JP3734496B2 - ｎ個のシリンダを備えた内燃機関におけるシリンダ識別用発信器装置 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念記載の、ｎ個のシリンダを備えた内燃機関におけるシリンダ識別用発信器装置に関する。
４サイクル内燃機関において、所定のシリンダが再び同じ動作位置をとる前に、クランクシャフトは各動作サイクルごとに２回転し、つまり７２０°の角度にわたりスイープ（掃引）することが知られている。したがって、シリンダの目下の位置を捕捉検出するためには、１回転内のクランクシャフトの角度位置を求めるのでは不十分であり、むしろ、１回目または２回目のクランクシャフトの回転に応じて、内燃機関が目下、動作サイクルの前半にあるのか後半にあるのかを捕捉検出する必要がある。
この目的で、たとえばヨーロッパ特許出願第０３７１１５８号公報により、クランクシャフト発信器のほかにさらにスタティックなカムシャフト発信器を設けることが公知である。このカムシャフト発信器の周期的な出力信号は、クランクシャフトの完全な１回転にわたって交互に延在する、識別可能な２つの部分信号から成る。これに加えてクランクシャフト発信器は、各クランクシャフトに１つであり既知の角度位置つまり同期位置を定める基準信号を供給する。基準パルスが検出されてはじめて、カムシャフト信号と関連づけることにより内燃機関のシリンダ位置が精確に把握され、点火ないし噴射を同期させることができる。
したがって内燃機関の始動後、最も不利な場合には同期位置に最初に達するまでに、クランクシャフトが完全に１回転してしまう可能性がある。同期化されてはじめて、個々のシリンダへ適正なタイミングで燃料を噴射できるので、公知の方法の場合、クランクシャフトの第１の回転の間、噴射が行われないことにより始動時相が長くなるのを回避するために、カムシャフト発信器の第１の部分信号を評価して、始動後、まず最初に噴射される第１のシリンダ群が定められている。カムシャフト発信器から供給される信号の信号切換後には、第２のシリンダ群へも噴射が行われる。
したがってこの公知の方法に示されてのは、内燃機関の始動直後の噴射をいかにして改善できるかということであって、その際には迅速なシリンダ識別は達成されないし、このことはこの場合には必ずしも必要とされていない。
ドイツ連邦共和国特許出願第３６０８３２１号公報により、ｎ個のシリンダ数を有する４サイクルエンジンの、シリンダ特有のクランクシャフト位置を捕捉検出する装置が公知である。この場合、クランクシャフトと連結された信号発信器の周囲が、それぞれ１つの識別マークを備えたｎ／２個の等しい大きさの信号マーク区間に分割されている。さらにカムシャフトと連結された信号発信器は、ｎ／２個またはｎ個の等しい大きさの信号マーク区間に分割されており、これらの信号マーク区間の均一な分割部分は互いに隔たっている。識別マークを用いて同期化された、両信号発信器のパルスの比較により、エンジン始動直後にクランクシャフト位置へのシリンダの対応づけを行うことができる。この装置の欠点は次の点にある。すなわち、カムシャフト発信器の同型式の角度マークエッジ間の間隔は不均一であり、その結果、これをトリガマークとして利用するには不適当である。このことは、クランクシャフト発信器の故障時に緊急動作を実現させようとする場合に、とりわけ不利である。
本発明の利点
これに対して、請求項１の特徴部分の構成を有する、ｎ個のシリンダを備えた内燃機関においてシリンダを識別する本発明の発信器装置は、内燃機関の始動直後に著しく迅速な信頼性のあるシリンダ識別が行われる利点を有する。それというのは、カムシャフトディスクの有利な構成ゆえに、クランクシャフト発信器信号およびカムシャフト発信器信号の結合により一義的に識別可能なパルス列が供給されるからである。
有利には即座のシリンダ識別が可能である。その理由は、クランクシャフトの１回目の回転中のカムシャフト発信器信号のパルス列は、クランクシャフトの２回目の回転中のパルス列とは一義的に区別されるからである。
カムシャフト発信器ディスクの特別な構成により、パルスエッジのうちの１つが、たとえば後縁が、クランクシャフトとの関連ですべてのマークについて同じ間隔で現われるようになる。とりわけ有利なのはこのことにより、クランクシャフト発信器が故障した場合のための内燃機関の緊急動作が可能になる。
従属請求項には、本発明による発信器装置のその他の有利な実施形態が示されている。
