JP2009503478A - 内燃機関のシャフトにおけるシリンダ個別の回転特性量を求めるための方法 - Google Patents

内燃機関のシャフトにおけるシリンダ個別の回転特性量を求めるための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は内燃機関(10)のシャフト(12)に沿った第1の箇所(24)における第1の回転特性量(w1)が測定され、該第1の回転特性量(w1)を利用してシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)が算出される内燃機関(10)の作動方法に関している。この方法は、前記シャフト(12)に沿った第2の箇所(26)における第2の回転特性量(w2)が測定され、前記第1の回転特性量(w1)と当該第2の回転特性量(w2)とを用いてシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)が求められる点で傑出している。

Description

本発明は内燃機関のシャフトに沿った第1の箇所における第1の回転特性量が測定され、該第1の回転特性量を利用してシリンダ個別の回転特性量が算出される内燃機関の作動方法に関している。
また本発明は内燃機関のシャフトにおけるシリンダ個別の回転特性量を、シャフトに沿った所定の箇所における第1の回転特性量を検出している第1の回転特性量センサの信号を利用して求めている制御機器に関している。
この場合の回転特性量とは、シャフトの所定の区分における角度位置、角速度または回転トルク値と理解されたい。また第1の箇所とは有利にはシャフトの第1の端部である。
背景技術
このような方法は、例えばDE4445684A1から公知である。この公知の方法ではクランクシャフトのねじれの影響を最小にするためにシャフトの角速度がフライホイール近傍のインクリメンタルセンサによって測定されている。回転に対するインクリメンタルセンサの増分Nの数は、少なくともシリンダの数の2倍以上でなければならない。インクリメンタルセンサの回転同期指標(Merkmale)はカウンタの走査をトリガする。トリガが出現した場合には現下のカウント状態が評価機器に伝送され、そこから角速度と角加速度が算出される。回転する質量体の慣性モーメントや角加速度、振動する質量体の回転トルク並びに摩擦回転モーメントからは、制御機器内に記憶されている特性マップを用いて(この特性マップは様々な回転数と負荷のもとでの負荷試験によって予め作成されたものである)、シャフト出力側に作用する有効な回転トルクが求められる。有効な回転トルクを用いることにより、燃料ガス−回転トルク特性経過がモデリングされ、この特性経過からシリンダ毎の回転特性量が求められる。
本発明による方法はこのような従来技術とは次のような点で異なっている。すなわち本発明ではシャフトに沿った第2の箇所における第2の回転特性量も測定され、この第2の回転特性量と第1の回転特性量を用いてシリンダ毎の回転特性量が求められる点である。
また相応に本発明による制御機器は次のような点で傑出している。すなわちシリンダ個別の回転特性量が、第1の回転特性量センサの信号のみならず、シャフトに沿った第2の箇所における第2の回転特性量を検出する第2の回転特性量センサの信号も用いて求められている点である。この第2の箇所とは有利にはシャフトの第2の端部である。
発明の利点
一般に内燃機関のための開ループ/閉ループ制御方法(例えばシリンダ同等化のための噴射補償制御など)は、捩れ剛性の高いクランクシャフトを備えたシステムに合わせられている。捩れ剛性の高いクランクシャフトでは全てのクランクの位置からそれぞれ唯一のクランク角度が示される。しかしながら捩れ剛性の低いクランクシャフトにおいては個々のシリンダ間でクランク角度に差が実際に生じ得るため、開ループ/閉ループ制御方法の品質が悪化する。また出力された回転トルクを求めるための評価方法でも同様に捩れ剛性の低いクランクシャフトは結果に悪影響をもたらす。クランクシャフトの両側の出力トルクは測定不可能であり、この未知の出力トルクの大きさと時間経過は開ループ/閉ループ制御方法の品質に影響を及ぼす。
本発明はこのような捩れ剛性の低いシャフトにおける状況において、推定される出力トルクの考慮のもとで、シリンダ個別の回転数、クランク角度、回転トルクの正確な検出を可能にさせるものである。ここでの回転特性量の両側面的な測定検出は、シャフトの捻れの測定検出と、シリンダ個別の回転特性量算出における連続的な整合化を可能にしている。この整合化により、従来技術よりもさらに正確な内燃機関の開ループ/閉ループ制御が達成される。その上さらに本発明は出力トルクの監視も可能にしている。そのためその作用も内燃機関の開ループ/閉ループ制御の際に考慮することが可能である。
この方法による構成の有利な実施形態においては、第1の回転特性量と第2の回転特性量がそれぞれ角速度として求められる。
