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专利名称：分析发动机性能的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于分析内燃机的有关气缸性能(cylinder wise performance)的设备，包括离子电流(ion current)测量装置，其被安排以测量发动机中的离子电流且也被安排以产生对应于由所述离子电流测量装置进行的测量的第一信号，而且还包括放大器，其连接到所述离子电流测量装置且其被安排以接收并放大所述第一信号以便产生放大信号，且进一步还包括第一分析装置用于分析所述放大信号以检测发动机中的敲缸事件(knockevent)的指示。
背景技术：
发动机中的敲缸事件的产生是重要的问题，因为当发动机敲缸时，其也可以在发动机上造成严重的损害。在内燃机中，空气燃料混合物被引入到燃烧室中并随后通过活塞 的上升运动被压缩，通过施加高电压于在燃烧室内所安装的火花塞而产生火花，用其点燃并燃烧所压缩的混合物，而且下推活塞生成的力在工作时被恢复。偶尔地，由燃烧本身引起的压力可以使空气燃料混合物尚未燃烧即过早地引燃，产生尾气的更小的、瞬时的燃烧，这是敲缸事件的原因。此状况不是所期待的，因为这可能损害或毁坏发动机零件，所以期望防止敲缸事件的产生。当在燃烧室中进行燃烧时，离子化室腔中的混合物分子，所以当将测量电压施加到燃烧室中的火花塞时，电流(离子电流)由于离子的电荷而流动。已知的是离子电流取决于燃烧压力而改变，且因此，可以通过检测离子电流的信号内容来确定敲缸(压力振动)的发生。美国专利6439029号公开了一种通过检测气缸中来自燃烧开始的离子电流来检测内燃机中敲缸事件的发生并基于判定水平(judging level)判定重叠着离子电流的敲缸分量(component)的方法。但是,如果发动机的操作波动(fluctuate),例如当发动机受到应力的影响或者如果使用新的燃料混合物时，则这个方法是不够精确的。难以通过这个已知的技术获得可靠的分析。美国专利6185984号公开了一种检测离子电流并随后对已滤波信号使用算法来判定是否已经出现敲缸事件的设备。但是，在贫燃烧(lean burn)发动机中通常遇到的小信号电平上，这个方法也缺乏所需的稳定性以产出关于敲缸事件的足够的结果。美国专利4565087号公开了一种用于检测内燃机中的敲缸事件的方法和设备。但是，该方法不考虑燃料浓度变化的影响或真正地完全改变燃料，其将导致离子电流的不同水平，致使敲缸事件的检测困难。所以，显而易见地需要寻求上述问题的解决方案。

发明内容
本发明的目标是克服或至少最小化上述问题。完成此目标是通过根据权利要求I的前序部分的设备，其中所述放大器是可变增益放大器且所述设备进一步包括被安排用于分析所述放大信号的第二分析装置，其中所述第二分析装置被安排以接收并分析所述放大信号并调整所述放大器的增益。因此，可以灵敏地调整放大器的增益以产生包括用于检测发动机敲缸的必需信息的放大信号，且其中信号电平是适于第一分析装置的分析的量值，无论发动机的操作(特别是关于燃烧)的任何变化。特别有益的是，对放大信号进行第二分析装置的分析而不移除低频，移除低频例如将是通过带通或高通滤波器的情况。因此，考虑通过第一分析装置的成功敲缸事件检测，可以确定分析中包括的根信号(the root of thesignal)以及信号的适当放大。根据本发明的另一方面，第二分析装置被安排以通过将所述放大信号的至少一个属性与至少一个参考值比较，进行所述放大信号的分析，其中该参考值是发动机的至少一个属性。因此，可以将所检测的放大信号与关于发动机以及发动机所使用的燃料的属性的参考值比较，以便确定预期信号电平并经由反馈回路调整放大器的增益以将放大信号保持在预期水平上。由此，可以去除关于发动机的角速度、工作负载、燃料混合物等的任何改变的影响，且总是在允许详细高效分析的状况下进行信号的分析。通过这个分析可以放大低 于预期的信号并可以缩小高于预期的信号。