发动机系统和方法技术方案

本发明专利技术公开一种发动机系统和方法。具体地，设置成感测发动机气缸压强的压强传感器提供压强信号、并且发动机正时传感器提供发动机正时信号到电子控制器，其被编程用于接收和分析压强和发动机正时信号以确定失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号。电子控制器还被编程以在失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号中的至少一个表示气缸中存在不正常燃烧时激活故障标记。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术整体涉及内燃机，并且具体地涉及用于诊断气缸内燃烧质量的系统和方法。
技术介绍
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。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，例如周围环境温度、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，包括失火、燃料/空气混合物的爆震，和/或早燃。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。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。在标题为“MethodforDetectionofAbnormalCombustionforInternalCombustionEngines”的美国专利文件No.8677975中可见一种先前提出的用于检测并诊断不正常发动机燃烧的建议方案。在该参考文件中描述的用于检测不正常燃烧的方法包括将气缸压强发展建模为曲轴旋转的函数来估计气缸压强、测量气缸压强、并且将测量的气缸压强与估计的气缸压强进行比较以确定气缸中早燃的幅度，所述幅度被用于控制早燃。早燃是一种不正常燃烧，可在发动机低转速或者高负荷的情况下出现。尽管该方法在检测早燃中至少部分有效，但其并不解决其他种类的不正常燃烧或者其并不在整个发动机运行范围有效。
技术实现思路
在一方面，本专利技术说明了一种内燃机。该内燃机具有：气缸；活塞，其往复运动地设置在形成于缸体的缸孔中；曲轴，其连接到活塞，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，其连接到活塞并且设置在活塞与缸孔之间以密封且可滑动地接合缸孔；气缸盖，其设置成阻挡缸孔的开口端；限定在活塞与气缸盖之间的缸孔内的燃烧室；进气阀门，其设置成选择性打开，使得燃烧室与进气歧管流体连接；和排气阀门，其设置成选择性打开，使得燃烧室与排气收集器流体连接。在一个实施例中，内燃机还包括：压强传感器，其设置用于直接感测燃烧室内的气缸压强并且提供表示气缸压强的压强信号。发动机正时传感器，其设置成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位置的发动机正时信号。内燃机还包括电子控制器，其被编程用于：接收来自压强传感器的压强信号；接收来自发动机正时传感器的发动机正时信号；并且分析压强信号和发动机正时信号以确定失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、和燃烧中心信号中的至少一个。电子控制器还被编程用于在失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、和燃烧中心信号中的至少一个表示当前在气缸中存在不正常燃烧时激活故障标记。在另一方面，本专利技术描述了一种用于诊断内燃机气缸内的不正常燃烧的方法。该方法包括：监测压强信号，其表示内燃机燃烧室中的流体压强；并且还监测发动机正时信号，所述发动机正时信号表示内燃机输出轴的旋转并且还表示活塞在气缸内的位置。在电子控制器中接收来自压强传感器的压强信号，并且电子控制器中还接收来自发动机正时传感器的发动机正时信号。在正常发动机运行期间使用电子控制器分析压强信号和发动机正时信号以实时确定失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号中的至少一个。当失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号中的至少一个表示气缸中存在不正常燃烧时，电子控制器激活故障标记。附图说明图1示出根据本专利技术的内燃机的框图图示。图2为根据本专利技术的发动机燃烧气缸体的详细放大截面视图。图3为定性图形，示出根据本专利技术的燃烧气缸内的压强迹线。图4示出根据本专利技术的不正常燃烧检测系统的框图。图5示出根据本专利技术的用于诊断发动机中不正常燃烧的方法的流程图。具体实施方式本专利技术涉及内燃机并且尤其涉及在动机实地运行时，无论所述发动机运行在陆地或海洋应用中的运动或静止应用中，对发动机中不正常燃烧的连续实时诊断。用于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，本专利技术利用示例性压燃式发动机或者柴油发动机用于说明目的，但是所说明的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。可与如本专利技术中所描述的柴油机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，所述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。图1中示出具有在缸体104内形成的燃烧气缸102的发动机100的框图。如图所示，发动机包括多个燃烧气缸，例如燃烧气缸102。在图2中以横截面示出发动机100(图1)的燃烧气缸102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。发动机100包括与每个燃烧气缸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与每个燃烧气缸102流体连通，当进气阀门112中的相应一个打开时，进气流道110能够与每个燃烧气缸102流体连接。类似的，排气收集器108能够经由排气流道114通过排气阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发动机，包括：气缸，其具有形成于缸体中的缸孔；活塞，其往复运动地设置在缸孔中；曲轴，其连接到活塞，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，其连接到活塞并且位于活塞与缸孔之间以能够密封且滑动地接合缸孔，以及气缸盖，其设置为阻挡缸孔的开口端，使得燃烧室被限定在活塞与气缸盖之间的缸孔内；压强传感器，其设置为感测燃烧室内的气缸压强并且提供表示气缸压强的压强信号；发动机正时传感器，其设置为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；以及电子控制器，其被编程用于：接收来自压强传感器的压强信号；接收来自发动机正时传感器的发动机正时信号；分析压强信号和发动机正时信号以确定失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、和燃烧中心信号中的至少一个；以及当失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、和燃烧中心信号中的至少一个表示气缸中存在不正常燃烧时，激活故障标记。

