JP2013536918A - 内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための方法であって、エラーを検出するために、少なくとも１つのセンサ（１７）および／または少なくとも１つのセンサライン（２４）および／またはセンサ信号評価装置（２０）からなるシステムが診断される。早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた際に内燃機関の損傷を阻止するために、診断によりシステム（１７，２４，２０）のエラーが確認された場合に、センサ信号検出、センサ信号評価および早期着火の検出ならびに早期着火に対する対抗措置の導入を行う通常経路を中断するか、または完全に、もしくは部分的に遮断し、非常運転モードとして安全経路（２７）を作動する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための方法であって、エラーを検出するために、少なくとも１つのセンサおよび／または少なくとも１つのセンサラインおよび／またはセンサ信号評価装置からなるシステムを診断する方法、ならびに方法を実施するための装置に関する。

内燃機関では、供給された燃料・空気混合物の燃焼により、車両を走行させるか、もしくは走行を保持する。この場合、燃料・空気混合物の燃焼は点火プラグの点火火花によって引き起こされる。点火火花は、内燃機関の燃焼室全体に広がり、存在する燃料・空気混合物を燃焼時に動的エネルギーに変換する火炎前面を構成する。ノッキング燃焼時には燃焼の一部は急激に進行し、圧力波を生成する著しい圧力上昇を内燃機関の燃焼室内に引き起こし、このような圧力波は広がって、燃焼室を制限する壁に衝突し、そこで高周波振動が固体伝搬音に変換される。このような振動はノッキングセンサ（固体伝搬音センサ）により検出され、内燃機関の制御時にエンジン損傷を防止するためにノッキング制御装置により考慮される。この場合、内燃機関は最適な効率で常にノッキング限界で運転される。ノッキング制御装置によって、常に繰り返されるノッキング燃焼による内燃機関の損傷が回避される。

しかしながら、上記のようなノッキング燃焼の他に、燃焼室の高温箇所、オイル滴または燃料・空気混合物の高温残留ガス領域に起因する自己着火が生じる。このような自己着火は点火火花発生前の早期着火として、および点火火花発生後の遅い着火として生じる場合がある。この場合、点火火花に起因する火炎前面の他に１つ以上のさらなる火炎前面が生じる。このような自己着火は一般に早期着火と呼ばれ、排ガス領域におけるノッキング燃焼の危険性を高める。この場合に生じる固体伝搬音による振動は極めて急速にエンジン損傷をもたらす場合のある極端な圧力振幅により際立っている。

ノッキングセンサの信号の評価により、内燃機関は無制御な燃焼が生じたか否かについて監視される。このような無制御な燃焼を阻止するためには、エンジンをこのような早期着火から保護する必要があるので、このような早期着火の発生を防止する対抗措置がとられる。この場合、自己着火は点火火花によって影響されないので、ノッキング制御の場合のように点火角を遅い方向に調節するだけでは不十分である。したがって、燃焼室の混合物温度を低下させる他の措置、例えば、内燃機関の燃焼室における充填率低減が不可欠である。

早期着火に関するこのような経路は、ノッキングセンサの他にさらなるハードウェアとして少なくとも１つのセンサラインおよびセンサ信号評価装置を含む。しかしながら、いずれかのハードウェア部材でエラーが生じた場合には、早期着火を検出するための信号は誤った結果をもたらす。この場合、こうした結果得られた早期着火を阻止するための措置は誤った前提で開始されたため、エンジンの損傷を防止することができない。このような理由から、ノッキングセンサ、センサラインおよびセンサ信号評価装置などのハードウェア部材が常に診断される。

本発明の基礎をなす課題は、内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための方法および装置において、ハードウェアにエラーが生じた場合に内燃機関の損傷を信頼性良く防止する方法および装置を提案することである。

