CN102770653A - 4冲程循环内燃机的气缸判别 - Google Patents

Abstract

内燃机具有奇数个的气缸。通过360°CA的曲轴转角传感器，获得由以10°CA为单位的脉冲列构成的POS信号。该POS信号包含由曲轴转角传感器的缺齿部形成的以360°CA为单位的特殊部28′。作为第2信号，在每个10°CA，将10°CA的变化所需的实际求出，将其在区间A、B、C进行累积。响应各气缸的行程变化，第2信号以与气缸数相对应的周期进行振动，因此对各积分值进行比较，从而完成例如区间T1和T4的识别，可以不依赖720°CA的凸轮转角传感器，仅用360°CA的曲轴转角传感器的信号进行气缸判别。

Description

4冲程循环内燃机的气缸判别

技术领域

本发明涉及一种4冲程循环内燃机，其在曲轴旋转2周（即、720°CA（曲轴转角））时完成1个循环，特别地，涉及在具有3气缸、5气缸等奇数个气缸的内燃机中的气缸判别技术。

背景技术

为了对特定的气缸以适当的定时进行燃料喷射或点火等，在多气缸内燃机中，需要进行气缸判别，即，对应该成为下一个燃烧行程的气缸进行判断。在大多数的4冲程循环内燃机中，除了具有对曲轴的旋转位置进行检测的曲轴转角传感器之外，还具有凸轮转角传感器，该凸轮转角传感器与以720°CA旋转1周的凸轮轴同步，利用从曲轴转角传感器获得的每个单位曲轴转角的脉冲信号（所谓的POS信号）、和从凸轮转角传感器获得的每个气缸间隔（例如，如果是4气缸内燃机，则是180°CA）的不同的各脉冲信号（所谓PHASE信号），进行气缸判别以及确定各气缸当前时刻在循环中的相位位置。

对此，在专利文献1中公开了一种技术，其是在具有奇数个气缸的4冲程循环内燃机中，不依赖凸轮转角传感器而对各气缸的相位位置进行检测。在该技术中，除了使用具有称为所谓的“缺齿”的脉冲缺损部的来自曲轴转角传感器的每个单位曲轴转角的脉冲信号之外，还使用与循环相关联地变动的进气管压力信号（或转速信号），通过求出每360°CA发生的在上述的缺齿部分附近的进气管压力信号的增加/减少的反转或变化的极值（最小值及最大值），判断各气缸处于哪一个行程中。

在上述的专利文献1的技术中，通过将进气管压力信号（或转速信号）对于时间进行微分，求出其斜率，如上述地对在缺齿部分附近的进气管压力信号的增加/减少的反转或最小值及最大值进行检测，但在这种方法中，有可能出现下述的情况，即，由于进气管压力信号等的不可避免的干扰，检测到多个极值（即，增加/减少的反转），或由于进气管压力信号等的相位的微小偏移，在缺齿部分的狭小范围内的斜率变为相反，因此检测的可靠性低，无法进行正确的气缸判别。

另外，由于对于时间进行微分，因此在将进气管压力信号作为对象的情况下，不可避免地会受到内燃机旋转速度的影响，例如在内燃机起动而曲轴被驱动的这种状况下，由于内燃机旋转速度的急剧的上升及变化，检测精度更下降。

专利文献1：日本专利第3998719号公报

发明内容

本发明涉及一种4冲程循环内燃机，其具有奇数个气缸，具有下述部分而构成：

曲轴转角传感器，其相对于曲轴的旋转，输出由以恒定曲轴转角为单位的脉冲列构成的第1信号，该第1信号包含与特定气缸的特定位置相对应的特殊部；

相对于曲轴的旋转而生成第2信号的单元，该第2信号与各气缸的实际行程相关联，并且以与气缸数相对应的周期而周期性地进行振动；

对于以上述特殊部为基准而预先设定的至少2个区间，对上述第2信号进行积分的单元，这些区间包含上述第2信号的波峰或波谷的部分；以及

基于这些积分值的比较，进行气缸判别的单元。

同样地，本发明涉及一种4冲程循环内燃机的气缸判别方法，该4冲程循环内燃机具有奇数个气缸，该气缸判别方法利用第1信号和第2信号进行气缸判别，该第1信号由以恒定曲轴转角为单位的脉冲列构成，包含每隔360°曲轴转角的特殊部，该第2信号与气缸数相对应而周期性地进行振动，其中，

