JP4709832B2 - エンジンのベンチテストユニット上における内燃機関の連続的制御方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、カード当たり４つの気筒まで拡張されるディストリビューションに従い、また中央ユニットのリアルタイム動作を相当程度軽減する完全な自律エンジン制御の原理に従って、２ストローク、４ストローク、ガソリン（モノスパークおよびマルチスパーク）、ディーゼル（モノ噴射およびマルチ噴射）を問わず、あらゆる種類の内燃機関を運転することができる、タイマーＰＣＩと呼ばれる電子カードを備えた方法および関連したシステムに関する。

従来、エンジンの運転は、公衆向けの市販コンピュータであって、その使用がコンピュータのマイクロコントローラ内部での集中的なリアルタイム管理の原則に従って自動車製造者が規定したエンジンの運転範囲に限定されたコンピュータの使用によるか、あるいは、自動車部品製造者がエンジンのあらゆる制御方法を開発するために使用する、研究開発用の特殊なエンジン試験用ベンチの制御装置であって、その使用がシステムの中央ユニット内部の集中的なリアルタイムの管理原則に従ってある型の自動車に限定された制御装置の使用によって行われてきた。

他方、本発明によるシステムおよび方法は、自動車製造者および／または関連する自動車部品製造者から独立して、いかなる種類のエンジンをも運転する手段を提供すると共に、一方ではＰＣと互換性のあるマクロコンピュータの能力強化に基づき、他方では中央ユニットのリアルタイム動作を軽減する完全な自律運転の原理に基づいた、エンジンの制御方法のあらゆる開発見通しに対応できる運転手段を提供するという利点を有している。

こうして、本発明は、エンジンの作動装置に連結された少なくとも１つのアクチュエータと、プログラム可能な論理ＦＰＧＡ構成要素を備えた電子カードと、エンジンサイクルに従って前記カードを同期させる手段と、中央処理ユニット（ＣＰＵ）とを備えた内燃機関の運転方法に関する。本発明は、位相および持続時間に関してパラメータ化が可能で、互いに独立し、一つの気筒に関連付けられ、各気筒のエンジンサイクルの角度基準点によって同期がとられた複数のアクチュエータ制御パルスを前記構成要素によって発生させることと、前記パルスのパラメータを決定すると共に、該パラメータのパルスを前記マイクロコンピュータの前記ＣＰＵに搭載されている計算プログラムによって、各物理的出力に割り当てることと、少なくとも１つの前記制御パルスに対応した前記カードの論理出力信号によって、少なくとも１つの前記アクチュエータを制御することと、を有している。

前記パルスは角度コード化の周波数に対応した周波数で発生され、前記マイクロコンピュータの前記ＣＰＵは、より低い周波数で前記パラメータを決定することができる。

同期は、２ストロークエンジンの場合、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、４ストロークエンジンの場合、カムシャフトセンサ、ならびに、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、によっておこなうことができる。

本発明はまた、エンジンの作動装置に連結された少なくとも１つのアクチュエータと、プログラム可能な論理ＦＰＧＡ構成要素を備えた電子カードと、エンジンサイクルに従って該カードを同期させる手段と、産業用マイクロコンピュータと、を有する内燃機関の運転システムに関する。

本システムにおいて、前記構成要素は、各気筒のエンジンサイクルの角度基準点を発生させるため、および、位相および持続時間に関してパラメータ化が可能で、互いに独立し、一つの気筒に関連付けられた複数のアクチュエータ制御パルスを発生させるための、プログラム化された手段を有し、前記マクロコンピュータの前記ＣＰＵは、前記パルスの前記パラメータを決定する手段を有し、少なくとも１つの制御パルスに対応した前記カードの出力信号によって、少なくとも１つの前記アクチュエータを制御する手段を有している。

前記の同期手段は、２ストロークエンジンの場合は、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、４ストロークエンジンの場合は、カムシャフトセンサと、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサと、を備えることができる。

