JP2002533622A - ピストン式内燃機関のミスファイアの認識方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガス交換弁を操作する電磁アクチュエータを制御するためのエンジン制御装置を備えた火花点火式ピストン型内燃機関のミスファイアを認識するための方法に関し、この方法は、エンジン制御装置によって設定された排気弁の開放時点と実際の開放時点との時間的な差をその都度実際値として検出し、目標値としての設定された許容時間差と比較し、この目標値を下回るときに信号を発生することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、それぞれ１個の開放電磁石と閉鎖電磁石を備えている、ガス交換弁
を操作する電磁アクチュエータを制御するためのエンジン制御装置を備えた火花
点火式ピストン型内燃機関のミスファイアを認識するための方法に関する。

【０００２】 火花点火式ピストン型内燃機関、いわゆるオットーエンジンの場合、特にこの
内燃機関が自動車に組み込まれているときに、いわゆるオンボード診断に高度な
要求がなされる。この要求にはミスファイアの認識も含まれる。このような診断
の実現は従来は、クランク軸で検出された信号による回転不均一性の分析に基づ
いて行われた。しかし、この信号検出は不正確である。なぜなら、特に自動車の
クランク軸の回転不均一性が燃焼異常に依存するだけでなく、道路の凸凹が外乱
として影響を及ぼすからである。

【０００３】 他の方法では、点火プラグのイオン電流測定が行われ、その際検出された値が
分析に使用された。この方法の場合、燃焼をシリンダ内で直接検出することがで
きる。しかし、各々の点火プラグが測定電極を備え、固有の測定回路を設けなけ
ればならないという欠点がある。

【０００４】 本発明の根底をなす課題は、シリンダ内の燃焼から信号を直接導き出し、特別
な測定回路を必要としない、充分な信頼性を有する方法を提供することである。

【０００５】 この課題は冒頭の述べた種類のピストン式内燃機関において本発明に従い、エ
ンジン制御装置によって設定された排気弁の開放時点と実際の開放時点との時間
的な差をその都度実際値として検出し、目標値としての設定された許容時間差と
比較し、この目標値を下回るときに信号を発生することによって解決される。こ
の方法の場合、正常な燃焼の場合シリンダ内圧の変化がミスファイア時の圧力変
化と著しく異なることが利用される。シリンダ内圧が摩擦量として、ばね−質量
−振動体として形成された、ガス交換弁を操作するためのアクチュエータの弁ス
トロークに影響を与えるので、弁ストローク運動の評価によって、エンジン制御
装置の“排気口開放”制御エッジ（タイミングエッジ）から出発して、燃焼が行
われたかどうかの情報を得ることができる。

【０００６】 ガス交換弁の開放のために、エンジン制御装置を介して、設定された時点で閉
鎖電磁石への電流が遮断されるので、閉鎖電磁石に付設された上記の開放ばねは
ガス交換弁を開放方向に動かす。正常燃焼の場合には、排気行程の開始時に高い
シリンダ内圧が燃焼室内に発生する。開放ばねが弁開放時にこのシリンダ内圧に
打ち勝たなければならないので、閉鎖電磁石の電流遮断と弁の開放運動の開始と
の間に時間の遅れが生じる。

【０００７】 しかし、ミスファイアに基づいて燃焼が行われないと、排気行程の開始時のシ
リンダ内圧が低いので、開放ばねはガス交換弁を著しく早く開放することになる
。個々の弁の電磁アクチュエータを制御するエンジン制御装置が多数の制御信号
のために時間に基づく依存関係で構成されているので、エンジン制御装置の範囲
内で、正常燃焼時の実際値と、ミスファイア時のこの実際値を下回る際の値との
時間差を検出することによって直接、信号を発生することができる。この信号は
、時々生じるミスファイアの場合に、エンジン制御装置に属する“エラー処理”
においてオンボード診断装置の範囲内で検出される。実施に応じて、設定された
時間内に検出された所定の数のミスファイアを上回るときに、オンボード診断装
置によってエラー信号を発することができる。例えば計器盤の信号灯によってエ
ラー信号を発することができる。

