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CN105298669B - 检测内燃机中供给燃料不平衡的方法和设备以及控制模块 - Google Patents

检测内燃机中供给燃料不平衡的方法和设备以及控制模块 Download PDF

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CN105298669B CN201510282209.6A CN201510282209A CN105298669B CN 105298669 B CN105298669 B CN 105298669B CN 201510282209 A CN201510282209 A CN 201510282209A CN 105298669 B CN105298669 B CN 105298669B
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Abstract

检测内燃机中供给燃料不平衡的方法和设备以及控制模块。所述方法包括接收关于针对以循环速率操作的发动机的发动机排气的氧含量的数据。执行包括关于所接收到的氧含量数据的滤波操作的频率分量分析。以发动机或它的谐波的循环速率执行滤波，以获得滤波的氧含量数据。接着，所述方法/系统确定以下中的至少一个：1)所述发动机的一个或多个角度，在所述一个或多个角度所述滤波的氧含量数据展示了相对于在其他角度的幅值的第一幅值特性；以及2)通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据的形状。接着，所述方法/系统响应于所确定的所述一个或多个角度和所述数据的形状中的至少一个来识别经历供给燃料不平衡的汽缸。

Description

检测内燃机中供给燃料不平衡的方法和设备以及控制模块
技术领域
本发明通常涉及用于控制内燃机的系统，并且更具体地涉及用于检测和控制内燃机中汽缸与汽缸不平衡的系统。
背景技术
在内燃机中，通常有必要控制在内燃机中燃烧的混合气体中空气和燃料的混合比，以控制空气-燃料比。这种控制提供了存在于废气中的有害成分的有效的催化净化。如果提供恰好足够的空气以完全地燃烧所有的燃料，则该比例被熟知作为化学计量混合物。为了执行这种空气-燃料比的控制，在内燃机的废气通道中设置有空气-燃料比传感器，并且实施反馈控制，如此使得将由传感器检测到的空气-燃料比与预定的目标空气-燃料比匹配。
在多缸的内燃机中，通常通过对于所有的汽缸使用相同的控制量来执行空气-燃料比控制。因此，即使当实施空气-燃料比的控制时，实际的空气-燃料比可以在汽缸之间变化。此外，当提供给每个汽缸的加燃料可以被调整和控制为针对多个汽缸是相同的时，其他的因素可以有助于引起汽缸间的不一致。这种其他因素包括诸如充入(空气+任何再循环的排气)成分、喷射定时的启动、以及汽缸/活塞几何结构。
这种汽缸间的不平衡具有引起转矩脉动、降低效率、以及增加排放和部件磨损的可能。
因此，所需要的是一种系统，该系统用于检测汽缸之间的不平衡，并接着采取积极的措施以减少不平衡。
发明内容
简言之，在一个示例中，提供了一种检测在内燃机中供给燃料不平衡的方法。该方法包括接收关于针对发动机以循环速率操作的发动机排气的氧含量的数据。该方法也包括执行频率分量分析，该分析包括关于所接收到的氧含量数据的滤波操作。以发动机的循环速率或其谐波执行滤波，以获得滤波的氧含量数据。接着，该方法确定以下中的至少一个：1)所述发动机的一个或多个角度，在所述一个或多个角度所述滤波的氧含量数据展示了相对于在其他角度的幅值的第一幅值特性；2)通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据的形状。接着，该方法响应于所确定的所述一个或多个角度和所述数据的形状中的至少一个来识别经历供给燃料不平衡的汽缸。
