专利名称：内燃机中的熄火检测的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及内燃机控制领域，更具体地涉及一种用于往复式发动机熄火检测系统的信号处理系统和方法。
背景技术：
现在的许多发动机控制具有集成的熄火检测系统。发动机中的熄火将由于不完全燃烧而降低效率并增加排放。随着日益提高的越来越严格的立法制定的排放标准，确保在所有发动机以及车辆运行条件下的精确和完善的熄火检测正逐渐变成强制性的。尤其是，该行业已经提出了用于检测发动机熄火的下一代车载诊断(OBD II)标准。这些新标准将要求必须检测在直到发动机警戒线(redline)时许多不同种类的熄火。
通常，系统设计者根据主要取决于燃烧过程中产生(或未产生)的发动机扭矩的发动机加速度测量，来确定特定发动机气缸的熄火。给定加速度信息，可以通过各种特征分析和/或频谱分析方法来预测熄火。
作为实际的问题，发动机加速行为还受到除了点火扭矩之外的与动力系有关的行为的影响。根据分析，这些其他行为会明显降低与主要点火扭矩有关的加速度信号的保真度以及信噪比(SNR)。此外，根据分析，在一些发动机运行条件下，噪声超过了与主要发动机扭矩有关的加速度信号。另外，与噪声有关的行为不只限于发动机运转原因，而且包括与整个传动系统有关的行为。一些有害的与噪声有关的行为包括相对较低的频率、或燃烧率、传动系统谐振效应、或至少部分由气缸熄火导致的振动、变矩器锁止(torque converter lockup)、人力操纵传动的低速过载行为特性、传动齿轮中的变化、起伏路面状况等等。这些刺激源的每一个都会导致传动系统波动或者以谐振频率或其谐波瞬态振荡。其他与噪声有关的有害行为是较高频率，这些高频例如是在发动机以高发动机转速运行时、在已加燃料(fueled)情况下、以及在各种负载下发生的，这些都会掩盖发动机熄火。这些噪声源本质上是随机的。
当上面提到的行为表明它们本身是相对于熄火的噪声量的一种有效度量时，它们被引入加速度测量中。该噪声可能大大淹没了熄火事件的任何特征行为。
图1表示无噪声波形的第一部分101，其表示在按照几个气缸顺序正确点燃气缸的情况下从发动机曲轴得到的加速度信号，以及波形的第二部分103，其表明在按照点燃气缸的顺序中稍后的气缸熄火情况下发动机曲轴的加速度。在参考数字103处，由于没有进行正常点火，发动机曲轴大大减速。给定加速度行为的该观测数据，幅度比较处理可以在一个预定阈值105处监视发动机的加速行为，并且如果该加速度信号变化(transition)低于该阈值105就指示熄火情况。
图2说明从一个以大约超过一百五十气缸燃烧循环运行的发动机中得到的实际加速度信号201的行为。加速度信号201包括通过周期性地从一个气缸消除火花信号而重复引发的熄火。从图2可以看出，在实际的应用中，从运行的发动机中得到的信号如上所述受到除了与燃烧有关的扭矩之外的原因影响。为了参考的目的，与横轴203相关的参考标记区分重复引发的熄火事件。波形201是使用耦合到发动机曲轴上的加速度感测装置来得到的。因为曲轴扭转振动、由于往复运动质量产生的惯性扭矩、传动系统谐振效应以及在发动机曲轴上其他机械引发的振动，图2中所示的波形具有较差的保真度。不仅存在由于周期性熄火导致的谐波效应，还存在本质上会产生噪声的随机事件。在较高的发动机转速以及在对发动机不同的加燃料和/或负载情况期间，这种状况会进一步恶化。这些不同情况使得通过简单的阈值检测方案检测熄火实际上变得不可能。
一些熄火确定方案使用运行平均滤波器和/或平均值或中值滤波器来排除低频率行为，例如在加速度信号中的传动系统振动行为。运行平均滤波器足以用来平滑输入信号中的随机非脉冲波动，但是往往使得由于传动系统输入而出现的锐单调边缘过渡变得模糊，而中值滤波器往往在抑制脉冲输入(例如，熄火加速行为)的同时保留锐传动系统边缘过渡，但是比较容易受非脉冲振动的影响。此外，这些技术都不能解决由于高转速情况、加燃料情况、不同负载情况、每个发动机燃烧循环的多次熄火等等所引起的严重扭转摆动或噪声。
