用于发动机自动点火检测和缓解的方法和系统与流程

本发明涉及用于控制内燃机的系统和方法，且更具体地涉及用于检测和缓解内燃机中的自动点火事件的系统和方法。

背景技术：

本文所提供的背景描述是为了大体地呈现本发明的上下文的目的。在背景技术部分以及本说明书的各个方面中描述的当前指出姓名的发明人的工作所进行的程度在本发明提交时并不另外作为现有技术，从未明示或暗示其被承认为本发明的现有技术。

在火花点火发动机中，燃料和空气的混合物在进气过程期间进入活塞燃烧室。压缩空气/燃料混合物，且在点火过程期间采用高能量电火花开始进行燃烧。

点火正时影响发动机的性能、寿命、功率以及燃料经济性。在某些条件下，可发生不受控制或自动点火(ai)。当汽缸中的空气/燃料混合物由点火源而不是火花点燃时不受控制的点火发生在火花点火发动机中。通常，发生在tdc之前的不受控制的点火称为自动点火(ai)。

燃烧循环中发生太早或太晚的不受控制的点火经常造成过度振动并且可潜在地造成由于增加的汽缸温度和压力引起的发动机损坏。发动机控制系统监控发动机的曲轴的位置作为确定曲柄转角的方式。曲柄转角可用于确定ai事件何时发生。为了维持发动机的寿命，重要的是确定ai何时发生并采取补救行动。

尽管用于发生在tdc之后的不受控制的点火的检测和缓解系统在本领域是已知的且实现了他们的预期目的，但仍存在改进检测和缓解系统和方法的需求。更具体地，需要一种识别火花点火发动机中的tdc之前的自动点火的新型的和改进的检测和缓解系统。

技术实现要素：

提供了一种用于检测和缓解内燃机的汽缸中的自动点火的方法。该方法包括提供第一传感器用于感测和确定发动机的曲轴的曲柄转角。提供第二传感器用于检测由自动点火(ai)引起的发动机振动频率改变。第二传感器的发动机振动信号被处理为“爆震强度”信号。

在本发明的实施例中，当曲柄转角在第一预定曲柄转角和第二预定曲柄转角之间时获得指示汽缸压力的爆震强度信号。确定爆震强度信号的至少一个特征，并且将爆震强度信号的至少一个特征与至少一个预定特征进行比较。

在本发明的另一实施例中，当爆震强度信号的至少一个特征被确定为超过至少一个预定特征时，则执行至少一个自动点火缓解行动以缓解自动点火事件。

在本发明的一个方面中，计算汽缸压力包括将发动机振动信号从模拟信号转换为数字信号。

在本发明的又一方面中，计算汽缸压力进一步包括对数字信号执行快速傅里叶变换(fft)以将数字信号从时域转换为频域信号，本文称为“爆震强度信号”。

在本发明的再一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第一预定发动机速度阈值和第二预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第一预定发动机负荷阈值和第二预定发动机负荷阈值之间时富集流向汽缸的燃料流。

在本发明的又一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第三预定发动机速度阈值和第四预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第三预定发动机负荷阈值和第四预定发动机负荷阈值之间时切断进入汽缸的燃料流。

在本发明的再一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第五预定发动机速度阈值和第六预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第五预定发动机负荷阈值和第六预定发动机负荷阈值之间时调节进气凸轮轴位置。

在本发明的又一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第一预定发动机速度阈值和第七预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第七预定发动机负荷阈值和第八预定发动机负荷阈值之间时防止短期点火延迟。

在本发明的再一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动更进一步包括基于发动机速度和发动机负荷同时执行至少两个自动点火缓解行动。

在本发明的另一实施例中，用于检测和缓解内燃机的汽缸中的自动点火的方法包括提供第一传感器用于在燃烧循环期间检测发动机的汽缸中的发动机振动信号以及计算指示发动机压力的爆震强度信号。