在另一个示例中，提供了用于检测内燃机中供给燃料不平衡的设备，该设备包括：氧传感器，其能够检测以循环速率操作的发动机的发动机排气中的氧含量；频率分析器，其能够接收来自所述氧传感器的数据，并且以取自由所述发动机的所述循环速率及其谐波组成的组的一个或多个频率对所接收的数据进行滤波，以获得滤波的氧含量数据；以下各项中的至少一个：1)角度确定器，所述角度确定器能够确定所述发动机的一个或多个角度，在所述一个或多个角度所述滤波的氧含量数据展示了相对于在其他角度的幅值的第一幅值特性；2)形状分析器，所述形状分析器能够确定由通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据所定义的曲线的形状；以及不平衡检测器，所述不平衡检测器能够响应于来自所述角度确定器和所述形状分析器的至少一个的输出来确定经历供给燃料不平衡的汽缸。
在又一个示例中，提供了发动机控制模块，该发动机控制模块包括具有非暂时的指令的存储器，当所述发动机控制模块解读该非暂时的指令时，使得所述模块：接收关于以循环速率操作的发动机的发动机排气中的氧含量的数据；执行频率分量分析，该步骤包括以取自由所述发动机的所述循环速率及其谐波组成的组的一个或多个频率对所接收的氧含量数据进行的滤波操作，以获得滤波的氧含量数据；确定以下中的至少一个：1)所述发动机的一个或多个角度，在所述一个或多个角度所述滤波的氧含量数据展示了相对于在其他角度的幅值的第一幅值特性；以及2)通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据的形状；以及响应于所确定的所述一个或多个角度和所述数据的形状中的至少一个来识别经历供给燃料不平衡的汽缸。
附图说明
图1是用于控制汽缸间不平衡的系统的一个示例性的实施方式的图示；
图2是图1的控制计算机的一些内部特征的一个示例性的配置的框图，因为他们涉及控制汽缸间的不平衡；
图3是例示了操作图2的控制计算机的逻辑块的流程图；以及
图4是由图1的控制计算机所利用的频率分量数据的示例性的图形表示。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的多个实施例，并且将使用特定的语言对其进行描述。然而，应该理解的是，并不意在对本发明的范围进行限制。
现在参考图1，示出了用于控制内燃机中汽缸间不平衡的系统10的一个示例性实施方式的图示。系统10包括具有进气歧管14的内燃机12，其中，进气歧管14经由进气管道20示例性地、流体地耦接到涡轮增压器18的压缩机16的出口，其中，压缩机16包括耦接到进气管道22的用于从那里接收新鲜的环境空气的压缩机进口。涡轮增压器压缩机16经由驱动轴28被机械地并且可旋转地耦接到可变几何涡轮增压器涡轮26，其中，涡轮26包括经由排气管道流体地耦接到发动机12的排气歧管30 的涡轮入口，并且还包括经由排气管道34流体地耦接到周围环境的涡轮出口。EGR 阀36被设置为与EGR管道38在一条线上，EGR管道38的一端流体地耦接到进气管道20并且另一端耦接到排气管道32。发动机12说明性地包括多个汽缸，包括第一汽缸108和第二汽缸112。第一汽缸108和第二汽缸112包括由机轴106驱动的各自的第一活塞101和第二活塞103。应当理解的是，汽缸108和汽缸112、活塞101 和活塞103、以及机轴106以一种已知的方式操作，使得汽缸108和汽缸112内的受控制的燃料的点火将压力传递给活塞101和活塞103，这引起机轴106的旋转。机轴 106通过360度的旋转行程。
通过建立任意的0度位置并且接着定义相对于该0度位置(CP)的机轴106的旋转位置来定义机轴106的旋转位置(角位置)。因此，在从0度位置行进了一半的旋转之后，机轴106将被认为位于180度位置。一整套的发动机(四冲程发动机)的周期包含机轴的两个全程旋转。因此，在一整套的周期，机轴行进(旋转)了720 度。因此，由机轴的位置以及发动机正经历的(两个)旋转来定义“发动机角度”。因此，发动机角度被定义为0和720度之间的角度，其中，第一个360度代表机轴的第一个旋转，并且角度360-720代表机轴的第二个旋转。传感器49例示性地检测旋转的机轴位置(CP)，并且在信号路径51上输出旋转位置的信号指示。传感器49 例示性地是针对机轴位置的角度确定器。这个信号被用于同其他输入一起确定发动机角度。因此，上述控制计算机42接收这种输入，并且也包括逻辑块，该逻辑块是可操作以确定发动机角度的角度确定器。