上記アクチュエータは、噴射ノズル、スパークプラグ、電磁弁制御、レーザーカメラ撮影のいずれかとすることができる。

本発明のその他の特徴および利点については、非限定的な例によって示された実施態様に関する以降の説明を、添付図面を参照しながら読むことによって明らかとなろう。

図１に、タイマーＰＣＩタイプの電子カード３を備えたＰＣタイプのコンピュータ１によって作動するエンジン２を示す。このシステムは角度コード化システム９の信号と同期している。コード化システムは、記号「°Ｖ」がクランク角度を示すことを認識して、１°Ｖ，１／２°Ｖ，１／５°Ｖ，または１／１０°Ｖに等しい分解能の「回転信号」情報および「角度信号」情報を送信する角度コーダでもよいし、「５８Ｘ」タイプのビークルターゲット、すなわちクランク角度６°の分解能を備えた６０の歯（連続した２つの歯が欠けている。）を持ち、エンジン２のクランクシャフトに固定されたビークルターゲットでもよい。カムシャフトに連結された第２の同期センサ１０は、２回の回転で１回の燃焼サイクルとなる４ストロークエンジンでの基準気筒（通常はＮｏ．１の気筒）の回転を認識することができる。参照番号１２は、角度コード化信号の調整および形成ブロックを表している。

タイマーＰＣＩカードは、ＰＣと互換性のあるマイクロコンピュータ用ＰＣＩバスの標準フォーマットのものである。このカードは、専用のパワーインターフェースを経由してアクチュエータ制御パルス（たとえば図１における燃料噴射ノズル７、スパークプラグ６）を発生させることを目的としている。パワーインターフェースの例としては、たとえばマルチコンダクタ１３を介したスパーク発生器４、またはマルチコンダクタ８を介した噴射用パワーインターフェース１１があり、これらはマルチコンダクタ５を経由して上記カードに接続されている。

タイマーＰＣＩカードは基本的に、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー）タイプのプログラム可能な論理構成要素と、ＰＣと互換性のあるマイクロコンピュータ用のＰＣＩバスとのインターフェースを形成する構成要素と、入力／出力の電気的絶縁をとる回路と、必要な電源供給を行なう回路と、によって構成されている。

ＦＰＧＡ構成要素はタイマーＰＣＩカードによって提供される全ての機能を含んでいる。これらの機能は、ＶＨＤＬ言語（超高速集積回路「ＶＨＳＩＣ」用のハードウェア記述言語）で記述されている。

これらの機能の構成によって、２ストロークまたは４ストロークの最大４気筒のディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンの場合、エンジンサイクルごとに気筒当たり最大８つの制御パルスを発生させることが可能である。

この機能構成は、一部が角度コーダや５８Ｘビークルターゲットなどのエンジンクランクシャフトの角度コード化システムから、また一部が任意のタイプのカムシャフトセンサＡＡＣから来る複合した４つの同期論理入力を考慮したものである。

この機能構成によって、制御パルス（気筒当たり４つの出力）発生用の、電気的に絶縁（マスデカップリング）された１６の複合論理出力を制御することも可能となる。各制御パルスは、位相および持続時間によってエンジンサイクルごとにパラメータ化されている。この位相は常に、選定された角度精度（１°Ｖ，１／２°Ｖ，１／５°Ｖ，または１／１０°Ｖ）に従ってクランク角度で表現される。また持続時間は、選定された角度精度（１°Ｖ，１／２°Ｖ，１／５°Ｖ，または１／１０°Ｖ）、またはマイクロ秒（μｓ）で表された選定された時間精度で表現される。

本発明の目的は、ＰＣと互換性のある産業用マイクロコンピュータのＣＰＵのリアルタイム動作を軽減しながら、エンジンの連続運転を保証するタイマーＰＣＩカードの作動原理にある。

各気筒には、４気筒エンジンの気筒の作動順序が１／３／４／２であることを考慮して、「燃焼上死点ＰＭＨ」と呼ばれる特定の基準が割り当てられている。８つの制御パルス（チャンネルまたは気筒当たり）は、それぞれの「燃焼」上死点ＰＭＨに対する位相および持続時間がプログラム可能である。

図２には、選定された構成を図示したＦＰＧＡ構成要素のブロック線図を示す。このブロック線図は、４つのまったく同一のサブアセンブリ（気筒１から気筒４まで）に分割されている。

