JP2019501323A - 内燃機関のピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁位相差を組み合わせて識別するための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関のシリンダのピストンストローク位相差、吸気弁位相差および排気弁位相差を組み合わせて識別するための方法であって、シリンダに割り当て可能な、空気吸込み路内の吸込み空気および／または排ガス流出路内の排ガスの動的な圧力振動を動作中に測定し、測定された圧力振動の選択された信号周波数の位相位置に基づいて、同じ位相位置の線を求め、投影および位相シフトによって共通の交点まで動かし、ここから吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差ならびにピストンストローク位相差を決定する。これによって、制御時間の特に正確な識別を容易にかつ低コストに行うことができる。これによって、排気、燃費、動作時静音性および性能に関する利点ならびにエンジンの閉ループ制御性および開ループ制御が改善される。

Description

本発明は、空気吸込み路または排ガス流出路内で測定された吸込み空気および／または排ガスの動的な圧力振動を評価することによって、動作中の往復動内燃機関のピストンストロークの位相差、吸気弁および排気弁の弁ストロークの位相差を組み合わせて識別することを可能にする方法に関する。

以降で略して、単に内燃機関とも称される往復動内燃機関は、１つまたは複数のシリンダを有しており、このシリンダ内に、それぞれ１つの往復動ピストンが配置されている。往復動内燃機関の原理を分かりやすくするために、以降では図１を参照する。図１は、極めて重要な機能ユニットと共に、場合によっては多気筒でもある内燃機関のシリンダを例示的に表している。

各往復動ピストン６は、直線状に動くように各シリンダ２内に配置されており、シリンダ２とともに、燃焼室３を包囲する。各往復動ピストン６は、いわゆるコネクティングロッド７を介して、クランクシャフト９の各クランクピン８と接続されている。クランクピン８は、クランクシャフト回転軸９ａに対して偏心的に配置されている。燃焼室３内での燃料空気混合気の燃焼によって、往復動ピストン６は、直線状に「下方へ」駆動される。往復動ピストン６のこの並進ストローク運動は、コネクティングロッド７とクランクピン８とによって、クランクシャフト９に伝達され、クランクシャフト９の回転運動に変換され、この回転運動は、シリンダ２内の下死点を乗り越えた後に、往復動ピストン６を再び、反対方向において「上方へ」、上死点まで動かす。内燃機関１の継続的な動作を可能にするために、シリンダ２のいわゆる動作周期の間、まずは、燃焼室３に燃料空気混合気が充填され、この燃料空気混合気が燃焼室３内で圧縮され、次に点火され、往復動ピストン６の駆動のために燃焼され、最終的に、燃焼後に残っている排ガスが燃焼室３から吐出される。このような経過を継続的にくり返すことによって、燃焼エネルギーに対して比例した働きの提供を伴う、内燃機関１の継続的な動作が得られる。

エンジンのコンセプトに応じて、シリンダ２の動作周期は、１回のクランクシャフト回転（３６０°）にわたって分けられた２つのストローク（２ストロークエンジン）または２回のクランクシャフト回転（７２０°）にわたって分けられた４つのストローク（４ストロークエンジン）に分類される。

自動車に用いられる原動機として、今日では４ストロークエンジンが定着している。吸入サイクルでは、往復動ピストン６の下降運動の際に、燃料空気混合気または（燃料直噴の場合には）新鮮空気だけが、空気吸込み路２０から燃焼室３内に入れられる。次の圧縮サイクルでは、往復動ピストン６の上昇運動時に、燃料空気混合気または新鮮空気が燃焼室３内で圧縮され、場合によっては別個に燃料が、燃料供給システムに属する噴射弁５を用いて直接的に燃焼室３に噴射される。次の動作サイクルでは、燃料空気混合気が点火プラグ４によって点火され、膨張するように燃焼し、往復動ピストン６の下降運動時に、仕事をしつつ膨張する。最後に、吐出サイクルにおいて、往復動ピストン６の再度の上昇運動時に、残っている排ガスが燃焼室３から排ガス流出路３０へ吐出される。

内燃機関の空気吸込み路２０または排ガス流出路３０に対する燃焼室３の画定は、通常、特に本願の基礎となる例では、吸気弁２２および排気弁３２を介して行われる。これらの弁の駆動制御は、今日の最新技術では、少なくとも１つのカムシャフトを介して行われる。図示の例は、吸気弁２２を操作するための吸気側カムシャフト２３と、排気弁３２を操作するための排気側カムシャフト３３とを有している。これらの弁と各カムシャフトとの間には多くの場合、さらに別の、ここでは図示されていない、力を伝達するための機械的な構成部分が設けられている。これらの構成部分は、弁の遊びを補償する手段も含んでいてよい（例えばバケットタペット、シーソ型ロッカアーム、スイングアーム型ロッカアーム、タペットロッド、液圧タペット等）。

吸気側カムシャフト２３と排気側カムシャフト３３の駆動は、内燃機関１自体を介して行われる。このために、吸気側カムシャフト２３と排気側カムシャフト３３とはそれぞれ、適切な吸気側カムシャフト制御アダプタ２４と排気側カムシャフト制御アダプタ３４、例えば歯車、スプロケットまたはプーリを介して、例えば歯車伝動装置、制御チェーンまたは制御歯付きベルトを有している制御伝動装置４０を用いて所定の位置で相互に結合され、かつクランクシャフト９に対して、相応に歯車、スプロケットまたはプーリとして形成されている相応するクランクシャフト制御アダプタ１０を介して、クランクシャフト９と結合されている。このような接続によって、吸気側カムシャフト２３と排気側カムシャフト３３の回転位置は、クランクシャフト９の回転位置に関連して、基本的に定められている。図１では、例示的に、吸気側カムシャフト２３と排気側カムシャフト３３とクランクシャフト９との間の結合が、プーリおよび制御歯付きベルトを用いて示されている。

