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CN101813031B - 用于发动机爆震传感器的诊断系统和方法 - Google Patents

用于发动机爆震传感器的诊断系统和方法 Download PDF

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CN101813031B CN2009102169051A CN200910216905A CN101813031B CN 101813031 B CN101813031 B CN 101813031B CN 2009102169051 A CN2009102169051 A CN 2009102169051A CN 200910216905 A CN200910216905 A CN 200910216905A CN 101813031 B CN101813031 B CN 101813031B
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Abstract

本发明涉及用于发动机爆震传感器的诊断系统和方法。一种发动机控制系统包括产生发动机爆震信号的快速傅里叶变换(FFT)的数字信号处理(DSP)模块，所述发动机爆震信号由发动机爆震传感器产生。强度确定模块基于所述FFT的最大值和平均值中的其中一个确定出发动机爆震强度。状态确定模块基于所述发动机爆震强度、多个预定爆震强度阈值和发动机曲轴的转速确定所述发动机爆震传感器的状态。

Description

用于发动机爆震传感器的诊断系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年12月31日提交的美国临时申请No.61/141743的优先权。上述申请的内容通过参考全部并入本文。
技术领域
本发明涉及发动机传感器诊断，且更具体地涉及用于发动机爆震传感器的诊断系统和方法。
背景技术
这里提供的背景技术用于总体上介绍本发明的背景的目的。在本背景技术部分中所描述的程度上的当前所署名发明人的工作和本描述中否则不足以作为申请时的现有技术的各方面，既非明示地也非默示地被承认为与本发明相抵触的现有技术。
内燃机将空气通过进气管吸入进气歧管。空气与燃料混合以形成空气-燃料(A/F)混合物。A/F混合物在气缸内燃烧以驱动活塞，活塞可旋转地转动曲轴以产生驱动转矩。
在特定气缸中的A/F混合物可能在不合期望的时间燃烧。更具体地，A/F混合物的温度和/或压力可能超过临界水平。超过临界温度和/或压力可能引起A/F混合物先于火花塞的火花(即，希望的正时)自动地点燃。A/F混合物在不合希望的时间处的自动点燃可被称为“早燃”。
发动机早燃可导致发动机爆震。例如，发动机爆震可能是因气缸压力的快速增加引起的振动。在一段持续时间内的发动机爆震可导致例如对活塞、气缸环、和/或排气阀的损害。此外，发动机爆震可增加噪声/振动/声振粗糙度(NVH)。
发动机控制系统可包括不发火检测系统和/或确定发动机是否爆震以及何时爆震的爆震检测系统。因此，发动机控制系统可调节发动机操作来减少或防止发动机爆震。防止发动机爆震可改进发动机性能和/或车辆可驾驶性能。
发明内容
一种发动机控制系统，包括产生发动机爆震信号的快速傅里叶变换(FFT)的数字信号处理(DSP)模块，所述发动机爆震信号由发动机爆震传感器产生。强度确定模块基于所述FFT的最大值和平均值中的其中一个确定出发动机爆震强度。状态确定模块基于所述发动机爆震强度、多个预定爆震强度阈值和发动机曲轴的转速确定出所述发动机爆震传感器的状态。
一种方法包括产生由发动机爆震传感器产生的发动机爆震信号的快速傅里叶变换(FFT)、基于所述FFT的最大值和平均值中的其中一个确定出发动机爆震强度、以及基于所述发动机爆震强度、多个预定爆震强度阈值和发动机曲轴的转速确定出所述发动机爆震传感器的状态。
本发明进一步的适用范围将从下文提供的描述变得显而易见。应当理解本描述和特定例子仅旨在图示目的，并且不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图将更加全面理解本发明，其中，
