JP2008503686A - 可変弁制御を有する内燃機関における少なくとも１つの弁リフト位置の検出方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、油圧の付加により可変操作される弁を有する内燃機関における弁リフトの検出方法に関するものであり、この場合、弁リフトは油圧の変化により決定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、独立請求項に記載の、液圧（例えば、油圧）の付加により可変操作される弁を有する内燃機関における少なくとも１つの弁リフト位置の検出方法に関するものである。

本発明の対象は、弁制御の操作装置、特に内燃機関の制御装置、並びに本発明による方法をコンピュータまたは制御装置上で使用するためのコンピュータ・プログラム製品でもある。

従来の技術
通常の内燃機関においては、ガス交換（燃焼室内の燃焼ガスを吸気と交換すること）は、カム軸により開放されるばね付勢弁を介して行われる。弁リフトの時間経過、即ち弁開放の開始および期間ないしは弁棒の位置は、カム軸の形状設計により決定されるが、可変ではない。内燃機関の効率を改善するために、および排ガス低減の観点からも、ガス交換弁（吸気弁又は排気弁）の可変操作設計がますます使用されてきている。例えば、カム軸の位相位置の変化により、ガス交換弁の吸気時間および排気時間を変化させることができる。ガス交換弁がカム軸によらずに直接操作されるとき、内燃機関のフレキシブルな運転が可能である。

国際特許公開第９１／０３３８４号から、例えば、ガス交換弁が電磁操作または油圧操作される全可変弁制御が既知である。この場合、弁リフトは弁リフト・センサにより検出される。

内燃機関の故障のない運転を保証し且つ特に点火ミスまたはガス交換弁とピストンとの衝突を回避するために、弁リフトの正確な検知が必要である。
ドイツ特許公開第１００６４６５０号は、可変弁リフトを有する内燃機関ガス交換弁の制御方法を開示している。弁の制御はエンジン燃焼室内の圧力の評価の関数として行われ、この場合、燃焼室圧力の評価は、本質的に、存在する弁リフト・センサを校正するために使用される。

独立請求項の特徴を有する本発明による方法は、従来技術に比較して、少なくとも１つの弁リフト位置が弁に付加されている液圧（例えば、油圧）の変化により決定されるという利点を有している。この方法により、弁リフト・センサが存在しなくても、弁リフト位置を決定可能であることが有利である。

従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載の方法の有利な改良および改善が可能である。
液圧（油圧）装置内の圧力が低下しはじめた時点から、弁開放時間および／または弁閉鎖時間を決定することが特に有利である。これは、弁リフト・センサが存在しなくても、少ない測定費用で、可変弁制御を操作するための関連変数を決定可能であるという利点を有している。さらに、弁リフト・センサが存在する場合には弁リフト・センサ信号を検査することができ、これにより、運転の信頼性がさらに向上される。

他の有利な実施形態により、圧力がしきい値を下回った時点から、弁開放時間および弁閉鎖時間を決定可能である。これは、しきい値を適切に選択したとき、場合により発生する圧力変動が関連の開放時間および閉鎖時間の決定に影響を及ぼさないという利点を有している。

他の実施形態により、液圧（油圧）の圧力低下の最大値ないしは極値により、弁の開放時間ないしは閉鎖時間を決定することが有利である。これは、圧力経過内の極値が容易に識別可能であり且つ一般に他の圧力現象から明確に区別されるという利点を有している。

他の有利な実施形態により、弁リフトの時間経過が、少なくとも１つの弁リフト位置および／または液圧（油圧）の時間経過により決定される。これは、個々の位置のみならず弁リフトもまた時間に関して検出され且つ内燃機関の運転の間において故障のない弁操作が詳細に検査可能であるという利点を有している。

他の有利な実施形態により、特定の時間区間の間に関連圧力変化が発生したかどうかを検査するように設計され、この場合、関連圧力変化が発生しなかったとき、エラー応答が開始される。その間に関連圧力変化が発生することが予想される、特にシリンダに固有の時間区間および弁に固有の時間区間を設定することにより、例えばガス交換弁の正確な機能を検査し且つ故障したときにエラー応答が開始可能となることが有利である。

