JP2006126196A - センサ・エレメントの評価方法および装置 - Google Patents

センサ・エレメントの評価方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】追加温度センサを使用することなく、特にセンサ・エレメントの温度従属性の考慮を可能にする、センサ・エレメントの評価方法および装置を提供する。
【解決手段】測定変数の関数として信号を出力するセンサ・エレメント（１）の評価方法において、測定変数を測定するために、センサ・エレメント（１）の信号が、第１の評価作動モードにおいて評価され、また測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するために、センサ・エレメント（１）の信号が、第２の評価作動モードにおいて評価される。
【選択図】図６

Description

本発明は、センサ・エレメントの評価方法および装置に関するものである。
センサ・エレメントが測定変数の関数として信号を出力する、センサ・エレメントの評価方法および装置は既知である。
即ち、内燃機関の制御のために、燃焼室圧力の決定は、しばしば推奨される、既存の測定変数の補足態様である。多数の文献が燃焼室圧力の技術的測定方法を開示している。
ここで、圧電原理に基づいて作動する測定エレメント、即ちセンサ・エレメントが特に注目されている。例えば水晶またはセラミック焼結材料のような適切な材料が燃焼室圧力に曝される。材料は、例えばディスクとして適切なハウジング内に組み込まれ且つ燃焼室圧力センサとして既知のようにシリンダ・ヘッド内に装着される。さらに、既存の構成要素、例えば点火プラグまたは加熱プラグ内に組み込むことが既知である。燃焼室圧力に曝されるセンサ・エレメント材料内に圧力に比例する電荷が発生し、電荷は適切な電子回路、例えば電荷増幅器またはインピーダンス変成器により電圧信号に変換される。この電圧は、エンジン制御装置内において後続処理され且つエンジンの種々の操作および制御に使用される。この場合、クランク軸角度に同期して、例えば１°のクランク軸角度解像度で、エンジンないし内燃機関の各シリンダの燃焼室圧力の走査が通常行われる。
測定エレメントないしセンサ・エレメントに対して、例えばセラミック焼結材料のような圧電セラミック材料が使用された場合、この材料は、比較的高い感度を有することを特徴とし、即ち、圧電セラミック材料は、同じ圧力において水晶よりもより多くの電荷を発生する。この場合、このような圧電セラミック材料においては、感度が著しく温度に従属することが本質的な欠点である。したがって、以後の信号処理において温度による誤差の適切な補償を実行可能にするために、センサ・エレメントの温度を決定することが有利であろう。
既知の解決方法は、以下において燃焼室圧力センサとも呼ばれる、燃焼室圧力を測定するためのセンサ・エレメントの近くに温度センサを装着することである。代替態様として、温度による誤差が容量的電荷分割器により補償されてもよく、この場合、容量的電荷分割器の対応のコンデンサは、燃焼室圧力センサと同じ温度を有していなければならない。これが、「Ａ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ著、圧電セラミック・センサの温度補償、Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋｉｎｄｕｓｔｒｉｅ、１９８８年１２月号」に記載されている。２つの前記方法においては、本来制限された燃焼室圧力センサの構造空間内に追加の構成要素をさらに装着する必要性が問題である。
本発明の課題は、追加温度センサを使用することなく、特にセンサ・エレメントの温度従属性の考慮を可能にする、センサ・エレメントの評価方法および装置を提供することである。
本発明によれば、測定変数の関数として信号を出力するセンサ・エレメントの評価方法において、測定変数を測定するために、センサ・エレメントの信号が、第１の評価作動モードにおいて評価され、また、測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するために、センサ・エレメント（１）の信号が第２の評価作動モードにおいて評価される。
また、本発明によれば、測定変数の関数として信号を出力するセンサ・エレメントの評価装置は、測定変数を測定するために、第１の評価作動モードにおいてセンサ・エレメント信号を評価する第１の評価手段と、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するために、第２の評価作動モードにおいてセンサ・エレメント信号を評価する第２の評価手段と、を備えている。
本発明による評価方法および本発明による評価装置は、従来技術に比較して、測定変数を測定するために、センサ・エレメント信号が第１の評価作動モードにおいて評価され、また測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するために、センサ・エレメント信号が第２の評価作動モードにおいて評価されるという利点を有している。このようにして、センサ・エレメント信号から、測定変数のみならず、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を導くことが可能である。したがって、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するために別のセンサは必要ではなく、同様に従来技術から既知の補償回路も必要ではない。これにより、センサ・エレメント信号の機能性が向上される。
本発明はさらに、有利な改良および改善が可能である。
