控制內燃發動機的麥克風信號法的製作方法
2023-04-29 08:21:56 1
專利名稱：控制內燃發動機的麥克風信號法的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制內燃發動機的方法。
背景技術：
當前市場化的內燃發動機被周期性地監控以確定燃燒特性(例如，內燃發動機爆 震或失火)，並因此調節燃燒參數(例如，點火提前)，而且還檢測任何故障和指示維修需 要。監控通常基於來自發動機內部的傳感器的信號。例如，發動機爆震通常是使用來自固 定到發動機的曲軸箱或氣缸蓋的加速計的信號來確定的。 就購置成本、傳感器安裝以及將傳感器物理地連接到電子控制單元所需的布線而 言，使用安裝在發動機內部的傳感器是相當昂貴的。 專利申請EP1843024A1提出了通過使用聲壓傳感器(即，麥克風)來確定內燃發 動機所產生的聲壓波強度，並相應確定至少一個發動機運轉參數的值。換句話說，專利申請 EP1843024A1提出了用麥克風替換安裝在發動機內部的傳統傳感器，以確定發動機所產生 的聲壓波，並且能夠在無需進一步的配線的情況下將麥克風直接集成到電子控制單元中。
然而，專利申請EP1843024A1提出以與傳統傳感器(例如，加速計)的信號相同的 方法處理麥克風信號，而沒有考慮發動機所產生的聲壓波的特性。結果，麥克風信號分析結 論總是不準確。
發明內容
本發明的目標是提供一種內燃發動機控制方法，該方法設計用於消除上述缺點， 並且是便宜的且易於實現的。 根據本發明，提供了一種控制內燃發動機的方法，該內燃發動機具有限定可變容 積燃燒室的至少一個氣缸以及由在氣缸內部滑動的活塞提供動力的旋轉曲軸。該控制方法 包括如下步驟 確定記錄窗，該記錄窗以發動機角度表示並具有開始發動機角和停止發動機角；
通過至少一個聲壓傳感器並在記錄窗內獲取並存儲由內燃發動機產生的作為發 動機角的函數的聲壓波的強度； 通過分析記錄窗內的聲壓波的強度來估計內燃發動機部件的至少一個運轉參數 的值； 該控制方法的特徵在於，進一步包括如下步驟 在設計階段，確定聲壓傳感器與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機部件之 間的距離； 計算作為曲軸的轉速以及聲壓傳感器與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動
機部件之間的距離的函數的傳輸延遲，該傳輸延遲以發動機角度表示； 計算作為傳輸延遲的函數的記錄窗的開始發動機角和停止發動機角。
通過參考附圖的示例，將對本發明的非限制性實施方式進行描述，其中 圖1示出了實現根據本發明的控制方法的內燃發動機的示意圖； 圖2示出了在為清楚起見而移除了部件的情況下的圖1中的內燃發動機的動力單
元的示意性立體圖； 圖3示出了如何計算在根據本發明的控制方法中所採用的記錄窗的圖表； 圖4示出了圖示由內燃發動機所產生的作為發動機角的函數的聲壓波的強度變
化的曲線圖； 圖5a示出了帶通過濾前的聲壓波強度的曲線圖，圖5b示出了帶通過濾後的聲壓 波強度的曲線圖； 圖6示出了圖示記錄窗內的聲壓波強度的FFT(快速傅立葉變換)以及帶通過濾 帶的曲線圖。