所需要的是一种用于熄火检测的改进方法，可以检测大范围的熄火类型，尤其需要一种对不利的动力系操作效应不敏感的方法。特别是，改进的系统需要解决大范围的发动机操作条件上的传动系统波动，其中操作条件包括达到发动机警戒线的操作。该改进的系统还需要通过改善加速度信号的信噪比来改善加速度信号保真度，以便精确检测熄火。这种改进的技术理论上能在具有高保真度的加速度信号中检测周期性、随机熄火以及每个发动机燃烧循环的多次熄火。
在附随的权利要求中具体阐述了被认为新颖的本发明特点。本发明及其进一步的目的和好处通过参考下面结合附图的描述可能最好地理解，在附图中的几个图中相同的参考数字表示相同的元件，其中图1是表示代表发动机扭矩的理论加速度波形的图表并说明了正确点火和熄火的行为；图2是表示来自轻负载下以5,000RPM运行的实际发动机的发动机加速度波形的曲线图，说明由于曲轴扭转振动引起的高频噪声、由于往复运动质量产生的惯性扭矩、在发动机曲轴上其他机械引发的振动以及传动系统波动的影响；
图3是根据本发明的优选实施例的系统框图；图4是说明6缸4冲程往复式发动机的循环/发动机转数或顺序，由于正常燃烧扭矩、由于往复运动质量导致的扭矩、熄火、扭转振动、高阶子部分(high-order subpartials)以及传动系统振动而产生的发动机加速度的各种频谱行为特性的图表；图5是表示未由本发明结构处理的各种测试熄火信号和噪声的图表；图6是表示通过本发明结构处理的同一加速度数据的改善的信噪比的图表。
具体实施例方式
本发明提供一种具有改善的熄火检测的方法和系统，能够检测大范围的熄火类型。尤其是，本发明解决了大范围发动机操作条件上的传动系统波动，其中操作条件包括达到发动机警戒线的操作。此外，本发明通过改善加速度信号的信噪比用较高加速度信号保真度检测来周期性和随机熄火，以便精确检测熄火。
图3是根据本发明的系统框图。车轮300具有放射性地安置在车轮300边缘的齿或位标器。车轮300机械地耦合到往复内燃机上并受其驱动。例如，有齿的车轮可以耦合到发动机的曲轴前部。编码器或位置传感器301安置在车轮300的正对面，并且用来在车轮受发动机燃烧过程驱动而转动时感测凸轮的位置。可变磁阻传感器301(或任何其他类型的类似传感器，例如霍尔效应(Hall Effect)传感器)可以作为传感器301用来提供信号302，信号302指示齿通过传感器的计时。信号302的每个齿计数的时间标记用来解释该往复式发动机的加速行为，如本领域已知的。注意，该系统是一个抽样数据系统，但是也可以根据需要在时间连续的域中实现。在本发明中，使用的车轮300具有三十五个齿，有一个去掉的齿，本来应该是第三十六个齿。应该注意，也可以使用具有其他齿配置的车轮。
有许多公知的技术用来确定发动机的实际位置。这里，传感器301耦合到受往复式发动机的曲轴驱动的有齿车轮。在有齿车轮上有三十五个齿(为了检测上死点，第三十六个齿被去掉了)，这导致发动机每旋转十度从传感器输出一个脉冲。在一个四冲程的往复式发动机中，曲轴旋转七百二十度构成一个完整的发动机循环，这是对于熄火分析要关心的基本周期。
图4是说明对于6缸4冲程往复式发动机的循环/发动机转数或顺序，由于正常燃烧扭矩、由于往复运动质量导致的扭矩、熄火、扭转振动、高阶子部分以及传动系统振动而产生的发动机加速度的各种频谱行为特性的图表。正常的燃烧点火扭矩(在此测量为能量)以及由于往复运动质量而产生的扭矩401表明它自己是在3、6和9个循环/转数。熄火引发的能量403包括指示每转中一次熄火的能量405(由于在每转中，六个气缸中的三个正常点火)，以及在每转中有一个气缸在半个循环的单个气缸(硬)故障(因为每个气缸每隔两转正常点火)。至少部分由气缸熄火、变矩器锁止、人力操纵传动的低速过载行为特性、变速齿轮的变化和起伏路面状况导致的传动系统振动409，在特性上的低阶出现，在幅度上相对较强，按顺序移动，并且不确定地位于与熄火相关的能量附近。