在计算爆震强度信号之后，确定爆震强度信号的至少一个特征，并且将爆震强度信号的至少一个特征与至少一个预定特征进行比较。如果爆震强度信号的至少一个特征超过至少一个预定特征，则执行至少一个自动点火缓解行动以缓解自动点火。

本发明的又一方面包括提供第二传感器用于测量发动机的曲轴的曲柄转角。

在本发明的再一方面中，计算爆震强度信号进一步包括当所测量的曲柄转角在第一预定曲柄转角和第二预定曲柄转角之间时读取发动机振动信号。

在本发明的又一方面中，计算爆震强度信号进一步包括当所测量的曲柄转角在第三预定曲柄转角和第四预定曲柄转角之间时读取发动机振动信号。

在本发明的再一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第一预定发动机速度阈值和第二预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第一预定发动机负荷阈值和第二预定发动机负荷阈值之间时富集流向汽缸的燃料流。

在本发明的又一方面中，执行至少一个点火缓解行动进一步包括当发动机速度大于第二预定发动机速度阈值且发动机负荷大于第二预定发动机负荷阈值时切断进入汽缸的燃料流。

在本发明的另一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第三预定发动机速度阈值和第四预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第三预定发动机负荷阈值和第四预定发动机负荷阈值之间时调节进气凸轮轴位置。

在本发明的再一方面中，执行至少一个自动点火缓解行动进一步包括当发动机速度在第一预定发动机速度阈值和第五预定发动机速度阈值之间且发动机负荷在第五预定发动机负荷阈值和第六预定发动机负荷阈值之间时防止短期点火延迟。

在本发明的又一方面中，用于检测和缓解内燃机的汽缸中的自动点火的发生的系统包括可操作用以检测发动机振动信号的第一传感器。将发动机振动信号转换为指示发动机中的汽缸压力的爆震强度信号。提供了与第一传感器通信的至少一个信号处理器，该第一传感器可操作用以将发动机振动信号转换为称为爆震强度信号的频率信号。

在本发明的再一方面中，提供了与第一传感器、至少一个信号处理器和发动机通信的控制器。控制器可操作用以基于爆震强度信号的至少一个特征与至少一个预定特征的比较执行至少一个补救行动。

在本发明的再一方面中，该系统进一步包括可操作用以测量发动机的曲轴的曲柄转角的第二传感器。

在本发明的又一方面中，控制器进一步可操作用以将所测量的曲柄转角与至少一个预定曲柄转角进行比较。

在本发明的再一方面中，控制器更进一步可操作用以基于所测量的曲柄转角与至少一个预定曲柄转角的比较而读取第一传感器。

在本发明的另一方面中，该至少一个信号处理器进一步包括可操作用以将发动机振动信号转换为数字压力信号的模-数转换器。

在本发明的再一方面中，该至少一个信号处理器进一步可操作用以对数字压力信号执行快速傅里叶变换(fft)以将数字压力信号转换为爆震强度信号。

附图说明

从详细描述和附图中将更充分理解本发明，其中：

图1是根据本发明用于检测和缓解所示出的ai的车辆系统的功能框图；

图2是根据本发明用于检测和缓解ai的方法的流程图；

图3是根据本发明示出了基于发动机速度和发动机负荷启用多个缓解措施的图；

图4是根据本发明用于检测ai的曲柄转角窗口的时间线图的示例；以及

图5是根据本发明示出了与爆震信号重叠的ai信号的图的示例。

具体实施方式

在一些情况下，自动点火(ai)事件可发生在发动机汽缸内。ai可以描述为汽缸中的空气/燃料混合物在tdc之前以及火花塞点火之前点火的事件。ai可以由点火源而不是火花启动，诸如燃烧室中的热点、对应用来说运转过热的火花塞、或通过先前的发动机燃烧事件加热到炽热的燃烧室中的含碳沉积物。如果未检测且未补救，则ai可导致发动机损坏。