根据本发明的又另一方面，所述第一信号包括关于时间间隔的信息，该时间间隔对应于所述发动机的气缸的一部分回转，优选地是0°到90°的曲轴回转，更优选地是0°到50°的曲轴回转，甚至更优选地是10°到40°的曲轴回转，且其中0°是当气缸活塞在上止点位置时的位置。因此，仅使用包括确定敲缸事件存在的所需信息的回转部分以用于第一和第二分析装置中的分析，从上止点位置开始，且不需要该回转的其他部分(其中缺少敲缸时间信息)的分析。根据本发明的又另一方面，所述第一和第二装置被安排以接收至少两个(优选地是至少四个)信号，其中每个信号对应于由离子电流测量装置进行的测量。因此，可以使用相同的部件以分析来自多个气缸(优选地是发动机的全部气缸)的信息，因此产生获得(arrive at)关于敲缸事件的发动机的性能的广泛图像的可能性。由于上述方面，其中仅使用气缸的一部分回转，第一和第二分析装置被安排以顺序地从每个气缸接收放大信号，因此在第一气缸的每个回转期间分析全部气缸。根据本发明的进一步的方面，第一和第二分析装置被安排以从多个放大器接收所述信号，每个放大器都对应于一个信号，且其中所述第二分析装置被安排以改变所述多个放大器的每一个的增益，每一个所述放大器独立于所有其他所述多个放大器。因此，每个气缸的更佳的性能控制可以通过改变每个第一信号的放大(倍数)的可能性来完成，每个第一信号独立于其他信号以便于输送多个被适配以完成合适的信号电平的信号到第一分析装置以用于敲缸事件的检测。根据本发明的再一方面，在被所述第二分析装置接收之前，放大信号被安排经过低通滤波器。因此，在分析之前可以移除任何干扰(干扰是由于燃料不同或燃料混合物不同，或由于发动机中的振动引起的)，给予了连续调整第一信号放大率的机会以维持离子电流振幅和敲缸事件信号之间的相同关系。本发明的很多其他优点将从下列详细描述中变得清晰。


现在将参考附图更加详细地描述本发明，其中
图I示出用于根据本发明的优选实施例的设备的电路图，图2示出本发明的设备的第一可替代实施例的电路图，图3示出本发明的设备的第二可替代实施例的电路图，和图4a示出由图I的设备所生成的信号的示图。图4b示出由图I的设备所生成的信号的第二示图。
具体实施例方式在图I的电路图中，示出火花生成装置I，包括具有次级线圈11”的线圈11，其具有连接于火花塞12的第一端Ila和连接于离子电流测量装置2的第二端lib。该线圈11包括初级线圈11’，向其引导来自电源14的电流，电源14是诸如用于在次级线圈11”中感 应电流的电池或电容器。使用主开关13以控制初级线圈11’中电流的流动，且用控制单元61 (未显示)确定此开关13的操作。在次级线圈11”中感应的电流流向火花塞12，但是也流向离子电流测量装置2，该离子电流测量装置2通过次级线圈11”的第二端Ilb连接到次级线圈11”。在火花事件期间，产生流向火花塞或源自火花塞的火花电流，且因此产生在次级线圈11”的第二端Ilb处依次感应第二电流成分的电流。使用此电流对电容器21充电。此电流将电容器充电至等于齐纳电压的电压。在火花事件之后，电容器电压将向火花隙(spark gap)供应60-400V范围之内的电压，且如果存在离子，则离子电流将流动，以第一信号71的形式被进一步传输到放大器41。放大器41是可变增益放大器并将第一信号71放大以形成放大信号72。当线圈选择开关44闭合时，放大信号72被传输到带通滤波器43和低通滤波器42，该带通滤波器43通过第一连接82连接到第一分析装置(未显示)，且该低通滤波器42通过第二连接83连接到第二分析装置(未显示)。可以各自地使用第一和第二分析装置以分析放大信号72并产出关于火花产生装置I的操作和燃烧的信息，并且安排第二分析装置以经由第三连接46调整放大器41的增益。以下将进一步更详细地描述第一和第二分析装置的操作。火花生成装置I可以包括多个线圈11，每个连接到电源14且被主开关13分隔，每个主开关13连接到电源，从而每次只可以使用一个初级线圈11’以在活动(active)气缸的火花塞12中产生火花。