预测发动机系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及内燃机并且尤其涉及用于预测和诊断发动机气缸内燃烧的系统 和方法。
【背景技术】
[0002] 内燃机具有许多可影响发动机可靠且有效运行的元件。发动机运行和性能尤其可 受到这些与发动机燃烧气缸相关联的元件条件的影响，所述元件诸如进气阀门和排气阀 门、活塞环、气缸垫等等。由于多种原因可发生失效，例如热循环、疲劳等等。当这些元件失 效时或者它们的性能由于不完全失效而受损时，对于发动机的操作者来说可能不会立即知 晓这些失效的影响。但是，这些失效可引起发动机功率下降、发动机燃烧气缸有效密封损 失，机油消耗增加、燃料经济性下降和其他作用。
[0003] 即使不考虑与元件相关的条件，发动机气缸内燃烧可能还受到多个环境因素的影 响，例如环境空气温度、大气压强、燃料质量、发动机中心温度和其他因素。除了发动机元件 条件以外或者替代发动机元件条件，这些环境因素可能产生发动机燃烧有关的问题，包括 不点火、燃料/空气混合物的爆震和/或提早点火。除了不利地影响发动机燃料消耗、噪声、 粗糙(roughness)、排放和功率输出，不正常的燃烧也可导致发动机元件过早失效，发动机 起动问题等等。
[0004] 现代发动机还包括可变阀门正时系统，其可主动并且选择性地控制发动机阀门正 时。这种系统的标定和其性能随着时间的退化也可影响点火正时并且产生不同程度的不正 常发动机燃烧，这又可影响发动机性能和排放。不正常发动机燃烧的检测和诊断是耗时的 工作，因为其通常要求以诊断或者维护模式运行发动机，同时将仪器附加到发动机上以检 测异常。而且，对于用户来说，燃料不正常燃烧是极细微的、可能检测不到。过去，曾做过多 种尝试以在正常发动机运行期间通过使用加速度计或其他来进行二次测量、例如发动机中 扭矩或功率输出的波动、发动机中进气或排气压强的波动等等来诊断这种发动机工况，结 果有好有坏。
[0005] 在标题为"发动机元件退化程度诊断系统"的文件JP2008208751A中可见一种先前 提出的用于检测并诊断不正常的发动机燃烧的解决方案。在该参考文件中，所公开的系统 检测气缸压强并且计算气缸压缩压强的时间变化比以确定气缸中是否存在不正常燃烧。但 是，该系统不可检测与发动机燃烧有关的其他参数。
【发明内容】
[0006] 在一方面，本发明描述了一种发动机。该发动机具有气缸，气缸包括形成于缸体中 的缸孔和往复地布置在缸孔中的活塞。曲轴连接到活塞使得活塞的往复运动产生曲轴的旋 转运动。一个或多个活塞环密封件连接到活塞并且布置在活塞与缸孔之间以密封且滑动地 与缸孔接合。缸盖设置用于阻挡缸孔的开口端以限定在活塞与缸盖之间的缸孔内的燃烧 室。进气阀门设置成选择性打开使得燃烧室与进气歧管流体连接，排气阀门设置用于选择 性打开使得燃烧室与排气收集器流体连接。
[0007] 在一个实施例中，发动机包括压强传感器，其设置用于感测在燃烧室内的气缸压 强并且提供表示气缸压强的压强信号。发动机还包括发动机正时传感器，其设置用于感测 发动机的旋转元件的角度并且提供表示活塞在缸孔内的位置的发动机正时信号。电子控制 器被编程用于接收压强信号和发动机正时信号。电子控制器还被编程用于：以预测模式运 行，其中生成燃烧参数基准记录并存储在非易失性存储器中；并且以诊断模式运行，其中编 译燃烧参数运行集合。在运行期间，电子控制器从非易失性存储器检索燃烧参数基准记录， 并且将基准记录与燃烧参数运行集合比较以实时确定气缸中是否存在不正常燃烧。电子控 制器被编程以在确定存在不正常燃烧时激活至少一个故障标记。
[0008] 在另一方面，本发明描述了一种用于诊断发动机气缸内的不正常燃烧的方法。该 方法包括:监测来自发动机压强传感器的压强信号，其表示发动机燃烧室中的流体压强;并 且监测来自发动机正时传感器的发动机正时信号，其表示发动机输出轴的旋转并且也表示 活塞在气缸内的位置。来自发动机压强传感器的压强信号和来自发动机正时传感器的发动 机正时信号被接收在电子控制器中，电子控制器分析压强信号和发动机正时信号，使得在 预测模式运行中，电子控制器确定燃烧参数的基准集合并且将燃烧参数基准集合储存在非 易失性存储器中。在诊断模式运行中，电子控制器确定燃烧参数的运行集合，燃烧参数的运 行集合中的每一个对应于燃烧参数的基准集合中的一个。在发动机运行期间，电子控制器 被编程用于:从非易失性存储器检索燃烧参数的基准集合，比较燃烧参数运行集合中的每 一个与参数基准集合中对应的一个，并且当燃烧参数的运行集合中的至少一个以多于一个 对应阈值不同于参数基准集合中对应的一个时，激活故障标记。