少なくとも１つの制御変数の関数として、両方の評価作動モード間において切換が行われるとき、それは特に有利である。このようにして、センサ・エレメント信号が、第１の評価作動モードにおいて、または第２の評価作動モードにおいて評価されるが、両方の評価作動モードにおいて同時に評価されないことが保証される。これにより、評価作動モードは、少なくとも１つの制御変数の関数としてさらに定義可能であり、したがって、例えばそれぞれ適切な運転条件のもとで設定可能である。
センサ・エレメントとして、内燃機関の燃焼室圧力を測定するための燃焼室圧力センサが選択されるとき、それは特に有利である。このようにして、燃焼室圧力センサ信号から、第１の評価作動モードにおいて燃焼室圧力が、また第２の評価作動モードにおいて燃焼室圧力センサの温度が測定可能であるので、圧力センサ付近における追加温度センサも、容量的電荷分割器を有する温度影響補償も必要ではない。
センサ・エレメントを内燃機関の燃焼室圧力センサとして形成する場合、制御変数として、内燃機関のクランク軸角度が選択されることが推奨され、これによりクランク軸角度の関数である内燃機関の異なる運転状態が、特に簡単且つ確実に、両方の評価作動モードのそれぞれ１つに割り当て可能であり、したがって、それぞれの評価作動モードは、内燃機関に関連する運転状態の関数として、クランク軸角度によっても作動可能である。
内燃機関シリンダに対する、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するための第２の評価作動モードが、シリンダの少なくとも１つの排気行程の間に設定されるとき、他の利点が得られる。排気行程の間においては燃焼室圧力の決定ないし一般的には燃焼特徴の決定は意味がないので、シリンダのこの作業行程は、測定変数の評価に対して不利な影響を与えることなく、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するために利用可能である。さらに、測定変数とは異なる、センサ・エレメントの特性変数を測定するための第２の評価作動モードの設定頻度が、特性変数の変化速度の関数として選択されるとき、それは有利である。このようにして、第２の評価作動モードの設定を最小に低減可能である。特性変数の変化速度が少なければ少ないほど、特性変数に対する値を求めるための特性変数の測定は、それだけより少なく更新ないし反復されるだけでよい。
特にセンサ・エレメントを燃焼室圧力センサとして形成することに関して、センサ・エレメントの特性変数として、温度または容量が評価されるとき、それは有利である。
この場合、温度または容量を測定するために、センサ・エレメントが、特に簡単且つ少ない費用で、センサ・エレメントの容量のみの関数としての周波数を発生する振動回路、特に非安定マルチバイブレータに含まれてもよい。このようにして、センサ・エレメントの容量が、特に簡単且つ確実に決定可能である。
さらに、測定変数を測定するために、センサ・エレメントが、インピーダンス変成回路または電荷増幅回路内に含まれるとき、それは有利である。即ち、一方の電荷増幅回路ないしインピーダンス変成回路と、他方の振動回路との間には回路技術的に共通性があるので、最小回路費用で、第１の評価作動モードのみならず第２の評価作動モードもまた形成可能である。
本発明の一実施例が図面に示され、および以下にこれを詳細に説明する。
図６において、符号５は、例えば車両を駆動する内燃機関を示す。この場合、内燃機関５は、例えばオットー・サイクル・エンジンとして、またはディーゼル・エンジンとして形成されていてもよい。以下においては、例として、内燃機関５は、オットー・サイクル・エンジンとして形成されているものと仮定される。この場合、オットー・サイクル・エンジン５は、１つまたは複数のシリンダを含む。例として、図６においてはこれらのシリンダの１つが示され、それが符号１０で示されている。シリンダ１０の燃焼室３５に、給気系４５および吸気弁５０を介してフレッシュ・エアが供給可能である。この場合、吸気弁５０は、例えば制御ユニット７５により操作されていてもよい。噴射弁６５を介して燃焼室３５に直接燃料が供給される。ここで、噴射弁６５は、希望燃料噴射量および希望燃料噴射時期を達成するために、同様に制御ユニット７５により操作されている。燃焼室３５内においてこのように形成された空気／燃料混合物は点火プラグ７０により点火され、点火プラグ７０もまた同様に、例えば適切な点火時期を設定するために制御ユニット７５により操作されている。燃焼室３５内における空気／燃料混合物の燃焼において放出されたエネルギーによりシリンダ１０のピストン４０が動かされ、ピストン４０は、図６には示されていないクランク軸を駆動する。空気／燃料混合物の燃焼において形成された排気ガスは、排気弁６０を介して排気系５５内に排出され、この場合、排気弁６０もまた同様に、例えば図６に示すように制御ユニット７５により操作される。さらに、制御ユニット７５は、図６には示されていない、給気系４５内の調節要素、例えば絞り弁の操作により希望給気量を設定してもよい。燃料噴射は、図６に示されているように燃焼室３５内に直接行われる代わりに、絞り弁の下流側または絞り弁の上流側において給気系４５内に行われてもよい。さらにセンサ・エレメント１が設けられ、センサ・エレメント１は、この例においては燃焼室圧力センサとして形成されている。この場合、燃焼室圧力センサ１は、当業者に既知のように、シリンダ・ヘッド内またはシリンダ１０の燃焼室３５内に装着されていてもよい。代替態様として、燃焼室圧力センサ１は、既存の構成要素内に組み込まれてもよい。図６に示す例においては、燃焼室圧力センサ１は、点火プラグ７０上ないしは点火プラグ７０内の、しかも点火プラグ７０の燃焼室側領域内に配置ないし組み込まれている。ディーゼル・エンジンの場合、燃焼室圧力センサ１は、例えばディーゼル・エンジン燃焼室内の加熱プラグ上に配置されていても、またはこの加熱プラグ内に組み込まれていてもよい。代替態様として、燃焼室圧力センサ１は、当業者に既知のように、燃焼室の外部に配置されていてもよい。燃焼室圧力センサ１は、燃焼室圧力の関数として、前記のように、例えば燃焼室圧力に比例する電荷の形の信号を形成する。このために、燃焼室圧力センサ１は、例えば圧電原理に基づいて上記のように形成され、水晶またはセラミック焼結材料を、適切なハウジング内に、例えばディスクの形で組み込んでいてもよい。以下においては、例として、燃焼室圧力センサ１は、圧電原理に基づいて形成され且つ圧電セラミック焼結材料からなるディスクを適切なハウジング内に含むことが前提さとれるべきである。