火花塞12所产生的任何火花被用于引燃气缸51 (未显示)或多个气缸52 (未显示)内的空气燃料混合物。由控制单元61 (未显示)控制火花的定时(timing),该控制单元61控制每个主开关13的连接，每个主开关13用于在次级线圈11”中产生电流并因此在火花塞12处产生火花。每个线圈11连接到独立的离子电流测量装置2并前进(onwards)到独立的放大器41，且可以经由第四连接45将每个这样的独立放大器41连接到低通滤波器42和带通滤波器43。由于线圈选择开关44，可以控制电路的操作从而每次仅允许来自一个独立放大器41的信号达到低通滤波器42和带通滤波器43。因此，通过相同的第一和第二分析装置可以分析具有关于来自多个火花生成装置I和气缸52的离子电流的信息的信号，因此向控制单元62产出详细和广泛的信息，该控制单元62可以是与用于控制火花生成的控制单元61相同的单元，或者可替代地可以是独立控制单元。
优选地，仅在气缸51的一部分回转期间，即在敲缸事件将发生的时间间隔期间，分析在次级线圈11”的第二端Ilb处可以检测的离子电流的属性。此部分优选地是气缸的曲轴的0°到90°回转，更优选地是0°到50°回转，甚至更优选地是10°到40°回转，且有利地是，如果该部分开始于在气缸51的活塞处于上止点(TDC, top dead cnetere)位置时的位置，则因此在此TDC位置将位置给予0°。因此，由第一和第二分析装置进行的分析仅使用包括所寻找的信息(即，敲缸事件的发生)的部分，且这使第一和第二分析装置能分析来自多个气缸51的信号72，从而可以操作第四连接45和线圈选择开关44以允许根据特定线圈11的性能产生的放大信号72在该部分回转期间到达分析装置。因此分析装置可以从多个放大器41接收信号72并得到关于特定发动机中大多数或全部气缸51的广泛分析。在图2中，示出本发明的第一可替代实施例，具有一些电路的改变。在此，在离子电流测量装置2之前连接来自每个线圈11的离子电流，因此降低了电路所需部件的数量，因为仅需要一个这样的离子电流测量装置2，与之对比的是，上述图I的优选实施例所示的每个线圈11 (需要)一个这样的离子电流测量装置2。因此提供连接3，包括在第五连接33之前放置的离子电流开关31，通过其，可以将来自每个线圈11的电流连接且引导至离子电流测量装置2。因为在线圈11的第二端Ilb处的电压可以快速地波动且也比较大，所以放置齐纳二极管32用于保护离子电流开关31。在图3中，示出本发明的第二可替代实施例。在此实施例中，每个线圈11装有如图I的离子电流测量装置2，但仅使用一个放大器41以放大由每个离子电流测量装置2产生的信号71。通过使用一系列离子电压开关44 (其中的一个如图3中所示)以及串联连接放大器与其他开关44的第五连接45，放大器41每次可以从离子电流测量装置2之一中接收输入并向第一和第二分析装置82、83各自传输放大信号72。根据本实施例,仅一个放大器就足以放大来自每个线圈11的信号。图I中所示的优选实施例的一个特殊优势是，在每个线圈11处由离子电流产生的信号71不被连接，直到放大生成放大信号72之后，因此显著地减少信号72的灵敏度，因为显著地降低了驱动阻抗。每个放大器41的线圈选择开关44也处于IOV左右的信号电压电平，这允许了放大信号72鲁棒的和可靠的传输。而且，至多包括放大器41以及也可能包括线圈选择开关的电路中的全部部件可以被放置在线圈11的外壳内，因此进一步减少了对信号线附近干扰的灵敏度。本实施例的另一个特殊优势是，取决于每个独立气缸51的性能不同地改变每个放大器41的增益的可能性，从而将来自一个特殊气缸的第一信号71关于这个特殊气缸的性能和状况而不是全部气缸51的性能的均值地放大。这进一步使能在第一分析装置处的详细和可靠的分析且因此使能发动机更稳定的性能。 图2中所示的第一可替代实施例在离子电流测量装置2之前连接线圈，因此显著地减少了所需部件的数量并允许更小和不太复杂的电路。但是，所需的离子电流开关31要能够承受高达400V的电压变化而不影响小电流，且这可能较昂贵而且可能意味着对离子电流产生不期待的大干扰。