内燃发动机性能的诊断的制作方法

本申请要求2014年4月28日提交的美国临时专利申请序列号61/985,454的权益，其在此通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及诊断内燃发动机性能的非侵入性方法。更具体而言，本发明涉及三轴加速度计在执行车辆中内燃发动机性能的非侵入性诊断中的用途。本发明应用于以最低成本提供用于适时调度(scheduling)“条件维护(conditional maintenance)”以使发动机性能最大化的信息。

背景技术：

内燃发动机是已经彻底改变了发电行业的基石发明之一，还包括其他的如汽车行业、机械电力行业等。自从该发明以后和这些年的进一步发展，有许多发明已经建议作为发动机养护流程(engine maintenance process)的一部分以对此类发动机进行性能的监测和问题的诊断。在各种发动机问题中，一个主要的原因是由于燃料线路故障引起的气缸缺火、同步皮带故障(汽油发动机)、阀或活塞环泄漏。其他发动机性能问题涉及由于各种零件的裂口和磨损以及连锁不紧密引起的机械故障。每个问题将导致沿不同的方向在测量位置、峰值频率、形状和相对强度中的发动机振动谱的特征信号。因此，原则上，发动机振动的周期性常规监测将提供有关发动机状态的信息。之前已经有许多关于使用加速度计诊断内燃发动机性能的报道和专利。所有这些现有技术应用复杂的系统和/或多个传感器来尝试和监测和/或诊断该问题。这些现有技术解决方案中一些甚至要求车辆处于移动状态。其他的则需要具有内燃发动机系统的侵入式探测。因此，现有技术中公开的方法要求内燃发动机的诊断由熟练的专业人员进行和/或由专门配备的设施进行。

存在需要对内燃发动机的简单并非侵入性地诊断。

在本申请的本节中或任何其他部分中的任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献可用作本申请的现有技术。

技术实现要素：

本发明提供了诊断内燃发动机性能的非侵入性方法。在本发明的第一个方面，提供了使用嵌入在智能手机中的三轴加速度计进行车辆中的内燃发动机性能的非侵入性诊断。在本发明的第二个方面，提供了一种应用以最低成本提供用于适时调度“条件维护”使发动机性能最大化的信息。在本发明的第三个方面，提供了一种简单的非侵入性技术用于提供发动机性能的定期监测、确定发动机故障的发生并适时提供“条件维护”以及时纠正所识别的问题。

在本发明的第一个方面，提供了使用至少一个三轴加速度计以非侵入性方式诊断车辆性能的方法，每个三轴加速度计被安置在车辆的不同位置上，其中所述方法可诊断所述车辆的内燃发动机性能，包括发动机功率损失和与发动机机架和其他部分相关的一个或更多个缺陷，并且所述方法可进一步诊断所述车辆的悬架系统的恶化。

在本发明的第一个方面的第一个实施方案中，提供了其中发动机功率损失是由于一个或更多个发动机气缸缺火引起的方法。

在本发明的第一个方面的第二个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计包括具有适当的数据存储和传输功能的独立单元，或者被嵌入在包括智能手机或计算机设备的装置中的方法。

在本发明的第一个方面的第三个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计被安置在车辆中进行诊断的方法。

在本发明的第一个方面的第四个实施方案中，提供了通过使用至少一个三轴加速度计监测车辆的振动谱特征的逐渐改变来诊断一个或更多个发动机气缸缺火的方法。

在本发明的第一个方面的第五个实施方案中，提供了一种方法，在该方法中，振动谱特征包括单峰的宽度和强度，所述单峰的宽度和强度让步于(compromise)来自以同步序列点火不同气缸的多峰或不同步点火做功冲程序列引起的多峰的重叠。

在本发明的第一个方面的第六个实施方案中，提供了其中通过监测以同一频率在“摇摆(sway)”方向对比“浪涌(surge)”方向的振动峰的强度比和所述发动机的升沉振动来诊断与发动机机架相关的一个或更多个缺陷的方法。

在本发明的第一个方面的第七个实施方案中，提供了一种方法，其中所述至少一个三轴加速度计，每个被安置在不同的位置，被设置以测量所述车辆的振动，使所述测量值的相关性进一步识别所述车辆的发动机和/或发动机机架和/或悬架系统的问题。

