基于激光点火系统的诊断的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及使用激光点火系统的组件诊断发动机的方法和系统。
【背景技术】
[0002]发动机系统组件(例如汽缸、气门、活塞、喷射器等等)可以被间断地诊断出在发动机运转期间受到的损伤。组件也可被诊断以识别出退化的功能性(如，错误的流量、泄漏等)。诊断可涉及可视地检查组件的划痕损伤，例如，通过移除火花塞并且获得孔视野以观察汽缸内部。在另一途径中，如Yalin等人在US2006/0037572中所述，来自汽缸点火事件和/或燃烧火焰的光被用于诊断汽缸内的积聚物和污染物的存在。
[0003]本发明人已经认识到上述途径能够增加大量的诊断时间、成本以及复杂度。特别地，大部分以上途径要求熟练的技术人员、复杂的诊断工具、专业的实验室设施以及耗时的发动机拆卸。鉴于这些问题，本发明人已经了解到在配置为具有激光点火能力的发动机系统中，激光点火系统的组件能够有利地用于诊断不同的发动机系统组件。在一个示例中，通过一种方法，发动机可以被诊断，该方法包括:通过运转激光点火装置启动汽缸燃烧；在运转激光点火装置之后使用通过汽缸燃烧生成的光来生成汽缸内部的图像；以及在车辆显示装置上向操作者(如，维护技术人员)显示生成的所述图像。操作者可以然后根据显示的图像指示汽缸组件(如，活塞顶部、光电探测器镜头等等)或汽缸燃烧特性(如，火焰传播(propagat1n)、火焰起始等等)的退化。用这种方式，发动机汽缸诊断能够被加速和简化，而无需发动机拆卸。
[0004]例如，激光点火系统的光学器件能够被用于在燃烧事件期间诊断汽缸。特别地，高功率光脉冲可以(例如，在压缩冲程期间)被激光点火装置发射进汽缸中以启动汽缸燃烧。汽缸内部的图像可以然后被耦接到汽缸盖的光电探测系统使用汽缸燃烧事件生成的光而捕获。光电探测系统可以包含摄像机(例如，CCD摄像机)以及镜头(例如鱼眼(fish-eye)镜头)，以便检测光脉冲。在一个示例中，光脉冲可以被激光点火装置以红外(IR)光谱发射，并且被摄像机以IR光谱检测。燃烧期间汽缸内部状况的图像可以接着根据检测到的脉冲而生成。图像可以指示例如活塞顶部的状况、火焰传播模式、火焰起始位置、火焰起始模式、燃烧峰值压力的正时等等，并且可以被用于推断退化。图像可以在发动机系统内(如，无线地)传送并且在车辆中心控制台的显示器上向维护提供者(如，技工或车辆操作者)显示。此外，被诊断的汽缸组件/状况的参考图像可以从控制器的存储器中被检索到并且被显示给技工以便于比较分析。
[0005]例如，当生成的图像指示活塞顶部状况时，所显示的参考图像可以指示期望的活塞顶部状况。图像间的差异可以被用于诊断活塞顶部(如，识别活塞顶部熔化)。如另一示例，当生成的图像指示火焰起始位置时，所显示的参考图像可以指示火焰起始的期望位置。图像间的差异可以被用于诊断光电探测系统的会聚镜头。可选地，如果发动机被耦接在混合动力电动车辆内，则电动马达可以在发动机运转期间被运转以将发动机转速载荷条件维持在参考转速-载荷，同时汽缸内部的图像被生成。如果技工确定生成的图像明显不同于参考图像，则技工可以确定存在组件退化并且可以通过显示装置向控制器指示该组件退化。因此，诊断代码可以被设置在发动机的控制器上。
[0006]用这种方法，可以利用激光点火系统减少与发动机的可视检查相关的时间和成本，而不降低检查的准确度。通过比较在汽缸内燃烧之后由光电探测器采集的汽缸图像，不同的汽缸组件和条件能够被诊断。生成的诊断图像与用于比较的参考图像能够向技工显示，以便技工能够识别汽缸组件退化。通过使用已可用在配置有激光点火系统的发动机中的硬件，能够减少昂贵的、劳动密集的以及耗时的可视检查的需要。总之，发动机检查能够被简化而不降低检查准确度。
[0007]应该理解的是，以上
【发明内容】
被提供以用简化的形式引入将在【具体实施方式】中进一步描述的选择的概念。这并不意味着确立了所要求保护的主题的关键或必要特征，所述主题的范围被所附权利要求唯一地限定。而且，要求保护的主题不限于解决上述或本公开任何部分内提到的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0008]图1描绘了被耦接在混合动力车辆系统中的内燃发动机的示例性燃烧室。
