JP3868512B2

JP3868512B2 - Device for detecting engine misfire condition

Info

Publication number: JP3868512B2
Application number: JP28297294A
Authority: JP
Inventors: ドナルド・ジェイ・レンボスキー; ケビン・ジェイ・ブッシュ; ジョン・エフ・フォリー; デビッド・フランコウスキー; スティーブン・エル・プリー
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: JPH08121235A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は内燃機関内での不点火（ミスファイア：ｍｉｓｆｉｒｅ）検出の分野に関し、かつより特定的には作動中のエンジンのスペクトル活動の解釈によってエンジンにおける燃焼事象の間における不点火を判定するための方法、および対応する装置、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼事象の不点火を検出するために種々のシステムがエンジンに関して用いられている。もしあるシリンダが反復して不点火を起こせば、典型的にはそのシリンダへの燃料が遮断される。これは多量の不燃焼の燃料が排気触媒にわたされるのを防止する。これは前記触媒の性能および有用な寿命の劣化を防止するために行なわれる。
【０００３】
１つの形式のシステムは点火（イグニション：ｉｇｎｉｔｉｏｎ）に関係する不点火を検出するために点火システムに結合される。この機構は、それが可能な不点火条件の部分集合であるイグニションに関係した不点火条件のみを検出できかつしたがって広範囲の動作条件にわたり正確に不点火を判定するのに必要な完全な機能を欠いているため都合が悪い。
【０００４】
他の機構はエンジンからの排気ガス流の温度を測定するものである。また、一酸化炭素および炭化水素の含有量を検知して不点火状態を判定することもできる。これらの機構の双方ともセンサシステムの遅い応答速度および不利な自動車の環境におけるセンサの限られた耐久性により悩まされる。
【０００５】
他の機構はエンジンのクランクシャフトの平均角速度を監視する。不点火状態を予測するための試みにおいてこの平均のエンジンクランクシャフトの速度に対し符号解析（ｓｉｇｎａｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ）が行なわれる。他の機構は平均のエンジンクランクシャフト加速度を測定することに依存する。これらの機構の双方ともそれらが複数の燃焼サイクルの平均に依存するため不正確である。このことはこれらの機構が過渡的な動作状態および強い燃焼の変化性（ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ）を有する他の状態の間には不正確かつ信頼できないため問題である。燃焼の変化性は、クランクシャフトの共振特性による、クランクシャフトのねじれ効果、およびオルタネータ、エアコンディショナのコンプレッサ、ファン、その他のような種々のエンジンのアクセサリーの影響を含む数多くの形式で発生する。
【０００６】
さらに、検知された信号の不点火成分はエンジンの全動作範囲にわたり振幅および周波数がかなり変動する。平均化機構は定常状態からの変化を予測することに依存するから、それらは本質的にこれらの過渡的動作条件の下では正確性を失う。これらの効果は典型的には往復運動する慣性トルク、およびクランクシャフトのねじれ振動によって引き起こされるエンジン負荷トルクの変動に帰する。
【０００７】
他の機構は圧力変換器の使用によって、燃焼室の排気経路における圧力または流量の変動を測定するものである。符号解析により、この圧力変換器の出力は不点火状態を検出するために所定の信号と比較される。
【０００８】
他のシステムはエンジンからのオーディオ出力の分析を考えている。それは排気ノイズの周波数スペクトルを測定するためにオーディオセンサを排気システムの出力に結合することによりエンジンの点火性能を分析することに依存する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この機構、および前述の排気測定機構もまた数多くの欠点を有している。例えば、それは実質的に、この場合には排気システムにおける、結合媒体の特性に依存する。排気システムは、排気管に結合された、排気マニホールドを含み、前記排気管は触媒変換器に結合され、該触媒変換器は消音器に結合され、該消音器は排気筒に結合されている。このような構造のため、この構成は排気システムに結合されるエンジンおよび車両の振動を含むエンジン性能に関係しないオーディオノイズ発生源からの干渉を受けやすい。この結合媒体の共振はエンジンによって与えられる調波スペクトルを増大させ得る。また、その大きな体積寸法のため、排気システムは利用可能な信号を低減するローパスフィルタのように作用し、したがって計測の精度に影響を与える。さらに、エンジンからのオーディオ出力の伝搬時間は排気システムが加熱するに応じて、あるいは冷却するに応じて変化する。さらに、過渡的エンジン動作条件の下での精度は排気システムの長さに関連するタイムラグによって損傷される。このため、エンジンの同期的チューニングは保証できない。また、個々のシリンダのオーディオ出力が通過する長さは各シリンダによって異なり、それは排気マニホールドの異なる排気ランナ長のためである。これは排気バルブが開く時からそれが検知される時までの遅延を変化させる。各シリンダからセンサ手段へのこの可変長の結合はまたエンジンにより提供される調波スペクトルをシフトさせ得る。これは異なるシリンダにおいて排気バルブからオーディオセンサまで進行するのに圧力パルスが必要とする異なる時間量によって引き起こされる圧力波の反射のためである。さらに、エンジンの排気システムは最適のエンジン性能のためにチューニングされる。この機構を使用することにより、このチューニングはさらに複雑になるが、それはチューニング経路にオーディオセンサを設けることについての余分の考慮を要するためである。また、前記オーディオセンサは耐久性の制限がある。
【００１０】
要するに、従来技術の不点火検出機構は不正確であり、過渡的なエンジン動作条件に応答するのが遅く、かつ動作中のエンジンにおいてあり得る広範囲の不点火状態を検出する能力が不完全である。
【００１１】
したがって、本発明の目的でもありかつ必要なことは、正確であり、過渡的なエンジン動作状態に迅速に応答することができ、動作中のエンジンにおいてあり得る広範囲の不点火状態を検出可能であり、最小の構成のみを必要とし、かつ異なるエンジンファミリに容易に適用可能な内燃機関における不点火を検出するための改善されたシステムを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明によれば、作動するエンジンの不点火検出システムにおける信号の忠実度を改善するための装置が提供され、該装置は、前記動作しているエンジンの加速行動を示す加速信号を提供するための加速度計測手段と、前記動作しているエンジンの速度を決定するための手段と、前記動作しているエンジンの速度に依存してプログラム可能なろ波手段であって前記加速度計測手段により与えられる加速度信号に応答してろ波された加速度信号を提供するためのろ波手段とを具備する。
【００１３】
さらに、前記フィルタ手段により提供された前記ろ波された加速度信号を受信し、かつ正常な点火状態を表わす複合信号の一部による加速度の挙動に対応して、正常点火信号を提供しかつ、前記正常点火信号の提供と同時に、不点火状態を表わす前記複合信号の他の部分による加速度の挙動に対応して、不点火信号を提供するための加速度弁別手段、および共に前記加速度弁別手段により提供される、前記正常点火信号および前記不点火信号を受信し、かつ前記不点火信号の大きさが前記正常点火信号の大きさを超えたとき不点火指示を提供するための比較手段、を設けることができる。
【００１４】
このような構成により、作動しているエンジンの燃焼プロセスの性能を示す加速度特性に関連する運動を測定することを通してスペクトル活動を監視することにより不点火状態の存在を検出するシステムが実現され、従来技術の不都合が除去される。
【００１５】
【実施例】
好ましい実施例では、動作しているエンジンのスペクトル活動を監視することにより不点火状態の存在を検出するためのシステムが説明される。この好ましい実施例においては、動作しているエンジンの、燃焼プロセスの性能を示す、ある特性、好ましくは加速特性、に関係するスペクトルが考慮される。この特性を計測するための数多くの種々の手段が不点火状態を判定するための適切な情報を生み出す。例えば、加速度計によりエンジンの振動を測定する手段、光学的手段、イオン化または電離手段、シリンダ内の燃焼現象を測定するための圧力手段、または燃焼プロセスを示す加速度特性に関連する全ての運動を測定するための手段が有用である。当業者はこの開示の意図から離れることなくこれらの手段に置き換えることができる他の同様の手段および方法を認識するであろう。
【００１６】
図１および図２のチャートは動作しているエンジンの燃焼性能を示すサイクル／回転（ｃｙｃｌｅｓ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）領域における加速度のスペクトル的ふるまいを示す。前記サイクル／回転領域における表現は都合が良く、それは燃焼、エンジンの不均衡、および（オルタネータ、エアコンディショナのコンプレッサ、ファン、その他のような）エンジンのアクセサリーによる加速度の変動はエンジン速度にかかわりなく同じサイクル／回転の発生周波数に留まっているためである。
【００１７】
図１には、４ストローク６シリンダのエンジンの正常な点火状態によるエンジンの点火スペクトルが示されている。加速度の変動の出力は特に３（１０１），６（１０３），および９（１０５）サイクル／回転で始まるシリーズにおいて顕著である。もちろん高次の調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）、または部分音（ｐａｒｔｉａｌｓ）、が前記シリーズにあるが、それらは組織全体のノイズと比較すると微々たるものである。また、参照数字１０７で示された強い応答に注目すべきである。これはクランクシャフトのねじり効果から直接生じるスペクトル応答を表わす。正常な点火スペクトル現象はサイクル／回転領域においてエンジンの速度と独立であり、かつねじり振動のスペクトルは前記ねじり振動が一定周波数のふるまいを有するとすれば、サイクル／回転領域においては変化し得るものであることに注目すべきである。
【００１８】
図２は、１つのシリンダが点火していない不点火状態によるエンジン点火スペクトルを示す。出力は依然として３（１０１′），６（１０３′），および９（１０５′）サイクル／回転で始まるシリーズにおいて特に顕著であるのみならず、１／２（２０１），１（２０３），３／２（２０５），２（２０７），および５／２（２０９）サイクル／回転においても顕著であることに注目すべきである。このサブハーモニック（ｓｕｂ−ｈａｒｍｏｎｉｃ）シリーズのふるまいは１つのシリンダのみが不点火であることを示している。もし１対のシリンダが不点火となれば、１および２サイクル／回転と共にスタートするシリーズに顕著なエネルギが現われる。このふるまいはまったく普通にあることであり、かつ、今日のイグニションシステムにおいて典型的に見られる、共用（ｓｈａｒｅｄ）イグニションコイルの障害によるものである。
【００１９】
もちろん、異なる数のシリンダを備えたエンジン構成においては、不点火のイグニション対は異なるが、しかし同様に予測可能なスペクトル挙動を持つことになる。さらに、不均一（ｎｏｎ−ｅｖｅｎ）点火エンジンにおいては、加速度特性のスペクトル挙動は対応して予測可能なスペクトル挙動を持つ。
【００２０】
２ストロークまたは４ストロークであれ、全てのエンジンに対する基本的な、または最も低い次数の点火周波数は以下の関係によって表現可能である。
【数１】
ｆ＝３６０／Δθ ［サイクル／回転］
この場合、
３６０＝度／回転（ｄｅｇｒｅｅｓ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）であり、
かつ、均一点火（ｅｖｅｎｆｉｒｉｎｇ）エンジンに対しては、
Δｑ＝シリンダ点火の間の度数であり、
かつ、不均一点火（ｕｎｅｖｅｎｆｉｒｉｎｇ）エンジンに対しては、
Δｑ＝点火パターンにおける反復の間の度数である。
【００２１】
全ての均一点火エンジンに対する基本的な、または最も低い次数の不点火周波数は次の関係で表現できる。
【数２】
ｆ_{２ストローク}＝１サイクル／回転
【数３】
ｆ_{４ストローク}＝１／２サイクル／回転
【００２２】
上に与えられたスペクトル関係に対するシリーズ全体は次のようにして決定論的に近似できる。単一シリンダエンジンに対するガス圧力によるエンジンのクランクシャフトに対するトルクは次の式によって近似できる。
【数４】
∞
Ｔ_ｐ／Ｔ_ｍ＝１＋ Σ Ｗ_ｎｓｉｎ［ｎθ＋φ_ｎ］
ｎ＝１／２，１，３／２，２，……
この場合、
Ｔ_ｐ＝瞬時圧力トルク
Ｔ_ｍ＝エンジンの平均トルク
Ｗ_ｎ，ｆ_ｎ＝エンジンの形式および動作条件によって変化する係数
ｎ＝調波次数
ｑ＝エンジンの回転位置、である。
【００２３】
均一または一様な点火インターバルを有する典型的な４ストロークエンジンに対しては、トルクベクトルはｎが２で除算したシリンダの数の倍数である時増大し、かつ通常の動作条件の下でのｎの全ての他の値に対し相殺する（ｃａｎｃｅｌ）。しかしながら、図２に示されるように、かつ前に述べたように、単一のシリンダが不点火になると、全ての低い次数（ｎ＝１／２，１，３／２，２，……）が正常な点火次数に加えて存在する。前記点火次数において対向ストロークに関し対で不点火が生じた場合、前に述べたように、より高い次数のみが存在する。したがって、不点火の検出はシリーズｎ＝１／２，１，３／２，２，……のスペクトルの存在を観察することによって達成できる。これは全てのエンジン負荷および速度に対し有効である。
【００２４】
異なるシリンダ構成に対する４ストロークの、均一点火エンジンに対する特徴的周波数を示すチャートは次のように与えられる。
【表１】
シリンダの数
イグニション（点火より低い）付加的周波数
対点火周波数１シリンダ不点火不点火
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
４ｎ＝２，４，６，…… ｎ＝１／２，１，３／２，ｎ＝１
……
６ｎ＝３，６，９，…… ｎ＝１／２，１，３／２，ｎ＝１，２
……
８ｎ＝４，８，１２，… ｎ＝１／２，１，３／２，ｎ＝１，２，３
……
ここでｎ＝サイクル／回転（ｃｙｃｌｅｓ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）である。
【００２５】
したがって、不点火状態から生じるスペクトルは正常な点火状態に関連するスペクトルより下の固定されたスペクトル距離に位置することになる。
【００２６】
上に述べた挙動を認識するためのシステムは、作動するエンジンに結合され、該作動するエンジンのスペクトル活動を表わし、エンジンの性能を表示する、スペクトル信号を提供するためのスペクトル検知手段を含む。好ましい実施例においては、角度変位を計測するためにクランクシャフト位置センサが使用され、かつ次にクランクシャフトの加速度を表わす複合信号を提供するよう調製される（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）。後に詳細に説明する、他の実施例は、作動するエンジンの燃焼プロセスの性能を示す、加速度特性に関連する運動を計測するための他の検知機構を含む。
【００２７】
スペクトル弁別手段が前記計測手段によって提供される複合スペクトル信号を受信し、かつ正常な点火状態を表わす複合スペクトル信号の一部に起因するスペクトルエネルギに対応する正常点火信号を提供する。もし、不点火状態が存在すれば、前記スペクトル弁別手段はさらに作動するエンジンの不点火状態を表す複合スペクトル信号の他の部分に起因するスペクトルエネルギに対応する、不点火信号を提供する。次に、もし該不点火信号の振幅が前記点火信号の振幅を所定の率または量だけ超過すれば不点火指示が提供される。
【００２８】
図３は作動するエンジンにおける不点火状態の改善された検出を可能にするためのこの挙動認識戦略を適用する不点火検出システムのシステムブロック図を示す。好ましい実施例では、６シリンダ、４ストロークエンジンが使用される。好ましい実施例では、離散的時間信号処理要素を使用して不点火状態を検出するための中央要素が構成される。
【００２９】
あるいは、当業者は、伝統的なアナログ回路を含む、伝統的な連続時間信号処理要素を使用したもののような他の等価な実施例に気が付くであろう。離散的時間信号処理はそれが連続的な時間信号処理要素に対して持っている利点のため選択された。これらの利点はより少ない部品、安定な決定性能、エージングがないこと、ドリフトがないこと、調整がないこと、種々のエンジンに対し容易にチューニング可能であること、高いノイズ免疫性、および自己テストの可能性を含む。
【００３０】
