专利名称：探测内燃机中点火不良的方法和实现所述方法的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种探测内燃机中点火不良的方法，并且特别涉及一种探测内燃机的一个或多个汽缸中点火不良的方法。本发明还涉及一种实现所述方法的系统。
已知为了监视内燃机，特别是具有大量汽缸的赛车发动机的性能，希望探测在一个或多个汽缸中发生的燃料混合物的点火不良。一种实现所述探测的已知方法包括用靠近飞轮安排的电子传感器来测量曲轴转速的突然波动，该方法目前对于在更严格规则下控制污染排气起重要作用。该传感器与安排在汽车内部的控制装置连接，控制装置接收所有与发动机有关并且由适当传感器传送的数据。根据传送的转矩，通过计算速度的波动，有可能识别发动机的一个汽缸中的可能点火不良。然而，该方法不允许精确地识别在哪个汽缸中发生了点火不良，而且具有相当高的误差概率，特别是例如在旅行汽车经受由道路表面缺陷所引起的剧烈振荡的情况下，这样暂时影响了曲轴的转速。
为了解决这些缺点，应该及时测量发动机排气的压力的波动。虽然市场上可买到的压力传感器非常精确，并且几乎提供实时响应，但是根据排气中压力波动的测量来探测点火不良的已知方法仍然非常不精确，并且可靠性差，特别是当应用于具有大量汽缸的发动机的情况下。
因此本发明的目的是提供一种没有上述缺点的探测点火不良的方法。本发明的另一个目的是提供一种实现所述方法的系统。这些目的通过一种方法和一种系统来实现，其主要特征分别在第一和第八权利要求中公开。
由于对排气管中探测的压力值进行抽样及随后的频率分析，根据本发明的方法相对现有技术的方法提供更高的精确性和可靠性。事实上，如果发动机点火正常，则汽缸排气阀的周期打开在排气管中产生具有相同周期和类似波形的压力脉冲。相反，在汽缸之一点火不良的情况下，对应的压力脉冲改变，因此改变压力值的周期图形。与脉冲频率同步的参考容易从探测曲轴和/或凸轮轴的转速的传感器导出。
根据本发明的方法的另一个优点是通过对抽样信号的频率分析，有可能确定在单发动机循环期间是仅有一个或多个点火不良发生。事实上，抽样信号的不同谐波的模的幅值取决于其中发生点火不良的汽缸的数目。
根据本发明的方法的又一个优点是通过对抽样信号的频率分析，有可能不仅确定点火不良，而且还确定发生点火不良的汽缸的位置。事实上，汽缸点火顺序的知识和把抽样信号的一次谐波的相位与第一汽缸的相位的比较，提供指示发生点火不良的汽缸的位置的相位差。
对本领域技术人员来说，由以下参考附图对其实施例所作的详细叙述，根据本发明的方法和系统的这些和其他优点及特征将是显而易见的，其中
图1表示根据本发明的系统的示意图；图2表示根据本发明的方法的流程图；图3a、图3b和图3c表示作为曲轴旋转的函数的压力的三条曲线图；图4a、图4b和图4c表示作为曲轴旋转的函数的压力的另三条曲线图；图5a、图5b和图5c表示作为发动机循环数的函数的点火不良指标的三条曲线图；图6表示图3a的曲线图的傅立叶变换；以及图7a、图7b和图7c表示在图3a、图3b和图3c的曲线图中，压力的一次谐波的极坐标的三条曲线图。
参考图1，可见根据本发明的系统按已知方式包括控制装置1(用虚线表示)，它又包括一对互连电子控制器2，2’，控制器各自对发动机的两排汽缸3，3’中的一排提供控制。在本实施例中，叙述一种V12发动机，它有两排各六个的汽缸3，3’，但是在其他实施例中，汽缸和/或排数显然可以改变，控制器2，2’按已知方式与一对冷却剂温度传感器4，4’连接，并且与两对分别探测进气歧管7，7’中空气的温度和压力的传感器5，5’和6，6’连接。控制器2，2’还与一对分析排气管9，9’中氧气含量的λ传感器8，8’，两串把燃料喷入汽缸3，3’的进气管11，11’中的喷射器10，10’，以及一对点火线圈12，12’连接。排气管9，9’优选地还设有一对与控制器2，2’连接的温度传感器13，13’。
根据本发明的本实施例的系统适当地包括一个探测与曲轴成整体的飞轮15的转速的传感器14，和另一对探测凸轮轴17的旋转的传感器16，16’。这些传感器14，16和16’与控制器2，2’连接，以便后者能根据接收的数据，实时计算发动机循环期间曲轴的转速和转角。四冲程发动机中飞轮15每循环实行两转(720°)的事实，使得传感器14，16和16’的存在有必要，从而由传感器16，16’提供的参考允许区别第一转和第二转。
