JP4410417B2 - 内燃機関における燃焼過程の評価方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
燃焼過程の評価のためには、様々な方法が存在している。
【０００２】
エンジンの多くの特性値や状態、例えば実負荷、ミスファイア、燃焼状態等は、燃焼室圧力センサに基づいて検出される。これ等の方法では、シリンダー毎にシリンダー頭部に追加の穴を一つ開けることと、規格生産に適した圧力センサとが必要となる。これ等の欠点と高いシステムコストが現在、量産への採用を妨げている。
【０００３】
燃焼のミスファイアの認知のためには現在、作動不安定法が用いられている。多気筒エンジンの場合には、低負荷時のＳ／Ｎ比が問題となる。
【０００４】
要するに、燃焼室圧力信号が無い場合には、個々の燃焼技術上のパラメータと状態を調べるために、多くのその他のセンサや方法が用いられるということが分かる。
【０００５】
文献から、圧力情報は複雑なやり方で固体伝送音に伝達されるということが知られている。実際的な条件の下で固体伝送音から圧力信号を余すところ無く再構成することを可能にする様な方法は知られていない。
【０００６】
ＤＥ３９３３００８Ｃ２では、ミスファイアの認知のためにエンジン振動に低域フィルター処理をかけることによってカムシャフト振動数を取り出し、そのレベルを基準レベルと比較するという方法が用いられている。この方法では、ミスファイアの認知は唯一つのシリンダーについてしか可能ではない。多気筒でのミスファイアの場合には、シリンダーを特定することが出来ない。更に伝達関数の特性が考慮されていない。出力信号に対する様々なシリンダーの影響を分離することが出来ない。
【０００７】
ＤＥ１９６１２１８０Ｃ１には、多気筒のディーゼル内燃機関における不規則な燃焼雑音を認知するための方法が開示されている。そこでは固体伝送音センサによって検出された燃焼雑音が特徴を捕らえるために用いられている。比較的高い周波数の信号成分も利用されるということが推量される。この方法は、オットーエンジンの場合には利用することが出来ない、何故なら、このエンジンの場合には、正常な燃焼によって固体伝送音の中に生み出される比較的高い周波数の信号が背景雑音からほとんど区別されないからである。
【０００８】
ＥＰ０３２６８９８Ｂ１では、欠陥燃焼を特定するための方法が、固体伝送音からノッキングを識別する既知の原理から導き出されている。そのために、アイドル運転時の点火時点と本来のノック時間帯との間の追加の測定時間帯の固体伝送音が評価される。欠陥燃焼の検出を可能にする周波数領域に関しては何の情報も得られない。
【０００９】
ＤＥ１９７３９０８５から、ノックセンサからの信号から燃焼室圧力の推移を再構成するというやり方に基づく、内燃機関の燃焼室内の燃焼の制御と調節が知られている。
【００１０】
ＥＰ０５１７７７４Ｂ１には、ピストンエンジンのシリンダーの内圧の推移を調べるための方法と装置が開示されている。その際には、先ずシリンダー内圧の中の固体伝送音の伝達が識別される。次に、シリンダー圧力の計算が、測定された固体伝送音信号に対して（前もって識別された）伝達を適用することによって行なわれる。この場合、ゲート回路によって圧力信号の一部だけしか再構成されず、全作動サイクルにわたって内圧の推移を評価することは考えられていない。ゲート回路によって前もって設定された信号枠の中では、伝達関数は時間或いはクランク角度に依存していない。
【００１１】
特定の信号部分への限定は、ＥＰ５１７７７４ではバックグラウンド成分のフェードアウトによって根拠づけられている。しかしながら、この限定はこのフェードアウトを越えて有用な情報の損失をもたらす。全てのシリンダーの圧力信号は、４サイクルエンジンの場合には７２０°ＫＷのクランクシャフト角度領域内で表現されるので、シリンダー回転数が上昇するにつれて異なるシリンダーの圧力信号がますます重畳されて行く。それに従って一つのシリンダーの信号が他のシリンダーの結合による影響を受けずに残されている信号枠は狭くなって行く。
【００１２】
従って、多気筒エンジンの場合にはシリンダー内圧から引き出すことの出来る全ての特性を捕捉するために、この方法を使用することは出来ない。
【００１３】
この発明の課題は、燃焼に係わるパラメータと状態を固体伝送音から導き出す方法並びに装置の開発である。
【００１４】
燃焼に係わるパラメータの例としては、圧力信号の中の燃焼拡大の積分、最大値に到達する前の上昇段階における圧力信号の積分、及び圧力信号の最大値の位置がある。圧力信号には、圧縮だけに起因する成分が含まれている。この成分は点火無しでも測定することが出来るであろう。この圧力はピストンの上方の容積と相関関係にあり、従って、圧縮行程の前と作動行程の終わりの大容積時に小さく、また圧縮行程の終わりの、上死点の最小容積の領域内で最大となる。
【００１５】