図面
図面には本発明が示されており、これについて以下の記載で詳細に説明する。この場合、第１図には本発明による発信器装置の概略構成図が示されており、第２図におよび第３図には、パルスダイアグラムならびに発生し得るパルスの組み合わせが示されている。この場合、第２図は６シリンダエンジンにあてはまるものであり、第３図は８シリンダエンジンにあてはまるものである。第４図および第５図には、緊急動作機能を明瞭に表わすためのパルスダイアグラムが示されている。
実施例
第１図には、内燃機関制御部と接続された本発明の最も基本的な構成部材が概略的に示されている。この場合、参照番号１０により発信器ディスクが示されており、このディスクは内燃機関のクランクシャフト１１と固定的に連結されていて、その周囲には同形式の多数の角度マーク１２が設けられている。
これら同形式の角度マーク１２のほかに基準マーク１３も設けられており、第１図による実施例ではこのマークは、角度マークを２つ省略することにより形成される。
第２の発信器ディスク１４は、内燃機関のカムシャフト１５と連結されており、その周囲には種々異なる長さのセグメントが設けられている。この場合、短い方のセグメントは参照番号１７で、長い方のセグメントは参照番号１６で示されている。これらの角度マークの間は間隙になっており、短い方の間隙は参照番号１９で、長い方の間隙は参照番号１８でそれぞれ示されている。
セグメント１６、１７の個数は、それらがそのままシリンダ数ｎに相応するように選定されている。セグメントの詳細な構成は別のところで説明する。
両方の発信器ディスク１０、１４はセンサ２０、２１により、たとえば誘導センサまたはホールセンサにより、走査される。角度マークの前を通過したときにセンサにおいて発生する信号は制御装置２２へ供給され、そこにおいて後続処理される。発信器ディスク１０およびセンサ２０はこれ以降、クランクシャフト発信器と称し、発信器ディスク１４とセンサ２１はこれ以降、カムシャフト発信器と称する。
制御装置２２は入力側２３、２４、２５を介して、内燃機関の制御に必要な別の入力量を受け取る。実例として挙げておくと、入力側２５を介して温度信号を、入力側２４を介して負荷信号を、さらに入力側２３を介して”点火オン”を受け取る。参照番号２６により所属の点火スイッチが示されている。制御装置は出力側において、詳細には示されていない内燃機関の相応の構成部材のための点火信号ならびに噴射信号を供給する。参照番号２７および２８により、制御装置の出力側が示されている。
第２図には、センサ２０および２１から供給され制御装置において評価される信号が、クランク角度Ｗないし時間Ｔにわたって示されている。
詳細には、第２図のａにはクランク軸の２回転半の間のクランク角度が示されており、第２図のｂにはカムシャフトセンサからの信号が示されており、第２図のｃにはクランクシャフトセンサ２１からの信号が示されている。これに加えてさらに、シリンダ１〜６の上死点（ＯＴ）および正のセグメントエッジのたびに発生するＴＲパルスが示されている。
第２図に示されている信号関係を得るために、発信器システムに対し以下の要求がなされる：
カムシャフト１５と連結された発信器ディスク１４は次のように構成される。すなわち、点火インターバル中、カムシャフト発信器信号は内燃機関のクランクシャフトの第１の回転にわたり、緊急動作点火角度における負の側縁を伴って長い低レベル時相と短い高レベル時相を生じさせる。第２の回転の間、やはり緊急動作角度における負の側縁を伴って、長い高レベル時相と短い低ベル時相が保持されるべきである。この目的で、発信器ホイールは次のように構成する必要がある。すなわち、３つの長いセグメント１６にそれぞれ３つの短いセグメント１７が続くようにし、その際、短いセグメント間にはそれぞれ長い間隙１８が位置し、長いセグメント１６の間にはそれぞれ短い間隙１９が位置し、さらに短いセグメントと長いセグメントの間には、短い間隙または長い間隙が位置する。
たとえばホール発信器の特性（正のエッジにおける早すぎる投入および負のエッジにおける遅すぎる遮断）のために必要である場合、電気信号において短い低レベル時相と短い高レベル時相がほぼ同じ長さになるように、発信器ホイールの機械的な短いセグメントを短い間隙として構成することができる。第３図のｂ′には基本的にこのことが示されている。