本発明によれば、この課題は、診断によりシステムにエラーが確認された場合に、センサ信号検出、センサ信号評価および無制御な燃焼の検出ならびに早期着火に対する対抗措置を行う通常経路が中断され、非常運転モードとして安全経路が作動されることにより解決される。このことは、早期着火の検出がエラーなしに行われた場合に構成される内燃機関との全ての接続が中断されるという利点を有する。早期着火の阻止に関して内燃機関を非常運転モードに移行させる独立した安全経路が構成される。これにより、内燃機関への他のそれぞれの接続も中断され、内燃機関の保護が保障される。早期着火の検出がもはや可能ではないこの非常運転モードでは、内燃機関を保護するために、さらなる早期着火が生じることを確実に防止する非常運転措置がとられる。

一構成では、安全経路で、内燃機関における早期着火の発生を確実に阻止する措置がとられる。このような措置により、早期着火が発生していることまたは生じたことを一義的な測定信号が示していない場合にも早期着火が阻止されることが、基本的には常に保障される。この場合、内燃機関は早期着火が許容されない状況になる。

一実施形態では、早期着火の発生を阻止するために、内燃機関の燃焼室の温度が低減される。このことは、燃焼室における極度にエンジンを損傷する急激なエネルギー変換が低減されるか、または完全に防止されるという利点を有する。これにより、燃焼室の高温箇所または燃料・空気混合物のホットスポットが冷却され、ひいては早期着火の発生が防止される。

一変化態様では、内燃機関の燃料濃縮によって内燃機関の燃焼室の温度が下げられる。内燃機関の燃焼室内に位置する燃料・空気混合物の濃厚化により、ほぼ一定の空気質量による燃焼力が制限される。さらに、より多くの燃料量が蒸発することにより、燃料・空気混合物がより強度に冷却される。

別の実施形態では、内燃機関の燃焼室の温度は内燃機関の空気濃縮によって下げられる。この場合、燃焼に関与しない空気量は冷却作用を及ぼす。同様に、希薄混合物も燃料・空気混合物の緩やかな燃焼をもたらし、これにより、早期着火は内燃機関にそれ程大きい影響を及ぼさない。

別の変化態様では、空気供給を低減し、ガソリンエンジン充填率を低下させることにより内燃機関の燃焼室の温度が下げられる。このことは、閉鎖状態の方向にスロットルバルブを動かすことにより行われ、これにより、空気が内燃機関にさらに進入することが阻止され、ひいては燃焼が減じられ、このことは、低温に基づいて早期着火にもポジティブに作用する。

有利には、内燃機関の入口弁および／または出口弁の制御時間がわずかにしか重複しないようにし、内燃機関の内部残留ガスを減少させることによって内燃機関の燃焼室の温度が下げられる。このような調節のための前提となるのは、調節可能なカムシャフトである。この場合、入口弁または出口弁のための少なくとも１本のカムシャフトが調節可能である必要がある。両方のカムシャフトが調節可能であり、ひいては入口弁および出口弁のための制御時間が調節可能である場合には有利である。この方式は、ソフトウェア側で重複を迅速に調節することができるので、早期燃焼に対する極めて多面的な対応を可能にする。入口弁は、出口弁が既に閉じられた場合にようやく開かれるので、内燃機関の燃焼室内の温度レベルは下げられる。制御時間の重複を減少させた場合、入口弁または出口弁の最大当接を前提とすることができるか、または弁の所定の開放状態のみを考慮することができる。

一実施形態では、センサを診断するために定格基準レベルが形成され、この定格基準レベルがエラー検出のために上限閾値および下限閾値と比較され、この場合、センサ信号が、回転数に関する上限および下限閾値によって形成された信号帯域外に位置する場合にはエラーが検出される。この診断は極めて簡単に実施することができ、ソフトウェアに１つのみ変更を行うだけでよい。付加的なハードウェアの使用は省略することができる。

特にセンサラインを診断するためには短絡試験が実施され、バッテリ電圧または接地に対するセンサラインの短絡が生じている場合にはエラーが検出される。この診断措置も内燃機関の運転時に極めて簡単に実施可能である。

