JP3796003B2 - 燃料空気混合気の品質を評価する方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、周期的に燃焼段階を開始する電気点火パルスが、燃焼室の点火プラグに加えられる、オットー機関における燃焼段階における燃料空気混合気の品質を評価する方法に関する。さらに本発明は、このような方法を実施する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術によれば、オットー機関は、(濃い)燃料空気混合気によって動作させられ、この燃料空気混合気のラムダ値(燃料/空気比)はほぼ1にある。このような動作様式は、燃焼排気ガス及び燃料消費量に関して常に満足なものではない。
【0003】
希薄な燃料空気混合気(ラムダ値>1)によって動作させられるオットー機関も周知である。それにより燃料消費量は減少する。しかし”ノッキング”が生じることがあり、このことは望ましくない。
【0004】
周知の機関において、個々の燃焼段階の燃料空気比は評価されないので、燃料空気比の制御は、相応して鈍い。
【0005】
ドイツ連邦共和国特許第2802196号明細書に、反応混合物のイオン化状態を検出するイオン電流センサが記載されている。イオン電流センサは、制御又は表示量を形成するためにイオン電流のための評価装置に接続されている。残留物の燃焼のために、点火プラグによって形成することができるイオン電流センサに、点火電圧が加えられる。
【0006】
ドイツ連邦共和国特許第4239803号明細書に、内燃機関のためのイオン化電流検出装置が提案されている。これにより、燃焼パルスを検出することによって混合気の燃焼を確認するようにする。燃焼が行なわれたか又は行なわれなかったかが、検出できるにすぎない。
【0007】
ドイツ連邦共和国特許第3445539号明細書によれば、点火パルスと炎前面の伝搬との間の時間が検出される、ラムダ値の評価が公知である。この時間は、実際ラムダ値を表わしている。炎前面の伝搬を測定するために、独立に燃焼室内に取付けられた電極が使われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、オットー機関の、有害物質の少ない、燃料を節約しかつノッキングの起こらない動作を可能にするため、燃焼段階の燃料空気混合気を評価する方法及び装置を提案することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
第1の視点において、以下の方法によって解決される。即ち、 周期的に点火コイルにより生成されて燃焼段階を開始する電気点火パルスが、燃焼室の点火プラグに加えられる、オットー機関における燃焼段階における燃料空気混合気の品質を評価する方法であって、以下の各工程を含むことを特徴とする、燃料空気混合気の品質を評価する方法:
周期的に点火コイルにより生成されて燃焼段階を開始する電気点火パルスが、燃焼室の点火プラグに加えられること、
断続器(8)により点火パルスをトリガすること、
点火コイル(6)により点火パルスを生成すること、
テストパルス発生器(10)により点火時点を検出すること、
テストパルス発生器(10)によりテストパルス(P)を生成し、燃焼段階(V)の間に点火パルス(Z)の後に続いて遅延時間(tv)を置いて、点火プラグにテストパルス(P)が加えられること、
燃焼室のその都度の燃料空気混合気によって生じるテストパルス(P)の影響が、電気量として検出されること、
テストパルス発生器(10)を、点火プラグ(6)及びテストパルス(P)の影響を評価するため評価回路(12)に接続すること、及び
1つ又は複数の電圧に依存する抵抗(R2)が、点火コイル(6)の2次巻線(5)に対して直列に接続されており、したがってテストパルス(P)を2次巻線(5)からデカップリングすること。
本発明の第2の視点において、以下の装置が提供される。即ち、点火パルスをトリガする断続器、及び点火パルスを発生する点火コイルを有するオットー機関において、燃焼段階における燃焼空気混合気の品質を評価する装置であって、
テストパルス発生器が、断続器の点火時点を検出し、かつ遅延時間(tv)を置いてテストパルス(P)を発生し、該テストパルス発生器が、点火プラグ及び評価回路に接続され、この評価回路が、燃焼室内のその都度の燃料空気混合気によって影響を受けるテストパルス(P)を評価すること、及び