１回の動作周期にわたって進むクランクシャフトの回転角度を、以降では動作位相または単に位相と称する。クランクシャフトの、１回の動作位相で進む回転角度を、相応して位相角度と称する。クランクシャフト９の各目下のクランクシャフト位相角度は、クランクシャフト９またはクランクシャフト制御アダプタ１０に接続されている位置エンコーダ４３と割り当てられているクランクシャフト位置センサ４１とによって継続的に検出される。この位置エンコーダは例えば、円周にわたって等間隔に分配して配置されている多数の歯を備える歯車として構成されていてよく、個々の歯の数は、クランクシャフト位相角度信号の分解能を決定する。

同様に、場合によっては付加的に、吸気側カムシャフト２３と排気側カムシャフト３３の現下の位相角度が、相応する位置エンコーダ４３と割り当てられているカムシャフト位置センサ４２とによって継続的に検出されてもよい。

各クランクピン８と、クランクピン８と往復動ピストン６ならびに吸気側カムシャフト２３と、吸気側カムシャフト２３と各吸気弁２２ならびに排気側カムシャフト３３と、排気側カムシャフト３３と各排気弁３２は、所定の機械的な結合によって、相互に所定の関係で、かつクランクシャフト回転に関連して動くので、これらの機能構成要素は、クランクシャフトに同期して各動作位相を通過する。このようにして、往復動ピストン６、吸気弁２２および排気弁３２の各回転位置およびストローク位置を、各伝達比を考慮して、クランクシャフト位置センサ４１によって設定された、クランクシャフト９のクランクシャフト位相角度に関連付けることができる。したがって、理想的な内燃機関の場合には、各特定のクランクシャフト位相角度に、特定のクランクピン角度ＨＺＷ（図２）、特定のピストンストローク、特定の吸気側カムシャフト角度、ひいては特定の吸気弁ストロークならびに特定の排気側カムシャフト角度、ひいては特定の排気弁ストロークが割り当て可能である。すなわち、全ての上述した構成要素は、回転しているクランクシャフト９と同調して存在しているかまたは動いている。

しかし、近年の内燃機関１では、所望の制御可能な位相シフトを、クランクシャフト９と吸気側カムシャフト２３ならびに排気側カムシャフト３３との間に生じさせる付加的な調整素子が、クランクシャフト９と吸気側カムシャフト２３ならびに排気側カムシャフト３３との間の機械的な結合区間内に設けられていてよく、例えば吸気側カムシャフトアダプタ２４と排気側カムシャフトアダプタ３４内に集積されていてよい。これらは、いわゆる可変動弁機構における、いわゆる位相調整器として既知である。

電子的な、プログラミング可能なエンジン制御機器５０（ＣＰＵ）も象徴的に示されている。このエンジン制御機器には、内燃機関の動作を特徴付ける多様なセンサ信号を受容するための信号入力側と、相応する調整ユニットを駆動制御するための信号およびパワー出力側と、エンジンの機能を制御するためのアクチュエータとが装備されている。

（排気、燃費、性能、動作時静音性等に関する）内燃機関の最適な動作のために、吸気サイクルの間に、燃焼室内に入れられる新気給気はできるだけ良く知られているべきであり、これによって、燃焼のためのさらなるパラメータ、例えば供給されるべき、場合によっては直接的に噴射される燃料量をそれに合わせることができる。いわゆるガス交換、すなわち新気の吸入と排ガスの吐出は、吸気弁２２および排気弁３２の制御時間に大きく関連しており、すなわち、ピストンストロークの時間的な経過に関する各弁ストロークの時間的な経過に関連している。換言すれば、動作中のガス交換は、クランクシャフト位相角度ひいてはピストンストロークの位相位置に関する吸気弁および排気弁の位相位置に関連している。

新気給気を求めるためおよび内燃機関の制御パラメータをそれに合わせるための従来技術は、例えば回転数、負荷、場合によっては位相調整器によって設定可能な弁制御時間、場合によっては排ガスターボチャージャまたはスーパーチャージャの動作パラメータ等に関連した、生じる全ての動作状態における、いわゆる基準内燃機関の計測およびこれらの測定値またはこれらの測定値の導関数またはこの特徴を表すモデルアプローチの、相応するシリーズ生産内燃機関のエンジン制御機器への格納である。構造的に等しい、同じ型式のシリーズ生産された内燃機関はこの場合に、この作成された基準データセットによって動かされる。

シリーズ生産内燃機関の、クランクシャフト位置センサによって設定されたクランクシャフトの位相角度または位相位置に関する基準内燃機関の理想的な基準位置、すなわち吸気弁ストローク、排気弁ストロークおよび場合によってはピストンストロークの位相差に関する、例えば製造時公差によって生じる、吸気弁および排気弁とクランクシャフト位相角度または往復動ピストン位置との間の実際の相対位置の偏差によって、実際に吸気される新気給気が、基準として特定された新気給気から偏差し、ひいては、基準データセットに基づく制御パラメータが最適でなくなる。内燃機関の動作時に、このような誤差によって、排気、燃費、性能、動作時静音性等に関する悪影響が生じ得る。

シリーズ生産内燃機関で生じ得る偏差を可視化し、このような偏差の名称を規定するために、以降で、図２を参照する。図２は、図１に示されている内燃機関を示しているが、ここでは、より分かりやすくするために、図１に示された参照番号は省かれており、相応する違いだけが示されている。

その位相角度がクランクシャフト位置センサ４１によって検出される、クランクシャフト制御アダプタ１０に配置されている位置エンコーダ４３の基準位置から出発して、複数の公差の連鎖が生じ、これらは、以降では位相差とも称される、理想的な基準位相位置に対する往復動ピストン６、吸気弁２２および排気弁３２の位相位置の偏差を生じさせる。

