JP3949236B2 - 内燃機関の高速気筒識別センサ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、 Ｚ気筒を有する内燃機関の高速気筒識別センサ装置であって、
クランクシャフトにより駆動されるセンサディスクと、カムシャフトにより駆動されるセンサディスクと、検出器とを有し、
前記クランクシャフトにより駆動されるセンサディスクは多数の同種の角度マークと、クランクシャフト角度に固定的に割り当てられた少なくとも１つの基準マークとを有し、
前記カムシャフトにより駆動されるセンサディスクは気筒数Ｚに依存する数の同種のセグメント角度マークを有し、
前記検出器は角度マークを走査し、相応の信号を内燃機関の制御装置に送出する形式のセンサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多気筒内燃機関で気筒固有の制御を行うことができるようにするためには、内燃機関の制御装置で常時正確なクランクシャフトおよびカムシャフト位置が既知であることが必要である。このことによって個々の気筒の位置も既知となる。このために通常は、クランクシャフトセンサおよびカムシャフトセンサが使用される。ここでこれらセンサは、クランクシャフトおよびカムシャフトと結合されたセンサディスクの特徴的な表面を走査し、出力信号を制御装置に送出する。この制御装置は所要の評価を実行し、制御パルスをトリガする。
【０００３】
始動後できるだけ迅速に、クランクシャフトおよびカムシャフト位置に関する所要の情報を得ることができるようにするため、ドイツ公開公報ＤＥ−ＯＳ４２４３１７７では、内燃機関の高速気筒識別装置において、クランクシャフトに多数の同種の角度マークと少なくとも１つの基準マークを有するセンサディスクを取り付けることが提案されている。基準マークは角度マークが２つ欠けていることによって形成される。内燃機関のクランクシャフトによって駆動されるカムシャフトには第２のセンサディスクが取り付けられており、このセンサディスクの表面には内燃機関の気筒数と同じ数の角度マークが設けられている。この角度マークは相互に区別できるように構成されている。
【０００４】
２つのセンサディスクは適切な検出器によって走査される。これら検出器の出力信号が制御装置で評価され、添加および噴射パルスを形成する際に考慮される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、さらに高速で信頼性の高い気筒識別を始動後に実行できるセンサ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、クランクシャフトにより駆動されるセンサディスク上の基準マークの数はＺ／２またはＺであり、
カムシャフトと結合されたセンサディスク上には付加的にＺ−１の同期角度マークが設けられており、
当該同期角度マークは異なる角度間隔を以て、セグメント角度マークの各々に割り当てられており、
１つのセグメント角度マークには同期角度マークが割り当てられていないように構成して解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
センサディスクないし所属の角度マークの有利な構成によって検出器として種々異なる装置を使用することができる。たとえば誘導形センサ、ホールセンサ、容量性センサ、または相応の変形により光学センサを使用することができる。
【０００８】
この利点は、内燃機関のクランクシャフトと結合したセンサディスクが相互に対向した２つの基準マークを有するか、または内燃機関の気筒数に相応する数の基準マークを使用することによって得られる。内燃機関のカムシャフトと結合したセンサディスクは、気筒数Ｚごとに１つの、いわゆるセグメント角度マークを有する。ここでセグメント角度マーク間の間隔は等しい。Ｚ−１のセグメント角度マークにはそれぞれ１つの同期角度マークが配属されている。ここでセグメント角度マーク間の間隔と所属の同期角度マーク間の間隔は異なる。角度マークの走査を適切な検出器を用いて行うことにより特徴的なパルスシーケンスを形成することができ、このパルスシーケンスが制御装置で評価される。
【０００９】
本発明のさらなる利点は、従属請求項に記載された構成によって得られる。ここでとくに有利には、妥当性検査を行うことができ、これにより検出器の出力信号のエラーを識別することができる。このために順次連続する信号間の時間間隔が測定され、相互に比較される。比較結果に妥当性がない場合はエラーが推定される。信号が正しいと識別されれば、この信号に基づいて非常運転が実現される。加速および減速の際に発生する妥当性検査の問題は有利には次にようにして除去される。すなわち、妥当性検査を所定のパルス間における先行する時間間隔と瞬時の時間間隔との商に基づいて行うのである。