前に述べたように、角度変位を測定するためにクランクシャフトの変位センサが使用され、該角度変位は次に作動するエンジンにおける燃焼プロセスによるクランクシャフトの加速度を表す複合スペクトル信号を提供するよう調製される。その測定を行なうために、図３においては、センサ３０１は、作動するエンジンのクランクシャフトに取り付けられた回転するホイール３０５上の通過する歯（ｔｏｏｔｈ）３０３を計測する。クランクシャフトにおける歯付きホイールを使用するこの方法はエンジン制御の分野においてありふれた事である。もちろん、当業者は角度変位を計測するために数多くの他の、実質的に等価な、手段および方法を認識するであろう。エンジンの角度変位信号３０７がセンサ３０１によって提供される。好ましい実施例では、エンジンが作動するに応じて、該角度変位信号３０７はセンサ３０１が歯３０３および引き続く間隔部分３１１を検知した時遷移する論理レベルの信号である。したがって、作動するエンジンにおける燃焼プロセスに応じて、歯付きホイール３０５が回転するに応じて、角度変位信号３０７は実質的に角速度、またはエンジン速度に応じた矩形波形となる。
【００３１】
この角度変位信号３０７は要素３０９へ提供される。要素３０９は作動するエンジンのクランクシャフトの加速度を決定する。当業者はこのためのいくつかの手段および方法に気が付くであろう。好ましい実施例では、前記矩形波３０７の隣接する遷移の間の経過時間インターバルが比較されてクランクシャフトの加速度を決定する。なんらかのねじれ振動または不点火挙動に関連しない他の加速度効果を除去するためにこの決定された加速度をろ波することが好ましい。これについては後に説明する。
【００３２】
前記加速度情報は次に要素３１３に与えられる。好ましい実施例では、要素３１３は前記加速度情報をエンジンの角度変位と同期してサンプルする。前に述べたように、エンジンの点火および不点火スペクトルを検出するためのものである、注目の加速度情報のスペクトル現象は、もしエンジンの同期サンプリングが使用されれば、エンジンの速度に無関係である。したがって、この実施例では、要素３１３は単に前記角度変位信号３０７によって制御されるゲートである。要素３１３は動作するエンジンの燃焼性能に関係するエンジンのスペクトル放射を表す、複合スペクトル信号、または捕捉された（ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｅｄ）エンジンクランクシャフト加速度信号３１７を出力する。
【００３３】
前に述べたように、好ましい実施例では離散的時間信号処理要素に依存する。要素３１５はデジタル信号プロセッサ、またはＤＳＰを表す。要素３１５内に示された構成要素のシステムレベルのブロック図の要素は適切なソフトウェアルーチンを有するマイクロコード化されたハードウェア手段を表す。この場合モトローラのＤＳＰ５６００１が装置３１５として使用される。モトローラのＤＳＰ５６００１は毎秒１０００万（ｔｅｎｍｉｌｌｉｏｎ）以上の命令を実行する能力を有し、かつ２４ビット幅のデータパスにより１４４ｄＢのダイナミックレンジを提供する。もちろん、当業者は他の等価的に有用なＤＳＰ装置、または実質的に同じ機能を有するハードワイヤの、または他のマイクロコード化された手法に気が付くであろう。
【００３４】
この構成の重要な要素は、要素３１９で表される、デジタルフィルタを含む。このフィルタは図７に詳細に示される３つの別個のフィルタからなる。
【００３５】
図７を参照すると、このフィルタ３１９はクランクシャフトのねじれスペクトル成分からのなんらかの影響を除去するために配置されたノイズろ波手段、またはノッチフィルタ７０１を含む。このノイズろ波手段７０１、またはノイズスペクトル弁別手段は、この場合は前記捕捉したエンジンクランクシャフト加速度信号３１７である、複合スペクトル信号を受信し、かつ前記複合スペクトル信号の所定のノイズ成分がないノイズろ波された信号７０３を提供する。この場合、前記所定のノイズ成分はクランクシャフトねじれ振動である。サイクル／回転（ｃｙｃｌｅｓ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）領域がこの実施例では使用されているから、かつねじれ振動スペクトル成分は周波数領域において一定であるから、このフィルタ７０１はエンジン速度と同期してチューニングされなければならない。このため、要素３３３はエンジン速度を決定しかつエンジンクランクシャフト計測装置３０１，３０３，３０５，３１１，３０７の速度に対応する出力変数３３５を提供する。
【００３６】
フィルタ７０１のチューニングはエンジン速度に対応する可変フィルタ係数を得ることにより達成される。これは特に前記モトローラのＤＳＰ５６００１において都合が良く、かつ択一的（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ）フィルタ係数を有するルックアップテーブルの使用によって達成される。あるいは、フィルタ係数の再計算がエンジン速度を示す信号３３５に応じてフィルタ７０１を、事実上、チューニングするために使用できる。また、当業者は前記データを周波数領域へと再サンプルし、固定されたフィルタを適用し、かつ他の選択肢としてサイクル／回転領域へと再サンプルする方法に気が付くであろう。フィルタ７０１は点火フィルタバンク７０７および不点火フィルタバンク７０５の双方にノイズろ波された信号７０３を提供する。
【００３７】
ノッチフィルタ７０１について上述したように、フィルタ７０５および７０７もまたサイクル／回転領域でのスペクトルエネルギを考慮するよう設計されている。他の実施例では、いくつかはここで説明するが、これらのフィルタ７０１，７０５，および７０７は周波数領域においてデータに対して動作するよう設計される。
【００３８】
前記点火フィルタバンク７０７はノイズろ波された信号７０３から期待される３，６，および９サイクル／回転における正常な点火に関連するスペクトルエネルギを抽出するよう設計されている。あるいは、もし精度がより低くても良ければ、点火フィルタバンク７０７は前記複合スペクトル信号３１７から予期されるスペクトルエネルギを直接抽出することができる。点火フィルタバンク７０７は動作しているエンジンの正常な点火状態によって引き起こされるエネルギを表すノイズろ波された信号７０３の一部に帰するスペクトルエネルギ、または出力に対応する、正常点火信号３２１を提供する。
【００３９】
不点火フィルタバンク７０５は１／２，１，３／２，２，および５／２サイクル／回転での不点火に関連するノイズろ波された信号７０３から予期されるスペクトルエネルギを抽出するよう設計されている。該フィルタバンク７０５は動作中のエンジンの不点火状態を表す前記複合スペクトル信号の他の部分に帰するスペクトルエネルギに対応する、不点火信号３２３を提供する。
【００４０】
好ましい実施例では、６シリンダ、４ストロークのエンジンが使用されていることに注意を要する。もし他のエンジン構成が使用されれば、適切なスペクトル関係は表１に示されるものとなる。
【００４１】
もちろん、当業者は力の不均衡、道路に関連する外乱、およびエンジンのアクセサリに関連するノイズによるもののような、他の望まれないシステム的ノイズの消去を含む、ノッチフィルタ７０１の他の用途を認識するであろう。これらの他の現象のいくつかをろ波除去するために、複数のノッチ、または異なるようにチューニングされた阻止帯域、を使用できる。
【００４２】
前記デジタルフィルタ７０１，７０５，７０７は有限インパルス応答、またはＦＩＲフィルタとして構成される。あるいは、無限インパルス応答、またはＩＩＲフィルタを使用できる。デジタルフィルタ設計の主題に関してはかなりの量の卓越した今日の文献が入手可能である。この文献にはＭｃＧｒａｗ−ＨｉｌｌＩｎｃ．により１９７９年に発行され、かつＡｎｄｒｅａｓＡｎｔｏｎｉｏｕにより著わされ、“ＤＩＧＩＴＡＬＦＩＬＴＥＲＳ：ＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤＤＥＳＩＧＮ”と題するテキストブックが含まれる。ＰｒｅｎｔｉｃｅＨａｌｌＩｎｃ．により１９９０年に発行された他の卓越した文献は“ＤＥＧＩＴＡＬＳＩＧＮＡＬＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＩＮＶＬＳＩ”と題するものである。ここに述べられた実施例においては、これらのデジタルフィルタを実現するために前記ＤＳＰ５６００１の装置３１５がプログラミングされている。ＦＩＲフィルタはこのＤＳＰ３１５使用して非常に一般的に設計されている。
【００４３】
好ましい実施例では、かつ後に説明する他のものの内のいくつかにおいては、注目のスペクトル現象はサイクル／回転領域におけるエンジン速度に依存しないという事実によりエンジンの同期サンプリングに適用するのに都合の良いものとなっている。これを行なうため、３，６，および９サイクル／回転における正常な点火に対する、かつ１／２，１，３／２，２，および５／２サイクル／回転における不点火に対するデジタルフィルタの係数がサイクル／回転領域においてナイキスト理論に従ってサンプリング、またはデータ、レートに関して特定される。したがって、エンジンが速度を変えた時、デジタルフィルタの係数はサンプリングレートに対し固定された関係を有するから、注目の現象はサイクル／回転領域において一定に留まっており、前記フィルタ７０１，７０５，７０７は事実上追従する。
【００４４】
ろ波の後、正常点火信号３２１および不点火信号３２３はデジタルフィルタ７０５および７０７から要素３２５へと提供される。要素３２５は不点火信号３２３の振幅が点火信号３２１の振幅を所定の率または量だけ越えた場合に不点火指示信号３２７を提供する。この所定の率などは異なるエンジンファミリに対して調整可能にすると好ましい。
【００４５】
不点火指示信号３２７は好ましくは該不点火を起こしているシリンダへの燃料の輸送を遮断する要素３２９に提供される。該不点火指示信号３２７はまた他のエンジン制御装置、または診断装置に不点火状態を報告するためにこのシステムの外部にも供給できる。
【００４６】
不点火指示信号３２７と一致する特定のシリンダを識別するために要素３３１が設けられている。要素３３１は現在燃焼プロセスにあるシリンダを計算するために角度変位信号３０７およびＴＤＣマーカ信号３３９を考慮する。他のセンサ３４１および歯（ｔｏｏｔｈ）３３７がエンジンのクランクシャフトに取り付けられ、かつ前記ＴＤＣ、またはシリンダ識別、マーカ信号３３９を提供するために使用される。いったん正確に不点火を識別するという困難なタスクが完了すると、不点火を生じているシリンダを識別しかつディスエーブルする数多くの装置および方法がエンジン設計の当業者には良く知られている。
【００４７】
上記好ましい実施例において説明した手法により、点火および不点火燃焼性能に関連する、測定された加速度特性は、歯付きホイール３０５により具現される、動作しているエンジンと、センサ３０１によって表わされる、センサシステムとの間の測定経路長に依存しないことに注目すべきである。これはまた複数シリンダ設計においても当てはまる。さらに、結合媒体としての自由空間を有することは、必然的に耐えがたい負担となる結合媒体に依存する従来技術のシステムのように、エンジンに対し負荷を与えることはなくかつ測定された特性に実質的な影響を与えることもない。
【００４８】
この実施例のエレガンス（ｅｌｅｇａｎｃｅ）はエンジン速度によって直接得られる入力データレート、またはサンプルレートに依存する固定された、安定なスペクトル弁別手段を含む。このエンジンに同期したサンプリング手法は従来技術において使用された同調アナログフィルタ構成によっては可能ではなく、デジタルフィルタにより都合の良いものとなる。また、燃焼性能を測定するためにエンジンの単一のポイントが使用されるため、該測定が測定経路長および形状に無関係であり、したがって従来技術のように測定経路結合またはマルチパスエラーは導入されない。
【００４９】
他の実施例が図４、図５および図６に示されている。図４においては、同じクランクシャフト検知システムが、サイクル／回転領域ではなく、周波数領域に関連したデジタルフィルタと共に使用されている。
【００５０】
要素３１３′は固定されたサンプリングレートで要素３０９によって提供されるクランクシャフトの加速度情報を入力する。もちろん、この固定されたサンプリング速度はエイリアシングが生じないことを保証するためにナイキスト理論の要件に適合するのに充分高くなるよう選択される。要素３１３′はクロッキング発振器によって制御されるゲートを使用して構築され、かつ一定のサンプルレートで出力３１７′を要素３１９′に提供する。
【００５１】
図８を参照すると、このフィルタ３１９′は、図７において詳細に示された、前記フィルタ３１９に見られるのと実質的に同じ構造を有する。しかしながら、この手法は、時間において、固定されたサンプリングレートを使用するから、３１７′で表わされるデータは周波数領域にある。したがって、デジタルフィルタ７０１′は固定的なものとすることができ、かつデジタルフィルタ７０５′および７０７′はエンジン速度に追従するためにチューニング可能でなければならない。これは、サンプリングレートが固定されているから、およびねじれ振動スペクトル現象が周波数領域において固定されているから、デジタルフィルタ７０１′は固定できるためである。また、注目の点火および不点火スペクトル現象はそれが前記サイクル／回転領域における実施例において行なったように周波数領域において一定に留まっておらず、かつしたがってこれらのフィルタ７０５′，７０７′はエンジン速度に追従するために同調されなければならない。この実施例では、エンジン速度変数３３５がフィルタ７０５′および７０７′をチューニングするために提供される。
【００５２】
前記好ましい実施例において述べたように、好ましくは、フィルタ７０１′はノッチフィルタとして設計されるが、ここではフィルタ係数は固定されかつ周波数領域において特定される。特に、フィルタ７０１は、３，２１０ＲＰＭにおいて４．５サイクル／回転（ｃｙｃｌｅｓ／ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）に対応する２４０ヘルツ（Ｈｚ）に固定チューニングされている。このフィルタは固定的なものとされているが、それは実効クランクシャフトねじれ振動効果が周波数領域において固定されているからであることに注目すべきである。
【００５３】
このフィルタ７０１′の出力７０３′、またはノイズろ波された信号、は他のフィルタ７０５′，および７０７′にねじれ振動のない信号を提供する。
【００５４】
フィルタ７０７′は知られたエンジン速度で３，６，および９サイクル／回転を表わす周波数に対応するスペクトルを弁別する応答を有するデジタルマルチ通過帯域フィルタとして構成されている。デジタルフィルタ７０７′の係数は可変でありかつ周波数領域において特定される。特に、フィルタ７０７′は３，２１０ＲＰＭのエンジン速度に対し１６０ヘルツ，３２０ヘルツおよび４８０ヘルツに同調されている。もしエンジン速度が１，６０５ＲＰＭへと５０％だけ低減されれば、前に述べたように新しいフィルタ係数がルックアップされ、かつフィルタ７０７′が対応して８０ヘルツ，１６０ヘルツ，および２４０ヘルツに同調される。
【００５５】
フィルタ７０５′はまた１／２，１，３／２，２，および５／２サイクル／回転における不点火を表わす周波数に対応するスペクトルを弁別する応答を有するデジタルマルチ通過帯域フィルタとして構成される。デジタルフィルタ７０５の係数は可変でありかつ周波数領域において規定される。特に、フィルタ７０５は３，２１０ＲＰＭのエンジン速度に対し２７ヘルツ，５３ヘルツ，８０ヘルツ，１０６ヘルツ，および１６０ヘルツに同調される。もしエンジン速度が１，６０５ＲＰＭへと５０％だけ低減すれば、新しいフィルタ係数が、前に述べたように、ルックアップされ、かつフィルタ７０５はこれに応じて１３ヘルツ，２７ヘルツ，４０ヘルツ，５３ヘルツ，および８０ヘルツに同調される。
【００５６】
これらのフィルタ７０７′および７０５′の各々はそれぞれ予測される点火周波数および不点火周波数に位置するスペクトルエネルギを指示するために信号３２１′および３２３′を対応して出力する。他の要素は図３についての説明において前に述べたのと同様に動作する。
【００５７】
図５においては、エンジンに装着された加速度計５０１、便宜的にはノック検出のために使用できるのと同じもの、が燃焼性能を測定するために使用されている。センサ手段の置き換えは別としてこの実施例は前記好ましい実施例と同様に動作する。
【００５８】
図５はサイクル／回転領域における測定にとって一般的なエンジン同期サンプリング手法を使用して示されているが、固定サンプリングレート、または周波数領域、の手法もこれに代えて適用できる。前に述べた利点に加えて、この手法はノック検出機能のために提供されるものとセンサを共用する。これはコストの節約、工場での導入および現場での修理の容易さおよび現場での信頼性のために意味のあることである。さらに、この手法はクランクシャフトのねじれ振動に鈍感である。
【００５９】
図６においては、燃焼性能を測定するためにシリンダ内センサ６０１が使用されている。種々の形式のセンサが使用できる。これらのうちの部分集合は光学的、圧力、および電離センサを含む。また、シリンダの各々についてセンサを使用できる。もしセンサが複数のシリンダに対して設けられれば、それらの出力は組み合わされて不点火検出システムへ入力されるのが好ましい。あるいは、各センサを個別に分析することができる。図６は周波数領域での手法を示す。
【００６０】
要素３１３′はシリンダ内センサ６０１によって提供された燃焼情報を固定されたサンプリングレートで入力する。この要素３１３′は図４において説明された要素と同じである。サンプルされたデータ３１７′はフィルタ３１９′に提供される。該フィルタ３１９′は図４で説明されたフィルタと同様に動作するよう設計されている。他の要素は図３に関する説明において前に記載したのと同様に動作する。