ここで、ピストンストローク位相差ΔＫＨは、例えば、クランクシャフト位置センサ４１の基準位置に関するクランクピン角度ＨＺＷの偏差、いわゆるクランクピン角度差ΔＨＺＷおよびコネクティングロッド７と往復動ピストン６の種々の寸法公差（図示されていない）から生じる。

さらに、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨは、例えばカム位置の偏差、いわゆる、吸気側カムシャフト制御アダプタ２４と制御伝動装置４０の機械的公差（図示されていない）を伴う吸気側カムシャフト角度差ΔＥＮＷから生じる。吸気側カムシャフトに対して位相調整器が存在している限り、場合によってはさらに、吸気側カムシャフト調整角度ＥＮＶＷまたはこの吸気側カムシャフト調整角度と設定値との偏差が考慮される。

同様に、排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨは、例えばカム位置の偏差、いわゆる、排気側カムシャフト制御アダプタ２４と制御伝動装置４０の機械的公差（図示されていない）を伴う排気側カムシャフト角度差ΔＡＮＷから生じる。排気側カムシャフトに対して位相調整器が存在している限り、場合によってはさらに、排気側カムシャフト調整角度ＡＮＶＷまたはこの排気側カムシャフト調整角度と設定値との偏差が考慮される。

説明した偏差の考えられる原因は、例えば、
・関与している機械的な構成要素の製造公差および／または取り付け公差
・摩耗現象、例えば、それを介してクランクシャフトとカムシャフトが結合されているタイミングベルトまたは歯付きベルトの伸び
・高い機械的な負荷状態による弾性的なまたは可塑性の変形現象
であり得る。

現下の最新技術による、上述した問題のこれまでの解決策は基本的に、基準内燃機関とシリーズ生産内燃機関との間で生じている偏差の検出および数値化であり、これによって、制御パラメータの整合を用いた修正または補償のための相応する措置を実行することが可能になる。

さらにこれまで、製造公差および取り付け公差を最小化することによって、この問題に対処することが試みられてきた。さらに、例えば、制御時間が、弁ストローク調整、カムの輪郭等に基づいて、生じている各シリーズ生産内燃機関で計測され、内燃機関が組み立て時に相応にアライメントされる。

さらに、現在知られている大部分のシステムは、基準点システム（位置フィードバック）で動作する。この場合には、クランクシャフトならびに吸気側カムシャフトおよび／または排気側カムシャフトに、または各クランクシャフト制御アダプタならびに吸気側カムシャフト制御アダプタおよび／または排気側カムシャフト制御アダプタにも、または場合によって存在している位相調整器等にも、それぞれ、センサによって検出可能な位置マークが設けられる。これによって、クランクシャフトと各吸気側カムシャフトおよび／または排気側カムシャフトとの間の相対的な位相位置を求めることができ、目標にされる基準値に対する偏差を識別することができる。この場合には、このような偏差の不所望な作用を、求められた偏差に関連した、相応する制御パラメータの整合調整または修正によって、制御機器において抑制することができる。

しかし、基本的にはこのような方法によっては、生じている公差の一部しか識別することができない。例えば、角度偏差を、各基準位置に関する、カムシャフトまたは吸気側カムシャフト角度差ΔＥＮＷまたは排気側カムシャフト角度差ΔＡＮＷに関して、各位置マーク自体の位置偏差に基づいて識別することはできない。

別の方法、例えばノッキングセンサ信号の評価、シリンダ圧力信号の評価が同様に既知である。

さらに、米国特許第６８０４９９７号明細書から、吸込み路内の圧力振動を監視および評価することによって、クランクシャフトの位相位置を特定するエンジン制御装置が公知である。この制御装置は、これが吸込み空気イベントひいてはこれと関連しているクランクシャフト位相位置ならびにエンジンサイクルの相応するその周期を示す吸込み空気圧力振動を特定するように構成されている。制御装置は、この情報をクランクシャフト回転数およびクランクシャフトの位相位置を求めるために使用し、これによって燃料噴射およびエンジンの点火特性を制御する。吸気弁と排気弁の制御時間、すなわち場合によっては、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差はここでは考慮されず、場合によっては結果に著しい影響を与えてしまう。

独国特許出願公開第１０２００５００７０５７号明細書から、内燃機関の吸込み路における、閉ループ制御されるべきスロットルバルブ空気流に対する、閉ループ制御方法が公知である。ここでは、特に、内燃機関の弁制御時間によっても影響される、吸込み路における圧力脈動が、流体の流れの閉ループ制御時に考慮される。このために、圧力脈動が高速フーリエ変換によって分析され、振幅情報がひずみ率にまとめられる。このひずみ率は、付加的な入力量として、例えば、スロットルバルブ空気流の多次元の数学的な閉ループ制御モデルに使用される。弁制御時間、すなわち場合によっては存在している、内燃機関の吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差も、このような方法を用いて具体的に推測することはできない。

独国特許出願公開第３５０６１１４号明細書から、内燃機関を開ループ制御するまたは閉ループ制御する方法が公知であり、ここでは、内燃機関の振動スペクトルの少なくとも一部を情報として含んでいる動作量、例えばガス圧信号に関連して、内燃機関の少なくとも１つの調整量が開ループ制御される。このために、検出された動作量から、離散フーリエ変換によって、そこに含まれている値スペクトルが振動スペクトルの一部として求められ、かつ測定スペクトルとして用いられ、基準スペクトルと比較される。内燃機関の開ループ制御されるべき調整量はここでは、測定スペクトルと基準スペクトルとの間の偏差に関連して制御される。内燃機関の弁制御時間およびピストンストローク位置は、このような方法を用いても容易に推測することはできない。

米国特許出願公開第２００９０３１２９３２号明細書は、内燃機関内の燃焼の診断方法を開示している。ここでは、クランクシャフト角速度から、高速フーリエ変換を用いて燃焼位相調整値が生成され、この値が、予期される燃焼位相調整値と比較され、これらの値の、許容される燃焼位相調整差よりも大きい差が識別される。

