专利名称：用于在内燃发动机寿命期间检测部件故障的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在内燃发动机(ICE)寿命期间检测部件故障的方法。
背景技术：
内燃发动机中的部件故障产生大量问题，且期望具有用于检测它们的可靠方法。例如，在具有受控点火的内燃发动机中一个或多个气缸内的不正确燃烧通常被称为点火不良(misfire)。点火不良事故对发动机性能和排放值具有非常负面的影响，且还对催化剂造成损坏。大多数当前气缸点火不良检测方法使用驱动轴的角加速度，以便找到点火不良气缸。如公知地，这些方法并非完美地适当的，因为驱动轴的角加速度不仅受点火不良影响， 还例如受到道路粗糙度以及非常突然的减速影响。其他检测方法使用其他信号或具体的数学模型，以便评估点火不良条件。用于检测点火不良的非常流行的方法将这个问题作为分量，其监视并将由直接测量的信号(例如，发音轮角位置)建立的信号值与一些阈值比较如果超过这些阈值，则检测到点火不良。该方法可导致错误的检测，并且通常导致不适当的方式来监视燃烧，因为燃烧问题可以是不同现象的效果。所以需要更适当的逻辑，以便在发动机寿命期间识别点火不良事件，而避开错误的检测。此外，已知的模式识别模型仅仅是静态的模型，它们没有考虑在发动机寿命期间发动机系统的变化在点火不良检测上的作用。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种检测部件故障或其他不期望事件的方法，该方法考虑发动机寿命期间部件行为的可能变化以及相关部件漂移。本发明的另一目的是提供一种故障检测方法，其适于检测点火不良事件且考虑发动机寿命期间的与现象相关的变化和可能的部件漂移。另一目的是提供一种故障检测方法，用于内燃发动机的部件，该方法不使用复杂的装置，且利用车辆的电子控制单元(ECU)的计算能力。这些目的通过具有独立权利要求中限定的特征的方法、发动机、计算机程序和计算机程序产品以及电磁信号实现。本说明书的实施例提供一种用于在内燃发动机寿命期间检测部件故障的方法，所述内燃发动机具有至少一个气缸且被电子控制单元(ECU)控制，所述方法包括-在发动机寿命开始时限定预定部件故障分类器，且将所述分类器设定为工作分类器，-限定用于所述工作分类器的有效性条件，-实时获取与所述部件的运行相关的一组相关信号，
-将所述信号供给给所述工作分类器，以便确定所述部件的故障的发生与否，-在所述工作分类器的有效性条件没有被满足的情况下，-使用E⑶记录的最近的相关信号来限定新的分类器，以及-用所述新的分类器替代工作分类器。上述方法的其中一个优点是其允许检测部件在发动机寿命期间的故障，考虑由于该部件随时间的漂移或由于任何其他起因导致的行为变化。根据本发明的实施例，所述预定分类器通过训练阶段限定，以便训练所述分类器以区分所述部件的故障发生与否，所述训练阶段包括对所述分类器的多个信号的输入，所述多个信号又被细分为属于所述部件故障的信号和属于所述部件常规运行的信号。该实施例有利地允许在发动机寿命开始时限定用于相关分类器的两子组，其中， 一个子组能够分类部件的正常行为，另一子组能够分类部件的故障。在本发明的另一实施例中，所述工作分类器的有效性条件作为属于所述部件的输入信号的平均值和方差的函数被评估。该实施例有利地允许限定用于工作分类器的有效性条件。在本发明的另一实施例中，如果属于所述部件的常规运行的信号的初始平均值和使用最近的相关信号计算的信号平均值之间的差异的绝对值小于最小阈值或大于最大阈值，所述有效性条件满足。该实施例允许利用属于所述部件的运行的数据检测用于工作分类器的有效性条件何时满足。在本发明的又一实施例中，如果属于所述部件的常规运行的信号的初始方差和使用最近的相关信号计算的信号方差之间的差异的绝对值小于最小阈值或大于最大阈值，所述有效性条件满足。该实施例允许用于工作分类器的有效性条件可靠检测。在本发明的再一实施例中，在所述发动机寿命期间连续地执行对新的分类器的搜索。该实施例允许预计算新的分类器，其能容易地在用于工作分类器的有效性条件不再满足时替代工作分类器。根据本发明的实施例，所述部件是所述发动机的气缸，所述故障是点火不良。根据其一方面的方法可借助计算机程序被执行，该计算机程序包括程序代码用于执行上述方法的所有步骤，且具有包括计算机程序的计算机程序产品的形式。计算机程序产品可被实施为一种用于内燃发动机的控制设备，包括电子控制单元 (ECU)、与ECU相关联的数据载体和储存在数据载体中的计算机程序，从而控制设备以与上述方法相同的方式描述的实施例。在这种情况下，当控制设备执行计算机程序时，上述方法的所有步骤被执行。根据另一方面的该方法还可被实施为一种电磁信号，所述信号被调节为携带一串数据位，所述串数据位表示要执行该方法所有步骤的计算机程序。本说明书的又一方面提供一种内燃发动机，其具有至少一个气缸和包括特别用于执行所要求保护的方法的电子控制单元(ECU)。
