JP4685912B2 - シリンダ圧力指標の決定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダ圧力センサによって測定されたシリンダ内の圧力変化からシリンダ圧力指標（メルクマール）を決定するための方法及び装置に関する。

従来のエンジン制御は、内燃機関の噴射システムとエアシステムを制御或いは調節するために、内燃機関上のセンサ類から送られて来た多数のセンサ値を利用している。このことは火花点火エンジンについてもディーゼルエンジンについても当てはまる。エンジン制御を行うための一つの可能な代替策は、エンジン制御を、シリンダ内で行われている燃焼プロセスについての間接的な情報しかもたらさない上述のセンサ値に基づいてではなく、個別シリンダ毎の、直接的な燃焼信号に基づいて、構築することである。そのために、シリンダ圧力を測定するために、シリンダ圧力センサを使用することが提案される。何故なら、シリンダ圧力センサは最高度の測定精度を有しているからである。シリンダ圧力の測定の際には、基本的なガイドパラメータ、平均指示圧力が、エンジンによって行われる機械的仕事に関する尺度となる。とりわけ火花点火エンジンの場合には、ＳＩ運転（火花点火運転）の際に平均指示圧力がサイクル毎に非常に大きく変動するので、それに基づいて行われる制御は比較的緩やかに設計されなければならない。この理由から、燃焼状態に基づく第二の制御回路が迅速な効率適応のために組込まれる。

ここで、燃焼過程によって生成される最大シリンダ圧力の角度φ（ｐ＿ｍａｘ）或いは燃焼状態に関する最大シリンダ圧力勾配の角度φ（ｄｐ＿ｍａｘ／ｄφ）が、もう一つの有利なガイドパラメータであるということが分かった。しかしながら、これ等の二つの信号は、圧縮曲線によって、即ちシリンダ内でのピストン運動に基づく圧縮と膨張によって生成される圧力の成分によって、重畳されている。そのために、基本的に、例えば非常に遅い燃焼状態の場合にそうである様に、最大圧力値が最早燃焼によってではなくシリンダ内の圧縮によって生成されるときには、この指標（メルクマール）を引き出すことが困難となるという問題がある。

シリンダ圧力に基づくエンジン制御の導入を考える際には、火花点火エンジンの場合であれ又ディーゼルエンジンの場合であれ、燃焼状態の制御が特別な意味を持ち、燃焼状態の制御は、火花点火エンジンの場合には、例えば従来のＳＩ運転の際、制御された自己着火の際、並びに燃料削減のための新しい燃焼方法の安定化の際、の効率の確定のために、又ディーゼルエンジンの場合には、例えば大気汚染の低減のための新しい燃焼方法の安定化の際に、重要となる。

これまでは燃焼状態の指標は圧力変化曲線から求められ、その際には燃焼によって生成されるシリンダ圧力だけを必要なシリンダ圧力指標の決定のための出力値として得るために、圧縮曲線が、いわゆる発熱プロセス計算によって得られる。発熱プロセス計算は変換エネルギー量に基づいており、この変換エネルギー量から圧縮の際に行われる仕事が求められるので、シリンダ内で圧縮によって働く圧力を推定することができる。しかしながらその様な計算の実施は簡単ではない。

従って、本発明の課題は、圧縮と膨張によって生まれる圧力変化の手間の掛かる計算を必要とすること無しに、燃焼状態の指標をシリンダ圧力指標に基づいて簡単な手法で導き出すことである。

上述の課題は、請求項１に基づく方法によって並びに従属請求項に基づく装置によって解決される。
第一の態様によれば、内燃機関の燃焼状態を調節するための一つ又は複数のシリンダ圧力指標（メルクマール）を決定するための方法が提供される。この方法は、
クランクシャフト角度に対するシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を測定するステップと、
ピストン運動によって燃焼室内に生じる圧力変動の成分を除去するために、フィルタによるシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化のフィルタリングするステップと、
フィルタリングされた変化からの少なくとも一つのシリンダ圧力指標を決定するステップと、
を含む。

上述の方法は、燃焼状態に関する個別シリンダ毎の指標を直接的に且つ圧縮曲線の面倒な計算無しに、例えば発熱プロセス計算等を用いてシリンダ圧力の変化から或いはシリンダ圧力勾配の変化から簡単で且つ堅牢な手法で獲得することを可能にする。このことは、ピストン運動に基づく燃焼室内での圧縮プロセス及び膨張プロセスの影響を、シリンダ内で生じる圧力変化をフィルタリングすることによって抑止することで達成される。