基準エンジンとシリーズ生産エンジンとの間の偏差を求める、上述したものと類似している手法が、米国特許出願公開第２０１０００６３７７５号明細書にも開示されている。

本発明の課題は、吸気弁、排気弁および往復動ピストンの実際の位相位置の特に良好な識別を可能にすること、または、ピストンストローク位相差ΔＫＨ、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨならびに排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨを内燃機関の動作中に確実に求めることを可能にする、冒頭に記載した様式の、容易かつ低コストな方法を提供することである。

上述の課題は本発明に相応に、独立請求項に記載されている、動作時に、シリーズ生産内燃機関のシリンダのピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差を組み合わせて識別するための方法によって解決される。

本発明の構成要件の実施例および発展形態は、従属請求項に記載されている。

動作時に、シリーズ生産内燃機関のシリンダのピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差を組み合わせて識別するための本発明の方法では、各シリンダに割り当て可能な、該当するシリーズ生産内燃機関の、空気吸込み路内の吸込み空気および／または排ガス流出路内の排ガスの動的な圧力振動が動作中に測定され、ここからそれぞれ相応する圧力振動信号が作成される。同時に、クランクシャフト位相角度信号が求められる。圧力振動信号から、離散フーリエ変換を用いて、クランクシャフト位相角度信号に関する、測定された圧力振動の、選択された信号周波数の位相位置が求められる。

さらにこの方法は、以下のさらなるステップによって特徴づけられる。
・選択された各信号周波数の求められた位相位置に基づいて、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差に関連している、選択された信号周波数の同じ位相位置の線が求められる。これは、同じ位相位置の、基準線特性領域に格納されているまたは各モデル関数によって求められた基準線を用いて行われる。
・選択された信号周波数の同じ位相位置の求められた線の共通の交点が、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差にわたって広がっている共通の面への投影および同じ位相位置の求められた線の信号周波数に関連する位相シフトによって求められる。
・吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差が、選択された信号周波数の同じ位相位置の線の、求められた共通の交点から決定される。
・ピストンストローク位相差が、選択された信号周波数の同じ位相位置の線の共通の交点まで行われる位相シフトの値から決定される。

当業者は、シリンダの各燃焼室への空気供給に用いられ、ひいては、いわゆる空気経路を規定する全ての構成要素を、内燃機関の「空気吸込み路」または単に「吸込み路」、「吸気システム」または「流入路」という用語にまとめる。これには、例えば、空気フィルタ、吸気管、吸気マニホルドまたは分配管、略して吸入管、スロットルバルブ、ならびに場合によってはコンプレッサおよびシリンダ内の吸込み開口またはシリンダの流入通路が属していてよい。

これに対して、内燃機関の「排ガス流出路」または略して「排ガス路」または「流出路」という用語は、燃焼後に燃焼室から流出した排ガスの制御された導出に用いられる構成要素を表している。

圧力振動信号を分析するために、圧力振動信号に、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）が施される。このために、高速フーリエ変換（ＦＥＴ）として既知のアルゴリズムを、ＤＦＴの効率的な計算のために用いることができる。ＤＦＴによって、圧力振動信号が個々の信号周波数に分解される。これらは、その後、別個に、容易に、自身の振幅および位相位置に関して分析可能である。

このような場合には、特に、圧力振動信号の選択された信号周波数の位相位置が、弁制御時間および内燃機関のピストンストロークに関連していることが判明している。信号周波数の位相位置は、クランクシャフト回転角度信号に関する信号周波数信号の相対的な位置を表している。

本発明の方法は、追加のセンサ装置を用いずに、位相位置、すなわち内燃機関の吸気弁、排気弁および往復動ピストンの目下のストローク位置をクランクシャフト位相角度に関連して、高い精度で求めることができ、したがって、ガス交換過程の正確な計算のために、かつ内燃機関の制御パラメータの調整のために使用することができる、という利点を有している。

この方法のある構成では、この方法は、上述した本発明の方法に先行するステップを含んでおり、このステップは、基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とに関連して、空気吸込み路における吸込み空気および／または排ガス流出路における排ガスの圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の基準線を決定するために基準内燃機関を計測するステップと、基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とに関連して、圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の基準線を基準線特性領域に格納するステップである。

このようにして、吸気弁ストローク位相差、排気弁ストローク位相差ならびにピストンストローク位相差を容易に求めることができる。

有利には上述した基準線特性領域は、該当するシリーズ生産内燃機関の、いずれにせよ存在するエンジン制御機器の格納領域内に格納可能であり、したがってシリーズ生産内燃機関の動作時に、別個の格納手段を必要とせずに、上述した方法において直接的に使用可能である。

別の有利な方法では、圧力振動信号の選択された信号周波数の、上述したように求められた基準線特性領域から、各信号周波数に対して、代数モデル関数が導出される。これは、圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相角度の各基準線の経過を、基準吸気弁ストローク位相差ならびに基準排気弁ストローク位相差に関連して再現する。このようにして、同じ位相角度の基準線の数学的定式化が使用可能になり、これは、さらなる方法において、同じ位相位置の線の共通の交点を分析的に求めるために、ひいてはピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差を識別するために使用可能である。

本発明の発展形態では、選択された信号周波数に対する、上述したように求められた代数モデル関数が、該当するシリーズ生産内燃機関のエンジン制御機器の格納領域内に格納される。このようにして、この代数モデル関数は、直接的に、制御部において使用可能になり、容易に、同じ位相位置の線の各現下の算出に使用される。したがって、大きいデータ量を含んでおり、ひいては記憶装置の大きい容量需要の原因となる、対応する基準線特性領域を記憶装置内に保持する必要はない。