他の有利な実施形態により、弁リフトの検出方法を使用するためにプログラミングされているように、弁制御の操作装置特に内燃機関の制御装置が設計されている。即ち、信号検出、信号処理、信号評価および信号出力を、装置内の中央で実行することが可能であり、これにより、回路費用および部品費用並びに運転中の故障確率が低減される。

他の有利な実施形態により、プログラムがコンピュータまたは制御装置上で実行されるとき、弁リフトの検出方法が有利に使用されるように、マシン読取り可能媒体上に記憶されているプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム製品が設けられている。

図面
本発明のその他の特徴、利用可能性および利点が、図面内に示されている本発明の実施例に関する以下の説明から得られる。この場合、記載または図示されている全ての特徴は、単独または任意の組み合わせにおいて、請求項内のその要約またはその引例とは独立に、並びに明細書ないしは図面内のその形式ないしは表示とは独立に本発明の対象を形成している。

説明
本発明は、電気液圧弁制御装置（例えば、電気油圧弁制御装置）において、制御弁の切換により液圧（例えば、油圧）が変化するという考慮から出発する。電気液圧（電気油圧）弁、例えばガス交換弁を開放および閉鎖するとき、制御弁ないしは電磁弁は、装置内の液圧（油圧）が特性的に変化するように、特定の順序で切り換えられる。液圧弁（油圧弁）の各開放および閉鎖における特性的な圧力変化は再現可能に反復されるので、液圧装置（油圧装置）内の圧力経過の検出は、他の装置変数例えば弁リフトおよび／または弁リフト位置を推測することを可能にする。

図１は、電気油圧操作弁１例えば内燃機関のガス交換弁を略図で示す。移動可能なスライダ３０は、弁１の圧力領域を、上部チャンバ１０および下部チャンバ２０に分割する。スライダ３０は、上部チャンバ１０の方向に案内棒５０と、および下部チャンバ２０の方向に弁棒４０と結合されている。第１の逆止弁ＲＶ１を介して、下部チャンバ２０は、油圧装置の高圧側ないしは高圧集合配管／高圧レールＨＤ−Ｒａｉｌと結合されている。第１の逆止弁ＲＶ１は下部チャンバ２０から高圧レールＨＤ−Ｒａｉｌへの逆流を阻止する。下部チャンバ２０は、非通電において閉鎖されている電磁弁ＭＶ１を介して、上部チャンバ１０と結合されている。通電において、したがって電磁弁ＭＶ１が開放されているとき、両方のチャンバ１０、２０は第２の逆止弁ＲＶ２と結合され、第２の逆止弁ＲＶ２は、高圧レールの方向に圧力を逃がす。上部チャンバ１０は、さらに、非通電において開放されている第２の電磁弁ＭＶ２を介して、低圧レールと結合されている。高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌは圧力センサにより測定される。

したがって、電気油圧弁とは、油圧の付加により移動される弁と理解されるものであり、この場合、油圧は、希望の弁運動に対応して、電気操作制御弁により操作され、ないしは切り換えられる。

例えば電気油圧弁１がガス交換弁として設計されている場合、弁棒４０の一端に弁板が配置され、弁板は、ガス交換弁が閉鎖されたとき、燃焼室の弁座内にはめあいをなしている。ガス交換弁が開放されたとき、弁棒４０および弁板は燃焼室内に突出している。

電磁弁が操作ないしは通電されていないとき、第１の電磁弁ＭＶ１は閉鎖され且つ第２の電磁弁ＭＶ２は開放されている。これにより、下部チャンバ２０内の油圧は上部チャンバ１０内の油圧より大きくなる。この圧力差により、スライダ３０は、油圧弁が終端位置に到達し且つ閉鎖されるまで、上部チャンバ１０の方向に移動する。

