JP2020521910A - 動作中に内燃機関のその時点の圧縮比を算定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の方法では、該当する内燃機関の吸気路内でのダイナミックな圧力振動が通常動作中に測定され、圧力振動から相応の圧力振動信号が形成される。同時にクランクシャフト位相角度信号も算定される。圧力振動信号から、測定された圧力振動の少なくとも１つの選択された信号周波数の少なくとも１つの特徴の実際値がクランクシャフト位相角度信号に関して算定され、算定された実際値に基づき、種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数の相応の特徴の基準値を用いて、その時点の圧縮比が算定される。

Description

本発明は、内燃機関の動作中、吸気路内または排気路内で測定された圧力振動信号から内燃機関のその時点の圧縮比を算定する方法に関する。

ここでおよび以下で単に内燃機関とも略称するレシプロエンジンは、内部にそれぞれ１つのピストンを配置した１つもしくは複数のシリンダを有する。以下に、例として場合によりマルチシリンダ内燃機関の１つのシリンダを、最も重要な機能ユニットと共に示す図１を参照して、レシプロエンジンの基本方式を説明する。

各ピストン６は各シリンダ２内で直線運動するように配置されており、シリンダ２と共に燃焼室３を閉鎖している。各ピストン６は、いわゆるコンロッド７を介してクランクシャフト９の各クランクピン８に結合されており、ここでクランクピン８はクランクシャフト軸線９ａに対して外心となるように配置されている。燃焼室３内での燃料空気混合気の燃焼により、ピストン６が直線状に「下方へ」駆動される。ピストン６の並進往復運動は、コンロッド７およびクランクピン８によりクランクシャフト９へ伝達され、クランクシャフト９の回転運動へ変換されて、当該クランクシャフト９が、ピストン６を、その質量慣性に基づいて、シリンダ２内の下死点の通過後、再び反対方向の「上方」へ、上死点まで運動させる。内燃機関１の連続動作を可能にするには、シリンダ２のいわゆる作業サイクル中、まず燃焼室３にいわゆる吸気路を介して燃料空気混合気を充填し、燃焼室３内の当該燃料空気混合気を圧縮し、次いで（ガソリン内燃機関のケースではスパークプラグにより、またディーゼル内燃機関のケースでは自己着火により）点火し、ピストン６を駆動させるための燃焼を生じさせ、最後に、燃焼後に残留している排気ガスを燃焼室３から排気路へ押し出すことが必要である。こうしたフローの連続的な反復により、燃焼エネルギに比例する作業を出力しつつ、内燃機関１の連続動作が得られる。

機関のコンセプトに応じて、シリンダ２の作業サイクルは、クランクシャフトの１回転（３６０°）を二分割した行程（２ストロークエンジン）、またはクランクシャフトの２回転（７２０°）を四分割した行程（４ストロークエンジン）に区分される。

自動車の駆動機構として、今日まで、４ストロークエンジンが広く受け容れられてきた。ピストン６が下降運動する際に、吸気路内で、（図１では代替例として破線で示されている噴射弁５ａによる吸気管噴射の場合）燃料空気混合気２１が、または（噴射弁５による燃料直接噴射の場合）新気のみが、吸気路２０から燃焼室３内へ導入される。次の圧縮行程では、ピストン６が上昇運動する際に、燃料空気混合気または新気が燃焼室３内で圧縮され、場合により噴射弁５により別個に燃料が噴射される。次の作業行程では、例えばガソリン内燃機関においては燃料空気混合気がスパークプラグ４により点火されて燃焼し、ピストン６の下降運動の際に作業を出力しつつ、膨張する。最後の排気行程では、あらためてピストン６が上昇運動する際に、残留している排気ガス３１が燃焼室３から排気路３０へ押し出される。

内燃機関１の吸気路２０または排気路３０に対する燃焼室３の画定は、一般に、またここで基礎としている例では特に、吸気弁２２および排気弁３２によって行われる。これらの弁の駆動は、今日の従来技術によれば少なくとも１つのカムシャフトを介して行われる。図示の例では、吸気カムシャフト２３を介して吸気弁２２が操作され、排気カムシャフト３３を介して排気弁３２が操作される。弁と各カムシャフトとの間には、大抵の場合、ここでは図示していない力伝達のための別の機械的モジュールが設けられており、当該機械的モジュールは、バルブクリアランス補償部（例えばバレルタペット、ロッカーアーム、カムフォロア、プランジャロッド、ラッシュアジャスタなど）も含みうる。

吸気カムシャフト２３および排気カムシャフト３３の駆動は、内燃機関１そのものによって行われる。このために、吸気カムシャフト２３および排気カムシャフト３３は、それぞれ適切な吸気カムシャフト制御アダプタ２４および排気カムシャフト制御アダプタ３４、例えば歯車、チェーンホイールもしくはベルトホイールを介して、例えば歯車ギヤ、制御チェーンまたは制御ベルトを有する制御ギヤ４０により、相互にかつクランクシャフト９に対して設定された位置で、相応に歯車、チェーンホイールもしくはベルトホイールとして構成された相応の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に連結されている。こうした結合により、吸気カムシャフト２３および排気カムシャフト３３の回転位置が、クランクシャフト９の回転位置に対して相対的に定義される。図１には、例として、ベルトディスクおよび制御歯付ベルトによる、吸気カムシャフト２３および排気カムシャフト３３とクランクシャフト９との間の連結が示されている。