[0009]图2描绘了使用图1的发动机的激光系统捕获并且显示图像的示例。
[0010]图3A-B描绘了发射到发动机汽缸的激光光脉冲的示例。
[0011]图4描绘了停止在其行驶周期内的随机位置处的示例性四汽缸发动机。
[0012]图5描绘了被用于识别发动机周期期间汽缸的活塞和进气门位置的发动机激光点火系统的两种运转模式。
[0013]图6描绘了根据由光电探测器在进气冲程期间生成的汽缸内部的图像而诊断一个或多个汽缸组件的退化的方法的高层次流程图。
[0014]图7描绘了根据由光电探测器使用来自汽缸燃烧事件的光生成的汽缸内部的图像而诊断一个或多个汽缸组件的退化的方法的高层次流程图。
[0015]图8描绘了根据使用发动机激光点火系统执行的活塞位置和进气门位置测量值而诊断一个或多个发动机组件的退化的方法的高层次流程图。
[0016]图9-10描绘了示例性燃料喷射器喷射模式诊断。
[0017]图11-13描绘了根据本公开诊断各种发动机组件的退化的示例性程序。
【具体实施方式】
[0018]方法和系统被提供以便使用如图1所示的激光点火系统来诊断一个或多个发动机汽缸组件。如图2-3所示，以较低强度发射的激光光脉冲可以被用于当光电探测器捕获汽缸内部的图像时照明汽缸的内部。以较高强度发射的激光光脉冲也可被用于起始燃烧，同时燃烧期间生成的光被光电探测器使用以捕获汽缸的内部的图像。生成的图像可以被用于诊断各种汽缸内组件和汽缸燃烧参数。更进一步，使用激光光脉冲发射，如允许诊断发动机凸轮轴和曲轴(如在图8论述的)的图4-5所示，凸轮和活塞方位确定可以被准确地执行。发动机控制器可以被配置为执行控制程序，例如图6的程序，以根据由光电探测器在进气冲程期间使用来自激光脉冲发射的光生成的汽缸内部的图像而诊断一个或多个汽缸组件的退化。控制器也可执行如图7的程序的控制程序，以根据由光电探测器使用汽缸燃烧事件期间生成的光生成的汽缸内部的图像而诊断汽缸组件退化。所选择的发动机组件的示例诊断方法在图9-13中被详细描述。
[0019]转向图1，示例性混合动力推进系统10被描述。混合动力推进系统可以被配置在客运道路车辆内。混合动力推进系统10包含内燃发动机20。该发动机可以被耦接到变速器(未描绘)，例如手动变速器、自动变速器或者其结合。进一步地，可以包含各种另外的组件，例如液力变矩器和/或例如主减速器单元等的其他齿轮装置。混合动力推进系统也包含能量转换装置(未示出)，其可以包含马达、发电机、等等及其组合。能量转换装置可以被运转以从车辆运动和/或发动机中吸收能量并且将吸收的能量转换成适于存储在能量存储装置的能量形式。能量转换装置也可被运转以向发动机20供应输出(功率、功、扭矩、速度等等)，以增大发动机输出。应该意识到的是，能量转换装置可以在一些实施例中包含马达、发电机或者马达兼发电机以及被用于提供能量存储装置和车辆驱动轮和/或发动机之间的能量的适当转换的各种其他组件。
[0020]发动机20可以是多缸内燃发动机，其中一个汽缸在图1中详细描述。发动机20可以通过包含控制器12的控制系统和车辆操作者132通过输入装置130的输入被至少部分地控制。在该示例中，输入装置130包含加速器踏板和用于生成比例踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。
[0021]发动机20的燃烧汽缸30可以包含活塞36被定位在其中的燃烧汽缸壁32。活塞36可以被耦接到曲轴40，以便活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。曲轴40可以通过中间变速器系统被耦接到推进系统10的至少一个驱动轮。燃烧汽缸30可以通过进气道43从进气歧管45中接收进气，并且可以通过排气道48排出燃烧气体。进气歧管45和排气道48能够通过各自的进气门52和排气门54与燃烧汽缸30选择性地连通。在一些实施例中，燃烧汽缸30可以包含两个或多个进气门和/或两个或多个排气门。