1つ又は複数の電圧に依存する抵抗が、点火コイルの2次巻線に対して直列に接続されており、したがってテストパルス(P)を2次巻線からデカップリングすること。
【0010】
それにより、いずれにせよ存在する点火プラグを使用して、燃焼室における個々の燃焼段階においてそれぞれ存在する燃料空気混合気の混合比(ラムダ値)を検出することが達成される。点火プラグは、燃焼室内においてイオン化電極として作用し、その際、燃焼室内にそれぞれ存在する燃料空気混合気の混合比に依存するイオン化は、電気テストパルスに相応して影響を及ぼす。定義されたテストパルスの能動的なあらかじめの供与は、燃焼ガスのイオン化の受動的なだけの評価よりも良好に再現可能なかつ良好に評価可能な信号を生じる。
【0011】
テストパルスの影響から導き出される電気量は、次の燃焼段階及び/又は次の複数の燃焼段階の混合比を制御するために使用することができる。このことは、混合比の目標値を達成するために、燃料供給及び/又は空気供給を相応して増加し、かつ/又は減少することによって行なうことができる。なるべく次の燃焼過程における”ノッキング”を避けるために、機関が”ノッキング”の傾向を有する混合比の範囲において、点火時点も調整される。
【0012】
限界の場合、それぞれの燃焼段階(オットー機関の作業行程)又はそれぞれのテストパルスの後に、次の燃焼段階に対する最適な混合比及び最適な点火時点が設定される。しかし連続する燃焼段階の複数のテストパルスから平均値を形成し、かつこれにより次の1つ又は複数の燃焼段階のための調整を行ない、かつ/又は燃焼段階のテストパルスに基づいて後続の複数の燃焼段階のための調整を行なうことも、有利なことがある。
【0013】
オットー機関は、通常複数の燃焼室(シリンダ)を有する。本発明によれば、
それぞれのシリンダに対する混合比及び必要な場合には点火時点を独立に検出し、かつ調節することが可能である。
【0014】
請求項9〜10の特徴によって特徴づけられている装置は本発明の方法を実施するために用いられることができる。この電気装置は、通常の点火装置に簡単に統合される。なお、特許請求の範囲の各請求項に付記した図面参照符合は、専ら理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【0015】
【発明の実施の形態】
方法と装置のその他の有利な構成は、従属請求項2〜8及び10として各別に保護の対象とされるものであるが、以下に好適な実施の形態として列挙する。
形態1(基本構成=請求項1)
形態2
電気量が、次の燃焼段階(V)又は次の複数の燃焼段階(V)の燃料空気混合気の混合比を制御するために評価されることを特徴とする。
形態3
電気量が、1つ又は複数の次の点火パルス(Z)の点火時点を制御するために評価されることを特徴とする。
形態4
点火パルス(P)が、燃焼段階(V)の期間に相当することを特徴とする。
形態5 テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、テストパルス(P)の振幅の実際値が、その都度の燃焼過程における燃料空気混合気のその都度の混合比に相応して、該最大値(U0)に対して小さくなっており、このことが評価されること及び、
テストパルス(P)に応じて生じる測定信号(Pio)の高さが、所定の時間(ts)後測定され、その測定時点(t3)がテストパルス(P)の期間内にあることを特徴とする。
形態6
テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、その都度の混合比により影響される測定信号(Pio)のテストパルス(P)の期間中の時間的積分が、評価されることを特徴とする。
形態7
テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、測定信号が閾値(Uschw)に達した時点(tschw)が評価されることを特徴とする。
形態8
測定信号(Pio)が閾値(Uschw)に達した時点以後、測定信号の更なる経過が時間的積分によって評価されることを特徴とする。
形態9(装置の基本構成=請求項9)
形態10
前記テストパルス発生器が、測定抵抗(R1)を介して点火プラグ及び評価回路に接続されていることを特徴とする。
さらなる具体的構成は実施例の次の説明から明らかである。
【0016】
