过对由于与内燃机点火不良工况相关的发动机负载变化引起的进气量波动进行检测判断来实现。
用于循环式发动机的现代发动机点火不良检测系统进行点火不良检测，以便测定不充分燃烧。点火不良引起功率损耗、将未燃烧的燃料倾入催化式转换器，这些因素将缩短其寿命，并放射出有较高危害程度的有害物质。现时管理规程的严格要求检测是否已发生点火不良。
现时点火不良检测系统的一种方法是采用对与预期曲轴速度或加速度的偏差进行检测。很多这类系统是有效的但又不必要地复杂。为了满足规程，这些系统必须按照很高的数据速率检测发动机曲轴位置数据。这就需要对相关的信号处理电路提出更严格要求，使之复杂化。此外，为了有效地实施这种方法，必须以相当高的分辨率对发动机曲轴位置进行检测。为了能够以很高的分辨率对发动机曲轴位置进行检测，要求在发动机机械零件加工方面大量投资。
另一种方案是监测排气压力的偏差，以及分析由发动机经过其排气系统排出的气体的谐波分量频谱。在这些系统中传感器的使用寿命是一个主要因素，因为它工作在排气系统中的有害的环境中。此外，这种方案的精确度基本上取决于在排气系统中的连接媒体的特性。排气系统包括一连接到排气管的排气歧管，再连接到催化式转换器，再连接到消音器、再连接另一排气管。由于这种结构，其配置对于非来自发动机运转的，与包括耦合到排气系统上的发动机和车辆振动的噪声源相关的干扰是敏感的。这种连接媒体的共振可能迭加到由来自发动机的谐波分量频谱上。此外，由于其体积太大，排气系统作用像一个低通滤波器，减少了有效信号因此影响测量精度。此外，来自发动机的声音的传播时间随排气系统的发热或冷却发生变化。此外，各个气缸的声音传播途径的长度随每个气缸变化，因为排气歧管的排气导道长度不同。这将引起从由排气阀打开时到其被检测时之间的延迟时间的可变性。由每个气缸连接到传感装置的这种可变长度还可能造成由来自发动机的谐波分量的频谱移相。这是因为压力波反射引起的，这种反射是由于压力脉冲从排气阀传播到在不同气缸中的声传感器所用不同的时间量引起的。
需要改进用于发动机点火不良检测的方法是使之相对简单，同时尽量不受现有技术的不准确因素的影响。
图1是发动机进气系统的系统方块图；图2是表示测量发动机进气量波动的曲线图；图3是根据本发明的一优选实施例的系统方块图；图4是表示在经过除去有害噪声的信号处理之后根据吸入发动机的空气量波动测量的发动机特性曲线。
点火不良检测系统和方法测量进入发动机的空气量波动。这些波动可以根据进气压力变化、进气质量流量变化或等效的量进行测量。根据这些波动的状况形成了点火不良的指示信号。最好，为了消除与发动机的暂态工作状态(例如发动机加速工作的状态)相关的误差，在点火不良检测机构测定这种波动之前对空气量的波动进行处理。
这种新颖的方案通过测量进气量的波动来检测点火不良。发动机的进气歧管压力以与发动机曲轴速度及在指定的发动机周期引入空气量的质量成反比例的方式变化。在该优选实施例中，对进气歧管压力信号进行求微分(differentiated)，以得到与发动机曲轴加速和引入的空气量相关的信号。已微分的信号在测定点火不良过程之前进行处理以除去噪声频谱分量。这种方法对于已经利用进气歧管压力或质量流量传感器进行发动机控制的系统是特别有吸引力的，因为无需另外的传感器。
图1是发动机进气系统的系统方块图。大气压力下的空气105通过增压进气系统103提供给发动机101。利用节流板107将大气压力下的空气105调节进入增压进气系统103。在增压进气系统103中的气流109的压力或者质量流量取决于大气压力下的空气105和发动机101之间产生在增压进气系统103上的压力差。当发动机工作时，气流109的压力或质量根据由发动机101的气缸的进气冲程所产生抽吸作用而发生变化。抽吸作用的状况，亦即气流109的压力或质量也取决于排除处于进气过程以外的各气缸所产生的机械转矩。下面以曲线图的方式表示进入发动机的空气量的波动的实例。
图2是表示所测量的发动机进气量200的曲线图。当发动机正常运行时，进气量200按用标号201所示的波动方式变化。当进气量下降时，波形200沿逆向降低。这种逆向转变表明进气阀打开，相应的发动机气缸经过进气阀吸进一定空气量。随着进气阀关闭，进气速度减慢，进气点压力增加，或空气质量流量200下降。如果产生可能由点火不良的发动机引起的对发动机的机械转矩的扰动，进气的压力会改变。进而，当发生点火不良时，进入气缸的气体质量与正常点火的气缸相比会降低。这两种作用使与点火不良的气缸有关的进气点压力轻微升高，如标号203所示。随后，当发动机稳定并再次正常运行时，压力和质量流量返回到它们早期的数值，如用标号205所示。
