JP2006105147A - 内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関のガス交換弁のための制御時間が高い信頼性を以って確定できる、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法及び装置を提供する。
【解決手段】 燃焼室圧力（ｐ）の変化が測定される、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法において、前記燃焼室圧力の変化（ｐ（ｉ））と燃焼室容積の変化（Ｖ（ｉ））から、状態関数（Ｋ（ｉ））が計算され、状態関数（Ｋ（ｉ））の評価によって前記ガス交換弁の制御時間が求められる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法、及び該方法を実施するための装置に関する。

最適のエンジン作動を可能にするために、弁の制御の正確な監視が必要である。その正確な監視のためにはとりわけ、ガス交換弁の制御時間に関する、即ち、クランクシャフトの位置に関連させた吸気弁或いは排気弁の開弁時期及び閉弁時期に関する、正確な知識が必要である。クランクシャフト角度に対する開弁時期の変化、或いは追加としてクランクシャフト角度に対する開弁断面積の変化を含むシステムがますます多く採用されるようになって来ている。その際、上記の変化を実現するために、弁に対するカムの直接の機械的結合はなくなり、様々な種類のアクチュエータがカムシャフトを弁運動から切離すようになっている。その典型的な代表例が、可変カムシャフトタイミングアジャスタ或いはフル可変弁タイミングアジャスタである。

ガス交換弁のクランクシャフト角度から切離された運動に基づいて、少なくとも弁制御時間の監視を可能にする方法が必要となる。従来技術において、例えばダイレクト信号発生器を介してガス交換弁のストローク或いは角度を決定する方法が知られている。別の方法によれば、空気量及び回転数、或いは燃焼室圧力を評価することによって、弁の開きを決定することが目指されている。

ダイレクト信号発生器は高価であり、また熱的及び機械的負荷によって故障し易い。他のパラメータを必要とする方法は、エラー診断を避けるために、内燃機関の全ての運転ポイントに合わせて入念に適合されなければならない。それ等の方法は、正に間接的な特性の故に、測定値の注意深い解釈が必要となる。

ＤＥ １９７ ４１ ８２０ Ａ１ には、燃焼室圧力の変化を分析する方法が開示されている。勾配法によって、特定の弁位置に対応する特性曲線上のポイントが決定される。その際、ガス交換弁の開弁或いは閉弁は圧力勾配の急速な変化によって表され、容積による圧力の二次導関数の符号の交替によって判定される。

ＤＥ １０３ ０６ ９０３ Ａ１ には、理論的に計算された燃焼室圧力の変化を、実際に測定された圧力変化と比較する方法が開示されている。二つの圧力変化の間の偏倚から排気弁の開弁時期が推定される。理論的曲線は、ポリトロープ膨張という仮定の下に計算され、その際、実際の測定曲線における二つの基準ポイントと既知の燃焼室形状とに基づいて、ポリトロープ指数が求められる。

シリンダ圧力を利用するこの方法はシリンダ内での燃焼を直接利用することを特徴としている。しかしながら、不可避的な信号雑音が勾配の形成と高次導関数とによって強化され、またこれによって閾値の確定を困難にする。全体として信号の変動中の小さな変化が対象となり、数値評価のあらゆる問題を伴っている。更に、エンジンの全ての運転ポイントに対する入念な適合が再び必要になるということも欠点となる。

本発明の課題は、内燃機関のガス交換弁のための制御時間が高い信頼性を以って確定できる、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法及び装置を提供する。

本発明によれば、燃焼室圧力の変化が測定される、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法において、前記燃焼室圧力の変化と燃焼室容積の変化から、状態関数が計算され、状態関数の評価によって前記ガス交換弁の制御時間が求められる。

また、本発明によれば、燃焼室圧力の変化を測定する手段を備えた、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する装置は、測定された燃焼室圧力の変化と燃焼室容積の変化とから、状態関数を計算する計算手段と、状態関数に基づいて、前記ガス交換弁の制御時間を求める評価手段と、を備えている。

本発明に基づく方法は、それに対して、燃焼室圧力の変化と燃焼室容積の変化から状態関数が計算され、且つこの状態関数の評価によって弁制御時間が求められ、これによって、燃焼室圧力の直接評価に比べて、状態関数ではガス交換弁の開閉が状態関数の大きな変化をもたらすので、弁制御時間が高い信頼性を以って確定できるという利点を持っている。

また、本発明によれば、さらに有利な拡張及び改良が可能となる。
本発明によれば、ポリトロープ指数がその時の運転様態に応じて選択されることが提案されている。その時の運転様態についてのポリトロープ指数は本質的に変化しないので、特定の運転様態についてそれぞれ一つのポリトロープ指数を保存して置き、状態関数の計算の際に選択すれば有利である。

別の一つの変更例によれば、ポリトロープ指数が、測定された燃焼室圧力とポリトロープ領域内の該燃焼圧力に対応する燃焼室容積の、少なくとも二つの基準箇所とから求められる、ということが提案されている。この手法は、ポリトロープ指数を内燃機関のそれぞれ実際の状態に適合させることができるという利点を持っている。

