JP4348295B2 - 回転数センサ及び／又は回転角センサのインクリメントホイールの角度マークの位置を補正する方法、ならびにこのためのシステム - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の回転数センサ及び／又は回転角センサのインクリメントホイールの角度マークの位置を補正する方法、ならびにこのためのシステムに関する。

内燃機関の回転数及び角度、特にクランク角及び／又はカム角の検出には、インクリメントホイールが使用される。インクリメントホイールはその円周に理想的には等距離の角度間隔で取り付けられたマークを有している。インクリメントホイールはセンサ素子によって走査される。後置接続されたエッジ評価部はセンサ信号からマークの位置を検出する。しかし、実際のクランク角はインクリメントホイールのマークによっては不正確にしか検出されない。とりわけ、（センサホイールマークが等距離でない実際の）インクリメントホイール、センサ、及びエッジ評価部の許容誤差がそのようにして検出された角度を歪曲してしまう。

センサホイールの許容誤差の調整と角度検出のための方法は公知である（ＤＥ ４２ １６ ０５８ Ａ１）。

シリンダに吸入された空気の圧縮と膨張とによって牽引運転においてもエンジンの不均一な回転運動が生じるので、公知の調整アルゴリズムはエンジンのこの回転不均一性を記述するモデルを必要とする。測定された角度信号からこれらの信号成分を分離した後には、センサホイールの許容誤差ないし角度検出に起因する信号成分が残る。

等間隔でない角度マークは、例えばＤＥ ４２ １６ ０５８ Ａ１による残った信号成分の評価により識別され、その後、角度誤差の補償に利用することできる。エンジンの回転不均一性のモデルは条件付きでしか正確ではないため、上述の信号成分の分離は近似的にしか可能ではない。したがって、角度マーク位置の残差は残る。

燃焼室圧力センサを用いて内燃機関内での燃焼過程の個々のパラメータを検出ないし制御する方法がさらに公知である。

本発明の課題は、インクリメントホイールの信号の調整を簡単だが非常に正確に行えるようにする、内燃機関の回転数センサ及び／又は回転角センサのインクリメントホイールの角度マークの位置を補正する方法、ならびにこのためのシステムを提供することである。
発明とその利点
この課題は、
ａ）回転数センサ及び／又は回転角センサによって角度マークを検出するステップと、
ｂ）内燃機関の各シリンダ内の燃焼室圧を測定するステップと、
ｃ）測定された圧力値を検出された角度マーク位置に割り当てるステップと、
ｄ）必要に応じて、測定された圧力値を信号処理部において補正するステップと、
ｅ）検出された角度マーク位置を関連する測定された圧力値とともに測定値テーブルに記憶するステップと、
ｆ）理想的な角度マーク位置において生じる理想的圧力値を基準テーブルに格納するステップと、
ｇ）測定され必要に応じて信号処理部において事前処理された圧力値を理想的圧力値と比較するステップと、
ｈ）シリンダ圧力値が一致しているときの理想的角度マーク位置に対する測定された角度マーク位置の偏差を評価ユニットにおいて求めるステップと、
ｉ）測定された角度マーク位置を求められた偏差の分だけ補正するステップ
を有することを特徴とする、内燃機関の回転数センサ及び／又は回転角センサのインクリメントホイールの角度マークの位置を補正する方法により解決される。

同様に、この課題は、
−回転数センサ及び／又は回転角センサと、
−測定センサと、
−制御装置を有しており、
前記回転数センサ及び／又は回転角センサは、角度マーク位置と少なくとも１つのセンサ素子とを備えた、軸の回転運動に従動するインクリメントホイールを備えており、
前記測定センサは、内燃機関の個々のシリンダの燃焼室圧の圧力値を測定し、
前記制御装置は、信号評価部、測定値テーブル、基準テーブル、場合によっては信号処理部、評価ユニット、及び角度補正テーブルを備えているものであることを特徴とする、上記方法を実行するためのシステムにより解決される。

本発明は、燃焼室圧力信号の情報を利用することによって、回転数ないし軸角の検出に使用される測定システムのインクリメント誤差を求め、補償するという利点を有している。これにより、内燃機関の精確な制御が可能である。とりわけ、角度信号がより精確になれば、ノッキング制御されたシステムにおいて、内燃機関内に噴射すべき燃料量をより低い許容誤差で配量することができる。

内燃機関の軸角と回転数の正確な検出は、インクリメントホイールの角度マークと等間隔でない角度マークの部分との位置を正確に求めることにより可能になる。このようにして、等間隔でない角度マークを軸角と軸回転数の計算のために考慮することができる。角度補正は内燃機関の特別な動作状態においては燃焼室圧力信号から求められる。