【００１０】
同期の後に予想される、同期角度マークに起因する同期パルスのシーケンスを実際に記録された同期パルスにより評価することによって、カムシャフトセンサディスクに配属された検出器のエラーを識別することができる。
【００１１】
多気筒内燃機関において高速に気筒識別を行うための本発明のセンサ装置は有利には、ディーゼル機関にも外部点火式内燃機関にも使用できる。ＥＤＣ装置を有するディーゼル内燃機関では、本発明のセンサ装置から送出される信号に基づいて噴射を内燃機関の始動後非常に早期にすでに制御することができ、もちろん以降の内燃機関の運転中にも制御できる。
【００１２】
【実施例】
図１には本発明の実施例が概略的に示されている。ここでは内燃機関のうち本発明に重要な部分だけが図示されている。詳細には図１は、クランクシャフト１０と固定結合されたセンサディスク１１を示し、このセンサディスクはその周囲に多数の同種の角度マーク１２を有する。角度マーク１２は長さＬ１にわたって延在しており、相互に間隔Ｌ２を有する。２つの基準マーク１３，１４はそれぞれ２つの角度マークが欠けていることによって形成される。基準マークはセンサディスクに相互に対向している。角度マークの長さＬ１は、正しい関係においては、例えば所属の検出器のポールコアに対して選択される。
【００１３】
第２のセンサディスク１５が内燃機関のカムシャフト１６と結合されており、その外周に長さＬ３のセグメント角度マーク１７を有する。ここで４気筒内燃機関の場合は４つのセグメント角度マークが設けられており、相互にそれぞれ同じ間隔で配置されている。セグメント角度マーク１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの他に、別の同期角度マーク１８ａ，１８ｂ，１８ｃが設けられている。ここで同期角度マークのそれぞれ１つはセグメント角度マークに配属されており、セグメント角度マーク間の間隔と同期角度マーク間の間隔は異なる長さである。セグメント角度マークの１つ、この実施例ではセグメント角度マーク１７ｄには、同期角度マークが割り当てられていない。
【００１４】
内燃機関のカムシャフト１６はクランクシャフト１０によって通常のように駆動され、クランクシャフト１０の半分の速度で回転する。クランクシャフト１０とカムシャフト１６との固定結合はライン１９によって示されている。シャフトが回転するとセンサディスクも回転し、角度マークが検出器２０と２１の前を通過する。その際に検出器に電圧が形成され、この電圧がセンサディスクの表面を表す。センサディスク１１と検出器２０はクランクシャフトセンサとして、センサディスク１５と検出器２１はカムシャフトセンサとして示されている。
【００１５】
検出器としては誘導形センサ、ホールセンサ、容量性検出器、または相応に適合した場合に光学センサを使用することができる。ここでこれら光学センサは送信器および受信器とからなり、角度マークはこれら素子の間を運動する。シャフトないしディスクの回転方向はそれぞれ矢印によって示されている。検出器２０と２１の信号はＳ１とＳ２によって示されている。これら信号は制御装置２２に供給される。制御装置には少なくとも計算装置、例えばマイクロプロセッサが所属のメモリと共に設けられている。制御装置では信号経過が評価される。
【００１６】
制御装置、例えばディーゼル内燃機関の場合はＥＤＣ制御装置では、内燃機関の制御に対して所要の計算が検出器２０，２１から送出された信号Ｓ１とＳ２に基づいて経過する。制御装置にはこのために相応のセンサから送出される別の情報が供給され、相応の入力側Ｅ１を介して供給される。スタートスイッチ２３から内燃機関の始動を行うべきという情報が入力側Ｅ２を介して制御装置２２に供給される。出力側Ａ１を介して制御装置は例えば噴射パルスを噴射弁２４に出力する。電圧供給はスイッチ２５を介してバッテリー２６により行われる。
【００１７】