更に、少なくとも一つのシリンダ圧力指標として、
シリンダ圧力のフィルタリングされた変化或いはシリンダ圧力勾配のフィルタリングされた変化の最大値の位置、及び／又は
この最大値の上でのシリンダ圧力のフィルタリングされた変化或いはシリンダ圧力勾配のフィルタリングされた変化の振幅の大きさ、及び／又は
最大シリンダ圧力或いは最大シリンダ圧力勾配の手前の第一の局所的最小値のクランクシャフト角度と最大シリンダ圧力或いは最大シリンダ圧力勾配の後ろの第一の局所的最小値との間のクランクシャフト角度差、
を決定することができる。

一つの実施態様によれば、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化のフィルタリングは、高域フィルタを用いて、特に限界周波数が可変的で且つ内燃機関の実際の回転数に依存している高域フィルタを用いて行われ、その際フィルタリングは、とりわけ位相調整されて行われる。

シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化が低域フィルタを用いて低域フィルタリングされ及び／或いはオフセット補正を受けるということを考えることができる。
更に、高域フィルタリングと低域フィルタリングを帯域フィルタによって行うことができる。

別の態様によれば、エンジン制御ユニットが、燃焼状態を調節するための一つ又は複数のシリンダ圧力指標を決定のために内燃機関に備えられる。このエンジン制御ユニットは、クランクシャフト角度に対するシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を測定するために、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を、高域フィルタを用いてフィルタリングするために、又ピストン運動によって燃焼室内で発生する圧力変動の成分を除去するために、又少なくとも一つのシリンダ圧力指標をフィルタリングされた変化から決定するために、構成されている。

別の態様によれば、内燃機関と、上述のエンジン制御ユニットと、シリンダ圧力の測定のために内燃機関の少なくとも一つのシリンダに配置された圧力センサと備えたエンジンシステムが備えられている。

別の態様によれば、データ処理ユニットで実行されたときに、上述の方法を実行するプログラムコードを含んでいる、コンピュータプログラムが備えられている。

本発明の幾つかの好ましい実施態様が以下に添付の図面に基づいて詳しく説明される。
図１には、実施例として、代表例として示されたシリンダ２を持つ内燃機関１を備えたエンジンシステムが示されている。図示された例では、内燃機関１はディーゼルエンジンであり、燃料は直接燃焼室内へ噴射される。しかしながら本発明は、火花点火エンジンや、例えば燃料が吸気管内へ噴射される場合がそうである様な非直接噴射式の内燃機関に対しても容易に適用される。

図１に示されているエンジンシステムの場合には、空気は吸気管３を通してシリンダ２の燃焼室４内へ供給される。燃料は、エンジン制御ユニット７によって制御されて、噴射弁５を介して燃料パイプ６から燃焼室４内へ噴射される。内燃機関１の運転の際には、内燃機関４の中を動くピストン８が圧縮をして燃焼室４内にある燃料／空気混合気を加熱させるので、それによって自己着火と燃焼プロセスが開始され、これがピストン８を駆動する。それによって、ピストンが運動して燃焼室４が拡張し、燃焼室４内のガスが圧力緩和される。燃焼の後、燃焼排気ガスは更なるピストン運動によって燃焼室４から排気ガス部９を通じて排出される。

エンジン制御のために、燃焼室４に圧力センサ１０が配置されており、このセンサが定められた時間間隔で連続的に或いはクランクシャフト角度に応じて、例えばそれぞれ０．５゜の間隔で、燃焼室内のシリンダ圧力を測定し、得られたシリンダ圧力信号をエンジン制御ユニット７へ送り込む。エンジン制御ユニット７は、このシリンダ圧力信号を評価し、シリンダ圧力信号に応じて内燃機関１を制御する。特に、エンジン制御ユニット７は、スロットルバルブ位置と噴射量並びに内燃機関の噴射時点をシリンダ圧力信号に応じて制御する。