【技术特征摘要】
2014.12.08 US 14/563,3371.一种发动机，包括：
气缸，其具有形成于缸体中的缸孔；
活塞，其往复运动地设置在缸孔中；
曲轴，其连接到活塞，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，其连接到活塞并且位于活塞与缸孔之
间以能够密封且滑动地接合缸孔，以及
气缸盖，其设置为阻挡缸孔的开口端，使得燃烧室被限定在活塞
与气缸盖之间的缸孔内；
压强传感器，其设置为感测燃烧室内的气缸压强并且提供表示气
缸压强的压强信号；
发动机正时传感器，其设置为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；以及
电子控制器，其被编程用于：
接收来自压强传感器的压强信号；
接收来自发动机正时传感器的发动机正时信号；
分析压强信号和发动机正时信号以确定失火信号、峰值压强
信号、压强升高率、实际点火信号、和燃烧中心信号中的至少一个；
以及
当失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、
和燃烧中心信号中的至少一个表示气缸中存在不正常燃烧时，激活故
障标记。
2.根据权利要求1所述的发动机，还包括燃料喷射器，其设置为
响应由电子控制器提供给燃料喷射器的喷射指令信号将燃料喷入气
缸中，喷射指令信号与期望在点火时刻点燃燃料的特定发动机正时相
关联，其中，至少燃烧中心信号还取决于喷射指令信号。
3.根据权利要求1所述的发动机，其中，确定失火信号、峰值压
强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号还取决于发动机

\t转速信号和发动机负荷信号。
4.根据权利要求3所述的发动机，其中，电子控制器中还包括表
格，所述表格包括对于给定的发动机转速和发动机负荷的每个失火信
号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号和燃烧中心信号所期
望的参数的列表值，并且其中，所述表格提供对应于每个信号的特定
期望数值。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，电子控制器还能够计
算每个失火信号、峰值压强信号、压强升高率、实际点火信号、燃烧
中心信号与对应于所述每个信号的特定期望值之间的差值，以获得相
应差值，并且还能够比较所述相应差值与相应的阈值。
6.根据权利要求5所述的发动机，其中，当所述相应差值超过所
述相应阈值时激活所述故障标记。
7.根据权利要求1所述的发动机，其中，在电子控制器内的爆
震测定器中确定所述失火信号，爆震测定器包括比较器功能，其比较
压强信号与包括气缸下增压阈值压强值和气缸上增压阈值压强值的
压强带，使得当压强信号表示气缸是增压状态时，爆震测定器能确定
存在失火并且提供失火信号。
8.根据权利要求1所述的发动机，其中，在峰值压强测定器中
确定所述峰值压强信号，峰值压强测定器包括比较器功能，其将由压
强信号表示的在气缸中达到的最大气缸压强与峰值气缸压强阈值进
行比较，使得当压强...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·L·耶格，F·L·科拉克，B·格里格雷，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国;US