对于上述第2信号的波峰或波谷部分而至少求出2个积分值，基于这些积分值的比较，确定上述特殊部相对于720°曲轴转角的循环的位置。

作为上述第2信号，例如，可以使用与各气缸的进气阀的开度（即各气缸的进气行程）相关联而变动的进气管压力、或者与各气缸的压缩行程中的反作用力等相关联而微观地变动的旋转速度等，但该第2信号与气缸数相对应而周期性地进行振动变化，因此例如如果在2个区间将积分值求出，对这些进行比较，则可以准确地判别出哪一个区间相当于振动的波峰还是相当于波谷，或者之前的区间是振动的波峰还是波谷，与第1信号的特殊部的位置相配合，进行气缸判别。

根据该发明，不会受第2信号的干扰或相位的少量的偏移的影响，不依赖凸轮转角传感器，而准确地实现气缸判别。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的4冲程循环内燃机的一个实施例的结构说明图。

图2是示意性地表示在本实施例中使用的曲轴转角传感器的说明图。

图3是表示第1信号以及第2信号的波形图。

具体实施方式

图1是表示将本发明应用到火花点火式4冲程循环内燃机中的一个实施例的结构说明图。在该实施例中，内燃机1具有串联地配置的3个气缸2，在各气缸2中，可滑动地嵌合有用于划分燃烧室4的活塞3，并且在中央配置火花塞5。在上述燃烧室4中，经由排气阀6连接排气通路7，另外，经由进气阀10连接进气通路11。在该进气通路11中，朝向进气阀10而对每个气缸配置燃料喷射阀12，并且在集气管13的上流侧安装节气门14。

上述节气门14的开度利用节气门开度传感器16进行检测。另外，在上述集气管13中，设置有对作为进气管压力的集气管13内的压力进行检测的进气压力传感器15。而且，在曲轴8的端部，设置有用于对该曲轴8的角度位置进行检测的后述的曲轴转角传感器17。这些传感器类的检测信号，分别输入至发动机控制单元18。发动机控制单元18基于这些检测信号，对燃料喷射阀12的燃料喷射量及喷射定时、火花塞5的点火定时等综合地进行控制。而且，该内燃机1具有公知的起动电动机20，基于起动开关19的信号而该起动电动机20动作。

另外，上述排气阀6及上述进气阀10分别利用排气侧凸轮轴21及进气侧凸轮轴22进行开闭驱动。这些凸轮轴21、22构成为，与曲轴8联动，以该曲轴8的1/2的速度被驱动，以720°CA旋转1周。特别地，在本实施例中，不具有所谓的凸轮转角传感器。

此外，虽然该实施例以火花点火式内燃机作为例子，但本发明也可以在4冲程循环的柴油机中完全同样地进行应用。

图2是表示上述曲轴转角传感器17的结构的图，该曲轴转角传感器17，在固定在曲轴8端部上的圆形的信号板25的周围，以固定的间隔、例如10°间隔而具有多个凸起26，由霍尔IC构成的拾取部对该凸起26进行检测。由此，曲轴转角传感器17输出如图所示的脉冲信号（POS信号）。而且，作为所谓的缺齿部28，是在360°中的特定的一部分，将2个凸起26去除而形成的，由此构成成为曲轴8的角度位置基准的特殊部。另外，作为该特殊部，除了缺齿部以外，也可以相反地，通过将局部的凸起26的宽度（角度范围）进行加宽而构成，或者也可以使用其它的通过拾取部生成的不同的脉冲。另外，在上述实施例中，仅在360°中的1个位置设置有特殊部，但以与本发明不同的目的，也可以进一步在其它位置附加地具有特殊部。

