(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力を検出する圧力に感応する測定要素（５）を有する、中空空間内におけるガスの、とくに内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の、圧力及び温度を判定する装置において、圧力に感応する測定要素（５）が、さらに超音波パルスのための送信及び受信要素として構成されており、かつ温度が、所定の区間に沿った超音波パルスの伝搬時間を介して判定されていることを特徴とする、中空空間内におけるガスの圧力及び温度を判定する装置。
【請求項２】
中空空間内におけるガスの圧力及び温度を判定する装置を含む点火プラグであって、圧力に感応する測定要素（５）を有するものにおいて、圧力に感応する測定要素（５）が、さらに超音波パルスのための送信及び受信要素として構成され、温度が、所定の区間に沿った超音波パルスの伝搬時間を介して判定されることを特徴とする、点火プラグ。
【請求項３】
測定要素（５）が、種々の時点に一方において圧力測定要素としてかつ他方において超音波変換器要素として制御され、又は連続的に圧力測定要素としてかつこれに重畳して追加的に超音波変換器要素として制御され、後者の場合に、測定要素出力信号の圧力測定信号及び重畳された超音波伝搬時間測定信号が、評価ユニット（８）によって互いに切離すことができるようにする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の点火プラグの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の、中空空間内におけるガスの、とくに内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の、圧力及び温度を判定する装置、及びこのような装置の動作方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の圧力及び温度を判定する装置は周知であり、これらの装置は、それぞれ自立したセンサ構成部分として、圧力を検出する圧力測定センサ、及びこれから切離して温度を検出する温度測定センサを有する。燃焼室における燃料／空気混合気の圧力及び温度の判定は、機関内部の過程を検出し又は監視するために、とくに機関の負荷を判定するために使われる。定常的な機関動作における機関負荷は、絞り弁角度の測定、吸入管内の温度測定に関連して相応して配置された圧力センサによる吸入管圧力測定、又は高熱フィルム空気質量測定器による空気質量測定を介して、比較的正確に検出することができるが、一方非定常動作において、吸入管の充填効果、弁交差段階における残留ガスの逆流効果及び吸入管内の脈動に基づいて偏差が生じる。
【０００３】
シリンダ圧力センサの、すなわち機関シリンダのそれぞれの燃焼室内に配置された圧力センサの使用により、圧縮段階における圧力経過を評価することによって、入口弁を閉じた後の燃焼室内における空気質量が判定でき、その際、非定常効果は生じない。そのためにシリンダ装入を計算するために、理想のガス式が利用され、その際、この式内に入る絶対圧力は、ピシンゲルによる熱力学的なゼロ点修正によって又は入口弁の閉じる直前における吸入管圧力適応によって、定義されたクランク角度位置においてシリンダ圧力測定によって検出された相対圧力によって検出することができる。燃焼室容積は、クランク角度関係及び機関に固有のデータを介して計算することができる。さらに理想のガス式に入るガス定数は、既知であり、かつ圧縮段階の間にほぼ一定と考えることができる。この時、なお追加的に燃焼室内の温度が測定されるとき、それにより装入質量は、理想のガス式によって判定することができる。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０１０６０９号明細書に、内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の圧力及び温度を判定する装置が提案され、この装置は、点火プラグの統合された部分を形成しており、この点火プラグは、管状の絶縁体内に配置された中空区間を含む中心電極を有し、この中空区間は、サーモエレメントを囲み、このサーモエレメントは、中心電極の前側端部の温度を、したがって燃焼室温度を検出する。さらに点火プラグは、周面ハウジングの外面の回りに保持座を含む金属周面ハウジングを有する。保持座にリング状の圧力センサが、シリンダヘッド内における燃焼室圧力を検出するように配置されており、その際、圧力センサは、点火プラグを内燃機関のシリンダヘッドに固定的に結合するとき、保持座とシリンダヘッドの間に中間層として配置されている。
【０００５】