系统10包括通常可操作以控制和管理发动机12的整体操作的控制计算机42。控制计算机42包括存储单元45以及多个用于与各种被耦接到发动机12的传感器和系统相互作用的输入端和输出端。在一个实施方式中，控制计算机42是基于微处理器的，并且可以是被称为电子的或发动机控制模块(ECM)、电子的或发动机控制单元(EMU)等的已知的控制单元，或另选地可以是能够如下文描述的进行操作的通用控制电路。在任何情况下，控制计算机42包括一个或多个用于控制汽缸间不平衡的控制算法，将在下文中更详细地进行描述。
控制计算机42包括用于从各种与系统10相关的传感器或感测系统接收信号的多个输入端。例如，系统10包括通过信号路径50电连接到控制计算机42的发动机转速输入端的发动机转速传感器ES 48。发动机转速传感器48是可操作的以感测发动机12(的机轴106)的旋转速度，并且在信号路径50上产生指示发动机旋转速度的相应的发动机转速信号。在一个实施方式中，传感器48是霍尔效应传感器，其能够操作以通过感测通道(因而，在齿轮或音轮上形成的若干等角间隔的齿)确定发动机转速。另选地，发动机转速传感器48可以是任何其他已知的传感器，如刚刚描述的能够操作包括(但不限于)可变磁阻传感器等的传感器。
系统10还可以包括发动机排气参数传感器74，其被设置成与排气导管32流体连通(fluid communication)，并且通过信号路径76被电连接到控制计算机42的发动机排气参数输入端OX，如图1所示。发动机排气参数传感器74示例性地是提供排气中氧含量的指示的氧传感器。另选地，传感器74可以被设置为与排气歧管30 直接通信。不论哪种情况，传感器74是可操作的以在信号路径76上提供指示由发动机12产生的排气的信号。
控制计算机42也包括多个用于控制一个或多个与系统10相关的发动机功能的输出端。
系统10还另选地包括涡轮26，该涡轮26是通常显示为82的可变几何涡轮增压器(VGT)机制的一部分，该可变几何涡轮增压器(VGT)机制对来自控制计算机42的VGT控制信号VGTC做出响应。VGT机制82可以以已知的方式被实现为可控制的机械的机制或电机械的机制的任何组合，来修改涡轮增压器涡轮26的有效的几何形状。因此，控制计算机42是可操作的、以已知的方式控制VGT 82来选择性地控制涡轮增压器18的临界流量(swallowingcapacity)和/或效率。
系统10还包括通过数字为K的信号路径88(其中，K可以是任何正整数)电连接到控制计算机42的燃料指令输出端FC的燃料系统86。燃料系统86对由控制计算机42产生的燃料指令FC做出响应，以已知的方式向发动机12供应燃料。在一个示例中，K等于发动机12中汽缸的数目。因此，在本示例中，K至少是2，使得汽缸 108、112各自能够通过控制信号沿着它自己的信号路径88被独立地供给燃料。
现在参考图2，示出了图1的控制计算机42的某些内部特征的一个示例性的配置的框图，因为他们涉及控制汽缸不平衡。控制计算机42包括默认的供给燃料逻辑块102，接收作为输入的许多发动机操作条件值EOC，发动机操作条件值EOC包括例如，如本领域中已知的发动机转速以及其他发动机操作参数。块102响应于发动机操作条件值EOC的数目，以确定多个供给燃料参数(包括质量燃料流速值以及启动燃料喷射定时值)，并且根据这些不同的供给燃料参数来计算默认的供给燃料命令 FCD，所有这些都是以本领域已知的方式。默认的供给燃料逻辑块102是可操作的以向最终的供给燃料逻辑块提供供给燃料命令FCD。