【００６１】
あるいは、もしシリンダが個別に分析されれば、前記デジタルフィルタは適切な点火に対する１／２（ｏｎｅ−ｈａｌｆ）サイクル／回転を検出するよう同調され、点火の欠如または１／２サイクル／回転における大幅に減衰した点火エネルギは不点火を指示する。
【００６２】
もちろん、エンジンに同期したサンプリング手法もこれに代えて使用できる。前に述べた利点に加えて、この手法は燃焼プロセスを直接測定しかつ、他の検知技術に影響を与える、クランクシャフトのねじれ効果のような、外来のシステム的ノイズ発生源により影響を受けない。
【００６３】
【発明の効果】
結論として、作動しているエンジンの燃焼プロセスの性能を示す加速度特性に関連する運動を測定することを通してスペクトル活動を監視することにより不点火状態の存在を検出するシステムが提示された。前記好ましいおよび代替実施例は従来技術の重大な不都合を克服する。それらの改善は測定経路が直接的であるため不点火状態のより正確な検出ができること、外部の影響に対する改善された鈍感さがあること、マルチパスにより引き起こされるエラーによって影響されない単一測定経路、およびこの手法が複数サイクルを平均することによるいずれの不正確さをも避けることを含む。このシステムはまた、デジタルフィルタ構成のため、より安定でありかつより予測性に富む。さらに、この手法は複数サイクルの平均が使用されないため過渡的エンジン動作状態により良く応答する。この手法はまた放射されるエネルギに依存せず、かつ従来技術のシステムにおいて生じたような測定されるエンジンに対する負荷の問題を生じない。すべてのエンジンが知られたスペクトルで不点火挙動を示すため、このシステムは最小限の較正を必要とするのみであり、かつ異なるエンジンファミリに容易に適用できる。
【００６４】
ここに提案された実施例は特定のシステム的手法に依存するが、数多くの他のシステム、および（他の装置と共に）方法もこの手法と同じ利点を生み出すために考案できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】全てのシリンダが設計どおり点火している正常な点火状態によるエンジンの点火スペクトルを示すグラフである。
【図２】１つのシリンダが設計どおり点火していない不点火状態によるエンジンの点火スペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明の好ましい実施例に係わる点火検出システムのシステムブロック図である。
【図４】本発明の他の実施例に係わる、エンジン速度に応答するスペクトル分析手段を含む不点火検出システムのシステムブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例に係わる、エンジン装着加速度計を含む、不点火検出システムのシステムブロック図である。
【図６】本発明の別の実施例に係わる、シリンダ内センサを含む、不点火検出システムのシステムブロック図である。
【図７】本発明の各実施例において使用される、全てサイクル／回転領域における、ねじれクランクシャフト振動、点火関連スペクトル、および不点火関連スペクトルを抽出するためのデジタルフィルタのシステムブロック図である。
【図８】本発明の各実施例において使用される、全て周波数領域における、ねじれクランクシャフト振動、点火関連スペクトル、および不点火関連スペクトルを抽出するためのデジタルフィルタのシステムブロック図である。
【符号の説明】
３０１センサ
３０３ホイールの歯
３０５ホイール
３０７エンジン角度変位信号
３０９クランクシャフト加速度決定要素
３１１ギャップ
３１３捕捉エンジンスペクトル放射要素
３１５デジタル信号プロセッサ
３１７捕捉されたエンジンクランクシャフト加速度信号
３１９点火および不点火関連スペクトルのスペクトル分析要素
３２１正常点火信号
３２３不点火信号
３２５不点火指示要素
３２７不点火指示信号
３２９燃料遮断要素
３３１作動シリンダ識別要素
３３３エンジン速度決定要素
３３７歯
３４１他のセンサ [0001]
[Industrial application fields]
  The present invention relates to the field of misfire detection within an internal combustion engine, and more particularly to determine misfires during combustion events in an engine by interpretation of the spectral activity of an operating engine. And a corresponding apparatus.
[0002]
[Prior art]
  Various systems are used on engines to detect misfires of combustion events. If a cylinder repeatedly misfires, fuel to that cylinder is typically shut off. This prevents a large amount of unburned fuel from being passed to the exhaust catalyst. This is done to prevent degradation of the performance and useful life of the catalyst.
[0003]
  One type of system is coupled to the ignition system to detect misfires related to ignition. This mechanism can only detect misfire conditions related to ignition, which is a subset of possible misfire conditions, and thus lacks the complete functionality necessary to accurately determine misfires over a wide range of operating conditions. Because it is inconvenient.
[0004]
  Another mechanism measures the temperature of the exhaust gas stream from the engine. Further, the misfire state can be determined by detecting the contents of carbon monoxide and hydrocarbons. Both of these mechanisms are plagued by the slow response speed of the sensor system and the limited durability of the sensor in adverse automotive environments.
[0005]
  Other mechanisms monitor the average angular speed of the engine crankshaft. A sign analysis is performed on this average engine crankshaft speed in an attempt to predict misfire conditions. Other mechanisms rely on measuring average engine crankshaft acceleration. Both of these mechanisms are inaccurate because they depend on the average of multiple combustion cycles. This is a problem because these mechanisms are inaccurate and unreliable during transient operating conditions and other conditions with strong combustion variability. Combustion variability occurs in many forms, including crankshaft torsional effects due to crankshaft resonance characteristics, and the effects of various engine accessories such as alternators, air conditioner compressors, fans, and the like.
[0006]
  Furthermore, the misfire component of the detected signal varies considerably in amplitude and frequency over the entire operating range of the engine. Since averaging mechanisms rely on predicting changes from steady state, they inherently lose accuracy under these transient operating conditions. These effects are typically attributed to reciprocating inertia torque and engine load torque variations caused by crankshaft torsional vibrations.
[0007]
  Another mechanism is to measure pressure or flow fluctuations in the exhaust path of the combustion chamber by using a pressure transducer. By sign analysis, the output of this pressure transducer is compared with a predetermined signal to detect a misfire condition.
[0008]
  Other systems are looking at analyzing the audio output from the engine. It relies on analyzing the ignition performance of the engine by coupling an audio sensor to the exhaust system output to measure the frequency spectrum of the exhaust noise.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
  This mechanism, and the aforementioned exhaust measurement mechanism, also has a number of drawbacks. For example, it substantially depends on the properties of the coupling medium, in this case in the exhaust system. The exhaust system includes an exhaust manifold coupled to an exhaust pipe, the exhaust pipe being coupled to a catalytic converter, the catalytic converter being coupled to a silencer, and the silencer being coupled to an exhaust stack. Because of this structure, this configuration is susceptible to interference from audio noise sources that are not related to engine performance including engine and vehicle vibration coupled to the exhaust system. This resonance of the coupling medium can increase the harmonic spectrum provided by the engine. Also, due to its large volume size, the exhaust system acts like a low-pass filter that reduces the available signal, thus affecting the accuracy of the measurement. In addition, the propagation time of the audio output from the engine changes as the exhaust system heats or cools. Furthermore, accuracy under transient engine operating conditions is compromised by a time lag related to the length of the exhaust system. For this reason, synchronous tuning of the engine cannot be guaranteed. Also, the length through which the audio output of individual cylinders passes is different for each cylinder because of the different exhaust runner lengths of the exhaust manifold. This changes the delay between when the exhaust valve opens and when it is detected. This variable length coupling from each cylinder to the sensor means can also shift the harmonic spectrum provided by the engine. This is due to the reflection of pressure waves caused by the different amount of time the pressure pulse needs to travel from the exhaust valve to the audio sensor in different cylinders. In addition, the engine exhaust system is tuned for optimal engine performance. By using this mechanism, this tuning is further complicated because it requires extra consideration for providing an audio sensor in the tuning path. In addition, the audio sensor has a limited durability.
[0010]
  In short, the prior art misfire detection mechanism is inaccurate, slow to respond to transient engine operating conditions, and in an operating engine.possibleThe ability to detect a wide range of misfire conditions is incomplete.
[0011]
  Therefore, what is also an object of the present invention and what is necessary is accurate,Quickly into transient engine operating conditionsCan respond and in the running enginepossibleTo provide an improved system for detecting misfires in an internal combustion engine that can detect a wide range of misfire conditions, requires only minimal configuration and is easily applicable to different engine families.