图1是根据本发明的发动机系统的功能框图；
图2是根据本发明的控制模块的功能框图；
图3是根据本发明的爆震传感器诊断模块的功能框图；以及
图4是根据本发明的用于确定爆震传感器状态的方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示范性的并且决不是要限制本发明、应用或使用。清楚起见，在附图中使用相同的附图标记标识相似的元件。如这里所使用的短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为使用非排他逻辑“或”的逻辑(A或B或C)。应当理解在不改变本发明的原则时，可以以不同顺序执行方法内的步骤。
如这里所使用的，术语“模块”指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或者固件程序的处理器(共用的、专用的、或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能的其他适合部件。
典型的爆震检测系统可包括爆震传感器和爆震检测电路。此外，包括爆震传感器和爆震检测电路的专用爆震检测系统可被包含在发动机的每个气缸中。
爆震传感器可基于发动机爆震强度生成模拟电压信号。例如，较高的电压可涉及较强烈的发动机爆震。爆震检测电路可处理爆震信号。例如，爆震检测电路可处理爆震信号来确定最大的发动机爆震强度。为了简化目的，爆震传感器和爆震检测电路在下文被共同称为爆震传感器。
爆震传感器中的明线(即，开路)可导致爆震传感器故障。换句话说，开路可导致爆震传感器产生不正确的发动机爆震测量。因此，发动机控制系统可执行对爆震传感器的开路诊断来判定爆震检测电路是否具有明线(即，开路)。
典型的发动机控制系统可执行爆震信号的模拟处理来判定爆震传感器是否具有开路。例如，发动机控制系统可在各时间窗上对爆震信号取平均并且将平均值与预定阈值比较。然而，典型的爆震传感器的开路诊断可能不能用于所有的发动机运行条件。换句话说，典型的发动机控制系统因缓慢的信号处理和高的发动机曲轴每分钟转数(RPM)水平而不能检测某些开路。
现在参考图1，示出包括发动机12的发动机系统10。发动机12包括多个气缸14。可以理解虽然示出为6个气缸，但是还可使用3、4、5、8、10、12和16个气缸的实施方式。
空气被吸入发动机12并且通过由节气门20调节的进气管18被吸入进气歧管16。空气被分配到各个气缸14并且与来自燃料箱(未示出)的燃料结合。例如，通过多个燃料喷射器22可将燃料喷射进气缸14中。
气缸14中的空气和燃料(A/F)混合物由活塞(未示出)压缩并且通过多个火花塞24燃烧。A/F混合物的燃烧驱动活塞(未示出)，活塞旋转地转动曲轴26以产生驱动转矩。发动机速度传感器28测量曲轴26的旋转速度(RPM)。废气可通过排气歧管30和排气系统32排离气缸14。
控制模块34调节发动机12的运行。仅举例，控制模块34可控制节气门20和燃料喷射器22来控制发动机12中的A/F比。仅举例，控制模块34可控制火花塞24来控制发动机12的点火正时。
爆震传感器36基于因燃烧引起的发动机12的振动生成爆震信号。仅举例，爆震传感器36可包括生成模拟电压信号的加速计。虽然示出一个爆震传感器36，但是还可实施多个爆震传感器。例如，对于每个气缸14可实施一个爆震传感器36来分别测量各个气缸14的振动。
控制模块34接收来自爆震传感器36的爆震信号以及来自发动机速度传感器28的发动机RPM。控制模块34还执行爆震信号的数字信号处理(DSP)来确定爆震传感器36是否具有开路。控制模块34然后可基于爆震传感器36的状态改变发动机12的操作。例如，控制模块34可基于爆震传感器36的状态致动燃料喷射器22和火花塞24。
现在参考图2，更详细地示出控制模块34。控制模块34接收来自爆震传感器36的爆震信号。控制模块34还包括电子稳定控制(ESC)传感器模块50。仅举例，ESC传感器模块50可生成与爆震信号相似的噪声/振动/声振粗糙度(NVH)信号。