燃焼室圧力センサ１の圧電セラミック材料内に燃焼室圧力に比例する電荷が発生し、電荷は、以後燃焼室圧力センサ信号とも呼ばれる。この電荷ないしこの信号は、適切な電子回路、例えば図２に示す電荷増幅回路または図３に示すインピーダンス変成回路により電圧信号に変換可能である。この電圧は、制御ユニット７５において後続処理され且つ内燃機関５の種々の操作および制御に使用可能である。このようにして、燃焼室圧力センサ信号は、燃焼室圧力を測定変数として測定するために、燃焼室圧力に比例する、燃焼室圧力センサ１の圧電セラミック材料の電荷を電圧信号に変換することにより評価される。
ここで、図２に、例として電荷増幅回路が示され、この回路は燃焼室圧力センサ１を除いて制御ユニット７５内に組み込まれていてもよい。代替態様として、図２に示す電荷増幅回路２５は、空間的に燃焼室圧力センサ１の近くに、例えば同じハウジング内に装着されていてもよい。図２に示す電荷増幅回路２５は、演算増幅器ＯＰを含み、演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は基準電位と、図２に示す例においてはアースと結合されている。演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、燃焼室圧力センサ１の一方の端子と結合され、燃焼室圧力センサ１の他方の端子は同様に基準電位と結合されている。さらに、演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、第１のコンデンサＣ０および第１のオーム抵抗Ｒ０からなる並列回路を介して、演算増幅器ＯＰの出力端子と結合されている。第１の容量Ｃ０および第１の抵抗Ｒ０は電荷増幅回路２５の負帰還内に存在する。このとき、演算増幅器ＯＰの出力端子と基準電位との間の電位差は、燃焼室圧力センサ１の圧電セラミック材料の電荷から変換された電圧信号であり且つ以下において信号電圧ｕＭと呼ばれる。
代替態様として、信号電圧ｕＭは、燃焼室圧力センサ１の圧電セラミック材料の電荷からインピーダンス変成回路により変換されてもよい。図３はこのようなインピーダンス変成回路に対する一例を示し、インピーダンス変成回路は、図２に示す電荷増幅回路と同様に燃焼室圧力センサ１を除いて制御ユニット７５内に組み込まれていてもよく、または代替態様として、空間的に燃焼室圧力センサ１の近くに、例えば燃焼室圧力センサ１と同じハウジング内に配置されていてもよい。図３の例に示すインピーダンス変成回路２０も同様に演算増幅器ＯＰを含み、演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は燃焼室圧力センサ１の一方の端子と結合され、燃焼室圧力センサ１の他方の端子は基準電位と、この例においてはアースと結合されている。演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、演算増幅器ＯＰの出力端子と結合されている。このとき、演算増幅器ＯＰの出力端子と基準電位との間に信号電圧ｕＭが発生する。図３のインピーダンス変成回路２０は、例えばいわゆる電位計増幅器の特殊ケースとして増幅率１を有していてもよい。
図２の電荷増幅回路のみならず、図３のインピーダンス変成回路によってもまた、圧電セラミック材料の電荷により形成される、燃焼室圧力センサ１におけるセンサ電圧ｕＳは、センサ信号として、演算増幅器ＯＰの出力端子における信号電圧ｕＭに増幅ないし変換可能である。
上記のように、前記圧電セラミック材料は比較的高い感度を特徴とし、即ち、圧電セラミック材料は、同じ燃焼室圧力において、水晶を使用した場合よりもより多くの電荷を発生する。この場合、上記のように、圧電セラミック材料においては、感度が著しく温度に従属することが本質的な欠点である。
ここで、本発明により、信号電圧ｕＭを測定するための上記第１の評価作動モードのほかに第２の評価作動モードが設けられ、第２の評価作動モードにおいて、測定変数、即ちこの例においては燃焼室圧力ないし信号電圧ｕＭとは異なる、燃焼室圧力センサ１の特性変数が評価される。燃焼室圧力センサ１のこの特性変数は、例えば燃焼室圧力センサ１の温度または容量であってもよい。燃焼室圧力センサ１の容量と温度との間にはある関係が成立し、この関係は、例えば試験台上において決定された特性曲線として記憶されていてもよい。したがって、燃焼室圧力センサ１の容量から燃焼室圧力センサ１の温度が推測可能である。例えば、同様に試験台上において決定された特性曲線が、燃焼室圧力センサ１の感度と燃焼室圧力センサ１の温度との間の関係を示してもよい。燃焼室圧力センサ１の実際感度の関数として、このとき、信号電圧ｕＭは、燃焼室圧力に対する特性変数として補正されてもよい。したがって、この補正は、燃焼室圧力センサ１の容量がわかっているとき、２つの上記特性曲線により実行可能である。ここで、図１ａは演算増幅器ＯＰを有する回路装置を示し、この回路装置により、容量が周波数測定によって間接的に決定可能である。図１ａの回路装置は、例えば方形振動を発生する振動回路であり、方形振動の周波数は、回路装置のオーム抵抗が固定値のとき、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳのみの関数にすぎない。