[0012]
[Means and Actions for Solving the Problems]
  In accordance with the present invention, there is provided an apparatus for improving signal fidelity in an operating engine misfire detection system, the apparatus providing an acceleration signal indicative of the acceleration behavior of the operating engine. Acceleration measuring means, means for determining the speed of the operating engine, and filtering means programmable according to the speed of the operating engine, the acceleration provided by the acceleration measuring means Filtering means for providing a filtered acceleration signal in response to the signal.
[0013]
  Furthermore, in response to the behavior of the acceleration by receiving the filtered acceleration signal provided by the filter means and part of a composite signal representing a normal ignition state,Normal ignition signalAnd provideNormal ignition signalAt the same time as providing acceleration discrimination means for providing a misfire signal in response to acceleration behavior by other parts of the composite signal representing a misfire condition, and both provided by the acceleration discrimination means.Normal ignition signalAnd receiving the misfire signal, and the magnitude of the misfire signal isNormal ignition signalComparing means may be provided for providing a misfire indication when the magnitude of is exceeded.
[0014]
  Such a configuration provides a system for detecting the presence of a misfire condition by monitoring spectral activity through measuring motion related to acceleration characteristics indicative of the performance of the combustion process of an operating engine. The technical inconvenience is eliminated.
[0015]
【Example】
  In the preferred embodiment, a system is described for detecting the presence of a misfire condition by monitoring the spectral activity of a running engine. In this preferred embodiment, a spectrum relating to certain characteristics, preferably acceleration characteristics, indicative of the performance of the combustion process of the operating engine is considered. A number of different means for measuring this characteristic produce the appropriate information for determining misfire conditions. For example, measuring the vibration of the engine with an accelerometer, optical means, ionizing or ionizing means, pressure means for measuring combustion phenomena in a cylinder, or measuring all movements related to acceleration characteristics indicative of the combustion process Means for doing this are useful. Those skilled in the art will recognize other similar means and methods that can be substituted for these means without departing from the intent of this disclosure.
[0016]
  The charts of FIGS. 1 and 2 show the spectral behavior of acceleration in the cycles / revolution region, which shows the combustion performance of an operating engine. The representation in the cycle / revolution range is convenient, as it varies with combustion, engine imbalance, and acceleration variations due to engine accessories (such as alternators, air conditioner compressors, fans, etc.) regardless of engine speed. This is because the same cycle / rotation frequency remains.
[0017]
  FIG. 1 shows an ignition spectrum of an engine in a normal ignition state of a 4-stroke 6-cylinder engine. The output of acceleration variation is particularly noticeable in series starting with 3 (101), 6 (103), and 9 (105) cycles / revolution. Of course, higher harmonics, or partials, are in the series, but they are insignificant when compared to the overall tissue noise. Also note the strong response indicated by reference numeral 107. This represents the spectral response directly resulting from the crankshaft torsional effect. The normal ignition spectrum phenomenon is independent of the engine speed in the cycle / rotation region, and the torsional vibration spectrum assumes that the torsional vibration has a constant frequency behavior.In the cycle / rotation rangeIt should be noted that it can change.
[0018]
  FIG. 2 shows the engine ignition spectrum for a misfire condition where one cylinder is not ignited. The output is not only particularly noticeable in series starting with 3 (101 '), 6 (103'), and 9 (105 ') cycles / revolution, but also 1/2 (201), 1 (203), 3 / Note that 2 (205), 2 (207), and 5/2 (209) cycles / revolution are also significant. This sub-harmonic series behavior indicates that only one cylinder is misfired. If a pair of cylinders misfires, significant energy appears in the series starting with 1 and 2 cycles / rev. This behavior is quite common and is due to the failure of the shared ignition coil typically found in today's ignition systems.
[0019]
  Of course, in an engine configuration with a different number of cylinders, the misfire ignition pair is different, but with a similarly predictable spectral behavior.Will have.Furthermore, in a non-even ignition engine, the spectral behavior of the acceleration characteristic has a correspondingly predictable spectral behavior.
[0020]
  The basic or lowest order ignition frequency for all engines, whether 2-stroke or 4-stroke, can be expressed by the following relationship:
[Expression 1]
          f = 360 / Δθ [cycle / rotation]
  in this case,
  360 = degrees / revolution,
  And for an even firing engine,
  Δq = frequency during cylinder ignition,
  And for an uneven firing engine,
  Δq = frequency between iterations in the ignition pattern.
[0021]
  The basic or lowest order misfire frequency for all uniform ignition engines can be expressed as:
[Expression 2]
          f_2-stroke= 1 cycle / rotation
[Equation 3]
          f_{4 strokes}= 1/2 cycle / rotation
[0022]
  The entire series for the spectral relationship given above can be approximated deterministically as follows. The torque on the engine crankshaft due to gas pressure for a single cylinder engine can be approximated by:
[Expression 4]
                            ∞
          T_p/ T_m= 1 + Σ W_nsin [nθ + φ_n]
                        n = 1/2, 1, 3/2, 2, ...
  in this case,
  T_p= Instantaneous pressure torque
  T_m= Average engine torque
  W_n, F_n= Coefficient that varies depending on engine type and operating conditions
  n = harmonic order
  q = rotational position of the engine.
[0023]
  For a typical four-stroke engine with a uniform or uniform ignition interval, the torque vector increases when n is a multiple of the number of cylinders divided by 2, and n under normal operating conditions. Cancel against all other values of. However, as shown in FIG. 2 and as previously described, when a single cylinder misfires, all lower orders (n = 1/2, 1, 3/2, 2,...) Is present in addition to the normal ignition order. When a misfire occurs in pairs with respect to the opposing stroke in the ignition order, only higher orders exist as described above. Thus, misfire detection can be achieved by observing the presence of the spectrum of the series n = 1/2, 1, 3/2, 2,. This is valid for all engine loads and speeds.
[0024]
  A chart showing the characteristic frequencies for a four stroke, uniform ignition engine for different cylinder configurations is given as follows.
[Table 1]
Number of cylinders
Ignition (lower than ignition) additional frequency
Ignition frequency 1 Cylinder misfire Misfire
----------------------------------
  4 n = 2, 4, 6,... N = 1/2, 1, 3/2, n = 1
                                    ......
  6 n = 3, 6, 9,... N = 1/2, 1, 3/2, n = 1, 2
                                    ......
  8 n = 4, 8, 12,... N = 1/2, 1, 3/2, n = 1, 2, 3