【０００８】 方法の実現は本発明による方法の第１の実施形では、排気弁に連結された電磁
アクチュエータの可動の部分に付設されたセンサを介して、開放ストローク運動
時の排気弁の実際の運動開始を検出することによって達成される。この方法の場
合、時間に依存して、開放するガス交換弁の変位から直接、燃焼が行われた否か
の情報を読み取ることができる。電磁アクチュエータの閉鎖磁石への電流が遮断
されると、ガス交換弁の運動の一部の遅れが生じる。これは、ガス交換弁が実質
的に開放ばねの撓みによっておよび弁の大きさとシリンダ内圧によって定められ
る圧力レベルから初めて開放可能であることによって生じる。この場合、この遅
延時間は実際値として、電磁アクチュエータに設けられたセンサを介して直接検
出可能である。更に、時間に依存した排気弁の変位は、行程運動中に生じる遅延
時間によっても影響を受ける。この遅延時間は実質的に、反力、すなわち遅延時
間の間に流出するガスによって弁に作用する運動から生じる。正常燃焼を示す、
閉鎖磁石の保持電流の遮断とガス交換弁の運動開始との間の遅延が、制御時間と
仮定のシリンダ内圧に依存して定められると、正常燃焼時に遅延時間から導き出
される実際値は設定可能な限界値を下回ることがあってはならない。しかし、下
回る場合、ミスファイアを生じる。必要なセンサが高分解能の変位センサ、例え
ば渦電流センサとしてアクチュエータに設けられ、例えばアクチュエータのアー
マチュアの案内棒の運動を検出すると合目的である。このような変位センサは磁
石の磁極面に対するアーマチュアの衝突速度を制御するためにアクチュエータに
設けることができる。ミスファイアを認識するための実際値の検出は、エンジン
制御装置を介して行われる、アクチュエータ操作のための電流制御を妨害しない
。なぜなら、この診断のための実際値検出が弁運動の前半で行われ、受け止め開
放磁石の通電の制御が弁運動、ひいてはアクチュエータ運動の後半で行われるか
らである。

【０００９】 本発明による方法の他の実施形では、保持電流を遮断した後、排気弁のアクチ
ュエータの閉鎖磁石の電圧の変化を時間に依存して検出し、目標値のための設定
された電圧最小値を上回るときに信号を発する。この方法の場合、閉鎖磁石の保
持電流を遮断した後で、電圧が先ず最初に低下し、アーマチュアが閉鎖磁石の磁
極面から離れて動きだすときに、電圧が電気誘導過程に基づいて再び上昇すると
いう事実が利用される。正常燃焼時に生じるような高いシリンダ圧力の場合、こ
の離れ動作はゆっくりと行われる。それによって、この上昇の最大値は対応する
時間だけずれる。磁極面からのアーマチュアの遅れた離れ動作により、磁場の状
態がそうこうするうちに変化し、閉鎖磁石のコイルの残留電圧が更に低下し、従
って電圧上昇は比較的に小さい。しかし、ミスファイアに基づいてシリンダ内圧
が低いと、アーマチュアが早くかつ高速で磁極面から離れるので、電圧上昇の最
大値に早く達成し、更に高い値に達する。測定可能な電圧差から、適切な信号を
導き出すことができる。

【００１０】 本発明による方法は、ミスファイアを高度ダイナミクス的に認識するという利
点、すなわちミスファイアがサイクル毎に検出可能であるという利点がある。更
に、ミスファイアのシリンダ毎の認識が可能である。方法の他の利点は、付加的
なセンサを必要とせず、アクチュエータに既に設けられた、衝突速度を制御する
ためのセンサを使用することができるかあるいはエンジン制御装置で検出可能な
電圧変化の値を使用可能であるということにある。他の利点は、本発明による方
法がＩ−タクト−方法、すなわち所定の条件下でエンジン制御装置を介して個々
のシリンダの作動を中断する方法において使用可能であることにある。これは、
シリンダへの燃料供給を停止し、点火装置を停止することによって行われるので
、ピストン式内燃機関は減少した数のシリンダで作動する。この運転方法の場合
、回転の不均一性が大きいので、これからミスファイアを導き出すことは不可能
である。方法は高度ダイナミクス的な負荷ピークの場合にも使用可能である。信
号の検出は弁故障診断およびまたは電流制御のために行わなければならないので
、生じる信号は電子式エンジン制御装置のコンピュータの範囲内で更に利用可能
である。

【００１１】 概略的な図およびグラフに基づいて本発明を詳しく説明する。

【００１２】 図１には、火花点火式ピストン型内燃機関のシリンダＺを概略的に示している
。ピストンＫはガス交換弁１の開放直前の下死点位置の範囲にある。同様に概略
的に示した排気弁１は電磁アクチュエータ２によって操作される。電磁アクチュ
エータ２は実質的に、閉鎖磁石３と開放磁石４からなっている。両電磁石３，４
は互いに間隔をおいて配置されているので、その間で、案内棒５に固定されたア
ーマチュア６が戻しばね７，８の力に抗して移動可能である。この場合、戻しば
ね７はガス交換弁１のための開放ばねとして働き、戻しばね８は閉鎖ばねとして
働く。閉鎖磁石３と開放磁石４は、示唆的に示したアクセルペダル１０によって
設定可能な負荷要求に従って、エンジン制御装置９を介して通電される。エンジ
ン制御装置９には、多数の他の測定データのほかに、エンジン回転数ｎとクラン
ク位置が供給される。このエンジン回転数とクランク位置は、ガス交換弁の電磁
アクチュエータ、点火装置、燃料供給装置等を制御するために必要である。