圧力センサ１０からのシリンダ圧力信号の動きから通常、以下に示すシリンダ圧力指標の中の一つ又は幾つかが導き出される。
１． シリンダ圧力ｐが最大となるクランクシャフト角度φでのシリンダ圧力ｐの振幅を決定することができる。代わりの方法として或いは追加として、シリンダ圧力勾配ｄｐが最大となるクランクシャフト角度αでのシリンダ圧力勾配ｄｐの振幅を決定することができる。この最大シリンダ圧力ｐ＿ｍａｘ或いは最大シリンダ圧力勾配ｄｐ＿ｍａｘは、クランクシャフト角度φに対する燃焼状態に応じて変化し、燃焼の際の騒音発生に関する予測を可能にする。
２． 最大シリンダ圧力の位置、即ち最大圧力値ｐ＿ｍａｘ或いは最大シリンダ圧力勾配ｄｐ＿ｍａｘが発生するクランクシャフト角度φは、燃焼の有害物質の排出とエンジンの効率のために重要である。
３． その他の重要な測定パラメータとして、クランクシャフト角度差として表される燃焼時間長さが決定される。その際、この燃焼時間長さは最大シリンダ圧力値ｐ＿ｍａｘ或いは圧力値の最大勾配ｄｐ＿ｍａｘの手前の第一の局所的最小値と、最大圧力値ｐ＿ｍａｘ或いは圧力値の最大勾配ｄｐ＿ｍａｘの後ろの第一の局所的最小値との間のクランクシャフト角度差に対応している。クランクシャフト角度差からは燃焼の時間長さが導き出される。燃焼の時間長さからは、例えば燃料組成に関する推定が導き出される。

上述のシリンダ圧力指標の全て或いは一部は、エンジン制御ユニット７で直接内燃機関１を制御するために或いは内燃機関１の機能を診断するために用いられる。
図２には、エンジン制御ユニット７で実行される機能が略示されている。この方法のためのスタートポイントは測定パラメータ、シリンダ圧力ｐ_ｚｙｌであり、この値は、角度同期的に記録され、先ず低域フィルタ２０によって平滑化される。次いでオフセット補正がオフセット補正要素２１で行われる。次いで、その様にして得られた変化ｐ_ｚｙｌ（φ）が直接最大値φ（ｐ＿ｍａｘ）の位置に応じて評価されるか或いは、シリンダ圧力勾配ｄｐ_ｚｙｌ（φ）／ｄφの信号の変化を得るために、クランクシャフト角度に関して微分される。シリンダ圧力勾配の信号の変化から、その最大値ｄｐ_ｍａｘのクランクシャフト角度φが求められる。

図３及び図４には、ｐＨＣＣｌ（ｐＨＣＣｌ＝部分均質予混合圧縮着火）運転の際の負荷跳躍の時の三つの作動行程のためのシリンダ圧力勾配が示されている。
図３には、互いに連続する三つの作動行程の中での異なる燃焼状態の場合の三つのシリンダ圧力勾配の変化が示されているが、その際には圧縮曲線の除去のための何らの措置も行われていない。しかしながら、これ等の変化の上での本来関心の対象となっている燃焼成分には、図３から理解される様に、緩やかではあるが、比較的大きな振幅を持っている圧縮と膨張の成分、即ち圧縮曲線が重畳されている。この圧縮曲線の重畳は、燃焼に属しているシリンダ圧力変化ｐ_ｚｙｌ（φ）の最大値或いはシリンダ圧力勾配の変化ｄｐ_ｚｙｌ（φ）／ｄφの最大値が、特に、遅く、潜在的に遅延された燃焼の場合には、全体的ではなく、局所的な性質しか持っていないという結果をもたらす。従って、この最大値（この場合には単に局所的な最大値である）の確実な決定は、信頼性をもって行うことはできないし或いは、高い計算コストを掛けなければ求めることができない。

この理由から、圧縮及び膨張の成分、即ち圧縮曲線を除去するために、高域フィルタ２２が備えられている。この除去が可能なのは、圧縮曲線が、既知の、内燃機関の回転数に依存した周波数特性を有しているからである。高域フィルタ２２によって、図４に示されている様な、シリンダ圧力或いはシリンダ圧力勾配の信号の変化が得られる。図４には、図３の場合と同じ燃焼設備の場合のシリンダ圧力勾配の三つの変化が示されている。図示されている三つの異なる燃焼状態の場合には、図３のグラフと比較して非常に遅い燃焼の際のクランクシャフト角度（°ＫＷ）でも、シリンダ圧力或いはシリンダ圧力勾配の最大値をなお問題なく確認することができる。