在本发明的第一个方面的第八个实施方案中，提供了其中通过监测载客过程中所述车辆的悬架系统的升沉运动振动的总强度来诊断所述车辆的悬架系统的恶化的方法。

在本发明的第二个方面，提供了以非侵入性方式诊断车辆性能的装置。所述装置包括至少一个三轴加速度计。所述装置可诊断所述车辆的内燃发动机性能，包括发动机功率损失和与发动机机架相关的一个或更多个缺陷，并且所述装置可进一步诊断所述车辆的悬架系统的恶化。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了其中所述发动机功率损失是由于一个或更多个发动机气缸缺火引起的装置。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计被安置在车辆中进行诊断的装置。

在本发明的第二个方面的第二个实施方案中，提供了其中通过使用至少一个三轴加速度计监测车辆的振动谱特征的逐渐改变来诊断一个或更多个发动机气缸缺火的装置。

在本发明的第二个方面的第三个实施方案中，提供了其中振动谱特征包括一个或更多个做功冲程峰的宽度和强度的装置。

在本发明的第二个方面的第四个实施方案中，提供了其中通过监测所述发动机的“摇摆(sway)”振动对比“浪涌(surge)”振动的强度比来诊断与发动机机架相关的一个或更多个缺陷的装置。

在本发明的第二个方面的第五个实施方案中，提供了其中通过监测载客过程中所述车辆的悬架系统的升沉运动振动的强度来诊断所述车辆的悬架系统的恶化的装置。

在本发明的第二个方面的第六个实施方案中，提供了一种装置，其中所述至少一个三轴加速度计，每个被安置在不同的位置，被设置以测量所述车辆的振动，所述装置与测量值相关，以进一步识别所述车辆的发动机和/或发动机机架和/或悬架系统的问题。

在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则单词“包括(include)”或“包含(comprise)”或变体例如“包括(includes)”或“包含(comprises)”或“包含(comprising)”将被理解为意指包括所述整数或一组整数但不排除任何其他整数或一组整数。还指出的是，在该公开内容中，并且尤其是在权利要求书和/或段落中，术语例如“包括(included)”、“包含comprises”、“包含(comprised)”、“包含(comprising)”等可具有美国专利法中所赋予其的含义，例如，它们可意指“包括(includes)”、“包括(included)”、“包括(including)”等等，并且该术语例如“基本上由...组成(consisting essentially of)”和“基本上由...组成(consists essentially of)”具有美国专利法中所赋予其的含义，例如，它们允许包括未明确陈述的要素，但排除现有技术中存在的或影响本发明的基本或新特征的要素。

此外，在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则单词“包括(include)”或变体例如“包括(includes)”或“包括(includes)”将被理解为意指包括所述整数或一组整数但不排除任何其他整数或一组整数。

本文中所用的所选术语的其他定义可见于本发明的整个发明详述和应用中。除非另有定义，否则本文所用的所有其他技术术语的含义与本发明所属技术领域中一般技术人员普通理解的含义相同。

通过接下来的说明书描述，对于本技术领域中技术人员而言，本发明的其他方面和优点将变得显而易见。

附图说明

通过本发明的下文描述并结合附图，本发明的上述内容、其他目的和特征将变得显而易见。

图1示出了小型客车在时间和频率区域中在摇摆、升沉和浪涌方向上的一组振动谱，空转速度为650rpm(约)。车辆是丰田过山车车型的16名乘客的小型客车，前面的直列安装4缸柴油发动机。

图2示出了双层客车(客车1)在时间和频率区域中在摇摆、升沉和浪涌方向上的一组振动谱，空转速度为700rpm(约)。车辆是沃尔沃车型的双层客车，后面的直列安装6缸柴油发动机。

图3示出了在四冲程循环过程中的活塞运动。

图4(a)示出了养护之前和之后与图1中一样的小型客车的振动谱。

图4(b)示出了养护之前和之后扩展的频率刻度中的做功冲程峰值，以清楚地显示缺火的影响。

图5示出了养护之前和之后沿小型客车三个轴的原始振动数据。

图6示出了两个相同的车型双层客车(沃尔沃车型的后面直列安装6缸柴油发动机)在相同路线的升沉振荡谱的对比。在这两种情况下，在相同的位置上在上甲板中段上进行了测量。

图7示出了前侧座为4缸汽油发动机的马自达5车型的振动谱。由于振动低，所以将传感器安置在发动机组上。由于做功冲程(25.2Hz)和曲轴转动(12.60Hz)，峰值是清晰可辨的，尽管相比于柴油发动机而言振动的幅度小。最显著的特征是浪涌方向峰值比摇摆方向峰值的更强烈，这是由于侧座发动机配置造成的。

具体实施方式

通过以下实施例或实施方案本进一步举例说明本文要求保护的发明，应当理解的是，所述实施例或实施方案中所公开的主题只是用于举例说明的目的，但其目的并不在于限制本文要求保护的本发明的范围。

