JP2006523277A - 内燃機関の角度位置信号を求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の回転部材の回転運動を表す角度位置信号を求める方法に関する。この場合、内燃機関は少なくとも１つの燃焼室を有している。さらに冒頭で述べた回転数センサが設けられており、これは回転部材と結合された発信器ホイールの回転運動を表す回転測定信号を送出する。さらに少なくとも１つの圧力センサが設けられており、これは燃焼室内の圧力を表す圧力信号を送出する。 本発明による方法は、
−圧力信号を捕捉するステップ
−回転測定信号を捕捉するステップ
−捕捉された圧力信号と回転測定信号とに少なくとも依存して補正量を形成するステップ
−捕捉された回転測定信号を補正量と結合することにより角度位置信号を求めるステップ
を有している。本発明の核となる着想は、回転数信号と１つまたは複数の識別されたシリンダの燃焼室圧力をいっしょに評価することにより、発信器ホイール誤差を同定し著しく良好に補償することにある。

Description

従来技術
本発明は、独立請求項に記載の特徴を備えたエンジン回転数信号を求める方法および装置に関する。

最近の内燃機関の場合、回転数信号は種々の判定基準に係わるエンジン制御、診断ならびに最適化にとって重要な意味をもつ情報を成している。エンジン回転数は、従来技術によればクランクシャフトに取り付けられている発信器ホイールにより測定され、このホイールには所定数のマークが設けられている。この場合、個々のマークつまり増分量がセンサにより捕捉される。

発信器ホイールは通常、公差に起因する幾何学的誤差ならびに取り付け誤差をもっている。これによってシステマティックなエラーが引き起こされ、このようなエラーによって回転数信号をあとで使用する際に著しい劣化が引き起こされたり、それどころか場合によっては特定の機能が利用できなくなってしまうことすらある。したがって、このようなエラーを同定したり補償したりするのがきわめて重要である。これに関していくつかのやり方が知られている。

DE 100 17 107 A lにより知られている方法によれば、エンジンのメインオーダないしはメインの次数における周波数成分を除いて発信器ホイール誤差を補償することができる。この場合、内燃機関の回転状態の乱れは上述の周波数成分だけをもっている、という点が利用される。このことが推定され、回転数信号から取り除かれる。残された変動は発信器ホイール誤差の影響に起因する。

DE 197 33 958 A1およびWO 01/77692によれば、低い角度分解能でセグメントに関連づけた回転数信号の補正が実施される。

101 07 892 A1によれば、回転の乱れが吸気管圧力、排気管背圧、周囲圧力、エンジンの幾何学的形状ならびに制御時間からモデルベースで推定され、測定された回転信号を用いてその結果から発信器ホイール誤差が計算される。

WO 03/062620において開示されているやり方が基礎としているのは、所定の回転数範囲内で平均値を形成すれば、シャフトに作用を及ぼすガスおよび質量のトルクが少なくとも十分に統計的に相殺されることである。このようにして得られる平均値形成された角速度経過特性に基づき、発信器ホイールの幾何学的誤差が求められる。

オットーエンジンおよびディーゼルエンジンのための最近のシステムによれば、燃料経路および空気経路に対してシリンダ個別に介入制御することができる。燃料消費および放出を低減するために利用可能なポテンシャルを完全に利用するためエンジンマネージメントとって必要とされるのは、燃焼室の実際の事象に関するフィードバックである。シリンダ個別のエンジンの開ループ制御および閉ループ制御の機能を実現するために、燃焼室圧力経過特性が重要な量を成している。大量生産に適した燃焼室圧力センサが利用可能になった後でも、コスト的な理由から、さらには燃焼室の制約に起因して、エンジンのすべてのシリンダの識別ないしは指示は必ずしも可能とはならない。