具體實施例方式圖1中的數字1整體表示道路車輛(未示出)的動力單元。 動力單元1包括受控點火的0tto循環式的內燃發動機2(即，以汽油或類似物作 為燃料)。內燃發動機2包括限定相應的可變容積室的四個氣缸3(在圖1中僅示出了一 個)，且每個氣缸通過由至少一個進氣門6控制的進氣管5連接到進氣歧管4，並通過由至 少一個排氣門9控制的排氣管8連接到排氣歧管7。 通過節氣門10向進氣歧管4供應新鮮的(g卩，外部的)空氣，該節氣門IO能夠在 閉合位置和全開位置之間進行調節。排氣歧管10連接到排氣系統ll，該排氣系統11包括 用於消除氣缸3中所產生的燃燒氣體的一個或更多催化劑(未示出)。渦輪增壓器(未示 出)可設置在排氣歧管7的下遊和進氣歧管4的上遊，該渦輪增壓器使用廢氣能量以增加 進入到進氣歧管4的進氣速度和壓力。 四個噴射器12 (每個氣缸3 —個)裝配到進氣管5以周期性地將汽油噴射到進氣 管5內(可替代地，噴射器12可將汽油直接噴入氣缸3中)；而且四個火花塞13 (每個氣 缸3 —個)裝配到氣缸3以周期性地點燃氣缸3內的混合物。 每個氣缸3都具有活塞14，該活塞14沿氣缸3筆直地滑動，並通過連杆16機械地 連接到曲軸15。曲軸15又經由離合器18機械地連接到變速箱17，以將驅動扭矩傳遞到車 輛的驅動輪(未示出)。 動力單元1包括用於監控動力單元1的運轉的控制系統19，且該控制系統19包括 監控動力單元l的運轉的至少一個電子控制單元(ECU)，並位於發動機2附近，且常容納在 車輛發動機艙(未示出)內。控制系統19還包括連接到控制單元21並用於測量動力單元 1的不同運轉參數(例如，曲軸15的角度和轉速)的許多傳感器21，這些運轉參數由控制 單元20使用以控制動力單元1。 如圖2所示，內燃發動機2包括發動機機體22和氣缸蓋24，發動機機體22容納旋 轉部件並包括曲軸箱23，四個氣缸3形成在氣缸蓋24內。控制單元20通常位於發動機艙 內，靠近發動機機體22，並且與發動機機體22物理地隔離。 每個氣缸3的火花塞13都由控制單元20周期性地控制以在火花塞13的電極之間產生火花，並因此點燃氣缸3內的壓縮氣體。控制單元20包括存儲映射的存儲器，該映 射包含作為當前發動機角的函數的火花塞13的控制值。更具體地，對於每個火花塞13，該 映射包含點火提前，即，點火(即，火花塞13的電極之間的火花)之間的角度間隔，以及活 塞14的上止點位置或TDC位置。如果點火提前為零，這就意味著點火(即火花塞13的電 極之間的火花)準確地在活塞14的上止點位置或TDC位置處發生。 控制單元映射中的點火提前值在設計階段確定以保證在所有的運轉條件下的良 好的燃燒，進而保證內燃發動機2的良好的熱效率，而且同時保護內燃發動機2的完整性， 即防止氣缸3內的過度爆震。然而，燃燒受許多因素影響，這些因素中最重要的是燃料特 性、氣缸蓋24的溫度、以及火花塞13的磨損，而且由於實際上不可能對這些因素的影響作 出任何確定程度的預測，因而需要估計的爆震指標Id。如果在氣缸3內發生劇烈的爆震，則 控制單元20相對於映射值減少點火提前值，以便消除或減輕爆震。 控制火花塞13的控制單元20使用所存儲映射中的點火提前值，而且如果氣缸內 發生劇烈爆震則減少該點火提前值。這是一種保護性的控制策略，該控制策略僅用於在氣 缸3內發生爆震的情況下，通過改變映射指示的點火提前值來保護內燃發動機2的完整性。 然而，最近已經注意到，少量的爆震並不總是不合需要的，而且在某些情況下，甚至可改善 燃燒並因此在不損害內燃發動機2的完整性的情況下使熱效率最大化。因此已提出了更積 極的點火提前控制策略，由此，不僅在發生劇烈爆震的情況下，而且為了獲得少量的爆震以 改善氣缸3內的燃燒，都可修改映射指示的點火提前值。 如圖l和圖2所示，至少一個聲壓傳感器(S卩，麥克風)21a容納在控制單元20內
(因此與發動機組22物理地隔離)，以確定由動力單元1所產生的聲壓波的強度。在未示出
的不同實施方式中，聲壓傳感器21a可設置於其它位置，例如，控制節氣門10的裝置內、進
氣歧管4上、發動機艙內的支架上、車輛框架上，或者(較少可能地)設置在車輛內部。然
而，聲壓傳感器21a優選地設置於控制單元20內以消除組裝工作和附加配線。 聲壓傳感器21a可為全向的或定向的，在定向的情況下，很明顯必需定向成面對