本発明の方法の別の構成では、同じ位相位置の求められた線の、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差にわたって広がっている共通の面への投影および同じ位相位置の求められた線の、信号周波数に関連する位相シフトが、共通の交点を求めるために、相応する代数的な関数に基づいて実行される。このために、本特許出願において、この方法を良好に可視化するために用いられる図は、代数的な関数または計算演算に変換される。これは、この方法を電子的にプログラミング可能な計算ユニットによって、例えば対応する計算演算がその上で実行可能である相応するエンジン制御機器を用いて実施する場合に特に有利である。

上述した前提条件のもとで、この方法は、該当するシリーズ生産内燃機関の電子的な、プログラミング可能なエンジン制御機器上で実施可能である。これは、別個の制御機器または計算機器が不要であり、この方法のアルゴリズムを、エンジン制御プログラムの相応する経過に含めることができるという利点を有している。

本発明の拡張された構成では、制御量または制御ルーチン、例えば噴射されるべき燃料量、噴射の開始時点、点火時点の整合、カムシャフトの位相調整器の駆動制御等は、求められたピストンストローク位相差、求められた吸気弁ストローク位相差および求められた排気弁ストローク位相差の修正または求められたピストンストローク位相差、求められた吸気弁ストローク位相差および求められた排気弁ストローク位相差への整合の主旨で、エンジン制御部において実行される。したがって、燃焼過程を、各シリーズ生産内燃機関の実際の状況に合わせて最適化させ、このようにして燃料の需要および排気の値を低減させることができる。

有利には、本発明の方法を実施するために、選択された信号周波数は、基本周波数または第１高調波としての内燃機関の吸気周波数および内燃機関の吸気周波数のさらなる倍数、すなわち第２から第ｎまでのいわゆる「高調波」に相当する。

ここで、吸気周波数は、同様に、内燃機関の回転数に対して一義的な関係にある。選択されたこのような信号周波数に対して、次に、並行して検出されたクランクシャフト位相角度信号を用いて、この関連において位相角度と称される、選択された信号周波数の位相位置が、クランクシャフト位相角度に関して求められる。これによって、特に一義的、ひいては良好に評価されるべき結果が、同じ位相位置の線を求める際に得られ、これはこのようにして高い精度の結果をもたらす。

さらに有利には、空気吸込み路内の吸込み空気の動的な圧力振動が、シリーズ生産による、いずれにせよ既に存在している圧力センサを用いて、吸入管内で測定される。これは、このために追加のセンサを配置する必要がなく、本発明の方法を実施するために追加コストが生じないという利点を有する。

本発明の方法を実施するために必要なクランクシャフト位相角度信号は、クランクシャフトと結合されている歯車およびホールセンサによって求められてよい。このようなセンサ装置は同様に、近年の内燃機関では、別の目的のために既に設けられている。これによって生成されるクランクシャフト位相角度信号は、本発明の方法によってともに容易に使用可能である。これは、追加のセンサを配置する必要がなく、本発明の方法を実行するために追加コストが生じないという利点を有する。

本発明の基になる、これらの関係の詳細な考察を以降で、図面を用いて行う。

往復動内燃機関の簡易的な略図 往復動内燃機関の重要な構成要素の生じ得る位置偏差および角度偏差が記入されている、図１に示された略図 空気吸込み路および／または排ガス管内で測定される圧力振動信号の選択された２つの信号周波数の位相位置（ＰＬ＿ＳＦ）と吸気側カムシャフト角度差と排気側カムシャフト角度差の関連性を表す２つの三次元図 吸気側カムシャフト角度差と排気側カムシャフト角度差にわたって広がっている面に投影された、空気吸込み路および／または排ガス管内で測定される圧力振動信号の選択された２つの信号周波数に対する同じ位相位置の線を表す２つの二次元図 吸気側カムシャフト角度差と排気側カムシャフト角度差の特定の組み合わせに対する、異なる信号周波数の同じ位相位置の線が記入された、図４に示された二次元図 ピストンストローク位相差が重畳されている場合の、吸気側カムシャフト角度差と排気側カムシャフト角度差の特定の組み合わせに対する、異なる信号周波数の同じ位相位置の線が記入された、図５に示されたような二次元図 本方法を可視化するための簡易的なブロック図

本発明は、以下の認識、すなわち、「理想的な」基準内燃機関での吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨと排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨの変更時、および、離散フーリエ変換を用いた、以降では略して圧力振動信号と称される、空気吸込み路内の吸込み空気または排ガス流出路内の排ガスの圧力振動信号の分析時、および、それぞれ吸気周波数または吸気周波数の倍数に相当する、選択された個々の信号周波数の考察時に、特に、選択された個々の信号周波数の位相位置、すなわちクランクシャフト位相角度信号に関する圧力振動信号の相対的な位置が、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨに関連することが判明している、という認識に基づいている。

図３では、この関連性が、２つの異なる信号周波数、すなわち吸気周波数（周波数１）と第１高調波（周波数２）とに対して示されている。

吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨと排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨを変えるために、各位相調整器によって、吸気側カムシャフト角度差ΔＥＮＷと排気側カムシャフト角度差ΔＡＮＷとが、−５°および＋５°の範囲で変えられ、圧力振動信号の各信号周波数のそれぞれ属する位相位置ＰＬ＿ＳＦが、このようにして広がっているΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ面にわたって垂直に記載されている。このようにして、選択された各信号周波数に対して、この広がった三次元空間内で異なる傾斜を持つ「位相面」１００，２００が生じる。ΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ面に対して平行に位置する交差面１１０，１２０，２１０，２２０を、各信号周波数の異なる位相位置ＰＬ＿ＳＦの高さに置くと、それぞれ、同じ位相位置の線と称される、各位相面１００，２００との交差線が生じる。すなわち、同じ位相位置のこのような線に沿った全てのΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ組み合わせに対して、圧力振動信号の選択された周波数の同じ位相位置が生じる。逆に推論すれば、これは、圧力振動信号の信号周波数の求められた位相位置に、一義的なΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ組み合わせが割り当てられないことを意味する。