在该优选实施例中，测量进气量波形200的所述状态变化，并进行分析，以预测与点火不良的气缸相关的发动机转矩变化。所述系统产生的输出信号的主信号的频率取决于点火不良的频率(即对于每次点火不良过程的一种表示)。下面，介绍系统方块图。
图3是总体的系统方块图，表示这里介绍的改进方案的某些方面。通过进气歧管305向发动机301提供一定进气量303。
发动机速度传感器307监测与活塞飞轮311相连的曲轴309。这些部件307、309和311产生反映发动机旋转位置的信号313。发动机旋转位置信号313用于安排控制器315的控制过程。进气量303的一部分307输送到压力传感器319。最好的压力传感器319为Motorola PRT(压阻式变换器)压力传感器。在与转动系统相关的进气歧管305和压力传感器319之间的连接件321对其几何参数进行设计，以使可能产生的有害共振作用降至最小(例如使软管直径大而软管长度小)。
最好控制器315是由用Motorola 68332微控制器构成。Motorola68332微控制器特别适合于现时的作业，因为它具有的计算能力与处理所需的进气量和发动机位置信息相适应。本技术领域的熟练人员将会认识到其它等效的微控制器也能实施这里所介绍的优选方法。另外，控制器315可以用模拟式或数字式硬件来替换执行相同的功能。
在控制器315的边框中的环节323-337，是按微码的信号处理的步骤，这些步骤是按照在控制器315中的控制指令编程的。在第一处理步骤323，控制器315根据一取决于利用发动机旋转位置信号313确定的发动机曲轴位置引用的预定表，对由压力传感器319提供的信号进行数字化。在该优选实施例中，这一数字化的信号是空气压力信号。另外，如果利用空气质量流量传感器来代替压力传感器319，该信号可以是空气质量流量的测量信号。最好，对进气量303的部分进气量317在当发动机曲轴每旋转18°时采样一次。这种相对低的分辨率的预定表明显优越于那些需要高分辨率测量的现有技术系统。
接着，在处理步骤325中，根据对进气压力进行求微分处理确定进气波动信号。这种求微分处理可以消除发动机的任何暂态工作(例如发动机加速和发动机减速)的影响。
接着，对已微分的空气压力波动进行处理，以消除各种噪声源。在可以精确地检测点火不良的状况之前，必须进行这种处理。需要除去由正常内燃机转矩所引起的波动。有两个单独的操作进行这种信号处理。首先，通过一个低通滤波器327来处理已微分的空气压力波动，以除去主要与正常的内燃机转矩相关的高次的频谱分量。
然后，通过一中值滤波器329对经低通滤波的已微分的空气压力波动进行处理，以除去低次的频谱分量。由于道路不平和其它原因引起的发动机传动系统扰动可以确定低次频谱分量的特征。接着，产生出经低通-中值滤波的已微分的空气压力波动信号331。
最好，低通和中值滤波器根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机特性来实现。发动机速度、发动机负载和发动机温度的发动机特性参数是利用在环节341的常规技术进行测量的。
接着，将代表经低通-中值滤波的已微分的空气压力波动信号331提供到比较器333。比较器333将经低通-中值滤波的已微分的空气压力波动信号331与阈值335相比较，并且当该经低通-中值滤波的已微分的空气压力波动信号331超过阈值335时产生点火不良检测信号337。最好，根据由较前介绍的在环节341中确定的发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机特性来确定阈值335。