図１は気筒順序１−３−４−２に対する気筒上死点位置を例として示すものである。この実施例は、例えば電子制御ディーゼル噴射装置と関連して使用される。この噴射装置では噴射ノズルの割り当てが電子的に行われる。同期をとるためには気筒識別が必要である。始動時には噴射を次の次の点火上死点で行わなければならない。このような高速噴射はクイックスタートと称される。クイックスタートを実現することができるようにするため、４気筒内燃機関では２空隙センサディスク１１がクランクシャフト１０に取り付けられている。このセンサディスクは例えば（６０−２）×２の角度マークを有する。カムシャフト１６にはセンサディスク１５が結合されており、このセンサディスクは例えば４×２−１の角度マーク１７ａ〜１７ｄ、１８ａ〜１８ｃを有する。ここで内燃機関の各気筒には、カムシャフト１６に配属されたセンサディスク１５のいわゆるセグメント角度マークが割り当てられている。４気筒のうちの３つが付加的に、セグメント角度マークに対して当該気筒を表す間隔で配置された同期角度マークを有する。残りの１つの気筒には同期角度マークは配属されておらず、１つのセグメント角度マークだけが配属されている。センサディスクの所定の相互構成から、各セグメント角度マークないし同期角度マークに１つの所定のクランクシャフトセンサディスク角度マーク１２を割り当てることができる。このことによって一義的な気筒識別とひいてはクランクシャフトセンサディスクの同期が可能である。
【００１８】
実施例の構成に対する周辺条件として、以下の関連を考慮する。
【００１９】
１．内燃機関の静止後、通常は進み位置（ＶＺＬ）を調整する。この進み位置は構造によるものであり、上死点前約９０゜±１５゜ＫＷ（クランクシャフト角）である。
【００２０】
２．検出器として誘導形センサを使用する場合は、約５０rpmから初めて評価可能な信号が得られる。スタータが加速する際に、誘導形センサが評価可能な出力信号を送出する最小回転数に達するまで所定のクランクシャフト角度マークが通過する。従って気筒識別の際に見込みをとっておかなければならない。この見込みは６０゜ＫＷより小さいことを前提とする。
【００２１】
３．クランクシャフトと結合されたセンサディスクを走査する検出器の出力信号の最初の期間長は、少なくとも信号の２パルスが評価されて初めて識別される。
【００２２】
４．最初の噴射を行うことができるようになる前に、例えば１６ビットカウンタである角度時計がまずクランクシャフト角度に同期する。この１６ビットカウンタは瞬時のクランクシャフト角を送出し、噴射の経過を制御する。このためにクランクシャフトの少なくとも１つの基準マーク１３または１４を越えなければならない。基準マーク通過後の最初の角度マークエッジの時に角度時計は計数過程を開始する。
【００２３】
５．角度時計の同期後に、カムシャフトに配属された検出器の信号評価を正しい気筒識別のために行うことができる。
【００２４】
６．もっとも早い噴射開始は始動時には上死点前２０゜ＫＷである。
【００２５】
７．３５００rpmより大きい回転数の場合、もっとも早い噴射開始は上死点前２０゜ＫＷである。
【００２６】
８．もっとも遅い噴射終了は上死点後３０゜ＫＷである。
【００２７】
９．基準マーク位置の選択の際には、バランス制御（ＬＲＲ）とアンチノッキング減衰（ＡＲＤ）による要求に注意しなければならない。バランス制御とアンチノックイング減衰ではＥＤＣから公知の措置をとる。
【００２８】
周辺条件１から９を注意し、図１に示されたセンサディスクの構成を、例として示された角度分布も含めて考慮すれば、図２および図３に示した信号経過および信号とセンサディスク表面との関係が得られる。図２には気筒２のカムシャフトセグメントの例に基づいて、信号発生がどのように経過するかが示されている。ここで図２ａはセンサディスク１５の表面をセグメントマーク１７ｃまたは同期角度マーク１８ｃの領域で示す。セグメント角度マーク１７ｂと同期角度マーク１８ｃとの間隔は１８゜ＮＷ（カムシャフトを基準にして）である。回転方向は矢印によって示されている。図２ｂには検出器２１が送出する所属の信号経過Ｓ２が示されている。この信号経過から図２ｃに示された矩形信号が形成される。この矩形信号が最終的に同期に使用される。
【００２９】
図２ｄにはセンサディスク１１の表面が示されている。この表面は角度マーク１２と基準マーク１４を有する。検出器２０で信号Ｓ１が形成され、この信号は図２ｅに示されている。この信号Ｓ１から図２ｆに示された矩形信号が形成される。正弦波信号からの矩形信号の形成は一般的に公知のように行われる。このことは例えば、検出器には位置された評価回路または制御装置２２で行うことができる。
【００３０】
図３には、クランクシャフト角度について拡大された信号がプロットされている。ここでクランクシャフト角度は上死点角度で示されている。図３ａにはクランクシャフトセンサディスクの多数の角度マークの走査から得られたいわゆる増分信号が示されている。この増分信号は制御装置に集積された角度時計の入力側に供給される。図３ｂには拡大されたカムシャフトセンサ信号がそれぞれ異なるそれぞれの気筒に割り当てられたカムシャフトセンサディスクの領域に対して示されている。この信号は制御装置２２の計算器の入力側に供給される。図３ｃには、どのクランクシャフト角度公差領域でカムシャフトセンサ信号が発生することができるかが示されている。これによりセンサ信号の一義的割り当てが可能である。
