JPH07189801A - 内燃機関における負荷検出装置 - Google Patents

内燃機関における負荷検出装置

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JPH07189801A
JPH07189801A JP6310960A JP31096094A JPH07189801A JP H07189801 A JPH07189801 A JP H07189801A JP 6310960 A JP6310960 A JP 6310960A JP 31096094 A JP31096094 A JP 31096094A JP H07189801 A JPH07189801 A JP H07189801A
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pressure
internal combustion
combustion engine
load
load detection
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Eckart Damson
ダムソン エッカルト
Helmut Denz
デンツ ヘルムート
Martin Klenk
クレンク マルティン
Werner Herden
ヘルデン ヴェルナー
Winfried Dr Moser
モーザー ヴィンフリート
Matthais Dr Kuesell
キューゼル マティアス
Jurgen Rottler
ロットラー ユルゲン
Ralf Waschek
ヴァシェク ラルフ
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼室圧力センサを用いた負荷の検出を実現
させること。 【構成】 負荷を圧力センサの出力信号の相対値から求
めるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の燃焼室内に
配設され燃焼圧力に依存する出力信号を供給する圧力セ
ンサと、クランク軸角度を検出するクランク角度センサ
と、圧力センサの出力信号から所定のクランク軸角度の
もとで負荷を求める計算装置とを有している、内燃機関
における負荷検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の制御のためにはエンジンの動
作状態に関する情報が多数必要となることは周知であ
る。これらの情報は適切なセンサを用いて得られる。こ
れらの情報や記憶された特性曲線マップに依存して内燃
機関の動作に重要な特性量(例えば点火時期、燃料噴射
時間及び排ガス再循環率等)が求められる。それぞれの
必要な瞬時の情報の検出には負荷と回転数がわかってい
なければならない。なぜなら多くの特性曲線段は負荷及
び回転数に依存しているからである。
【0003】負荷センサとして通常は空気量測定器、空
気質量測定器、スロットル弁センサ又は吸気管圧力セン
サ等が用いられる。このような高精度なセンサを用いて
内燃機関の制御装置により、シリンダに吸入された空気
流量が求められる。しかしながらそのようなセンサによ
って検出できる空気流量は全シリンダに対する空気流量
であり、個々のシリンダ特有の情報を得ることはできな
い。
【0004】負荷を検出するための別の手段の1つとし
て内燃機関の各シリンダに燃焼室センサを用いることが
挙げられる。シリンダ内の燃焼室圧力は圧縮フェーズに
おいてガス質量(これはこの動作サイクルにおいて圧縮
され引続きエネルギ変換される)に依存する。それ故に
例えばドイツ連邦共和国特許公開第3527856号に
は、所定のクランク軸角度位置に対するシリンダの絶対
圧力値を負荷特性量の計算における初期特性量として用
いることが記載されている。この場合この計算に対して
は実際のガスに対する状態方程式が評価される。
【0005】ドイツ連邦共和国特許公開第400136
2号公報からは、燃焼室圧力センサからの出力信号を評
価する負荷検出プロセスと関連して、吸入された空気質
量の温度も負荷を算出するための方程式への重要な入力
量であることがわかっている。そのためこの温度も検出
しなければならない。故に、負荷センサ(燃焼室圧力セ
ンサ)に対してさらに付加的に温度センサを用いること
が提案される。この温度センサは吸入された空気の温度
を測定する。この測定値は正確な負荷検出の際に考慮さ
れる。
【0006】前記した従来の技術における公知方法にお
いて非常に問題となるのは絶対圧力の検出である。これ
には絶対圧力センサが必要となる。この絶対圧力センサ
は内燃機関に対する所定の条件のもとではほとんど実現
不可能かまたは実現できるとしても非常にコストのかか
るものである。それゆえに燃焼室圧力センサを用いた負
荷検出はほとんど不可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、前記