下面，基于图3说明本发明的气缸判别。

该图3是将横轴作为曲轴转角而表示的波形图及时序图，最上段表示第1信号，即利用上述的曲轴转角传感器17获得的POS信号。如图所示，该POS信号原则上由以10°CA为单位的脉冲列构成，且包含每隔360°CA而出现的特殊部28′，即脉冲缺损部。该特殊部28′由于脉冲之间的间隔与其他不同，因此容易识别。在该特殊部28′后最初出现的脉冲为基准脉冲，在图3中，为了方便，将1个基准脉冲的曲轴转角表示为“0°CA”。另外，如图所示，POS信号作为具有一定宽度的脉冲进行输出，但在控制中，利用该脉冲的下降沿的定时，因此在下面的说明中，原则上“脉冲”是指相当于上述下降沿的无宽度的信号。另外，在图示例子中，将曲轴转角传感器17输出的以10°CA为单位的脉冲直接作为POS信号使用，但也可以将以10°为单位的脉冲进一步进行分频，生成作为更小单位的曲轴转角的脉冲信号的POS信号。

在实施例的串联3气缸内燃机中，其点火顺序为“#1气缸→#2气缸→#3气缸”的顺序，在图3中，图示各压缩上止点的定时。而且，特殊部28′与特定气缸的特定相位位置相对应，例如在该实施例中，以紧随特殊部28′之后的基准脉冲与#1气缸的压缩上止点前180°CA相对应的方式，将曲轴转角传感器17的缺齿部28的位置相对于曲轴8定位。另外，这种特殊部28′的位置与各上止点位置的相对位置关系不限于此，可以任意地设定。

在这里，曲轴转角传感器17以360°CA旋转1周，特殊部28′每隔360°CA出现，因此，即使如上述所述与#1气缸的压缩上止点相关联地设定特殊部28′的位置，仅由此也无法确定在720°CA的1个循环中的相位位置。例如，在图3的例子中，表示为“0°CA”的最初的基准脉冲出现时，处于#1气缸的压缩上止点前180°CA，但在360°CA后第2个基准脉冲出现时，处于#2气缸的压缩上止点前60°CA，因此仅利用来自曲轴转角传感器17的POS信号，无法进行气缸判别以及相位的确定。

图3的中段表示对上述POS信号的脉冲数进行计数的计数器PSCNT的值。该计数器PSCNT被紧随特殊部28′后的上述基准脉冲复位，从而利用该值表示将上述特殊部28′（更详细地说是基准脉冲）作为基准的当前定时的曲轴转角位置。

图3的下段表示以与气缸数相对应的周期，周期性地振动的第2信号。在本实施例中，这是相当于在循环中微观地变化的内燃机旋转速度的信号，特别地，是对于与上述的POS信号相对应的每个10°CA，对该10°CA的曲轴转角变化所需的实际时间进行计算，使横轴为曲轴转角，使纵轴为单位曲轴转角所对应的时间而构筑的。因此，严谨地说，是离散的值的图表，但在图3中，利用平滑的曲线以连续的形式示意地描绘（省略了比波谷靠下的部分的图示）。即，如果观察1个气缸，随着压缩工作的进行，在压缩上止点附近旋转速度微观地下降。而且，在3气缸内燃机中，每隔240°CA而各气缸成为压缩上止点，因此可以获得在720°CA期间内具有3个波峰及3个波谷的振动波形。因此，可以说该振动波形反映了与曲轴8的旋转相对应的各气缸的实际行程，而且成为与气缸数相对应的周期，由于气缸数为奇数，因此从图3可以明确，如果以360°CA为单位进行划分，则成为相互不同的振动波形。