その他の点において発信器システムは、電気信号において短い高レベル時相と低レベル時相が長い高レベル時相および低レベル時相よりもできるかぎり短くなるように構成する必要がある。このことにより、時間を計数する際、動的な場合でも、つまり加速中でも、短い期間ＴＫと長い期間ＴＬの間において十分な差が得られるようになる。
第１図による実施例は、第２図のｂないし相応に第３図のｂに記載の信号の後縁が同じ間隔を有するように構成されている。セグメントと間隙とが入れ替えられた発信器ホイールであれば、等距離の間隔の前縁が供給される。
クランクシャフトディスク１０の基準マーク１３は次のように構成される。すなわち、このディスクにより生じるパルスのギャップ期間が、中間の長さの間隙により生じる、カムシャフト発信器信号の低レベル時相内で現われるように、または中間の長さのセグメントにより生じる、カムシャフト発信器信号の高レベル時相内で現れるように構成される。
カムシャフトセンサ２１として、内燃機関が停止していても一義的な信号の対応づけを行わせる静的なセンサを用いることができるし、カムシャフト発信器信号の側縁交番後に始めて評価を始めることのできる準静的な発信器を用いることもできる。
通常動作中の評価
通常動作中、クランクシャフト発信器およびカムシャフト発信器の動作を伴って、始動後、クランクシャフト発信器信号の歯の各エッジごとにカムシャフト発信器信号のレベルが走査検出される。同時に制御装置において、クランクシャフト発信器から送出された歯のエッジが計数される。同じレベルのときの歯のエッジの数から、短いセグメントであるか長いセグメントであるか、または短い間隙であるか長い間隙であるかを、所定の角度から識別できる。
これに加えてさらに安全角度ＷＳを考慮すれば、たとえば角度Ｗ＝ＷＫ＋ＷＳから長いセグメントを識別することもできる。安全角度の値として約１８°のクランクシャフト角度が好適である。
ＷＫ＋ＷＳ内における低レベルから高レベルへのレベル移行後、新たなレベル交番が生じた場合、短期間の高レベル時相を意味し、ＷＫ＋ＷＳ内で低レベルが生じていてもレベル交番が発生しなければ、長期間の低レベル時相を意味する。両方の事例が発生した場合、クランクシャフトの回転１が識別される。回転２については、同じようにして逆の極性で検査される。
したがってこの短い角度ＷＫ＋ＷＳだけによって、クランクシャフトの第１の回転であるのか第２の回転であるのかが把握される。このためすでにこの角度にしたがってシリンダ群の識別が終了し、このシリンダ群の選択されたシリンダのための最初の始動噴射が可能である。
シリンダ識別のために、カムシャフト発信器信号の時相のほかにさらに、クランクシャフト発信器の基準マークの発生も検査される。その際、基準マーク１３が低レベル時相において生じた高レベル時相において生じたかが判定される。この質問により、すでに従来技術の場合であっても遅くとも３９０°のクランクシャフト角度の後にシリンダ識別が実現される。
シリンダ識別を早める構成について以下で説明するために、時相に関する以下の定義を採用する必要がある：
1l： 長い低レベル
1H： 長い高レベル
KL: 短い低レベル
KH: 短い高レベル
LB: 基準マークによる低レベル
HB: 基準マークによる高レベル
lLA: 長い低レベル 始動
lLmoB: 基準マークなしでの長い低レベル最小値
lHmoB: 基準マークなしでの長い高レベル最小値
lLg: 全体にわたる長い低レベル
lHg: 全体にわたる長い高レベル
このように定義された時相はそれぞれ、１つのカムシャフトのエッジから、またはエッジまで、ないしは２つのカムシャフトエッジ間において、所定数のクランクシャフトの歯のエッジを計数することにより、求めることができる。したがって一義的な対応づけが可能になるまで、順次連続する時相が何度も評価される。
約４８０°のクランクシャフト角度において評価が開始された場合、示された実施例では第１の時相として長い低レベル（ｌＬ）が発生する。そして次の時相は短い高レベル（ｋＨ）であり、さらにその次は始動による長い低レベル（ｌＬＡ）である。示された黒い円において、遅くとも約２０１°の回転角度の後、同期化が終了する。黒い点ないし円の後の数値は、同期化が終了したときのそのつどの最大角度を表わしている。
第２図のｃによる信号において短い間隔の後に長い間隔が続き再び短い間隔が続いたときに、常に基準マークが識別されるならば、この基準マークは第２図のｃの位置ＢＭにおいて識別される。