为了实现根据本发明的方法，在两个排气管9，9’，适当地安排两个与控制器2，2’连接的高精度压力传感器18，18’，所述传感器实时地传送其电压与测量压力成正比的电信号。此外，控制器2，2’与一对安排在汽车内部的警告灯19，19’，一个与外部处理器连接的端口20，以及一个探测发动机节流阀22的位置的传感器21连接。
现在参考图2，可见根据本发明的方法在经过发动机起动的一定时限之后，包括对发动机运行状态例如每秒进行周期检查的第一步。事实上，为了从该方法获得可靠结果，优选地仅当有些发动机参数在预定值范围之内时，才实现方法。特别是，仅当传感器4，4’测量的冷却剂温度，传感器5，5’测量的空气温度，和歧管7，7’中传感器6，6’测量的空气压力大于控制器2，2’的存储器中存储的一定阈值时，才起动根据本发明的方法。而且，这些控制器检查由传感器14探测的每分钟转数(rpm)在预定值范围之内。下表1表示满足起动方法的条件的数值的一例。
表1起动条件起动方法的另一个条件可以是传感器21探测的节流阀22达到一定的开度。
如果上述条件满足，在发动机循环的开始，对应于传感器16，16’所探测的凸轮轴17的一定位置，控制器2，2’开始对传感器18，18’所传送，并且与排气管9，9’内的压力成正比的电信号抽样。这些模拟信号按已知方式转换成数字形式，然后存储在各控制器2，2’之内的缓冲存储器中。抽样频率适当地与传感器14所探测的飞轮15的转速同步，以便在通过传感器16和16’探测的发动机循环的结束，存储预定数，例如64个压力抽样。虽然压力传感器18，18’的响应几乎是即刻的，但是为了与发动机精确地同步，控制器2，2’考虑了压力脉冲沿排气管9，9’从汽缸3，3’的排气阀传送到压力传感器18，18’所需时间而引起的几乎恒定的滞后。由于温度传感器13，13’，有可能补偿由于管9，9’之内温度波动所引起的所述滞后的非常小的波动。
在抽样之后，与发动机循环对应的压力值经过控制器2，2’处理，同时控制器对存储在另一个缓冲存储器中的另一系列压力值进行抽样，以供随后处理。
由控制器2，2’的各处理器所实现的这个处理适当地包括在频域内的分析，特别是对抽样信号的傅立叶变换，经过这样处理，获得与信号的第一谐波的实部和虚部相对应的两系列系数。特别是，在本实施例中，计算抽样信号的头3次谐波的系数，而在其他实施例中，显然有可能根据需要计算不同数的谐波。
这些系数用来按已知方式计算第一谐波，例如头3次的模，然后通过组合这些模的值，获得允许探测汽缸3，3’其中之一或多个中点火不良的指标。这个点火不良指标可以按各种方式获得，例如通过加或乘谐波的模。在这个加或乘之前，有可能对各谐波用不同的系数对这些模乘或自乘，以便获得加权的加或乘。在本实施例中，通过把头三次谐波的模简单地相加计算点火不良指标。
一旦计算出所述指标，把它与控制器2，2’中存储的预定阈值比较。下表2表示试验获得的点火不良指标的阈值，它是传感器14探测的发动机rpm和传感器6，6’探测的歧管7，7’中压力的函数。 表2点火不良指标的阈值探测到超过所述阈值的控制器2或2’通过警告灯19或19’，指示在汽缸3或3’的对应排中发生了点火不良。
此时，探测到点火不良的控制器2或2’优选地把头3次谐波各自的模与预定阈值比较，这些预定阈值也是作为发动机rpm和对应歧管7或7’中压力的函数存储的。如果所有三个模都在最小阈值与最大阈值之间的数值范围内，则探测到单点火不良，即汽缸3或3’中仅有一个发生点火不良，否则探测到多点火不良，即在属于某排的汽缸3或3’中至少有两个发生点火不良。
下表3.1、表3.2、表4.1、表4.2、表5.1和表5.2表示对于头3次谐波的模，阈值范围的最小值和幅值的例子。 表3.1一次谐波的模的最小阈值 表3.2一次谐波的模的范围幅值 表4.1二次谐波的模的最小阈值 表4.2二次谐波的模的范围幅值 表5.1三次谐波的模的最小阈值 表5.2三次谐波的模的范围幅值如果在六个汽缸3或3’中仅有一个探测到点火不良，相关控制器2或2’首先通过按已知方式计算一次谐波的相位，能确定发生点火不良的汽缸的位置。其后，通过从发动机循环的第一汽缸的相位中减去一次谐波的相位，获得与发生点火不良的汽缸的相位近似对应的相位差，发动机循环的第一汽缸的相位是作为发动机rpm的函数，用表存储在控制器2，2’中的。