另外，可以容易理解，在图示例子的图表中，作为旋转速度，在波峰的部分速度低，在波谷的部分速度高。该图示例子的图表与内燃机旋转速度本身的特性在本质上没有差别，但根据如上述所述对于与POS信号对应的每个10°CA而运算实际时间的方法，可以不依赖曲轴转角传感器17以外的旋转速度检测单元，作为传感器实质上仅使用曲轴转角传感器17，获得第1信号和第2信号这两者。因此，有下述的优点，即仅利用曲轴转角传感器17完成所希望的气缸判别及在循环中的相位位置的确定。

另外，上述内燃机旋转速度的特性，无论是在不伴随爆炸燃烧的曲轴起动中或电动回转中，还是伴随爆炸燃烧的通常运转中，原则上没有差别。即，在伴随爆炸燃烧的情况下，在燃烧行程中的速度变大，但波峰及波谷的相位位置几乎不变化，成为同样的振动波形。

图3所示的T1～T6的区间，是为了说明方便，将720°CA的期间以120°CA为单位进行划分而形成的，特别地，由下述的两种区间构成，即，以旋转速度最低的各气缸的压缩上止点为中心的前后60°CA构成的120°CA的区间（图中的T2、T4、T6）、和被夹在这些区间之间的剩余的120°CA的区间（图中的T1、T3、T5）。从图可以明确，前者的以各气缸的压缩上止点为中心的区间T2、T4、T6是包含第2信号的振动波形的波峰部分在内的区间，后者的区间T1、T3、T5是包含振动波形的波谷部分在内的区间。因此，在各区间中，如果基于曲轴转角而对第2信号进行积分，则前者的区间T2、T4、T6的积分值（在图中用交叉斜线表示的面积）大，后者的区间T1、T3、T5的积分值（在图中用斜线表示的面积）小。另外，该实施例的第2信号如上所述是每个10°CA的曲轴转角变化所需的实际时间，因此作为实际的积分处理，只要将POS信号的脉冲作为触发，对每个10°CA所需的实际时间进行运算，并且将其依次进行累积即可。

在本发明的一个实施方式中，某个区间的积分值与比该区间在360°CA前的区间的积分值进行比较。例如，紧随特殊值28′之后的区间（T1或T4）的积分值与在360°CA前的相同地紧随特殊值28′之后的区间（T4或T1）的积分值进行比较。该比较结果，如果与360°CA前的积分值相比，这次的积分值大，则确定该区间不是T1而是T4。因此，在该积分及比较结束的时刻（例如T4结束后），可以判别出成为下一个燃烧行程的气缸为#3气缸，并且可以确定这一时刻的各气缸的相位位置。另外相反地，如果与360°CA前的积分值相比，这次的积分值小，则识别为该区间不是T4而是T1。

作为2个积分值的比较，可以是如上述的仅大小比较，或者也可以是求出两者的比值等其它的方法。另外，为了避免误判断，也可以在两者的差值或两者的比值比规定值小的情况下，对气缸判别的最终确定进行保留等。

如上所述，在对相隔360°CA的多个区间的积分值进行比较的方法中，作为曲轴转角传感器17及曲轴8的角度范围，是对完全相同区间的积分值之间进行对比，从而由各种原因引起的误差相互被抵消。因此，具有可以获得较高的气缸判别精度的优点。

在上述的例子中，对相隔360°CA的2个区间的积分值进行了比较，但也可以对大于或等于3个的区间的积分值进行比较。即，如果这次的积分值与360°CA前的积分值、与再360°CA前的积分值依次进行比较，则这些积分值应该是交替地大小变化，因此可以对例如这次的区间是T1还是T4更高精度地进行识别，可以避免由于某些干扰导致的误判断。

对于相隔360°CA的区间T2和区间T5，或者对于区间T3和区间T6，也可以通过完全相同的处理，进行气缸判别。以特殊部28′为基准的这些区间T2（T5）及区间T3（T6）的位置是通过计数器PSCNT的值确定的。因此，可以在曲轴8每旋转120°CA时，重复进行气缸判别。