                                    ......
Here, n = cycles / revolution.
[0025]
  Thus, the spectrum resulting from the misfire condition will be located at a fixed spectral distance below the spectrum associated with the normal fire condition.
[0026]
  The system for recognizing the behavior described above includes a spectral sensing means for providing a spectral signal coupled to the operating engine, representing the spectral activity of the operating engine and displaying the performance of the engine. In the preferred embodiment, a crankshaft position sensor is used to measure the angular displacement and is then conditioned to provide a composite signal representative of the crankshaft acceleration. Other embodiments, described in detail later, include other sensing mechanisms for measuring motion related to acceleration characteristics that indicate the performance of the combustion process of the operating engine.
[0027]
  Spectral discrimination means is provided by the measuring meansComposite spectrum signalAnd indicates a normal ignition conditionComposite spectrum signalCorresponds to the spectral energy due to part ofNormal ignition signalI will provide a. If a misfire condition exists, the spectral discriminating means represents a misfire condition of the further engine to operate.Composite spectrum signalA misfire signal is provided that corresponds to the spectral energy due to the other parts. A misfire indication is then provided if the amplitude of the misfire signal exceeds the amplitude of the ignition signal by a predetermined rate or amount.
[0028]
  FIG. 3 shows a system block diagram of a misfire detection system that applies this behavior recognition strategy to allow improved detection of misfire conditions in a working engine. In the preferred embodiment, a 6 cylinder, 4 stroke engine is used. In the preferred embodiment, a central element for detecting misfire conditions is constructed using discrete time signal processing elements.
[0029]
  Alternatively, those skilled in the art will be aware of other equivalent embodiments, such as those using traditional continuous time signal processing elements, including traditional analog circuitry. Discrete time signal processing was chosen because of the advantages it has over continuous time signal processing elements. These benefits include fewer parts, stable deterministic performance, no aging, no drift, no adjustments, easy tuning for different engines, high noise immunity, and self-testing Including possibilities.
[0030]
  As previously mentioned, a crankshaft displacement sensor is used to measure the angular displacement, which is measured in the next operating engine.Composite spectral signal representing crankshaft acceleration due to combustion processPrepared. To make that measurement, in FIG. 3, sensor 301 measures the tooth 303 that passes on rotating wheel 305 attached to the crankshaft of the operating engine. This method of using a toothed wheel on the crankshaft is common in the field of engine control. Of course, those skilled in the art will recognize numerous other, substantially equivalent means and methods for measuring angular displacement. An engine angular displacement signal 307 is provided by sensor 301. In the preferred embodiment, the angular displacement signal 307 is a logic level signal that transitions when the sensor 301 senses the tooth 303 and the subsequent spacing portion 311 as the engine operates. Accordingly, as the toothed wheel 305 rotates according to the combustion process in the operating engine, the angular displacement signal 307 substantially becomes a rectangular waveform corresponding to the angular velocity or the engine speed.
[0031]
  This angular displacement signal 307 is provided to element 309. Element 309 determines the acceleration of the crankshaft of the operating engine. Those skilled in the art will be aware of several means and methods for this purpose. In the preferred embodiment, the elapsed time intervals between adjacent transitions of the square wave 307 are compared to determine crankshaft acceleration. It is preferable to filter this determined acceleration to remove any torsional vibrations or other acceleration effects not related to misfire behavior. This will be described later.
[0032]
  The acceleration information is then provided to element 313. In a preferred embodiment, element 313 samples the acceleration information in synchronism with engine angular displacement. As mentioned earlier, the spectral phenomenon of acceleration information of interest, which is for detecting engine ignition and misfire spectra, is independent of engine speed if synchronous sampling of the engine is used. . Thus, in this embodiment, element 313 is simply a gate controlled by the angular displacement signal 307. Element 313 represents the spectral emission of the engine related to the combustion performance of the operating engine.Composite spectrum signalOr an acquired engine crankshaft acceleration signal 317 is output.
[0033]
  As previously mentioned, the preferred embodiment relies on discrete time signal processing elements. Element 315 represents a digital signal processor, or DSP. Elements of the system level block diagram of the components shown in element 315 represent microcoded hardware means with appropriate software routines. In this case, a Motorola DSP56001 is used as the device 315. The Motorola DSP56001 is capable of executing over 10 million (ten million) instructions per second and provides a dynamic range of 144 dB with a 24-bit wide data path. Of course, those skilled in the art will be aware of other equivalently useful DSP devices, or hardwired or other microcoded approaches that have substantially the same function.
[0034]
  An important element of this configuration includes a digital filter, represented by element 319. This filter consists of three separate filters shown in detail in FIG.
[0035]
  Referring to FIG. 7, the filter 319 includes a noise filtering means, or notch filter 701, arranged to remove any effects from the crankshaft torsional spectral components. The noise filtering unit 701 or the noise spectrum discriminating unit receives a composite spectrum signal, which in this case is the captured engine crankshaft acceleration signal 317, and is a noise filter having no predetermined noise component of the composite spectrum signal. A waved signal 703 is provided. In this case, the predetermined noise component is crankshaft torsional vibration. Since the cycle / revolution region is used in this embodiment and the torsional vibrational spectral components are constant in the frequency domain, this filter 701 must be tuned in synchrony with engine speed. Thus, element 333 determines the engine speed and provides an output variable 335 corresponding to the speed of the engine crankshaft measuring devices 301, 303, 305, 311 and 307.
[0036]
  Tuning of the filter 701 is accomplished by obtaining a variable filter coefficient that corresponds to the engine speed. This is particularly convenient in the Motorola DSP56001 and is achieved through the use of a look-up table with alternative filter coefficients. Alternatively, filter coefficient re-calculation can be used to effectively tune filter 701 in response to signal 335 indicating engine speed. Those skilled in the art will also note how to resample the data to the frequency domain, apply a fixed filter, and resample to the cycle / rotation domain as an alternative. Filter 701 includes ignition filter bank 707 andMisfire filter bank 705Both are provided with a noise filtered signal 703.
[0037]