现参照图1，示出了根据本发明的实施例用于检测和缓解ai的车辆系统100的功能框图。发动机102生成转矩以驱动车辆的负重轮。通过进气歧管104将空气引入发动机102。通过节流阀106改变进入发动机102的空气流。节流致动器模块108(例如，电子节流控制器)控制节流阀106的开度。一个或多个燃料喷射器诸如燃料喷射器110将燃料与空气混合以形成易燃空气/燃料混合物。燃料致动器模块112控制燃料喷射器。燃料喷射器分别将燃料直接喷射入汽缸或者例如汽缸的燃料喷射口。

汽缸114包括联接到曲轴118的活塞(未示出)。尽管发动机102被示出为仅包括汽缸114，但发动机102可包括多于一个汽缸，例如，2、4、6、8个或更多个。汽缸114的一个燃烧循环可包括四个冲程：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程。一个发动机循环包括经受一个燃烧循环的汽缸中的每一个。

在进气冲程期间，活塞接近最底部位置，且空气和燃料被提供给汽缸114。最底部位置可以称为下死点(bdc)位置。在压缩冲程期间，曲轴118朝最顶部位置驱动活塞并压缩汽缸114内的空气/燃料混合物。最顶部位置可以称为上死点(tdc)位置。火花塞120点燃发动机102内的空气/燃料混合物。火花致动器模块122控制火花塞。

在膨胀冲程期间空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞远离tdc位置，并旋转地驱动曲轴118。旋转力(即，转矩)是以预定点火顺序跟随汽缸的一个或多个汽缸的燃烧循环的压缩冲程的压缩力的来源。在排气冲程期间由空气/燃料混合物的燃烧造成的废气从汽缸114中排出。

可以实现一个或多个增压装置诸如涡轮增压器127或增压器。尽管示出了仅一个增压装置，但可以实现多个增压装置。涡轮增压器127压缩进气歧管104内的空气。增压致动器模块128控制涡轮增压器127的输出。增压可以被描述为进气歧管104内的压力大于环境压力的量。发动机102向变速器140输出转矩。变速器140可包括手动型变速器、自动型变速器、自动-手动型变速器或其他合适类型的变速器。

速度传感器141设置在曲轴142处或附近，且可操作用以确定曲轴142旋转时的发动机速度。此外，除了确定曲柄转角外，曲柄传感器119还可用于确定发动机速度，但为了本发明的目的，使用了两个单独的传感器。

变速器140经由变速器输出轴142和传动系(未示出)向一个或多个负重轮(未示出)输出转矩。转矩传感器或转矩换能器143位于变速器输出轴上或附近用于感测发动机转矩或负荷。

电子控制模块(ecm)160与速度传感器141通信用于接收作为输入的发动机速度信号用于确定发动机速度，且还与转矩传感器143通信用于接收作为输入的转矩信号用于确定发动机负荷。

转矩传感器143通常为位于曲轴142处或附近的非接触式传感器，并且可操作用以检测受转动曲轴142上的发动机转矩的改变影响的电场或磁场信号。

歧管绝对压力(map)传感器146设置在进气歧管内以测量进气歧管104内的压力并基于进气歧管104内的压力生成map。曲柄传感器119测量曲轴118的旋转位置并向凭借其确定曲柄转角的ecm160提供曲轴位置信号。曲柄转角是指当其在发动机汽缸114的内侧行进时相对于活塞的曲轴118旋转位置。按角度测量，例如，位于其压缩冲程的上死点(tdc)的活塞的曲柄转角为0°度。

ai检测和缓解系统100的曲柄转角监控系统包括ecm160、曲柄传感器119和与曲轴118一起旋转的齿轮(未示出)。齿轮可具有n数量的齿，且曲柄传感器119监控齿的经过。当齿轮的齿经过曲柄传感器119时，曲柄传感器119以曲柄转角信号的形式生成脉冲。

ecm160基于曲柄转角信号中的脉冲确定曲柄转角。已知或怀疑发生ai、预点火或爆震时，ecm160确定各个曲轴118旋转间隔的曲柄转角。仅作为示例，如果与其他传感器协作使用，ecm160可确定在曲轴118旋转的tdc之前在30°和0°之间的间隔期间发生ai。

