JP2005515346A - ４サイクルオットー機関の位相識別方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、４サイクルオットー機関、特にガソリン直接噴射式エンジンの位相を識別するための方法及び装置に関している。
確実な位相識別を比較的僅かなコストで実現するために、本発明によれば、クランク軸が始動フェーズにおいて少なくとも１つのピストンを伴って回転し、少なくとも２つの順次連続するピストンの上死点（Ｚ−ＯＴ，ＬＷ−ＯＴ）のもとで点火コイルを用いた燃料供給なしでの点火がトリガされ、一次電流回路の一次電流若しくは一次電圧、又は二次電流回路の二次電流若しくは二次電圧が、点火後それぞれ少なくとも燃焼期間（ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ，ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴ）に亘って延在する測定期間において測定され、順次連続する点火の測定信号の比較から、順次連続する上死点のうちどれが点火上死点（Ｚ−ＯＴ）であり、どれが充填入替え上死点（ＬＷ−ＯＴ）であるかを推論する。

Description

本発明は、４サイクルオットー機関の位相を識別するための方法及び装置に関している。

燃料噴射バルブが、電子制御ユニットＥＣＵによって電子的に制御されるエンジンのもとでは、内燃機関の始動の際の位相位置を確定することが重要である。ら燃焼サイクルは、クランク軸角度の２×３６０°に亘って延在するので、先ず最初は位相位置によって、ピストンが圧縮行程の上昇移動のもとにあるのか、それとも排気行程の上昇移動のもとにあるのかを決定しなければならない。

これに対しては種々異なるシステムが公知である。その１つでは、カムシャフトに付加的なセンサディスクを設けてもよいし、エンジン停止識別が行われてもよい。しかしながらこの種のシステムは高価な付加的手段を必要とする。

さらに吸気管噴射を伴うエンジンの場合では、燃料噴射によるいわゆるダブルイグニッション方式における位相の確定と順次連続する上死点における点火が行われ得る。

この場合それぞれ第２の点火は、点火可能な燃料混合気が存在する。位相位置に応じて、インテークマニホールド内への燃料の噴射は、吸気バルブの閉鎖前に前倒しされるか、吸気バルブが開いている時に行われる。吸気管噴射の伴うエンジンでは、未燃混合気が触媒へシフトされることはない。エンジン始動に成功した後では、引き続き他の上死点識別方法を用いて、Ｚ−ＯＴにおける個別点火に切換えることが可能である。

しかしながらクランク軸の各回転毎に点火と噴射が伴うこの種のダブルイグニッション方式は、ガソリン直接噴射方式のエンジン“ＢＤＥ”（以下単にＢＤＥエンジン若しくは直噴エンジンと称する）のもとでは行うことができない。なぜならこの種のエンジンの場合では、燃料噴射が正確に吸気行程中か若しくは圧縮行程の初期段階において行う必要があるからである。それに対して排気行程中の燃料噴射は許されない。さもないと未燃の燃料が触媒へ排出されてしまうからである。

ドイツ連邦共和国特許出願DE 198 17 447明細書からは、始動フェーズにおいて、クランク軸がスタータによって回転させられ、噴射なしでクランク軸の回転毎にそのつどの上死点領域において点火プラグに電圧が印加される、方法及び装置が開示されている。ここでの位相の識別には、パッシェンの法則が用いられており、この法則によれば、電極間の圧力が大きければ大きいほど、点火電圧も高くなる。エンジンがスタータによって回転させられると、燃焼室内の混合気の圧縮がそれぞれ圧縮行程においてのみ行われ、クランク軸角度の時系列でみて７２０°回転移動した点火上死点“Ｚ−ＯＴ”においては最大圧力が達成される。これに対して３６０°回転移動した、排気行程と吸気行程の間の充填入替え上死点“ＬＷ−ＯＴ”においては、はるかに低いガス圧しか存在しない。これらの点火上死点“Ｚ−ＯＴ”と充填入替え上死点“ＬＷ−ＯＴ”の区別のために、充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴの低圧のもとでは点火に十分な電圧のそして点火上死点Ｚ−ＯＴの高圧のもとではそうではない電圧の点火電圧が設定される。点火点圧の設定に対しては、相応の点火エネルギのみが点火コイルに供給される。それぞれの上死点において点火が行われたか否かの識別は、イオン電流の解析によって行われる。点火が生じなかった場合には、一次電流回路と二次電流回路において、構成要素キャパシタンスとそのつどの点火コイル巻線のインダクタンスに起因して、フライホイールダイオードによって中断される短半波振動のみが測定される。それに対して点火の場合には、実質的に三角波形の二次電流が点火電流として測定される。