電磁弁ＭＶ１、２が通電されたとき、第１の電磁弁ＭＶ１は開放され、および第２の電磁弁ＭＶ２は閉鎖されている。これにより、上部チャンバおよび下部チャンバ１０、２０内の油圧はほぼ等しくなる。しかしながら、スライダ３０の表面積は、上部チャンバ１０の範囲内においては下部チャンバ２０内においてよりも大きいので、油圧によってスライダ３０に作用する力はスライダ３０を下部チャンバ２０の方向に移動させ且つ油圧弁１を開放する。

本発明は、図示の実施例に限定されず、同様に他の切換可能な油圧装置にも使用可能であることは明らかである。特に、油圧回路または圧力センサの位置が変更されてもよい。さらに、電磁弁の代わりに他の調節要素を設けることもまた考えられる。

図２は操作電磁弁ＭＶ１、２の切換状態の時間経過、および高圧レール内の圧力経過ｐ＿ｒａｉｌおよび油圧弁の弁リフトＳ＿ＧＳＷのような対応特性変数の時間経過を略図で示し、この場合、左側線図は電気油圧弁１を開放するときの経過を示し、および右側線図は電気油圧弁１を閉鎖するときの経過を示す。

図１において既に記載したように、非通電において第１の電磁弁ＭＶ１は閉鎖されおよび第２の電磁弁は開放され、高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌはほぼ一定であり且つ電気油圧弁１ないしはガス交換弁は閉鎖されている。はじめに第２の電気油圧弁ＭＶ２が閉鎖され、次に第１の電磁弁ＭＶ１が開放されることにより、電気油圧弁は開放される。電気油圧弁がその終端位置即ち全開位置に到達したのちに、第１の電磁弁ＭＶ１が閉鎖される。

第２の電磁弁ＭＶ２の閉鎖は高圧レール内に著しい圧力変動を発生させることはない。初期条件により、上部チャンバ１０内の油圧は下部チャンバ２０内の油圧より小さいので、第１の電磁弁ＭＶ１を開放したとき、油圧液は下部チャンバ２０から上部チャンバ１０内に到達する。両方のチャンバ１０、２０の間の圧力平衡により、高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌは短時間の間低下する。圧力低下は時点ｔ＿ｐｍａｘにおいて最大値に到達する。この時点ｔ＿ｐｍａｘは、典型的には、時間区間［ｔ１、ｔ２］内に存在し、時間区間［ｔ１、ｔ２］はそれぞれのシリンダＺ＿ｉ（ｉ＝１．．．ｎ；ｎ＝シリンダ・ナンバー）および切り換えられるそれぞれの電磁弁ＭＶ１、２に対して既知である。

圧力低下ないしは関連圧力変化の時間経過および特に圧力が最大に低下した時点ｔ＿ｐｍａｘは、所定の装置においては、ほぼ油圧弁の操作状態の関数である。本質的な影響変数は、例えば、油圧配管の幾何形状および長さ、油圧および油圧液の温度である。その他の変数として、内燃機関の温度および回転速度、ステム運動速度、燃焼室内の圧力比、並びに場合により他の変数もまた考慮される。

ここで、実験によりおよび／またはモデル形成によって、高圧レール内圧力ｐ＿ｒａｉｌの時間経過が、電気油圧弁ないしはガス交換弁の弁リフトないしは設定ストロークＳ＿ＧＷＶと結合させることができる。即ち、操作条件が既知の場合、高圧レール内の圧力経過および／または最大圧力低下および／または他の関連圧力変化から、実際に存在する弁リフトおよび／または特に弁開放時間ｔ＿ｏを決定することが可能である。関連圧力変化とは、本質的に、それによって弁リフトまたは弁リフト位置を推測可能な全ての圧力変化または現象を意味する。関連圧力変化として、例えば、最初の圧力低下、しきい値を下回ること、圧力極値、最小値または最大値、サドル点（鞍点）等が挙げられる。これらの点の関連性は、関連圧力変化が好ましい時間区間内においてのみ観察されることにより、さらに高めることができる。

さらに、関連圧力変化に対する可能な例として、最大圧力低下による実施例を説明する。最大圧力低下の代わりにおよび／またはそれに追加して、他の圧力変化が考慮されてもよい。

