用于分析发动机中的积碳的系统和方法
【专利说明】用于分析发动机中的积碳的系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求申请号为13/837581，申请日为2013年03月15日，主题为“用于分析动机中的积碳的系统和方法”的美国申请，申请号为61/663341、申请日为2012年06月22日、主题为“感应清洁分析器”的美国临时申请，以及申请号为61/712003，申请日2012年10月10日，主题为“积碳分析器”的美国临时申请的优先权，它们的全部公开内容都通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本文所述的发明的主题一般涉及一种内燃机和这种发动机内随着时间的推移而产生的碳化合物聚积。更具体地，本发明主题涉及一种汽车测试设备以及检测气缸燃烧效率，包括可能是由内燃机内的积碳引起的低效率的方法。
【背景技术】
[0004]内燃发动机已经给世界供电了一个多世纪。这个基本的发动机设计将气缸置于一压缩载荷下，从而加热充入气缸中的空气进气。内燃发动机可以是两种不同的设计，压缩点火或火花点火。在压缩点火发动机中，燃油直接喷入燃烧室，在这里被加热的空气进气由于压缩而有足够的热能来点燃燃料。在火花点火发动机中，燃料被输送到进气歧管，或直接喷入燃烧室中，通过压缩加热空气进气空气进气，但是，来自于压缩的热能不足以点燃燃料。从变压器产生的火花被用来电离火花塞电极，产生具有足够热能的等离子来点燃燃料。
[0005]上述两种发动机都是基于烃基的燃料供能的热力发动机。这些烃基燃料包含以链状排列的氢原子和碳原子。当这些高能链被置于足够的负荷下时，链将会断裂，而且在氧的存在下，将与氧重新结合形成低能量分子。当由高能链转换为低能分子时，会以热的形式产生能量。这种热能加热工作流体(例如，氮气)，其膨胀并推动活塞向下，以在曲轴上产生转矩。当这些烃链被点燃并燃烧时，会产生碳化合物。这些碳化合物的大部分在压力下被推出排气口到大气中。那些未被推出排气口的碳化合物经过活塞环而成为曲轴箱窜气曲轴箱窜气(crankcase blow by)或者当进气阀门打开时进入进气歧管(也称为“进气系统”或“感应系统”)。进入曲轴箱中的碳化合物通过曲轴箱强制通风(“PCV”)系统被拉入进气歧管中。此外，该PCV系统允许一些润滑油化合物进入到进气系统。
[0006]任一种情况下，碳化合物最终进入到运行的发动机的进气系统。一个又一个的碳化合物分子附着于内燃发动机内的表面上，包括进气系统。随着时间的推移，这些碳化合物在发动机的表面上聚积。当碳层变得足够大以至于破坏通过进气轨道进入气缸内的空气进气时，气缸的燃烧效率将降低，而这又会导致气缸压力降低。由于燃料释放了加热气缸内的氮气的热能，空气进气/燃料进料中的变化改变了气缸内的压力。这些降低的气缸压力或降低的燃烧效率降低了曲轴上的转矩，从而降低了发动机的性能。
[0007]不同的发动机配置、燃料、发动机负荷、发动机运行时间，以及发动机运行温度都会改变碳化合物在发动机中聚积的速率。这表明，这些变量会改变发动机在两次感应清洁之间所需的时间间隔。所需要的是一种装置和一种方法，其中发动机内的碳化合物的积累可以被准确地判断。
[0008]在彼得森的7801671和7899608号美国专利中，披露了一种识别内燃机发生的一个或多个不点火的方法。在彼得森等人的专利中披露的装置和方法可被用来确定燃烧效率。但是，这样的设备和方法是用于受过训练的技术人员的。例如，它需要相对较高技术的一些人员找到并将监测设备连接到点火线圈，以及解释所获得的数据以确定发动机内聚积的碳化合物。
【发明内容】
[0009]在一个实施方式中，本发明主题涉及一种识别周期性气缸压力变化的装置和方法，其与发生在内燃发动机中的燃烧效率相关。该方法可以包括:运行发动机，将触发天线放在发动机上，测量来自发动机的排气口和/或发动机的进气系统的压力脉冲，由测量的压力脉冲产生波形，基于来自触发天线的信号将波形分成片段(例如，发动机的每个气缸有一个波形，其中每个片段表示一个压力脉冲)，将每个波形片段与气缸总数相关联(例如，被测试的发动机具有的气缸数量)，以及将产生于同一气缸的多个单独的气缸波形片段彼此比较以识别在指定的时间段的差异。
[0010]该方法还可以包括提供一种用于识别周期性压力变化的算法，用算法将周期性压力变化转换成指示周期性压力变化的不同程度(例如，好、一般、坏、非常坏)的刻度，通过启动报警指示器指示该感应系统是否需要清洁，识别完全没有燃烧或不点火并启动不点火报警指示器，识别尾管传感器(或空气感应传感器)是否正确放置于排气口(或进气歧管)，如果传感器没有正确地放置在排气(或进气)气流，则激活报警指示器并暂停测试并识别触发天线是否是在发动机的顶部，如果触发天线不是在发动机的顶部，则激活报警指示器并暂停测试。该方法进一步包括识别被测试的发动机(例如，通过使用下拉菜单或使用车辆识别码)以确定这些发动机是否需要修改基础算法或不需要。用倍增器修改基本算法可以保证各种或全部年份、品牌和型号的发动机的准确的测试结果。