差分输入模块52接收爆震信号和NVH信号。差分输入模块还可在低发动机RPM水平下将预定噪声信号添加到爆震信号和/或NVH信号。仅举例，差分输入模块52在发动机曲轴速度小于3000RPM时可加入20kHz的噪声信号。在低发动机RPM水平下加入预定噪声信号可改进爆震传感器36和/或ESC传感器模块50的诊断的精确度。
差分输入模块52然后可输出爆震信号和NVH信号中的其中一个。例如，如果要在ESC传感器模块50上执行诊断，那么差分输入模块52可将NVH信号输出到ESC传感器诊断模块54。ESC传感器诊断模块54然后可执行ESC传感器模块50的诊断。否则，差分输入模块52可输出用于爆震控制和/或爆震传感器诊断的爆震信号。
模拟滤波模块56接收爆震信号。模拟滤波模块56执行对爆震信号的模拟滤波。仅举例，模拟滤波模块56可以是具有临界频率(Fc)为25Hz的一阶模拟滤波器。
增益/衰减模块58接收经滤波的爆震信号。增益/衰减模块58可将增益作用到经滤波的爆震信号。增益/衰减模块58还可衰减经滤波的爆震信号。仅举例，增益爆震信号或衰减爆震信号可改进爆震传感器36的诊断精确度。
模数转换模块60接收来自增益/衰减模块58的信号。模数转换模块60将接收到的信号(即，模拟输入信号)转换成数字信号。例如，模数转换模块60可生成具有最小长度的数字信号。仅举例，最小长度可以为10比特(bit)。缓冲器模块62接收数字信号。缓冲器模块62在数字信号处理(DSP)之前缓冲数字信号。
浮点转换模块64接收经缓冲的数字信号。浮点转换模块64将经缓冲的数字信号转换为浮点数阵列。换句话说，浮点转换模块64生成相应于经缓冲的数字信号的二进制数字串。
数字滤波模块66接收浮点数阵列。数字滤波模块66执行浮点数阵列的数字滤波(即，DSP)。仅举例，数字滤波模块66可包括具有临界频率(Fc)为20Hz的四阶椭圆无限冲激响应(IIR)滤波器。仅举例，替代地，数字滤波模块66可包括串联的两个二阶椭圆IIR滤波器。实施两个串联的IIR滤波器可改进系统稳定性。
抽取模块68接收经滤波的数字信号。抽取模块68减少经滤波的数字信号的样本数。例如，抽取模块68可执行低通抗混叠滤波并然后执行向下采样。仅举例，抽取模块68可向下采样经过滤波的数字信号到50kHz。
偏置消除模块70接收经抽取的数字信号。偏置消除模块70消除信号偏置。例如，偏置消除模块70可消除来自经抽取的数字信号的直流(DC)偏置。由偏置消除模块70生成的信号下文可被称为经处理的爆震信号。
FFT模块72接收经处理的爆震信号。FFT模块72产生经处理的爆震信号的一个或多个快速傅里叶变换(FFT)。仅举例，FFT模块72可产生128点或256点FFT。FFT模块72可产生相应于多个发动机RPM水平的多个FFT。FFT模块72还可产生相应于最大强度的频率范围的FFT。此外，FFT模块72可基于经处理的爆震信号的长度(即，爆震窗)产生一个以上的FFT。换句话说，较长的经处理的爆震信号可需要一个以上的FFT。
定标模块74接收来自FFT模块72的一个或多个FFT。定标模块74对一个或多个FFT进行定标。例如，定标模块74可对一个或多个FFT定标以改进爆震传感器36的爆震检测以及控制和/或诊断的精确度。缓冲器模块76接收一个或多个经定标的FFT。缓冲器模块76在爆震传感器36的爆震检测以及控制和/或诊断之前缓冲一个或多个经定标的FFT。
爆震检测模块78接收一个或多个经缓冲的FFT。爆震检测模块78基于一个或多个经缓冲的FFT检测发动机爆震。换句话说，爆震检测模块78可基于一个或多个经缓冲的FFT确定发动机爆震水平。仅举例，爆震检测模块78可在发动机爆震水平超过预定发动机爆震阈值时产生爆震控制信号。
爆震控制模块80接收爆震控制信号并且基于发动机爆震信号控制各种发动机参数。例如，爆震控制模块80可基于发动机爆震信号控制燃料喷射器22和/或火花塞24。
爆震传感器诊断模块82还接收一个或多个经缓冲的FFT。爆震传感器诊断模块82基于一个或多个经缓冲的FFT确定爆震传感器36的状态。首先，爆震传感器诊断模块82可基于一个或多个经缓冲的FFT确定发动机爆震水平。仅举例，爆震传感器诊断模块82可在发动机爆震水平介于预定低阈值和预定高阈值之间时确定出爆震传感器36故障(即，开路)。