ドイツ連邦共和国特許出願DE 198 17 447 A1明細書の方法及び装置は、直噴エンジンＢＤＥの場合でも、充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴでの噴射なしの点火が行われるので適用可能である。しかしながらこの場合には、所望の点火エネルギーを得るために先ず点火コイルの正確な駆動制御が行われなければならない。上死点の区別のための点火エネルギーの所要の閾値は、特にエンジンが異なる場合には様々になり得るので正確な設定が困難である。さらに点火上死点Ｚ−ＯＴと充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴの間の正確な区別のために測定されたイオン電流の評価にもコストがかかる。

それに対して請求項１の特徴部分に記載された本発明による方法と、請求項１２の特徴部分に記載された本発明による装置では次のような利点が奏される。すなわち比較的僅かなコストで、正確な位相の識別とガソリン直噴エンジンへの問題のない適用が実現できることである。この場合有利には、クランク軸が回転した場合に既に位相が識別され、直ちにエンジンを適正な位相の噴射と点火で始動できる。

本発明によれば、前述したような二重点火方式の場合とは別のやり方で、エンジンが噴射なしの点火を伴って回転する。ドイツ連邦共和国特許出願DE 198 17 447 A1明細書のものとは異なって、正確な閾値設定なしでも、クランク軸のあらゆる回転のもとで点火に結び付けられる十分に高い点火エネルギが供給される。

本発明は次のような認識を基礎においている。すなわち点火上死点Ｚ−ＯＴと充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴの区別が、２つの上死点における点火実施のもとでも可能なことである。なぜならこれらの２つの位置における点火特性が異なっているからである。点火上死点Ｚ−ＯＴにおいては、高い圧力に基づいて点火電圧が高くなり、燃焼期間は短くなる。それに対して充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴにおいては、点火電圧は低く、燃焼期間は長くなる。従ってこれらの２つの位置の間の区別は、行われた点火のもとで、燃焼期間の比較、点火電流の比較、あるいは点火プラグに印加された点火電圧の比較によって行うことができる。

本発明の実施形態によれば、二次電流が測定され、例えば点火コイルの二次巻線と点火プラグに直列に接続された測定抵抗を介したアースに対する電圧降下として測定されてもよい。このケースでは、測定装置が二次電流回路の測定抵抗によって簡単な形式で形成可能である。この測定抵抗において低下した電圧は、測定信号として評価装置に受け取られる。

一次電流回路内の測定は、特に点火コイルの一次巻線端子からピックアップされる一次電圧を介して行われる。測定装置としてこの場合は演算増幅器又はコンパレータを有する適切な測定回路が用いられる。その場合一次電圧が、例えば分圧器を介して演算増幅器の一方の入力側に供給され、当該演算増幅器の他方の入力側からの基準電圧と比較される。その結果としてこの演算増幅器は、測定信号を評価装置に送出する。

評価装置は、測定信号の評価に対し点火時点を確定し得るために、有利には２つの実施形態において、そのつどの測定信号に対して付加的に点火トランジスタの駆動信号を受入れるようにしてもよい。

評価装置は、燃焼期間信号を比較装置へ送出し、比較装置は当該燃焼期間信号を相互に比較するか、予め記憶されている値と比較し、ここでは比較的短い燃焼期間が点火上死点Ｚ−ＯＴにおける点火に対応付けられる。