角速度は市販されている通常の回転角度センサを用いて容易にかつ正確に求めることが可能である。またさらなる利点としてあげられることは、回転角度センサが通常は例えばクランクシャフトの回転に同期させた燃料噴射制御及び/又は点火制御のために既に存在していることである。
また本発明によれば有利には、第1の回転特性量と第2の回転特性量の考慮のもとで、内燃機関全体に対して特徴付けられる第3の回転特性量が求められ、シリンダ個別の回転特性量が、内燃機関を表すモデルから求められ、当該モデルの入力量は、第1の回転特性量と第2の回転特性量と第3の回転特性量に基づいている。
このことはこれらの3つの入力量への限定によって既にシリンダ個別の回転特性量の良好なモデリングが可能になることを示唆している。
さらに有利には前記第3の回転特性量は内燃機関全体の回転トルク値として求められる。
このトルク値は実際の内燃機関においてシリンダ個別の回転トルク値の和として得られる。この和からは所定の条件のもとで個々の被加数が、つまりシリンダ毎の回転トルク値が推論できる。そのためこのような和の値はシリンダ個別の回転トルク値のモデリングに適した出力量を表すものでもある。
有利には、シリンダ個別の回転特性量がシリンダ個別の角速度及び/又は回転トルク値として求められる。
これらの値においてはシリンダ間の燃焼に関する不均一性が特に明確にマッピングされる。そのためこれらの値は特に開ループ/閉ループ制御方法に対する要となる。
さらなる有利な構成によれば、n気筒の内燃機関に対するモデルがn+2区分を有するクランク軸のモデルを有し、この場合第1の区分はクランクシャフトの第1の端部を表し、さらなる区分はそれぞれシリンダ個別の個々の区分を表し、残りのn+2番目の区分はクランクシャフトの第2の端部を表し、各区分には慣性モーメントと摩擦モーメントが割当てられ、それぞれの区分は回転負荷されるクラッチによって相互に接続され、回転負荷される各クラッチにはトーションモーメントが割当てられ、シリンダ個別の各区分は第3の回転特性量から導出されるシリンダ個別の回転トルク値を有している。
このモデルは関与する全ての入力量を考慮し、それと共に例えばシリンダ個別の特性量の正確なモデリングを可能にする。
有利には、第1の区分に割当てられる回転トルク値が回転特性量として第1の回転特性量と第1の回転特性量推定値との間の偏差から形成され、残りのn+2番目の区分に割当てられる回転トルク値が第2の回転特性量と第2の回転特性量推定値との間の偏差から形成される。
この構成によれば回転トルクの測定を必要とせずに、クランクシャフトの両端に作用する回転トルクを所定の形式で制御技術的に監視することができるようになる。
さらに有利には、シリンダ個別の調整量がシリンダ個別の回転特性量を用いて形成される。なぜならこのことは開ループ/閉ループ制御方法のの品質を著しく高めるからである。
制御機器の構成例によれば、前述した方法ステップの少なくとも1つが実施され、このことはそれぞれの相応の利点に結び付く。
さらなる利点は明細書および添付図面から明らかとなる。
これまで述べてきた特徴ならびに以下でさらに説明する特徴は、それぞれ記載の組み合わせだけでなく、別の組み合わせでもあるいは単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく利用できることを理解されたい。
図面
本発明の実施例は図面に示されており、さらに以下の明細書でも詳しく説明する。この場合、
図1は本発明による方法を明らかにしているブロック回路図であり、
図2は本発明の構成において利用できる実際の内燃機関の物理的な等価回路図であり、
図3は内燃機関をモデリングするための本発明の構成において利用され得る計算回路構造を示した図である。
実施例
以下では本発明の手法を、内燃機関のクランクシャフトの例で説明する。但しこの手法は内燃機関のあらゆる駆動シャフトのもとでも利用可能である。本発明は特にカムシャフトに対しても当てはまる。
具体的には図1では内燃機関10はクランクシャフト12,シリンダ個別の調整部材、すなわちアクチュエータ14,16、角度センサ18,20及び制御機器22を有している。シリンダ個別のアクチュエータ14,16はそれぞれ内燃機関10の個々のシリンダ若しくはシリンダグループに割当てられている。そのようなアクチュエータ14,16とは、例えば燃料噴射バルブ、燃焼室に充填される燃焼ガスの入換えを制御するためのガス交換バルブを操作するアクチュエータ、スロットル弁又は点火コイルであり、この場合これらの計数は最終特徴を何も有しない。
第1の角度センサ18はクランクシャフト12の第1の端部24に配設され、第2の角度センサ20はクランクシャフト12の第2の端部26に配設される。この第1の端部24は例えばその他の付帯機器、例えばジェネレータ、ウォータポンプ、パワーステアリングポンプ及び/又は空調コンプレッサを駆動している端部に相応しており、それに対して第2の端部26は、本来の出力側を表すものであって、そこからは例えば自動車のドライブトレーンがクラッチ等を介して駆動されている。