【００１３】 電磁アクチュエータ２は更に、少なくとも１つのセンサ１１に接続可能である
。このセンサを介して、ガス交換弁の運動が感知される。この場合、図１に示す
ように、例えばアーマチュア６の範囲または閉鎖磁石の上方において、アーマチ
ュア６の案内棒５であるいはガス交換弁のシャフト１で直接的に感知される。

【００１４】 図２には、開放時の排気弁の運動経過が概略的に示してある。この場合、一点
鎖線の曲線１２は普通の燃焼時の運動経過を示し、実線の曲線１３はミスファイ
ア時の運動経過を示している。

【００１５】 時点ｔ_A でエンジン制御装置を介して閉鎖磁石３への保持電流を遮断した後、
開放ばね７がアーマチュア６をガス交換弁１と共に動かすことができように、閉
鎖磁石の残留磁場が時点ｔ₀ で弱まる。時点ｔ_A −ｔ₀ はほぼいわゆる付着時間
に相当する。

【００１６】 普通の燃焼経過の曲線１２から判るように、時点ｔ₁ でアーマチュア６は閉鎖
磁石３の磁極面から離れる。そして、ガス交換弁は時点ｔ₂ で半分の開放ストロ
ークを進み、時点ｔ₃ で完全に開放する。この時点で、アーマチュア６は開放磁
石４の磁極面に接触する。

【００１７】 時点ｔ₂ は図１に示したセンサ１１を介して検出可能である。この場合、セン
サは前述のように、必ずしもアーマチュア６に付設する必要はなく、例えば案内
棒５に付設してもよい。

【００１８】 曲線１３の経過から判るように、ミスファイアの場合、冒頭に述べた状態に基
づいて、アーマチュア６は早い時点ｔ′₁ で閉鎖磁石３の磁極面から離れる。そ
して、これに対応して早い時点ｔ′₂ で半分の開放ストロークを通過し、同様に
早い時点ｔ′₃ で開放位置に達する。

【００１９】 両曲線１２，１３の比較によって判るように、開放過程の際にガス交換弁の運
動は、ミスファイア時のガスの流れの反作用によってわずかしか制動されないの
で、半分のストロークを進んだ後でアーマチュア速度は非常に速くなり、半分の
ストロークを早い時点ｔ′₂ で通過する。アクチュエータの電気的、電磁的およ
び機械的動特性と流れの影響が充分に知られているので、時点ｔ₁ での運動開始
または時点ｔ₂ での中間位置の通過は、ここで必要とされる精度で値として知ら
れている。それによって、ｔ₀ とｔ₁ の間の時間差Δｔ₁ およびまたはｔ₀ とｔ ₂ の間の時間差Δｔ₂ が知られており、方法の目標値として用いることができる
。

【００２０】 ミスファイアが起こると、センサ１１を介して時点ｔ′₁ で運動の開始または
時点ｔ′₂ での中間位置通過が検出される。そして、ｔ₀ とｔ′₁ の間の時間差
Δ′ｔ₁ およびまたはｔ₀ とｔ′₂ の間の時間差Δ′ｔ₂ は、前述の異なる圧力
状態および流れ状態に基づいて短くなる。この短い時間差Δｔ′は実際値として
用いることができる。

【００２１】 正常な燃焼経過の場合でも、モータ運転が常に同じであるとは限らないので、
時間差Δｔ、言わば実際の開放開始、中間位置に関連する時間差は、少しだけ変
化する。従って、ここで、目標値Δｔのために下限値を設定しなければならない
。しかし、実際値の検出時に、この下限値を下回ると、この下回ることがエンジ
ン制御装置で信号検出時にミスファイアと見なされ、処理される。

【００２２】 図３には、開放過程時の閉鎖磁石３の電圧の冒頭に述べた経過が示してある。
破線の曲線１４は普通の燃焼時の電圧変化を時間に依存して示し、実線１５はミ
スファイアの場合の電圧変化を時間に依存して示している。