さらに、クランクシャフトが１作業サイクルにわたって走破する回転角度は、作業フェーズまたは単に位相とも称される。これに相応に、クランクシャフトが１作業フェーズ内で走破する回転角度は、位相角度とも称される。クランクシャフト９のそれぞれその時点で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に結合された位置センサ４３と、対応づけられたクランクシャフト位置センサ４１とにより、連続的に検出可能である。ここで、位置センサ４３は、例えば等間隔で周に分散配置された多数の歯を有する歯車として構成可能であり、個々の歯の数によりクランクシャフト位相角度信号の分解能が決定される。

同様に、場合により付加的に、吸気カムシャフト２３および排気カムシャフト３３のその時点の位相角度を、相応の位置センサ４３および対応づけられたカムシャフト位置センサ４２により連続的に検出することもできる。

各クランクピン８およびこれと共にピストン６が、吸気カムシャフト２３およびこれと共に各吸気弁２２が、さらに排気カムシャフト３３およびこれと共に各排気弁３２が、設定された相互の関係における設定された機械的連結により、クランクシャフトの回転に依存して運動するので、これらの機能要素はクランクシャフトに同期して各作業フェーズを行う。つまり、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各昇降位置は、各変換比を考慮して、クランクシャフト位置センサ４１により得られる、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する。したがって、理想的な内燃機関では、特定の各クランクシャフト位相角度に対して、特定のクランクピン角度、特定のピストンストローク、特定の吸気カムシャフト角度ひいては特定の吸気弁ストローク、および特定の排気カムシャフト角度ひいては特定の排気弁ストロークが対応づけ可能である。つまり、言及した全ての要素は、回転するクランクシャフト９と同相にあるかまたはこれと同相で運動する。

また、機関動作の制御のための、プログラミング可能な電子機関制御ユニット５０（ＣＰＵ）がシンボリックに示されており、当該ＣＰＵには、種々のセンサ信号を受け取る信号入力側５１と、相応の調整ユニットおよびアクチュエータを駆動するための信号および作業出力側５２と、電子計算ユニット５３と、対応づけられた電子メモリユニット５４とが設けられている。

内燃機関のいわゆるチャージ交換、すなわち、ピストン６の昇降運動と吸気弁２２および排気弁３２の開閉とに依存して行われる、吸入路とも称される吸気路２０から燃焼室３への新気２１もしくは燃料空気混合気の吸入、ならびに燃焼後に行われる、排出路とも称される排気路３０への排気ガス３１の押し出しにより、吸気路内の吸入空気もしくは燃料空気混合気に、また排気路内の排気ガスに圧力振動が生じ、当該圧力振動は、同様に、クランクシャフト９の回転と同相の特性を有するので、クランクシャフト位相角度に関して設定可能である。

内燃機関の動作の最適化には、長い間、従来技術として、動作中定常的に特定の実際動作パラメータをセンサにより検出し、目標動作からの偏差がある場合に、電子機関制御装置により、影響する制御パラメータを適応化または補正することが属していた。ここで従前焦点となっていたのは、燃料噴射量、噴射時点および点火時点、弁制御時間、チャージ圧、供給空気量、排気ガス組成（ラムダ値）、排気ガス温度などである。

世界的にますます厳しくなっている、内燃機関の排気ガス組成および排気ガス量への法規的要求により、最近では、いわゆる圧縮比εも開発者らの焦点となっており、このことを図２に即して説明する。従来の内燃機関では、圧縮比は、内燃機関の機械的構造によって構造的に定められた、圧縮容積ＫＲに対する燃焼容積ＶＲの比を記述する値である。圧縮容積ＫＲは、ここでは、図２のａ）に示されているように、ピストンが上死点ＯＴに位置する際にシリンダ内でピストンにより閉鎖される残留容積を記述している。燃焼容積は、ここでは、図２のｂ）に示されているように、ピストンが下死点ＵＴに位置する際にピストンによってシリンダ内で閉鎖される容積全体を記述しており、圧縮容積と、ストローク容積ＨＲ、すなわちピストンストローク距離Ｈ上にあるピストンによりシリンダ内の下死点から上死点までの排出容積に相当する容積とから成り、つまりピストン断面積またはシリンダ断面積Ｑにピストンストローク距離Ｈを乗算することで得られる。

このように、圧縮比εは、
ε＝ＶＲ／ＫＲ＝（ＨＲ＋ＫＲ）／ＫＲ
から得られる。圧縮比を増大することにより、内燃機関の効率を向上させることができる。ただしこの場合、圧縮比に伴って増大する圧力および温度に基づいて、シリンダの機械的耐性、シリンダヘッドシールの機械的耐性と、さらにもちろん燃料品質、特にノッキング耐性とにより、限界が設定される。内燃機関の開発中には、種々の措置により、圧縮比を、ガソリン機関では初期的に４：１から１５：１まで、ディーゼル機関では２３：１までに増大させることができる。