オットー機関は、複数の燃焼室1を有し、これらのうち図5には1つが示されている。燃焼室1内に点火プラグ2が配置されている。図示されていない弁を介して燃焼室1に、燃料空気混合気が供給可能であり、この燃料空気混合気の混合比は、例えば噴射ノズル3及び絞り弁4によって調節することができる。
【0017】
点火プラグ2は、点火コイル6の2次巻線5に接続されており、この点火コイルの1次巻線7の前に、断続器8がある。点火配電器9は、点火パルスを燃焼室の点火プラグ2に分配する。
【0018】
図1ないし4に、4サイクルオットー機関の燃焼室1の燃焼段階Vが概略的に示されている。これは、断続器8及び点火コイル6を介して点火プラグ2により引起こされる点火パルスZによって始まり、この点火パルスは、例えば15kVの点火電圧を有する。これは、機関回転速度に応じて数ms後に終了し、その後、燃焼室1から排気ガスが追出される。図1ないし4による実施例において、燃焼段階Vの間に点火時点t0の後にtvだけ時間的に遅延して、テストパルス発生器10から破線で示したテストパルスPが発生される。点火時点を検出するために、テストパルス発生器10は、信号線11を介して断続器8又は点火コイル6の2次巻線5に連結されている。テストパルスPは、方形パルスであり、この方形パルスは、燃焼段階Vを取り囲んでいる。
【0019】
テストパルスは、時間遅延tvの後に時点t1に始まる。時間遅延tvは、テストパルスが本来の燃焼段階Vの開始前に始まるように決められている。時間遅延tvは、1msより小さく;これは、例えば0.1msにある。時間遅延tvによって、点火電圧の後続振動が除去される。テストパルスPは、燃焼段階Vの後の時点t2に終了する。その期間tpは、最大ほぼ15msである。
【0020】
振幅U0は、抵抗R1の前において、テストパルスの期間の間にわたって一定であり、抵抗R1の後において、場合によっては存在するイオン化により縮小される。テストパルスPの振幅は、点火プラグの点火電圧Uzよりもずっと小さい。例えば振幅の最大値U0は、ほぼ100Vと1000Vの間、例えば600Vにある。
【0021】
テストパルスPは、測定抵抗R1を介して点火プラグ2に加えられる。測定抵抗R1に接続された評価回路12は、燃料空気混合気の異なったイオン化のために燃焼室1内のその都度の混合比に依存して生じる振幅の変化、又は最大値U0を有するテストパルスPに対する測定信号Pioの変化を検出する。そのために測定抵抗R1の前後の測定線16,17が使われ、これらの測定線は、評価回路12に接続されており、かつここに差電圧を供給する。図2,3及び4は、測定結果によりこのような振幅変化及び測定信号変化を示している。
【0022】
ラムダ<1に相当する混合比の場合、測定の際に振幅U1を有する測定信号Pioが生じる(図2(A),2(B),2(C)参照)。ほぼ1のラムダに相当する混合比の場合、測定の際に振幅U2を有する測定信号Pioが生じる(図3(A),3(B),3(C)参照)。ラムダ>1に相当する混合比の場合、測定の際に振幅U3を有する測定信号Pioが生じる(図4(A),4(B),4(C)参照)。したがってテストパルスに対する得られた測定信号Pioのそれぞれの変化は、燃焼段階Vにおける燃焼室1内のそれぞれの混合比に対する尺度である。この変化は、評価回路12によって検出され、この評価回路は、これを、制御線13を介して噴射ノズル3を制御するため、かつ/又は制御線14を介して絞り弁4を制御するため、かつ制御線15を介して断続器8の点火時点を制御するために評価する。
【0023】
評価回路12に目標値Sが加えられ、この目標値は、それぞれ所望の混合比をあらかじめ与える。目標値Sからの偏差に相応して、評価回路12は、制御線13、14を介して燃料及び/又は空気の供給を調整する。
【0024】
図5による回路においてテストパルスPは、測定抵抗R1を介して点火プラグ2に加えられる。2次巻線5は、1つ又は複数の電圧に依存する抵抗R2によってテストパルスPからデカップリングされている。これは、それにより点火プラグ2において有効であるが、2次巻線5においては有効ではない。電圧に依存する抵抗R2は、2次巻線5に対して直列に接続されている。点火電圧Uzに対してこれらは、小さな抵抗をなし、かつテストパルスPに対してこれらは、大きな抵抗をなしている。それにより一方において点火パルスZが妨害されずに点火プラグに作用することができ、かつ他方において点火パルスZの後にテストパルスPが妨害されずに点火プラグ2に到達することを保証する簡単な回路が達成されている。
【0025】
