爆震传感器诊断系统及方法

专利名称：爆震传感器诊断系统及方法
技术领域：
本发明通常涉及动力系控制系统，而且更具体地涉及爆震传感器。
背景技术：
本文所提供的背景描述目的是概括性地介绍本公开的背景。就其在
背景部分所描述的而言，目前指定的(presently named)发明人的工作 以及在申请日时可能不构成现有技术的描述方面既不纟皮明确地碎见为相
内燃机在汽缸内燃烧空气燃料(A/F)混合物以产生驱动转矩。更具 体地，燃烧事件相互驱动活塞，活塞进而驱动曲轴以提供输出转矩。A/F 混合物在所需的曲柄角被点火。然而，在一些情况下，A/F混合物在汽 釭内点火火焰锋面(ignition flame-front)之前自动点火。这就导致异常 燃烧或发动机爆震。
在发动机爆震状况期间，未燃空气/燃料混合物的温度和压力超过某 一水平，这就造成发动机中的气体自动点火。这种燃烧产生冲击波，使 得汽缸压力快速上升。如果发生持续的严重发动机爆震，则可能造成活 塞、环和排气阀的损坏。车辆乘客可以听到发动机爆震。
现代发动机控制系统被设计为最小化废气排放同时最大化动力和燃 料经济性。对于给定的空气/燃料比，对点火正时(spark timing )加以提 前从而提高动力并改善燃料经济性。 一般而言，相对上止点提前点火可 增加转矩直至达到产生峰值转矩的点。当提前点火太早时会出现发动机 爆震。因此，典型地提前点火以最大化输出转矩而不产生发动机爆震。
因而，研发出发动机爆震控制系统来检测发动机爆震并使其减轻。 传统的爆震检测系统包括爆震传感器和专用爆震检测芯片(爆震IC)以 处理爆震传感器信号并计算发动机爆震强度。各个爆震传感器和爆震IC 可以用来检测来自每个汽缸的爆震。点火正时是基于所检测的发动机爆 震而调节的。
发动机爆震传感器电路随着时间及使用可能经受短路或开路。结果， 从发动机爆震传感器接收的信号可能不准确或者不能有效地防止发动 机爆震。由于固有的高电阻以及与其相关的中等电容，诊断爆震传感器电路非常困难。

发明内容
提供了一种爆震传感器诊断系统，其包括爆震传感器。偏置电路将 偏置电压施加到爆震传感器。输入电路接收基于偏置电压的输入信号。 控制模块基于输入信号指示与爆震传感器相关的短路。该偏置电压可以
是直流(DC)偏置电压。
在另 一特征中， 一种操作爆震传感器诊断系统的方法包括将偏置电 压施加到爆震传感器。接收基于所述偏置电压的第一输入信号。具有预 定频率的测试信号被产生并施加到所述爆震传感器。接收基于所述测试 信号的第二输入信号。基于所述第一输入信号，指示与所述爆震传感器 相关的短路。基于所述笫二输入信号，指示与所述爆震传感器相关的开 路。
在又一特征中，提供了一种爆震传感器诊断系统，其包括爆震传感 器。信号发生器产生具有预定频率的诊断信号并将该诊断信号施加到所 述爆震传感器。输入电路接收基于诊断信号的输入信号。控制模块基于 输入信号指示与所述爆震传感器相关的开路。
通过下文提供的详细描述，本发明的适用性的更大范围将变得显而 易见。应当理解，详细说明和具体示例虽然表明了本发明的示范性实施 例但是仅打算用于说明的目的而不打算限制本发明的范围。


通过详细描述和附图，将更全面地理解本发明，其中 图1是根据本公开的实施例的车辆控制系统的功能框图； 图2是根据本公开的实施例的爆震传感器诊断系统的功能框图及示 意图；以及
图3是示出根据本公开的实施例的操作爆震传感器诊断系统的流程图。
具体实施例方式
以下描述本质上仅仅是示范性的而决不是要限制本公开、其应用或 者使用。为了清楚起见，相同的参考数字在各附图中将用来表示类似的 元件。如本文所用的，短语"A、 B和C中的至少一个"应当用非排他的 逻辑或解释为意指逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开的 原理情况下可以以不同顺序执行方法中的步骤。