[0022]发动机20可以可选地包含凸轮方位传感器55和57。但是，在所示出的示例中，进气门52和排气门54可以被凸轮致动通过各自的凸轮致动系统51和53控制。凸轮致动系统51和53可以每个均包含一个或多个凸轮并且可以利用可以被控制器12运转以使气门运转变化的凸轮廓线变换系统(CPS)、可变凸轮正时(VCT)系统、可变气门正时(VVT)系统和/或可变气门升程(VVL)系统中的一个或多个。为了能够检测凸轮方位，凸轮致动系统51和53可以具有带齿的轮。进气门52和排气门54的方位可以分别被方位传感器55和57确定。在可替换实施例中，进气门52和/或排气门54可以被电动气门致动控制。例如，汽缸30可以可替换地包含通过电动气门致动控制的进气门和通过凸轮致动控制的排气门，所述凸轮致动包含CPS和/或VCT系统。
[0023]燃料喷射器66被显示成直接耦接到燃烧汽缸30，以便与信号FPW的脉冲宽度成比例地向其中直接喷射燃料，所述信号FPW被从控制器12通过电子驱动器68接收。用这种方式，燃料喷射器66向燃烧汽缸30提供已知为燃料的直接喷射。燃料喷射器可以被安装在燃烧汽缸的侧面上或者例如在燃烧汽缸的顶部内。燃料可以通过燃料输送系统(未示出)被输送到燃料喷射器66，所述燃料输送系统包含燃料箱、燃料泵以及燃料导轨。在一些实施例中，燃烧汽缸30可以可替换地或另外地包含燃料喷射器，该燃料喷射器被布置在进气道43中并具有向燃烧汽缸30上游的进气端口中提供已知为燃料的进气道喷射的配置。
[0024]进气道43可以包含电荷运动控制阀(CMCV) 74和CMCV板72，并且也可以包含具有节流板64的节气门62。在该特定示例中，节流板64的方位可以经由信号被控制器12改变，该信号被提供给包含节气门62的电动马达或致动器，这是一种可以被称为电子节气门控制(ETC)的配置。用这种方式，节气门62可以被运转以使提供给燃烧汽缸30以及其他发动机燃烧汽缸的进气变化。进气道43可以包含质量空气流量传感器120和歧管空气压力传感器122，以便向控制器12提供相应的信号MAF和MAP。
[0025]排气传感器126被显示成耦接到催化转化器70的上游的排气道48。传感器126可以是任何适当的传感器，以便提供排气空燃比的指示，例如线性氧传感器或者通用或宽域排气氧传感器(UEGO)、双态氧传感器或EGO、HEGO (加热型EGO)、N0x、HC或者CO传感器。排气系统可以包含起燃催化剂和车身底部催化剂以及排气歧管、上游和/或下游空燃比传感器。在一个示例中，催化转化器70能够包含多个催化剂砖。在另一示例中，可以使用每个均具有多个砖的多个排放控制装置。在一个示例中，催化转化器70能够是三元类型的催化剂。
[0026]控制器12在图1中被显示为微型计算机，包含微型处理器单元102、输入/输出端口 104、用于可执行程序和校正值的在该特定示例中被显示为只读存储器芯片106的电子存储介质、随机存取存储器108、保活存储器109以及数据总线。控制器12可以从被耦接到发动机20的传感器中接收各种信号和信息，除了先前论述的那些信号外，还包含来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自被耦接到冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT);在一些示例中，来自被耦接到曲轴40的霍尔效应传感器118 (或其他类型)的表面点火感测信号(PIP)可以被可选地包含；来自节气门方位传感器的节气门方位(TP);以及来自传感器122的歧管绝对压力信号(MAP)。由于霍尔效应传感器118发挥类似于本文所述的发动机激光系统的能力，因此该霍尔效应传感器118可以可选地被包含在发动机20内。存储介质只读存储器106能够被用计算机可读数据编程，该计算机可读数据表示为了执行以下所述的方法及其变体的由处理器102可执行的指令。
[0027]激光系统92包含激光激励器88和激光控制单元(IXU) 90。IXU 90导致激光激励器88生成激光能量。IXU 90可以从控制器12中接收可运转指令。激光激励器88包含激光振荡部分86和光会聚部分84。光会聚部分84将激光振荡部分86生成的激光光线会聚在燃烧汽缸30的激光焦点82上。在一个示例中，光会聚部分84可以包含一个或多个镜头。