应注意，与本身可以表明处在与发动机曲轴每旋转一周半到一个周期的频谱范围内的工况相关的其它噪声包括由于循环惯性力矩、活塞质量不平衡以及各气缸之间的燃烧不平衡所引起的曲轴扭矩的一阶影响。所有这些状况可能严重影响点火不良确定方法的精度。一个模式消除(pattern cancellation)环节339可以滤除这些不良状况，就是从经低通-中值滤波且已微分的空气压力波动信号331中除去这些不良状况。通过在发动机曲轴旋转的第一周期对经低通-中值滤波且已微分的空气压力波动信号331采样来提供第一数据点、在发动机曲轴旋转的第二周期对经低通-中值滤波且已微分的空气压力波动信号331采样来提供第二数据点，以及在发动机曲轴旋转的第三周期对经低通-中值滤波且已微分的空气压力波动信号331采样来提供第三数据点，通过这种数据采集可以实现这种特性(曲线)补偿。接着，由第二数据点减去第一和第三数据点的平均值，可以产生经模式消除的、经低通-中值滤波的且求微分后已明显清除一阶影响的空气压力波动信号。
在图4中表示了经模式消除的、经低通-中值滤波的且已微分的空气压力波动信号。第一部分401代表多个正常点火燃烧过程，第二部分403代表多个点火不良的燃烧过程，其中第二部分是为了演示而形成的点火不良。虚线405代表在图3中先前提到的阈值331(以图示方式)。应注意，经模式消除的、经低通-中值滤波的、已微分的空气压力信号332的点火不良部分403明显地超过阈值405，而经模式消除的、经低通-中值滤波的、已微分的空气压力波动信号332的正常点火燃烧部分401十分明显地没有超过阈值405。这种在正常点火部分401和点火不良部分403之间的该经模式消除的、低通-中值滤波的、已微分的空气压力波动信号的区别在任何高精度的检测系统(例如这里所介绍的系统)都是优异的。
再参阅图3，经模式消除的，低通-中值滤波的、已微分的空气压力波动信号332交替地经选择器330输入到比较器333。在这种情况下，当该经模式消除的、低通-中值滤波的、已微分的空气压力波动信号332超过阈值时，可以产生点火不良检测信号337。选择器的动作取决于各种发动机的工作状态。
总之，上面已经介绍了一种用于改进检测点火不良的方法，这种方法可以相对简地实施，这是因为它不需要像现有技术一样为了形成一个高精度点火不良检测系统而需要高分辨率的发动机位置编码设计。所述方法可以充分利用已有传感器的优点。这不仅消除了与高分辨率发动机位置编码器相关的复杂性问题，而且还消除了因加工作为硬件的机械元件带来的成本和复杂性问题。此外，与以高分辨率发动机位置编码器为基础的点火不良检测系统相比，后处理环节325、327、329和339的信号处理带宽可以宽松。
权利要求
1.一种用于发动机的点火不良检测方法，包含测量吸入到发动机的空气量的波动，以及根据所测量的空气量的波动提供点火不良的指示信号。
2.根据权利要求1所述的点火不良检测方法，其中测量吸入发动机的空气量波动的步骤包含测量吸入发动机的空气压力的波动的步骤。
3.根据权利要求2所述的点火不良检测方法，还包含步骤将所测量的吸入发动机的空气压力波动信号变换为已微分的空气压力波动信号；以及其中提供点火不良指示信号的步骤，根据已微分的空气压力波动提供点火不良指示信号。
4.根据权利要求3所述的点火不良检测方法，还包含步骤根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组合中选择的至少一种发动机特性，对已微分的空气压力波动信号滤波，并据此提供经滤波的已微分的空气压力波动信号；以及其中提供点火不良指示信号的步骤，根据经滤波的已微分的空气压力波动信号的幅值提供点火不良指示信号。
5.根据权利要求1所述的点火不良检测方法，其中测量吸入发动机的空气量的波动的步骤包含测量吸入到发动机的气体质量流量波动的步骤。
6.根据权利要求5所述的点火不良检测方法，还包含步骤将所测量的吸入到发动机中的空气质量流量的波动信号变换为已微分的空气质量流量波动信号；以及其中提供点火不良指示信号的步骤，根据已微分的空气质量流量波动信号提供点火不良指示信号。
7.根据权利要求6所述的点火不良检测方法，还包含步骤根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机特性，对经已微分的空气质量流量波动信号滤波，并据此提供经滤波的已微分的空气质量流量波动信号；以及其中，提供点火不良指示信号的步骤，根据经滤波的已微分的空气质量流量波动信号的幅值提供点火不良指示信号。