如本文所用的，术语模块指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、 执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用或者成组)及 存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能性的其他适当部件。
现在参照图1,示出了车辆11的车辆控制系统10的功能框图。车 辆控制系统10包括爆震传感器诊断系统12。爆震传感器诊断系统12确 定安装在发动机14上的一个或多个爆震传感器13和/或对应电路的状 态。所述状态可包括爆震传感器的输出、爆震传感器的故障、对应的爆 震传感器电路的故障、爆震传感器信号的质量以及其他爆震传感器系统 状态指示符。爆震传感器和/或对应电路的故障可包括短路、开路或者 不正常运行的电路。质量状态可包括信号电平、噪声电平、信噪比、干 扰电平以及其他信号质量指示符。参照图2，示出并描述了可用于替代 爆震传感器诊断系统12的爆震传感器诊断系统的详细示例。
车辆11包括具有汽缸15的发动机14。每个汽缸15可具有一个或 多个进气阀和/或排气阀。发动机14配备有燃料喷射系统16和点火系 统18。发动机14的输出通过转矩变换器22、变速器24、传动轴26和 差速器28而耦合到从动前轮30。变速器24例如可以是无级变速器(CVT ) 或者是有级(step-gear)自动变速器。变速器24受车辆控制模块20 控制。在其他实施例中另 一控制模块(例如变速器控制模块)可以单独使 用或者结合控制模块20使用以控制变速器24。
电子节气门控制器(ETC) 36或拉索驱动的节气门调节位于进气歧 管40的入口附近的节气门叶板38。该调节是基于加速器踏板42的位置 以及由控制模块20执行的节气门控制算法。节气门38调节驱动车轮30 的输出转矩。基于加速器踏板42的位置，加速器踏板传感器44产生踏 板位置信号，该踏板位置信号输出到控制模块20。刹车踏板46的位置 由刹车踏板传感器或开关48感测，所述传感器或开关48产生输出到控 制模块20的刹车踏板位置信号。
由参考数字50集体表示的且由控制模块20所使用的其他传感器输 入包括发动机转速信号52、车辆速度信号54、进气歧管压力信号56、 节气门位置信号58、变速器节气门信号60、变速器皮带轮转速信号62、 64以及歧管空气温度信号66。传感器输入信号52-66分别由发动机转 速传感器53、车辆速度传感器55、进气歧管压力传感器57、节气门位 置传感器59、变速器节气门传感器61、皮带轮传感器63、 65以及温度
传感器67产生。变速器节气门信号60指示变速器24中的节气门压力。 皮带轮转速信号62、 64指示变速器输入和输出皮带轮转速。温度信号 66指示进气歧管40中的空气温度。还可以包括其他传感器。
例如加速度计的爆震传感器13被安装在发动机14上并感测一个或 多个汽缸15内的爆震燃烧(combustion detonation)和发动机爆震。 爆震传感器13向控制模块20提供爆震传感器信号70,以指示所感测的 发动机爆震的程度。然而，还可以利用除了使用爆震传感器13之外的 若干技术、装置和/或方法来执行车辆11中的爆震检测。例如，经由除
i否存:爆震。、二、、'' 一多P "曰'、
现在还参照图2,示出了爆震传感器诊断系统12，的功能框图及示意 图。爆震传感器诊断系统12'包括一个或多个爆震传感器13，和发动机控 制模块(ECM) 100。每个爆震传感器13'是爆震传感器电路102的一部 分。ECM 100可以是车辆控制模块20的一部分或者可以是分离独立的控 制才莫块。ECM 100包括ECM樣i处理器104、偏置电^各106、 j氐速输入电3各 108、输出测试电3各110以及高速输入电i 各111。