ただし、図示したように、内燃機関の各動作点において、同一の高い圧縮比は最適ではない。ここから、各動作点に対して最適な圧縮比を設定できるよう、可変の圧縮比を可能にする試みが生じる。このために、既に、例えばいわゆるマルチリンクシステムを介してピストンストローク距離を変化させるかまたはシリンダヘッドの傾動により圧縮容積を増大もしくは縮小させることのできる解決手段が存在する。この場合、相応のアクチュエータを介して、ピストンストローク距離または傾動角度を連続動作中に調整することができる。

内燃機関の上述した動作パラメータについて既に説明したように、この場合にも、設定された圧縮比の真の実際値と設定された目標値とを比較して補正を導入しうることが重要である。このためには、その時点の圧縮比を高い信頼性で検出しなければならない。このことは、従来はアクチュエータの調整距離の検出によって間接的に、または場合によりシリンダ圧力センサを介して直接にしか行えなかった。第１のケースでは、場合により存在するトレランスまたは調整装置での偏差が検出されないため不確実性が残留し、第２のケースでは、付加的なセンサに対する著しく高い費用と付加的な装置技術コストとが発生する。なお、それ自体は一定の圧縮比を有する内燃機関であっても、連続動作中にその時点の圧縮比を決定することは、例えば摩耗現象の早期識別のため、またはいわゆるオンボードダイアグノーシス（ＯＢＤ）のため、ならびに別の動作パラメータの妥当性検査のため、または内燃機関の機構への機械的な外部介入の識別のため、例えばチューニング措置の枠組みにおける外部介入の識別のために望ましく、有利に使用される。

したがって、課題は、できるかぎり付加的なセンサ装置および装置技術コストなしに、個々の各シリンダにつき、その時点での連続動作中、その時点の圧縮比をできるかぎり正確に決定し、連続動作の最適化のために動作パラメータの相応の適応化を行えるようにすることにある。

この課題は、本発明の主請求項による、動作中に内燃機関のその時点の圧縮比を算定する方法の実施により解決される。本発明の方法の発展形態および変形実施形態は、各従属請求項の対象となっている。

以下に述べる課題の解決手段は、圧縮比と吸気路内または排気路内の圧力振動との間に一義的な関係が存在するとの知識を基礎としている。

本発明の方法の一実施形態によれば、該当する内燃機関の吸気路内または排気路内での、内燃機関のシリンダに対応づけ可能なダイナミックな圧力振動が、定義された動作点で通常動作中に測定され、当該圧力振動から相応の圧力振動信号が形成される。同時に、すなわち時間的に関連して、いわば圧力振動信号の基準信号もしくは参照信号として、内燃機関のクランクシャフト位相角度信号も算定される。

可能な動作点は、例えば設定された回転数でのアイドリング動作である。この場合、有利には、圧力振動信号への別の影響ができるかぎり排除されるかまたは少なくとも最小化されるように注意しなければならない。通常動作とは、例えば自動車の内燃機関の規定通りの動作を表し、ここで、内燃機関は、同一構造の内燃機関の１シリーズの見本である。こうした内燃機関については、シリーズ内燃機関またはフィールド内燃機関なる別の表記も使用する。

吸気路内または排気路内で測定される圧力振動は、吸気路内の吸入空気もしくは吸入された燃料空気混合気での圧力振動、または排気路内の排気ガスでの圧力振動である。

ここで、圧力振動信号から、離散フーリエ変換により、測定された圧力振動の少なくとも１つの選択された信号周波数の少なくとも１つの特徴の少なくとも１つの実際値が、クランクシャフト位相角度信号に関して算定される。

当該方法の別のシーケンスでは、次いで、各特徴につき算定された少なくとも１つの実際値に基づいて、種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数のそれぞれ相応の特徴の基準値を用いて、内燃機関のその時点の圧縮比が算定される。

内燃機関の吸気路内または排気路内で記録された圧力振動信号を分析するために、当該圧力振動信号は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）にかけられる。このため、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）として公知のアルゴリズムが、ＤＦＴの効率的な計算に利用可能である。ここで、ＤＦＴにより、圧力振動信号が、さらにその振幅および位相に関して別個にかつ簡単に分析可能な個々の信号周波数に分解される。当該ケースでは、圧力振動信号の選択された信号周波数の位相および振幅の双方が各シリンダの圧縮比に依存することがわかっている。有利には、このために、内燃機関の基本周波数もしくは１次高調波としての吸入周波数、または吸入周波数の複数倍、すなわち２次高調波からｎ次高調波に相当する信号周波数が利用され、ここで、吸入周波数も、内燃機関の回転数ひいては燃焼サイクルもしくは位相サイクルに対して一義的な関係を有する。少なくとも１つの選択された信号周波数に対して、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、少なくとも１つの位相、振幅またはこれら双方の実際値が、当該選択された信号周波数の特徴として、クランクシャフト位相角度に関して算定される。