一実施形態では、センサ信号評価装置の診断は、信号検出および信号評価に関してコンピュータハードウェアを監視することにより行われ、信号検出または信号評価時にもっともらしくない状態が生じた場合にエラーが検出される。この診断もセンサ信号評価装置の作動時に実施され、このことは、センサ信号評価装置のエラーの迅速な検出をもたらす。

別の実施形態では、エラーは評価のために作業場のエラーメモリに記憶される。これにより、内燃機関の運転時に検出されたエラーを後から取り除くこともできる。

本発明の一実施形態は、内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための装置に関し、エラーを検出するために、少なくとも１つのセンサおよび／またはセンサラインおよび／またはセンサ信号評価装置からなるシステムを診断する。早期着火の検出が妨げられた場合に内燃機関の損傷を防止するために、診断によりシステムのエラーが確認された場合に、センサ信号検出、センサ信号評価および早期着火の検出ならびに早期着火に対する対抗措置を行う通常経路を中断するか、または完全もしくは部分的に遮断し、非常運転モードとして安全経路を作動する手段が設けられている。通常は早期着火を検出するために使用される経路が完全に遮断されることにより、内燃機関でエンジン損傷が生じないことが保障される。なぜなら、安全経路では、いずれの場合にも早期着火の発生を阻止する措置のみが誘起されるからである。

有利には、上記手段は、少なくとも１つのセンサおよび／または少なくとも１つのセンサラインおよび／またはセンサ信号評価装置を診断するための信号を生成し、これらの信号に関係して受信された応答信号を評価する、内燃機関のための制御および評価装置を含み、この場合、エラーが検出された場合には、センサ信号検出、センサ信号評価、無制御な燃焼の検出および早期着火に対する対応措置を行う通常経路（２６）が中断され、安全経路が作動される。通常経路のこのような遮断および安全経路の作動は、制御および評価装置のソフトウェアで簡単に実施することができる。独立した安全経路の作動は、エラーの生じたシステムが検出された場合に、内燃機関で内燃機関の安全および保護を信頼性良く確保する措置のみがとられることを保障する。

一変化態様では、センサは、内燃機関のシリンダに配置されたノッキングセンサ、内燃機関の燃焼室内に配置された圧力センサ、または内燃機関のクランクシャフトの回転数を検出する回転数センサである。これらの様々なセンサによって、無制御な燃焼を信頼性良く検出することができる。この場合、圧力センサの使用時には早期着火が直接的に検出され、ノッキングセンサの使用もしくは回転数情報による検出では、早期着火の間接的な検出が行われる。

一実施形態では、内燃機関のそれぞれのシリンダはアクチュエータとして空気を取り入れるための入口弁と、燃焼排ガスを排出するための出口弁とを備え、これらの弁の開放時間はそれぞれ１本のカムシャフトによって調節され、この場合、制御および評価装置は入口弁および出口弁の開放時間が重複しないか、または極わずかにしか重複しないようにカムシャフトを制御する。弁開放時間の重複が低減されることにより、内燃機関の燃焼室に位置する内部残留ガスが低減され、これにより、燃焼室内の温度レベルが下げられる。シリンダの入口弁および出口弁の重複を減じた制御は、簡単なソフトウェア側の措置により行われる。

本発明は、多数の実施形態を可能にする。そのうちの一つの実施形態を図面に基づき詳述する。

内燃機関における無制御な燃焼を検出および低減するための装置を示す図である。 図１に示した内燃機関のシリンダの原理を示す図である。 無制御な燃焼時に内燃機関を制御するための経路を示す図である。