点火配電器9は、電圧に依存する抵抗R2と点火プラグ2の間にあるので、前記の回路は、それぞれの燃焼室1における燃焼段階Vを個別に検出する。
【0026】
測定信号Pioの評価は、評価回路12の相応する構成によって種々の様式で行うことができる:すなわち
【0027】
A:評価回路12は、それぞれの燃焼過程Vにおけるイオン化によるテストパルスPの影響の結果生じる測定信号Pioを時間に関して積分し、すなわちテストパルスPの期間にわたって積分する(図2(A),3(A),4(A)参照)。図2(A),3(A),4(A)において測定信号のハッチングで示す面積(積分)を比較すれば明らかなように、ほぼ1のラムダ値(図3(A)参照)におけるこの面積は、ラムダ<1及びラ厶ダ>1(図2(A),4(A)参照)の場合よりも明らかに大きく、このことは、評価回路12によって簡単に評価することができ、かつ燃料空気混合気を調整するために利用することができる。
【0028】
B:時点t1におけるテストパルスPの始動とともに、又は点火パルスZとともに、タイマがスタートされる。これによりあらかじめ与えられる時間遅延tvより長い時間tsの後に、時点t3に燃焼過程Vの期間に比較してきわめて短い時間の間、測定ウインドウFが開かれる。この測定ウインドウF内において評価回路12は、測定信号Pioのその都度の大きさを検出する(図2(B)、3(B)、4(B)参照)。図2(B)、3(B)、4(B)における測定ウインドウF内の測定信号Pioの大きさの比較は、ほぼ1のラムダ値の際の測定時点t3における測定信号が(図3(B)参照)、ラムダ値<1及びラムダ値>1の場合(図2(B)、4(B)参照)よりもはっきりと大きいことを示している。このことは、評価回路12によって簡単に評価することができ、かつ燃料空気混合気の調整のために利用することができる。
【0029】
この構成において、テストパルスPの期間が燃焼過程を完全に含んでいる必要はない。テストパルスPの開始t1と終了t2は測定ウインドウFの近くにあってもよい。
【0030】
C:評価回路12によって閾値Uschwがあらかじめ与えられ、この閾値は、振幅U1、U2、U3より小さい。評価回路12は、測定信号Pioが閾値Uschwに達する期間tschwを検出する。期間tschwの開始は、テストパルスPの開始する時点t1に(図2(C)、3(C)、4(C)参照)、又は点火時点t0に置くことができる。
【0031】
図2(C)、3(C)、4(C)の比較から明らかなように、ほぼ1のラムダ値の場合(図3(C)参照)に閾値Uschwに到達するまでの期間tschwは、ラムダ<1及びラムダ>1の場合(図2(C)、4(C)参照)よりもはっきりと短く、このことは、評価回路12によって簡単に評価することができ、かつ燃料空気混合気の調整のために利用することができる。
【0032】
D:C及びAによる方法の組合わせも可能である。その際、閾値Uschwに到達した際にAによる積分がスタートされる。それにより閾値Uschw以下及び期間tschw以内にある妨害となる測定信号変動の積分結果への影響が抑圧される。
【0033】
前記方法A、B、C、Dにおいて、それぞれの燃料過程が、理論空燃比以上にあるか、又は以下にあるか(ラムダ>1又はラムダ<1)は、直接検出されない。しかしこのことは、評価回路12が、アクチュエータ(Aktorik)(ノズル3、絞り弁4)のその都度の位置又はその都度の操作方向を検出することによって、検出することができる。なぜならその都度の位置又は操作方向は、理論空燃比以上又は以下の範囲における動作様式の写像であるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 点火パルス及びテストパルスを含む燃焼段階(オットー機関の作業行程)の時間線図である。
【図2】 濃い混合気、例えばλ0.8におけるテストパルスの測定線図である。
【図3】 ラムダ1におけるテストパルスの測定線図である。
【図4】 希薄混合気、例えばラムダ>1におけるテストパルスの測定線図である。その際、測定線図、図2(A)、3(A)及び4(A)において積分測定が、測定線図、図2(B)、3(B)、4(B)において所定の時間ウインドウにおける電圧測定が、かつ測定線図、図2(C)、3(C)、4(C)において電圧閾値の到達に依存する時間測定が行なわれる。
【図5】 図1ないし4によるテストパルスを発生しかつ評価する回路を概略的に示す図である。
【符号の説明】
1 燃焼室
2 点火プラグ
5 2次巻線
6 点火コイル