發動機機體22。 基於來自聲壓傳感器21a的聲音信號的控制可開發用於許多目的。從分析角度， 可開發另外提供適應性評估以可靠地推導發動機_傳感器系統的老化和漂移的算法。可從 對來自聲壓傳感器21a的聲音信號進行高頻(典型地為大約50kHz (千赫茲))獲取和適當
分析來獲得相關信息的量是
-每個氣缸3中的爆震； _氣門6和/或氣門9的正時和關閉速度(在不具有凸輪軸的系統或者在機械式
氣門提升運動中具有一些自由度的系統中尤其重要，因為可通過適應性控制使算法的研發
能夠用於補償致動器誤差)；-每個氣缸3中的失火；-每個氣缸3中的噴射；-每個氣缸中的混合物點燃；-每個氣缸3中的實際指示平均壓力；-每個氣缸3中的燃燒開始時間；-每個氣缸3中的壓力峰值位置和壓力梯度；
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-每個氣缸3中的熱釋放模式；-輔助裝置(例如，燃料泵、噴射系統壓力調節器......)的操作；-故障機械部件(例如，皮帶、帶輪、曲柄傳動部件、活塞-氣缸連接、噴射器12)， 即使使用預測方法也如此。 以下通過示例，參考內燃發動機2的一個氣缸3以及氣缸3的一個周期(尤其是， 燃燒行程)來對處理和分析來自聲壓傳感器21a的信號以確定爆震指標Id的方法進行描 述。 如圖3所示，為了確定氣缸3的爆震指標Id，必需確定記錄窗W，該記錄窗W以發 動機角度來表示並具有開始發動機角a ^fe和停止發動機角a ff±。在氣缸3循環期間，由 內燃發動機2所產生的作為發動機角a的函數的聲壓波的強度S由聲壓傳感器21a記錄 在記錄窗W內，並存儲在緩衝存儲器中。聲壓波強度S通過相對較高頻(例如，大約50kHz) 取樣而獲得。圖4中的曲線示出了由內燃發動機2所產生的作為發動機角a的函數的聲 壓波的強度S中的變化的示例。最後，通過分析記錄窗W內的聲壓波強度S來估計爆震指 標Id。 在設計階段，在聲壓傳感器21a與氣缸3之間(即，聲壓傳感器21a與用於評估的 運轉參數所涉及的內燃發動機的部件之間)確定用於估計爆震指標Id的距離d。使用距離 d和曲軸15的轉速"來計算傳輸延遲Dt，該傳輸延遲Dt以發動機角度表示並指示因正在 研究的現象(在這種情況下，指氣缸3內的燃燒)所引起的聲壓傳感器21a對內燃發動機 2中所產生的聲壓波的強度S的感應延遲。使用傳輸延遲Dt來計算記錄窗W的開始發動機 角a形臺和停止發動機角a停止。 以發送機角度表示的傳輸延遲Dt優選地使用如下的等式計算
其中 Dt (° )為以發動機角度表示的傳輸延遲； d (m)為聲壓傳感器21a與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機2的部件 之間的距離； (rpm)為曲軸的轉速； v聲,(m/s)為聲音在空氣中的速度。 在設計階段，均以發動機角度表示的開始時間B和持續期間L由氣缸3內的燃燒 現象——具體指發動機爆震的開始(即，由作為爆震指標Id的用於評估的運轉參數所綜合 的現象)所確定。通過將以發動機角度表示的傳輸延遲Dt與開始時間B相加來計算記錄窗 W的開始發動機角a ^^，並通過將以發動機角度表示的持續期間L與記錄窗W的開始發動 機角a ^fe相加來計算記錄窗W的停止發動機角a ff±。換言之
a開始=B+Dt
a停止=a開始+L
其中[OOSO] a開始(° )為記錄窗W的開始發動機角； [OO61] a停± (° )為記錄窗W的停止發動機角； B (° )為以發動機角度表示的、氣缸3內的燃燒現象(具體指爆震的開始)
的開始時間； Dt(° )為以發動機角度表示的傳輸延遲； L (° )為以發動機角度表示的、氣缸3內的燃燒現象(具體指爆震的開始)