ここで、圧力振動信号の選択された信号周波数の特徴の、このようにして算定された実際値から圧縮比を算定するために、算定された特徴の値が、内燃機関の種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数のそれぞれ相応の特徴のいわゆる基準値と比較される。各特徴の当該基準値には、相応の圧縮比が一義的に対応づけられている。したがって、算定された実際値に一致する基準値により、対応づけられた圧縮比を推定することができる。

本発明の方法の利点は、各圧力信号に基づくのみで、もともとシステム内に存在するセンサにより算定可能であり、かつもともと存在する機関制御のための電子計算ユニットにより分析可能または処理可能であって、ひいては付加的な装置技術コストなしに、内燃機関の個々の各シリンダのその時点での圧縮比が算定可能となることである。この場合、必要であれば、当該圧縮比を基礎として、各動作点における最適な動作が保証されるように、内燃機関の制御パラメータを補正しつつ変化させることができる。

本発明の基礎とする内燃機関の動作方式、ならびに特定の選択された信号周波数での圧縮比と吸気路内または排気路内で測定された圧力振動信号の特徴、位相および振幅との関係を説明し、さらに、従属請求項に記載された本発明の対象の特に有利な実施例、詳細形態もしくは発展形態を記述するために、以下に図面を参照するが、本発明の対象は当該例に限定されるものではない。図面には次のことが示されている。

最も重要な機能要素を含む、ここでは内燃機関とも略称するレシプロエンジンを示す概略図である。 圧縮比を説明するための、内燃機関を示す２つの別の概略図ａ)，ｂ）であり、ａ）ではピストンが上死点にあり、ｂ）ではピストンが下死点にある。 種々の信号周波数での、圧力振動信号の位相と圧縮比との依存関係を示すグラフである。 種々の信号周波数での、圧縮振動信号の振幅と圧縮比との依存関係を示すグラフである。 圧力振動信号の２つの異なる信号周波数の位相の位相差と圧縮比との依存関係を示すグラフである。 圧縮比に依存する種々の周波数の基準位相と、圧力振動信号の位相につき算定されたその時点の値に基づく圧縮比の実際値の算定とを示す図である。 本発明の方法の一実施形態を概略的に示すブロック図である。

図中、機能および名称の類似した対象物には同一の参照番号を付してある。

図１、図２には、圧縮比の説明のために内燃機関の動作方式の上記説明において既に詳細に言及している。

本発明の方法の実施の際には、既に上で言及したように、上記の量の相互の関係または依存性が一義的に既知であることが前提となっている。以下では、当該関係を吸気路内で測定された圧力振動信号について説明するが、同様のことは排気路内の圧力振動信号にも当てはまる。

図３には、例として、種々の信号周波数における、圧縮比εに依存する、吸気路内の圧縮振動信号の位相の特性に基づく当該関係が示されている。ここでは、各信号周波数において、圧縮比εが増大する場合に、より大きな値への位相値のシフトが生じている。個々の測定点間を補間することにより、それぞれ１つずつ、定常的かつ連続的に増大するほぼ直線状の特徴を有する曲線１０１が吸入周波数で得られ、曲線１０２が吸入周波数の２倍で、曲線１０３が吸入周波数の３倍で、またはいわゆる１次高調波、２次高調波および３次高調波で得られる。この場合、２次高調波の値はいずれも、圧縮比εの増大に伴って僅かに増大する値だけ１次高調波より高く、３次高調波の値はいずれも、圧縮比εの増大に伴って僅かに増大する値だけ２次高調波より高く、これにより、示されている３つの曲線は、圧縮比εの増大に伴って僅かずつ離れるように進行する。

図４には、同様に、種々の信号周波数における、圧縮比εに依存する、吸気路内の圧力振動信号の振幅の特性に基づく類似の関係が示されている。ここでは、各信号周波数において、圧縮比εが増大する場合、より小さな値への振幅値のシフトが生じている。個々の測定点間を補間することにより、ここでは、それぞれ１つずつ、定常的かつ連続的に減少するほぼ直線状の特徴を有する曲線２０１が吸入周波数で得られ、曲線２０２が吸入周波数の２倍で、曲線２０３が吸入周波数の３倍で、またはいわゆる１次高調波、２次高調波および３次高調波で得られる。この場合、２次高調波の値はいずれも、圧縮比εの増大に伴って僅かに減少する値だけ１次高調波より低く、３次高調波の値はいずれも、圧縮比εの増大に伴って僅かに減少する値だけ２次高調波より低く、これにより、示されている３つの当該曲線は、圧縮比εの増大に伴って僅かずつ近づくように進行する。

図５には、圧力振動信号の別の特徴として、３次高調波の位相と１次高調波の位相との各値間の位相差または相位置差が圧縮比εに依存して示されている。つまり、図４の図示から見て取れるように、ここでは、圧縮比εの増大に伴って増大する曲線１０４が、個々の位相の場合と類似の関係を示している。当該特徴の利点は、差形成によって、場合により個々の曲線にそれぞれ等しい割合で含まれる障害量が消去可能となることにある。もちろん、差形成のためにそれぞれ他の高調波も利用可能である。