  As described above for notch filter 701, filters 705 and 707 are also designed to take into account spectral energy in the cycle / rotation region. In other embodiments, although some are described herein, these filters 701, 705, and 707 are designed to operate on data in the frequency domain.
[0038]
  The ignition filter bank 707 isExpected from noise filtered signal 703Designed to extract spectral energy associated with normal ignition at 3, 6, and 9 cycles / rev. Alternatively, if less accuracy is desired, the ignition filter bank 707 can directly extract the expected spectral energy from the composite spectral signal 317. The ignition filter bank 707 corresponds to the spectral energy, or output, attributed to a portion of the noise filtered signal 703 representing the energy caused by the normal ignition conditions of the operating engine.Normal ignition signal 321I will provide a.
[0039]
  Misfire filter bank 705 is designed to extract the expected spectral energy from noise filtered signal 703 associated with misfire at 1/2, 1, 3/2, 2, and 5/2 cycles / rev. Has been. The filter bank 705 represents a misfire condition of the operating engine.The composite spectrum signalA misfire signal 323 is provided that corresponds to the spectral energy attributed to the other parts of the signal.
[0040]
  Note that in the preferred embodiment, a 6 cylinder, 4 stroke engine is used. If other engine configurations are used, the appropriate spectral relationships are those shown in Table 1.
[0041]
  Of course, those skilled in the art will find other applications for the notch filter 701, including cancellation of other unwanted systematic noise, such as due to power imbalances, road related disturbances, and noise associated with engine accessories. You will recognize. Multiple notches, or differently tuned stopbands, can be used to filter out some of these other phenomena.
[0042]
  The digital filters 701, 705, and 707 are configured as finite impulse responses or FIR filters. Alternatively, an infinite impulse response or IIR filter can be used. A considerable amount of outstanding today's literature is available on the subject of digital filter design. This document includes McGraw-Hill Inc. And a text book entitled “DIGITAL FILTERS: ANALYSIS AND DESIGN”, published in 1979 by and written by Andreas Antonio. Prentice Hall Inc. Another outstanding document published in 1990 by is entitled “DESIGNAL SIGNAL PROCESSING IN VLSI”. In the embodiment described here, the DSP 560001 device 315 is programmed to implement these digital filters. FIR filters are very commonly designed using this DSP 315.
[0043]
  In the preferred embodiment, and in some of the others described below, the spectral phenomenon of interest is convenient to apply to engine synchronous sampling due to the fact that it is independent of engine speed in the cycle / rotation region It has become. To do this, for normal ignition at 3, 6, and 9 cycles / revolution, and 1/2, 1, 3/2, 2, and 5/2 cycles / revolutionInDigital filter coefficients for misfire are specified in terms of sampling or data, rate according to Nyquist theory in the cycle / rotation region. Therefore, when the engine changes speed, the coefficients of the digital filter have a fixed relationship to the sampling rate, so the phenomenon of interest remains constant in the cycle / rotation region, and the filters 701, 705, 707 Follow in effect.
[0044]
  After filteringNormal ignition signal 321And misfire signal 323 is provided from digital filters 705 and 707 to element 325. Element 325 provides a misfire indication signal 327 when the amplitude of the misfire signal 323 exceeds the amplitude of the ignition signal 321 by a predetermined rate or amount. This predetermined rate is preferably adjustable for different engine families.
[0045]
  A misfire indication signal 327 is preferably provided to an element 329 that blocks the transport of fuel to the misfired cylinder. The misfire indication signal 327 can also be supplied external to the system to report misfire conditions to other engine controllers or diagnostic devices.
[0046]
  An element 331 is provided to identify the particular cylinder that matches the misfire indication signal 327. Element 331 provides an angular displacement signal 307 and a cylinder to calculate the cylinder currently in the combustion process.TDC marker signal 339Consider.Other sensors 341And teeth 337 are attached to the crankshaft of the engine and the TDC or cylinder identification;Marker signal 339Used to provide. Numerous devices and methods for identifying and disabling misfired cylinders are well known to those skilled in the art of engine design once the difficult task of accurately identifying misfires is complete.
[0047]
  According to the technique described in the preferred embodiment above, the measured acceleration characteristics related to ignition and misfire combustion performance are represented by a working engine embodied by a toothed wheel 305 and a sensor 301. Note that it does not depend on the measurement path length to and from the system. This is also true for multi-cylinder designs. Furthermore, having free space as a coupling medium does not impose any load on the engine and does not substantially affect the measured characteristics, as in prior art systems that rely on coupling media that are inevitably burdensome. There is no significant impact.
[0048]
  The elegance of this embodiment includes a fixed, stable spectral discrimination means that depends on the input data rate directly obtained by engine speed, or on the sample rate. This engine-synchronized sampling approach is not possible with the tuned analog filter configuration used in the prior art, but is more convenient with digital filters. Also, since a single point of the engine is used to measure combustion performance, the measurement is independent of measurement path length and shape, and therefore no measurement path coupling or multipath error is introduced as in the prior art. .
[0049]
  Another embodiment is shown in FIGS. 4, 5 and 6. FIG. In FIG. 4, the same crankshaft detection system is used with a digital filter associated with the frequency domain rather than the cycle / rotation domain.
[0050]
  Element 313 'inputs the crankshaft acceleration information provided by element 309 at a fixed sampling rate. Of course, this fixed sampling rate is chosen to be high enough to meet the requirements of Nyquist theory to ensure that no aliasing occurs. Element 313 'is constructed using a gate controlled by a clocking oscillator and provides output 317' to element 319 'at a constant sample rate.
[0051]
  Referring to FIG. 8, this filter 319 'has substantially the same structure as seen in the filter 319, shown in detail in FIG. However, since this approach uses a fixed sampling rate in time, the data represented by 317 'is in the frequency domain. Thus, the digital filter 701 'can be fixed and the digital filters 705' and 707 'must be tunable to follow engine speed. This is because the digital filter 701 'can be fixed because the sampling rate is fixed and the torsional vibration spectrum phenomenon is fixed in the frequency domain. Also, the noted ignition and misfire spectral phenomena do not remain constant in the frequency domain as it did in the cycle / rotation domain embodiment, and therefore these filters 705 ', 707' Must be tuned to follow. In this embodiment, engine speed variable 335 is provided to tune filters 705 'and 707'.
[0052]
  As mentioned in the preferred embodiment, preferably the filter 701 'is designed as a notch filter, where the filter coefficients are fixed and specified in the frequency domain. In particular, the filter 701 is fixed tuned to 240 hertz (Hz) corresponding to 4.5 cycles / revolution at 3,210 RPM. It should be noted that this filter is fixed because the effective crankshaft torsional vibration effect is fixed in the frequency domain.