ECM微处理器104可以是集成电路(IC)芯片的形式或者作为集成 电路(IC)芯片的一部分被包含。尽管所示的ECM微处理器104具有特 定数量的输入和输出，但是可以并入附加的输入和输出，比如专用于爆 震传感器控制、监控和诊断的输入和输出。该ECM可以包括滤波器112、 快速傅立叶变换(FFT)装置113以及数字信号处理器(DSP) ll4。滤 波器112可以是多阶无限冲激响应(IIR)滤波器或者是某种其它滤波 器。滤波器112和FFT 113对高速输入信号117滤波并将其从时域表示 变换到频域表示。DSP 114可以用来实施数字形式的滤波器及FFT功能。
偏置电路106和低速输入电路108旨在4全测爆震传感器13'和/或相 关电路内的短路。输出测试电路110和高速输入电路111旨在检测爆震 传感器13，和/或相关电路内的开路。高速输入电路111还旨在检测发动
ECM 100具有输入/输出(1/0)终端115,这些终端耦合到爆震传感 器电路102。对于所示例子，爆震传感器电路102包括爆震传感器13', 该爆震传感器13'具有爆震传感器高侧终端116和低侧终端118。爆震传 感器终端116、 118可以作为输入和/或输出终端。爆震传感器！3，可以
包括例如安装在金属罐上的压电晶体，其拾取(pick up)可听噪声。
爆震传感器1 3'可以包括供检测发动机爆震所用的其它元件或装置。
偏置电路 106将偏置电压施加到爆震传感器终端116、 118的两端。 偏置电路106可以包括串联耦合的第一电阻器Rl、第二电阻器R2和第 三电阻器R3。第一电阻器Rl耦合在电源电压Vs和传感器高侧终端116 之间。第二电阻器R2耦合在第一电阻器Rl和第三电阻器R3之间。第 二电阻器R2还耦合到爆震传感器终端116、 118的两端。第三电阻器R3 耦合在第二电阻器R2和地参考120之间。
低速输入电路108可以作为低通滤波器且可以包括第四电阻器R4 和第一电容器Cl。第四电阻器R4耦合在低侧终端118和ECM微处理器 104的低速输入端107之间。第一电容器Cl的第一端耦合到第四电阻器 R4和低速输入端107两者。第一电容器Cl的另一端耦合到地参考120。 低速输入电路108将低速输入信号109提供给ECM微处理器104。
输出测试电路IIO将诊断测试信号130提供给爆震传感器13'。测试 信号130还可以被提供给爆震传感器13，的高侧。输出测试电路110可 以包括第五电阻器R5,第五电阻器R5耦合在高侧终端116和ECM孩i处 理器104的诊断测试输出端132之间。
高速输入电路111包括交流(AC)耦合电路134、偏置/增益网络136 以及放大器138。 AC耦合电路去除直流(DC)偏置且可以包括第二电容 器C2和第三电容器C3。第二电容器C2耦合在高侧终端116和偏置/增 益网络136之间。第三电容器C3耦合在低侧终端118和偏置/增益网络 136之间。电容器C2、 C3将ECM终端115上的爆震传感器信号交流耦合 到偏置/增益网络136。这就去除了由偏置电路106所施加的静态偏置 (static bias )。
偏置/增益网络136可以包括偏置及增益调节元件，这些调节元件用 来调节从爆震传感器13，所接收的信号的偏置和增益。偏置/增益网络 136提供差分输出138,该差分输出138被提供给放大器138的反相输 入140和非反相输入142。放大器138的输出144耦合到ECM孩i处理器 104的高速模数转换器(ADC)输入146。反馈信号通道148被提供在偏 置/增益网络136和输出144之间。
注意，关于输入107、 146的低速和高速名称对应于低频信号或高频 信号的接收。低速和高速名称指示由微处理器104对输入107、 146的
低速和高速采样率及处理速率。
爆震传感器诊断系统12，的上述元件仅仅是出于示范性目的而提供