本发明使用三轴加速度计作为独立的单元或作为嵌入在智能手机或MP3播放器(例如，在本例中，我们使用嵌入STMicro三轴加速度计的iPod4、5或iPod 4和5)单元。加速的检测极限为0.003g，其中g＝9.8m/s^-2是重力加速度系数，位移的检测极限是10Hz振动为10^-4m，20Hz振动为2.5×10^-5m和更高频率甚至更小。随着灵敏度与所研究车辆的内在的大的振动相关，我们发现将传感器安置在乘客舱地板中硬的、平坦的地板表面上是足够的。对于小型客车和双层客车而言，在100Hz下1分钟测量的数据速率是足够的。对于调优(well-tuned)的小型客车而言，如图7中所示的那些，越是小得多的振动振幅越要求将传感器直接安置在发动机组上，以为了产生足够的信号水平。然而，基本原则仍然有效。在车辆中，我们已学习到：

·香港16人小型客车：丰田考斯特车型(前面是4缸直列柴油发动机)

·24人面包车：三菱罗莎车型(前面是4缸直列柴油发动机)

·香港双层客车(后面是直列安装6缸沃尔沃柴油发动机)

·五十铃60人客车(后面是6缸直列安装柴油发动机)

·4门轿车：丰田阿瓦隆(前侧安装6缸汽油发动机)

·6人面包车：马自达5(前侧安装4缸汽油发动机)

·4门轿车：丰田凯美瑞(前侧安装6缸汽油发动机)

本发明所述的结果大多基于带有由香港巴士公司使用的6缸直列发动机的香港小型客车和沃尔沃双层客车所用的丰田考斯特车型。然而，相同的原则也适用于其他车型，甚至适用于不在上述名单内的那些以及特殊非客运车辆，例如拖拉机、堆土机以及其他重型机械。

当发动机以恒定的速度或RPM(每分钟转速)空转时进行测量是必要的。记录100Hz下1分钟的速率作为未过滤的数据。弃掉最初5秒钟和最后5秒钟的数据，留下约4500个数据点用于快速傅里叶变换(FFT)分析，以得到0至50Hz的振动谱。沿三个正交轴的振动被指定为：浪涌(前和后)、摇摆(左和右)和升沉(上和下)。由于所相关的小排量，所以约三个旋转自由度例如俯仰(Pitch)、滚转(Roll)和偏航(Yaw)的运动被忽略不计。随着三轴加速度计的精度为0.003g，位移检测限是10Hz振动为约10^-4m，20Hz振动为约0.25×10^-4m。这种高灵敏度能在不需要将三轴加速度计直接安置在发动机组上的情况下进行测量，而在大多数情况下包括本说明书中所述的两种类型的车辆。

图1和图2示出了在时间和频率区域中所有三个方向中的两组振动谱，一组为小型客车，空转速度为640rpm(约)，而另一组为双层客车，空转速度为700rpm(约)。对于小型客车而言，将iPhone安置在最后一排的右角座椅的下方，离发动机约5米。对于双层客车而言，将iPhone安置在上层第9排左侧座椅的下方。这两种谱显示双层客车的主峰为35.003Hz，而小型客车的主峰为21.674Hz。如果这些振动是由发动机转动所引起的，那么发动机的空转速度可以通过将这些值乘以60来计算，分别对应于客车为2100rpm，而小型客车为1300rpm，这比所测量的发动机的转速(rpm)要高得多。对于小型客车而言，其确切地是所读取的实际发动机转速(rpm)的2倍。对于双层客车而言，其确切地是发动机转速(rpm)的3倍。该差异可以通过四冲程狄塞尔循环或其他内部燃烧循环过程中检查单个气缸的操作顺序进行解释。

图3描述了四冲程循环过程中的活塞运动。每个循环完成两种发动机转动。

第一转动由通过连接在曲轴上的飞轮惯性驱动的进气和压缩冲程组成。第二转动由点火和排气冲程组成。做功是在点火冲程过程中由该转动输送的。因此，它通常被称为做功冲程，是发动机噪音和振动的来源。因此，根据该操作顺序，每分钟每气缸所产生的做功冲程的数量与发动机的RPM相关：

做功冲程数/分钟＝RPM/2

对于具有“N”个气缸的发动机而言：

做功冲程数/分钟＝N×RPM/2 (1)

例如，对于小型客车的四缸柴油发动机而言，N＝4

做功冲程数/分钟＝2×RPM (2)