図１は、内燃機関１における燃焼を検出および評価するための装置を示す。内燃機関１は、この実施例では４つのシリンダ２，３，４，５を備え、これらのシリンダ２，３，４，５内を移動するさらに図示しないピストンは、それぞれ１つのコンロッド６，７，８，９を介してクランクシャフト１０に結合されており、燃焼により引き起こされる圧力変化に基づいてクランクシャフト１０を駆動する。シリンダ２，３，４，５は吸込み管１１に接続されており、吸込み管１１は、スロットルバルブ１２によって吸気管１３に対して閉鎖されている。それぞれのシリンダ２，３，４，５には、燃料を噴射するためのノズル１４が突入しており、これにより、燃料‐空気混合物が形成される。さらに、図２に例示的にシリンダ２についてのみ示すように、それぞれのシリンダ２，３，４，５は外気のための入口弁１５、および燃焼プロセスで生じる排ガスのための出口弁１６を備える。入口弁１５は入口カムシャフトによって作動され、出口弁１６は出口カムシャフトによって作動される。これらカムシャフトは、明瞭化のためにさらに示していない。

内燃機関１には、内燃機関１における燃焼によって引き起こされる内燃機関１の固体伝搬音による振動を検出するノッキングセンサ１７が配置されている。ノッキングセンサ１７の信号は、同様にクランクシャフト１０の向かい側に位置するクランクシャフトセンサ１９に接続された制御器１８にさらに伝達され、この場合、制御器１８は、クランクシャフト角度を表すクランクシャフトセンサ１９の信号に燃焼を割り当てる。制御器１８は、メモリ２１に接続されたセンサ評価装置２０を含む。

さらに制御器１８は、スロットルバルブ１２および燃料噴射ノズル１４に接続されており、カムシャフトの調節によりそれぞれのシリンダ２，３，４，５の入口弁１５および出口弁１６に接続される。第１シリンダ２を検出するためには、同様に制御器１８に接続された位相センサ２３が第１シリンダ２に取り付けられている。

スロットルバルブ１２の開放時には吸込み管１１に外気が流入し、外気は入口弁１５を介してシリンダ２，３，４，５に案内される。さらにシリンダ２，３，４，５内には、それぞれの燃料噴射ノズル１４によって燃料が噴射される。図示しない点火プラグによって引き起こされた火花によってシリンダ２，３，４，５内で次々に燃焼が開始され、燃焼は、シリンダ２，３，４，５内の圧力上昇を引き起こし、この圧力上昇は、ピストンおよびコンロッド６，７，８，９を介してクランクシャフト１０に伝達され、クランクシャフト１０を運動させる。通常はノッキングがなく、稀にしかノッキング状態となることのない制御された燃焼の他に、極めて早期の燃焼開始もしくは燃焼状態を有する燃焼が生じる。このような燃焼は早期着火と呼ばれる。このような早期着火は、正常燃焼に比べて、内燃機関にとって有害な著しく高い圧力および温度を有する。早期着火を検出および防止するためには、制御器１８に、早期着火を検出するための信号評価経路が設けられている。この場合、燃焼によって引き起こされた固体伝搬音による振動により生じるノッキングセンサ１７の信号が、連続的に、または所定の時間間隔をおいて評価される。ノッキングセンサ１７のこのような出力信号は、制御器１８によって、クランクシャフトセンサ１９により出力されたクランクシャフト角度に関連付けられる。これにより、燃焼が進行しているそれぞれのシリンダ２，３，４，５にノッキング燃焼を割り当てることができる。

早期着火を検出するために不可欠なハードウェアが常に信頼性良く作動していることを確保するために、ハードウェアは規則的な間隔をおいて診断される。これらのハードウェアには、ノッキングセンサ１７の他に、ノッキングセンサ１７を制御器１８と接続しているセンサライン２４、および信号評価ユニット自体としての制御器１８が挙げられる。この場合、診断はソフトウェアプログラムによって行われ、論理ブロック２５を含む。この論理ブロック２５は図３に示されている。

センサエラーを診断するために、上限閾値および下限閾値から信号帯域が形成され、ノッキングセンサ１７の正常な信号はこの信号帯域内に位置している必要がある。ノッキングセンサ１７によって供給された信号がこの信号帯域外に位置する場合には、エラーが検出される。

センサライン２４自体は、ライン２４の短絡試験を行うことにより所定の診断を受ける。このような短絡試験では、センサライン２４が接地への短絡を有しているのか、またはバッテリ電圧への短絡を有しているのかが確認される。このような場合、このことは論理ブロック２５に同様にエラーとして登録され、メモリ２１に記憶される。