図２の左下側線図に、開放するガス交換弁の弁リフトＳ＿ＧＷＶの時間経過が示されている。例えば摩擦および油圧抵抗により、電気油圧弁１の開放が、第１の電磁弁の開放直後に観察されず、装置条件による時間遅れを有して行われる。

しかしながら、弁開放時間ｔ＿ｏまたは弁閉鎖時間ｔ＿ｓを決定するために、必ずしも高圧レール内の圧力の全時間経過を考慮する必要はなく、再現可能な特性圧力変化の時点を決定するだけで十分である。可能な特性圧力変化として、典型的には、電磁弁の切換後の時間区間［ｔ１、ｔ２］内において期待される、時点ｔ＿ｐｍａｘにおける高圧レール内の最大圧力低下が使用されてもよい。この時点ｔ＿ｐｍａｘが決定されたとき、対応モデルを介して、弁開放時間ｔ＿ｏまたは弁閉鎖時間ｔ＿ｓを決定可能である。

図２の右側線図に、電気油圧弁の閉鎖過程が示されている。閉鎖するとき、第１の電磁弁ＭＶ１は閉鎖されたままであり且つ第２の電磁弁ＭＶ２が開放される。これにより、上部チャンバ１０は低圧レールＮＤ−Ｒａｉｌと結合され且つ下部チャンバ２０より低い圧力となる。圧力差によりスライダ３０は上部チャンバ１０の方向に移動され、これにより、高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌは短時間の間低下する。

弁の開放のときと同様に、時間区間［ｔ１、ｔ２］内の時点ｔ＿ｐｍａｘにおいて最大圧力低下が観察される。電気油圧弁の操作条件およびこの時点ｔ＿ｐｍａｘが既知である場合、これから弁閉鎖時間ｔ＿ｓが決定可能である。時間区間［ｔ１、ｔ２］、時点ｔ＿ｐｍａｘ並びに閉鎖時間ｔ＿ｓおよび開放時間ｔ＿ｏは、弁の閉鎖過程ないしは開放過程に対して異なっていてもよい。特に、異なる弁およびシリンダに対してはこれらの値は異なっていてもよい。

図２の下側線図は、開放するときおよび閉鎖するときにおける、電気油圧弁ないしはガス交換弁の弁リフトないしは設定ストロークＳ＿ＧＷＶを示す。弁開放時点ｔ＿ｏおよび弁閉鎖時点ｔ＿ｓとして、弁が最初に動き出す時点が識別される。この最初の運動は、典型的には、関連制御弁ＭＶ１またはＭＶ２の切換後、装置条件による時間遅れを有して行われる。即ち、既知の装置に対しては、装置条件による時間遅れを考慮して、制御弁ＭＶ１、ＭＶ２の切換時間により閉鎖時点ないしは開放時点を決定することが可能である。しかしながら、この場合、これは、実際の開放過程ないしは閉鎖過程を検査することなく、単に期待される開放時間ないしは閉鎖時間であるにすぎない。開放時間ないしは閉鎖時間ｔ＿ｏ、ｔ＿ｓを、弁の実際に行われる開放運動ないしは閉鎖運動において観察されるにすぎない変数により決定することがより確実である。上記のように、本発明により、この時間ｔ＿ｏ、ｔ＿ｓは、例えば圧力の時間経過の解析から、特に最大圧力低下の時点ｔ＿ｐｍａｘから得ることができる。

さらに、最大圧力低下の時点が、電気油圧弁特にガス交換弁の機能性を検査するために利用されてもよい。図３に、可能なモニタリング過程の流れ図が略図で示されている。高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌが規則的な短い時間間隔で決定されることから開始される。第１のステップ６００において、それぞれのシリンダｎに対して関連する時間区間［ｔ１、ｔ２］内に入る全ての測定時点ｔ＿ｍにおいて、それぞれの圧力ｐ＿ｒａｉｌが測定される。ステップ６１０において、時間区間［ｔ１、ｔ２］内において測定された圧力ｐ＿ｒａｉｌから最大値ｐｍａｘが決定される。ステップ６２０において、最大値ｐｍａｘがしきい値Ｓ＿ｐを超えているかどうかが検査される。しきい値Ｓ＿ｐが超えられている場合、ステップ６５０において対応ガス交換弁の操作が行われる。しきい値Ｓ＿ｐが超えられなかった場合、ステップ６８０において対応ガス交換弁が遮断され且つ場合により付属のシリンダが停止される。