并且对于客车的六缸发动机而言，N＝6

做功冲程数/分钟＝3×RPM (3)

基于上述关系和从主振动峰和发动机RPM的位置，很明显，四缸和六缸发动机二者的主振动是由做功冲程引起的。由发动机曲轴转动引起的振动量仅作为非常弱的峰出现，但是分别根据方程式(2)和(3)，四缸和六缸发动机的明确的峰为确切的1/2和1/3做功冲程相关峰值。

其他可辨别的峰包括对称地位于主峰的一对卫星峰。它们都是由于在数据处理中使用的快速傅立叶变换过程引起的。在该时域中，低频成分是清楚存在的、其出现在频域中1-2Hz的范围内。它们是由于车辆悬架的振动引起的。它们的幅度提供监控悬架系统状态的方法。对于养护差的发动机，也可以检测由与磨损相关的其他原因而引起的峰。其起源可以通过系统的研究来识别。该研究将集中在由于做功冲程引起的主峰上和由于曲轴转动引起的确切分数频率的小峰上。

一旦我们已经确定了主峰的原因，那么我们可使用沿三个轴的强度、宽度和相对强度来监控发动机性能，尤其是，由于缺火造成的功率损耗。对于具有多个气缸的发动机而言，气缸运动以精确的相位角连接至共同的曲轴并进而在相位匹配的时间被点燃。一个或更多个气缸的缺火可引起不同步和不均匀的气缸运动、这导致总功率损耗。

通过测量许多为期超过5个月的小型客车的空转发动机的振动谱而对小型客车发动机的性能建立了大型数据库。在那段时间里，我们成功地在多个场合检测到了发动机性能的下降。养护后，我们能够确认发动机重新恢复其性能。一个实例示于图4和图5中。图4示出了养护之前和之后同一小型客车的振动谱。在一段时间内，我们能够监测其振动谱特征的逐渐变化，特别是在约20Hz的做功冲程峰的宽度和强度，随着强度降低并且峰加宽，最终导致分裂成图4(b)中所示的频率尺度扩大的小峰。该变化表明为缺火状态。缺火状态不仅降低了功率，而且增加了发动机的不平衡性，这导致宽带频率的更多振动。因此，在其半频时的弱的但轮廓分明的峰值由于发动机转动也变宽。这更清楚地描述在图5中，其示出了沿三个轴的原始振动数据。在发动机空转过程中车辆的总振动能量是车辆养护之前的约5倍。另一点值得注意的是养护之后12.02Hz处的峰消失。峰的起源没有完全确定，但是由于发动机的运转粗糙造成的。

另一组两次测量是在具有安装在后面上的直列六缸柴油发动机的相同沃尔沃车型的双层客车上进行的。两次测量是通过将加速度计置于上层中段上进行的，发动机的空转速度为约700rpm。升沉振动的振动谱示于图6(a)和图6(b)中。这两辆客车，尽管具有相同的车型和路线，但是在振动谱下显示不同的特征，表明不同的发动机状态。图2示出了所有三个方向摇摆、浪涌和升沉的一组非常“干净的谱”，仅几个峰振动。所有的均是可说明的。35.05Hz处的主峰是由柴油周期的“做功冲程”引起的。它的位置恰好在两个小卫星峰之间的中点；它是快速傅立叶变换的结果。也易于识别的是由曲轴转动引起的11.66Hz处的峰，确切地说，是做功冲程峰频率的三分之一。图6中比较了两辆客车的升沉运动的振动谱。客车1的发动机的状态显然比客车2的更好。在后者中，存在一些缺火。

基于这些数据，我们宣称这种简单的非侵入性技术可被用于提供发动机性能的周期监测，指出发动机故障的发生并及时提供“条件维护”以及时地纠正问题。

除了有关发动机转动的信息之外，可以是直列安装(沿车辆长轴方向的曲轴)或侧面安装(垂直于车辆长轴方向的曲轴)的发动机的位置也可以由沿三个轴的做功冲程峰的相对强度来确定。对于直列发动机(例如小型客车)而言，“摇摆”振动(肩并肩)比“浪涌”(向前和向后)振动更占优势。虽然侧面安装发动机，例如客车，“浪涌”振动比“摇摆”振动更强烈。因此，强度比可用于监测与发动机安装相关的任何缺陷的发生。

最后，如图1所示的小型客车和图4所示的双层客车，具有与其它类型的车辆类似的测量，在低于5Hz的低频率下有一组小峰。该组峰是由于车辆悬架引起的缓慢升沉运动。强度可用于监测车辆的悬架状态。悬架系统的恶化可由这些低频峰的常规监测来检测。