本発明の方法の一構成では、各特徴の基準値が、少なくとも１つの各基準値特性マップにおける圧縮比に依存して形成される。こうした基準値特性マップには、例えば、図３に示したような、種々の信号周波数に対する圧縮比に依存する位相の基準値、または図４に示したような、種々の信号周波数に対する圧縮比に依存する振幅の基準値、または図５に示したような、圧縮比に依存する、種々の信号周波数に対して算定された２つの位相間のもしくは振幅間の差値の基準値が統合されている。ここで、こうしたそれぞれ複数の特性マップは、内燃機関の種々の動作点に対して形成可能である。このように、相応の広汎な特性マップは、例えば内燃機関の種々の動作点および種々の信号周波数に対する相応の基準値曲線を含むことができる。

次いで、内燃機関の各シリンダのその時点の圧縮比の算定は、図６に位相の例で示すように、内燃機関の通常動作中、選択された信号周波数、ここでは２次高調波１０２に対し、圧力振動信号の特徴の算定された実際値、ここでは位相値４１に基づいて、２次高調波１０２の基準曲線上の対応する点１０５が算定され、これに基づき、図６の破線によって図示している通り、対応する圧縮比、ここではε＝１１．３が算定されるようにすることで、簡単に行うことができる。こうして、その時点の圧縮比が、特に簡単にかつ僅かな計算コストで動作中に算定可能となる。

選択的にこれに代えてもしくはこれに加えて、それぞれ相応の特徴の各基準値を計算により算定するため、相応の基準曲線を表し、かつ特徴と圧縮比との関係をマッピングする、少なくとも１つの各代数モデル関数が形成される。次いで、各特徴の算定された実際値の設定のもとで、その時点の圧縮比が計算される。当該代替手段の利点は、全体として僅かなメモリ容量しか使用せずに済むことにある。

有利には、本発明の方法の実施、すなわち選択された信号周波数の各特徴の実際値の算定ならびに内燃機関のその時点の圧縮比の算定は、内燃機関に対応づけられた、好適には機関制御ユニットの構成要素である電子計算ユニットにより行われる。この場合、各基準値特性マップおよび／または各代数モデル関数は、電子計算ユニットに対応づけられた、好適には同様に機関制御ユニットの構成要素である少なくとも１つの電子メモリ領域に記憶される。このことは図７のブロック図に概略的に示されている。電子計算ユニット５３を含む機関制御ユニット５０は、ここでは、本発明の方法の個々のステップ／ブロックおよび電子メモリ領域５４を含む破線の囲みによってシンボリックに示されている。

特に有利には、本発明の方法を実施するために、内燃機関に対応づけられた、例えば中央機関制御ユニット５０の構成要素であって、中央処理ユニットもしくはＣＰＵとも称され、内燃機関１の制御のために設けられた電子計算ユニット５３が利用される。この場合、基準値特性マップまたは代数モデル関数は、ＣＰＵ５０の少なくとも１つの電子メモリ領域５４内に記憶可能である。

このように、本発明の方法は、自動的に、きわめて迅速かつ再帰的に内燃機関の動作中に実行可能であり、算定された圧縮比に依存した、内燃機関の制御のための別の制御量または制御ルーチンの適応化を、機関制御ユニットにより直接に行うことができる。

このことは、一方では、別個の電子計算ユニットが必要なく、したがってまた付加的な、場合により障害を起こしやすい、複数の計算ユニット間のインタフェースが生じないという利点を有する。他方では、本発明の方法は、内燃機関の制御ルーチンの積分構成要素とすることができ、これにより、内燃機関の制御量もしくは制御ルーチンをその時点の圧縮比に対して迅速に適応化することができる。

既に上で示した通り、種々の圧縮比に対する各特徴の基準値が、当該方法を実施するために利用可能である。

このために、本発明の方法の拡張形態では、少なくとも１つの選択された信号周波数に対する各特徴の基準値が、基準内燃機関において先行して、種々の圧縮比に依存して算定される。このことは、図７のブロック図においてＢ１０，Ｂ１１の記号が付されたブロックによりシンボリックに示されており、ここで、ブロックＢ１０は、基準内燃機関の測定（Ｖｍｓｓｇ＿Ｒｅｆｍｏｔ）を表しており、ブロックＢ１１は、選択された信号周波数での各特徴の測定された基準値の、基準値特性マップへの統合（ＲＷＫ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）を表している。ここで、基準内燃機関とは、挙動に影響する構造的なトレランス偏差が存在しないことが特に保証された、相応の内燃機関シリーズの構造同一の１つの内燃機関である。これにより、圧力振動信号の各特徴と圧縮比との関係が、できるかぎり正確に、別の障害因子の影響なしに算定可能となることが保証される。

相応の基準値の算定は、基準内燃機関を用いて、種々の動作点において、別の動作パラメータ、例えば吸入された媒体の温度、冷却剤温度または機関回転数の設定のもとで、またはこれらを変化させて、行うことができる。このようにして得られる基準値特性マップは、例えば図３、図４、図５に示したように、ここでは有利に、シリーズの構造同一の全ての内燃機関において利用可能となり、特には、内燃機関に対応づけ可能な電子機関制御ユニット５０の電子メモリ領域５４に格納可能である。

