CN105606367A - 一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法和装置

技术领域

本发明涉及汽车发动机故障检测技术领域，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。

背景技术

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***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***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的发明专利“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***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***，该***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。

发明内容

针对现有检测方法所存在的一些不足，本发明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。

一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法，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；

如发动机1不能正常启动，则发动机1可能是4个气缸存在失火现象，也可能存在其它故障导致发动机1不能启动，比如电池问题、电机问题、供油问题等。

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30-50cm处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°CA，按照下式将时域信号转化为角域信号，获得的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p_{1_min}所在曲轴转角视为气缸之间排气过程的分界点，通常情况下分界点就是活塞下止点，将该点的横坐标平移转化为180*λ°CA，λ为整数，取-1、0、或1；

四缸四冲程发动机的下止点即为分界点；

以180*λ°CA为基准点，按照最小压力p_{1_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T_ex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，T_ex＝T_c/τ，单位为°CA，T_c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T_ex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；

火花塞放电时刻是在活塞处于上止点附近，而排气门开启是在活塞处于下止点附近，四缸四冲程发动机通常测得的点火放电信号和排气动态压力信号相差180°CA(如不等于180°CA，也可视为180°CA，这不影响分析结果)，即同一气缸从点火到排气门开启相差180°CA，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，而点火顺序可从发动机维修手册或分电器中各缸线圈的排列顺序来获得。

四缸机的点火顺序可从使用说明书查找可得，通常只有1-3-4-2和1-2-4-3两种情况，即可通过所测已知气缸的点火放电信号来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T_ex，以4冲程发动机为例，T_ex＝180°CA；)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T_c，四冲程发动机为720°CA，二冲程发动机为360°CA；

7.2：提取各工作循环中的最大波动压力p_{i_max}、最小波动压力p_{i_min}和平均压力p_{i_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p_{i_j_max}和最小波动压力p_{i_j_min}，以及平均压力p_{i_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p_{i_max}＝f_max(p_{i_j_max})，p_{i_mean}＝f_max(p_{i_j_mean})，f_max为求最大值函数，则将p_{i_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Δp_{i_j_max}和平均压力差Δp_{i_j_mean}：

Δp_{i_j_max}＝p_{i_max}-p_{i_j_max}

Δp_{i_j_mean}＝p_{i_mean}-p_{i_j_mean}

7.6：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n_t，其中ω_t表示发动机瞬时角速度；

步骤8：气缸工况判断；

发动机不能启动，气缸产生的其他故障包括供油***故障、电气***故障或控制***故障等。

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；

比如活塞环严重漏气、气门严重漏气和供油***流量受限等；

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％。

各项判定阈值可根据发动机类型或运行工况进行调整。

利用每一工作循环中任一气缸的工况，将所有工作循环中各气缸的工况进行分类统计，得到各气缸的在检测过程中的总失火次数N_{j_mis}和其他故障次数N_{j_oth}，从而获取任一气缸的失火频率f_{j_mis}和其它故障频率f_{j_oth}；

其中，f_{j_mis}＝N_{j_mis}/m，f_{j_oth}＝N_{j_oth}/m。

所述动态压力传感器安装在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游30-50mm范围内。

所述步骤8中以每一工作循环中排气波动压力的最大值p_{i_max}所对应的气缸定为正常着火气缸。

所述步骤7.4中采集历史数据中多个工作循环中的p_{i_max}，计算检测中所有工作循环的平均值p_{av_max}，若当前p_{i_max}与p_{av_max}的相对误差小于1％p_{av_max}，则认为当前的p_{i_max}对应的第i个工作循环中存在其正常工作气缸，否则认为p_{i_max}对应的第i个工作循环中所有气缸工作不正常，即存在失火。

一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定装置，包括失火检测分析仪、动态压力传感器、点火放电信号感应器及曲轴转角传感器；

所述动态压力传感器、点火放电信号感应器及曲轴转角传感器均与失火检测分析仪相连；

所述动态压力传感器安装在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游位置；

所述点火放电信号感应器安装在任一气缸的分缸高压线上；

所述曲轴转角传感器安装在飞轮壳体上；

所述失火检测分析仪利用传感器及感应器采集的数据，依据上述的一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法，对气缸是否存在失火进行工况判定。