的。其它元件可以被包括和/或替代上述元件。例如，包括ECM微处理 器104的爆震IC可以包括放大器、滤波器、整流器、积分器、A/D转换 器、采样保持装置以及其它模拟和/或数字电路元件。
现在亦参照图3，示出了说明爆震传感诊断系统的操作方法的流程 图。尽管以下步骤主要是就图2的爆震传感诊断系统的操作进行描述的， 但这些步骤可以纟皮容易地修改以应用于本发明的其它实施例。
在步骤20Q中，偏置电路106将偏置电压施加到爆震传感器13，。例 如，电源电压Vs可以为5v。在步骤202中，爆震传感器13，产生爆震传 感器输出信号，该爆震传感器输出信号具有高侧分量和低侧分量。高侧 分量和低侧分量被提供到高侧输出终端116和低侧输出终端118上。
在步骤204中，低速输入电路108对爆震传感器输出信号或其分量 进行滤波以产生低速输入信号109。在图2的示范性实施例中，低速输 入电路108对低侧分量进行滤波并去除诸如噪声的高频。低通滤波器的 使用可防止因高频信号引起的错误诊断。例如，低通滤波器可以具有大 约1 00-200Hz的截止频率。低速电3各108还可以去除与发动片几爆震相关 的频率分量。
在步骤206中，ECM微处理器104接收基于所施加的偏置电压的低 速输入信号109。在步骤208, ECM微处理器104基于低速输入信号109 产生第一诊断信号和/或指示与爆震传感器13，相关的短路。当不存在短 路时，由ECM微处理器104测量额定电压。当确实存在短;洛时，比如在 爆震传感器13，的任一侧上短接到地或高压电位，额定电压会发生明显 的变化。这一变化由ECM微处理器104检测，其然后可以做出鲁棒的诊 断决定。高压电位例如可以大于电源电压Vs。
在步骤210中，输出测试电路110以预定频率产生测试信号130并 将其施加到爆震传感器13，。测试信号130可以是方波的形式且一皮施加 到爆震传感器13，的高侧，如图2所示。在一个实施例中，该预定频率 被设定为在与爆震检测相关的频率范围之外。在另一实施例中，该预定 频率被设定为在与发动机背景噪声相关的频率范围之外。在又一实施例 中，该预定频率被设定为大约20-21 kHz或大约20.5 kHz,其大于约 5-18 kHz的发动机爆震频率窗和正常发动机噪声频率范围。在预定频率
和发动机爆震频率窗之间存在显著的隔离。注意，该预定频率可以大于 或小于与发动机爆震及发动机噪声相关的频率范围。由于预定频率大于 与发动机爆震检测相关的频率范围或在与发动机爆震检测相关的频率
范围之外，所以测试信号130不会影响发动机爆震检测。步骤210可以
#皮连续地#1行。
在步骤212中，爆震传感器13'产生爆震传感器输出信号，与步骤 202类似。步骤202和212可以同时执行，可以作为单个步骤执行，和/ 或可以连续执行。
在步骤214中，偏置/增益网络136调节经AC耦合电路134交流耦 合后的爆震传感器信号的偏置和增益。在步骤216中，放大器138放大 来自偏置/增益网络136的差分输出信号。在步骤218中，放大器138 的输出或者高速输入信号117由ECM微处理器104接收。高速输入信号 117基于测试信号130。
在步骤220中，滤波器112对高速输入信号117进行滤波。该滤波 器112去除那些频率高于预定频率的信号。在步骤222中，FFT装置113 产生基于滤波后的高速输入信号117的频域信号。
在步骤224中，ECM微处理器104产生基于该频域信号的发动机爆 震信号。发动机爆震强度是基于爆震传感器信号计算的。各个爆震传感 器和爆震IC可以用来检测来自发动机每个汽缸的爆震。步骤220-224 可以在ECM微处理器104内经由专用软件来执行。步骤220-224也可以 经由硬件来^l行。
在步骤226中，基于高速输入信号117和/或可包括背景噪声的正常 发动机可听电平，产生第二诊断信号和/或指示与爆震传感器13，相关的 开路。