排气参数和发动机角度关联逻辑块100具有机轴位置输入端CP(或发动机位置输入端)，接收信号路径51上的机轴位置信号以及路径76上的排气参数信号(说明性地，氧含量Ox)(块300)。排气参数和发动机角度关联逻辑块100是可操作的 (如将在下文中更充分地描述)，以确定排气参数Ox、接收机轴位置数据CP、并且将这两个输入端关联，使得在它们之间具有逻辑关联。应当理解的是，所述关联可以包括处理，诸如，由于排气传感器位于汽缸的下游或者传感器在测量排气参数中具有关联的延迟和动态特性，或对于排气的变化通常对于发动机角度是反应的，在识别到发动机角度可以具有关于排气的任何影响可以被延迟时，将时间偏移应用于一个信号 (诸如，排气参数)。在某些实施方式中，发动机转速(ES)被用于确定所述关联。在其他实施方式中，机轴位置信号中的变化(dCP)被用作发动机转速的指示。因此，所述关联可以是施加于一个输入端的静态偏移、施加于输入端的变化的偏移或其他方式中的一个。不管如何进行关联，一旦正确地关联(校准)，所述关联的信号(Ox(CP))被提供在块100的输出端Ox(CP)。信号Ox(CP)是说明性地一组值，其包含排气氧含量值和产生关联的排气氧含量值的关联的发动机角度。
控制计算机42还包括频率分析逻辑块104(“频率分析器”)，该频率分析逻辑块104具有接收所述关联信号Ox(CP)和发动机转速ES的输入端。应当理解的是，当某些输入被描述为将要到块100并且在被提供给块104之前被处理时，可预见某些实施方式，其中，每个块100、104的功能被组合成单个块，和/或在两个块之间共享和 /或移动某些功能。块中各种功能的分组意味着仅是示例性的而非限制性的。在一个实施方式中，如将在下文中更详细地描述，频率分析逻辑块104被配置成根据其至少某些输入变量来产生一个或多个输出信号，以转发到不平衡确定逻辑110。频率分析逻辑块104执行对于关联的信号Ox(CP)的频率分析(块310)。在一个实施方式中，频率分析逻辑块104根据发动机转速信号确定发动机的循环频率。频率分析逻辑块 104接着以循环频率对关联的信号Ox(CP)滤波。在其他实施方式中，以循环频率的谐振频率对关联的信号Ox(CP)滤波。在一个实施方式中，这个滤波通过带通滤波器(诸如，陷波滤波器)实施。这个分析提供关于排气成分和发动机角度之间的关系的(滤波的)频率分量数据。在一个实施方式中，频率分量数据被处理成产生滤波的氧含量的均方根数据和/或幅度数据。
接着，输出这个频率分量。图4示出了输出频率分量数据的一个实施方式的示例性例示。应当理解的是，提供了图4的图形特性是为了便于理解。图4实际上示出了表示四组测量值的四条“曲线”。控制计算机42不需要产生这种图形表示。在一个实施方式中，将均方根数据与阈值进行比较，并且基于具有大于阈值的值的均方根数据有条件地执行其进一步的处理。此外，可以预见这样的实施方式，其中，在定义的时间周期(或循环次数)内的均方根数据的运行平均值被使用并且与阈值而不是瞬时值进行比较。
控制计算器42还包括从逻辑块104接收频率分量数据的不平衡确定逻辑块110。不平衡确定逻辑块110被配置成处理所接收到的频率分量数据，并且从而确定是否指示汽缸108、112之间的不平衡(“不平衡检测器”)。不平衡确定逻辑块110还用作变化分析器，该变化分析器能够产生经滤波的排气参数数据中变化的量级的统计测量。在第一实施方式中，分析频率分量数据以确定其幅度特性(块320)。在一些实施方式中，分析频率分量数据以确定数据点中具有最大幅度或最小幅度的点。再有，可以分析频率分量数据以确定幅度是0的位置(或阈值距离0内，或最接近于数据点 0)。所述分析根据频率分量数据提供一个或多个发动机角度连同幅度数据。接着，所确定的点用于识别一个或多个正经历不平衡的汽缸(块340)。应当理解的是，虽然图1仅示出两个汽缸，但是发动机12经常具有更多(4、6、8、10、12等)，使得当一个或多个汽缸相对于其他汽缸是不平衡的时候，许多汽缸可以被平衡。