センサ信号評価ユニット２０を診断するために、センサ信号評価ユニット２０のコンピュータハードウェアが信号検出および信号評価に関して監視され、この場合、信号検出または信号評価時にもっともらしくない状態が生じた場合にはエラーが検出される。このエラーも監視ソフトウェアの論理ブロック２５でメモリ２１に記憶される。メモリ２１に記憶されたエラーは、作業場でさらなる診断目的でいつでも出力し、評価することができる。

３回の診断時のうちのいずれかでエラーが検出された場合、これまで内燃機関１のために設けられていた通常経路２６が遮断される。このような遮断は、制御器１８におけるセンサ信号評価装置２０による早期着火の検出を中断することにより行うことができる。これにより、早期着火を阻止するための措置がとられないことが確保される。しかしながら、早期着火の検出を中断することの他に、早期着火を阻止するための全ての対抗措置を終了することも可能である。このような措置は、内燃機関１のアクチュエータ１２，１４，１５，１６が、通常経路２６を介してさらなる作業を行う要請を受けないことを確保する。

エラー発生時には、内燃機関１の損傷を防止するための安全措置を含む第２の独立した安全経路２７が作動される。この安全措置は、内燃機関の燃焼室内の温度が常に低く保持され、無制御な燃焼が確実に阻止されることを確保する手段である。

早期着火の発生から内燃機関１を保護するために、安全経路２７では早期着火を阻止するための様々な措置がとられる。これらの措置は、個々に実施するか、または組み合わせて実施することができる。このような措置には、燃料濃縮または外気濃縮もしくは充填率低減によるシリンダ２，３，４，５の燃焼室２２の冷却が挙げられる。

シリンダ２，３，４，５内の内部残留ガスの低減により特に快適に早期着火を低減することができる。この場合、入口弁１５および出口弁１６がカムシャフトによって駆動され、２つの弁１５，１６の開放時間はガス交換ＯＴ時（上死点）には重複しない。カムシャフトは、この場合、空気供給を低減するスロットルバルブ１２および燃料噴射弁１４と同様に制御器１８によって制御される。弁の重複が低減されることにより、出口弁１６の閉鎖時にはようやく入口弁１５が開放され、これにより、シリンダ２，３，４，５内の残留ガスが低下し、シリンダ２，３，４，５内の温度レベルが低下する。入口カムシャフトのみが様々に調節可能である場合には、入口弁１５のための制御時間は遅い方向に調節される。すなわち、それぞれのシリンダ２，３，４，５のピストンが、シリンダ２，３，４，５内でピストンが到達することのできる最高点を示す上死点ＯＴを既に超えて再び降下運動している場合にようやく入口弁１５は開放する。内燃機関１が調節可能な出口弁制御時間のみを有している場合には、シリンダ２，３，４，５のピストンが上方運動時に上死点ＯＴに到達する前に、出口弁の制御時間は早い方向に調節される。入口弁１５および出口弁がいずれも可変である場合には、出口弁１６の制御時間は早い方向に調節され、入口弁１５の制御時間は遅い方向に調節される。この場合、弁１５，１６の最大当接も考慮するか、または弁１５，１６の開放時の所定のΛのみを考慮してもよい。

制御器１８により早期着火を阻止するための措置をとる場合、安全経路２７にさらなる可能性が生じる。したがって、燃料噴射ノズル１４が作動されるか、および／またはスロットルバルブ１２が調節されるか、および／または入口弁１５および出口弁１６の制御時間が変更されることにより、簡単な変化態様で既に述べた１つ以上の可能性を制御器１８により誘起することができる。

Claims (15)