有益效果

本发明提供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，该方法利用失火检测分析仪检测得到发动机排气动态压力波动信号、点火放电信号和曲轴转角信号，将所述三组信号进行信号处理和融合，得到以曲轴转角为时间尺度的排气动态压力波动信号和火花塞放电信号数据。在失火检测仪中，对处理和融合的信号数据进行分解，得到分阶段的排气动态压力波和点火信号数据，依据点火信号与气缸工作顺序确定各气缸与各阶段压力与点火信号的对应关系，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，通过一套自适应判定方法来分析各气缸的排气动态压力波特征参数，从而确定正常着火气缸和失火气缸，以及统计出失火气缸的失火频率。

该方法不依赖预先基于发动机排气动态压力波所建立的故障频谱库作为判定标准，而是实时分析所采集的排气动态压力波信号，并以发动机可以运转这一现实条件来确定正常着火气缸的压力波动特征参数，以此作为标准对比分析各气缸排气动态压力波是否正常，从而判定对应气缸是否存在失火现象，以及统计得到各气缸连续工作的失火频率。气缸失火判定准确，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，通用性十分强，检测精度高。该装置结构简单紧凑，安装方便，检测成本低，无需与发动机其他控制***通讯。

此外，本发明所述方法对采用稀薄燃烧技术的发动机开发十分有用，尤其是目前还没有一种成熟的技术来检测增压直喷汽油机稀薄燃烧和天然气发动机采用稀薄燃烧时存在的失火现象及频率。

附图说明

图1为本发明中实施例的失火判定方法流程示意图；

图2为某4缸4冲程汽油机失火判定装置示意图；

图3为第1个测试循环排气动态压力波和第4缸点火放电感应电压信号示意图；

图4是实施例中发动机在第2个测试循环中所有气缸正常着火的排气动态压力波动图；

图5是实施例中发动机在第1个测试循环中第2个气缸发生失火时的排气动态压力波动图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定方法，包括以下几个步骤：启动发动机101、判断能否正常启动102、检测准备及启动104、信号处理和融合105、排气动态压力波分解106、确定排气动态压力波与气缸序号关系107、提取各阶段排气动态压力波特征参数108、信号自适应判定109、输出检测结果110、判断结果是否理想111、修改判定标准112和完成检测113。

图2是采用图1所示判定流程的一种具体装置结构的实施例，该实施例以四冲程4缸汽油机失火检测装置为例，4个气缸分别为第1气缸13、第2气缸14、第3气缸15及第4气缸16；四个气缸安装在进气管总成11与排气管总成2之间，每个气缸上均设置有火花塞12；每个火花塞均与分电器5相连，分电器5通过点火线圈6受控于发动机控制器7；

失火检测装置包括失火检测分析仪8、动态压力传感器3、点火放电信号感应器4及曲轴转角传感器10；

所述动态压力传感器、点火放电信号感应器及曲轴转角传感器均与失火检测分析仪8相连；

动态压力传感器3安装在发动机1排气管总成2与各排气歧管交汇处下游30-50mm范围内；

点火放电信号感应器4安装在第4气缸16的分缸高压线上；

曲轴转角传感器10安装在发动机1的飞轮9壳体上。

图3为图2所示的一种4缸机实施例在连续2个工作循环(第1和第2)中4个气缸的排气动态压力波和第4气缸点火线圈放电感应电压。

图4为图2所示的一种4缸机实施例在第2个测试循环中没有发生失火时的排气动态压力波动图。

图5为图2所示的一种4缸机实施例在第3个测试循环中发生第2气缸失火时的排气动态压力波动图，图中示出了排气动态压力波的特征参数。

以下以图2为实施例，按照图1所示检测流程和方法对本专利发明内容进行说明。

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存在其它故障，不需再进行后续检测步骤；

如发动机1不能正常启动，则发动机1可能是4个气缸存在失火现象，也可能存在其它故障导致发动机1不能启动，比如电池问题、电机问题、供油问题等。

若发动机能启动，则进入步骤2，继续发动机失火检测；

本专利的作用是主要针对在使用中的车辆/发动机存在失火现象的检测和判断，如发动机不能启动，目前常用的其他方法也无法应用。通常多缸发动机在所有气缸失火前，使用者会感知到发动机存在故障。