【００３１】
周辺条件１から４のため、内燃機関の進み位置と次の次の点火上死点との間に基準マークがある。適切な取り付けによって基準マークを、電磁弁が開放する最大可能遅れ角度の直後に設けることができる。これにより十分に大きなクランクシャフト角度領域を気筒識別に対して使用することができる。
【００３２】
図３からわかるように、クランクシャフトパルスに対するカムシャフトパルス位置の最大全体公差は±９゜ＫＷより小さくなければならない。この全体公差は、角度マークの製造公差、２つのセンサディスクの取付公差、クランクシャフト１０とカムシャフト１６とのずれ角度、信号検出の誤差および計算器の処理時間からなるものである。
【００３３】
センサまたは後続の処理回路の正常機能を識別するためにクランクシャフトセンサ信号の妥当性検査を正常なクランクシャフトセンサ信号およびカムシャフトセンサ信号において実行することができる。この妥当性検査はカムシャフトセンサ信号の評価によって行われる。このために２つの順次連続するセグメント信号間の期間長が測定される。気筒符号化対して角度マーク間隔を可変にするクイックスタート−カムシャフトセンサディスクを使用する場合には、以下図４に基づいて説明する方法をセグメント角度マークと同期角度マークとの確実な区別のために使用することができ、所定の気筒セグメントの識別のために適用することができる。
【００３４】
図４には、カムシャフトセンサ信号のシーケンスが示されている。所定のセグメント角度マークまたは同期角度マークを、先行する期間長Ｔｎ−１と瞬時の期間長Ｔｎとの商Ｑｎを連続的に形成することによって識別することができる。従って商は
Ｑｎ＝（Ｔｎ−１）／Ｔｎ
により形成される。場合により発生する加速または減速の場合には期間長の商が定常回転数の場合の値から大きく異なる。そのため異なる期間長の商が同じ値をとることがある。従って順次連続するカムシャフト角度マーク間隔を、所属の期間長の商ができるだけ異なるように選択すべきである。さらに期間長の商が所定の経過シーケンスと一致しているか否かの問い合わせを連続的に検査すべきである。このようにしてのみ、所定の商と所属のカムシャフト角度マークとの一義的対応関係が可能になる。この要求により図４に示した同期角度マークの最適割り当てが得られる。
【００３５】
実際に発生する始動時の加速または減速による期間長の商の変動は、すなわち瞬時回転数が低いため加速がとくに強く作用するフェーズの間、および通常の動作中の変動は機関検査台で検査することができる。
【００３６】
別の妥当性検査を、以下図５に示された関連に基づいて説明する。図５にはすでに図２に基づいて説明したセンサディスク構成ないし比較的に大きなクランクシャフト角度領域にわたる信号が示されている。４気筒内燃機関に対するクイックスタートセンサディスク構成の所属装置はカムシャフトセンサディスク上の同期角度マークによって、迅速に瞬時の気筒を識別することができる。このことは検査すべき同期角度マークの、気筒セグメントにおける位置を問い合わせることによって実現される。この位置が複数の手段から識別されれば、この位置は制御装置の計算器のデータセットにファイルされた上側および下側限界により設定される。気筒が識別されるなら、引き続いて気筒カウンタが計数する。この気筒カウンタは４気筒内燃機関の場合はゼロから３まで計数する。一般的にＺ気筒の場合はＺ−１まで計数する。この計数経過の正当性を検査することによって、装置の正常機能に関する別の情報を得ることができる。計数経過が正しいか否かを検出するために、反対の順序で同期角度マークの位置が検査される。検出された計数状態は、データセットにファイルされた同期角度マークの所定の位置を指示する。発生した角度マークがこの目標位置を有していれば、このマークは正しいとされる。気筒カウンタにより検出され、データセットの上側および下側限界位置により定義された位置とは異なる位置を有していれば、該当する同期角度マークにはエラーがあるとされ、場合により装置の誤機能が識別され表示される。
【００３７】
図６，７，８には、３気筒内燃機関に対するクランクシャフトセンサディスク、カムシャフトセンサディスク並びに所属の信号経過が示されている。ここでクランクシャフトと結合されたセンサディスクは各気筒に対して基準マークを有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の概略図である。