本发明的其他方式中，对某个区间的积分值与其相邻的前一个区间的积分值进行比较。例如，紧随特殊部28′之后的区间（T1或T4）的积分值与其前区间（T6或T3）进行比较。该比较的结果，如果与前区间的积分值相比，这次的积分值大，则确定该区间不是T1而是T4。因此，在2个区间的积分及比较结束的时刻（例如T4刚结束后），可以判别出成为下一个燃烧行程的气缸为#3气缸，并且可以对这一时刻的各气缸的相位位置进行确定。另外相反地，如果与之前的积分值相比，这次的积分值小，则识别为该区间不是T4而是T1。

作为2个积分值的比较，可以与上述同样地，只是大小比较，或者也可以是求出两者的比值等其它的方法。另外，为了避免误判断，也可以在两者的差值或两者的比值比规定值小的情况下，对气缸判别的最终确定进行保留等。

如上所述，在对前后连续的多个区间的积分值进行比较的方法中，可以无需曲轴8旋转1周，而是在相对较短期间内，完成积分值的比较。因而，对起动时的最初的气缸判别有利，另外不易受到内燃机旋转速度的宏观的变化（例如，由内燃机的加速、减速引起的变化）的影响。

另外，在上述的例子中，对相邻的2个区间的积分值进行了比较，但也可以对相邻的大于或等于3个的区间的积分值进行比较。例如，如图中的区间T1、T2、T3所示，这些区间的积分值应该是交替地大小变化，因此可以对这次的区间是T1还是T4更高精度地进行识别，可以避免由于某些干扰导致的误判断。

进行如上述所述的积分的区间，实际上，没必要是对720°CA进行6等分的120°CA，只要对第2信号的波峰部分及波谷部分大致对应的区间进行积分即可，可以是大于或等于120°CA的范围，也可以是小于或等于120°CA的范围，另外，也可以相对于上述的T1～T6的区间的中心非对称。图3的箭头A、B、C表示360°CA中的实际的积分区间的优选的一个例子。区间A是将紧随特殊部28′之后的基准脉冲作为0°CA时，从10°CA到90°CA的80°CA的范围，同样，区间B是从130°CA到210°CA的80°CA的范围，区间C是从250°CA到330°CA的80°CA的范围。在该设定例中，积分区间C不与没有出现脉冲的特殊部28′重叠，因此可以将包含特殊部28′的POS信号直接简单地进行利用，将脉冲之间的所需的实际时间计算出，并且进行积分。

此外，也可以将上述的区间A、B、C对应于内燃机运行条件（冷却水温、油温、液压等）可变地进行设定。

以上，说明了本发明的一个实施例，当然本发明的气缸判别技术可以在不具有如上述实施例的以720°CA旋转1周的凸轮转角传感器的情况下使用，在如现有技术所示除了具有曲轴转角传感器17之外还具有凸轮转角传感器的结构中，在凸轮转角传感器发生故障或异常时，可以作为其备用技术使用。另外，也可以在凸轮转角传感器的异常诊断中利用。另外，可以在这种具有凸轮转角传感器的结构等中，在一般的运转中将利用上述方法的气缸判别同时使用而执行，为了使上述区间A、B、C成为更合适的区间，例如可以对内燃机温度条件等进行学习校正。

在上述的图3的实施例中，每隔单位曲轴转角（例如10°CA），对该单位曲轴转角的变化所需的实际时间进行运算，并且将其依次进行累积，但也可以取代该方法，求出前一次运算出的所需实际时间与这次的所需实际时间的比，将其作为第2信号而依次进行累积。具体而言，在区间A、B、C之间，在每次输入POS信号时，求出从上次的POS信号的输入至这次的POS信号的输入所需的时间t_n，并且求出与在上次的POS信号的输入时同样地求出的上次的所需时间t_n-1的比（t_n/t_n-1），将其依次进行累积，从而作为各区间的积分值。