10 テストパルス発生器
12 評価回路
P テストパルス
R 抵抗
t 時間
U0 最大値
Uschw 測定信号閾値
V 燃焼段階
Z 点火パルス
Claims (10)
- 周期的に点火コイルにより生成されて燃焼段階を開始する電気点火パルスが、燃焼室の点火プラグに加えられる、オットー機関における燃焼段階における燃料空気混合気の品質を評価する方法であって、以下の各工程を含むことを特徴とする、燃料空気混合気の品質を評価する方法:
周期的に点火コイルにより生成されて燃焼段階を開始する電気点火パルスが、燃焼室の点火プラグに加えられること、
断続器(8)により点火パルスをトリガすること、
点火コイル(6)により点火パルスを生成すること、
テストパルス発生器(10)により点火時点を検出すること、
テストパルス発生器(10)によりテストパルス(P)を生成し、燃焼段階(V)の間に点火パルス(Z)の後に続いて遅延時間(tv)を置いて、点火プラグにテストパルス(P)が加えられること、
燃焼室のその都度の燃料空気混合気によって生じるテストパルス(P)の影響が、電気量として検出されること、
テストパルス発生器(10)を、点火プラグ(6)及びテストパルス(P)の影響を評価するため評価回路(12)に接続すること、及び
1つ又は複数の電圧に依存する抵抗(R2)が、点火コイル(6)の2次巻線(5)に対して直列に接続されており、したがってテストパルス(P)を2次巻線(5)からデカップリングすること。 - 電気量が、次の燃焼段階(V)又は次の複数の燃焼段階(V)の燃料空気混合気の混合比を制御するために評価されることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 電気量が、1つ又は複数の次の点火パルス(Z)の点火時点を制御するために評価されることを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。
- 点火パルス(P)が、燃焼段階(V)の期間に相当することを特徴とする、請求項1ないし3の1つに記載の方法。
- テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、テストパルス(P)の振幅の実際値が、その都度の燃焼過程における燃料空気混合気のその都度の混合比に相応して、該最大値(U0)に対して小さくなっており、このことが評価されること、及び、
テストパルス(P)に応じて生じる測定信号(Pio)の高さが、所定の時間(ts)後測定され、その測定時点(t3)がテストパルス(P)の期間内にあることを特徴とする、請求項1ないし4の1つに記載の方法。 - テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、その都度の混合比により影響される測定信号(Pio)のテストパルス(P)の期間中の時間的積分が、評価されることを特徴とする、請求項1〜4の1つに記載の方法。
- テストパルス(P)の振幅が、点火パルス(Z)の点火電圧よりはるかに小さな所定の最大値(U0)に設定され、測定信号が閾値(Uschw)に達した時点(tschw)が評価されることを特徴とする、請求項1〜4の1つに記載の方法。
- 測定信号(Pio)が閾値(Uschw)に達した時点以後、測定信号のさらなる経過が時間的積分によって評価されることを特徴とする、請求項6又は7記載の方法。
- 点火パルスをトリガする断続器、及び点火パルスを発生する点火コイルを有するオットー機関において、燃焼段階における燃焼空気混合気の品質を評価する装置であって、
テストパルス発生器(10)が、断続器(8)の点火時点を検出し、かつ遅延時間(tv)を置いてテストパルス(P)を発生し、該テストパルス発生器(10)が、点火プラグ(2)及び評価回路(12)に接続され、この評価回路が、燃焼室(1)内のその都度の燃料空気混合気によって影響を受けるテストパルス(P)を評価すること、及び
1つ又は複数の電圧に依存する抵抗(R2)が、点火コイル(6)の2次巻線(5)に対して直列に接続されており、したがってテストパルス(P)を2次巻線(5)からデカップリングすること
を特徴とする装置。 - 前記テストパルス発生器(10)が、測定抵抗(R1)を介して点火プラグ(2)及び評価回路(12)に接続されていることを特徴とする、請求項9記載の装置。
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