発明の利点
本発明は、内燃機関の回転部材の回転運動を表す角度位置信号を求める方法に関する。この場合、内燃機関は少なくとも１つの燃焼室を有している。さらに冒頭で述べた回転数センサが設けられており、これは回転部材と結合された発信器ホイールの回転運動を表す回転測定信号を送出する。さらに少なくとも１つの圧力センサが設けられており、これは燃焼室内の圧力を表す圧力信号を送出する。本発明による方法は、
−圧力信号を捕捉するステップ
−回転測定信号を捕捉するステップ
−捕捉された圧力信号と回転測定信号とに少なくとも依存して補正量を形成するステップ
−捕捉された回転測定信号を補正量と結合することにより角度位置信号を求めるステップ
を有している。

本発明の核となる着想は、回転数信号と１つまたは複数の識別されたシリンダの燃焼室圧力をいっしょに評価することにより発信器ホイール誤差を同定および補償することにある。有利なことに、任意のエンジンのオーダないしは次数における発信器ホイール誤差を著しく高い精度と信頼性を伴って補償することができる。この場合、個々の増分量各々の誤差が同定される。１つまたは複数のシリンダ内の燃焼室圧力の測定によって、燃焼に関連する回転の乱れつまりは同定精度ないしは識別精度に関する利得の著しく精確なモデリングが可能となる。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、同時に捕捉される圧力信号と回転測定信号とに少なくとも依存して補正量の形成が行われる。

さらに、少なくとも内燃機関のまえもって設定可能な動作状態中、圧力信号が捕捉され、内燃機関のまえもって設定可能な動作状態中に捕捉された圧力信号と回転測定信号とに少なくとも依存して、補正量が形成されるように構成することができる。その際に殊に有利であるのは、まえもって設定可能な動作状態を内燃機関の定常的な牽引動作ないしはエンジンブレーキ動作とすることである。

まえもって設定可能な動作状態を、悪路区間の走行あるいは強い妨害振動のような所定の規模の妨害が発生していない期間の動作状態とすることもできる。

所定数の燃焼過程殊に十分に多い回数の燃焼過程にわたり形成される補正量をまとめて１つの合成補正量をたとえば平均値形成などによって形成すれば、内燃機関の定常的な牽引動作ないしはエンジンブレーキ動作のようなまえもって設定可能な動作状態への制約をはずすことができる。この場合、角度位置信号の算出は、捕捉された回転測定信号と合成補正量との結合によって行われる。

本発明の殊に有利な実施形態によれば、内燃機関は少なくとも２つの燃焼室を有しており、これらの燃焼室のうち少なくとも１つには圧力センサが設けられていない。その際に殊に有利であるのは、いわゆる基準シリンダ内で圧力を捕捉するためにただ１つの圧力センサを設けることである。

本発明の別の実施形態によれば、内燃機関は少なくとも３つの燃焼室を有しており、これらの燃焼室のうち少なくとも１つには圧力センサが設けられていない。殊にこの場合には２つの圧力センサだけを燃焼室内に設けるようにすべきであって、圧力センサを設ける燃焼室は、それらの燃焼室における燃焼過程が相前後して経過するものとなるよう選択する。

１つの有利な実施形態によれば補正量の形成はさらに、捕捉中に生じる内燃機関の負荷に依存して行われ、および／または捕捉中に生じる内燃機関の回転数に依存して行われる。

上述の方法のほか、本発明は本発明による方法を実施するための装置にも関する。

従属請求項にはさらに別の実施形態が示されている。

図面
図１は、１つの実施例に従い発信器ホイール誤差を同定する様子を示すブロック図である。図２は、発信器ホイール誤差の同定および影響について示す図である。図３は、ガストルクを示す図である。図４は、シリンダ個別に識別ないしは指示される平均圧力の推定方式について示す図である。図５は、毎分３０００回転のときの１つのシリンダの単一の燃焼においてシリンダ個別に識別ないしは指示される平均圧力の推定について示す図である。図６は、シリンダ個別に識別ないしは指示される推定された平均圧力Ｐmiと測定された圧力による基準との間の相関について示す図である。