角度センサ18,20は、クランクシャフト12の2つの端部24,26における角速度w1,w2を公知手法によって検出している。それに対しては例えば角度センサ18,20は、クランクシャフト12の端部24,26と固定的に結合されたセンサディスク上の強磁性体のマーキングの走査に用いられる。その限りではそのような走査は、第1の回転特性量と第2の回転特性量がそれぞれ角速度w1,w2として求められる方法に相応している。
制御機器22は図1の図面においては種々の機能ブロックに細分化されている。第1の機能ブロック28と第2の機能ブロック30はそれぞれ測定された角速度w1,w2を相応するクランク軸角度KWW1,KWW2に換算すべく積分する積分器を表している。第3の機能ブロック32は、角速度w1,w2及び/又はクランク軸角度KWW1,KWW2から平均エンジントルクM3を内燃機関10全体に対して特徴付けられた回転特性量として求める推定方法を表すためのものである。
この推定方法32に対しては様々なアルゴリズムが利用できる。それにより平均エンジントルクM3は例えば1つ若しくは2つの測定された角速度w1,w2から導出可能である。それに対しては前述したような平均エンジントルクM3に比例する有効回転トルクを唯1つの角度センサの信号から導出する公知手法が提供される。
平均エンジントルクM3を算出するためのその他の手段は、クランクシャフト12の静的な捻れの評価からもたらされる。これに対してはクランク軸角度KWW1,KWW2の差分が形成され、この差分が適切な期間(例えば720度のクランク角度)に亘って平均化される。従ってこの結果としての平均値も平均エンジントルクM3に比例している。
さらに別の代替的手法として、この平均エンジントルクM3がクランクシャフト12の動的な捻れからも推定可能である。それに対してはクランク軸角度KWW1,KWW2ないし角速度w1,w2内に含まれる1つ若しくはそれ以上の周波数成分が絶対値と位相に従って分析される。例えばバンドパスフィルタか若しくは離散フーリエ変換(DFT)を用いて分析される。フィルタリングされた振動周波数は、クランクシャフト12の捩り固有振動の可及的近傍にある。この振動の絶対値及び/又は位相と平均角速度は、平均エンジントルクM3を形成する特性マップの入力量として利用される。
第4の機能ブロック34はエンジンモデルを表しており、これは探索されているシリンダ個別の回転特性量DKG1,…DKGnと、クランクシャフト12の2つの端部24,26の角速度に対するさらなる推定値ws1,ws2を供給する。回転特性量DKG1,…DKGnは、例えばシリンダ個別の回転トルク絶対値及び/又は角速度及び/又はシリンダ個別のクランク軸角度である。そのためインデックスnは、論理積"and"の場合には値1からシリンダ数の対応する倍数値までの値で連続し、論理和"or"の場合にはシリンダがナンバリングされる。
角速度w1,w2に対する推定値ws1,ws2は、差分形成器36,38によって、対応する角速度測定値w1,w2から減算される。それにより形成された差分値は、エンジンモデル34から供給された推定値ws1,ws2と実際の値w1,w2との間の偏差に対する尺度を表す。積分器40,42によって、クランクシャフト12の端部24,26に作用する回転トルクに対する推定値の偏差MS24,MS26が処理され、この偏差は平均トルクM3の他にエンジンモデル34の入力量として用いられる。
つまり差分形成器36,38を介してエンジンモデル34の特性と実際の内燃機関10の特性との補償調整が行われ、このことはエンジンモデル34の制度を高めることにつながる。エンジンモデル34から供給されるシリンダ個別の回転特性量DKG1…DKGnは、それ自体公知の制御方法ブロック44によって調整量に処理される。この調整量を用いて前述したシリンダ個別のアクチュエータ14,15が操作される。
エンジンモデル34の有利な実施例はさらに以下で説明する。但しここではまず図2に関連して実際の内燃機関10の物理的な等価回路図を説明する。
内燃機関10は図2の図面では、それぞれ対応するクランク軸区分12.1, 12.2, …12.kを伴った複数のシリンダZ1,Z2…Zkを有している。これらの各クランク軸区分12.1, 12.2, ...., 12.kには、振動質量体ないし慣性モーメントJl,J2…Jk, 摩擦を表す減衰要素dl,d2…dk,並びにバネ定数cl,c2…ckを備えたトーションスプリング(これは隣接シリンダないしは隣接するクランクシャフト区分への結合を表している)が割り当てられている。符号FZ1, FZ2, FZkはシリンダZ1,Z2…Zk内に作用する燃焼ガスの作用力を表している.