图3中所示的第二可替代实施例仅要求一个放大器41用于放大第一和第二分析装置82、83所要求的全部信号，但是不能允许离子电压开关对信号71产生太大的干扰。在图4a中，示出了放大信号72的信号电平相对于气缸51的曲柄角(crankangle),即，所述气缸51内的曲轴从上止点(TDC)位置开始的回转角。在形状上近似高斯曲线的第一曲线101示出气缸压力，其在TDC位置之后增加到第一峰值102，且之后降低并衰减。在顶峰102之后的第一下降部分，可见第一振动103，其对应于对敲缸事件的气缸压力的影响。第二曲线201示出对应于放大信号72的离子电流，其中可见对应于第一顶峰102的第二顶峰202。第二曲线201通常是平滑的，但是在TDC位置之前，即，在气缸51到达其TDC位置之前，具有第二振动203。此第二振动203示出火花的产生以引燃气缸51内的燃料混合物。在第二顶峰202之后，对应于第一曲线101的第一振动103的较小第三振动204示出对应于敲缸事件的离子电流中的波动。也可见沿着示出曲柄角的轴的测量窗口 501,示出由根据本发明的第一和第二分析装置分析的该部分回转。类似于图4a，图4b示出具有标绘信号电平的被馈送到第一和第二分析装置的信号相对于曲柄角。在经过带通滤波器43之后，第三信号301示出放大信号72。可以设计该带通滤波器43以去除除5-20kHz区间以外的全部频率，由于敲缸事件引起的振动
(oscillation)最有可能出现在该5-20kHz区间中。因此现在已滤波的放大信号72在沿着信号电平轴或I轴所示的零电平502上基本平直，并清晰地示出对应于敲缸事件的第四振动302。第一分析装置使用此第三曲线301以确定气缸51中敲缸事件的存在，并且通过分析第四振动302以确定该第四振动302的振幅和能量可以达到此结果。基于发动机自身的已知参数，可以判定此振幅或能量是否超出阈值503 (未显示)，且如果确实如此，则判定已经发生敲缸事件。一次敲缸事件本身通常不损害发动机，但是如果在短时间间隔内发生多次敲缸，则损害、降低发动机性能或减小部件寿命的风险上升。因此，可以安排第一分析装置使用多个热机循环(engine cycle)确定振动均值以示出是否经常发生敲缸事件并因而需要抵消(counteract)。如果第一分析装置判定敲缸事件通常发生，则去除敲缸事件的第一步可以是改变火花生成的定时，如此在比之前晚3-5°的曲柄角处产生火花，并再次分析放大信号72以检测气缸51中是否仍发生敲缸事件。如果确实如此，则甚至可以更晚地生成火花，但是如果敲缸事件现在已经消失，则通过恢复火花定时到某个程度，例如每个热机循环
0.05-1°，直到找到发动机可以最佳地运行并且没有敲缸事件发生的火花的时间和位置，可以进一步优化发动机的运行。为了进一步最小化敲缸事件，可以取决于发动机的随机(stochiometric)状况和此时什么是恰当的,例如冷却气缸51,应用改变发动机状况的不同方法，诸如供应更丰富的燃料/空气混合物或增加空气供应。当然，如同本领域技术人员可以轻易理解地，在本发明的范围之内检测到了敲缸事件以后，可以使用除了这里建议的那些方法以外的方法去除敲缸事件。图4b也示出对应于经过低通滤波器42之后的放大信号72的第四曲线401。现在已经去除了任何由于敲缸事件的干扰，且仅允许相对的低频率通过。低通滤波器的截止频率优选地是700Hz-2kHz的区间内，更优选地是1kHz。通过在第四顶峰402和此顶峰402的位置确定信号电平，第二分析装置可以判定放大信号72是否足够大以允许第一分析装置的足够好的分析从而检测敲缸事件。如果在顶峰402的信号电平太低，则存在第一分析装置的分析没有足够的质量以具有精度地确定所检测干扰的振幅和为了改进第一信号71而增加到达放大器41的第一信号71的放大率的风险。为了解决此问题，第二放大装置可以使用第三连接46以改变放大器41的增益并因此适配放大信号72以使第一分析装置的分析容易。相反地，如果确定顶峰402的信号电平过高，则第二放大装置可以降低放大器41的增益以产生具有较低顶峰202的放大信号72。