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；

在发动机1的排气管总成2上的排气总管与各排气歧管交汇处下游30-50mm范围内安装一个动态压力传感器3，在第4缸16的分缸高压线上安装一个点火放电信号感应器4，在发动机1的飞轮9处安装1个曲轴转角传感器10；连接好失火检测仪8所有线束。

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；

启动发动机1，维持负荷和转速稳定，为了获到特征明显的排气动态压力波，应是使发动机1在中高负荷工况运行。本步骤的目的是通过3个传感器/感应器来分别获得发动机1运行时各气缸的排气动态压力波信号和点火放电信号，以及曲轴转角信号；启动失火检测仪8。

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°CA，按照下式将时域信号转化为角域信号，即可获得发动机在检测过程中所有工作循环的每一气缸在排气行程中的排气动态压力波角域信号以及所检测点火线圈的放电电压角域信号；

其中，角速度通过曲轴转角传感器测得，时间从时域信号中获得；

在检测中，动态压力传感器3检测到的排气动态压力波动信号和点火放电信号感应器4检测到的点火线圈放电电压信号都是以时钟时间作为时域尺度。为了便于后续分析各缸的失火情况，应将该两种信号转化成以曲轴转角为尺度的角域信号。如此可将图2实施例在检测过程中所测数据划分成若干个工作循环(四冲程发动机一个工作循环为720°CA)所组成。如图3所示为实施例在检测后得到的时域信号转化为角域信号数据，图中展示了连续两个工作循环(实施例在检测中第1和第2个工作循环)的排气动态压力信号和第4缸点火放电信号。

步骤5：对排气动态压力波的角域信号横坐标平移和进行分解；

经过步骤4处理得到的测试数据是以工作循环为单位，横坐标以曲轴转角作为时间尺度，但工作循环之间的交界点并未严格按照发动机实际运行的时间段进行划分，以及同一工作循环中各气缸之间的排气动态压力波也未划分。为对每一工作循环中的所有气缸的排气动态压力波进行分析，准确地判断其工作状态，需对步骤4得到的角域信号进行横坐标平移和压力波分解。

将步骤4处理后的检测数据在第1个工作循环(从检测记录始点A计算，曲轴转角时长为720°CA的区间称为第1个工作循环)中寻找最低排气动态压力波值p_{1_min}(本实施例中第1个工作循环内的最小压力值如图3中B点所示)，将该点所在曲轴转角视为两气缸(第1缸和第3缸)之间排气过程的分界点。通常情况下分界点就是活塞下止点，将该点的横坐标平移至180*λ°CA，λ为整数，取-1、0、或1；以180*λ°CA为基准点(本例λ取-1，即基准点曲轴转角为-180°CA)，按照最小压力p_{1_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T_ex对所检测到的排气动态压力波角域信号和点火线圈放电电压角域信号进行划分，获得各气缸相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，T_ex＝T_c/τ，单位为°CA，T_c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。

本实施例τ取4，则T_ex为180°CA，第一个工作循环的p_{1_min}＝1.24Bar，以p_{1_min}点所对应的曲轴转角点作为基准点(-180°CA)。整个排气动态压力波横坐标依照第1个循环的最小压力点p_{1_min}的平移量(-50°CA)进行平移，并以180°CA作为步长对排气动态压力波进行划分，得到分阶段的排气动态压力波，如图4(第2个工作循环)和图5(第3个工作循环)所示。所测的点火放电信号也是依照排气动态压力波的平移量进行平移，同时以180°CA作为步长对放电信号进行分阶段划分。

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；

经步骤5处理后的检测信号数据仍无从得知每一气缸所对应的排气压力波，如此导致后续对各阶段的排气压力波进行诊断得到的结果将无法与气缸序号一一对应。为了解决该问题，本专利采集了发动机1任一确定气缸的点火放电感应电压信号。

本步骤的主要内容是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T_ex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；

本案例是在第4缸16的分缸高压线上安装一个点火放电信号感应器3，从而测得第4缸16的点火放电感应电压信号。同一气缸从点火到排气门开启时间差可视为180°CA，即可确定第4缸16的排气动态压力波所在阶段，再根据发动机1气缸之间的工作顺序(1-3-4-2)便可确定其它3个气缸各自所对应的排气动态压力波的阶段，如图3和图4所示。