図３では周波数１のもとで、位相面１００および例示的に２つの交差面１１０，１２０が位相位置２６０°および２６３°のもとで示されている。位相位置２６３°に対しては、同じ位相位置の線１１１が生じ、位相位置２６０°に対しては同じ位相位置の線１２１が生じている。周波数２の場合には、位相面２００および例示的に２つの交差面２１０，２２０が位相位置２１６°および１９５°のもとで示されている。位相位置２１６°に対しては、同じ位相位置の線２１１が生じ、位相位置１９５°に対しては同じ位相位置の線２２１が生じている。

関係をさらに調べるために、圧力振動信号の選択された各信号周波数の同じ位相位置の線を、ΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ面に投影した。これは、図４では、図３と同様に、周波数１および周波数２に対して別個に示されている。２６３°および２６０°での周波数１に対する同じ位相位置の相応する線１１１，１２１ならびに２１６°および１９５°での周波数２に対する同じ位相位置の相応する線２１１，２２１は、この図においても、相応する参照番号で示されている。異なった、選択された信号周波数の同じ位相位置の線が異なる勾配を有していることが分かる。図５において、同じ位相位置の線１３１，２３１，３３１および４３１に基づいて示されているように、異なった、選択された信号周波数の同じ位相位置の線をΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ面に重ねて投影すると、異なる信号周波数の同じ位相位置の線がちょうど１つの点で交わることが明らかになる。したがってこれは、唯一のΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ組み合わせを表している（同じ位相位置の図５および図６に示されている線が、先行する図面の図の継続として考察されるべきではないことを指摘しておく）。理想的な基準エンジンの下では、吸気側カムシャフト２３と吸気弁２２、および排気側カムシャフト３３と排気弁３２の直接的かつ影響を受けない相互作用が想定されるので、吸気側カムシャフト角度差ΔＥＮＷには具体的な吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨが割り当てられ、排気側カムシャフト角度差ΔＡＮＷには具体的な排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨが割り当てられる。

すなわち、それ以外において理想的な状況から出発する場合、圧力振動信号の選択された信号周波数の位相位置を求めることによって、かつ各信号周波数の求められた位相位置の同じ位相位置の既知の線を用いて、重畳し、共通のΔＥＶＨ−ΔＡＶＨ面に投影することによって、同じ位相位置の線の唯一の交点が求められ、ここから、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨの値を決定することができる。

さらなる調べにおいては、ここで吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨに対して付加的に、往復動ピストン位置の偏差、いわゆるピストンストローク位相差ΔＫＨが重畳される。これはシリーズ生産内燃機関のもとでも予期されるであろう。ここで、付加的に生じたピストンストローク位相差ΔＫＨのもとで、選択された信号周波数の同じ位相位置の線が、共通の面への投影による重畳の際に、もはや唯一の点で交差しない、ということが判明している。これは図６に示されている。ここでは、同じ位相位置の線の重畳時の複数の別個の交点３１１から３１５が示されている。

しかし、生じているピストンストローク位相差ΔＫＨが、各選択された信号周波数に関連する、異なる信号周波数の同じ位相位置の各線１３１，２３１，３３１および４３１の位相シフトを生じさせることが判明している。この位相シフトの値は、ピストンストローク位相差ΔＫＨの値に関連している。特に、周波数が上昇する際に、同じ位相位置の各線の位相シフトの値も線形に関連して上昇することが判明している。すなわち、第１高調波に相応する信号周波数のもとで、同じ位相位置の属する線の位相シフトが値Ｘぶん生じる場合、第２高調波のもとでは、２Ｘぶんの同じ位相位置の属する線の位相シフトが予期されるだろう。

したがって、すなわち、同じ位相位置の個々の求められた線１３１，２３１，３３１および４３１の、各決定の、ピストンストローク位相差ΔＫＨに関連する値Ｘ，２Ｘぶん等の相応する位相シフトによって、再び、唯一の交点が見つけられる。

既に上述したように、ΔＥＮＷ−ΔＡＮＷ面におけるこの交点の位置は、吸気側カムシャフト角度差ΔＥＮＷまたは吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨならびに排気側カムシャフト角度差ΔＡＮＷまたは排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨに関する情報を与える。これとは異なり、ピストンストローク位相差ΔＫＨは、同じ位相位置の線１３１，２３１，３３１および４３１の共通の交点までに必要な位相シフトの値から決定可能である。

図３から６にグラフで示されている関係は、この方法の基本を容易に理解するのに役立つ。当然ながら、これらの関係を、相応する代数的定式化に基づいても表すことができ、この方法を、これに基づいて、相応する計算演算およびプログラムアルゴリズムを用いて実施することができる。このために例えば、同じ位相位置の線を表すために、相応する数学的−物理的なモデル関数が導出され、これは共通の交点および必要な位相シフトを求めるために使用可能である。

動作時の内燃機関のピストンストローク位相差ΔＫＨ、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨを組み合わせて識別するためのこの方法の発明は、上述した認識に基づき、これに従って、例として、以下のようになる：
内燃機関の動作時に、継続的に、空気吸込み路における吸込み空気または排ガス流出路における排ガスまたは２つの領域における吸込み空気および排ガスの動的な圧力振動が測定される。各測定は、圧力振動信号を提供する。このような圧力振動信号は、内燃機関の制御機器に供給される。制御機器内では、この圧力振動信号に、制御機器内に格納されているプログラムアルゴリズムを用いて、離散フーリエ変換が施され、有利には、測定された圧力振動信号の、内燃機関の吸気周波数の第１高調波およびさらなる高調波の選択された信号周波数の位相位置が、クランクシャフト位相角度信号に関して求められる。次に、個々の選択された信号周波数に対して、各位相位置に基づいて、同じ位相位置のそれぞれ１つの相応する線が求められる。これはそれぞれ、相応する内燃機関シリーズに対して典型的な、制御機器の格納領域内に格納されている基準線特性領域から同じ位相位置の基準線を選択することによって、または相応する内燃機関シリーズに対して典型的な、制御機器の格納領域内に格納されている各代数モデル関数および相応する計算演算およびプログラムアルゴリズムを用いて計算することによって行われる。

