本发明专利技术公开了一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置，该方法利用检测得到的发动机排气动态压力波信号、点火放电信号和曲轴转角信号，将所检测到的信号进行处理和融合，得到以曲轴转角为时间尺度的压力信号和放电信号数据。在失火检测仪中，利用处理和融合的数据，依据点火信号与气缸工作顺序确定各气缸对应的排气动态压力波，提取得到各气缸的排气动态压力波特征参数，实时辨析正常工作循环和气缸，根据自适应判定法则确定各缸工作状况，统计分析各缸的失火频率。该方法判定准确，不依赖于发动机ECU信号，无需建立排气动态压力波数据库，也不受发动机型号和工作环境等影响，操作简单，容易实现，通用性强，检测精度高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及汽车发动机故障检测
，尤其是涉及一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置。
技术介绍
近年来我国针对乘用车燃料消耗量颁布了多个阶段的评价方法及指标，其目的是控制整车百公里油耗逐渐降低。与此同时，我国也在有序推进越来越严格的汽车有害排放物法规的实施。因此，提高汽车发动机燃烧清洁度和热功转化效率对汽车企业来说显得尤为迫切。发动机在使用过程中，随着发动机使用时间的增长，机械零部件和电子控制系统会发生老化或失效，可能导致某一气缸或多个气缸存在失火现象，或者达不到原有的工作性能，这种现象可认为是气缸工作失常。气缸工作失常将会导致发动机热效率低下，输出动力减小，油耗急剧增大；燃烧恶化，有害排放量陡增，严重污染大气环境。气缸工作失常的通常表现有失火、气门漏气、活塞环漏气、喷油嘴堵塞等。尤其是失火，还存在连续性失火和间歇性失火，导致的原因主要有火花塞电极损坏、火花塞积炭、油气混合不均等等。车用发动机在工作中，个别火花塞不跳火现象是难以避免的，而且驾驶员一般不易发觉，其功率损失往往会以加大节气门开度来弥补。若有两个或两个以上火花塞不跳火，不仅使油耗剧增，而且排气污染也将成倍增加。据了解，一个火花塞不跳火，排气污染将会比正常情况增大3-4倍，在3种有害气体中(CO、NO2、HC)，HC的增加最为明显。此外，在节能减排背景下各大汽车企业正在积极地开发和应用新的节能技术，如增压直喷技术、稀薄燃烧技术等。但是，增压直喷汽油机仍存在一些难以克服的技术问题，比如存在超级爆震、火花塞积炭和火花塞附近混合气过稀(缸内油气混合不均而导致)等不良现象，其中超级爆震极易破坏火花塞电极，进而导致火花塞不能正常发火；火花塞附近混合气过稀亦会导致缸内不能正常着火，这说明此类发动机在工作中气缸还存在间歇性失火。目前，车用发动机基本都是应用多缸发动机，缸数一般是3个以上。在固定的气缸发生失火比较容易判定，但是发生间歇性气缸失火时就难以判定。而且，气缸间歇性失火在稀燃天然气发动机和增压直喷分层燃烧汽油机中时有存在，特别在燃烧系统开发过程中，间歇性失火的检测方法和控制技术成为稀薄燃烧技术的核心之一。如能有效解决上述问题，对汽车节能减排将会起到积极的作用。为了对发动机气缸失火进行有效检测，通过研究人员不懈的努力，提出了一些不同的检测方法及检测装置。目前检测气缸工作失火的常用方法：缸压检测法、停缸喷油法、停缸点火法、转速波动检测法和排气动态压力检测法等。缸压检测法，则需要在每个气缸上打孔安装缸压传感器，对每个气缸逐一检测，该方法对火花塞失效、漏气等判定最为直接有效，误差小。但是该方法存在严重的不足之处，其一是要求每一气缸上安装一个动态缸压传感器，这导致使用成本过高，在工程中难以得到应用；其二是在气缸盖上打孔难度大，还会导致气缸盖结构强度降低，甚至会破坏气缸盖，因此该方法风险高，在实际中不可取。