步骤7：提取各气缸排气动态压力波特征参数；

发动机气缸失火发生在缸内，但正常工作气缸与失火气缸的排气动态压力波的波形有明显差异，本专利就是利用这种差异来区分气缸是否发生失火。为了便于对比分析各气缸排气动态压力波之间的差异，需对各阶段的排气动态压力波进行参数量化，本专利应用的量化参数有3个，分别是最大波动压力、最小波动压力和平均压力。

检测中测试了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T_ex(本案例为180°CA)，提取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T_c，四冲程发动机为T_c为720°CA，二冲程发动机T_c＝为360°CA；ω由曲轴转角传感器测得。本实施例在检测中完成了100个测试循环，即m＝100。

7.2：提取各工作循环中的最大波动压力p_{i_max}、最小波动压力p_{i_min}和平均压力p_{i_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p_{i_j_max}和最小波动压力p_{i_j_min}，以及平均压力p_{i_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；本实施例为4缸发动机，则k＝4。

7.4：确定正常工作气缸：

令p_{i_max}＝f_max(p_{i_j_max})，p_{i_mean}＝f_max(p_{i_j_mean})，f_max为求最大值函数，则将p_{i_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Δp_{i_j_max}和平均压力差Δp_{i_j_mean}：

Δp_{i_j_max}＝p_{i_max}-p_{i_j_max}

Δp_{i_j_mean}＝p_{i_mean}-p_{i_j_mean}

7.6：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n_t，其中ω_t表示发动机瞬时角速度；

本实施例通过以上步骤得到的排气动态压力波检测数据已与各气缸的关系一一对应，为了分析各气缸在检测过程中是否存在失火，需提取各个工作循环中4个气缸的排气动态压力波特征参数，最小波动压力分别有p_{i_1_min}、p_{i_2_min}、p_{i_3_min}和p_{i_4_min}，最大波动压力分别有p_{i_1_max}、p_{i_2_max}、p_{i_3_max}和p_{i_4_max}，平均波动压力分别有p_{i_1_mean}、p_{i_2_mean}、p_{i_3_mean}和p_{i_4_mean}。本实施例失火检测中完成了100个工作循环测试，排气动态压力波被分解成400个等步长的排气动态压力波阶段，每阶段表示为一个气缸在一个工作循环中的排气动态压力波。

如图4为实施例在检测中4个气缸在第2个工作循环(i＝2)的排气动态压力波测试数据，按气缸点火顺序排列，第1缸的特征参数分别是p_{2_1_min}＝1.24Bar、p_{2_1_mean}＝1.49Bar和p_{2_1_max}＝1.87Bar，第3缸的特征参数分别是p_{2_3_min}＝1.24Bar、p_{2_3_mean}＝1.50Bar和p_{2_3_max}＝1.89Bar，第4缸的特征参数分别是p_{2_4_min}＝1.24Bar、p_{2_4_mean}＝1.49Bar和p_{2_4_max}＝1.87Bar，第2缸的特征参数分别是p_{2_2_min}＝1.24Bar、p_{2_2_mean}＝1.50Bar和p_{2_2_max}＝1.90Bar。

以第2个工作循环(i＝2)中排气动态压力波的最大值p_{2_max}对应的气缸视为正常着火气缸，并以p_{2_max}作为判定标准对比分析其它气缸是否正常着火，则将p_{2_max}与p_{2_j_max}作差得到Δp_{2_j_max}，即Δp_{2_j_max}＝p_{2_max}-p_{2_j_max}。由p_{2_max}＝f_max(p_{2_j_max})，j为1、2、3和4，则p_{2_max}＝1.90Bar，可得第2个工作循环中4个气缸的Δp_{i_j_max}，分别为：