本发明的显著优势可能是，适配放大信号72以进入可以最优化分析以产出尽可能好的分析的测量范围。如果通过第二分析装置对被馈送到第一分析装置的带通滤波信号进行分析，则调整放大器41的增益的结果将不足以允许根据本发明的设备的良好的运作。因为带通滤波信号缺乏关联根信号的低频率，即低于IkHz的频率，优选地是低于700Hz，所以由于发动机内的振动、燃料混合物等的改变引起的任何干扰将使得第二分析装置的分析不适合于以最优方式调整放大器41的增益。结果，放大信号72的第一分析装置的分析在检测敲缸事件中将不成功且可能将诸如燃料和添加剂的更改之类的其他事件误解为敲缸事件。相反，由于对放大信号41的干扰的存在，敲缸事件本身可能是不可检测的，任一情况都给出无法令人满意的结果。通过使用参考值在任何给定时间对发动机确定恰当的放大率，第二分析装置可以进一步适配放大信号72以适于第一分析装置的分析。因为例如曲轴速度、火花定时或所使 用的燃料混合物中的任何更改都可以在气缸51内部产生的离子电流上造成显著的影响，所以与实际放大信号72比较的当前状况的参考值的使用使第二分析装置能为了进一步的分析适配放大信号72于合适的电平。根据本发明的适于结合分析使用的参考值的其他示例是气缸或发动机本身的诸如构造细节的属性，以及示出在不同负载下工作性能的值，或关于在不同发动机负载和曲轴速度以及不同温度下用不同燃料混合物的发动机的性能的更详细信息。由于此反馈系统，可以自始至终保持良好的信噪比。如果更改燃料，例如从异辛烷到乙醇，则离子电流的电平也更改到先前电平的四倍。空气/燃料定量的20%的更改也将给出类似的更改，如同改变发动机负载，而增加用于润滑和辛烷值助推(octane boost)的燃料添加剂将十倍以上地增加信号电平。如上所述，全部这些因素将影响离子电流的电平，并因此影响发送到分析装置的信号，以此方式，要不是改变增益的可能性，信号的分析是愈加困难的。现在将参考图1-3以及图4a和图4b描述设备的操作。在多气缸51的发动机的运作期间，属于每个气缸51的火花生成装置I生成火花。控制单元61确定火花的定时，该控制单元61可以同时控制全部气缸的操作并且也可以接收来自第一分析装置以及第二分析装置的输入。随着活塞的移动，离子电流在引燃之后周期性地产生且可以被次级线圈11”检测，并传输到将它们转换为信号71的离子电流测量装置，放大器41可以放大该信号71以便达到第一和第二分析装置可以分析的电平。可以将在不同气缸51中生成的源自离子电流的放大信号72发送到第一分析装置和第二分析装置。在第一分析装置，上述方法可以检测敲缸事件的存在，并且可以相应地改变关于火花生成的定时或气缸51的工作参数的状况以便去除敲缸事件，并因而最优化气缸51的性能。第二分析装置接收通过低通滤波器42滤波的、相同的放大信号72，并分析滤波信号并且比较滤波信号与关于发动机及其运作的参考值以及关于第一分析装置的优选操作范围的数据，以便确定最适于第一分析装置的信号电平。相应地调整放大器41的增益以进一步便于第一分析装置的运作并因而便于发动机自身的运作。控制单元61可以是独立单元或可以与第一和第二分析装置中的一个或多个集成，且由本领域技术人员轻易地实现的是，这同样适用于图I到图3所示电路的其他部件。实际上，全部部件可被集成以形成单个单元，但是如果更合适的话，则也可以保持独立以形成子电路。在确定如何最佳地实现电路中，气缸51附近的可用空间连同所用不同部件的属性是重要的。本发明将不被视为受上述实施例所局限，而是可以在所附权利要求的范围内变化，如同对于本领域技术人员显而易见的。例如，可以改变电路的构造以及所使用部件的 种类，并且很多其他变形也是可能的。
权利要求
1.一种分析内燃机的有关气缸性能的设备，包括离子电流测量装置(2)，其被安排以测量发动机中的离子电流且也被安排以产生对应于所述离子电流测量装置(2)进行的测量的第一信号(71)，并也包括放大器(41)，其连接到所述离子电流测量装置(2)且被安排以接收并放大所述第一信号(71)以便产生放大信号(72)，且进一步还包括第一分析装置，其用于接收并分析所述放大信号(72)以检测发动机内的敲缸事件的指示，其特征在于所述第一信号被安排以也包括低频率，所述放大器(41)是可变增益放大器，且所述设备进一步包括第二分析装置，其被安排以接收并分析所述放大信号(72)，并调整所述放大器(41)的增.、Mo