シリンダ圧プロファイルから角度マーク補正を求めるには、牽引運転時のシリンダの圧縮及び膨張フェーズが特に適していることが判明している。このフェーズでは、燃焼室圧力信号のクランク角による微分は非常に高い値を有している。

シリンダ圧測定が角度マークによりトリガされると、角度マーク位置の誤差は誤差のない場合とは異なるシリンダ圧を生じさせる。この偏差は識別され、角度マークの較正に使用される。それゆえ、上述の発明によれば、例えばクランク軸の角度は公知の調整方法よりも精確に求めることができる。

従来技術から知られているような内燃機関の回転不均一性のためのモデルは不要となる。

本発明の別の利点は従属請求項から得られる。
図面
図面に示された図と以下で述べる実施例とに基づいて本発明をより詳細に説明する。

図１は、内燃機関の種々のシリンダのシリンダ圧をクランク軸角度にわたってプロットして示している。
図２は、本発明によるシステムの概略的な図を示している。

図１によれば、内燃機関のシリンダの個数Ｚに依存して、各セグメント内に吸気弁及び排気弁の閉じたシリンダが１つ存在するように、サイクルないしクランク軸角度はＺ個の異なるセグメントに分けられる。このシリンダは目下のところ圧縮ないし膨張フェーズにあり、角度マーク位置検出のためのシリンダ圧の評価のためにこのセグメントに関連して選択される。

以下では、本発明にしたがってどのようにして各セグメントに関してシリンダ圧プロファイルに基づいて角度マークの位置を補正することができるのかを説明する。内燃機関のクランク角はクランク軸に接続されたインクリメントホイール１によって検出される。このインクリメントホイール１はその円周に理想的には等距離の角度間隔φ_{ｉｎｋｒ，ｉｄｅａｌ}で取り付けられたＭ個のマークを有している（マークが欠落して基準ギャップが形成されているインクリメントホイールにおいて、Ｍは完全なマークの個数に相当する）。センサ素子２はインクリメントホイールを走査する。エッジ評価部３であるユニットはセンサ信号からマークの位置を検出する。インクリメントカウンタ４は現在セグメントにおいて検出されたマークの個数ｋをカウントする。セグメント毎に有利には２Ｍ／Ｚ個のマークがある。

第１の角度マークより前の基準点から始めて、誤差のない場合の角度マークｋに関するクランク角Φ_{ｋｗ，ｎｏｍ}（ｋ）がインクリメントカウンタから関係式
Φ_{ｋｗ，ｎｏｍ}（ｋ）＝ｋ・Δφ_{ｉｎｋｒ，ｉｄｅａｌ}
によって得られる。

インクリメントホイール１、センサ素子２、及びエッジ評価部３の許容誤差のゆえに、個々のマークの間の角度は誤差を有しており、各マークｋについて別の角度Δφ_{ｉｎｋｒ，ｒｅａｌ}（ｋ）が得られる。

本発明による方法によれば、角度マークの検出によりトリガされて、内燃機関の各シリンダ（５ａ−５ｂ）について燃焼室圧力Ｐ_ｚｙｌ（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ）が圧力センサ（６ａ−６ｂ）により検出される。シリンダカウンタ７は信号選択ユニット８を用いてこのセグメントに指定されたシリンダの圧力信号を選択する。測定された圧力値は測定値テーブル１１に記憶され、セグメントの最後の角度マークに対する測定が終了した後には評価のために使用できる。

動作点識別部１０はエンジンの動作状態を監視し、エンジンが予め決められた動作状態にあるときに評価を開始する。シリンダ圧に基づいたセンサホイール調整は有利には牽引運転において、定められた回転数に対して安定動作条件が生じるとすぐに実行される。この動作条件のために、エンジン制御部内に基準テーブル９があり、この基準テーブル９には、理想的な角度マーク位置Φ_{ＫＷ，ｎｏｍ}（ｋ）において生じるシリンダ圧が格納されている。このシリンダ圧は例えばこのエンジンタイプのサンプルについて前もって試験台で求めることができる。図１では、各セグメントに、基準テーブルに記憶されているようなシリンダ圧プロファイルの例が示されている。

動作条件（チャージ圧力、給気温度）の小さな変化に対してシリンダ圧が非常に敏感に反応することに加えて、実際のシリンダ圧センサはオフセット定数誤差及び増幅定数誤差を有しているので、測定されたシリンダ圧力値と基準としてテーブル化されたシリンダ圧力値の直接的な比較は条件付きでしか可能でない。それゆえ、有利には、まず信号処理部１２において、可能な増倍定数ａとオフセット定数ｂが推定され、測定された圧力信号が相応して補正される。これは例えば最小二乗法によって行うことができる。その場合、定数ａ及びｂは、