これらブロック線図のそれぞれは以下のものから成り立っている。
−考慮対象気筒に固有の上死点ＰＭＨ（ＰＭＨ１，ＰＭＨ２，ＰＭＨ３，ＰＭＨ４）の発生（ＧＥＮ−ＰＭＨ）。ここで、
・Ｅ１：角度コーダの「角度信号」（１°Ｖ，１／２°Ｖ，１／５°Ｖ，または１／１０°Ｖ）の入力。
・Ｅ２：カムシャフトセンサの信号ＡＡＣの入力。
・Ｅ３：角度コーダの「回転信号」の入力。
・Ｅ４：５８Ｘビークルターゲット（２つの歯が連続して欠けている６０歯のリング）の信号の入力。
−考慮対象気筒に個別的に関係づけられた８つの独立パルスの発生（ＧＥＮ１−４）。ここで、Ｆｘｙは、考慮対象気筒のエンジンサイクルの位相および継続時間で規定されたパルスの存在を特徴とする内部信号を表しており、ｘ、ｙは１から８である。
−考慮対象気筒に個別的に関係づけられた４つの物理的出力の各々を確実に分配するための、上記８つのパルスの多重化（ＭＵＬＴ）。Ｓｘｚ：出力ｚ（１−４）は、気筒ｘにおけるエンジンサイクル当たりの信号Ｆｘｙの組み合わせとすることができる。

この分配はプログラミングによって柔軟性のある方法でおこなうことができ、また４つの物理的出力のいずれに対しても、任意の順序で０パルスから８パルスを割り当てることができる。

ここでパルスと呼ばれているものは、アクチュエータ制御の基本的なプロトコルである。このパルスは２つのパラメータによって特徴付けられている。すなわち、一つは、考慮対象エンジンサイクルのアクチュエータ制御開始時または終了時の角度位置を指定する「位相」であり、もう一つは、上記「位相」をもとに、考慮対象エンジンサイクルのアクチュエータ制御を停止する時を指定する「持続時間」である。

図３は、気筒１に対応した基準フレームＰＭＨ１に基づく信号Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４の組み合わせである信号Ｓ１１の発生状況の一例を示したものである。

基準フレームＰＭＨ１は、基準Ｅ２（ＡＡＣ）およびＥ３（回転信号）から作られる。

こうした構成の柔軟性を示す２つの例について以下に説明する。

例１：従来型の４ストローク、４気筒ガソリンエンジンの作動
このエンジンは、４つの点火コイルと４つの噴射ノズルを制御して作動させる。これら８つのアクチュエータのそれぞれは、タイマーＰＣＩカードの論理出力を必要とする。つまり、これら８つの論理出力のそれぞれは、位相と持続時間をパラメータ化することによって特徴付けられた基本的制御パルスが必要である。

そこで、ＰＣと互換性のあるマイクロコンピュータによるタイマーＰＣＩカードの論理パラメータ化は、気筒当たり２つのパルスの発生と、これら２つのパルス各々の他の論理出力への割り当てと、からなっている。こうして、タイマーＰＣＩカードになんらの実質的変更ももたらすことなく、考慮対象エンジンを作動させることができる。

例２：多数回噴射（エンジンサイクル当たり８回の噴射）式のコモンレール４ストローク４気筒ディーゼルエンジンの作動。

このエンジンは、４つの噴射ノズルを制御して作動させる。これら４つのアクチュエータのそれぞれはタイマーＰＣＩカードの論理出力を必要とする。つまり、これら４つの論理出力のそれぞれは、位相と持続時間に関するパラメータ化によって特徴付けられた８つの基本的制御パルスのセットが必要である。

このように、タイマーＰＣＩカードの論理パラメータ化は、気筒当たり８つのパルスの発生と、これら８つのパルスを一つの論理出力への割り当てと、からなっている。こうしてタイマーＰＣＩカードになんらの実質的変更をももたらすことなく、考慮対象エンジンを作動させることができる。

市販車のエンジン制御を保証する自動車用コンピュータの作動原理を分析すると、エンジンのクランクシャフトの回転との正確な同期が要求されるアクチュエータの制御は、エンジン制御専用コンピュータのＣＰＵによって行われている。

多数回噴射（エンジンサイクル当たり８回の噴射）式のコモンレール４ストローク４気筒ディーゼルエンジンに関する例２について考えると、エンジン制御専用コンピュータのＣＰＵは、以下のこと、すなわち、
−エンジンのクランクシャフトの角位置を検出できるビークルターゲットに基づき、エンジンサイクル当たり３２のパルス（８パルス×４気筒）の作動を管理すること
−エンジンの作動状況に従って、エンジンサイクル当たり６４の制御パラメータ（３２パルスの位相と持続時間）を計算すること
を実施しなければならないことが分かる。