尤其是，第一阶(一个循环/转数)和半阶(半个循环/转数)行为，不确定地接近传动振动的阶数，因此很难确定往复式发动机中的熄火情况。此外，通过实验，发现这些紧密接近行为源的行为明显按照由于传动系统振动的顺序、由于传动系统振动的幅度以及包括发动机转速、发动机负载和发动机传动耦合一致性(compliancy)在内的各种发动机运行条件而变化。为了改善所示的加速度波形的保真度，下面描述系统和相应的方法。
回来参考图3，来自传感器301的输出302由一个数据抽样器303抽样，得到来自传感器输出的时间标记。发动机位置获取装置304使用这些时间标记输出所选齿的计时周期、时间增量。装置304把该齿的时间标记信号分样(decimate)为每个发动机循环期望的数据抽样数量。具体是，在抽取的齿抽样(i)的边缘之间提供时间增量DT。理论上，在恒定发动机转速上，DT对于所有抽样都是恒定的。但是，熄火将会改变它。
然后使用未加燃料轮廓修正(non-fueled profile correction)308来处理抽样306，如本领域已知的。修正308补偿制造缺陷以及车轮300齿内的容差以及传感器301对它们的检测。该修正可以通过一个预定的未加燃料轮廓修正因子PC(i)310来提供，也可以在运行期间获得。然后为每个抽样(i)输出未加燃料修正的增量时间度量310DT*。
根据本发明的一个实施例，然后应用已加燃料轮廓修正312。应该意识到，该修正可以在图3框图中的任何地方应用。如所示，该修正优化性能。已加燃料轮廓修正对传动系统的扭转振荡(谐振)进行修正，后者是在高转速时的问题，由于这些振荡可能具有比熄火的幅度更大的幅度，因而使得熄火很难准确检测出来。尤其是，通过与速度(n)、负载(扭矩)和齿数量(i)相关的乘式(fpc)如下修改增量时间(DT*)DT**i＝fpc(i，n，load)·DT*i乘式可以预先确定或者可以在正常的无熄火运行期间获得。例如，乘式可以在具有固定值的校准期间预先存储在一个表中。另一方面，可以在车辆运行(可变)期间使用乘式。乘式如上关于速度和负载对第i个抽样内插并且应用(这里，在应用中，对于给定的数据循环，速度和负载是固定的)。用于查找表318输入的发动机转速可以在内部使用速度计算316从所提供的具有输入滤波器以及滞后现象的抽样(即，v＝1/DT*)中确定。对于给定的正常点火循环，发动机负载320是乘式的输入参数并且与预期的扭矩最好成比例(0-1)。
对于扭转和其他曲轴振动，已加燃料轮廓修正带宽有限(如图4中的411所示)。该带宽限制在校准时是离线执行的，并且使用是有利的，由于已加燃料轮廓修正只用于修正在熄火检测中的有意义的阶数，即不超过第二阶。更具体地，乘式从已加燃料数据(即，没有熄火的正常发动机运行)中确定，但是非常重要的是带宽受到带通滤波器的限制而排除与熄火检测无关的信号，例如阶数大于第二阶的信号。在没有该带宽限制的情况下，在速度/负载内插期间乘式可能实际上导致错误，从而导致检测能力降低或熄火检测错误。此外，乘式对于较好的内插来说是更加线性的，并且通过只应用带宽受限的信号将更稳健。有利地，乘式可以非实时地进行计算(即，有延迟)。
然后在速度计算314中从所提供的抽样(即，v＝1/DT**)中确定修正的速度，然后通过一个线性有限脉冲响应(FIR)滤波器322滤波。滤波器322是一个通过先验发动机特征和/或在发动机运行时自适应编程的可编程数字滤波器，并且具有比正常遇到的更高的阶数，以便得到改善的频带外信号检测。尤其是，在速度计算(vi＝1/DT**i)之后，该信号如下线性滤波v′(i)＝b(1)*v(i)+b(2)*v(i-1)+...+b(n+1)*v(i-n)这里，i是当前的速度索引(index)，n是FIR阶数。FIR系数324根据经验确定，并且可以预先确定或可以在发动机运行期间获得和适应。有利地，FIR滤波器保留阶数的相位。此外，如后面将要讨论的，FIR滤波器可以和非线性滤波器以及在硬熄火通道中使用的模式匹配以及在随机通道中使用的模式取消一起组合使用。