如果爆震传感器诊断模块82确定出爆震传感器36故障，那么控制模块34可执行开环爆震控制。换句话说，控制模块34可基于除了爆震传感器36之外的输入控制发动机爆震。例如，控制模块34可基于预定设置和/或除了爆震传感器36之外的传感器输入致动燃料喷射器22和/或火花塞24。仅举例，其他传感器输入可以是排气流中的氧传感器。
现在参考图3，更详细地示出爆震传感器诊断模块82。爆震传感器诊断模块82可包括强度确定模块100、故障确定模块110、故障计数模块120和状态确定模块130。
强度确定模块100接收一个或多个经缓冲的FFT。一个或多个经缓冲的FFT每个都包括相应于多个频率的多个爆震强度。强度确定模块100产生最大强度和平均强度中的其中一个。例如，强度确定模块100可选择频率范围内的最大强度。此外，强度确定模块100可在频率范围上对多个强度取平均。
故障确定模块110接收最大强度或平均强度，下文中被称为爆震强度。故障确定模块110将爆震强度与预定爆震强度阈值进行比较。例如，预定爆震强度阈值可每个都包括低强度阈值和高强度阈值。仅举例，预定爆震强度阈值可存储在查询表中。此外，预定爆震强度阈值可基于发动机RPM改变。例如，预定爆震强度阈值可随发动机RPM增大而增大。
故障确定模块110确定爆震强度是否介于相应的低强度阈值与相应的高强度阈值之间。如果是，故障确定模块110输出故障信号。故障确定模块110可连续操作并因此可在预定持续时间内超过一次地输出故障信号。仅举例，故障确定模块110可在低分辨率压缩事件期间输出故障信号。换句话说，故障确定模块110可在发动机爆震为最小时在燃烧之后输出故障信号。
故障计数模块120接收故障信号。仅举例，故障计数模块120可进一步包括X/Y型计数器。故障计数模块120对在预定持续时间期间接收到的多个故障信号计数。仅举例，预定持续时间(即，报告间隔)可以是100毫秒。在报告间隔期间的故障数量此后可被称为故障计数。因此，故障计数模块120确定在报告间隔期间的故障计数并且在报告间隔之后输出故障计数。
状态确定模块130接收故障计数并且确定爆震传感器36的状态。例如，当故障计数大于预定故障计数阈值时，状态确定模块130可确定出爆震传感器36故障。因此，状态确定模块130可产生低(即，故障)状态信号。
然而，当故障计数小于或等于预定故障计数阈值时，状态确定模块130可确定出爆震传感器36正常工作。因此，状态确定模块130可产生高(即，正常)状态信号。
现在参考图4，表示控制模块34的操作方法的流程图在步骤200中开始。在步骤202中，控制模块34执行爆震信号的数字信号处理(DSP)并且基于经处理的爆震信号产生一个或多个快速傅里叶变换(FFT)。在步骤204中，控制模块34产生并选取最大发动机爆震强度和平均发动机爆震强度中的其中一个。
在步骤206中，控制模块34将所选取的发动机爆震强度与相应于预定爆震强度阈值的低强度阈值和高强度阈值比较。如果发动机爆震强度介于低强度阈值和高强度阈值之间，那么控制进行到步骤208。如果否，则控制进行到步骤210。
在步骤208中，控制模块34递增故障计数。在步骤210中，控制模块34确定报告时间间隔是否终止。仅举例，报告时间窗可以是100毫秒。如果是，则控制进行到步骤212。如果否，则控制返回到步骤204。
在步骤212中，控制模块34确定故障计数是否超过预定故障计数阈值。如果否，则控制进行到步骤214。如果是，控制进行到步骤218。在步骤214中，控制模块34确定爆震传感器36正常运行。在步骤216中，控制模块34基于发动机爆震信号致动燃料喷射器22和/或火花塞24，并且控制在步骤222中结束。
在步骤218中，控制模块34确定爆震传感器36故障(即，开路)。在步骤220中，控制模块34基于预定设置或除了爆震传感器36之外的传感器输入致动燃料喷射器22和/或火花塞24。例如，其他传感器输入可以是排气流中的氧传感器。控制然后在步骤222中结束。
从前面描述现在本领域技术人员可理解本发明的广泛教导可以以各种形式实施。因此，虽然本发明包括具体例子，但是本发明的真正范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求的技术上，对于本领域技术人员来说其他修改将变得显而易见。

Claims (20)