将通过例子参考附图描述本发明的各种实施例，其中图1是示出了用于本发明的方法的点火不良检测逻辑的示意图；图2是示出了根据本发明方法的实施例的用于一般发动机气缸的训练阶段 (training session)的不图；图3是示出了根据本发明方法的实施例的用于具有多个气缸的发动机的实时分类的示图；图4示出了根据本发明方法的实施例的构造空间中绘制的不同样本组；以及图5示出了根据本发明方法的实施例的一系列步骤。附图标记10内燃发动机20 气紅30燃料喷射器40 活塞50燃烧室6O气紅阀
具体实施例方式先将参考附图描述本发明方法的优选实施例。模式识别和更宽泛地分类问题在文献中通过不同方法被解决。一般地，模式识别 /分类算法(来自已知文献)按照以下方式工作。首先，从随时间变化的信号的训练组提取与被选模式识别算法相关的一组不同类型信息/参数。该信息被用于限定分类器。然后实时地，模式识别算法使用在第一步骤中建立的分类器评估输入的样本以便对它们分类。因此，从一系列多维样本开始，分类程序允许(i)减小被输入样本的多维空间的维度，将它们投影到具有最大方差的方向；(ii)产生分类规则，其中，限定了预定数量的类(或组)。类被确定为最小化类内方差(within-classes variance)禾口最大化类间方差(between-classes variance)。类内方差是同一类的样本的方差，而类间方差是不同类的样本之间的方法。该结果看起来像投影矩阵(以便执行将输入样本实时投影到新的少维度空间)，该投影矩阵具有以优化方式将用作训练组的样本分离的能力；(iii)通过分类规则对被输入样本进行分类以此方式，考虑由第(ii)点提供的分类规则，每个样本被分配给最适当的类。基于上述的内容，在图1中示出的本发明实施例的逻辑包括三个主要步骤a)训练阶段原始的分类器识别；b)点火不良气缸和无点火不良气缸之间的实时分类；c)发动机寿命期间的系统的漂移的评估和新的优化分类器的识别。首先描述训练阶段，我们注意到预定分类器通过训练数据表建立。在该数据表中，
5分类器识别用于每个气缸的点火不良检测的优化参数。以此方式，一组预标定参数被评估、 识别预定分类器。本情况中，类的数量有两个点火不良气缸和无点火不良气缸。对于每个气缸，利用错误和非错误样本训练单独的分类器。分类器由此被训练以识别特定气缸是否点火不良。图2示意地示出了对于多气缸发动机中的每个气缸“i”的训练逻辑。特别地，属于内燃发动机(ICE) 10的气缸20和活塞40组被示出，且其中燃料喷射器30喷射一定量的燃料进入到燃烧室50中。一旦阀60关闭，燃料被点火以开始燃烧。输入信号(图2中的X、Y、Z)是E⑶中被测量和计算的信号子组。用作输入的信号的选择基于对ECU记录的整个信号组的进行的预先分析而被引导。例如，被选的信号可以是X(t) = [Xl(t)，X2(t)，··· , Xn (t)]—输入向量其中Xl (t) = RPM 信号X2(t)=曲轴加速信号Xn(t)=轨道压力(rail pressure)信号优选的选择是将与要被解决的问题严格相关的信号(通过常规经验)用作输入信号(或它们的组合)。作为指导原则，输入信号的选择可遵循两个规则⑴必须分给不同类(例如点火不良或无点火不良)的样本必须被很好地分开(ii)与不同点火不良气缸相关的样本必须被很好地分开。适用于检测气缸点火不良的输入信号的另一例子是X(t)洛雷斯时间段(Lores Period，两次燃烧事件之间的时间段)Y(t)曲轴轮速度梯度Z(t)曲轴轮信号的连续90°时间段之间的差异通过这些信号，样本在不同群中保持良好地分开。关于实时分类，在发动机寿命开始时，使用的分类器是预定分类器。通过实时逻辑，在训练阶段使用的相同输入信号的新的值被分类器考虑，以便区分点火不良气缸和无点火不良气缸。为了对测试样本进行分类，空间必须被分为属于不同类的区域。一种可能是将具有最小马哈拉比诺斯距离(Mahalanobis distance)的群分配给测试样本。作为其他方法，这可以允许给每个测试样本分配一个类。图3示出了用于4气缸发动机的四个分类器的运行。同时，执行优化分类器评估的算法在整个发动机寿命期间被执行。该算法通过将新的分类器与所用的实际分类器进行比较而连续地寻找优化分类器。