本発明によれば、第一のステップでは、関連するクランクシャフト角度領域について燃焼室圧力の時間的変化が測定され、第二のステップでは状態関数が求められ、第三のステップでは、ガス交換弁の開閉時期を表している有意なポイントが求められ、且つ最後に第四のステップでは、それ等の有意なポイントが許容間隔内にあるか否かということがチェックされるということが提案されている。このようにすることによって、ガス交換弁の機能を有利な手法でチェックすることができる。特に、対応するガス交換弁の開閉時期が求められないか或いは該開閉時期が許容間隔外にある場合には、エラー反応を生じさせることができる。

更に、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する装置には、燃焼室圧力の動きの測定のための手段が備えられ、計算手段が測定された燃焼室圧力の変化と燃焼室容積の変化から状態関数を計算し、また評価手段が状態関数に基づいて弁制御時期を求めるようにすると有利である。

本発明の基礎となっているのは、シリンダ圧力ｐとシリンダ容積Ｖとの間の関係が、次の状態方程式によって与えられるという事実である。

ここで指標ｉはクランクシャフト角度を表している。この関係は、ガス量がシリンダ内に閉じ込められていて燃焼によるエネルギー変換が行われていない作動行程の段階の間、即ち燃焼開始前の圧縮段階と燃焼後の膨張段階の間に有効となる。指数ｎは、本質的にシリンダ内のガスとガスから環境への熱伝達とに依存している。定数Ｋは未知であり、従って計算は少なくとも二つの値対ｐ_１、Ｖ_１とｐ_２、Ｖ_２が分かっている時にのみ行うことができる。運転様態に応じて、様々な、但し既知のｎの値が生じる。例えば、燃料／空気混合気の圧縮の際のポリトロープ指数ｎは、およそ１．３２であり、純粋の空気の圧縮の際には、ｎは、およそ１．３７である。そこまではポリトロープ指数ｎは、直接測定データから計算されることはなく、実際の運転様態に合わせて選択される。

図1には、クランクシャフトＫＷが、０゜から７２０゜までの間にある時の作動行程の際の代表的な燃焼室圧力の変化１０が破線で示されている。３６０゜の上死点ＺＯＴのおよそ９０゜手前で、燃焼室圧力ｐが上昇し始めている。上死点で行われる点火の結果、燃焼室圧力が燃焼によって更に大きく上昇し、次いで膨張段階での最大値に到達した後再び下降する。図示されている例では、排気弁はクランクシャフト角度ＫＷがおよそ５００゜で開弁するが、このことは、燃焼室圧力の変化１０の急激な圧力降下によって知ることができる。

既に冒頭で述べられたように、背景技術から知られている多くの方法は、様々な手法、特に勾配法によって、排気弁の開弁と結び付けることのできる重要な曲線部分を求めることを目指している。

本発明によれば、求められた燃焼室圧力の変化１０と原理的にあらゆるクランクシャフト角度ＫＷについて知られている燃焼室容積Ｖ（ｉ）とに基づいて、次の状態関数２０を計算するということが提案される。

原理的に言えば、この関数は、冒頭で述べられたポリトロープ状態方程式に等しい。括弧の中に入れられている指標ｉは、ここではｉが関数パラメータと見なされているということを意味しているに過ぎない。本例では、ｉはクランクシャフト角度ＫＷに対応している。時間的基準系の方が好ましい場合には、ｉはまた、そのまま時間ｔに置き換えることもできる。

しかしながら、本発明に基づく状態関数２０は、この状態関数２０が当業者にとっては驚く様な手法で非ポリトロープ領域或いは状態についても定められるので、既知のポリトロープ状態方程式を越えている。ポリトロープ状態方程式の有効性は、確かにポリトロープ領域の外では最早得られないけれども、正にポリトロープ領域から非ポリトロープ領域への移行によって状態関数に大きな変化が生じる。

ポリトロープ状態方程式の基礎は、環境との間の熱交換は許されているものの、システム全体が閉じていると見なされるということにある。システムが最早閉じているといえなくなるや否や、例えば、燃焼の間、或いは特にガス交換弁の開閉の際に、ポリトロープ領域は離脱される。この現象は、状態方程式の中に大きく反映され、燃焼の開始と終了、並びにガス交換弁の開閉を特定することを可能にする。

ポリトロープ領域は、図１においては、本質的にクランクシャフト角度ＫＷ１８０゜から３６０゜までの間及び４００゜から５００゜までの間のほゞ一定の区間の中に認められる。最初の一定の区間４０は、クランクシャフト角度ＫＷがおよそ１８０゜の時のポイントＡにおける吸気弁の実際の閉弁と共に始まり、ＫＷがおよそ３６０゜の時の燃焼の開始を以って終了する。

第二の一定の区間５０は、クランクシャフト角度ＫＷがおよそ４００゜の時の燃焼の終了と共に始まり、ＫＷがおよそ５００゜の時のポイントＢにおける排気弁の開弁を以って終了する。