が最小化されるように決定される。テーブルの代わりに関数を使用し、関数のパラメータを相応して推定してもよい。

シリンダ圧信号に妨害があるときでもここに示した方法を使用できるようにするために、本発明の拡張として、シリンダ圧力値をまず複数のサイクルにわたって記憶し、個々の角度マークについて測定された値の平均を求めることも可能である。これにより、さらには信号上のゼロ平均確率誤差を補償することができる。

このように事前処理され測定されたシリンダ圧力値ａ・ｐ_{ｚｙｌ，Ｍｅｓｓｕｎｇ}（ｋ）＋ｂをテーブル化された値と比較することによって、評価ユニット１３は偏差を求めることができ、この偏差は本発明にしたがって角度マークの位置の誤差に起因するものと見なされる。圧力値ａ・ｐ_{ｚｙｌ，Ｍｅｓｓｕｎｇ}（ｋ）＋ｂに相応しい角度φ_{ＫＷ，ｋｏｒｒ}（ｋ）は、例えばテーブル化されたシリンダ圧力値間の線形補間から計算することができる。位置誤差に関しては、Δφ_{ＫＷ，ｋｏｒｒ}＝φ_{ＫＷ，ｋｏｒｒ}（ｋ）−φ_{ＫＷ，ｎｏｍ}（ｋ）である。これは角度補正テーブル１４に記憶される。他のすべての関数はエンジン通常動作時にこの角度補正テーブル１４にアクセスすることができる。角度マークの位置の調整ないし補正を行うことができ、実際のクランク角を精確に求めることができる。これにより、内燃機関のより精確な制御が可能である。

例えば誘導性インクリメントセンサの信号振幅はセンサと角度マークとの間の速度に、したがってエンジン回転数に非常に強く依存しているため、角度マーク識別に必要なエッジ検出においても回転数に依存した誤差が生じうる。この回転数依存性は、異なる回転数の下でのシリンダ圧信号から角度マーク間隔の較正を行い、回転数に応じて角度補正テーブルに格納することで補償される。

１つのサイクルは２つのクランク軸回転から成っているので、シリンダ数Ｚが偶であるエンジンの場合には、シリンダｉのクランク角範囲とシリンダｉ＋Ｚ／２のクランク角範囲は重なる。圧力信号の評価のためにはシリンダｉ‥Ｚ／２で十分であり、ないしは、結果はシリンダｉ＝Ｚ／２＋１‥Ｚの結果で説明されうる。

シリンダ数が偶でないエンジンの場合には、セグメントをより小さく選定することができるので、セグメントは圧力の勾配の変化が最大である領域を含む。

原理上、角度マークの位置誤差は直接ＯＴまわりでは識別することが難しい。というのも、ＯＴまわりではクランク角αでの勾配ｄｐ_ｚｙｌ／ｄαは非常に小さな値を有するからである。

燃料量のより正確な配量という観点での本方法の有効性は、本発明で説明したアクティブ角度補正を用いない場合のＵＩＳシステム（角度配量システム）における配量精度と用いた場合の配量精度とを比較することによって立証することができる。

本方法の有効性はさらに、本発明で説明したアクティブ角度補正を用いない場合のインクリメント時間のプロファイルと用いた場合のインクリメント時間のプロファイルを比較することによって立証することができる。アクティブ角度補正を用いれば、アクティブ角度補正を用いなかった場合よりも明らかに滑らかなインクリメント時間のプロファイルが得られる。

内燃機関の種々のシリンダのシリンダ圧をクランク軸角度にわたってプロットして示す。 本発明によるシステムの概略的な図を示す。

Claims (14)