【図２】センサディスクの表面と形成される信号との関係を示す線図である。
【図３】２つの検出器の出力信号の信号経過を示す線図である。
【図４】カムシャフト同期角度マーク信号とセグメント角度マーク信号との関係を示す線図である。
【図５】４気筒内燃機関に対するクイックスタートセンサディスク構成の全体を示す線図である。
【図６】３気筒内燃機関に対するセンサディスク構成の概略図である。
【図７】３気筒内燃機関に対するセンサディスク構成の概略図である。
【図８】３気筒内燃機関に対する信号経過を示す線図である。
【符号の説明】
１０ クランクシャフト
１１ センサディスク
１３，１４ 基準マーク
１５ 第２のセンサディスク
１６ カムシャフト
１７ セグメント角度マーク
１８ 同期角度マーク

Claims (10)

1. Ｚ気筒を有する内燃機関の高速気筒識別センサ装置であって、
   クランクシャフトにより駆動されるセンサディスクと、カムシャフトにより駆動されるセンサディスクと、検出器とを有し、
   前記クランクシャフトにより駆動されるセンサディスクは多数の同種の角度マークと、クランクシャフト角度に固定的に割り当てられた少なくとも１つの基準マークとを有し、
   前記カムシャフトにより駆動されるセンサディスクは気筒数Ｚに依存する数の同種のセグメント角度マークを有し、
   前記検出器は角度マークを走査し、相応の信号を内燃機関の制御装置に送出する形式のセンサ装置において、
   クランクシャフトにより駆動されるセンサディスク上の基準マークの数はＺ／２またはＺであり、
   カムシャフトと結合されたセンサディスク上には付加的にＺ−１の同期角度マークが設けられており、
   当該同期角度マークは異なる角度間隔を以て、セグメント角度マークの各々に割り当てられており、
   １つのセグメント角度マークには同期角度マークが割り当てられていない、ことを特徴とするセンサ装置。
2. セグメント角度マークと同期角度マークは同じ大きさである、請求項１記載のセンサ装置。
3. 検出器は誘導形センサまたはホールセンサまたは容量形センサまたは光学センサであり、
   センサディスクの構成とセンサディスクの材料の選択は使用されるセンサに相応して行う、請求項１または２記載のセンサ装置。
4. センサディスク（１１）はクランクシャフト（１０）と、センサディスク（１５）はカムシャフト（１６）と共に組み立てられており、
   内燃機関の駆動時、およびその際のセンサディスクの回転の際に検出器（２，２１）には信号が形成され、
   カムシャフトセンサディスクの各角度マーク信号には、クランクシャフトセンサディスクの信号の所定の計数状態を割り当てることができ、
   これにより一義的な気筒識別が可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ装置。
5. 気筒識別が行われた後、次に予期される気筒識別が実際に行われたか否かが検査され、行われない場合には誤機能が識別される、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ装置。
6. 気筒識別が、セグメントマークと後続の同期マークとの間隔の評価によって行われる、請求項１から５記載のセンサ装置。
7. 所定の動作状態の間または所定時間の間、妥当性検査が行われ、
   当該妥当性検査ではクランクシャフトセンサ信号およびカムシャフトセンサ信号のパルスシーケンスが評価され、予想シーケンスと異なる場合はエラーが指示される、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ装置。
8. 妥当性検査は、先行する期間長Ｔｎ−１と瞬時の期間長Ｔｎとの商の評価によって行われ、
   これによりセグメント角度マークと同期角度マークとの区別が可能である、請求項７記載のセンサ装置。
9. 気筒識別の後、気筒カウンタがスタートされ、当該気筒カウンタは０からＺ−１まで計数し、
   計数状態から先行する同期角度マークの位置が推定され、
   予想される角度マークの位置に相応する場合、妥当性が識別される、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ装置。
10. 偏差が所定の限界内である場合にも妥当性が識別される、請求項９記載のセンサ装置。

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