的持續期間； 在所討論的情況下，評估用爆震指標Id——以發動機的角度表示的開始時間 B——等於或略微滯後於氣缸3的TDC位置(大約5-15° ，典型地為IO。)；以發動機角度 表示的持續期間L通常小於兩個連續的燃燒之間的角距，並且對於具有等間隔燃燒的四衝 程四缸內燃發動機(圖1和圖2所示的類型)，持續期間L介於120。與160°之間，且典 型地為140° 。因為爆震相關壓力信號中的高頻波動不是在TDC位置處而是在TDC位置之 後的大約IO。的位置處發生，所以證明了相對於氣缸3的TDC位置的10。延遲。為了消除 與除燃燒現象之外的現象相關的噪音，以發動機角度表示的持續期間L最好選擇成儘可能 短，以僅分析信號中富含信息的部分。 —旦存儲了由內燃發動機2所產生的作為記錄窗W內的發動機角a的函數的聲 壓波的強度S，則對記錄窗內的聲壓波的強度S進行過濾。過濾至少為高通(具有大約5kHz 的截止頻率)並且優選地為帶通(具有典型地介於5kHz與15kHz之間的通帶)。在不同的 實施方式中，帶通過濾可具有6-8. 5kHz的通帶，或者介於5kHz與7kHz之間、介於9kHz與 llkHz之間、以及介於13kHz與15kHz之間的三個通帶。為了消除與除燃燒現象以外的現象 相關的噪聲，最好選擇儘可能窄的通帶以僅分析信號中富含信息的部分。
例如，圖5a和圖5b示出了兩個曲線圖，這兩個曲線示了帶通過濾前(圖5a) 和帶通過濾後(圖5b)的聲壓波強度S. 爆震指標Id是使用記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S來計算的，並可使用不同 的算術公式來計算，每個算術公式具有優點和缺點。 在優選實施方式中，爆震指標Id為記錄窗W內的聲壓波的平均的過濾後強度S。換 句話說，
力&l —臺1 '1 其中 Id 為爆震指標； n 為記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S的樣本數目； S 為過濾後的聲壓波強度。 在替代性實施方式中，爆震指標Id為記錄窗W內的聲壓波的最大絕對過濾後強度
S。換句話說， Id = max(|S|) 其中 Id為爆震指標；
S為過濾後的聲壓波強度。 在替代性實施方式中，爆震指標Id為記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S相對於 發動機角a的一階導數的平均。換句話說，
必; 其中 Id為爆震指標； n為記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S的樣本數目； a為發動機角； S為過濾後的聲壓波強度。 在替代性實施方式中，爆震指標Id為記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S相對於 發動機角a的三階導數的最大絕對值。換句話說， J3S
/rf = max
dor 其中 Id為爆震指標； n為記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S的樣本數目； a為發動機角； S為過濾後的聲壓波強度。 為了更高的可信度，還可使用更複雜的等式來計算爆震指標Id，儘管這具有增加 控制單元20的計算量的缺點。記錄窗W內的聲壓波的過濾後強度S還可使用"變換"來分 析，以改變過濾後強度S的分布(例如，通過對數曲線或FFT——'決速傅立葉變換)。顯然， 除FFT之外的變換(例如STFT——短時傅立葉變換等)可用來截取記錄窗W內的點現象的 變化。 例如，圖6示出了圖示記錄窗W內的聲壓波的強度S的FFT以及可應用的帶通過 濾帶，以僅分析信號中富含信息的部分。 