実施例
以下の実施例において本発明について例示的に説明する。

すでに冒頭で述べたように、オットーエンジンおよびディーゼルエンジンのための最近のシステムによれば、燃料経路および空気経路に対してシリンダ個別に介入制御することができる。燃料消費および放出を低減するために利用可能なポテンシャルを完全に利用するためエンジンマネージメントとって必要とされるのは、燃焼室の実際の事象に関するフィードバックである。シリンダ個別のエンジンの開ループ制御および閉ループ制御の機能を実現するために、燃焼室圧力経過特性が重要な量を成している。大量生産に適した燃焼室圧力センサが利用可能になった後でも、コスト的な理由から、さらには燃焼室の制約に起因して、エンジンのすべてのシリンダの識別ないしは指示は必ずしも可能とはならない。本発明に先立ち行われるのは、個数を減らした圧力センサを用い、最良のケースでは識別ないしは指示される基準シリンダのみを用い、得られた圧力情報を利用して燃焼に関連する所望の圧力特性を所要精度で得られるか否かを検査することである。

以下では、回転数信号と１つの基準シリンダの燃焼室圧力をいっしょに評価することにより発信器ホイール誤差を補償する方法について説明する。この補償の結果に基づきさらに説明する方法によれば、個々の燃焼過程各々においてシリンダ個別に識別される平均圧力Ｐmiを再構成することができる。その後、測定データに基づく結果について呈示し、それらについて論じる。

シリンダ個別のＰmi値を閉ループ制御、開ループ制御、監視および／または診断のために利用することができ、このＰmi値によって燃焼室圧力の主要な特性が表される。

１．回転数捕捉
回転数捕捉は、クランクシャフトに取り付けられた６０−２発信器ホイールを用いて周期測定方式に従い行われる。つまり、この発信器ホイールは５８個の歯を有しており、これらの歯はホイール周囲に配分されるが、この場合、周囲全体に均等に配分される６０個の歯のうち２つの歯が欠けているように構成される。欠けている２つの歯によって、発信器ホイールの絶対位置いわゆる基準マークを識別することができる。

個々の歯は回転数発生器１１により走査され、これにより発信器ホイールにおいて相前後して続くそれぞれ２つの歯の各パルス間の時間ｔ_ｉが捕捉される。これにより、ｎ個の歯を備えた発信器ホイールにおいて考察するインターバルの平均角速度について、

が得られる。

基準シリンダを用いるアプローチと関連して、まずは回転数信号の変動が評価される。この変動の振幅は一般に、直流成分の数パーセントにすぎない。この理由から、信号捕捉の精度に対して最も高い要求が課される。

この場合、主要な妨害は、公差に起因する発信器ホイールの幾何学的誤差ならびに取り付け誤差によるものである。個々のエンジンに依存して歯の幅あたり０．１゜〜０．３゜ＫＷの公差限界が設定され、これは１．６７％もしくは５％のパーセンテージに相応する。発信器ホイール誤差Δφ_ｉは以下のように歯の時間の測定に作用を及ぼす：

これにより歯の誤差を把握せずに計算された角速度

について次式が成り立つ：

したがって発信器ホイール誤差Δφ_ｉによりシステマティックな誤差が引き起こされ、これは回転数信号処理の品質を著しく劣化させるし、あるいはそれどころか場合によっては役には立たないものになってしまう。このことを図２に基づき説明することができる。

図２には、発信器ホイール誤差の同定および影響について示されている。この妨害量の抑圧は、回転数データの評価を成功させるための重要な前提条件である。

図２には上段と下段に、発信器ホイール誤差（上段）と推定誤差（下段）が歯の指標に対して書き込まれている。図２の中段には、補償を行ったときの計数状態と補償を行わなかったときの計数状態が走査値に依存して示されている。

２．発信器ホイール誤差の補償
クランクシャフト駆動のエネルギーは、運動エネルギーと位置エネルギーとから成る。位置エネルギーは、考察するエンジンに関しては無視することができる。このことを前提として、クランクシャフトにおけるエネルギーについて次式が得られる：