在爆震传感器诊断系统12'的操作中，如上所述，低发动机转速下 的开路诊断可以通过施加测试信号来执行。低发动机转速可以指的是约 小于预定发动机转速(比如3000转每分钟(RPM))的速度。测试信号 通过爆震传感器13，的电容。测试信号在两个终端116、 118上都被检测 且在两个终端116、 118上基本相同。因此，在终端116、 118处，测试 信号被称为共模信号。该共模信号被放大器138滤除(reject),这就 导致在所施加的频率上仅有小的差分信号。爆震传感器13，或相关电路 中的开路将测试信号转换成差模信号，该差模信号被放大器138检测。
结果，高速输入信号117的幅度增大，其经信号处理之后被ECM微处理 器104鲁棒地检测。因此，类似的处理用于正常发动机爆震检测操作以 及开路检测。注意，可以在任何发动机运行速度下或者在整个发动机转 速范围内施加测试信号并检测其幅度。
在高发动机转速下，比如在等于或约等于预定发动机转速的速度下， 发动机背景噪声可能开始"淹没，，所施加的测试信号。当预定频率不处 在发动机噪声的频率范围之外时就是这样。在大于预定发动机转速的速 度下，来自发动机背景噪声的信号电平允许对开路的鲁棒检测。当存在 开路时，ECM微处理器104不能检测经由爆震传感器13，的发动机背景噪 声。因此，在高发动机转速下，由于缺乏发动机背景噪声检测，ECM微 处理器104可以确定开路的存在。近似的发动机背景噪声电平可以被存 储并与当前检测的背景噪声电平进行对比以确定开路的存在。
因此，高速信号通道可以用于高发动机转速和低发动机转速上的开 路诊断。高速开路检测可以基于测试信号和/或基于发动机背景噪声的 缺乏，这取决于预定频率是否处于发动机背景噪声的频率范围之内。测 试信号可以被连续地施加而不会干扰正常的发动机爆震检测操作。
上述步骤意^:用作说明性的示例；这些步骤可以顺序地、同步地、 同时地、连续地或者以不同的次序进行，这取决于应用。
本文所公开的实施例提供了 一种爆震传感器诊断系统，该系统提供 开路检测且对于短路检测就传感器差异而言具有鲁棒性。这些实施例虑 及了将可变增益放大器上集成到处理器中。
通过前面描述，本领域技术人员现在可以明白本发明的宽泛教导可 以以各种形式来实施。因此，虽然已经结合其特定示例对本发明进行了 描述，但是本发明的真正范围不应当受此限制，因为在研究附图、说明 书和所附权利要求书之后其它修改对本领域技术人员而言是显而易见 的。
权利要求
1、一种爆震传感器诊断系统，其包括:爆震传感器；偏置电路，其将偏置电压施加到所述爆震传感器；和第一输入电路，其接收基于所述偏置电压的第一输入信号；以及控制模块，其基于所述第一输入信号指示与所述爆震传感器相关的短路。
2、 根据权利要求1所述的爆震传感器诊断系统，其中所述第一输入 电路包括低通滤波器，该低通滤波器对所述爆震传感器的输出进行滤波 以产生所述第 一输入信号。
3、 根据权利要求2所述的爆震传感器诊断系统，其中所述低通滤波 器包括耦合在所述爆震传感器和所述控制模块之间的电阻；和 耦合在所述电阻和参考地之间的电容。
4、 根据权利要求1所述的爆震传感器诊断系统，其中所述第一输入 电路被耦合到所述爆震传感器的低侧。
5、 根据权利要求1所述的爆震传感器诊断系统，进一步包括-.信号发生器，其以预定频率产生测试信号并将该烦'J试信号施加到所述爆震传感器；和第二输入电路，其接收基于所述测试信号的第二输入信号， 其中所述控制模块基于所述第二输入信号指示与所述爆震传感器相关的开路。
6、 根据权利要求5所述的爆震传感器诊断系统，其中所述信号发生 器被耦合到所述爆震传感器的高侧。
7、 根据权利要求5所述的爆震传感器诊断系统，其中所述偏置电压 是直流(DC)偏置电压。
8、 根据权利要求5所述的爆震传感器诊断系统，其中所述第二输入 电路包括从来自所述爆震传感器的爆震传感器输出信号中去除所述偏 置电压的交流耦合电路。