例如，如果在给定发动机rpm下，发动机循环的第一汽缸的相位是210°，则当一次谐波的相位分别在180°与2400°，120°与1800°，60°与120°，0°与60°，300°与360°或240°与300°之间时，点火不良按点火次序发生在第一，第二，第三，第四，第五或第六汽缸中。
下表6表示为了确定发生点火不良的汽缸的位置，发动机rpm与第一汽缸的相位之间的关系。 表6发动机rpm与第一汽缸的相位之间的关系发动机汽缸其中之一点火不良的探测，以及在单点火不良情况下对应的汽缸位置，存储在控制器2，2’的存储器中的适当计数器中。在汽车运行期间，这个存储器能通过端口20由外部处理器读出，以便诊断可能的发动机故障。
现在参考图3a至图3c，可见通过对在试验发动机中引起点火不良的试验所得到的测量，传感器18，18’所传送的信号怎样作为汽缸3，3’其中之一点火不良的函数而变化的。特别是，图3a表示在约2000rpm下，发动机负载约为15％时，与排气管9，9’中压力成正比的压力传感器18，18’端的电压(给定伏特)在发动机循环期间(由-180。到540°的曲轴转角指示)，对于六个周期振荡几乎有规则。这个电压用细线表示，而粗线表示在第一汽缸点火不良情况下的电压。在这种情况下，明显可见电压图形在240°前后具有第一不规则，并且在480 °前后具有第二不规则。然而，图3b表示在约4000rpm下，发动机负载约为100％时，相对前种情况，在规则点火情况下电压图形更复杂。不过，在第一汽缸点火不良的情况下，电压图形(仍用粗线表示)在400°前后偏离正常点火电压图形(仍用细线表示)。而且图3c表示在约6000rpm下，发动机负载约为100％，压力传感器18，18’的电压图形与第一汽缸中点火不良的情况不同，特别地是在470°前后。
类似地，参考图4a至图4c，仍通过试验得到的测量，可见压力传感器18，18’传送的信号怎样作为汽缸3，3’其中之一点火不良的函数变化的，而与缺少燃料喷射或汽缸中点火所引起的点火不良无关。事实上，可见在缺少喷射情况下的电压图形(用粗线表示)大致上等于缺少点火情况下的电压图形(用虚线表示)。这种对应既能在发动机负载约15％的低rpm下，即约在2000rpm下(图4a)，发动机负载约55％的中rpm下，即约在4000rpm下(图4b)发现，又能在发动机负载约100％的高rpm下，即约在6000rpm下(图4c)发现。
现在参考图5a至图5c，作为发动机循环(用水平轴表示)的函数而测量的点火不良指标表示容易探测的峰值，它们对应于在发动机汽缸的一个中试验引起点火不良时的瞬间。这个峰值既能在发动机负载约15％的低rpm下，即约在1000rpm下(图5a)，发动机负载约55％的中rpm下，即约在3000rpm下(图4b)发现，又能在发动机负载约100％的高rpm下，即约在5000rpm下(图4c)发现。
参考图6，可见由传感器18，18’传送的信号的头10次谐波的模(取伏特)，对于所有汽缸规则点火的情况(用白条图表示)与第一汽缸点火不良的情况(用灰条图表示)有相当明显地变化。该图表示发动机在2000rpm下，并且负载约为15％，即图3a和图4a所示情况下计算得到的头10次谐波的模。该图清楚地表示在规则点火的情况下，六次谐波的模比所有其它模高，而在第一汽缸点火不良的情况下，也有第一谐波，特别是头3次谐波的模的相当大成分。显然各次谐波的模的成分取决于某些因素，当设置点火不良指标的阈值时，必须考虑这些因素。这些因素例如包括排气管9，9’的形状，各排汽缸3，3’的数目和点火顺序。