このようにして求められた、個々の選択された信号周波数の同じ位相位置の線は次に、相応する、制御機器内に格納されているプログラムアルゴリズムを用いて、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨから広がっている共通の面に投影され、必要な場合には、個々の線の、信号周波数に関連する位相シフトによって、唯一の共通の交点へと動かされる。吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨから広がっている面におけるこのような共通の交点の位置から、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨが決定される。

上述した共通の面への同じ位相位置の線の投影が、既に、唯一の共通の交点をもたらしているのではない場合、付加的なピストンストローク位相差が想定されるべきである。このピストンストローク位相差は、上述したように、個々の選択された信号周波数の位相位置ひいては同じ位相位置の相応する線を、同じ方向へ、属する信号周波数にそれぞれ関連する値ぶん、すなわち信号周波数に関連して、シフトさせる。位相位置のシフトは、ピストンストローク位相差と一義的に関連しているので、唯一の共通の交点までの同じ位相位置の線の相応する、信号周波数に関連する（戻る方向への）シフトが、ピストンストローク位相差ΔＫＨに対する具体的な分量である。すなわちこのようにして、ピストンストローク位相差が、選択された信号周波数の同じ位相位置の線の共通の交点まで行われた位相シフトの値から決定可能である。

この方法を実施するために、同じ位相位置の基準線を有する特別な特性領域または相応する代数モデル関数が提供される必要がある。これらは、内燃機関の型式／シリーズの構造様式および構造的な詳細な設計に関連しており、したがってこのシリーズに対して典型的な、構造が同じ基準内燃機関で求められなければならない。このために、基準内燃機関で、圧力振動信号が空気吸込み路および／または排ガス流出路内の、できるだけ多くの動作点で、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨを変えて検出され、離散フーリエ変換が施され、位相位置が、選択された信号周波数に対して、吸気弁ストローク位相差ΔＥＶＨおよび排気弁ストローク位相差ΔＡＶＨに関連して格納される。ここでは、ピストンストローク位相差ΔＫＨはこの結果に重なっていない、またはこの結果を歪曲していない、ということに留意されたい。

このようにして求められた三次元データ領域に基づいて、個々の選択された信号周波数に対して、同じ位相位置の線が求められ、相応する特性領域内に格納される、または代数モデル関数が、同じ位相位置の線を計算するために求められる。

このようにして求められた特性領域および／またはモデル関数は、次に、構造的に同じ各シリーズ生産内燃機関の制御機器の格納領域内に格納され、本発明の方法を実施するのに用いられる。

図７には、動作時に、シリーズ生産内燃機関のシリンダのピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差を組み合わせて識別するための本発明の方法の構成が再度、重要なステップを伴う簡略化されたブロック図の形態で示されている。

始めに、各シリンダに割り当て可能な、該当するシリーズ生産内燃機関の、空気吸込み路内の吸込み空気および／または排ガス流出路内の排ガスの動的な圧力振動が動作中に測定され、ここから相応する圧力振動信号が作成され、同時に、クランクシャフト位相角度信号が求められる。これは、平行に配置されている、ＤＤＳ（動的な圧力振動信号）およびＫｗＰｗ（クランクシャフト位相角度）によって特徴付けされたブロックによって表されている。

圧力振動信号（ＤＤＳ）から次に、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）を用いて、クランクシャフト位相角度信号（ＫｗＰｗ）に関する、測定された圧力振動の複数の、選択された信号周波数の位相位置（ＰＬ＿ＳＦ＿１．．．ＰＬ＿ＳＦ＿Ｘ）が求められる。これは、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）およびＰＬ＿ＳＦ＿１．．．ＰＬ＿ＳＦ＿Ｘ（各信号周波数の位相位置）によって特徴付けされたブロックによって表されている。

相応に特徴付けされたブロックを用いて示されているように、選択された各信号周波数の求められた位相位置（ＰＬ＿ＳＦ＿１．．．ＰＬ＿ＳＦ＿Ｘ）に基づいて、次に、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差に関連している、各同じ信号周波数の同じ位相位置の各線（Ｌ＿ＰＬ＿１．．．Ｌ＿ＰＬ＿Ｘ）が求められる。これは、基準線特性領域に格納されているまたは各代数モデル関数によって求められた、各信号周波数の同じ位相位置の基準線（ＲＬ−ＰＬ＿１．．．ＲＬ＿ＰＬ＿Ｘ）を用いて行われる。このために、図７のダイヤグラムには、Ｓｐ＿ＲＬ／Ｒｆによって特徴付けされた記憶装置が示されており、ここから、この記憶装置内に提供されている、同じ位相位置の基準線ＲＬ＿ＰＬ＿１．．．Ｘまたは相応する代数モデル関数Ｒｆ（ＰＬ＿１．．．Ｘ）も、この線を求めるために呼び出すことができる。

さらに、同じ位相位置の求められた線（Ｌ＿ＰＬ＿１．．．Ｌ＿ＰＬ＿Ｘ）の少なくとも１つの各共通の交点が、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差にわたって広がっている共通の面への投影および同じ位相位置の求められた線の信号周波数に関連する位相シフトによって求められる。これは、ＳＰＥｍ（交点算出）によって特徴付けされたブロックによって表されている。