クランクシャフト12の第1の端部24はベルト車の振動質量体J24、減衰要素d24,バネ定数c24を備えたトーションスプリングからなっている。ベルト車の振動質量体J24には角速度w1を検出するための第1の角度センサ18が設けられている。
クランクシャフト12の第2の端部26は振動質量体J26からなっており、この質量体には第2の角速度w2を検出するための第2の角度センサ20が設けられている。
図3にはエンジンモデル34が詳細に示されており、各シリンダZ1…Zkには補助的回路図としての計算回路図が対応付けられている。なお以下ではシリンダZ1に関連して説明を続ける。この計算回路図は第1の積分器46、第2の積分器48,第3の積分器50、シリンダ個別のトルク絶対値を供給するブロック52,比例素子54、加算器56、差分形成器59を有している。
以下でもさらに説明するように加算器56はシリンダZ1の任意トルクMF1を第1の積分器46に供給する。この第1の積分器46は既知の振動質量体J1の考慮のもとでシリンダ個別の角速度wZ1の算出のために任意トルクMF1を積分し、図2から振動質量体J1の影響をシミュレートする。第2の積分器48はシリンダ個別のクランク軸角度KWWZ1のために角速度wZ1を積分し、この角度情報をブロック52に供給する。ブロック52はこの角度情報を利用して角度に依存するシリンダZ1のトルク成分を内燃機関10の平均トルクM3に対応付ける。第3の積分器50は差分形成器59によって形成された角速度wZ1,wZ2の差分を、隣接するクランクシャフト区分への移行部(ここでは図2の区分12.1と12.2の間の移行部)に作用するトルクMZ2の算出のために積分する。この場合バネ定数C1が乗法的に考慮される。この第3の積分器50はバネ定数c1のトーションスプリングの影響をシミュレートする。
ブロック52は、推定手法のための機能ブロック32から供給された平均エンジントルクM3と、第2の積分器48の推定クランク軸角度KWWZ1からシリンダZ1のトルク寄与度M_KWWZ1を算出する。このことは特性マップアクセスを介して行われてもよい。その場合には特性マップが平均エンジントルクM3と推定クランク軸角度KWWZ1の値からアドレス指定される。シリンダ個別のトルク寄与度は公知のようにクランク角度に亘って変化する。その場合にシリンダ個別のトルク寄与度は内燃機関10の全平均トルクM3に対し燃焼サイクルにおいては正の寄与度を供給し、少なくとも吸気サイクルと圧縮サイクルにおいては正の寄与度を供給する。特に正の寄与度は内燃機関10の全平均トルクM3に依存する。シリンダ個別のトルク値M_KWWZ1(このアドレッシング特性量は特性マップポイント間に存在している)は、補間法によって求められる。
比例素子54は角速度wZ1に比例する摩擦モーメントMR1を算出し、摩擦の影響量をシミュレートする。加算器56は第1の積分器46に供給される任意のモーメントMF1をシリンダZ1のトルク寄与度M_KWWZ1と、クランクシャフト12を介して供給されたトルクMZ1,MZ2と、速度に比例する摩擦モーメントMR1とから算出する。従ってシリンダZの任意のモーメントMF1は以下の式
MF1=M_KWWZ1−MR1+MZ1−MZ2
から得られる。クラッチとは反対側のクランクシャフト12の第1の端部24におけるベルト車は、2つの積分器60,62と比例素子64と差分形成器66によって表されている。これらの構成要素60,62,64,66はそれらの意義の点でシリンダモデルのブロック46,50,54,59に相応している。類似の形式でクラッチ側クランクシャフト12の第2の端部26における振動質量体は積分器68と比例素子70と加算器72によって表され、同じようにシリンダモデルのブロック46,54,56,に相応する。
それ故にこのモデル34は角速度値も回転トルク値もそのつどシリンダ個別にモデル34の内的値(これは制御機器30で算出される)として供給され、そのため制御機器30内に存在し、アクチュエータ14,16のためのシリンダ個別の調整量の形成の際に考慮され得る。
本発明による方法を明らかにしているブロック回路図 本発明の構成において利用できる実際の内燃機関の物理的な等価回路図 内燃機関をモデリングするための本発明の構成において利用され得る計算回路構造を示した図

Claims (10)