该优化分配器评估逻辑的目的是估计发动机寿命期间的非错误类的漂移。以此方式，分类器的参数可被调整，以便允许实时算法将错误样本和非错误样本之间更好地区分。 该操作可以不同方式执行。一种可行的方式是对于每个气缸计算输入的样本的随时间变化的多维平均值 (time variant multidimensional mean value)，明显仅考虑输入信号的子空间。该平均值和样本多维方差上的适当逻辑可导致考虑发动机寿命期间的漂移，以具有对于每个气缸的最好分类器的某种自适应学习，如图4所示。该方法构建了关于更经典模式识别方法的重要改进，因为使用自适应逻辑对点火不良识别的该方法能够考虑发动机寿命期间的漂移。在图5上方示出无点火不良样本的两个椭圆形云状部具有以下意思(i)在发动机寿命期间的点火不良样本的输入的多维空间的位置保持远离无点火不良样本；(ii)在发动机寿命期间，无点火不良样本在输入的多维空间上漂移。监视该漂移允许考虑它们的相关值，以便调整分类器参数。这些分类器通过统计方法被计算，由此如果样本云的平均值和方差改变，类的定义也得改变。 换句话说，在发动机寿命期间，ECU记录的输入被用作新的训练数据表。为此，可考虑例如图5的流程图。S卩，一组条件被用于确定当前分类器是否仍然可用，或是否例如由于随时间漂移的部件而需要被新的分类器替代。具体地，对于每个气缸，属于气缸i的信号的以下平均值和方差被设定用于每个 Class0k_i，即，与气缸i的无点火不良样本相关的类。Mean_New(ClassOk_i)参数被设定，其表示在“η”个最后记录的样本上计算的无点火不良样本的新的平均值，Mean_0riginal(Class0k_i)参数也被设定，其表示训练阶段中计算的无点火不良样本的初始平均值。这些值之间的差异绝对值，即Mean_New(Class0k_i)-Mean_0riginal (Class0k_ i) I被计算，且其按照以下公式1与最大和最小漂移平均值阈值相比较MinDriftMeanThreshold < Mean_New(Class0k_i)-Mean_0riginal(Class0k_ i) I < MaxDriftMeanThreshold 公式 1同时，Var_New(ClassOk_i)参数被设定，其表示在“η”个最后记录的样本上计算的无点火不良样本的新的方差，Var_0riginal (Class0k_i)参数也被设定，其表示训练阶段中计算的无点火不良样本的初始平均值。这些值之间的差异绝对值，SPVar_New(Class0k_i)-Var_0riginal (Class0k_i) 被计算，且其按照以下公式2与最大和最小漂移方差阈值相比较MinDriftVarThreshold < Var_New(Class0k_i)-Var_0riginal(Class0k_i) < MaxDriftVarThreshold公式 2这些条件意味着，如果平均值或方差之间的差异绝对值分别低于最小漂移平均值 MinDriftMeanThreshold或最小漂移方差MinDriftVarThreshold，实际的分类器仍然有效且仍可被使用。并且，如果平均值或方差之间的差异绝对值分别高于最大漂移平均值 MaxDriftMeanThreshold或最大漂移方差MaxDriftVarThreshold，点火不良可被检测到， 且实际的分类器仍可被使用。这些公式的组合由此定义用于所述工作分类器的有效性条件。相反，当公式1和2同时被评估，且关于平均值或方差的至少一个条件没有被满足，该有效性条件不被满足。
在这种情况下，新的优化分类器按照图5示意性所示而被计算。此外，应注意，公式1和2的条件表达一种构思，即，由于部件漂移而不再有效的分类器可通过以下而被检测到信号的平均值或方差之间的差异绝对值大于最小阈值且由此并非可被忽略的以及其小于最大阈值且由此其不与无点火不良气缸相关。在实际四缸共轨压缩点火发动机(其上已经发生了一些点火不良事件)上执行的实验已经显示出相应的数据表已经获得，其可以被分为两个组。对于所有气缸，在所有情况下无点火不良样本被一起分组这意味着对于模式识别算法限定非错误条件的可能性。在一个气缸点火不良的情况下，所考虑的信号取决于压缩冲程中的气缸而以不同方式反应这给出了模式识别算法的可能性，以很好地区别一个气缸的点火不良对点火不良气缸和其他气缸的影响。如果点火不良气缸被改变，与不同气缸相关的样本的相对处置(reciprocal disposition)也改变这确保分类器将点火不良气缸和其他气缸很好地区分。上述考虑确保该方法是牢靠的，且在各种发动机和发动机条件下可用。此外，作为例子，对于每个气缸的平均值和方差在几秒的时间间隔期间考虑相关气缸的行为而被计算。在任何情况下，采样频率可适于特定部件，带有附带条件地监视电子技术的当前状态允许高采样频率。并且，还必须考虑，虽然本方法被示例性地用于气缸点火不良问题，但是其可容易地应用于发动机的其他部件的故障检测。虽然至少一个示例性实施例已经在前述发明内容和具体实施方式