ここでΘ（φ）は、クランク角に依存するエンジンの慣性モーメントを表す。ただし、測定された回転数信号ｔ_{ｍｅｓｓ，ｉ}は発信器ホイール誤差により誤ったものとなっており、このことにより以下でＥ_ｍｅｓｓと称する計算されたエネルギーについて角度の離散的なケースでは、

が成り立つ。

Ｅ_ｍｅｓｓは、図１に示したブロック１３において求められる。つまり個々の発信器ホイール誤差は式２〜４に従い、Ｅ_ｍｅｓｓの変動にダイレクトに作用を及ぼす。クランクシャフトに依存する実際のエネルギーＥ_ｔａｔの経過特性は、個々のシリンダの燃焼室圧力により物理的に決定される。本発明による方法において前提とするのは、発信器ホイール誤差を識別するために考察される動作点における摩擦の変動成分は無視できる程度に小さく、クランクシャフトは十分に剛性であり、もしくは発信器ホイール誤差の同定に利用される動作点においてねじれ振動は引き起こされないことである。これらの条件のもとで次式が成り立つ：

ここで全ガストルクＭ_Ｇａｓは平均値

と交流成分

から成る。つまり結果として得られるトルクは、ガストルクと有効トルクと摩擦トルクが合成されたものとなる定常動作中、クランク角の角速度は一定に保たれる。
それゆえ平均トルクとエネルギーの交流成分について次式が成り立つ：

ガストルクは次式のように計算される；

ここでｚはシリンダの個数、Ｐ_ｋ（φ_ｋ）はシリンダ圧力、φ_ｋは点火順のシリンダｋに関するクランク角、Ｐ_０は周囲圧力、Αはピストン面積、λはコネクティングロッド比、μはオフセット比、ｒはピストン半径を表す。つまりすべてのシリンダの圧力経過が既知であればエネルギーの交流成分

に関する基準を、クランク駆動のモデル（ブロック１５）を介して計算することができる。オフセット比μは、オフセット/コネクティングロッド長の商として定義される。ここでオフセットとは、クランク軸とピストンが移動する線との間のずれのことを表す。

個々のシリンダの圧縮比と充填状態がほぼ等しいとすれば、定常的なエンジンブレーキ動作において前提とすることができるのは、すべてのシリンダはそれぞれ規定のクランク角だけ位相のずらされた等しい燃焼室圧力（ブロック１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）を有することである。それゆえ、この動作点において基準シリンダを用いることでクランクシャフトにおけるエネルギー経過特性を計算することができる。したがって図１に示されているように、個々の歯の誤差をΔφ_ｉに従い式１０の解により計算することができる。

ただしｆ（Δφ_ｉ）は式（１）〜（５）から得られる。統計的妨害の影響を最小限に抑える目的で推奨されるのは、比較的多数の周期に関して平均値形成を実行することである。

発信器ホイール誤差が１回識別ないしは同定されて記憶装置（ブロック２０の一部分）に格納されたならば、これを用いて動作中に以下のようにして補償を実行することができる：

図２には、歯の誤差の同定に関する一例が測定データによる歯の誤差シミュレーションに関して示されている。

３．シリンダ個別の平均圧力の推定
セクション２における計算は、摩擦の交流成分が最小であるかまたは無視できるものとした動作点に関して行ったものである。以下では、考察した動作点に関する制約はないものとする。したがってここでは摩擦の交流成分を考慮する必要がある。さらにここでは、十分に剛性のあるクランクシャフトであることを前提とする。

式（４）および式（６）を用いることで、発信器ホイール誤差の取り除かれた回転数信号から、クランクシャフトにおけるトルクを計算することができる：

トルクの経過特性は、非定常動作中も十分に定常状態にあるものとして考察することができる。したがって式（７）を用いることで次式が得られる：

摩擦トルクを、精確なエンジンパラメータを利用しながらモデルにより支援されたアプローチを用いて計算することができる。

摩擦の交流成分を補償することのできるさらに別のやり方は、基準シリンダを用いることで行うことができる。回転数に依存する成分を発信器ホイール誤差の同定と同様、エンジンブレーキ動作中に様々な回転数において、回転数と燃焼室圧力とから計算される複数のガストルク経過特性の比較により求めることができる。さらに動作中、基準シリンダの識別に基づき、基準シリンダの高圧フェーズの期間わたりガストルク全体を高い精度で推定することができる。したがって、エンジンブレーキ動作から得られる摩擦経過特性を個々の負荷に適応的に整合させることができる。