  1. 内燃機関(10)のシャフト(12)に沿った第1の箇所(24)における第1の回転特性量(w1)が測定され、該第1の回転特性量(w1)を利用してシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)が算出される内燃機関(10)の作動方法において、
    前記シャフト(12)に沿った第2の箇所(26)における第2の回転特性量(w2)が測定され、前記第1の回転特性量(w1)と当該第2の回転特性量(w2)とを用いてシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)が求められるようにしたことを特徴とする方法。
  2. 第1の回転特性量(w1)と第2の回転特性量(w2)がそれぞれ角速度として求められる、請求項1記載の方法。
  3. 第1の回転特性量(w1)と第2の回転特性量(w2)の考慮のもとで、内燃機関全体に対して特徴付けられる第3の回転特性量(M3)が求められ、シリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)が、内燃機関(10)を表すモデル(34)から求められ、当該モデル(34)の入力量(MS24,MS26,M3)は、第1の回転特性量(w1)と第2の回転特性量(w2)と第3の回転特性量(w3)に基づいている、請求項1または2記載の方法。
  4. 前記第3の特性量(M3)は内燃機関(10)全体のトルク値として求められる、請求項2または3記載の方法。
  5. シリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)がシリンダ個別の角速度(wZ1)及び/又はシリンダ個別の回転トルク値(MF1,MR1)として求められる、請求項1から4いずれか1項記載の方法。
  6. k気筒の内燃機関(10)に対するモデル(34)がk+2の区分を有するシャフト(12)のモデル(34)を有し、この場合第1の区分(24)は前記シャフト(12)の第1の端部を表し、さらなる区分(12.1,12.2…12.k)はそれぞれシリンダ個別の個々の区分を表し、残りのn+2番目の区分(26)は前記シャフト(12)の第2の端部を表し、各区分(12.1,12.2…12.k)には慣性モーメント(J1)と摩擦モーメント(MR1)が割当てられ、それぞれの区分(12.1,12.2…12.k)は回転負荷されるクラッチによって相互に接続され、回転負荷される各クラッチにはトーションモーメントが割当てられ、シリンダ個別の各区分(12.1,12.2…12.k)は第3の回転特性量(M3)から導出されるシリンダ個別の回転トルク値(M_KWWZ1)を有している、請求項3から5いずれか1項記載の方法。
  7. 第1の区分(24)に割当てられる回転トルク値(MS24)が回転特性量として第1の回転特性量(w1)と第1の回転特性量(w1)推定値(ws1)との間の偏差から形成され、残りのk+2番目の区分(26)に割当てられる回転トルク値(MS26)は第2の回転特性量(w2)と第2の回転特性量(w2)推定値(ws2)との間の偏差から形成される、請求項6記載の方法。
  8. シリンダ個別の調整量がシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)を用いて形成される、請求項1から7いずれか1項記載の方法。
  9. 内燃機関(10)のシャフト(12)におけるシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)を前記シャフト(12)に沿った第1の箇所(24)における第1の回転特性量(w1)を検出している第1の回転特性量センサ(18)の信号を用いて求めている制御機器(22)において、
    前記制御機器(22)がシリンダ個別の回転特性量(MF1,wZ1,KWW_Z1,MR1…MFn,wZn,KWW_Zn,MRn)を、前記シャフト(12)に沿った第2の箇所(26)における第2の回転特性量(w2)を検出している第2の回転特性量センサ(20)の信号と前記第1の回転特性量センサ(18)の信号とを用いて求めていることを特徴とする制御機器。
  10. 請求項2から8項に記載されている少なくとも1つの方法が実施されている、請求項9記載の制御機器。
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