[0053]
  The output 703 'of this filter 701', or the noise filtered signal, provides a torsion free signal to the other filters 705 'and 707'.
[0054]
  Filter 707 'is configured as a digital multi-pass band filter with a response that discriminates the spectrum corresponding to frequencies representing 3, 6, and 9 cycles / rev at known engine speeds. The coefficient of the digital filter 707 'is variable and specified in the frequency domain. In particular, the filter 707 'is tuned to 160, 320 and 480 hertz for an engine speed of 3,210 RPM. If the engine speed is reduced by 50% to 1,605 RPM, the new filter coefficients are looked up as previously described and the filter 707 'is correspondingly tuned to 80 Hz, 160 Hz, and 240 Hz. Is done.
[0055]
  Filter 705 'is also configured as a digital multi-passband filter having a response that discriminates the spectrum corresponding to frequencies representing misfires at 1/2, 1, 3/2, 2, and 5/2 cycles / rotation. The coefficient of the digital filter 705 is variable and is defined in the frequency domain. In particular, the filter 705 is tuned to 27, 53, 80, 106, and 160 hertz for an engine speed of 3,210 RPM. If the engine speed is reduced by 50% to 1,605 RPM, the new filter coefficients are looked up as previously described, and the filter 705 is correspondingly 13 Hz, 27 Hz, 40 Hz, 53 Synchronized to hertz and 80 hertz.
[0056]
  Each of these filters 707 'and 705' correspondingly output signals 321 'and 323' to indicate the spectral energy located at the expected ignition and misfire frequencies, respectively. The other elements operate in the same manner as previously described in the description of FIG.
[0057]
  In FIG. 5, an accelerometer 501 mounted on the engine, conveniently the same one that can be used for knock detection, is used to measure combustion performance. Apart from the replacement of the sensor means, this embodiment operates in the same way as the preferred embodiment.
[0058]
  Although FIG. 5 is shown using a general engine synchronous sampling technique for measurements in the cycle / rotation domain, a fixed sampling rate or frequency domain technique can be alternatively applied. In addition to the previously mentioned advantages, this approach shares sensors with those provided for the knock detection function. This is significant for cost savings, ease of factory installation and field repair, and field reliability. Furthermore, this approach is insensitive to crankshaft torsional vibration.
[0059]
  In FIG. 6, an in-cylinder sensor 601 is used to measure the combustion performance. Various types of sensors can be used. A subset of these include optical, pressure, and ionization sensors. A sensor can be used for each cylinder. If sensors are provided for multiple cylinders, their outputs are preferably combined and input to the misfire detection system. Alternatively, each sensor can be analyzed individually. FIG. 6 shows a technique in the frequency domain.
[0060]
  Element 313 'inputs the combustion information provided by in-cylinder sensor 601 at a fixed sampling rate. This element 313 'is the same as the element described in FIG. Sampled data 317 'is provided to filter 319'. The filter 319 'is designed to operate similarly to the filter described in FIG. The other elements operate in the same manner as previously described in the description with respect to FIG.
[0061]
  Alternatively, if the cylinders are analyzed individually, the digital filter can be tuned to detect one-half cycle / revolution for proper ignition, lack of ignition or significant at 1/2 cycle / revolution. The ignition energy attenuated to indicates a misfire.
[0062]
  Of course, a sampling method synchronized with the engine can be used instead. In addition to the previously mentioned advantages, this approach is not affected by extraneous system noise sources such as crankshaft torsion effects that directly measure the combustion process and affect other sensing techniques. .
[0063]
【The invention's effect】
  In conclusion, a system has been presented that detects the presence of misfire conditions by monitoring spectral activity through measuring motion related to acceleration characteristics indicative of the performance of the combustion process of an operating engine. The preferred and alternative embodiments overcome the significant disadvantages of the prior art. Their improvement is that the measurement path is straightforward and allows more accurate detection of misfire conditions, improved insensitivity to external influences, a single measurement path that is not affected by errors caused by multipath, And this approach includes avoiding any inaccuracies due to averaging multiple cycles. This system is also more stable and more predictable due to the digital filter configuration. In addition, this approach responds better to transient engine operating conditions because multiple cycle averaging is not used. This approach is also independent of the radiated energy and does not cause load problems on the measured engine as occurs in prior art systems. Since all engines exhibit misfire behavior in a known spectrum, this system requires only minimal calibration and can be easily applied to different engine families.
[0064]
  Although the proposed embodiment depends on a particular systematic approach, it is clear that numerous other systems and methods (along with other devices) can be devised to produce the same advantages as this approach.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing an ignition spectrum of an engine in a normal ignition state in which all cylinders are ignited as designed.
FIG. 2 is a graph showing an ignition spectrum of an engine in a misfire state in which one cylinder is not igniting as designed.
FIG. 3 is a system block diagram of an ignition detection system according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a system block diagram of a misfire detection system including spectral analysis means responsive to engine speed, according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a system block diagram of a misfire detection system including an engine mounted accelerometer according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a system block diagram of a misfire detection system including an in-cylinder sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a system block diagram of a digital filter for extracting torsional crankshaft vibration, ignition related spectrum, and misfire related spectrum, all in the cycle / rotation region, used in each embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a system block diagram of a digital filter for extracting torsion crankshaft vibration, ignition related spectrum, and misfire related spectrum, all in the frequency domain, used in each embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
        301 sensor
        303 Wheel teeth
        305 wheel
        307 Engine angular displacement signal
        309 Crankshaft acceleration determining factor
        311 gap
        313 Capture Engine Spectral Radiation Element
        315 Digital signal processor
        317 Captured engine crankshaft acceleration signal
        319 Spectral analysis elements of ignition and misfire related spectra
        321 Normal ignition signal
        323 Misfire signal
        325 Misfire indication element
        327 Misfire indication signal
        329 Fuel shut-off element
        331 Actuating cylinder identification element
        333 Engine speed determining factor
        337 teeth
        341 Other sensors