最後に、選択された信号周波数の同じ位相位置の線（Ｌ＿ＰＬ＿１．．．Ｌ＿ＰＬ＿Ｘ）の求められた交点から吸気弁ストローク位相差（ΔＥＶＨ）および排気弁ストローク位相差（ΔＡＶＨ）が決定される。ピストンストローク位相差（ΔＫＨ）が、選択された信号周波数の同じ位相位置の線の共通の交点まで行われる位相シフトの値から求められる。これは、相応に特徴付けされたブロックによって、図７に表されている。

さらに、図７は、上述した方法に先行する、基準内燃機関の計測のステップを含んでいる。このステップは、空気吸込み路内および／または排ガス流出路内の排ガスの圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の基準線（ＲＬ＿ＰＬ＿１．．．Ｘ）を決定するためのものであり、これは基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とに関連している。ならびに図７は、基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とにそれぞれ関連して、圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の基準線を基準線特性領域に格納することを示しており、これは、ＲＬ＿ＰＬ＿１．．．Ｘによって特徴付けされたブロックによって象徴的に表されている。

Ｒｆ（ＰＬ＿１．．．ｘ）によって特徴付けされたブロックは、代数モデル関数の派生を含んでおり、これは、同じ位相位置の基準線関数（Ｒｆ（ＰＬ＿１）．．．Ｒｆ（ＰＬ＿Ｘ））として、圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の各基準線の経過を、基準吸気弁ストローク位相差ならびに基準排気弁ストローク位相差に関連して、事前に求められた基準線特性領域に基づいてマッピングする。

同じ位相位置の基準線特性領域または基準線関数は次に、該当するシリーズ生産内燃機関のエンジン制御機器（ＣＰＵ）の格納領域（Ｓｐ＿ＲＬ／Ｒｆ）内に格納される。これらは、これまでに説明された本発明の方法を実施するために提供されている。

ブロック図に破線で示された、相応するブロックのフレームは、そこでこの方法が実施される、該当するシリーズ生産内燃機関の、電子的にプログラミング可能なエンジン制御機器５０（ＣＰＵ）の境界を象徴的に表している。

Claims (11)

1. 動作時に、シリーズ生産内燃機関のシリンダのピストンストローク位相差、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差を組み合わせて識別するための方法であって、
   前記シリンダに割り当て可能な、該当する前記シリーズ生産内燃機関の、空気吸込み路内の吸込み空気および／または排ガス流出路内の排ガスの動的な圧力振動を動作中に測定し、ここから相応する圧力振動信号を作成し、同時に、クランクシャフト位相角度信号を求め、
   前記圧力振動信号から、離散フーリエ変換を用いて、前記クランクシャフト位相角度信号に関する、測定された前記圧力振動の、選択された信号周波数の位相位置を求める方法において、
   各前記選択された信号周波数の求められた前記位相位置に基づいて、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差に関連している、前記選択された信号周波数の同じ位相位置の線を、同じ位相位置の、基準線特性領域に格納されているまたは各代数モデル関数によって求められた基準線を用いて求めるステップと、
   前記選択された信号周波数の同じ位相位置の求められた前記線の共通の交点を、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差にわたって広がっている共通の面への投影および同じ位相位置の求められた前記線の信号周波数に関連する位相シフトによって求めるステップと、
   前記吸気弁ストローク位相差および前記排気弁ストローク位相差を、前記選択された信号周波数の同じ位相位置の前記線の、求められた前記共通の交点から決定するステップと、
   前記ピストンストローク位相差を、前記選択された信号周波数の同じ位相位置の前記線の前記共通の交点まで行われる前記位相シフトの値から決定するステップと、
   を特徴とする方法。
2. 以下の先行するステップ、すなわち、
   基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とに関連して、空気吸込み路内の吸込み空気および／または排ガス流出路内の排ガスの前記圧力振動信号の選択された信号周波数の同じ位相位置の基準線を特定するために基準内燃機関を計測するステップと、
   基準吸気弁ストローク位相差と基準排気弁ストローク位相差とに関連して、前記圧力振動信号の前記選択された信号周波数の同じ位相位置の前記基準線を基準線特性領域に格納するステップと、
   を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記基準線特性領域を、前記該当するシリーズ生産内燃機関のエンジン制御機器の格納領域内に格納する、請求項２記載の方法。
4. 前記圧力振動信号の前記選択された信号周波数の前記基準線特性領域から、各信号周波数に対して代数モデル関数を導出し、該代数モデル関数は、前記圧力振動信号の前記選択された信号周波数の同じ位相位置の各基準線の経過を、基準吸気弁ストローク位相差ならびに基準排気弁ストローク位相差に関連して再現する、請求項２記載の方法。
5. 前記選択された信号周波数に対する、前記代数モデル関数を、前記該当するシリーズ生産内燃機関のエンジン制御機器の格納領域内に格納する、請求項４記載の方法。
6. 同じ位相位置の求められた前記線の、吸気弁ストローク位相差および排気弁ストローク位相差にわたって広がっている、共通の面への前記投影および同じ位相位置の求められた前記線の、前記信号周波数に関連する位相シフトを、前記線の共通の交点を求めるために、相応する代数的な関数に基づいて実行する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記方法を、前記該当するシリーズ生産内燃機関の電子的な、プログラミング可能なエンジン制御機器上で実施する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 制御量または制御ルーチンの整合を、求められた前記ピストンストローク位相差、求められた前記吸気弁ストローク位相差および求められた前記排気弁ストローク位相差の修正または求められた前記ピストンストローク位相差、求められた前記吸気弁ストローク位相差および求められた前記排気弁ストローク位相差への整合の主旨で、前記エンジン制御機器上で実行する、請求項７記載の方法。
9. 前記選択された信号周波数は、前記内燃機関の吸気周波数および前記吸気周波数のさらなる倍数を含んでいる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記動的な圧力振動を、シリーズ生産による圧力センサを用いて、吸入管内で測定する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記クランクシャフト位相角度信号を、クランクシャフトと結合されている歯車およびホールセンサによって求める、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。

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