この振動回路は、例えば非安定マルチバイブレータであってもよい。非安定マルチバイブレータは、図１ａにおいて符号１５で示されている。さらに、燃焼室圧力センサ１は、温度の関数としての値を有する燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳとみなされ、且つ非安定マルチバイブレータ１５の振動回路内に使用される。このような非安定マルチバイブレータは、例えば、「Ｈｏｒｓｔ Ｗｕｐｐｅｒ著、演算増幅器を用いた専門回路技術、Ｆｒａｎｚｉｓ出版社、１９９４年」から既知である。図１ａに示すように、非安定マルチバイブレータ１５もまた同様に演算増幅器ＯＰを含み、演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの一方の端子と結合されている。燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの他方の端子は基準電位と、この例においてはアースと結合されている。第１のオーム抵抗Ｒ０は、反転入力端子を演算増幅器ＯＰの出力端子と結合している。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は、第２のオーム抵抗Ｒ１を介して演算増幅器ＯＰの出力端子と、また第３のオーム抵抗Ｒ２を介して基準電位と結合されている。演算増幅器ＯＰの出力端子と基準電位との間の電圧が図１ａにおいてｕ０で示されている。演算増幅器ＯＰの反転入力端子から基準電位への電圧は、図１ａにおいてｕＣで示され、且つこの電圧ｕＣは、図２および図３に示すセンサ電圧ｕＳに対応する。
図１ｂは、時間ｔに対する電圧ｕ（ｔ）の経過を示す線図である。この場合、図１ｂの線図内に、一方で電圧ｕ０が示され、他方で電圧ｕＣが示されている。電圧ｕ０は、値ｕ０１と値−ｕ０１との間に周期Ｔを有する方形振動を形成する。電圧ｕＣもまた同じ周期で振動し、この場合、容量ＣＳを有するコンデンサは、演算増幅器ＯＰの出力電圧ｕ０が値ｕ０１をとったときに充電され、逆の場合に放電される。周期Ｔの測定から、その逆数を求めることにより、出力電圧ｕ０の方形振動の周波数が形成可能である。この場合、周期は、例えば制御ユニット７５のマイクロ・プロセッサ内のカウンタにより決定されてもよい。当業者に既知のように、このとき、周波数ないし周期Ｔおよび所定の固定オーム抵抗Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２から、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳが決定可能である。したがって、非安定マルチバイブレータの出力電圧ｕ０の方形振動周波数は、所定の固定オーム抵抗Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２において、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳのみの関数である。ここで、一方で信号電圧ｕＭを測定するために、燃焼室圧力センサ信号が第１の評価作動モードにおいて評価され、他方で燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを測定するために第２の評価作動モードにおいて評価されたとき、例えば、第１の評価作動モードに対して、信号電圧ｕＭを測定するために、燃焼室圧力センサ信号、即ちセンサ電圧ｕＳが、図２の電荷増幅回路ないし図３のインピーダンス変成回路により変換されることによって実行可能である。次に、第２の作動モードに対して、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを決定するために、燃焼室圧力センサ信号、即ちセンサ電圧ｕＳに対応する、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳにおける電圧ｕＣが図１の非安定マルチバイブレータにより評価可能である。両方の評価作動モード間の切換は、例えば制御変数の関数として行われてもよい。この場合、制御変数として、例えば内燃機関５のクランク軸角度ＫＷが選択されてもよい。これは、クランク軸角度ＫＷの第１の範囲に対して第１の評価作動モードが実行され、且つクランク軸角度ＫＷの第２の範囲に対して第２の評価作動モードが実行されることを意味する。
この場合、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを測定するための第２の評価作動モードがシリンダ１０の少なくとも１つの排気行程の間に実行可能であることが有利である。即ち、シリンダ１０の排気行程の過程において、燃焼特徴の決定および特に燃焼室圧力の測定は意味がないか、ないしは重要ではないので、この過程においては、燃焼室圧力の評価に不利な影響を与えることなく、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを測定するための第２の評価作動モードが実行可能である。この場合、第２の評価作動モード、したがって図１ａの回路装置に示す振動作動への切換は、シリンダの各作動行程、ここではこのシリンダの排気行程において行うことが可能である。代替態様として、第２の評価作動モードへの切換は、各ｎ番目の作業行程、ここではシリンダ１０の排気行程においてのみ行われてもよい。このために、圧電の燃焼室圧力センサ１の熱特性が調査されてもよく、およびその時定数の関数として、即ち燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの時間に関する変化速度の関数として第２の評価作動モードへの切換に対する適切な頻度が決定され、且つ好ましくは制御ユニット７５内においてプログラミングされる。燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの時間に対する変化速度が小さければ小さいほど、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを測定するための第２の評価作動モードへの切換の必要性はより少なくなる。この場合、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの変化速度は、例えば内燃機関５の運転点の関数であることがある。したがって、切換頻度、即ち数値ｎは、内燃機関５の運転点の関数として選択されてもよい。この場合、例えば、試験台上において、エンジンの種々の運転点に対してそれぞれ、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの時間に対する変化速度が決定され、且つ特性曲線に記憶されてもよく、この場合も同様に、個々の変化速度にそれぞれ、例えば同様に試験台上において適切に決定されてもよい他の特性曲線内に、第２の評価作動モードに切り換えるための切換頻度が割り当てられている。したがって、これらの２つの特性曲線により、内燃機関５の運転点から、第２の評価作動モードに切り換えるために必要な切換頻度を推測可能である。この場合、一般的に、切換頻度は、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの変化速度が小さければ小さいほどそれだけより小さく設定可能であることが適用される。
両方の評価作動モード間の切換は、両方の評価作動モードを実行するためのただ１つの回路が設計されることにより、特に簡単且つ少ない費用で実行可能である。このような回路が図４に示されている。この回路装置は、センサ・エレメント評価装置３０で示され、且つ既に存在する、センサ信号ｕＳを評価するための回路の拡張、および信号電圧ｕＭへのその変換を示し、信号電圧ｕＭは、制御ユニット７５において後続処理される。この場合、図４の評価装置３０は図２の電荷増幅回路に基づいている。ここで、演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、燃焼室圧力センサ１を介して基準電位と、この例においてはアースと結合されている。燃焼室圧力センサ１における降下電圧は、図４においてもセンサ電圧としてｕＳにより表わされている。演算増幅器ＯＰの反転入力端子は、第１のオーム抵抗Ｒ０を介して演算増幅器ＯＰの出力端子と結合されている。容量Ｃ０が第２のスイッチＳ２を介して第１のオーム抵抗Ｒ０に並列に接続可能である。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は、第２のオーム抵抗Ｒ１を介して演算増幅器ＯＰの出力端子と結合されている。さらに、演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は、第３のオーム抵抗Ｒ２を介して基準電位と結合されている。演算増幅器ＯＰの非反転入力端子は、さらに、第１のスイッチＳ１を介して基準電位と結合可能である。演算増幅器ＯＰの出力端子と基準電位との間の電圧は、投入された評価作動モードに応じてそれぞれ、非安定マルチバイブレータ１５の出力電圧ｕ０または電荷増幅回路２５の信号電圧ｕＭである。ここで、２つのスイッチＳ１およびＳ２により、増幅回路、この場合演算増幅器ＯＰを、他の構成要素Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ０により、装置が図１ａの非安定マルチバイブレータによる発振器として、または図２に示す電荷増幅器として作動するように修正することが可能である。この場合、第１のオーム抵抗Ｒ０は、それが評価装置３０の作動方式に対して電荷増幅回路として利用可能なように選択されている。この場合、電荷増幅回路の下限周波数、したがって信号電圧ｕＭを介して測定された燃焼室圧力の信号処理の下限周波数を決定するように、第１のオーム抵抗Ｒ０の大きさを決定することが当業者に既知である。両方の評価作動モードに対して第１のオーム抵抗Ｒ０を共通に利用することが可能でない場合、第１のオーム抵抗Ｒ０の代わりに、図４には示されていない、２つのオーム抵抗間の他のスイッチにより切換が行われてもよい。ここで、２つのスイッチＳ１およびＳ２により、評価装置３０の評価作動モードが選択される。即ち、２つのスイッチＳ１およびＳ２が閉じられている場合、評価装置３０は図２のような電荷増幅回路として作動する。２つのスイッチＳ１およびＳ２が開かれている場合、評価装置３０は図１ａに示す非安定マルチバイブレータとして振動作動で作動する。
２つのスイッチＳ１およびＳ２は、例えば電子スイッチとして形成されていてもよく、この例においては、クランク軸角度の関数として、シリンダ１０のエンジン作業行程の該当範囲内において燃焼室圧力が信号電圧ｕＭの形で評価されるように制御される。クランク軸角度のその他の範囲内においては、このとき、スイッチは燃焼室圧力センサ１の容量Ｃ５を決定するための非安定マルチバイブレータとして作動する。
制御ユニット７５内において、両方の評価作動モード間の切換が制御されるとき、制御ユニット７５内において、評価装置３０の出力信号のそれぞれの信号処理への切換が可能である。このとき、振動作動の時間内においては、評価装置３０の出力信号は、信号電圧ｕＭとしてではなく非安定マルチバイブレータの出力電圧ｕ０として解釈され、即ち燃焼室圧力に対する測定変数として解釈されない。むしろ、出力電圧ｕ０は、この場合、例えば制御ユニット７５のマイクロ・プロセッサ内のカウンタにより周波数ないし周期Ｔを決定するために、したがって燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを決定するために評価される。次に、電荷増幅回路の時間内においては、評価装置３０の出力信号は、信号電圧ｕＭとして、したがって燃焼室圧力に対する測定変数として解釈される。信号電圧ｕＭから、制御ユニット７５内において燃焼の測定変数が計算可能である。
燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを決定するための評価装置３０の振動作動に対しては、形成された図１ｂの方形振動の十分な数の周期が第２の評価作動モードのクランク軸角度範囲内に発生され、且つ制御ユニット７５のマイクロ・プロセッサの内部サイクルがこの方形振動の周波数の十分な解像度を可能にする範囲内に出力電圧ｕ０の周波数が存在するように、オーム抵抗Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２の大きさが適切に決定される。このようにして、方形振動の周波数、したがって燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳが、第２の評価作動モードの間に確実に決定可能なことが保証される。エンジン回転速度の上昇と共にシリンダ１０の排気行程に対する時間がさらに短かくなるので、状況によっては、オーム抵抗Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２の大きさの決定により決定された、出力電圧ｕ０の方形振動の周波数が、第２の評価作動モードに対するクランク軸角度範囲内の周期をもはや十分には提供しないことがある。したがって、本発明の代替形態において、種々のエンジン回転速度に対して、第２の作動モードに対するクランク軸角度範囲内における出力電圧ｕ０の方形振動信号の十分な数の周期の存在および制御ユニット７５のマイクロ・プロセッサの内部サイクルによるこの方形振動の周波数の十分な解像度の確保を保証するために、内燃機関５のエンジン回転速度の関数として、第１のオーム抵抗Ｒ０、第２のオーム抵抗Ｒ１、および／または第３のオーム抵抗Ｒ２が、例えば切換により、それぞれ他のオーム抵抗により置き換えられるように設計されていてもよい。
図４の例において、図２の電荷増幅回路が、図１ａの非安定マルチバイブレータの回路と共に、ただ１つの評価装置３０内に、スイッチＳ１、Ｓ２によって切換可能に統合されている。同様に、図３のインピーダンス変成回路が図１ａの非安定マルチバイブレータの回路と共に、切換可能に統合されてもよい。
図５は、クランク軸角度（°）に対して図４の評価装置３０の演算増幅器ＯＰの出力信号を示す。０°と約５５０°クランク軸角度との間、並びに約７００°クランク軸角度と７２０°クランク軸角度との間のクランク軸角度範囲内におけるシリンダ１０の燃焼室３５内の空気／燃料混合物の燃焼の間に第１の評価作動モードが実行され、且つ演算増幅器ＯＰの出力信号は信号電圧ｕＭに対応する。この場合、第１のスイッチＳ１および第２のスイッチＳ２は閉じられている。約５５０°クランク軸角度と約７００°クランク軸角度との間の第２の評価作動モードにおいては、２つのスイッチＳ１およびＳ２は開かれ、また評価装置３０は振動作動で作動し、即ち出力端子に電圧ｕ０が近似方形振動の形で発生し、その周波数から燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳが上記のように決定可能である。図５に、第１の評価作動モードに対して、信号電圧ｕＭの形で、約３７０°クランク軸角度におけるシリンダ１０の膨張行程内に最大値を有する燃焼室圧力線図が示されている。
上記のように構成可能な評価装置３０は離散電子部品として構成されてもよいが、集積回路として構成されてもよい。この場合、評価装置３０は、空間的に燃焼室圧力センサ１の近くに、例えば同じハウジング内に配置されていても、または制御ユニット７５内に組み込まれていてもよい。この場合、燃焼室圧力センサ１は一般に制御ユニット７５内に組み込まれていない。
スイッチＳ１、Ｓ２は、例えばトランジスタまたはその他の半導体スイッチの形の電子部品であっても、または例えばリレーのような接点要素であってもよい。
圧電エレメントの温度経過が特性曲線から既知である。材料特性および形状寸法により確定される、燃焼室圧力センサ１のような圧電エレメントの容量への、温度の関数としての影響係数が一定でないとき、評価装置３０の振動作動、即ち第２の評価作動モードにおいて、図１の方形振動の振動周波数から、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳ、したがって温度が直接推測可能である。
燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳと燃焼室圧力センサ１の温度との間の特性曲線の校正は、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳへの、温度の関数としての影響係数を考慮することを可能にする。このために、本発明の他の形態において、センサ・エレメント１、ここでは燃焼室圧力センサの温度を、内燃機関５の特定の運転点において測定するように設計されていてもよい。この特定の運転点において、このときさらに、燃焼室圧力センサ１の温度が、上記のように、評価装置３０の第２の評価作動モードにおいて出力電圧ｕ０の方形振動の周波数から、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳおよび上記の温度／容量特性曲線を介して決定される。このとき、この温度／容量特性曲線は、内燃機関５の上記運転点において測定された、燃焼室圧力センサ１の付属容量ＣＳに対する温度が温度／容量特性曲線上に存在するように補正される。このために、特性曲線は、勾配を一定にしたまま、測定温度が特性曲線上でこの運転点において決定された容量ＣＳに一致するまでシフトされなければならない。この校正過程のための所定の運転点として、例えばエンジン始動の終了の直前または直後に温度が測定されてもよく、この温度は、燃焼室圧力センサ１の温度にきわめて良好に対応する。燃焼室圧力センサ１がシリンダ・ヘッド内またはシリンダ・ヘッド内の構成部分上に装着されている場合、冷却媒体温度が適切な温度であり、その温度の測定値は、特に内燃機関５がエンジン始動前に周囲温度まで冷却されているとき、エンジン始動の直前または直後における燃焼室圧力センサ１の温度にほぼ対応する。その理由は、エンジン始動の直後における測定冷却媒体温度もまた同様にほぼ周囲温度に対応するからである。