回転開始が別の位置で、たとえば約５５０°のところで行われ、したがって最初の短い高レベル時相で評価が始まる場合、第２図のｄの２行目に書き込まれた時相の組み合わせが生じ、つまり、短い高レベル／基準マークによる低レベル、の組み合わせが生じる。別の回転開始ないし評価開始に対して相応の組み合わせが得られ、第２図のｄにはそれらの組み合わせのすべての可能性が書き込まれている。
したがって、回転開始から順次連続する時相を、制御装置２２のメモリに格納された可能な組み合わせと比較することにより、一義的な対応づけが可能になる。それというのはこれらの組み合わせのうちのいずれも繰り返されないからである。したがって最悪の場合、約２００°のクランクシャフト角度の後にクランクシャフト位置の捕捉検出ならびにシリンダ対応づけが可能である。この目的で、時相列が検出された時点で、クランクシャフト位置を決定するために制御装置ないし計算装置（μＣ）の構成素子であり０°〜<７２０°のクランクシャフト角度まで進む角度クロックが、所属の値にセットされる。
このため、たとえばドイツ連邦共和国特許出願第３６２３０４１号公報により公知のような、角度クロックの経過するシーケンシャルインジェクションシステムの場合、角度クロックの状態に応じて、ならびに検出された回転数と算出された噴射持続時間に依存して、噴射の終了が所属のサイクルの遅くとも所望の角度にあるような、たとえば”インレット閉鎖”前の３０°のクランクシャフト角度にあるような複数個のバルブのための噴射を、同時に行うことができる。その後、通常のシーケンシャルな噴射が行われる。
シリンダ識別の信頼性を高めるために、点火送出開始前にさらにもっともらしさに関する検査が行われる。この場合、シリンダ識別の行われた後にさらに後続の時相の１つまたは２つの時相も利用する。基準マークとカムシャフト発信器信号の次の正の側縁との間において、クランクシャフト信号のパルス数を計数するようにして、もっともらしさに関するさらに別の検査が可能である。噴射が行われた後ではじめて混合物を吸入して圧縮することになるので、シリンダ識別の付加的な安全策が講じられた後、これにより始動期間が延長されてしまうことなく、いくらか遅れて噴射を行わせることができる。
時相数を低減し同期化時間のいくらか長くなった評価も可能である。たとえば第２図のｅには簡略化された手法が示されており、この手法の場合、４つの特徴的な時相列しか評価されない。
第３図には、８シリンダエンジンのための関係図が示されている。この場合、カムシャフトディスクは、これに応じて４つの短いセグメントと４つの長いセグメントならびに４つの短い間隙と４つの長い間隙を有している。第３図のｂには、カムシャフト発信器から供給される出力信号が示されており、第３図のｃによるクランクシャフト信号は、第２図によるクランクシャフト信号と同一である。
第３図のｄには、長い低レベル時相からの開始に関する時相関係が示されており、この長い低レベル時相には、短い高レベル時相さらには基準マークによる長い低レベル時相が続いている（１行目）。２行目には、短い高レベル時相から開始された際に得られる時相列が示されており、基準マークによる長い低レベル時相が次の時相として続いている。
第３図のｄに示された時相列からわかるように、一義的な対応づけを可能にするために、７２０°のクランクシャフト回転中に生じる可能性のある複数個の組み合わせのうちのいくつかを評価する必要がある。
第３図のｅにも、簡略された評価が示されている。基準マークを好適に選択すれば、ここでも同期化までの角度範囲をほぼ同じ大きさに設定できる。
前述のようにシリンダ識別を早めるのをあきらめて、カムシャフト発信器信号と関連づけて基準マークを識別した後にのみ通常の点火送出を行うと、ソフトウェアを著しく簡単にすることができるが、それでもなお迅速なシリンダ群識別は可能である。
この手法を同じようにして別のシリンダ数にも転用できる。
第３図のｂ′にはカムシャフト発信器のセグメントが書き込まれている。このセグメントの長さは、第３図のｂに示された信号が得られるように選定されており、ここにおいて、正のセグメントエッジ発生の少し前にすでに切り換わり、さらに負のセグメントエッジ発生の少し後に切り換わるホールセンサの周知の特性が考慮されている。
カムシャフト発信器を介した緊急動作