9、 根据权利要求8所述的爆震传感器诊断系统，其中所述交流耦合 电路包括第一电容，其耦合到所述爆震传感器的高侧；和 第二电容，其耦合到所述爆震传感器的低侧。
10、 根据权利要求5所述的爆震传感器诊断系统，进一步包括 滤波器，其产生基于所述第二输入信号的经滤波的信号； 快速傅立叶变换装置，其产生基于所述第二输入信号的频域信号；和信号处理器，其产生基于所述频域信号的发动机爆震信号。
11、 根据权利要求1所述的爆震传感器诊断系统，其中所述偏置电 路包括第 一 电阻，其被耦合在电源电压和所述爆震传感器的第 一终端之间；第二电阻，其被耦合到所述爆震传感器的两端；和第三电阻，其被耦合在所述爆震传感器的第二终端和地参考终端之间。
12、 一种操作爆震传感器诊断系统的方法，该方法包括 将偏置电压施加到爆震传感器； 接收基于所述偏置电压的第一输入信号； 以预定频率产生测试信号并将其施加到所述爆震传感器； 接收基于所述测试信号的第二输入信号；和基于所述第一输入信号，指示与所述爆震传感器相关的短路以及基 于所述第二输入信号，指示与所述爆震传感器相关的开路。
13、 根据权利要求12所述的方法，进一步包括 对所述第二输入信号进行滤波； 产生基于所述滤波后的第二输入信号的频域信号；和 产生基于所述频域信号的发动机爆震信号。
14、 根据权利要求13所述的方法，进一步包括对所述爆震传感器的 输出进行滤波以产生所述第 一输入信号。
15、 一种爆震传感器诊断系统，其包括 爆震传感器；信号发生器，其以预定频率产生测试信号并将该测试信号施加到所 述爆震传感器；输入电路，其接收基于所述测试信号的输入信号；和 控制模块，其基于所述输入信号指示与所述爆震传感器相关的开路。
16、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中所述测试信号在所述爆震传感器的操作期间被连续地施加到所述爆震传感器。
17、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中所述测试信 号其中所述控制模块检测所述测试信号的幅度，与发动机相关的发动机 运行速度。
18、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中所述测试信 号的频率级处于与爆震检测和发动机背景噪声的至少之一相关的频率 范围之外。
19、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中当发动机转 速小于或等于预定速度时，所述控制模块检测所述测试信号的幅度。
20、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中当发动机转 速大于预定速度时，所述控制模块检测背景噪声，且其中所述控制模块 基于所述背景噪声指示与所述爆震传感器相关的开路。
21、 根据权利要求15所述的爆震传感器诊断系统，其中所述控制模 块在整个发动机转速范围内检测所述测试信号的幅度。
全文摘要
本发明涉及爆震传感器诊断系统及方法。爆震传感器诊断系统可以包括爆震传感器。偏置电路将偏置电压施加到爆震传感器。输入电路基于偏置电压接收输入信号。控制模块基于输入信号指示与爆震传感器相关的短路。爆震传感器诊断系统还可以包括或可选地包括信号发生器，其以预定频率产生测试信号并将该测试信号施加到所述爆震传感器。另一输入电路接收基于测试信号的另一输入信号。控制模块基于该另一输入信号指示与所述爆震传感器相关的开路。
文档编号G01L23/22GK101387257SQ20081021384
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者A·L·马克斯, B·C·奈尔逊, C·M·邵顿, K·T·基贝尔, M·L·金德曼, R·J·霍尔纳, T·A·什帕科夫斯基 申请人:通用汽车环球科技运作公司