通过将所确定的点与将所提供的角度与一个或多个汽缸关联的查找表进行比较来例示性地实现一个或多个汽缸的识别。另选地，利用公式或其他将发动机角度与汽缸关联的方式。应当理解的是，通过有目的地引入不平衡并且注意到他们对排气参数的影响的实验获得这种表格或公式。在一个实施方式中，通过主动地改变每个汽缸中的供给燃料以及确定对所观察到的幅度最敏感的点来实现将发动机角度与汽缸不平衡模式相关联。为了获得更好的信噪比特性，可以在特定的频率改变燃料并且可以确定对于在相同频率的输出的灵敏度。此外，当执行这个实验以进一步提高信噪比时，某些汽缸会被停用。在本说明性的示例中，数据的幅度指示不平衡的严重程度。在一个实施方式中，数据的幅度被比作阈值。基于具有大于阈值的值的最大幅度，有条件地执行数据的进一步处理。
根据第二实施方式，不平衡确定逻辑块110，从频率分析逻辑块104接收的频率分量数据被处理成执行关于由数据提供的曲线的形状分析(块330)。形状分析例示性地是模式匹配的一种形式。在形状分析的第一实施方式中，这种形状分析是将该曲线与一个或多个参考曲线进行比较和获得描述其间的累积差异的均方根值或用来描述它们之间的相似性的点积中的一个。在形状分析的第二实施方式中，这种形状分析利用神经网络类型应用以将频率分量数据与经历不平衡的汽缸关联。在一个实施方式中，通过以预定的发动机角度对所提供的数据进行采样来执行形状分析。再有，通过提供平衡的和不平衡的频率分量数据的示例来训练形状分析应用。用于形状分析的其他实施方式包括线性判别分析和支持向量机的使用，以适当地转换信号，并且接着识别不平衡模式。在一个实施方式中，模式匹配产生指示对于滤波的排气参数含量数据的形状的匹配程度的值，并且基于具有大于阈值的值的匹配程度，有条件地执行进一步处理。在确定了经历不平衡的汽缸以及不平衡的严重程度之后，将这个数据从不平衡确定逻辑110输出到供给燃料变更逻辑块107。
供给燃料变更逻辑块107接收关于不平衡的数据，并且确定供给燃料变更以减小和/或消除不平衡。应当理解的是，在一些实施方式中，供给燃料变更逻辑块107采用阈值测试，使得如果不平衡的严重程度较小或在阈值以下，则不采取校正动作。在这些实施方式和/或所提供的不平衡数据需要改变供给燃料的情况下，将供给燃料变更值(FCA)从供给燃料变更逻辑块107输出到最终的供给燃料逻辑块。
最终的供给燃料逻辑块接收FCD和FCA，并且确定(诸如，通过增加)最终的供给燃料命令(FC)，该供给燃料命令(FC)经由信号路径88被输出到燃料系统 86。燃料系统86响应于供给燃料命令FC，以如上所述地将燃料供应给发动机12。
对于发动机12的在本文描述作为被量出的任何值，应当理解的是，这种值可以被估计或计算来代替直接地通过本领域已知的各种方式进行测量。
已经呈现了上面详细的描述以及其中描述的示例仅为了说明和描述的目的而不是为了限制。例如，所描述的操作可以以任何适当的方式进行。该方法步骤可以以任何适当的次序进行，而仍然提供所描述的操作和结果。因此，可以预期的是，本实施方式覆盖任何和所有落在上面所公开的基本原理和在此要求保护的内容的精神和范围之内的修改、变化或等价物。

Claims (15)

1.一种检测内燃机中供给燃料不平衡的方法，所述方法包括以下步骤：
接收关于针对以循环速率操作的发动机的发动机排气的氧含量的数据；
执行频率分量分析，所述分析包括以一个或多个频率对所接收的氧含量数据进行的滤波操作，所述一个或多个频率取自由所述发动机的所述循环速率及其谐波组成的组，以获得滤波的氧含量数据；
确定通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据的形状；
对所述滤波的氧含量数据的所确定的形状进行模式匹配分析，以及