[0009] 在另一方面，本发明描述了一种用于在发动机运行中执行诊断测试的方法。该方 法包括:建立发动机的一个或多个标称运行工况;在发动机使用寿命早期，当发动机以一个 或多个标称运行工况运行时，获取燃烧参数集合;将燃烧参数集合在与发动机相联的电子 控制器的非易失性存储设备中存储为基准记录;监测正常发动机运行以检测一个或多个标 称运行工况的存在，并且当发动机运行在一个或多个标称运行工况时获取对应于基准记录 的运行燃烧参数集合；比较运行燃烧参数集合与基准记录，以及当运行燃烧参数的至少一 个不同于对应的基准记录时，激活故障标记。
【附图说明】
[0010]图1为根据本发明的发动机的框图图示。
[0011] 图2为根据本发明的发动机燃烧气缸的详细放大截面视图。
[0012] 图3为用于根据本发明的预测系统的框图。
[0013] 图4为定性图形，示出根据本发明的燃烧气缸内的压强迹线。
[0014] 图5为用于根据本发明的诊断系统的框图。
[0015] 图6为根据本发明的用于诊断发动机中不正常燃烧的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明涉及内燃机并且尤其涉及发动机元件性能的预测和发动机实地运行时可 能导致发动机中不正常燃烧的不正常性能的后续连续实时诊断。发动机可在陆地或海洋应 用中的运动或者静止机器中运行。用于预测和后续诊断燃烧质量的系统和方法可应用于任 意类型的发动机并且并不局限于本文描述的实施例。相应地，本发明利用示例性的压燃式 发动机或者柴油发动机用于图示说明，但是作为所说明的预测和诊断系统和方法基础的一 般构思可应用于火花点燃式汽油发动机、天然气发动机、压燃式发动机、以两种或更多种燃 料运行的发动机等等。例如，本文所公开的原理可应用于燃气发动机，其包括火花塞和类似 于柴油发动机上的燃料喷射器正时信号的相关联的火花正时信号。可与本发明中所描述的 柴油喷射器正时信号相同的方式使用火花正时信号。而且，这些原理可应用于其他发动机 变型，例如包括预燃室的发动机，预燃室点燃一小部分燃料并且然后将燃烧着的混合物喷 入更大的发动机气缸中；或者燃气发动机，其在进气歧管和/或进气道中预混合燃气和空 气,等等。
[0017] 图1中示出具有在缸体104内形成的多个燃烧气缸102的发动机100。在图2中以横 截面示出发动机1〇〇(图1)的多个燃烧气缸102之一的详细放大视图。为了简单起见，在图1 和图2的两个图示中，相同或相似的元件和特征标有相同的附图标记。
[0018] 发动机100包括与多个燃烧气缸102流体连通的进气歧管106和排气收集器108。在 所示出的实施例中，进气歧管106经由进气流道110与多个燃烧气缸102中的每个流体连通， 当进气阀门112中的相应一个打开时，进气流道110能够与多个燃烧气缸102中的相应气缸 流体连接。类似的，排气收集器108能够经由排气流道114通过排气阀门116与多个燃烧气缸 102中的气缸连接。在所示出的实施例中激活进气阀门112和排气阀门116通过可变阀门激 活系统115来实现，其包括与多个阀门相联的致动器117。如在图2中所示，进气流道110和排 气流道114至少部分形成于缸盖118内，但是可使用若干其他已知发动机结构中的任意一 种。
[0019] 多个燃烧气缸102中的每一个包括能够在缸孔202内往复运动的活塞200。缸孔202 在活塞200和缸盖118之间的部分限定燃烧室204,其在空气/燃料混合物发生燃烧时被大致 密封。通常经由进气流道110将用于空气/燃料混合物的空气提供到燃烧室204,空气/燃料 混合物还可包括其他流体例如排气和/或气体燃料。燃料从喷射器230提供至燃烧室，在所 示的实施例中喷射器230能够将燃料直接注入燃烧室。在不同的发动机或者替代实施例中， 喷射器或其他燃料输送阀可位于发动机的其他地方，使得燃料和空气在被供至燃烧室204 之前预混合。
[0020] 当在燃烧室204中时，随着活塞200移动减少燃烧室204的容积，空气/燃料混合物 被压缩直至燃烧发生。随着燃烧，在燃烧室204中残留的排气通过排气阀门116之一排出到 排气收集器108中。活塞200的往复运动转换成曲轴120(图1)的旋转运动。曲轴120通常通过 连杆208(图2)被连接到活塞200,曲轴120包括可由曲轴位置传感器124(图1)在运行期间检 测的标记或其他特征122。来自曲轴位置传感器124的信息或信号被提供至电子控制器126， 其包括非易失性存储器127。曲轴120