本発明による位相識別は、１つのピストンにおいても、複数のピストンにおいても同時に実施できる。位相識別が成された後では、クランク軸の回転が既に始動過程に用尽され、次の点火上死点において噴射と点火が適正位相で行われるようになる。

本発明によれば、例えば惰性回転識別を介した位相識別の場合、あるいはカム軸に対する付加的なセンサディスクの場合とは異なって、付加的なセンサ類は何も必要とせず、比較的僅かな回路コストしか必要とされない。これによってエンジンスタートは、欠陥のある位相センサを伴っていても可能となる。本発明は、有利には特にガソリン直噴エンジンにも適用可能である。なぜなら位相識別の間は噴射が完全に避けられ、それに伴って燃料が触媒に達することがないからである。本発明はさらにインテークマニホールドへの噴射を伴うエンジンにも適用可能である。この種の適用は、従来の二重点火方式が各上死点毎の点火と噴射の点で問題となっていた特に吸気管内噴射式エンジンの場合において特に有利となる。

本発明に従って利用される測定装置と評価装置は、統合的に構成してもよい。特に一次巻線に誘起される一次電圧の測定の際には、一次電流回路と二次電流回路のさらなる制御は存在せず、そのため確かな位相識別を伴う低コストな解決手段が点火過程のさらなる制御を必要とすることなく実現可能となる。

本発明のいくつかの実施形態は、以下の明細書で図面に基づいて詳細に説明される。この場合、
図１は、本発明による位相識別のための代替的に利用可能な２つの装置を伴う点火装置のブロック回路図であり、
図２ａ，ｂは、上死点における図１の電圧Ｕ_Ｒ１，Ｕ２の時間経過特性を表わしたダイヤグラムである。

図１によれば、一次電流回路４において、搭載電源電圧Ｕ_Ｂのバッテリ端子とアースの間には、点火コイル２の一次巻線と点火トランジスタ３が設けられている。この点火トランジスタ３は、駆動制御信号ａによって駆動制御され、その低抵抗な状態において（駆動制御信号ａの高い電圧レベルのもとで）一次電流を一次電流回路４に流す。この通流によって点火コイル２では磁界が構築される。それに続く点火トランジスタ３の遮断のもとでは、その高抵抗の状態において（駆動制御信号ａの低い電圧レベルのもとで）、点火コイル２の磁界の遮断により二次巻線内に、点火プラグ８に放電スパークを引き起させるスパーク電圧が誘起される。この場合点火プラグ８のアースされた端子に対して直列に接続されている測定抵抗ＲＭにおいてはそのつどの二次電流に応じた電圧降下Ｕ２が生じる。

点火コイル２を伴う図示の点火装置は、本発明によれば、搭載電源電圧Ｕ_Ｂと駆動制御信号ａを次のように選択する。すなわち点火コイル２内に蓄えられた点火エネルギーが混合気ガス点火のための一次電流の遮断前に、充填入替え上死点（ＬＷ−ＯＴ）においても点火上死点（Ｚ−ＯＴ）においても点火プラグ８における十分に高い点火電圧の構築のために十分となるように選択される。

点火トランジスタ３のコレクタか若しくは点火コイル２の一次巻線の相応の端子に印加される電圧Ｕ１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２からなる分圧器によってピックアップされる。演算増幅器１２ないしコンパレータの一方の入力側は、分圧器回路の抵抗Ｒ１，Ｒ２の間に接続され、それによって一次比較電圧Ｕ_Ｒ１＝Ｒ１／(Ｒ１＋Ｒ２)Ｕ１を受入れる。電圧の制約のために所期のツェナーダイオードＺＤが抵抗Ｒ１に並列に接続されてもよい。その場合は、抵抗Ｒ１，Ｒ２が次のような高さに選択される。すなわちそれらが一次電流にたいした影響を与えず、特に点火トランジスタ３の高抵抗状態において点火コイル２の磁界に重要な影響を与える一次電流がたいして流れないような高さである。その際電圧Ｕ１ではなく一次比較電圧Ｕ_Ｒ１が演算増幅器１２に供給されることで、点火時点においてはＵ１の高い電圧値の代わりに制限された電圧値が印加される。この場合例えばＲ２に対して１００ｋＯｈｍ、Ｒ１に対して１１ｋＯｈｍが選択されたならば、Ｒ２を介して約２ｍＡの電流が流れ、Ｕ１の燃焼電圧は、２０Ｖ〜４０Ｖ、Ｕ_Ｒ１の燃焼電圧は、２Ｖ〜４Ｖとなる。