為了確定氣缸3中的爆震的存在以及(可能的話)爆震的程度，在設計階段確定 至少一個閾值V，將爆震指標Id與所述閾值進行比較。例如，當爆震指標Id超過閾值V時， 可診斷氣缸3中的爆震。顯然，可設立許多閾值V以表示例如無爆震、較小的可接受爆震以 及劇烈的不可接受爆震。 在優選實施方式中，使用自教導技術來周期性地更新閾值V，所述自教導技術例如 可包括將氣缸3(即，爆震指標Id所涉及的內燃發動機2的部件)設定至已知狀態；以處 於已知狀態的氣缸3來估計爆震指標Id;以及，如果爆震指標Id與閾值V之間的比較結果與 氣缸3的已知狀態不一致，則更新閾值V。例如，如果將氣缸3設定至阻止爆震的狀態(例 如，低負荷或釋放狀態)，而爆震指標Id與閾值V之間的比較結果指示存在爆震，則這意味 著需要更新閾值V。類似地，如果將氣缸3設定至總是伴隨有爆震的狀態(例如，高點火提 前狀態)，而爆震指標Id與閾值V之間的比較結果指示不存在爆震，則這也意味著需要更新
與估計用爆震指標Id相關的上述內容也可應用於估計內燃發動機2的部件的其 它運轉參數，例如失火指標、噴射指標、或者每個氣缸3內的實際指示平均壓力。顯然，記錄 窗W的位置和尺寸、過濾模式、用於計算運轉參數的等式以及閾值V必需根據情況逐項設 估計內燃發動機部件的至少一個運轉參數的上述控制方法具有許多優點由於不 需要高級計算能力，所以易於實現，即便在現有的控制單元中也如此；並且最重要的是，提 供了高可信度的運轉參數的準確估計。
權利要求
一種控制內燃發動機(2)的方法，所述內燃發動機具有限定可變容積燃燒室的至少一個氣缸(3)，以及由在氣缸(3)內部滑動的活塞(14)提供動力的旋轉曲軸(15)；所述控制方法包括如下步驟確定記錄窗(W)，該記錄窗以發動機角度(α)表示並具有開始發動機角(α開始)和停止發動機角(α停止)；通過至少一個聲壓傳感器(21a)並在記錄窗(W)內獲取並存儲由內燃發動機(2)產生的作為發動機角(α)的函數的聲壓波的強度(S)；通過分析記錄窗(W)內的聲壓波的強度(S)來估計內燃發動機(2)的部件的至少一個運轉參數的值；所述控制方法的特徵在於，進一步包括如下步驟在設計階段，確定聲壓傳感器(21a)與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機(2)的部件之間的距離(d)；計算作為曲軸(15)的轉速(ω)以及聲壓傳感器(21a)與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機(2)的部件之間的距離(d)的函數的傳輸延遲(Dt)，所述傳輸延遲以發動機角度表示；計算作為傳輸延遲(Dt)的函數的記錄窗(W)的開始發動機角(α開始)和停止發動機角(α停止)。
2. 如權利要求l所述的控制方法，其中，使用以下等式計算以發動機角度表示的傳輸延遲(Dt):'=v聲音承60其中Dt(° )為以發動機角度表示的傳輸延遲；d(m)為聲壓傳感器(21a)與用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機(2)的部件之間的距離；"(rpm)為曲軸(15)的轉速;v，* (m/s)為聲音在空氣中的速度。
3. 如權利要求1所述的控制方法，進一步包括如下步驟在設計階段，確定由用於評估的運轉參數所綜合的現象的開始時間(B)，該開始時間以發動機角度表示；在設計階段，確定由用於評估的運轉參數所綜合的現象的持續期間(L)，該持續期間以發動機角度表示；通過將以發動機角度表示的傳輸延遲(Dt)與由用於評估的運轉參數所綜合的現象的以發動機角度表示的開始時間(B)相加來計算記錄窗(W)的開始發動機角(a ;以及通過將由用於評估的運轉參數所綜合的現象的以發動機角度表示的持續期間(L)與記錄窗(W)的開始發動機角(a形J相加來計算記錄窗(W)的停止發動機角(a停止)。