最后参考图7a至图7c，可见一次谐波的相位作为发生点火不良汽缸的位置的函数而变化。事实上，又可能识别六个分开区域，各区域对应于一个发动机汽缸，其中点火不良瞬间一次谐波的模和相位的极坐标集中。特别是，可见所述极坐标集中在各有60°延伸的六个扇区中，其顺序由汽缸点火顺序限定，在本实施例中，这个顺序对于汽缸3的排是1-4-2-6-3-5。考虑发动机相位，这个对应既能在发动机负载约15％的低rpm下，即约在2000rpm下(图7a)，发动机负载约100％的中rpm下，即约在4000rpm下(图7b)发现，又能在发动机负载约100％的高rpm下，即约在6000rpm下(图4c)发现。
对本领域技术人员来说，在仍不违反本发明的范围下，可以对以上所述和说明的实施例实现可能的添加和/或变更。事实上，根据被监视发动机的类型，显然可以改变抽样的类型，频率分析，特别是计算点火不良指标的方法。类似地，根据对各种类型的发动机所实现的试验，还可以改变阈值。
最后，显然根据本发明的方法可以和一个或多个现有技术方法结合使用。
权利要求
1．一种探测内燃机的一个或多个汽缸(3，3’)中点火不良的方法，其特征在于它包括下列操作步骤—对至少一个发动机循环期间的排气压力值抽样，抽样频率与曲轴转速成正比；—在频域内分析抽样信号；—计算作为所述分析结果的函数的点火不良指标；—把所述指标与一个或多个阈值比较。
2．根据上述权利要求的方法，其特征在于所述频域分析包括对抽样信号的傅立叶变换。
3．根据上述权利要求的方法，其特征在于点火不良指标的计算包括对抽样信号的有些谐波的模进行组合。
4．根据上述权利要求的方法，其特征在于点火不良指标的计算包括对抽样信号的至少头3次谐波的模相加。
5．根据上述权利要求其中之一的方法，其特征在于压力值的抽样在发动机循环的开始时开始。
6．根据上述权利要求其中之一的方法，其特征在于它包括把抽样信号的至少一个谐波的模与一个或多个阈值比较。
7．根据上述权利要求的方法，其特征在于它包括计算抽样信号的一次谐波的相位，并且计算所述相位与至少一个发动机汽缸(3，3’)的相位之间的差。
8．一种实现根据上述权利要求其中之一的方法的系统，其特征在于它包括至少一个控制装置(1，2，2’)，与探测排气管(9，9’)中压力的至少一个传感器(18，18’)和探测曲轴旋转的至少一个传感器(14)连接。
9．根据上述权利要求的系统，其特征在于它包括至少一个探测曲轴(17)旋转的传感器(16，16’)。
10．根据权利要求8或9的系统，其特征在于所述控制装置(1，2，2’)包括对探测排气管(9，9’)中压力的传感器(18，18’)所传送的电信号进行模拟-数字转换的装置，对转换成数字形式的信号进行抽样的装置，以及存储抽样信号的存储器装置。
11．根据上述权利要求的系统，其特征在于所述抽样装置的抽样频率根据探测曲轴旋转的传感器(14)所传送的信号来调整。
12．根据权利要求8至11其中之一的系统，其特征在于所述控制装置(1，2，2’)与至少一个探测冷却剂温度的传感器(4，4’)，和至少两个分别探测进气歧管(7，7’)中空气温度和压力的传感器(5，5’，6，6’)连接。
13．根据权利要求8至12其中之一的系统，其特征在于所述控制装置(1，2，2’)与至少一个指示至少一个发动机汽缸中点火不良的警告灯(19，19’)连接。
14．根据权利要求8至13其中之一的系统，其特征在于所述控制装置(1，2，2’)与探测发动机节流阀(22)的位置的传感器(21)连接。
15．根据权利要求8至14其中之一的系统，其特征在于所述控制装置(1，2，2’)与至少一个探测排气管(9，9’)中温度的传感器(13，13’)连接。
16．一种汽车，其特征在于它包括根据权利要求8至15其中之一的系统，以探测一个或多个发动机汽缸(3，3’)中的点火不良。
全文摘要
一种探测内燃机的一个或多个汽缸(3,3’)中点火不良的方法,包括下列操作步骤:对至少一个发动机循环期间的排气压力值抽样,抽样频率与曲轴转速成正比;在频域内分析抽样信号;计算作为所述分析的结果的函数的点火不良指标;把所述指标与一个或多个阈值比较。所述频域分析优选地包括对抽样信号进行傅立叶变换。本发明还涉及一种实现所述方法的系统。
文档编号G01M15/00GK1285039SQ98813798
公开日2001年2月21日 申请日期1998年8月17日 优先权日1998年2月24日
发明者马西莫·塞卡拉尼, 科拉多·雷博蒂尼, 里卡尔多·贝蒂尼, 皮耶罗·卡姆皮 申请人:兰博吉尼汽车股份公司