上述した、選択された信号周波数の各特徴の基準値の先行の算定に続いて、選択された信号周波数の算定された基準値と対応づけられた圧縮比とから、少なくとも選択された信号周波数の各特徴と圧縮比との関係をマッピングする各代数モデル関数が導出可能となる。このことは、図７のブロック図において、Ｂ１２の記号が付されたブロックによって表されている。この場合、選択的に上述した別のパラメータも考慮可能である。このようにして代数モデル関数（Ｒｆ（ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ））が得られ、当該代数モデル関数により、位相の設定のもとで、また場合により各上述した変数を考慮して、その時点の各圧縮比が計算可能となる。

モデル関数は、この場合、有利には、シリーズの構造同一の全ての内燃機関において利用可能であり、特には、内燃機関に対応づけ可能な電子機関制御ユニット５０の電子メモリ領域５４に格納可能である。その利点は、当該モデル関数が広汎な基準値特性マップよりも僅かなメモリスペースしか要さないことにある。

一実施例では、選択された信号周波数の各特徴の基準値の先行の算定は、特定の基準圧縮比の設定のもとでの、少なくとも１つの定義された動作点における基準内燃機関の測定（Ｖｍｓｓｇ＿Ｒｅｆｍｏｔ）により行うことができる。これは、図７のブロック図において、Ｂ１０の記号が付されたブロックにより表されている。ここでは、選択された信号周波数の各特徴の基準値を決定するために、基準内燃機関のシリンダに対応づけ可能な、吸気路内または排気路内のダイナミックな圧力振動が動作中に測定され、相応の圧力振動信号が形成される。

同時に、ダイナミックな圧力振動の測定に時間的に関連して、クランクシャフト位相角度信号が算定される。さらに続いて、測定された圧力振動の選択された信号周波数の各特徴の基準値が、クランクシャフト位相角度信号に関して、離散フーリエ変換により、圧力振動信号から算定される。

算定された基準値は、この場合、対応づけられた圧縮比に依存して基準値特性マップ（ＲＷＫ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）に記憶される。これにより、選択された信号周波数の圧力振動信号の各特徴と圧縮比との間の依存関係を高い信頼性で算定することができる。

本発明の方法の上述した全ての実施形態および発展形態において、測定された圧力振動の少なくとも１つの特徴として、少なくとも１つの選択された信号周波数の位相もしくは振幅または位相および振幅を用いることができる。位相および振幅は、個々の選択された信号周波数に関して離散フーリエ変換により算定可能な、基礎となる主要な特徴である。最も簡単なケースでは、内燃機関の特定の動作点において、正確に１つの実際値、例えば選択された信号周波数、例えば２次高調波での位相が算定され、当該値を、記憶された基準値特性マップの相応の位相基準値に対応づけることにより、同一の信号周波数において圧縮比の対応づけられた値が算定される。

なお、例えば位相および振幅に対する複数の実際値を、種々の信号周波数において算定し、圧縮比の算定のために例えば平均値形成により相互に結合することもできる。このようにすれば、有利には、圧縮比の算定値の精度を向上させることができる。

各信号周波数の位相または振幅の別個の観察に代えて、それぞれ種々の信号周波数での複数の位相実際値または複数の振幅実際値を組み合わせた観察を行うこともできる。つまり、測定された圧力振動の少なくとも１つの特徴として、種々の信号周波数で算定された圧力振動信号の２つの位相値間の差値、または種々の信号周波数で算定された圧力振動信号の２つの振幅値間の差値が利用可能である。こうした手段により、例えば、種々の信号周波数での各絶対実際値に同様に作用する障害影響を消去することができる。

選択された信号周波数として、吸入周波数またはその複数倍、すなわち１次高調波、２次高調波、３次高調波などを選択すると有利であることが判明している。これらの信号周波数では、圧力振動信号の各特徴と圧縮比との依存関係が特に明瞭に際立っている。

当該方法の発展形態において、圧縮比の算定の精度を有利にさらに向上させるために、圧縮比の算定の際、内燃機関の付加的な動作パラメータを利用することができる。このために、別の動作パラメータ、
・吸気路内の吸入された媒体の温度、
・内燃機関の冷却に使用される冷却剤の温度、
・内燃機関の機関回転数、
のうち少なくとも１つを圧縮比の算定の際に利用可能である。

吸入された媒体の温度、すなわち実質的には吸入空気の温度は、媒体中の音速ひいては吸気路内の圧力伝搬に直接に影響する。当該温度は、吸気路内で測定可能であり、よって既知である。冷却剤の温度も、熱伝達により、吸気路内およびシリンダ内の吸入された媒体中の音速に影響しうる。当該温度も一般に監視され測定されるものであるので、もともと形成されており、圧縮比の算定の際に利用可能である。