【００２３】 前述のように、閉鎖磁石３において規則的な時間間隔の保持電流が時点ｔ_A で
遮断され、電圧が系の残留電圧に相応して先ず最初に−Ｕ₀ まで低下する。そし
て、開放ばね７が時点ｔ₁ で残留磁場の力に打ち勝つことができるまで、電流が
流れ去るや否や、アーマチュア６は時点ｔ₁ で動き出す。アーマチュアが弱まる
磁場内でもはや作用せず、電圧が最終的に低下するように、アーマチュアが離れ
るまで、動きだすアーマチュアと電磁石の残留磁気との間の電気誘導的な作用に
基づいて、電圧が再び上昇する。この電圧最大値−Ｕ₁ は時点ｔ₅ で生じる。

【００２４】 ミスファイア時にアーマチュアが非常に早く動き出し、しかも電磁石の残留磁
場が明らかに強い時点ｔ′₁ で動き出すので、動き出すアーマチュアの電気誘導
作用も著しく強い。従って、アーマチュアによって生じた電圧上昇の最大値−Ｕ ₂ は明らかに大きく、そして時間的に早く、すなわち時点ｔ′₅ で達成される。
この時点の後で、電流が大幅に低下する。というのは、前述のように、アーマチ
ュアが保持磁石３から非常に迅速に離れるからである。

【００２５】 図３から判るように、ミスファイア時に保持電流を遮断した後で、電圧上昇の
最大値−Ｕ₂ が早く、すなわち時点ｔ′₅ で達する。しかし、この最大値は最小
値−Ｕ₁ を上回るので、この場合にも、目標値としての、−Ｕ₁ の設定可能な最
小値を上回る際に、−Ｕ₂ に対応する実際値によって、信号がミスファイアを示
す。

【００２６】 電圧変化によってミスファイアを認識する場合にも、目標値として設定可能な
最小値−Ｕ₁ の回避することができない変動について、目標値の許容誤差上限値
が設定されるので、この目標値を上回るときに初めて、ミスファイアが認識され
る。

【００２７】 普通運転時（曲線１４）とミスファイア時（曲線１５）に時間に依存して電圧
の異なる変化が示すときに、−Ｕ₁ と−Ｕ₂ の電圧差のほかに、−Ｕ_min と−Ｕ ₁ の差を目標値として設定することができる。−Ｕ₁ と−Ｕ_min の電圧差の実際
値を上回り、例えば−Ｕ₂ と−Ｕ_min の間の差に達するときに、ミスファイアを
推測することができる。

【００２８】 更に、普通運転で電圧最大値−Ｕ₁ に達するときに、ｔ₀ とｔ₅ の時間差を検
出することにより、および電圧最大値−Ｕ₂ に達するときに、ｔ₀ ｔ′₅ の時
間差を検出することにより、同様にミスファイアを検出することができる。

【００２９】 図２の上記の運動曲線と図３の電圧曲線は常に、アーマチュアとガス交換弁の
系が遊びを有していないということから出発する。これは例えば、このような系
が自動的な弁隙間補償器（弁隙間アジャスタ）を備えているときに達成される。

【００３０】 当該のアクチュエータが自動的な弁隙間補償器を備えていないときには、セン
サを介して実際値と目標値を検出することが合目的である。なぜなら、弁隙間に
基づいて、電圧変化に応じて検出するために必要な残留磁場の低下が既に次のよ
うに進行しているからである。すなわち、普通運転時とミスファイア時に、曲線
経過の差が、申し分のない測定値を導き出すためにもはや充分でないように進行
しているからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ピストン式内燃機関の電磁操作ガス交換弁（排気弁）を概略的に示す。

【図２】 開放時の排気弁の運動経過を示すグラフである。

【図３】 開放時の閉鎖磁石の電圧の変化を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファン デル スタイ・フランク ドイツ連邦共和国、52146 ヴュルゼレン、 アン・デア・ラントヴェーア、18 Ｆターム(参考） 2G087 AA27 BB14 CC38 CC40 3G084 BA23 DA00 EA07 EB22 FA00

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス交換弁を操作する電磁アクチュエータを制御するための
   エンジン制御装置を備えた火花点火式ピストン型内燃機関のミスファイアを認識
   するための方法において、エンジン制御装置によって設定された排気弁の開放時
   点と実際の開放時点との時間的な差をその都度実際値として検出し、目標値とし
   ての設定された許容時間差と比較し、この目標値を下回るときに信号を発生する
   ことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 排気弁に連結された電磁アクチュエータの可動の部分に付設
   されたセンサを介して、開放ストローク運動時の排気弁の実際の運動開始を検出
   することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 保持電流を遮断した後、排気弁のアクチュエータの閉鎖磁石
   の電圧Ｕの変化を時間に依存して検出し、目標値Ｕ₁ のための設定された電圧最
   小値を上回るときに信号を発することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 最低電圧値の設定の代わりに、最小電圧差が目標値として設
   定されることを特徴とする請求項３記載の方法。