演算増幅器１２の別の入力側は、第２の分圧器回路１３若しくは基準電圧ＵＲｅｆ設定に適した他の装置を介して搭載電源電圧Ｕ_Ｂに接続されている。分圧器回路１３の利用によって、搭載電源電圧Ｕ_Ｂに依存する基準電圧ＵＲｅｆが生成される。そのため有利には電圧Ｕ_Ｂの変化への自動的な適応化が行われる（例えばスタータの操作のもと）。電圧Ｕ１に依存して、演算増幅器１２は、高いまたは低い出力信号を供給する。この場合信号ＵＲｅｆと抵抗Ｒ１，Ｒ２が次のように選択される。すなわち点火の際に二次電流によって誘起される一次電圧が把握され、点火電流のない状態との区別ができるように選択される。演算増幅器１２の出力信号は、第１の評価装置１６に供給され、該第１の評価装置はさらに駆動制御信号ａを受入れ、燃焼期間信号ｔ−ＢＲ１を送出する。

第１の評価装置１６と第２の評価装置１８から送出された燃焼期間信号は引き続き、図示されていない比較装置の中で後続の上死点のもとで行われる測定の相応する信号と比較される。

代替的に本発明によれば、一次電流回路においては第１の測定装置が利用され、二次電流回路においては第２の測定装置が利用され得る。しかしながら２つの測定装置と２つの評価装置の適用も基本的には可能である。

３６０°移動した上死点における点火の際には、そのつど同じ駆動制御信号ａが点火トランジスタに送出され、そのため点火コイル２の磁界には同じ点火エネルギーが供給される。しかしながらパッシェンの法則によれば点火の後で、異なった燃焼特性、すなわち点火上死点Ｚ−ＯＴのもとでは点火プラグ８の電極間で高圧の圧縮混合気ガスによる燃焼特性が生じ、さらに充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴのもとでは点火プラグ８の電極間で低圧の混合気ガスによる燃焼特性が生じる。それにより。図２ａ，ｂに示されているような電圧Ｕ_Ｒ１と電圧Ｕ２の異なる経過が生じる。

点火コイル２の一次電流回路４における測定と評価のもとでは、点火前のクランク軸の２つの位置において、すなわち点火トランジスタ３の低抵抗状態のもとで、まず低い電圧値Ｕ１とＵ_Ｒ１が存在する。引き続き点火電圧スパークＳＰによる点火が、比較的低い点火電圧のもとで充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴにおいて生じる。これにより、一次電流回路の電圧Ｕ１は、比較的低い値をとり、電圧Ｕ_Ｒ１も特性曲線ＬＷに従って、特性曲線Ｚによる点火上死点Ｚ−ＯＴの際の値よりも低い値をとる。それぞれの燃焼過程は、異なる燃焼期間ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴおよびｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴでもって行われる。そのつど測定される電圧Ｕ_Ｒ１は、点火コイル２の解体されるべき磁界から誘起される電圧Ｕ１に比例する。点火上死点Ｚ−ＯＴにおいては、点火コイル２の磁界が二次電流回路６の比較的高い二次電流によって迅速に解体される。そのため比較的大きな電圧Ｕ１が一次電流回路において、比較的短時間の延長によって誘起される。特性曲線ＬＷの充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴにおいては、比較的僅かな二次電流の形成のもとで点火コイル２の磁界が緩慢に解体される。そのため一次電流回路において誘起される電圧Ｕ１と電圧Ｕ_Ｒ１は、比較的僅かとなり、比較的長い燃焼期間ｔ−Ｂｒ−ＬＷ−ＯＴに亘って延在する。基準電圧ＵＲｅｆ１は、比較的長い燃焼期間ｔ−Ｂｒ−ＬＷ−ＯＴの間のＵ_Ｒ１値と、燃焼期間ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴとｔ−Ｂｒ−ＬＷ−ＯＴの後の静止値Ｕ_Ｎの間にある。演算増幅器１２における基準電圧ＵＲｅｆ１と値Ｕ_Ｒ１の比較によって、燃焼期間が求められ得る。この場合演算増幅器１２またはコンパレータの出力信号は、それぞれの燃焼期間の後に値を変える。この演算増幅器１２の出力信号は評価装置１６に送出され、該評価装置はさらに駆動制御信号ａを点火時点の確定のために受入れ、燃焼期間信号ｔ−ＢＲ１を送出する。