したような欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うこと
である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば上記課題
は、負荷が圧力センサの出力信号の相対値から求められ
るように構成されて解決される。
【0009】請求項1の特徴部分に記載の本発明による
装置によって得られる利点は、安価で確実な負荷の検出
が少なくとも1つの燃焼室圧力センサからの出力信号か
又は各シリンダ毎の燃焼室圧力センサからの出力信号か
ら行うことによって達成されることである。このことは
燃焼室内の絶対圧力を評価するのではなく、圧力センサ
の出力信号から求めることのできる相対値を評価するこ
とによって達成される。
【0010】本発明の別の有利な実施例は従属請求項に
記載される。
【0011】この場合有利には圧力差、圧力積分値、又
は圧縮フェーズ及び場合によって吸気フェーズ及び爆発
フェーズにおける圧力測定値の重み付けされた和から負
荷ないし内燃機関に供給された空気質量又はシリンダ充
填率が求められる。それに対して圧力経過は前記動作サ
イクルか又はその一部において検出され評価される。動
作サイクルの部分領域のみが評価される場合でも前記圧
力経過に関する情報と、内燃機関によって変換された又
は出力された仕事量に関する情報を得ることが可能であ
る。これは付加的に次のようなことを意味する。すなわ
ち温度特性、ばらつき、0点の経年変化、並びに燃焼自
体による熱的悪影響等の障害が負荷の検出に影響を及ぼ
さないことを意味する。
【0012】本発明によって得られる別の利点は、例え
ば動的な上死点のずれ等によって惹起される位相のずれ
(これは圧力経過の走査検出の際にもなお存在する)
が、圧力差と圧力積分値の評価によって自動的に補正さ
れることである。
【0013】有利には、重み付けされた和の形成による
負荷検出によって重要でない測定値又は測定領域を排除
することができる。
【0014】
【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説
明する。
【0015】図1には本発明を説明するために必要な内
燃機関の主要構成部が概略的に示されている。この場合
符号10で内燃機関のシリンダが示されている。このシ
リンダ10には圧力センサ11が配属されている。この
圧力センサ11はシリンダ内の燃焼室圧力を測定し評価
装置12(例えば制御装置)に信号U(p)を供給す
る。この信号U(p)は圧力に比例する電圧経過として
生起する。
【0016】制御装置12では圧力がクランク軸に同期
して処理される。この処理においてはデジタルの走査検
出が角度センサを用いてクロック制御される。この場合
角度センサ13は歯車リム14を走査検出する。この歯
車リム14はクランク軸に同期して回転する。角度セン
サ13の処理された出力信号は矩形状の信号である。こ
の信号のハイ/ローフェーズは歯車リム14をそのまま
反映する。
【0017】この矩形信号の適切なエッジを用いてクラ
ンク軸に同期した走査検出に必要な信号が生成される。
内燃機関の回転数は公知の手法で回転数に依存する角度
センサ13の矩形信号の同種のエッジの時間間隔を評価
することによって検出される。
【0018】制御装置12においては圧力センサ11の
信号も角度センサ13の信号も、吸気管18に供給され
る空気質量MLの検出のために評価される。この場合供
給された空気質量MLは、得られた圧力差ないし圧力積
分値から求めることができる。圧力差ないし圧力積分値
がどのように正確に算出されるか、ないしはそれから供
給される空気質量MLがどのように算出されるかは図2
を用いて説明する。
【0019】制御装置の中央プロセッサユニット(CP
U)においては、メモリに記憶された特性曲線マップか
ら例えば点火時期、噴射時間、排ガス再循環率等が回転
数及び圧力差ないし圧力積分値ないしはそこから求めら
れる空気質量に依存して算出される。特性曲線値の考慮
のもとで点火プラグ15において点火火花が生ぜしめら
れ、噴射弁16に対する燃料量が調量され、さらに排ガ
スリサイクル弁17において排ガス再循環率が設定され
る。
【0020】図1に示された装置とシリンダ毎の圧力セ
ンサを用いて内燃機関の個々のシリンダの吸入効率の差
違が識別され克服される。これにより燃料の消費と未燃
焼ガスの排出が低減され得る。その上さらにその他の高
価な負荷センサの節約にもなる。
【0021】最も簡単で安価な装置系に対しては内燃機
関の唯1つのシリンダに1つの燃焼室圧力センサが配設
される。この燃焼室圧力センサがエンジン全体に対する
動作パラメータを供給する。
【0022】図2には圧力センサの出力信号U(p)か
ら得られるシリンダ圧力pの経過がクランク軸角度xに
亘ってプロットされている。シリンダ圧力の経過p