8.根据权利要求1所述的点火不良检测方法，还包含步骤测量进气歧管气流调节器的位置；以及其中提供点火不良指示信号的步骤，根据所测量的进气歧管气流调节器的位置提供点火不良指示信号。
9.根据权利要求1所述的点火不良检测方法，还包含步骤根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机特性，确立判别点火不良的阈值；以及其中，提供点火不良指示信号的步骤，当吸入发动机的空气量波动偏差的幅值超过所规定的点火不良判别阈值时提供点火不良指示信号。
10.一种用于发动机的点火不良检测方法，包含测量发动机曲轴角位置；提供与所测量的发动机曲轴角位置相配合预定的进气压力的测量值；对进气压力测量值求微分，形成已微分的进气信号；以及根据已微分的进气信号，提供点火不良指示信号。
11.根据权利要求10所述的点火不良检测方法，还包含步骤根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机参数，对求微分的进气信号滤波，并据此提供经滤波的已微分的进气信号；以及其中，提供点火不良指示信号的步骤，根据经滤波的已微分的进气信号，提供点火不良指示信号。
12.根据权利要求10所述的点火不良检测方法，还包含步骤测量进气歧管气流调节器的位置，以及其中，提供点火不良指示信号的步骤，根据所测量的气流调节器的位置，提供点火不良指示信号。
13.根据权利要求10所述的点火不良检测方法，还包含步骤根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组中选择的至少一种发动机特性，确立点火不良判别阈值；以及其中提供点火不良指示信号的步骤，根据确立的点火不良判别阈值提供点火不良指示信号。
14.一种用于发动机的点火不良检测系统，包含耦合到发动机上的传感器，用于对吸入发动机的空气量的波动量进行测量；以及信号处理器，用于根据吸入发动机的空气量的波动的幅值，提供点火不良指示信号。
15.根据权利要求14所述的点火不良检测系统，其中的信号处理器包含微分器，用于接收吸入发动机的空气量的波动信号，据此，提供已微分的空气量信号；以及比较器，用于接收已微分的空气量信号，并当已微分的空气量信号超过一阈值时提供点火不良指示信号。
16.根据权利要求14所述的点火不良检测系统，其中所述的信号处理器包含微分器，用于接收吸入到发动机的空气量波动信号，并据此提供已微分的空气量信号；低通滤波器，用于接收已微分的空气量信号，并据此提供经低通滤波的已微分的空气量信号；中值滤波器，用于接收经低通滤波的已微分的空气量信号，并据此提供经中值-低通滤波的已微分的空气量信号；以及比较器，用于接收经中值-低通滤波的已微分的空气量信号，并当经中值-低通滤波的已微分的空气量信号超过点火不良判别阈值时，提供点火不良指示信号。
17.根据权利要求14所述的点火不良检测系统，其中的点火不良判别阈值是根据由发动机速度、发动机负载和发动机温度组成的发动机特性参数组合中选择的至少一种发动机特性的测量值设立的；以及其中比较器，当经中值-低通滤波的已微分的空气量信号的幅值超过点火不良判别阈值时，提供点火不良指示信号。
18.根据权利要求16所述的点火不良检测系统，包含模式消除器，用于接收经中值-低通滤波的已微分的空气量信号，且据此提供经模式消除的、经中值-低通滤波的已微分的空气量信号；以及其中，比较器接收经模式消除的经中值-低通滤波的已微分的空气量信号，且当该经模式消除的，经中值-低通滤波的已微分的空气量信号超过阈值时，提供点火不良指示信号。
全文摘要
一种点火不良检测系统和方法,测量吸入发动机303中的空气量波动,最好是按照发动机的进气压力或按照空气质量流量测量。根据空气量波动的状态提供点火不良指示信号337。最好,为了消除与发动机暂态运行状态(例如加速)相关的误差,在点火不良检测机构333用于确定点火不良状况之前,对空气量的波动进行求微分(325)。
文档编号G01M15/00GK1179826SQ96192819
公开日1998年4月22日 申请日期1996年12月13日 优先权日1996年12月13日
发明者马文·L·林奇, 迈克尔·A·麦克林施, 玛格丽特·A·塞尔费, 格雷戈里·施泰尼, 小唐纳德·J·伦博斯基 申请人:摩托罗拉公司