[0011]在一种实施例中，感应清洁分析系统包括压力传感器、点火事件检测器和控制模块。该压力传感器被配置为测量在车辆的共用气流通道流动的气流压力，来自发动机内的多个气缸的至少一个的废气流入该通道，或者进气被发动机吸入该通道内。所述点火事件检测器被配置来确定各个气缸的点火事件。所述控制模块被配置来获得由所述压力传感器测量的代表在共用气流通道中气流压力的波形，以及将该压力波形划分成波形片段。该控制模块还被配置来使用由点火事件检测器检测到的点火事件将波形片段的不同子集与不同的气缸相关联。该控制模块还被配置来通过检查与至少一个气缸相关联的波形片段来识别在共用气流通道中流动的且由至少一个气缸引起的气流压力的周期性变化。
[0012]在一个实施例中，一种方法(例如，用于分析发动机内的积碳的)包括:使用至少部分位于共用气流通道中的压力传感器测量在车辆的共用气流通道中流动的气流压力，来自发动机内的多个气缸的至少一个的废气流入该通道，或者进气被发动机吸入该通道，确定各个气缸的点火事件何时发生，将代表气流压力的压力波形划分成波形片段，使用由点火事件检测器确定的点火事件将波形片段的不同子集与不同的气缸相关联，和通过检查与至少一个气缸相关联的波形片段识别在共用气流通道中流动的且由至少一个气缸引起的气流压力的周期性变化。
[0013]在一种实施方式中，一种系统(例如，用于分析通过发动机的气缸的气流)包括压力传感器，点火事件检测器，以及控制模块。该压力传感器被配置来测量流过与发动机相关的共用空气通道的多个气缸的至少一个进气压力或排气压力。点火事件检测器被配置来感测代表气缸的燃烧周期的点火信号。控制模块被配置来将至少一个进气压力或排气压力划分成波形片段，并将波形片段的不同子集与不同的气缸相关联。所述控制模块被配置来通过识别与至少一个气缸相关联的波形片段子集中的波形片段的周期性变化来识别由至少一个气缸引起的至少一个进气压力或排气压力上的变化。
【附图说明】
[0014]现在简要地参考附图，其中:
[0015]图1是具有火花塞导线并使用尾管文丘里管的发动机的示意图；
[0016]图2是还具有仅与尾管传感器相关联的火花塞导线的发动机的示意图；
[0017]图3是具有与尾管文丘里管相关联的线圈式火花塞(COP)点火类型的发动机的示意图；
[0018]图4是具有与尾管传感器相关联的线圈式火花塞(COP)点火类型的发动机的另一示意图；
[0019]图5是具有与尾管文丘里管相关联的压缩式点火系统的发动机的示意图；
[0020]图6是具有与尾管传感器相关联的压缩式点火的发动机的另一示意图；
[0021]图7是具有火花塞导线的发动机的示意图，其中压力传感器位于进气歧管内，而不是排气口内；
[0022]图8是具有线圈式火花塞(COP)点火类型、且与进气压力传感器相关联的发动机的不意图；
[0023]图9A和9B示出了本发明主题的一种实施方式的操作顺序的流程图；
[0024]图10是气缸号选取屏幕的屏幕截图；
[0025]图11是另一屏幕截图，即车辆识别屏幕；
[0026]图12是来自于发动机的触发天线拾取信号的屏幕截图，其为每个气缸提供点火放电信号；
[0027]图13是来自于发动机的触发天线拾取信号的屏幕截图，其为每个气缸提供燃料喷射器放电信号；
[0028]图14A和14B不出了气缸总数图表的屏幕截图；
[0029]图15示出了感应积碳的刻度；
[0030]图16示出与本文所公开的算法一起使用的阈值图表；
[0031]图17示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000RAV 4 2.0L 4缸上的排气压力波形；
[0032]图18示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田RAV4 2.0L 4缸上的气缸总数数据图表；
[0033]图19示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000RAV 4 2.0L 4缸上的排气压力波形；
[0034]图20示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田RAV4 2.0L 4缸上的气缸总数数据图表；
[0035]图21示出在清洁和被驱动500英里之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000 RAV 4 2.0L 4缸上的排气压力波形；
[0036]图22示出在清洁和被驱动500英里之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000 RAV 4 2.0L 4缸上的气缸总数数据图表；
[0037]图23示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000RAV 4 2.0L 4缸上的进气压力波形；
[0038]图24示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田RAV4 2.0L 4缸上的气缸总数数据图表；
[0039]图25示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田2000RAV 4 2.0L 4缸上的进气压力波形；