环境压力传感器150测量环境(大气)空气压力并基于所测量的压力生成环境空气压力。发动机振动传感器152连续地测量指示发动机汽缸114内的压力的发动机振动。根据本发明，发动机振动传感器152由ecm160选择性地读取。此外，根据本发明的实施例，ecm160确定预定曲柄转角之间的汽缸114内的压力。

在一个实施例中，发动机振动传感器152是压电加速度计，然而，用于检测发动机中的压力和振动通常称为“爆震传感器”的其他传感器可以被取代。还可以实现一个或多个其他传感器，诸如质量空气流速(maf)传感器、进气温度(iat)传感器、油温度传感器、发动机冷却剂温度传感器等。

发动机致动器模块基于来自ecm160的信号控制发动机致动器。例如，节流致动器模块108基于来自ecm160的信号控制节流阀106，燃料致动器模块112基于来自ecm160的信号控制燃料喷射器，火花致动器模块122基于来自ecm160的信号控制火花塞120，且增压致动器模块128基于来自ecm160的信号控制增压装置。例如，可以基于来自ecm160的信号包含或控制其他发动机致动器诸如阀致动器。

当一段时间操作(其中进气歧管104内的真空度小于预定值)之后驾驶员要求发动机转矩输出增加时，可发生ai。例如，当在山坡上行进期间和/或在其他情况下执行越车行动时，在一段时间操作(其中进气歧管104内的真空度小于预定值)之后，驾驶员可要求发动机转矩输出增加。

在进气歧管104内的真空度小于预定值的操作时间段期间，易燃物质可积聚在发动机102的汽缸114内。例如，易燃物质可积聚在发动机102的汽缸114的裂缝中，诸如活塞环槽附近、活塞环附近、火花塞附近等。当驾驶员要求发动机转矩输出增加时发生的进入发动机102的空气流的相关增加可使所积聚的易燃物质中的一些或所有燃烧并引起ai。根据本发明，ecm160被编程为当检测ai以缓解ai时采取一种或多种补救行动。补救行动包括但不限于汽缸燃料富集或切断、调节曲轮轴位置以及防止短期点火延迟。

现参照图2，根据本发明示出了用于检测和缓解ai的方法200的流程图，且该流程图开始于框205。在框210处，ecm160读取曲柄传感器119以确定曲柄转角。

在框215处，ecm160将所测量的曲柄转角与第一预定曲柄转角阈值进行比较。如果所测量的曲柄转角与第一预定曲柄转角阈值不相等，则ecm160继续读取曲柄传感器119。在优选实施例中，曲柄传感器信号由ecm160连续地读取使得当前曲柄转角被确定。如果所测量的曲柄转角等于第一预定曲柄转角阈值，则该方法进行到框220。

在框220处，ecm160读取发动机振动传感器152以获得发动机振动信号。应当认识到，在本发明的实施例中，在所测量的曲柄转角信号等于第一预定曲柄转角阈值之后，发动机振动传感器152连续地感测发动机振动信号且ecm160读取发动机振动信号。

在框225处，ecm160将所测量的曲柄转角与第二预定曲柄转角阈值进行比较。如果所测量的曲柄转角不等于第二预定曲柄转角阈值，则ecm160继续读取发动机振动传感器152。如果ecm160确定所测量的曲柄转角等于第二预定曲柄转角阈值，则该方法进行到框230。

在框230处继续，ecm160停止读取发动机振动传感器152。同样地，ecm160从发动机振动传感器152获得发动机振动检测窗口中从第一预定曲柄转角阈值到第二阈值曲柄转角阈值的读数。

在本发明的替代实施例中，ecm160在发生在第三和第四预定曲柄转角阈值之间的时间段选择性地读取发动机振动传感器152。该方法之后，在汽缸燃烧循环期间可以感测多个汽缸压力窗口。在框230处，在ecm160停止读取发动机振动传感器152之后，该方法在框235处继续。