ポリトロープ領域の開始点或いは終了点としてのポイントＡ及びＢは、かくしてガス交換弁の制御時点と見なされ、既知の評価方法によって、例えばクランクシャフト角度による或いは時間による一次或いは二次の導関数の形成によって、何の問題もなく求められる。ポイントＡ及びＢは、極値或いは符号の変化を観察することによって認識することができる。燃焼室圧力信号の避けることのできない雑音自体を、その後の処理や評価のために抑制するには、周波数範囲について帯域制限されたアルゴリズムが備えられることが好ましい。

図２には、例として、ガス交換弁の監視のための可能な流れ図が示されている。第一のステップ１００では、関連するクランクシャフト角度領域について燃焼室圧力の変化が測定される。このために第一のステップ１００には更に、サブステップ１１０、１２０、１３０、１４０が備えられている。ステップ１１０では、測定サイクルがスタートされ、次のステップ１２０では、実際のクランクシャフト角度の時にシリンダ圧力ｐが測定される。この圧力の値がステップ１３０で記憶される。次いでステップ１４０では、測定サイクルの終わりに到達したか否かがチェックされる。未だ終わりに到達していない場合（ＮＯ）には、ステップ１４０は改めてステップ１２０へ分岐され、これによって新しい測定サイクルがスタートされる。測定サイクルが終了している場合（ＹＥＳ）には、第二のステップ２００で今や測定されている燃焼室圧力ｐの変化とそれに対応する燃焼室容積Ｖの変化から、その時の運転条件を考慮しつつ、状態関数Ｋ（ｉ）が定められる。

その後に続く第三のステップ３００では、状態関数Ｋ（ｉ）の評価によって制御時間Ａ及びＢが求められる。
第四のステップ４００では、求められた制御時間Ａ及びＢがそれぞれ許された間隔内に収まっているか否かがチェックされる。例えば、内燃機関の或いはガス交換弁の機能が申し分ない場合には、制御時間Ａ及びＢはクランクシャフト角度１５０゜から１９０゜までの間のクランクシャフト角度間隔の間に収まるべきであるということを想定することができる。許容間隔の外にある制御時間が求められた場合には、ステップ５００でエラーが報告され、又場合によっては更に、エラー反応が導入される。特に、求められた制御時間Ａ及びＢに基づいて、ガス交換弁の制御時間を変えるために、ガス交換弁の制御装置に対する操作が行われる。

許容範囲を越える制御時間の偏差に関する情報はまた、表示のための適当な補助手段を通じて、例えば診断表示として、表示することもできる。
その際には、通常、診断の信頼性を高めるために、適当な回数の範囲オーバーが発生するまで待機される。

さらに、弁の制御或いは調節のための上記の情報は、制御システムの中での変化（例えば、油圧システムの場合の粘度の変化）を補正するために、利用することができる。次いで、部分Ａ及びＢから確定されたクランクシャフト角度は、吸気弁及び排気弁の制御のための閉制御回路のための実際値となる。

代表的な燃焼室圧力の変化（クランクシャフトＫＷ゜＝０゜〜７２０゜）を示す。 本発明による、ガス交換弁の監視のための可能な流れ図である。

符号の説明

１０…燃焼室圧力の変化
２０…状態関数
４０…最初の一定の区間
５０…第二の一定の区間
Ａ…吸気弁の閉弁時期
Ｂ…排気弁の開弁時期

Claims (5)

1. 燃焼室圧力（ｐ）の変化が測定される、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法において、
   前記燃焼室圧力の変化（ｐ（ｉ））と燃焼室容積の変化（Ｖ（ｉ））から、状態関数（Ｋ（ｉ））が計算されること、及び
   状態関数（Ｋ（ｉ））の評価によって前記ガス交換弁の制御時間が求められること、
   を特徴とする内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する方法。
2. ポリトロープ指数（ｎ）が、その時の運転様態に合わせて選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ポリトロープ指数（ｎ）が、測定された燃焼室圧力の少なくとも二つの支持箇所と、それに対応する、ポリトロープ領域内の燃焼室容積とから求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 第一のステップで、関連するクランクシャフト角度領域（ｉ）について燃焼室圧力（ｐ）の変化が測定されること、
   第二のステップで、前記状態関数が定められること、
   第三のステップで、ガス交換弁の開閉時期をあらわすポイント（Ａ、Ｂ）が求められること、及び
   第四のステップで、前記ポイント（Ａ、Ｂ）が許された間隔内に収まっているか否かがチェックされること、
   を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 燃焼室圧力の変化を測定する手段を備えた、内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する装置において、
   測定された燃焼室圧力の変化（ｐ（ｉ））と燃焼室容積の変化（Ｖ（ｉ））とから、状態関数（Ｋ（ｉ））を計算する計算手段と、
   状態関数（Ｋ（ｉ））に基づいて、前記ガス交換弁の制御時間を求める評価手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のガス交換弁のための制御時間を測定する装置。

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