中有所展示，应该意识到，存在大量变体。还应意识到，一个或多个示例性实施例仅仅是例子，其并不意图以任意方式限制范围、应用或构造。但是，上述发明内容和具体实施方式
将为本领域的技术人员提供一种方便的途径来实施至少一个示例性实施例，应该理解，在示例性实施例中描述的元件设置和功能中可以做出各种变化，而不偏离所附权利要求及其法律等同物所设定的范围。
权利要求
1.一种用于在内燃发动机(10)寿命期间检测部件故障的方法，所述发动机(10)具有至少一个气缸00)且被电子控制单元(ECU)控制，所述方法包括-在发动机寿命开始时限定预定部件故障分类器，且将所述分类器设定为工作分类器， -限定用于所述工作分类器的有效性条件， -实时获取与所述部件的运行相关的一组相关信号，-将所述信号供给给所述工作分类器，以便确定所述部件的故障的发生与否，以及 -在所述工作分类器的有效性条件没有被满足的情况下， -使用所述ECU记录的最近的相关信号来限定新的分类器，以及 -用所述新的分类器替代工作分类器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定分类器通过训练阶段限定，以便训练所述分类器以区分所述部件的故障发生与否，所述训练阶段包括对所述分类器的多个信号的输入，所述多个信号又被细分为属于所述部件故障的信号和属于所述部件常规运行的信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述工作分类器的有效性条件作为属于所述部件的输入信号的平均值和方差的函数被评估。
4.如权利要求3所述的方法，其中，如果属于所述部件的常规运行的信号的初始平均值和使用最近的相关信号计算的信号平均值之间的差异的绝对值小于最小阈值或大于最大阈值，所述有效性条件满足。
5.如权利要求3所述的方法，其中，如果属于所述部件的常规运行的信号的初始方差和使用最近的相关信号计算的信号方差之间的差异的绝对值小于最小阈值或大于最大阈值，所述有效性条件满足。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在所述发动机(10)寿命期间连续地执行对新的分类器的搜索。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述部件是所述发动机(10)的气缸(20)，所述故障是点火不良。
8.一种内燃发动机(10)，具有至少一个气缸(20)，该发动机(10)包括被构造用于执行如前述任一权利要求所述的方法的电子控制单元(ECU)。
9.一种计算机程序，包括适于执行前述任一权利要求所述的方法的程序代码。
10.一种计算机程序产品，如权利要求9所述的计算机程序被储存在该计算机程序产品。
11.一种用于内燃发动机的控制设备，包括ECU、与ECU相关联的数据载体和储存在数据载体中的如权利要求9所述的计算机程序。
12.一种电磁信号，所述信号被调节为用于一串数据位的载体，所述串数据位表示如权利要求9所述的计算机程序。
全文摘要
一种用于在内燃发动机(10)寿命期间检测部件故障的方法，所述内燃发动机(10)具有至少一个气缸(20)且被电子控制单元(ECU)控制，所述方法包括在发动机寿命开始时限定预定部件故障分类器，且将所述分类器设定为工作分类器，限定用于所述工作分类器的有效性条件，实时获取与所述部件的运行相关的一组相关信号，将所述信号供给给所述工作分类器，以便确定所述部件的故障的发生与否，以及在所述工作分类器的有效性条件没有被满足的情况下，使用所述ECU记录的最近的相关信号来限定新的分类器，以及用所述新的分类器替代工作分类器。
文档编号G01M15/11GK102252853SQ20111013335
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月23日 优先权日2010年5月21日
发明者马科.吉罗托 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司