图7示出了沿马自达5车辆的三个轴的振动谱。其是安装在侧面的四缸汽油发动机。与上述柴油发动机相比，振动幅度的数量级较低，因此将传感器安置在发动机组上用于测量。所观察到的柴油发动机的特征是清晰可辨的。需要指出的显著的特征是做功冲程峰的相对强度。在上文讨论的柴油发动机中，摇摆方向的强度比浪涌方向的更强。在这种情况下，由于侧装式发动机的取向，浪涌方向上的强度更强。

如下作为非限制性实例提出了本发明的一些实施方案。在本发明的第一个方面，提供了使用至少一个三轴加速度计以非侵入性方式诊断车辆性能的方法，每个三轴加速度计被安置在车辆的不同位置上，其中所述方法可诊断所述车辆的内燃发动机性能，包括发动机功率损失和与发动机机架和其他部分相关的一个或更多个缺陷，并且所述方法可进一步诊断所述车辆的悬架系统的恶化。

在本发明的第一个方面的第一个实施方案中，提供了其中发动机功率损失是由于一个或更多个发动机气缸缺火引起的方法。

在本发明的第一个方面的第二个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计包括具有适当的数据存储和传输功能的独立单元，或者被嵌入在包括智能手机或计算机设备的装置中的方法。

在本发明的第一个方面的第三个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计被安置在车辆中进行诊断的方法。

在本发明的第一个方面的第四个实施方案中，提供了通过使用至少一个三轴加速度计监测车辆的振动谱特征的逐渐改变来诊断一个或更多个发动机气缸缺火的方法。

在本发明的第一个方面的第五个实施方案中，提供了其中振动谱特征包括一个或更多个做功冲程峰的宽度和强度的方法。

在本发明的第一个方面的第六个实施方案中，提供了其中通过监测所述发动机的“摇摆”振动对比“浪涌”振动的强度比来诊断与发动机机架相关的一个或更多个缺陷的方法。

在本发明的第一个方面的第七个实施方案中，提供了一种方法，其中所述至少一个三轴加速度计，每个被安置在不同的位置，被设置以测量所述车辆的振动，使所述测量值的相关性进一步识别所述车辆的发动机和/或发动机机架和/或悬架系统的问题。

在本发明的第一个方面的第八个实施方案中，提供了其中通过监测载客过程中所述车辆的升沉运动的强度来诊断所述车辆的悬架系统的恶化的方法。

在本发明的第二个方面，提供了使用至少一个三轴加速度计以非侵入性方式诊断车辆性能的装置，其中所述装置可诊断所述车辆的内燃发动机性能，包括发动机功率损失和与发动机机架相关的一个或更多个缺陷，并且所述方法可进一步诊断所述车辆的悬架系统的恶化。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了其中所述发动机功率损失是由于一个或更多个发动机气缸缺火引起的装置。

在本发明的第二个方面的第一个实施方案中，提供了其中所述至少一个三轴加速度计被安置在车辆中进行诊断的装置。

在本发明的第二个方面的第二个实施方案中，提供了其中通过使用至少一个三轴加速度计监测车辆的振动谱特征的逐渐改变来诊断一个或更多个发动机气缸缺火的装置。

在本发明的第二个方面的第三个实施方案中，提供了其中振动谱特征包括一个或更多个做功冲程峰的宽度和强度的装置。

在本发明的第二个方面的第四个实施方案中，提供了其中通过监测所述发动机的“摇摆”振动对比“浪涌”振动的强度比来诊断与发动机机架相关的一个或更多个缺陷的装置。

在本发明的第二个方面的第五个实施方案中，提供了其中通过监测载客过程中所述车辆的升沉运动的强度来诊断所述车辆的悬架系统的恶化的装置。

在本发明的第二个方面的第六个实施方案中，提供了一种装置，其中所述至少一个三轴加速度计，每个被安置在不同的位置，被设置以测量所述车辆的振动，所述装置与测量值相关，以进一步识别所述车辆的发动机和/或发动机机架和/或悬架系统的问题。

工业实用性

本文要求保护的本发明的目的是提供诊断内燃发动机性能的方法。更具体而言，它涉及使用嵌入在智能手机中的三轴加速度计进行非侵入性诊断车辆内燃发动机的性能。本发明具有提供及时调度“条件维护”以低成本使发动机的性能最大化的信息的应用。这种诊断方法并不限于上文所述的客车例如小型客车和双层客车。它也适用于使用内燃发动机的所有系统，例如重型载货车、挖土机、起重机等机械。