有效噪声信号存在于接近第0.5阶的阶数中。应该注意，0.5阶非常重要，因为它代表硬熄火，一个要检测的非常重要的阶数。因此，应该减少低于0.5的阶数以便检测硬熄火，特别是在发动机转速高以及负载轻的时候。本发明通过使用增加的FIR阶数以及把滤波器配置为带通而不仅仅是低通，解决了该问题。这在考虑DC分量时也很重要，其在现有技术中是存在的但是在本发明中被降低了。使用附加的高通非线性滤波器(具有对低于0.5的阶数的附加衰减)，以及在这种方式中的专用模式匹配模块(非谐波的衰减)以及FIR的应用，通过图3框图中的模块组合将大大改善熄火检测，这在下面解释。
在下一个框326，使用滤波后的速度f(v)来确定加速度。本发明使用一种新颖的加速度计算来排除在它的使用中所观察的非线性并且改善高频噪声的抑制。如下使用速度的中心差值(这里，误差是幅度DT2)来计算加速度加速度＝vi+1-vi-1现有技术计算使用一个一阶(误差为幅度DT)加速度计算加速度＝dv/dt＝dθ/dt·dv/dθ＝vi(vi-vi-1)简单的谐波信号分析显示，由于v近似为正弦或余弦级数(它是对在前面模块322中使用FIR滤波的熄火信号非常好的近似)，现有技术的加速计算由于v·v项会产生谐波。如果信号的DC值很大，这仅仅会引入小谐波。但是，使用带通FIR，DC值被大大减低，并且由此谐波变得更加明显。在任一种情况中，这些谐波都是不想要的。使用本发明的中心差值算法而不使用速度乘法可除去谐波的生成。结果仍然是加速度，但是为dv/dθ而不是dv/dt。有利地是，中心差值算法还提供了对高频信号的额外衰减(在0.6奈奎斯特(Nyquest)是3dB)，因为用跨两个抽样而非一个抽样的差值。当使用本发明的高抽样速率处理时，这些高频正好在熄火检测中感兴趣的频率上，因此中心差值算法改善了SNR。
然后通过一个专用非线性高通滤波器328处理加速度抽样(ACL_h1)。该高通滤波器增强(accentuate)带通滤波器322的较低斜率(lower slope)(如前面在图4中参考数字413所示)，以增强对传动系统波动(如前面在图4中的参考数字409所示)的抑制。滤波器328是一个可通过先验发动机特征和/或在发动机运行时自适应编程的可编程数字滤波器。在此使用的非线性滤波器配置称为移位时间加权切尾均值(STWTM)滤波器。
通常，时间加权切尾均值滤波可以通过首先对长度为N的队列排序，然后去掉1到(N-M)/2的抽样以及(N+M)/2+1)到N的抽样来实现。采用这些结果的M个值并对他们进行平均。最后的步骤是从输入数据中减去该平均值。
但是，在本发明的STWTM实现中，不需要去掉该队列两头相等的长度，这可以在实现中提供额外的自由度并且可以改善性能。
在操作中，STWTM滤波器获取一串固定长度(通过校准确定)时间连续的加速度抽样表示，并且根据在一个振幅范围和在发动机曲轴角中的偏差内限定的一部分加速度数据抽样的平均加速度幅度来提供滤波后的加速度数据抽样。由于传动系统波动根据在不同发动机运行条件(发动机速度、发动机负载、正常点火的变化性等等)下的顺序来回移动，使用该偏差来修改滤波器328的位置。在后面的框334中，可以根据滤波后的加速度数据抽样的幅度来表示熄火情况。
熄火检测器334根据对每个发动机系列获得的较准来产生STWTM滤波器328的偏差指针(S)。该偏差根据分析之下的特定气缸中的预期熄火发生来确定排序数据组的开始点。该偏差命令还可能取决于发动机运行条件，例如速度或负载。这在使用贫燃(lean-burn)技术时是有利的。可选地，可以测量其他发动机操作参数并且使用它们来调整偏差指针(或预期熄火事件的位置)。