在框235处，ecm160分析并转换在第一和第二预定曲柄转角阈值之间读取的发动机振动传感器信号。在发动机振动检测窗口的整个范围内读取的信号可包括根据发生时间和信号特征解析或分离的ai信号和爆震信号。如果ai信号在爆震信号开始之后结束，则ai信号的一部分将在爆震信号出现的同时出现。不同信号特征诸如振幅和频率，允许信号更容易地被识别和解析。

在本发明的实施例中，ecm160包括用以数字化发动机振动传感器152的输出信号的模-数(ad)转换器电路(未示出)。数字信号处理器(dsp)电路(未示出)也包括在ecm160中以对来自(ad)电路的数字化输出执行fft用以识别频率信号或来自数字信号的“爆震强度”信号。

在240处，ecm160将爆震强度信号的至少一个特征与至少一个预定特定阈值进行比较。在框245处，如果爆震强度信号的至少一个特征超过预定特征阈值中的至少一个，则该过程继续到框250。如果至少一个爆震强度信号特征不超过至少一个预定阈值特征，则该方法返回到框240。根据本发明的实施例，用于确定ai是否发生的至少一个预定特征是爆震强度信号的振幅。可选择地，如果爆震强度信号的振幅在预定数量的汽缸事件的较低爆震强度最小阈值和最大阈值之间过渡，则本发明确定ai事件正发生。

在框250处，当爆震强度信号的压力信号参数超过至少一个预定组参数时ecm160启动ai缓解以缓解或停止ai的发生。另外参照图3，本发明预期了使用单独或联合执行的一个或多个缓解技术。

在框155处，ecm160确定发动机速度是否在第一预定发动机速度es1阈值和第二预定发动机速度es2阈值之间以及发动机负荷是否在第一预定发动机负荷el1阈值和第二预定发动机负荷el2阈值(参见图3)之间。如果发动机速度在第一预定发动机速度es1阈值和第二预定发动机速度es2阈值之间且发动机负荷在第一预定发动机负荷el1阈值和第二预定发动机负荷el2阈值之间，则在框260处，ecm使燃料喷射器110将额外燃料喷射入汽缸114从而执行燃料富集缓解。

在框265处，ecm160确定发动机速度是否在第三预定发动机速度阈值es3和第四预定发动机速度阈值es4之间以及发动机负荷是否在第三预定发动机负荷阈值el4和第四预定发动机负荷阈值es4之间。如果发动机速度在第三预定发动机速度阈值es3和第四预定发动机速度阈值es4之间，且如果发动机负荷在第三预定发动机负荷阈值es3和第四预定发动机负荷阈值es4之间，则在框270处，ecm切断流向发动机汽缸的燃料。富集并去除流向汽缸114的燃料降低汽缸温度使得避免有助于导致ai的温度。

在框275处，当ecm160确定发动机速度是否在第五预定发动机速度阈值es5和第六预定发动机速度阈值es6之间，且发动机负荷是否在第五预定发动机负荷阈值el5和第六预定发动机负荷阈值el6(参见图3)之间时，继续用以防止或停止ai的补救行动。如果发动机速度在第五预定发动机速度阈值es5和第六预定发动机速度阈值es6之间，且如果发动机负荷在第五预定发动机负荷阈值el5和第六预定发动机负荷阈值之间，则在框280处，ecm执行调节凸轮轴位置的补救行动。

调节凸轮轴118的位置影响发动机进气和排气阀的致动正时，这对控制发动机汽缸114中的点火是重要的。如果ecm160确定发动机速度不在第五预定发动机速度阈值es5和第六预定发动机速度阈值es6之间，且发动机负荷不在第五预定发动机负荷阈值el5和第六预定发动机负荷阈值el6，则不调节凸轮轴118位置，且在框285处继续补救行动方法。