シリンダ圧力の測定は通常角度同期的に行われるから、高域フィルタの高域フィルタリングは、圧力信号或いは圧力勾配の圧縮／膨張成分が確実に抑制される様に、スキャン周波数に合わせて設計されなければならない。これにより高域フィルタ２２の実際の限界周波数は回転数に依存することになる。シリンダ圧力ｐは位相補正されることが好ましい。

一実施態様によれば、低域フィルタ２０での低域フィルタリングと高域フィルタ２２での高域フィルタリングは、対応する帯域フィルタを用いて一つの信号処理ステップで行うことができる。

上述の実施態様に対する代わりの手法として、シリンダ圧力信号を時間同期的に測定する場合には、高域フィルタ２２の限界周波数は回転数に応じて定められなければならない。しかしながら、資源上の理由から限界周波数が回転数に関係なく固定値に定められる場合には、限界周波数は、好ましくは、発生する最高の回転数の際に信号の圧縮及び膨張の成分を確実に抑制する様に選ばれるべきであろう。

本発明の方法を実施するために用いられるディーゼルエンジンシステムにおける一つのシリンダの概略図を示す。 本発明の一つの実施態様に基づく簡単且つ堅牢なシリンダ圧力指標を提供するための方法の機能を説明するためのブロック図を示す。 クランクシャフト位置を通じてシリンダ圧力勾配の変化を示すためのグラフを示し、点火角度の異なる三つの作動サイクルの圧縮曲線が重ね合わされている。 図３の異なる点火角度を持つ三つの作動サイクルでの、高域フィルタリングを用いた場合のシリンダ圧力勾配の変化を示すためのグラフを示す。

符号の説明

１…内燃機関
２…シリンダ
３…吸気管
４…燃焼室
５…噴射弁
６…燃料パイプ
７…エンジン制御ユニット
８…ピストン
９…排気ガス部
１０…圧力センサ
２０…低域フィルタ
２１…オフセット補正要素
２２…高域フィルタ

Claims (8)

1. クランクシャフト角度に対するシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を測定するステップと、
   ピストン運動によって燃焼室内に生じる圧力変動の成分を除去するために、フィルタによるシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化をフィルタリングするステップであって、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化のフィルタリングが、限界周波数が可変であり且つ内燃機関の実際の回転数に依存している高域フィルタを用いて行われる、前記フィルタリングするステップと、
   フィルタリングされた変化からの少なくとも一つのシリンダ圧力指標を決定するステップと、
   を含む、内燃機関の燃焼状態を調節するための一つ又は複数のシリンダ圧力指標の決定方法。
2. 少なくとも一つのシリンダ圧力指標として、
   フィルタリングされた、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化の最大値の位置、及び
   前記最大値での、フィルタリングされた、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化の振幅の大きさ、及び
   最大シリンダ圧力或いは最大シリンダ圧力勾配の手前の第一の局所的最小値のクランクシャフト角度と最大シリンダ圧力或いは最大シリンダ圧力勾配の後ろの第一の局所的最小値との間のクランクシャフト角度差、
   の少なくともいずれかが決定される請求項１に記載の決定方法。
3. フィルタリングが位相調整されて行われる請求項２に記載の決定方法。
4. シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化がさらに、低域フィルタを用いて低域フィルタリングされるか、オフセット補正を受けるかの少なくともいずれかである請求項１ないし３のいずれかに記載の決定方法。
5. 高域フィルタリングと低域フィルタリングが帯域フィルタによって行われる請求項４に記載の決定方法。
6. 内燃機関の燃焼状態を調節するための一つ又は複数のシリンダ圧力指標を測定するためのエンジン制御ユニット（７）において、
   クランクシャフト角度に対するシリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を測定するために、
   ピストン運動によって燃焼室内に生じる圧力変動の成分を除去するために、シリンダ圧力の変化或いはシリンダ圧力勾配の変化を、限界周波数が可変であり且つ内燃機関の実際の回転数に依存している高域フィルタを用いてフィルタリングするために、
   フィルタリングされた変化から少なくとも一つのシリンダ圧力指標を決定するために、
   構成されるエンジン制御ユニット。
7. 内燃機関（１）と、請求項６に基づくエンジン制御ユニット（７）と、シリンダ圧力の測定のために内燃機関（１）の少なくとも一つのシリンダ（２）に配置された圧力センサ（１０）とを備えたエンジンシステム。
8. データ処理ユニットで実行されたときに、請求項１ないし５のいずれかに記載の決定方法を実行するプログラムコードを含んでいる、コンピュータプログラム。

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