(x)は吸気サイクルの間は比較的一定で、圧縮サイク
ルにおいては大幅に上昇し、燃焼サイクルにおいては最
大値に達する。燃焼の後並びに排気サイクルにおいては
圧力は再び低下する。
【0023】図2には圧力経過の他にさらに別の特性量
がプロットされている。この別の特性量は本発明による
評価にとって重要である。このうちの1つは圧力差dp
で、その他では積分領域I1,I2である。この場合こ
の積分領域I1及びI2はクランク軸角度x又は所属の
シリンダ容積Vに依存して設定される。この場合は以下
の式が成り立つ。
【0024】dp=p(x)−p(x1) Ipx=I2x−I1x
【0025】
【数1】
【0026】又は IpV=I2V−I1V
【0027】
【数2】
【0028】すなわち負荷検出に対しては測定された内
燃機関圧力経過から複数の手段が考えられる。
【0029】第1の手段としては、負荷を圧力差dpの
評価によって求めることである。第2の手段としては1
つ又は複数の圧力積分値の評価によって負荷を検出する
ことである。第3の手段としては適切な圧力値の重み付
けされた値の和を形成することによって負荷を検出する
ことである。この手段は第1の手段を一般化したもので
ある。これらの全ての手法は次のようなことに基づいて
いる。すなわち燃焼室圧力経過は基本的には既知のもの
であり、それぞれ4つのサイクル毎に繰り返されるとい
うことに基づいている。次に前記手法を以下に詳細に説
明する。
【0030】1.圧力差からの負荷検出 圧力差dpの検出のために図2中x2の個所の圧力から
x1の個所の圧力が減算される。この2つの基準個所x
1及びx2は圧縮サイクルにある。基準個所x2には有
利には最も早い点火時期、例えばクランク軸角度の34
0°(以下340°KWと称す)が選定される。基準個
所x1は一方では圧力差値を可及的に大きくするために
基準個所x2から十分に離すべきである。しかしながら
他方では基準個所x1は弁動作ないしはそれに類するも
のによる障害領域にあってはならない。比較的良好な値
としてはクランク軸角度(x)=300°KWであるこ
とがわかっている。2つの基準個所に対する実際的なガ
ス方程式の設定によりガス質量Mが以下の式から得ら
れる。
【0031】MG={p(x1)*V(x1)}/{R
(x1)*T(x1)} MG={p(x2)*V(x2)}/{R(x2)*T
(x2)} また以下の条件が成り立つ dp=p(x2)−p(x1),MG=ML+MK+MR
x2>x1 これにより空気質量は以下のように算出される。
【0032】
【数3】
【0033】この場合前記MKはシリンダにおける燃料
の質量であり、前記MRは残留ガス質量、すなわちシリ
ンダ内に残っているガスの質量である。
【0034】前記式は補正係数fLpkを用いて以下のよ
うに定義することもできる。
【0035】mL=dp*fLpk−mK この補正係数fLpkに対しては以下の式が成り立つ。
【0036】
【数4】
【0037】前記補正係数fLpkはガス温度、容積、ガ
ス定数及び残留ガス質量の関数である。補正係数fLpk
の算出は難しいので有利にはこの補正係数fLpkは、回
転数nと圧力差dpに依存する特性曲線マップにファイ
ルされる。それによりこの補正係数fLpkは制御装置か
ら得られるものとなる。
【0038】補正係数fLpkは内燃機関の動作中一定で
ない特性量、例えばべき乗で表わされるポリトロープ特
性値、ガス定数及び温度等の作用を表している。
【0039】特に簡単で安価な手法として、空気質量が
圧力差から顕現的に算出されるのではなく、点火時期、
燃料噴射時間、及び排ガス再循環率が圧力差と回転数に
依存して直接ファイルされる。
【0040】2.圧力積分値からの負荷検出 燃焼室圧力からの負荷検出の第2の手段は、圧力積分値
Ipxを評価することである。この場合異なる個所の2
つの積分値が形成される。適切な基準個所としてx2=
360°KWとx1=180°KWが可能である。積分
領域I2は平均圧縮圧力を表している。この圧縮圧力は
ガス質量の関数である。この積分領域から平均吸気圧
(これは積分領域I1から求められる)が減算される。
前記積分領域I1もガス質量の関数である。これにより
温度やその他の作用に依存しない相対的な特性量が得ら
れる。
【0041】平均吸気圧は吸気行程における圧力経過に
亘った積分によって求められる。積分限界値として例え
ば360°KW−x2ないし360°KW−x1が可能
である。前記2つの積分領域は図2中に符号I1とI2
示されている。
【0042】図2に示された基準個所は所定の領域内で
変化させることもできる。例えばx2を340°KWに
おきx1を300°KWにおくこともできる。積分領域
1に対する限界値も相応に適合される。また負荷状態
を、最初の360°KW内の上昇圧力領域における2つ
の基準個所の間の圧力積分値から求めることもできる。
【0043】さらに前記圧力積分値を、吸気行程の一部