1.一种发动机控制系统，所述发动机控制系统包括：
产生发动机爆震信号的快速傅里叶变换(FFT)的数字信号处理(DSP)模块，所述发动机爆震信号由发动机爆震传感器产生；
基于所述快速傅里叶变换的最大值和平均值中的一个确定出发动机爆震强度的强度确定模块；以及
基于所述发动机爆震强度、多个预定爆震强度阈值和发动机曲轴的转速确定所述发动机爆震传感器的状态的状态确定模块。
2.如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述预定爆震强度阈值基于所述发动机曲轴的转速。
3.如权利要求2所述的发动机控制系统，其特征在于，所述多个预定爆震强度阈值包括多个低强度阈值和多个高强度阈值。
4.如权利要求3所述的发动机控制系统，其特征在于，当所述发动机爆震强度介于所述低强度阈值之一与所述高强度阈值之一之间时，所述发动机爆震传感器的状态被设定为故障。
5.如权利要求4所述的发动机控制系统，其特征在于，当所述发动机爆震传感器的状态在预定时间间隔期间被设定为故障时，故障计数递增。
6.如权利要求5所述的发动机控制系统，其特征在于，在所述预定时间间隔之后，所述故障计数被输出并且被重新设定为零。
7.如权利要求6所述的发动机控制系统，其特征在于，还包括：
爆震控制模块，当所述故障计数小于或等于预定故障计数阈值时，所述爆震控制模块基于所述发动机爆震信号致动多个燃料传感器和多个火花塞中的一个或多个。
8.如权利要求1所述的发动机控制系统，其特征在于，所述快速傅里叶变换包括对应于多个频率范围的多个子集。
9.如权利要求8所述的发动机控制系统，其特征在于，每个所述子集都包括对应于多个频率的多个强度。
10.如权利要求9所述的发动机控制系统，其特征在于，所述强度确定模块基于与所述子集中的其中一个对应的强度的最大值和平均值之一确定所述发动机爆震强度。
11.一种方法，所述方法包括：
产生由发动机爆震传感器产生的发动机爆震信号的快速傅里叶变换(FFT)；
基于所述快速傅里叶变换的最大值和平均值中的一个确定发动机爆震强度；以及
基于所述发动机爆震强度、多个预定爆震强度阈值和发动机曲轴的转速确定所述发动机爆震传感器的状态。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预定爆震强度阈值基于所述发动机曲轴的转速。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个预定爆震强度阈值包括多个低强度阈值和多个高强度阈值。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述发动机爆震强度介于所述低强度阈值中的一个与所述高强度阈值中的一个之间时，设定所述发动机爆震传感器的状态为故障。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述发动机爆震传感器的状态在预定时间间隔期间被设定为故障时，递增故障计数。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述预定时间间隔之后，输出所述故障计数；以及
在所述预定时间间隔之后，重新设定所述故障计数为零。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述故障计数小于或等于预定故障计数阈值时，基于所述发动机爆震信号致动多个燃料传感器和多个火花塞中的一个或多个。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述快速傅里叶变换包括对应于多个频率范围的多个子集。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，每个所述子集都包括对应于多个频率的多个强度。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：
基于与所述子集中的其中一个相对应的强度的最大值和平均值中的一个确定所述发动机爆震强度。
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