これに対して代替的な第２の測定及び評価装置の適用のもとでは、特性曲線２ｂに従って、誘起された二次電流に比例する電圧Ｕ２は第２の評価装置１８によって直接受入れられる。図２ｂに示されている点火上死点Ｚ−ＯＴの測定曲線Ｚと、充填入替え上死点Ｚ−ＯＴの測定曲線ＬＷは、この場合必ずしも厳密に線形である必要はない。点火コイル２の二次巻線内で誘起された二次電流は、燃焼期間ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ内で高い初期値から比較的迅速に０まで低下する。充填入替え上死点ＬＷ−ＯＴの際に誘起される二次電流は、比較的小さな値から比較的長い燃焼期間ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴに亘って０まで低下する。これらの測定曲線は、例えば図示の電圧Ｕ２を、波線で示された基準電圧ＵＲｅｆ２と例えば演算増幅器か若しくは評価装置１８のコンパレータにおいて比較することによって区別することができる。この場合は、測定曲線の明らかな違いを得るために基準電圧ＵＲｅｆ２が十分低く設定される。

本発明による位相識別のための代替的に利用可能な２つの装置を伴う点火装置のブロック回路図 ａ，ｂは、上死点における図１の電圧Ｕ_Ｒ１，Ｕ２の時間経過特性を表わしたダイヤグラム

Claims (17)