と圧縮行程の一部の和として形成することも可能であ
る。
【0044】それに対する積分形成は容積を基準として
行われ、これによって負荷特性量IpVが導出される。こ
の特性量は基準個所x1とx2の容積を用いて形成可能
である。基準個所x2=360で基準個所x1=180
ならば、積分値は吸気行程と圧縮行程の和となる。
【0045】圧力積分値と空気質量MLの間の関係も既
に特性曲線マップにファイルされている。この積分形成
によって得られる別の利点は、圧力信号の障害が結果に
全く影響を及ぼさないことである。例えば障害源による
短時間の信号の跳躍は積分によって平均化される。
【0046】ここにおいても特に簡単で安価な手法とし
て、空気質量が圧力積分値から顕現的に算出されるので
はなく、点火時期、燃料噴射時間、及び排ガス再循環率
が圧力積分値と回転数nに依存して特性曲線マップにフ
ァイルされる。
【0047】燃焼室圧力に依存する1つ又は複数の信号
からは負荷の他にも内燃機関の制御に必要となる別の特
性量(例えば回転数等)が制御装置によって求められ
る。前記回転数は2つの圧力最大値の間の時間間隔から
得られるか又はその他の特異的な信号個所から得られ
る。このことは回転数センサが故障したような場合の緊
急時との関係において意味がある。
【0048】3.重み付けされた値の和の形成 負荷の検出ないし内燃機関に供給された空気質量の検出
は、シリンダにおいてクランク軸と同期的に測定された
圧力の重み付けされた値の和を形成することによる圧縮
フェーズの一部の評価か又は全圧縮フェーズの評価によ
っても行うことができる。この和Sは以下の式で現され
る。
【0049】
【数5】
【0050】2つのクランク角度位置xiにおいて測定
されたシリンダ内部圧力p(xi)の和Sの評価は非常
に正確な吸入空気質量の検出を可能にする。なぜならば
例えば安価なセンサ等における場合の比較的僅かな測定
精度や信号のばらつきや特異的な使用による影響等が、
重み付け係数の適切な選択によって考慮されるからであ
る。さらに該当する重み付け係数が0である場合には前
記のような悪影響が抑圧される。
【0051】前記和形成は“インレット閉鎖”と“アウ
トレット開放”との間の領域において取出された全ての
値に及ぶ。この拡張された測定窓は燃焼及び爆発の期間
中の圧力経過の評価を可能にする。この場合重み付け係
数gi=0にすることよって重要でない測定値又は測定
領域が排除される。
【0052】適切に選択されたgi値によって次のこと
が達成される。すなわち圧縮行程中の圧力上昇からシリ
ンダの充填率を求めることが可能となる。
【0053】重み付け係数giの設定に対しては以下の
条件が設定される。
【0054】Σgi=0 又は gi=i−(N−1)/2 この場合前記Nは重要な測定窓における測定値の数であ
る。この周辺条件は計算技術的に非常に簡単なアルゴリ
ズムで表わされる。
【0055】次のような条件、すなわち i=1,2 g1=−1/(x2−x1) のもとでは重み付け係数giに対して以下の式が成り立
つ。
【0056】gi=+1/(x2−x1) 及び S1/2=(p2−p1)/(x2−x1) 前記和S1/2に対しては、前記第1の手段に従って規定
される圧力差からの負荷検出手法が維持される。つまり
重み付けされた値の和形成からの負荷検出の手法は圧力
差からの負荷検出手法の一般化されたものである。
【0057】ここにおいても有利には、空気質量が圧力
差から顕現的に算出されるのではなく、点火時期、燃料
噴射時期ないし時間、及び排ガス再循環率が重み付けさ
れた値の和と回転数の値に依存して特性曲線マップにフ
ァイルされる。
【0058】
【発明の効果】本発明によれば、安価で確実な負荷の検
出が少なくとも1つの燃焼室圧力センサからの出力信号
か又は各シリンダ毎の燃焼室圧力センサからの出力信号
から行うことによって達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための内燃機関の主要な構成
部を概略的に示した図である。
【図2】クランク軸角度に亘ってシリンダ圧力の経過を
示した図である。
【符号の説明】
10 シリンダ 11 圧力センサ 12 制御装置 13 角度センサ 14 歯車リム 15 点火プラ 16 燃料噴射弁 17 排ガスリサイクル弁 18 吸気管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート デンツ ドイツ連邦共和国 シュツットガルト リ ンデンシュピューアシュトラーセ 18 (72)発明者 マルティン クレンク ドイツ連邦共和国 バックナング シュト レーゼマンシュトラーセ 11 (72)発明者 ヴェルナー ヘルデン ドイツ連邦共和国 ゲルリンゲン カッペ ルヴェーク 7 (72)発明者 ヴィンフリート モーザー ドイツ連邦共和国 ルートヴィヒスブルク グルントヴァインベルゲ 14 (72)発明者 マティアス キューゼル ドイツ連邦共和国 コルンヴェストハイム アルディンガー シュトラーセ 28 (72)発明者 ユルゲン ロットラー ドイツ連邦共和国 カールスルーエ フラ ンツ−ハルス−ヴェーク 8 (72)発明者 ラルフ ヴァシェク ドイツ連邦共和国 ブラウンシュヴァイク ケーニヒスシュテーク 22