[0040]图26示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在2000款丰田RAV4 2.0L 4缸上的气缸总数数据图表；
[0041]图27示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在具有3.3升发动机的6缸2001款日产尼桑Xterra的排气压力波形；
[0042]图28示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在具有3.3升发动机的6缸2001款日产尼桑Xterra的气缸总数数据图表；
[0043]图29示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在具有3.3升发动机的6缸2001款日产尼桑Xterra的排气压力波形；
[0044]图30示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在具有3.3升发动机的6缸2001款日产尼桑Xterra的气缸总数数据图表；
[0045]图31示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在具有4.6升发动机的8缸2007款福特Π50的排气压力波形；
[0046]图32示出在清洁感应系统之前将本发明主题的一个实施例用在具有4.6升发动机的8缸2007款福特Π50的气缸总数数据图表；
[0047]图33示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在具有4.6升发动机的8缸2007款福特Π50的排气压力波形；
[0048]图34示出在清洁感应系统之后将本发明主题的一个实施例用在具有4.6升发动机的8缸2007款福特Π50的气缸总数数据图表；
[0049]图35示出在清洁感应系统之前点火不良时将本发明主题的一个实施例用在具有5.0升发动机的8缸1990款林肯城市轿车上的排气压力波形；
[0050]图36示出在清洁感应系统之前点火不良时将本发明主题的一个实施例用在具有5.0升发动机的8缸1990款林肯城市轿车上的气缸总数数据图表；
[0051]图37示出了点火信号的示例；
[0052]图38示出可通过显示设备被呈现给图37中所示的系统的操作员的输入屏幕的示例；
[0053]图39示出可通过显示设备被呈现给图37中所示的系统的操作员的输入屏幕的另一示例；
[0054]图40是发动机的压力波形的示意性示例；
[0055]图41是气缸的可被识别的波形片段的示例；
[0056]图42示出可被呈现给图37中所示的系统的操作员的测试结果刻度的示例；和
[0057]图43A和43B示出用于分析发动机内的积碳的方法的示例的流程图。
【具体实施方式】
[0058]图1-6示出与内燃机13组合的本发明主题的感应清洁分析器仪器11。仪器11也可被称为感应清洁分析器系统。参照图1和图2，发动机13包括气缸14、进气歧管15、排气歧管17、点火线圈19，和火花塞导线21。参照图3和4，发动机13包括COPs 23，而不是点火线圈19和火花塞导线21。参考图5和6，发动机13 (在这种情况下，是压缩点火发动机)具有燃料喷射器25，而不是点火线圈19和火花塞导线或者COPs 23。在图7中，发动机13与在图1和2中所示的相同。类似的，在图8中，发动机与图3和图4中所示的相同。
[0059]仪器11包括压力传感器31、天线33和控制模块35。天线33可以代表或被称为点火事件检测器。模块35包括A/D转换器37、微处理器39和计算机屏幕41。屏幕41优选是触摸屏。如果不是，则需提供键盘(未示出)和鼠标(也未示出)。如从图1-6也可明显看出，压力传感器31和天线33分别通过电缆43和45被连接到A/D转换器37。在所有这6个实施例中，压力传感器31通过管47连接到排气歧管17。在图2、4和6的情况下，管47被直接插入到排气口中。在图1、3和5的情况下，包括尾管文丘里管49。文丘里管49是在汤普森的第7694554号美国专利中披露的类型，该专利的公开内容通过引用并入本文。为了便于说明，管47和文丘里管49在图示中为直接插入歧管17。但是，在实际检测中，他们将被插入发动机13的排气系统的尾管(未示出)中。
[0060]图7和图8中示出的仪器与上述相同，即，压力传感器31、天线33和控制模块35。唯一的区别是，在这两个实施例中，压力传感器31被插入进气歧管15内的开口(未不出)中。
[0061]在操作中，空气通过进气歧管15进入到发动机13的气缸14中。这样，在图1和2的实施例的情况下，空气进气/燃料进料被来自于线圈19的火花点燃。空气进气/燃料进料在动力行程期间在每个气缸中燃烧，并且在排气行程期间排气到排气岐管17。然而，如在【背景技术】中讨论的那样，一些在动力行程期间产生的碳化合物经过活塞环而成为曲轴箱窜气或者当进气阀门打开时进入进气歧管。由歧管17中的废气产生的压力脉冲被通过软管47连接到歧管的压力传感器31测量，如图2、4和6所示。在图1、3和5所示的实施例的情况下，软管47被连接到尾管文丘里管49。
[0062]压力传感