实际上，微控制器使用前面介绍的系统硬件连续获得一串固定长度的时间连续的N个加速度数据抽样。连续获得的抽样数量定义了滤波器328的等级(rank)或阶数。可以根据要检测的各种发动机运行条件或熄火条件使用不同的滤波器等级。STWTM滤波器可以在每个加速度抽样上应用，并且引入了(R-1)/2((滤波器级别-1)/2)的信号延迟。该滤波器的基本实现是首先使用任何公知的排序算法(例如，冒泡排序、插入等等)如下对级数R的数组X按照幅度从最小到最大排序XS＝sort(X(i-R/2)，X(i-R/2+1)，...X(i)，...，X(i+R/2-1)，X(i+R/2))接下来，在已排序数组中的“N”个元素(它是关于从中心到平均值的移位的元素数量)的平均值如下在已排序数组中从“S”元素(它是要从中心值移位或偏移的元素数)开始而得到XSM(i)＝mean(XS(S，S+1，S+2，...S+N-1))在抽样‘i’的滤波后的STWTM值就是STWTM(i)＝X(i)-XSM(i)当存在熄火时，STWTM滤波器对熄火和非熄火数据的分离提供了显著改善。当使用适当的值来编程时，STWTM滤波器降低在熄火循环期间比零大的加速度值以增强减速。
在操作中，STWTM滤波器类似于现有技术的中值滤波器对抽样排序。但是，STWTM滤波器提供了一个偏差S。典型地，对于熄火检测，中值滤波器将采用中心值。但是，熄火可能导致这些值的偏斜(skewing)，因此本发明把一个偏差指针加到期望的中值(不是像现有技术那样的中心值)。偏差的量根据经验确定并且可以通过在滤波器级别内的熄火数量来确定。
在一个替换实施例中，已排序数组中的可校准元素(类似于S)用作滤波器计算中的减数(subtractant)。增加均值降低了STWTM滤波器输出中的高频噪声。滤波后的加速度值(ACL_h2)然后在两个通道之间共享。使用第一通道325来检测周期性(硬)熄火情况，使用第二个通道329来检测随机熄火情况。尤其是，第二通道使用模式取消330，如本领域已知的，以便消除周期性信号，从而更好地检测随机熄火。但是，第一通道使用一种新颖的模式匹配332技术来增强谐波现象并降低随机现象。使用在同步抽样基础上的每个基准点(datum)的加速度值的平均和/或中值来在几个发动机燃烧周期上以每个基准点为基础执行图形匹配。这降低了随机噪声、非循环谐波噪声以及在低于一个循环的谐波上的噪声。
模式匹配332的基本实现使用五个发动机循环用在元素“i”的输入矢量“X”的模式匹配输出一个值‘Y’Y(i)＝median(X(i-2*n)，X(i-n)，X(i)，X(i+n)，X(i+2*n))可选地，中值函数可以用均值函数代替。利用该均值上的中值，可以改善变为和脱离熄火的变化，以便边缘效应较小，但是均值也可以起作用。另外，可以对任意数量的循环完成模式匹配，而不仅仅是如上的五个。此外，模式匹配可以延续其他使用到两维或更多维以便用于其他应用。
模式匹配基本上把数据分为循环抽样，它们看上去每个循环相似。这可以增强每“n”个抽样重复的数据，同时降低不对应于‘n’个抽样的谐波的随机信号的振幅。典型地，在熄火分析中‘n’的值可以是一转中的抽样数量或一个循环中的抽样数量的两倍。模式匹配增强了每个循环(0.5级硬熄火)重复的数据和其他谐波，并且降低非周期性信号和随机信号。但是，为了模块322在熄火处理中最佳地起作用，必须使用高通滤波器328。
在一个替换实施例中，在FIR 322之前两个通道被分开，其中将看到进一步的改善，因为对那个模式结合特定的模式匹配或取消模块的感兴趣的阶数的进一步分离可以通过FIR滤波器的选择的应用来实现。
在一个优选实施例中，提供一个第三通道335来检测多个熄火，例如在一排中的两个气缸熄火或者在一个气缸组上的两次熄火。这些熄火类型提供了不同的加速度特征。加速度模块326可以是和前面相同的。非线性高通滤波器327可以不同，以便增加熄火感兴趣的阶数，如同模式匹配可以匹配多个熄火的那些模式。可选地，可以如上对感兴趣的阶数的进一步分离提供一个单独的FIR滤波器。在第一、第二或第三通道任一情况中，得到的加速度都提供给熄火检测模块334，以便确定滤波后的加速度是否指示熄火。