このような及び類似のサーモエレメントを利用する代わりに、超音波伝搬時間測定を介して内燃機関の燃焼室内における燃料空気混合気の温度を判定することは周知であり、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４４２０７８号明細書、及び雑誌の論文、Ｊ．Ｃ．Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ他、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｍｅｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｈａｍｂｅｒ、Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、第２６巻、第５号、１９５４年、９月、第８２４頁、及びＧ．Ｈｏｈｅｎｂｅｒｇ、Ｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ−Ｍｅｓｓｖｅｒｆａｈｒｅｎ  ｄｕｒｃｈ  Ｌａｕｆｚｅｉｔｍｅｓｓｕｎｇ  ｖｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｉｍｐｕｌｓｅｎ−ｅｉｎ  ｎｅｕｅｒ  Ｗｅｇ  ｚｕｒ  Ｅｒｆａｓｓｕｎｇ  ｉｎｎｅｒｍｏｔｏｒｉｓｃｈｅｒ  Ｖｏｒｇａｎｇｅ、Ａｕｔｏｍｏｂｉｌ−Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅ  ２／７５、第２５頁を参照されたい。初めに挙げた論文に、内燃機関の燃焼室内における燃料空気混合気の圧力及び温度を判定する装置が開示されており、この装置は、超音波伝搬時間測定装置の他に、燃焼室圧力を検出する自立した分離した圧力測定要素を含んでいる。後に挙げた論文に、ガス定数、一定圧力及び一定容積における熱容量の商及び温度だけに依存するガスの音速に関する既知の関係を利用して、超音波伝搬時間測定から温度を検出する基本方式が記載されており、その際、測定された伝搬時間から音速を計算するために必要な距離は、機関に固有の幾何学的データから、例えばクランク角度の関係を利用して判定することができる。この論文において、超音波伝搬時間測定装置を実現するために、利用すべき超音波変換器を所属のハウジング内に収容し、かつ点火プラグのように、シリンダヘッド内にねじ込むことが提案される。
【０００６】
ＰＣＴ出願公開第ＷＯ９１／１９９６６号明細書に、内燃機関の燃焼室のための圧力及び熱流センサが記載されており、ここではピエゾ電気要素として構成できる圧力センサ要素、及び２つの温度センサからなる熱流センサ要素が、共通のハウジング内に統合されている。
【０００７】
比較的コンパクトな構成において、中空空間におけるガスの、とくに内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の圧力及び温度の確実な判定を可能にする初めに挙げたような装置、及びそのために適した動作方法を提供することが、技術的な問題として本発明の基礎になっている。
【０００８】
（発明の開示）
本発明は、請求の範囲第１項の特徴を有する装置、及び請求の範囲第３項の特徴を有する方法を提供することによって、この問題を解決する。
【０００９】
請求の範囲第１項に記載の装置は、圧力測定のために及び超音波変換器要素として超音波伝搬時間測定による温度判定のために使われる測定要素を有する組合わされた圧力センサ及び超音波変換器ユニットを含んでいる。１つの測定要素への圧力及び温度測定機能のこの統合により、装置はきわめてコンパクトに構成することができ、かつそれ故に問題なく例えば内燃機関の燃焼室に配置することができる。それぞれ１つの独自の圧力センサ及び温度センサの分離した取付けは不要である。この装置により、既知の寸法の中空空間におけるガスの圧力及び温度は、請求の範囲第３項に記載の方法にしたがって判定することができる。内燃機関の燃焼室におけるこの装置の取付けによって、それぞれ燃焼室内にある空気質量は、理想のガス式及び燃焼室圧力及び燃焼室温度に対する測定値の助けにより、非定常的な機関動作段階においても比較的正確に計算することができる。
【００１０】
請求の範囲第２項にしたがって変形された装置において、組合わされた圧力センサ及び超音波変換器ユニットは、点火プラグの統合された構成部分であり、かつそれ故にいずれにせよ点火プラグのために設けられた組込み空間の他に、燃焼室壁に圧力及び温度センサ要素を取付けるためのそれ以上の所要場所を必要としない。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の有利な構成は、図面に示されており、かつ次に説明する。
【００１２】
図にブロック図の形にして概略的に示された装置は、とくに自動車の内燃機関のそれぞれの燃焼室内における燃料／空気混合気の圧力及び温度を判定するために利用することができる。ガス定数Ｒ、ガス温度Ｔ、及び他方において温度Ｔだけに依存する一定の圧力における熱容量ｃｐ及び一定の容積における熱容量ｃｖの商κ、すなわちκ（Ｔ）＝ｃｐ（Ｔ）／ｃｖ（Ｔ）の関数として音速ａに対する関係ａ＊２＝κ・Ｒ・Ｔを介して、既知の伝搬長さの、すなわち距離の超音波伝搬時間測定によって、温度を検出することができる。伝搬長さは、例えばクランク角度関係及び機関に固有のデータを介して計算することができる。圧力は、直接センサによって検出される。
【００１３】