1. 内燃機関の回転数センサ及び／又は回転角センサ（１，２，３，４）のインクリメントホイール（２）の角度マークの位置を補正する方法において、
   ａ）前記回転数センサ及び／又は回転角センサ（１，２，３，４）によって角度マークを検出するステップと、
   ｂ）内燃機関の各シリンダ（５ａ，５ｂ）内の燃焼室圧（Ｐ_ｚｙｌ（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ））を測定するステップと、
   ｃ）測定された圧力値（Ｐ_ｚｙｌ（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ））を検出された角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｒｅａｌ}（ｋ））に割り当てるステップと、
   ｄ）複数の検出された角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｒｅａｌ}（ｋ））を関連する測定された圧力値（Ｐ_ｚｙｌ（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ））とともに測定値テーブル（１１）に記憶するステップと、
   ｅ）理想的な角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｉｄｅａｌ}（ｋ））において生じる理想的圧力値（Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（１）、Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２）、…Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２Ｍ／Ｚ））を基準テーブル（９）に格納するステップと、
   ｆ）測定され必要に応じて信号処理部（１２）において事前処理された圧力値（Ｐ_ｚｙｌ（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ））を理想的圧力値（Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（１）、Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２）、…Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２Ｍ／Ｚ））と比較するステップと、
   ｇ）シリンダ圧力値が一致している（Ｐ_ｚｙｌ（１）＝Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（１）、Ｐ_ｚｙｌ（２）＝Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２）、…Ｐ_ｚｙｌ（２Ｍ／Ｚ）＝Ｐ_{ｚｙｌ，ｉｄｅａｌ}（２Ｍ／Ｚ））ときの理想的角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｉｄｅａｌ}（ｋ））に対する測定された角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｒｅａｌ}（ｋ））の偏差（Δφ_{ＫＷ，Ｋｏｒｒ}（ｋ））を評価ユニット（１３）において求めるステップと、
   ｈ）測定された角度マーク位置（φ_{ｉｎｋｒ，ｒｅａｌ}（ｋ））を求められた偏差（Δφ_{ＫＷ，Ｋｏｒｒ}（ｋ））の分だけ補正するステップ
   を有することを特徴とする、内燃機関の回転数センサ及び／又は回転角センサ（１，２，３，４）のインクリメントホイール（２）の角度マークの位置を補正する方法。
2. 測定された圧力値（Ｐ _ｚｙｌ （１）、Ｐ _ｚｙｌ （２）、…Ｐ _ｚｙｌ （２Ｍ／Ｚ））を信号処理部（１２）において補正する、請求項１記載の方法。
3. 前記方法を内燃機関の所定の動作状態において、とりわけ、内燃機関を使用しない牽引運転において実行する、請求項１記載の方法。
4. 理想的角度マーク位置に対する測定された角度マーク位置の偏差（Δφ_{ＫＷ，Ｋｏｒｒ}（ｋ））を評価ユニット（１３）において求める前記ステップを特徴のあるシリンダ圧力値の領域において行う、請求項１又は３記載の方法。
5. 前記特徴のあるシリンダ圧力値とは各シリンダの圧縮及び／又は膨張フェーズにおける最大値である、請求項４記載の方法。
6. 燃焼室圧力信号を軸角で微分することにより前記最大値を求める、請求項５記載の方法。
7. 測定された圧力値の補正を最小二乗法で行う、請求項２から６のいずれか１項記載の方法。
8. 最小二乗法において、下記の和
   

   

   を最小化して、増倍定数ａとオフセット定数ｂを推定する、ただし、Ｍはインクリメントホイール（２）に取り付けられた角度マークの個数であり、Ｚは内燃機関のシリンダの個数であり、内燃機関のサイクルはＺ個のセグメントに分けられており、ｉは各セグメントにおける角度マークのインデックスであり、ｐ _zyl,Tabelle （ｉ）は基準テーブル（９）に格納された理想的な圧力値であり、ｐ _zyl,Messung （ｉ）は測定テーブル（１１）に格納された測定された圧力値である、請求項７記載の方法。
9. シリンダ圧力値をまず複数のサイクルにわたって測定及び記憶し、個々の角度マーク位置に関して前記シリンダ圧力値の平均を求める、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 内燃機関の動作状態を動作点識別部（１０）により監視する、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記インクリメントホイール（２）は、各々１つのシリンダに割り当てられた複数のセグメント（Ｚ）を有しており、信号評価ユニット（１３）は測定されたマーク位置から前記セグメントに個々のシリンダを割り当て、各シリンダの圧力値は相応するセグメントに割り当て可能である、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 角度マーク位置の検出の回転数依存性を補償する、請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。
13. さまざまな回転数のもとでシリンダ圧力信号から角度マーク位置間隔の較正を行い、回転数に応じて角度補正テーブルに格納する、請求項１２記載の方法。
14. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法を実行するためのシステムにおいて、
    該システムは、
    −回転数センサ及び／又は回転角センサと、
    −測定センサ（６ａ，６ｂ）と、
    −制御装置とを有しており、
    前記回転数センサ及び／又は回転角センサは、角度マーク位置（Ｋ）と少なくとも１つのセンサ素子（２）とを備えた、軸の回転運動に従動するインクリメントホイール（１）を備えており、
    前記測定センサ（６ａ，６ｂ）は、内燃機関の個々のシリンダ（５ａ，５ｂ）の燃焼室圧の圧力値を測定し、
    前記制御装置は、信号評価部（８）、測定値テーブル（１１）、基準テーブル（９）、場合によっては信号処理部（１２）、評価ユニット（１３）、及び角度補正テーブル（１４）を備えている、ことを特徴とするシステム。

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