在现有技术中，对于实际的熄火检测，可以在加速度度量上使用窗峰检测。抽样窗可能包含加速度度量的一个小抽样。这些抽样代表与一个特定气缸的燃烧循环的一部分相关的角度位置，该燃烧循环不与其他气缸的点火事件重叠，以便所获取的加速度信号的行为与感兴趣的气缸相分离。在窗峰检测中，得到在窗口内的加速度，并且在每个气缸抽样窗内限定的最大负值幅度加速度与确定熄火的阈值相比较。
但是，在本发明中，不使用窗峰检测。取而代之的是，对熄火检测使用加速度抽样的加权/积分和内插。新颖的方面是在包含部分抽样(fractional sample)在内的任何宽度的任意曲轴旋转角上进行加速度的加权积分。
特别是，如下使用在‘I’元素的输入矢量‘x’的加权系数对抽样加权并积分以提供输出‘y’y(i)=Σj=1Nw(j)x(i-j+1)]]>
为熄火最可能发生的那些值提供较高的权重并根据经验确定它们。然后利用线性内插将该组值‘y’分样为较低的速率，该较低的速率不需要是输入矢量x的抽样速率的整数因子。应该认识到，也可以使用其它的内插方法(例如，最邻近，样条等)。执行该操作以便把高数据速率的信号分样为用于所有通道的熄火速率信号。内插的好处使本发明可通用于任意数量的发动机气缸。换句话说，可以根据任意的气缸数和/或偶数和奇数熄火使用每转任意数量的抽样。
例如，对于抽样速率为十八的V8发动机，使用现有技术，窗峰检测要求在一组(4，5，4，5...)的交替窗块(window block)内采用那些抽样。但是，对于本发明，对于具有抽样速率为十八的V8发动机，使用上述的加权和内插，其中N＝5，w＝(1，1，1，1，0.5)，被分样并且在抽样L+(0，4.5，9，13.5，18，22.5，27，31.5...)进行内插，其中L是为了使熄火期间减速值最大所校准的相位调整，在该点火率的熄火输出现在是均匀间隔抽样。
经过加权、积分以及内插的值然后与根据经验确定的阈值相比较来确定熄火。对于每个通道325、329、335，特定的加权和内插值可以不相同，以便分别增加周期性、随机和多次熄火的特定熄火模式。
上面本发明的加权校准具有比窗峰检测更多的含义，因为存在在曲柄角窗上的加速度积分，该曲柄角窗口可以与在活塞上的气缸压力执行的功相匹配。此外，本发明避免了混叠现象并且通过改善的信号调节和块的新颖排序提供了一个相对现有技术改进的幅度顺序的SNR。
对于IC发动机，燃烧性能的最基本测量之一是每次燃烧事件产生的功。该值通常在实验室环境中使用气缸内压力传感器测量在气缸上施加的气体压力以及计算产生的功来进行测量。标准来说，该值在本行业中称为指示平均有效压力。作为燃烧的基本测量，有许多有用的控制和诊断应用可以用于这种测量；但是，在生产应用中，使用气缸内压力传感器非常昂贵并且有许多可靠性考虑。例如，该值的测量能够使得以单个气缸为基础的控制来执行负载平衡，并且从而改善性能并降低噪声和振动。此外，可以从IMEP确定从燃烧产生的估计单个气缸扭矩。例如，每个气缸所做的功通常可以从下式确定功＝∫p·dv其中p是对于每个循环在气缸体积上积分的压力。但是，压力不能直接测量。但是，可以使用本发明的加速度测量来确定扭矩，然后如下使用它来计算功、功率以及IMEP。
加速度、扭矩以及活塞功(Work)通过运动方程式相互关联。对于关于固定轴的简单旋转系统来说，这种关系是扭矩和＝I*旋转加速度其中扭矩和包括输出轴转距以及从活塞功产生的扭矩，旋转加速度简单地是在时间上旋转速度中的变化(从前面得到的加速度抽样中确定)。I是有关旋转轴的惯性力矩。应该认识到，内燃机是一种复杂系统，因为I取决于角度，并且存在许多对该系统作用的力/扭矩(例如，摩擦、在曲柄中的弹力等等)，但是这些一般方程都成立，因为旋转加速度是扭矩的一种度量。例如，本发明把加速度计算为在角度变化上的旋转速度变化(dw/dθ)，但是在扭矩计算和在恒定速度上或者对于速度中有小变化的计算中所使用的加速度之间只有一个常数差(角速度，即dw/dt＝加速度是w*dw/dθ)。因此，上面的关系在加速度是扭矩/功的度量的表示中还是有效的，并且根据本发明的信号处理可以看作把在曲轴上测量的燃烧过程产生的扭矩或其损耗分离。