クランクシャフト発信器信号が欠落した場合でも、カムシャフト発信器信号からシリンダ識別を行うことができる。この目的で、カムシャフト発信器エッジ間の時間が計数される。計数された個々の列から、動的な場合でもシリンダ識別が可能になる。第４図にはこの評価過程が示されている。第４図のｂに示された列ｌＬ、ｋＨ、ｋＬ、１Ｈないし列ｋＬ、ｌＨ、ｌＬ、ｋＨより、記憶されている列との比較によって一義的なシリンダ識別が可能になる。それというのは両方の列は、７２０°のクランクシャフト角度中、ただ１度しか現れず、したがって一義的だからである。
第５図のａ、ｂには、場合によっては安全策を伴う、緊急時のシリンダ識別に必要な期間比較のための可能な走査検出が示されており、以下の式があてはまるという条件のもとで、期間Ｔ１〜Ｔ６により識別が可能になる：
T2<T1/2およびT3<T4/2；T6/2<T5または：
T1<T2/2およびT4<T3/2；T5/2<T6
ないし：
T2<T1およびT3<T4；T6<T5または：
T1<T2およびT4<T3；T5<T6
緊急時の点火および噴射の送出は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願第４００５１２３号公報に記載されているような手法にしたがって行うことができる。この場合、それぞれ角度の固定された間隔内で生じるカムシャフト発信器信号の負のエッジがトリガマークとして利用される。
さらに、カムシャフト発信器信号の角度固定された後縁から、第３図のｃに示されたクランクシャフト発信器信号に相応する信号を、ソフトウェアにより発生させることができる。
カムシャフト発信器ディスクを反転させれば、相応に前縁を評価できる。

Claims (6)

1. 複数個の角度マークと、固定的なクランクシャフト角度に対応づけられた少なくとも１つの識別可能な基準マークとを備え、クランクシャフトにより駆動される発信器ディスクと、
   ２つの異なる長さを有しシリンダ数ｎに相応する個数のセグメントと、それぞれ２つのセグメント間の２つの異なる長さを有する間隙とを備え、１／２の速さで回転するカムシャフトにより駆動される発信器ディスクと、
   前記発信器にそれぞれ配属された位置固定された２つのセンサとが設けられており、
   該センサは、前方を通過するマークに依存して、低レベル時相および高レベル時相を有する出力信号を送出し、該出力信号は制御装置において評価され、カムシャフトにより駆動される発信器ディスクにおける角度マークは、クランクシャフトの１回目の回転中のセンサの出力信号が、２回目の回転とは異なる低レベル時相と高レベル時相から成る列を含むように配置されている、
   ｎ個のシリンダを備えた内燃機関におけるシリンダ識別用発信器装置において、
   角度マークの前記の配置はさらに、一方の時相の同じエッジ間のすべての間隔が等しくなるようになされており、
   前記角度マークの個数はシリンダ数ｎに相応し、
   前記基準マークの位置は、クランクシャフトの１回目の回転中、該基準マークに基づく信号が前記カムシャフト信号の一方の時相とともに現れ、クランクシャフトの２回目の回転中、該基準マークに基づく信号が他方の時相とともに現れるように選択されることを特徴とする、
   ｎ個のシリンダを備えた内燃機関におけるシリンダ識別用発信器装置。
2. 発信器信号においてそれぞれほぼ等しい長さの短い期間と長い期間の高レベル時相および低レベル時相が生じるように、カムシャフト発信器ホイールの短いセグメントは短い間隙よりも狭幅に構成されている、請求項１記載の発信器装置。
3. 前記セグメントはそれぞれその半分が短く半分が長く構成されており、一方の形式のセグメントはそれぞれ相前後して配置されている、請求項１記載の発信器装置。
4. 同じ間隔を有するエッジは高レベル時相の後縁である、請求項１〜３のいずれか１項記載の発信器装置。
5. クランクシャフト発信器の故障時には緊急動作に切り換えられ、始動の際、点火および噴射は同じ間隔のエッジにより制御される、請求項１〜４のいずれか１項記載の発信器装置。
6. 最初にシリンダの対応づけが識別されるとただちに噴射が開始されるが、最初の点火送出前にさらに、後続の時相のうち１つまたは２つの時相を利用することにより、適正なシリンダ対応づけに対し付加的な安全策が講じられ、
   および／または、基準マークとカムシャフト発信器信号の次の正の側縁との間でクランクシャフト信号のパルスを計数することにより、適正なシリンダ対応づけに対し付加的な安全策が講じられる、請求項１〜５のいずれか１項記載の装置。

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