このことは、自動車および自動車部品製造者の研究開発用エンジンテストベンチの、最新式のエンジン制御開発システムの作動原理を解析することによっても認められる。

研究開発用エンジンテストベンチの分野におけるより進んだエンジン制御の必要性から出願人によって開発された作動システムを構成するタイマーＰＣＩカードを備えたＡＣＥｂｏｘ（登録商標）システムの開発の一環として、進化した技術に頼ることが決定された。ＡＣＥｂｏｘ（登録商標）システムにおいて選択された原則は、１つまたは２つ以上のタイマーＰＣＩカード（４つの気筒に対して１つのカード）を備えた、ＰＣと互換性のある産業用マイクロコンピュータの使用に基づくものである。

本発明の目的は以下の２つを区別することにある。すなわち、
−エンジンのクランクシャフトの回転との正確な同期が要求されるアクチュエータ制御パルスの管理（ここではタイマーＰＣＩカードによって実施）。
−これらパルスの構成パラメータの計算（産業用マイクロコンピュータのＣＰＵによって実施）。

実際、エンジン制御計算のリアルタイム評価がより適切に、従ってより高速に行ない得ることを保証するために、産業用マイクロコンピュータのＣＰＵをより高効率の別のＣＰＵに取り替えることができるため、ＡＣＥｂｏｘ（登録商標）システムの進展性が確保される。そして、このＣＰＵには、アクチュエータ制御パルスのリアルタイムでの順序付けまたは同期に際して制約条件が存在しないため、ＡＣＥｂｏｘ（登録商標）システムの進展性は一段と有効となる。

アクチュエータ制御パルスの順序付けの保証という制約条件から産業用マイクロコンピュータのＣＰＵを開放する原理について、図４のブロック線図で説明する。

Ａはプログラム「Ｂ」の停止タスクを示す。このＡの目的は全ての事象「Ｇ」を考慮することにある。

Ｂはアクチュエータ制御パルスの構成パラメータ（位相および持続時間）の評価プログラムを示す。このプログラムはまた、エンジンの全てのアクチュエータの、全ての他の構成パラメータの評価についても保証しなければならない。

Ｃは、一方では４つの気筒の角度基準フレーム（ＰＭＨ）のリアルタイム再生を、他方では同期事象「Ｅ」および「Ｆ」の相関によって事象「Ｇ」の発生をもたらす、タイマーＰＣＩカードのプログラム可能なＦＰＧＡ論理構成要素におけるＶＨＤＬプログラムの一部を示す。

Ｄ１からＤ４は、４つの気筒に対するアクチュエータ制御パルスの角度同期を行なう、タイマーＰＣＩカードのプログラム可能なＦＰＧＡ論理構成要素の４つの同一部分を示す。

Ｅは、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットなどの、エンジンのクランクシャフトの角度コード化システムから生じる事象を示す。

Ｆは、４ストロークエンジン用カムシャフトの角度コード化による事象を示す（たとえばカムシャフトセンサＡＡＣ）。

Ｇは、エンジンの制御パラメータ評価プログラムの同期事象を示す。一般的にこの事象の周波数は、エンジンの４つの気筒の「燃焼上死点ＰＭＨ」の周波数、すなわちエンジンのクランクシャフトのちょうど半回転に等しい。この周波数は、５８Ｘビークルターゲットに等しい周波数、すなわちちょうど６°Ｖとなることができる。

Ｈは、タイマーＰＣＩカードによって作動するアクチュエータ制御パルスの構成パラメータを示す。

Ｉは、タイマーＰＣＩカードを駆動する４×４ＴＴＬ出力信号（図２のＳ１１からＳ４４まで）を示す。

図４に示すブロック線図は、タイマーＰＣＩカードと、産業用ＰＣのＣＰＵによるエンジン制御管理プログラムとの同期作動状態を明瞭に示している。

以上説明したタイマーＰＣＩカードにより、ＢＣＬ１ループに従ったエンジンの正確かつ高速な作動が保証される。正確であるというのは、アクチュエータ制御パルスのパラメータの精度が０．１°Ｖおよび／または１μｓの分解能に及ぶためである。高速であるというのは、エンジンサイクルを０．１°Ｖおよび／または１μｓで切り分けているため、制御信号の応答時間を最小化することができるためである。