4. 如權利要求3所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標時，以發動機角度表示的開始時間(B)為氣缸(3)的上止點(TDC)位置之後10° 。
5. 如權利要求4所述的控制方法，其中，以發動機角度表示的持續期間(L)小於兩個連續燃燒之間的角距。
6. 如權利要求5所述的控制方法，其中，對於具有等間隔燃燒的四衝程四缸內燃發動機而言，以發動機角度表示的持續期間(L)介於120°與160°之間，且典型地為140。。
7. 如權利要求1所述的方法，其中，估計運轉參數的值的步驟進一步包括以下步驟過濾記錄窗(W)內的聲壓波的強度(S);以及使用記錄窗(W)內的聲壓波的過濾後強度(S)來計算運轉參數的值。
8. 如權利要求7所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標(Id)時，過濾是處於5kHz到15kHz的頻率範圍內的帶通過濾。
9. 如權利要求7所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標(Id)時，所述爆震指標(Id)是記錄窗(W)內的聲壓波的最大絕對過濾後強度(S)。
10. 如權利要求7所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標(Id)時，所述爆震指標是記錄窗(W)內的聲壓波的過濾後強度(S)相對於發動機角(a)的一階導數的平均值。
11. 如權利要求7所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標(Id)時，所述爆震指標是記錄窗(W)內的聲壓波的過濾後強度(S)相對於發動機角(a)的三階導數的最大絕對值。
12. 如權利要求7所述的控制方法，其中，當用於評估的運轉參數為氣缸(3)的爆震指標(Id)時，所述爆震指標是記錄窗(W)內的聲壓波的平均的過濾後強度(S)。
13. 如權利要求1所述的控制方法，進一步包括如下步驟在設計階段，確定用於與運轉參數的值進行比較的至少一個閾值(V);以及將運轉參數的值與閾值(V)進行比較。
14. 如權利要求13所述的控制方法，進一步包括通過自教導技術來更新閾值(V)的步驟。
15. 如權利要求14所述的控制方法，其中，自教導技術包括如下步驟將用於評估的運轉參數所涉及的內燃發動機的部件設定至已知狀態；以處於已知狀態的內燃發動機(2)的部件來估計運轉參數的值；如果運轉參數的值與閾值(V)之間的比較結果與運轉參數所涉及的內燃發動機的部件的已知狀態不一致，則更新閾值(V)。
全文摘要
一種控制內燃發動機(2)的方法，該內燃發動機具有限定可變容積燃燒室的至少一個氣缸(3)和由在氣缸(3)內部滑動的活塞(14)提供動力的旋轉曲軸(15)；該控制方法包括如下步驟確定記錄窗(W)，該記錄窗以發動機角度(α)表示並具有開始發動機角(α開始)和停止發動機角(α停止)；通過至少一個聲壓傳感器(21a)並在記錄窗(W)內，獲取和存儲由內燃發動機(2)產生的作為發動機角(α)的函數的聲壓波的強度(S)；以及，通過分析記錄窗(W)內的聲壓波的強度(S)來估計內燃發動機(2)的部件的至少一個運轉參數的值。
文檔編號F02D35/02GK101725419SQ20091020589
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月21日 優先權日2008年10月21日
發明者尼科洛·卡維納, 斯特凡諾·斯加蒂, 菲利波·卡萬納, 賈恩卡洛·比桑蒂 申請人:馬涅蒂-馬瑞利公司