响应于所确定的所述数据的形状来识别经历供给燃料不平衡的汽缸，其中，所述模式匹配分析产生指示对于所述滤波的氧含量数据的形状的匹配程度的值，并且基于具有大于阈值的值的所述匹配程度的值来有条件地执行所述确定和所述识别。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括处理所述滤波的氧含量数据，以获得所述滤波的氧含量数据的均方根数据和幅度数据中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述均方根数据与阈值进行比较，并且基于具有大于所述阈值的值的均方根数据有条件地执行所述确定和所述识别。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用从线性判别分析和支持向量机的组中选出的模型执行所述模式匹配。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括向所识别的汽缸发出校正的供给燃料命令。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
识别所述滤波的氧含量数据的最大幅值；并且
将所述最大幅值与阈值进行比较，基于具有大于阈值的值的所述最大幅值有条件地执行所述确定和所述识别。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
选择性地操作少于所有可用的汽缸，使得所接收的排气氧含量数据反映由当少于所有可用的汽缸在工作时的时间引起的氧含量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，第一汽缸中的供给燃料被修改，使得在所述滤波的氧含量数据中的相应变化被注意到，以识别在不平衡和所述滤波的氧含量数据之间的关联。
9.一种用于检测内燃机中供给燃料不平衡的设备，所述设备包括：
氧传感器，所述氧传感器能够检测以循环速率操作的发动机的发动机排气中的氧含量；
频率分析器，所述频率分析器能够接收来自所述氧传感器的数据，并且以一个或多个频率对所接收的数据进行滤波，所述一个或多个频率取自由所述发动机的所述循环速率及其谐波组成的组，以获得滤波的氧含量数据；
形状分析器，所述形状分析器能够确定由通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据所定义的曲线的形状；以及
不平衡检测器，所述不平衡检测器能够响应于来自所述形状分析器的输出，通过对所述滤波的氧含量数据的所确定的形状执行模式匹配分析来识别经历供给燃料不平衡的汽缸，其中，所述模式匹配分析产生指示对于所述滤波的氧含量数据的形状的匹配程度的值，并且基于具有大于阈值的值的所述匹配程度的值来有条件地执行所述确定和所述识别。
10.根据权利要求9所述的设备，所述设备还包括变化分析器，所述变化分析器能够产生变化的滤波的氧含量数据的大小的统计测量。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述变化分析器执行对所述滤波的氧含量数据的均方根计算。
12.根据权利要求9所述的设备，所述设备还包括供给燃料命令模块，所述供给燃料命令模块响应于由所述不平衡检测器发出的供给燃料不平衡信号来发出供给燃料命令。
13.一种发动机控制模块，该发动机控制模块包括具有非暂时的指令的存储器，当所述发动机控制模块解读该非暂时的指令时，使得所述模块：
接收关于以循环速率操作的发动机的发动机排气的氧含量的数据；
执行频率分量分析，所述分析包括以取自由所述发动机的所述循环速率及其谐波组成的组的一个或多个频率对所接收的氧含量数据进行的滤波操作，以获得滤波的氧含量数据；
确定通过在预定的发动机角度采样所获得的所述滤波的氧含量数据的形状；以及
响应于所确定的所述数据的形状，通过对所述滤波的氧含量数据的所确定的形状执行模式匹配分析来识别经历供给燃料不平衡的汽缸，其中，所述模式匹配分析产生指示对于所述滤波的氧含量数据的形状的匹配程度的值，并且基于具有大于阈值的值的所述匹配程度的值来有条件地执行所述确定和所述识别。
14.根据权利要求13所述的控制模块，其中，所述指令还使得所述模块响应于经历供给燃料不平衡的所述汽缸的所述识别来输出供给燃料命令。
15.根据权利要求13所述的控制模块，其中，所述指令还使得所述模块产生所述滤波的氧含量数据的变化的大小的统计测量。
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