停缸喷油法和停缸点火法，这两种方法分别是通过断油和切断火花塞供电来使某一气缸停止工作，然后再通过发动机台架测试或整车性能测试来确定检测前后发动机性能的差异，从而确定当前检测气缸是否失火。在实际操作和应用中，通常没有完备的测试设备，而是通过工程师人为地切断供油或供电来实现，判定的准确性主要依赖工程师的经验。该方法无需做较多改动，简单省事，成本较低。该方法对固定的气缸发生连续性失火现象比较容易判定，但是，对两个气缸同时失火和存在气缸间歇性失火等现象难以判定，而且该方法缺乏科学性。转速波动检测法，该方法是基于曲轴转速波动而进行判断的，如中国专利公开了申请号为申请号CN201310206139.7的专利技术专利“起动过程对气缸失火的检测方法”。该专利存在一定的局限性，如车辆在颠簸的路况行驶时，容易出现误判。排气动态压力波检测法，该方法是利用各气缸排气过程发生的压力波动现象来判定气缸的工作状态。该检测方法是除了直接用缸压检测法之外最为准确的方法之一，准确性好，检测方便，成本较低。但该类方法目前尚未完善和成熟，主要是排气动态压力波的分析还不够深入，检测信号难以同步，判断依据难以确定，判定系统存在一定的漏洞。采用该方法目前所公布的专利有CN200810073507.4和CN201010231623.1。专利CN200810073507.4是通过创建一个独立的检测分析系统，该系统需要建立发动机在正常状态下的排气动态压力波信号数据库。按该专利所述方法则需建立所检测发动机的整个脉谱(MAP)的排气动态压力波动数据库。此外，不同型号发动机的排气动态压力波特性不同，按该专利方法则需针对各型号发动机建立自身的排气动态压力波动信号数据库。即使是同一型号的发动机，由于生产和装配过程中的误差而导致排气动态压力波特性也有差异，而且发动机使用环境(如车辆所处海拔高度)的不同，即使相同转速和负荷下排气动态压力波动信号也是有差异的。专利CN200810073507.4所述的检测方法中故障分析数据库的排气动态压力波是固定的，没有考虑到以上问题。此外，诚如专利CN201010231623.1文献中所述专利CN200810073507.4虽然利用排气动态压力波动信号进行检测，但是存在着难以实现检测到的信号与内置标准信号的同步，检测精度不高，易于出现误判。专利CN201010231623.1解决了专利CN200810073507.4在信号同步上所存在的一些不足之处，该方法对发动机某一气缸连续性失火十分容易判断，而且检测准确性好，十分有效。此外，该专利将排气动态压力波动信号处理功能集成在发动机的中央控制单元中(就是通常所述的ECU)，而不是单独的创建一个检测分析模块。但是，该专利所述方法仍然需要在中央控制单元中预先储存正常着火时排气动态压力波均值信号(即专利CN200810073507.4所述的排气压力数据库)，因此该专利仍旧没有很好解决专利CN200810073507.4所存在的部分问题。此外，以此方式还会增加中央控制单元的储存容量，也要求中央控制单元具有更高的运算处理能力；而且该方法对发动机气缸发生间歇性失火，是无能为力进行检测，更无从得知多缸发动机各气缸在检测过程中的失火频率等信息。因此，上述两个专利所采用检测步骤和判定方法都存在一定的不足之处，而且检测范围不够全面，在实际应用存在一定的局限性。
技术实现思路
针对现有检测方法所存在的一些不足，本专利技术提出一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置，简化了失火检测方法，减轻中央控制单元的处理时间，扩大检测范围，提高检测准确性。...