(1)Δp_{2_1_max}＝p_{2_max}-p_{2_1_max}＝1.90Bar-1.87Bar＝0.03Bar

(2)Δp_{2_3_max}＝p_{2_max}-p_{2_3_max}＝1.90Bar-1.89Bar＝0.01Bar

(3)Δp_{2_4_max}＝p_{2_max}-p_{2_4_max}＝1.90Bar-1.87Bar＝0.03Bar

(4)Δp_{2_2_max}＝p_{2_max}-p_{2_2_max}＝1.90Bar-1.90Bar＝0.00Bar

如图5为实施例在检测中4个气缸在第3个工作循环(i＝3)的排气动态压力波测试数据，按照气缸点火顺序排列，第1缸的特征参数分别是p_{3_1_min}＝1.24Bar、p_{3_1_mean}＝1.49Bar和p_{3_1_max}＝1.87Bar，第3缸的特征参数分别是p_{3_3_min}＝1.24Bar、p_{3_3_mean}＝1.50Bar和p_{3_3_max}＝1.90Bar，第4缸的特征参数分别是p_{3_4_min}＝1.25Bar、p_{3_4_mean}＝1.50Bar和p_{3_4_max}＝1.87Bar，第2缸的特征参数分别是p_{3_2_min}＝1.25Bar、p_{3_2_mean}＝1.29Bar和p_{3_2_max}＝1.36Bar。

以第3个工作循环(i＝3)中排气动态压力波的最大值p_{3_max}对应的气缸视为正常着火气缸，并以p_{3_max}作为判定标准对比分析其它气缸是否正常着火，则将p_{3_max}与p_{3_j_max}作差得到Δp_{3_j_max}，即Δp_{3_j_max}＝p_{3_max}-p_{3_j_max}。由p_{3_max}＝f_max(p_{3_j_max})，j为1、2、3和4，则p_{3_max}＝1.90Bar，可得第3个工作循环中4个气缸的Δp_{3_j_max}，分别为：

(1)Δp_{3_1_max}＝p_{3_max}-p_{3_1_max}＝1.90Bar-1.87Bar＝0.03Bar；

(2)Δp_{3_3_max}＝p_{3_max}-p_{3_3_max}＝1.90Bar-1.90Bar＝0.00Bar；

(3)Δp_{3_4_max}＝p_{3_max}-p_{3_4_max}＝1.90Bar-1.87Bar＝0.03Bar；

(4)Δp_{3_2_max}＝p_{3_max}-p_{3_2_max}＝1.90Bar-1.36Bar＝0.54Bar。

按上述方法，便可得到检测中其它所有工作循环中4个气缸的排气动态压力波的特征参数。

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％。

下面计算本实施例发动机1在检测中4个气缸在第2个工作循环(i＝2)的最大波动压力偏离程度。在步骤7中已确定了各阶段的排气动态压力波特征参数，然后再将Δp_{2_j_max}与p_{2_max}的比值作为第2工作循环各气缸是否失火的实时判定参数，即各缸的最大波动压力偏离程度分别如下：

对比失火判定标准，结果如下：

(1)则表明在第2个工作循环中第1缸工作正常；

(2)则表明在第2个工作循环中第3缸工作正常；

(3)则表明在第2个工作循环中第4缸工作正常；

(4)则表明在第2个工作循环中第2缸工作正常。

从判定结果可知，本实施例在检测过程中第2个工作循环发动机1没有发生气缸失火。

下面计算本实施例发动机1在检测中4个气缸在第3个工作循环(i＝3)的最大波动压力偏离程度。在步骤7中已确定了各阶段的排气动态压力波特征参数，然后再将Δp_{3_j_max}与p_{3_max}的比值作为第3工作循环4个气缸是否失火的实时判定参数，即各缸的最大波动压力偏离程度分别如下：