機関回転数は、内燃機関の動作点を表す量であり、吸気路内の圧力伝搬にかかる時間に影響する。機関回転数も定常的に監視されているので、燃料組成の算定の際に利用可能である。

よって、上述した付加的なパラメータはもともと利用可能であるかまたは簡単に算定可能である。圧力振動信号の選択された信号周波数の各特徴への上述したパラメータの各影響は、ここでは既知であることが前提となっており、例えば、既に上で指摘したように、基準内燃機関の測定の際に算定され、基準値特性マップに格納されている。また、相応の補正係数または補正関数を燃料組成の計算の際に代数モデル関数により考慮することにより、上記の付加的な別の動作パラメータを圧縮比の算定の際に考慮することができる。

さらに有利には、本発明の方法を実施するために、吸気路内のダイナミックな圧力振動を、例えば吸気管内の大量生産の圧力センサにより測定することができる。このことは、付加的な圧力センサが必要なくなるという利点を有し、コスト上の利益となる。

別の構成例では、本発明の方法を実施するために、クランクシャフト位置フィードバック信号が歯車およびホールセンサにより算定され、ここではこれは、広く使用されていて、場合によりもともと内燃機関内に存在する、クランクシャフトの回転の検出のためのセンサ装置である。歯車は、ここでは例えば、フライホイールもしくはクランクシャフト制御アダプタ１０（図１を参照）の外周に配置されている。このことは、付加的なセンサ装置が必要なくなるという利点を有し、コスト上の利益となる。

図７には、動作中に内燃機関のその時点の圧縮比を算定する本発明の方法の一実施形態が、いまいちど、主要なステップを含む概略的なブロック図の形式で示されている。

ブロック図において破線で示された、相応のブロックＢ１〜Ｂ６およびブロック５４の囲みは、プログラミング可能な電子機関制御ユニット５０、例えば当該方法が実行される該当する内燃機関の、ＣＰＵとも称される機関制御装置の境界をシンボリックに示している。当該電子機関制御ユニット５０は、とりわけ、本発明の方法を実行するための電子計算ユニット５３および電子メモリ領域５４を含む。

初めに、各シリンダに対応づけ可能な、該当する内燃機関の吸気路内の吸入空気のかつ／または排気路内の排気ガスのダイナミックな圧力振動が動作中に測定され、当該圧力振動から相応の圧力振動信号（ＤＳ＿Ｓ）が形成され、同時に、すなわち時間的に依存して、クランクシャフト位相角度信号（ＫｗＰｗ＿Ｓ）が算定される。このことは、並列に配置された、Ｂ１，Ｂ２の記号が付された各ブロックによって示されている。

次いで、圧力振動信号（ＤＳ＿Ｓ）から、Ｂ３の記号が付されたブロックによって表されている離散フーリエ変換（ＤＦＴ）により、測定された圧力振動の少なくとも１つの選択された信号周波数の少なくとも１つの特徴の実際値（ＩＷ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）が、クランクシャフト位相角度信号（ＫｗＰｗ＿Ｓ）に関して算定される。このことは、Ｂ４の記号が付されたブロックによって示されている。

次いで、各特徴の少なくとも１つの算定された実際値（ＩＷ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）に基づき、ブロックＢ５において、圧縮比の算定（ＶｄＶｈ＿ＥＭ）が行われる。このことは、種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数のそれぞれ相応の特徴の基準値（ＲＷ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）を利用して行われ、当該基準値は、５４の記号が付されたメモリ領域内に用意されているかまたはメモリ領域５４内に格納された代数モデル関数を用いてその時点で算定される。次いで、ブロックＢ６で、このようにして算定された、内燃機関のその時点の圧縮比（ＶｄＶｈ＿ａｋｔ）が形成される。

さらに、図７には、ブロックＢ１０，Ｂ１１，Ｂ１２として、上述した方法に先行する各ステップが示されている。ブロックＢ１０では、測定された圧力振動のそれぞれ選択された信号周波数の各特徴の基準値を決定するために、基準内燃機関の測定（Ｖｍｓｓｇ＿Ｒｅｆｍｏｔ）が、クランクシャフト位相角度信号に関して、圧力振動信号から、離散フーリエ変換により行われる。次いでブロックＢ１１で、算定された基準値が、対応づけられた圧縮比に依存して、基準値特性マップ（ＲＷＫ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）に統合され、ＣＰＵの記号が付された機関制御ユニット５０の電子メモリ領域５４に記憶される。

Ｂ１２の記号が付されたブロックは、代数モデル関数の導出（Ｒｆ（ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ））を含み、当該代数モデル関数は、基準値関数として、例えば、各信号周波数に対する圧力振動信号の各特徴の各基準値曲線の特性を、圧縮比に依存して、先行して算定された基準値特性マップ（ＲＷＫ＿ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ）に基づいてマッピングするものである。当該代数モデル関数（Ｒｆ（ＤＳＣ＿ＳＦ＿１…Ｘ））は、この場合同様に、代替的にもしくは補完的に、ＣＰＵの記号が付された機関制御ユニット５０の５４の記号が付された電子メモリ領域５４に記憶可能であり、上述した本発明の方法の実施に利用可能である。