タイマーＰＣＩカードのアクチュエータ制御パルスの制御パラメータは、その周波数がＢＣＬ１ループの周波数の１８００分の１になり得るＢＣＬ２ループに従って更新される（たとえば、ＢＣＬ２ループは４気筒エンジンにおいて「燃焼上死点ＰＭＨ」ごとに作動するが、ＢＣＬ１ループは０．１°Ｖごとに作動する。）。

本発明の目的は、制御パラメータの更新プログラムを内蔵しているＢＣＬ２ループをそれほど頻繁に使用する必要なく、エンジンがＢＣＬ１ループに従って連続的に作動することを保証し得るタイマーＰＣＩカードの作動自律性にある。したがってＢＣＬ２ループを中断せざるをえないような極端なケースにおいても、エンジンアクチュエータは、最終の更新結果に対応したパラメータを常時制御しまた確認することなく、ＢＣＬ１ループによって作動し続けることができる。

本発明の作動状態を示す概略図である。 本発明による方法の構造および構成を示したものである。 信号の発生の一例を示したものである。 ＰＣと互換性のある産業用マイクロコンピュータ内部のタイマーＰＣＩ電子カードの同時作動状態を示したものである。

Claims (6)

1. プログラム可能な論理ＦＰＧＡ構成要素を備えたタイマーＰＣＩ型の電子カードと、エンジンサイクルに従って前記電子カードを同期させる手段と、を備えたパーソナルコンピュータ型の計算機を用いて、エンジンの制御方法のあらゆる開発見通しに対応できるように、エンジンの作動装置に連結された少なくとも１つのアクチュエータを備えた任意の型式の内燃機関をベンチテストユニット上で汎用的に運転させる方法において、
   位相および持続時間に関してパラメータ化が可能で、互いに独立し、一つの気筒に関連付けられ、各気筒のエンジンサイクルの角度基準点によって同期がとられた複数のアクチュエータ制御パルスを前記論理ＦＰＧＡ構成要素によって発生させることと、
   前記計算機の中央処理ユニットに搭載されている計算プログラムによって、前記アクチュエータ制御パルスのパラメータを決定すると共に、該パラメータのパルスを各物理的出力に割り当てることと、
   少なくとも１つの前記アクチュエータ制御パルスに対応した前記電子カードの論理出力信号によって、少なくとも１つの前記アクチュエータを制御することと、
   を有することを特徴とする、内燃機関の運転方法。
2. 前記アクチュエータパルスの発生は角度コード化の周波数に対応した周波数でなされ、
   前記計算機の前記中央処理ユニットは、より低い周波数で前記パラメータを決定する、
   請求項１に記載の方法。
3. ２ストロークエンジンの場合、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、
   ４ストロークエンジンの場合、カムシャフトセンサ、ならびに、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、
   によって同期がなされる、請求項１または２に記載の方法。
4. プログラム可能な論理ＦＰＧＡ構成要素を備えたタイマーＰＣＩ型の電子カードと、エンジンサイクルに従って前記電子カードを同期させる手段と、を備えたパーソナルコンピュータ型の計算機を用いて、エンジンの制御方法のあらゆる開発見通しに対応できるように、エンジンの作動装置に連結された少なくとも１つのアクチュエータを備えた任意の型式の内燃機関をベンチテストユニット上で汎用的に運転させるシステムにおいて、
   前記論理ＦＰＧＡ構成要素は、各気筒のエンジンサイクルの角度基準点を発生させるため、および、位相および持続時間に関してパラメータ化が可能で、互いに独立し、一つの気筒に関連付けられた複数のアクチュエータ制御パルスを発生させるための、プログラム化された手段を有し、
   前記計算機の中央処理ユニットは、前記アクチュエータ制御パルスの前記パラメータを決定する手段を有し、
   少なくとも１つの前記アクチュエータ制御パルスに対応した前記電子カードの出力信号によって、少なくとも１つの前記アクチュエータを制御する手段を有している、
   ことを特徴する、内燃機関の運転システム。
5. 前記の同期手段は、２ストロークエンジンの場合は、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサ、４ストロークエンジンの場合は、カムシャフトセンサと、角度コーダまたは５８Ｘビークルターゲットの少なくともいずれかのセンサと、を備えている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記アクチュエータは、噴射ノズル、スパークプラグ、電磁弁制御、またはレーザーカメラ撮影のいずれかである、請求項４または５に記載のシステム。

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