如果将这种单位曲轴转角的实际时间的比作为第2信号使用，则实际上第2信号被无量纲化，可以将与循环中的旋转速度变动相比更宏观的内燃机旋转速度的变化的影响排除。例如，在内燃机起动时，由于起动电动机20而曲轴被转动的状况下，内燃机旋转速度大且急剧地变化，因此利用循环中的旋转速度变动的气缸判别的精度容易降低，但如上所述通过使用实际时间的比，可以尽可能地抑制该影响。

作为本发明中的第2信号，除如上所述的旋转速度变动之外，还可以使用通过进气压力传感器15检测到的进气管压力的变动。连接有各气缸的进气通路11的集气管13内的进气管压力，响应各气缸的进气行程而周期性地振动。其振动特性与图3所示的振动波形基本相同，反应各气缸的实际行程，并且以与气缸数相对应的周期进行振动。因此，可以利用与上述实施例完全相同的方法，进行气缸判别。但是，在进气管压力的情况下，在实际的行程与压力振动的波峰·波谷之间，会发生与进气管长度相对应的延迟，因此需要考虑这些而对积分值区间A、B、C进行设定，而且，该延迟为实际时间，因此优选与内燃机旋转速度相对应而施加校正。

在利用这种进气管压力的方法中，基于曲轴转角而进行积分的积分值，本质上不会受由于内燃机旋转速度的变化（宏观的变化）导致的影响，因此例如在如曲轴起动时这种内燃机旋转速度变化较大的状况下，也可以获得高精度。

本发明不限于上述实施例的3气缸内燃机，5气缸内燃机等只要是具有奇数气缸的内燃机，均可以同样适用。并且，只要奇数气缸依次成为燃烧行程即可，作为气缸的排列，也不限于串联多气缸内燃机。

Claims (6)

1.一种4冲程循环内燃机，其具有奇数个气缸，具有下述部分而构成：

曲轴转角传感器，其相对于曲轴的旋转，输出由以恒定曲轴转角为单位的脉冲列构成的第1信号，该第1信号包含与特定气缸的特定位置相对应的特殊部；

相对于曲轴的旋转而生成第2信号的单元，该第2信号与各气缸的实际行程相关联，并且以与气缸数相对应的周期而周期性地进行振动；

对于以上述特殊部为基准而预先设定的至少2个区间，对上述第2信号进行积分的单元，这些区间包含上述第2信号的波峰或波谷的部分；以及

基于这些积分值的比较，进行气缸判别的单元。

2.根据权利要求1所述的4冲程循环内燃机，

其使用曲轴转角相差360°的至少2个区间的积分值。

3.根据权利要求1所述的4冲程循环内燃机，

其使用包含第1区间和第2区间的至少2个区间的积分值，其中，该第1区间包含第1波峰或波谷，该第2区间包含与该第1波峰或波谷相连续的第2波谷或波峰。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的4冲程循环内燃机，

上述积分值，是通过对于每个规定的单位曲轴转角，对该单位曲轴转角的角度变化所需的实际时间进行累积而求得的。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的4冲程循环内燃机，

上述的积分值，是通过对于每个规定的单位曲轴转角，对上次的单位曲轴转角的角度变化所需的实际时间与这次的单位曲轴转角的角度变化所需的实际时间的比值进行累积而求得的。

6.一种4冲程循环内燃机的气缸判别方法，该4冲程循环内燃机具有奇数个气缸，该气缸判别方法利用第1信号和第2信号进行气缸判别，该第1信号由以恒定曲轴转角为单位的脉冲列构成，包含每隔360°曲轴转角出现一次的特殊部，该第2信号与气缸数相对应而周期性地进行振动，其中，

对于上述第2信号的波峰或波谷部分而至少求出2个积分值，基于这些积分值的比较，确定上述特殊部相对于720°曲轴转角的循环的位置。

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