【技术保护点】
一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：判断发动机是否能启动；若发动机不能启动，则所有气缸存在失火或产生其它故障，不需再进行后续检测步骤；若发动机能启动，则进入步骤2，继续发动机失火检测；步骤2：安装传感器及感应器，并将传感器和感应器与失火检测分析仪连接；在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游安装一个动态压力传感器；在任一气缸的分缸高压线上安装一个点火放电信号感应器；在飞轮上安装一个曲轴转角传感器；步骤3：启动发动机与失火检测分析仪，且将发动机的负荷和转速保持稳定；步骤4：获取时域检测信号，并将时域检测信号转换为角域检测信号；所述时域检测信号包括排气动态压力波信号、点火放电信号和曲轴转角信号，横坐标单位为秒或者毫秒，并通过曲轴转角信号实现时域检测信号和角域检测信号的转换；所述角域检测信号是指以曲轴转角作为横坐标，单位为℃A，按照下式将时域信号转化为角域信号，获得发动机所有工作循环中每一气缸排气行程的压力波动特性角域信号以及所检测点火线圈放电特性角域检测信号；其中，角速度ω通过曲轴转角传感器测得；步骤5：对排气动态压力波的角域信号进行分解和横坐标平移；以第1个工作循环内的最小压力p1_min所在曲轴转角视为气缸之间排气过程的分界点，四缸四冲程发动机的分界点就是活塞下止点，将该点的横坐标平移转化为180*λ℃A，λ为整数，取‑1、0、或1；以180*λ℃A为基准点，按照最小压力p1_min的平移量对整个排气动态压力波的角域信号进行整体平移，并采用步长Tex对所检测到的排气动态压力波角域信号和点火线圈放电角域信号进行划分，获得与各气缸对应的分阶段的角域信号，各阶段角域信号依照气缸点火顺序首尾相连；其中，Tex＝Tc/τ，单位为℃A，Tc为发动机工作一个工作循环的周期，τ为冲程数，四冲发动机τ＝4，二冲程发动机τ＝2,步骤6：确定各阶段排气动态压力波与气缸序号的对应关系；利用点火放电信号确定对应气缸的序号、同一气缸从点火到排气门开启相差Tex和各气缸的排气动态压力波的先后顺序是由点火顺序所决定的关系，确定各阶段排气动态压力波与气缸序号的对应关系；步骤7：提取各气缸排气动态压力波特征参数；测试了m个工作循环将得到m个循环的排气动态压力波，再将每一循环的排气动态压力波分解成4阶段(以4缸机为例)，则每一阶段排气过程的曲轴转角为Tex，提取每一阶段的排气动态压力波特征参数及步骤有：7.1：计算检测总工作循环数m，t为检测时间，T为发动机稳态工况下一个工作循环的周期，单位为秒；T对应的曲轴转角周期为Tc，四冲程发动机为720℃A，二冲程发动机为360℃A；7.2：提取各工作循环中的最大波动压力pi_max、最小波动压力pi_min和平均压力pi_mean，其中，i表示为第i个工作循环，取值范围为1≤i≤m；7.3：提取各工作循环中每一气缸在排气阶段中的最大波动压力pi_j_max和最小波动压力pi_j_min，以及平均压力pi_j_mean，其中，j表示为第j缸，取值范围为1≤j≤k，k为检测发动机的总缸数；7.4：确定正常工作气缸：令pi_max＝fmax(pi_j_max)，pi_mean＝fmax(pi_j_mean)，fmax为求最大值函数，则将pi_max对应气缸视为正常工作气缸；7.5：计算各工作循环中每一气缸与正常工作气缸的特征值差，有最大波动压力差Δpi_j_max和平均压力差Δpi_j_mean：Δpi_j_max＝pi_max‑pi_j_maxΔpi_j_mean＝pi_mean‑pi_j_mean7.6：计算发动机每分钟的稳定转速n，7.7：计算发动机瞬态转速nt，其中ωt表示发动机瞬时角速度；步骤8：气缸工况判断；若发动机能启动，则按照以下判断准则对气缸状态进行判断：1)若或则存在气缸失火；2)若或则气缸正常着火，但存在其它故障；3)若或则气缸正常；其中，表示最大波动压力偏离程度，表示平均压力偏离程度，a、b、c及d均为设定阈值，其中，a为最高波动压力失火判定阈值，取值范围为20％‑25％；b为最高波动压力正常判定阈值，取值范围为5％‑10％；c为平均压力失火判定阈值，取值范围为15％‑20％；d为平均压力正常判定阈值，取值范围为5％‑10％。...