燃焼拡大は、燃焼の有無で調節される圧力の推移の間の差である。燃焼拡大の積分は、燃焼のエネルギー変換の尺度となる。燃焼拡大の積分は、特に燃焼のミスファイアの認知のために有用である。上昇段階の圧力積分は、負荷の把捉のために、即ちシリンダー充填の把捉のために適している。最大値の位置は、とりわけ調節目的のために関心が持たれる。
【００１６】
上記の課題は請求項１のメルクマールによって解決される。その他の有利な実施態様は付属の諸請求項の目的となっている。
【００１７】
この発明による設定課題の解決策は、この発明に基づく方法並びに装置のために、圧力上昇曲線や燃焼拡大等の、関連する低周波振動についても、圧力と固体伝送音との間の時間依存性或いはクランクシャフト角度依存性の伝達を基礎とするモデルを用いるということによってもたらされる。このような時間依存性は、回転数からの独立性を達成するための、角度依存性の伝達関数によって実現される。
【００１８】
この発明は、圧力と固体伝送音信号との間の伝達の際には、時間依存性の或いはクランクシャフト角度依存性の伝達関係が存在しているという知見に基礎付けられている。このバリアンス（変量）は、ノック振動が発生している間のピストン運動によって或る程度まで解明可能である。ノッキングによって生み出された圧力振動自身もピストン運動によって周波数変調を受ける。
【００１９】
燃焼に係わるパラメータ及び状態を調べるためには、再構成可能な圧力信号の特有の構成部分だけが用いられる。ミスファイアの認知のためには、秩序領域内における燃焼拡大の再構成が用いられる。その際、秩序という概念は点火周波数の整数倍を意味している。４サイクルエンジンの一つのシリンダーの点火周波数は、クランクシャフト回転周波数ｎの二分の一（ｎ／２）、即ちカムシャフト周波数、に等しい。従って、シリンダー数ｚのエンジンの点火周波数はｚ×（ｎ／２）となる。
【００２０】
燃焼拡大の変化のない成分は、例えば時間領域から周波数領域内への圧力信号のフーリエ変換の場合には、ゼロ次のフーリエ係数によって表される。
【００２１】
以下にこの発明の幾つかの実施例が図面に基づいて説明される。
或る応用段階で先ず一度、全ての内圧ｐ（ｔ）から一つ或いは幾つかの固体伝送音信号ａ（ｔ）への伝達関数が定められるものとする。従って、時間信号ｐ（ｔ）及びａ（ｔ）は、以下の説明ではベクトル値と見なされるものとする。計算された伝達関数は、一つのシリーズのピストンエンジンに対して有効性を持っているので、伝達関数の確定は、一つのシリーズの中の唯一つのエンジンについて行えば良いということを前提とすることが出来る。
【００２２】
図１は、伝達関数を定めるための装置の一つの実施態様を示している。測定用センサ１は、ピストンエンジンの全てのシリンダー内圧信号ｐ（ｔ）を測定する。フィルター４によるアナログ低域ろ波の後で、圧力信号は手段６でデジタル化され、この形で後続処理のために準備される。固体伝送音信号ａ（ｔ）は、測定用センサ２によって受け取られ、５でフィルター４の遮断周波数で同じく低域ろ波される。固体伝送音信号の中の大き過ぎる雑音を排除するために、ここでは遮断周波数は処理領域内で選ばれるものとする（例えば、３ｋＨｚ）。この固体伝送音信号は、同じく７によってデジタル化される。ピストンエンジンとの同期化のために、同期化パルスが測定用センサ３で検出される。これ等のパルス間における走査サイクルの数は、カウンター８で求められる。その際、補間フィルター１０は、各々の走査値に対する割り当てのクランク角度値αを割り当てる。識別ユニット９は、デジタルの形になっている時間信号から、圧力信号から固体伝送音信号への全ての伝達の、クランク角度依存のパルス応答ｈ（α、ｔ）或いは伝達関数Ｈ（α、ｆ）（ｆはωに比例）を計算する。この計算は、時間領域か或いは周波数領域内で行われる。回転速度に対する伝達関数の依存性は、パルス応答或いは伝達関数の角度依存性の中で考慮される。
【００２３】
図２は、一つ又は幾つかの固体伝送音信号からシリンダー内圧信号ｐ（ｔ）をシリンダー別に計算或いは再構成するための装置の一つの実施態様を示している。ここでは、全てのシリンダーの内圧信号を完全に確定することが出来る。測定用センサ２．１による固体伝送音信号の検出の後、この信号はフィルター２．３で低域ろ波され、手段２．５でデジタル化される。その際、低域ろ波の遮断周波数は処理領域内にある。同期化パルス２．２間の走査サイクルの数はカウンター２．６でカウントされ、補間フィルター２．８によって各々の走査値に対する割り当てのクランク角度値αが計算される。計算ユニット２．７において、誤差の最小２乗法によって最適の圧力信号２．９が求められる。この圧力信号は、メモリ２．４に記憶されているパルス応答或いは伝達関数と共に、測定された固体伝送音信号を生み出すもととなった筈のものである。
【００２４】
図３は、一つ或いは幾つかの固体伝送音信号からシリンダー内圧信号ｐ（ｔ）をシリンダー別に計算するための装置の一つの変形実施態様を示している。変更点は、試行錯誤的に定められたモデル関数を用意している追加の手段３．９にある。計算ユニット２．７において、誤差の最小２乗法によって最適の圧力信号３．１０が求められる。この圧力信号は、メモリ２．４に記憶されているパルス応答或いは伝達関数と共に、測定された固体伝送音信号を生み出すもととなった筈のものである。