図４に、四気筒内燃機関のガス交換弁を検査するための可能な論理回路装置が示されている。装置は、マイクロ・プロセッサ５００、比較器４００およびそれぞれ２つの入力を有する４つのＡＮＤ要素を含む。電磁弁ＭＶ１、２の設定信号および場合によりその他の運転変数から出発して、マイクロ・プロセッサ５００は、比較器４００の入力変数を形成する圧力しきい値Ｓ＿ｐを決定し、およびさらに、特定の時間区間［ｔ１、ｔ２］＿Ｚ＿１、２、３、４の間に、シリンダごとに、ＡＮＤ要素の第２の入力信号を論理値ＴＲＵＥ（真）にセットする。比較器４００は、高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌを、マイクロ・プロセッサ５００から供給された圧力しきい値Ｓ＿ｐと比較し、高圧レール内の圧力ｐ＿ｒａｉｌが圧力しきい値Ｓ＿ｐを超えているとき、ＡＮＤ要素の全ての第１の入力を論理値ＴＲＵＥにセットする。ＡＮＤ要素の両方の入力にＴＲＵＥ信号が存在しているとき、論理値ＴＲＵＥが伝送され、これにより、このシリンダに対するガス交換弁の機能に問題がないことが信号される。

ＡＮＤ要素の論理出力は例えば制御装置によりモニタリングされてもよく、この場合、論理値が弁のエラー機能を指示した場合、エラー応答が開始される。例えば最大圧力低下の時点ｔ＿ｐｍａｘが許容時間区間［ｔ１、ｔ２］以外に存在する場合、時間区間［ｔ１、ｔ２］に対してＡＮＤ要素にＴＲＵＥ信号が存在したとしても、″ｔ＿ｐｍａｘ″信号は存在せず、且つＦＡＬＳＥ（偽）にセットされるので、ＡＮＤ要素もまたＦＡＬＳＥ信号を出力する。

好ましい実施例においては、高圧レール内のレール圧力ｐ＿ｒａｉｌは連続的にまたは特定の時間間隔で測定される。測定された圧力値は、外乱影響を排除するために、フィルタリングされることが好ましい。圧力値の代わりに、圧力変化例えば圧力経過の時間微分が考慮されてもよい。ガス交換弁の開放ないしは閉鎖の場合、第１の電磁弁ＭＶ１の開放後ないしは第２の電磁弁ＭＶ２の開放後に、マイクロ・プロセッサまたは別の時間制御を介して、付属の時間区間［ｔ１、ｔ２］に対して時間範囲が開かれ、その間に、関連圧力信号が測定される。測定された圧力信号は評価され且つモニタリングされるガス交換弁の開放時点ｔ＿ｏないしは閉鎖時点ｔ＿ｓが決定される。計算された時点は後続処理のために制御装置に伝送される。

ガス交換弁が、故障したり、動かなくなったり、あるいは固着したりした場合、関連時間区間［ｔ１、ｔ２］内において対応圧力低下が特定されないので、例えばこのシリンダに対する噴射および点火がもはや行われないことにより、対応ガス交換弁ないしは付属のシリンダが停止される。さらに、ガス交換弁の非常操作または再操作のための他の手段が考えられる。

本発明による方法は、事前にハードウェアとしてまたはソフトウェアとして内燃機関の制御装置内に組み込まれていることが有利である。
圧力信号の測定は、典型的には、制御装置の操作ないしは内燃機関の運転に対して特性的なサイクル周波数内において、例えばバス・サイクルまたはクランク軸角、クランク軸位置により行われる。サイクル周波数は、そのまま他の基準系に換算されてもよい。ガス交換弁においては、基準変数としてクランク軸角が選択されることが好ましい。即ち、本発明により、油圧装置内の圧力変化からガス交換弁の開放角および閉鎖角が決定される。