【技术特征摘要】
1.一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：判断发动机是否能启动；
若发动机不能启动，则所有气缸存在失火或产生其它故障，不需再进行后续检测步骤；
若发动机能启动，则进入步骤2，继续发动机失火检测；
步骤2：安装传感器及感应器，并将传感器和感应器与失火检测分析仪连接；
在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游安装一个动态压力传感器；
在任一气缸的分缸高压线上安装一个点火放电信号感应器；
在飞轮上安装一个曲轴转角传感器；
步骤3：启动发动机与失火检测分析仪，且将发动机的负荷和转速保持稳定；
步骤4：获取时域检测信号，并将时域检测信号转换为角域检测信号；
所述时域检测信号包括排气动态压力波信号、点火放电信号和曲轴转角信号，横坐标
单位为秒或者毫秒，并通过曲轴转角信号实现时域检测信号和角域检测信号的转换；
所述角域检测信号是指以曲轴转角作为横坐标，单位为℃A，按照下式将时域信号转化
为角域信号，获得发动机所有工作循环中每一气缸排气行程的压力波动特性角域信号以及
所检测点火线圈放电特性角域检测信号；
其中，角速度ω通过曲轴转角传感器测得；
步骤5：对排气动态压力波的角域信号进行分解和横坐标平移；
以第1个工作循环内的最小压力p1_min所在曲轴转角视为气缸之间排气过程的分界点，
四缸四冲程发动机的分界点就是活塞下止点，将该点的横坐标平移转化为180*λ℃A，λ为整
数，取-1、0、或1；
以180*λ℃A为基准点，按照最小压力p1_min的平移量对整个排气动态压力波的角域信号
进行整体平移，并采用步长Tex对所检测到的排气动态压力波角域信号和点火线圈放电角域
信号进行划分，获得与各气缸对应的分阶段的角域信号，各阶段角域信号依照气缸点火顺
序首尾相连；
其中，Tex＝Tc/τ，单位为℃A，Tc为发动机工作一个工作循环的周期，τ为冲程数，四冲发
动机τ＝4，二冲程发动机τ＝2,步骤6：确定各阶段排气动态压力波与气缸序号的对应关系；
利用点火放电信号确定对应气缸的序号、同一气缸从点火到排气门开启相差Tex和各气
缸的排气动态压力波的先后顺序是由点火顺序所决定的关系，确定各阶段排气动态压力波
与气缸序号的对应关系；
步骤7：提取各气缸排气动态压力波特征参数；
测试了m个工作循环将得到m个循环的排气动态压力波，再将每一循环的排气动态压力
波分解成4阶段(以4缸机为例)，则每一阶段排气过程的曲轴转角为Tex，提取每一阶段的排
气动态压力波特征参数及步骤有：
7.1：计算检测总工作循环数m，t为检测时间，T为发动机稳态工况下
一个工作循环的周期，单位为秒；T对应的曲轴转角周期为Tc，四冲程发动机为720℃A，二冲
程发动机为360℃A；
7.2：提取各工作循环中的最大波动压力pi_max、最小波动压力pi_min和平均压力pi_mean，其
中，i表示为第i个工作循环，取值范围为1≤i≤m；
7.3：提取各工作循环中每一气缸在排气阶段中的最大波动压力pi_j_max和最小波动压力
pi_j_min，以及平均压力...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨汉乾，胡昌佐，吴家钰，邓旻涯，卢斌鑫，李立君，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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