両方の評価作動モードを実行するための評価装置３０を使用する代わりに、第１の評価作動モードの間においては図２の電荷増幅回路または図３のインピーダンス変成回路が燃焼室圧力センサ１に接続され、第２の評価作動モードの間においては図１ａの非安定マルチバイブレータが燃焼室圧力センサ１に接続されるように設計されていてもよく、これにより、評価作動モードに応じてそれぞれ、燃焼室圧力センサ１は、例えばスイッチによりそれぞれ他方の回路に接続される。この場合、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを決定するために、第２の評価作動モードの間においては、燃焼室圧力センサ１は図２の電荷増幅回路ないし図３のインピーダンス変成回路から切り離され、且つその代わりに測定回路と結合されるように設計されていてもよい。このような測定回路の一形態は、例えば当業者に既知の、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳを直接決定するためのブリッジ回路である。測定変数ないし信号電圧ｕＭを測定すべく燃焼室圧力センサ１の信号を評価するために、第１の評価作動モードの間において燃焼室圧力センサ１と結合するための、当業者に既知の、信号処理のための任意の他の回路が使用されてもよい。
この場合、燃焼室圧力センサ１の第１の評価作動モードにおいては、測定変数を測定するために、例えば信号電圧ｕＭにより燃焼室圧力センサ１の信号を評価するための回路とのみ結合され、第２の評価作動モードにおいては、燃焼室圧力センサ１が、測定変数とは異なる、燃焼室圧力センサ１の特性変数、この例においては燃焼室圧力センサ１の容量または温度を出力信号ｕ０により測定するための回路とのみ結合されるように設計されていてもよい。
上記の実施例においては、図２の電荷増幅回路２５ないし図３のインピーダンス変成回路２０ないしスイッチＳ１、Ｓ２が閉じられた図４の評価装置３０は、第１の評価手段を示し、図１ａの非安定マルチバイブレータないしスイッチＳ１、Ｓ２が開かれた図４の評価装置３０は第２の評価手段を示す。
信号電圧ｕＭから、制御ユニット７５内において、燃焼の固有変数が当業者に既知のように計算可能である。
図７には、本発明による例示フローに対する流れ図が示されている。プログラムがスタートした後、プログラム・ステップ１００において、制御ユニット７５は、例えばクランク軸角度センサにより実際クランク軸角度ＫＷを当業者に既知のように測定する。さらに、オプションとして、プログラム・ステップ１００において、制御ユニット７５が、適切な値ｎの設定により、燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの変化速度の関数として第２の評価作動モードの設定頻度を決定してもよく、これにより、第２の評価作動モードはシリンダ１０のｎ番目の作業行程ごとにのみ作動される。この場合、時間に対する燃焼室圧力センサ１の容量ＣＳの変化速度は、容量ＣＳに対して予め決定された値から、制御ユニット７５により決定されてもよい。さらに、プログラム・ステップ１００において、制御ユニット７５により、第２の評価作動モードが最後にいずれの作業行程において作動されたかが検査される。それに続いてプログラムはプログラム・ステップ１０５に移行される。
プログラム・ステップ１０５において、制御ユニット７５は、実際に決定されたクランク軸角度が０°−５５０°の範囲または７００°−７２０°の範囲内に存在するかどうかを検査する。これが肯定（ｙ）の場合、プログラムはプログラム・ステップ１１０に分岐され、否定（ｎ）の場合、プログラム・ステップ１１５に分岐される。
プログラム・ステップ１１０において、制御ユニット７５は２つのスイッチＳ１、Ｓ２の閉鎖を操作し、これにより第１の評価作動モードを作動させる。それに続いてプログラムは終了される。
プログラム・ステップ１１５において、制御ユニット７５は、第２の評価作動モードが作動された、シリンダ１０の最後の作業行程から出発して、その間に再びシリンダ１０のｎ番目の作業行程が到達されたかどうかを検査する。これが肯定（ｙ）の場合、プログラムはプログラム・ステップ１２０に分岐され、否定（ｎ）の場合、プログラムは終了される。
プログラム・ステップ１２０において、制御ユニット７５は、図４の評価装置３０の２つのスイッチＳ１、Ｓ２の開放を操作し、これにより第２の評価作動モードを作動させる。それに続いてプログラムは終了される。この場合、図７のプログラムは特に新たな各クランク軸角度に対して反復実行されてもよい。このようにして、第１の評価作動モードおよび第２の評価作動モードが周期的に交替され、この場合、上記のように、第２の評価作動モードはシリンダ１０の各作業行程ごとに行われる必要はない。第２の評価作動モードの作動頻度に対する値ｎが変化した場合、第１の評価作動モードおよび第２の評価作動モードが交互に交替する周期もまた変化する。
図７の流れ図においては、図４の評価装置３０による両方の評価作動モードの実行が基礎となっている。