给定扭矩，功可以从下式确定功＝4π*扭矩和/Nc
其中Nc是发动机气缸的数量。随后，可以从下式确定功率功率＝Nc*功*N/2其中N是发动机转速。IMEP然后可以从下式得到IMEP＝2*功率/(Vd*N)其中Vd是发动机气缸工作容积。因此，本发明包括确定以下组中的一个或多个加速度被抽样后的功、功率、扭矩以及指示平均有效压力(IMEP)。应该认识到，可以使用上述度量(功、功率、扭矩，IMEP)中的任一个作为对各个气缸事件的控制变量。对于IMEP度量的许多其他使用在本领域中是公知。因此，本发明提供的可靠的成本合算的替换方案是非常合乎需要的。
在本领域中众所周知，以及通过使用角动量守恒的发动机系统动力理论所示，燃烧过程产生的功(IMEP)会导致曲轴的旋转速度的变化。上面的讨论说明了有关如何通过曲轴加速度的估计以及加权/积分和内插函数来执行曲轴旋转处理以便确定熄火。所计算的结果在每次发动机点火事件时产生了一个成比例的值，它可以与一个阈值相比来确定是否发生熄火。对于统一点火、非常平衡的发动机，所产生的成比例值消除了正常的曲轴旋转动力。此外，本发明从燃烧过程的带宽中消除了由于高频扭矩振动以及其他有害动力而产生的信号。此外，本发明消除了传动系统和驱动器的干扰。因此留下由于在模式取消通道中循环与循环的差异以及在模式匹配通道中重复的循环差异而产生的曲轴旋转信号，该信号是循环功或IMEP的估计。通过使用随机通道的成比例值，可以确定由于随机IMEP差异而产生的噪声振动和舒适度(NVH)的度量，并且模式匹配通道的成比例值指示循环重复的IMEP差异。可以如上所述或在现有技术中已知的那样使用这些度量(IMEP的估计)来控制和诊断。
实例使用来自负载＝满载的31％(加利福尼亚州空气资源委员会线(Line))、5600rpm发动机转速的V8发动机的数据来进行测试。引入的各种熄火包括硬熄火、随机熄火和多次熄火。加速度数据通过现有技术的中值滤波器熄火检测算法和使用两个熄火检测通道的本发明的优选实施例来运行。图5表示现有技术的相对加速度。图6表示根据本发明的相对加速度。在两个图中使用相同的代表性数据。具体是，在具有无熄火的正常操作的一个周期500随后是对八个气缸的每一个引入硬熄火的周期502。随后是引入随机熄火的周期504。然后是引入多次熄火(周期性成对气缸熄火)的周期506。
如所看到的，尽管本发明(图6)整体信号电平较低，但是SNR较高，这增强了熄火检测。例如，-0.3的阈值基本上可以检测所有熄火，但是-0.5的阈值也完全可以用。此外，现有技术(图5)有在一些气缸熄火接近噪声的气缸之间辨别熄火的麻烦，而本发明没有这种麻烦。进一步感兴趣的是，本发明能够辨别多熄火，而在现有技术中这些熄火淹没在噪声中并且无法检测。
总而言之，通过应用上述的方法，可以获得发动机加速度的信号表示的保真度(如同时根据分离因数和信噪比所测量的)中的显著改善。这包括根据与发动机和传动系统有关的变量幅度、持续时间以及频率振动来改善在很大动态范围上的信号保真度。由于这种改善，可以在比现有技术范围广的车辆运行条件上检测到发动机熄火，包括检测硬熄火、随机熄火以及多熄火。
此外，本发明可以具有除了熄火检测之外的应用，例如跟踪或排除由偏斜的不正常分布引起的干扰。此外，可以使用模式取消和模式匹配同时确定来自非循环噪声的循环随机和循环谐波信息。
虽然上面描述了本发明的特定部件和功能，但是本领域普通技术人员可以采用更少或更多的功能，这些都在本发明的广泛范围内。本发明应该仅仅受附随的权利要求的限定。
权利要求