[0028]光电探测器94可以位于汽缸30的顶部作为激光系统92的一部分并且可以从活塞36的顶表面接收返回脉冲。光电探测器94可以包含具有镜头的摄像机。在一个示例中，摄像机是电荷耦合装置(CCD)。CCD摄像机可以被配置为检测并且读取LCU 90发射的激光脉冲。在一个示例中，当LCU发射在红外频率范围内的激光脉冲时，CCD摄像机可以运转并且接收在红外频率范围内的脉冲。在该实施例中，摄像机也可以被称为红外摄像机。在其他实施例中，摄像机可以是能够在可视光谱以及在红外光谱中运转的全光谱CCD摄像机。摄像机可以包含聚焦检测到的激光脉冲并且生成汽缸内部图像的镜头。在一个示例中，镜头是产生汽缸内部的宽阔全景或半球图像的鱼眼镜头。在从LCU 90中发射激光之后，在激光焦点82处激光在汽缸30的内部区域内扫掠(sweep)。被活塞36反射的光能量可以被光电探测器94中的摄像机检测到。光电探测器94也可以捕获汽缸内部的图像，正如以下详细描述的。
[0029]根据四冲程燃烧周期的发动机方位，激光系统92被配置为在每个运转的正时以多于一种能力运转。例如，激光能量可以被用于在发动机的做功冲程期间点燃空气/燃料混合物，包含在发动机起动转动期间、发动机暖机运转期间以及已暖机的发动机运转期间。燃料喷射器66喷射的燃料可以在至少一部分进气冲程期间形成空气/燃料混合物，其中采用由激光激励器88生成的激光能量点燃空气/燃料混合物使没有燃烧的空气/燃料混合物开始燃烧并且驱动活塞36向下。而且，在汽缸燃烧事件期间生成的光可以被光电探测器94使用，以便捕获汽缸内部的图像。如图9详细描述的，生成的图像可以然后被用于诊断各种汽缸内组件以及汽缸燃烧参数。
[0030]在第二工作能力中，IXU 90可以输送低功率脉冲到汽缸。低功率脉冲可以用于确定四冲程燃烧周期期间活塞和气门方位，正如图4-7所论述的。活塞方位和气门方位测量值可以然后被用于诊断汽缸组件(例如凸轮轴和曲轴)，正如图10所论述的。此外，一旦从怠速-停止条件中再次激活发动机，则激光能量可以被用于监测发动机的方位、速度等，以便使燃料输送和气门正时同步。而且，由激光光脉冲发射以较低功率生成的光可以被用于在汽缸燃烧事件发生之前(例如，在进气冲程期间)捕获汽缸的内部的图像。该图像也可以在未燃烧状况期间生成，例如当在特定的诊断模式中运转时。如图8详细描述的，生成的图像可以然后被用于诊断各种汽缸内组件。
[0031]在光电探测器94处生成的图像可以在车辆的中心控制台上被显示给技工或维护技术人员，以便他们能够执行可视检查并且识别任何汽缸组件退化。例如，当包含装备有鱼眼镜头的红外摄像机的光电探测器94生成被无线传送到发动机控制器并且在车辆的显示器上被察看的图像时，被耦接到光电探测器94的激光点火装置可以将光脉冲传送到汽缸30。在一些示例中，如参考图2所论述的，当运转激光点火装置时，中心控制台上的操作者控制的旋钮能够调整发动机方位。这些调整包含从允许汽缸的进一步检查以便退化指示的初始发动机方位向前或向后转动发动机。
[0032]IXU 90可以根据工况引导激光激励器88以将激光能量聚焦在不同的位置。例如，激光能量可以被聚焦在汽缸30的内部区域内远离汽缸壁32的第一位置处以便点燃空气/燃料混合物。在一个实施例中，第一位置可以在做功冲程的上止点(TDC)附近。进一步地，LCU 90可以引导激光激励器88生成被引导到第一位置的第一多个激光脉冲，并且来自剩余激光脉冲的第一燃烧可以从激光激励器88中接收比输送到第一位置以便稍后燃烧的激光能量更大的激光能量。如另一示例，激光能量可以被聚焦在朝向汽缸壁最靠近汽缸的进气端口的第二位置处，以便诊断喷射器喷射模式(spray pattern)或进气空气流动模式。
[0033]控制器12控制IXU 90并且具有包含代码的非临时计算机可读存储介质，所述代码根据温度例如ECT来调整激光能量输送的位置。激光能量可以被引导在汽缸30内不同的位置处。控制器12也可并入额外的或可替换的传感器，以便确定发动机20的运转模式，包含额外的温度传感器、压力传感器、扭矩传感器以及检测发动机旋转速度、空气量以及燃料喷射量