この補償後、ガストルク全体の交流成分に関するきわめて精確な推定が得られる。

図３には、ある動作サイクルに関して個々のシリンダ（シリンダＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４ならびに全体）のガストルクの重畳について描かれている。基準シリンダの燃焼室圧力について把握することにより、クランク駆動のモデルを介して個々のシリンダのガストルクを切り離すことができる。これにより個々のシリンダについて識別ないしは指示される平均圧力を推定することができる。

これは個々のシリンダから供給される工程容積Ｖあたりの仕事に対する尺度を成しており、以下のように定義される：

ここで積分限界は、１つの動作サイクルのクランク角範囲である。

図４には、シリンダ個別に識別ないしは指示される平均圧力の推定方式について示されている。

個々の歯は回転数発生器１１により走査され、これにより発信器ホイールにおいて相前後して続くそれぞれ２つの歯の各パルス間の時間ｔ_{ｍｅｓｓ，ｉ}が捕捉される。ブロック４１において、発信器ホイール誤差の補償が行われる。この目的で、１回同定され記憶されている発信器ホイール誤差（図１のブロック１９／２０）が考慮される。

ブロック４２において、このようにして補正された時間信号ｔ_{ｋｏｒｒ，ｉ}＝ｔ_{ｋｏｍｐ，ｉ}が角度信号に変換されて、ブロック４４へ供給される。そこにおいて、ブロック１５を参照しながら説明したようにガストルク全体と摩擦トルクが計算され、ブロック４３へ供給される。

ブロック４３において摩擦を考慮しながらガストルク全体が求められる。この目的で、圧力センサ１２により捕捉された燃焼室圧力信号Ｐ_Ｌｚ，ｉがいわゆる「学習された摩擦特性」と結合される。「学習された摩擦特性」は、文献（Rezeka, S.F., Henein,N.A.: A NewApproach to Evaluate Instantaneous Friction and Its Components in Internal Combustion Engines. SAE Technical Paper Series, No. 840179, 1984を参照）から知られている方式に従い、エンジン測定から事前に計算されて記憶装置に格納される。

ブロック４５において個々のトルクが切り離され、これによって個々のシリンダのガストルクＭ_{Ｇａｓ，１−４}が得られる。

ついで積分段４６によって、シリンダ個別のＰ_ｍｉ値が得られる。

これまで説明してきた方法を、完全に識別される２つのオットーエンジンを用いた測定によって検証した。その際に基準として、測定された燃焼室圧力から計算された識別された平均圧力を用いた。図５および図６には、１．４リッターの排気量をもつ４シリンダ型ガソリン直噴エンジンにおける結果が示されている。図６には、推定と基準の相関が種々の回転数について示されており、ここでσは個々の標準偏差を表し、ｍは平均推定誤差を表す。統計を形成するため、全部で約９６０００の燃焼を用いた。基準シリンダの値は関与させていない。その理由は、このシリンダは識別によりすでに既知だからである。

発信器ホイール誤差の補償とシリンダ個別の平均圧力の推定に関するこれまで説明した両方の方法を組み合わせることで、個々のシリンダ各々の燃焼室からのフィードバックが得られる。この場合、ただ１つの圧力センサと既存の回転数信号が用いられる。上述のアルゴリズムを用いてこれらの信号をいっしょに評価することで、低コストのシリンダ個別のエンジン開ループ制御およびエンジン閉ループ制御ならびに既存の機能の向上が実現される。