図に、往復ピストンタイプの自動車内燃機関のシリンダ１が概略的に示されており、このシリンダの燃焼室２内に、吸入経路３及び入口弁４を介して適当な燃料／空気混合気が導入でき、この混合気は、上から燃焼室２内に突出した点火プラグ５によって点火される。燃焼室２内の燃焼プロセスによって生じる排気ガスは、出口弁６及びそれに続く排気ガス経路７を介して放出される。点火プラグ５は、特徴的に詳細に図示しない組合わせ圧力センサ及び超音波変換器ユニットの形の燃焼室２内に導入される燃料空気混合気の圧力及び温度を判定する装置を含み、この圧力センサ及び超音波変換器ユニットは、制御可能なピエゾ電気センサ板片の形の１つの測定要素を有する。このピエゾ電気センサ板片は、相応して制御した場合、圧力測定のため、及び超音波変換器機能において超音波を送信しかつ受信するために使うことができる。制御は、圧力及び温度判定装置の制御ユニット８を介して行なわれ、その際、この制御ユニット８は、例えば機関制御装置の統合構成部分であることができる。
【００１４】
このようにしてピエゾ電気センサ板片を介して、圧力が、及びセンサ板片から送出されかつ受信される超音波の超音波伝搬時間測定により、燃焼室２内のガスの温度が判定でき、そのためにシリンダ１にそれぞれ１つの自身の圧力及び温度センサを配置し、又は点火プラグ５又は燃焼室２に接触する別の構成部分にそれぞれ１つの自身の圧力及び温度測定センサ要素を統合する必要もない。圧力及び超音波伝搬時間測定を実施するために、とくに次の両方の方法が提供される。
【００１５】
第１の可能な処置様式によれば、制御ユニット８は、所定の時間間隔を置いて短い超音波伝搬時間測定を引起こすが、一方この制御ユニットは、残りの時間に圧力測定要素としてピエゾ電気センサ板片を制御する。それぞれの超音波伝搬時間測定の初めに、制御ユニット８は、図に図式的に示すように、典型的な超音波パルス９を送出するために、点火プラグ５内におけるピエゾ電気センサ板片を制御する。続いてピエゾ電気センサ板片は、その超音波変換器機能において図に同様に図式的に示された往復ピストン１１の対向する底部１０から反射された超音波パルス１２を検出する。超音波パルスの伝搬時間を反映する励起パルス９に対して相対的なこの反射パルス１２の時間的なずれｄｔから、制御ユニット８は、まず燃焼室２内におけるガスの音速を判定する。そのためにこの制御ユニットは、ピエゾ電気センサ板片から反射するピストン底部１０までの距離を必要とし、この距離は、既知のクランク角度関係、すなわち伝搬時間測定の時点におけるクランク軸の、したがってピストン１１の位置を介して、かつとくに機関幾何学的構造に関する機関固有の既知のデータを介して計算することができる。この時、制御ユニット８は、音速からこれら両方の量の間の前記の既知の関係により、燃焼室２内におけるガスの温度を検出する。理想のガス式を利用して、この時、検出された圧力及び温度値により同様に前記のように、燃焼室２内の空気質量が判定でき、その際、測定過程、したがって空気質量の判定は、なるべく入口弁４を閉じた後の圧縮段階の間に行なわれる。なぜならこの時、場合によっては存在する非定常効果が現われないからである。
【００１６】
超音波伝搬時間測定の終了の後に、ピエゾ電気センサ板片は、この第１の方法変形において再び燃焼室圧力の測定のために利用される。これらの圧力測定段階においてセンサ板片は、適当な圧力測定周波数で励起され、かつ図に再び図式的に示された得られた圧力測定信号１３は、燃焼室圧力を得るために、なるべくソフトウエアとして実現される適当な制御ユニット８の燃焼室圧力評価部１４によって評価される。
【００１７】
圧力及び超音波伝搬時間測定の第１のものに代わる第２の処置様式は、ピエゾ電気センサ板片を定常的に圧力測定周波数によって励起し、かつそれ故にこれを連続的に圧力測定要素として使用し、かつ所望の時点に燃焼室圧力測定信号に追加的に超音波励起信号を重畳することにある。このようにしてセンサ板片は、当該の時点に同時に圧力測定要素としてかつ超音波変換器要素として使用される。その際、燃焼室圧力測定信号は、励起された及び反射された超音波信号によって重畳される。制御ユニット８においてこの場合、適当な信号処理が実行され、それによりセンサ板片のこの出力信号から、本来の燃焼室圧力測定信号及び励起された及び反射された超音波信号が互いに切離され、かつその後、圧力及び超音波伝搬時間判定のために評価することができる。検出された超音波伝搬時間から制御ユニット８は、この時再び、燃焼室ガスの、すなわち燃料／空気混合気の温度を推論することができる。この処置様式によって２つの超音波励起の間に相応して短い間隔を選択した際、燃焼室２内におけるガスの圧力及び温度の擬似的に連続した判定が可能である。第１の方法変形について記載したように、第２の方法変形においても同様に圧力及び温度判定から、動作サイクルあたりの燃焼室２内の空気質量が、したがって機関負荷が、定常的な場合だけでなく、まさしく非定常的な機関動作の際にも比較的正確に検出することができる。
【００１８】
（産業上の利用可能性）
本発明による装置及び本発明による方法は、内燃機関の燃焼室内におけるガスの圧力及び温度を判定するためだけでなく、既知の寸法の中空空間内にある任意のガスの圧力及び温度を判定するために適していることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の燃焼室内における燃料／空気混合気の圧力及び温度を判定する装置の概略的なブロック図である。
【符号の説明】
１  シリンダ
２  燃焼室
５  点火プラグ
８  制御ユニット
【図１】
0003593655.tif 000002