1. ４サイクルオットー機関の位相識別方法において、
   クランク軸が始動フェーズにおいて少なくとも１つのピストンを伴って回転し、
   少なくとも２つの順次連続するピストンの上死点（Ｚ−ＯＴ，ＬＷ−ＯＴ）のもとで点火コイルを用いた燃料供給なしでの点火がトリガされ、
   一次電流回路の一次電流若しくは一次電圧、又は二次電流回路の二次電流若しくは二次電圧が、点火後それぞれ少なくとも燃焼期間（ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ，ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴ）に亘って延在する測定期間において測定され、
   順次連続する複数の上死点の測定の比較から、当該順次連続する上死点のうちどれが圧縮行程と燃焼行程の間の点火上死点（Ｚ−ＯＴ）であり、どれが排気行程と吸気行程の間の充填入替え上死点（ＬＷ−ＯＴ）であるのかを推論するようにしたことを特徴とする方法。
2. 比較的短い燃焼期間（ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ）を識別し、それに点火上死点（Ｚ−ＯＴ）を割当てる、請求項１記載の方法。
3. 燃焼期間を点火後の期間として識別し、その場合一次電圧測定値若しくは二次電圧測定値又は一次電流測定値若しくは二次電流測定値が基準値を上回る、請求項１または２記載の方法。
4. 測定期間において、点火コイルの一次巻線に誘起される一次電圧（Ｕ１）または一次電圧（Ｕ１）から分圧器回路（Ｒ１、Ｒ２）を介して形成される一次比較電圧（ＵR1）が、第１の基準電圧（ＵＲｅｆ１）と比較され、この比較結果に依存して燃焼期間信号（ｔ−ＢＲ１）が送出される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 第１の基準電圧（ＵＲｅｆ１）は、充填入替え上死点の燃焼期間（ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴ）の間の一次比較電圧の電圧値（ＵR1）と、燃焼期間（ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ，ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴ）後の静止電圧（ＵN）の間におかれる、請求項４記載の方法。
6. 二次電流が有利には二次巻線と点火プラグ（８）に直列に接続された測定抵抗（ＲＭ）において降下した二次電圧（Ｕ２）の測定によって求められる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
7. 上死点（Ｚ−ＯＴ，ＬＷ−ＯＴ）において測定された二次電圧（Ｕ２）を第２の基準電圧（ＵＲｅｆ２）と比較し、この比較結果に依存して燃焼期間信号（ｔーＢＲ２）を送出する、請求項６記載の方法。
8. 燃焼期間信号（ｔ−ＢＲ１、ｔ−ＢＲ２）を測定値と点火トランジスタの駆動制御信号（ａ）に依存して送出する、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
9. ガソリン直接噴射式エンジンの位相を求めるようにした、請求項１から８いずれか１項記載の方法。
10. 点火上死点（Ｚ−ＯＴ）を複数のシリンダのもとで求めるようにした、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
11. ４サイクルオットー機関、特にガソリン直接噴射式エンジンの点火方法において、
    エンジンの位相とクランク軸の回転を、請求項１から１０いずれか１項記載の方法を用いて求め、クランク軸の回転を中断することなく引き続き適正な位相で噴射と点火を行うようにしたことを特徴とする方法。
12. 一次電流回路と、二次電流回路と、点火コイルと、点火プラグと、点火トランジスタとを備えた４サイクルオットー機関の位相を識別するための装置において、
    クランク軸の回転のもとでピストンの順次連続する上死点の範囲において一次電圧若しくは二次電圧又は一次電流若しくは二次電流を、それぞれ１つの測定期間にて測定しかつ当該測定信号を送出するための 測定装置（１２，１３，Ｒ１，Ｒ２）を有し、前記測定期間は点火の後で少なくとも燃焼機関（ｔ−ＢＲ−Ｚ−ＯＴ，ｔ−ＢＲ−ＬＷ−ＯＴ）に亘って延在するものであり、
    さらに前記測定装置の測定信号の受入れと燃焼期間信号（ｔ−ＢＲ１，ｔ−ＢＲ２）の送出のための評価装置（１６；１８）と、
    前記評価装置の燃焼期間信号を比較する比較装置とを有していることを特徴とする装置。
13. 前記測定装置は、二次電流によって誘起された一次電圧（Ｕ１）を測定するための一次電圧測定装置（１２，１３，Ｒ１，Ｒ２）である、請求項１２記載の装置。
14. 前記測定装置は、比較手段、有利には演算増幅器（１２）又はコンパレータを有し、該比較手段の入力側は、電圧設定手段、有利には基準電圧回路（１３）および分圧回路（Ｒ１，Ｒ２）を介して点火コイル（２）の一次巻線端子に接続されている、請求項１２記載の装置。
15. 前記測定装置は、二次電流測定装置であり、該測定装置は、二次電流回路（６）内で点火コイル（２）の二次巻線と点火プラグ（８）に直列に接続されている抵抗（ＲＭ）を有しており、この場合評価装置（１８）が前記測定抵抗（ＲＭ）にて降下する二次電圧（Ｕ２）を測定信号として受入れる、請求項１４記載の装置。
16. 前記評価装置（１６，１８）は、測定装置（１２，１３，Ｒ１，Ｒ２；ＲＭ）の測定信号と点火トランジスタ（３）の駆動制御信号（ａ）を受入れ、燃焼期間信号（ｔ−ＢＲ１，ｔ−ＢＲ２）に依存して比較装置に送出する、請求項１２から１５いずれか１項記載の装置。
17. 比較装置が、後続する測定の燃焼期間信号との比較のための測定の少なくとも１つの燃焼期間信号（ｔ−ＢＲ１，ｔ−ＢＲ２）の中間記憶のための記憶装置を有している、請求項１６記載の装置。

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