失火判定标准如下：

发动机稳态工况气缸失常类型

对比失火评定标准，结果如下：

(1)则表明在第3个工作循环中第1缸工作正常；

(2)则表明在第3个工作循环中第3缸工作正常；

(3)则表明在第3个工作循环中第4缸工作正常；

(4)则表明在第3个工作循环中第2缸发生失火。

从判定结果可知，本实施例在检测过程中第3个工作循环发动机1的第2个气缸发生失火。

按上述方法，便可得到检测中其它所有工作循环中4个气缸的排气动态压力波的最大波动压力偏离程度和平均压力偏离程度，并按照判定标准逐一进行失火判定。

按上述第2和第3工作循环的分析方法，便可得到发动机1在检测中其它所有工作循环中各缸的工作状况。再根据各个工作循环中各缸的工况状况判定结果，累计得到各缸在检测中失火次数N_{j_mis}、正常工作次数N_{j_nor}和其他故障次数N_{j_oth}，从而可计算得到各缸的失火频率f_{j_mis}、其他故障频率f_{j_oth}，其中j为气缸序号(1≤j≤k，k为总缸数)。在上一步骤中已得到在检测中发动机1各缸的失火次数和频率、其它故障次数和频率，在整个检测流程中需要输出检测结果，可通过检测仪直接显示检测结果，还可输出发动机稳态工况各气缸排气动态压力波图象。

在上述判定步骤8中以每一工作循环中排气波动压力的最大值p_{i_max}所对应的气缸视为正常着火气缸，但可能存在某一工作循环中所有(实施例中4个)气缸都失火，这会使得判定结果不准确。为了使判定结果准确，在完成步骤1至8的工作后，对整个检测分析过程中得到的所有工作循环中的p_{i_max}进行求和，可计算得到所有工作循环的压力平均值p_{av_max}，则若当前p_{i_max}与p_{av_max}的相对误差小于1％，则认为当前的p_{i_max}对应的第i个工作循环中存在其正常工作气缸；否则认为p_{i_max}对应的第i个工作循环中所有气缸工作不正常，即存在失火，相应地检测结果中失火次数和频率应作修改。

如检测结果与发动机实际工作状况不相符，则可通过修改工况判定中阀值来重新判定检测结果。这主要是针对一些特殊情况下，修改标准中的界限值，从而更准确地判定发动机的故障类型。如检测结果与发动机实际工作状况相符，则可结束检测任务，完成检测。

本发明所应用方法判定准确，整个检测过程中无需利用发动机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。

Claims (6)

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p_{1_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p_{1_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T_ex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，T_ex＝T_c/τ，单位为℃A，T_c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T_ex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T_ex，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T_c，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p_{i_max}、最小波动压力p_{i_min}和平均压力p_{i_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p_{i_j_max}和最小波动压力p_{i_j_min}，以及平均压力p_{i_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p_{i_max}＝f_max(p_{i_j_max})，p_{i_mean}＝f_max(p_{i_j_mean})，f_max为求最大值函数，则将p_{i_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Δp_{i_j_max}和平均压力差Δp_{i_j_mean}：

Δp_{i_j_max}＝p_{i_max}-p_{i_j_max}

Δp_{i_j_mean}＝p_{i_mean}-p_{i_j_mean}

7.6：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n_t，其中ω_t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％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得每一工作循环中任一气缸的工作状况，将所有工作循环中各气缸的工作状况进行分类统计，得到在检测过程中各气缸的总失火次数N_{j_mis}和其他故障次数N_{j_oth}，从而获取任一气缸的失火频率f_{j_mis}和其它故障频率f_{j_oth}；

其中，f_{j_mis}＝N_{j_mis}/m，f_{j_oth}＝N_{j_oth}/m。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态压力传感器安装在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游30-50mm范围内。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤8中以每一工作循环中排气波动压力的最大值p_{i_max}所对应的气缸视为正常着火气缸。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7.4中采集历史数据中多个工作循环中的p_{i_max}，计算检测中所有工作循环的平均值p_{av_max}，若当前p_{i_max}与p_{av_max}的相对差值小于1％，则认为当前的p_{i_max}对应的第i个工作循环中存在其正常工作气缸，否则认为p_{i_max}对应的第i个工作循环中所有气缸工作不正常，即存在失火。

6.一种发动机稳态工况失火检测及自适应判定装置，其特征在于，包括失火检测分析仪、动态压力传感器、点火放电信号感应器及曲轴转角传感器；

所述动态压力传感器、点火放电信号感应器及曲轴转角传感器均与失火检测分析仪相连；

所述动态压力传感器安装在发动机排气总管与各排气歧管交汇处下游位置；

所述点火放电信号感应器安装在任一气缸的分缸高压线上；

所述曲轴转角传感器安装在飞轮壳体上；

所述失火检测分析仪利用传感器及感应器采集的数据，依据权利要求1-5所述的方法，对气缸是否存在失火进行工况判定。