1.一种用于检测往复内燃机的气缸熄火的方法，该方法包括以下步骤获取往复式发动机的加速行为的一串加速度数据表示；以足够获得直到所述加速度数据的四阶波动的速率对所述数据抽样以便得到加速度数据抽样；对所述抽样进行滤波以便提供带宽受限的抽样；将这些抽样提供给至少两个通道；在第一通道中对这些抽样进行模式匹配以便增强谐波现象并降低随机现象；在第二通道中对这些抽样进行模式取消以便增强随机现象并降低谐波现象；以及根据滤波后的加速度数据抽样的幅度来检测熄火。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤使用已加燃料修正和未加燃料修正来修正这些抽样。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括用于每个通道的第二滤波步骤，其中所述第二滤波步骤包括对这些抽样进行非线性高通滤波以便降低小于0.5阶的信号。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤使用中心差值算法从速度信息中计算加速度。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤在包括部分抽样在内的任何宽度的任意曲轴旋转角上对这些加速度抽样进行加权和积分，并且利用线性内插把这些抽样分样为较低的速率，所述较低的速率不需要是抽样速率的整数因子。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述检测步骤包括根据所检测的熄火把时间加权切尾均值加速度抽样从一个排序的中心值移位为平均值和中值之一。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述提供步骤包括提供三个通道，并且所述模式匹配步骤包括在该第一通道对所抽样的数据进行循环模式匹配以便增强硬熄火的检测，以及在第三通道中对于所抽样的数据使用不同的模式匹配以便增强多熄火的检测。
8.一种用于往复内燃机的熄火检测系统，该系统包括加速度测量装置，用于获取往复式发动机的加速行为的一串加速度数据表示；用于以足够获得直到所述加速度数据的四阶波动的速率对所述数据抽样以便得到加速度数据抽样的装置；用于对所述抽样滤波以便提供带宽受限的抽样的装置；用于对这些抽样进行模式匹配以便相对于随机现象增强谐波现象的装置；用于在该第二通道中对这些抽样进行模式取消以便相对于谐波现象增强随机现象的装置；以及用于根据滤波后的加速度数据抽样的幅度来检测熄火的装置。
9.如权利要求8所述的系统，进一步包括用于在包括部分抽样在内的任何宽度的任意曲轴旋转角上对这些加速度抽样进行加权和积分的装置，以及用于利用线性内插把这些抽样分样为较低的速率的装置，其中所述较低的速率不需要是抽样速率的整数因子。
10.如权利要求8所述的系统，其中用于检测的装置包括根据所检测的熄火把时间加权切尾均值加速度抽样从一个排序的中心值移位为平均值和中值之一的装置。
全文摘要
一种用于熄火检测的方法和系统，获取一个发动机的加速行为的一串加速度数据(302)表示。该数据以足够得到该数据的四阶波动的速率被抽样(304)以便得到加速度数据抽样。对这些抽样滤波(322)以便提供带宽受限的抽样，它们被提供给至少两个通道(325，329)。在第一通道中对这些抽样进行模式匹配(332)以便增强谐波现象并且在第二通道中进行模式取消(330)以便增强随机现象。根据滤波后的加速度数据抽样的幅度来检测(334)硬熄火和随机熄火。优选地，增加一个第三通道(335)来检测多熄火。
文档编号G06G7/70GK1717690SQ200480001033
公开日2006年1月4日 申请日期2004年7月9日 优先权日2003年8月8日
发明者刘贻樟, 理查德·J·吉尔伯特, 唐纳德·P·库尔特根, 杰弗里·D·内伯, 杨汉龙 申请人:摩托罗拉公司