上記のように、高圧系内の圧力特に圧力変化は、多数の変数により影響される。即ち、例えばガス交換弁を開放するときには、油圧装置内の圧力低下は弁の開放運動の開始直後には観察されず、固有の時間遅れを有してはじめて観察される。この時間遅れは、本質的に、弁と圧力測定との間の油圧経路の長さの関数であり、この場合、油圧液の圧力および温度がさらに遅れ時間に影響を与える。この関係が既知であるとき、弁リフトを油圧液の圧力および温度の関数として示すことができ、および弁リフトが例えば関数としてまたは特性値表として制御装置内に記憶されていてもよい。特性値表として記憶することは、特に、制御装置内の計算時間が節約されるべきとき、または値が例えばモデル化を介してではなく実験的に決定されたときに行われる。

他の実施例により、圧力変化を、高圧レール内で決定せず、または高圧レール内で決定するのみならず、弁の上部および／または下部チャンバ１０、２０内の圧力測定により決定することが考えられる。これにより、特に油圧経路長さが短縮されるので、弁運動と圧力変化との間の時間遅れが低減され且つ場合により時間遅れを無視することができる。

図１は電気油圧操作弁を略図で示す。 図２は操作電磁弁の切換状態の時間経過および対応特性変数の時間経過を略図で示す。 図３は油圧弁のエラー機能を検出するための流れ図を示す。 図４はエラー検出のための論理回路を略図で示す。

符号の説明

１ 電気油圧操作弁（電気油圧弁）
１０ 上部チャンバ
２０ 下部チャンバ
３０ スライダ
４０ 弁棒（バルブロッド）
５０ 案内棒（ガイドロッド）
４００ 比較器
５００ マイクロ・プロセッサ
ＨＤ−Ｒａｉｌ 高圧集合配管又は高圧レール
ＭＶ１、ＭＶ２ 電磁弁
ＮＤ−Ｒａｉｌ 低圧レール
ｐ＿ｒａｉｌ 高圧レール内圧力
ｔ＿ｐｍａｘ 最大圧力低下時点
ＲＶ１、ＲＶ２ 逆止弁
Ｓ＿ＧＷＶ 弁リフト
Ｓ＿ｐ しきい値
［ｔ１、ｔ２］ 時間区間
ＡＮＤ ＡＮＤ要素（アンド要素又はアンド素子）

Claims (8)

1. 液圧の付加により可変操作される弁を有する内燃機関における少なくとも１つの弁リフト位置の検出方法において、
   前記少なくとも１つの弁リフト位置が液圧の変化により決定されることを特徴とする液圧の付加により可変操作される弁を有する内燃機関における少なくとも１つの弁リフト位置の検出方法。
2. 液圧が低下した時点により、少なくとも１つの弁リフト位置として、弁開放時間ｔ＿ｏおよび／または弁閉鎖時間ｔ＿ｓが決定されることを特徴とする請求項１の方法。
3. 液圧がしきい値を下回った時点により、少なくとも１つの弁リフト位置として、弁開放時間ｔ＿ｏおよび／または弁閉鎖時間ｔ＿ｓが決定されることを特徴とする請求項１または２の方法。
4. 少なくとも１つの弁リフト位置として、液圧の最大圧力低下により、弁開放時間ｔ＿ｏおよび／または弁閉鎖時間ｔ＿ｓが決定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 弁リフトの時間経過が、少なくとも１つの弁リフト位置により決定されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 特定の時間区間［ｔ１、ｔ２］の間に関連圧力変化が発生しなかったとき、エラー応答が開始されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法において使用するためにプログラミングされていることを特徴とする弁制御の操作装置特に内燃機関の制御装置。
8. プログラムがコンピュータまたは制御装置上において実行されるとき、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法を使用するために、マシン読取り可能媒体上に記憶されているプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム製品。

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