【００２５】
計算されるべき圧力信号は、ここでは前もって試行錯誤的に定められたモデル関数３．９の線形的重ね合わせとしてモデル化されている。これによって方法の安定化と計算されるべきパラメータの数の削減が達成される。
【００２６】
図４は、時間依存性の、或いは角度依存性の伝達関数を想定可能であることを示している。
【００２７】
作動行程の間、ピストンは上死点（ＯＴ）と下死点（ＵＴ）との間を循環的に運動する。上死点では、固体伝送音結合に利用されるシリンダージャケット面積が最小となるのに対して、下死点では、該面積は最大に達する。ピストンが時点ｔでシリンダー内の位置Ｚｋ（α（ｔ））にある時には、結合面として常時結合領域、並びに Ｚｋ（α（ｔ）））−Ｚｋ（０） の幅のシリンダーリングが利用出来る。ピストンが更に極微量ｄｚだけ運動すると、結合面積もそれに応じて増大する。これが伝達関数の追加の時間依存性或いは角度依存性をもたらす。
【００２８】
図５は上記の依存性を示している。図５は、特定の固体伝送音センサにおける特定のシリンダーの伝達関数のステレオグラムを示している。この図には、周波数選択性と共に、強い時間依存性或いは角度依存性がこの発明によって考慮されている、ということがはっきりと示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、伝達関数を定めるための装置の一つの実施態様を示している。
【図２】 図２は、一つ或いは幾つかの固体伝送音信号からシリンダー内圧信号ｐ（ｔ）をシリンダー別に計算するための装置の一つの実施態様を示している。
【図３】 図３は、一つ或いは幾つかの固体伝送音信号からシリンダー内圧信号ｐ（ｔ）をシリンダー別に計算するための装置の一つの変形実施態様を示している。
【図４】 図４は、固体伝送音を伝達に関連づける時間依存性或いは角度依存性を示している。
【図５】 図５は、周波数（ω）及び時間或いはクランクシャフト角度（α）との関係から見た伝達関数のステレオグラムを示している。

Claims (7)

1. 内燃機関における燃焼過程の評価方法であって、関連する低周波振動に対して、圧力と固体伝送音との間の伝達を使用するモデルによる、内燃機関における燃焼過程の評価方法において、
   圧力と固体伝送音との間の伝達の時間依存性が推定され、その際に角度に依存する伝達関数を用いて前記時間依存性を表すことによって、回転数からの独立性が得られること、および
   燃焼に係わるパラメータと状態を求めるために、再構成可能な圧力信号の特有の構成部分だけが利用されること、
   を特徴とする内燃機関における燃焼過程の評価方法。
2. 前記燃焼に係わるパラメータと状態を求めるには、圧力信号における燃焼拡大の積分を求めること、最大値に到達する前の上昇段階における圧力信号の積分を求めること、および圧力信号の最大値の位置を求めることからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１の評価方法。
3. 圧力と固体伝送音との間の時間依存性の伝達は、全てのシリンダーの圧力と１又は幾つかの固体伝送音信号の観測から識別され、その際、固体伝送音信号を既知の規則に従って取り出すことを特徴とする請求項１の評価方法。
4. 圧縮曲線と評価された伝達関数とに基づいて、クランク角度に係わる燃焼拡大の時間的推移或いはフーリエ係数を直接求めるために、ノンパラメトリックな最小２乗近似法が用いられることを特徴とする請求項１または２の評価方法。
5. ミスファイアの認知のために、クランク角度に係わる燃焼拡大の少数の或いは唯一つだけのフーリエ係数が用いられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの評価方法。
6. 圧縮曲線と評価された伝達関数とに基づいて、クランク角度に係わる燃焼拡大のフーリエ係数を直接求めるために、既に角度の領域で適用されているパラメトリックな評価が用いられることを特徴とする請求項１または２の評価方法。
7. 内燃機関における燃焼過程の評価装置であって、関連する低周波振動の対して、圧力と固体伝送音との間の伝達を使用するモデルによる、内燃機関における燃焼過程の評価装置において、
   前記モデルが、圧力と固体伝送音との間の時間依存性の伝達を使用し、その際に角度に依存する伝達関数を用いて前記時間依存性を表すことによって、回転数からの独立性が得られること、および
   前記モデルが、燃焼に係わるパラメータと状態を求めるために、再構成可能な圧力信号の特有の構成部分だけを利用すること、
   を特徴とする内燃機関における燃焼過程の評価装置。

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