1. 内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための方法であって、エラーを検出するために、少なくとも１つのセンサ（１７）および／またはセンサライン（２４）および／またはセンサ信号評価装置（２０）からなるシステムを診断する方法において、
   診断によりシステム（１７，２４，２０）のエラーが確認された場合に、センサ信号検出、センサ信号評価および早期着火の検出ならびに早期着火に対する対抗措置を行う通常経路（２６）を中断するか、または完全もしくは部分的に遮断し、非常運転モードとして安全経路（２７）を作動することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記安全経路（２７）で、内燃機関（１）における早期着火の発生を確実に阻止する措置をとる、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、早期着火の発生を阻止するために、前記内燃機関（１）の燃焼室の温度を下げる、方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記内燃機関（１）の燃料濃縮によって内燃機関（１）の燃焼室の温度を下げる、方法。
5. 請求項３に記載の方法において、前記内燃機関（１）の空気濃縮によって内燃機関（１）の燃焼室の温度を下げる、方法。
6. 請求項３に記載の方法において、空気供給を低減し、前記内燃機関（１）の充填率を低下させることにより内燃機関（１）の燃焼室の温度を下げる、方法。
7. 請求項３に記載の方法において、前記内燃機関（１）の入口弁（１５）および／または出口弁（１６）の制御時間の重複を減少させ、内燃機関（１）の内部残留ガスを低減することにより、内燃機関（１）の燃焼室の温度を下げる、方法。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法において、前記センサ（１７）を診断するためにセンサ信号から定格基準レベルを決定し、該定格基準レベルを、エラー検出のために上限閾値および下限閾値と比較し、センサ信号が上限および下限閾値によって形成された信号帯域外に位置する場合にはエラーを検出する、方法。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法において、前記センサライン（２４）を診断するために短絡試験を実施し、バッテリ電圧または接地へのセンサライン（２４）の短絡が生じている場合にエラーを検出する、方法。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法において、信号検出および信号評価に関してコンピュータハードウェアを監視することによりセンサ信号評価信号（２０）の診断を行い、信号検出または信号評価時にもっともらしくない状態が生じた場合にエラーを検出する、方法。
11. 請求項８，９または１０のいずれか一項に記載の方法において、評価のために作業場のエラーメモリにエラーを記憶する、方法。
12. 内燃機関における早期着火を検出するためのシステムにエラーが生じた場合に非常運転モードを設定するための装置であって、エラーを検出するために、少なくとも１つのセンサ（１７）および／または少なくとも１つのセンサライン（２４）および／またはセンサ信号評価装置（２０）からなるシステムが診断される装置において、
    診断によりシステム（１７，２４，２０）のエラーが確認された場合に、センサ信号検出、センサ信号評価および早期着火の検出ならびに早期着火に対する対抗措置を行う通常経路（２６）を中断するか、または完全もしくは部分的に遮断し、非常運転モードとして安全経路（２７）を作動する手段（１８，２５）が設けられていることを特徴とする、非常運転モードを設定するための装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、上記手段が、少なくとも１つの前記センサ（１７）および／または少なくとも１つの前記センサライン（２４）および／または前記センサ信号評価装置（２０）を診断するための信号を生成し、これらの信号に関係して受信された応答信号を評価する、内燃機関（１）のための制御および評価装置（１８）を含み、エラーが検出された場合には、早期着火を検出するための前記通常経路（２６）が中断され、前記安全経路（２７）が作動される、装置。
14. 請求項１２または１３に記載の装置において、前記センサ（１７）が、前記内燃機関（１）のシリンダに配置されたノッキングセンサ、内燃機関（１）の燃焼室内に配置された圧力センサ、または内燃機関（１）のクランクシャフトの回転数を検出する回転数センサである、装置。
15. 請求項１２，１３または１４に記載の装置において、前記内燃機関（１）のそれぞれのシリンダがアクチュエータとして空気を取り入れるための入口弁（１５）と、燃焼排ガスを排出するための出口弁（１６）とを備え、これら弁の開放時間がそれぞれ１本のカムシャフトによって調節され、制御および評価装置（１８）が、入口弁（１５）および出口弁（１５）の開放時間が重複しないか、または極わずかにしか重複しないようにカムシャフトを制御する、装置。

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