１つの実施例に従い発信器ホイール誤差を同定する様子を示すブロック図 発信器ホイール誤差の同定および影響について示す図 ガストルクを示す図 シリンダ個別に識別示される平均圧力の推定方式について示す図 毎分３０００回転のときの１つのシリンダの単一の燃焼においてシリンダ個別に識別される平均圧力の推定について示す図 シリンダ個別に識別される推定された平均圧力Ｐmiと測定された圧力による基準との間の相関について示す図

Claims (12)

1. 内燃機関の回転部材と結合されている発信器ホイールの回転運動を表す回転測定信号
   

   

   を送出する回転数センサ（１１）と、燃焼室内の圧力を表す圧力信号（ｐ_ＬＺ，ｉ）を送出する少なくとも１つの圧力センサ（１２）を用いて、前記回転部材の回転運動を表す角度位置信号
   

   

   を求める方法において、
   圧力信号（ｐ_ＬＺ，ｉ）を捕捉するステップと、
   回転測定信号
   

   

   を捕捉するステップと、
   捕捉された圧力信号と回転測定信号に少なくとも依存して補正量（Δφ_ｉ）を形成するステップと、
   捕捉された回転数信号
   

   

   を該補正量（Δφ_ｉ）と結合して角度位置信号
   

   

   を求めるステップ
   が設けられていることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   回転測定信号
   

   

   から、クランクシャフト駆動のエネルギーを表す第１の固有値
   

   

   を求め、
   圧力信号（Ｐ_ＬＺ，ｉ）から、クランクシャフト駆動のエネルギーを表す第２の固有値
   

   

   を求め、
   該第１および第２の固有値に依存して補正量（Δφ_ｉ）を形成し、たとえば該補正量（Δφ_ｉ）を、前記第１および第２の固有値の差に依存して形成することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   同時に捕捉される圧力信号（Ｐ_ＬＺ，ｉ）と回転測定信号
   

   

   とに少なくとも依存して、補正量（Δφ_ｉ）の形成を行うことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の方法において、
   少なくとも内燃機関のまえもって設定可能な動作状態中、圧力信号（Ｐ_ＬＺ，ｉ）を捕捉し、内燃機関のまえもって設定可能な該動作状態中に捕捉された圧力信号（Ｐ_ＬＺ，ｉ）と回転測定信号
   

   

   とに少なくとも依存して、補正量（Δφ_ｉ）の形成を行うことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
   まえもって設定可能な動作状態を内燃機関の定常的なエンジンブレーキ動作とすることを特徴とする方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、
   まえもって設定可能な動作状態を、悪路区間の走行または強い妨害振動のような所定の規模の妨害が発生していない期間の動作状態とすることを特徴とする方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、
   所定数の燃焼過程にわたり形成された補正量をまとめて合成補正量をたとえば平均値形成により生成し、捕捉された回転測定信号
   

   

   を合成された補正量と結合することにより、角度位置信号
   

   

   を求めることを特徴とする方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の方法において、
   内燃機関は少なくとも２つの燃焼室を有しており、該燃焼室のうち少なくとも一方には圧力センサを設けず、たとえばただ１つの圧力センサだけを設けることを特徴とする方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項記載の方法において、
   内燃機関は少なくとも３つの燃焼室を有しており、該燃焼室のうち少なくとも１つの燃焼室には圧力センサを設けず、たとえば燃焼過程が相前後して経過する燃焼室内に２つの圧力センサだけを設けることを特徴とする方法。
10. 請求項１から９のいずれか１項記載の方法において、
    前記補正量の形成を、捕捉中に生じる内燃機関の負荷に依存して行い、および／または捕捉中に生じる内燃機関の回転数に依存して行うことを特徴とする方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の方法において、
    前記補正量（Δφ_ｉ）を記憶装置（２０）に格納し、捕捉された回転測定信号
    

    

    を該補正量（Δφ_ｉ）と結合することにより、内燃機関動作中に前記角度位置信号
    

    

    を求めることを特徴とする方法。
12. 請求項１から１１の少なくとも１項記載の方法を実施するための装置。

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