Claims

作動中のエンジンの加速動作に基づき該作動中のエンジンの不点火状態を検出するための装置であって、
前記作動中のエンジンの加速度を測定するための装置であって、該加速度を測定するための装置は前記エンジンの加速度を表わす複合スペクトル信号を出力するもの、
前記加速度を測定するための装置から前記複合スペクトル信号を受信し、かつ正常な点火状態を表わす前記複合スペクトル信号のスペクトルの一部のスペクトルエネルギに対応する正常点火信号を出力し、そして前記正常点火信号の出力と同時に、不点火状態を表わす前記複合スペクトル信号のスペクトルの他の部分のスペクトルエネルギに対応する不点火信号を出力するためのスペクトル弁別装置、および
前記スペクトル弁別装置から前記正常点火信号および前記不点火信号を受信し、かつ前記不点火信号の大きさが前記正常点火信号の大きさを超えた時不点火指示信号を出力するための不点火指示信号出力装置、
を具備することを特徴とする作動中のエンジンの不点火状態を検出するための装置。An apparatus for detecting a misfire state of an operating engine based on an acceleration operation of the operating engine,
An apparatus for measuring the acceleration of the engine in operation, wherein the apparatus for measuring the acceleration outputs a composite spectral signal representing the acceleration of the engine;
Receiving the composite spectrum signal from the device for measuring the acceleration and outputting a normal ignition signal corresponding to a spectral energy of a portion of the spectrum of the composite spectrum signal representative of a normal ignition state ; and the normal ignition A spectral discriminator for outputting a misfire signal corresponding to the spectral energy of another portion of the spectrum of the composite spectral signal representing a misfire condition simultaneously with the output of the signal; and
A misfire instruction for receiving the normal ignition signal and the misfire signal from the spectrum discriminating device and outputting a misfire instruction signal when the magnitude of the misfire signal exceeds the magnitude of the normal ignition signal Signal output device,
A device for detecting a misfire condition of an operating engine characterized by comprising:

前記加速度を測定するための装置は前記作動中のエンジンの角度変位に対応するエンジンの角加速度を測定することを特徴とする請求項１に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the apparatus for measuring acceleration measures an angular acceleration of the engine corresponding to an angular displacement of the operating engine.

前記加速度を測定するための装置は前記作動中のエンジンの振動に対応する加速度を測定することを特徴とする請求項１に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the apparatus for measuring acceleration measures acceleration corresponding to vibrations of the operating engine.

前記加速度を測定するための装置は前記作動中のエンジンの加速度に依存するシリンダ内燃焼現象を測定することを特徴とする請求項１に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the apparatus for measuring acceleration measures an in-cylinder combustion phenomenon that depends on acceleration of the operating engine.

さらに、前記不点火指示信号に応じて、シリンダへの燃料を遮断するための装置を具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。The apparatus according to claim 1, further comprising a device for shutting off fuel to the cylinder in response to the misfire instruction signal .

前記スペクトル弁別装置は正常な点火状態を表わす前記複合スペクトル信号のスペクトルの一部のスペクトルエネルギに応答する正常点火スペクトル弁別装置、および不点火状態を表わす前記複合スペクトル信号のスペクトルの一部のスペクトルエネルギに応答する不点火信号スペクトル弁別装置を具備し、前記不点火信号スペクトル弁別装置は前記正常点火スペクトル弁別装置より低い所定の固定されたスペクトル距離をスペクトル的に弁別することを特徴とする請求項１に記載の装置。 The spectral discriminator is a normal ignition spectral discriminator responsive to a spectral energy portion of the spectrum of the composite spectral signal representative of a normal ignition condition, and a spectral energy component of the spectrum of the composite spectral signal representative of a misfire condition. 2. A misfire signal spectral discriminator responsive to the first and second misfire signal spectral discriminators for spectrally discriminating a predetermined fixed spectral distance lower than the normal ignition spectrum discriminator. The device described in 1.

前記不点火信号スペクトル弁別装置は前記正常点火スペクトル弁別装置の顕著なスペクトル位置の１／２，１，および３／２サイクル／回転に位置する周波数に応答する複数スペクトル弁別装置を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。 The misfire signal spectral discriminator includes a multi-spectral discriminator responsive to frequencies located at 1/2, 1, and 3/2 cycles / rev of the prominent spectral position of the normal ignition spectral discriminator. The apparatus according to claim 6.

さらに、
前記作動中のエンジンの速度を表わす同期信号を出力するための装置、
を具備し、前記作動中のエンジンの加速度を測定するための装置は前記同期信号を出力するための装置の前記同期信号に応じたサンプルレートで前記加速度を測定することを特徴とする請求項７に記載の装置。further,
A device for outputting a synchronization signal representative of the speed of the engine in operation;
8. The apparatus for measuring acceleration of the engine in operation includes measuring the acceleration at a sample rate corresponding to the synchronization signal of the apparatus for outputting the synchronization signal. The device described in 1.

前記スペクトル弁別装置のスペクトル位置は同調可能であることを特徴とする請求項６に記載の装置。 The apparatus of claim 6, wherein the spectral position of the spectral discriminator is tunable.

さらに、
前記作動中のエンジンの速度を表わす同期信号を出力するための装置、
を具備し、前記スペクトル弁別装置の前記スペクトル位置は前記同期信号を出力するための装置の前記同期信号に応じて同調されることを特徴とする請求項９に記載の装置。further,
A device for outputting a synchronization signal representative of the speed of the engine in operation;
10. The apparatus of claim 9, wherein the spectral position of the spectral discriminator is tuned in response to the synchronization signal of the apparatus for outputting the synchronization signal.

前記加速度を測定するための装置は複数シリンダエンジンにおける前記加速度を測定するための装置と前記作動中のエンジンとの間の距離に依存することなく前記加速度を測定することを特徴とする請求項１に記載の装置。 The apparatus for measuring acceleration measures the acceleration independent of a distance between the apparatus for measuring acceleration in a multi-cylinder engine and the operating engine. The device described in 1.

前記加速度を測定するための装置の結合媒体は前記エンジンに対し負荷を与えずかつ前記測定される加速度に対し実質的な影響を与えないことを特徴とする請求項１１に記載の装置。 12. The apparatus of claim 11, wherein the coupling medium of the apparatus for measuring acceleration does not load the engine and does not substantially affect the measured acceleration.