いまいちど短くまとめると、その時点の圧縮比を算定する本発明の方法の核心は、通常動作中、該当する内燃機関の吸気路内または排気路内のダイナミックな圧力振動を測定し、当該圧力振動から相応の圧力振動信号を形成する方法にある。同時にクランクシャフト位相角度信号も算定され、圧力振動信号に関係づけられる。圧力振動信号から、測定された圧力振動の少なくとも１つの選択された信号周波数の少なくとも１つの特徴の実際値がクランクシャフト位相角度信号に関して算定され、算定された実際値に基づき、種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数の相応の特徴の基準値を用いて、その時点の圧縮比が算定される。

Claims (13)

1. 動作中に内燃機関のその時点の圧縮比を算定する方法であって、
   該当する内燃機関の吸気路内または排気路内での、前記内燃機関のシリンダに対応づけ可能なダイナミックな圧力振動を、定義された動作点で通常動作中に測定し、前記圧力振動から相応の圧力振動信号を形成し、同時に前記内燃機関のクランクシャフト位相角度信号を算定し、
   前記圧力振動信号から、離散フーリエ変換により、測定された前記圧力振動の少なくとも１つの選択された信号周波数の少なくとも１つの特徴の少なくとも１つの実際値を、前記クランクシャフト位相角度信号に関して算定し、
   各前記特徴の、算定された前記少なくとも１つの実際値に基づき、種々の圧縮比に対するそれぞれ同一の信号周波数のそれぞれに対応する特徴の基準値を用いて、前記内燃機関のその時点の圧縮比を算定する、
   ことを含む、方法。
2. 各前記特徴の前記基準値を、少なくとも１つの各基準値特性マップにおける圧縮比に依存して形成する、または
   それぞれに対応する前記特徴の各前記基準値を計算により算定するため、特徴と圧縮比との関係をマッピングする少なくとも１つの各代数モデル関数を形成する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記選択された信号周波数の各前記特徴の前記実際値の算定および前記内燃機関の前記その時点の圧縮比の算定を、前記内燃機関に対応づけられた電子計算ユニットにより行い、
   各前記基準値特性マップまたは各前記代数モデル関数を、前記電子計算ユニットに対応づけられた少なくとも１つのメモリ領域に記憶する、
   請求項２記載の方法。
4. 少なくとも１つの選択された信号周波数に対する各前記特徴の前記基準値は、基準内燃機関において種々の圧縮比に依存して先行して算定されたものである、
   請求項２記載の方法。
5. 前記選択された信号周波数の各前記特徴の前記基準値と対応づけられた前記圧縮比とから、選択された信号周波数の特徴と圧縮比との関係をマッピングするそれぞれ１つのモデル関数が導出される、
   請求項４記載の方法。
6. それぞれ前記選択された信号周波数の各前記特徴の前記基準値の先行の算定は、基準内燃機関の、少なくとも１つの定義された動作点での、特定の基準圧縮比を設定しての測定を特徴とし、
   それぞれ前記選択された信号周波数の各前記特徴の前記基準値を決定するために、
   前記吸気路内または前記排気路内での、前記基準内燃機関のシリンダに対応づけ可能なダイナミックな圧力振動を、動作中に測定し、相応の圧力振動信号を形成し、
   同時にクランクシャフト位相角度信号を算定し、
   測定された前記圧力振動のそれぞれ前記選択された信号周波数の各前記特徴の前記基準値を、前記クランクシャフト位相角度信号に関して、前記圧力振動信号から、離散フーリエ変換により算定し、
   算定された前記基準値を、対応づけられた圧縮比に依存して基準値特性マップに記憶する、
   請求項５記載の方法。
7. 測定された前記圧力振動の前記少なくとも１つの特徴として、少なくとも１つの選択された信号周波数の、位相もしくは振幅または位相および振幅を用いる、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 測定された前記圧力振動の前記少なくとも１つの特徴として、前記圧力振動信号の、種々の信号周波数に対して算定された２つの位相値間の差値、または前記圧力振動信号の、種々の信号周波数に対して算定された２つの振幅間の差値を用いる、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記選択された信号周波数は、吸入周波数または該吸入周波数の複数倍である、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
10. 付加的に、別の動作パラメータ、すなわち、
    前記吸気路内の吸入された媒体の温度、
    前記内燃機関の冷却に使用される冷却剤の温度、
    前記内燃機関の機関回転数、
    のうち少なくとも１つを、前記内燃機関（１）の圧縮比の算定の際に用いる、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記吸気路内のダイナミックな圧力振動を、大量生産の圧力センサ（４４）により測定する、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
12. 歯車およびホールセンサにより、クランクシャフト位置フィードバック信号を算定する、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記電子計算ユニット（５３）は、前記内燃機関（１）を制御する機関制御ユニット（５０）の構成要素であり、前記機関制御ユニット（５０）により、算定された圧縮比（ε）に依存して、前記内燃機関（１）を制御するための別の制御量または制御ルーチンの適応化を行う、
    請求項３から６までのいずれか１項記載の方法。

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