在框285处且参照图3，ecm160确定发动机速度是否在第一预定发动机速度阈值es1和第七预定发动机速度阈值es7之间，且ecm160确定发动机负荷是否在第七预定发动机负荷阈值el7和第八预定发动机负荷阈值el8之间。如果发动机速度在第一预定发动机速度阈值es1和第七预定发动机速度阈值es7之间，且如果发动机负荷在第七预定发动机负荷阈值el7和第八预定发动机负荷阈值el8之间，则在框290处，ecm防止短期点火延迟在汽缸114中发生。如果没有满足条件，则如果必要的话允许短期延迟，且检测和缓解方法返回到框240。去除短期点火延迟是通过使火花诱导的燃烧移动到更高而缓解ai，从而冷却进料btdc。

现参照图4，根据本发明，曲柄转角角度时间线400包括ai检测窗口402和爆震检测窗口404。仅作为示例，曲柄转角角度时间线的总长度为80°曲柄转角角度。ai检测窗口402开始于-30°曲柄转角角度且结束于0°曲柄转角角度，从而提供30°曲柄转角角度的ai检测窗口402长度。

根据本发明，当曲柄传感器119读取-30°曲柄转角角度时ecm160可操作用以读取压力传感器152，且当曲柄转角角度为50°时停止读取。因此，ecm160读取80°的整个曲柄长度。此后，信号被缓存，且仅(-30°至0°)之间的ai窗口数据用于ai检测。(20°至50°)之间的窗口长度用于检测爆震/spi信号。

在替代实施例中，ecm160可读取一个整体检测窗口或多个不同检测窗口用于获得在汽缸燃烧循环期间发生的发动机振动传感器152信号。

现参照图5，提供了示出了与爆震信号窗口重叠的ai信号的图。图500示出了沿其x轴的曲柄转角角度和沿其y轴以帕斯卡测量的压力量值。仅作为示例，根据以上的图4，ai检测窗口402出现在-30°和0°曲柄转角角度之间，且爆震检测窗口示出为出现在20°和50°曲柄转角角度之间。如所示，ai压力信号502在-20°曲柄转角角度处开始上升以在约-5°曲柄转角角度处达到最大压力水平。此后，ai压力信号502振幅开始降低且频率超过ai检测窗口402使得其重叠并延伸穿过爆震检测窗口404。通过本示例，可以注意到，爆震压力信号504振幅和频率基本上小于ai压力信号502并因此易于区分。

在检测和区分ai压力信号502与爆震压力信号504之后，ecm160接着可操作用以开始补救动作以停止或缓解ai(凭借此这种不受控制的爆炸可导致降低的发动机性能和寿命或实质的发动机损坏)的发生。

前面的描述在本质上仅仅是说明性的并且不意欲以任何方式限制本发明内容、其应用或用途。本发明的宽泛教导可以以各种形式来实现。因此，尽管本发明包括特定示例，但是本发明的真实范围不应被限制于此，因为在研读了附图、说明书和以下权利要求之后，其它修改将变得显而易见。为了简化，相同的标号在附图中表示相同的元件。如本文所使用，短语a、b和c中的至少一个应该被理解为使用非排他性逻辑or表示逻辑(a或b或c)。应当理解，方法内的一个或多个步骤可以以不同顺序(或同时)执行而不改变本发明的原理。

如本文所使用，术语“模块”可以指代、作为其部分或包括：专用集成电路(asic)；分立电路；集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(fpga)；执行代码的处理器(共享、专用、或群组)；提供所描述功能的其它适合的硬件部件；或者上述部件中的一些或全部的组合，诸如在片上系统中。术语模块可包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用、或群组)。

以上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、功能、类别、和/或对象。如果上面使用，则术语共享意思是来自多个模块的一些或所有代码可以使用单个(共享)处理器来执行。此外，来自多个模块的一些或所有代码可以由单个(共享)存储器来存储。此外，来自单个模块的一些或所有代码可以使用一组存储器来存储。

本文所述的设备和方法可以由一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序来部分或完全地实现。计算机程序包括存储在至少一个非瞬变有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可包括和/或依赖所存储的数据。非瞬变有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器、易失性存储器、磁性存储以及光学存储。