2.根据权利要求I的设备，其中所述第二分析装置被安排以通过比较所述放大信号(72)的至少一个属性和至少一个参考值来进行所述放大信号(72)的分析。
3.根据权利要求2的设备，其中所述至少一个参考值是关于发动机性能的至少一个属性，优选地是所述发动机的气缸(51)的属性或在所述发动机中使用的燃料的属性。
4.根据任何权利要求I到3中任一项的设备，其中所述第一信号(71)包括关于时间间隔的信息，所述时间间隔对应于所述发动机的曲轴的回转的一部分，优选地是发动机的曲轴的O。到90°回转，更优选地是0°到50°回转，甚至更优选地是10°到40°回转。
5.根据权利要求4的设备，其中被放置在上止点位置处的所述曲轴对应于0°位置。
6.根据先前权利要求中任一项的设备，其中所述第一和第二分析装置被安排以接收至少两个放大信号(72)，优选地至少四个放大信号(72)，其中每个放大信号(72)对应于离子电流测量装置(2)进行的测量。
7.根据权利要求6的设备，其中第一和第二分析装置被安排以从多个放大器(41)中接收所述信号，每个放大器对应于一个信号(71)，且其中所述第二分析装置被安排以改变所述多个放大器(41)中的每一个的增益，所述多个放大器(41)的每一个独立于所有其他所述多个放大器(41)。
8.根据先前权利要求中任一项的设备，其中所述放大信号(72)被安排以经过低通滤波器(42)，所述低通滤波器(42)被安排以在所述第二分析装置接收所述放大信号之前移除干扰。
9.一种分析发动机性能的方法，包括步骤 a)测量发动机中的离子电流并产生对应于所述离子电流的第一信号(71)， b)将所述第一信号(71)输送到放大器(41)以产生放大信号(72)和 c)分析所述放大信号(72)以检测发动机中的敲缸事件，其特征在于所述第一信号被安排以也包括低频率，且特征在于方法进一步包括步骤 d)进行所述放大信号(72)的分析并调整所述放大器(41)的增益作为所述分析的结果。
10.根据权利要求9的方法，其中通过将所述放大信号(72)的至少一个属性与至少一个参考值比较，进行步骤d)中的所述分析。
11.根据权利要求10的方法，其中所述参考值描述所述发动机或所述发动机中使用的燃料的至少一个属性。
12.根据权利要求9到11中任一项的方法，其中用于步骤c)和步骤d)中的分析的所述放大信号(72)对应于所述发动机的曲轴的回转的一部分，优选地是对应于当气缸(51)内部的活塞处于上止点位置时开始的时间间隔的一部分。
13.根据权利要求9到12中任一项的方法，其中所述第一信号(71)是对应于多个气缸(51)中的离子电流的多个第一信号(71)。
14.根据权利要求9到13中任一项的方法，其中所述放大信号(72)经过低通滤波器(42)用以在其被馈送到第二分析装置之前移除干扰。
全文摘要
本发明涉及一种分析内燃机的有关气缸性能的设备，包括离子电流测量装置，其被安排以测量发动机中的离子电流且也被安排以产生对应于所述离子电流测量装置进行的测量的第一信号，并也包括放大器，其连接到所述离子电流测量装置且被安排以接收并放大所述第一信号以便产生放大信号，且进一步还包括第一分析装置，其用于分析所述放大信号以检测发动机内的敲缸事件的指示，其中所述放大器是可变增益放大器，且所述设备进一步包括第二分析装置，其被安排以接收并分析所述放大信号，并调整所述放大器的增益。本发明还涉及一种分析发动机性能的方法。
文档编号G01L23/22GK102713551SQ201180006617
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月18日 优先权日2010年1月20日
发明者J.本格特森 申请人:Sem股份公司