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の燃焼室内に配設され燃焼圧力
    に依存する出力信号を供給する圧力センサと、クランク
    軸角度を検出するクランク角度センサと、圧力センサの
    出力信号から所定のクランク軸角度のもとで負荷を求め
    る計算装置とを有している、内燃機関における負荷検出
    装置において、 負荷が圧力センサの出力信号の相対値から求められるこ
    とを特徴とする、内燃機関における負荷検出装置。
  2. 【請求項2】 前記負荷は、少なくとも2つの異なる所
    定のクランク軸角度(x1,x2)のもとでの圧力値の
    差から決定される、請求項1記載の内燃機関における負
    荷検出装置。
  3. 【請求項3】 前記負荷は、2つの積分値の差から求め
    られ、該積分値はそれぞれ2つの異なる所定のクランク
    軸角度間での圧力センサからの出力信号の積分によって
    決定される、請求項1記載の内燃機関における負荷検出
    装置。
  4. 【請求項4】 前記負荷は、異なる所定のクランク軸角
    度のもとで測定されたそれぞれ重み付け係数で乗算され
    る複数の圧力値の和から決定される、請求項1記載の内
    燃機関における負荷検出装置。
  5. 【請求項5】 前記重み付け係数は、総てのN個の重み
    付け係数に係る和が0で、さらに重要でない測定値と乗
    算される係数が0となるように選定されるかないしは以
    下の式、 gi=i−(N−1)/2;(i=1,2,…N) が成り立つように選定される、請求項4記載の内燃機関
    における負荷検出装置。
  6. 【請求項6】 重要でない測定値又は測定領域の排除の
    ために複数の順次連続する重み付け係数が0である、請
    求項5記載の内燃機関における負荷検出装置。
  7. 【請求項7】 2つの異なる所定のクランク軸角度又は
    積分領域又は加算領域は、圧力上昇が圧縮フェーズ中に
    生じ該圧力上昇が評価されるクランク軸領域内にあるよ
    うに選定される、請求項2〜6いずれか1項に記載の内
    燃機関における負荷検出装置。
  8. 【請求項8】 “インレット閉鎖”と“アウトレット開
    放”との間の領域において取出された圧力値全てに亘っ
    て和形成が行われる、請求項7記載の内燃機関における
    負荷検出装置。
  9. 【請求項9】 前記計算装置は内燃機関の制御装置であ
    る、請求項1〜8いずれか1項に記載の内燃機関におけ
    る負荷検出装置。
  10. 【請求項10】 空気質量(ML)が前記計算装置によ
    り一般的なガス方程式を考慮するもとで圧力差又は圧力
    積分値から求められる、請求項1〜9いずれか1項に記
    載の内燃機関における負荷検出装置。
  11. 【請求項11】 前記空気質量(ML)は、ガス温度、
    容積、ガス定数、及び残留ガスの関数である補正係数
    (fLPK)を考慮するもとで求められ、ここから求めら
    れた値が回転数及び圧力差に依存する特性曲線マップか
    又は回転数及び圧力積分値に依存する特性曲線マップに
    ファイルされる、請求項1〜10いずれか1項に記載の
    内燃機関における負荷検出装置。
  12. 【請求項12】 前記制御装置に複数の特性曲線マップ
    が記憶されており、該複数の特性曲線マップは負荷(例
    えば空気質量)並びに回転数と圧力差又は圧力積分値と
    の間の結合成分を含んでいる、請求項1〜11いずれか
    1項に記載の内燃機関における負荷検出装置。
  13. 【請求項13】 前記制御装置において、負荷に依存す
    る特性量の1つから圧力差又は圧力積分値が求められ、
    さらに回転数から内燃機関の制御に必要な特性量(例え
    ば点火時期、燃料噴射時間、及び/又は排ガス再循環率
    等)が求められる、請求項1〜12いずれか1項に記載
    の内燃機関における負荷検出装置。
  14. 【請求項14】 燃焼室圧力に依存する圧力センサの出
    力信号から内燃機関の制御のための別の特性量、例えば
    回転数が得られ、該回転数は制御装置において2つの圧
    力最大値の時間的間隔から算出される、請求項1〜13
    いずれか1項に記載の内燃機関における負荷検出装置。
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