本発明は、センサ・エレメント１に対して燃焼室圧力センサを使用することに限定されず、任意のセンサ・エレメントに対して、特に圧電センサ・エレメントに対して、および特に圧力センサに対しても同様に実行可能である。本発明は、センサ・エレメント１の特性変数として温度または容量に限定されず、センサ・エレメント１の任意の特性変数に対しても同様に使用可能である。測定変数の関数として形成され且つセンサ・エレメント１から出力されるセンサ・エレメント信号が、測定変数を測定するために第１の評価作動モードにおいて評価されること、およびセンサ・エレメント信号が、測定変数とは異なるセンサ・エレメント１の特性変数を測定するために第２の評価作動モードにおいて評価されることのみが重要である。これは、特に上記のように、センサ・エレメント１が評価作動モードに応じてそれぞれ異なる回路に接続されることによって実行可能であり、この場合、第１の評価作動モードにおいては、センサ・エレメント１は、測定変数を測定するためにセンサ・エレメント信号を評価する回路に接続される。次に、第２の評価作動モードにおいては、センサ・エレメント１は、測定変数とは異なる、センサ・エレメント１の特性変数を測定するためにセンサ・エレメント信号を評価する回路に接続される。この場合、評価作動モードに応じて両方の回路の１つのみがセンサ・エレメント１に接続されているように設計されていてもよい。
図１ａは非安定マルチバイブレータ用回路図であり、図１ｂは非安定マルチバイブレータの異なる電圧の時間線図である。 電荷増幅回路図である。 インピーダンス変成回路図である。 電荷増幅回路のみならず非安定マルチバイブレータをも含む本発明による回路図である。 クランク軸角度に対する燃焼室圧力線図である。 内燃機関の略系統図である。 本発明による方法の例示フローに対する流れ図である。
符号の説明
１ センサ・エレメント（燃焼室圧力センサ）
５ 内燃機関
１０ シリンダ
１５ 非安定マルチバイブレータ（振動回路）（第２の評価手段）
２０ インピーダンス変成回路（第１の評価手段）
２５ 電荷増幅回路（第１の評価手段）
３０ 評価装置
３５ 燃焼室
４０ ピストン
４５ 給気系
５０ 吸気弁
５５ 排気系
６０ 排気弁
６５ 噴射弁
７０ 点火プラグ
７５ 制御ユニット
Ｃ０ コンデンサ（容量）
ＣＳ 燃焼室圧力センサの容量
ＯＰ 演算増幅器
Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２ オーム抵抗
Ｓ１、Ｓ２ スイッチ
Ｔ 周期
ｔ 時間
ｕ０、ｕ（ｔ） 出力電圧（演算増幅回路の出力信号）
ｕＣ 容量ＣＳにおける電圧
ｕＭ 信号電圧
ｕＳ センサ電圧（センサ信号）

Claims (10)

  1. 測定変数の関数として信号を出力するセンサ・エレメント（１）の評価方法において、
    測定変数を測定するために、センサ・エレメント（１）の信号が、第１の評価作動モードにおいて評価されること、および
    測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するために、センサ・エレメント（１）の信号が、第２の評価作動モードにおいて評価されること、
    を特徴とするセンサ・エレメントの評価方法。
  2. 少なくとも１つの制御変数の関数として、第１および第２の評価作動モードの間において切換が行われることを特徴とする請求項１に記載の評価方法。
  3. センサ・エレメント（１）として、内燃機関（５）の燃焼室圧力を測定するための燃焼室圧力センサが選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の評価方法。
  4. 制御変数として、内燃機関（５）のクランク軸角度が選択されることを特徴とする請求項２および３に記載の評価方法。
  5. 内燃機関（５）シリンダ（１０）に対する、測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するための第２の評価作動モードが、シリンダ（１０）の少なくとも１つの排気行程の間に設定されることを特徴とする請求項３または４のいずれかに記載の評価方法。
  6. 測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するための第２の評価作動モードの設定頻度が、特性変数の変化速度の関数として選択されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の評価方法。
  7. センサ・エレメント（１）の特性変数として、温度または容量が評価されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の評価方法。
  8. 温度または容量を測定するために、センサ・エレメント（１）が、センサ・エレメント（１）の容量のみの関数としての周波数を発生する振動回路（１５）、特に非安定マルチバイブレータ内に含まれることを特徴とする請求項７に記載の評価方法。
  9. 測定変数を測定するために、センサ・エレメント（１）が、インピーダンス変成回路（２０）または電荷増幅回路（２５）に含まれることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の評価方法。
  10. 測定変数の関数として信号を出力するセンサ・エレメント（１）の評価装置（３０）において、
    測定変数を測定するために、第１の評価作動モードにおいてセンサ・エレメント（１）信号を評価する第１の評価手段（２０、２５）、および
    測定変数とは異なる、センサ・エレメント（１）の特性変数を測定するために、第２の評価作動モードにおいてセンサ・エレメント（１）信号を評価する第２の評価手段（１５）、
    を備えたことを特徴とするセンサ・エレメントの評価装置。
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